一种智能草地养护设备的结构设计与仿真分析.pdf

:./.一种智能草地养护设备的结构设计与仿真分析王 腾马浩浩郝 超孙学良魏万涛吴旭平(天水师范学院甘肃 天水)摘 要:为了解决传统汽油割草机存在的噪音和空气污染问题以及人力投入成本大、操作不便捷等现状提出了一种智能化草地养护设备 该设备适应于多种修剪条件并能进行辅助浇灌等作业适用于公园、学校、私人庭园等标准草地 文中重点对草地养护设备的各组成机构进行了结构设计不仅采用了轻型升降机构来调节作业高度还设置了独立悬挂以保持其在工作中的稳定性 同时利用齿轮泵实现了均匀喷洒工作 通过对工作过程中关键部件的仿真分析验证了该设备整体设计具备智能化、自动化程度高效率高功能完善以及绿色环保等优势验证了该设备设计的正确性与工作可靠性对草地养护设备的研发具有一定的参考价值关键词:草地养护设备结构设计设计与仿真智能化中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:引 言随着近年来人工智能的高速发展传统手推式汽油割草机的弊端日益突出国内智能化草地修剪机的设计与研发进展缓慢 杨福增等开发了小型图传遥控式割草机并对遥控方式及系统进行了说明但此设计整机尺寸较大李建平等研制了 型割草机采用曲柄摇杆机构实现割茬调整但手扶式操作较为复杂王德成等研制了履带式割草机但其尺寸较高操作不便通过性较差美国贝尔公司研制的乘坐式果园割草机适用于现代农业但通用性较差 笔者设计了一种智能草地修剪机采用直流电动机代替内燃机解决了传统汽油割草机噪音以及空气污染严重问题采用刀具机架整体升降结构设计便于刀具的更换可适应不同的工作环境整机为节能环保型智能化、自动化程度高应用 进行动力学仿真分析并利用 进行有限元模拟分析最终证明该优化设计具有可行性 整机结构及技术方案草地养护设备整机结构如图 所示 各部位动力均由电机提供在驱动方面:后置电机的驱动方式使其运动更加平稳且提高整机的可操纵性利用后轮差速进行转向而前轮则使用万向轮结构前后轮在提供支承的同时更大限度地节省了空间 主运动方面:利用直流无刷电机提供动力经由带轮传动以及锥齿轮传动进行变速以及换向 空间布局方面:采用分层式的结构设计利用上下式的设计将刀片以及其驱动电机放置于二层然后在第一层安装简易升降机构通过调节第二层整体高度实现刀片高度的改机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验收稿日期:基金项目:甘肃省教育厅产业支撑计划项目:石油钻机智能化管柱处理集成控制系统研发(编号:)天水师范学院科研项目:并联机器人可视化联合仿真与优化设计(编号:)作者简介:王 腾()男甘肃陇南人研究方向:机械设计与制造研究通信作者:马浩浩()男甘肃天水人硕士研究方向:/技术研究变进而满足不同工况的作业需求图 整机结构示意图.后轮.喷头.升降台丝杠.刀片.前轮.出水管.齿轮泵.进水管.水箱.锥齿轮组.注水口.型带.升降台.主电机.减震系统.升降台控制链轮组 各组成机构设计此设计采用模块化的设计形式各部分功能依据装配条件进行独立设计要求在各司其职的前提下能够和其他功能共同工作.行驶驱动系统两后轮都配有电动机能够输出更大的动力并且可利用不同的动力输出方式对整体车身进行差速转弯 后轮独立悬挂设计采用麦佛逊式悬挂其结构简单、适应性好、占用空间小尤其是在和轮胎两侧驱动电机相配合进行转向时能够获得较小的干涉转向角 故模型中后轮采用麦佛逊式独立悬挂 独立悬挂结构三维及结构图分别如图、所示图 独立悬挂三维视图图 独立悬挂结构图.自动升降系统为适应不同草地标准的修剪需求此设计中刀具相对于地面的距离可在一定范围内自动调节 前文提到为了更安全稳定地使刀片的工作高度发生改变整体结构分为上下两层 在整个二层机架的下方左右两侧各安装一个丝杠千斤顶 通过链轮带动丝杠转动使滑块在滑轨上移动从而使转动副摆动上架上升刀具得以上下移动进而满足不同草地的要求和标准 使用定中心距齿轮副并引入一个高副、一个自由度这样保证了上台面水平上升使刀具始终与工作面平行保证了良好的工作效果 首先通过传动比为.链轮组将动力进行减速传递然后利用传动比 的链轮组使两个链轮带动丝杠实现同步转动 机构原动件数为 活动构件数为 低副数为高副数为 故机构的自由度为:自动升降由丝杠独立驱动机构自由度也为 故该机构具有确定的运动如图 所示丝杠的旋转运动被转换为两滑块的相向移动 在装配过程中左侧滑块为固定状态这样使处于二层的机架受力更加均匀 图 所示为千斤顶整体装配以及传动的 模型图图 丝杠旋转进给运动 图 千斤顶整体装配.智能控制系统控制系统采用西门子 控制器它具备强大的性能最优的模块化和开放式通讯 其紧凑小巧的结构使之成为处理各种应用的理想选择即使在狭小空间也可对整个过程进行完全控制从而提高了质量、效率和安全性 控制系统设计主要包括行进线路的规划以及控制主电动机 的启动、保持和停止升降台电动机 和驱动电动机 的正反转 即当启动主电机 时延时 后即自动正序启动驱动电机.自动喷洒系统在传统功能的基础上增添随行自动喷洒系统使其可以进行药物以及营养液的喷洒 利用齿轮泵将溶液吸入后加压再通过高压喷头喷出实现对修剪过的后方进行一定范围的均匀喷洒 齿轮泵结构简单、加工方便、体积小、重量轻、自吸能力强其型号为如图 所示 其中各部件与整体的连接材料采用硬质水管.