基于AMESim和Simcenter 3D的齒梳式油茶果采摘機(jī)聯(lián)合仿真

馬 喆，高自成，李立君，萬晉廷

(中南林業(yè)科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

為了滿足機(jī)械化采摘油茶果的要求，設(shè)計(jì)了一款齒梳式油茶果采摘機(jī)[1]。采摘機(jī)的核心部分是一個(gè)采摘機(jī)械臂和與之匹配的液壓系統(tǒng)，采摘機(jī)工作時(shí)，作為驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的3個(gè)液壓缸的負(fù)載是不斷變化的，這會(huì)對(duì)液壓缸等液壓元件的選型和計(jì)算造成很大的困難，僅經(jīng)過理論計(jì)算設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)很難保證一定滿足工作需求，需要在實(shí)際生產(chǎn)之前對(duì)其進(jìn)行精確地仿真分析驗(yàn)證。

采用同屬西門子公司的軟件AMESim和Simcenter 3D分別搭建采摘機(jī)的液壓系統(tǒng)模型和機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)模型，并以AMESim為主要仿真平臺(tái)。利用2個(gè)軟件間的接口進(jìn)行聯(lián)合仿真，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析來驗(yàn)證采摘機(jī)設(shè)計(jì)的合理性。聯(lián)合仿真能使數(shù)據(jù)在2個(gè)軟件間實(shí)時(shí)相互交換，可以準(zhǔn)確地反應(yīng)不同時(shí)刻下系統(tǒng)與負(fù)載的真實(shí)關(guān)系。

1 采摘機(jī)械臂工作原理分析

齒梳式油茶果采摘機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，2個(gè)主臂液壓缸和副臂液壓缸共同控制采摘機(jī)械臂在豎直平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，采摘馬達(dá)通過減速機(jī)和帶傳動(dòng)帶動(dòng)梳齒采摘頭旋轉(zhuǎn)來采摘油茶果，立柱回轉(zhuǎn)馬達(dá)通過減速器和齒輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)來調(diào)整采摘角度[2]。其中元件3、4、5、8和5、6、7、12分別組成2個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)，使采摘平臺(tái)始終保持與地面平行。

注：1.梳齒采摘頭；2.采摘馬達(dá)；3.副臂桿1；4.副臂；5.主臂桿2；6.主臂桿1；7.立柱桿；8.采摘平臺(tái)；9.副臂桿2；10.主臂桿3；11.副臂液壓缸；12.主臂；13.主臂液壓缸2；14.主臂液壓缸1；15.立柱；16.采摘臂底座；17.立柱回轉(zhuǎn)馬達(dá)。

2 采摘機(jī)械臂的理論計(jì)算

2.1 采摘機(jī)械臂執(zhí)行機(jī)構(gòu)的最大負(fù)載計(jì)算

圖2為采摘機(jī)械臂的力學(xué)模型與實(shí)物模型的對(duì)比圖，實(shí)物模型零件過多。為了減少理論計(jì)算的工作量，需要把實(shí)物模型簡(jiǎn)化成力學(xué)模型，把副臂桿1、主臂桿1和主臂桿2去掉，將其質(zhì)量分別加到主副臂上，用采摘平臺(tái)代替整個(gè)采摘頭組件(即采摘平臺(tái)質(zhì)量改為整個(gè)采摘頭組件質(zhì)量)，保持了機(jī)械臂整體質(zhì)量不變。將副臂液壓缸和主臂桿3的重力納入主臂的重力G1，并設(shè)主臂、副臂液壓缸和主臂桿3的重心位于主臂BF上，并忽略副臂液壓缸活塞桿運(yùn)動(dòng)時(shí)由于液壓油流動(dòng)而引起的重力變化；將副臂桿2的重力納入副臂的重力G2，并設(shè)副臂和副臂桿2的重心位于副臂FI上，采摘頭的重力為G3，并設(shè)其重心位于副臂的末端I點(diǎn)上。

