基于新型電動切割香蕉采收機的UG仿真

黎毓鵬，馬桂香，馬俊生，王獻澤，張　健

(廣西大學 機械工程學院，南寧　530004)

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基于新型電動切割香蕉采收機的UG仿真

黎毓鵬，馬桂香，馬俊生，王獻澤，張健

(廣西大學 機械工程學院，南寧530004)

摘要：為了提高效率、降低勞動強度，研發(fā)一種能代替純手工、實現(xiàn)多自由度電動切割香蕉采收的機器，使香蕉采收省力、快速、方便，老少均可操作，熟練程度快。為此，介紹了新型電動切割香蕉采收機的工作原理，并運用三維軟件UG進行運動學分析，真實再現(xiàn)了新型電動切割香蕉采收機的工作狀況。研究結果表明：新型電動切割香蕉采收機滿足工作要求，能實現(xiàn)預定的運動軌跡。

關鍵詞：新型電動切割香蕉采收機；三維軟件；仿真

0引言

我國有著種植香蕉的悠久傳統(tǒng)和廣闊的種植地域，是世界上種植香蕉的最古老國家之一，目前國外許多主栽香蕉品種主要是由我國傳去。但我國千百年來都沿襲著純手工采收的勞作方式，采收粗放、效率低，既費時、費工、費力，又很難避免香蕉不受機械損傷，只能適應小批量和低檔次香蕉的采收。雖然國外已運用索道運輸法，可解決香蕉運輸問題；但仍然沒有相應成熟的電動切割、香蕉采收裝置，香蕉采收仍停留在純人工手動采摘，效率低。這大大限制了香蕉產業(yè)的發(fā)展，單純靠手工采摘已無法滿足香蕉的增長需求。

為了提高效率，同時降低勞動輕度，研發(fā)了一種能實現(xiàn)多自由度電動切割、采收香蕉來很好代替純手工的機具。該機具操作簡單、制造方便，經濟效益和社會效益顯著，可使香蕉采收省力、快速、方便，老少均可操作，熟練程度快；采收每掛果穗只需10～15s，且不傷害香蕉樹本身，采收香蕉的速度比用純手工采收快2倍。這樣既能降低蕉農的勞動強度，又能提高香蕉采收速度和采收率。該裝置結構簡單、質量小、操作方便，對提高香蕉種植規(guī)模及經濟效益和產業(yè)化水平有著重大的意義，適合香蕉種植業(yè)的發(fā)展。

以往對新型電動切割香蕉采收機的研究是通過類比或經驗得出，這種傳統(tǒng)方法具有一定的盲目性和局限性。因此，需要采用更為科學合理的設計方法，為新型電動切割香蕉采收機的生產和制造提供更加有效的參數(shù)。為此，通過三維軟件UG建立新型電動切割香蕉采收機的三維模型，真實再現(xiàn)了新型電動切割香蕉采收機的工作狀況，并對采收機進行了運動學分析和三維仿真。

1整機結構及工作原理

新型電動切割香蕉采收由機車架、切割機構及抓取機構組成，如圖1所示。

1.車架　2.刀架　3.第1電機　4.連接塊　5.第1轉軸

對于切割機構，使用時，將通過車架推至目標香蕉樹附近，工人根據香蕉果軸的位置，通過把手控制圓盤刀的方向；按壓或抬升把手，圓盤刀繞著第2轉軸旋轉抬起或壓下，第1彈簧和第2彈簧起到自動將圓盤刀恢復到平衡位置的作用，導向桿起到支撐彈簧的作用。向前或向后拉動把手時，通過滑塊在滑槽中的移動將圓盤刀伸出和收回；左右旋轉把手，則刀架繞第1轉動副做圓周運動，圓盤刀獲得水平面上的自由度。

樓梯和升降滑槽固定在帶輪底盤上形成三角形車架，樓梯傾斜安裝，升降滑槽豎直安裝。由于有些香蕉樹很高，工人需要爬上樓梯上操作切割機構的把手。

夾爪包括滑動桿、支撐主桿、半環(huán)形支撐臂及香蕉果軸定位槽，通過滑動桿安裝在升降滑槽中；支撐主桿固定在滑動桿上，半環(huán)形支撐臂固定在支撐主桿上，香蕉果軸定位槽固定在支撐主桿下端并且與半環(huán)形支撐臂的圓心對應。

第2傳動機構包括減速器、聯(lián)軸器及驅動機；第2電機的輸出軸與減速器的輸入軸連接，減速器的輸出軸通過聯(lián)軸器與驅動機的輸入軸連接，線輥安裝驅動機的輸出軸上。

