CN105691272A - 一种山地果园运送车的自装卸装置及其结构优化方法 - Google Patents

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朱余清
宋淑然
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朱高伟
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李易能
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Abstract

本发明涉及一种山地果园运送车的自装卸装置，包括：拉臂、油缸、副车架和货物箱；副车架固定在运送车上；在竖直平面内转动的拉臂包括在竖直平面内相互成“7”字形的第一直臂和第二直臂；第一直臂的端部与副车架转动式连接，第二直臂的端部与货物箱的前端转动式连接；驱动拉臂转动的油缸的一端与副车架转动式连接，油缸的另一端与第一直臂的中间段转动式连接。本发明还涉及一种山地果园运送车的自装卸装置的结构优化方法。本发明解决了目前山地果园缺乏自装卸装备的问题，并且该自装卸装置具有通用性强、安全性高、使用寿命长等优点，属于农业机械中自装卸装置设计领域。

Description

一种山地果园运送车的自装卸装置及其结构优化方法
技术领域
本发明涉及农业机械中自装卸装置设计领域，具体是一种山地果园运送车的自装卸装置及其结构优化方法。
背景技术
虽然自装卸装置在民用领域得到了广泛的应用，但与其装配的运输车往往体积较大，如常用的顺装式运输车和侧装式运输车，它们的货物箱载重往往在2t以上，其适用路况也多为地势平坦的水泥路面。
对于水果多产的北纬20°～40°亚热带地区，我国多为丘陵地带。这会导致常规的山地运输车很难适应这一路况。特别在农村地区，由于年轻劳动力的流失，人口类型多以老年人为主。劳动力在变得稀缺的同时，成本也在不断上升，因此，研发更加自动化、可在山地环境进行自装卸的山地果园运送车变得具有实际意义。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种结构简单且可适用于山地的山地果园运送车的自装卸装置。
本发明的另一个目的是：提供一种保障自装卸装置正常运行的山地果园运送车的自装卸装置的结构优化方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种山地果园运送车的自装卸装置，包括：拉臂、油缸、副车架和货物箱；副车架固定在运送车上；在竖直平面内转动的拉臂包括在竖直平面内相互成“7”字形的第一直臂和第二直臂；第一直臂的端部与副车架转动式连接，第二直臂的端部与货物箱的前端转动式连接；驱动拉臂转动的油缸的一端与副车架转动式连接，油缸的另一端与第一直臂的中间段转动式连接；初始状态时，货物箱放置在副车架上；拉臂转动时，货物箱沿着副车架向后平移，随后货物箱倾斜的落到地面上，最后货物箱在地面上向后平移，直到货物箱完全落到地面上。
作为一种优选，副车架包括：框体、固定板、横梁、横向安装杆；固定板固定在框体的两侧，副车架通过固定板安装在运送车上；安装拉臂的横梁和安装油缸的横向安装杆均位于框体内，且横向安装杆位于横梁的前方。
作为一种优选，油缸有两个，以拉臂为中心左右对称设置；第一直臂的左右两侧各设有一个圆柱销，油缸的端部与圆柱销相接。
作为一种优选，第二直臂的端部设有挂钩，货物箱的前端设有拉把，拉把卡在挂钩中。
作为一种优选，货物箱的底部装有供货物箱滑动的滑轮。
一种山地果园运送车的自装卸装置的结构优化方法，包括如下步骤：(1)用三维软件建立运送车和自装卸装置的三维模型，进行运动分析确定自装卸装置能否运动；(2)对自装卸装置进行动力学分析，得出在不同情况下受力大小与拉臂旋转角度之间的关系，根据结果对自装卸装置的结构进行优化；(3)对自装卸装置进行局部应力分析，获得拉臂在实际工作过程中的受力情况，每种危险工况时所受最大应力的大小及位置，并根据结果对拉臂的结构进行优化。
作为一种优选，步骤(1)采用CATIA软件，步骤(2)采用ADAMS软件，步骤(3)采用ANSYS软件；利用CATIA软件建立自装卸装置模型，以此作为模板导入ADAMS和ANSYS软件中。
