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油茶振動(dòng)采收機(jī)舉升部件的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)
學(xué) 生：
指導(dǎo)老師：
（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128）
摘 要：本畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)油茶振動(dòng)采收機(jī)的舉升部件，該部件采用了折疊臂式舉升機(jī)構(gòu)，利用液壓驅(qū)動(dòng)，并用Solidworks建立了三維實(shí)體模型，同時(shí)進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)干涉檢查，繪制了若干零件圖和總裝圖。
關(guān)鍵詞：油茶；振動(dòng)采收；舉升部件；虛擬樣機(jī)；Solidworks
The Virtual Prototype Design of Camellia Oleifera Vibration Harvesting Lifting Mechanism
Student: He Xiaocong
Tutor:Yang Wenmin
(College of Engineering,Hunan Agricultural University,Changsha 410128,China)
Abstract: This design is mainly design the lifting parts of the vibration havesting machine , this part adopts the folding arm type lifting mechanism , using hydraulic pressure drive and Solidworks software to entity 3D model . At the same time ,it has carred on the static and dynamic interference check , made a number of detail drawing and assembly drawing .
Key words: Camellia oleifera ; Vibration Harvesting ; Lifting Mechanism ; Virtual Prototype ; Solidworks
1 前言
1.1 研究背景
油茶樹(shù)是木本油料樹(shù)，我國(guó)目前共有油茶林資源大約5500萬(wàn)畝，主要分布在淮河、長(zhǎng)江以南630多個(gè)縣、市區(qū)，全國(guó)油茶籽產(chǎn)量有一定規(guī)模的省區(qū)達(dá)14個(gè)，其中產(chǎn)量在3000t以上的有12個(gè)[1]。產(chǎn)量在萬(wàn)噸以上的省區(qū)有8個(gè)，產(chǎn)量在10萬(wàn)噸以上的省區(qū)有3個(gè)，而湖南省無(wú)論從油茶種植總面積、良種林面積、油茶籽產(chǎn)量、茶油產(chǎn)量都位居全國(guó)之首,如圖1所示。
圖1 國(guó)內(nèi)油茶產(chǎn)出量及種植面積情況
Fig 1 Camellia output and planting area in domestic
油茶具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。目前市場(chǎng)上的毛茶油每千克售價(jià)達(dá)50元，且供不應(yīng)求，而經(jīng)過(guò)精煉出來(lái)的茶油每千克不低于300元。其中湖南企業(yè)金浩茶油王品牌茶油每千克高達(dá)390元。茶油是植物油中的上品，全身都是寶，具有極高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和保健作用，適合現(xiàn)代人追求健康生活的要求。聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織已將茶油定為重點(diǎn)推廣的健康型高級(jí)食用植物油，且發(fā)達(dá)國(guó)家食用植物油基本上已實(shí)現(xiàn)木本化，人均每年可達(dá)到20千克，而我國(guó)目前僅為每人每年0.1千克，市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿薮蟆?007年我國(guó)進(jìn)口油脂油料1509萬(wàn)噸，國(guó)產(chǎn)只有1035萬(wàn)噸，僅占46%,其中進(jìn)口橄欖油4500噸，花費(fèi)高達(dá)2000多萬(wàn)美元，對(duì)國(guó)際油料市場(chǎng)的依賴性很強(qiáng)。另外，油茶樹(shù)屬常綠闊葉樹(shù)，適應(yīng)性強(qiáng)，能抵御各種自然災(zāi)害，不與糧棉爭(zhēng)地，且綠化荒山，保持水土，涵養(yǎng)水源，不僅有較強(qiáng)的抗二氧化碳和氯等有害氣體的功能，還是很好的防火樹(shù)種，能顯著改善農(nóng)村生態(tài)面貌和人居環(huán)境，實(shí)現(xiàn)人與自然的和諧相處[2]。
2009年1月11日，由湖南省林業(yè)科學(xué)院主持，瀏陽(yáng)市林業(yè)局等多個(gè)單位共同完成的“油茶雄性不育雜交新品種選育及高效栽培技術(shù)與示范”科研成果獲得了2009年度國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)。該成果在油茶雜交育種理論和應(yīng)用技術(shù)等方面有重大創(chuàng)新，是油茶科研領(lǐng)域的一個(gè)重要里程碑。目前，通過(guò)雜交育種方式選育出的首批10個(gè)高產(chǎn)優(yōu)良雜交組合，每公頃平均年產(chǎn)油量達(dá)450.76?660.65千克，在湖南及我國(guó)油茶適宜產(chǎn)區(qū)推廣應(yīng)用并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。由于高產(chǎn)優(yōu)良油茶樹(shù)的推廣，油茶種植面積不斷擴(kuò)大，釆摘效率低下問(wèn)題顯得越來(lái)越突出，目前我國(guó)的油茶果采摘工作基本上都是人工采摘，其作業(yè)環(huán)境差，勞動(dòng)強(qiáng)度大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力和生產(chǎn)成本高，都嚴(yán)重制約著油茶產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展[3]。油茶果的采摘難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的原因一方面是油茶屬于灌木類樹(shù)木，樹(shù)枝較為茂密且韌性強(qiáng)，造成采摘工作難以進(jìn)行；加上油茶果采摘時(shí)正是油茶初花期，采摘時(shí)容易損傷花殖，影響來(lái)年油茶樹(shù)結(jié)果，另一方面油茶果適應(yīng)采摘周期短（一般自由七天左右），在人工采摘效率十分低下的情況下，是很容易錯(cuò)過(guò)最佳采摘時(shí)期，一錯(cuò)過(guò)采摘時(shí)間，油茶果爆裂導(dǎo)致油茶籽掉落地面，這將影響油茶的產(chǎn)量?？焖侔l(fā)展的油茶業(yè)需要采摘作業(yè)機(jī)械化以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化經(jīng)營(yíng)和管理從油茶業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來(lái)看，采摘作業(yè)機(jī)械化將是未來(lái)科技發(fā)展必然的趨勢(shì)，這也符合我國(guó)經(jīng)濟(jì)從勞動(dòng)密集型向技術(shù)密集型的轉(zhuǎn)變[4]。
