椰樹攀爬裝置的關鍵部件磨損特性分析

張帆 宮杰 范海闊 張強 黃暉 夏文 劉義軍 付云飛

摘 要 為提高椰子采摘工作的作業(yè)效率和安全性，設計出一款簡易椰樹攀爬裝置，并運用超景深顯微技術對裝置的安全性能進行磨損特性分析。模仿人類爬樹動作，確定了攀爬裝置的運動方式，完成對樣機的設計；設計0-1 000 N的循環(huán)載荷攀爬試驗，運用超景深顯微鏡的變焦鏡頭VH-200R瞬時拍攝了不同階段的關鍵部件（支撐架、支撐桿以及鋼絲繩）磨損狀態(tài)。結(jié)果表明：攀爬裝置在反復工作過程中，3個關鍵部件均因受到較大應力并發(fā)生變形，隨著承重載荷的增加，變形程度逐漸加劇，磨損程度越來越大。

關鍵詞 超景深顯微鏡 ；關鍵部件 ；椰樹攀爬裝置 ；攀爬實驗 ；磨損特性

中圖分類號 S22

Abrasion Characteristics Analysis of Key Components in Coconut Tree Climbing Device

ZHANG Fan1） GONG Jie1） FAN HaiKuo2） ZHANG Qiang3） HUANG Hui1）

XIA Wen1） LIU YiJun1） FU YunFei1）

（1 Agricultural Product Processing Research Institute / Chinese Agricultural Ministry Key Laboratory of Tropical Crop Products Processing， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Zhanjiang， Guangdong 524001；

2 Coconut Research Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Wenchang， Hainan 571339；

3 College of Mechanical Engineering， Liaoning Technical University， Fuxin， Liaoning 123000）

Abstract To improve work efficiency and safety of coconut picking， a simple coconut tree climbing device is designed， and then the super depth microscopy approach is used to analyze the safety performance and the wear characters of this device. For starters， by simulating the action of human climbing， we determine the motion scheme of this device and complete the design； then a load climbing test is proposed to observe the three key components， including a supporting frame， a supporting rod and a wire rope. The infrared thermal imaging and acoustic emission detections are recorded by microscope lens VH-200 under the cycling load from 0 N to 1000 N. The results show that during the repeated operation of the climbing device， the three key components are all subjected to large stress and deformation. With the increase of bearing load， the deformation degree is gradually intensified， and the wear degree shows an increasing trend.

Key words digital microscope ； key parts ； coconut tree climbing device ； climbing test ； wear characteristics

椰子是海南最重要的熱帶經(jīng)濟作物之一，其種植面積與結(jié)構(gòu)比率一直居于海南熱帶作物的前3名。椰子產(chǎn)業(yè)是海南的傳統(tǒng)特色產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)品價值、環(huán)境價值、生態(tài)價值及社會價值更加得到凸顯。海南擁有椰子加工企業(yè)400多家，有超過50萬人（約占海南戶籍人口數(shù)的6 %）從事與椰子產(chǎn)業(yè)相關的椰子種植、產(chǎn)品加工、產(chǎn)品運銷及科研等工作。由于椰子樹是一種常綠喬木，其樹干挺直，高達15-30 m，且缺少枝干，所以每到椰果的收獲季節(jié)，如何對椰果進行高效的采摘便成為椰農(nóng)首先要解決的技術難題[1-4]。

目前，國內(nèi)外采摘椰果主要有以下4種方法。方法一是椰果成熟自然脫落。此方法因椰果采收時間長，過熟的椰果水少、品質(zhì)差，不能滿足椰子加工產(chǎn)業(yè)的要求。方法二是長柄工具鉤果。此方法非常費力，椰樹越高，勞動強度越大。方法三是人工爬樹采摘。這種方法保證了椰果采收質(zhì)量，但采摘效率低，危險性較大。方法四是訓練猴子爬樹摘果。此方法雖然很好，但成本高、難度大[2-4]。

