基于ANSYS 的果園作業(yè)平臺(tái)升降結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

劉曙光，連政國(guó)，王家勝，王東偉，陳玉軍，尹寶全，朱澤糧

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺(tái)研究院，山東 煙臺(tái) 264670；2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109；3.濰坊森海機(jī)械制造有限公司，山東 濰坊 261021）

果園作業(yè)平臺(tái)作為現(xiàn)代果園規(guī)模化生產(chǎn)過程的管理、收獲輔助機(jī)械，在疏花、疏果、套袋、整枝、噴藥、摘果和運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)發(fā)揮重要作用［1-4］。果園作業(yè)平臺(tái)一般包括小型單人作業(yè)平臺(tái)和中大型多人同時(shí)作業(yè)平臺(tái)［5，6］。小型單人作業(yè)平臺(tái)主要包括動(dòng)力、行走結(jié)構(gòu)、作業(yè)平臺(tái)升降結(jié)構(gòu)等，一般地形適應(yīng)性強(qiáng)，功能比較單一，以搭載人工升降為主，適用于果樹行距較小、地形變化較大的小規(guī)模果園［7］。中大型多人同時(shí)作業(yè)平臺(tái)可以承載多人在同一高度或者不同高度進(jìn)行作業(yè)，具有很好的承載運(yùn)輸能力，其結(jié)構(gòu)除小型單人作業(yè)平臺(tái)組成結(jié)構(gòu)外，集成了機(jī)械化輔助功能，充分發(fā)揮多人同時(shí)作業(yè)優(yōu)勢(shì)，有效減少作業(yè)人員的輔助工作量輸出，適用于工作環(huán)境相對(duì)規(guī)范、地形變化較小的規(guī)范化種植的中大規(guī)模果園［8］。

本研究對(duì)與濰坊森海機(jī)械制造有限公司合作研發(fā)的4PZ-1700 型輪式自走剪叉升降結(jié)構(gòu)作業(yè)平臺(tái)升降過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，為進(jìn)一步優(yōu)化作業(yè)平臺(tái)升降結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。

1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)與工作原理

該果園作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、底盤結(jié)構(gòu)、作業(yè)平臺(tái)升降與展收結(jié)構(gòu)、空果箱上輸送結(jié)構(gòu)、滿果箱下輸送結(jié)構(gòu)等，整機(jī)行走、作業(yè)平臺(tái)升降與展收及空果箱上輸送結(jié)構(gòu)上下轉(zhuǎn)動(dòng)、滿果箱下輸送結(jié)構(gòu)升降等動(dòng)作均由液壓驅(qū)動(dòng)。

圖1 果園作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

作業(yè)平臺(tái)通過剪叉結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)作業(yè)平臺(tái)升降功能，當(dāng)果園作業(yè)平臺(tái)轉(zhuǎn)移至作業(yè)位置時(shí)，此時(shí)作業(yè)平臺(tái)一般處于最低位置，當(dāng)果園地勢(shì)平坦，轉(zhuǎn)移速度緩慢，可以保證作業(yè)人員安全及不損害作業(yè)平臺(tái)升降結(jié)構(gòu)各連接副時(shí)，作業(yè)平臺(tái)可以在高位時(shí)進(jìn)行位置轉(zhuǎn)移，當(dāng)果園作業(yè)平臺(tái)轉(zhuǎn)移到合適的作業(yè)位置時(shí)停止行進(jìn)，作業(yè)人員站立在升降結(jié)構(gòu)的作業(yè)平臺(tái)上，根據(jù)實(shí)際作業(yè)高度要求控制作業(yè)平臺(tái)升降結(jié)構(gòu)工作使作業(yè)平臺(tái)上升或者下降，到達(dá)作業(yè)要求高度，作業(yè)平臺(tái)升降結(jié)構(gòu)停止動(dòng)作后，人工作業(yè)開始，當(dāng)該高度作業(yè)完成后，繼續(xù)調(diào)整作業(yè)平臺(tái)高度，直至果園作業(yè)平臺(tái)在該位置對(duì)果樹高度方向所有位置作業(yè)結(jié)束。果園作業(yè)平臺(tái)升降功能為目前該機(jī)械發(fā)揮作用的核心功能，上升過程為整機(jī)總體承載最大的過程，是設(shè)計(jì)優(yōu)化滿足實(shí)際應(yīng)用要求需要考慮的核心。空果箱上輸送結(jié)構(gòu)設(shè)置于果園作業(yè)平臺(tái)前端，一般情況下該結(jié)構(gòu)停留在轉(zhuǎn)動(dòng)范圍的上限位，其上兩條輥?zhàn)虞斔途€與作業(yè)平臺(tái)上輥?zhàn)虞斔途€對(duì)齊，在需要向作業(yè)平臺(tái)補(bǔ)充空果箱時(shí)，該結(jié)構(gòu)下轉(zhuǎn)，接近地面，待空果箱排滿該結(jié)構(gòu)上輥?zhàn)虞斔途€后，上轉(zhuǎn)至與作業(yè)平臺(tái)輥?zhàn)虞斔途€對(duì)齊位置以及向作業(yè)平臺(tái)補(bǔ)充果箱。滿果箱下輸送結(jié)構(gòu)設(shè)置于果園作業(yè)平臺(tái)后端，工作時(shí)該結(jié)構(gòu)處于運(yùn)動(dòng)范圍的上限位附近，其上兩條輥?zhàn)虞斔途€與作業(yè)平臺(tái)上輥?zhàn)虞斔途€對(duì)齊，作業(yè)人員不斷將裝滿的果箱由作業(yè)平臺(tái)輥?zhàn)虞斔途€推送后移至滿果箱下輸送結(jié)構(gòu)的輥?zhàn)虞斔途€上，其上輥?zhàn)虞斔途€排滿果箱后，該結(jié)構(gòu)下降至地面，卸下果箱后重新升起。

