煙苗移栽機(jī)中車(chē)架升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及有限元仿真

任志立 楊文彪 李俊

摘 ?要： 根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)要求設(shè)計(jì)一種應(yīng)在煙苗移栽機(jī)的可升降車(chē)架，再對(duì)升降機(jī)構(gòu)的進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)靜力學(xué)特性分析及動(dòng)力學(xué)特性分析以驗(yàn)證設(shè)計(jì)。通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)出其結(jié)構(gòu)，用三維建模軟件SolidWorks建立實(shí)體模型，通過(guò)有限元分析軟件ANSYS對(duì)升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析計(jì)算。得到升降機(jī)構(gòu)在滿載時(shí)的等效應(yīng)力分布、最大等效應(yīng)力、最大變形，根據(jù)材料的性能得出升降機(jī)構(gòu)符合靜力學(xué)特性要求;得到升降機(jī)構(gòu)的自由模態(tài)、諧響應(yīng)、響應(yīng)譜與其它激勵(lì)頻率作比較得出升降機(jī)構(gòu)符合動(dòng)力學(xué)要求。為升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論參考及數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞： 車(chē)架升降機(jī)構(gòu);運(yùn)動(dòng)學(xué);ANSYS;靜力學(xué);動(dòng)力學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)： TP202 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.014

本文著錄格式：任志立，楊文彪，李俊，等. 煙苗移栽機(jī)中車(chē)架升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及有限元仿真[J]. 軟件，2019，40（6）：6468+100

【Abstract】： According to the kinematic requirements， a kind of liftable frame should be designed for tobacco seedling transplanter， and then kinematic statics analysis and dynamic analysis of the lifting mechanism are carried out to verify the design. The structure is designed by kinematics， the solid model is established by SolidWorks， and the lifting mechanism is analyzed and calculated by ANSYS. The equivalent stress distribution， maximum equivalent stress and maximum deformation of the lifting mechanism under full load are obtained， and the lifting mechanism meets the requirements of static characteristics according to the performance of materials. The free mode， harmonic response and response spectrum of the lifting mechanism are obtained and compared with other excitation frequencies. It is concluded that the lifting mechanism meets the dynamic requirements. It provides theoretical reference and data support for the design of lifting mechanism.

【Key words】： Frame lifting mechanism; Kinematics; ANSYS; Statics; Dynamics

0 ?引言

煙草作為一種經(jīng)濟(jì)效益巨大的經(jīng)濟(jì)作物，擁有極其廣泛的種植，煙草種植主要以煙苗的移栽為主。在煙草種植中，煙苗移栽的勞動(dòng)量十分巨大，煙苗的移栽黃世民、馬鐵兵、楊亞明等已研發(fā)出煙苗移栽機(jī)[1-2]，楊毅、王進(jìn)紅等對(duì)煙苗移栽機(jī)各功能機(jī)構(gòu)進(jìn)行了分析[3-4]，但目前沒(méi)有設(shè)計(jì)出可升降的車(chē)架以適用于復(fù)雜地形?，F(xiàn)設(shè)計(jì)一種煙苗移栽機(jī)的車(chē)架升降系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)分析及動(dòng)力學(xué)分析。現(xiàn)采用有限元仿真升降機(jī)構(gòu)做靜力學(xué)及動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析[5]，通過(guò)計(jì)算得到有限元分析結(jié)果。得到升降機(jī)構(gòu)的應(yīng)力分布、最大應(yīng)力及變形量，得出升降機(jī)構(gòu)滿足靜力學(xué)性能要求;通過(guò)動(dòng)力學(xué)分析得到升降機(jī)構(gòu)的自由模態(tài)、諧響應(yīng)、響應(yīng)譜與其他激勵(lì)頻率比較，得出升降機(jī)構(gòu)滿足動(dòng)力學(xué)特性要求。

1 ?升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車(chē)架升降裝置將主要由升降底座、升降支撐架、升降主架、螺紋升降桿、螺紋桿固定件、車(chē)架連接件組成。

