果園作業(yè)升降平臺(tái)設(shè)計(jì)與剪叉分析

耿佳期，劉俊峰

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071001)

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果園作業(yè)升降平臺(tái)設(shè)計(jì)與剪叉分析

耿佳期，劉俊峰

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071001)

利用Autodesk Inventor三維軟件設(shè)計(jì)了一款輪式果園作業(yè)升降平臺(tái)，其針對(duì)新式果園(即果園)采用矮砧密植種植模式，株行距2m×4m，樹(shù)高3.5～4m，枝展1.5m左右。此種果園將園藝與農(nóng)機(jī)結(jié)合，易于機(jī)械化作業(yè)的實(shí)現(xiàn)。剪叉是升降動(dòng)作的主體，其穩(wěn)定性是著重考慮的因素之一，剪叉的靜力學(xué)性能直接影響安全性，同時(shí)剪叉固有頻率與工作頻率相近會(huì)對(duì)穩(wěn)定性有不利影響，因而進(jìn)行了靜力學(xué)強(qiáng)度校核與模態(tài)分析。結(jié)果顯示：剪叉臂靜力學(xué)強(qiáng)度符合要求，剪叉機(jī)構(gòu)的固有頻率從19.686～58.965Hz逐漸變大，后期發(fā)動(dòng)機(jī)選用時(shí)應(yīng)當(dāng)參考此結(jié)果。

果園；作業(yè)升降平臺(tái)；剪叉機(jī)構(gòu)；模態(tài)分析

0 引言

自從1993年開(kāi)始，我國(guó)水果產(chǎn)量和栽培面積均超過(guò)印度、巴西和美國(guó)，位居世界第1位[1]。在蘋果生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中，摘果與套袋工作是其中占用人力工時(shí)較大的環(huán)節(jié)。增大在摘果套袋環(huán)節(jié)中機(jī)械作業(yè)的比例，可大大節(jié)省人力，提高人均作業(yè)效率。因此，研究研發(fā)果園升降作業(yè)平臺(tái)具有現(xiàn)實(shí)意義。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，果樹(shù)栽培制度也在迅速變革，國(guó)內(nèi)外的果樹(shù)生產(chǎn)都在向矮化密植方向發(fā)展，且將繼續(xù)大力開(kāi)發(fā)新式果園。舊式果園雜枝叢生，園內(nèi)空間狹小，難以進(jìn)行機(jī)械化作業(yè)。而目前我國(guó)新型果園多采用矮砧密植型種植模式，株行距2m×4m，樹(shù)高3.5～4m，枝展1.5m左右，行內(nèi)通道1.8～2.5m，從果樹(shù)底端以上20cm開(kāi)始一直到樹(shù)頂端都有果實(shí)分布，對(duì)土地有很高的利用率。園內(nèi)果樹(shù)位置有規(guī)則，且在地頭專門為機(jī)械化作業(yè)的實(shí)現(xiàn)預(yù)留了掉頭空地，為果園機(jī)械化作業(yè)提供了有利條件。以往的果園機(jī)械研究中，往往針對(duì)的是舊式果園，車身窄短，大大限制了作業(yè)效率，因此應(yīng)當(dāng)開(kāi)發(fā)針對(duì)新式果園的果園作業(yè)升降平臺(tái)。

剪叉機(jī)構(gòu)是果園作業(yè)升降平臺(tái)的關(guān)鍵部件之一，當(dāng)工作臺(tái)升起至一定高度后，剪叉機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性直接影響到作業(yè)人員的安全，因此對(duì)剪叉進(jìn)行靜力學(xué)分析與模態(tài)分析是有必要的。