作为一种优选，步骤(2)中，货物箱的运动过程分为两个过程，过程一为货物箱在副车架上滑动，到接触地面之前，过程二为货物箱刚开始接触地面到停止运动；通过ADAMS进行仿真，得到拉臂的受力曲线。
作为一种优选，步骤(3)中，利用ANSYS软件，通过对拉臂进行建立模型、材料选取、有限元模型简化和施加边界约束条件，从而对拉臂进行应力分析。
作为一种优选，步骤(2)具体为：对自装卸装置进行动力学分析，根据其运动状态，将货物箱的运动分为两个运动过程，得出在不同坡度的情况下，拉臂主要受力处所受到的力与拉臂旋转角度之间的关系；通过对相关数据进行分析，得出拉臂不同受力处在第一个运动过程和第二个运动过程工况时所受的力，为拉臂的有限元分析提供载荷依据。
作为一种优选，步骤(2)中，在实际中，模型往往局部形状复杂，支撑边界不规则，形状变化多端，受多种复杂的载荷工况。如不进行简化，则需考虑很多细小变化的情况，往往给仿真带来很多麻烦，甚至影响仿真的成功，因此将对分析影响较小且相互之间固连的自装卸装置的零部件看成一个整体，零部件的质量参数和位置参数均采用CATIA提供的相关系数。
本发明的原理是：
通过油缸驱动拉臂转动，拉臂带动货物箱先在副车架上向后平移，再从副车架落到地面，最后在地面向后平移同时调整货物箱的斜度，直至货物箱平放在地面上。拉臂设计成“7”字形，初始状态可位于货物箱的前方和下方，运动状态可带动货物箱的顺利动作。
本发明提供了一种利用ADAMS在不同坡度下，拉臂主要受力处所受到的力与拉臂旋转角度之间的关系的仿真方法：首先是建立模型，其次是模型的验证，再次是模型的完善，最后，根据所得结果的参数进行分析，得出需要进行优化的地方。
本发明提供了一种利用ANSYS软件分析拉臂在不同位置的受力情况的方法：根据拉臂实际情况对模型进行简化，然后将模型导入ANSYS，建立拉臂的有限元分析模型，然后利用上述的ADAMS虚拟样机计算出的数据进行有限元分析，得出拉臂在不同位置时所受应力情况，找出所受平均应力最大及具有最大应力时的位置。
总的说来，本发明具有如下优点：
1.结构简单，专用于山地果园运送车的自装卸，不仅满足山地的低坡度，而且适用于载重不高的果蔬采摘。
2.具有自装卸功能，有效节约人力。
3.通过对原始自装卸装置模拟真实环境找出其薄弱环节，并利用ADAMS和ANSYS软件进行相应优化设计出满足虚拟样机条件的模型，以达到设计出满足减少劳动力成本、适合山地果园条件的运送车的自装卸装置的基本要求。
4.解决了目前山地果园缺乏自装卸装备的问题，并且该自装卸装置具有通用性强、安全性高、使用寿命长等优点。
附图说明
图1是拉臂的结构示意图。
图2是副车架的结构示意图。
图3是货物箱的结构示意图。
图4是运送车自卸开始时的示意图。
图5是过程一中斜坡角度为20°时拉臂在与副车架连接处所受外力图。
图6是过程一中斜坡角度为20°时拉臂在与货物箱连接处所受外力图。
图7是过程一中斜坡角度为20°时拉臂在与油缸连接处所受外力图。
图8是过程二中斜坡角度为20°时拉臂在与副车架连接处所受外力图。
图9是过程二中斜坡角度为20°时拉臂在与货物箱连接处所受外力图。
图10是过程二中斜坡角度为20°时拉臂在与油缸连接处所受外力图。
图11是斜坡坡度-20°，旋转角度0°时拉臂的受力图。
图12是斜坡坡度20°，旋转角度38°时拉臂的受力图。
图13是斜坡坡度-20°，旋转角度134°时拉臂的受力图。
图14是斜坡坡度-20°，旋转角度38°时拉臂的受力图。
其中，1为拉臂，2为油缸，3为副车架，4为货物箱，5为运送车。11为第一垂直臂，12为第二垂直臂，13为圆柱销，14为挂钩。31为框体、32为固定板、33为横梁，34为横向安装杆。41为拉把，42为滑轮。
具体实施方式
下面来对本发明做进一步详细的说明。
一种山地果园运送车的自装卸装置包括：拉臂、油缸、副车架和货物箱。
如图1所示，拉臂采用的是不可伸缩的一体化折弯式结构，包括相互成“7”字形的第一直臂和第二直臂。第一直臂的端部有一个安装孔，与副车架的横梁铰接连接。第一直臂的中间段的左右两侧均设有圆柱销，用于与油缸相连。第二直臂的端部设有挂钩，用于与货物箱的前端的拉把连接。
如图2所示，副车架由框体、固定板、横梁、横向安装杆组成。框体为矩形框体，通过螺钉和固定在框体外侧的多个固定板将副车架固定在运送车上。横向安装杆和横梁位于框体中，且横向安装杆位于横梁的前端。横向安装杆与油缸的下端转动式连接，横梁与拉臂相接。副车架是自装卸装置的基础，上部与货物箱接触，起着支撑货物箱的作用。
