李坤，肖宏儒，宋志禹，梅松，丁文芹，韓余（農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇 南京 210014）

基于ADAMS的撬翻式茶園深耕機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析

李坤，肖宏儒*，宋志禹，梅松，丁文芹，韓余
（農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，江蘇 南京 210014）

對(duì)撬翻式茶園深耕機(jī)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析，基于 ADAMS建立了撬翻式茶園深耕機(jī)的虛擬樣機(jī)模型，并對(duì)速度、垂直位移等運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行了仿真研究。分析結(jié)果表明，仿真運(yùn)行結(jié)果與理論分析一致，可以滿(mǎn)足耕作深度的要求。該研究思路對(duì)茶園深耕機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值，為設(shè)計(jì)提供了有效的依據(jù)，有較強(qiáng)的實(shí)用性。

茶園深耕機(jī)；ADAMS；虛擬模型；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

成齡的叢栽茶園深耕要到達(dá)25 cm或者以上［1］，因而只有耕作深度滿(mǎn)足此要求的機(jī)器才可以順利進(jìn)行成齡叢栽茶園的深耕作業(yè)。如果采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究機(jī)器的耕作深度，需要制造多個(gè)物理樣機(jī)，進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，成本高、周期長(zhǎng)、效率低，還需要消耗大量的人力。因此，本文以機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件ADAMS為平臺(tái)，建立撬翻式式茶園深耕機(jī)仿真模型并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，為茶園深耕機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新思路。

1 茶園深耕機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理

本文研究的茶園深耕機(jī)是由農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研制的撬翻式茶園深耕機(jī)（結(jié)構(gòu)圖如圖1所示）。撬翻式茶園深耕機(jī)的曲柄、搖桿、連桿、機(jī)架組成三組曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，連桿的一端固定有朝下方延伸的鋤齒。深耕作業(yè)時(shí)，牽引機(jī)具通過(guò)的齒輪變速箱帶動(dòng)機(jī)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)完成類(lèi)似人工掘地的動(dòng)作。工作時(shí)，鋤齒與地面成一定角度入土，然后深入土中，切開(kāi)土壤，至最深位置時(shí)向后撬起土垡，并向后上方拋擲。三組工作鋤齒，相互成120°角交替完成入土、撬土、出土交替動(dòng)作。

2 茶園深耕機(jī)運(yùn)動(dòng)模型的建立

撬翻式茶園深耕機(jī)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖1 茶園深耕機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of deep-plowing machine for tea plantations

圖2 茶園深耕機(jī)的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig. 2 Kinematic diagram of deep-plowing machine for tea plantations

以搖桿的旋轉(zhuǎn)中心 O為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系xoy，x軸正向和茶園深耕機(jī)前進(jìn)方向相反，y軸正向垂直向上。設(shè)搖桿OC長(zhǎng)度為l1，機(jī)架OA長(zhǎng)度為l2，曲柄AB長(zhǎng)度為l3，上鋤臂BC長(zhǎng)度為l4，下鋤臂CD長(zhǎng)度為l5，撬翻式茶園深耕機(jī)的前進(jìn)速度為v，曲柄的旋轉(zhuǎn)角速度為ω，曲柄與x軸正向所成的角度為β，連桿與x軸負(fù)向所成的角度為γ，經(jīng)推導(dǎo)后撬翻式茶園深耕機(jī)的鋤齒端點(diǎn) D的運(yùn)動(dòng)方程為（1）；

假設(shè)曲柄的旋轉(zhuǎn)中心A距離地面的距離為H，則由式（1）可知鋤齒的耕作深度為（2）；

由于角度γ是隨著時(shí)間t和曲柄角速度ω變化的，并且它們之間的關(guān)系比較復(fù)雜，所以本文對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。假設(shè)角度γ與時(shí)間t、角速度ω的關(guān)系為γ=f（t，ω），對(duì)式（1）進(jìn)行時(shí)間的一階求導(dǎo)，得到鋤齒端點(diǎn)的速度方程（3）；

