多自由度自鎖式香蕉收割機的設計與仿真

盧煜海，曾昭文，馬俊生，馬桂香

(廣西大學 機械工程學院，南寧　530004)

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多自由度自鎖式香蕉收割機的設計與仿真

盧煜海，曾昭文，馬俊生，馬桂香

(廣西大學 機械工程學院，南寧530004)

摘要：針對大規模香蕉種植基地香蕉收割機具的研發比較缺乏的現狀，設計了一種多自由度自鎖式香蕉收割機。該機主要由動力系統、進給系統及收割系統等組成，手動與電動混合操作方式，既可作為收割機，同時又可作為小型運輸機及牽引機使用。采用三維造型軟件SolidWorks對其建立模型，并對關鍵結構進行相應的運動仿真。結果表明：該機設計滿足工作要求，可為其他類似農作物收割機具的設計提供參考。

關鍵詞：香蕉收割機；自鎖；多自由度；SolidWorks

0引言

香蕉味香，富于營養，廣泛種植于我國臺灣、海南、廣東、廣西等地區。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4～5m。一般一株香蕉結果10～20串，約為50～150個。目前，對于大規模香蕉種植基地勞動最集中的環節—香蕉收割與基地運輸，通常采取的是人工鐮刀收割、肩挑運出基地方式。人工作業方式不僅局限于矮型株高，而且勞動強度大、工作效率低，只適合小規模分散香蕉種植的收割和運輸。對于大規模香蕉種植基地，香蕉樹種豐富，株高從矮型到高型，植株規劃整齊，人工收割與人工運輸方式顯然與之不相適應；而目前對于香蕉收割機具的研發又比較缺乏，制約了香蕉產業的發展。

基于上述原因，設計了一種適用于大規模香蕉種植基地的多自由度自鎖式香蕉收割機。該機由蓄電池給直流電機提供主動力源，可多自由度運動且自鎖，收割對象包括從矮型到高型香蕉樹種，也可作為小型運輸機或牽引機，顯著降低了香蕉收割勞動強度，提高了工作效率，改善了香蕉產業的機械化水平。

1工作原理

多自由度自鎖式香蕉收割機主要由動力系統、進給系統及收割系統等部分組成。動力系統為收割機的前行提供動力，進給系統把收割系統輸送到所要作業的位置，收割系統對香蕉進行收割。該收割機的下半機身設計有空間，可放置收割后的香蕉，對其進行小量運輸，同時可作為小型牽引機使用，如圖1所示。

圖1　多自由度自鎖式香蕉收割機的結構示意圖

2設計方案

2.1動力系統

多自由度自鎖式香蕉收割機的前行動力由蓄電池為直流電機提供。電機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，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。電機啟動按鈕安裝在收割機推手左邊，同時設計了換速擋，可根據路況換速。收割機的大車輪采用工業定向腳輪，小車輪采用工業萬向輪，方便調控收割機前進方向。傳動設計采用鏈傳動方式的原因在于：鏈傳動整體尺寸小、結構緊湊、承載力高，作用于軸上的徑向力小，能在低速、重載、高溫、潮濕及灰土飛揚的等惡劣環境中工作，適用于香蕉種植基地這種經常受到土塊、泥漿和瞬時過載等影響的環境，如圖2所示。

圖2　鏈傳動結構示意圖

2.2進給系統

多自由度自鎖式香蕉收割機在各自由度方向上的進給采用手動方式。進給系統在X方向上進給負載比較大，要求結構牢固、快速進給，安裝精度要求不高。由于齒輪傳動負載大、效率高、結構緊湊，設計采用開式齒輪齒條傳動方式。在進給系統底部安裝固定軸，固定軸與深溝球軸承連接。通過齒輪齒條嚙合，驅動軸承在導軌上滾動，實現進給系統的X方向進給。

進給系統在Y方向上的進給負載小，要求結構緊湊、一般安裝精度。由于螺旋傳動主要應用于將回轉運動轉變為直線運動，工作速度不高，同時傳遞運動和動力，以較小的轉矩產生較大的軸向推力，而且有自鎖能力。因此，設計采用螺桿轉動螺母移動的螺旋傳動方式。在進給系統底部邊框上固定安裝螺桿，在Y方向進給機構的底部橫桿固定安裝螺母，Y方向進給機構底部安裝固定軸，固定軸與深溝球軸承連接；通過螺旋傳動，驅動軸承在導軌上滾動，實現進給系統的Y方向進給。

