李世云，孫文磊，洪榮榮

(1.新疆石河子職業(yè)技術學院，新疆 石河子　832000；2.新疆大學 機械工程學院，烏魯木齊　830008)

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基于ADAMS的采棉機摘錠運動規(guī)律分析及軌跡仿真

李世云1，孫文磊2，洪榮榮2

(1.新疆石河子職業(yè)技術學院，新疆 石河子832000；2.新疆大學 機械工程學院，烏魯木齊830008)

摘要：機械采棉已經成為棉花采摘發(fā)展的必然趨勢，而采棉機目前仍依賴進口。進口采棉機具有較好的使用性能，但其關鍵部件摘錠不僅價格高而且維修困難，因此采棉機國產化首要解決的是采摘關鍵部件及摘錠結構優(yōu)化問題。為此，主要對采棉機摘錠運動規(guī)律進行分析，基于ADAMS對采棉機采摘頭關鍵部件摘錠進行運動軌跡仿真，獲取了相關參數(shù)和軌跡，實現(xiàn)以軌跡為基礎的創(chuàng)新設計。同時，判斷采摘機構設計合理性，為國產采棉機采摘部件設計提供研究基礎。

關鍵詞：摘錠；ADAMS；運動軌跡；仿真

0引言

近年來，我國棉花種植規(guī)模保持在466.7萬hm2以上，而棉花生產的人工采摘費用在以新疆為主的西北內陸棉區(qū)已高達9 900～19 500元/hm2。伴隨著勞動力資源的持續(xù)短缺，棉花的機械化采收已成為必然趨勢。在我國主產棉區(qū)新疆、黑龍江等地目前廣泛使用的采棉機以美國約翰迪爾公司、凱斯公司及國產貴航股份公司生產的采棉機為主。其中，約翰迪爾的產品具有科技含量高、性能出眾等特點，典型代表為約翰迪爾7760采棉機；凱斯代表產品ME625型采棉機集采摘打模功能于一體，能夠產生最大的采摘效率。兩種產品均有人工投入少、機械化程度高、效率高等優(yōu)勢，符合發(fā)達國家生產機械化的國情。但其高昂的售價令我國的許多棉農望而卻步，如迪爾7760售價435萬元，與國內貴航采棉機相比高出280萬元。因此，支持國產采棉機發(fā)展具有非常重要的戰(zhàn)略意義。現(xiàn)有國產貴航水平摘錠式4MZ-5型采棉機國產化不足，核心部件摘錠存在價格昂貴、維修困難且依賴進口等弊端。這些問題嚴重制約國產采棉機的發(fā)展，攻克摘錠核心技術成為推廣國產采棉機的工作重點與難點。

本文在對水平摘錠式采棉機的采摘原理和摘錠的運動過程進行分析的基礎上，對摘錠的運動軌跡及運動形態(tài)進行仿真與分析，找出摘錠的運動規(guī)律，旨在為優(yōu)化水平摘錠式采棉機采摘機構的性能提供借鑒。

1采摘原理與摘錠運動過程分析

采棉機是一種根據(jù)棉花棉鈴吐絮程度進行多次采摘籽棉的現(xiàn)代化收獲機械。此類機器按照采摘棉花的關鍵部件摘錠而被統(tǒng)稱為摘錠式采棉機。按摘錠與地面的相對位置該類采棉機又可分為水平摘錠式與垂直摘錠式[4]。本文以目前應用最為廣泛的水平摘錠式采棉機為例進行分析，如圖1所示。

采棉工作單體是水平摘錠式采棉機采摘棉花的直接部件，主要由摘錠滾筒、脫棉圓盤、淋洗器、傳動系統(tǒng)等組成。兩個摘錠滾筒按前后或左右排列在采棉單體上。在摘錠座管外安裝的是纏繞棉花的摘錠，內部安裝的是能使摘錠旋轉起來的傳動裝置。此外，在摘錠座管上部安裝有導向作用的曲拐。采棉滾筒在作業(yè)時，每個摘錠座管總成相對滾筒回轉中心旋轉，可以認為是“公轉”；管座上的摘錠隨管座轉動的同時也按一定的方向自行轉動，稱之為“自轉”[4]。

