盧煜海，曾昭文，馬俊生，馬桂香

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧　530004)

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多自由度自鎖式香蕉收割機(jī)的設(shè)計(jì)與仿真

盧煜海，曾昭文，馬俊生，馬桂香

(廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧530004)

摘要：針對(duì)大規(guī)模香蕉種植基地香蕉收割機(jī)具的研發(fā)比較缺乏的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種多自由度自鎖式香蕉收割機(jī)。該機(jī)主要由動(dòng)力系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)及收割系統(tǒng)等組成，手動(dòng)與電動(dòng)混合操作方式，既可作為收割機(jī)，同時(shí)又可作為小型運(yùn)輸機(jī)及牽引機(jī)使用。采用三維造型軟件SolidWorks對(duì)其建立模型，并對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)仿真。結(jié)果表明：該機(jī)設(shè)計(jì)滿足工作要求，可為其他類似農(nóng)作物收割機(jī)具的設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：香蕉收割機(jī)；自鎖；多自由度；SolidWorks

0引言

香蕉味香，富于營養(yǎng)，廣泛種植于我國臺(tái)灣、海南、廣東、廣西等地區(qū)。其按株高大致可分為矮型、中型和高型香蕉樹。矮型株高一般不及2m，中型株高在3.5m左右，高型株高可達(dá)4～5m。一般一株香蕉結(jié)果10～20串，約為50～150個(gè)。目前，對(duì)于大規(guī)模香蕉種植基地勞動(dòng)最集中的環(huán)節(jié)—香蕉收割與基地運(yùn)輸，通常采取的是人工鐮刀收割、肩挑運(yùn)出基地方式。人工作業(yè)方式不僅局限于矮型株高，而且勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低，只適合小規(guī)模分散香蕉種植的收割和運(yùn)輸。對(duì)于大規(guī)模香蕉種植基地，香蕉樹種豐富，株高從矮型到高型，植株規(guī)劃整齊，人工收割與人工運(yùn)輸方式顯然與之不相適應(yīng)；而目前對(duì)于香蕉收割機(jī)具的研發(fā)又比較缺乏，制約了香蕉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

基于上述原因，設(shè)計(jì)了一種適用于大規(guī)模香蕉種植基地的多自由度自鎖式香蕉收割機(jī)。該機(jī)由蓄電池給直流電機(jī)提供主動(dòng)力源，可多自由度運(yùn)動(dòng)且自鎖，收割對(duì)象包括從矮型到高型香蕉樹種，也可作為小型運(yùn)輸機(jī)或牽引機(jī)，顯著降低了香蕉收割勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，改善了香蕉產(chǎn)業(yè)的機(jī)械化水平。

1工作原理

多自由度自鎖式香蕉收割機(jī)主要由動(dòng)力系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)及收割系統(tǒng)等部分組成。動(dòng)力系統(tǒng)為收割機(jī)的前行提供動(dòng)力，進(jìn)給系統(tǒng)把收割系統(tǒng)輸送到所要作業(yè)的位置，收割系統(tǒng)對(duì)香蕉進(jìn)行收割。該收割機(jī)的下半機(jī)身設(shè)計(jì)有空間，可放置收割后的香蕉，對(duì)其進(jìn)行小量運(yùn)輸，同時(shí)可作為小型牽引機(jī)使用，如圖1所示。

圖1　多自由度自鎖式香蕉收割機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

2設(shè)計(jì)方案

2.1動(dòng)力系統(tǒng)

多自由度自鎖式香蕉收割機(jī)的前行動(dòng)力由蓄電池為直流電機(jī)提供。電機(jī)的輸出端通過平鍵與小鏈輪連接，大鏈輪通過平鍵固定在大輪車軸中間；為防止其左右竄動(dòng)，在大鏈輪圓套上開有限位孔，大鏈輪通過限位螺釘固定在大輪車軸限位孔上，大鏈輪與小鏈輪之間通過鏈條連接。電機(jī)啟動(dòng)按鈕安裝在收割機(jī)推手左邊，同時(shí)設(shè)計(jì)了換速擋，可根據(jù)路況換速。收割機(jī)的大車輪采用工業(yè)定向腳輪，小車輪采用工業(yè)萬向輪，方便調(diào)控收割機(jī)前進(jìn)方向。傳動(dòng)設(shè)計(jì)采用鏈傳動(dòng)方式的原因在于：鏈傳動(dòng)整體尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、承載力高，作用于軸上的徑向力小，能在低速、重載、高溫、潮濕及灰土飛揚(yáng)的等惡劣環(huán)境中工作，適用于香蕉種植基地這種經(jīng)常受到土塊、泥漿和瞬時(shí)過載等影響的環(huán)境，如圖2所示。

圖2　鏈傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2進(jìn)給系統(tǒng)

