基于有限元的摩擦式果園運(yùn)輸機(jī)橡膠輥驅(qū)動(dòng)特性研究.pdf

1、柑橘是我國重要的水果之一，種植面積和產(chǎn)量均居世界第一位。但因其種植在山地丘陵地區(qū)，且成熟期非常集中，加之果園附近人力資源短缺，果品的收獲問題導(dǎo)致了人工成本非常高，占到了近一半。為了代替人工勞力，國外研制了多種果園運(yùn)輸機(jī)。由于成本、地形等原因，不能夠完全適應(yīng)我國的柑橘生產(chǎn)狀況。其根本問題在于，果園運(yùn)輸機(jī)的軌道建設(shè)成本過高。因此，本文提出了單軌道與橡膠輥摩擦驅(qū)動(dòng)方式，極大的簡化了軌道的結(jié)構(gòu)，降低了成本。
　　本文針對橡膠輥和單軌道進(jìn)行

2、了研究。研究內(nèi)容包括:橡膠輥單軌道的非線性模型的建立、橡膠輥靜態(tài)驅(qū)動(dòng)能力的研究、橡膠輥動(dòng)態(tài)滾動(dòng)過程研究、橡膠輥的模態(tài)分析、橡膠輥的疲勞壽命數(shù)值計(jì)算和摩擦式單軌道果園運(yùn)輸機(jī)的設(shè)計(jì)。
　　主要研究結(jié)果如下:
　　1)橡膠輥與單軌道非線性模型的建立
　　通過proe建立橡膠套、齒輪芯和方鋼軌道的幾何模型，并將其組合成剛?cè)狁詈涎b配模型。選擇橡膠的非線性材料模型Mooney-Rivlin模型用于有限元分析，通過測橡膠的邵氏硬度方

3、法確定材料模型參數(shù):彈性模量E=9.39MPa、泊松比0.47、C10=1.565、C01=0.391。分別選擇增強(qiáng)拉格朗日和罰函數(shù)非線性接觸算法作為有限元接觸算法。
　　2)橡膠輥靜態(tài)驅(qū)動(dòng)能力的研究
　　對橡膠輥靜態(tài)接觸摩擦狀態(tài)的理論計(jì)算，得出最大靜摩擦力f與σNN，σM和θ有關(guān)。通過搭建的游動(dòng)正壓力夾緊和雙自由度相向扭矩施加方式的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出了附著面積、壓縮量、摩擦力與正壓力的關(guān)系曲線?；赼nsys，利用非

4、線性Mooney-Rivlin模型和增強(qiáng)拉格朗日接觸算法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到了附著面積和壓縮量與正壓力的關(guān)系及接觸應(yīng)力分布、摩擦應(yīng)力分布和接觸狀態(tài)分布;通過對比，發(fā)現(xiàn)仿真正壓力對壓縮量的關(guān)系與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，證明了正壓力與摩擦力的驅(qū)動(dòng)性能關(guān)系的正確性。結(jié)果表明，當(dāng)正壓力為2750N時(shí)，單邊最大靜摩擦力1167N，摩擦系因數(shù)0.85，附著面積1909mm2，壓縮量4.6mm，達(dá)到了果園運(yùn)輸作業(yè)的靜態(tài)技術(shù)要求，為橡膠輥的動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了

5、理論基礎(chǔ)。
　　3)橡膠輥動(dòng)態(tài)滾動(dòng)過程研究
　　為了提高橡膠輥的工作性能，使其能夠根據(jù)驅(qū)動(dòng)力自動(dòng)調(diào)整正壓力至合理值，并能均分扭矩、差分轉(zhuǎn)速，設(shè)計(jì)了將連桿系和錐差輪系作為橡膠輥的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。針對該機(jī)構(gòu)對橡膠輥的影響，利用Abaqus對橡膠輥的滾動(dòng)過程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真。仿真中使用Abaqus提供的Mooney-Rivlin模型和非線性接觸算法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。仿真結(jié)果得到了正壓力與滾動(dòng)過程中的功率關(guān)系，速度與效率的關(guān)系。通過與試驗(yàn)

6、對比，發(fā)現(xiàn)正壓力對功率的影響與試驗(yàn)結(jié)果基本相符。試驗(yàn)表明，該機(jī)構(gòu)作用下橡膠輥效率0.7。結(jié)果表明，該機(jī)構(gòu)充分利用了兩個(gè)橡膠輥的驅(qū)動(dòng)能力，符合自動(dòng)適應(yīng)彎道的條件，并在低載狀態(tài)下節(jié)能，提高了橡膠輥在果園運(yùn)輸中的性能。
　　4)橡膠輥的模態(tài)分析
　　基于ansys和有限元方法對橡膠輥進(jìn)行了自由模態(tài)分析，并針對實(shí)際安裝方式進(jìn)行了約束模態(tài)分析。通過POST1后處理工具進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)自由模態(tài)的固有頻率與約束模態(tài)相近，且有對稱模態(tài)出現(xiàn)，說

7、明約束方式對于固有頻率影響不大。頻率范圍在1500～1700Hz內(nèi)。運(yùn)輸機(jī)運(yùn)行時(shí)適當(dāng)避開這段頻率，可以減少震動(dòng)。
　　5)橡膠輥的疲勞壽命數(shù)值計(jì)算
　　通過Abaqus后處理器，對橡膠輥表面節(jié)點(diǎn)的最大主應(yīng)力時(shí)間歷程進(jìn)行提取。對應(yīng)力時(shí)間歷程簡化、降噪后，利用雨流計(jì)數(shù)法對橡膠輥表面節(jié)點(diǎn)在一個(gè)滾動(dòng)循環(huán)周期內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)。再通過線性疲勞損傷理論，基于Nsoft軟件，對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。結(jié)果表明，橡膠輥端面8mm以外節(jié)點(diǎn)具有無限次循環(huán)