基於ADAMS 的馬鈴薯挖掘機運動學模擬論文
基於ADAMS 的馬鈴薯挖掘機運動學模擬論文
0 引言
農業部近日表示，我國將啟動馬鈴薯主糧化戰略，推進把馬鈴薯加工成饅頭、麵條、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，馬鈴薯的收穫機械化水平嚴重落後。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，土地溼軟且黏重，適用於北方土地條件的馬鈴薯收穫機械在南方收穫效果並不理想。經過調研與收集資料，筆者結合南方的地形與土地環境情況，設計了適用於南方的振動式馬鈴薯挖掘機，其體積小巧，配套動力小於18. 4kW，在山地行走靈活，消耗油量小;運用振動原理，在土壤溼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規律，本文采用虛擬樣機技術分別對振動架、挖掘鏟及分離篩進行了運動學模擬分析，確定其運動軌跡的合理性，以便達到直觀、形象的效果，為後續更為理想的設計和動力學特性模擬分析提供理論參考。
1 馬鈴薯挖掘機的結構及原理
4U1Z 型振動式馬鈴薯挖掘機主要由機架、偏心輪、連線襯套、鉸接臂、振動架、連線板、挖掘鏟、振動篩及後掛架等構成。
馬鈴薯挖掘機透過拖拉機的三點懸掛方式進行拖動，挖掘鏟的振動動力由拖拉機動力輸出軸透過萬向傳動軸經偏心軸輸入，偏心軸另一端與連線襯套相連，透過鉸接臂的球鉸鏈結合將相應動力傳遞給振動架。此動力輸入部分為空間五杆機構。空間機構的結構緊湊、運動多樣、工作可靠，避免了運動不靈活和卡住現象。振動架的前後擺動透過連線板等帶動挖掘鏟和分離柵產生相對振動，實現對壟作的收穫。此工作部分為雙四杆平面機構。平面機構在工程機械應用較廣泛，能實現多種運動規律和軌跡，有利於挖掘鏟和振動篩相互振動工作的穩定，其機構簡單可靠，滿足本課題設計要求。
2 運動模擬與結果分析
ADAMS 軟體是由美國MSC 公司開發研製的集建模、求解、視覺化技術於一體的虛擬樣機軟體，主要針對機械系統進行模擬分析。透過ADAMS /View( 使用者介面模組)和ADAMS / Solver(求解器)，可對大部分的機械系統進行模擬。透過建模或匯入模型，然後施加相應的運動約束副與驅動，最後執行一組與實際運動狀況相近的運動模擬測試，得到模擬結果就是實際運動情況。運用ADAMS 軟體進行模擬，可以大大簡化機械產品的設計開發過程，大幅度縮短產品的開發週期，大量減少產品開發費用和成本，明顯提高產品質量，提高產品的系統性能，獲得最最佳化和創新的設計產品。
根據馬鈴薯挖掘機各部分具體結構設計，在ADAMS/VIEW 中建立空間五杆傳動機構和雙四杆平面機構虛擬樣機模型，其尺寸均按設計要求選擇，並進行模擬分析，形象直觀地展示該機構的工作過程，分析各關鍵部件運動特性。
2. 1 幾何建模
用各構件連線點的座標建立設計點。機架用長方體建模工具相應設計點生成，偏心輪採用圓柱建模工具相應設計點生成，其餘各構件均用連桿建模工具相應設計點生成。
2. 2 施加約束和運動
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，並以此將不同構件連線起來組成一個機械系統。按照各構件之間的相對運動關係情況來新增約束、偏心輪的幾何中心點O、各鉸接點A ～ J處(除C)等均採用銷釘連線;對上述鉸接點施加旋轉副將構件連線，鉸接點C 處施加球面幅將構件連線，機架與大地的之間的運動副為固定副。偏心輪是整個工作過程的動力驅動裝置，因此在其中心點O 處的旋轉副建立旋轉驅動。考慮到馬鈴薯挖掘機實際作業時偏心輪轉速，設定偏心輪中心點O 處引數為540r /min(3 240° / s)。對ADAMS 中建立的運動系統模擬模型進行約束與驅動載入完成。
2. 3 模擬結果
在開始模擬分析之前，利用模型自檢工具對樣機模型進行最後的檢驗，排除建模過程中隱含的錯誤，以保證模擬分析順利進行。
