李 競，蒲明輝，盧煜海，李兆龍

（廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點實驗室（廣西大學(xué)機械工程學(xué)院），廣西 南寧 530004）

過去的拖拉機多數(shù)是牽引自身有行走機構(gòu)的農(nóng)機器具進(jìn)行田間的農(nóng)業(yè)耕作，現(xiàn)在的拖拉機大多采用懸掛系統(tǒng)裝置，可以直接操作農(nóng)具的升降，調(diào)節(jié)農(nóng)具所需要的高度和深度，操作起來也更加人性化。目前的拖拉機懸掛裝置有兩點懸掛和三點懸掛兩種。本中研究的甘蔗種植機由拖拉機牽引，采用液壓輸出系統(tǒng)，使用三點懸掛裝置。

1 在ADAMS中建立動力學(xué)模型

虛擬樣機技術(shù)是一項新生的工程技術(shù)。借助于這項技術(shù)，工程師們可以在計算機上建立機械系統(tǒng)的模型，模擬在現(xiàn)實環(huán)境下系統(tǒng)的運動和動力特性，并根據(jù)仿真結(jié)果精化和優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計與過程。虛擬技術(shù)的快速發(fā)展給我們分析問題提供了方便，但其建模技術(shù)不夠完備，因此本文首先在三維軟件UG中建立甘蔗種植機的機架和三點懸掛裝置裝配的實體模型。

1.1 甘蔗種植機

甘蔗聯(lián)合種植機主要由拖拉機和種植機主體兩部分組成，兩者通過拖拉機的三點懸掛裝置進(jìn)行連接。該型號的甘蔗種植機主要是針對大、中型拖拉機三點懸掛裝置來設(shè)計開發(fā)的，該機將開溝部件、排種部件、施肥和淋水部件、覆膜部件、培土和鎮(zhèn)壓部件以及蔗種托架平臺集成在種植機機架上，形成了甘蔗種植機主體總成，并采用對稱設(shè)計，機身兩邊通過平衡輪保持穩(wěn)定。甘蔗種植主機通過由小到大的模塊化思想進(jìn)行研究設(shè)計，將施肥部件和淋水部件獨立出來與主體機架相固定，并且與其他部件相互協(xié)調(diào)來發(fā)揮作用。大部分的部件都能夠?qū)崿F(xiàn)量的調(diào)節(jié)，主要的可調(diào)部件如下：

（1）開溝部件：能夠?qū)崿F(xiàn)開溝寬度、播種深度和開溝行距的調(diào)節(jié)；

（2）播種部件：能夠?qū)崿F(xiàn)甘蔗量的調(diào)節(jié)；

（3）施肥部件：能夠?qū)崿F(xiàn)肥料量的調(diào)節(jié)；

（4）淋水部件：能夠?qū)崿F(xiàn)水量的調(diào)節(jié)；

（5）覆膜部件：能夠?qū)崿F(xiàn)塑料薄膜的寬度調(diào)節(jié)；

（6）培土部件：能夠?qū)嵭袑Ω收嵝枰耐寥懒窟M(jìn)行調(diào)節(jié)。

為了提高液壓系統(tǒng)的效率，在設(shè)計時對種植機的整體布局采用重心前移的方式，使重量較大的部件（如淋水部件、施肥部件和甘蔗切割機構(gòu)）緊靠拖拉機后面，既能提高種植機的平穩(wěn)性，降低提升力，又可增加肥料和水的容量。同時為了縮減甘蔗種植機的空間范圍，在甘蔗種植機和甘蔗蔗種托架的銜接部分采用一體式的布局方式。最后在UG中建立甘蔗種植機的整機模型。

1.2 三點懸掛和甘蔗種植機模型的建立

拖拉機三點懸掛系統(tǒng)的工作過程：甘蔗種植機在被提升過程中，通過懸掛裝置的兩個下拉桿來施加提升力，通過上拉桿來輔助機架的平衡并拉起機架。在種植機被抬起的工況下，對與種植機相配合的懸掛裝置的終點位置進(jìn)行測量，測得懸掛機構(gòu)下拉桿的豎直上升高度為192mm，對懸掛系統(tǒng)進(jìn)行簡化處理如圖1所示。最后把甘蔗種植機和三點懸掛機構(gòu)進(jìn)行了裝配，如圖2所示。并將裝配文件生成為X_T文件導(dǎo)入到ADAMS（Automatic Dynamic Analysis ofMechanical System）中。

圖1 三點懸掛圖

圖2 裝配圖

為了能夠在ADAMS里分析，需要在模型里添加相應(yīng)的材料密度、約束和力。

（1）施加載荷

種植機承受的力：因在剛體動力學(xué)分析的時候，力的施加只能夠把物體當(dāng)做剛體來考慮，只能添加集中力。

水桶底座承受來自水的重力約為520 N，添加在水桶底座的中質(zhì)心上；

座位下方支撐管受到人體的重力約為1 200 N，分別添加到質(zhì)心上。

機架與放置甘蔗的后掛采用鉸鏈連接，甘蔗平臺與機架的鏈接圖如圖3所示。

鏈接掛耳主要承受甘蔗的重力，此時的后掛模型可以簡化為桿與桿之間的相互作用力，受力分析如圖4所示，按照如下參數(shù)進(jìn)行計算：甘蔗重量1 000N，經(jīng)過測量甘蔗平臺長度AB=875mm，甘蔗平臺的支撐管和甘蔗平臺之間的夾角為15°，甘蔗平臺的重量較甘蔗來言，可以忽略不計，甘蔗平臺支撐管的重量也可忽略不計。根據(jù)三力匯交定律進(jìn)行計算[5]：AE=BE=1 000/sin15°=3863.7N，掛耳受力為3 863.7N，分解后水平方向受力為3 732N，豎直方向受力為1 000N。