1 果園作業(yè)升降平臺(tái)方案確定

1.1 果園作業(yè)升降平臺(tái)工作原理

果園升降作業(yè)平臺(tái)主要作用是通過(guò)升降裝置將作業(yè)人員及工具升至一定高度，空中作業(yè)完成后再通過(guò)升降裝置將工作人員及工具貨物等降至低位，果園升降作業(yè)平臺(tái)兼具一定的運(yùn)輸作用。果園作業(yè)升降平臺(tái)預(yù)采用液壓驅(qū)動(dòng)前橋后橋進(jìn)行行走，并利用液壓缸實(shí)現(xiàn)升降機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)力由1臺(tái)柴油動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)提供。

1.2 果園作業(yè)升降平臺(tái)主要結(jié)構(gòu)

果園作業(yè)升降平臺(tái)由工作臺(tái)、升降機(jī)構(gòu)、車架、前橋、后橋、發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)扇、液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)等組成(見(jiàn)圖1)，采用液壓驅(qū)動(dòng)前后橋、升降臺(tái)提高傳動(dòng)平穩(wěn)性。

2 果園作業(yè)升降平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

果樹(shù)行內(nèi)通道寬度為1.8～2.5m，考慮到實(shí)用，應(yīng)當(dāng)使車身盡量寬大，以增大可利用面積，同時(shí)應(yīng)保持良好通過(guò)性，并且要應(yīng)用在大部分果園，設(shè)定作業(yè)平臺(tái)寬度為1.6m。在果樹(shù)頂端枝展將變小，因此設(shè)計(jì)了可拉伸的隱藏工作臺(tái)供使用。

根據(jù)園藝數(shù)據(jù)，蘋果樹(shù)最高可長(zhǎng)到4m，且頂部也將長(zhǎng)有果實(shí)。為了便于工作人員采摘，平臺(tái)完全升起后應(yīng)當(dāng)使果樹(shù)頂部與人肩同高，即人肩距離地面為4m。其中，底盤高度設(shè)計(jì)為0.8m，一般人肩到腳底高度為1.5m，可得當(dāng)剪叉升至最高時(shí)高度約為1.7m。

車身長(zhǎng)度由車頭、車尾踏板及剪叉長(zhǎng)度決定。其中，車身寬度確定為1.6m后，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)將車頭長(zhǎng)度確定為0.8m；車尾部踏板預(yù)計(jì)長(zhǎng)度為0.6m；剪叉長(zhǎng)度在后文將進(jìn)行確定，但車身總長(zhǎng)約為3.5m。

1.工作臺(tái) 2.升降機(jī)構(gòu) 3.后橋 4.發(fā)動(dòng)機(jī) 5.風(fēng)扇 6.前橋

2.2 剪叉設(shè)計(jì)

剪叉長(zhǎng)度預(yù)計(jì)為1～1.5m，因此選用材料為鋼GB/T 6728-2002型80×40×5號(hào)結(jié)構(gòu)用冷彎空心型鋼。此種型鋼采用冷加工變形方式，可提高鋼的屈服強(qiáng)度。

圖2為作業(yè)平臺(tái)升起至最大高度時(shí)剪叉簡(jiǎn)圖。設(shè)剪叉最大起升高度為2H，剪叉臂長(zhǎng)R，最大起升角為θ，滑塊滑行距離為B，則

圖2 剪叉簡(jiǎn)圖

在對(duì)作業(yè)平臺(tái)工作過(guò)程中，剪叉最高起升高度確定后，剪叉最大起升角過(guò)小會(huì)造成材料浪費(fèi)，剪叉最大起升角過(guò)大將使其穩(wěn)定性變差，一般使剪叉最大起升角為30°～50°，故選用40°。將此角度代入，求得剪叉長(zhǎng)度R=1.3m，滑塊滑動(dòng)距離B=0.3m。

2.3 整機(jī)裝配

根據(jù)對(duì)果園作業(yè)升降平臺(tái)各參數(shù)的確定進(jìn)行了零件設(shè)計(jì)，并將零件進(jìn)行了裝配。果園作業(yè)升降平臺(tái)的三維模型如圖3所示。

