猕猴桃采摘机械可展机构的结构设计＊

叶振环，陈大云，付 娟，朱正龙，汪玉兰

（遵义师范学院 工学院，贵州 遵义563006）

中国猕猴桃种植面积广大，主要依靠人工采摘，不仅浪费时间和体力，而且采摘效率较低，反而导致了猕猴桃生产成本的增加，所以无法形成产业优势。因此利用机械自动化采摘不仅可以提高采摘效率还能减少果农的劳动力和劳动成本，也可以解决由于人口老龄化和劳动力缺乏对林果不能及时采摘造成的影响。其中，可展平台的作用在于可将采摘机构升到一定的高度。目前对于可展机构的研究多集中在升展机构上，主要包括固定式、移动式形式，而剪叉式伸展机构因为其结构简单、易于操作、运行稳定等优点而被广泛应用。为此，国内外的很多专家学者对剪叉式伸展机构进行了多方面的分析与研究[1-3]。国内主要研究方向集中在运动仿真、力学性能分析和强度校核等方面，国外的研究主要集中在升降机构的材料性能、稳定性和操作的安全性等方面。

1 整体结构设计

可展机构的结构形式有单叉式结构、双叉式结构。双叉式相比单叉式较稳定，但双叉式结构复杂、制造困难、成本高，主要适合升降高度较高的场合；单叉式可展机构结构简单、制作成本低、反应灵敏，适合对升降高度要求不高的场合。结合猕猴桃采摘作业升降高度较低、稳定性较好的需求，从经济实用性角度考虑，采用单叉式结构。同时，对其滑动锁死结构进行优化，导轨装配如图1 所示，齿形定位装置如图2 所示，导轨采用5 号C 型槽钢制作，一端采用孔轴来固定剪叉架，另一端采用齿形槽来防止过载滑动并精确定位。

在驱动方式方面，目前主要包含液压传动、电机丝杆传动两种方式。其中，液压驱动具有工作较平稳、反应快、易于实现快速启动等优点，但存在传动过程有能量损失、容易发生油泄漏、结构较复杂、成本高[4]等缺点；电机丝杆驱动具有传动效率高、零件具有较长的使用寿命、高精度、运动平稳、反应灵敏、结构简单、制造成本低、不需经常维修[5]等特点。综合猕猴桃采摘对于稳定性较好、传动效率高和成本低等方面的要求，选用电机丝杆驱动方式。

图1 导轨装配示意

图2 齿形定位装置

综合上述分析，猕猴桃采摘机械可展升降平台整体结构设计如图3 所示。

图3 单叉式可展升降平台的整体结构

2 基本尺寸计算

剪叉结构如图4 所示，台面长度A、剪叉中心距L中计算如下：

式（1）中：C1为固定铰耳侧距离；C2为滚轮侧距离；α为剪叉与平台夹角。

图4 剪叉结构示意

可展升降平台的最大举升高度H，剪叉数量n计算如下：

式（2）中：Hs为单个剪叉的最大举升高度；αmax、αmin分别表示完全展开状态和折叠状态下臂叉与平台的夹角；n、H、αmax和αmin需根据实际的可展机构最大展开高度Hb和折叠高度Ha联合求解。

采摘猕猴桃果实的具体工作条件：栽培的猕猴桃果树平均高1.8 m，为保证该升降机构运行稳定、可靠性好，平台尺寸设定为长850 mm，宽500 mm，折叠高度Ha=500 mm，最大展开高度Hb=1 500 mm。可以计算获得剪叉中心距L中=650 mm，n=4，αmax=61°，αmin=15°。同时，还可根据剪叉运动的三角函数关系确定丝杠机构的最大水平运动距离为317.5 mm。最后，考虑剪叉两头倒角，取端头直径50 mm，确定剪叉杆长为700 mm。

3 结构可靠性分析

采用ANSYS 软件进行静力学分析，考虑可展机构具有结构对称性，选取1/2 对称模型开展分析对结果影响不大。选择六面体网格进行映射网格划分，总网格量为157 万，节点数38 万，划分完成的有限元模型如图5 所示。

图5 可展升降机构的有限元分析模型

底部固定约束，顶部均布质量，整体承受标准重力场。根据各部件之间的真实连接关系，分别采用绑定和不分离约束进行连接，并设定对称约束。通过求解获得的整体应力分布如图6 所示。

图6 结构整体应力分布情况

从图6 可以看出，剪叉式升降机构受到的最大应力为161.5 MPa，最小应力为3.93 MPa。其中，最大应力出现在自下而上第二排交叉板与轴杆的连接位置处，如图7 所示。

图7 第二排剪叉架应力分布情况

整个可展机构的结构变形情况如图8 所示，最大变形量约为1.2 mm。

图8 剪叉架的变形分布

通过分析表明，设计完成的可展升降机构最大应力小于材料许用应力，变形小于运动距离的1%，因此设计满足可靠性要求。

4 结论

通过对目前可展机构结构形式和驱动方式的分析，完成了可展升降机构的总体结构设计，并结合猕猴桃果实采摘的具体工作条件计算确定具体尺寸，运用ANSYS Workbench开展了静力学仿真分析，分析结果表明应力和变形均满足可靠性要求。