通過第2轉動機構將夾爪升到香蕉果軸的位置，香蕉果軸底端嵌入香蕉果軸定位槽中并被半環(huán)形支撐臂環(huán)抱；當香蕉果軸上端被圓盤刀割斷后能夠穩(wěn)固的停留在夾爪中，并隨著夾爪沿著升降滑槽降低到地面，由位于底面的工人裝到儲存車中運走。

2圓盤刀尖的運動規(guī)律分析

2.1　圓盤刀尖速度

圓盤刀在扭矩和自身重力下的作業(yè)下圓周轉動并向里進給，圓盤刀對香蕉果軸切削，如圖2所示。

圖2　圓盤刀的結構圖

現(xiàn)以圓盤刀尖作為研究對象，設圓盤刀以角速度ω進行轉動，并以速度vx向里進給。土壤質點的絕對速度等于相對速度、牽連速度加上豎直速度的矢量和，則

ω—圓盤刀的角速度(rad/s)；

R—圓盤刀尖到中心軸的質點(m)；

δ—圓盤刀與水平方向的夾角(°)。

速度參數(shù)圖如圖3所示。

圖3　土壤質點的速度圖

2.2　圓盤刀的加速度分析

質點位于勻速轉動的圓盤刀上，根據運動學知識，質點的絕對加速度等于科式加速度、相對加速度和牽連加速度的矢量和，則有

δ—牽連加速度與相對加速度的夾角(°)。

加速度分析如圖4所示。

圖4　土壤質點的加速度圖

2.3　土壤質點的力學分析

以圓盤刀上任意質點作為研究對象，分析其受力，如圖5所示。圖5中，G為圓盤刀的重量；N為圓盤刀尖上的法向壓力；F為圓盤刀尖受到的慣性力。

圖5　受力圖

3新型電動切割香蕉采收機的運動學分析

3.1　新型電動切割香蕉采收機的三維模型

要進行采收機的運動學分析，需對采收機建立三維模型。新型電動切割香蕉采收機主要由機車架、切割機構及抓取機構等組成。

3.2　創(chuàng)建驅動條件

在新型電動切割香蕉采收機中，只有兩個動力源: 其線輥轉軸的動力角加速度為ω1= 240°/s，驅動條件如圖6所示。其圓圓盤刀轉軸的動力角加速度為ω1= 900°/s，驅動條件如圖7所示。

圖6　新型電動切割香蕉采收機的驅動條件

圖7　新型電動切割香蕉采收機的驅動條件

3.3　運動仿真的解算方案

經UG基于運動學與動力學的綜合分析，確定好重力常數(shù)的大小和方向，以及解算方案，如圖8所示。

圖8　新型電動切割香蕉采收機的解算方案

3.4　圓盤刀運動仿真的解算結果

經UG運動學分析，圓盤刀尖位置位移圖如圖9 所示，圓盤刀尖位置的角速度圖如圖10所示。

圖9　圓盤刀刀尖位置的位移圖

圖10　圓盤刀刀尖位置的角速度圖

由運行的結果分析可得：圓盤刀尖位置的運動為勻速直線運動，速度為867deg/s。

3.5　半環(huán)形支撐臂仿真的解算結果

經UG運動學分析，以半環(huán)形支撐臂的某一定點做位置跟蹤，其位移圖如圖11所示，半環(huán)形支撐臂的速度圖，如圖12所示。

圖11　半環(huán)形支撐臂的某一定點位移圖

圖12　半環(huán)形支撐臂的速度圖

由運行的結果分析可得：半環(huán)形支撐臂的運動為勻速運動，速度是126mm/s。

4結論

1) 三維仿真軟件UG 真實再現(xiàn)了新型電動切割香蕉采收機的工作工況。

2) 新型電動切割香蕉采收機滿足工作要求，能實現(xiàn)預定的運動軌跡。

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UG Simulation Based on Electric Cutting Banana Harvest Machine

Li Yupeng， Ma Guixiang, Ma Junsheng， Wang Xianze， Zhang Jian

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

Abstract：In order to improve the efficiency, reduce labor intensity, at the same time to develop a can realize the multi degree of freedom instead of the pure manual electric cutting banana harvest machine, make banana harvest energy, fast, convenient, young and old are operational, proficiency quickly. This paper introduced the working principle of electric cutting banana harvest machine, kinematics analysis and using Three-dimensional software UG, electric cutting real banana harvest machine in working condition. The results show that the electric cutting banana harvest machine can meet the job requirements, to achieve a predetermined motion law.

Key words：electric cutting banana harvest machine; three-dimensional software; simulation

中圖分類號：S225.5+3

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0061-05

作者簡介：黎毓鵬(1971-),男，廣西桂平人，工程師，碩士。通訊作者：馬桂香(1994-)，女，廣西桂林人，碩士研究生，(E-mail)1124056290@qq.com。

基金項目：廣西大學國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(141059301)

收稿日期：2015-11-17