堤岸草地護理機械斜坡穩定性仿真分析*

常知民,吳群彪,楊 琪,顧志豪,朱倚劍,胡逸飛

(江蘇科技大學 蘇州理工學院,江蘇 張家港 215600)

0 引 言

堤岸是水陸交錯的過渡地帶,具有顯著的邊緣效應。在自然狀態下,堤岸具有豐富的植被,這些植被構成了河岸緩沖帶生態系統的核心,具有攔蓄泥沙、瀉洪、排澇、航運等重要的生態功能。我國草地面積約400萬km2,其中堤岸草地約占10%。然而,在當今社會,許多草坪由于沒有良好的養護維修方案而出現草坪環境惡化、垃圾遍地等問題。目前國內對于堤岸草地的保護與修理主要還是依靠人工來操作,人們在修復土地的時候,遍地叢生的雜草和隨處可見的垃圾都是必須要清理的,同時施肥也是提高土地質量的必要措施[1]。

目前,國內的除草機大都為中耕除草機[2],工作部件多為單翼鏟或者雙翼鏟,除此之外也有圓盤式的除草機[3],但是數量較少。而國內還沒有比較成熟的滾切式除草機械因此對于滾切式工作部件,還是一片空白。為此,筆者設計了一款集多功能于一體的堤岸草地護理機械,該機械可通過遠程控制降低工作的危險性,同時其功能一體化特性還能使工作效率得到大幅度提高。

由于裝置的運行環境主要為堤岸斜坡,因此為了對裝置在斜坡上的運行情況進行模擬,筆者利用仿真軟件ADAMS進行整車的虛擬樣機模擬運行,并通過仿真分析,驗證小車爬坡的穩定性[4-5]。

1 主要結構與工作原理

1.1 主要結構組成

堤岸草地護理機械結構主要由垃圾回收模塊、除草模塊、施肥模塊、重心轉移模塊以及遠程驅動模塊五個部分組成。堤岸草地護理機械整體裝置結構圖如圖1所示[6-7]。

圖1 堤岸草地護理機械結構圖

1.2 原理及工作過程

堤岸草地護理機械通過電機實現四輪驅動,通過差速實現整個小車的轉向,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機旋轉使得吸管內空氣流動產生吸力從而吸取垃圾。其次,在中心處設有傳動鏈,中心處的電機通過傳動鏈將動力傳遞至除草刀片和垃圾回收機構的風扇,使得只需一個電機就可以實現兩個工作過程,簡化了控制電路。施肥模塊由槽輪和肥料桶組成,通過一對齒輪副和軸將車輪動力傳遞至槽輪,車輪每旋轉1圈槽輪旋轉4圈,從而實現施肥量的控制。

最后,考慮到小車的運行環境大多為草地及斜坡,為保證車輛運動穩定性,采用大型橡膠車輪并配置重心轉移模塊,該模塊由電機、絲杠、重物和坡度傳感器構成。在不同坡度時,由坡度傳感器發出指令,控制步進電機的轉動圈數,通過絲杠的旋轉帶動重物移動,進而控制重心平移的距離,實現重心的水平移動,并可防止側翻。

2 重心平移模塊結構設計

考慮到堤岸護理機械的工作環境主要為斜坡,為防止機械發生側翻,給機械添加了重心平移模塊,如圖3所示。

圖3 重心平移模塊

該模塊主要由步進電機、滾珠絲杠、軸承座以及重物組成。重心轉移模塊主要分布在車體的兩側,步進電機與絲杠通過聯軸器相連接,通過步進電機的旋轉帶動絲杠轉動,進而帶動重物的平移從而實現整體裝置重心的水平移動。通過對步進電機的控制實現對于重心位置的控制,使小車在上坡與下坡時的重心位置發生改變,達到防止小車翻車的功能。

3 ADAMS運動學仿真分析

ADAMS軟件使用交互式圖形環境和零件庫、約束庫、力庫,它可以創建完全參數化的機械系統幾何模型,其求解器采用多剛體系統動力學理論中的拉格朗日方程方法建立系統動力學方程,并可以對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析,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測機械系統的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及有限元的輸入載荷計算等[8]。文中利用仿真軟件ADAMS進行虛擬樣機的仿真實驗,通過ADAMS/view將建模后的三維模型導入其中進行仿真運行,再通過觀察特定位置的運動曲線來分析其運動的穩定性。

