占加林，朱華炳，徐崢，方磊

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引言

由于大量的公園草坪、足球場草坪、高爾夫球場草坪等綠地均需要進(jìn)行維護(hù)[1]，而在各種草坪維護(hù)作業(yè)中，草皮修剪工作最為繁重,不僅枯燥,而且重復(fù)性強(qiáng),通常需要消耗大量的人力和物力。因此人們對割草機(jī)的需求日益強(qiáng)烈，但是真正適用范圍廣泛、實用性強(qiáng)且工作穩(wěn)定的割草機(jī)械卻很少。

從目前的研究來看，國外早期就廣泛地采用旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)大面積收割飼草。僅西德法爾公司1966年—1968年3年時間就生產(chǎn)和銷售這種型式的割草機(jī)約4萬多臺，近些年在歐洲和北美等草坪擁有量高的西方發(fā)達(dá)國家, 已將智能割草機(jī)器人作為產(chǎn)品在市場上銷售。在美國，為了促進(jìn)智能割草機(jī)器人的研發(fā)，2004年起每年都要舉行一次自動割草機(jī)器人比賽(annual autonomous lawnmower competition )，目的在于實現(xiàn)智能割草機(jī)器人的全自主運行[2]。國內(nèi)方面，由于城市規(guī)劃與割草機(jī)發(fā)展起步較遲，雖然取得了一些進(jìn)展，但仍處于理論探索和產(chǎn)品研發(fā)階段?，F(xiàn)有的割草機(jī)在實現(xiàn)人工智能、結(jié)構(gòu)可靠性等方面尚存在不足，產(chǎn)品的實際作業(yè)效果也不理想。

本文運用SolidWorks軟件對前置擺動式割草機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)、升降裝置、切割裝置等進(jìn)行了三維設(shè)計，確定了割草機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)?；谟邢拊治鲕浖嗀nsys Workbench對整機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行分析，獲得了機(jī)架的固有頻率和振型，驗證了其結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。同時在保證割草機(jī)運行可靠的條件下，對機(jī)架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，將割草機(jī)的振動降至最低。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過SolidWorks三維軟件建立割草機(jī)的整機(jī)模型，如圖1所示，本文主要圍繞驅(qū)動方式、雜草收集裝置、割刀高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)3個方面進(jìn)行展開。

圖1 割草機(jī)的三維模型

1.1 驅(qū)動方式

由于割草機(jī)的工作壞境比較惡劣、地形復(fù)雜，采用越野賽車的四輪驅(qū)動，主要是為了在各種不同的工況下都能夠靈活的作業(yè)而不受影響，例如穿越沙土地面或泥潭。四輪驅(qū)動是將發(fā)動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩以固定的比例分配到前后輪。該驅(qū)動方式可以減少每一驅(qū)動輪的驅(qū)動負(fù)擔(dān)，因而能夠保證在不超過輪胎摩擦極限(即不發(fā)生車輪打滑)的情況下，將足夠的動力傳至路面[3]，使割草機(jī)具有較強(qiáng)的越野性能。四輪驅(qū)動的總布置如圖2所示。

圖2 四輪驅(qū)動總布置圖

1.2 雜草收集裝置

針對一些草坪需要割草后保持整潔，本文提出了在割刀的前段和機(jī)架上部設(shè)計鼓風(fēng)收集雜草裝置，以實現(xiàn)割草與收集一體化。涉及的結(jié)構(gòu)主要包括：護(hù)罩、防倒板、鼓風(fēng)機(jī)、收集箱等。工作原理為：刀頭割斷的雜草通過風(fēng)機(jī)的吸收由45°切向沿防倒板進(jìn)入收集裝置。在慣性與重力作用下，雜草會很快地吸進(jìn)收集箱中，同時可以由泄放閥在收集箱底部進(jìn)行雜草泄放。收集裝置內(nèi)部進(jìn)草口的直徑d與內(nèi)筒的直徑D之比[4]為：

