張翠英，儀垂良，任冬梅，王東岳，王樹(shù)城，楊化偉，馬曉君，盧緒振

（250100 山東省 濟(jì)南市 山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院）

0 引言

椰棗被稱為“沙漠面包”，主產(chǎn)區(qū)集中在中東和北非地區(qū)，一棵椰棗樹(shù)的產(chǎn)量可以達(dá)到70～140 kg，產(chǎn)果期可達(dá)到100 年以上[1-2]。椰棗樹(shù)高可達(dá)15～25 m，羽狀葉長(zhǎng)2～3 m，在整個(gè)椰棗主產(chǎn)區(qū)，椰棗生產(chǎn)機(jī)械幾乎處于空白[3]。1990年，Al-Suhaibani 等人在《亞洲農(nóng)業(yè)機(jī)械化》（Agricultural Mechanization in Asia）發(fā)表文章，研制了一種椰棗收獲機(jī)械，這種機(jī)械包括一個(gè)四輪驅(qū)動(dòng)底盤和一個(gè)電液控制的吊籃，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)吊籃將工人提升到樹(shù)上，工人站在吊籃里進(jìn)行采摘作業(yè)[4]。近年來(lái)又出現(xiàn)一批振動(dòng)式椰棗收獲機(jī)，在椰棗未成熟之前套上網(wǎng)袋，待椰棗全部成熟后通過(guò)振動(dòng)樹(shù)干完成椰棗果實(shí)的收獲[5-7]。目前的椰棗生產(chǎn)管理還是主要靠人力，勞動(dòng)強(qiáng)度大且高空作業(yè)危險(xiǎn)性大[8]。

為實(shí)現(xiàn)椰棗生產(chǎn)機(jī)械化，解放大量農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力，促進(jìn)椰棗產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，進(jìn)而提高椰棗產(chǎn)地人民的生活水平，山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院與埃及國(guó)家研究中心合作研制了一種多功能椰棗園作業(yè)平臺(tái)（如圖1 所示），可作為果園機(jī)械化作業(yè)平臺(tái)，配套專用作業(yè)部件實(shí)現(xiàn)果樹(shù)剪枝、授粉、打藥、采摘等多種作業(yè)。

圖1 多功能椰棗園作業(yè)平臺(tái)Fig.1 Multi-functional operation platform for date palm garden

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

本文設(shè)計(jì)的多功能椰棗園作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成如圖2 所示，包括拖車、支腿、座椅及操縱系統(tǒng)、立柱、主臂、作業(yè)裝置和液壓系統(tǒng)。

圖2 多功能椰棗園作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of multi-functional operation platform for date palm garden

拖車包括車架、底座、輪胎和貨箱，拖車通過(guò)三點(diǎn)懸掛與拖拉機(jī)連接，能夠由拖拉機(jī)帶動(dòng)行走，能夠運(yùn)輸相關(guān)物資。支腿通過(guò)銷軸與車架連接，并通過(guò)支腿油缸控制支撐高度，在作業(yè)平臺(tái)工作時(shí)可以起到固定支撐作用，平臺(tái)行走時(shí)收起支腿。立柱通過(guò)油缸可以上下升降，還可以360°旋轉(zhuǎn)，與可以伸縮的主臂一起工作，擴(kuò)大了作業(yè)范圍。作業(yè)裝置包括底座、剪切機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、集果箱、電控裝置，固定在主臂的頂端，作業(yè)人員只需要在座椅處操縱液壓控制系統(tǒng)，便可以實(shí)現(xiàn)果樹(shù)修剪、授粉或收獲等工作，克服了人員高空作業(yè)帶來(lái)的安全問(wèn)題，提高了工作效率。

2 主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)計(jì)算

根據(jù)調(diào)研總結(jié)出多功能椰棗園作業(yè)平臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)要求如表1 所示。

表1 多功能椰棗園作業(yè)平臺(tái)主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Main technical parameters of multi-functional operation platform for date palm garden

由于大多椰棗樹(shù)的盛產(chǎn)期為樹(shù)高7～12 m，所以確定作業(yè)平臺(tái)最大作業(yè)高度為12 m。外形尺寸是指運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)多功能椰棗園作業(yè)平臺(tái)的尺寸，立柱升至最高，主臂伸至最長(zhǎng)時(shí)的尺寸如圖3 所示。最大作業(yè)半徑R>O2D=5 600 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。各主要結(jié)構(gòu)計(jì)算尺寸如圖3 所示。

