牵引式果园运输机断绳制动锁钳优化设计与性能分析

摘要

近些年来，在中央和地方政府的积极推动与支持下，我国果园农业机械化事业得到迅速地发展，牵引式果园运输机作为果园省力化机械的代表，正在不断地被推广到丘陵山地果园作业管理中。果树种植区域多位于山地、丘陵等大坡度、环境复杂地带，位于该地区的牵引式果园运输机，其制动安全方面，依然存在不少问题，如由于载物车超载、钢丝绳生锈等造成的牵引钢丝绳断裂进而引发的安全事故。因此，本文采用虚拟仿真技术和试验研究相结合的方法，对牵引果园运输机载物车断绳制动装置进行相关研究，并对该制动装置的制动性能、制动锁钳的安全性能进行仿真分析和试验研究，本论文研究的主要工作有： （1）借鉴相关资料和行业标准，给出了运输机设计原则和标准，对断绳制动装置进行方案设计，并提供了三种供选择的方案。依据现有的机械结构性能评价准则，分析对比三种断绳制动方案，确定最优的方案；对载物车自锁式行走机构尺寸参数进行理论分析和计算，确定了重力驱动机构的关键尺寸，并对制动锁钳楔入角θ和自锁角δ的计算公式进行推导； （2）考虑到载物车断绳制动过程受力复杂多变，把断绳制动过程分为四个阶段进行分析研究，分别对载物车整车进行受力分析、制动锁钳与轨道接触分析，以及载物车车轮与轨道的接触分析，建立载物车断绳制动过程的运动学模型和断绳制动作用阶段制动锁钳与轨道的冲击动力学模型，为后续的仿真分析做好准备； （3）采用SolidWorks三维软件和ADAMS仿真软件，建立载物车断绳制动装置的虚拟样机仿真模型，通过对虚拟样机进行仿真分析，得到载物车空载断绳制动作用阶段平均减速度为3.43m/s2、制动时间为0.4s，满载下进行断绳制动制动总距离为1.05m、制动时间为0.1s，均满足设计要求；同样采用SolidWorks和ANSYS Workbench软件，建立制动锁钳与轨道冲击有限元分析模型，通过仿真和结果分析，得到载物车350kg超负荷状态下，制动锁钳表面最大应力值231.64Mpa小于屈服应力355Mpa，也满足载物车断绳制动的要求； （4）利用实尺度试验研究的方法，在试验用样机上进行制动锁钳冲击测试试验。依据仿真结果在制动锁钳表面选取测试点1、2，通过改变载物车载重，来获取冲击信号的测试数据，同时处理数据得到制动锁钳单点冲击的最大平均值。最后对制动锁钳耐冲击性能进行分析，在350kg载重下，制动锁钳表面没有出现明显损坏，即其仍表现出良好的耐撞性能；为了验证虚拟仿真结果的可靠性，把虚拟仿真数据和实际试验数据进行对比分析，得到其平均误差为7.3%，并对误差的产生进行分析。因此，在一定误差允许范围内虚拟仿真结果相当可靠。 综上所述，本文的研究成果可为牵引式果园运输机断绳制动装置的设计、评估，以及寿命预测等提供理论依据，并为其它运输机械的设计提供参考。

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主要符号说明

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 果园运输机械国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.1 国内研究现状

1.3 果园运输机载物车安全性能研究现状

1.3.1 行车安全制动研究现状

1.3.2 紧急安全制动研究现状

1.3.3 辅助安全制动研究现状

1.4 研究内容和技术路线

1.4.1 研究内容

1.4.2 技术路线

1.5 创新点

1.6 本章小结

第二章 牵引式果园运输机断绳制动装置的设计及参数计算

2.1 牵引式果园运输机的总体方案设计

2.1.1 设计原则

2.1.2 果园运输机总体结构设计

2.1.3 果园运输机工作原理

2.2 断绳制动装置制动方案设计及关键参数计算

2.2.1 设计原则

2.2.2 断绳制动装置的设计

2.2.3 自锁式行走机构设计

2.2.4 重力驱动机构及制动锁钳关键参数计算

2.3 本章小结

第三章 载物车断绳制动装置制动过程分析

3.1 载物车断绳制动过程分析

3.2 载物车制动过程力学分析

3.2.1 载物车断绳制动装置制动原理分析

3.2.2 载物车制动过程整车受力分析

3.2.3 制动锁钳与轨道接触分析

3.2.4 车轮与轨道的接触分析

3.3 载物车断绳制动装置数学模型的建立

3.3.1 载物车制动过程运动学模型建立

3.3.2 载物车制动作用阶段冲击动力学模型建立

3.4 本章小结

第四章 载物车断绳制动装置制动过程仿真分析

4.1 断绳制动装置制动过程虚拟样机仿真

4.1.1 虚拟样机技术

4.1.2 建立几何模型和虚拟样机模型

4.1.3 虚拟样机仿真及结果分析

4.2 断绳制动装置制动锁钳冲击动力学仿真

4.2.1 有限元分析软件

4.2.2 建立几何模型和有限元模型

4.2.3 制动锁钳碰撞仿真及结果分析

4.3 本章小结

第五章 载物车断绳制动装置的测试试验

5.1 载物车断绳制动装置样机的试制

5.1.1 载物车样机试制

5.1.2 断绳制动装置样机试制

5.2 断绳制动装置制动锁钳冲击测试试验

5.2.1 冲击试验测试目的及方法

5.2.2 试验测试系统组成

5.2.3 制动锁钳冲击试验

5.2.4 测试冲击信号处理

5.3 断绳制动装置制动锁钳冲击试验结果分析

5.3.1 制动锁钳耐冲击性能分析

5.3.2 制动锁钳冲击试验与仿真对比分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 后续工作展望

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文

致谢