近幾年，印度、泰國等椰子主產(chǎn)國對椰樹攀爬裝置進行了研究與設計[5-8]。目前，椰樹攀爬裝置在一定程度上能降低椰果采摘工人的勞動強度并提高采摘效率，但其制造成本偏高，而且結(jié)構(gòu)復雜，不易操作。基于上述原因，這些國家的椰樹攀爬裝置并未得到批量生產(chǎn)和大規(guī)模的推廣應用。目前我國并未開展有關椰樹攀爬裝置的研制工作，椰果的采摘還是以傳統(tǒng)的人工爬樹采摘作業(yè)方式為主，這種方法存在采摘效率低、成本高、勞動強度大以及安全性差等問題，嚴重制約了椰子產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展，目前急需一種能夠輔助人工攀爬椰樹的裝置。因此，筆者以椰樹攀爬裝置為研究對象，通過解析人類爬樹動作，確定攀爬裝置的運動方式，完成對樣機的結(jié)構(gòu)設計；設計循環(huán)載荷下的椰樹攀爬試驗并基于超景深顯微鏡觀察攀爬裝置關鍵部件在循環(huán)載荷作用過程中的變形情況，以分析其磨損特性，為后續(xù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計提供了理論依據(jù)。

1 攀爬裝置的設計原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

根據(jù)椰樹的生物學特性，分析研究椰果采摘工人在攀爬椰樹時的運動特點，結(jié)合人機工程學與簡易原則，確定了椰樹攀爬裝置的運動原理和設計方案，并計算該裝置的總體參考尺寸，設計出椰樹攀爬裝置原理，見圖1[9]。

該攀爬裝置包含2個主體作業(yè)單元及3個輔助作業(yè)部件，兩主體作業(yè)單元包括攀爬裝置上驅(qū)動部和攀爬裝置下驅(qū)動部，二者在進行攀爬作業(yè)時相對獨立，當其中一個單元作為受力主體時，可釋放并移動另一個單元。2個主體單元的工作部分在結(jié)構(gòu)設計上大同小異，均包含有支撐架、支撐桿、鋼絲繩3個關鍵部件，3個部件依次進行連結(jié)。為適應不同直接的樹木，支撐桿與支撐架之間通過調(diào)節(jié)板的主安裝孔，并采用螺栓與主體支架相連接，支撐桿與鋼絲繩的連接則是通過支撐桿臂上的調(diào)節(jié)孔串接而成。兩主體作業(yè)單元不同之處在于攀爬裝置上驅(qū)動部設計有可供樹木攀爬作業(yè)人員坐下的座椅，座椅與主支架焊接相連，為上驅(qū)動部的受力點；下驅(qū)動部則設計有攀爬腳扣裝置，為下驅(qū)動部的受力點，同樣與下驅(qū)動部焊接連結(jié)。此外，輔助工具安全帽和安全帶都是為保障攀爬作業(yè)人員的安全，連接繩則是為了防止在攀爬作業(yè)時由于操作失誤所造成的上驅(qū)動部和下驅(qū)動部脫離而掉落。

1.2 操作原理

結(jié)合裝置的需求定位，初步選用304不銹鋼材料制作一臺樣機，并對樣機進行了工作試驗。圖2為攀爬裝置的工作狀態(tài)，其工作原理為：攀爬作業(yè)人員佩戴好安全帽和安全繩等安全措施，將腳放置在攀爬裝置下驅(qū)動部的腳扣中，并平坐于攀爬裝置上驅(qū)動部的座椅上，此時座椅和腳扣作為承重載荷的受力支點，人體重力與裝置和樹木之間的摩擦力達到平衡。往上攀爬時，作業(yè)人員的腿逐漸站立伸直，下驅(qū)動部腳扣作為受力支點而受力，同時作業(yè)人員手握住攀爬裝置上驅(qū)動部的主體支架，使上驅(qū)動部隨著作業(yè)人員的上提而往上運動，待運動到指定點后，作業(yè)人員重新坐在座椅上，此時身體重力與裝置和樹木的摩擦力重新達到平衡，再借助腿部上蹬的動作使攀爬裝置下驅(qū)動部沿著樹木上移，如此反復進行動作間的交替，即可完成樹木的攀爬作業(yè)。

2 關鍵部件的超景深顯微鏡分析

2.1 試驗設備

超景深顯微鏡是一種雙目觀察的連續(xù)變倍實體顯微鏡，可以觀察傳統(tǒng)光學顯微鏡由于景深不夠而不能看到的顯微世界，它具有獨特的環(huán)形照明技術，并配有斜照明、透射光和偏振光，能滿足一般的金相照片拍攝、宏觀的立體拍攝和非金屬材料的拍攝，物體的圖像用CCD相機俘獲并在LCD顯示器上觀察。本研究所使用的超景深顯微鏡為Keyence VHX-2000，如圖3。