圖3 整機(jī)三維模型

3 剪叉分析

3.1 靜力學(xué)強(qiáng)度校核

部件安全性是設(shè)計(jì)一款機(jī)器最應(yīng)首先考慮的問(wèn)題，而線性靜力分析是最基本但又是應(yīng)用最廣泛的分析類型。只有靜力學(xué)強(qiáng)度滿足條件后，才會(huì)考慮以后的疲勞強(qiáng)度分析、模態(tài)分析及風(fēng)阻等等，因而首先進(jìn)行靜力學(xué)強(qiáng)度校核。對(duì)于剪叉臂而言，在每一個(gè)靜態(tài)平衡狀態(tài)下，都符合靜力學(xué)分析線性材料、靜態(tài)加載的條件，適用于靜力學(xué)分析。

根據(jù)經(jīng)典力學(xué)理論，可以得到物體的動(dòng)力學(xué)通用方程為

[M]{x″}+[C]{x′}+[K]{x}={F(t)}

其中，[M]為質(zhì)量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K′]為剛度矩陣；{x}為位移矢量；{F(t)}為力矢量；{x′}為速度矢量；{x″}為加速度矢量。

在現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)分析中，一般忽略與時(shí)間t有關(guān)的量，于是將上式簡(jiǎn)化為

[K]{x}={F}

對(duì)于本作業(yè)升降平臺(tái)，已經(jīng)利用Inventor軟件進(jìn)行了三維模型的繪制，利用軟件中iProperty功能可為部件添加材料，軟件可自動(dòng)計(jì)算部件質(zhì)量，節(jié)省了大量人力物力，且計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確有參考價(jià)值。經(jīng)軟件計(jì)算，工作臺(tái)自重約為270kg，剪叉自重約為102kg，設(shè)計(jì)負(fù)載175kg。

在分析受力時(shí)，忽略慣性力的影響；假設(shè)負(fù)載平均分布于工作臺(tái)；忽略液壓油缸的質(zhì)量[2]；以剪叉升起至最高點(diǎn)時(shí)為研究對(duì)象。由于考慮剪叉自重，則最下一級(jí)剪叉臂受力最大，所以將最下一級(jí)剪叉臂作為研究對(duì)象。剪叉臂AB與剪叉臂CD受力圖如圖4、圖5所示。

圖4 剪叉臂AB受力圖

圖5 剪叉臂CD受力圖

剪叉最底部4個(gè)支點(diǎn)平均承受剪叉自重、工作臺(tái)自重、負(fù)載，每個(gè)剪叉臂在靜止時(shí)都處于平衡狀態(tài)，各點(diǎn)的力矩和均為0，對(duì)A、M、B取矩得

求得FAY=FCy=2368N，將此力加載于剪叉臂兩側(cè)是剪叉臂受到最大彎矩工況。

將求得的力代入Ansys Workbench，進(jìn)行靜力強(qiáng)度校核。果園升降作業(yè)平臺(tái)三維圖的繪制使用Autodesk Inventor軟件，可以與ANSYS workbench無(wú)縫對(duì)接，充分利用了ANSYS workbench強(qiáng)大的分析功能[3]。

首先添加模型，完成后為模型添加約束與載荷。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，剪叉臂底部通孔添加固定約束，在兩端與中間的孔內(nèi)面添加載荷，運(yùn)行軟件，將計(jì)算出結(jié)果。結(jié)果顯示：剪叉臂將產(chǎn)生微小形變，最大形變量為3.775 1mm，變形率為0.29%。此數(shù)值完全在安全范圍內(nèi)，不必另行校核，如圖6所示。

圖 6 總形變圖

軟件同時(shí)計(jì)算出了剪叉臂在此工況下收到的最大應(yīng)力，其出現(xiàn)在剪叉臂中間位置，此處受力最大，為應(yīng)力集中位置，受到的最大應(yīng)力為60.536MPa，如圖7所示。根據(jù)Q235-A的應(yīng)力許可對(duì)照表來(lái)看，此數(shù)值的安全系數(shù)將近3.8，完全滿足靜力學(xué)要求。

