模塊式苗木撫育機輔助作業(yè)臂模塊動力學分析1)

湯晶宇 徐克生 曲振興 樊濤 王德柱 王東 任勝樂

(國家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機械研究所，哈爾濱，150086) (哈爾濱理工大學)

模塊式苗木撫育機輔助作業(yè)臂模塊動力學分析1)

湯晶宇 徐克生 曲振興 樊濤 王德柱 王東 任勝樂

(國家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機械研究所，哈爾濱，150086) (哈爾濱理工大學)

應用Solid Works軟件及ADAMS仿真軟件，對模塊式苗木撫育機輔助作業(yè)臂模塊進行了虛擬樣機建立與動力學仿真。結果表明：應用軟件建立三維模型以及動力學仿真，驗證了撫育機輔助作業(yè)臂模塊翻轉、升降、恢復的動作過程，說明虛擬樣機運行良好。借助ADAMS軟件，對正載及偏載工況下輔助作業(yè)臂模塊進行了動力學仿真，分別得到了輔助作業(yè)臂模塊在不同工況下翻轉油缸以及升降油缸受力曲線和關鍵鉸點的受力曲線，輔助作業(yè)臂模塊受力變化情況吻合輔助作業(yè)臂模塊實際受力情況。應用虛擬樣機技術，對撫育機輔助作業(yè)臂進行動力學仿真，有著過程高效、低成本、輸出結果直觀形象、仿真效果好等特點。

苗木撫育機；輔助作業(yè)臂模塊；動力學仿真

模塊式苗木撫育機是一臺可更換工作模塊的多功能苗木作業(yè)設備，主要適用于綠化苗木撫育管理作業(yè)。目前，我國綠化苗木管理撫育動力裝備，特別是綠化大苗作業(yè)裝備十分短缺匱乏。為滿足作業(yè)各方面需要，要求機械設備的種類多，適應性強，往往采用其它行業(yè)機械進行代用，研究內容主要體現(xiàn)在對現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機械、工程機械進行有針對性的單一作業(yè)機具的改造與開發(fā)。這些裝備對綠化苗木的撫育和日常管理作業(yè)起到了很大作用，但從機械設備的使用、維護、性價比等方面考慮又要求減少種類、數(shù)量[1-2]。因此，研究模塊式苗木撫育機(見圖1)具有現(xiàn)實意義；功能模塊的快速組裝，用最少的機具品種和最佳機械組配模式，發(fā)揮最大機械效益。本文對模塊式苗木撫育機輔助作業(yè)臂模塊，進行虛擬樣機建立與動力學仿真，為模塊式苗木撫育機開發(fā)提供有益參考。

1為動力模塊；2為前置擴展模塊；3為輔助作業(yè)臂模塊。

1 輔助作業(yè)臂模塊虛擬樣機建模

按照實際尺寸，在Solid Works中建立模型并進行裝配，初始狀態(tài)為前進工況開始時(見圖2)。苗木撫育機輔助作業(yè)臂模塊，由座架、升降臂、升降油缸、升降油缸活塞、翻轉臂、翻轉連桿、翻轉油缸、翻轉油缸活塞、模塊連接平臺組成。

對苗木撫育機輔助作業(yè)臂模塊進行動力學仿真的研究，采用了多體動力學仿真分析軟件(ADAMS)。ADAMS具有良好的人機交互界面，用戶可以方便地使用各種功能模塊，可以實現(xiàn)對機械系統(tǒng)進行多種預測的功能，包括整體性能、碰撞檢查、最值載荷、運行范圍、分析有限元的導入模型等[3-4]。

1為模塊連接平臺；2為翻轉連桿；3為翻轉臂；4為翻轉油缸活塞；5為翻轉油缸；6為升降臂；7為升降油缸活塞；8為升降油缸；9為座架。

圖2苗木撫育機輔助作業(yè)臂模塊示意圖

2 輔助作業(yè)臂模塊動力學仿真

2.1 導入模型并修改材料屬性

將在Solid Works中建立好的輔助作業(yè)臂模塊三維模型，保存副本為“.x_t”格式導入ADAMS中，定義材料屬性為“steel”，更改輔助作業(yè)臂各部件的名稱、顏色[3-4]。運用布爾操作，將固定相連的零件生成1個零件，減少仿真計算的工作量。

2.2 添加約束

在ADAMS中，通過給相應的構建之間添加合適的運動副，將各個構件關聯(lián)起來，從而形成一個完整的機械系統(tǒng)[5-6]。解決ADAMS約束冗余方法之一，是選擇一些約束較少的運動副，如果僅根據(jù)自由度約束數(shù)量任意選取，可能在計算結果中出現(xiàn)異常現(xiàn)象，可以使用基本約束解決冗余約束問題[7-8]。