其中，L1到L10分別為相關(guān)構(gòu)件的長(zhǎng)度和3個(gè)重心的位置，L和L0分別表示主副臂液壓缸活塞桿未伸出時(shí)的2個(gè)耳環(huán)鉸鏈中心之間的長(zhǎng)度，x，y分別表示主副臂液壓缸活塞桿在液壓油的推動(dòng)下伸出的長(zhǎng)度。主臂液壓缸的驅(qū)動(dòng)力為F1，方向沿著主臂液壓缸兩個(gè)耳環(huán)鉸鏈中心的連線AC指向C點(diǎn)，副臂液壓缸的驅(qū)動(dòng)力為F2，方向沿著副臂液壓缸兩個(gè)耳環(huán)鉸鏈中心的連線DH指向H點(diǎn)。

先推導(dǎo)某一時(shí)刻主臂液壓缸活塞桿的靜態(tài)負(fù)載公式：

當(dāng)機(jī)械臂靜態(tài)平衡時(shí)，力F1、G1、G2和G3對(duì)B點(diǎn)的主矩等于0，此時(shí)有：

∑MB(F)=0

MF1+MG1+MG2+MG3=0

其中：

MF1=F1l1sin∠BAC，MG1=-G1l5sinα

MG2=-G2(l6sinα-l9sin(α+2φ))

MG3=-G3(l6sinα-l10sin(α+2φ))

經(jīng)過推導(dǎo)，有：

圖2 采摘機(jī)械臂的力學(xué)模型與實(shí)物模型

由于采摘機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)限制，使得主臂BF與副臂FI之間的角度變化范圍是30～150°，主臂BF與立柱AB之間的角度變化范圍是60～150°。當(dāng)采摘臂的總長(zhǎng)度在水平方向上達(dá)到最大時(shí)，即B點(diǎn)與I點(diǎn)的距離最大且直線BI與水平面平行時(shí)，主臂、副臂和采摘頭的重心到立柱AB的距離最大，此時(shí)主臂液壓缸的靜態(tài)負(fù)載最大，取∠BFI的最大值150°，即2φ=150°，φ=75°，則α=90°+∠FBI。此時(shí)主臂液壓缸的靜態(tài)負(fù)載最大。

量取此時(shí)的長(zhǎng)度lBI、x和y，求出∠FBI，則α、φ和∠BAC均已得知，即可求出靜態(tài)時(shí)最大的主臂液壓缸的驅(qū)動(dòng)力F1。

將齒梳式采摘機(jī)械臂各零件選用的材料密度和尺寸代入到公式中計(jì)算得到此時(shí)主臂液壓缸的總驅(qū)動(dòng)力F1≈15 425.8N。

由于在實(shí)際工作狀態(tài)中，主臂液壓缸的活塞桿經(jīng)調(diào)速閥在液壓油的推動(dòng)下做等速運(yùn)動(dòng)?；钊麠U在運(yùn)動(dòng)的開始和停止2個(gè)時(shí)刻會(huì)產(chǎn)生很大的加速度，存在剛性沖擊，使液壓缸驅(qū)動(dòng)力的大小發(fā)生巨大波動(dòng)，所以主臂液壓缸的最大負(fù)載F等于其最大靜態(tài)負(fù)載乘以一個(gè)波動(dòng)系數(shù)，其值通常為1.3～1.5，這里取中間值1.4，所以：

F=F1×1.4=21 596.12N

由于主臂為2個(gè)液壓缸并聯(lián)工作，所以每個(gè)主臂液壓缸的最大負(fù)載F′只有F的1/2，所以：

F′=0.5×F=10 798.06N

副臂液壓缸的最大負(fù)載求法與主臂液壓缸類似，不再敘述，其值為：

F副=F2×1.4=18 814.32N

2.2 主副臂液壓缸的主要參數(shù)計(jì)算

先計(jì)算主臂液壓缸的主要參數(shù)。確定工作壓力p1和背壓p2，液壓執(zhí)行元件的工作壓力p1可以結(jié)合《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選取，通過對(duì)比不同設(shè)備類型選取的壓力范圍，可以確定齒梳式油茶果采摘機(jī)為低壓系統(tǒng)，初步選定p1=5 MPa，同時(shí)取p2=0.2 MPa。根據(jù)選取的工作壓力，取活塞桿直徑d和液壓缸內(nèi)徑D的比值d/D=0.5。

