湯晶宇 徐克生 曲振興 樊濤 王德柱 王東 任勝樂

(國家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，哈爾濱，150086) (哈爾濱理工大學(xué))

模塊式苗木撫育機(jī)輔助作業(yè)臂模塊動(dòng)力學(xué)分析1)

湯晶宇 徐克生 曲振興 樊濤 王德柱 王東 任勝樂

(國家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，哈爾濱，150086) (哈爾濱理工大學(xué))

應(yīng)用Solid Works軟件及ADAMS仿真軟件，對(duì)模塊式苗木撫育機(jī)輔助作業(yè)臂模塊進(jìn)行了虛擬樣機(jī)建立與動(dòng)力學(xué)仿真。結(jié)果表明：應(yīng)用軟件建立三維模型以及動(dòng)力學(xué)仿真，驗(yàn)證了撫育機(jī)輔助作業(yè)臂模塊翻轉(zhuǎn)、升降、恢復(fù)的動(dòng)作過程，說明虛擬樣機(jī)運(yùn)行良好。借助ADAMS軟件，對(duì)正載及偏載工況下輔助作業(yè)臂模塊進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，分別得到了輔助作業(yè)臂模塊在不同工況下翻轉(zhuǎn)油缸以及升降油缸受力曲線和關(guān)鍵鉸點(diǎn)的受力曲線，輔助作業(yè)臂模塊受力變化情況吻合輔助作業(yè)臂模塊實(shí)際受力情況。應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，對(duì)撫育機(jī)輔助作業(yè)臂進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，有著過程高效、低成本、輸出結(jié)果直觀形象、仿真效果好等特點(diǎn)。

苗木撫育機(jī)；輔助作業(yè)臂模塊；動(dòng)力學(xué)仿真

模塊式苗木撫育機(jī)是一臺(tái)可更換工作模塊的多功能苗木作業(yè)設(shè)備，主要適用于綠化苗木撫育管理作業(yè)。目前，我國綠化苗木管理撫育動(dòng)力裝備，特別是綠化大苗作業(yè)裝備十分短缺匱乏。為滿足作業(yè)各方面需要，要求機(jī)械設(shè)備的種類多，適應(yīng)性強(qiáng)，往往采用其它行業(yè)機(jī)械進(jìn)行代用，研究內(nèi)容主要體現(xiàn)在對(duì)現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機(jī)械、工程機(jī)械進(jìn)行有針對(duì)性的單一作業(yè)機(jī)具的改造與開發(fā)。這些裝備對(duì)綠化苗木的撫育和日常管理作業(yè)起到了很大作用，但從機(jī)械設(shè)備的使用、維護(hù)、性價(jià)比等方面考慮又要求減少種類、數(shù)量[1-2]。因此，研究模塊式苗木撫育機(jī)(見圖1)具有現(xiàn)實(shí)意義；功能模塊的快速組裝，用最少的機(jī)具品種和最佳機(jī)械組配模式，發(fā)揮最大機(jī)械效益。本文對(duì)模塊式苗木撫育機(jī)輔助作業(yè)臂模塊，進(jìn)行虛擬樣機(jī)建立與動(dòng)力學(xué)仿真，為模塊式苗木撫育機(jī)開發(fā)提供有益參考。

1為動(dòng)力模塊；2為前置擴(kuò)展模塊；3為輔助作業(yè)臂模塊。

1 輔助作業(yè)臂模塊虛擬樣機(jī)建模

按照實(shí)際尺寸，在Solid Works中建立模型并進(jìn)行裝配，初始狀態(tài)為前進(jìn)工況開始時(shí)(見圖2)。苗木撫育機(jī)輔助作業(yè)臂模塊，由座架、升降臂、升降油缸、升降油缸活塞、翻轉(zhuǎn)臂、翻轉(zhuǎn)連桿、翻轉(zhuǎn)油缸、翻轉(zhuǎn)油缸活塞、模塊連接平臺(tái)組成。

對(duì)苗木撫育機(jī)輔助作業(yè)臂模塊進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真的研究，采用了多體動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件(ADAMS)。ADAMS具有良好的人機(jī)交互界面，用戶可以方便地使用各種功能模塊，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行多種預(yù)測(cè)的功能，包括整體性能、碰撞檢查、最值載荷、運(yùn)行范圍、分析有限元的導(dǎo)入模型等[3-4]。

1為模塊連接平臺(tái)；2為翻轉(zhuǎn)連桿；3為翻轉(zhuǎn)臂；4為翻轉(zhuǎn)油缸活塞；5為翻轉(zhuǎn)油缸；6為升降臂；7為升降油缸活塞；8為升降油缸；9為座架。