1.1 ?絲杠導(dǎo)程計(jì)算

升降機(jī)構(gòu)下面固定車(chē)輪上支架上，上面固定在移栽機(jī)的車(chē)架上，車(chē)架上承載著駕乘員的重力、待栽煙苗托盤(pán)和待栽煙苗的力重、移栽裝置的重力等。這些作用在車(chē)架上的力通過(guò)作用力與反作用力的關(guān)系最終都作用在升降機(jī)構(gòu)上。

煙苗移栽機(jī)滿載工況下總質(zhì)量為600 kg即地面對(duì)煙苗移栽機(jī)總的支持力為6000 N，其中六個(gè)移栽輔助壓實(shí)土壤的輪子所提供的支撐力為1200 N，則兩個(gè)車(chē)輪各自承擔(dān)的對(duì)移栽機(jī)的支持力為2400 N。使車(chē)架升降的動(dòng)力為2400 N，即絲杠所產(chǎn)生的推力值需要達(dá)到2400 N，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)留有冗余故把絲桿的推力值定為3000 N。假設(shè)人坐在移栽機(jī)上對(duì)絲杠把手的推力值為10 N-20 N，絲杠把手到絲杠的水平距離為0.15 m，絲杠機(jī)構(gòu)效率取0.9，將值帶入公式（1），得到絲杠導(dǎo)程R的取值范圍為2.83 mm～ 5.66 mm。設(shè)定車(chē)架行程100 mm，當(dāng)導(dǎo)程取3 mm時(shí)，車(chē)架行程最大時(shí)需轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠33 r，所需人對(duì)絲杠把手的推力為10.6 N。當(dāng)導(dǎo)程取5 mm時(shí)，車(chē)架行程最大時(shí)需轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠20 r，所需人對(duì)絲杠把手的推力為17.7 N。結(jié)合人機(jī)工程考慮移栽機(jī)的操作舒適性絲杠導(dǎo)程取5 mm。

1.2 ?升降底座和升降支撐架連接設(shè)計(jì)

升降裝置一端固定在車(chē)架上，另一端固定在車(chē)輪支撐架上，車(chē)輪支撐架另一端與車(chē)架支撐架通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。設(shè)計(jì)車(chē)架支撐架與車(chē)架連接的一端不動(dòng)，車(chē)輪處在地面上豎直方向不移動(dòng)，則該升降機(jī)構(gòu)及車(chē)架可簡(jiǎn)化為一個(gè)三角形，其中三角形三邊中升降機(jī)構(gòu)所在的邊其邊長(zhǎng)可變。

升降機(jī)構(gòu)的行程為100 mm，三角形具有穩(wěn)定性邊長(zhǎng)和角度都是固定的，一條邊長(zhǎng)變化時(shí)角度一定會(huì)發(fā)生變化，升降機(jī)構(gòu)與車(chē)輪支撐架必須用鉸鏈連接。在此三角形中車(chē)架與支撐架簡(jiǎn)化邊長(zhǎng)為555 mm，車(chē)輪支撐架長(zhǎng)520 mm，升降機(jī)構(gòu)長(zhǎng)500 mm～600 mm，由歐式幾何學(xué)基本定理可計(jì)算出車(chē)輪支撐架與升降機(jī)構(gòu)角度活動(dòng)范圍為58.9°～65.9°。

2 ?升降機(jī)構(gòu)的有限元模型建立

ANSYSWorkbench是一種應(yīng)用廣泛的有限元分析軟件[6-8]，界面友好、操作便利[9]，其最強(qiáng)大的功能是有限元仿真分析計(jì)算。對(duì)較為復(fù)雜的機(jī)構(gòu)建模，通常選用三維實(shí)體建模軟件SolidWords。先在SolidWords中以方便轉(zhuǎn)化為有限元模型為準(zhǔn)則等尺寸建立升降機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體模型[10]，然后將模型文件保存為.x_t格式文件。整體結(jié)構(gòu)及升降機(jī)構(gòu)的實(shí)體建模如圖1、圖2所示。