根據(jù)單桿活塞缸的推力計(jì)算公式，有：

式中，ηm為液壓缸的機(jī)械效率，一般ηm=0.9～0.97，這里選取ηm=0.94。F為上面計(jì)算的主臂液壓缸最大負(fù)載F′，將上式變形并將所需參數(shù)代入得到液壓缸內(nèi)徑D：

將液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d按照d=0.5D的比值根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)就近圓整為D=63 mm，d=32 mm。

因?yàn)橹鞅垡簤焊椎呢?fù)載比較大，運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)械臂的慣性比較大，從工作穩(wěn)定性的角度出發(fā)，設(shè)定主臂液壓缸活塞桿伸出速度為v1=10 mm/s，所以根據(jù)速比公式有活塞桿收回速度為：

根據(jù)選定的主臂液壓缸，流入單個(gè)主臂液壓缸的流量為：

其中ηv為液壓缸的容積效率，其值大小與采用的密封形式有關(guān)，這里取ηv=1。

副臂液壓缸主要參數(shù)的計(jì)算與主臂液壓缸類似，不再敘述。其液壓缸內(nèi)徑D=80 mm，活塞桿直徑d=40 mm；活塞桿速度為v1=10 mm/s，v2=13.33 mm/s；流入的流量為q2=3 015.93 mL/min。

3 建立模型

3.1 采摘機(jī)械臂的Simcenter 3D機(jī)械系統(tǒng)建模

采摘馬達(dá)和立柱回轉(zhuǎn)馬達(dá)的仿真將涉及油茶果果柄和樹枝的模型。針對(duì)研究主題，只對(duì)采摘機(jī)械臂和主副臂3個(gè)液壓缸的工作進(jìn)行聯(lián)合仿真。

根據(jù)實(shí)際工作流程，設(shè)置主副臂液壓缸的初始位移均為50 mm。對(duì)模型做完基本處理后，將其存為STEP文件導(dǎo)入Simcenter 3D中，對(duì)每個(gè)零件賦予材料，設(shè)置質(zhì)心和慣性坐標(biāo)系，根據(jù)齒梳式采摘機(jī)工作時(shí)的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，為Simcenter 3D中的機(jī)械系統(tǒng)模型添加運(yùn)動(dòng)副[3-5]。其運(yùn)動(dòng)副分配情況如表1所示。

表1 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)副設(shè)置

共線運(yùn)動(dòng)副作用與旋轉(zhuǎn)副類似，但是它不限制軸向運(yùn)動(dòng)，可用于替換因存在過度約束而失效的旋轉(zhuǎn)副。設(shè)置完畢后的模型如圖3所示。

注：1.采摘頭(用采摘平臺(tái)表示整個(gè)采摘頭組件)；2.副臂；3.副臂桿1；4.主臂桿2；5.副臂桿2；6.主臂桿3；7.副臂活塞桿；8.副臂缸筒；9.主臂桿1；10.主臂；11.主臂活塞桿(2個(gè))；12.主臂缸筒(2個(gè))；13.立柱；14.立柱桿。

3.2 設(shè)置Simcenter 3D的控制輸入輸出

聯(lián)合仿真通常會(huì)選取一個(gè)軟件為主要仿真平臺(tái)，另一個(gè)為輔助仿真平臺(tái)。選取原則為：液壓系統(tǒng)復(fù)雜時(shí)，以AMESim為主；機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)復(fù)雜時(shí)，以Simcenter 3D為主。在本文中，是以液壓系統(tǒng)作為主要方面進(jìn)行研究的，所以選取AMESim為主要仿真平臺(tái)。

控制輸入與控制輸出就是在主、副2個(gè)仿真平臺(tái)之間實(shí)時(shí)相互交換來驅(qū)動(dòng)聯(lián)合仿真持續(xù)有效進(jìn)行的參數(shù)。在Simcenter 3D中，控制輸入為采摘機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)模型通過“Simcenter 3D Motion”模塊向AMESim中的液壓系統(tǒng)模型的3個(gè)液壓缸輸入活塞桿的位移和速度參數(shù)；控制輸出為AMESim液壓系統(tǒng)模型通過“機(jī)電模塊”向采摘機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)模型輸出3個(gè)液壓缸活塞桿的受力參數(shù)[6-8]。數(shù)據(jù)交換過程如圖4所示。設(shè)置完畢后，對(duì)解算方案求解并導(dǎo)出“求解器輸入文件”。

