水果采摘機聯結軸的理論設計

趙強 趙輝 于嘉琦 盛宇航 唐娟 萬騰

摘要：果園種植業的發展提高了果園機械市場的需求，本著制作成本低，采摘效率高，又不傷及水果本身的意圖，設計了一種新型的電動機械式采摘機。此創新設計以人為本，采用人機工程學的設計理念來實現對于輔助人工水果采摘機構的創新設計。針對集果箱與支撐桿的聯結部位需要重點設計并校核，并根據結構特點和力學基礎知識完成了強度和剛度的校核。

關鍵詞：水果采摘；機械；強度校核；剛度校核

中圖分類號：S22593文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.11.011

基金項目：吉林省大學生創新創業訓練項目201810206012

作者簡介：趙強（1989-），男，吉林白城人，碩士研究生，大學講師，研究方向：機械設計制造，E-mail：376166346@qq.com。

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

0引言

中國的果園大多位于山區。目前，果園的機械采摘方法主要分為機械輔助半自動采摘和機械化自動采摘兩種方式。這兩個方式中自動機械拾取的識別率普遍較低，損傷率高，制造成本高。

當前人們普遍使用的是半自動機械式水果采摘機，在采摘時對外界環境造成很大的傷害，通用性差、操作繁瑣，特別體力消耗大，工作效率偏低，也不能根據果樹的高低進行快速的調節，同時對摘取后的集果器大小也不能進行調節，降低了裝置的實用性能。由于摘水果需要高效、方便、簡單和低成本的采摘技術，機械輔助半自動采摘機已成為研究者的主流研究方向[1]。

1總體設計方案

為了使此采摘機械實現操作便捷、可靠性強、實用性高的特點，我們采用機械輔助半自動采摘的形式，手持伸縮桿啟動直流電機，帶動四角切割刀片快速運轉，切斷果柄，使水果落入集果箱，同時導軌電機上下移動可加大集果箱的采集空間，以便收納更多的水果。同時，備有特殊水果采摘的附屬機械結構，通過簡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量和品種。

2聯結軸的設計

由于電機重量很小，此設計對電機橫梁的強度和剛度沒有特別要求，必須滿足使用條件和可調節的功能。電機絲杠和集果箱總重1.5 kg，我們參考了市場上支撐桿的選材，并結合此設計的結構及設計要求對支撐桿進行了校核（圖1）。

2.1聯結軸的強度校核

支撐架上絲杠電機和集果箱為一整體，其重量遠大于電機支架。就承重而言，支撐架可以簡化成一薄壁圓管，絲杠電機與支撐架之間的軸可以簡化成一個桿件，支撐桿的受力可以簡化為簡支梁模型，如圖2所示，其中桿的總長為L=1200 mm，集果箱與支撐桿聯結處距下端距離950 mm，集果箱和絲杠電機組合結構的重心在距離桿的橫向60 mm處（利用懸掛法測得），可以簡化為一集中力P。

已知：支撐桿的材料為白鋼，屈服強度δs=276 MPa，彈性模量E=70 GPa，取安全系數s=12，支撐桿的外徑為29 mm，內徑為275 mm，聯結軸直徑6 mm，設計承受最大重量為15 kg，受力如圖2所示。

（1）計算最大工作載荷

聯結軸承受最大的載荷

P=mg=15 kg×98 m/s2=147 N

（2）計算剪力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）計算最大彎曲正應力

對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

W=Izymax=139×10414 mm3=99286 mm3

最大彎曲正應力

σmax=MmaxW=088299286×10-9=8883 MPa

（5）校核聯結軸的強度

許用彎曲應力

[σ]=σss=27612 MPa=230 MPa

顯然σmax<[σ]，滿足強度要求。

2.2聯結軸的剛度計算

由以上簡化模型可知，在聯結軸承受最大載荷狀態下的最大變形量（撓度）為：

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

=-1088×e-5 m

由此，擔架的最大彎曲變形為-1088×e-5 m，完全滿足使用要求。

3結語

此機械電機式水果采摘設備能夠適應復雜的采摘環境，能夠為果農提供比較便利的采摘服務，具有可行性。通過對重要部件聯結軸的理論核算，滿足強度和剛度條件，具備科學性。能夠滿足果農的需求，并可以進行大面積的市場推廣。

參考文獻：

[1]段文婷，何家成，彭銅杰，等.便攜電動式水果采摘機設計[J].中國農機化學報，2015（1）.

[2]朱炳麒，趙晴，王振波.理論力學[M].北京：機械工業出版社，2011.

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