如图3所示，货物箱的周边设有护栏，前端设置拉把，用于货物箱的装卸。底部装有滑轮和滑梁。安装时要确保拉把、滑梁下表面和滑轮中心三者相对距离正确，确保滑轮半径正确。货物箱是自装卸装置的载物装置，底部与副车架直接接触或与地面接触。
油缸的数量为两个，与油泵、油箱、连接管道共同构成液压***。油泵由发动机控制，主控阀控制油缸的伸缩，当油缸收缩完成时，会打开行程控制阀的开关，自动卸荷，防止造成损伤。两个油缸以拉臂为中心左右对称设置。油缸的直径选取50mm，对应的活塞杆直径为26mm。
本发明的工作过程：在整车中，拉臂底端与副车架相连，拉臂中部与液压杆相连，顶部通过挂钩与货物箱相连，货物箱与副车架直接接触。其运动过程为：油缸伸长，拉臂在油缸的推动下做旋转运动，货物箱在拉臂的带动下先在副车架上滑动，后其轮子在地面上滚动。运动过程中，拉臂底端做的是旋转运动，拉臂中部与油缸有相对转动，挂钩与货物箱有相对转动，油缸本身可伸长缩短，油缸端部与副车架有相对转动。
基于ADAMS的仿真分析，包括如下步骤：
S1将CATIA建好的模型保存为stl文件，再导入ADAMS/View中进行分析。导入后，将对分析影响较小且相互之间固连的零部件看成一个整体。其质量参数和位置参数均采用CATIA提供的相关系数，其中两个液压杆和液压杆套油缸合并为一个受力刚体，副车架和载车运送车间为固定副，拉臂与副车架间、拉臂与液压杆油缸间、拉臂与货物箱间、液压缸油缸与液压泵副车架间为转动副。
S2将货物箱的运动过程分为两个过程，过程一为货物箱在副车架上滑动，到接触地面之前；过程二为货物箱刚开始接触地面到货物箱停止运动。驱动为油缸的移动副，驱动函数为力与时间相关的1*time函数(该函数为ADAMS嵌入函数)，驱动总时间为48s，可以得出在拉臂旋转角度为38°时，此时角度为过程一和过程二的临界角度，拉臂总旋转角度为134°，确定过程一驱动时间为16s，过程二驱动实践为32s。改变角度依次进行卸载分析，其角度分别为20°、15°、10°、5°、0°、-5°、-10°、-15°、-20°。正方向为自装卸整车上坡方向，负方向为自装卸整车下坡方向。
S3过程一的仿真：分别在拉臂与副车架的连接点、拉臂与油缸的连接点、拉臂与货物箱的连接点处建立坐标系，此时拉臂与副车架连接点y轴方向为垂直于拉臂横截面指向拉臂与油缸连接点，z轴方向为垂直于拉臂纵切面指向拉臂的挂钩方向。拉臂与油缸连接点、拉臂与货物箱连接点处的坐标系与上述坐标系方向一致。在运动过程中，三点坐标系与拉臂相对位置保持不变。因此，力在y轴上的投影分别表示拉臂与副车架连接处受到的拉压力、与油缸连接处受到的拉压力、与货物箱连接处受到的剪切力；力在z轴上的投影分别表示拉臂与副车架连接处受到的剪切力、与油缸连接处收到的剪切力、与货物箱连接处受到的拉压力。根据运动分析可知x轴在理论上没有受到力的作用，因此只需得出力在y、z轴的大小即可。定义横坐标为拉臂旋转角度，初始状态角度为0，纵坐标为力的大小，即可得出力在y、z轴所受力及合力大小与拉臂旋转角度之间关系。在进行分析时，斜坡角度范围为-20°至20°。
S4过程二与过程一运动过程相似，此过程所建立的坐标系与过程一坐标系的建立一致，添加货物箱与地面的移动副，在油缸的驱动下，货物箱在地面上滑动，直到货物箱完全静止于地面。通过仿真得出拉臂相关位置的受力曲线图，横坐标为拉臂旋转角度，纵坐标为力的大小，如图5-10所示为在坡度20°下的受力曲线。
S5在改变斜坡坡度的情况下，通过对拉臂主要受力处过程一和过程二受力情况进行分析，可以得出主要受力点受到极限力时所对应的斜坡坡度和拉臂旋转角度。在过程一和过程二时，拉臂与副车架连接处和拉臂与油缸连接处受到最大力时位置相同，其位置分别为斜坡坡度-20°，拉臂旋转角度为0°；斜坡坡度为-20°，拉臂旋转角度为134°。可知，原本可能出现的6种情况，变成4种情况。并根据相应关系将y轴方向力和x轴方向力化为剪切力和拉压力。其每种情况下拉臂主要受力处所受的力如表一所示，FL表示所受拉压力，FQ表示所受剪切力。前两行所对应位置位于过程一，后两行所对应位置位于过程二。
表一拉臂主要受力处受力
基于ANSYS的仿真分析，其步骤如下：
S6用CATIA建立对拉臂的模型，并且选择拉臂的材料为Q345钢。