圖2苗木撫育機(jī)輔助作業(yè)臂模塊示意圖

2 輔助作業(yè)臂模塊動(dòng)力學(xué)仿真

2.1 導(dǎo)入模型并修改材料屬性

將在Solid Works中建立好的輔助作業(yè)臂模塊三維模型，保存副本為“.x_t”格式導(dǎo)入ADAMS中，定義材料屬性為“steel”，更改輔助作業(yè)臂各部件的名稱、顏色[3-4]。運(yùn)用布爾操作，將固定相連的零件生成1個(gè)零件，減少仿真計(jì)算的工作量。

2.2 添加約束

在ADAMS中，通過給相應(yīng)的構(gòu)建之間添加合適的運(yùn)動(dòng)副，將各個(gè)構(gòu)件關(guān)聯(lián)起來，從而形成一個(gè)完整的機(jī)械系統(tǒng)[5-6]。解決ADAMS約束冗余方法之一，是選擇一些約束較少的運(yùn)動(dòng)副，如果僅根據(jù)自由度約束數(shù)量任意選取，可能在計(jì)算結(jié)果中出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，可以使用基本約束解決冗余約束問題[7-8]。

在正載工況下，本模型中共采用了6個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副、2個(gè)移動(dòng)副、3個(gè)點(diǎn)線副、1個(gè)固定副(見圖3)。

在極限偏載工況下，構(gòu)件中那些相對(duì)于中心面對(duì)稱的鉸接點(diǎn)受到的力并不相同，若此時(shí)還是按照正載工況下運(yùn)動(dòng)副施加的處理方式，則不能得到各個(gè)鉸接點(diǎn)受力準(zhǔn)確值。因此，極限偏載工況下，需要重新定義各個(gè)構(gòu)件之間的約束關(guān)系。在極限偏載工況下，輔助作業(yè)臂模型中共采用了4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副、2個(gè)移動(dòng)副、7個(gè)點(diǎn)線副、1個(gè)固定副(見圖4)。

2.3 輔助作業(yè)臂模塊外載荷及驅(qū)動(dòng)的施加

2.3.1 輔助作業(yè)臂模塊外載荷的施加

輔助作業(yè)臂模塊，在作業(yè)過程中承受的外載荷主要分為連接模塊重力和作業(yè)阻力，作業(yè)阻力通常分為前進(jìn)阻力和垂直掘起阻力。本文中輔助作業(yè)臂模塊能承受的最大連接模塊重力為30 000 N。水平對(duì)稱工況下，輔助作業(yè)臂能承受最大前進(jìn)阻力為2 070 N，最大垂直掘起阻力為34 588.24 N。極限偏載工況下，輔助作業(yè)臂模塊能承受最大前進(jìn)阻力為32 265.55 N，最大垂直掘起阻力為50 566.76 N。在模擬撫育機(jī)實(shí)際工作情況時(shí)，選擇比較常用的STEP函數(shù)實(shí)現(xiàn)模擬。

圖3 正載工況下輔助作業(yè)臂模塊運(yùn)動(dòng)副添加示意圖

圖4 極限偏載工況下輔助作業(yè)臂模塊運(yùn)動(dòng)副添加示意圖

正載工況下的STEP函數(shù)表達(dá)式：

前進(jìn)阻力的函數(shù)為STEP(time,0,0,2.8,22070)+STEP(time,2.8,0,3,-22070)；

掘起阻力的函數(shù)為STEP(time,3,0,3.2,34588.24)+STEP(time,3.2,0,6,-34588.24)；

連接模塊重力的函數(shù)為STEP(time,3.2,0,6,35000)+STEP(time,12,0,15,-35000)。

極限偏載工況下的STEP函數(shù)表達(dá)式：

前進(jìn)阻力的函數(shù)為STEP(time,0,0,2.8,32265.55)+STEP(time,2.8,0,3,-32265.55)；

掘起阻力的函數(shù)為STEP(time,3,0,3.2,50566.76)+STEP(time,3.2,0,6,-50566.76)；

連接模塊重力的函數(shù)為STEP(time,3.2,0,6,35000)+STEP(time,12,0,15,-35000)。

外載荷變化曲線如圖5、圖6所示。

圖5 正載工況下外載荷變化曲線

2.3.2 輔助作業(yè)臂模塊驅(qū)動(dòng)的施加

輔助作業(yè)臂模塊是通過升降油缸和翻轉(zhuǎn)油缸聯(lián)合作用實(shí)現(xiàn)作業(yè)的。通過在滑移副上添加驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)模擬輔助作業(yè)臂真實(shí)運(yùn)動(dòng)效果。在ADAMS中采用STEP函數(shù)添加相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)方程，在STEP函數(shù)中涉及的相應(yīng)變量是按照實(shí)際工況以及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置的。