2.2 試驗方法

攀爬裝置在工作過程中，會受到作業(yè)人員身體重量的壓力，因而各個部件之間會產(chǎn)生較大的應力和摩擦力，造成零件一定的磨損變形，由于不同的承載量的磨損程度不同，裝置的變形程度也會發(fā)生變化。為探討攀爬裝置在實際承重情況下的影響，設計了承重載攀爬試驗，對裝置持續(xù)施加從0 N到1 000 N的承重循環(huán)載荷。本研究采用紅外熱成像檢測法，通過對裝置施加750 N的靜態(tài)載荷的條件下，觀察裝置的主要受力點集中在支撐架、支撐桿螺栓孔、鋼絲繩3處，即為椰樹攀爬裝置的關鍵部件。由于攀爬試驗是人工實現(xiàn)，無法給出具體的攀爬循環(huán)次數(shù)，因此，本研究使用超景深顯微鏡瞬時記錄關鍵部件在4個不同階段時的磨損情況。

2.3 試驗結(jié)果分析

首先測試了支撐架在持續(xù)載荷作用下不同階段的厚度，并對支撐架的厚度進行了測量，如圖4。

由圖4可以看出，從階段1到階段2，支撐架輕微磨損，并且逐漸變薄，其寬度從初始的5 006 μm變?yōu)? 939 μm；在階段3時，支撐架磨損開始加劇，材料顏色也明顯變淺，厚度減小為4 487 μm；階段4后，支撐架磨損程度嚴重加劇，材料明顯變薄，厚度減小為4 448 μm。

由于支撐架與支撐桿通過螺栓相連接，施加承重載荷過程中，螺栓與螺紋孔相互擠壓，會使支撐桿螺紋孔產(chǎn)生磨損變形，利用超景深顯微鏡對其中支撐架的螺栓孔進行拍攝其對面積進行測量，可以探究支撐桿鎖緊螺栓孔的磨損狀況。圖5記錄了螺紋孔在不同階段時的磨損情況。

由圖5可知，從階段1到階段2，支撐桿的螺紋孔產(chǎn)生輕微裂痕，并且面積由初始的53 659 019 μm2增至54 791 552 μm2，在階段3時，支撐桿上的螺紋孔出現(xiàn)明顯裂紋，面積增至55 033 271 μm2，階段4后，裂紋較大，并且發(fā)生明顯擴散，螺紋孔面積增至55 224 283 μm2。

攀爬裝置在有承重的條件下，鋼絲繩會因為受到拉應力變得膨脹，即截面積逐漸變寬，使鋼絲繩不斷磨損。為探究鋼絲繩承重時磨損特性，利用超景深顯微鏡瞬時拍攝4個不同時期的鋼絲繩使用狀態(tài)，并測量單條鋼絲繩的寬度，記錄結(jié)果見圖6。

由圖6可知，鋼絲繩在初始狀態(tài)外形緊致，寬度為2 496 μm；到階段2時，鋼絲繩逐漸松弛，寬度增至3 258 μm；階段3后，鋼絲繩松弛程度加劇，寬度增至3 326 μm；階段4時，鋼絲繩寬度增至3 452 μm。

由表1可知，隨著循環(huán)載荷的持續(xù)作用，支撐架的磨損程度逐漸加劇，厚度變薄，變形較為明顯；支撐架螺紋孔的磨損程度加重并且面積變大，變形程度逐漸加??；鋼絲繩寬度的增加，變成程度逐漸加劇。

3 結(jié)論

本研究基于椰樹的生物學特性和椰果作業(yè)人員的運動特點，結(jié)合人機工程學原理，確定了椰樹攀爬裝置的運動原理，通過對裝置的結(jié)構(gòu)設計，制作出椰樹攀爬裝置的樣機；基于超景深顯微鏡，設計攀爬裝置的攀爬實驗，通過對攀爬裝置的遞增施加0-1 000 N的承重載荷，觀察支撐架、支撐桿和鋼絲繩的磨損狀況，并瞬時拍攝了不同階段的實時狀態(tài)，再對各個部件指標參數(shù)進行測量發(fā)現(xiàn)，椰樹攀爬裝置在工作工程中，支撐架、支撐桿、鋼絲繩3處隨著循環(huán)載荷的持續(xù)作用，其磨損程度逐漸加劇。

下一步將針對本研究結(jié)果，對椰樹攀爬裝置的支撐架、支撐桿、鋼絲繩的選材及結(jié)構(gòu)重新進行優(yōu)化設計，以保證裝置工作狀態(tài)安全、可靠，此外需要對攀爬裝置關鍵零件進行及時更新，以保證作業(yè)人員的人身安全。

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