在正載工況下，本模型中共采用了6個轉動副、2個移動副、3個點線副、1個固定副(見圖3)。

在極限偏載工況下，構件中那些相對于中心面對稱的鉸接點受到的力并不相同，若此時還是按照正載工況下運動副施加的處理方式，則不能得到各個鉸接點受力準確值。因此，極限偏載工況下，需要重新定義各個構件之間的約束關系。在極限偏載工況下，輔助作業(yè)臂模型中共采用了4個轉動副、2個移動副、7個點線副、1個固定副(見圖4)。

2.3 輔助作業(yè)臂模塊外載荷及驅動的施加

2.3.1 輔助作業(yè)臂模塊外載荷的施加

輔助作業(yè)臂模塊，在作業(yè)過程中承受的外載荷主要分為連接模塊重力和作業(yè)阻力，作業(yè)阻力通常分為前進阻力和垂直掘起阻力。本文中輔助作業(yè)臂模塊能承受的最大連接模塊重力為30 000 N。水平對稱工況下，輔助作業(yè)臂能承受最大前進阻力為2 070 N，最大垂直掘起阻力為34 588.24 N。極限偏載工況下，輔助作業(yè)臂模塊能承受最大前進阻力為32 265.55 N，最大垂直掘起阻力為50 566.76 N。在模擬撫育機實際工作情況時，選擇比較常用的STEP函數(shù)實現(xiàn)模擬。

圖3 正載工況下輔助作業(yè)臂模塊運動副添加示意圖

圖4 極限偏載工況下輔助作業(yè)臂模塊運動副添加示意圖

正載工況下的STEP函數(shù)表達式：

前進阻力的函數(shù)為STEP(time,0,0,2.8,22070)+STEP(time,2.8,0,3,-22070)；

掘起阻力的函數(shù)為STEP(time,3,0,3.2,34588.24)+STEP(time,3.2,0,6,-34588.24)；

連接模塊重力的函數(shù)為STEP(time,3.2,0,6,35000)+STEP(time,12,0,15,-35000)。

極限偏載工況下的STEP函數(shù)表達式：

前進阻力的函數(shù)為STEP(time,0,0,2.8,32265.55)+STEP(time,2.8,0,3,-32265.55)；

掘起阻力的函數(shù)為STEP(time,3,0,3.2,50566.76)+STEP(time,3.2,0,6,-50566.76)；

連接模塊重力的函數(shù)為STEP(time,3.2,0,6,35000)+STEP(time,12,0,15,-35000)。

外載荷變化曲線如圖5、圖6所示。

圖5 正載工況下外載荷變化曲線

2.3.2 輔助作業(yè)臂模塊驅動的施加

輔助作業(yè)臂模塊是通過升降油缸和翻轉油缸聯(lián)合作用實現(xiàn)作業(yè)的。通過在滑移副上添加驅動實現(xiàn)模擬輔助作業(yè)臂真實運動效果。在ADAMS中采用STEP函數(shù)添加相應的驅動方程，在STEP函數(shù)中涉及的相應變量是按照實際工況以及經(jīng)驗數(shù)據(jù)設置的。

現(xiàn)定義輔助作業(yè)臂模塊翻轉油缸的驅動函數(shù)為STEP(time,0,0,3,0)+STEP(time,3,0,6,25)+STEP(time,6,0,8,0)+STEP(time,8,0,12,0)+STEP(time,12,0,15,-90)+STEP(time,15,0,16,0)+STEP(time,16,0,18,60)、輔助作業(yè)臂模塊升降油缸的驅動函數(shù)為STEP(time,0,0,3,0)+STEP(time,3，0,6,0)+STEP(time,6,0,7,20)+STEP(time,7,0,8,0)+STEP(time,8,0,12,45)+STEP(time,12,0,15,0)+STEP(time,15,0,18,-390)。

2.4 輔助作業(yè)臂模塊不同載荷工況下動力學分析

苗木撫育機的作業(yè)行程時間共計18 s，在16 s時達到最大高度2 240 mm(見圖7)。

圖7 苗木撫育機卸載高度變化

2.4.1 正載工況下仿真分析

在前進工況中，苗木撫育機依靠動力模塊提供的驅動力實現(xiàn)前進，翻轉油缸與升降油缸同為被動受力，受到載荷變化規(guī)律與前進阻力相同。

由圖8可見：在掘起工況中，翻轉液壓油缸施加作用力，驅動模塊連接平臺運動；在升降過程中，升降油缸施加主要作用力；在恢復工況過程中，升降油缸受力逐漸減小至只與模塊連接平臺重力相同；可知，升降油缸與翻轉油缸載荷變化規(guī)律與實際情況相吻合。苗木撫育機全部作業(yè)過程中，升降油缸比翻轉油缸受力大。

圖8 升降油缸與翻轉油缸受力曲線

A為翻轉連桿與翻轉臂的鉸點；B為翻轉油缸活塞與翻轉連桿的鉸點；C為翻轉臂與模塊連接平臺的鉸點；D為升降油缸活塞與升降臂的鉸點；E為翻轉連桿與升降臂的鉸點；F為升降臂與模塊連接平臺的鉸點；G為座架與升降臂的鉸點。

