基于ADAMS 的馬鈴薯挖掘機(jī)運(yùn)動學(xué)仿真論文
0 引言
農(nóng)業(yè)部近日表示，我國將啟動馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略，推進(jìn)把馬鈴薯加工成饅頭、面條、米粉等主食。未來馬鈴薯將成為稻米、小麥、玉米之外的第四大主糧作物，種植面積將逐步擴(kuò)大到0. 1 億hm2 ，預(yù)計2020年50%以上的馬鈴薯將作為主糧消費(fèi)。然而，在我國南方，馬鈴薯的收獲機(jī)械化水平嚴(yán)重落后。首先，南方地理條件特殊，山地丘陵地帶眾多，田地分散且成階梯狀，從而限制了大型機(jī)器的行走和運(yùn)作。其次，南方氣候條件溫暖多雨，土地濕軟且黏重，適用于北方土地條件的馬鈴薯收獲機(jī)械在南方收獲效果并不理想。經(jīng)過調(diào)研與收集資料，筆者結(jié)合南方的地形與土地環(huán)境情況，設(shè)計了適用于南方的振動式馬鈴薯挖掘機(jī)，其體積小巧，配套動力小于18. 4kW，在山地行走靈活，消耗油量小;運(yùn)用振動原理，在土壤濕度大的壟作中分離效果更為明顯。
為探討各工作部件的運(yùn)動規(guī)律，本文采用虛擬樣機(jī)技術(shù)分別對振動架、挖掘鏟及分離篩進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真分析，確定其運(yùn)動軌跡的合理性，以便達(dá)到直觀、形象的效果，為后續(xù)更為理想的設(shè)計和動力學(xué)特性仿真分析提供理論參考。
1 馬鈴薯挖掘機(jī)的結(jié)構(gòu)及原理
4U1Z 型振動式馬鈴薯挖掘機(jī)主要由機(jī)架、偏心輪、連接襯套、鉸接臂、振動架、連接板、挖掘鏟、振動篩及后掛架等構(gòu)成。
馬鈴薯挖掘機(jī)通過拖拉機(jī)的三點(diǎn)懸掛方式進(jìn)行拖動，挖掘鏟的振動動力由拖拉機(jī)動力輸出軸通過萬向傳動軸經(jīng)偏心軸輸入，偏心軸另一端與連接襯套相連，通過鉸接臂的球鉸鏈結(jié)合將相應(yīng)動力傳遞給振動架。此動力輸入部分為空間五桿機(jī)構(gòu)。空間機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動多樣、工作可靠，避免了運(yùn)動不靈活和卡住現(xiàn)象。振動架的前后擺動通過連接板等帶動挖掘鏟和分離柵產(chǎn)生相對振動，實現(xiàn)對壟作的收獲。此工作部分為雙四桿平面機(jī)構(gòu)。平面機(jī)構(gòu)在工程機(jī)械應(yīng)用較廣泛，能實現(xiàn)多種運(yùn)動規(guī)律和軌跡，有利于挖掘鏟和振動篩相互振動工作的穩(wěn)定，其機(jī)構(gòu)簡單可靠，滿足本課題設(shè)計要求。
2 運(yùn)動仿真與結(jié)果分析
ADAMS 軟件是由美國MSC 公司開發(fā)研制的集建模、求解、可視化技術(shù)于一體的虛擬樣機(jī)軟件，主要針對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。通過ADAMS /View( 用戶界面模塊)和ADAMS / Solver(求解器)，可對大部分的機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行仿真。通過建模或?qū)肽Ｐ停缓笫┘酉鄳?yīng)的運(yùn)動約束副與驅(qū)動，最后執(zhí)行一組與實際運(yùn)動狀況相近的運(yùn)動仿真測試，得到仿真結(jié)果就是實際運(yùn)動情況。運(yùn)用ADAMS 軟件進(jìn)行仿真，可以大大簡化機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程，大幅度縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，大量減少產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用和成本，明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品的系統(tǒng)性能，獲得最優(yōu)化和創(chuàng)新的設(shè)計產(chǎn)品。
