基于有限元的摩擦式果園運輸機橡膠輥驅(qū)動特性研究.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輸機。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，果園運輸機的軌道建設(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)動能力的研究、橡膠輥動態(tài)滾動過程研究、橡膠輥的模態(tài)分析、橡膠輥的疲勞壽命數(shù)值計算和摩擦式單軌道果園運輸機的設(shè)計。
　　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)動能力的研究
　　對橡膠輥靜態(tài)接觸摩擦狀態(tài)的理論計算，得出最大靜摩擦力f與σNN，σM和θ有關(guān)。通過搭建的游動正壓力夾緊和雙自由度相向扭矩施加方式的試驗臺進行試驗研究，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模型和增強拉格朗日接觸算法進行數(shù)值計算，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)系與實驗結(jié)果吻合，證明了正壓力與摩擦力的驅(qū)動性能關(guān)系的正確性。結(jié)果表明，當(dāng)正壓力為2750N時，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，達到了果園運輸作業(yè)的靜態(tài)技術(shù)要求，為橡膠輥的動力執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計提供了

5、理論基礎(chǔ)。
　　3)橡膠輥動態(tài)滾動過程研究
　　為了提高橡膠輥的工作性能，使其能夠根據(jù)驅(qū)動力自動調(diào)整正壓力至合理值，并能均分扭矩、差分轉(zhuǎn)速，設(shè)計了將連桿系和錐差輪系作為橡膠輥的動力驅(qū)動機構(gòu)。針對該機構(gòu)對橡膠輥的影響，利用Abaqus對橡膠輥的滾動過程進行了動力學(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行數(shù)值計算。仿真結(jié)果得到了正壓力與滾動過程中的功率關(guān)系，速度與效率的關(guān)系。通過與試驗

6、對比，發(fā)現(xiàn)正壓力對功率的影響與試驗結(jié)果基本相符。試驗表明，該機構(gòu)作用下橡膠輥效率0.7。結(jié)果表明，該機構(gòu)充分利用了兩個橡膠輥的驅(qū)動能力，符合自動適應(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行了自由模態(tài)分析，并針對實際安裝方式進行了約束模態(tài)分析。通過POST1后處理工具進行分析，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)。運輸機運行時適當(dāng)避開這段頻率，可以減少震動。
　　5)橡膠輥的疲勞壽命數(shù)值計算
　　通過Abaqus后處理器，對橡膠輥表面節(jié)點的最大主應(yīng)力時間歷程進行提取。對應(yīng)力時間歷程簡化、降噪后，利用雨流計數(shù)法對橡膠輥表面節(jié)點在一個滾動循環(huán)周期內(nèi)進行計數(shù)。再通過線性疲勞損傷理論，基于Nsoft軟件，對節(jié)點進行疲勞壽命計算。結(jié)果表明，橡膠輥端面8mm以外節(jié)點具有無限次循環(huán)