采摘棉花時工作過程如下：首先由分禾器把前方采摘范圍內的棉株聚攏擠壓進采摘室，而后旋轉的摘錠按固定的運動軌跡插入被聚攏擠壓的棉株內；當遇到吐絮的籽棉時，摘錠上布滿的溝齒就會掛住籽棉，籽棉隨著摘錠的旋轉不斷從棉鈴中被扯出，并一層層纏繞在摘錠上，最終摘錠隨著滾筒逐漸由采摘室退出而進入脫棉區(qū)。在脫棉區(qū)，旋轉著的摘錠與反向旋轉的脫棉盤相遇，籽棉便在脫棉盤反向摩擦力的作用下，從摘錠上被剝落。脫落的籽棉集中在集棉室內，最終因為分機氣道產生的負壓經吸入門、風桶后被送入棉箱，完成一次采摘過程。脫掉籽棉的摘錠隨滾筒轉到濕潤器處進行清潔，隨后再開始下一輪作業(yè)，采摘過程如圖2所示[4]。

(a)結構圖　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)實物模擬

1.分禾器　2.摘錠　3.采棉滾筒　4.柵板　5.積棉室

2摘錠動力學建模與運動規(guī)律分析

本文采用ADAMS軟件對采棉機摘錠進行動力學建模與運動規(guī)律分析。ADAMS軟件包含了基本模塊、擴展模塊、接口模塊、專業(yè)領域模塊及工具箱5類模塊，可用于研究復雜機構的運動關系與動力關系。本文利用它對摘錠建立數(shù)學模型后進行仿真分析，其結果可以用來驗證其他設計對象是否合理。ADAMS仿真系統(tǒng)中構件與構件或與地面間需添加運動副，可以用系統(tǒng)廣義坐標表示為代數(shù)方程，進而建立運動學方程。

2.1　ADAMS運動學方程的建立

設運動副的約束方程個數(shù)為nh，則系統(tǒng)廣義坐標下的運動學方程為

(1)

由機構系統(tǒng)運動分析可知，確定運動需要機構系統(tǒng)的自由度為0，給系統(tǒng)1個等于自由度(nc-nh)的驅動約束為

ΦD(q,t)=0

(2)

一般來說，驅動是一種函數(shù)，由系統(tǒng)廣義坐標和時間構成。式(1)和式(2)組合成系統(tǒng)所受的總約束為

(3)

式(3)為系統(tǒng)方程，由nc個廣義坐標下的nc個非線性方程組組成。

2.2　ADAMS運動學方程的求解算法

系統(tǒng)的約束方程為

Φ(q,tn)=0

(4)

根據(jù)式(4)的Newton-Raphson迭代法可求得運動的構件在某一時刻tn的位置

ΦqjΔqj+Φ(qj,tn)=0

(5)

其中，Δqj=qj+1-qj，表示第j次迭代。

此刻速度為

(6)

此刻加速度為

(7)

2.3　摘錠運動規(guī)律分析

采棉機在采摘作業(yè)時，結合采摘頭滾筒、脫棉盤及濕潤器的位置分布得到的摘錠軌跡圖如圖3所示；不難看出，采摘工作區(qū)間位于扣環(huán)處如圖4所示。從扣環(huán)狀的軌跡可得：摘錠在工作區(qū)間改變過方向；進入扣環(huán)區(qū)即進入采摘工作區(qū)，扣環(huán)極點周圍即摘錠抓取并纏繞棉花的區(qū)間；走出扣環(huán)區(qū)，摘錠開始進入脫棉區(qū)。由軌跡線可知：進入脫棉區(qū)的過程中，摘錠與脫棉盤之間的夾角變化不大，這樣有助于順利脫棉。接著，摘錠進入濕潤摘錠的區(qū)間，在此區(qū)間，摘錠角度變化與脫棉區(qū)相仿。

圖3　采頭各部件位置分布

圖4　采棉機實際作業(yè)摘錠相對地面軌跡圖

3摘錠運動軌跡仿真

摘錠運動軌跡的仿真就是利用運動學軟件對摘錠運動軌跡進行模擬。首先用三維建模軟件構建采摘機構及摘錠的三維模型，而后將三維模型導入仿真軟件進行運動仿真及分析。本研究內容采用UG進行三維建模，在此不再贅述。由于ADAMS易掌握，功能強大，所以選擇它作為仿真工具。

在ADAMS中構建采棉機采摘頭部件的動力學模型，并對模型進行驗證，模型驗證正確無誤后對其進行仿真。首先將裝配無誤的滾筒簡化為模型，對模型各部件進行材料賦予；其次，在各部件間添加合理的運動副。添加運動副的難點是滾輪的點線約束，這里的點是曲拐上端的中心點，線為凸輪中心曲線；另外，由于傳動盤與滾筒同時轉動，因此對這兩個部件進行聯(lián)合同步運動。摘錠運動軌跡仿真的難點在于摘錠的擺動，摘錠的擺動由座管的擺動引起。座管的擺動是由其底端的旋轉副與座管上端固定連接的曲拐的點線副造成的，而座管與轉盤之間沒有運動副，這使仿真過程變得簡單。

