智能芒果高空采摘車的有限元仿真設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

任曉智,李福敏,韋雨佳,岑光杜,李中淼,王 馨

( 廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,南寧 530004 )

0 引言

芒果作為一種熱帶水果,廣泛種植于我國的云南、廣西、貴州、臺(tái)灣等地,廣西農(nóng)業(yè)廳已經(jīng)出臺(tái)相關(guān)文件,大力推進(jìn)芒果產(chǎn)業(yè)化,廣泛推廣無傷采摘技術(shù)。采摘環(huán)節(jié)是整個(gè)芒果產(chǎn)業(yè)鏈最耗時(shí)、費(fèi)力的工序,芒果采摘質(zhì)量的好壞決定了儲(chǔ)存加工和銷售效率。截至目前為止,芒果采摘仍然采用人工采摘的方式,勞動(dòng)強(qiáng)度大,安全性差,極大地限制了芒果產(chǎn)業(yè)化、商品化的發(fā)展。

針對廣西等地目前的對采摘芒果機(jī)械裝置的需求,設(shè)計(jì)出一種智能芒果高空采摘車。采摘采用多電機(jī)協(xié)作運(yùn)動(dòng),通過鏈條傳輸機(jī)構(gòu)將芒果高處傳輸?shù)较路降拿⒐麅?chǔ)存框中,且芒果傳輸和夾持采摘的電機(jī)獨(dú)立運(yùn)行,在采摘定位過程中可實(shí)現(xiàn)芒果的傳輸儲(chǔ)存,能夠提高采摘機(jī)的采摘效率。實(shí)地試驗(yàn)可知:智能芒果高空采摘車通過各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)高效、便捷的芒果采摘。本文通過三維軟件UG建立三維模型之后,將模型導(dǎo)入到Ansys Workbench中對其關(guān)鍵部件進(jìn)行應(yīng)力及應(yīng)變分析,結(jié)果表明:鏈條傳輸式芒果采摘車的關(guān)鍵部件能夠滿足剛度強(qiáng)度要求,疲勞壽命能夠滿足使用要求。

1 設(shè)計(jì)原理及機(jī)構(gòu)

智能芒果高空采摘車由夾持采摘機(jī)構(gòu)、多自由度機(jī)械臂、絲桿升降機(jī)構(gòu)、行走動(dòng)力機(jī)構(gòu)等組成,如圖1所示。

1)行走功能的實(shí)現(xiàn):電動(dòng)機(jī)提供行走動(dòng)力,電動(dòng)機(jī)將動(dòng)力傳遞給減速器,通過減速器將動(dòng)力傳遞給皮帶輪,然后通過皮帶輪將動(dòng)力傳遞給大前輪;皮帶下方設(shè)置有皮帶張緊輪,通過控制皮帶張緊的張緊情況來控制整機(jī)的行走的啟動(dòng)和關(guān)閉。

2)多自由度功能的實(shí)現(xiàn):絲桿驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過減速機(jī)減速后,錐齒輪組將動(dòng)力傳遞到升降絲桿上,通過驅(qū)動(dòng)升降絲桿的續(xù)傳來驅(qū)動(dòng)絲桿滑移塊的升降運(yùn)動(dòng)。在絲桿升降架的上方焊接有一個(gè)橫向軸承座,橫向軸承座可以實(shí)現(xiàn)上方的抓取及傳送機(jī)構(gòu)在X-Y平面內(nèi)旋轉(zhuǎn),通過驅(qū)動(dòng)蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)而驅(qū)動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng),蝸輪可帶動(dòng)抓取及傳送機(jī)構(gòu)繞蝸輪軸在一定角度內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。

3)抓取及傳輸功能的實(shí)現(xiàn):抓取機(jī)構(gòu)采用的是4個(gè)連桿機(jī)構(gòu)組成的機(jī)械抓手來實(shí)現(xiàn)對芒果的抓取。其工作原理為:滑塊通過連桿和搖桿相連接,4個(gè)手爪分別通過滑塊的移動(dòng)來驅(qū)動(dòng)搖桿在一定角度內(nèi)的擺動(dòng)。傳輸主要使用的是鏈條傳輸,傳送斗通過傳輸鏈安裝在鏈條上,電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)鏈輪進(jìn)而帶動(dòng)鏈條傳輸運(yùn)動(dòng)。

由圖2可知

由上述兩式可以解得θ1(S)和θ2(S),即

通過上述方程,可以描述出手爪最上端點(diǎn)E的位置與步進(jìn)電機(jī)描述推桿推進(jìn)距離的量S的關(guān)系。將已知步進(jìn)電機(jī)的最大推進(jìn)量Smax=24.24mm帶入上述方程,可得YEmax=53.125mm,芒果的最大采摘直徑為2×YE=106.25mm。

2 采摘傳輸支撐架的有限元設(shè)計(jì)

