堤岸草地護(hù)理機(jī)械斜坡穩(wěn)定性仿真分析*

常知民,吳群彪,楊 琪,顧志豪,朱倚劍,胡逸飛

(江蘇科技大學(xué) 蘇州理工學(xué)院,江蘇 張家港 215600)

0 引 言

堤岸是水陸交錯(cuò)的過(guò)渡地帶,具有顯著的邊緣效應(yīng)。在自然狀態(tài)下,堤岸具有豐富的植被,這些植被構(gòu)成了河岸緩沖帶生態(tài)系統(tǒng)的核心,具有攔蓄泥沙、瀉洪、排澇、航運(yùn)等重要的生態(tài)功能。我國(guó)草地面積約400萬(wàn)km2,其中堤岸草地約占10%。然而,在當(dāng)今社會(huì),許多草坪由于沒(méi)有良好的養(yǎng)護(hù)維修方案而出現(xiàn)草坪環(huán)境惡化、垃圾遍地等問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于堤岸草地的保護(hù)與修理主要還是依靠人工來(lái)操作,人們?cè)谛迯?fù)土地的時(shí)候,遍地叢生的雜草和隨處可見(jiàn)的垃圾都是必須要清理的,同時(shí)施肥也是提高土地質(zhì)量的必要措施[1]。

目前,國(guó)內(nèi)的除草機(jī)大都為中耕除草機(jī)[2],工作部件多為單翼鏟或者雙翼鏟,除此之外也有圓盤(pán)式的除草機(jī)[3],但是數(shù)量較少。而國(guó)內(nèi)還沒(méi)有比較成熟的滾切式除草機(jī)械因此對(duì)于滾切式工作部件,還是一片空白。為此,筆者設(shè)計(jì)了一款集多功能于一體的堤岸草地護(hù)理機(jī)械,該機(jī)械可通過(guò)遠(yuǎn)程控制降低工作的危險(xiǎn)性,同時(shí)其功能一體化特性還能使工作效率得到大幅度提高。

由于裝置的運(yùn)行環(huán)境主要為堤岸斜坡,因此為了對(duì)裝置在斜坡上的運(yùn)行情況進(jìn)行模擬,筆者利用仿真軟件ADAMS進(jìn)行整車的虛擬樣機(jī)模擬運(yùn)行,并通過(guò)仿真分析,驗(yàn)證小車爬坡的穩(wěn)定性[4-5]。

1 主要結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 主要結(jié)構(gòu)組成

堤岸草地護(hù)理機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由垃圾回收模塊、除草模塊、施肥模塊、重心轉(zhuǎn)移模塊以及遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)模塊五個(gè)部分組成。堤岸草地護(hù)理機(jī)械整體裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[6-7]。

圖1 堤岸草地護(hù)理機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

1.2 原理及工作過(guò)程

堤岸草地護(hù)理機(jī)械通過(guò)電機(jī)實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動(dòng),通過(guò)差速實(shí)現(xiàn)整個(gè)小車的轉(zhuǎn)向,其工作流程如圖2所示。

圖2 工作流程圖

首先,垃圾回收模塊中的風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)使得吸管內(nèi)空氣流動(dòng)產(chǎn)生吸力從而吸取垃圾。其次,在中心處設(shè)有傳動(dòng)鏈,中心處的電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)鏈將動(dòng)力傳遞至除草刀片和垃圾回收機(jī)構(gòu)的風(fēng)扇,使得只需一個(gè)電機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)工作過(guò)程,簡(jiǎn)化了控制電路。施肥模塊由槽輪和肥料桶組成,通過(guò)一對(duì)齒輪副和軸將車輪動(dòng)力傳遞至槽輪,車輪每旋轉(zhuǎn)1圈槽輪旋轉(zhuǎn)4圈,從而實(shí)現(xiàn)施肥量的控制。

最后,考慮到小車的運(yùn)行環(huán)境大多為草地及斜坡,為保證車輛運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性,采用大型橡膠車輪并配置重心轉(zhuǎn)移模塊,該模塊由電機(jī)、絲杠、重物和坡度傳感器構(gòu)成。在不同坡度時(shí),由坡度傳感器發(fā)出指令,控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù),通過(guò)絲杠的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)重物移動(dòng),進(jìn)而控制重心平移的距離,實(shí)現(xiàn)重心的水平移動(dòng),并可防止側(cè)翻。

2 重心平移模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到堤岸護(hù)理機(jī)械的工作環(huán)境主要為斜坡,為防止機(jī)械發(fā)生側(cè)翻,給機(jī)械添加了重心平移模塊,如圖3所示。

圖3 重心平移模塊

該模塊主要由步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠、軸承座以及重物組成。重心轉(zhuǎn)移模塊主要分布在車體的兩側(cè),步進(jìn)電機(jī)與絲杠通過(guò)聯(lián)軸器相連接,通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而帶動(dòng)重物的平移從而實(shí)現(xiàn)整體裝置重心的水平移動(dòng)。通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)于重心位置的控制,使小車在上坡與下坡時(shí)的重心位置發(fā)生改變,達(dá)到防止小車翻車的功能。

3 ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫(kù)、約束庫(kù)、力庫(kù),它可以創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型,其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程,并可以對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析,從而輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及有限元的輸入載荷計(jì)算等[8]。文中利用仿真軟件ADAMS進(jìn)行虛擬樣機(jī)的仿真實(shí)驗(yàn),通過(guò)ADAMS/view將建模后的三維模型導(dǎo)入其中進(jìn)行仿真運(yùn)行,再通過(guò)觀察特定位置的運(yùn)動(dòng)曲線來(lái)分析其運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。