現(xiàn)定義輔助作業(yè)臂模塊翻轉(zhuǎn)油缸的驅(qū)動(dòng)函數(shù)為STEP(time,0,0,3,0)+STEP(time,3,0,6,25)+STEP(time,6,0,8,0)+STEP(time,8,0,12,0)+STEP(time,12,0,15,-90)+STEP(time,15,0,16,0)+STEP(time,16,0,18,60)、輔助作業(yè)臂模塊升降油缸的驅(qū)動(dòng)函數(shù)為STEP(time,0,0,3,0)+STEP(time,3，0,6,0)+STEP(time,6,0,7,20)+STEP(time,7,0,8,0)+STEP(time,8,0,12,45)+STEP(time,12,0,15,0)+STEP(time,15,0,18,-390)。

2.4 輔助作業(yè)臂模塊不同載荷工況下動(dòng)力學(xué)分析

苗木撫育機(jī)的作業(yè)行程時(shí)間共計(jì)18 s，在16 s時(shí)達(dá)到最大高度2 240 mm(見圖7)。

圖7 苗木撫育機(jī)卸載高度變化

2.4.1 正載工況下仿真分析

在前進(jìn)工況中，苗木撫育機(jī)依靠動(dòng)力模塊提供的驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)前進(jìn)，翻轉(zhuǎn)油缸與升降油缸同為被動(dòng)受力，受到載荷變化規(guī)律與前進(jìn)阻力相同。

由圖8可見：在掘起工況中，翻轉(zhuǎn)液壓油缸施加作用力，驅(qū)動(dòng)模塊連接平臺(tái)運(yùn)動(dòng)；在升降過程中，升降油缸施加主要作用力；在恢復(fù)工況過程中，升降油缸受力逐漸減小至只與模塊連接平臺(tái)重力相同；可知，升降油缸與翻轉(zhuǎn)油缸載荷變化規(guī)律與實(shí)際情況相吻合。苗木撫育機(jī)全部作業(yè)過程中，升降油缸比翻轉(zhuǎn)油缸受力大。

圖8 升降油缸與翻轉(zhuǎn)油缸受力曲線

A為翻轉(zhuǎn)連桿與翻轉(zhuǎn)臂的鉸點(diǎn)；B為翻轉(zhuǎn)油缸活塞與翻轉(zhuǎn)連桿的鉸點(diǎn)；C為翻轉(zhuǎn)臂與模塊連接平臺(tái)的鉸點(diǎn)；D為升降油缸活塞與升降臂的鉸點(diǎn)；E為翻轉(zhuǎn)連桿與升降臂的鉸點(diǎn)；F為升降臂與模塊連接平臺(tái)的鉸點(diǎn)；G為座架與升降臂的鉸點(diǎn)。

圖9正載工況下關(guān)鍵鉸點(diǎn)示意圖

模塊式苗木撫育機(jī)輔助作業(yè)臂模塊，在正載工況下的各個(gè)關(guān)鍵鉸點(diǎn)見圖9、各鉸接點(diǎn)受力變化曲線見圖10。

由各個(gè)關(guān)鍵鉸點(diǎn)的受力曲線可見：隨著苗木撫育機(jī)輔助作業(yè)臂模塊持續(xù)作業(yè)，各鉸點(diǎn)受到的負(fù)載隨之增加，到2.8 s時(shí)，曲線出現(xiàn)第一次波峰，達(dá)到局部最大。由“鉸點(diǎn)G”可見：在模塊連接平臺(tái)翻轉(zhuǎn)的瞬間，即3.2 s時(shí)，曲線出現(xiàn)第二次波峰；在12 s時(shí)，曲線出現(xiàn)了波峰，此時(shí)對(duì)應(yīng)的工況為恢復(fù)工況。

圖10 各個(gè)鉸點(diǎn)受力變化曲線

2.4.2 極限偏載工況下動(dòng)力學(xué)分析

極限偏載工況下，前進(jìn)阻力與垂直掘起阻力均施加在模塊連接平臺(tái)一側(cè)，因此，是極為危險(xiǎn)的工況。此工況下，各外載荷的STEP函數(shù)及兩個(gè)油缸的驅(qū)動(dòng)函數(shù)均與正載工況下相同。極限偏載工況下升降油缸與翻轉(zhuǎn)油缸受力情況見圖11、極限偏載工況下的各個(gè)關(guān)鍵鉸點(diǎn)見圖12、各關(guān)鍵鉸點(diǎn)的受力歷程曲線見圖13。

