果园转运平台振动仿真分析及减振研究

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随着国民经济的蓬勃发展,人民生活水平不断提高,我国果园水果的种植面积与产量呈现不断增长的趋势。果园转运平台用于将采摘后的水果从果园内转运至公路运输环节,以其在降低劳动强度、提高作业效率、降低劳动成本等方面的优势得到了迅速发展与应用。果园转运平台在实际工作过程中,由于路面条件相对恶劣,因路面不平及动力源激励等原因引起转运平台振动,不仅影响其使用寿命,而且会使转运平台运载的水果因为振动强烈产生机械损伤,降低果农经济收益。为了分析果园转运平台在工作状态下的振动情况,本文以团队自主研发试制的一款适用于南方丘陵山区果园作业的电动履带式果园转运平台为研究对象,借助Recurdyn软件开展果园转运平台在不同车况与工况的振动测试;利用Ansys软件建立果园转运平台有限元结构动力学模型,进行果园转运平台结构振动特性分析;为改善果园转运平台在工作过程中的振动强烈问题,基于果园转运平台振动特性,开展果园转运平台的减振研究。采用动力吸振的方法控制车厢处振动,降低输运过程中对水果的损伤,促进果园产业发展,为研制低振动的果园转运平台提供理论依据,对果园机械的振动控制具有参考意义。主要研究内容及结论如下:(1)根据电动履带式果园转运平台试制样机的几何结构参数,借助Solidworks软件建立果园转运平台三维几何结构模型;采用Recurdyn多体动力学软件,分别建立果园转运平台底盘部分刚体模型、车厢部分刚体模型、履带行走部分模型、升降板系统柔性模型;并根据果园转运平台结构,创建运动副连接车体各部分,构建果园转运平台多体动力学刚柔耦合模型。基于果园转运平台工作路况分析,选用白噪声法描述路面不平度,利用Matlab-simulink插件建立路面不平度模型,求解三维随机路面的高程数据,在Matlab软件中编辑程序实现节点向量矩阵与单元向量矩阵的生成,最后采用三角网格法建立三维随机路面模型,用以模拟硬质公路、果园耕地以及乡间土路等随机路面;并借助Recurdyn软件ground模块建立脉冲路面模型,用以模拟地垄、沟壑等冲击路面。(2)基于果园转运平台多体动力学刚柔耦合模型与路面模型,开展果园转运平台在不同车况以及不同行驶路况下的振动仿真测试。不同车况振动测试结果表明:(1)果园转运平台车厢处竖直方向的振动加速度远大于水平、横向的振动加速度。(2)车厢上不同位置处振动情况主要表现为车厢中心处振动加速度小于车厢边缘处,车厢尾部振动加速度大于前端,车厢横向左右两边对称位置振动加速度基本一致。(3)行驶速度与载重对车厢处振动影响显著,在2-4km/h的行驶速度范围内,振动加速度随车速增加而增大,随载重的增加而减小。不同行驶路况振动测试结果表明:(1)在不同路面行驶工况的测试中,相较于果园耕地和乡间土路,果园转运平台在硬质公路上行驶的振动加速度最大,最大值为5.901 m*s-2;在通过障碍时,振动加速度变化较大,测点加速度最大值为13.258m*s-2。(2)在爬坡行驶工况中,位于行驶方向前端测试点的振动强于后端测试点。车厢振动最大的测试点竖直方向振动加速度均方根值为2.305m*s-2。(3)在转向行驶工况中,位于转向内测的测试点处的振动强于外侧测试点。车厢振动最大点处竖直方向振动加速度均方根值为2.061m*s-2。通过试验验证,仿真模型的误差满足机械振动特性仿真要求。(3)为计算转运平台结构振动特性,分析转运平台结构在行驶工况下的稳态响应,借助Ansys软件建立果园转运平台有限元结构动力学模型,对果园转运平台的车体部分进行模态分析和谐响应分析。模态分析获取了转运平台结构前六阶模态频率及其振型。借助谐响应获取了转运平台结构在行驶工况下的稳态响应。车厢处位移频响函数表明外界负载激振频率在50.4Hz时,车厢上表面振动位移幅值为5.684*10-7m,振动加速度达到5.701*10-2m/s2。结合转运平台结构前六阶模态频率及其振型可知,该果园转运平台结构第二阶模态对行驶工况中的共振现象发挥主要作用。(4)根据转运平台结构在行驶工况下的稳态响应,针对平台结构振动特性进行动力吸振器参数设计。结合第二阶模态振型,确定动力吸振器安装位置为转运平台前后端可拆卸门处。借助Ansys软件模态分析,应用等价质量识别,获取果园转运平台主振动系统在动力吸振器安装位置的等价质量,建立转运平台结构振动系统在动力吸振器安装位置的等效单自由度系统。通过计算得到动力吸振器参数为质量m=3.4kg、刚度k=282062.24 N/m、阻尼c=361.62 N·s/m。根据动力吸振器参数,在转运平台有限元模型的基础上建立动力吸振器模型,开展减振模型数值模拟,分析果园转运平台结构在承受简谐规律变化的载荷时的稳态响应。结果表明:安装动力吸振器后,在车厢上表面最大振动位移幅值为9.692*10-8m,减小为减振前最大值的17%。振动加速度最大值为1.234*10-2m/s2。减小为减振前最大值的21.66%。基于果园转运平台—路面耦合多体动力学模型,在Recurdyn中建立果园转运平台减振测试模型,开展果园转运平台减振效果验证。以果园耕地转运工况减振测试为例,安装动力吸振器后车厢上表面各测试点在竖直方向处的振动显著降低,振动加速度均方根值基本减小为减振前的一半,其中车厢上表面中心测试点处振动加速度均方根值为5.003 m/s2,减小为减振前的48.86%;测试点在水平、横向上的振动加速度也有小幅降低。果园转运平台减振测试验证了动力吸振器可以控制果园转运平台在工作过程中出现的振动现象,减振效果显著。
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