1.2 國(guó)內(nèi)外果蔬收獲機(jī)械研究現(xiàn)狀
機(jī)械化收獲作業(yè)的研究始于20世紀(jì)60年代的美國(guó)，采用的收獲方式主要是機(jī)械振搖式和氣動(dòng)振搖式，其缺點(diǎn)是容易對(duì)果實(shí)損壞、效率不高和容易采摘還未成熟的果實(shí)等缺點(diǎn)。從20世紀(jì)80年代中期開(kāi)始，隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以日本為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家，包括美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、西班牙等國(guó)家，在收獲采摘機(jī)的技術(shù)研究上做了大量的研究工作，試驗(yàn)成功了多種收獲采摘機(jī)器，如西紅柿采摘機(jī)、葡萄采摘機(jī)、黃瓜采摘機(jī)、西瓜收獲機(jī)器和蘑菇采摘機(jī)等[5]。
1.2.1 國(guó)外收獲機(jī)械的研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)
美國(guó)學(xué)者Schertz和Brown于1968年率先提出采用機(jī)械化技術(shù)收獲果實(shí)。隨著第一臺(tái)西紅柿采摘機(jī)在美國(guó)的問(wèn)世，日本和歐美等國(guó)家對(duì)收獲機(jī)器的研究有接近30年的歷史，近十年的發(fā)展速度尤為驚人。
美國(guó)作為世界上的科技大國(guó)，其收獲機(jī)器的技術(shù)發(fā)展速度最快。美國(guó)具有成熟的行走式收獲機(jī)器理論技術(shù)，這些要?dú)w功于自身發(fā)達(dá)的科學(xué)技術(shù)、廣闊的領(lǐng)土、較高的機(jī)械化程度。2004年，世界農(nóng)業(yè)博覽會(huì)在美國(guó)加利福利亞開(kāi)幕，該次展覽會(huì)上美國(guó)加利福利亞西紅柿機(jī)械公司展出了兩臺(tái)全自動(dòng)西紅柿采摘機(jī)。它首先利用采摘機(jī)的執(zhí)行部件將西紅柿連枝帶葉割倒運(yùn)輸?shù)椒诌x倉(cāng)，由于倉(cāng)內(nèi)具有能識(shí)別紅色的光譜分選設(shè)備，這樣就可以把紅色的西紅柿挑選出來(lái)，然后將其通過(guò)輸送帶傳送到隨行卡車(chē)的貨艙內(nèi)，而未成熟的西紅柿連同枝葉一道被粉碎，噴撒在農(nóng)田里作為肥料。在西紅柿種植單位面積產(chǎn)量有保證的前提下，展出的這臺(tái)長(zhǎng)12.5m、寬4.3m的西紅柿采摘機(jī)的效率為每分鐘可高達(dá)一噸多西紅柿，每小時(shí)可收獲70多噸西紅柿[6]。
日本的采摘機(jī)技術(shù)發(fā)展最成熟，最大的原因在于自身的自然資源決定的。眾所周知，日本的土地資源貧乏、勞動(dòng)力不足、人口密度大、多山地，因此要大力發(fā)展溫室作業(yè)。但是溫室內(nèi)的溫度高、濕度大、不舍和長(zhǎng)時(shí)間工作，因此日本必須選擇機(jī)械化和自動(dòng)化相集合的發(fā)展方向來(lái)彌補(bǔ)自身的短板。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，在施肥機(jī)器人、育苗機(jī)器人、西紅柿采摘機(jī)器人、葡萄采摘機(jī)器人、黃瓜采摘機(jī)器人等理論研究與應(yīng)用上都代表著世界的頂尖水平。日本Kondo-N等人研制的黃瓜采摘機(jī)器人采用六自由度的機(jī)械手，這種機(jī)械手可以在傾斜棚支架下工作。首先黃瓜的栽培方式須為機(jī)械化設(shè)計(jì)而設(shè)計(jì)。要求黃瓜果實(shí)在傾斜棚的下側(cè)，這樣就便于黃瓜與葉的分離，為以后的檢測(cè)與采摘更加容易。黃瓜的識(shí)別是根據(jù)黃瓜的反射特性，在攝像機(jī)前加上慮波片，末端執(zhí)行器上有果梗探測(cè)器、切割器和機(jī)械手指。采摘時(shí)，調(diào)整機(jī)械手的位置，讓其抓住黃瓜，由果梗探測(cè)器尋找到果梗，然后切割器切斷果梗，機(jī)械手回收至輸送帶上，完成一次采摘工作[7]。
此外Kondo-N等人還研究開(kāi)發(fā)出草莓采摘機(jī)器，針對(duì)草莓的不同栽培模式(傳統(tǒng)模式和高架方式）研制出了相對(duì)應(yīng)的采摘機(jī)器。該機(jī)器有5個(gè)自由度采摘機(jī)械手，釆摘執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用真空系統(tǒng)螺旋加速切割器。收獲時(shí)，先確定作業(yè)目標(biāo)的空間位置，接著采摘機(jī)械手移動(dòng)到合適的采摘位置，同時(shí)末端執(zhí)行器向預(yù)定位置移動(dòng)直到把草莓完全吸入；然后檢測(cè)到草莓位置，當(dāng)草莓位于合適的位置時(shí)，腕關(guān)節(jié)移動(dòng)，果梗便達(dá)到指定預(yù)期位置，接著由螺旋加速切割器旋轉(zhuǎn)切斷果梗，完成草莓的采摘工作。1996年，荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所（IMAG)研制出來(lái)一種黃瓜收獲機(jī)器。該研究在荷蘭2公頃的溫室里進(jìn)行，黃瓜按照標(biāo)準(zhǔn)的園藝技術(shù)種植并把它培養(yǎng)為高拉線纏繞方式吊掛生長(zhǎng)。該機(jī)器采用紅外視覺(jué)系統(tǒng)分辨黃瓜果實(shí)，并探測(cè)其位置。采摘時(shí)，末端機(jī)械手只收獲已成熟黃瓜，對(duì)未成熟的黃瓜不構(gòu)成損壞。機(jī)械手安裝在行走車(chē)架上，行走車(chē)為機(jī)械手的操作進(jìn)行初步定位。機(jī)械手共有7個(gè)自由度，采用三菱（Mitsubishi) RY-E26自由度機(jī)械手，另外在底座還專門(mén)增加了一個(gè)線性滑動(dòng)自由度。黃瓜收獲后自走運(yùn)輸車(chē)完成輸送，運(yùn)輸車(chē)上有可以移動(dòng)的集裝箱，其中每個(gè)集裝箱可以運(yùn)輸300根黃瓜。整個(gè)系統(tǒng)在溫室工作，試驗(yàn)結(jié)果為工作速度10s/根，實(shí)驗(yàn)室中收獲效果良好，但由于制造成本高、適應(yīng)程度較低等制約，還不能滿足市場(chǎng)化的要求。
1.2.2 國(guó)內(nèi)收獲機(jī)械的研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)
