嚴(yán)國平,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 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,國內(nèi)外已有許多學(xué)者對其進(jìn)行了研究。章楊彬[1]通過對割草機(jī)車架厚度尺寸進(jìn)行改進(jìn),使其達(dá)到工況的強(qiáng)度要求。潘家偉[2]等針對渠坡上的雜草清除的問題,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。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)算誤差對螺旋推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)軸造成破壞的問題。占加林[4]等針對農(nóng)場作業(yè)遇到的地形復(fù)雜、割草作業(yè)量大等問題,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]等針對人工撿拾牛糞勞動(dòng)強(qiáng)度高、工作效率低的問題,設(shè)計(jì)了一種牛糞便撿拾車, 實(shí)現(xiàn)糞便的撿拾和輸送的機(jī)械化。本文針對堤坡雜草過高、硬度較高、難以去除和牛糞過多會(huì)造成安全隱患的問題,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)過程中出現(xiàn)裂紋、變形等質(zhì)量問題提供理論指導(dǎo)。
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)在車架上進(jìn)行固定,搭載裝置放置在車體的前端,控制系統(tǒng)安裝在車體后部。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):車身過大會(huì)造成在較窄的草地上不便于割取雜草和拾取牛糞;車身過小則造成質(zhì)量較輕,影響其穩(wěn)定性。所以合適的車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)
車體機(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)車體運(yùn)動(dòng)的履帶機(jī)構(gòu)也安裝在車架底座上的,在設(shè)計(jì)車體機(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)
車架選擇的最佳材料為Q235-A,主要材料參數(shù)見表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,對多功能搭載的自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)平臺(tái)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化處理。在車架后部,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,相對安全。
圖 3 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)車架Z方向變形
圖 4 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)車架綜合應(yīng)力
平臺(tái)搭載割草裝置[8]時(shí),工作過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,方向是軸心連接銷軸中心向外,同時(shí)還對其施加切向力,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,相對安全。
圖 5 滾軸耳片變形圖
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,相對安全。
圖 6 螺旋刮板刀具應(yīng)力圖
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),甚至引起簡諧振動(dòng),從而導(dǎo)致機(jī)架形變過大或損壞,因此對多功能搭載自動(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)車架材料屬性與表1相同。其邊界條件簡化為在軸承支座上施加全約束,保證車架有固定約束[11]。
通過求解器求解,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)、車輪軸前后振動(dòng)。五階振型為機(jī)架上下振動(dòng)、車輪軸前后振動(dòng)。
圖 7 車架一階振型
割草機(jī)滾軸材料屬性與表1相同。其邊界條件簡化為在軸承支座上施加全約束,保證滾軸有固定約束。
通過求解器求解,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
螺旋刮板刀具材料屬性與表1相同。其邊界條件簡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
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)場測試如圖10所示。測試效果良好: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)場測試