進給系統在Z方向上進給負載變化，要求結構緊湊牢固、進給大、進速快、一般安裝精度。由于剪叉升降機構簡單穩定、負載寬泛、縱向尺寸小、對稱結構放大平行位移，以及結合低速、以較小轉矩產生較大軸向推力而且有自鎖能力的螺旋傳動結構，設計采用剪叉升降—螺旋傳動復式結構。剪叉機構的外剪桿底端通過通過鉸鏈固定在Y向進給機構的邊框上，內剪桿底端通過轉軸與深溝球軸承連接，外剪桿與內剪桿中間用轉軸連接。在Y向進給機構左邊框和中間豎梁上固定安裝螺桿，在螺桿兩側設計安裝導桿。移動橫桿中心開螺孔與螺桿旋合，螺孔兩側開導孔與導桿配合。移動橫桿的兩端設計固定軸與深溝球軸承連接。在內剪桿下半段合適位置設計導軌，移動橫桿兩端連接的軸承在所設計導軌上滾動。通過螺旋傳動驅動移動橫桿，移動橫桿通過兩端軸承在導桿上滾動驅動剪叉機構的內剪桿向鉸鏈運動，從而實現進給系統的Z方向進給。導桿與導孔的設計增強了剪叉機構在運動過程中的平穩性，同時在內雙剪桿、外雙剪桿的末端處加裝橫桿加強剪叉機構自身的牢固性。進行系統結構如圖3所示。

圖3　進給系統結構示意圖

2.3收割系統

收割系統設計在收割機頂部剪叉機構支撐搭建的作業平臺上，主要包括刀具、電機、導軌、空心滑桿及扶手等，如圖4所示。

圖4　收割系統結構示意圖

導軌通過鉸鏈固定在平臺中間橫梁上，可在一定角度范圍內繞鉸鏈旋轉，平臺邊沿架設有導軌支撐件。空心滑桿兩側設計有伸出軸，伸出軸與深溝球軸承連接，通過手柄的推拉，滑桿可在導軌上滑動；導軌兩端設有限位螺釘，限定滑桿的運動范圍，導軌的旋轉與滑桿的伸縮配合，可實現較大范圍的香蕉收割作業。滑桿頭端上面安裝小型直流電機，電機外設保護殼，輸出端與刀具連接。電機操作按鈕設置在手柄內側處。導軌尾端設計輔助扶手，方便導軌的旋轉控制。

3螺桿-交叉復合結構升限運動學分析

多自由度自鎖式香蕉收割機最主要特征在于覆蓋從矮型到高型香蕉樹種的收割作業，其實現結構為剪叉升降-螺旋傳動復式結構，因此有必要對其升限做相關的運動學分析。

3.1軌跡分析

剪叉機構原動件為移動橫桿，螺桿結構原動件為螺桿。設螺桿螺距為a，在OA段距O點x處取點B，該點為移動橫桿兩端軸承相對于內剪桿的移動軌跡。內剪桿初始相位角為α，最高升限相位角為β，以固定鉸鏈端圓心O為直角坐標系原點，水平方向為x軸，豎直方向為y軸。設A點初始位置坐標為(xA，yA)，則B點坐標(xB，yB)及C點坐標(xC，yC)為所要求解軌跡點，如圖5所示。

圖5　軌跡點坐標圖

3.2軌跡方程

(1)

(2)

Δx=nP

(3)

式中l—桿長(mm)；

α—初始位置夾角(°)；

β—到位位置夾角(°)；

n—進給旋轉圈數；

P—螺桿螺距(mm)。

由式(2)、式(3)可得

(4)

將式(4)代入式(1)可得

(5)

對于B點軌跡與進給量關系，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點的運動軌跡如圖6所示。隨著螺旋的進給，B點運動為非均勻變化的橢圓弧運動。

圖6　B點軌跡圖

C點的運動軌跡如圖7所示。隨著螺旋的進給，C點的運動軌跡為非均勻變化的圓弧運動。

圖7　C點軌跡圖

剪叉機構的升限與螺桿機構的進給相互間的關系如圖8所示。

圖8　升限-進給關系圖

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

4結論

該多自由度自鎖式香蕉收割機是一種新型的裝備，操作簡單，以電動為主，大大減輕了工人勞動強度，提高了工作效率。收割機除滿足收割需求外，還可用作小型運輸機及牽引機使用。收割系統擁有2自由度，使收割作業有很大操作空間，可應對復雜的收割環境。剪叉升降—螺旋傳動復式結構的設計不但使收割機在Z方向上具有很大的升降空間，同時可為收割機構搭建一個活動式工作平臺，且其上升加速度是收斂的，這有利于收割機整體的穩定。

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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：1003-188X(2016)02-0106-04

中圖分類號：S225.93；S59

文獻標識碼：A

作者簡介：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。

基金項目：廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室項目(1305109S03)

收稿日期：2015-01-26