吳 俊，王春秀，王 鶴，劉帥帥，謝亞星，陳星名

(寧夏大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，銀川 750021)

0 引言

現(xiàn)有根莖類作物收獲機(jī)多采用升運(yùn)鏈?zhǔn)椒蛛x機(jī)構(gòu)，既能夠運(yùn)輸物料，也能夠?yàn)楹罄m(xù)的機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力。其結(jié)構(gòu)具有較好的緩沖和吸振動(dòng)性能[1]，亦能夠?qū)崿F(xiàn)精確輸送的功能。寶塔菜聯(lián)合收獲機(jī)輸送機(jī)構(gòu)的功能是將寶塔菜果實(shí)與土壤進(jìn)行分離，并將寶塔菜果實(shí)順利輸送到后續(xù)分離機(jī)構(gòu)。

傳統(tǒng)收獲機(jī)的研制主要采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，存在設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)及成本高的問(wèn)題。本文應(yīng)用ADAMS軟件，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上對(duì)樣機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行仿真測(cè)試。ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)軟件，是由美國(guó)機(jī)械動(dòng)力公司(Mechanical Dynamics Inc)開(kāi)發(fā)的最優(yōu)秀的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真軟件，通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形交換格式文件可以與CAD軟件相互保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性，還能夠支持并行工程環(huán)境，節(jié)省大量的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。利用ADAMS軟件建立參數(shù)化模型，能夠進(jìn)行研究設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析，為研究機(jī)構(gòu)參數(shù)化提供有效的方法[2]。

對(duì)寶塔菜聯(lián)合收獲機(jī)關(guān)鍵部件的虛擬樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，可以掌握其運(yùn)動(dòng)軌跡及相關(guān)部件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，分析運(yùn)動(dòng)規(guī)律，找出可能出現(xiàn)的潛在問(wèn)題，減少設(shè)計(jì)上的失誤，提高了寶塔菜聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的可靠性及準(zhǔn)確性。

1 機(jī)具整體機(jī)構(gòu)及工作原理

1.1 機(jī)具工作原理

寶塔菜聯(lián)合收獲機(jī)工作時(shí)，由拖拉機(jī)帶動(dòng)機(jī)具前行，壓土輥將松散土壤壓實(shí)；挖掘鏟鏟入土中，將寶塔菜主根鏟斷，且將掘起的寶塔菜果實(shí)與土壤輸送到抖動(dòng)升運(yùn)鏈上，抖動(dòng)升運(yùn)鏈板能夠?qū)毸斯麑?shí)上的部分土壤振散使其掉落至地面；果實(shí)與剩余土壤通過(guò)升運(yùn)鏈進(jìn)入到振動(dòng)篩，振動(dòng)篩以特定頻率與振幅做前后反復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步將附著在果實(shí)上的土壤振散并將果實(shí)送至收集簍。本機(jī)具采用二階平面鏟，在三角平面鏟的基礎(chǔ)上添加一個(gè)傾角，可以使土壤發(fā)生二次剪切，提高了碎土功能；抖動(dòng)式升運(yùn)裝置，在寶塔菜果實(shí)輸送的同時(shí)將土壤進(jìn)行振碎，加強(qiáng)了篩土性能。

1.機(jī)架 2.壓土輥 3.挖掘鏟 4.升運(yùn)鏈 5.抖動(dòng)器 6.振動(dòng)篩 7.收集簍 8.偏心輪 9.曲柄搖桿 10.減速器圖1 寶塔菜聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)配置圖Fig.1 Configuration drawing of the combine harvester

1.2 分離輸送系統(tǒng)

