遲宏偉，劉宏俊，趙淑紅，譚賀文，張先民，楊悅乾

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院，哈爾濱 150081；2.東北農(nóng)業(yè)大學 工程學院，哈爾濱 150030)

?

3ZT-3型中耕追肥機受力分析及運動仿真

遲宏偉1，劉宏俊2，趙淑紅2，譚賀文2，張先民2，楊悅乾2

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院，哈爾濱 150081；2.東北農(nóng)業(yè)大學 工程學院，哈爾濱 150030)

針對3ZT-3型中耕追肥機進行受力分析，確定牽引角對整機穩(wěn)定性的影響；在ADAMS/View中建立基于3ZT-3型中耕追肥機的虛擬樣機仿真模型，根據(jù)各構(gòu)件運動狀態(tài)，添加相應的約束，并對仿真模型進行檢驗。在仿真分析結(jié)束后選取相關(guān)點，觀察分析其運動軌跡圖。仿真分析結(jié)果表明：牽引角的變化量在-100～+100之間,仿形效果能夠滿足中耕農(nóng)藝要求，該研究可為中耕追肥機的優(yōu)化及后續(xù)動力學仿真分析奠定理論基礎(chǔ)。

中耕；追肥；受力分析；ADAMS；運動仿真

0 引言

隨著保護性耕作技術(shù)逐步推廣，對中耕的施肥機施肥質(zhì)量的要求也逐步提高[1-3]。保護性耕作要求地表有大量的殘茬及秸稈覆蓋，同時土壤硬度大，嚴重地影響了傳統(tǒng)施肥機施肥作業(yè)穩(wěn)定性[4]。若施肥機的穩(wěn)定性差，不易保證施肥深度穩(wěn)定，容易出現(xiàn)施肥過深或過淺的現(xiàn)象，將導致幼苗對肥料吸收不足，造成肥料浪費，降低中耕施肥作業(yè)質(zhì)量[5-7]。為了提高施肥機的施肥質(zhì)量,保證施肥機的穩(wěn)定性，采用控制深度的機構(gòu)。控制深度機構(gòu)主要是電液自控仿形機構(gòu)和平行四桿仿形機構(gòu)，前者造價高，設計過于復雜，后者更適于在農(nóng)業(yè)機械上的應用[8-11]。針對施肥機工作穩(wěn)定性差等問題，根據(jù)中耕機要求，采用平行四桿仿形機構(gòu)，設計出3ZT-3型中耕追肥機，可保證施肥深度一致，滿足中耕農(nóng)藝的要求。

為了驗證3ZT-3型中耕追肥機設計的合理性，對該追肥機進行了受力分析，確定了影響施肥機穩(wěn)定性的主要因素；運用ADAMS軟件，建立基于3ZT-3型中耕追肥機的虛擬樣機仿真模型，并對其進行運動學仿真分析，驗證了設計的合理性，為下一步提高施肥機的動力學仿真分析和實際生產(chǎn)提供參考。

1 中耕追肥機整機機構(gòu)及工作原理

3ZT-3型中耕追肥機主要由機架、仿形機構(gòu)、肥箱、單體梁、松土除草部件、施肥鏟及傳動地輪等組成，如圖1所示。該機可以進行3行施肥作業(yè)，通過前后配置除草鏟，實現(xiàn)分層松土除草作業(yè)；通過單體兩側(cè)配置除草鏟，實現(xiàn)在壟幫兒施肥。

1.機架 2.仿形機構(gòu) 3.肥箱 4.單體梁 5.后置松土除草鏟 6.施肥鏟 7.前置松土除草鏟 8.傳動地輪

在施肥作業(yè)過程中，平行四桿仿形機構(gòu)保證施肥機單體在高低起伏的地面作業(yè)時作業(yè)深度保證穩(wěn)定，控制施肥深度一致。

2 中耕追肥機整機受力分析

3ZT-3型中耕追肥機主要通過U型卡連接主梁和作業(yè)單體。在中耕作業(yè)過程中，伴隨著壟溝高低不平和壟溝里秸稈覆蓋不均勻等因素，機器在施肥過程中受力的大小和方向一直在變化。追肥單體中的四桿仿形機構(gòu)決定著追肥機的穩(wěn)定性。對3ZT-3型中耕追肥機進行受力分析，可以為主要關(guān)鍵部件的設計和作業(yè)可行性提供依據(jù)。該追肥機由3個施肥單體組成，工作時，3個單體的受力相同。因此，本文以1個施肥單體進行受力分析。四桿仿形的上下拉桿的受力主要集中在下拉桿。為了簡化分析過程，將觸土部件(松土除草鏟和施肥鏟)看成一個部件進行受力分析，具體分析如圖2所示。圖2中，M為牽引主距；Fx和Fy為牽引力在xy方向的分力；FQx和FQy為傳動地輪所受的阻力在xy方向的分力；FRx和FRy為觸土部件在xy方向的分力；H為各個力到仿形拉桿末端的距離。

