張奎 黃明慧

貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州凱里

自主研發(fā)的小型魚腥草收獲機(jī)的挖掘裝置采用了振動(dòng)式挖掘鏟。振動(dòng)式挖掘鏟相對(duì)于傳統(tǒng)的固定式挖掘鏟，牽引力只是固定挖掘鏟的33%，質(zhì)量大約是固定挖掘鏟的10%，能夠有效地提高碎土能力[1]。根據(jù)一代樣機(jī)的田間試驗(yàn)可知，振動(dòng)式挖掘鏟在工作時(shí)出現(xiàn)壅土現(xiàn)象和穩(wěn)定性差等問題（如圖1所示），而影響振動(dòng)式挖掘鏟壅土和穩(wěn)定性的主要因素是挖掘鏟的質(zhì)心加速度[2-5]。何曉芬等[6,7]只是確定了挖掘鏟的基本參數(shù)（刃切口夾角θ、挖掘鏟入土角α、鏟的長度L、鏟的寬度B）、各桿（曲柄、連桿、中吊桿、后吊桿）的長度和安裝位置（如圖2所示），沒有對(duì)振動(dòng)式挖掘進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，從而無法得到振動(dòng)式挖掘鏟最佳工作時(shí)各關(guān)鍵參數(shù)值?；诖耍⒄駝?dòng)式挖掘鏟質(zhì)心加速方程，以得到各桿影響挖掘鏟質(zhì)心加速度大小的程度，隨后使用ADAMS對(duì)挖掘鏟進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以便得到挖掘鏟最佳工作時(shí)各參數(shù)。

1 挖掘鏟的工作原理

如圖3所示動(dòng)力由拖拉機(jī)通過皮帶傳到動(dòng)力輸入輪1，動(dòng)力輸入輪1通過變速箱2和鏈條再把動(dòng)力傳到鏈輪3，鏈輪3帶動(dòng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)軸再把動(dòng)力傳到曲柄4，曲柄4最后通過連桿和中吊桿把運(yùn)動(dòng)傳遞給挖掘鏟，把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)挖掘鏟的工作。

圖 1 小型魚腥草收獲機(jī)壅土現(xiàn)象

2 挖掘鏟運(yùn)動(dòng)方程的建立及分析

以O(shè)為原點(diǎn)，當(dāng)曲柄OA運(yùn)動(dòng)到左極限位置時(shí)，L1與L2共線，以此建立x軸，垂直x軸建立y軸，向右為x軸的正方向，向上為y軸的正方向，建立Oxy直角坐標(biāo)系（如圖4所示）。

作振動(dòng)式挖掘鏟的封閉矢量多邊形，矢量方程如下：

圖 2 振動(dòng)式挖掘鏟線框圖

圖 3 小型魚腥草收獲機(jī)

圖 4 振動(dòng)式挖掘鏟的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

將式(1)的矢量方程轉(zhuǎn)化為解析形式：

（3）可以求得α2，α3，詳細(xì)求解過程可參考文獻(xiàn)[8]。將方程組（3）中的第一式對(duì)時(shí)間進(jìn)行求導(dǎo)，可得：

將直角坐標(biāo)系繞O點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)α2,（4）式可得：

其中A1=α1-α2，A2= α3-α2,

對(duì)（4）式進(jìn)行時(shí)間求導(dǎo)，可得：

將直角坐標(biāo)系繞O點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)α2，由（6）式可得：

把式（2）化成解析形式，可得：

建立點(diǎn)D的位移方程：

由于a4=a3,可把（9）式改寫成：

將（10）式對(duì)時(shí)間進(jìn)行二次求導(dǎo)，可得：

利用（4）-（7）的方法，可由（8）式得到

由于振動(dòng)式挖掘鏟鏟面是一個(gè)平面機(jī)構(gòu)，為了方便研究，取質(zhì)心為鏟面L5的中點(diǎn)，建立振動(dòng)式挖掘鏟DE質(zhì)心位移方程：

將方程組（14）對(duì)時(shí)間進(jìn)行二次求導(dǎo)，得挖掘鏟DE質(zhì)心加速度：

結(jié)合式（1）-（15）分析，可得影響挖掘鏟在x，y方向上質(zhì)心加速度的桿有L1，L2，L3，L4，L5，L6，影響程度從大到小分別為L1，L3，L4，L2，L3，L5，L6。

3 挖掘鏟的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在Solidworks中建立振動(dòng)式挖掘鏟三維模型，并導(dǎo)到ADAMS/view中（如圖5所示），添加約束以及旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，由何曉芬小型折耳根收獲機(jī)的設(shè)計(jì)研究[6]可知，曲柄OA轉(zhuǎn)速為341 r/min，旋轉(zhuǎn)的方向?yàn)槟鏁r(shí)針，定義材料為steel。以上參數(shù)設(shè)置好后，進(jìn)行挖掘鏟的運(yùn)動(dòng)仿真。