式中pi=3.141 59。

不改變其他構(gòu)件的參數(shù)，當(dāng)d=100mm，計算得到D=280mm，所以設(shè)計的內(nèi)筒和外筒之間的距離為90mm。已有文獻(xiàn)指明：當(dāng)入口風(fēng)速達(dá)到了20m/s時，筒壁不積灰，當(dāng)入口風(fēng)速在16m/s以下時，筒壁開始積累雜草，風(fēng)速越低，積累越嚴(yán)重[5]。當(dāng)進(jìn)口風(fēng)速提高以后，已經(jīng)在壁面上凝聚的雜草可以被吸進(jìn)收集箱。

1.3 割刀高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

實際工作中能夠靈活地控制割草的高度是一項很重要的任務(wù)，在割刀的后軸部位采用電動推桿+定制套環(huán)結(jié)構(gòu)。電動推桿又名直線驅(qū)動器，是旋轉(zhuǎn)電機(jī)在結(jié)構(gòu)方面的一種延伸。其中，電動推桿由驅(qū)動電機(jī)、減速齒輪、螺桿、螺母、導(dǎo)套、推桿、滑座、彈簧、外殼及渦輪、微動控制開關(guān)等組成[6]。其工作原理是電動機(jī)經(jīng)齒輪減速后，帶動一對絲桿螺母，把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動，利用電動機(jī)正反轉(zhuǎn)完成推桿動作；將推桿與套環(huán)固定，通過增大或減小行程來調(diào)節(jié)割刀的主軸高度。圖3為直線驅(qū)動器的實物圖，圖4為割刀調(diào)高裝置的機(jī)構(gòu)簡圖。

圖3 直線驅(qū)動器實物圖

1—直線驅(qū)動器；2—推桿；3—套環(huán)；4—割刀主軸圖4 割刀調(diào)高裝置的機(jī)構(gòu)簡圖

2 有限元分析過程

2.1 ANSYS Workbench 軟件介紹

ANSYS Workbench平臺作為一個應(yīng)用開發(fā)框架，提供項目全腳本、報告、用戶界面(UI)工具包和標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口。在這個創(chuàng)新的框架下，工程師可以完成一個完整的仿真分析，包括CAD集成、幾何修改和網(wǎng)格劃分[7]。其中，模態(tài)分析技術(shù)用于確定設(shè)計機(jī)構(gòu)或機(jī)器部件的振動特性，是承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)，也是動力學(xué)分析領(lǐng)域中不可缺少的手段[8]。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對其三維模型進(jìn)行模態(tài)分析可以有效避免可能引起的共振，最后針對危險區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。模態(tài)分析是在一定的假設(shè)條件下求解的，振動頻率ωi和模態(tài)φi是根據(jù)式(1)得出。

K-ωi2Mφi=0

(1)

其中，ωi為第i階模態(tài)固有頻率；φi為第i階特征向量，i=1,2,3，…，n。

假設(shè)：

1) [K]和[M]不變；

2) 材料是線彈性材料；

3) 滿足小變形理論,不考慮載荷、慣性與溫度影響[9]。

2.2 有限元分析前處理

將在SolidWorks中已建立的機(jī)架主體模型另存為igs格式的文件，并導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS Workbench中，定義其材料屬性，輪轂處采用鋁合金材質(zhì)：彈性模量E=69GPa，泊松比μ=0.33，密度ρ=2 770kg/m3；其他機(jī)架部位采用結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)：彈性模量E=200GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7 850kg/m3。進(jìn)行自動網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格模型如圖5所示。由于自由模態(tài)不需要添加外載荷，僅在4個輪胎處施加固定約束。

圖5 機(jī)架網(wǎng)格模型

2.3 模態(tài)結(jié)果分析

導(dǎo)入模型后，進(jìn)入模態(tài)分析Modal模塊，根據(jù)分析的結(jié)果，前6階固有頻率如表1所示，取其中前3階振型如圖6-圖8所示。