國(guó)內(nèi)的林果采摘機(jī)技術(shù)的研究相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚，主要以高枝剪等手工采摘工具為主，費(fèi)時(shí)費(fèi)力效率低。近年來(lái)有一些采摘的機(jī)器，如伸縮桿式林果采摘器、指型水果采摘器、簧壓式摘取機(jī)構(gòu)。這些機(jī)器因?yàn)闆](méi)有突破效率低下的問(wèn)題，未能得到市場(chǎng)的認(rèn)可。根據(jù)袖茶林地土壤作業(yè)特點(diǎn)和行株距可選用中小型的機(jī)械進(jìn)入林地，履帶式的車(chē)載后懸掛式是比較常見(jiàn)的傳統(tǒng)設(shè)備，不少院校和研究所都以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行采摘機(jī)械手的相關(guān)研究，其中以東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民教授研制出來(lái)的林木球果采摘機(jī)器人起步較早，主要是以5個(gè)自由度的機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，行走機(jī)構(gòu)，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng)組成。采摘時(shí)，機(jī)械手停在距采摘對(duì)象3—5m處，單片機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況控制機(jī)械手，同時(shí)大、小臂柔性地升起達(dá)到預(yù)期的高度，機(jī)械手張開(kāi)并適時(shí)擺動(dòng)，對(duì)準(zhǔn)采摘對(duì)象大小臂同時(shí)動(dòng)作,使釆摘手順著樹(shù)枝生長(zhǎng)方向趨近1.5—2m，然后采摘手的梳齒夾攏果枝,大小臂驅(qū)動(dòng)釆摘手按上次抬升的路徑向后返回,梳下枝上的球果，這樣完成采摘作業(yè)。這種采摘機(jī)械的效率是500kg/d,大概是人工采摘效率的30—50倍。對(duì)樹(shù)枝和果實(shí)破壞較小，采凈率相對(duì)高的采摘特點(diǎn)。東北林大大膽的嘗試了林果采摘，對(duì)國(guó)內(nèi)的林果采摘技術(shù)發(fā)展做出了貢獻(xiàn)。但由于采摘效率低，操作復(fù)雜不適合推廣，設(shè)備價(jià)格昂貴，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化上海交通大學(xué)曹其新教授等人研究開(kāi)發(fā)的草莓采摘樣機(jī)作業(yè)時(shí)可根據(jù)采摘對(duì)象的標(biāo)準(zhǔn)樣本，改變或調(diào)整樣機(jī)采摘草莓的種類，并可一機(jī)多用，即便是沒(méi)有經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)的操作人員，也能很容易地掌握其操作方法。
我國(guó)林業(yè)采摘機(jī)器人的應(yīng)用和推廣有待于引起更大的重視和投入更高的研發(fā)資金，昂貴的采摘機(jī)價(jià)格對(duì)林業(yè)機(jī)械的發(fā)展有巨大的局限性。雖然我國(guó)多年內(nèi)一直加重在林業(yè)機(jī)械上的研發(fā)投資，但相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家比重較低。其次采摘機(jī)器人涉及的學(xué)科較多，工作環(huán)境是非結(jié)構(gòu)的開(kāi)放系統(tǒng)，許多不確定因素給采摘機(jī)器的研究帶來(lái)了很大的困難。采摘機(jī)器人在一定程度上代替人類的工作，但其使用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)達(dá)到普及的程度[8]，原因在于其中存在兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：
1)采摘機(jī)智能化程度不高，還不能滿足現(xiàn)代果實(shí)采摘的要求。林果采摘的特點(diǎn)是需要采摘機(jī)具有相當(dāng)高的智能和柔性生產(chǎn)的能力及適應(yīng)復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)環(huán)境，一方面采摘機(jī)的自由度越多，運(yùn)動(dòng)約靈活，但對(duì)其的控制卻增加了難度；
2)使用效率和采摘效率問(wèn)題，采摘機(jī)的工作季節(jié)性強(qiáng)，導(dǎo)致了使用效率低；經(jīng)過(guò)對(duì)油茶果的實(shí)地考察，林果采摘效率低下一個(gè)很大的原因在于采摘位置的準(zhǔn)確定位問(wèn)題沒(méi)有得到實(shí)際解決，油茶果在釆摘時(shí)，采摘機(jī)很難具有較好的自動(dòng)識(shí)別能力?，F(xiàn)實(shí)的采摘環(huán)境下，通常采用的是人機(jī)協(xié)作的采摘方式，即由人工選取果實(shí)和判斷果實(shí)的部位，機(jī)器手負(fù)責(zé)采摘。采摘機(jī)器的利用率問(wèn)題一直困擾著研發(fā)人員，目前研制出來(lái)的果實(shí)采摘機(jī)只能采摘一種果實(shí)，如何解決這一問(wèn)題，可通過(guò)對(duì)于形狀相似的果實(shí)，考慮改變采摘手的末端執(zhí)行器的張開(kāi)程度來(lái)達(dá)到目的；而對(duì)于形狀不同的果實(shí)，可通過(guò)更換機(jī)器手的末端執(zhí)行器達(dá)到采摘目的。這樣采摘機(jī)器的利用率將會(huì)得到大大的提高。針對(duì)我國(guó)油茶林立地環(huán)境、采摘作業(yè)條件等特征，提高林業(yè)采摘機(jī)主要技術(shù)參數(shù)，研發(fā)制造出油茶果采摘機(jī)，提高我國(guó)林業(yè)生產(chǎn)水平，加快實(shí)現(xiàn)林業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，其發(fā)展應(yīng)用潛力非常巨大。
1.3 研究意義
隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，誕生于上世紀(jì)60年代的美國(guó)機(jī)器人技術(shù)越來(lái)越被世界各國(guó)重視，已經(jīng)在國(guó)民生產(chǎn)的許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但在林業(yè)領(lǐng)域，由于其經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的特殊性，實(shí)用化程度較低。國(guó)際上一些發(fā)達(dá)國(guó)家，特別是日本和一些歐美國(guó)家，上世紀(jì)八十年代就已經(jīng)開(kāi)始研究，取得了一些成果，開(kāi)始進(jìn)入應(yīng)用研究階段。當(dāng)前我國(guó)在該領(lǐng)域的研究還處于起步階段，要達(dá)到世界先進(jìn)水平，必須加大人力和財(cái)力的投入。農(nóng)林業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)比單純的勞動(dòng)力手工生產(chǎn)有許多優(yōu)點(diǎn)：
1)解決農(nóng)村勞動(dòng)力不足的問(wèn)題我國(guó)農(nóng)村面臨人口老年化問(wèn)題，而且隨著農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)的規(guī)?；⒍鄻踊?、精確化要求越來(lái)越高，勞動(dòng)力的不足問(wèn)題將越來(lái)越明顯。油茶的采摘作業(yè)屬于勞動(dòng)密集型工作，再加上時(shí)令要求，勞動(dòng)力問(wèn)題將很難解決。油茶果采摘機(jī)正是在這種情況下應(yīng)運(yùn)而生。