經(jīng)測(cè)量撬翻式茶園深耕機(jī)樣機(jī)的各桿件、角度參數(shù)分別為l1=290 mm，l2=400 mm，l3=130 mm。l4=350 mm，l5=320 mm，α=38°。將上述參數(shù)帶入式（2）中得，耕作深度為（4）。

由于上式含有未知變量γ，且該變量的精確變化范圍不能確定，因而Isight優(yōu)化求解、Excel規(guī)劃求解等方法不能確定最大耕作深度，只有經(jīng)過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)才能得到該機(jī)具的最大耕作深度。若茶園深耕機(jī)在此參數(shù)條件下未能滿(mǎn)足最大耕深25cm的要求，說(shuō)明桿件參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致材料、人工等成本的嚴(yán)重浪費(fèi)。為此在運(yùn)動(dòng)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真分析，設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足茶園深耕要求的撬翻式茶園深耕機(jī)。

3 茶園深耕機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真分析

機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件 ADAMS （ Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）是美國(guó)MDI公司（Mechanical Dynamics Inc.）開(kāi)發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件。用戶(hù)可以運(yùn)用該軟件非常方便地對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，能夠幫助工程師更好地理解系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)、解釋其子系統(tǒng)或整個(gè)系統(tǒng)即產(chǎn)品的設(shè)計(jì)特性，比較多個(gè)設(shè)計(jì)方案之間的工作性能，預(yù)測(cè)精確的載荷變化過(guò)程，計(jì)算其運(yùn)動(dòng)路徑，以及速度和加速度分布圖等。

3.1 幾何建模

雖然機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析軟件ADAMS并不是一款專(zhuān)業(yè)用于三維繪圖的軟件，它只具備簡(jiǎn)單的三維建模功能，但是對(duì)于一些結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的機(jī)械，在不影響其研究結(jié)果的情況下，可以利用ADAMS進(jìn)行簡(jiǎn)單的建模分析。從上文所述中可以看出，撬翻式茶園深耕機(jī)的工作原理是三組曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，在ADAMS環(huán)境中按機(jī)具的各桿件尺寸進(jìn)行簡(jiǎn)化建模。由于本文只研究其運(yùn)動(dòng)的變化規(guī)律，因而簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)沒(méi)有質(zhì)量，單位、柵格、重力等仿真環(huán)境設(shè)置都為軟件自帶的默認(rèn)參數(shù)。

按前文所述的桿件參數(shù)建立簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)［2-4］，其端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況反映了深耕機(jī)鋤齒的運(yùn)動(dòng)。建模后對(duì)其進(jìn)行約束添加，本簡(jiǎn)化模型主要用到旋轉(zhuǎn)副（Joint：Revolute）、固定副（Joint：Fixed）、移動(dòng)副（Joint：Translational）等約束。其中鋤齒上臂和鋤齒下臂的固結(jié)采用固定副，零件間的鉸接采用旋轉(zhuǎn)副，機(jī)架與大地（Grand）采用移動(dòng)副。對(duì)曲柄添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)（Rotational Joint Motion），設(shè)置曲柄的轉(zhuǎn)速；對(duì)機(jī)架添加移動(dòng)驅(qū)動(dòng)（Translational Joint Motion）設(shè)置機(jī)架的前進(jìn)速度。添加約束和驅(qū)動(dòng)后，軟件仿真的工作界面如圖3所示。

圖3 ADAMS仿真工作界面圖Fig.3 Simulation interface of ADAMS

3.2 仿真結(jié)果分析

設(shè)置仿真終止時(shí)間（End Time）為10，仿真工作步長(zhǎng)（Step Size）為0.01，系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，可得鋤齒端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律曲線(xiàn)圖。

圖4為鋤齒端點(diǎn)在垂直方向上的運(yùn)動(dòng)軌跡圖。從圖中可以看到，在前進(jìn)速度、轉(zhuǎn)速一定的條件下，鋤齒端點(diǎn)在 y軸上的分位移的最小值為：Min=-248.7089 mm。最小值為負(fù)值說(shuō)明是鋤齒端點(diǎn)在仿真系統(tǒng)中MARKERˉ22點(diǎn)建立的坐標(biāo)系y軸方向與入土方向相反。由圖中的最小值可以看出，鋤齒入土的最大垂直距離為248.7089 mm，即最大耕深為24.87089 cm（約為25 cm）。