圖3 技術(shù)指標(biāo)計(jì)算示意圖Fig.3 Schematic diagram of technical index calculation

為驗(yàn)算作業(yè)平臺(tái)作業(yè)范圍，可以利用齊次坐標(biāo)變換法[9]表達(dá)主臂的運(yùn)動(dòng)。主臂回轉(zhuǎn)角度為360°，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中只有立柱、主臂及主臂頂端的作業(yè)裝置動(dòng)作，所以回轉(zhuǎn)角度內(nèi)作業(yè)范圍相同。以圖3 所示角度進(jìn)行求解，作業(yè)平臺(tái)只有立柱下降和主臂繞銷軸中心O2旋轉(zhuǎn)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)。

建立兩個(gè)坐標(biāo)系，以地平線與立柱軸線交點(diǎn)O1為圓心建立固定坐標(biāo)系1，以點(diǎn)O2為圓心建立運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系2。

初始位置時(shí)，坐標(biāo)系1 與坐標(biāo)系2 具有相同的方位，主臂頂端D 點(diǎn)的在坐標(biāo)系2 的描述為

立柱下降j 時(shí)，位置矢量為

立柱伸縮油缸的行程為1 350 mm，則

主臂繞銷軸中心O2逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)θ時(shí),旋轉(zhuǎn)矩陣為

式（4）中，cθ=cosθ，sθ=sinθ。

主臂頂端D 點(diǎn)在坐標(biāo)系1 中的運(yùn)動(dòng)軌跡為

將式（1）—式（3）代入式（4）可得

如圖3 所示，∠DO2C 和在設(shè)計(jì)過(guò)程中已經(jīng)確定，則主臂旋轉(zhuǎn)角度θ的范圍與∠BO2C 的變化范圍一致。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中∠DO2C=16°，AB=230 mm，O2A=1 870 mm，O2C=560 mm，∠AO2B=arctan（AB/ O2A）=7°。

隨著主臂旋轉(zhuǎn)

式（8）中：BC——主臂油缸，長(zhǎng)度范圍為1 420～2 350 mm。代入式（8）得

根據(jù)右手定則，主臂繞銷軸中心O2逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正，可求得主臂旋轉(zhuǎn)角度θ的范圍

將式（3）和式（11）代入式（6）得

所以主臂頂端D 點(diǎn)最大高度為10 909 mm，最小高度為508 mm。

作業(yè)裝置頂端到主臂頂端D 點(diǎn)的垂直距離大于1 m，工作時(shí)支腿會(huì)使輪胎高于地面200 mm，所以，作業(yè)平臺(tái)最大作業(yè)高度大于12 m，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 有限元分析

根據(jù)以上技術(shù)要求，完成了多功能椰棗園作業(yè)平臺(tái)的初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在整個(gè)作業(yè)平臺(tái)中，有主臂與立柱組成的機(jī)械臂用于大范圍內(nèi)作業(yè)，長(zhǎng)度和高度比較大，其強(qiáng)度可靠性尤為重要。利用SolidWorks 中的Simulation 模塊，對(duì)主臂頂端D點(diǎn)離立柱最遠(yuǎn)、立柱升到最高的工況進(jìn)行靜應(yīng)力分析，校核作業(yè)平臺(tái)機(jī)械臂的機(jī)械強(qiáng)度。

將簡(jiǎn)化后的部件模型按照上述工況進(jìn)行裝配，啟用Simulation，進(jìn)行預(yù)處理[10]。

圖4 中所有零件材料選擇普通碳鋼；8 對(duì)接觸面設(shè)為無(wú)穿透相觸面組；立柱轉(zhuǎn)軸設(shè)為固定鉸鏈，立柱底端平面設(shè)為固定夾具；機(jī)械臂工作裝置銷軸處加載方向垂直向下的力F1=4 000 N，重力G 方向如箭頭所示。網(wǎng)格化時(shí)選擇根據(jù)零件大小進(jìn)行網(wǎng)格控制，達(dá)到網(wǎng)格相對(duì)精確的同時(shí)，盡量減少計(jì)算時(shí)間。