2)改善人工作業(yè)環(huán)境收獲作業(yè)一般都在戶外進(jìn)行，自然環(huán)境比較惡劣，人工采摘費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，油茶果采摘機(jī)的運(yùn)用將大大改善人工采摘的工作環(huán)境。
3)提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)費(fèi)用農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)率很低，約為非農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的25%，主要是因?yàn)閯趧?dòng)力費(fèi)用消耗大，占用了生產(chǎn)費(fèi)用的50%左右。因此，傳統(tǒng)的農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果低，引進(jìn)油茶果采摘機(jī)來(lái)提高生產(chǎn)率，具有非常大的意義。
4)降低勞動(dòng)強(qiáng)度農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)集約化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度大，采摘機(jī)在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)中的作用在于完成以機(jī)械形式難以解決而且勞動(dòng)集約化程度高的作業(yè)。從經(jīng)濟(jì)性方面分析，在農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)作業(yè)中，收獲采摘是費(fèi)力最大、耗時(shí)最多的一個(gè)環(huán)節(jié)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，約占整個(gè)生產(chǎn)量的50%—70%。為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量，要求做到適時(shí)釆摘，同時(shí)，采摘作業(yè)質(zhì)量的好壞直接影響到產(chǎn)品后續(xù)的存儲(chǔ)和加工，從而最終影響市場(chǎng)價(jià)格和果農(nóng)的利益。如何以低成本獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品是果蔬生產(chǎn)環(huán)節(jié)中必須要重視和考慮的問(wèn)題。由于采摘作業(yè)的復(fù)雜性，采摘自動(dòng)化程度仍很低，目前國(guó)內(nèi)果蔬類采摘工作基本上人工作業(yè)，隨著人口老年化的加劇和農(nóng)村勞動(dòng)力的減少，農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)成本也會(huì)相應(yīng)提高，這樣就會(huì)大大降低產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，因此發(fā)展機(jī)械化收獲技術(shù)，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)費(fèi)用，提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證林果的適時(shí)采收，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。在我?guó)耕地緊張的情況下，發(fā)展茶油作為食用油是必要和可行的，而且油茶還是一種抗污染能力極強(qiáng)的樹(shù)種。目前我國(guó)的油茶面積大約為4500畝，年產(chǎn)茶油25萬(wàn)噸，年產(chǎn)值可達(dá)到120億，近年來(lái)各地地方政府的大力支持發(fā)展種植油茶業(yè)，根據(jù)《全國(guó)油茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2008-2020 )》，到2020年我國(guó)的油茶業(yè)能突破9300畝，也就是說(shuō)，油茶產(chǎn)量增加到10倍以上，產(chǎn)值相應(yīng)的也要增加到10倍以上，從而使得油茶的產(chǎn)量占到食用油產(chǎn)量的15%。隨著設(shè)施農(nóng)林業(yè)的發(fā)展和作業(yè)機(jī)械化的要求，研究開(kāi)發(fā)林果收獲機(jī)械，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化收獲是現(xiàn)代林業(yè)工程的重要課題。目前，國(guó)內(nèi)的油茶收獲設(shè)備處于研究階段，課題組研制的油茶果采摘機(jī)采摘效率是人工的十幾倍。采摘臂和采摘頭是油茶果采摘機(jī)的關(guān)鍵執(zhí)行部件，其工作性能對(duì)采摘機(jī)的收獲效率和收獲速度具有重要的影響，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作空間進(jìn)行分析研究并開(kāi)展優(yōu)化具有重要的意義。
1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容
本文主要介紹了現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外油茶果機(jī)械采摘的研究狀況和虛擬樣機(jī)技術(shù)，通過(guò)分析幾種舉升部件的優(yōu)缺點(diǎn)，并結(jié)合油茶果采摘的工作環(huán)境和特性要求，從而研究設(shè)計(jì)出一款合適的油茶振動(dòng)采收機(jī)舉升部件的虛擬樣機(jī)，并對(duì)其主要部件進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì); 同時(shí)利用Solidworks軟件對(duì)各零部件進(jìn)行了三維實(shí)體建模和整機(jī)虛擬裝配，并對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)干涉檢查[21][23]。
2 油茶振動(dòng)采收機(jī)舉升部件的總體方案設(shè)計(jì)
2.1 油茶樹(shù)栽培方式和油茶果生物特性
油茶果油茶果樹(shù)生物特性、栽培方式和種植環(huán)境等因素是采收機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)和前提,決定著采摘機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和作業(yè)方式。生物特性指標(biāo)包括株高、樹(shù)冠面積、徑粗等。通過(guò)對(duì)油茶果樹(shù)的株高、果實(shí)的生長(zhǎng)位置、果實(shí)特點(diǎn)等特性與行距、株距等栽培方式數(shù)據(jù)分析油茶果實(shí)生長(zhǎng)范圍與收獲作業(yè)特點(diǎn),作為采摘機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的依據(jù)[9]。
