葉振環(huán)，陳大云，付 娟，朱正龍，汪玉蘭

（遵義師范學院 工學院，貴州 遵義563006）

中國獼猴桃種植面積廣大，主要依靠人工采摘，不僅浪費時間和體力，而且采摘效率較低，反而導致了獼猴桃生產(chǎn)成本的增加，所以無法形成產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。因此利用機械自動化采摘不僅可以提高采摘效率還能減少果農(nóng)的勞動力和勞動成本，也可以解決由于人口老齡化和勞動力缺乏對林果不能及時采摘造成的影響。其中，可展平臺的作用在于可將采摘機構(gòu)升到一定的高度。目前對于可展機構(gòu)的研究多集中在升展機構(gòu)上，主要包括固定式、移動式形式，而剪叉式伸展機構(gòu)因為其結(jié)構(gòu)簡單、易于操作、運行穩(wěn)定等優(yōu)點而被廣泛應用。為此，國內(nèi)外的很多專家學者對剪叉式伸展機構(gòu)進行了多方面的分析與研究[1-3]。國內(nèi)主要研究方向集中在運動仿真、力學性能分析和強度校核等方面，國外的研究主要集中在升降機構(gòu)的材料性能、穩(wěn)定性和操作的安全性等方面。

1 整體結(jié)構(gòu)設計

可展機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式有單叉式結(jié)構(gòu)、雙叉式結(jié)構(gòu)。雙叉式相比單叉式較穩(wěn)定，但雙叉式結(jié)構(gòu)復雜、制造困難、成本高，主要適合升降高度較高的場合；單叉式可展機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低、反應靈敏，適合對升降高度要求不高的場合。結(jié)合獼猴桃采摘作業(yè)升降高度較低、穩(wěn)定性較好的需求，從經(jīng)濟實用性角度考慮，采用單叉式結(jié)構(gòu)。同時，對其滑動鎖死結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，導軌裝配如圖1 所示，齒形定位裝置如圖2 所示，導軌采用5 號C 型槽鋼制作，一端采用孔軸來固定剪叉架，另一端采用齒形槽來防止過載滑動并精確定位。

在驅(qū)動方式方面，目前主要包含液壓傳動、電機絲桿傳動兩種方式。其中，液壓驅(qū)動具有工作較平穩(wěn)、反應快、易于實現(xiàn)快速啟動等優(yōu)點，但存在傳動過程有能量損失、容易發(fā)生油泄漏、結(jié)構(gòu)較復雜、成本高[4]等缺點；電機絲桿驅(qū)動具有傳動效率高、零件具有較長的使用壽命、高精度、運動平穩(wěn)、反應靈敏、結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、不需經(jīng)常維修[5]等特點。綜合獼猴桃采摘對于穩(wěn)定性較好、傳動效率高和成本低等方面的要求，選用電機絲桿驅(qū)動方式。

圖1 導軌裝配示意

圖2 齒形定位裝置

綜合上述分析，獼猴桃采摘機械可展升降平臺整體結(jié)構(gòu)設計如圖3 所示。

圖3 單叉式可展升降平臺的整體結(jié)構(gòu)

2 基本尺寸計算

剪叉結(jié)構(gòu)如圖4 所示，臺面長度A、剪叉中心距L中計算如下：

式（1）中：C1為固定鉸耳側(cè)距離；C2為滾輪側(cè)距離；α為剪叉與平臺夾角。

圖4 剪叉結(jié)構(gòu)示意

可展升降平臺的最大舉升高度H，剪叉數(shù)量n計算如下：

式（2）中：Hs為單個剪叉的最大舉升高度；αmax、αmin分別表示完全展開狀態(tài)和折疊狀態(tài)下臂叉與平臺的夾角；n、H、αmax和αmin需根據(jù)實際的可展機構(gòu)最大展開高度Hb和折疊高度Ha聯(lián)合求解。

采摘獼猴桃果實的具體工作條件：栽培的獼猴桃果樹平均高1.8 m，為保證該升降機構(gòu)運行穩(wěn)定、可靠性好，平臺尺寸設定為長850 mm，寬500 mm，折疊高度Ha=500 mm，最大展開高度Hb=1 500 mm。可以計算獲得剪叉中心距L中=650 mm，n=4，αmax=61°，αmin=15°。同時，還可根據(jù)剪叉運動的三角函數(shù)關系確定絲杠機構(gòu)的最大水平運動距離為317.5 mm。最后，考慮剪叉兩頭倒角，取端頭直徑50 mm，確定剪叉桿長為700 mm。

3 結(jié)構(gòu)可靠性分析

采用ANSYS 軟件進行靜力學分析，考慮可展機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)對稱性，選取1/2 對稱模型開展分析對結(jié)果影響不大。選擇六面體網(wǎng)格進行映射網(wǎng)格劃分，總網(wǎng)格量為157 萬，節(jié)點數(shù)38 萬，劃分完成的有限元模型如圖5 所示。

圖5 可展升降機構(gòu)的有限元分析模型

底部固定約束，頂部均布質(zhì)量，整體承受標準重力場。根據(jù)各部件之間的真實連接關系，分別采用綁定和不分離約束進行連接，并設定對稱約束。通過求解獲得的整體應力分布如圖6 所示。

圖6 結(jié)構(gòu)整體應力分布情況

從圖6 可以看出，剪叉式升降機構(gòu)受到的最大應力為161.5 MPa，最小應力為3.93 MPa。其中，最大應力出現(xiàn)在自下而上第二排交叉板與軸桿的連接位置處，如圖7 所示。

圖7 第二排剪叉架應力分布情況

整個可展機構(gòu)的結(jié)構(gòu)變形情況如圖8 所示，最大變形量約為1.2 mm。

圖8 剪叉架的變形分布

通過分析表明，設計完成的可展升降機構(gòu)最大應力小于材料許用應力，變形小于運動距離的1%，因此設計滿足可靠性要求。

4 結(jié)論

通過對目前可展機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式和驅(qū)動方式的分析，完成了可展升降機構(gòu)的總體結(jié)構(gòu)設計，并結(jié)合獼猴桃果實采摘的具體工作條件計算確定具體尺寸，運用ANSYS Workbench開展了靜力學仿真分析，分析結(jié)果表明應力和變形均滿足可靠性要求。