基于A(yíng)DAMS 的馬鈴薯挖掘機運動(dòng)學(xué)仿真論文
0 引言
農業(yè)部近日表示，我國將啟動(dòng)馬鈴薯主糧化戰略，推進(jìn)把馬鈴薯加工成饅頭、面條、米粉等主食。未來(lái)馬鈴薯將成為稻米、小麥、玉米之外的第四大主糧作物，種植面積將逐步擴大到0. 1 億hm2 ，預計2020年50%以上的馬鈴薯將作為主糧消費。然而，在我國南方，馬鈴薯的收獲機械化水平嚴重落后。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，從而限制了大型機器的行走和運作。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械在南方收獲效果并不理想。經(jīng)過(guò)調研與收集資料，筆者結合南方的地形與土地環(huán)境情況，設計了適用于南方的振動(dòng)式馬鈴薯挖掘機，其體積小巧，配套動(dòng)力小于18. 4kW，在山地行走靈活，消耗油量小;運用振動(dòng)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動(dòng)規律，本文采用虛擬樣機技術(shù)分別對振動(dòng)架、挖掘鏟及分離篩進(jìn)行了運動(dòng)學(xué)仿真分析，確定其運動(dòng)軌跡的合理性，以便達到直觀(guān)、形象的效果，為后續更為理想的設計和動(dòng)力學(xué)特性仿真分析提供理論參考。
1 馬鈴薯挖掘機的結構及原理
4U1Z 型振動(dòng)式馬鈴薯挖掘機主要由機架、偏心輪、連接襯套、鉸接臂、振動(dòng)架、連接板、挖掘鏟、振動(dòng)篩及后掛架等構成。
馬鈴薯挖掘機通過(guò)拖拉機的三點(diǎn)懸掛方式進(jìn)行拖動(dòng)，挖掘鏟的振動(dòng)動(dòng)力由拖拉機動(dòng)力輸出軸通過(guò)萬(wàn)向傳動(dòng)軸經(jīng)偏心軸輸入，偏心軸另一端與連接襯套相連，通過(guò)鉸接臂的球鉸鏈結合將相應動(dòng)力傳遞給振動(dòng)架。此動(dòng)力輸入部分為空間五桿機構。空間機構的結構緊湊、運動(dòng)多樣、工作可靠，避免了運動(dòng)不靈活和卡住現象。振動(dòng)架的前后擺動(dòng)通過(guò)連接板等帶動(dòng)挖掘鏟和分離柵產(chǎn)生相對振動(dòng)，實(shí)現對壟作的收獲。此工作部分為雙四桿平面機構。平面機構在工程機械應用較廣泛，能實(shí)現多種運動(dòng)規律和軌跡，有利于挖掘鏟和振動(dòng)篩相互振動(dòng)工作的穩定，其機構簡(jiǎn)單可靠，滿(mǎn)足本課題設計要求。
2 運動(dòng)仿真與結果分析
ADAMS 軟件是由美國MSC 公司開(kāi)發(fā)研制的集建模、求解、可視化技術(shù)于一體的虛擬樣機軟件，主要針對機械系統進(jìn)行仿真分析。通過(guò)ADAMS /View( 用戶(hù)界面模塊)和ADAMS / Solver(求解器)，可對大部分的機械系統進(jìn)行仿真。通過(guò)建模或導入模型，然后施加相應的運動(dòng)約束副與驅動(dòng)，最后執行一組與實(shí)際運動(dòng)狀況相近的運動(dòng)仿真測試，得到仿真結果就是實(shí)際運動(dòng)情況。運用ADAMS 軟件進(jìn)行仿真，可以大大簡(jiǎn)化機械產(chǎn)品的設計開(kāi)發(fā)過(guò)程，大幅度縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，大量減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)費用和成本，明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品的系統性能，獲得最優(yōu)化和創(chuàng )新的設計產(chǎn)品。
根據馬鈴薯挖掘機各部分具體結構設計，在A(yíng)DAMS/VIEW 中建立空間五桿傳動(dòng)機構和雙四桿平面機構虛擬樣機模型，其尺寸均按設計要求選擇，并進(jìn)行仿真分析，形象直觀(guān)地展示該機構的工作過(guò)程，分析各關(guān)鍵部件運動(dòng)特性。
2. 1 幾何建模
用各構件連接點(diǎn)的坐標創(chuàng )建設計點(diǎn)。機架用長(cháng)方體建模工具相應設計點(diǎn)生成，偏心輪采用圓柱建模工具相應設計點(diǎn)生成，其余各構件均用連桿建模工具相應設計點(diǎn)生成。
2. 2 施加約束和運動(dòng)
將相應的約束施加在各構件上，以限制構件之間的某些相對運動(dòng)，并以此將不同構件連接起來(lái)組成一個(gè)機械系統。按照各構件之間的相對運動(dòng)關(guān)系情況來(lái)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(xiāo)釘連接;對上述鉸接點(diǎn)施加旋轉副將構件連接，鉸接點(diǎn)C 處施加球面幅將構件連接，機架與大地的之間的運動(dòng)副為固定副。偏心輪是整個(gè)工作過(guò)程的動(dòng)力驅動(dòng)裝置，因此在其中心點(diǎn)O 處的旋轉副建立旋轉驅動(dòng)。考慮到馬鈴薯挖掘機實(shí)際作業(yè)時(shí)偏心輪轉速，設置偏心輪中心點(diǎn)O 處參數為540r /min(3 240° / s)。對ADAMS 中建立的運動(dòng)系統仿真模型進(jìn)行約束與驅動(dòng)加載完成。