3.1 零件的材料定義

整體裝置的重量以及質心位置都會對裝置的爬坡穩定性以及最大爬坡角度產生影響。因此首先對整體裝置的材料以及質量密度進行定義。將整體車身描述為45鋼,四個輪胎所用材料設置為橡膠,通過查閱資料確定橡膠輪胎與草地的動摩擦系數為1.8～2.0。將軟件中庫侖力動摩擦系數設定為1.9。

小車各部件的接觸關系為:四個輪子和車身的接觸為轉動鉸鏈連接,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置為1×108,力指數為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 仿真結果分析

在施加完約束與驅動后,選擇仿真工具按鈕,設置仿真時常End Time為5.0 s,仿真步數Steps為50步,仿真無錯誤,將坡度分為15°和30°并分別觀察運行情況。

15°坡道的仿真運行圖與質心速度、位移測量曲線如圖4所示。

圖4 仿真運行圖

為體現車輛運行速度的穩定性變化,對裝置的質心速度變化以及質心位置圖進行分析,結果如圖5所示。

圖5 15°坡道質心速度位置圖

圖中實線是質心速度曲線圖,虛線是質心位移曲線圖;橫坐標為時間,s,左側縱坐標為速度,m/s,右側縱坐標為位移,m。

由圖5可知:裝置在進行15°爬坡時,啟動時會有一個較大的速度變化然后趨于穩定,實現坡道上順利攀爬;同時,質心的位置變化也是隨著裝置在坡道上的運動而穩定上升。由圖4與上述分析可知,裝置在15°的坡道上可實現穩定運行。

然后是裝置在30°坡道上的運行情況,與15°坡道相同,取質心速度、位移圖做分析比較,結果如圖6所示。

圖6 30°坡道質心速度位移圖

理論上,在進行30°坡道仿真時,給定一定的扭矩可以實現爬坡,但由于重心作用,在進行30°爬坡時,小車由于重心作用會產生側翻(如圖7所示),這時需將整體裝置的重心前移,通過重心位置的改變,解決裝置側翻的問題。

圖7 仿真運行圖

此時,在裝置的重心轉移模塊上,步進電機帶動絲杠旋轉使得重物移動而改變重心位置,如圖8所示,通過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,并再次進行仿真測試。

圖8 重心移動示意圖

改變重心后,裝置的質心移動曲線圖如圖9所示。分析曲線可知,在改變重心的位置后,裝置可以一個較為穩定的速度進行爬坡,同時,質心位置的運動的曲線也以較為平穩的曲率上升,符合對于裝置爬坡穩定性的初步預期。

圖9 重心平移后的速度位移曲線圖

同樣,在下坡時,將裝置的重心后移,可實現穩定下坡。

綜上所述,通過不同角度的驗證,在改變重心的情況下,最大爬坡角度可達35°,裝置的運行較為穩定,滿足該裝置大部分的運行工況。

4 結 語

文章通過ADAMS的虛擬樣機技術全面地分析了堤岸草地護理機械在運行時的運動學和動力學性能,以及重心位置對于整體堤岸草地護理機械的影響。利用ADAMS在運動學分析與圖像結果顯示等方面的優勢,對堤岸草地護理機械的位置、速度、運動穩定性等相關輸出曲線進行圖像分析,更明確、更直觀地對裝置運行情況加以分析。從圖像的分析可知,在添加了重心轉移模塊后,堤岸草地護理機械在實現攀爬角度更高的同時提升了運動的穩定性,解決了在最大爬坡角度處容易后翻的問題。整體裝置運行穩定,可靠性高,符合預期要求。

該堤岸草地生態護理機械可應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。且該裝置結構小型化,功能多元化,操作簡單,維修方便,價格也相對低廉, 能滿足廣大勞動者的實際需求,減少了能源的消耗和尾氣的排放,大大減少了勞動力成本,因此有很好的實用性與可行性。