根據(jù)馬鈴薯挖掘機(jī)各部分具體結(jié)構(gòu)設(shè)計，在ADAMS/VIEW 中建立空間五桿傳動機(jī)構(gòu)和雙四桿平面機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型，其尺寸均按設(shè)計要求選擇，并進(jìn)行仿真分析，形象直觀地展示該機(jī)構(gòu)的工作過程，分析各關(guān)鍵部件運(yùn)動特性。
2. 1 幾何建模
用各構(gòu)件連接點(diǎn)的坐標(biāo)創(chuàng)建設(shè)計點(diǎn)。機(jī)架用長方體建模工具相應(yīng)設(shè)計點(diǎn)生成，偏心輪采用圓柱建模工具相應(yīng)設(shè)計點(diǎn)生成，其余各構(gòu)件均用連桿建模工具相應(yīng)設(shè)計點(diǎn)生成。
2. 2 施加約束和運(yùn)動
將相應(yīng)的約束施加在各構(gòu)件上，以限制構(gòu)件之間的某些相對運(yùn)動，并以此將不同構(gòu)件連接起來組成一個機(jī)械系統(tǒng)。按照各構(gòu)件之間的相對運(yùn)動關(guān)系情況來添加約束、偏心輪的幾何中心點(diǎn)O、各鉸接點(diǎn)A ～ J處(除C)等均采用銷釘連接;對上述鉸接點(diǎn)施加旋轉(zhuǎn)副將構(gòu)件連接，鉸接點(diǎn)C 處施加球面幅將構(gòu)件連接，機(jī)架與大地的之間的運(yùn)動副為固定副。偏心輪是整個工作過程的動力驅(qū)動裝置，因此在其中心點(diǎn)O 處的旋轉(zhuǎn)副建立旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。考慮到馬鈴薯挖掘機(jī)實際作業(yè)時偏心輪轉(zhuǎn)速，設(shè)置偏心輪中心點(diǎn)O 處參數(shù)為540r /min(3 240° / s)。對ADAMS 中建立的運(yùn)動系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行約束與驅(qū)動加載完成。
2. 3 仿真結(jié)果
在開始仿真分析之前，利用模型自檢工具對樣機(jī)模型進(jìn)行最后的檢驗，排除建模過程中隱含的錯誤，以保證仿真分析順利進(jìn)行。
為獲得振動架、挖掘鏟、分離篩相對于機(jī)架的各運(yùn)動參數(shù)曲線，令各關(guān)鍵構(gòu)件的角位移為從機(jī)架前進(jìn)方向(即水平向左方向) 逆時針旋轉(zhuǎn)至運(yùn)動構(gòu)件之間的夾角。為方便測量各運(yùn)動構(gòu)件的角位移，在機(jī)架上創(chuàng)建點(diǎn)U 和點(diǎn)V。為保證U 點(diǎn)與G 點(diǎn)、V 點(diǎn)與D 分別保持水平，使U 點(diǎn)與G 點(diǎn)、V 點(diǎn)與D 點(diǎn)的Y 向坐標(biāo)分別相等。在分離篩上創(chuàng)建一點(diǎn)W，為保證W 點(diǎn)與H 點(diǎn)保持水平，使其Y 向坐標(biāo)相等。為了研究的需要，設(shè)置仿真時間為0. 5s，設(shè)定仿真步數(shù)為450;然后，觀察模型仿真運(yùn)動情況;仿真結(jié)束后進(jìn)入后處理界面。
偏心輪旋轉(zhuǎn)1周時，振動架的.角位移在37° ～ 47°范圍內(nèi)往復(fù)移動，角速度在- 336° / s ～ 315° / s 范圍內(nèi)往復(fù)移動，角加速度在- 17151° / s2 ～ 19 465° / s2范圍內(nèi)往復(fù)移動。