2.1 采摘傳輸支撐架的工況

采摘傳輸支撐架所受的各零件的重力載荷在一定情況下可看成作用于采摘傳輸支撐架上方銷孔上的集中載荷,影響其所受的最大應(yīng)力的主要因素是俯仰角度,因而選擇其俯仰角最小的位置進(jìn)行線性靜力學(xué)分析。通過下列計(jì)算,可以近似求得作用在機(jī)械臂與機(jī)械臂支撐架連接銷孔上的等效壓力。

將鏈條或方管支撐臂等沿重力均勻分布的載荷看作是作用于質(zhì)心位置上的集中載荷。方管支撐臂的固定方式是后方通過兩個(gè)鉸接孔用螺栓定位,設(shè)兩個(gè)鉸接孔用螺栓所承擔(dān)的剪切力分別對F1和F2,分別對兩個(gè)螺栓列力矩平衡方程,可以分別求出作用于鉸接孔上的力,即

G3(l1-l2+d)cosθ-F2dcosθ=0

G3(l1-l2)cosθ-F1dcosθ=0

其中,G1為鏈條重力,G2為方管的重力,G3為采摘機(jī)構(gòu)的重力,l1為方管上兩個(gè)鏈輪的中心距,l2為上部的銷孔到下部的鏈輪孔的距離,d為兩個(gè)固定螺栓銷孔的距離。

2.2 關(guān)鍵參數(shù)的確定

通過給各零件定義各自材料后,利用UG本身的零件測重和測距功能可得:G1=15N,G2=36N,G3=29N,l1=2100mm,l2=240mm,d=180mm。通過上述已知參數(shù),帶入到螺栓孔受力求解方程中,即

由此求得兩個(gè)螺栓孔所受的力為F1=609N,方向向下;F2=580N,方向沿豎直方向向上。

2.3 有限元仿真設(shè)計(jì)

通過UG建立采摘傳輸支撐架的三維模型,將采摘傳輸支撐架導(dǎo)出為parsoild格式,將導(dǎo)出的parsoild模型導(dǎo)入到Ansys Workbench 15.0中,在Ansys Worbench 中對采摘傳輸支撐架進(jìn)行危險(xiǎn)工況下的應(yīng)力與應(yīng)變分析。定義采摘傳輸支撐架的材料為45鋼,通過Ansys Workbench中的mesh網(wǎng)格劃分中的size功能,定義六面體網(wǎng)格尺寸為5mm,網(wǎng)格劃分結(jié)果為節(jié)點(diǎn)數(shù)129 980,單元數(shù)78 265,如圖3所示。

圖3 采摘傳輸支撐架網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig 3 Meshing results of picking transmission support

將軸承座地面和轉(zhuǎn)軸的鍵槽面固定約束,支撐轉(zhuǎn)軸和軸承之間采用Workbench中的自動(dòng)定義接觸類型,然后對前端的兩個(gè)螺栓孔施加F1和F2兩個(gè)載荷,仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 采摘傳輸支撐架應(yīng)變位移云圖Fig.4 Strain-displacement nephogram of picking transmission support

通過觀察采摘傳輸支撐架的應(yīng)力及應(yīng)變云圖可知:采摘支撐架所受的最大應(yīng)力為166.51MPa,最大形變位移為10.722mm,采用的45鋼的屈服強(qiáng)度為355MPa,能夠滿足強(qiáng)度的要求。由于智能芒果高空采摘車支架極少數(shù)情況下處于極限工作位置,且使用人工定位,故此部件形變位移在使用剛度要求范圍內(nèi)。

2.4 方管支撐臂的有限元設(shè)計(jì)

利用Ansys Workbench對方管支撐臂進(jìn)行強(qiáng)度及剛度校核。方管支撐臂材料選用45鋼,方管網(wǎng)格劃分和采摘傳輸支撐架的劃分方法相同,定義網(wǎng)格尺寸大小10mm,將方管支撐臂的下方的兩個(gè)螺栓孔定義為固定約束,鏈條作用于方管支撐臂上為一個(gè)均布載荷,載荷大小為G1=15N,抓取機(jī)構(gòu)近似看作一個(gè)集中載荷G3=29N作用于方管支撐臂的上端。仿真分析結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 方管支撐臂應(yīng)力云圖Fig.6 Stress nephogram of square pipe support arm

圖7 方管支撐臂應(yīng)變位移云圖Fig.7 Strain-displacement nephogram of square pipe support arm

有限元仿真分析結(jié)果表明:方管支撐臂的最大應(yīng)力位于后方螺栓孔部位處,最大應(yīng)力為27.876MPa;方管支撐臂采用的結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度為355MPa,安全系數(shù)約等于13,最大形變位移為3mm,小于材料的許用撓度及變形。因此,方管支撐臂的機(jī)構(gòu)符合剛度及強(qiáng)度要求。

