多功能搭載自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析

嚴(yán)國(guó)平，李 哲，鐘 飛，張高龍，向 凱，鄭 歡，展?jié)杀?/p>

(1 湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068；2 湖北省漢江河道管理局，湖北 潛江市 433100; 3 河南紫牛智能科技有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000)

割草機(jī)和牛糞機(jī)是人們生產(chǎn)活動(dòng)不可缺的農(nóng)業(yè)機(jī)械，國(guó)內(nèi)外已有許多學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究。章楊彬[1]通過(guò)對(duì)割草機(jī)車(chē)架厚度尺寸進(jìn)行改進(jìn)，使其達(dá)到工況的強(qiáng)度要求。潘家偉[2]等針對(duì)渠坡上的雜草清除的問(wèn)題，設(shè)計(jì)的一種桁架式割草機(jī)在控制割茬高度的情況下自動(dòng)化割草的同時(shí)，也可將草收集起來(lái)。艾鴻濱[3]設(shè)計(jì)了一種新型的牛糞撿拾機(jī)，解決了機(jī)器功率計(jì)算誤差對(duì)螺旋推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)軸造成破壞的問(wèn)題。占加林[4]等針對(duì)農(nóng)場(chǎng)作業(yè)遇到的地形復(fù)雜、割草作業(yè)量大等問(wèn)題，發(fā)明了一種前置擺動(dòng)式割草機(jī)，實(shí)現(xiàn)了割草機(jī)行駛與作業(yè)分別控制。Michel Pirchio[5-6]等設(shè)計(jì)了一種電池驅(qū)動(dòng)自主式割草機(jī)，提高草坪割草質(zhì)量，減少局部噪音和污染。龔春曉[7]等針對(duì)人工撿拾牛糞勞動(dòng)強(qiáng)度高、工作效率低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種牛糞便撿拾車(chē)， 實(shí)現(xiàn)糞便的撿拾和輸送的機(jī)械化。本文針對(duì)堤坡雜草過(guò)高、硬度較高、難以去除和牛糞過(guò)多會(huì)造成安全隱患的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種可以行走于堤坡處、多功能搭載自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，并就該機(jī)的主要裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，為避免其實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)裂紋、變形等質(zhì)量問(wèn)題提供理論指導(dǎo)。

1 多功能搭載自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)

本多功能搭載自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)平臺(tái)主要考慮到機(jī)器適應(yīng)在大坡度漢江堤上穩(wěn)定行走。傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)通常使用輪組來(lái)為其提供支撐和移動(dòng)的動(dòng)力，而輪組碾壓草坪并破壞草坪的美感，且遇到不平坦路面時(shí)，不能自由移動(dòng)，影響了農(nóng)業(yè)多功能搭載自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的正常工作。本機(jī)采用以履帶輪作為移動(dòng)的動(dòng)力裝置(圖1)，與傳統(tǒng)的輪組裝置相比，履帶的結(jié)構(gòu)與草坪的接觸面積更大，減輕了機(jī)器對(duì)草坪的碾軋，同時(shí)履帶與地面的附著力增加，適應(yīng)各種不同路況。

圖 1 多功能搭載自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)平臺(tái)行駛裝置

多功能搭載自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的三維圖如圖2所示。其框體采用模塊化設(shè)計(jì)，搭載的作業(yè)裝置采用前置式安裝。動(dòng)力源安裝于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的框體內(nèi)。采用共用動(dòng)力型，即發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力源按照最優(yōu)的比例分配，一部分用于提供驅(qū)動(dòng)力，另一部分分配給裝載設(shè)備以清除雜草或牛糞。自動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)工作時(shí)，可根據(jù)路況合理分配動(dòng)力源，節(jié)能又省效。同時(shí)，考慮實(shí)際操作的便捷性、可控性及安全性，采用遠(yuǎn)距離遙控進(jìn)行操作，降低了操作者勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也降低了人在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，(特別是涉及大坡度人工駕駛的工況)操作的危險(xiǎn)性。因此，遠(yuǎn)距離遙控操作、履帶式行走及框架模塊體設(shè)計(jì)是此運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)思路。發(fā)動(dòng)機(jī)在車(chē)架上進(jìn)行固定，搭載裝置放置在車(chē)體的前端，控制系統(tǒng)安裝在車(chē)體后部。在該機(jī)正常運(yùn)行中，自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的主體尺寸和其移動(dòng)速度與在行駛道路上通暢性和穩(wěn)定性有關(guān)：車(chē)身過(guò)大會(huì)造成在較窄的草地上不便于割取雜草和拾取牛糞；車(chē)身過(guò)小則造成質(zhì)量較輕，影響其穩(wěn)定性。所以合適的車(chē)身主體尺寸十分重要的。

