婁玉印,張 林

(1.廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院,廣西 柳州 545000；2.山東交通學(xué)院，濟(jì)南 250357)

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新型香蕉種植開坑機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

婁玉印1,張 林2

(1.廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院,廣西 柳州 545000；2.山東交通學(xué)院，濟(jì)南 250357)

基于降低減輕人力成本、提高勞動(dòng)效率的原則，研發(fā)了一種可控連桿式三自由度香蕉種植開坑機(jī)。首先，通過基于旋量理論為基礎(chǔ)的自由度公式，計(jì)算出可控香蕉種植開坑機(jī)自由度；其次，運(yùn)用閉環(huán)矢量法建立了可控香蕉種植開坑機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，得出其運(yùn)動(dòng)學(xué)特性；最后，結(jié)合多體動(dòng)力學(xué)理論及ADAMS軟件，對(duì)可控香蕉種植開坑機(jī)進(jìn)行仿真分析，得出其發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)特性，進(jìn)而驗(yàn)證了該新型結(jié)構(gòu)的合理性和可行性。

香蕉種植開坑機(jī)；自由度；閉環(huán)矢量；仿真

0 引言

香蕉種植開坑機(jī)研制缺乏，香蕉種植作業(yè)多采用拖拉機(jī)翻犁之后，再人工開坑放入香蕉苗。該勞動(dòng)方式工作強(qiáng)度高、勞動(dòng)效率低，降低了香蕉種植的速度；而采用拖拉機(jī)翻犁的作業(yè)方式機(jī)器成本高，且翻犁機(jī)器采用三點(diǎn)懸掛式與拖拉機(jī)連接，導(dǎo)致拖拉機(jī)振動(dòng)振幅大、噪聲大，極大地影響工作人員的舒適性和整機(jī)的平順性，因此研制香蕉種植開坑機(jī)成為農(nóng)業(yè)機(jī)械中的重中之重。

首先，針對(duì)香蕉種植開坑機(jī)研制缺乏的現(xiàn)狀，研發(fā)了一種新型可控連桿式香蕉種植開坑機(jī)。該香蕉種植開坑機(jī)具有挖坑質(zhì)量高、挖坑速度快、安全可靠及成本低等特點(diǎn)。本文通過基于旋量理論為基礎(chǔ)的自由度公式，計(jì)算出可控連桿式香蕉種植開坑機(jī)自由度；其次，針對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，運(yùn)用閉環(huán)矢量法建立了可控香蕉種植開坑機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，獲得機(jī)構(gòu)輸入與輸出運(yùn)動(dòng)學(xué)特性；最后，根據(jù)多體動(dòng)力學(xué)理論結(jié)合動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS，對(duì)新型可控連桿式香蕉種植開坑機(jī)進(jìn)行仿真分析，得出其電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)特性。進(jìn)而驗(yàn)證了該新型結(jié)構(gòu)的合理性和可靠性，結(jié)果表明：該新型可控香蕉種植開坑機(jī)能夠滿足工作性能，具有一定的可行性和推廣價(jià)值[1]。

1 結(jié)構(gòu)分析

本新型可控連桿式香蕉種植開坑機(jī)包括行走機(jī)構(gòu)、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、垂直度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及挖坑機(jī)構(gòu)，如圖1所示。

1.行走機(jī)構(gòu) 2.電動(dòng)機(jī)1 3.第1連桿 4.第2連桿 5.螺旋刀盤 6.電動(dòng)機(jī)2 7.動(dòng)臂 8.第3連桿 9.第4連桿 10.第5連桿 11.第6連桿 12.電動(dòng)機(jī)3圖1 可控香蕉種植開坑機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of controllable banana planting open pit machine

行走機(jī)構(gòu)選用獨(dú)立的柴油機(jī)作為動(dòng)力，不受使用地點(diǎn)的限制，對(duì)不同坑深要求、地形變化和土壤硬度等條件均能具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和可行性。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)3、第5連桿、第6連桿及動(dòng)臂；垂直度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)1、第1連桿、第2連桿、第3連桿及第4連桿；挖坑機(jī)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)2、螺旋刀盤。工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)3控制挖坑機(jī)構(gòu)的上下運(yùn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)1調(diào)節(jié)挖坑機(jī)構(gòu)垂直度，保證挖坑質(zhì)量；電動(dòng)機(jī)2帶動(dòng)刀盤做螺旋運(yùn)動(dòng)，完成挖掘作業(yè)[2-3]。該香蕉種植開坑機(jī)具有自動(dòng)挖坑、挖坑垂直度好、結(jié)構(gòu)可靠、穩(wěn)定性好、噪聲小、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)且移動(dòng)方便等特點(diǎn)，易于推廣使用。