多自由度自鎖式香蕉收割機(jī)在各自由度方向上的進(jìn)給采用手動(dòng)方式。進(jìn)給系統(tǒng)在X方向上進(jìn)給負(fù)載比較大，要求結(jié)構(gòu)牢固、快速進(jìn)給，安裝精度要求不高。由于齒輪傳動(dòng)負(fù)載大、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)采用開式齒輪齒條傳動(dòng)方式。在進(jìn)給系統(tǒng)底部安裝固定軸，固定軸與深溝球軸承連接。通過齒輪齒條嚙合，驅(qū)動(dòng)軸承在導(dǎo)軌上滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)的X方向進(jìn)給。

進(jìn)給系統(tǒng)在Y方向上的進(jìn)給負(fù)載小，要求結(jié)構(gòu)緊湊、一般安裝精度。由于螺旋傳動(dòng)主要應(yīng)用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，工作速度不高，同時(shí)傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，以較小的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大的軸向推力，而且有自鎖能力。因此，設(shè)計(jì)采用螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)螺母移動(dòng)的螺旋傳動(dòng)方式。在進(jìn)給系統(tǒng)底部邊框上固定安裝螺桿，在Y方向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的底部橫桿固定安裝螺母，Y方向進(jìn)給機(jī)構(gòu)底部安裝固定軸，固定軸與深溝球軸承連接；通過螺旋傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)軸承在導(dǎo)軌上滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)的Y方向進(jìn)給。

進(jìn)給系統(tǒng)在Z方向上進(jìn)給負(fù)載變化，要求結(jié)構(gòu)緊湊牢固、進(jìn)給大、進(jìn)速快、一般安裝精度。由于剪叉升降機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定、負(fù)載寬泛、縱向尺寸小、對(duì)稱結(jié)構(gòu)放大平行位移，以及結(jié)合低速、以較小轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生較大軸向推力而且有自鎖能力的螺旋傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)采用剪叉升降—螺旋傳動(dòng)復(fù)式結(jié)構(gòu)。剪叉機(jī)構(gòu)的外剪桿底端通過通過鉸鏈固定在Y向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的邊框上，內(nèi)剪桿底端通過轉(zhuǎn)軸與深溝球軸承連接，外剪桿與內(nèi)剪桿中間用轉(zhuǎn)軸連接。在Y向進(jìn)給機(jī)構(gòu)左邊框和中間豎梁上固定安裝螺桿，在螺桿兩側(cè)設(shè)計(jì)安裝導(dǎo)桿。移動(dòng)橫桿中心開螺孔與螺桿旋合，螺孔兩側(cè)開導(dǎo)孔與導(dǎo)桿配合。移動(dòng)橫桿的兩端設(shè)計(jì)固定軸與深溝球軸承連接。在內(nèi)剪桿下半段合適位置設(shè)計(jì)導(dǎo)軌，移動(dòng)橫桿兩端連接的軸承在所設(shè)計(jì)導(dǎo)軌上滾動(dòng)。通過螺旋傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)橫桿，移動(dòng)橫桿通過兩端軸承在導(dǎo)桿上滾動(dòng)驅(qū)動(dòng)剪叉機(jī)構(gòu)的內(nèi)剪桿向鉸鏈運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)的Z方向進(jìn)給。導(dǎo)桿與導(dǎo)孔的設(shè)計(jì)增強(qiáng)了剪叉機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中的平穩(wěn)性，同時(shí)在內(nèi)雙剪桿、外雙剪桿的末端處加裝橫桿加強(qiáng)剪叉機(jī)構(gòu)自身的牢固性。進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3收割系統(tǒng)

收割系統(tǒng)設(shè)計(jì)在收割機(jī)頂部剪叉機(jī)構(gòu)支撐搭建的作業(yè)平臺(tái)上，主要包括刀具、電機(jī)、導(dǎo)軌、空心滑桿及扶手等，如圖4所示。

圖4　收割系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

導(dǎo)軌通過鉸鏈固定在平臺(tái)中間橫梁上，可在一定角度范圍內(nèi)繞鉸鏈旋轉(zhuǎn)，平臺(tái)邊沿架設(shè)有導(dǎo)軌支撐件?？招幕瑮U兩側(cè)設(shè)計(jì)有伸出軸，伸出軸與深溝球軸承連接，通過手柄的推拉，滑桿可在導(dǎo)軌上滑動(dòng)；導(dǎo)軌兩端設(shè)有限位螺釘，限定滑桿的運(yùn)動(dòng)范圍，導(dǎo)軌的旋轉(zhuǎn)與滑桿的伸縮配合，可實(shí)現(xiàn)較大范圍的香蕉收割作業(yè)?；瑮U頭端上面安裝小型直流電機(jī)，電機(jī)外設(shè)保護(hù)殼，輸出端與刀具連接。電機(jī)操作按鈕設(shè)置在手柄內(nèi)側(cè)處。導(dǎo)軌尾端設(shè)計(jì)輔助扶手，方便導(dǎo)軌的旋轉(zhuǎn)控制。