分離輸送系統(tǒng)由傾斜式升運(yùn)鏈板和振動(dòng)篩組成，升運(yùn)器采用圓柱鏈桿結(jié)構(gòu)。鏈傳動(dòng)無(wú)彈性滑動(dòng)和整體打滑現(xiàn)象，能保持平均傳動(dòng)的精確性及較高傳動(dòng)效率[3]，也能夠保證其在較為惡劣的工況下工作，因而適用于聯(lián)合收獲機(jī)，如圖2所示。由于寶塔菜果實(shí)呈螺旋狀，其平均橫截面積直徑僅有8mm，故選用滾子鏈規(guī)格為10A型、節(jié)距為15.875mm、滾子直徑為10.16mm及鏈條鏈板由鏈條直徑為8mm的滾筒構(gòu)成。其鏈滾與鏈滾間的距離約為8mm，能夠保證在挖掘輸送過(guò)程中，讓寶塔菜果實(shí)盡可能地往后輸送，可以降低果實(shí)的遺漏損失率。寶塔菜種植行距一般在250～300mm，為雙行收獲機(jī)，故將鏈板寬幅設(shè)為600mm。

1.從動(dòng)輪 2.鏈滾 3.抖動(dòng)器 4.主動(dòng)輪 5.振動(dòng)篩 6.收集簍圖2 升運(yùn)器三維模型Fig.2 Three dimensional model of elevator

2 升運(yùn)器仿真模型的建立

2.1 幾何模型的建立

ADAMS/View雖然提供了建模工具，但其操作性不強(qiáng)，對(duì)于復(fù)雜的三維模型耗時(shí)大，且模型的尺寸與精度不能得到保障。本文運(yùn)用SolidWorks軟件對(duì)升運(yùn)器進(jìn)行建模，并對(duì)裝配體進(jìn)行干涉檢驗(yàn)，確保零件設(shè)計(jì)及配合的準(zhǔn)確性。將SolidWorks實(shí)體模型保存成Parasolid(.x_t)格式，通過(guò)ADAMS/Exchange圖形接口模塊導(dǎo)入ADAMS中[4]。

SolidWorks三維實(shí)體模型在導(dǎo)入ADAMS之前需要簡(jiǎn)化，將主動(dòng)輪與從動(dòng)輪簡(jiǎn)化為圓柱體，抖動(dòng)器簡(jiǎn)化為橢圓柱體，傳動(dòng)帶簡(jiǎn)化為離散的小圓柱[5]。

2.2 虛擬樣機(jī)模型建立

導(dǎo)入的模型需要對(duì)各個(gè)零件進(jìn)行重命名，讓其排列有序，并對(duì)各個(gè)零件的材料屬性進(jìn)行定義。設(shè)置工作柵格平面垂直于鏈輪的中心軸，單位設(shè)置為MMKS，各個(gè)零件的質(zhì)量屬性定義為剛體，同時(shí)將大地定義為各個(gè)零件的運(yùn)動(dòng)參照基準(zhǔn)，以方便后續(xù)約束與接觸的添加[6]。約束為兩個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的聯(lián)接，是它們建立相對(duì)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。為各個(gè)零件添加約束，使其成為一個(gè)完整的機(jī)械系統(tǒng)。

分別將主動(dòng)輪、從動(dòng)輪與抖動(dòng)器的質(zhì)心點(diǎn)創(chuàng)建與大地旋轉(zhuǎn)副，并在主動(dòng)輪上添加一個(gè)驅(qū)動(dòng)函數(shù)[7]，函數(shù)表達(dá)式為2 300.0d·time，設(shè)置順時(shí)針?lè)较驗(yàn)槠滢D(zhuǎn)動(dòng)方向。

2.2.1 鏈節(jié)與鏈節(jié)之間建模

在鏈滾與鏈滾之間的需要考慮到機(jī)構(gòu)的變形，ADAMS里提供了柔性連接元素軸套力[8]。采用軸套力實(shí)際模擬了連接間的軸銷連接，軸銷連接具有3個(gè)旋轉(zhuǎn)方向和3個(gè)移動(dòng)方向，軸套力可以在2個(gè)相互作用的構(gòu)建上施加一個(gè)3方向的作用力[9]。