3.3 基于AMESim HCD庫(kù)的雙向液壓鎖建模與超級(jí)元件的制作

雙向液壓鎖在齒梳式采摘機(jī)液壓系統(tǒng)中是十分重要的元件，在AMESim中的Hydraulic庫(kù)中沒有現(xiàn)成的液壓鎖元件，所以需要調(diào)用HCD庫(kù)自行對(duì)液壓鎖進(jìn)行建模并制作成超級(jí)元件方便后續(xù)使用。

圖5為雙向液壓鎖的結(jié)構(gòu)原理圖。其中，A、B為液壓鎖與液壓系統(tǒng)連接的2個(gè)工作油孔，H、K為液壓鎖與液壓缸連接的2個(gè)工作油孔。當(dāng)B孔流入壓力油時(shí)，油液會(huì)推開單向閥心b經(jīng)K孔流入到液壓缸無桿腔中推動(dòng)活塞桿進(jìn)行工作，同時(shí)壓力油也會(huì)推動(dòng)控制活塞c，使其推開單向閥心a，使得液壓缸有桿腔中的油液可以經(jīng)過H孔從A孔流出回油箱。同理，A孔流入壓力油時(shí)液壓鎖的工作流程與上述相似。當(dāng)A、B油孔均不流入壓力油時(shí)，單向閥心a、b在彈簧的作用力下自動(dòng)復(fù)位，液壓缸兩腔的油液被鎖住，液壓缸活塞桿就能固定在這個(gè)位置，實(shí)現(xiàn)液壓鎖的鎖緊功能[9-11]。

圖4 聯(lián)合仿真模型數(shù)據(jù)交換示意

圖5 雙向液壓鎖結(jié)構(gòu)原理

圖6 雙向液壓鎖的AMESim模型

圖6為按照液壓鎖原理建立的HCD庫(kù)模型，然后將其制作成“超級(jí)元件”，將“超級(jí)元件”的名稱設(shè)置為“YYS”，接口“1、2”為輸入接口，接口“3、4”為輸出接口。編輯后的“超級(jí)元件”如圖7所示。

圖7 雙向液壓鎖的超級(jí)元件模型

3.4 基于AMESim的聯(lián)合仿真模型建立

根據(jù)齒梳式油茶果采摘機(jī)液壓系統(tǒng)，在AMESim建立相應(yīng)的模型，從“Interfaces”中調(diào)入“Simcenter 3D Motion model”模塊。如圖8所示，模塊右側(cè)的6個(gè)端口(disf和velf分別表示副臂液壓缸活塞桿的位移和速度端口，disz1和velz1分別表示主臂液壓缸1活塞桿的位移和速度端口，disz2和velz2分別表示主臂液壓缸2活塞桿的位移和速度端口)，把Simcenter 3D中3個(gè)液壓缸活塞桿的速度和位移輸入到AMESim中相應(yīng)的活塞桿上；左側(cè)的3個(gè)端口(forcef表示副臂液壓缸活塞桿驅(qū)動(dòng)力，forcez1和forcez2分別表示主臂液壓缸1和2的活塞桿驅(qū)動(dòng)力)，把AMESim中3個(gè)液壓缸活塞桿的驅(qū)動(dòng)力輸出到Simcenter 3D中相應(yīng)的活塞桿上。并將模塊端口與液壓系統(tǒng)相匹配，最終得到采摘機(jī)和液壓系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型如圖9所示[12-13]。

圖9中的5為隨時(shí)間變化的電信號(hào)源，控制著液壓系統(tǒng)的工作流程；9和10分別與14的左右端口相連接，作為力、位移和速度參數(shù)在2個(gè)仿真軟件中實(shí)時(shí)交換的工具；11的作用是讓2個(gè)仿真軟件中參數(shù)的單位得到統(tǒng)一；12與13組成位移差值減法器，目的是消除2個(gè)仿真軟件中液壓缸活塞桿初始位移之間的差值，使液壓系統(tǒng)模型與機(jī)械系統(tǒng)模型中的液壓缸實(shí)現(xiàn)動(dòng)作同步統(tǒng)一(K值參數(shù)設(shè)置為初始位移差，通過差值減法器消除)。其余元件均為常規(guī)的液壓元件。