2 分析模型的建立

通過SolidWorks 建模，建模結(jié)構(gòu)包括底盤結(jié)構(gòu)機(jī)架、作業(yè)平臺(tái)、升降支撐桿、機(jī)架與升降支撐桿之間連接滑塊、作業(yè)平臺(tái)與升降支撐桿之間連接滑塊、液壓油缸，如圖2 所示。

圖2 建模結(jié)構(gòu)

3 模擬升降條件的設(shè)置

建立模型以“x_t”形式導(dǎo)入ANSYS Workbench-19.2 的Rigid Dynamics 模塊中。模型連接副設(shè)置如表1 所示，連接副設(shè)置位置如圖3 所示。以實(shí)際需要的最大承載進(jìn)行上升過程模擬，荷載主要包括3 部分：平臺(tái)升降結(jié)構(gòu)自重，作業(yè)人員與傳送輥?zhàn)由喜烧獙?duì)象對(duì)作業(yè)平臺(tái)壓力。作業(yè)人員6 人，每人以700 N計(jì)算，站位均布在作業(yè)平臺(tái)上，在作業(yè)平臺(tái)固定2 排傳送輥?zhàn)拥奈恢靡? 000 N 施加載荷，平臺(tái)升降結(jié)構(gòu)承載位置如圖4 所示。液壓油缸活塞桿相對(duì)缸體速度設(shè)置 0.006、0.008、0.012 m/s 3 種運(yùn)動(dòng)條件，均在工作后0.1 s 開始模擬計(jì)算。在3 種運(yùn)動(dòng)條件下，平臺(tái)升降結(jié)構(gòu)起始對(duì)應(yīng)位置與最終對(duì)應(yīng)位置分別相同。

圖4 施加承載位置

表1 連接副的設(shè)置

圖3 連接副設(shè)置位置

4 平臺(tái)升降過程動(dòng)力學(xué)分析

4.1 作業(yè)平臺(tái)位移

作業(yè)平臺(tái)與機(jī)架接觸面為位移0 點(diǎn)，上升過程中，在液壓油缸作用下，在豎直方向向上平移，總位移量為1.3 m，其位移變化如圖5 所示。

圖5 3 種運(yùn)動(dòng)條件下作業(yè)平臺(tái)位移

4.2 作業(yè)平臺(tái)平移速度

作業(yè)平臺(tái)平移速度如圖6 所示。液壓油缸活塞桿相對(duì)缸體運(yùn)動(dòng)速度為0.006、0.008、0.012 m/s 時(shí)，隨著作業(yè)平臺(tái)的上升，作業(yè)平臺(tái)平移速度分別由0.094、0.063、0.047 m/s 逐漸下降接近于勻速運(yùn)動(dòng)，最終速度分別為0.023、0.016、0.012 m/s。

圖6 3 種運(yùn)動(dòng)條件下作業(yè)平臺(tái)平移速度

4.3 平臺(tái)升降結(jié)構(gòu)受力情況

作業(yè)平臺(tái)與升降支撐桿通過2 個(gè)圓柱副及2 個(gè)移動(dòng)副連接，連接副受力如圖7 所示。液壓油缸活塞桿相對(duì)缸體運(yùn)動(dòng)速度為0.006、0.008、0.012 m/s時(shí)，隨作業(yè)平臺(tái)上升，移動(dòng)副受力分別由起始的2 972、2 974、2 980 N 逐漸增大至3 431 N，方向以豎直方向?yàn)橹鳎渌麅煞较蚴芰咏?，忽略不計(jì)；圓柱副受力分別由起始的2 928、2 930、2 936 N 逐漸減小至2 463 N，方向以豎直方向?yàn)橹鳎渌麅煞较蚴芰咏?，忽略不計(jì)。3 種運(yùn)動(dòng)條件下，液壓油缸活塞桿相對(duì)缸體運(yùn)動(dòng)速度越大，同位置連接副受力變化越大。

