多自由度自锁式香蕉收割机的设计与仿真

卢煜海，曾昭文，马俊生，马桂香

(广西大学 机械工程学院，南宁　530004)



多自由度自锁式香蕉收割机的设计与仿真

卢煜海，曾昭文，马俊生，马桂香

(广西大学 机械工程学院，南宁530004)

摘要：针对大规模香蕉种植基地香蕉收割机具的研发比较缺乏的现状，设计了一种多自由度自锁式香蕉收割机。该机主要由动力系统、进给系统及收割系统等组成，手动与电动混合操作方式，既可作为收割机，同时又可作为小型运输机及牵引机使用。采用三维造型软件SolidWorks对其建立模型，并对关键结构进行相应的运动仿真。结果表明：该机设计满足工作要求，可为其他类似农作物收割机具的设计提供参考。

关键词：香蕉收割机；自锁；多自由度；SolidWorks

0引言

香蕉味香，富于营养，广泛种植于我国台湾、海南、广东、广西等地区。其按株高大致可分为矮型、中型和高型香蕉树。矮型株高一般不及2m，中型株高在3.5m左右，高型株高可达4～5m。一般一株香蕉结果10～20串，约为50～150个。目前，对于大规模香蕉种植基地劳动最集中的环节—香蕉收割与基地运输，通常采取的是人工镰刀收割、肩挑运出基地方式。人工作业方式不仅局限于矮型株高，而且劳动强度大、工作效率低，只适合小规模分散香蕉种植的收割和运输。对于大规模香蕉种植基地，香蕉树种丰富，株高从矮型到高型，植株规划整齐，人工收割与人工运输方式显然与之不相适应；而目前对于香蕉收割机具的研发又比较缺乏，制约了香蕉产业的发展。

基于上述原因，设计了一种适用于大规模香蕉种植基地的多自由度自锁式香蕉收割机。该机由蓄电池给直流电机提供主动力源，可多自由度运动且自锁，收割对象包括从矮型到高型香蕉树种，也可作为小型运输机或牵引机，显著降低了香蕉收割劳动强度，提高了工作效率，改善了香蕉产业的机械化水平。

1工作原理

多自由度自锁式香蕉收割机主要由动力系统、进给系统及收割系统等部分组成。动力系统为收割机的前行提供动力，进给系统把收割系统输送到所要作业的位置，收割系统对香蕉进行收割。该收割机的下半机身设计有空间，可放置收割后的香蕉，对其进行小量运输，同时可作为小型牵引机使用，如图1所示。

图1　多自由度自锁式香蕉收割机的结构示意图

2设计方案

2.1动力系统

多自由度自锁式香蕉收割机的前行动力由蓄电池为直流电机提供。电机的输出端通过平键与小链轮连接，大链轮通过平键固定在大轮车轴中间；为防止其左右窜动，在大链轮圆套上开有限位孔，大链轮通过限位螺钉固定在大轮车轴限位孔上，大链轮与小链轮之间通过链条连接。电机启动按钮安装在收割机推手左边，同时设计了换速挡，可根据路况换速。收割机的大车轮采用工业定向脚轮，小车轮采用工业万向轮，方便调控收割机前进方向。传动设计采用链传动方式的原因在于：链传动整体尺寸小、结构紧凑、承载力高，作用于轴上的径向力小，能在低速、重载、高温、潮湿及灰土飞扬的等恶劣环境中工作，适用于香蕉种植基地这种经常受到土块、泥浆和瞬时过载等影响的环境，如图2所示。

图2　链传动结构示意图

2.2进给系统

多自由度自锁式香蕉收割机在各自由度方向上的进给采用手动方式。进给系统在X方向上进给负载比较大，要求结构牢固、快速进给，安装精度要求不高。由于齿轮传动负载大、效率高、结构紧凑，设计采用开式齿轮齿条传动方式。在进给系统底部安装固定轴，固定轴与深沟球轴承连接。通过齿轮齿条啮合，驱动轴承在导轨上滚动，实现进给系统的X方向进给。

进给系统在Y方向上的进给负载小，要求结构紧凑、一般安装精度。由于螺旋传动主要应用于将回转运动转变为直线运动，工作速度不高，同时传递运动和动力，以较小的转矩产生较大的轴向推力，而且有自锁能力。因此，设计采用螺杆转动螺母移动的螺旋传动方式。在进给系统底部边框上固定安装螺杆，在Y方向进给机构的底部横杆固定安装螺母，Y方向进给机构底部安装固定轴，固定轴与深沟球轴承连接；通过螺旋传动，驱动轴承在导轨上滚动，实现进给系统的Y方向进给。