圖5為鋤齒端點(diǎn)在垂直方向上速度和位移的仿真結(jié)果。從圖中可以得到，當(dāng)鋤齒端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到最大的耕作深度位置時(shí)，鋤齒端點(diǎn)的y軸分速度恰好為0，并且兩者的波形都與正余弦的波形相似。這說(shuō)明當(dāng)鋤齒耕作深度達(dá)到25 cm時(shí)，此時(shí)鋤齒只有水平的前進(jìn)速度，而無(wú)垂直方向上的速度，這致使鋤齒一邊隨機(jī)具前進(jìn)，一邊向后拋土，但鋤齒不再繼續(xù)向更大深度挖掘。

圖4 耕作深度的仿真結(jié)果Fig.4 Simulation tillage depth

圖5 鋤齒的位移和速度Fig.5 Displacement and velo of tine

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

2014年10月30日，于江蘇省鹽城市鹽海拖拉機(jī)制造有限公司的試驗(yàn)田進(jìn)行撬翻式茶園深耕機(jī)試驗(yàn)。由于不同土壤的堅(jiān)實(shí)度和含水率對(duì)撬翻式茶園深耕機(jī)產(chǎn)生的反作用力不同，進(jìn)而在本中就會(huì)對(duì)耕作深度的產(chǎn)生影響。當(dāng)堅(jiān)實(shí)度和含水率較低時(shí)，土壤對(duì)茶園深耕機(jī)的反作用力較小，土壤易于耕作，耕作深度會(huì)較大；反之，當(dāng)堅(jiān)實(shí)度和含水率較大時(shí)，土壤對(duì)茶園深耕機(jī)的反作用力較大，耕作深度會(huì)隨之減小。因而試驗(yàn)開(kāi)始之前，先對(duì)試驗(yàn)田地進(jìn)行堅(jiān)實(shí)度與含水率的測(cè)量，只有滿(mǎn)足實(shí)際茶園土壤物理參數(shù)的田地才可以進(jìn)行耕深試驗(yàn)。在測(cè)試區(qū)的內(nèi)對(duì)角線(xiàn)上取5點(diǎn)，每點(diǎn)按0～10、10～20、20～30 cm分層進(jìn)行測(cè)定，并分別算出分層和全層平均值。其中全層平均值作為土壤的物理參數(shù)。

土槽土壤堅(jiān)實(shí)度是用杭州邁煌科技有限公司生產(chǎn)的MH-JSD型土壤緊實(shí)度速測(cè)儀進(jìn)行測(cè)量。五個(gè)測(cè)試點(diǎn)的土壤全層平均堅(jiān)實(shí)度如表1所示。

用烘干法測(cè)量土壤的含水率，其測(cè)點(diǎn)與土壤堅(jiān)實(shí)度的測(cè)點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。每層取不少于30 g的土樣（去掉石塊和植物殘?bào)w等雜質(zhì)），裝入鋁盒后稱(chēng)重，放在105℃恒溫烘箱中烘烤約6小時(shí)，一直到質(zhì)量不變?yōu)橹埂Ｈ缓笕〕龇湃敫稍锲髦欣鋮s到常溫稱(chēng)重，并分別計(jì)算出分層和全層的平均土壤含水率，以全層的平均土壤含水率作為該點(diǎn)的含水率［5］。五個(gè)測(cè)試點(diǎn)的土壤全層平均含水率如表2所示。

