， 任毛飛， 陳娟娟

(信陽農(nóng)林學(xué)院，河南 信陽 464001)

多功能園林作業(yè)機(jī)是指可以完成一般園林綠化作業(yè)(如開溝、挖坑、修剪草坪、整地等)的一種新型作業(yè)機(jī)具，該機(jī)主要由滑移裝載機(jī)衍生而來[1]。

1 多功能園林作業(yè)機(jī)三維模型建立

在園林綠化建設(shè)中，平整地面、裝卸土壤沙石是最主要的作業(yè)內(nèi)容，在此重點(diǎn)分析多功能園林作業(yè)機(jī)推土作業(yè)(包含鏟、裝、卸等基本作業(yè)環(huán)節(jié))的作業(yè)特點(diǎn)[2-3]。多功能園林作業(yè)機(jī)安裝推土鏟后便可組成具有推土功能的作業(yè)機(jī)，用Pro/E 4.0對其建模得到如圖1所示的三維模型。

推土鏟的動作由鏟斗液壓缸和舉升液壓缸聯(lián)動控制[4]。作業(yè)機(jī)推土作業(yè)時前端質(zhì)量相對較大，為了保持穩(wěn)定性，在作業(yè)機(jī)的后端安裝柴油機(jī)及質(zhì)量較大的部件。同時把舉升液壓缸的支撐點(diǎn)也安裝在后輪的位置上，這樣的布置更有利于車體工作時保持前后的平衡，同時也能起到穩(wěn)定力矩的作用[5]。

圖1 多功能園林作業(yè)機(jī)推土作業(yè)三維模型1.鏟斗液壓缸；2.工作動臂；3.推土鏟；4.附件安裝系統(tǒng)；5.舉升液壓缸；6.車體；7.四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

2 多功能園林作業(yè)機(jī)推土作業(yè)仿真分析

多功能園林作業(yè)機(jī)工作裝置的連桿機(jī)構(gòu)是在裝載機(jī)正轉(zhuǎn)五桿機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)設(shè)計(jì)，如圖2所示。其主要是為了適應(yīng)各種不同附件的作業(yè)特點(diǎn)，同時也兼顧了裝載機(jī)鏟、裝、卸等基本要求。其附件快速安裝裝置相當(dāng)于五桿機(jī)構(gòu)中最短的連桿，這樣連桿機(jī)構(gòu)的主要特點(diǎn)如下：①掘起力比六桿機(jī)構(gòu)?。虎谶B桿的倍率系數(shù)難以設(shè)計(jì)成較大的值，因而轉(zhuǎn)斗的油缸行程較大，尺寸較小[6]；③卸載時，活塞桿容易與斗底碰撞，因而推土鏟的結(jié)構(gòu)形式需要相應(yīng)設(shè)計(jì)。這種正轉(zhuǎn)五桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，能滿足多功能園林作業(yè)的基本需求，因而大多數(shù)多功能園林作業(yè)機(jī)均采取這種結(jié)構(gòu)[7]。

圖2 正轉(zhuǎn)五桿機(jī)構(gòu)1.連桿；2.鏟斗；3.動臂；4.鏟斗油缸

為了進(jìn)一步驗(yàn)證園林作業(yè)機(jī)多功能作業(yè)的特性，在此利用運(yùn)動學(xué)分析軟件ADMAS分析作業(yè)機(jī)安裝推土鏟后，其鏟土、裝土、卸土一系列作業(yè)動作的基本性能，從而為多功能園林作業(yè)機(jī)在桿件設(shè)計(jì)及力學(xué)分析等方面提供參考。

建模前先啟動ADAMS/View設(shè)置操作環(huán)境，設(shè)置好標(biāo)準(zhǔn)單位、重力加速度及存盤路徑等，然后建立鏟斗的截面圖并拉伸，最后進(jìn)行抽殼處理，完成鏟斗作業(yè)模型的建立，如圖3所示。通過結(jié)構(gòu)點(diǎn)圖標(biāo)及幾何工具箱里的創(chuàng)建板工具，創(chuàng)建動臂各部件，完成動臂前板、動臂后板以及動臂橫軸、鏟斗油缸、油缸活塞的建模并用布爾運(yùn)算工具將動臂連為一體[8-9]。

圖3 鏟斗三維模型

多功能園林作業(yè)機(jī)推土作業(yè)模型建立后在模型中添加約束，選擇相應(yīng)的設(shè)計(jì)點(diǎn)首先創(chuàng)建鏟斗與動臂、動臂與車身等一共12個旋轉(zhuǎn)副，創(chuàng)建鏟斗油缸和鏟斗活塞的圓柱副并在圓柱副上添加運(yùn)動副。建模后整體效果如圖4所示。

圖4 建模后整體效果

相關(guān)部件的運(yùn)動關(guān)系建立后利用step函數(shù)設(shè)置運(yùn)動狀況，step函數(shù)是在ADAMS中較為常用的函數(shù)之一，格式為step(x，x0，x1，h1)?，F(xiàn)對其進(jìn)行參數(shù)說明：

x—自變量，可以是時間或者時間函數(shù)；

x0—自變量的step函數(shù)開始值，可以是常數(shù)、函數(shù)表達(dá)式或者設(shè)計(jì)變量；

x1—自變量的step函數(shù)結(jié)束值，可以是常數(shù)、函數(shù)表達(dá)式或者設(shè)計(jì)變量；

h0—step函數(shù)初始值，可以是常數(shù)、函數(shù)表達(dá)式或者其他函數(shù)表達(dá)式；

h1—step函數(shù)最終值，可以是常數(shù)、函數(shù)表達(dá)式或者其他函數(shù)表達(dá)式。

確定運(yùn)動函數(shù)后結(jié)合多功能園林作業(yè)機(jī)推土作業(yè)狀況設(shè)定推土作業(yè)過程仿真時間，將推土作業(yè)分為以下幾個步驟；① 鏟斗翻斗——0～3 s；②工作間歇——3～4 s；③鏟斗反轉(zhuǎn)——4～5 s；④動臂舉升——5～9 s；⑤卸料翻斗——9～10 s；⑥工作間歇——10～12 s；⑦動臂下降——12～20 s。