偏心輪旋轉(zhuǎn)1周時，挖掘鏟的角位移在62° ～ 67°范圍內(nèi)往復(fù)移動，角速度在- 120° / s ～ 128° / s 范圍內(nèi)往復(fù)移動，角加速度在- 7 206° / s2 ～ 6 905° / s2范圍內(nèi)往復(fù)移動。
偏心輪旋轉(zhuǎn)1周時，分離篩的角位移在177° ～ 182° 范圍內(nèi)往復(fù)移動，角速度在- 39° / s ～ 42° / s 范圍內(nèi)往復(fù)移動，角加速度在- 2 942° / s2 ～ 1 743° / s2范圍內(nèi)往復(fù)移動。
從仿真分析的結(jié)果和仿真動畫來看:機(jī)構(gòu)DEFG與DHIJ 均為搖桿機(jī)構(gòu)，其振動架每轉(zhuǎn)10° 的過程中，挖掘鏟和分離篩轉(zhuǎn)動分別轉(zhuǎn)動10°和5°。可以得到:①當(dāng)t = 0. 03s 時，偏心輪轉(zhuǎn)動到最高點(diǎn)，振動架與挖掘鏟、分離篩的角位移均達(dá)到最大值，挖掘鏟到達(dá)最右邊臨界位置，分離篩到達(dá)最左邊極限位置，與實際情況相符。各構(gòu)件的角速度此刻為0，振動架的角加速度處于最大值，而挖掘鏟和分離篩的角加速度均處于最小值。②當(dāng)t = 0. 095s 時，偏心輪轉(zhuǎn)動到最低點(diǎn)，振動架與挖掘鏟、分離篩的角位移均達(dá)到最小值，挖掘鏟到達(dá)最左邊臨界位置，分離篩到達(dá)最右邊極限位置，與實際情況相符。各構(gòu)件的角速度此刻為0，振動架的角加速度處于最小值，而挖掘鏟和分離篩的角加速度均處于最大值。③當(dāng)t = 0. 14s 時，振動架與挖掘鏟、分離篩的運(yùn)動特性與t = 0. 03s 時一致。各構(gòu)件均完成一個周期的運(yùn)動，歷時0. 11s。
從以上分析得到:當(dāng)偏心輪每旋轉(zhuǎn)1 周時，工作部件挖掘鏟和分離篩均達(dá)到左右極限位置1 次，且方向相反步調(diào)一致，達(dá)到雙四桿機(jī)構(gòu)的同步異向的振動效果，滿足設(shè)計要求。振動架、挖掘鏟和分離篩的各運(yùn)動參數(shù)變化過程基本一致，并且運(yùn)動都是呈周期性規(guī)律變化。各角位移、角速度和角加速度變化平緩，無劇烈振動現(xiàn)象，無較大沖擊，可以保證馬鈴薯挖掘機(jī)的質(zhì)量，性能良好。根據(jù)曲線分析得到的規(guī)律和參數(shù)完全可以作為設(shè)計人員設(shè)計或檢驗機(jī)構(gòu)的依據(jù)。
3 結(jié)論
針對南方的馬鈴薯挖掘作業(yè)機(jī)械化水平低的現(xiàn)狀，提出了一種適用于南方地理條件和氣候的振動式馬鈴薯挖掘機(jī)設(shè)計方案。該挖掘機(jī)既滿足當(dāng)?shù)氐姆N植模式，又提高了馬鈴薯挖掘作業(yè)的工作效率。采用空間五桿機(jī)構(gòu)的動力輸入和雙四桿平面機(jī)構(gòu)工作輸出，從馬鈴薯挖掘機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)，完成了馬鈴薯挖掘機(jī)整個工作系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計，為提高南方兩作區(qū)馬鈴薯挖掘作業(yè)的機(jī)械化水平提供了一種解決方案。
通過在ADAMS 下的機(jī)構(gòu)仿真，不僅可以直觀地觀察各關(guān)鍵部件的真實運(yùn)動過程，了解振動架、挖掘鏟及分離篩作業(yè)時在各個方向的具體位置，還可以得到其角位移、角速度、角加速度等各方面的響應(yīng)曲線。分析其運(yùn)動規(guī)律和運(yùn)動特性，如果不符合設(shè)計要求，可以通過反復(fù)地修改運(yùn)動學(xué)模型，在虛境下模擬系統(tǒng)的運(yùn)動，直到滿足運(yùn)動要求。虛擬樣機(jī)技術(shù)的運(yùn)用提高了分析效率和質(zhì)量，簡化了設(shè)計過程，縮短了設(shè)計周期，從而降低了設(shè)計的成本。
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