圖8 Simcenter 3D Motion model模塊

注：1.液壓油；2.副臂液壓缸；3.雙向液壓鎖；4.單向調(diào)速閥；5.分段線性信號(hào)源；6.三位四通Y型電磁換向閥；7.單向閥；8.油箱；9.力傳感器；10.位移和速度傳感器；11.單位轉(zhuǎn)換器；12.差值減法器；13.固定信號(hào)源；14.Simcenter 3D Motion Model模塊；15.主臂液壓缸2；16.主臂液壓缸1；17.恒速原動(dòng)機(jī)；18.液壓泵；19.濾油器；20.溢流閥；21.采摘馬達(dá)模擬負(fù)載；22.采摘馬達(dá)；23.立柱回轉(zhuǎn)馬達(dá)；24.立柱回轉(zhuǎn)馬達(dá)模擬負(fù)載；25.二位三通電磁換向閥；26.三位四通O型換向閥。

采摘臂工作過程的設(shè)定：1)采摘臂上升階段，即主副臂液壓缸同時(shí)協(xié)調(diào)工作，使機(jī)械臂末端齒梳式采摘頭可以迅速靈活地到達(dá)預(yù)定的工作高度；2)采摘馬達(dá)與立柱回轉(zhuǎn)馬達(dá)工作階段，即立柱回轉(zhuǎn)馬達(dá)帶動(dòng)機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整角度和采摘馬達(dá)帶動(dòng)梳齒頭旋轉(zhuǎn)采摘油茶果的階段；3)采摘臂下降階段，即采摘工作完成，機(jī)械臂回到初始角度后，先主臂保持不動(dòng)，副臂下降到初始位移，然后副臂保持不動(dòng)，主臂下降到初始位移的階段。

液壓系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)置為：液壓油密度920 kg/m3；液壓泵排量32.5 mL/r；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速408.02 r/min；溢流閥溢流壓力8.84 MPa；濾油器通徑12 mm；單向閥開啟壓力0.05 MPa；電磁換向閥額定電流40mA；單向調(diào)速閥的最低工作壓力0.7 MPa；副臂液壓缸的內(nèi)徑80 mm、活塞桿直徑40 mm、有效行程220 mm、活塞桿初始位移50 mm；主臂液壓缸的內(nèi)徑63 mm、活塞桿直徑32 mm、有效行程320 mm、活塞桿初始位移50 mm。

考慮到油茶果樹的實(shí)際高度，設(shè)定主副臂液壓缸活塞桿的最大伸出量為其有效行程的3/4，再加上主副臂液壓缸的初始位移已有50 mm，所以主副臂液壓缸的實(shí)際有效行程分別為190 mm和115 mm。根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定主副臂液壓缸活塞桿伸出速度均為10 mm/s，速比為1.33，所以主臂液壓缸活塞桿在實(shí)際有效行程內(nèi)完全伸出用時(shí)19 s，完全收回用時(shí)14.25 s；副臂液壓缸活塞桿在實(shí)際有效行程內(nèi)完全伸出用時(shí)11.5 s，完全收回用時(shí)8.63 s。設(shè)定采摘臂立柱轉(zhuǎn)出和轉(zhuǎn)回均用時(shí)5 s，采摘馬達(dá)工作用時(shí)也為5 s，所以總仿真時(shí)長(zhǎng)為56.88 s。

4 聯(lián)合仿真結(jié)果與分析

4.1 聯(lián)合仿真結(jié)果分析

聯(lián)合仿真完成后，從Simcenter 3D截取不同時(shí)刻采摘機(jī)械臂的狀態(tài)(圖10)。從AMESim中調(diào)取主副臂液壓缸無桿腔的壓力、流量、活塞桿受力、活塞桿速度、活塞桿位移(圖11和圖12)，把主副臂液壓缸仿真結(jié)果與機(jī)械臂各關(guān)鍵時(shí)刻的狀態(tài)對(duì)應(yīng)起來，分析齒梳式油茶果采摘機(jī)的工作過程。

圖10中的A、B、C、D 4個(gè)狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)圖11、圖12中的0、19～34、42.63 s和56.88 s。

