水果采摘机联结轴的理论设计

2018-11-16赵强赵辉于嘉琦盛宇航唐娟万腾

农机使用与维修 2018年11期

关键词：机械

赵强赵辉于嘉琦盛宇航唐娟万腾

摘要：果园种植业的发展提高了果园机械市场的需求，本着制作成本低，采摘效率高，又不伤及水果本身的意图，设计了一种新型的电动机械式采摘机。此创新设计以人为本，采用人机工程学的设计理念来实现对于辅助人工水果采摘机构的创新设计。针对集果箱与支撑杆的联结部位需要重点设计并校核，并根据结构特点和力学基础知识完成了强度和刚度的校核。

关键词：水果采摘；机械；强度校核；刚度校核

中图分类号：S22593文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.11.011

基金项目：吉林省大学生创新创业训练项目201810206012

作者简介：赵强（1989-），男，吉林白城人，硕士研究生，大学讲师，研究方向：机械设计制造，E-mail：376166346@qq.com。

通讯作者：万腾（1986-），男，吉林洮南人，工学硕士，大学讲师，研究方向：为机电控制，E-mail：415980289@qq.com。

0引言

中国的果园大多位于山区。目前，果园的机械采摘方法主要分为机械辅助半自动采摘和机械化自动采摘两种方式。这两个方式中自动机械拾取的识别率普遍较低，损伤率高，制造成本高。

当前人们普遍使用的是半自动机械式水果采摘机，在采摘时对外界环境造成很大的伤害，通用性差、操作繁琐，特别体力消耗大，工作效率偏低，也不能根据果树的高低进行快速的调节，同时对摘取后的集果器大小也不能进行调节，降低了装置的实用性能。由于摘水果需要高效、方便、简单和低成本的采摘技术，机械辅助半自动采摘机已成为研究者的主流研究方向[1]。

1总体设计方案

为了使此采摘机械实现操作便捷、可靠性强、实用性高的特点，我们采用机械辅助半自动采摘的形式，手持伸缩杆启动直流电机，带动四角切割刀片快速运转，切断果柄，使水果落入集果箱，同时导轨电机上下移动可加大集果箱的采集空间，以便收纳更多的水果。同时，备有特殊水果采摘的附属机械结构，通过简单的拆装即可保证适用不同水果的采摘。这样既可以保证水果的完好性又可增加水果的采摘数量和品种。

2联结轴的设计

由于电机重量很小，此设计对电机横梁的强度和刚度没有特别要求，必须满足使用条件和可调节的功能。电机丝杠和集果箱总重1.5 kg，我们参考了市场上支撑杆的选材，并结合此设计的结构及设计要求对支撑杆进行了校核（图1）。

2.1联结轴的强度校核

支撑架上丝杠电机和集果箱为一整体，其重量远大于电机支架。就承重而言，支撑架可以简化成一薄壁圆管，丝杠电机与支撑架之间的轴可以简化成一个杆件，支撑杆的受力可以简化为简支梁模型，如图2所示，其中杆的总长为L=1200 mm，集果箱与支撑杆联结处距下端距离950 mm，集果箱和丝杠电机组合结构的重心在距离杆的横向60 mm处（利用悬挂法测得），可以简化为一集中力P。

已知：支撑杆的材料为白钢，屈服强度δs=276 MPa，弹性模量E=70 GPa，取安全系数s=12，支撑杆的外径为29 mm，内径为275 mm，联结轴直径6 mm，设计承受最大重量为15 kg，受力如图2所示。

（1）计算最大工作载荷

联结轴承受最大的载荷

P=mg=15 kg×98 m/s2=147 N

（2）計算剪力Fs（x）和弯矩Ms（x）

剪力Fs（x）=P，故最大P=147 N

弯矩Ms（x）=-Px，故最大M=147×60 N·mm=0882 N·m

（3）画出剪力图和弯矩图如图3所示。

（4）计算最大弯曲正应力

对Z轴的惯性矩

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

抗弯界面系数