為獲得振動架、挖掘鏟、分離篩相對於機架的各運動引數曲線，令各關鍵構件的角位移為從機架前進方向(即水平向左方向) 逆時針旋轉至運動構件之間的夾角。為方便測量各運動構件的角位移，在機架上建立點U 和點V。為保證U 點與G 點、V 點與D 分別保持水平，使U 點與G 點、V 點與D 點的Y 向座標分別相等。在分離篩上建立一點W，為保證W 點與H 點保持水平，使其Y 向座標相等。為了研究的需要，設定模擬時間為0. 5s，設定模擬步數為450;然後，觀察模型模擬運動情況;模擬結束後進入後處理介面。
偏心輪旋轉1周時，振動架的.角位移在37° ～ 47°範圍內往復移動，角速度在- 336° / s ～ 315° / s 範圍內往復移動，角加速度在- 17151° / s2 ～ 19 465° / s2範圍內往復移動。
偏心輪旋轉1周時，挖掘鏟的角位移在62° ～ 67°範圍內往復移動，角速度在- 120° / s ～ 128° / s 範圍內往復移動，角加速度在- 7 206° / s2 ～ 6 905° / s2範圍內往復移動。
偏心輪旋轉1周時，分離篩的角位移在177° ～ 182° 範圍內往復移動，角速度在- 39° / s ～ 42° / s 範圍內往復移動，角加速度在- 2 942° / s2 ～ 1 743° / s2範圍內往復移動。
從模擬分析的結果和模擬動畫來看:機構DEFG與DHIJ 均為搖桿機構，其振動架每轉10° 的過程中，挖掘鏟和分離篩轉動分別轉動10°和5°。可以得到:①當t = 0. 03s 時，偏心輪轉動到最高點，振動架與挖掘鏟、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，與實際情況相符。各構件的角速度此刻為0，振動架的角加速度處於最大值，而挖掘鏟和分離篩的角加速度均處於最小值。②當t = 0. 095s 時，偏心輪轉動到最低點，振動架與挖掘鏟、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，與實際情況相符。各構件的角速度此刻為0，振動架的角加速度處於最小值，而挖掘鏟和分離篩的角加速度均處於最大值。③當t = 0. 14s 時，振動架與挖掘鏟、分離篩的運動特性與t = 0. 03s 時一致。各構件均完成一個週期的運動，歷時0. 11s。
從以上分析得到:當偏心輪每旋轉1 周時，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，達到雙四杆機構的同步異向的振動效果，滿足設計要求。振動架、挖掘鏟和分離篩的各運動引數變化過程基本一致，並且運動都是呈週期性規律變化。各角位移、角速度和角加速度變化平緩，無劇烈振動現象，無較大沖擊，可以保證馬鈴薯挖掘機的質量，效能良好。根據曲線分析得到的規律和引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機械化水平低的現狀，提出了一種適用於南方地理條件和氣候的振動式馬鈴薯挖掘機設計方案。該挖掘機既滿足當地的種植模式，又提高了馬鈴薯挖掘作業的工作效率。採用空間五杆機構的動力輸入和雙四杆平面機構工作輸出，從馬鈴薯挖掘機的整體結構設計出發，完成了馬鈴薯挖掘機整個工作系統的機構設計，為提高南方兩作區馬鈴薯挖掘作業的機械化水平提供了一種解決方案。
透過在ADAMS 下的機構模擬，不僅可以直觀地觀察各關鍵部件的真實運動過程，瞭解振動架、挖掘鏟及分離篩作業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曲線。分析其運動規律和運動特性，如果不符合設計要求，可以透過反覆地修改運動學模型，在虛境下模擬系統的運動，直到滿足運動要求。虛擬樣機技術的運用提高了分析效率和質量，簡化了設計過程，縮短了設計週期，從而降低了設計的成本。