據(jù)權(quán)威調(diào)查油茶林種植密度根據(jù)地塊、坡度、光強(qiáng)度和管理水平確定。土層深厚、肥沃的平地,株行距3mx3m,栽植1110株/hm;坡腳和緩坡地株行距3mx2.5m,栽植1335株/ hm。經(jīng)過(guò)改良后的成熟油茶樹(shù)一般高為2-3m,冠幅直徑一般為1.5-3m。油茶樹(shù)為常綠小喬木，樹(shù)高一般在2-3m，主樹(shù)干直徑可達(dá)20-80cm,樹(shù)枝較為茂密，樹(shù)冠直徑為4m左右，樹(shù)齡一般在200年。一棵油茶樹(shù)枝可結(jié)5-10個(gè)果實(shí)，如圖2.1所示，單個(gè)成熟果實(shí)的直徑在30-50mm之間，重量一般為50克。
2.2 油茶振動(dòng)采收機(jī)舉升部件的總體方案設(shè)計(jì)原則
2.2.1 最優(yōu)的工作空間
采收機(jī)的工作空間是其末端執(zhí)行器采摘頭上某一參考點(diǎn)所能達(dá)到的所有點(diǎn)的集合，是衡量采收機(jī)工作能力的一個(gè)重要指標(biāo)。釆摘臂的主臂和副臂越長(zhǎng),工作空間就越大,采摘范圍相對(duì)來(lái)說(shuō)就越廣,通用性也就越好,而且還可以減少行走機(jī)構(gòu)的移動(dòng)頻率,進(jìn)而提高采收機(jī)效率。但是,這跟機(jī)械設(shè)計(jì)原則簡(jiǎn)單緊湊相違背。最優(yōu)的設(shè)計(jì)是在工作空間滿足采收機(jī)作業(yè)的情況下,采摘臂長(zhǎng)度盡量小[10]。常用體積指標(biāo)v對(duì)采收機(jī)工作空間進(jìn)行評(píng)價(jià),即:
（1）
（1）式中,V為工作空間的體積;L為各采摘臂長(zhǎng)度之和。
為了使采收機(jī)的作業(yè)目標(biāo)在預(yù)期的工作空間內(nèi),不僅需要考慮體積指標(biāo),而且還要考慮工作空間的形狀。因此,應(yīng)根據(jù)油茶果的實(shí)際分布情況和釆摘作業(yè)的需要,對(duì)采摘臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析,選擇合適的采摘臂構(gòu)型、自由度數(shù)和各臂長(zhǎng)度[11]。
2.2.2 合理的結(jié)構(gòu)
設(shè)計(jì)油茶果采收機(jī)時(shí),不僅要考慮其機(jī)構(gòu)形式和參數(shù),而且還要求設(shè)計(jì)出合理的內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu),如釆摘臂的形狀、粗細(xì),驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。若采摘臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,可能會(huì)出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)不正常、零件安裝不合理、驅(qū)動(dòng)精度低、噪音、震動(dòng)等明顯現(xiàn)象，甚至采摘臂無(wú)法啟動(dòng)。且在滿足使用要求的前提下,應(yīng)減低控制的復(fù)雜性,盡量采用較為簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)[12]。
2.2.3 良好的可操作性
采摘機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行作業(yè)時(shí),評(píng)價(jià)好的標(biāo)準(zhǔn)是看采摘臂末端采摘頭是否可以進(jìn)行空間任一位置姿態(tài)移動(dòng)。為衡量該能力,Yoshikawa于1983年提出了可操作度的概念,從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)靈活性和可操作性進(jìn)行評(píng)價(jià)。用雅克比矩陣表示的可操作性公式為:
（2）
（2）式中, ω執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可操作度; θ為采摘臂的關(guān)節(jié)變量;J(θ)采摘臂的雅克比矩陣。
ω值越大的位置,執(zhí)行機(jī)構(gòu)的靈活性越強(qiáng)。當(dāng)ω=0時(shí),采摘臂處于奇異點(diǎn),釆摘臂將失去一個(gè)或多個(gè)操作自由度,采摘機(jī)作業(yè)困難。所以,采摘機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮使作業(yè)對(duì)象處在可操作度大的范圍內(nèi)來(lái)增加靈活性,避開(kāi)奇異點(diǎn),提高采摘效率[13][25]。
2.2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理
這涉及到運(yùn)動(dòng)副形式的合理選擇和配置,驅(qū)動(dòng)的最佳傳遞方式和路線,轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的最佳配比和空間配合等。若機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理,可能會(huì)出現(xiàn)臂機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)干涉,導(dǎo)致機(jī)器不能正常運(yùn)動(dòng)等問(wèn)題。
2.2.5 盡量采用少的自由度
自由度越多,靈活性越好,機(jī)器就具有越好的操作度。但同時(shí)會(huì)增加機(jī)器的復(fù)雜化,控制困難等問(wèn)題，因此,在滿足機(jī)器正常工作的情況下,自由度盡量少。
綜上可知,釆收機(jī)舉升部件的設(shè)計(jì)根據(jù)具體作業(yè)要求,分解采摘作業(yè)動(dòng)作,將舉升部件分成采摘臂和采摘頭兩部分,參照有關(guān)工業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)中的關(guān)節(jié)配置方式,設(shè)計(jì)出具有最優(yōu)工作空間、避障能力和可操作度的關(guān)節(jié)類型和配置[14]。
2.3 油茶振動(dòng)采收機(jī)舉升部件的總體結(jié)構(gòu)
2.3.1 舉升機(jī)構(gòu)
舉升機(jī)構(gòu)有多種分類方式。按臂架的形狀分類，有直臂式和曲臂式兩種基本型式；按工作臂的型式分類，有四種基本型式，分別為：垂直升降式、折疊臂式、伸縮臂式和混合臂式。根據(jù)高空作業(yè)車(chē)，一般設(shè)有變幅機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、平衡機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)。依靠變幅機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)載人工作斗在水平和垂直方向的移動(dòng)；依靠平衡機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工作斗和水平面之間的夾角保持不變，依靠行走機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)工作場(chǎng)所的轉(zhuǎn)移[15]。
垂直升降式高空作業(yè)車(chē)的升降機(jī)構(gòu)有剪叉式和套筒式兩種，其中剪叉式應(yīng)用較為廣泛。剪叉式升降機(jī)構(gòu)由多組鉸接成剪形的交叉連桿框架組成。剪叉式升降機(jī)構(gòu)在連桿框架間裝有液壓缸，通過(guò)液壓缸的伸縮來(lái)改變連桿交叉的角度，從而達(dá)到改變升降高度的目的。該型式的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作平穩(wěn)、負(fù)載能力強(qiáng)，適合較低高度的作業(yè)，但其升降機(jī)構(gòu)只能做垂直運(yùn)動(dòng)，這導(dǎo)致其作業(yè)范圍狹小，所以它的使用場(chǎng)合較少[16]。