主运动部件设计文中所涉及主运动为割草刀片的旋转运动 其研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用动力由电动机提供电动机为直流电动机型号为 此款电动机运行稳定噪音低可进行无级变速 电动机输出动力后利用皮带传动进行减速传动比为 .在电动机动力轴末端使用带轮传动可以利用其传动特性保护电动机在带轮传动结束后利用等齿数锥齿轮改变其运动方向图 齿轮泵结构图 整体设计中在保证动力充足的前提下需更大限度地使设计具有经济效益同时需进行合理的装配设计使机器运行更加稳定 在工作轴与机架处增设深沟球轴承(轴承代号为)使其在减少磨损的同时降低工作噪音 主运动整体布局如图 所示图 主运动结构示意图 关键部件仿真分析.自动升降系统的静力学分析对文中的升降系统进行静力学分析借助软件 对其受静力时的状态进行求解 首先设计合理的连接方式并选择设计的接触面 然后添加网格划分以及约束和所受力的大小与方向最后得到机构在受力时的应力应变图总变形和安全系数等结论设置升降机构各连杆件材料为 右侧滑块固定四个转动副分别连接两连杆、升降台和支座如图 所示为连接方式以及接触面的选择两齿轮面设置为不分离网格划分需对运动副网格参数进行设计选用四面体网格划分最小网格边长为.按照如图 所示右侧支座已经设置了固定在有限云分析中为简化计算给左滑块施加固定位移使其向着右支座运动进而求解结构运动中的总运动变形量等效应力与应变值安全因数等数据图 连接方式以及接触面的选择 结果显示在合理的工作受力下最大应力应变为.最大总变形(升降工作的范围)为.最大安全因数均符合设计需求 图 所示为总变形图图 所示为安全因数图图 总变形云图 图 安全因数云图.自动行驶系统动力学仿真对独立悬挂添加模拟运动量借助软件 进行动力学仿真分析确保其运动特性满足设计要求该机构包含 个部件 为了减振需向减振导杆添加弹簧阻尼器 按照工况分别添加 个连接对工作机施加工作力 实际工况参数按照工作获取此次仿真过程中施加正弦位移简化模拟工作力 对自动行驶系统进行动力学仿真图 为模拟量的设置分析结果如图 所示 图 中虚线为工作件正弦位移曲线实线为该工况下弹簧阻尼器受力变化曲线在建立悬挂动力学模型后可以对多工况工作下的动力学进行分析以预测工作的可靠性与操作稳定性图 初始条件设置机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验 在对智能化草地养护设备各部件进行结构设计以及核心功能仿真之后已经验证了此设计的正确性与可靠性 该智能草地养护设备整体外形及结构分布如图 所示该设备的工作割草刀位于车身下部中心升降系统工作良好蓄电池等其他部件均布局合理整体结构紧凑下一步有待进行进一步的物理样机验证图 弹簧作用反力与总运动曲线图 整机结构装配三维视图 结 语文中所设计的草地智能养护设备将草地修剪以及浇灌和药物喷洒集合于一体具有智能化、自动化程度高效率高功能完善以及绿色环保等优势 该设备采用轻型升降机构来调节作业高度设置独立悬挂实现工作稳定性利用齿轮泵进行均匀喷洒工作其功能的完善性和合理性经模拟分析得到了验证未来随着物联网和 技术的发展其功能性与应用范围将会得到进一步的提升参考文献:陈振羽.提质增效标准先行建管并重:关于全面推进城市社区足球场地设施建设的意见解读.城乡建设():.杨福增孙景彬李亚男.郁闭果园图传遥控式割草机的设计与性能试验/.吉林大学学报(工学版):.李建平刘俊峰李杰银.果园割草机割茬高度机构运动分析与设计.农机化研究():.祝 露王德成尤 泳等.履带式林间草带收割机设计与试验.农业机械学报():贠 鑫吕猛王文彬等.果园除草机研究现状与发展趋势.农业工程():.马 静赵润良.果园机械除草装备与技术研究现状及发展趋势.农业与技术():.陈加国.前轮定位参数及其动态变化对汽车操稳性能的影响.机械设计与制造():.徐 丹.基于 的盘式制动器结构有限元分析.林业机械与木工设备():.马浩浩冯彦伟姚宝珍.基于 的滑块连杆固定型机构动力学仿真分析.机械研究与应用():.(上接第 页).():.():.():.文 奇.矿用防爆轴流对旋主要通风机叶片 模态分析及应用.能源与环保():.赵万勇白双宝马鹏飞.离心泵转子振动研究现状与展望.流体机械():.孙启国虞 烈.流体机械中浸液转子动力学特性的研究.动力工程():.张金凤宋海勤张帆等.带分流叶片水泵水轮机转子强度及模态分析.排灌机械工程学报():.滕爽康灿赵才甫等.基于流固耦合的多级冲压泵转子部件强度和模态分析.水电能源科学():.高海司裴吉袁寿其等.蜗壳式混流泵叶轮部件湿模态流固耦合分析.流体机械():.宋海勤.不同轴段长度对立式长轴消防泵转子动力学特性影响.镇江:江苏大学.张卓然.化工多级离心泵叶轮优化及转子动力学研究.镇江:江苏大学.刘迎圆宫建国徐颖等.流固耦合作用下空间导叶式离心泵叶轮湿模态分析.流体机械():.许正萱张帆陈轲等.流固耦合作用下斜流泵转子动力学特性研究.农业机械学报():.王福军.水泵与泵站流动分析方法.北京:中国水利水电出版社.研究与试验 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用