桑叶采摘工具的设计和结构优化.pdfVIP

西华大学硕士学位论文

摘要

桑树作为一种传统经济作物，在西南地区种植面积广泛，蚕桑产业是四川省农民

增收的重要支柱产业。但目前桑叶仍以手掰采摘为主，采摘过程耗时耗力，工作流程

繁琐且容易导致农户手掌受伤。与此同时，虽然现已有一些采摘桑叶工具，但容易造

成桑皮损伤，不利于桑枝生长，且使用过程中舒适性不高。本文针对桑皮损伤，舒适

性不高等问题，设计了桑叶采摘工具。主要研究内容如下：

(1)桑枝物理性能研究。用万能材料试验机对桑枝进行拉伸、压缩试验，通过分析

不同取样位置桑枝的抗拉强度、抗压强度、抗压弹性模量，随着从上到下的取样位置，

各个目标值逐渐增大。桑皮进行剪切试验为桑叶采摘工具的设计提供理论基础。通过

对桑叶的形态特征测量分析，得知桑叶叶柄直径范围为4~5mm，叶柄长度范围为

29.6~40.0mm，给集叶装置的设计提供理论依据。

(2)桑叶采摘工具的结构设计。以人机工程学的手握式产品为设计原则，分析桑叶

在采摘时的桑皮受损情况，以桑皮的破坏作为桑皮的损伤判定，对桑枝的物理性能分

析，以桑皮的剪切强度作为桑皮不被破坏的判据。对护皮簧片的重要性进行分析，结

合四川桑枝直径大小，进行结构设计。对集叶装置进行结构设计。以人机工程学中P95

的男女手部均值尺寸，对桑叶采摘工具的整体结构进行设计。用Jack人因工程分析软

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件，对手掌施加载荷，得出在使用桑叶采摘工具时，桑农的全身关节个关节是舒适

的，并初步确定桑叶采摘工具的合理性。

(3)护皮簧片的厚度优化。利用软件ANSYSWorkbench对护皮簧片在桑叶采摘工况

下进行静力学分析，得出护皮簧片的强度有一定的余量，对其厚度进行进行优化，以

满足材料屈服强度和最大变形量为约束条件，从0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、

0.9mm、1.0mm中，选出最优厚度为0.8mm，形变量为3.65mm；且可以通过桑枝的

最大直径为30mm。

(4)桑叶采摘工具的轻量化。对桑叶采摘工具进行受力分析，将主要的几个力施加

在简化的桑叶采摘工具上，利用软件ANSYSWorkbench对桑叶采摘工具进行静力学分

析，发现桑叶采摘工具强度尚存一定的安全余量，因此对桑叶采摘工具进行轻量化设

计，基于响应面优化分析，获取满足强度要求的最优尺寸参数。分析结果表明，优化

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后的桑叶采摘工具最大应力为35.637Mpa，最大变形为169.73×10mm，质量为

0.0815kg。较优化前质量减少19.56%。

关键词：桑叶采摘工具；响应面分析；轻量化设计；护皮簧片；厚度优化

I

桑叶采摘工具的设计与结构优化

Abstract

Asatraditionaleconomiccrop,mulberryiswidelyplantedinSouthwestChina.

SericultureindustryisanimportantpillarindustryforincreasingfarmersincomeinSichuan

Province.Thesericultureindustryhasbecomeanimportantpillarindustryforincreasing

farmersincomeinSichuanProvince.However,atpresent,mulberryleavesarestillmainly

pickedbyhand.Thepickingprocessistime-consumingandlabor-intensive,andtheworkflow

iscumbersomeandeasytocausefarmerspalminjuries.Atthesame