椰树攀爬装置的关键部件磨损特性分析

张帆 宫杰 范海阔 张强 黄晖 夏文 刘义军 付云飞

摘 要 为提高椰子采摘工作的作业效率和安全性，设计出一款简易椰树攀爬装置，并运用超景深显微技术对装置的安全性能进行磨损特性分析。模仿人类爬树动作，确定了攀爬装置的运动方式，完成对样机的设计；设计0-1 000 N的循环载荷攀爬试验，运用超景深显微镜的变焦镜头VH-200R瞬时拍摄了不同阶段的关键部件（支撑架、支撑杆以及钢丝绳）磨损状态。结果表明：攀爬装置在反复工作过程中，3个关键部件均因受到较大应力并发生变形，随着承重载荷的增加，变形程度逐渐加剧，磨损程度越来越大。

关键词 超景深显微镜 ；关键部件 ；椰树攀爬装置 ；攀爬实验 ；磨损特性

中图分类号 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带经济作物之一，其种植面积与结构比率一直居于海南热带作物的前3名。椰子产业是海南的传统特色产业，其产品价值、环境价值、生态价值及社会价值更加得到凸显。海南拥有椰子加工企业400多家，有超过50万人（约占海南户籍人口数的6 %）从事与椰子产业相关的椰子种植、产品加工、产品运销及科研等工作。由于椰子树是一种常绿乔木，其树干挺直，高达15-30 m，且缺少枝干，所以每到椰果的收获季节，如何对椰果进行高效的采摘便成为椰农首先要解决的技术难题[1-4]。

目前，国内外采摘椰果主要有以下4种方法。方法一是椰果成熟自然脱落。此方法因椰果采收时间长，过熟的椰果水少、品质差，不能满足椰子加工产业的要求。方法二是长柄工具钩果。此方法非常费力，椰树越高，劳动强度越大。方法三是人工爬树采摘。这种方法保证了椰果采收质量，但采摘效率低，危险性较大。方法四是训练猴子爬树摘果。此方法虽然很好，但成本高、难度大[2-4]。

近几年，印度、泰国等椰子主产国对椰树攀爬装置进行了研究与设计[5-8]。目前，椰树攀爬装置在一定程度上能降低椰果采摘工人的劳动强度并提高采摘效率，但其制造成本偏高，而且结构复杂，不易操作。基于上述原因，这些国家的椰树攀爬装置并未得到批量生产和大规模的推广应用。目前我国并未开展有关椰树攀爬装置的研制工作，椰果的采摘还是以传统的人工爬树采摘作业方式为主，这种方法存在采摘效率低、成本高、劳动强度大以及安全性差等问题，严重制约了椰子产业的持续健康发展，目前急需一种能够辅助人工攀爬椰树的装置。因此，笔者以椰树攀爬装置为研究对象，通过解析人类爬树动作，确定攀爬装置的运动方式，完成对样机的结构设计；设计循环载荷下的椰树攀爬试验并基于超景深显微镜观察攀爬装置关键部件在循环载荷作用过程中的变形情况，以分析其磨损特性，为后续结构的优化设计提供了理论依据。

1 攀爬装置的设计原理

1.1 结构组成

根据椰树的生物学特性，分析研究椰果采摘工人在攀爬椰树时的运动特点，结合人机工程学与简易原则，确定了椰树攀爬装置的运动原理和设计方案，并计算该装置的总体参考尺寸，设计出椰树攀爬装置原理，见图1[9]。

该攀爬装置包含2个主体作业单元及3个辅助作业部件，两主体作业单元包括攀爬装置上驱动部和攀爬装置下驱动部，二者在进行攀爬作业时相对独立，当其中一个单元作为受力主体时，可释放并移动另一个单元。2个主体单元的工作部分在结构设计上大同小异，均包含有支撑架、支撑杆、钢丝绳3个关键部件，3个部件依次进行连结。为适应不同直接的树木，支撑杆与支撑架之间通过调节板的主安装孔，并采用螺栓与主体支架相连接，支撑杆与钢丝绳的连接则是通过支撑杆臂上的调节孔串接而成。两主体作业单元不同之处在于攀爬装置上驱动部设计有可供树木攀爬作业人员坐下的座椅，座椅与主支架焊接相连，为上驱动部的受力点；下驱动部则设计有攀爬脚扣装置，为下驱动部的受力点，同样与下驱动部焊接连结。此外，辅助工具安全帽和安全带都是为保障攀爬作业人员的安全，连接绳则是为了防止在攀爬作业时由于操作失误所造成的上驱动部和下驱动部脱离而掉落。