接下來將動臂油缸的運(yùn)動function欄設(shè)置為：step(time，5，0，9，550)+step(time，12，0，20，-550)；將鏟斗油缸的運(yùn)動function欄設(shè)置為：step(time，0，0，3，-80)+step(time，4，0，5，80)+step(time，9，0，10，-200)。然后點(diǎn)擊仿真工具，設(shè)置end time為25 s，STEPs為1 000，點(diǎn)擊啟動圖標(biāo)進(jìn)行仿真。

為了分析鏟斗的運(yùn)動狀況，在鏟斗的前端中間位置建立一個標(biāo)記點(diǎn)，在仿真過程中該標(biāo)記點(diǎn)的軌跡如圖5所示。為便于分析，在此將軌跡圖片加以處理，根據(jù)軌跡的變化形式及結(jié)合多功能園林作業(yè)機(jī)鏟斗的作業(yè)情況將整個曲線分為4段。從軌跡曲線可以看出，作業(yè)機(jī)從0～1點(diǎn)開始向下鏟土，這段時間是3 s，主要方式為鏟斗的運(yùn)動，其軌跡為0～1這段曲線；然后作業(yè)機(jī)開始鏟土上升，從1位置到0位置，作業(yè)機(jī)將土鏟持平，這個過程為多功能園林作業(yè)機(jī)的調(diào)姿階段，軌跡與向下鏟土軌跡重合；圖中0～2這段曲線表示作業(yè)機(jī)穩(wěn)步上升階段，其大概軌跡為圓弧形，速度動蕩不大，加速度動蕩也不大，時間一直延續(xù)到9 s這一時刻。圖中2～3段曲線為鏟斗卸土動作階段，此時動臂油缸基本不動，主要為鏟斗油缸動作，其軌跡也大致為圓弧形，3～4段曲線為返回過程階段，至此完成一個作業(yè)工作周期。整個曲線是在多功能園林作業(yè)機(jī)動臂油缸一端固定情況下(即作業(yè)機(jī)在原地作業(yè)無轉(zhuǎn)彎和前進(jìn)動作)的模擬仿真。

圖5 標(biāo)記點(diǎn)軌跡

標(biāo)記點(diǎn)的位移、速度、平移加速度分析分別如圖6、圖7、圖8所示，這三個圖是將X方向和Y方向的總位移、速度、平移加速度結(jié)合起來(無Z方向，因?yàn)樵赯方向各個值均為0)，從這些分析圖中可以看出各個階段標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動狀況，從而反映整個鏟斗的工作過程，為以后鏟斗的工作性能分析，如工作是否平穩(wěn)、工作行程是否合理，以及有無干涉等方面提供重要的參考依據(jù)。

圖6 標(biāo)記點(diǎn)位移分析

圖7 標(biāo)記點(diǎn)速度分析

圖8 標(biāo)記點(diǎn)平移加速度分析

從標(biāo)記點(diǎn)位移、速度、平移加速度的分析圖可知：標(biāo)記點(diǎn)的位移，X方向的位移變換較小，說明鏟斗的作業(yè)幅度不大，基本在圓弧范圍內(nèi)動作。Y方向的位移變換為2 100 mm左右，符合常用多功能作業(yè)機(jī)的基本俯仰范圍，但相比較大的裝載機(jī)其俯仰范圍要小。同時由于該仿真是動臂油缸固定在地面上，step函數(shù)也沒有按照最大范圍設(shè)計(jì)，所以仿真結(jié)果比實(shí)際(實(shí)際的范圍大約是2 600 mm)要小。而總的位移為X方向位移平方加上Y方向位移平方的平方根，所以一直為正值。

標(biāo)記點(diǎn)的速度經(jīng)歷了幾個變換區(qū)域，其區(qū)域的劃分與圖中標(biāo)記點(diǎn)的軌跡相對應(yīng)。速度在鏟土和卸載時達(dá)到最大，在該時刻加速度也達(dá)到最大，其他時刻加速度基本為0，說明這些時刻工作較為平穩(wěn)。在鏟土和下載時因?yàn)橥仆羚P的受力方式急劇變化，同時推土鏟內(nèi)物料的重量也急劇變化，所以這段時間推土鏟不僅對鏟斗油缸和動臂油缸有沖擊，而且對整個車體也有沖擊。

3 結(jié)束語

通過建立三維模型，分析了多功能園林作業(yè)機(jī)推土作業(yè)的工作過程。重點(diǎn)分析了工作臂的運(yùn)動形式，利用了ADAMS軟件的仿真功能，建立了作業(yè)機(jī)工作裝置的仿真模型。結(jié)合推土作業(yè)鏟、裝、卸的作業(yè)特點(diǎn)，通過建立標(biāo)記點(diǎn)記錄了該點(diǎn)位移、速度、平移加速度的變化，利用step函數(shù)得到作業(yè)鏟的總體作業(yè)情況。對多功能園林作業(yè)機(jī)的關(guān)鍵部件工作動臂進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變分析，得出其最大應(yīng)力區(qū)域，為工作動臂的設(shè)計(jì)提供了參考。