进给系统在Z方向上进给负载变化，要求结构紧凑牢固、进给大、进速快、一般安装精度。由于剪叉升降机构简单稳定、负载宽泛、纵向尺寸小、对称结构放大平行位移，以及结合低速、以较小转矩产生较大轴向推力而且有自锁能力的螺旋传动结构，设计采用剪叉升降—螺旋传动复式结构。剪叉机构的外剪杆底端通过通过铰链固定在Y向进给机构的边框上，内剪杆底端通过转轴与深沟球轴承连接，外剪杆与内剪杆中间用转轴连接。在Y向进给机构左边框和中间竖梁上固定安装螺杆，在螺杆两侧设计安装导杆。移动横杆中心开螺孔与螺杆旋合，螺孔两侧开导孔与导杆配合。移动横杆的两端设计固定轴与深沟球轴承连接。在内剪杆下半段合适位置设计导轨，移动横杆两端连接的轴承在所设计导轨上滚动。通过螺旋传动驱动移动横杆，移动横杆通过两端轴承在导杆上滚动驱动剪叉机构的内剪杆向铰链运动，从而实现进给系统的Z方向进给。导杆与导孔的设计增强了剪叉机构在运动过程中的平稳性，同时在内双剪杆、外双剪杆的末端处加装横杆加强剪叉机构自身的牢固性。进行系统结构如图3所示。

图3　进给系统结构示意图

2.3收割系统

收割系统设计在收割机顶部剪叉机构支撑搭建的作业平台上，主要包括刀具、电机、导轨、空心滑杆及扶手等，如图4所示。

图4　收割系统结构示意图

导轨通过铰链固定在平台中间横梁上，可在一定角度范围内绕铰链旋转，平台边沿架设有导轨支撑件。空心滑杆两侧设计有伸出轴，伸出轴与深沟球轴承连接，通过手柄的推拉，滑杆可在导轨上滑动；导轨两端设有限位螺钉，限定滑杆的运动范围，导轨的旋转与滑杆的伸缩配合，可实现较大范围的香蕉收割作业。滑杆头端上面安装小型直流电机，电机外设保护壳，输出端与刀具连接。电机操作按钮设置在手柄内侧处。导轨尾端设计辅助扶手，方便导轨的旋转控制。

3螺杆-交叉复合结构升限运动学分析

多自由度自锁式香蕉收割机最主要特征在于覆盖从矮型到高型香蕉树种的收割作业，其实现结构为剪叉升降-螺旋传动复式结构，因此有必要对其升限做相关的运动学分析。

3.1轨迹分析

剪叉机构原动件为移动横杆，螺杆结构原动件为螺杆。设螺杆螺距为a，在OA段距O点x处取点B，该点为移动横杆两端轴承相对于内剪杆的移动轨迹。内剪杆初始相位角为α，最高升限相位角为β，以固定铰链端圆心O为直角坐标系原点，水平方向为x轴，竖直方向为y轴。设A点初始位置坐标为(xA，yA)，则B点坐标(xB，yB)及C点坐标(xC，yC)为所要求解轨迹点，如图5所示。

图5　轨迹点坐标图

3.2轨迹方程

(1)

(2)

Δx=nP

(3)

式中l—杆长(mm)；

α—初始位置夹角(°)；

β—到位位置夹角(°)；

n—进给旋转圈数；

P—螺杆螺距(mm)。

由式(2)、式(3)可得

(4)

将式(4)代入式(1)可得

(5)

对于B点轨迹与进给量关系，建立解析方程为

(6)

(7)

将(式4)代入式(6)、式(7)式可得

(8)

(9)

xC=-960cosθ

yC=960sinθ

3.3轨迹仿真

B点的运动轨迹如图6所示。随着螺旋的进给，B点运动为非均匀变化的椭圆弧运动。

图6　B点轨迹图

C点的运动轨迹如图7所示。随着螺旋的进给，C点的运动轨迹为非均匀变化的圆弧运动。

图7　C点轨迹图

剪叉机构的升限与螺杆机构的进给相互间的关系如图8所示。

图8　升限-进给关系图

从图8还可看出：随着进给的增加，剪杆升高的速率越来越慢(即加速度是收敛的)，这有利于收割机的平稳性。

4结论

该多自由度自锁式香蕉收割机是一种新型的装备，操作简单，以电动为主，大大减轻了工人劳动强度，提高了工作效率。收割机除满足收割需求外，还可用作小型运输机及牵引机使用。收割系统拥有2自由度，使收割作业有很大操作空间，可应对复杂的收割环境。剪叉升降—螺旋传动复式结构的设计不但使收割机在Z方向上具有很大的升降空间，同时可为收割机构搭建一个活动式工作平台，且其上升加速度是收敛的，这有利于收割机整体的稳定。

参考文献：

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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

文章编号：1003-188X(2016)02-0106-04

中图分类号：S225.93；S59

文献标识码：A

作者简介：卢煜海(1970-)，女，广西桂平人，讲师，硕士，(E-mail)lyuhai@163.com。通讯作者：曾昭文(1988-)，男，江西吉安人，硕士研究生，(E-mail)151a858b@163.com。

基金项目：广西制造系统与先进制造技术重点实验室项目(1305109S03)

收稿日期：2015-01-26