圖9正載工況下關鍵鉸點示意圖

模塊式苗木撫育機輔助作業(yè)臂模塊，在正載工況下的各個關鍵鉸點見圖9、各鉸接點受力變化曲線見圖10。

由各個關鍵鉸點的受力曲線可見：隨著苗木撫育機輔助作業(yè)臂模塊持續(xù)作業(yè)，各鉸點受到的負載隨之增加，到2.8 s時，曲線出現(xiàn)第一次波峰，達到局部最大。由“鉸點G”可見：在模塊連接平臺翻轉的瞬間，即3.2 s時，曲線出現(xiàn)第二次波峰；在12 s時，曲線出現(xiàn)了波峰，此時對應的工況為恢復工況。

圖10 各個鉸點受力變化曲線

2.4.2 極限偏載工況下動力學分析

極限偏載工況下，前進阻力與垂直掘起阻力均施加在模塊連接平臺一側，因此，是極為危險的工況。此工況下，各外載荷的STEP函數(shù)及兩個油缸的驅動函數(shù)均與正載工況下相同。極限偏載工況下升降油缸與翻轉油缸受力情況見圖11、極限偏載工況下的各個關鍵鉸點見圖12、各關鍵鉸點的受力歷程曲線見圖13。

圖11 極限偏載工況下升降油缸與翻轉油缸受力曲線

經(jīng)分析偏載工況下鉸點受力情況可見：輔助作業(yè)臂模塊靠近偏載一側，鉸點受力大于遠離偏載一側。由圖10中曲線可看出，3.2 s時，曲線出現(xiàn)第二次波峰，這是整體曲線的最高點，此時對應各鉸點的受力均達到最大值。由曲線圖得知，各鉸點的受力與外載荷的施加情況相吻合。

A為翻轉翻轉連桿與翻轉臂的鉸點；B為翻轉油缸活塞與翻轉連桿的鉸點；C為翻轉臂與模塊連接平臺的鉸點；D為升降油缸活塞與升降臂的鉸點；E為翻轉連桿與升降臂的鉸點；F為升降臂與模塊連接平臺的鉸點；G為座架與升降臂的鉸點；F1與G1為靠近偏載一側的鉸點。

圖12極限偏載工況關鍵鉸點示意圖

3 結論

應用軟件建立三維模型以及動力學仿真，驗證了撫育機輔助作業(yè)臂模塊翻轉、升降、恢復的動作過程，說明虛擬樣機運行良好。

圖13 各個鉸點受力曲線

借助ADAMS軟件，對正載及偏載工況下輔助作業(yè)臂模塊進行了動力學仿真，分別得到了輔助作業(yè)臂模塊在不同工況下翻轉油缸以及升降油缸受力曲線和關鍵鉸點的受力曲線，輔助作業(yè)臂模塊受力變化情況吻合輔助作業(yè)臂模塊實際受力情況，獲取的數(shù)據(jù)對于液壓元件的選型以及后續(xù)有限元分析、結構優(yōu)化設計等相關研究有一定的參考意義。

應用虛擬樣機技術，對撫育機輔助作業(yè)臂進行動力學仿真，有著過程高效、低成本、輸出結果直觀形象、仿真效果好等特點。

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DynamicAnalysisofArm-supportedOperatingArmModule

Tang Jingyu, Xu Kesheng, Qu Zhenxing, Fan Tao, Wang Dezhu

(Harbin Research Institute of Forestry Machinery, the State Forestry Administration, Harbin 150086, P. R. Chain); Wang Dong, Ren Shengle(Harbin University of Science and Technology) Journal of Northeast Forestry University，2017,45(12)：57-61.

Seedling tending machine; Auxiliary operation arm module; Dynamics simulation

1)引進國際先進林業(yè)科學技術計劃(“948”)項目(2015-4-47)；“十三五”國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD0702105)。

湯晶宇，男，1980年6月生，國家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機械研究所，副研究員。E-mail：hljtjy@163.com。

徐克生，國家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機械研究所，研究員。E-mail：lyldaq@163.com。

2017年7月5日。

張 玉。

S776.2

Solid Works software and ADAMS simulation software were used to build the virtual prototype and simulate the dynamics of the auxiliary operation arm module of modular seedling tending machine. The fact of the application of software to establish 3-D model and dynamic simulation, to verify the auxiliary operation arm module turning, lifting, recovery process showed that the virtual prototype was running well. With ADAMS software, the dynamic simulation of the auxiliary operation arm module was carried out under positive load and partial load, respectively, and obtained stress curve of lift cylinder and turning cylinder in different working conditions, and the stress curve of the key hinge point in different working conditions; the force change coincided with the actual force condition of the auxiliary operation arm module. The virtual prototype technology was used to perform dynamic simulation of the auxiliary manipulator of the tending machine with the characteristics of high efficiency, low cost, visual output, and good simulation effect.