A狀態(tài)為采摘機(jī)械臂初始狀態(tài)，此時(shí)采摘機(jī)還未開始工作，除位移外的其余參數(shù)均為0(由于主副臂液壓缸已有50 mm的初始位移)。

A狀態(tài)到B狀態(tài)的工作時(shí)間為0～19 s，此過程中副臂液壓缸活塞桿位移如圖11中的(5)先由初始時(shí)的50 mm經(jīng)過11.5 s伸長(zhǎng)到164.5 mm，然后在11.5～19 s保持不動(dòng)，主臂液壓缸活塞桿如圖12中的(5)從50 mm伸長(zhǎng)到239.3 mm；由于活塞桿伸出時(shí)是做等速運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)和終點(diǎn)處，速度會(huì)發(fā)生突變，所以圖11中(4)的曲線在0 s和11.5 s處發(fā)生突變，0～11.5 s期間速度均值為9.968 mm/s，11.5～19 s期間速度為0。圖12中的曲線(4)在0 s和19 s處發(fā)生突變，0～19 s期間速度均值為9.974 mm/s；液壓缸活塞桿運(yùn)動(dòng)速度取決于無桿腔輸入流量的大小，所以圖11與12中的(2)與(4)曲線走勢(shì)相同，且副臂液壓缸無桿腔流量在0～11.5 s中均值為3.015 L/min，在11.5～19 s中為0，主臂液壓缸無桿腔流量在0～19 s中均值為1.87 L/min；在0～19 s期間，副臂液壓缸和主臂液壓缸活塞桿的最大負(fù)載均于11.5 s時(shí)產(chǎn)生，分別為16 640 N和6 318.37 N；由于液壓缸無桿腔壓力取決于作用負(fù)載的大小，所以圖11與圖12中的(1)和(3)曲線的走勢(shì)相似，副臂液壓缸和主臂液壓缸無桿腔壓力峰值也出現(xiàn)在11.5 s，分別為3.29 MPa和2.37 MPa。

注：A.采摘機(jī)械臂初始時(shí)的位置狀態(tài)；B.采摘機(jī)械臂在主副臂協(xié)調(diào)上升后的最大伸展?fàn)顟B(tài)；C.采摘機(jī)械臂主臂不動(dòng)副臂下降完畢時(shí)的狀態(tài)；D.采摘機(jī)械臂主臂下降完畢時(shí)(即仿真結(jié)束)的狀態(tài)。

B狀態(tài)為主副臂液壓缸活塞桿均處于最大位移時(shí)機(jī)械臂的狀態(tài)，經(jīng)歷時(shí)間為19～34 s，此時(shí)換向閥處于中位，液壓缸被雙向液壓鎖鎖緊，所以圖12、圖11中(5)的位移曲線基本保持不變，分別為239.3 mm和164.5 mm，(2)中的無桿腔流量基本保持不變，均為0，但是由于機(jī)械臂具有很大的慣性，產(chǎn)生剛性沖擊時(shí)會(huì)發(fā)生連續(xù)的振動(dòng)，所以(1)中無桿腔的壓力、(3)中活塞桿的受力和(4)中活塞桿的速度會(huì)產(chǎn)生持續(xù)的波動(dòng)，并逐漸衰減。其中主臂液壓缸工作全程中的無桿腔最大壓力和活塞桿最大負(fù)載均于21.2 s時(shí)產(chǎn)生，分別為2.44 MPa和7 382.63 N。

B狀態(tài)到C狀態(tài)的工作時(shí)間為34～42.63 s，此過程中主臂液壓缸活塞桿保持不動(dòng)，副臂液壓缸活塞桿位移由最大值收回到初始狀態(tài)。所以圖12中主臂液壓缸的(2)、(4)、(5)曲線均基本保持不變，(1)、(3)曲線受到副臂液壓缸運(yùn)動(dòng)的影響，產(chǎn)生輕微波動(dòng)；圖11中副臂液壓缸的(5)位移曲線由最大值164.5 mm下降到50.71 mm，(4)活塞桿速度均值為13.29 mm/s，流量走勢(shì)與速度相似，(2)無桿腔流量均值為4.01 L/min。

