農業機械中并聯機構的協同可靠性分析

張國智，劉曉輝

（1.新鄉學院 機電工程學院，河南 新鄉453003；2.木蘭縣農業技術推廣中心，黑龍江 木蘭151900）

農業機械中并聯機構的協同可靠性分析

張國智1，劉曉輝2

（1.新鄉學院 機電工程學院，河南 新鄉453003；2.木蘭縣農業技術推廣中心，黑龍江 木蘭151900）

基于數學解析的方法，建立了并聯機構滑塊協同工作的理論條件，并建立了其柔性動態分析的非線性有限元模型，在此基礎上，結合概率有限元分析方法，對農業機械中并聯機構進行了可靠性分析，研究了機構主要參數的波動對其協同工作的影響規律。結果表明，滑塊的傾斜斜率對并聯機構的各個桿件的敏感程度不同，要保證其協同工作，該機構必須嚴格控制結構連接桿件的制造誤差。

農業機械；并聯機構；協同；可靠性；動態；非線性

并聯機構是機械加工設備中的關鍵機構，廣泛應用于國防、航空、航天、汽車制造等領域，隨著科學技術的發展，并聯機構的設計、控制、性能分析等被廣泛關注。要想從設計方面提高其運行性能，必須綜合應用仿真技術等現代設計方法和創新設計方法。目前，機構的研究及工程應用取得了一定的進展，如三維振動篩中機構的仿真［1］、汽油機曲柄連桿機構的有限元分析［2］、多自由度并聯機構的設計與分析［3-5］、并聯機床的運動性能的分析［6］等。雖然機構的研發取得了很大的進展，但隨著現代設計要求的提高，以及現代仿真技術、可靠性分析方法的發展，只有將各種技術有機結合，才能在機理上提高機構的各方面性能。本文針對農業機械中廣泛應用的并聯機構的性能進行了深入、系統的分析和研究。

1　并聯機構的有限元分析

1.1并聯機構簡介

并聯機構如圖1所示，該機構由左右兩套機構組成，屬于Ⅱ型并聯機構。該機構的特點是可以由較小的氣缸推力產生很大的工作壓力，同時使橫向力自動平衡，但兩套機構必須嚴格協同運動。

1.2有限元模型的建立

在ANSYS中建立了參數化的并聯機構的非線性動態分析的有限元模型，如圖2所示，桿件選擇的是平面彈性梁單元，鉸鏈處選擇的是鉸鏈單元，主動件施加向下的壓力，計算初始位置為并聯機構處于下死點位置。

圖1　并聯機構簡圖

圖2　并聯機構的有限元模型

2　滑塊協同工作條件的建立

并聯機構分析簡圖如圖3所示，圖中虛線為上死點位置，實線為滑塊運動的任意位置，在任意位置時滑塊的高度為h，初始時滑塊高度為b，任意時刻滑塊下行的距離為u，令AE＝l1，AD＝l4，CE＝l2，BD＝l5，DF＝l6，EG＝l3。經過推導得出，滑塊協同工作條件為

確定。

從式（1）可見，滑塊協同工作與橫向安裝尺寸和另外6個桿件的尺寸相關，因而，要保證其協同工作，該機構必須嚴格控制以上裝配尺寸和制造尺寸的誤差。

圖3　并聯機構分析簡圖

3　并聯機構的可靠性分析

并聯機構參數見表1。本文主要研究4個桿件的制造誤差的隨機波動對并聯機構協同工作可靠性的影響。假設制造誤差為高斯正態分布。應用ANSYS的PDS模塊研究以上參數的隨機波動對滑塊的傾斜斜率的影響規律。采用中心復合抽樣的響應面抽樣方法，迭代次數為25，然后再進行蒙特卡羅擴展求解，擴展計算迭代次數為10 000。計算結果見圖4。從圖4可知，當4個桿件長度有0.15%波動時，滑塊的傾斜斜率的變化范圍為3.97×10－3～5.34×10－3。響應曲面法擴展計算敏度分析結果如圖5所示。由于滑塊的傾斜斜率對桿件2和3影響非常小，所以這一情況在圖中未顯示。從圖5可知，滑塊的傾斜斜率對桿件5和6最敏感，而對桿件2和3不敏感，對桿敏感程度的順序依次為桿件6、桿件5、桿件2和桿件3。累積分布函數如圖6（a）所示，從圖6（a）可知，滑塊的傾斜斜率大于4.5×10－3時，機構的可靠度大于95%。散點耦合分析如圖6（b）所示，從圖6（b）可知，滑塊的傾斜斜率對于桿件5和桿件6最敏感，桿件5和桿件6的線性耦合系數為0.014 7。

表1　機構各桿件參數

圖4　響應曲面法擴展計算結果

圖5　敏度分析結果

圖6　累積分布函數和散點耦合分析圖

4　結束語

通過本文的研究得到以下結論：（1）通過所建立的并聯機構的滑塊協同工作條件的理論模型可知，并聯機構的滑塊協同工作與橫向安裝尺寸和另外6個桿件的尺寸相關，因此，要保證其協同工作，該機構必須嚴格控制以上裝配尺寸和制造尺寸的誤差；（2）通過對并聯機構的可靠性分析可知，滑塊的傾斜斜率對桿敏感程度的順序依次為桿件6、桿件5、桿件2和桿件3，當滑塊的傾斜斜率大于4.5×10－3時，機構的可靠度大于95%。

本文的研究為并聯機構設計和分析提供了分析方法和一定的理論依據。

［1］楊曉彬，李耀明，徐立章，等.顆粒物料在三維振動篩中透篩信息仿真［J］.農機化研究，2010（2）：140-142.

［2］王治平.汽油機曲柄連桿機構結構設計與有限元分析［J］.新鄉學院學報（自然科學版），2012（6）：543-546.

［3］傘紅軍，鐘詩勝，王知行.新型2-TPR/TPS空間4自由度并聯機構［J］.機械工程學報，2008（11）：298-303.

［4］張克濤，方躍法，郭盛.新型3自由度并聯機構的設計與分析［J］.機械工程學報，2009（1）：68-72.

［5］劉延斌，韓秀英，郭志佳，等.一種新型3-RPR并聯機構及其運動學分析［J］.中國機械工程，2011（19）：2307-2311.

［6］陳純，黃玉美，韓旭炤.混聯機床并聯機構的逆動力學分析［J］.中國機械工程，2009（7）：784-788.

【責任編輯黃艷芹】

Reliability Analysis of Collaborative Working of the Parallel Mechanism in Agricultural Machinery

ZHANG Guozhi1，LIU Xiaohui2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Xinxiang University，Xinxiang 453003，China；2.Mulan Agricultural Technology Promotion Center，Mulan 151900，China）

Based on mathematical analysis method，its sliding block's collaborative working theoretical condition and nonlinear finite element model of dynamic analysis were established.Moreover，combining probabilistic finite element analysis method，its reliability analysis was done，and the effect of its main parameters to its collaborative working was studied.The results showed that the slope of the sliding block was sensitive to each member of the parallel mechanism and the manufacturing errors of the connecting rods of the mechanism had to be strictly controlled in order to ensure its cooperative working.The study in the paper has provided a new method and basis for the performance analysis of the press.

agricultural machinery；parallel mechanism；collaborative；reliability；coupling；dynamic；nonlinear

TH12

A

2095-7726（2016）09-0038-03

2016-04-07

河南省教育廳高等學校重點科研項目（16A460022）

張國智（1978－），男，黑龍江木蘭人，副教授，博士，研究方向：機械制造設備機構仿真、可靠性及有限元分析。