軸套力計(jì)算公式為

(1)

由于存在111個(gè)鏈節(jié)，故需要添加111個(gè)軸套力，用手動(dòng)方法逐個(gè)添加，工作量大且易出現(xiàn)錯(cuò)誤，故通過(guò)宏命令幫助實(shí)現(xiàn)。下面為鏈滾與鏈滾之間創(chuàng)建軸套力的程序代碼：

for variable_name=ip start_value=1 end_value=111

force create element_like bushing&

bushing_name=(eval("bushing_"http://RTOI(ip)))&

i_marker_name=(eval(".ex_1.lun"http://RTOI(ip)//".cm"))&

j_marker_name=(eval(".ex_1.lun"http://RTOI(ip+1)//".cm"))&

stiffness=2e5,2e5,2e5&

damping=2e3,2e3,2e3&

force_preload=0,0,0&

tstiffness=2e4,2e4,0&

tdamping=2e3,2e3,0&

torque_preload=0,0,0

end

2.2.2 鏈節(jié)與動(dòng)輪之間建模

鏈節(jié)與主、從動(dòng)輪及抖動(dòng)器之間需要建立接觸力。在ADAMS中的接觸有連續(xù)接觸與瞬時(shí)接觸，其接觸力的計(jì)算主要有沖擊函數(shù)與泊松模型[10]。

沖擊函數(shù)表達(dá)式為

(2)

式中K—碰撞剛度；

g—切入深度；

dmax—最大切入深度；

e—力指數(shù)；

cmax—最大阻尼；

dg/dt—滲入速度。

泊松模型表達(dá)式為

(3)

式中p—罰參數(shù)；

ε—恢復(fù)系數(shù)。

參數(shù)若選擇較大，收斂速度則會(huì)變慢；若參數(shù)選擇較小，則難以保證其約束條件。故選用拉格朗日改進(jìn)模型,其表達(dá)式為

(4)

式中k—迭代步數(shù)。

由于存在111個(gè)鏈滾，都需與主、從動(dòng)輪與抖動(dòng)器設(shè)置接觸力，故采用宏命令編輯，其程序代碼如下[11]：

for variable_name=ip start_value=1 end_value=111

contact create contact_name=(eval("CONTACT_"http://RTOI(ip)))&

i_geometry_name=(eval(".ex_1.lun"http://RTOI(ip)//".SOLID"http://RTOI(ip)))&

j_geometry_name=.ex_1.driver.SOLID113&

stiffness=1.0E+005&

damping=1000&

exponent=1.5&

日糧蛋白質(zhì)水平對(duì)“京紅1號(hào)”蛋種雞育成期（9～13周齡）生長(zhǎng)性能的影響見(jiàn)表2。由表2可知，日糧蛋白質(zhì)水平對(duì)13周齡體重有極顯著的影響（P＜0.01），隨日糧蛋白質(zhì)水平增加，體重呈線性增加趨勢(shì)（P＜0.01）。P4組（CP 15.7%）13周齡體重最大且與其他各組差異極顯著（P＜0.01），日糧蛋白質(zhì)水平對(duì)蛋雞平均日增重的影響也呈現(xiàn)相同趨勢(shì)。

dmax=1&

coulomb_friction=on&

mu_static=0.2&

mu_dynamic=0.05&

stiction_transition_velocity=0.1&

end

通過(guò)以上過(guò)程，完成了對(duì)升運(yùn)器虛擬樣機(jī)的建模，111個(gè)鏈滾，2個(gè)動(dòng)輪，1個(gè)抖動(dòng)器，共計(jì)114個(gè)剛體。其中，3個(gè)旋轉(zhuǎn)副、111個(gè)軸套力、333個(gè)接觸約束，如圖3所示。