3 采摘行走車架的有限元仿真

3.1 采摘傳輸支撐架的工況

采摘行走車架在運(yùn)行的過程中受到上部的支撐架、傳輸裝置和抓取裝置等的重力作用,還有各部件的翻覆力矩,也受到作用在采摘行走車架上的各個(gè)電機(jī)、減速器和芒果儲(chǔ)存筐的重力作用。具體參數(shù)確定如下,即

M1=(G1+G2)[(L1/2+L3-L2)cosθ]=61.50N·mM2=G3[(L1+L3-L2)cosθ]=63N·mMT=M1+M2+G6X1=179.5N·mF1=G1+G2+G3+G4=101NG6=250N,F3=350N,F4=96N

其中,M1為方管支撐架產(chǎn)生的翻覆力矩,M2為抓取機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的翻覆力矩,G6為整機(jī)所能夠進(jìn)行的最大的芒果裝載量,L3為方管支撐臂上端螺栓孔到轉(zhuǎn)軸的距離,X1為芒果裝載重心到絲桿中心的距離,MT為整機(jī)所承受的翻覆力矩,F1為絲桿升降板上端所受的壓力,F3為后方配重塊的重力,F4為行進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及蓄電池的重力。

3.2 采摘行走車架的有限元仿真設(shè)計(jì)

將在UG中建立的行走車架的模型導(dǎo)入到Ansys Workbench中,在Ansys Workbench中對其進(jìn)行限元應(yīng)力及應(yīng)變的分析。首先在Workbench中對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,采摘行走車架的有限元?jiǎng)澐址椒ú捎昧骟w網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格尺寸為10mm,結(jié)果如圖8所示。其中,節(jié)點(diǎn)數(shù)為163 466,單元數(shù)為90 546。

圖8 采摘行走車架網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.8 Result of mesh generation for picking traveling frame

將在UG中建立的行走車架的模型導(dǎo)入到Ansys Workbench中,將前輪軸和萬向輪固定,將采摘行走車架工況分析中計(jì)算出的載荷逐一添加,其應(yīng)力及應(yīng)變仿真結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 采摘行走車架應(yīng)變位移云圖Fig.9 Strain and displacement nephogram of picking walking frame

圖10 采摘行走車架應(yīng)力分布云圖Fig.10 Stress distribution nephogram of picking walking frame

通過觀察采摘行走車架的應(yīng)力及應(yīng)變云圖可知:采摘行走車架的最大形變位移位于絲桿升降塊上端的支撐板上,最大位移為4.8mm,最大位移在采摘?jiǎng)偠纫蠓秶鷥?nèi),且此處處于極限工況下,其余非極限工況下的采摘行走車架具有較好的剛度和穩(wěn)定性。其最大應(yīng)力位移絲桿升降架的末端,最大應(yīng)力為158.7MPa,小于其材料45鋼的屈服強(qiáng)度355MPa,具有較大的安全系數(shù)和穩(wěn)定性。

通過Workbench求出采摘行走車架的1～6階固有頻率,分別為14.589、19.66、74.272、75.617、76.891、88.925Hz,如圖11所示。在行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇過程中,應(yīng)該避開上述固有頻率,可以有效避免采摘行走車架產(chǎn)生共振,增加采摘行走車架行走的穩(wěn)定性和可靠性。

圖11 采摘行走車架1～6階固有頻率Fig.11 Sixth-order natural frequencies of picking walking frame

4 樣機(jī)試驗(yàn)

制作出物理樣機(jī)1臺(tái),并在實(shí)際中對其抗傾覆性等和關(guān)鍵部件在極限工況下的工作性能進(jìn)行試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)樣機(jī)的力學(xué)性能能夠滿足要求。為了驗(yàn)證智能芒果高空采摘車的實(shí)用性,分別對芒果種植園進(jìn)行采摘試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 智能芒果高空采摘車性能試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Performance test results of intelligent mango high altitude picking vehicle

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)出一種智能芒果高空采摘車,具有高效便捷的芒果采摘功能。運(yùn)用三維軟件UG對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),運(yùn)用有限元分析軟件Ansys Workbench對其進(jìn)行有限元仿真,并對智能芒果高空采摘車3個(gè)可能出現(xiàn)剛度和強(qiáng)度問題的關(guān)鍵部件進(jìn)行仿真分析,結(jié)果表明:采摘傳輸支撐架、方管支撐臂和采摘行走車架顯示出良好的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性,具有較長的使用壽命。

2)試驗(yàn)結(jié)果表明:智能芒果高空采摘車對于不同高度的芒果具有較好的適應(yīng)性,對廣西等地的芒果采摘具有較大的應(yīng)用價(jià)值,且采摘效率高、機(jī)械磨損性和振動(dòng)較小,設(shè)計(jì)可靠。