圖4 機(jī)械臂有限元模型Fig.4 Finite element model of manipulator

利用Simulation 自動(dòng)選配的求解器計(jì)算，結(jié)果分別如圖5—圖7 所示。

圖5 機(jī)械臂應(yīng)力云圖Fig.5 Stress nephogram of manipulator

圖6 機(jī)械臂應(yīng)變?cè)茍DFig.6 Strain nephogram of manipulator

圖7 機(jī)械臂變形（位移）云圖Fig.7 Displacement nephogram of manipulator

機(jī)械臂大部分結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布比較均勻，強(qiáng)度能夠滿足設(shè)計(jì)要求；但立柱部分應(yīng)力太大，最大達(dá)到485.6 MPa，強(qiáng)度不能滿足使用要求。同時(shí)，主臂變形較大，最大變形達(dá)到154 mm，剛度達(dá)不到使用要求，不僅影響了工作精度，還有可能會(huì)造成斷裂破壞。

設(shè)置應(yīng)力為ISO 剪裁顯示，對(duì)危險(xiǎn)截面進(jìn)行放大觀察。最大應(yīng)力出現(xiàn)在立柱滑軌位置，如圖8 所示。

圖8 機(jī)械臂危險(xiǎn)截面應(yīng)力云圖Fig.8 Stress nephogram of dangerous section of manipulator

為減小危險(xiǎn)截面應(yīng)力，進(jìn)一步優(yōu)化了立柱滑軌處的結(jié)構(gòu)。立柱內(nèi)滑軌優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)比較如圖9 所示。

圖9 立柱內(nèi)滑軌優(yōu)化Fig.9 Optimization of sliding rail in column

將優(yōu)化后的部件模型重新裝配，啟用Simulation，進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理過(guò)程中，保持零件材料設(shè)置不變，相應(yīng)接觸面設(shè)為無(wú)穿透相觸面組，夾具不變，加載力不變。網(wǎng)格化時(shí)依然選擇根據(jù)零件大小進(jìn)行網(wǎng)格控制，有限元模型如圖10 所示。

圖10 機(jī)械臂優(yōu)化后有限元模型Fig.10 Finite element model of manipulator after optimization

利用Simulation 自動(dòng)選配的求解器計(jì)算，結(jié)果分別如圖11—圖13 所示。

圖11 機(jī)械臂優(yōu)化后應(yīng)力云圖Fig.11 Stress nephogram of manipulator after optimization

圖12 機(jī)械臂優(yōu)化后應(yīng)變?cè)茍DFig.12 Strain nephogram of manipulator after optimization

圖13 機(jī)械臂優(yōu)化后變形（位移）云圖Fig.13 Displacement nephogram of manipulator after optimization

優(yōu)化后的機(jī)械臂最大應(yīng)力為111.3 MPa，各部件應(yīng)力分布更為均勻，最大變形為77 mm，基本滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)果分析

機(jī)械臂主要使用普通碳鋼，其屈服強(qiáng)度為σs=220.6 MPa，安全系數(shù)ns=σs/σmax。計(jì)算結(jié)果如表2 所示。

表2 計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation result

優(yōu)化后的機(jī)械臂最大應(yīng)力比優(yōu)化前降低374 MPa，最大變形比原來(lái)降低76 mm，安全系數(shù)能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

（1）確定了滿足實(shí)際作業(yè)要求的多功能椰棗園作業(yè)平臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)，應(yīng)用齊次坐標(biāo)變換法驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇合理，完成了作業(yè)平臺(tái)的初步設(shè)計(jì)。

（2）建立了多功能椰棗園作業(yè)平臺(tái)機(jī)械臂的裝配體力學(xué)模型，利用Simulation 進(jìn)行了整機(jī)的有限元靜應(yīng)力分析，得出了應(yīng)力云圖、應(yīng)變?cè)茍D、變形云圖。

（3）以有限元分析為依據(jù)，對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行了優(yōu)化，經(jīng)進(jìn)一步有限元分析顯示，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布均勻，滿足了材料強(qiáng)度和剛度要求。

（4）利用有限元分析能夠有效地得出結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度可靠性，為以后的樣機(jī)試驗(yàn)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。