2 挖坑機(jī)構(gòu)自由度分析

2.1 旋量簡介

任意剛體的運(yùn)動(dòng)形式都可以理解為旋量運(yùn)動(dòng)形式，即繞某軸的旋轉(zhuǎn)和繞某軸的移動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)[4]。旋量由兩個(gè)對(duì)偶矢量組成，即原部矢量s和對(duì)偶部矢量s0，記為$=(s;s0)。其中，s0=r×s+hs，s為軸線方向的單位矢量，則有

s=(L,M,N), L2+M2+N2=1

如圖 2所示，r1為軸線的一點(diǎn)，r為軸線的任意一點(diǎn)，則軸線的方程為(r-r1)×s=0，r1為軸線通過的確定點(diǎn)，r 是旋量軸線上的任意點(diǎn)， 則軸線方程為

(r-r1)×s=0

即r×s=r1×s=s0，s0稱為軸線相對(duì)于原點(diǎn)的線矩。 軸線的方向和位置分別由方向矢量 s 和線矩 s0確定。

反螺旋：當(dāng)旋量$1和旋量$2構(gòu)成互易積為零時(shí)，$1·$2=0，稱旋量$2是旋量$1的反旋量。

圖2 旋量運(yùn)動(dòng)簡圖Fig.2 The screw motion diagram

2.2 機(jī)構(gòu)建模分析

建立新型香蕉種植開坑機(jī)旋量系結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。該新型機(jī)構(gòu)包括3條支鏈，第1支鏈包括R11、R12、R13，建立坐標(biāo)系O-X1Y1Z1；第2支鏈包括R21、R22、R23建立坐標(biāo)系O-X2Y2Z2；第3支鏈第3條支鏈R31、R32，并包括R33、R34、R35一條支鏈，并且各轉(zhuǎn)動(dòng)副相互平行，建立坐標(biāo)系O-X3Y3Z3。

2.3 各支鏈旋量分析

1)第1條支鏈為

$11:(0 1 0;0 0 0)

$12:(0 1 0;0 0 X12)

$13:(0 1 0;-Z130 0)

反螺旋為

此螺旋系的最大線性無關(guān)數(shù)rank($R11R12R13)=4，為四系螺旋。

圖3 新型香蕉種植開坑機(jī)旋量系結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The screw system Structure of Controllable banana planting open pit machine

2)第2條支鏈為

$21:(0 1 0;0 0 0)

$22:(0 1 0;0 0 X22)

$23:(0 1 0;-Z230 0)

其反螺旋為

此螺旋系的最大線性無關(guān)數(shù)rank($R21R22R23)=4，為四系螺旋。

3)第3支鏈。對(duì)于第3支鏈為含有R31、R33、R34、R35組成的4R子鏈，此子鏈為階數(shù)為3的平面機(jī)構(gòu)，故不能直接通過自由度公式計(jì)算，先需轉(zhuǎn)化為廣義等效運(yùn)動(dòng)副，再計(jì)算自由度。

將動(dòng)臂看成動(dòng)平臺(tái)，選坐標(biāo)系為沿動(dòng)臂桿長的方向?yàn)閆軸，則支鏈的運(yùn)動(dòng)旋量系為

$31:(0 1 0;0 0 0)

$33:(0 1 0;X330 Z33)

$34:(0 1 0;X340 Z34)

$35:(0 1 0;X350 Z35)

進(jìn)而得到動(dòng)臂廣義運(yùn)動(dòng)副等效運(yùn)動(dòng)輸出，其基為

則第3條支鏈旋量可寫為

$32:(0 1 0;0 0 X32)

其反螺旋為

2.4 自由度分析

由上述反螺旋可知：有8個(gè)反螺旋作用于挖坑機(jī)構(gòu)上，其公共約束λ=3，不存在冗余約束，即ν=0；用等效運(yùn)動(dòng)副轉(zhuǎn)化后，閉鏈子鏈等效變換后為7桿8副。

根據(jù)自由度計(jì)算公式[4-5]得

(1)

式中 M—機(jī)構(gòu)自由度；

d—機(jī)構(gòu)的階數(shù)，d=6-λ=3，λ為機(jī)構(gòu)的公共約束數(shù)，數(shù)值為3；

n—包括機(jī)架在機(jī)構(gòu)數(shù)目，n=7；

g—機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副數(shù)目，g=8；

fi—第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副數(shù)目，∑fi=8；

ν—機(jī)構(gòu)冗余數(shù)目，ν=0；

ξ—機(jī)構(gòu)局部自由度數(shù)目，ξ=0；

由于挖坑機(jī)在工作過程中為轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，即新型香蕉挖坑機(jī)總的自由度數(shù)為3。

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

3.1 位置分析

建立結(jié)構(gòu)簡圖如圖4所示，其中θ1,θ4,θ6為已知角。

圖4 新型香蕉種植開坑機(jī)矢量圖Fig.4 The new type of banana planting

3.1.1 對(duì)四連桿ABCD分析

四連桿ABCD矢量封閉方程公式為

r8+r9=r7+r6

(2)

將式(2)兩邊各自平方得

r9·r9=(r7+r6-r8)·(r7+r6-r8)

(3)

將式(3)展開得

(2r6r8sinθ1-2r6r7sinθ4)sinθ3+

(4)