伸縮臂式高空作業(yè)車(chē)的升降機(jī)構(gòu)由多節(jié)套疊、可伸縮的箱形臂組成。當(dāng)行駛時(shí)，作業(yè)臂收縮套疊；當(dāng)工作時(shí)，各節(jié)臂采用或獨(dú)立、或順序、或同步的方式伸縮，以此改變臂架的伸出長(zhǎng)度來(lái)滿足不同的作業(yè)需求。該型式的主要特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、動(dòng)作平穩(wěn)，同時(shí)可以獲得較大的作業(yè)高度與作業(yè)幅度，因此應(yīng)用非常廣泛。
折疊臂式高空作業(yè)車(chē)的升降機(jī)構(gòu)是由多節(jié)箱形臂鉸接而成的。折疊臂式通常采用 2～3 節(jié)折疊臂，各節(jié)臂的折疊和展開(kāi)運(yùn)動(dòng)由各節(jié)臂的液壓缸完成。該型式的主要特點(diǎn)是適合較低高度的作業(yè)，升降機(jī)構(gòu)靈活多樣、適應(yīng)性好、越障能力較強(qiáng)，因此它的應(yīng)用也比較廣泛[17][22]。
將折疊臂和伸縮臂結(jié)合在一起組成的臂架型式被稱為混合臂式，這種臂架型式融合了兩種基本型式臂架的優(yōu)點(diǎn)，不僅作業(yè)高度和作業(yè)幅度較大，越障能力也較強(qiáng)，但它的結(jié)構(gòu)也最為復(fù)雜。
根據(jù)以上的對(duì)比分析，油茶振動(dòng)采收機(jī)舉升部件的總體結(jié)構(gòu)采用折疊臂式舉升機(jī)構(gòu)。這種機(jī)構(gòu)在液壓缸的驅(qū)動(dòng)下可以自由升降，且所占空間小，避障能力較好，其主要部件包括轉(zhuǎn)臺(tái)，上臂，下臂，機(jī)械手爪，液壓伸縮缸等。
根據(jù)任務(wù)要求最大作業(yè)舉升高度為2.5m，根據(jù)油茶樹(shù)株距可知最大作業(yè)半徑大概為2.12m，上臂擬定最大仰角為60度，下臂擬定最大仰角為45度，機(jī)械手爪及連接部分大概為1m長(zhǎng)，不妨設(shè)上臂長(zhǎng)為L(zhǎng)2，下臂長(zhǎng)為L(zhǎng)1，上下臂鉸接點(diǎn)之間的距離為0.25m。根據(jù)圖3上下臂示意圖有：
圖2 上下臂示意圖
Fig2 The schematic diagram of upper and lower arm
（3）
（4）
將數(shù)據(jù)代入（3）、（4）式中求得L2≈1805.97mm，L1≈970.01mm,所以可取L2為1820mm，L1為1000mm。
2.3.2 轉(zhuǎn)臺(tái)
轉(zhuǎn)臺(tái)屬于油茶振動(dòng)采收機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，能夠擴(kuò)大幅度作業(yè)范圍。其上端
鉸接下臂，通過(guò)變幅油缸支撐下臂舉升。由左右支撐板、變幅油缸座、底板、以及其它一些加強(qiáng)板焊接構(gòu)成。轉(zhuǎn)臺(tái)模型如圖3所示。
2.3.3 下臂
下臂也叫做大臂，它起到支撐上臂的作用，它由左右槽鋼、兩端的組合板、伸縮油缸支座、變幅油缸支座組成。其中大臂各板件是焊接而成，各軸套也是焊接在相應(yīng)的銷(xiāo)軸孔內(nèi)。下臂模型如圖4所示。
圖3 轉(zhuǎn)臺(tái)
Fig 3 Assembly of turntable
2.3.4 上臂
上臂的作用就是下端鉸接下臂，上端鉸接液壓伸縮缸，是由上臂油缸及調(diào)平油缸支座、以及相應(yīng)的加強(qiáng)板焊接而成。調(diào)平油缸上端鉸接在上臂的油缸支座上，下端與鉸接于振動(dòng)液壓伸縮缸上的緊固架鉸接在一起，通過(guò)拉動(dòng)該緊固架保證振動(dòng)液壓伸縮缸始終處于水平位置。上臂模型如圖5所示。
圖4 下臂
Fig 4 Assembly of lower boom
圖5 上 臂
Fig 5 Assembly of higher boom
2.3.5 機(jī)械手爪
機(jī)械手爪的主要作用是抓住油茶樹(shù)。其主要由機(jī)械手爪，加強(qiáng)焊接件組成，其上連接有液壓伸縮缸，連接架等。機(jī)械手爪模型如圖6所示。
圖6 機(jī)械手爪
Fig6 Assembly of manipulator claw
3 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 舉升部件的示意結(jié)構(gòu)
折疊臂式舉升機(jī)構(gòu)的工作原理簡(jiǎn)述如下：油茶振動(dòng)采收機(jī)開(kāi)至工作地點(diǎn)，根據(jù)工作狀態(tài)調(diào)整好距離，回轉(zhuǎn)車(chē)廂工作臺(tái)至需要位置，然后利用上、下臂油缸的動(dòng)作配合是機(jī)械手爪達(dá)到需要的工作高度和角度，再利用液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手爪做來(lái)回反復(fù)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)油茶振動(dòng)采收。工作結(jié)束后，通過(guò)液壓控制是舉升機(jī)構(gòu)恢復(fù)原來(lái)狀態(tài)[18][24]。
舉升機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)臺(tái)，臂架及液壓伸縮缸三個(gè)基本部分組成。它的工作方式是:
1、油茶振動(dòng)采收機(jī)停好后，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臺(tái)使舉升機(jī)構(gòu)達(dá)到合適位置；
2、通過(guò)各伸縮液壓缸的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng),使連接在4號(hào)液壓伸縮缸上的機(jī)械手爪處于合適高度及角度；
通過(guò)以上各種動(dòng)作的組合,協(xié)調(diào)完成機(jī)械手爪的空間定位。
3.2 液壓系統(tǒng)的要求
總體要求各種獨(dú)立及協(xié)調(diào)動(dòng)作必須收放平穩(wěn)、無(wú)抖動(dòng)、晃動(dòng)現(xiàn)象；在作業(yè)過(guò)程中不得有回縮現(xiàn)象,在收回狀態(tài)時(shí)不得由于自重而下落。上、下臂工作時(shí),應(yīng)保證起升、下降作業(yè)時(shí)動(dòng)作平穩(wěn)、準(zhǔn)確、無(wú)爬行、振顫、沖擊及不出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)功率異常增大等現(xiàn)象；工作平臺(tái)在額定載荷下工作時(shí),應(yīng)能在任意位置可靠制動(dòng)[26]。
3.2.1 上臂油缸動(dòng)作回路
運(yùn)動(dòng)方向由手動(dòng)換向閥A來(lái)控制,缸桿4可快速伸出,縮回時(shí)為避免由于自重而快速下落,在油路上串聯(lián)節(jié)流閥3調(diào)節(jié)速度,同時(shí)串聯(lián)液控順序閥4,以保證在任意位置停止時(shí),油缸不會(huì)因?yàn)樽灾囟侣洹?