圖 5 振動(dòng)式挖掘鏟的三維模型

3.1 挖掘鏟質(zhì)心加速度變化規(guī)律分析

以曲柄OA的左極限位置為仿真起點(diǎn)，分析挖掘鏟DE的質(zhì)心加速度在x方向和y方向變化規(guī)律。仿真結(jié)果見圖6。在到達(dá)右極限位置之前，質(zhì)心加速度在x負(fù)方向上逐漸增大至0，之后，在x正方向上是逐漸增大直至加速度為58.267 m/s2。曲柄OA從左極限位置到右極限位置，挖掘鏟是向前運(yùn)動(dòng)的；當(dāng)曲柄OA在后半周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，從右極限位置開始，質(zhì)心加速度與前半周期相反，質(zhì)心加速度在x正方向逐漸減小，隨后在x負(fù)方向上逐漸增大，直至到達(dá)左極限位置。曲柄OA從右極限位置到左極限位置，挖掘鏟是向后運(yùn)動(dòng)的。在整個(gè)周期內(nèi)，質(zhì)心加速度在x方向上的變化范圍為-67.567～58.267 m/s2，平均加速度為2.330 m/s2。

圖 6 挖掘鏟質(zhì)心在不同方向的加速度

通過分析圖6b發(fā)現(xiàn)，挖掘鏟的質(zhì)心加速度在y方向上變化規(guī)律為：當(dāng)曲柄OA在前半周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，從左極限位置開始，質(zhì)心加速度在y正方向上從0逐漸增大到12.347 m/s2，之后，在y軸正方向上逐漸減小到0。當(dāng)曲柄OA在后半周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)心加速度在y負(fù)方向從0逐漸減小到-20.693 m/s2，隨后在y負(fù)方向上逐漸增大到0，直至到達(dá)右極限位置。在整個(gè)周期內(nèi)，質(zhì)心加速度在y方向上的變化范圍為-20.693～12.347 m/s2，平均加速度為-0.669 m/s2。

3.2 挖掘鏟的設(shè)計(jì)研究

對(duì)于振動(dòng)式挖掘鏟來說，主要是由PT_1～5（PT是PIONT的縮寫）這5個(gè)點(diǎn)影響著振動(dòng)式挖掘鏟的質(zhì)心加速度，其中，PT_1的數(shù)值決定曲柄OA的長度，PT_2的數(shù)值決定連桿AB的長度，PT_3的數(shù)值決定前吊桿BC的長度，PT_4決定前吊桿BD的長度，PT_5的數(shù)值決定中吊桿EF的長度。為有效地觀察到PT_1～5這5個(gè)點(diǎn)對(duì)振動(dòng)式挖掘鏟的質(zhì)心加速的影響，把這5個(gè)點(diǎn)x和y坐標(biāo)值設(shè)置為設(shè)計(jì)變量，即DV_1～10，然后設(shè)定設(shè)計(jì)變量的取值范圍[9]。研究結(jié)果表明（如表1所示），不同的設(shè)計(jì)變量對(duì)挖掘鏟質(zhì)心加速度的影響程度也不同，4個(gè)設(shè)計(jì)變量DV_1、DV_2、DV_6、DV_8的敏感度最大，并且DV_1、DV_2的敏感度比DV_6、DV_8的敏感度大的多，因此，振動(dòng)式挖掘鏟的質(zhì)心加速最主要的影響因素是曲柄的長度，與前面運(yùn)動(dòng)方程結(jié)論一致。

3.3 挖掘鏟的優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

從表2分析結(jié)果可知，當(dāng)曲柄OA的長度0.035 m，前吊桿BC的長度為0.285 m，前吊桿BD的長度為0.620 m(也就是CD的長度為0.335 m)時(shí)，振動(dòng)式挖掘鏟在x方向上的平均加速增加了5.24%，此時(shí)的平均加速最佳值為2.452 m/s2，有助于減小挖掘阻力、提高挖掘效率、降低挖掘能耗和輸送根土混合物；而在y方向上的平均加速度絕對(duì)值減少了54.5%，此時(shí)的平均加速最佳值為-0.305 m/s2，有助于提高整機(jī)的穩(wěn)定性（圖7）。

表 1 設(shè)計(jì)研究結(jié)果

表 2 各參數(shù)優(yōu)化前后對(duì)比

圖 7 挖掘鏟的質(zhì)心加速度優(yōu)化曲線

4 結(jié)論

分析一代樣機(jī)出現(xiàn)的問題：

運(yùn)用解析法建立振動(dòng)式挖掘鏟質(zhì)心加速度的運(yùn)動(dòng)方程得知：各桿影響質(zhì)心加速的大小程度不同，影響程度從大到小分別為L1，L3，L4，L2，L3，L5，L6。

在ADAMS中建立振動(dòng)式挖掘鏟模型，建立影響挖掘鏟質(zhì)心加速度的5個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，并將這5個(gè)點(diǎn)x，y的坐標(biāo)值創(chuàng)建成設(shè)計(jì)變量DV_1～10，通過設(shè)計(jì)研究得到DV_1、DV_2、DV_6、DV_8這4個(gè)設(shè)計(jì)變量對(duì)挖掘鏟質(zhì)心加速度的影響最大。

當(dāng)曲柄OA長為0.035 m，連桿AB長為0.440 m，前吊桿BC長為0.285 m，前吊桿CD長為0.335 m，后吊桿長為0.280 m時(shí)，挖掘鏟在x方向上的質(zhì)心加速度增加百分比為5.24%，在y方向上的質(zhì)心加速度絕對(duì)值減少的百分比為54.5%，有利于輸送挖掘鏟的土壤和提高整機(jī)的穩(wěn)定性，為二代樣機(jī)的制造和田間實(shí)驗(yàn)提供了理論依據(jù)。