由以上數(shù)據(jù)可知，試驗(yàn)田地的堅(jiān)實(shí)度為0.464MPa，含水率為 25.12%，該試驗(yàn)田地與茶園土壤的堅(jiān)實(shí)度和含水率差別不大，是一塊理想的試驗(yàn)用地并符合試驗(yàn)方法的規(guī)定和要求。因而可以進(jìn)行撬翻式茶園深耕機(jī)的耕深試驗(yàn)。撬翻式茶園深耕機(jī)掛接在鹽城市鹽海拖拉機(jī)制造有限公司生產(chǎn)的2FX-500L型履帶式拖拉機(jī)上，機(jī)器勻速前進(jìn)時(shí)，用耕深尺沿機(jī)組的前進(jìn)方向每隔2 m測(cè)量一點(diǎn)的最大耕作深度。測(cè)量時(shí)分為快、慢檔2個(gè)工況，每個(gè)工況測(cè)2個(gè)行程，每個(gè)行程各測(cè)5點(diǎn)，5點(diǎn)的平均值作為該行程下的平均最大耕作深度。測(cè)量結(jié)果如表3所示。

由上表可以看出，撬翻式茶園深耕機(jī)在不同工況下的最大耕作深度都能達(dá)到27 cm左右，比前文的仿真結(jié)果略高，誤差在8.4%左右，這是由于試驗(yàn)地不平和土壤的粘結(jié)性所導(dǎo)致的。仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了在此桿件參數(shù)條件下，撬翻式茶園深耕機(jī)滿(mǎn)足茶園深耕25 cm的要求，可以進(jìn)行茶園深耕機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)。

表1 五個(gè)測(cè)試點(diǎn)的堅(jiān)實(shí)度Table 1 Solid of the five test points

表2 五個(gè)測(cè)試點(diǎn)的含水率Table 2 Moisture contents in soil at 5 testing sites

表3 測(cè)試點(diǎn)的耕作深度Table 3 Tillage depths at 5 testing sites

5 結(jié)論

在常規(guī)的機(jī)械設(shè)計(jì)中，往往需要人為地不斷修改設(shè)計(jì)參數(shù)以達(dá)到設(shè)計(jì)要求，這需要大量的重復(fù)工作。本文利用ADAMS軟件對(duì)撬翻式茶園深耕機(jī)進(jìn)行建模與運(yùn)動(dòng)仿真，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)相比較，結(jié)果表明，該條件下的桿件參數(shù)滿(mǎn)足茶園深耕要求。將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用到撬翻式茶園深耕機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，能夠仿真分析各種參數(shù)對(duì)機(jī)器工作性能的影響，仿真結(jié)果為進(jìn)一步進(jìn)行撬翻式茶園深耕機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

［1］ 王葉紅.茶園土壤耕作技術(shù)［J］.安徽林業(yè)，2006，（5）：37-38.

［2］ 鄭建榮.ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)入門(mén)與提高［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［3］ 李增剛.ADAMS入門(mén)詳解與實(shí)例［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

［4］ 王成，王效岳.虛擬樣機(jī)技術(shù)及ADAMS［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2004，（12）：66-68.

［5］ 國(guó)家機(jī)械工業(yè)局.JB/T 9803.2-1999.中華人民共和國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：耕整機(jī)試驗(yàn)方法［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

ADAMS Modeling and Kinematic Analysis on Deep-plowing Machine for Tea Plantations

LI Kun，XIAO Hong-ru*，SONG Zhi-yu，MEI Song，DING Wen-qin，HAN Yu
（Nanjing Research Institute of Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture，Nanjing，Jiangsu 210014，China）

Applying the software， ADAMS， a virtual prototype model for a deep-plowing machine was constructed. A kinematic simulation analysis using the model to evaluate the operational characteristics including velocity and vertical displacement for tea plantations was conducted. The results suggested that the tested machine would satisfy the requirements for the purpose of deep tillage on a tea plantation. Furthermore， the information obtained could also be valuable for the design of an improved deep-plowing machine.

deep-plowing machine； tea plantation； ADAMS； virtual model； kinematic simulation analysis

S233.1

A

2014-12-30 初稿；2015-03-05 修改稿

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)茶葉產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARSˉ23）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專(zhuān)項(xiàng)（201303012）；中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程——果蔬茶類(lèi)收獲機(jī)械創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)。

李坤（1989-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)。E-mail:ddlikun19891119@163.com

肖宏儒（1957-），研究員，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)裝備技術(shù)。E-mail:xrh2712@sina.com