1-動(dòng)力源轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)裝置；2-搭載連接裝置； 3-車(chē)體動(dòng)力集成；4-機(jī)架；5-行走裝置圖 2 多功能搭載自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

2 多功能搭載自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)平臺(tái)主要裝置的仿真分析

2.1 車(chē)體機(jī)架的分析

車(chē)體機(jī)架在多功能搭載自動(dòng)化平臺(tái)設(shè)計(jì)中占據(jù)十分重要的地位。由于機(jī)架上不但安裝有發(fā)動(dòng)機(jī)，搭載設(shè)備等裝置，且驅(qū)動(dòng)車(chē)體運(yùn)動(dòng)的履帶機(jī)構(gòu)也安裝在車(chē)架底座上的，在設(shè)計(jì)車(chē)體機(jī)架時(shí)應(yīng)充分考慮每個(gè)零部件在機(jī)架上最優(yōu)的安裝位置，使多功能搭載自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的整體布局緊湊合理。

多功能搭載自動(dòng)化平臺(tái)的車(chē)架主要承受自重、發(fā)動(dòng)機(jī)，變速箱、各零部件及沖擊載荷等外部載荷，一部分重量為200 kg，一部分重量為150 kg，總質(zhì)量約350 kg?？紤]到車(chē)體在凸凹不平地面行走時(shí)產(chǎn)生的額外負(fù)載，實(shí)際負(fù)載應(yīng)乘以1.33的系數(shù)，即

F=350×9.8×1.33=4561.9 N

(1)

車(chē)架選擇的最佳材料為Q235-A，主要材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 有限元計(jì)算主要建模參數(shù)

為了便于單元的劃分，對(duì)多功能搭載的自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)平臺(tái)車(chē)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。在車(chē)架后部，分別加兩個(gè)向下的載荷，模擬平臺(tái)上一部分部件的重量，在支承處加固定約束，模擬車(chē)架被水平支撐的狀態(tài)。

根據(jù)上述計(jì)算條件，可以得到計(jì)算結(jié)果，從圖3、圖4中可以看到，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)車(chē)架Z方向變形最大約為5 mm，其產(chǎn)生的最大綜合應(yīng)力約為152 MPa，與其許用應(yīng)力相比，相對(duì)安全。

圖 3 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)車(chē)架Z方向變形

圖 4 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)車(chē)架綜合應(yīng)力

2.2 搭載割草裝置的分析

平臺(tái)搭載割草裝置[8]時(shí)，工作過(guò)程中受力最大部分是滾軸耳片的根部。割草裝置的滾軸由于在工作時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)快，將會(huì)造成較大的離心力，而離心力主要集中分布在滾軸耳片根部，受到的拉力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致耳片疲勞斷裂。滾軸強(qiáng)度是一切作業(yè)的前提，為了使搭載的割草裝置能正常工作，需要對(duì)其強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析[9]。

前處理的方法與機(jī)架一致，施加位移約束及載荷，割草裝置的滾軸材料選取為40Cr，其角速度為20 r/s，耳片處施加離心力載荷，其大小為296.73 N，方向是軸心連接銷(xiāo)軸中心向外，同時(shí)還對(duì)其施加切向力，大小為18.064 N。其余參數(shù)選定同表1。進(jìn)行仿真分析得到圖5，從圖5中可以明顯看出，滾軸正中央的耳片處為最大受力處，其產(chǎn)生的最大變形量為0.0824 mm。在上述條件下，滾軸中心耳片根部為最大應(yīng)力分布處，應(yīng)力為9.362 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于600 MPa許用應(yīng)力，相對(duì)安全。

圖 5 滾軸耳片變形圖

2.3 搭載拾牛糞裝置的分析

搭載拾牛糞裝置時(shí)，切割牛糞的螺旋刮板刀具是受力最大的部分，必須對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的分析[10]。