圖2 追肥機的受力分析圖

仿形機構(gòu)的平衡條件為

Fx-FRx-FQx=0

(1)

Fy+FRy+FQy-G=0

(2)

(3)

式中 α—牽引角(°)；

M—仿形機構(gòu)力矩(N·mm)；

G—機具重力(N)。

其中，F(xiàn)Rx和FRy存在線性關(guān)系，F(xiàn)Qx和FQy也存在線性關(guān)系，具體關(guān)系為

FQx=μFQy

(4)

FRx=fFRy

(5)

式中f—施肥鏟與土壤的摩擦因數(shù)；

μ—傳動地輪與土壤的阻力因數(shù)。

(6)

由上述公式可知：當機器的重力G和地輪的垂直反力FQy一定時，隨著α的增大，F(xiàn)R將減少。FR與入土深度有關(guān)，F(xiàn)R越小，觸土部件入土深度越淺。由此可知：α不易過大，應保持在一定范圍內(nèi)。作業(yè)時，仿形拉桿上下浮動的浮動范圍小時，則FR穩(wěn)定。這說明觸土部件入土深度穩(wěn)定，則可保證施肥深度穩(wěn)定，進而增加機器的整體穩(wěn)定性。

3 基于ADAMS軟件的運動仿真

ADAMS軟件主要針對機械系統(tǒng)的運動學與動力學進行仿真計算，主要由ADAMS/View模塊和ADAMS/Solver模塊組成。ADAMS/View模塊通過自身建模或?qū)肴S模型，采用約束將模型鏈接，通過裝配成為系統(tǒng)，利用外力或者運動對其進行驅(qū)動。ADAMS/Solver模塊支持多種分析類型，包括運動學、靜力學和動力學分析。采用ADAMS軟件設計虛擬樣機進行仿真，為設計人員提供新的研發(fā)模式，可以縮短開發(fā)周期，減少產(chǎn)品研發(fā)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量[12]。

3.1 幾何建模

在保證仿真分析結(jié)果真實可靠和仿真效率的前提下，忽略與運動過程無關(guān)的因素，進而簡化建模過程，建立基于3ZT-3型中耕追肥機的虛擬仿真模型。在ADAMS/View中，根據(jù)施肥機各部件的實際結(jié)構(gòu)尺寸，對仿形桿、地輪和施肥單體進行參數(shù)化建模，得到相應的虛擬樣機模型。地面則有相應的坐標設計點生成，可以很容易地改變模型。

3.2 施加約束和運動

在各部件建模完成后，根據(jù)各構(gòu)件之間運動關(guān)系，添加相應的約束，獲得相應的虛擬樣機的機械系統(tǒng)。仿形體與機架、仿形桿與施肥單體和地輪與施肥單體采用旋轉(zhuǎn)副將構(gòu)件鏈接。機架與大地之間選擇運動副，大地固定約束，機架的運動速度為6 km/h。地輪與大地之間添加線線接觸約束，可以避免地輪在高低不平的地面產(chǎn)生脫離。虛擬仿真具體約束如表1所示。虛擬樣機仿真模型如圖3 所示。

表1 主要部件的約束關(guān)系

圖3 虛擬樣機仿真模型

3.3 模型檢驗

在虛擬仿真計算之前，對虛擬樣機模型進行驗證，確保系統(tǒng)的構(gòu)成、系統(tǒng)自由度、定義質(zhì)量的構(gòu)件、約束等信息均正確，同時在建模過程中，也可以進行模型驗證，可保證模型的準確性及虛擬仿真能完成。采用自檢工具對模型進行最后的檢驗的結(jié)果如圖4所示。

圖4 模型自檢信息

3.4 仿真結(jié)果分析

在虛擬仿真分析過程中，觀察虛擬樣機的實時工作過程，獲得各個部件的運動狀態(tài)。選擇地輪的中心、施肥單體與開溝器接觸點，生成相應的運動軌跡。由圖5可知：虛擬樣機中的地輪隨著地面的高低起伏進行運動，施肥鏟等工作部件相對于地面產(chǎn)生了相應的變化，表明該虛擬樣機的可行性；仿形機構(gòu)的仿形滯后現(xiàn)象低，仿形效果好，其軌跡形狀更加接近于實際地形，保證了設計的合理性。