圖7 最大應(yīng)力

3.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析是最基本的線性動(dòng)力學(xué)分析，用于分析機(jī)構(gòu)的自振頻率特性，包括固有頻率和振型及振型參與系數(shù)[4]。模態(tài)分析的必要性在于：當(dāng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)滿足靜力學(xué)要求時(shí)，還要考慮疲勞應(yīng)變。當(dāng)結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中與發(fā)動(dòng)機(jī)模態(tài)相近時(shí)，將產(chǎn)生共振，造成運(yùn)行不穩(wěn)，極易產(chǎn)生疲勞應(yīng)變，所以對(duì)關(guān)鍵零部件的模態(tài)分析是有必要的。

模態(tài)分析理論的基礎(chǔ)同樣是物體的通用動(dòng)力學(xué)方程，則

[M]{x″}+[C]{x′}+[K]{x}={F(t)}

式中各部分意義同上文。

通過(guò)模態(tài)分析得到物體通用動(dòng)力學(xué)方程在無(wú)阻尼模態(tài)下的特征值方程，其簡(jiǎn)化后的動(dòng)力學(xué)的運(yùn)動(dòng)方程為

[M]{x″}+[K]{x}={0}

結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)為簡(jiǎn)諧振動(dòng)，可得知位移為正弦函數(shù)，即

x=xsinωt

代入上式，則

([K]-ω2[M]){x}={0}

將剪叉的裝配結(jié)構(gòu)輸入到Ansys Workbench軟件中，為裝配體中的零件添加相應(yīng)的材料信息，對(duì)零件配合處添加約束后，利用軟件提供的medium模塊為機(jī)構(gòu)劃分網(wǎng)格。軟件自動(dòng)將敏感部位網(wǎng)格單元細(xì)化，從而可以減小電腦工作量，以此提高計(jì)算效率。最終劃分網(wǎng)格結(jié)果如圖8所示。

圖8 有限元網(wǎng)格劃分模型

進(jìn)行網(wǎng)格劃分后即可指示系統(tǒng)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。需要說(shuō)明的是，在機(jī)構(gòu)的自振頻率中，高頻部分機(jī)構(gòu)振動(dòng)不會(huì)達(dá)到，因此低頻部分為重點(diǎn)關(guān)注區(qū)，故而只取1～6階的自振頻率作為危險(xiǎn)頻率。剪叉機(jī)構(gòu)1～6階自振頻率如表1所示。

表1 1～6階固有頻率

由表1數(shù)據(jù)可以看出：整個(gè)機(jī)構(gòu)的自振頻率范圍為19.686～58.965Hz。由于整機(jī)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)源只有發(fā)動(dòng)機(jī)提供，所以在后期選用發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮發(fā)動(dòng)機(jī)提供頻率，避開(kāi)此區(qū)間或避開(kāi)各個(gè)值。

4 成果

在筆者設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及分析軟件的理論分析前提下，根據(jù)河北中農(nóng)博遠(yuǎn)農(nóng)業(yè)裝備有限公司工程師的指導(dǎo)，完成了二維工程圖繪制，已經(jīng)進(jìn)行了小規(guī)模試產(chǎn)，型號(hào)定為3GZ-350型果園作業(yè)升降平臺(tái)，如圖9所示。

圖9 3GZ-350型果園作業(yè)升降平臺(tái)

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

1)在進(jìn)行新式果園園藝調(diào)查后，確定了果園作業(yè)平臺(tái)車身尺寸，并對(duì)果園作業(yè)升降平臺(tái)進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：車身尺寸符合新式果園作業(yè)要求，機(jī)器整體機(jī)構(gòu)合理，功能可滿足摘果、套袋作業(yè)過(guò)程中需要。