S7利用ANSYS软件对拉臂进行网格划分，选取的网格单元为20节点的实体单元solid186，此单元既可以承受法向力载荷，又可以承受面内张力载荷，单元每个节点共有6个自由度，即沿坐标位移的自由度UX、UY、UZ和绕坐标轴旋转的自由度ROTX、ROTY、ROTZ。
S8对拉臂施加边界约束条件，将约束添加到拉臂与副车架连接处，约束三个方向移动自由度UX、UY、UZ，分别在拉臂与油缸连接处，拉臂与货物箱连接处添加载荷，其中拉臂与油缸连接处有2个连接处，因此每个连接处力各为总受力的一半，其拉臂所受外载荷如表二所示。
表二拉臂所受外力
S9将表中四种情况受力带入ANSYS进行静力学分析，可以得出斜坡坡度-20°旋转角度0°、斜坡坡度20°旋转角度38°、斜坡坡度-20°旋转角度134°、斜坡坡度-20°旋转角度38°时的应力图，如图11-14所示。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种山地果园运送车的自装卸装置，其特征在于：
包括：拉臂、油缸、副车架和货物箱；
副车架固定在运送车上；在竖直平面内转动的拉臂包括在竖直平面内相互成“7”字形的第一直臂和第二直臂；第一直臂的端部与副车架转动式连接，第二直臂的端部与货物箱的前端转动式连接；驱动拉臂转动的油缸的一端与副车架转动式连接，油缸的另一端与第一直臂的中间段转动式连接；
初始状态时，货物箱放置在副车架上；拉臂转动时，货物箱沿着副车架向后平移，随后货物箱倾斜的落到地面上，最后货物箱在地面上向后平移，直到货物箱完全落到地面上。
2.按照权利要求1所述的一种山地果园运送车的自装卸装置，其特征在于：所述副车架包括：框体、固定板、横梁、横向安装杆；固定板固定在框体的两侧，副车架通过固定板安装在运送车上；安装拉臂的横梁和安装油缸的横向安装杆均位于框体内，且横向安装杆位于横梁的前方。
3.按照权利要求1所述的一种山地果园运送车的自装卸装置，其特征在于：所述油缸有两个，以拉臂为中心左右对称设置；第一直臂的左右两侧各设有一个圆柱销，油缸的端部与圆柱销相接。
4.按照权利要求1所述的一种山地果园运送车的自装卸装置，其特征在于：所述第二直臂的端部设有挂钩，货物箱的前端设有拉把，拉把卡在挂钩中。
5.按照权利要求1所述的一种山地果园运送车的自装卸装置，其特征在于：所述货物箱的底部装有供货物箱滑动的滑轮。
6.按照权利要求1至5中任一项所述的一种山地果园运送车的自装卸装置的结构优化方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)用三维软件建立运送车和自装卸装置的三维模型，进行运动分析确定自装卸装置能否运动；
(2)对自装卸装置进行动力学分析，得出在不同情况下受力大小与拉臂旋转角度之间的关系，根据结果对自装卸装置的结构进行优化；
(3)对自装卸装置进行局部应力分析，获得拉臂在实际工作过程中的受力情况，每种危险工况时所受最大应力的大小及位置，并根据结果对拉臂的结构进行优化。
7.按照权利要求6所述的一种山地果园运送车的自装卸装置的结构优化方法，其特征在于：
步骤(1)采用CATIA软件，步骤(2)采用ADAMS软件，步骤(3)采用ANSYS软件；利用CATIA软件建立自装卸装置模型，以此作为模板导入ADAMS和ANSYS软件中。
8.按照权利要求7所述的一种山地果园运送车的自装卸装置的结构优化方法，其特征在于：步骤(2)中，货物箱的运动过程分为两个过程，过程一为货物箱在副车架上滑动，到接触地面之前，过程二为货物箱刚开始接触地面到停止运动；通过ADAMS进行仿真，得到拉臂的受力曲线。
9.按照权利要求7所述的一种山地果园运送车的自装卸装置的结构优化方法，其特征在于：步骤(3)中，利用ANSYS软件，通过对拉臂进行建立模型、材料选取、有限元模型简化和施加边界约束条件，从而对拉臂进行应力分析。
10.按照权利要求6所述的一种山地果园运送车的自装卸装置的结构优化方法，其特征在于：步骤(2)具体为：对自装卸装置进行动力学分析，根据其运动状态，将货物箱的运动分为两个运动过程，得出在不同坡度的情况下，拉臂主要受力处所受到的力与拉臂旋转角度之间的关系；通过对相关数据进行分析，得出拉臂不同受力处在第一个运动过程和第二个运动过程工况时所受的力，为拉臂的有限元分析提供载荷依据。
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