智能芒果高空采摘車的有限元仿真設計與試驗

任曉智,李福敏,韋雨佳,岑光杜,李中淼,王 馨

( 廣西大學 機械工程學院,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、臺灣等地,廣西農業廳已經出臺相關文件,大力推進芒果產業化,廣泛推廣無傷采摘技術。采摘環節是整個芒果產業鏈最耗時、費力的工序,芒果采摘質量的好壞決定了儲存加工和銷售效率。截至目前為止,芒果采摘仍然采用人工采摘的方式,勞動強度大,安全性差,極大地限制了芒果產業化、商品化的發展。

針對廣西等地目前的對采摘芒果機械裝置的需求,設計出一種智能芒果高空采摘車。采摘采用多電機協作運動,通過鏈條傳輸機構將芒果高處傳輸到下方的芒果儲存框中,且芒果傳輸和夾持采摘的電機獨立運行,在采摘定位過程中可實現芒果的傳輸儲存,能夠提高采摘機的采摘效率。實地試驗可知:智能芒果高空采摘車通過各機構的運動可以實現高效、便捷的芒果采摘。本文通過三維軟件UG建立三維模型之后,將模型導入到Ansys Workbench中對其關鍵部件進行應力及應變分析,結果表明:鏈條傳輸式芒果采摘車的關鍵部件能夠滿足剛度強度要求,疲勞壽命能夠滿足使用要求。

1 設計原理及機構

智能芒果高空采摘車由夾持采摘機構、多自由度機械臂、絲桿升降機構、行走動力機構等組成,如圖1所示。

1)行走功能的實現:電動機提供行走動力,電動機將動力傳遞給減速器,通過減速器將動力傳遞給皮帶輪,然后通過皮帶輪將動力傳遞給大前輪;皮帶下方設置有皮帶張緊輪,通過控制皮帶張緊的張緊情況來控制整機的行走的啟動和關閉。

2)多自由度功能的實現:絲桿驅動電機通過減速機減速后,錐齒輪組將動力傳遞到升降絲桿上,通過驅動升降絲桿的續傳來驅動絲桿滑移塊的升降運動。在絲桿升降架的上方焊接有一個橫向軸承座,橫向軸承座可以實現上方的抓取及傳送機構在X-Y平面內旋轉,通過驅動蝸桿轉動進而驅動蝸輪轉動,蝸輪可帶動抓取及傳送機構繞蝸輪軸在一定角度內轉動。

3)抓取及傳輸功能的實現:抓取機構采用的是4個連桿機構組成的機械抓手來實現對芒果的抓取。其工作原理為:滑塊通過連桿和搖桿相連接,4個手爪分別通過滑塊的移動來驅動搖桿在一定角度內的擺動。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,電動機驅動鏈輪進而帶動鏈條傳輸運動。

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E的位置與步進電機描述推桿推進距離的量S的關系。將已知步進電機的最大推進量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計

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行線性靜力學分析。通過下列計算,可以近似求得作用在機械臂與機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鉸接孔用螺栓定位,設兩個鉸接孔用螺栓所承擔的剪切力分別對F1和F2,分別對兩個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為采摘機構的重力,l1為方管上兩個鏈輪的中心距,l2為上部的銷孔到下部的鏈輪孔的距離,d為兩個固定螺栓銷孔的距離。

2.2 關鍵參數的確定

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,帶入到螺栓孔受力求解方程中,即

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

2.3 有限元仿真設計

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出為parsoild格式,將導出的parsoild模型導入到Ansys Workbench 15.0中,在Ansys Worbench 中對采摘傳輸支撐架進行危險工況下的應力與應變分析。定義采摘傳輸支撐架的材料為45鋼,通過Ansys Workbench中的mesh網格劃分中的size功能,定義六面體網格尺寸為5mm,網格劃分結果為節點數129 980,單元數78 265,如圖3所示。

圖3 采摘傳輸支撐架網格劃分結果Fig 3 Meshing results of picking transmission support

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

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

通過觀察采摘傳輸支撐架的應力及應變云圖可知:采摘支撐架所受的最大應力為166.51MPa,最大形變位移為10.722mm,采用的45鋼的屈服強度為355MPa,能夠滿足強度的要求。由于智能芒果高空采摘車支架極少數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。

2.4 方管支撐臂的有限元設計

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

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

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

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

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電機、減速器和芒果儲存筐的重力作用。具體參數確定如下,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為方管支撐架產生的翻覆力矩,M2為抓取機構產生的翻覆力矩,G6為整機所能夠進行的最大的芒果裝載量,L3為方管支撐臂上端螺栓孔到轉軸的距離,X1為芒果裝載重心到絲桿中心的距離,MT為整機所承受的翻覆力矩,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為行進驅動電機及蓄電池的重力。

3.2 采摘行走車架的有限元仿真設計

將在UG中建立的行走車架的模型導入到Ansys Workbench中,在Ansys Workbench中對其進行限元應力及應變的分析。首先在Workbench中對其進行網格劃分,采摘行走車架的有限元劃分方法采用六面體網格劃分,網格尺寸為10mm,結果如圖8所示。其中,節點數為163 466,單元數為90 546。

圖8 采摘行走車架網格劃分結果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算出的載荷逐一添加,其應力及應變仿真結果如圖9、圖10所示。

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

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

通過觀察采摘行走車架的應力及應變云圖可知: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,最大位移在采摘剛度要求范圍內,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定性。其最大應力位移絲桿升降架的末端,最大應力為158.7MPa,小于其材料45鋼的屈服強度355MPa,具有較大的安全系數和穩定性。

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。在行走驅動電機的選擇過程中,應該避開上述固有頻率,可以有效避免采摘行走車架產生共振,增加采摘行走車架行走的穩定性和可靠性。

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 樣機試驗

制作出物理樣機1臺,并在實際中對其抗傾覆性等和關鍵部件在極限工況下的工作性能進行試驗,發現樣機的力學性能能夠滿足要求。為了驗證智能芒果高空采摘車的實用性,分別對芒果種植園進行采摘試驗結果如表1所示。

表1 智能芒果高空采摘車性能試驗結果Table 1 Performance test results of intelligent mango high altitude picking vehicle

5 結論

1)設計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。運用三維軟件UG對其進行結構設計,運用有限元分析軟件Ansys Workbench對其進行有限元仿真,并對智能芒果高空采摘車3個可能出現剛度和強度問題的關鍵部件進行仿真分析,結果表明: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、強度和穩定性,具有較長的使用壽命。

2)試驗結果表明: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性,對廣西等地的芒果采摘具有較大的應用價值,且采摘效率高、機械磨損性和振動較小,設計可靠。