2. 3 仿真結果
在開(kāi)始仿真分析之前，利用模型自檢工具對樣機模型進(jìn)行最后的檢驗，排除建模過(guò)程中隱含的錯誤，以保證仿真分析順利進(jìn)行。
為獲得振動(dòng)架、挖掘鏟、分離篩相對于機架的各運動(dòng)參數曲線(xiàn)，令各關(guān)鍵構件的角位移為從機架前進(jìn)方向(即水平向左方向) 逆時(shí)針旋轉至運動(dòng)構件之間的夾角。為方便測量各運動(dòng)構件的角位移，在機架上創(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 向坐標相等。為了研究的需要，設置仿真時(shí)間為0. 5s，設定仿真步數為450;然后，觀(guān)察模型仿真運動(dòng)情況;仿真結束后進(jìn)入后處理界面。
偏心輪旋轉1周時(shí)，振動(dòng)架的.角位移在37° ～ 47°范圍內往復移動(dòng)，角速度在- 336° / s ～ 315° / s 范圍內往復移動(dòng)，角加速度在- 17151° / s2 ～ 19 465° / s2范圍內往復移動(dòng)。
偏心輪旋轉1周時(shí)，挖掘鏟的角位移在62° ～ 67°范圍內往復移動(dòng)，角速度在- 120° / s ～ 128° / s 范圍內往復移動(dòng)，角加速度在- 7 206° / s2 ～ 6 905° / s2范圍內往復移動(dòng)。
偏心輪旋轉1周時(shí)，分離篩的角位移在177° ～ 182° 范圍內往復移動(dòng)，角速度在- 39° / s ～ 42° / s 范圍內往復移動(dòng)，角加速度在- 2 942° / s2 ～ 1 743° / s2范圍內往復移動(dòng)。
從仿真分析的結果和仿真動(dòng)畫(huà)來(lái)看:機構DEFG與DHIJ 均為搖桿機構，其振動(dòng)架每轉10° 的過(guò)程中，挖掘鏟和分離篩轉動(dòng)分別轉動(dòng)10°和5°。可以得到:①當t = 0. 03s 時(shí)，偏心輪轉動(dòng)到最高點(diǎn)，振動(dòng)架與挖掘鏟、分離篩的角位移均達到最大值，挖掘鏟到達最右邊臨界位置，分離篩到達最左邊極限位置，與實(shí)際情況相符。各構件的角速度此刻為0，振動(dòng)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t = 0. 095s 時(shí)，偏心輪轉動(dòng)到最低點(diǎn)，振動(dòng)架與挖掘鏟、分離篩的角位移均達到最小值，挖掘鏟到達最左邊臨界位置，分離篩到達最右邊極限位置，與實(shí)際情況相符。各構件的角速度此刻為0，振動(dòng)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t = 0. 14s 時(shí)，振動(dòng)架與挖掘鏟、分離篩的運動(dòng)特性與t = 0. 03s 時(shí)一致。各構件均完成一個(gè)周期的運動(dòng)，歷時(shí)0. 11s。
從以上分析得到:當偏心輪每旋轉1 周時(shí)，工作部件挖掘鏟和分離篩均達到左右極限位置1 次，且方向相反步調一致，達到雙四桿機構的同步異向的振動(dòng)效果，滿(mǎn)足設計要求。振動(dòng)架、挖掘鏟和分離篩的各運動(dòng)參數變化過(guò)程基本一致，并且運動(dòng)都是呈周期性規律變化。各角位移、角速度和角加速度變化平緩，無(wú)劇烈振動(dòng)現象，無(wú)較大沖擊，可以保證馬鈴薯挖掘機的質(zhì)量，性能良好。根據曲線(xiàn)分析得到的規律和參數完全可以作為設計人員設計或檢驗機構的依據。
3 結論
針對南方的馬鈴薯挖掘作業(yè)機械化水平低的現狀，提出了一種適用于南方地理條件和氣候的振動(dòng)式馬鈴薯挖掘機設計方案。該挖掘機既滿(mǎn)足當地的種植模式，又提高了馬鈴薯挖掘作業(yè)的工作效率。采用空間五桿機構的動(dòng)力輸入和雙四桿平面機構工作輸出，從馬鈴薯挖掘機的整體結構設計出發(fā)，完成了馬鈴薯挖掘機整個(gè)工作系統的機構設計，為提高南方兩作區馬鈴薯挖掘作業(yè)的機械化水平提供了一種解決方案。
通過(guò)在A(yíng)DAMS 下的機構仿真，不僅可以直觀(guān)地觀(guān)察各關(guān)鍵部件的真實(shí)運動(dòng)過(guò)程，了解振動(dòng)架、挖掘鏟及分離篩作業(yè)時(shí)在各個(gè)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曲線(xiàn)。分析其運動(dòng)規律和運動(dòng)特性，如果不符合設計要求，可以通過(guò)反復地修改運動(dòng)學(xué)模型，在虛境下模擬系統的運動(dòng)，直到滿(mǎn)足運動(dòng)要求。虛擬樣機技術(shù)的運用提高了分析效率和質(zhì)量，簡(jiǎn)化了設計過(guò)程，縮短了設計周期，從而降低了設計的成本。
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