圖5 運動軌跡圖

圖6中表示的是在仿真時間350s內(nèi)，仿形桿相對于機架繞著z軸的角位移、角速度的運動變化圖。由圖6中可知：在仿真時間在0～275s之間時，虛擬樣機地面不平整，角位移穩(wěn)定在-10°～+10°之間，未出現(xiàn)過大的現(xiàn)象，滿足牽引角α不易過大的要求，表明設計合理；在仿真時間在275～300 s之間時，虛擬樣機在平整的穩(wěn)定運行，角位移不發(fā)生變化。仿真分析結(jié)果表明：該整機的適應性好，滿足設計要求。

圖6 施肥機運動參數(shù)曲線

4 結(jié)論

1)針對施肥機進行受力分析，確定了牽引角α是影響3ZT-3型中耕追肥機穩(wěn)定性的主要因素。

2)建立了基于3ZT-3型中耕追肥機的虛擬樣機仿真模型。

3)運用ADAMS軟件對虛擬樣機仿真模型進行仿真分析，得到牽引角的變化量在-10°～+10°之間,虛擬樣機穩(wěn)定性好，滿足設計要求。

[1] 朱瑞祥, 張軍昌, 薛少平, 等.保護性耕作條件下的深松技術(shù)試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報, 2009 (6): 145-147.

[2] 孔德軍, 高煥文, 張永康, 等.保護性耕作條件下淺松作業(yè)的試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學報, 2006, 37(5): 48-50.

[3] 李振.中耕追肥機施肥鏟的設計與試驗研究[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學, 2014.

[4] 馬永財, 張偉, 李玉清, 等.播種機單體兩種仿形機構(gòu)的研究[J].農(nóng)機化研究, 2011, 33(8): 101-103.

[5] 王吉亮, 王序儉, 曹肆林, 等.中耕施肥機械技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].安徽農(nóng)業(yè)科學, 2013 (4): 1814-1816.

[6] 吳波, 李問盈, 李洪文, 等.壟臺修復中耕施肥機的設計[J].農(nóng)業(yè)工程學報, 2008, 24(9): 99-102.

[7] 崔歡虎, 王娟玲, 王裕智, 等.作物苗期中耕保墑追肥機的研制與應用[J].農(nóng)機化研究, 2008 (11): 91-94.

[8] 趙淑紅, 蔣恩臣, 閆以勛, 等.小麥播種機開溝器雙向平行四桿仿形機構(gòu)的設計及運動仿真[J].農(nóng)業(yè)工程學報, 2013, 29(14): 26-32.

[9] 白曉虎, 張祖立.基于 ADAMS 的播種機仿形機構(gòu)運動仿真[J].農(nóng)機化研究, 2009, 31(3): 40-42.

[10] 閆以勛.壟間套播冬小麥免耕播種機關(guān)鍵部件的研究[D]. 哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學, 2012.

[11] 滕悅江, 楊自棟.苗帶清整型夏棉精量免耕播種機設計[J].農(nóng)機化研究, 2014, 36(10): 88-91.

[12] 范成建, 熊光明, 周明飛.虛擬樣機軟件 MSC· ADAMS 應用與提高[M].北京：機械工業(yè)出版社, 2006.

Force Analysis and Motion Simulation of the 3ZT-3 Cultivator Fertilizer Machine

Chi Hongwei1， Liu Hongjun2, Zhao Shuhong2, Tan Hewen2, Zhang Xianmin2， Yang Yueqian2

(1.Science Research Institute of Agricultural Mechanical Engineering in Heilongjiang， Harbin 150081,China; 2.College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

In order to determine the traction angle influence on the stability of the whole machine, force analysis on the 3ZT-3 cultivator fertilizer machine is performed. Based on the 3ZT-3 cultivator fertilizer machine，the virtual motion simulation model is desgined by the ADAMS simulation software. Depending on each component state of motion each motion, the corresponding constraints are added, and the test simulation model is tested. After the simulation analysis ,the relevant points are selected for observing analysis of the trajectory.The simulation results show that the traction angle variation between -10°～+10° which meet the requirements of cultivating agronomy. This paper is using for the optimization of cultivator fertilizer machine.The theoretical basis of this paper is using for the subsequent dynamics simulation analysis.

cultivator; fertilizer shovel; force analysis; ADAMS; motion simulation

2016-03-10

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD11B01-02)

遲宏偉(1967-)，女，黑龍江密山人，高級工程師，(E-mail)1050292909@qq.com。

趙淑紅(1969-)，女，哈爾濱人，教授，博士生導師，(E-mail)shhzh91@sina.com。

S224.21

A

1003-188X(2017)01-0015-04