圖11 極限偏載工況下升降油缸與翻轉(zhuǎn)油缸受力曲線

經(jīng)分析偏載工況下鉸點(diǎn)受力情況可見：輔助作業(yè)臂模塊靠近偏載一側(cè)，鉸點(diǎn)受力大于遠(yuǎn)離偏載一側(cè)。由圖10中曲線可看出，3.2 s時(shí)，曲線出現(xiàn)第二次波峰，這是整體曲線的最高點(diǎn)，此時(shí)對(duì)應(yīng)各鉸點(diǎn)的受力均達(dá)到最大值。由曲線圖得知，各鉸點(diǎn)的受力與外載荷的施加情況相吻合。

A為翻轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)連桿與翻轉(zhuǎn)臂的鉸點(diǎn)；B為翻轉(zhuǎn)油缸活塞與翻轉(zhuǎn)連桿的鉸點(diǎn)；C為翻轉(zhuǎn)臂與模塊連接平臺(tái)的鉸點(diǎn)；D為升降油缸活塞與升降臂的鉸點(diǎn)；E為翻轉(zhuǎn)連桿與升降臂的鉸點(diǎn)；F為升降臂與模塊連接平臺(tái)的鉸點(diǎn)；G為座架與升降臂的鉸點(diǎn)；F1與G1為靠近偏載一側(cè)的鉸點(diǎn)。

圖12極限偏載工況關(guān)鍵鉸點(diǎn)示意圖

3 結(jié)論

應(yīng)用軟件建立三維模型以及動(dòng)力學(xué)仿真，驗(yàn)證了撫育機(jī)輔助作業(yè)臂模塊翻轉(zhuǎn)、升降、恢復(fù)的動(dòng)作過程，說明虛擬樣機(jī)運(yùn)行良好。

圖13 各個(gè)鉸點(diǎn)受力曲線

借助ADAMS軟件，對(duì)正載及偏載工況下輔助作業(yè)臂模塊進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，分別得到了輔助作業(yè)臂模塊在不同工況下翻轉(zhuǎn)油缸以及升降油缸受力曲線和關(guān)鍵鉸點(diǎn)的受力曲線，輔助作業(yè)臂模塊受力變化情況吻合輔助作業(yè)臂模塊實(shí)際受力情況，獲取的數(shù)據(jù)對(duì)于液壓元件的選型以及后續(xù)有限元分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等相關(guān)研究有一定的參考意義。

應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，對(duì)撫育機(jī)輔助作業(yè)臂進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，有著過程高效、低成本、輸出結(jié)果直觀形象、仿真效果好等特點(diǎn)。

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DynamicAnalysisofArm-supportedOperatingArmModule

Tang Jingyu, Xu Kesheng, Qu Zhenxing, Fan Tao, Wang Dezhu

(Harbin Research Institute of Forestry Machinery, the State Forestry Administration, Harbin 150086, P. R. Chain); Wang Dong, Ren Shengle(Harbin University of Science and Technology) Journal of Northeast Forestry University，2017,45(12)：57-61.

Seedling tending machine; Auxiliary operation arm module; Dynamics simulation

1)引進(jìn)國際先進(jìn)林業(yè)科學(xué)技術(shù)計(jì)劃(“948”)項(xiàng)目(2015-4-47)；“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0702105)。

湯晶宇，男，1980年6月生，國家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，副研究員。E-mail：hljtjy@163.com。

徐克生，國家林業(yè)局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，研究員。E-mail：lyldaq@163.com。

2017年7月5日。

張 玉。

S776.2

Solid Works software and ADAMS simulation software were used to build the virtual prototype and simulate the dynamics of the auxiliary operation arm module of modular seedling tending machine. The fact of the application of software to establish 3-D model and dynamic simulation, to verify the auxiliary operation arm module turning, lifting, recovery process showed that the virtual prototype was running well. With ADAMS software, the dynamic simulation of the auxiliary operation arm module was carried out under positive load and partial load, respectively, and obtained stress curve of lift cylinder and turning cylinder in different working conditions, and the stress curve of the key hinge point in different working conditions; the force change coincided with the actual force condition of the auxiliary operation arm module. The virtual prototype technology was used to perform dynamic simulation of the auxiliary manipulator of the tending machine with the characteristics of high efficiency, low cost, visual output, and good simulation effect.