運動副添加完畢后添加驅動。由滾筒傳動分析可知：摘錠公轉與擺動的動力來自滾筒中心軸(這里將中心軸簡化為一個桿)，然后中心軸帶動轉盤，轉盤帶動座管，座管沿軌跡運動。為便于操作，這里將驅動賦予了轉盤的旋轉副。仿真模型如圖5和圖6所示。

圖5　仿真模型組成

圖6　仿真運動副的組成

最后，獲取軌跡曲線，這是摘錠運動軌跡仿真成功的關鍵所在。ADAMS提供了便捷的測量工具，只需確定被測對象的各點位置，設定測量周期即可方便獲得其運動曲線圖。ADAMS獲取的軌跡曲線的點需是質心，因此在摘錠末端創(chuàng)建微小球體并附加為一體，然后以球體質心marker點為對象來獲取軌跡、軌跡運動的位移及角度變化曲線圖。

因為仿真結果是建立在特定工作環(huán)境下的，因此在獲取摘錠的軌跡線時必須賦予仿真系統(tǒng)所需的技術參數(shù)和特定的工作條件。根據(jù)相關資料得知：采棉機作業(yè)時正常采收速度為5.8km/h,即1.61m/s；采頭滾筒的轉速為152r/min,即912°/s。

為獲得摘錠的絕對運動軌跡，在運動仿真中設定采棉機運動方向為水平向右，對滾筒簡化模型賦予水平移動，逆時針旋轉；賦予轉盤相對中心軸一個轉動驅動，凸輪相對地面一個移動驅動，同時將移動驅動設置為1.61m/s，轉動驅動設置為912°/s，仿真得到摘錠的絕對運動軌跡如圖7所示。圖7中上部分為棉行分布區(qū)。

圖7　摘錠末端對地軌跡圖

為進一步分析摘錠末端對地軌跡，將1個周期內的摘錠運動分為12部分來描述。如圖8所示，對地軌跡1~12，是摘錠1個運動周期的軌跡位置分布。摘錠的位置分布受采棉機前進速度與滾筒轉速的雙重影響。水平運動與旋轉運動合成摘錠的絕對運動軌跡。由圖8可以看出：摘錠運動周期軌跡呈扣環(huán)狀，兩扣環(huán)之間軌跡呈弧形，與前述實際運動軌跡一致。

在實際應用中，可通過衡量上述摘錠運動軌跡與有效軌跡匹配的程度，對摘錠軌跡形狀特征進行精確量化描述與誤差計算，進而獲取有效的參數(shù)。

圖8　摘錠末端對地軌跡分解圖

4結束語

闡述了采棉機在我國的使用現(xiàn)狀，對采棉機的采摘原理與摘錠的運動過程進行分析，在此基礎上使用ADAMS軟件的相關理論與功能對摘錠的運動軌跡進行了基于實際工作情形的仿真分析。該仿真結果可以作為相關科研部門在優(yōu)化采棉機的采摘機構時，通過對摘錠的運動軌跡進行仿真匹配來判斷機構設計合理性的重要依據(jù)，進而實現(xiàn)以軌跡為基礎的創(chuàng)新設計。

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Abstract ID:1003-188X(2016)09-0074-EA

ADAMS-based Cotton Picker Spindle Motion Analysis and

Trajectory Simulation

Li Shiyun1， Sun Wenlei2， Hong Rongrong2

Abstract：Mechanical cotton Picker has become an inevitable trend of cotton harvesting, cotton is still dependent on imports. Imported cotton Picker has a good performance, but the spindle is not only higher prices of key components and maintenance difficulties,cotton picking key domestic priorities are components and structural optimization of spindle.This paper focuses on the cotton picker spindle motion analysis based on ADAMS for cotton picking heads spindle trajectory simulation of key components, gets the parameters and paths.Realization of trajectory-based innovative design, judge-picking mechanism design rationality,for domestic cotton picking parts is designed to provide basic research.

Key words：spindle; ADAMS; trajectory；simulation;cotton picker

中圖分類號：S225.91+2

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0074-04

作者簡介：李世云(1976-)，女(回族)，寧夏海原人，副教授，碩士，(E-mail)1003284059@qq.com。

基金項目：新疆維吾爾族自治區(qū)科技支疆項目(2013911032)

收稿日期：2015-08-18