3.1 零件的材料定義

整體裝置的重量以及質(zhì)心位置都會(huì)對(duì)裝置的爬坡穩(wěn)定性以及最大爬坡角度產(chǎn)生影響。因此首先對(duì)整體裝置的材料以及質(zhì)量密度進(jìn)行定義。將整體車身描述為45鋼,四個(gè)輪胎所用材料設(shè)置為橡膠,通過(guò)查閱資料確定橡膠輪胎與草地的動(dòng)摩擦系數(shù)為1.8～2.0。將軟件中庫(kù)侖力動(dòng)摩擦系數(shù)設(shè)定為1.9。

小車各部件的接觸關(guān)系為:四個(gè)輪子和車身的接觸為轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈連接,橡膠車輪與坡道的接觸為solid-to-solid類型,其中車輪與地面的接觸剛度設(shè)置為1×108,力指數(shù)為2.2,橡膠輪胎與地面的阻尼為1×104,穿透深度為1×10-4。

3.2 仿真結(jié)果分析

在施加完約束與驅(qū)動(dòng)后,選擇仿真工具按鈕,設(shè)置仿真時(shí)常End Time為5.0 s,仿真步數(shù)Steps為50步,仿真無(wú)錯(cuò)誤,將坡度分為15°和30°并分別觀察運(yùn)行情況。

15°坡道的仿真運(yùn)行圖與質(zhì)心速度、位移測(cè)量曲線如圖4所示。

圖4 仿真運(yùn)行圖

為體現(xiàn)車輛運(yùn)行速度的穩(wěn)定性變化,對(duì)裝置的質(zhì)心速度變化以及質(zhì)心位置圖進(jìn)行分析,結(jié)果如圖5所示。

圖5 15°坡道質(zhì)心速度位置圖

圖中實(shí)線是質(zhì)心速度曲線圖,虛線是質(zhì)心位移曲線圖;橫坐標(biāo)為時(shí)間,s,左側(cè)縱坐標(biāo)為速度,m/s,右側(cè)縱坐標(biāo)為位移,m。

由圖5可知:裝置在進(jìn)行15°爬坡時(shí),啟動(dòng)時(shí)會(huì)有一個(gè)較大的速度變化然后趨于穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)坡道上順利攀爬;同時(shí),質(zhì)心的位置變化也是隨著裝置在坡道上的運(yùn)動(dòng)而穩(wěn)定上升。由圖4與上述分析可知,裝置在15°的坡道上可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行。

然后是裝置在30°坡道上的運(yùn)行情況,與15°坡道相同,取質(zhì)心速度、位移圖做分析比較,結(jié)果如圖6所示。

圖6 30°坡道質(zhì)心速度位移圖

理論上,在進(jìn)行30°坡道仿真時(shí),給定一定的扭矩可以實(shí)現(xiàn)爬坡,但由于重心作用,在進(jìn)行30°爬坡時(shí),小車由于重心作用會(huì)產(chǎn)生側(cè)翻(如圖7所示),這時(shí)需將整體裝置的重心前移,通過(guò)重心位置的改變,解決裝置側(cè)翻的問(wèn)題。

圖7 仿真運(yùn)行圖

此時(shí),在裝置的重心轉(zhuǎn)移模塊上,步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)使得重物移動(dòng)而改變重心位置,如圖8所示,通過(guò)裝置的重心平移模塊將裝置的重心前移,使得整體裝置重量前傾,并再次進(jìn)行仿真測(cè)試。

圖8 重心移動(dòng)示意圖

改變重心后,裝置的質(zhì)心移動(dòng)曲線圖如圖9所示。分析曲線可知,在改變重心的位置后,裝置可以一個(gè)較為穩(wěn)定的速度進(jìn)行爬坡,同時(shí),質(zhì)心位置的運(yùn)動(dòng)的曲線也以較為平穩(wěn)的曲率上升,符合對(duì)于裝置爬坡穩(wěn)定性的初步預(yù)期。

圖9 重心平移后的速度位移曲線圖

同樣,在下坡時(shí),將裝置的重心后移,可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定下坡。

綜上所述,通過(guò)不同角度的驗(yàn)證,在改變重心的情況下,最大爬坡角度可達(dá)35°,裝置的運(yùn)行較為穩(wěn)定,滿足該裝置大部分的運(yùn)行工況。

4 結(jié) 語(yǔ)

文章通過(guò)ADAMS的虛擬樣機(jī)技術(shù)全面地分析了堤岸草地護(hù)理機(jī)械在運(yùn)行時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能,以及重心位置對(duì)于整體堤岸草地護(hù)理機(jī)械的影響。利用ADAMS在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與圖像結(jié)果顯示等方面的優(yōu)勢(shì),對(duì)堤岸草地護(hù)理機(jī)械的位置、速度、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性等相關(guān)輸出曲線進(jìn)行圖像分析,更明確、更直觀地對(duì)裝置運(yùn)行情況加以分析。從圖像的分析可知,在添加了重心轉(zhuǎn)移模塊后,堤岸草地護(hù)理機(jī)械在實(shí)現(xiàn)攀爬角度更高的同時(shí)提升了運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性,解決了在最大爬坡角度處容易后翻的問(wèn)題。整體裝置運(yùn)行穩(wěn)定,可靠性高,符合預(yù)期要求。

該堤岸草地生態(tài)護(hù)理機(jī)械可應(yīng)用于收集廢棄的垃圾、清理雜草、噴灑肥料,適用于堤岸草地、園林和 公園,推廣面積廣泛。且該裝置結(jié)構(gòu)小型化,功能多元化,操作簡(jiǎn)單,維修方便,價(jià)格也相對(duì)低廉, 能滿足廣大勞動(dòng)者的實(shí)際需求,減少了能源的消耗和尾氣的排放,大大減少了勞動(dòng)力成本,因此有很好的實(shí)用性與可行性。