前處理方式與前述基本一致，對(duì)螺旋刮板的刀具徑向施加載荷，大小為500 N，其余的參數(shù)同表1，得到計(jì)算結(jié)果云圖6。從圖6中可知，刮刀厚度為2mm時(shí)，最大變形量為3.952mm。在上述條件下為最大應(yīng)力分布處。該處的應(yīng)力為152.6 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于600MPa的許用應(yīng)力，相對(duì)安全。

圖 6 螺旋刮板刀具應(yīng)力圖

3 多功能搭載自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)平臺(tái)主要裝置的模態(tài)分析

3.1 車(chē)體機(jī)架的模態(tài)分析

由于機(jī)架上安裝的汽油機(jī)、發(fā)電機(jī)及齒輪傳動(dòng)箱的工作頻率，與機(jī)架的固有頻率相等或接近時(shí)會(huì)影響機(jī)架的振動(dòng)，甚至引起簡(jiǎn)諧振動(dòng)，從而導(dǎo)致機(jī)架形變過(guò)大或損壞，因此對(duì)多功能搭載自動(dòng)化作業(yè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)模態(tài)分析十分重要。

運(yùn)動(dòng)平臺(tái)車(chē)架材料屬性與表1相同。其邊界條件簡(jiǎn)化為在軸承支座上施加全約束，保證車(chē)架有固定約束[11]。

通過(guò)求解器求解，得出多功能自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)平臺(tái)機(jī)架的前5階固有頻率(表2)。

表2 車(chē)架的固有頻率

一階振型為機(jī)架上下振動(dòng)，其振型形態(tài)見(jiàn)圖7。二階振型為整體上下振動(dòng)。三階振型為機(jī)架的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。四階振型為機(jī)架上下振動(dòng)、車(chē)輪軸前后振動(dòng)。五階振型為機(jī)架上下振動(dòng)、車(chē)輪軸前后振動(dòng)。

圖 7 車(chē)架一階振型

3.2 搭載割草裝置的模態(tài)分析

割草機(jī)滾軸材料屬性與表1相同。其邊界條件簡(jiǎn)化為在軸承支座上施加全約束，保證滾軸有固定約束。

通過(guò)求解器求解，可得搭載割草裝置的滾軸的前5階固有頻率(表3)。

表3 滾軸的固有頻率

多功能搭載自動(dòng)化作業(yè)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)搭載的割草裝置滾軸的一階振型和二階振型均為滾軸的彎曲變形，滾軸一階振型如圖8所示。由于其滾軸轉(zhuǎn)速選取為1000 r/min,即頻率為16.67 Hz，遠(yuǎn)小于一階固有頻率值，因此，滾軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)是不會(huì)發(fā)生共振的，割草裝置可以正常運(yùn)行。

圖 8 滾軸一階振型

3.3 搭載拾牛糞裝置的模態(tài)分析

螺旋刮板刀具材料屬性與表1相同。其邊界條件簡(jiǎn)化為在軸承支座上施加全約束，保證滾軸有固定約束[12]。

通過(guò)求解器求解，得到拾牛糞裝置的螺旋刮板刀具的前5階固有頻率(表4)。

表4 螺旋刮板刀具的固有頻率

平臺(tái)搭載的拾牛糞裝置，其螺旋刮板刀具一階振形為彎曲扭轉(zhuǎn)變形(圖9)。轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速選取1000 r/min，即頻率為16.67 Hz，遠(yuǎn)小于一階固有頻率值。因此，平臺(tái)搭載拾牛糞裝置在工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振，可以正常運(yùn)行。

圖 9 螺旋刮板刀具一階振型

4 多功能搭載自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

仿真設(shè)計(jì)出的多功能搭載自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖10所示。測(cè)試效果良好：移動(dòng)速度為0～5.7 km/h；搭載割草裝置時(shí)，堤坡路況下割草效率不小于2000 m2/h，平地路況下不小于3000 m2/h；搭載拾牛糞裝置時(shí)，牛糞基本被完全拾取，拋送高度均可達(dá)到1.5 m。該機(jī)可以很好適應(yīng)割草和拾牛糞工況。

圖10 多功能搭載自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試