表1 機(jī)架前6階固有頻率

模態(tài)分析主要用于確定機(jī)器部件或設(shè)計機(jī)構(gòu)的振動特性(即固有頻率和振型)，是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計和設(shè)備故障診斷的重要方法[10]。由表1可以看出機(jī)架的固有頻率在376.5～1 011.5Hz之間變化，隨著模態(tài)階數(shù)的增加，模態(tài)頻率也增加。由振型云圖可以看出機(jī)架的振動主要發(fā)生在底盤的中間部位。振動向底盤外部方向逐漸增強(qiáng)，其中底盤兩側(cè)容易發(fā)生彎曲變形。在模態(tài)分析結(jié)果中,1階與2階頻率是機(jī)架振動過程中能量的主要集中處。

圖6 第1階固有頻率位移云圖

圖7 第2階固有頻率位移云圖

圖8 第3階固有頻率位移云圖

發(fā)動機(jī)振動的固有頻率主要集中在88.91～126.44Hz，作為割草機(jī)的振動源之一，遠(yuǎn)低于割草機(jī)的固有頻率，因此割草機(jī)的啟動不會引起共振。同時，割草機(jī)主軸的額定轉(zhuǎn)速為2 500r/min，頻率為41.76Hz低于第1階模態(tài)頻率也成功地避開了機(jī)架的固有頻率[11]。

2.4 機(jī)架的振動優(yōu)化

針對割草機(jī)的固有頻率偏大的情況，同時為了減振，通過分析固有頻率位移云圖，對機(jī)架重新進(jìn)行優(yōu)化。在機(jī)架振幅較大的部位添加了加強(qiáng)筋。表2為優(yōu)化后的機(jī)架前6階固有頻率以及降低百分比，圖9-圖11為優(yōu)化后的前3階振型。

表2 優(yōu)化后的機(jī)架前6階固有頻率

圖9 優(yōu)化后的第1階固有頻率位移云圖

圖10 優(yōu)化后的第2階固有頻率位移云圖

圖11 優(yōu)化后的第3階固有頻率位移云圖

由于對實際結(jié)構(gòu)有意義的主要是前3階的振型，同時，低階模態(tài)理論也相對成熟。對比改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的機(jī)架，其前3階的固有頻率分別降低了30.4%、20.5%、19.5%，減振效果非常明顯，并且不會達(dá)到共振的臨界點。因此，采用加強(qiáng)筋方式驗證了其改進(jìn)的可行性，對今后割草機(jī)設(shè)計和完善具有一定的參考價值。

3 結(jié)語

本文通過SolidWorks對前置擺動式割草機(jī)的整機(jī)進(jìn)行三維實體建模，然后通過接口導(dǎo)入ANSYS Workbench中對割草機(jī)的機(jī)架部位進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

1) 利用ANSYS Workbench對機(jī)架進(jìn)行了模態(tài)分析，根據(jù)實際工況設(shè)置相應(yīng)的約束，確定了機(jī)架的固有頻率和振型特征，得到其前6階固有頻率是從376.5～1 011.5 Hz的變化規(guī)律，遠(yuǎn)高于可能產(chǎn)生共振的條件，驗證了該模型的可靠性。

2) 分析了固有頻率以及各階頻率位移云圖，針對振幅較大區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有效減小了模態(tài)頻率，并且避開共振。

由于本文只考慮了在前置擺動式割草機(jī)正常工作時主體機(jī)架的模態(tài)分析，沒有考慮運動過程中整機(jī)的受力情況，以及輪胎受到?jīng)_擊載荷時的受力情況，所以設(shè)計人員對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化時，要考慮以上情形，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)的譜分析和瞬態(tài)動力，建立割草機(jī)整機(jī)的三維模型，應(yīng)用ADAMS軟件對虛擬樣機(jī)進(jìn)行運動學(xué)仿真。

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