趙強(qiáng) 趙輝 于嘉琦 盛宇航 唐娟 萬騰

摘要：果園種植業(yè)的發(fā)展提高了果園機(jī)械市場(chǎng)的需求，本著制作成本低，采摘效率高，又不傷及水果本身的意圖，設(shè)計(jì)了一種新型的電動(dòng)機(jī)械式采摘機(jī)。此創(chuàng)新設(shè)計(jì)以人為本，采用人機(jī)工程學(xué)的設(shè)計(jì)理念來實(shí)現(xiàn)對(duì)于輔助人工水果采摘機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。針對(duì)集果箱與支撐桿的聯(lián)結(jié)部位需要重點(diǎn)設(shè)計(jì)并校核，并根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和力學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)完成了強(qiáng)度和剛度的校核。

關(guān)鍵詞：水果采摘；機(jī)械；強(qiáng)度校核；剛度校核

中圖分類號(hào)：S22593文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.11.011

基金項(xiàng)目：吉林省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目201810206012

作者簡(jiǎn)介：趙強(qiáng)（1989-），男，吉林白城人，碩士研究生，大學(xué)講師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造，E-mail：376166346@qq.com。

通訊作者：萬騰（1986-），男，吉林洮南人，工學(xué)碩士，大學(xué)講師，研究方向：為機(jī)電控制，E-mail：415980289@qq.com。

0引言

中國(guó)的果園大多位于山區(qū)。目前，果園的機(jī)械采摘方法主要分為機(jī)械輔助半自動(dòng)采摘和機(jī)械化自動(dòng)采摘兩種方式。這兩個(gè)方式中自動(dòng)機(jī)械拾取的識(shí)別率普遍較低，損傷率高，制造成本高。

當(dāng)前人們普遍使用的是半自動(dòng)機(jī)械式水果采摘機(jī)，在采摘時(shí)對(duì)外界環(huán)境造成很大的傷害，通用性差、操作繁瑣，特別體力消耗大，工作效率偏低，也不能根據(jù)果樹的高低進(jìn)行快速的調(diào)節(jié)，同時(shí)對(duì)摘取后的集果器大小也不能進(jìn)行調(diào)節(jié)，降低了裝置的實(shí)用性能。由于摘水果需要高效、方便、簡(jiǎn)單和低成本的采摘技術(shù)，機(jī)械輔助半自動(dòng)采摘機(jī)已成為研究者的主流研究方向[1]。

1總體設(shè)計(jì)方案

為了使此采摘機(jī)械實(shí)現(xiàn)操作便捷、可靠性強(qiáng)、實(shí)用性高的特點(diǎn)，我們采用機(jī)械輔助半自動(dòng)采摘的形式，手持伸縮桿啟動(dòng)直流電機(jī)，帶動(dòng)四角切割刀片快速運(yùn)轉(zhuǎn)，切斷果柄，使水果落入集果箱，同時(shí)導(dǎo)軌電機(jī)上下移動(dòng)可加大集果箱的采集空間，以便收納更多的水果。同時(shí)，備有特殊水果采摘的附屬機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過簡(jiǎn)單的拆裝即可保證適用不同水果的采摘。這樣既可以保證水果的完好性又可增加水果的采摘數(shù)量和品種。

2聯(lián)結(jié)軸的設(shè)計(jì)

由于電機(jī)重量很小，此設(shè)計(jì)對(duì)電機(jī)橫梁的強(qiáng)度和剛度沒有特別要求，必須滿足使用條件和可調(diào)節(jié)的功能。電機(jī)絲杠和集果箱總重1.5 kg，我們參考了市場(chǎng)上支撐桿的選材，并結(jié)合此設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)要求對(duì)支撐桿進(jìn)行了校核（圖1）。

2.1聯(lián)結(jié)軸的強(qiáng)度校核

支撐架上絲杠電機(jī)和集果箱為一整體，其重量遠(yuǎn)大于電機(jī)支架。就承重而言，支撐架可以簡(jiǎn)化成一薄壁圓管，絲杠電機(jī)與支撐架之間的軸可以簡(jiǎn)化成一個(gè)桿件，支撐桿的受力可以簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁模型，如圖2所示，其中桿的總長(zhǎng)為L(zhǎng)=1200 mm，集果箱與支撐桿聯(lián)結(jié)處距下端距離950 mm，集果箱和絲杠電機(jī)組合結(jié)構(gòu)的重心在距離桿的橫向60 mm處（利用懸掛法測(cè)得），可以簡(jiǎn)化為一集中力P。

已知：支撐桿的材料為白鋼，屈服強(qiáng)度δs=276 MPa，彈性模量E=70 GPa，取安全系數(shù)s=12，支撐桿的外徑為29 mm，內(nèi)徑為275 mm，聯(lián)結(jié)軸直徑6 mm，設(shè)計(jì)承受最大重量為15 kg，受力如圖2所示。

（1）計(jì)算最大工作載荷

聯(lián)結(jié)軸承受最大的載荷

P=mg=15 kg×98 m/s2=147 N

（2）計(jì)算剪力Fs（x）和彎矩Ms（x）

剪力Fs（x）=P，故最大P=147 N

彎矩Ms（x）=-Px，故最大M=147×60 N·mm=0882 N·m

（3）畫出剪力圖和彎矩圖如圖3所示。

（4）計(jì)算最大彎曲正應(yīng)力

對(duì)Z軸的慣性矩

Iz=πD464[1-（dD）4]=π29464[1-（27529）4]mm4=139×104 mm4

抗彎界面系數(shù)

W=Izymax=139×10414 mm3=99286 mm3

最大彎曲正應(yīng)力

σmax=MmaxW=088299286×10-9=8883 MPa

（5）校核聯(lián)結(jié)軸的強(qiáng)度

許用彎曲應(yīng)力

[σ]=σss=27612 MPa=230 MPa

顯然σmax<[σ]，滿足強(qiáng)度要求。

2.2聯(lián)結(jié)軸的剛度計(jì)算

由以上簡(jiǎn)化模型可知，在聯(lián)結(jié)軸承受最大載荷狀態(tài)下的最大變形量（撓度）為：

ωmax=-FL33EIz=-147×00633×70×103×139×10-2

=-1088×e-5 m

由此，擔(dān)架的最大彎曲變形為-1088×e-5 m，完全滿足使用要求。

3結(jié)語

此機(jī)械電機(jī)式水果采摘設(shè)備能夠適應(yīng)復(fù)雜的采摘環(huán)境，能夠?yàn)楣r(nóng)提供比較便利的采摘服務(wù)，具有可行性。通過對(duì)重要部件聯(lián)結(jié)軸的理論核算，滿足強(qiáng)度和剛度條件，具備科學(xué)性。能夠滿足果農(nóng)的需求，并可以進(jìn)行大面積的市場(chǎng)推廣。

參考文獻(xiàn)：

[1]段文婷，何家成，彭銅杰，等.便攜電動(dòng)式水果采摘機(jī)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2015（1）.

[2]朱炳麒，趙晴，王振波.理論力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

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