圖3 虛擬樣機(jī)圖Fig.3 Virtual prototype model

2.2.3 其他設(shè)置

為了能準(zhǔn)確而快速地完成仿真，需要對(duì)求解器進(jìn)行設(shè)置。在求解器Solver的設(shè)置頁(yè)面中，Integrator選用默認(rèn)的GSTIFF。而在選擇Formulation時(shí)，需要根據(jù)仿真的實(shí)際情況選定。I3仿真速度較快，SI2仿真速度慢，但是仿真穩(wěn)定，不易出錯(cuò)。本文選擇I3，Corrector為Modified，Error取0.1[12]。

3 動(dòng)力學(xué)仿真

完成上述步驟，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。點(diǎn)擊仿真界面，設(shè)置仿真時(shí)間為5s，經(jīng)驗(yàn)證，仿真步長(zhǎng)設(shè)置為500可行。仿真結(jié)束后進(jìn)入ADAMS后處理界面Postprocessor[13]，可得到構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)曲線圖。

圖4和圖5為主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的功率曲線圖，可得出主動(dòng)輪的平均功率為1 057.35W，從動(dòng)輪的平均功率為921.7W，根據(jù)傳動(dòng)效率計(jì)算公式η=W1/W，可以計(jì)算出傳遞效率為87.13%。滾子鏈的傳動(dòng)效率一般在95%～98%之間，得出傳遞效率偏低，這可能由于在建模時(shí)設(shè)置摩擦因數(shù)偏大導(dǎo)致。

圖4 主動(dòng)輪功率曲線Fig. 4 Driving wheel power curve

圖5 從動(dòng)輪功率曲線Fig.5 Driven wheel power curve

圖6和圖7為鏈滾在X方向上的位移與速度，升運(yùn)器根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)與水平成25°傾角，主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的中心距為760mm，由圖6、圖7可以看出：鏈滾在做周期運(yùn)動(dòng)，鏈滾在X方向振幅與實(shí)際相符，運(yùn)動(dòng)情況與實(shí)際情況基本吻合，說(shuō)明模型建立較為成功。

圖6 鏈滾在X方向的速度Fig.6 The velocity of the chain rolls in the X direction

圖7 鏈滾在X方向的位移Fig.7 The position of the chain rolls in the X direction

鏈傳動(dòng)中不可忽視的多邊形效應(yīng)，它對(duì)鏈節(jié)造成沖擊，故研究鏈滾的橫向、縱向的速度、加速度的變化，觀察其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。由圖8、圖9可知：鏈滾在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，受到的縱向沖擊要明顯小于橫向沖擊；加速度在階躍點(diǎn)變化較大。這可為升運(yùn)器的抖動(dòng)頻率提供數(shù)據(jù)參考，為整機(jī)的篩分效率的計(jì)算提供理論依據(jù)。

圖8 鏈滾橫向速度、加速度變化Fig.8 Lateral velocity and acceleration change of chain roll

圖9 鏈滾縱向速度、加速度變化Fig.9 Longitudinal velocity and acceleration change of chain roll

4 結(jié)論

通過(guò)軟件SolidWorks對(duì)收獲機(jī)關(guān)鍵部件進(jìn)行建模，然后通過(guò)ADAMS軟件做動(dòng)力學(xué)仿真，研究其動(dòng)力學(xué)特性。

此方法建立了包含多接觸問(wèn)題的鏈傳動(dòng)多體動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)模型中的接觸問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，提出用軸套力來(lái)約束鏈滾之間的受力關(guān)系，運(yùn)用ADAMS宏命令建立模型，得出相關(guān)物理參數(shù)與實(shí)際相符，證明此建模方法能夠較為準(zhǔn)確地模擬出升運(yùn)器實(shí)際工作的動(dòng)力學(xué)特性。仿真結(jié)果驗(yàn)證了此鏈傳動(dòng)模型的正確性，也為其他類型的多接觸問(wèn)題提供了參考依據(jù)。