圖7 作業(yè)平臺(tái)與升降支撐桿之間連接副受力

機(jī)架與升降支撐桿通過2 個(gè)圓柱副及2 個(gè)移動(dòng)副連接，連接副受力如圖8 所示。液壓油缸活塞桿相對(duì)缸體運(yùn)動(dòng)速度為 0.006、0.008、0.012 m/s 時(shí)，隨作業(yè)平臺(tái)上升，移動(dòng)副受力分別由起始3 425、3 427、3 434 N 逐漸增大至3 884 N，方向以豎直方向?yàn)橹鳎渌麅煞较蚴芰咏?，忽略不計(jì)；圓柱副受力分別由起始3 331、3 333、3 340 N 逐漸下降至2 866 N，方向以豎直方向?yàn)橹鳎渌麅煞较蚴芰咏?，忽略不計(jì)。3 種運(yùn)動(dòng)條件下，液壓油缸活塞桿相對(duì)缸體運(yùn)動(dòng)速度越大，同位置連接副受力變化越大。

圖8 機(jī)架與升降支撐桿之間連接副受力

升降支撐桿之間連接副受力大小如圖9 所示，方向如圖10 所示。液壓油缸活塞桿相對(duì)缸體運(yùn)動(dòng)速度為 0.006、0.008、0.012 m/s 時(shí)，隨作業(yè)平臺(tái)上升，連接副受力分別由起始的24 548、24 497、24 479 N逐漸下降至6 725 N。連接副受力方向不斷變化，其變化區(qū)間為-15.7°～-43.3°。3 種運(yùn)動(dòng)條件下，液壓油缸活塞桿相對(duì)缸體運(yùn)動(dòng)速度越大，連接副受力變化越大。

圖9 升降支撐桿之間連接副受力大小

圖10 升降支撐桿之間連接副受力方向

液壓油缸推力大小如圖11 所示，方向如圖12 所示。液壓油缸活塞桿相對(duì)缸體運(yùn)動(dòng)速度為0.006、0.008、0.012 m/s 時(shí)，隨作業(yè)平臺(tái)上升，連接副受力分別由起始的 53 896、53 935、54 047 N 逐漸下降至25 037 N，液壓油缸活塞桿相對(duì)缸體運(yùn)動(dòng)速度越大，連接副受力變化越大。連接副受力方向不斷變化，其變化區(qū)間為29°～67°。

圖11 液壓油缸推力大小

圖12 液壓油缸推力方向

5 結(jié)論

本研究利用ANSYS Workbench19.2 的Rigid Dynamics 模塊對(duì)平臺(tái)升降結(jié)構(gòu)升降過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，通過設(shè)置9 處組件間的連接副，設(shè)置平臺(tái)升降結(jié)構(gòu)自重、作業(yè)人員與采摘對(duì)象產(chǎn)生的最大壓力為荷載，設(shè)置液壓油缸活塞桿相對(duì)缸體運(yùn)動(dòng)速度分別為0.006、0.008、0.012 m/s 的 3 種運(yùn)動(dòng)條件，模擬果園作業(yè)平臺(tái)升降過程。液壓油缸活塞桿相對(duì)缸體運(yùn)動(dòng)速度為 0.006、0.008、0.012 m/s 時(shí)，隨著作業(yè)平臺(tái)上升，作業(yè)平臺(tái)平移速度分別由0.094、0.063、0.047 m/s 逐漸下降至 0.023、0.016、0.012 m/s；作業(yè)平臺(tái)與升降支撐桿移動(dòng)副受力分別由2 972、2 974、2 980 N 逐漸增大至3 431 N，豎直方向；圓柱副受力分別由2 928、2 930、2 936 N 逐漸減小至 2 463 N，豎直方向。機(jī)架與升降支撐桿移動(dòng)副受力分別由3 425、3 427、3 434 N 逐漸增大至3 884 N，豎直方向；圓柱副受力分別由 3 331、3 333、3 340 N 逐漸下降至2 866 N，豎直方向。升降支撐桿之間連接副受力分別由 24 548、24 497、24 479 N 逐漸下降至 6 725 N。連接副受力方向不斷變化，其變化區(qū)間為-15.7°～-43.3°。 液 壓 油 缸 推 力 分 別 由 53 896、53 935、54 047 N 逐漸下降至25 037 N，受力方向變化區(qū)間為29°～67°。作業(yè)平臺(tái)上升過程各曲線較平滑，其工作過程穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。