3螺桿-交叉復(fù)合結(jié)構(gòu)升限運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

多自由度自鎖式香蕉收割機(jī)最主要特征在于覆蓋從矮型到高型香蕉樹種的收割作業(yè)，其實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)為剪叉升降-螺旋傳動(dòng)復(fù)式結(jié)構(gòu)，因此有必要對(duì)其升限做相關(guān)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

3.1軌跡分析

剪叉機(jī)構(gòu)原動(dòng)件為移動(dòng)橫桿，螺桿結(jié)構(gòu)原動(dòng)件為螺桿。設(shè)螺桿螺距為a，在OA段距O點(diǎn)x處取點(diǎn)B，該點(diǎn)為移動(dòng)橫桿兩端軸承相對(duì)于內(nèi)剪桿的移動(dòng)軌跡。內(nèi)剪桿初始相位角為α，最高升限相位角為β，以固定鉸鏈端圓心O為直角坐標(biāo)系原點(diǎn)，水平方向?yàn)閤軸，豎直方向?yàn)閥軸。設(shè)A點(diǎn)初始位置坐標(biāo)為(xA，yA)，則B點(diǎn)坐標(biāo)(xB，yB)及C點(diǎn)坐標(biāo)(xC，yC)為所要求解軌跡點(diǎn)，如圖5所示。

圖5　軌跡點(diǎn)坐標(biāo)圖

3.2軌跡方程

(1)

(2)

Δx=nP

(3)

式中l(wèi)—桿長(mm)；

α—初始位置夾角(°)；

β—到位位置夾角(°)；

n—進(jìn)給旋轉(zhuǎn)圈數(shù)；

P—螺桿螺距(mm)。

由式(2)、式(3)可得

(4)

將式(4)代入式(1)可得

(5)

對(duì)于B點(diǎn)軌跡與進(jìn)給量關(guān)系，建立解析方程為

(6)

(7)

將(式4)代入式(6)、式(7)式可得

(8)

(9)

xC=-960cosθ

yC=960sinθ

3.3軌跡仿真

B點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6所示。隨著螺旋的進(jìn)給，B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)為非均勻變化的橢圓弧運(yùn)動(dòng)。

圖6　B點(diǎn)軌跡圖

C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖7所示。隨著螺旋的進(jìn)給，C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為非均勻變化的圓弧運(yùn)動(dòng)。

圖7　C點(diǎn)軌跡圖

剪叉機(jī)構(gòu)的升限與螺桿機(jī)構(gòu)的進(jìn)給相互間的關(guān)系如圖8所示。

圖8　升限-進(jìn)給關(guān)系圖

從圖8還可看出：隨著進(jìn)給的增加，剪桿升高的速率越來越慢(即加速度是收斂的)，這有利于收割機(jī)的平穩(wěn)性。

4結(jié)論

該多自由度自鎖式香蕉收割機(jī)是一種新型的裝備，操作簡(jiǎn)單，以電動(dòng)為主，大大減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。收割機(jī)除滿足收割需求外，還可用作小型運(yùn)輸機(jī)及牽引機(jī)使用。收割系統(tǒng)擁有2自由度，使收割作業(yè)有很大操作空間，可應(yīng)對(duì)復(fù)雜的收割環(huán)境。剪叉升降—螺旋傳動(dòng)復(fù)式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不但使收割機(jī)在Z方向上具有很大的升降空間，同時(shí)可為收割機(jī)構(gòu)搭建一個(gè)活動(dòng)式工作平臺(tái)，且其上升加速度是收斂的，這有利于收割機(jī)整體的穩(wěn)定。

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Design and Simulation of Banana Harvester with Multi Degree of Freedom and Self Looking

Lu Yuhai, Zeng Zhaowen, Ma Junsheng, Ma Guixiang

(College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Abstract：Due to the lack of research and development for large banana planting base of banana harvesting equipment, a multi degree of freedom and self-locking banana harvester was designed. The machine is mainly composed of a power system, a feeding system and a harvesting system. Manual and electric mixed mode of operation. It not only can be used as a harvester, also can be used as a small transport or traction machine. Using three-dimensional modeling software SolidWorks to establish model and simulate the motion of key structure, the results show that the design meets the requirements. Design of banana harvester with multi degree of freedom and self locking can be provided as a reference to other similar crop harvesting machinery.

Key words：banana harvester; self locking; multiple degrees of freedom; SolidWorks

文章編號(hào)：1003-188X(2016)02-0106-04

中圖分類號(hào)：S225.93；S59

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：盧煜海(1970-)，女，廣西桂平人，講師，碩士，(E-mail)lyuhai@163.com。通訊作者：曾昭文(1988-)，男，江西吉安人，碩士研究生，(E-mail)151a858b@163.com。

基金項(xiàng)目：廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(1305109S03)

收稿日期：2015-01-26