液壓油缸2的最大伸縮量可根據(jù)圖9求得：
圖7 上臂運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
Fig7 The upper arm motion diagram
根據(jù)以上幾何關(guān)系可求得：
3.2.2 下臂油缸動(dòng)作回路
運(yùn)動(dòng)方向由手動(dòng)換向閥B來(lái)控制,缸桿5可快速伸出,但油缸落臂時(shí), 由于載荷的重力作用, 會(huì)產(chǎn)生重力超速現(xiàn)象因此, 考慮在油缸的無(wú)桿腔側(cè)裝設(shè)平衡閥5, 以保證油缸在載荷作用下平穩(wěn)收縮。對(duì)本畢業(yè)設(shè)計(jì)的折疊臂式油茶振動(dòng)采收機(jī), 下臂油缸升起到一定角度時(shí)油缸受拉,落臂時(shí)油缸受壓, 故在液壓回路中裝設(shè)兩塊平衡閥5,同時(shí)還在油路中串聯(lián)節(jié)流閥以調(diào)節(jié)下降速度。
液壓油缸9的最大伸縮量可根據(jù)圖10求得：
圖8 下臂運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖
Fig8 The lower arm motion diagram
根據(jù)以上幾何關(guān)系可得：
3.2.3 機(jī)械手爪油缸及調(diào)平油缸動(dòng)作回路
機(jī)械手爪的運(yùn)動(dòng)由手動(dòng)換向閥C來(lái)控制，缸桿2可快進(jìn)快退，當(dāng)機(jī)械手爪抓緊后或者調(diào)平油缸調(diào)平后，無(wú)論外載荷怎么變化始終需要保持這個(gè)位置不變，因此在回路中裝上雙向液壓鎖2以保證動(dòng)作順利實(shí)現(xiàn)。
調(diào)平油缸的運(yùn)動(dòng)由手動(dòng)換向閥D來(lái)控制，缸桿1可快進(jìn)快退，當(dāng)調(diào)平油缸調(diào)整好后，無(wú)論外載荷怎么變化始終需要保持這個(gè)位置不變，因此在回路中裝上雙向液壓鎖1來(lái)保證動(dòng)作順利進(jìn)行。
3.2.4 實(shí)現(xiàn)振動(dòng)油缸動(dòng)作回路
運(yùn)動(dòng)方向由電磁換向閥E控制，該控制閥必須反應(yīng)靈敏，動(dòng)作迅速，能夠在極短時(shí)間內(nèi)切換油缸進(jìn)油油路以實(shí)現(xiàn)缸桿3來(lái)回反復(fù)運(yùn)動(dòng)，最終達(dá)到振動(dòng)的效果。
4 舉升部件的靜力學(xué)分析計(jì)算
4.1 上臂的靜力學(xué)分析計(jì)算
根據(jù)實(shí)際情況，不妨假設(shè)上臂在1點(diǎn)受鉛垂外力F，上臂單位長(zhǎng)度上的重力為q，支點(diǎn)2在X方向受力為F2x，在Y方向受力為F2y，鉸接點(diǎn)3在X方向受力為F3x，在Y方向受力為F3y，上臂液壓缸軸心線與上臂之間任意時(shí)刻的夾角為θ，與水平線夾角為β，上臂總長(zhǎng)為L(zhǎng)13,1點(diǎn)和2點(diǎn)之間的距離為L(zhǎng)12,2點(diǎn)和3點(diǎn)之間的距離為L(zhǎng)23。
通過(guò)分析可知，當(dāng)θ處于最小時(shí)，即上臂剛開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)，液壓缸所受壓力最大，此時(shí)上臂與水平面的夾角很小，不妨視為0，從而建立上臂受力簡(jiǎn)圖[19]，如圖9所示。
圖9 上臂受力簡(jiǎn)圖
Fig 9 The force diagram of higher boom
根據(jù)受力簡(jiǎn)圖可得：
（5）
（6）
（7）
（8）
由以上(5)、(6)、(7)、(8)式計(jì)算可得油缸軸向壓力F2，鉸接點(diǎn)3在X方向分力F3x和在Y方向分力F3y如下：
（9）
（10）
（11）
（12）
當(dāng)上臂上升到最大高度時(shí)，即β=60°時(shí)，根據(jù)圖9由幾何關(guān)系知θ≈5°，通過(guò)查找資料知合金鋼的密度為ρ=7700kg/m3,已知L13=1.81m,L12=1.31m,L23=0.5m,上臂的截面積S1=0.006m2，所以q=ρsg=462N/m,將這些數(shù)據(jù)代入上式可得：F2x=F3x≈-2571.24N,F2y≈-224.95N,F3y≈-1811.17N,F2≈2581.06N。負(fù)號(hào)表示該力的方向與圖示方向相反。
F2y
圖10 下臂受力簡(jiǎn)圖
Fig 10 The force diagram of lower boom
4.2 下臂的靜力學(xué)分析計(jì)算
不妨設(shè)下臂單位長(zhǎng)度上的重力為q，鉸接點(diǎn)4在X方向受力為F4x，在Y方向受力為F4y，支點(diǎn)5受到合力為F5，支點(diǎn)6受到X方向分力為F2x，在Y方向分力為F2y，鉸接點(diǎn)7在X方向分力為F3x，在Y方向分力為F3y，下臂液壓缸軸心線與下臂的水平任意夾角α，與水平線夾角為γ，下臂長(zhǎng)為L(zhǎng)47，鉸接點(diǎn)4到支點(diǎn)5之間的距離為L(zhǎng)45，支點(diǎn)5到鉸接點(diǎn)7之間的距離為L(zhǎng)57，支點(diǎn)5到支點(diǎn)6之間的距離為L(zhǎng)56。
通過(guò)分析建立下臂受力簡(jiǎn)圖如圖13所示。
根據(jù)受力簡(jiǎn)圖可得：
（13）
（14）
（15）
（16）
不妨設(shè)
（17）
（18）
由以上（11）、（12）、（13）、（14）、（15）、（16）式計(jì)算可得：
（19）
（20）
（21）
（22）
當(dāng)下臂上升到最大高度時(shí)，即γ=45°時(shí)，根據(jù)圖10由幾何關(guān)系知α≈25°，已知合金鋼的密度為ρ=7700kg/m3,L47=1m,L45=0.27m,L56=0.53m,L57=0.73m,下臂的截面積S2=0.0064m2,所以q=ρsg=492.8N/m,將這些數(shù)據(jù)代入以上公式得：T≈-11162.12N，Q=2079.02N，F(xiàn)4x=F5x≈7577.29N,F5y≈20818.43N,F4y≈-18739.41N,F5≈22154.51N。負(fù)號(hào)表示該力與圖示方向相反。
根據(jù)以上計(jì)算可以選出液壓油缸8和9（參照?qǐng)D2）的型號(hào)：
表1 液壓油缸參數(shù)表
Chart1 Table parameters of hydraulic cylinder
液壓油缸序號(hào)
缸徑/mm
最大行程/mm
推力/N
拉力/N
活塞桿直徑/mm
速度比
8
40
320
20100
12250
25
1.7
9
50
400
31420
18550
32
1.7
4.3 舉升部件自由度的計(jì)算
