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类型采伐联合机机械手结构的振动特性研究.doc

  • 上传人:无敌
  • 文档编号:172453
  • 上传时间:2018-03-23
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    采伐联合机机械手结构的振动特性研究.doc
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    1、采伐联合机机械手结构的振动特性研究 刘德发 汪振凤 黑龙江农业工程职业学院 摘 要: 对某品牌的采伐联合机机械手振动特性进行了研究, 该机械手由伐木头和机械臂等组成, 其中的机械臂固有振动频率对伐木头的定位精度影响很大。建立了采伐联合机机械手工作时的振动模型, 并用梁理论和振动拉格朗日法之间的关系来计算机械臂的振动频率和模式, 推导出机械手系统自由振动的位移响应。采用 ANSYS 软件对机械手进行了振动特性模态分析, 以改善其动态性能, 减少机械臂在工作过程中的振动, 从而提高采伐联合机机械手工作的精准度。关键词: 采伐联合机; 机械手; 振动特性; ANSYS; 作者简介:刘德发 (1974

    2、-) , 男, 黑龙江克山人, 副教授, 硕士, 研究方向为汽车工程, E-mail:。收稿日期:2017-08-09Research on the Vibration Characteristics of a Harvester Manipulator StructureLIU De-fa WANG Zhen-feng Heilongjiang Agricultural Engineering Vocational College; Abstract: Study of the vibration characteristics of a harvester manipulator of a

    3、 certain brand is made. The manipulator consists of a felling head and a robot arm, whose natural vibration frequency has great effect on the positioning accuracy of the felling head. A vibration model for the work of the harvester manipulator is established, with the relationship between the beam t

    4、heory and the vibration Lagrange method used to calculate the vibration frequency and mode of the manipulator, with the displacement response of free vibration of the manipulator system deduced. ANSYS software is used to conduct the modal analysis of the vibration characteristics of the manipulator

    5、to improve its dynamic performance and reduce the vibration of the manipulator in operation, thereby improve the working accuracy of the harvester manipulator.Keyword: harvester; manipulator; vibration characteristics; ANSYS; Received: 2017-08-09采伐联合机机械手由液压驱动的伐木头和机械臂等组成, 机械臂由大臂、小臂、伸缩臂组成, 它们协同动作的工作半径

    6、可达 9 m, 机械手的主要功能有伐木、打枝、造材等。采伐联合机在作业和行驶过程中产生的振动对其工作性能影响很大, 因此需要对机械手 (主要是机械臂) 建立振动数学模型并对其进行振动频率和模态分析, 以提高机械手的工作性能。1 机械手的振动模型机械手手臂是一个弹性连续体, 悬臂梁是振动控制及分析的主要对象。1.1 梁振动的基本关系1.1.1 动力学平衡方程图 1 所示为采伐联合机机械手机械臂中的细长梁的力学模型, 其主要用来承受弯曲载荷, 工作时机械臂主要做横向弯曲振动。图 1 梁的力学模型 下载原图梁在纵向自由振动时, 设梁的纵向位移用 y (x, t) 表示, 为单位体积梁的质量, EI

    7、(x) 为 x 处的截面抗弯刚度, I (x) 为截面对中心轴的惯性矩, A (x) 为该截面面积, L 为悬臂梁的长度。从梁上 x 截面处截取微元段 dx 来分析受力情况。设 x 截面上的剪力为 Q, 弯矩为 M, 在 x+dx 截面上作用的剪力为 , 弯矩为 。根据牛顿第二定律, 则该微段在 x 方向的运动微分方程为:该偏微分方程就是相等截面梁的弯曲振动微分方程1。对于均质截面直梁, EI (x) 、I (x) 、A (x) 及 均为常数, 因此式 (1) 可简化为:式中: , 其由梁的几何及物理参数确定, 为常数。1.1.2 梁的弯曲振动响应梁的弯曲振动偏微分方程可按照分离变量法求解。设

    8、均质截面直梁的弯曲振动方程式 (2) 的解为:经计算得:Y (x) = (C 1cosx+C 2sinx+C 3chx+C 4shx) 式中有 4 个积分常数, C j, n由边界条件确定, 其是梁弯曲振动的振型函数2。1.1.3 固有频率和模态函数悬臂梁一端固定、一端自由的边界条件如下:梁固定端 (x=0) 的挠度与转角均等于 0, 自由端 (x=L) 的弯矩和剪力 Q 恒等于 0, 因此可得:可以解出频率方程的前几个根为:梁的固有频率为:则模态函数为:1.2 机械手的振动响应机械臂是采伐联合机机械手的重要组成部分, 其由液压缸驱动的大臂、副臂和伸缩臂三节组成, 其中, 伸缩臂位于最前面一节

    9、, 前两节为折叠臂。采伐联合机的伐木头为执行器, 其悬挂于机械臂伸缩臂的前端, 呈自然垂直状态。采伐联合机机械手坐标系示意图如图 2 所示。图 2 采伐联合机机械手坐标系示意图 下载原图因机械臂是连续弹性体, 所以在分析振动响应时可以将各阶主振动进行叠加。在自由振动模态分析中, 对于线弹性连续系统来说, 可以根据线性无关的模态函数来组成无穷维数函数空间的一组基, 所以位移函数可写成各个模态函数的线性叠加形式, 即:式中:q j为第 j 个模态坐标或主坐标; j (x) 为广义坐标 qj对应的已知模态函数。机械臂的动能函数、势能函数都可以根据拉格朗日方法进行计算, 其表达式分别为:经计算得机械手

    10、的主振动如下:机械手自由振动的位移响应为各阶主振动的叠加, 表达式为:2 有限元仿真2.1 机械手的振动本文采用有限元分析软件 ANSYS 对机械手系统进行建模和网格划分3-5, 设机械手的结构柔性振动条件如下:机械手大臂在 1075的范围内, 副臂在一定角度范围、伸缩臂在一定伸长量范围内与大臂协调配合, 伐木头则始终沿着水平方向运动。机械手运动轨迹示意图如图 3 所示。图 3 机械手运动轨迹示意图 下载原图由图 3 可得:约束条件为:4 500L 19 000, 10 175, 10 2120。计算结果见表 1。表 1 计算结果 下载原表 2.2 有限元建模及网格划分2.2.1 模型的建立方法及主要步骤(1) 设定文件的名称、分析的标题、单位制;(2) 各种参数的初始化设置;(3) 属性定义、单元类型定义、单元实常数定义及节点和单元创建;(4) 保存模型数据, 退出前置处理器。2.2.2 有限元模型的生成机械手在工作过程中的运动比较复杂, 因此在建立有限元模型时, 大臂角在1075内变化时需要对不同长度值的副臂和伸缩臂建立多个模型, 重点在于大臂角为 45和 75时的有限元建模, 如图 4、图 5、图 6 所示。图 4 1=45、L=3 300 mm 的有限元模型 下载原图

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