C狀態(tài)為采摘機(jī)械臂的主臂不動(dòng)，副臂下降完畢時(shí)的狀態(tài)。此狀態(tài)為瞬時(shí)過度狀態(tài)，機(jī)械臂不在此刻停留，故不做分析。

注:1.無桿腔壓力曲線；2.無桿腔流量曲線；3.活塞桿受力曲線；4.活塞桿速度曲線；5.活塞桿位移曲線。

注：1.無桿腔壓力曲線；2.無桿腔流量曲線；3.活塞桿受力曲線；4.活塞桿速度曲線；5.活塞桿位移曲線。

C狀態(tài)到D狀態(tài)的工作時(shí)間為42.63～56.88 s，此過程中副臂液壓缸活塞桿保持不動(dòng)，主臂液壓缸活塞桿位移由最大值收回到初始狀態(tài)。所以圖11中的副臂液壓缸的(2)、(4)、(5)曲線均保持不變，(1)、(3)曲線受到主臂液壓缸運(yùn)動(dòng)的影響，產(chǎn)生輕微波動(dòng)；圖12中主臂液壓缸的(5)位移曲線由最大值239.3 mm下降到48.61 mm，(4)活塞桿速度均值為13.41 mm/s，流量走勢(shì)與速度相似，(2)無桿腔流量均值為2.51 L/min。

D狀態(tài)為仿真結(jié)束時(shí)采摘機(jī)械臂的狀態(tài)，此時(shí)主臂液壓缸活塞桿位移為48.61 mm，副臂液壓缸活塞桿的位移為50.71 mm。

4.2 聯(lián)合仿真結(jié)果總結(jié)

經(jīng)過上述分析，主副臂液壓缸的無桿腔的最高壓力分別為2.44 MPa和3.29 MPa，低于所選的最高工作壓力5 MPa；主副臂液壓缸活塞桿伸出時(shí)的無桿腔流量分別為1.87 L/min和3.015 L/min，與計(jì)算所得的1 870.35 mL/min和3 015.93 mL/min基本一致；主副臂液壓缸的活塞桿的最大負(fù)載分別為7 382.63 N和16 640 N，低于計(jì)算所得的10 798.06 N和18 814.32 N；主副臂液壓缸活塞桿伸出速度分別為9.974 mm/s和9.968 mm/s，收回速度分別為13.41 mm/s和13.29 mm/s，與計(jì)算所得的10 mm/s和13.33 mm/s相差不大；主臂液壓缸初始位移為50 mm，最大位移為239.3 mm，結(jié)束時(shí)位移為48.61 mm，最大凈位移為190.69 mm，與設(shè)定的190 mm基本一致。副臂液壓缸初始位移為50 mm，最大位移為164.5 mm，結(jié)束時(shí)位移為50.71 mm，最大凈位移為113.79 mm，與設(shè)定的115 mm基本一致。

5 結(jié)論

各關(guān)鍵參數(shù)的聯(lián)合仿真結(jié)果與理論計(jì)算和設(shè)定的數(shù)值基本一致，機(jī)械臂的仿真運(yùn)動(dòng)過程與初始設(shè)定的工作行程吻合，證明聯(lián)合仿真的結(jié)果是合理的，采摘機(jī)和液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足工作需要[14-16]。

但研究發(fā)現(xiàn)主副臂液壓缸均存在剛性沖擊的現(xiàn)象。在液壓系統(tǒng)中，這種由于液壓油的流動(dòng)速度在非常短的瞬間內(nèi)急劇變化而引起的壓力突變的現(xiàn)象稱為“瞬變流動(dòng)”，瞬變流動(dòng)引起的壓力突變稱為“液壓沖擊”，它會(huì)使液壓系統(tǒng)的瞬時(shí)壓力峰值比正常工作時(shí)的壓力大很多，對(duì)密封裝置、液壓管路和液壓元件造成損害，也會(huì)引起振動(dòng)和噪聲。可以采取的減小液壓沖擊的措施為：1)延長(zhǎng)閥門開啟和關(guān)閉以及換向閥換向的時(shí)間，可以應(yīng)用可調(diào)換向時(shí)間的換向閥。2)在液壓沖擊頻發(fā)的部位設(shè)置蓄能器，吸收沖擊壓力，也可在這些部位安裝安全閥，限制壓力的提高。