張 莉，郭巧惠，徐 嘉

( 1.武漢晴川學院，武漢 430064；2.福建農(nóng)林大學 金山學院，福州 350001)

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基于ADAMS的花生收獲機清選裝置設計與仿真研究

張 莉1，郭巧惠2，徐 嘉1

( 1.武漢晴川學院，武漢 430064；2.福建農(nóng)林大學 金山學院，福州 350001)

花生清選分離是花生收獲機作業(yè)過程中最重要的項目之一，是收獲機的核心部件，其性能的好壞直接關系到收獲機的作業(yè)質量，其主要的指標是含雜率與損失破碎率。為了提高花生清選分離裝置的設計效率、縮短設計周期，提出了一種基于ADAMS的花生收獲機清選裝置虛擬設計和仿真方法，并對核心部件做了重點設計，包括輪軸和星型輪。利用非自由質點坐標系和廣義坐標系，結合拉格朗日方程的位置和速度約束，建立了清選裝置的機械系統(tǒng)運動學微分方程。使用ADAMS軟件對不同轉速條件下的輪軸工作效果進行了動力學仿真，得到了3種不同速度下的Y軸速度曲線，通過比較曲線的震動效果，選擇合適的輪軸轉速，對花生收獲機的優(yōu)化設計具有重要的借鑒意義。

花生收獲機；清選裝置；虛擬仿真；ADAMS軟件；星型輪

0 引言

花生是我國重要的農(nóng)作物，但長期以來都是使用人力對花生進行收獲，并將果實進行人工采摘，耗費了大量人力，并且效率低。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化水平的提高，花生自動收獲也逐漸成為可能；但花生自動收獲機還處于初始研究階段，技術還不成熟，尤其是我國對于花生收獲裝置的研究還沒有取得顯著性的進展，其技術瓶頸是花生的清選分離裝置?；ㄉ暹x裝置的分類主要包括風選、篩選及比重選等形式，由于花生和其他谷物類的形狀不同，決定了花生清選分離裝置需要不同的特征形狀。本研究主要采用ADAMS軟件對花生清選裝置進行虛擬仿真，可以有效地提高裝置的設計效率，縮短設計周期，從而實現(xiàn)清選裝置的優(yōu)化設計。

1 總體結構及工作原理

花生的清選分離裝置是將花生果實以外的莖稈和枝葉等進行分離，是花生收獲的一個非常重要的作業(yè)步驟，是花生收獲機的核心部件，對花生收獲機的工作質量起到?jīng)Q定性的作用。花生分離裝置主要利用星型輪的作用對花生收獲機的混合物進行分離，星型輪的運動方式為旋轉運動。在花生采摘混合物前進過程中，在星型輪的作用下，花生和混合物分離，并從星型輪的間隙漏下，而莖稈和枝葉沿著星型輪的方向排出，其結構原理如圖1所示。

1.星型輪 2.輪軸圖1 星型輪軸結構原理圖Fig.1 The structure schematic diagram of star wheel axle

星型輪的結構為圓弧結構，可以降低齒輪對花生的作用力，避免造成果實傷害。在輪軸方向并行地分布了很多星型輪，將混合物的莖稈和枝葉分離出來，達到一級清選的目的。星型輪和輪軸是清選裝置的關鍵部件，可以根據(jù)花生分離混合物的特征，從星型輪的旋轉速度、幾何尺寸、幾何形狀及排列方式等方面進行研究設計，并建立關鍵部件的虛擬樣機模型，其流程如圖2所示。首先通過Pro/E軟件建立裝置的虛擬樣機實體模型，然后在ADAMS軟件中建立ADAMS和Pro/E的接口MECHANISM/Pro；將建立好的實體模型轉到ADAMS/Vie模塊中，在ADMSA軟件中對虛擬樣機模型施加邊界條件約束，并重點對星型輪和輪軸的動力特性進行驗證，使其工作流程和實際生產(chǎn)相結合，輸出滿意的計算結果，從而達到優(yōu)化設計的目的。

圖2 虛擬樣機模型建立的流程Fig.2 The process of virtual prototype model

2 基于ADAMS的機械系統(tǒng)動力學方程

花生收獲機清選裝置虛擬樣機模型的機械系統(tǒng)可以使用非自由質點坐標系來表示，然后使用廣義坐標系表示動力學方程，從而可以得到拉格朗日方程，在方程上進行位置和速度約束，便可以建立清選裝置的機械系統(tǒng)運動學微分方程。對于ADAMS軟件，可以用剛體j的直角坐標和歐拉角作為廣義坐標，則廣義坐標可以表示為pj=[x,y,z,ψ,φ,φ]jT，則對于n個運動系統(tǒng)，則有p=[p1,p2,...,pn]T，則清選裝置機械系統(tǒng)的運動微分方程可以表示為

(1)

其中，D表示整個系統(tǒng)的動能；Q表示廣義力矩陣；p表示廣義坐標的列陣；ρ表示完整拉格朗日乘子列陣；μ表示非完成約束的拉格朗日乘子列陣；φ(p,t)=0表示完整約束方程，ф(q,q,t)=0表示非完整約束方程。令μ-p=0，將式(1)降階為一階代數(shù)微分方程，其表達式為

(2)

(3)

ADAMS對于微分方程的求解默認使用的是GSTIFF積分器，該積分器采用Gear積分和泰勒級數(shù)，在t時刻對tn+1時刻的狀態(tài)向量y和yn+1進行預測，可以通過六階插值多項式推導得到，則有