將模型導(dǎo)入ANSYS14.5Workbench中，首先對(duì)模型的材料進(jìn)行選擇及對(duì)材料的屬性進(jìn)行定義?？紤]升降機(jī)構(gòu)構(gòu)件作為主要受力構(gòu)件，從安全角度當(dāng)以選用強(qiáng)度較高的材料較為合適，同時(shí)還要兼顧產(chǎn)品的成本，因此選用Q345。Q345為一種低合金鋼，擁有較好的力學(xué)性能，在車(chē)輛、船舶、橋梁等工程應(yīng)用中主要用于受載荷部位，具有較好的綜合性能。

有限元分析的原理即是通過(guò)網(wǎng)格劃分把整體劃分成有限多個(gè)微小的單元體。影響有限元分析精度的因素則是網(wǎng)格劃分的質(zhì)量精度。其中Relevance調(diào)整網(wǎng)格的疏密程度;Relevance Center設(shè)置網(wǎng)格的粗細(xì)可以為粗糙、中等和細(xì)化。在此選擇四面體單元，Relevance設(shè)置為50，Relevance Center設(shè)置為細(xì)化。劃分出節(jié)點(diǎn)48672個(gè)、單元數(shù)17495個(gè)。

機(jī)構(gòu)的受力主要來(lái)自于車(chē)架及上方載荷的重力，故選擇升降機(jī)構(gòu)頂端與車(chē)架固定的三個(gè)面作為力的作用面，每個(gè)力的大小為1600 N，方向向下。升降機(jī)構(gòu)與車(chē)輪支撐架連接方式為鉸鏈連接。在施加約束的時(shí)候，把約束施加在升降機(jī)構(gòu)下方板材幾個(gè)孔上，使升降機(jī)構(gòu)底部保持不動(dòng)。

3 ?靜力學(xué)分析結(jié)果

常用的材料強(qiáng)度理論有四種，第四強(qiáng)度理論即為最大形狀改變比能理論。此升降機(jī)構(gòu)選用的材料為Q345塑性材料，且研究升降機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)中的應(yīng)力、應(yīng)變問(wèn)題。因此采用第四強(qiáng)度理論[11-12]，對(duì)升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

從等效應(yīng)力云圖可以看出升降機(jī)構(gòu)整體的應(yīng)力分布較為均勻，最大應(yīng)力出現(xiàn)在絲杠固定件表面上，其它出現(xiàn)較大應(yīng)力的區(qū)域?yàn)橹谓z杠的橫梁表面上如圖6所示。載荷對(duì)升降機(jī)構(gòu)的作用力施加在絲杠固定件旁的橫梁連接件表面上，此橫梁連接件通過(guò)銷(xiāo)與絲杠固定件連接，且由于絲杠固定件只有外面一層鋼板，因此整個(gè)升降機(jī)構(gòu)的壓力在此處只是由兩層對(duì)稱(chēng)鋼板承受，故在此處出現(xiàn)最大應(yīng)力。另一處出現(xiàn)較大應(yīng)力的區(qū)域?yàn)樯禉C(jī)構(gòu)橫梁下表面。升降機(jī)構(gòu)的絲桿和螺孔接觸有較大面積，其接觸面積為橫梁載荷接觸面的多倍，因此在絲杠上不會(huì)出現(xiàn)較大應(yīng)力。從等效應(yīng)力云圖上得出升降機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力值為179.19 MPa，出現(xiàn)在橫梁下表面的較大等效應(yīng)力值為159.28 MPa。所選用材料Q345的屈服極限為345 MPa，結(jié)合升降機(jī)構(gòu)的最大應(yīng)力為179.19 MPa，計(jì)算的安全系數(shù)為1.92，滿足設(shè)計(jì)安全系數(shù)1.8的要求。故升降機(jī)構(gòu)的性能復(fù)合靜力學(xué)性能要求。