1.2 操作原理

结合装置的需求定位，初步选用304不锈钢材料制作一台样机，并对样机进行了工作试验。图2为攀爬装置的工作状态，其工作原理为：攀爬作业人员佩戴好安全帽和安全绳等安全措施，将脚放置在攀爬装置下驱动部的脚扣中，并平坐于攀爬装置上驱动部的座椅上，此时座椅和脚扣作为承重载荷的受力支点，人体重力与装置和树木之间的摩擦力达到平衡。往上攀爬时，作业人员的腿逐渐站立伸直，下驱动部脚扣作为受力支点而受力，同时作业人员手握住攀爬装置上驱动部的主体支架，使上驱动部隨着作业人员的上提而往上运动，待运动到指定点后，作业人员重新坐在座椅上，此时身体重力与装置和树木的摩擦力重新达到平衡，再借助腿部上蹬的动作使攀爬装置下驱动部沿着树木上移，如此反复进行动作间的交替，即可完成树木的攀爬作业。

2 关键部件的超景深显微镜分析

2.1 试验设备

超景深显微镜是一种双目观察的连续变倍实体显微镜，可以观察传统光学显微镜由于景深不够而不能看到的显微世界，它具有独特的环形照明技术，并配有斜照明、透射光和偏振光，能满足一般的金相照片拍摄、宏观的立体拍摄和非金属材料的拍摄，物体的图像用CCD相机俘获并在LCD显示器上观察。本研究所使用的超景深显微镜为Keyence VHX-2000，如图3。

2.2 试验方法

攀爬装置在工作过程中，会受到作业人员身体重量的压力，因而各个部件之间会产生较大的应力和摩擦力，造成零件一定的磨损变形，由于不同的承载量的磨损程度不同，装置的变形程度也会发生变化。为探讨攀爬装置在实际承重情况下的影响，设计了承重载攀爬试验，对装置持续施加从0 N到1 000 N的承重循环载荷。本研究采用红外热成像检测法，通过对装置施加750 N的静态载荷的条件下，观察装置的主要受力点集中在支撑架、支撑杆螺栓孔、钢丝绳3处，即为椰树攀爬装置的关键部件。由于攀爬试验是人工实现，无法给出具体的攀爬循环次数，因此，本研究使用超景深显微镜瞬时记录关键部件在4个不同阶段时的磨损情况。

2.3 试验结果分析

首先测试了支撑架在持续载荷作用下不同阶段的厚度，并对支撑架的厚度进行了测量，如图4。

由图4可以看出，从阶段1到阶段2，支撑架轻微磨损，并且逐渐变薄，其宽度从初始的5 006 μm变为4 939 μm；在阶段3时，支撑架磨损开始加剧，材料颜色也明显变浅，厚度减小为4 487 μm；阶段4后，支撑架磨损程度严重加剧，材料明显变薄，厚度减小为4 448 μm。

由于支撑架与支撑杆通过螺栓相连接，施加承重载荷过程中，螺栓与螺纹孔相互挤压，会使支撑杆螺纹孔产生磨损变形，利用超景深显微镜对其中支撑架的螺栓孔进行拍摄其对面积进行测量，可以探究支撑杆锁紧螺栓孔的磨损状况。图5记录了螺纹孔在不同阶段时的磨损情况。

由图5可知，从阶段1到阶段2，支撑杆的螺纹孔产生轻微裂痕，并且面积由初始的53 659 019 μm2增至54 791 552 μm2，在阶段3时，支撑杆上的螺纹孔出现明显裂纹，面积增至55 033 271 μm2，阶段4后，裂纹较大，并且发生明显扩散，螺纹孔面积增至55 224 283 μm2。

攀爬装置在有承重的条件下，钢丝绳会因为受到拉应力变得膨胀，即截面积逐渐变宽，使钢丝绳不断磨损。为探究钢丝绳承重时磨损特性，利用超景深显微镜瞬时拍摄4个不同时期的钢丝绳使用状态，并测量单条钢丝绳的宽度，记录结果见图6。

由图6可知，钢丝绳在初始状态外形紧致，宽度为2 496 μm；到阶段2时，钢丝绳逐渐松弛，宽度增至3 258 μm；阶段3后，钢丝绳松弛程度加剧，宽度增至3 326 μm；阶段4时，钢丝绳宽度增至3 452 μm。

由表1可知，随着循环载荷的持续作用，支撑架的磨损程度逐渐加剧，厚度变薄，变形较为明显；支撑架螺纹孔的磨损程度加重并且面积变大，变形程度逐渐加剧；钢丝绳宽度的增加，变成程度逐渐加剧。

3 结论

本研究基于椰树的生物学特性和椰果作业人员的运动特点，结合人机工程学原理，确定了椰树攀爬装置的运动原理，通过对装置的结构设计，制作出椰树攀爬装置的样机；基于超景深显微镜，设计攀爬装置的攀爬实验，通过对攀爬装置的递增施加0-1 000 N的承重载荷，观察支撑架、支撑杆和钢丝绳的磨损状况，并瞬时拍摄了不同阶段的实时状态，再对各个部件指标参数进行测量发现，椰树攀爬装置在工作工程中，支撑架、支撑杆、钢丝绳3处随着循环载荷的持续作用，其磨损程度逐渐加剧。

下一步将针对本研究结果，对椰树攀爬装置的支撑架、支撑杆、钢丝绳的选材及结构重新进行优化设计，以保证装置工作状态安全、可靠，此外需要对攀爬装置关键零件进行及时更新，以保证作业人员的人身安全。

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