基于Pro/E的新型电动伸缩式水果采摘器结构分析

金聪，夏张润，张闯，查鲜艳，汪智求

（湖北大学知行学院机电工程系，湖北 武汉 430011）

在水果收获期间中，由采摘果实所耗费的劳动力占整个生产期间的50%～70%。为了节约人力物力，提高果农的经济效益，开展采摘器械的研究有重要的意义。针对水果采摘存在的众多问题，我们提出了一种新型的电动伸缩式水果采摘器，旨在通过机械传动和电路控制等，使水果采摘的过程连续且高效，同时也可以有效地解决目前水果采摘作业中存在的效率低、采摘人员高空作业时人身安全得不到保障等问题，进而节约采摘成本，提高采摘效率。因此，对于本产品的研究就具有十分重要的实用价值。

1 产品整体概述

本产品是一种可以让采摘人员站在地面上采摘水果的装置。在设计的最初时候，针对整体的布局和工位提出了合理的方案，对其重点考虑其结构稳定性能及综合安全性能。

该采摘装置主要由伸缩、采摘，收集三个环节组成。伸缩环节由电动机提供动力，通过一系列机械传动结构，自动完成装置的伸缩。采摘环节的伸缩是通过杆的升降，来模仿拉扯过程实现的。至于收集环节，在采摘装置的下端有一根软管，在刀具将水果摘下后，采摘下的水果将通过软管的引导，进入到收集盒里，从而实现水果的收集。该产品的装配图，如图1所示。该产品的Pro/E三维建模的样机模型如图2所示。

具体的实施过程为：蓄电池通过导线为电机提供电能，电机与驱动轴之间通过联轴器连接，驱动轴插入机架底部且驱动轴上装有驱动轮，从动轴位于机架的上部，从动轴上装有同步轮，同步带套在同步轮与驱动轮上，从动轴上还设有齿轮，齿轮与齿条相啮合，齿轮转动时，可带动齿条在机架上上下滑动，齿条的顶端设有采摘水果的刀具，从而将水果采摘下来。

2 伸缩杆的有限元分析

图1 水果采摘器CAD装配图

图2 样机模型

伸缩杆在工作过程中要承受来自自身的重力和采摘装置的重力，还有采摘水果时水果掉落在采摘装置里所承受的重力，其力学性能将影响伸缩杆的工作可靠性和稳定性。伸缩杆的变形和折断时失效的主要原因，为了更好地对模型进行高效率分析，以简化模型，提高分析效率，将以下几个步骤对伸缩杆进行有限元分析：

（1）经过初步计算，得出具体数据。

（2）伸缩杆的受力分析和几何模型的建立。新型电动伸缩式水果采摘器的伸缩杆尺寸为1200mm，本文利用Proe5.0软件建立伸缩杆的三维模型，为了节省有限元分析时间，对伸缩杆模型中分析影响不重要的几何因素进行了简化。简化后的几何模型如图3所示。

（3）定义材料特征及参数。

（4）网格划分。

（5）应力分析和模型云图。

产品的主体结构是伸缩装置，它起着支撑、固定以及间接采摘的作用。因此，主要任务是对伸缩装

图3 简化后的模型图

置进行有限元分析，通过对其的研究分析，可以检验出该装置能否正常工作。

在进行实验前，需对以下几点进行说明：

（1）本项目组在检测的过程中使用的绘图软件是Pro/E 5.0，通过其对该装置进行三维建模以及分析。

（2）为了方便检验分析，本项目组将测试装置的主体简化成了杆状的模型。

下面是具体实验调试的步骤：

（1）建立模型。启动Pro/E,进入操作界面。根据所提供的数据，绘制出杆状模型。

（2）分析模型。点击应用程序，进入Mechanica模块。之后我们开始定义材料，点击属性，选择材料选项，在材料选择界面中，选择steel材料。下面将进行材料分配，点击属性，选择材料分配选项，进行分配。然后在实体的下底面加上位移约束，在实体的上端面加上负载，压力值设为0.5MPa。接下来，我们开始创建网络，点击创建，进入界面后，再点击创建，之后关闭，点击是，这样网络就创建完毕了。然后，点击Mechanica分析/研究，新建静态分析，点击确定，之后选择开始运行。运行结束后，查询结果，结构分析到此结束，见图4～6。

3 结语

利用Por/E三维建模软件对主要受力部位伸缩杆进行了静态分析。改新型电动伸缩式水果采摘器伸缩杆的设计满足了所需的强度要求，伸缩杆的应力和应变云图能够直接客观地反映出伸缩杆的变形情况。分析结构表明，伸缩杆结构设计的大部分区域的安全系数均很大，其刚度能保证在采摘过程中的安全性。此分析结构为新型电动伸缩式水果采摘器的伸缩杆结构设计提供了提论依据。

图4 参数图

图5 参数图

图6 分析结果图

新型电动伸缩式水果采摘器实验成功，对于采摘人员来说，省时省力，提高了工作效率，并且该装置让采摘人员在地面工作，有效地避免了工作人员高空作业的危险。同时，该装置不再仅仅局限于采摘一种水果，节约了采摘成本。在采摘的同时，对周围的环境没有污染、对果树并未造成直接的伤害，有效地保护了果园的生态系统以及来年的经济收益。