通過(guò)有限元計(jì)算升降機(jī)構(gòu)正常工作狀態(tài)下的總變形如圖5所示，由總變形圖可以看出在工作狀態(tài)時(shí)升降機(jī)構(gòu)的主要受力構(gòu)件變形量均較小，最大變形出現(xiàn)在絲桿旋轉(zhuǎn)把手上。把手作為一個(gè)整體在負(fù)載的作用下整體發(fā)生的位置變化，最大變形為0.9 mm，變形量較小。主要受力部的絲杠、升降架并沒(méi)有發(fā)生明顯的變形。升降架底部幾乎沒(méi)有變形，升降架中間位置的橫梁的變形量為0.4 mm，變形量微小滿足工作狀態(tài)時(shí)的安全要求。絲杠作為升降機(jī)構(gòu)工作的核心構(gòu)件，在絲杠與套筒的接觸面上也存在著巨大的載荷，絲杠的變形量為0.5 mm仍屬于微小變形。故升降機(jī)構(gòu)的總變形微小，主要受力部件安全穩(wěn)定。

4 ?動(dòng)力學(xué)分析

4.1 ?升降機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析

模態(tài)分析是針對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率進(jìn)行分析，避免機(jī)械系統(tǒng)發(fā)生共振，引起機(jī)械結(jié)構(gòu)巨大的變形和動(dòng)應(yīng)力導(dǎo)致破壞性事故。升降機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析對(duì)升降系統(tǒng)的固有頻率要求包括：升降機(jī)構(gòu)的一階扭轉(zhuǎn)頻率、一階彎曲頻率低于動(dòng)力源發(fā)動(dòng)機(jī)怠速激勵(lì)頻率;升降機(jī)構(gòu)的模態(tài)頻率與路面激勵(lì)頻率不重合、升降機(jī)構(gòu)的各階模態(tài)頻率變化平穩(wěn)。

模態(tài)的振型和頻率屬于結(jié)構(gòu)的固有特性，對(duì)升降機(jī)構(gòu)系統(tǒng)做無(wú)預(yù)應(yīng)力模態(tài)計(jì)算即自由模態(tài)，不對(duì)升降機(jī)構(gòu)施加任何載荷和約束[13]，通過(guò)計(jì)算得到升降機(jī)構(gòu)的六階自由模態(tài)振型如圖6所示，固有頻率如表1所示。

4.2 ?諧響應(yīng)分析

在靜力學(xué)分析中可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)升降機(jī)構(gòu)承載靜力載荷時(shí)最大應(yīng)力出現(xiàn)在支架橫管的表面上，對(duì)于靜載荷升降機(jī)構(gòu)已經(jīng)符合力學(xué)性能要求。在實(shí)際生產(chǎn)中移栽機(jī)由減震系統(tǒng)、輪胎氣壓、地面不平等諸多因素升降機(jī)構(gòu)會(huì)承受持續(xù)動(dòng)載荷，因此需要對(duì)升降機(jī)構(gòu)的支架橫管表面做持續(xù)動(dòng)載荷仿真，已檢測(cè)其在承受持續(xù)動(dòng)載荷時(shí)最大應(yīng)力是否超出許用應(yīng)力。

仿真對(duì)象為支架橫管表面，在機(jī)構(gòu)與車(chē)架固定表面施加豎直向下方向的正弦激勵(lì)載荷 ? ，其中 為角速度， 為時(shí)間，載荷幅值為3000 N，設(shè)定計(jì)算頻率范圍為0 Hz～100 Hz，計(jì)算步長(zhǎng)為2 Hz。求解方法選用模態(tài)疊加法進(jìn)行計(jì)算[16]，得到支架橫管表面諧響應(yīng)應(yīng)力結(jié)果如圖7所示從圖中可以看出支架橫管表面在頻率為54 Hz時(shí)最大應(yīng)力為0.0219 MPa，激勵(lì)頻率為54 Hz與分析自由模態(tài)時(shí)升降機(jī)構(gòu)同時(shí)出現(xiàn)彎曲和扭轉(zhuǎn)的激勵(lì)頻率及振型基本對(duì)應(yīng)，而支撐架材料的屈服極限為345 MPa，符合可靠性要求。