(4)

(5)

(6)

迭代校正的公式為

(7)

其中

Δpk=pk+1-pk;Δuk=uk+1-uk;Δλk=λk+1-λk

(8)

由式(5)可得

(9)

由式(6)可得

?G/?p=(1/hβo)I ?G/?u=I

(10)

將式(9)與式(10)代入到式(7)可得

(11)

3 花生收獲機清選裝置虛擬設計和仿真

為了實現(xiàn)花生收獲機清選裝置的優(yōu)化，本研究采用ADAMS軟件作為虛擬仿真計算工具，并采用Pro/E軟件建立清選裝置的模型。建立好的模型保存為Parasolid(*x-t)格式，并保存在一定的文件目錄下；然后在ADAMS/View模塊中，選擇Import a file，從保存的目錄文件下選擇建立的裝置模型，點擊ok便可以導入模型，其界面如圖3所示。

圖3 ADAMS導入Pro/E模型的過程Fig.3 The process of introducing Pro/E model into ADAMS

導入模型后需要對模型的材質進行設置：輪軸采用鋼結構材料，選擇steel材質；星型輪采用PVC材料，由于軟件中缺少這種材料，所以可以選擇Geometry and Density，將其密度設置為1600.0(kg/meter**3)，如圖4所示。

圖4 星形輪和輪軸材質設置Fig.4 The material setting of the star wheel and axle

修改旋轉副的速度時，可以點擊Modify，從而得到Motion設置欄，在Function(time)一欄中可以改變轉速，將轉速改為100r/min和300r/min，通過計算可以得到不同轉速條件下Y向的速度隨時間變化曲線。

圖5表示轉速為200r/min時Y軸向速度隨時間變化曲線。為了完成清選工作，輪軸在運動時需要上下振動，相當于日常的篩子，通過震動可以將花生更加容易地震落。理論上震動的幅度越大越好，但過大也可能造成花生果實的損傷。由圖5可以看出：當轉速為200r/min時，Y軸方向有明顯的震動幅度，但是震動的幅度較小。

圖5 轉速200r/min時Y軸向速度Fig.5 Y-axial velocity at the speed of 200r/min

圖6表示轉速為100r/min時Y軸向速度隨時間變化曲線。由圖6可以看出：當轉速為100r/min時，Y軸方向有明顯的震動幅度，但是通轉速為200r/min相比，震動幅度更小。

圖6 轉速100r/min時Y軸向速度Fig.6 Y-axial velocity at the speed of 100r/min

如圖7所示，轉速為300r/min時輪軸的振動相比之前轉速為100r/min和200r/min時震動的要劇烈；但在振動劇烈后輪軸Y向速度幅度雖然有所提高，但震動不太穩(wěn)定，整個過程的振幅不能保持一致，振動密度不均衡。相比而言，還是選擇轉速為200r/min而言效果要好一些。

圖7 轉速300r/min時Y軸向速度Fig.7 Y-axial velocity at the speed of 300r/min

4 結論和討論

由于花生和其他谷物類的形狀不同，決定了清選分離裝置需要不同的特征尺寸，本研究提出了一種基于ADAMS軟件的虛擬優(yōu)化仿真方法，以提高花生清選分離裝置的設計效率，縮短設計周期。利用該方法對清選裝置的核心部件進行了重點設計，包括輪軸和星型輪。利用非自由質點坐標系和廣義坐標系，結合拉格朗日方程建立了清選裝置的機械系統(tǒng)運動學微分方程。使用ADAMS軟件對不同轉速條件下的輪軸工作效果進行了動力學仿真，得到了3種不同速度下的輪軸的震動效果，為清選裝置的優(yōu)化設計提供了技術參考。由于計算條件和篇幅的限制，本研究還未對更多的轉速條件及其他軸的速度展開研究，在今后的研究中還需要展開更多的虛擬仿真計算，通過結果對比，真正意義上實現(xiàn)清選裝置的全面優(yōu)化。

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Design and Simulation of Cleaning Device in Peanut Harvester Based on ADAMS

Zhang Li1, Guo Qiaohui2, Xu Jia1

(1.Wuhan Qingchuan University,Wuhan 430064，China;2 Jinshan college of Fujian Agriculture And Forestry University, Fuzhou 350001,China)

As the most important one of the items, peanut cleaning and separation is peanut harvester operation process that the core part of the harvester,whose performance is directly related to the work quality of the harvester. And its main target is the impurity rate and loss of broken rate. In order to improve peanut cleaning device for separating the design efficiency and shorten the design cycle, it presents a peanut harvester based on ADAMS cleaning apparatus virtual design and simulation methods, and focus on the design of key parts, including wheel and the star wheel. By using the non free particle coordinate system and the generalized coordinate system, the differential equation of the mechanical system of the cleaning device is established based on the position and velocity constraints of Lagrange equation.By using ADAMS software under the condition of different speed of shaft work effect were dynamics simulation, it describes three different speeds of Y axis velocity curve.By comparing the curve of the vibration effect, it selected the appropriate shaft speed. And the peanut harvesting machine optimal design has important significance.

peanut harvester; cleaning device; virtual simulation; ADAMS

2016-01-26

湖北省自然科學基金項目(2014CFB322)

張 莉(1978-)，女，武漢人，講師，碩士。

郭巧惠(1981-)，女，福建霞浦人，講師，碩士，(E-mail)gqh0591@163.com。

S225.7+3

A

1003-188X(2017)03-0053-05