多功能搭載自動化運(yùn)動平臺結(jié)構(gòu)分析

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化割草的同時，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、多功能搭載自動化運(yùn)動平臺，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)。

1 多功能搭載自動化運(yùn)動平臺的結(jié)構(gòu)

本多功能搭載自動化運(yùn)動平臺主要考慮到機(jī)器適應(yīng)在大坡度漢江堤上穩(wěn)定行走。傳統(tǒng)的運(yùn)動平臺通常使用輪組來為其提供支撐和移動的動力，而輪組碾壓草坪并破壞草坪的美感，且遇到不平坦路面時，不能自由移動，影響了農(nóng)業(yè)多功能搭載自動化運(yùn)動平臺的正常工作。本機(jī)采用以履帶輪作為移動的動力裝置(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 多功能搭載自動化運(yùn)動平臺行駛裝置

多功能搭載自動化運(yùn)動平臺的三維圖如圖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。動力源安裝于運(yùn)動平臺的框體內(nèi)。采用共用動力型，即發(fā)動機(jī)的動力源按照最優(yōu)的比例分配，一部分用于提供驅(qū)動力，另一部分分配給裝載設(shè)備以清除雜草或牛糞。自動運(yùn)動平臺工作時，可根據(jù)路況合理分配動力源，節(jié)能又省效。同時，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，降低了操作者勞動強(qiáng)度，同時也降低了人在運(yùn)動平臺上，(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)動平臺的總體設(shè)計(jì)思路。發(fā)動機(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，自動化運(yùn)動平臺的主體尺寸和其移動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-動力源轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)裝置；2-搭載連接裝置； 3-車體動力集成；4-機(jī)架；5-行走裝置圖 2 多功能搭載自動化運(yùn)動平臺總體設(shè)計(jì)

2 多功能搭載自動化運(yùn)動平臺主要裝置的仿真分析

2.1 車體機(jī)架的分析

車體機(jī)架在多功能搭載自動化平臺設(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)動機(jī)，搭載設(shè)備等裝置，且驅(qū)動車體運(yùn)動的履帶機(jī)構(gòu)也安裝在車架底座上的，在設(shè)計(jì)車體機(jī)架時應(yīng)充分考慮每個零部件在機(jī)架上最優(yōu)的安裝位置，使多功能搭載自動化運(yùn)動平臺的整體布局緊湊合理。

多功能搭載自動化平臺的車架主要承受自重、發(fā)動機(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。考慮到車體在凸凹不平地面行走時產(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化運(yùn)動平臺車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化處理。在車架后部，分別加兩個向下的載荷，模擬平臺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)動平臺車架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)動平臺車架Z方向變形

圖 4 運(yùn)動平臺車架綜合應(yīng)力

2.2 搭載割草裝置的分析

平臺搭載割草裝置[8]時，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轉(zhuǎn)速過快，將會造成較大的離心力，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

2.3 搭載拾牛糞裝置的分析

搭載拾牛糞裝置時，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，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

3 多功能搭載自動化運(yùn)動平臺主要裝置的模態(tài)分析

3.1 車體機(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)及齒輪傳動箱的工作頻率，與機(jī)架的固有頻率相等或接近時會影響機(jī)架的振動，甚至引起簡諧振動，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化作業(yè)運(yùn)動平臺模態(tài)分析十分重要。

運(yùn)動平臺車架材料屬性與表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，得出多功能自動化運(yùn)動平臺機(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，其振型形態(tài)見圖7。二階振型為整體上下振動。三階振型為機(jī)架的扭轉(zhuǎn)振動。四階振型為機(jī)架上下振動、車輪軸前后振動。五階振型為機(jī)架上下振動、車輪軸前后振動。

圖 7 車架一階振型

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

多功能搭載自動化作業(yè)運(yùn)動平臺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)動時是不會發(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，平臺搭載拾牛糞裝置在工作時不會發(fā)生共振，可以正常運(yùn)行。

圖 9 螺旋刮板刀具一階振型

4 多功能搭載自動化運(yùn)動平臺的現(xiàn)場測試

仿真設(shè)計(jì)出的多功能搭載自動化運(yùn)動平臺的現(xiàn)場測試如圖10所示。測試效果良好：移動速度為0～5.7 km/h；搭載割草裝置時，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，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 多功能搭載自動化運(yùn)動平臺的現(xiàn)場測試