由圖3.1可知舉升部件中有3個(gè)活動(dòng)構(gòu)件n，3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副P(pán)L，沒(méi)有高副P(pán)H，因此根據(jù)以下公式可得舉升部件的自由度F[20]。
F=3n-2PL-PH
=3×3-2×3-0
=3 (個(gè))
即舉升部件的自由度為3，等于舉升部件的機(jī)構(gòu)數(shù)，所以舉升部件有固定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
4.4 上下臂的靜力學(xué)仿真
3
2
1
圖11 上臂的靜力學(xué)仿真
Fig11 The statics of the simulation to upper arm
上臂的載荷約束為：1孔X、Y、Z方向位移自由度全約束，1孔、2孔的X、Z旋轉(zhuǎn)自由度被約束，只留Y方向的旋轉(zhuǎn)自由度，3孔Z方向加載載荷為-649.5N，X方向加載載荷為-375N，X方向加載加速度為-5N/Kg，Z方向加載加速度為-8.66N/Kg。
仿真后如圖14所示，得出上臂所受最大應(yīng)力為1.93e7Pa，最大位移為3.916e-4m，最大主應(yīng)變?yōu)?.795e-5。
下逼的載荷約束為：4孔、5孔的X、Y、Z方向位移自由度全約束，X、Z的旋轉(zhuǎn)自由度全約束，只留Y方向的旋轉(zhuǎn)自由度，3孔Z方向加載載荷為1677.6N，Y方向加載載荷為-1995.6N，4孔Y方向加載載荷為3130.29N，Z方向加載載荷為-524.91N，Y方向加速度為-7.072N/Kg，Z方向加速度為-7.072N/Kg。
7
6
仿真后如圖15所示，得出下臂所受最大應(yīng)力為2.741e7Pa，最大位移為2.053e-4m，最大主應(yīng)變?yōu)?.392e-4。
4
5
圖12 下臂的靜力學(xué)仿真
Fig12 The statics of the simulation to lower arm
5 結(jié)論
油茶是我國(guó)的主要木本油料樹(shù)種，油茶果提取的茶油色清味香，被譽(yù)為“東方橄欖油”。隨著我國(guó)油茶樹(shù)種植面積的不斷擴(kuò)大及油茶產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展，這就需要大量的人力物力，然而人工作業(yè)效率低下，加上油茶主要種植在地形復(fù)雜的林區(qū)，所以人工采摘作業(yè)效率極其低下，這嚴(yán)重制約著其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此研發(fā)自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備代替人工采摘作業(yè)未來(lái)科技發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文根據(jù)油茶的生長(zhǎng)環(huán)境，形貌特征以及諸多調(diào)查結(jié)果，對(duì)比和分析了目前幾種舉升機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，主要有垂直升降式，伸縮缸式，折疊臂式，混合式四種舉升機(jī)構(gòu)。本設(shè)計(jì)采用了折疊臂式舉升部件，利用液壓驅(qū)動(dòng)，同時(shí)設(shè)計(jì)了液壓系統(tǒng)圖，其主要優(yōu)點(diǎn)有所占空間小，避障能力強(qiáng)，操作靈活等，并利用Solidworks軟件建立了三維實(shí)體模型，進(jìn)行了靜力學(xué)計(jì)算，并繪制相關(guān)零件圖和總裝圖，同時(shí)進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)干涉檢查。
5.1 本文主要工作成果
1）通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外各種相關(guān)文獻(xiàn)，介紹了我國(guó)油茶種植業(yè)及油茶產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，同時(shí)介紹了各種采摘機(jī)特別是油茶振動(dòng)采摘機(jī)的特點(diǎn)。
2）結(jié)合油茶樹(shù)的生長(zhǎng)環(huán)境及油茶果的采摘要求等確定了油茶振動(dòng)采收機(jī)的舉升部件結(jié)構(gòu)，并建立了三維實(shí)體模型。
5.2 論文的不足與研究展望
1）本文僅設(shè)計(jì)了油茶振動(dòng)采收機(jī)舉升部件的結(jié)構(gòu)，在機(jī)械連接與工藝性方面考慮還有疏忽，所以后續(xù)工作可多從這方面開(kāi)展。
2）本文缺少機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析及液壓原件的受力分析，所以還需進(jìn)一步研究改進(jìn)。
3）本文缺少對(duì)舉升部件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)計(jì)算以及振動(dòng)影響分析，這些方面也需要進(jìn)一步研究改進(jìn)。
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致 謝
本論文是在導(dǎo)師楊文敏教授的殷切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下順利完成的。從論文的選題、資料的閱讀和查找、理論研究，到最后論文的撰寫(xiě)、定稿，都得到了楊文敏教授細(xì)心的指點(diǎn)和幫助。在學(xué)習(xí)期間，楊文敏教授嚴(yán)格勤勉的工作作風(fēng)以及樂(lè)觀熱情的生活態(tài)度給我留下了非常深刻的印象，使我獲益良多。值此論文完成之際，謹(jǐn)向?qū)熤乱哉\(chéng)摯的感謝以及深深的敬意! 同時(shí)，也向這三年來(lái)傳授我知識(shí)的老師們和陪伴我學(xué)習(xí)和生活的兄弟姐妹們表示真摯的感謝!
感謝各位老師和同學(xué)們?cè)趯W(xué)習(xí)過(guò)程中給予我許多的鼓勵(lì)和幫助?；叵胝麄€(gè)論文的寫(xiě)作過(guò)程，雖有不易，卻是我這三年來(lái)學(xué)習(xí)的總結(jié)，經(jīng)歷了思考和啟示，也更加深切地體會(huì)了學(xué)習(xí)的辛苦以及通過(guò)辛苦努力換來(lái)甘甜后的喜悅，因此倍感珍惜！
最后，感謝支持和關(guān)愛(ài)我的父母、家人及朋友，他們是我勇往直前的堅(jiān)強(qiáng)后盾，給我關(guān)心和鼓勵(lì)；他們是我不斷拚搏的精神支柱，給我勇氣和信心。在我最困難的時(shí)候，他們默默支持我，竭盡全力地幫助我，在此向他們表示我最真誠(chéng)的感謝！
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