圖3 甘蔗平臺和機架的鏈接圖

圖4 甘蔗平臺受力分析圖

（2）添加約束

在三點懸掛機構(gòu)的施力端，我們對上、下拉桿的三處添加Joint，由于下拉桿兩處是提供動力的源頭，通過添加Motion=-30d×time，來實現(xiàn)種植機的動力學(xué)分析。根據(jù)懸掛系原理所知，農(nóng)機器具之間的鏈接為球鉸鏈接，故在懸掛系和種植機三處鏈接部位施加球鉸副，在培土機構(gòu)和開溝機構(gòu)、覆膜機構(gòu)和培土機構(gòu)之間存在轉(zhuǎn)動副，但是由于懸掛機構(gòu)抬起種植機的時候提升速度很慢，故可把此處的轉(zhuǎn)動副忽略，代替為固定副，其余各部件之間也通過固定副來代替。

經(jīng)過對實際模型的測量，種植機被提升提起時，懸掛機構(gòu)下拉桿的豎直上升高度為192mm，為了能夠使種植機在對應(yīng)的高度停止被提升，在此需要設(shè)置傳感器[6]。當(dāng)用戶定義的仿真事件需要在運行過程中需要修改時，此時需要傳感器。此事件被定義為一個邏輯表達(dá)式，表達(dá)式比較目標(biāo)值，如果邏輯表達(dá)式的值為真值時，模擬過程會發(fā)生動作，如果邏輯表達(dá)式的值為非真值時，模擬過程會繼續(xù)按照原來的表達(dá)進(jìn)行。

現(xiàn)定義該模型的傳感器：對應(yīng)該模型，在下拉桿上的MARKER_82和ground上的MARKER_147建立X軸上的DX(MARKER_82,MARKER_147)函數(shù)，即測量下拉桿和ground的X軸的位移。

2 三點懸掛裝置下種植機動力學(xué)性能分析

在完成模型建立之后進(jìn)行懸掛系和種植機之間的動力學(xué)分析，設(shè)置參數(shù)End Time=2 s，Steps=200，仿真之后的曲線如下：

（1）左下拉桿和右下拉桿的MOTION力曲線如圖5、圖6所示。

圖5 左下拉桿MOTION力曲線

圖6 右下拉桿MOTION力曲線

Motion上的力為拖拉機液壓系統(tǒng)作用在三點懸掛機構(gòu)的力。上述兩圖中的虛曲線為Motion力的求導(dǎo)函數(shù)曲線，在正常運行情況下為線性運行，說明提升種植機運行過程平穩(wěn)。

（2）左下拉桿和右下拉桿作用在種植機上的力曲線如圖7、圖8所示。

（3）上拉桿鏈接種植機的力曲線，如圖9所示。

圖7 左下拉桿作用在種植機上的力曲線

圖8 右下拉桿作用在種植機上的力曲線

圖9 上拉桿作用在種植機上的力曲線

上述三個力曲線的最大值分別為：左下拉桿鏈接種植機的力為15 081 N，右下拉桿鏈接種植機的力為15 036N，上拉桿鏈接種植機的力為24 000N。此處得到的力可以為后續(xù)的設(shè)計提供依據(jù)和參考。

3 結(jié)束語

本文運用ADAMS軟件，對甘蔗種植機和三點懸掛裝置模型進(jìn)行了動力學(xué)分析，得出了三點懸掛裝置對甘蔗種植機的作用曲線和液壓系統(tǒng)施加在三點懸掛裝置的作用曲線，驗證了種植機在液壓系統(tǒng)的驅(qū)動下，運行平穩(wěn)；通過分析得到懸掛機構(gòu)作用在種植機的力，為后續(xù)的分析及優(yōu)化設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支持。

[1]鎮(zhèn)江農(nóng)機學(xué)院.農(nóng)機手冊[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1978.

[2]鄭建榮.虛擬樣機技術(shù)入門與提高[M].北京：機械工業(yè)出版社.2007.

[3]唐遵峰，胡國勝，李春友，程俊爭，陳超平，朱河源.2CZY-2型甘蔗聯(lián)合種植機的設(shè)計與研究[J].農(nóng)業(yè)機械，2007，(10B):73-75.

[4]畢世英，楊曉京，李哲昆.UG與ADAMS/View之間的圖形數(shù)據(jù)交換研究[J].機械，2004，6：66-68.

[5]工程力學(xué)（靜力學(xué)與材料力學(xué)）[M].北京：高等教育出版社，2004.

[6]李 軍，邢俊文，覃文杰.ADAMS實例教程[M].北京：北京理工出版社，2002.