令

A=2r6r8sinθ1-2r6r7sinθ4

將式(4)簡化為得

Asinθ3+Bcosθ3+C=0

(5)

3.1.2 EFH調(diào)整部分

根據(jù)連桿IH和FH可得

(6)

將式(6)整理得

(7)

令 yH=p+qxH，其中

將上式代入式(6)得

(8)

其中

A2=1+q2

則

3.1.3 挖坑機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

引入比例因子λ,輸出點(diǎn)為M(x,y)，將有向線段IH分為兩部分[6]，得

3.2 速度與加速度分析

3.2.1 四連桿ABCD部分

r7+r6=r8+r9

將上式展開得

(9)

對(duì)式(9)求導(dǎo)得

對(duì)式(9)二次求導(dǎo)得

3.2.2 五變形BIHFE分析

r6+r4=r1+r2+r3

(10)

將式(10)整理得

r4=r1+r2+r3-r6

(11)

將式(11)展開得

A+Bcosθ4+Csinθ4=0

(12)

其中

B=2r1r3+2r2r3cosθ6-2r6r3cosθ3

C=2r2r3sinθ6-2r6r3sinθ3

θ4=2arctanx

4 香蕉種植開坑機(jī)仿真分析

通過三維建模軟件Pro/E建立新型香蕉種植開坑機(jī)結(jié)構(gòu)模型，L1=L4=300mm，L2=L3=500mm，L5=250mm，L6=300mm；將其導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS中，建立新型香蕉動(dòng)力學(xué)模型如圖5所示[7-8]。

圖5 新型香蕉種植開坑機(jī)動(dòng)力學(xué)模型Fig.5 The new type of banana planting open pit motor mechanical model

當(dāng)挖坑機(jī)構(gòu)以垂直速度以Vy=0.05m/s運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過動(dòng)力學(xué)理論結(jié)合ADAMS軟件得出電動(dòng)機(jī)3和電動(dòng)機(jī)1的速度特性如圖6和圖7所示。

圖6 電動(dòng)機(jī)3速度特性Fig.6 The s peed characteristic of motor 3

圖7 電動(dòng)機(jī)1速度特性Fig.7 The speed characteristic of motor 1

根據(jù)動(dòng)力學(xué)理論結(jié)合動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS，由圖 6、圖7可知：電動(dòng)機(jī)1 和電動(dòng)機(jī)3的速度特性，具有一定的可控性。

5 結(jié)論

1)針對(duì)新型香蕉種植開坑機(jī)的特點(diǎn)，基于螺旋理論對(duì)開坑機(jī)構(gòu)進(jìn)行了自由度分析，分析了開坑機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。

2)運(yùn)用矢量投影法，建立了挖坑機(jī)構(gòu)各支鏈的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)挖坑機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了分析，獲得挖坑機(jī)構(gòu)關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

3)在運(yùn)動(dòng)學(xué)分析基礎(chǔ)上，基于ADAMS軟件，對(duì)挖坑機(jī)構(gòu)進(jìn)行了虛擬仿真分析，得到了挖坑機(jī)構(gòu)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，為新型挖坑機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步研究及工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

[1] 黃仁楚，劉偉．挖坑機(jī)工作參數(shù)的研究[J]．東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1989，13( 5) :18-22．

[2] 濮良貴，紀(jì)名剛．機(jī)械設(shè)計(jì)(8版)[M]．北京:高等教育出版社，2005．

[3] 潘宇晨.多自由度可控機(jī)構(gòu)式新型工程機(jī)械設(shè)計(jì)理論與方法研究[D]．南寧:廣西大學(xué)，2013．

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[7] 陳文華,賀青川,張膽聞.ADAMS2007機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析范例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[8] 鄭凱,胡仁喜,陳鹿民，等.ADAMS2005機(jī)械設(shè)計(jì)高級(jí)應(yīng)用實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.2.

The Structure Design and Simulation Analysis of New Type Banana Planting Open Pit Machine

Lou Yuyin1, Zhang Lin2

(1.Lushan College of Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545000,China;2.Shandong Jiaotong University， Jinan 250357,China)

Based on the principle of reduce labor costs, improve labor efficiency, this paper developed a controllable connecting rod type 3-dof new banana planting open pit machine. First of all, through the formula based on screw theory based on the degrees of freedom, calculates the controllable banana planting open pit machine freedom, Secondly, banana planting open pit machine was established by applying the method of closed loop vector controlled the kinematics equation of earth auger, it is concluded that the kinematics characteristic;finally, combining with the multi-body dynamics theory combined with ADAMS software, simulation analysis was carried out on the controlled banana planting open pit machine, it is concluded that the engine movement characteristics. The results verify the rationality and feasibility of the new type of structure.

banana planting open pit machine; degrees of freedom; closed-loop vector; simulation

2016-02-03

國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(t3010098236)

婁玉印 (1983-)，男，山東聊城人，助教，碩士，(E-mail)louguanghua@163.com。

張 林(1987-)，男，山東臨沂人，講師，博士，(E-mail)louguanghua@163.com

S222.5+2

A

1003-188X(2017)03-0063-05