2)通過(guò)靜力學(xué)分析對(duì)剪叉臂進(jìn)行了計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入Ansys Workbench進(jìn)行了靜力強(qiáng)度校核，表明剪叉臂滿足安全要求。

3)對(duì)剪叉機(jī)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析，其固有頻率在19.686～58.965Hz之間逐漸變大，在此范圍內(nèi)剪叉機(jī)構(gòu)發(fā)生共振危險(xiǎn)較強(qiáng)。此結(jié)論為后期選用發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)提供了指導(dǎo)作用。事實(shí)證明，在工作平臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中，剪叉機(jī)構(gòu)并未發(fā)生異常振動(dòng)。

4)在軟件計(jì)算的理論基礎(chǔ)上，進(jìn)行了樣機(jī)試制，在三維設(shè)計(jì)工程中某些易被忽略的因素在生產(chǎn)中被擴(kuò)大。通過(guò)二維工程圖出圖與制造過(guò)程完善了三維模型圖，個(gè)人的設(shè)計(jì)能力、設(shè)計(jì)與生產(chǎn)相結(jié)合能力得到了提高。

5)在樣機(jī)試運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了一些新的問(wèn)題。例如，設(shè)計(jì)過(guò)程中未加入剎車系統(tǒng)，車輛前進(jìn)后退只靠液壓控制，造成在坡度稍大地面液壓回油發(fā)生溜車；抽拉工作臺(tái)應(yīng)當(dāng)用液壓控制，手動(dòng)抽拉易在抽拉工作臺(tái)發(fā)生銹蝕時(shí)難以操作；小批量生產(chǎn)時(shí)，零件精度較差，個(gè)別部位配合不到位。

5.2 展望

在下一代果園作業(yè)升降平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)將及時(shí)解決目前已發(fā)生問(wèn)題，加入液壓或機(jī)械剎車系統(tǒng)、液壓控制抽拉平臺(tái)及提高制件精度，且日后要力求使設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)機(jī)械更加美觀。

[1] 崔家升，李曉萍．世界蘋果種植概況與我國(guó)蘋果生產(chǎn)前景展望[J]．北方果樹(shù)，2012，7(4)：1-2．

[2] 高希功.剪叉式液壓升降機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D].濟(jì)南：濟(jì)南大學(xué), 2014：16-17.

[3] 孫志瑩，曾紅．基于ANSYS Workbench對(duì)漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪接觸疲勞壽命分析[J] ．現(xiàn)代機(jī)械，2011(2)：18-20．

[4] 陳艷霞．ANSYS Workbench工程應(yīng)用案例精通[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2012．

Orchard Lift Platform Design and the Scissors’ Analysis

Geng Jiaqi, Liu Junfeng

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Agricultural University of Hebei, Baoding 071000, China)

Use Autodesk Inventor to design an orchard lift platform, this orchard lift platform is used to new type orchard, which means its cropping pattern is dwarfing close planting, its row spacing is 2*4, tree height is 3.5～4m, branch width is about 1.5m. It will be easy to combine gardening and agricultural machinery together in new type orchard, also it will be easy to realize mechanization. Scissors are the major part to realize lift movement, its stability is one of the most important factor to consider. If the natural frequency and the working frequency are same or similar, some bad influences shall happen, so we should do modal analysis based on ANSYS Workbench after the design. The result shows the scissors’ natural frequency is from 19.686Hz to 58.965Hz, so when chose a engine should avoid the frequency section.

orchard; lift platform； scissors； modal analysis

2016-04-01

國(guó)家蘋果產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目(CARS-28)；國(guó)家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203016)

耿佳期(1990-)，男，石家莊人，碩士研究生，(E-mail)gengjiaqi111@qq.com。

劉俊峰(1956-)，男，河北保定人，教授，(E-mail)liujf@hebau.edu.cn。

S219.89

A

1003-188X(2017)04-0042-05