翻转犁翻转机构的运动与受力分析

单缸卧式翻转犁翻转机构的运动与受力分析 成员 摘要l首先提出单缸卧式翻转机构运动方程,并从机构的运动和动力基础出发,绘出传动特性曲线,对机构进行运动学和动力学特性的分析。通过分析证明这一翻转机构的工作稳定性及可行性,为翻转机构的设计与应用提出了相应的设计理念及设计应用依据l实物图 l 1 翻转机构的运动分析l如图 1所示, 在单缸卧式翻转机构简图中, A、C为固定支点, AC 长度为 a, AB 长度为 R, BC 长度 为L 0, 当拖拉机发动机的转数不变时, 翻转机构的油缸作匀速运动, 即 v1为常数。AB 和 AC 的夹角为, 为满足翻转犁能在工作过程中翻转 180度 , 要求 AB 杆在油缸的作用下必须能转动 180 。 角的变化范围应在整个水平面内, 即 可在 正负 90度 的范围内变化。所以，该机构为运动导杆机构，能够完成上诉运动的必要条件为 a + L minR a + L max 图 1所示的机构中, 由三角形 ABC 可得机构的运动方程: L=a+R-2aRcos (1) cos =（a+R-L）/2aR （2） l根据式 ( 2)、( 3)、( 4)可确定不同的 a、R、L 及相关参数值, 计算出 AB 杆转动到某一位置的角速度和角加速度, 绘出传动特性曲线, 如图 2 所示。可多方案比较以选择最佳方案。例如, 较常见的一组参数值l为: a = 0. 12m、R = 0. 506m、油 缸的缩短 速度 v = 0.07m / s、油缸的 传动 比 K = 1. 46。当 需要 将犁 翻转180 时, 操纵液压输出手柄, 使翻转油缸收缩, AB 杆转动, 角从 90 减小到 0 (即 B 点在 y 轴上 ) , 再由0 转到 - 90 , 当 角由 90 减小到 60 时, 角速度值为 0. 6667 0. 6166, 角加速度 值为 - 0. 08070. 1085, 角速度和角加速度变化都很小, 由此看出, 无论油缸是静止还是工作状态均是平稳的, 对液压系统也有益。油缸伸缩将使 L 值发生变化, cos 也随之改变。对式 ( 1)进行一次微分和二次微分, 可得到 AB 的角速度和角加速度: l当角由 60 减小到 5 时, AB 杆的角速度由 0. 6166增加到 5. 1973, 角速度迅速增长, 角加速由 0. 1085增长到 300以上, 角加速度也急剧增长, 尤其在 接近 0 时, 由于大的角加速度将产生大的惯性力, 这正是机构翻转时越过中间自锁区时所需要的特性。当 AB 杆由 = - 5 减小到= - 60 时, 角速度值由 3. 4326减小到0.4215, 角加速度值由 - 203. 9 急剧减小到 - 0. 09; 当 AB 杆由 = - 60 减小到 = - 90 时, 角速度 值 由 0.4215减小到 0. 4147, 角加速度值由 - 0. 09减小到0. 0364, 角加速度变化很小。这样, 当犁翻转动作结束时, 角速度和角加速度都接近于 0, 使所产生的惯性力很小, 机构很平稳地结束工作, 这一特性正是所要求的。所以, 机构设计参数的选择是合理的。 l2 翻转机构受力分析l翻转机构在工作中受重力、惯性力和摩擦力等外力的作用, 为使机构能完成翻转的全过程, 需施加一个力以克服这些外力。为确定油缸的受力大小、结构尺寸和机构的强度等必须进行动力分析。l由图 1可看出, 机构主要受到 3个力的作用, 机具重心 D 点受到重力 G 和惯性力 F = mar的作用,A 点受到摩擦阻力矩 M f的作用, 其他力均较小, 可忽略不计 2 1 机构自锁区域的确定翻转机构在翻的全程, 当角等于0 时, A、B、C 三点在一条直线上, 这时油缸无论施加多大的力, 机构都不能运动。不仅如此, 由于轴颈 A 在转动时有 摩擦阻力产生, 因此将在等于0 附近的很小区域内存在自锁区 (死点区 )。确定自锁区的计算如图 3所示。已知: G = 9339. 4N, L 1 = 1. 831m, L 2 = 0. 310m, L 3= 0. 160m, d = 0. 12m, 求轴颈的压力。由 WL 2 = GL 1, 得W = GL 1 /L 2 = 55162. 7N根据轴承的结构, 可确定是跑合轴颈, 轴颈的单位压力为:p = N/s=W/（dL3）式中: p 为轴颈单位压力; W 为轴颈 受力; d 为轴的直径; L 3 为轴颈的接触长度。将参数代入式 ( 5), 得:p = 91. 49N / cm l由于摩擦因数与压力成正 比, 从手册中可以查当 p = 91. 49N / cm 时, 滑动摩擦因数 f 1 = 0 .1486，当量摩擦因数 f 0 = 1. 27, 则总摩擦因数 f = 0.1887, 摩擦圆半径为= f r = 0. 1887 60 = 11.3233mm, 其中 r 为轴颈半径 (图中未画 ) , 如图 4所示。 2 2 机构的动态静力分析l在机构的运动学分析中, 已经了解到机构在油缸作用下运动时, AB (AD )杆的角速度随的变化而变化, AB 杆作加速运动, 机构除受重力 G 和摩擦阻力M f的作用外, 还受到惯性力 F 的作用.当油缸收缩在角 90 0 时, 机构受力情况如图 5( a)所示。l为计算出油缸上的受力大小, 作机构的转向速度图, 并把机构上的力移到速度图中的对应点 E 上, 如5( b)所示, 对 E 点取矩, 得方程式:l P1H + G rx - F1 r-2Mf = 0l得:p 1=（F1r+2Mf-Grx）/Hl式中: F1 = Mar =Gar/g, r = 0. 285m, p1 = 0. 0113, M f =Wp1 = 623. 28N/m, G = 9339. 4N, rx = r sin, a r 为切向加速度, H = asin/L l当机构的 AB 杆越过中间位置 (= 0 )后 在 0 - 90 区间运动时, 机构受力情况如图 6 ( a)所示,l并作转向速度图, 如图 6( b)所示, 对 E 点取矩, 得:p 1 H + Grx - 2M f + F1r = 0则: p 1 = （2M f - F 1 r- Grx）/H。机构所产生的驱动力矩 M p = J = 133. 3Nm, 而机构的阻力矩 M z = 2M f - Grx = 66. 12Nm, 可见, M pM z, 所示机构 AB 杆可以越过自锁区 (死点 ), 油缸开始伸长, 油缸的工作推力为 3414 3700N, 这样即完成了翻转的全过程。 3 结 论( 1) 单缸卧式翻转机构的运动学特性表明, 在其实现 180 的翻转过程中, 自身结构有利于翻转机构启动并越过自锁区, 翻转到终点时无冲击 (或冲击最小 ) , 达到翻转过程平稳的要求。 (2) 从动力学特性看, 机构可以保证实现 180 的翻转所需要的动力。 (3) 液压系统可实现机构的翻转和液压锁定的 性能要求。