文世昌 孫 奎 夏旭光 廖碧波

（中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410000）

目前，隨著科技的進(jìn)步，采棉機(jī)的更新?lián)Q代十分迅速，采棉打包機(jī)為最新產(chǎn)品，采棉打包機(jī)的關(guān)鍵部件是打包箱體，打包箱體結(jié)構(gòu)采用四連桿機(jī)構(gòu)，其中常見(jiàn)的平面連桿機(jī)構(gòu)分為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)、雙搖桿機(jī)構(gòu)。打包箱體四連桿機(jī)構(gòu)屬于雙搖桿機(jī)構(gòu)，具有能夠承受較大的載荷，各桿件之間的連接處容易潤(rùn)滑；加工制造簡(jiǎn)便，其運(yùn)動(dòng)精度較高；相鄰兩構(gòu)件之間的接觸相對(duì)封閉；四連桿機(jī)構(gòu)的構(gòu)造能夠?qū)崿F(xiàn)許多種運(yùn)動(dòng)規(guī)律和軌跡需求等諸多優(yōu)點(diǎn)。通常機(jī)械四連桿機(jī)構(gòu)主要有急回、壓力與傳動(dòng)角、死角三個(gè)特性[1-5]。本文首先通過(guò)理論計(jì)算打包箱體四連桿受力最大位置，然后運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)打包箱體四連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，為油缸選型提供依據(jù)，最后進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果的可靠性。

1 打包箱體四連桿結(jié)構(gòu)與工作原理

打包箱體在正常工作狀態(tài)下，箱體是閉合的，當(dāng)需要放包時(shí)，如圖1所示，由打包門油缸5作為原動(dòng)件的活塞桿一端伸出，前箱體作為機(jī)架4，通過(guò)將連架桿1支撐起后箱體（連桿2）帶動(dòng)中間連桿（連架桿3）一起轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到指定位置后，即可進(jìn)行關(guān)閉箱體動(dòng)作，通過(guò)液壓油缸原動(dòng)件1伸縮實(shí)現(xiàn)后箱體開(kāi)合動(dòng)作。

圖1 打包箱體四連桿機(jī)構(gòu)平面圖

2 四連桿機(jī)構(gòu)理論分析

將打包箱體簡(jiǎn)化表示，如圖2所示，此連桿機(jī)構(gòu)中總構(gòu)件數(shù)n=6，轉(zhuǎn)動(dòng)副個(gè)數(shù)為7以及1個(gè)移動(dòng)副，外加1個(gè)高副（點(diǎn)C處的連接方式為銷連接在腰型孔上，構(gòu)件在腰型孔上兩端接觸的公法線重合）。

即該機(jī)構(gòu)自由度個(gè)數(shù)為1，與原動(dòng)件數(shù)一樣，具有確定的運(yùn)動(dòng)。

圖2 四連桿機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

構(gòu)件5受力分析：當(dāng)不計(jì)構(gòu)件6的重力影響，此時(shí)構(gòu)件6為二力桿結(jié)構(gòu)，受力方為兩力作用點(diǎn)的連線，且等值、反向，如圖3所示。

圖3 構(gòu)件6受力分析簡(jiǎn)圖

以構(gòu)件5為研究對(duì)象，如圖4所示。點(diǎn)E處為來(lái)自構(gòu)件6作用力F1，方向與水平方向夾角為θ，點(diǎn)A處為鉸接點(diǎn)，受力方向用正交分力F2x和F2y表示，點(diǎn)Q為后箱體與前箱體結(jié)合點(diǎn)，設(shè)該點(diǎn)所受力沿斜面用正交分力F3a和F3b表示，其中β為角度尺寸，a、b、c、d、e、f、g、h、k、n、t、z為距離尺寸，G表示所受重力值。

圖4 構(gòu)件5受力分析簡(jiǎn)圖

列平衡方程組有：

代入數(shù)據(jù)：F1=-15489N

F2x=15 934.5N

F3a=-5 33.6N

F2y=40 273N

F3b=20.3N

取構(gòu)件3進(jìn)行研究分析，分析受力簡(jiǎn)圖，如圖5所示，其中k1、k2、k3為距離尺寸。

列平衡方程組有：

Fx2·k2-F推·k1-Fy2·k3=0

代入數(shù)據(jù)：F推=154 167 N

圖5 構(gòu)件3受力分析簡(jiǎn)圖

即所求油缸的總推力值為15 4167N、單個(gè)油缸推力值約為77 084 N。

3 打包箱體四連桿ADAMS仿真與分析

3.1 打包箱體模型建立

ADAMS 作為一種機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件，三維建模功能較差，可從其他三維軟件導(dǎo)入。為減少仿真時(shí)間以及運(yùn)算量，在不影響仿真效果的前提下，將前箱體多余的部件省去，應(yīng)用三維軟件CREO對(duì)打包箱體進(jìn)行實(shí)體建模，并以X_T格式導(dǎo)入ADAMS軟件中，如圖6所示。

圖6 打包箱體簡(jiǎn)化版幾何模型

將打包箱體四連桿三維模型導(dǎo)入ADAMS后，并給所有零件定義材料屬性，系統(tǒng)根據(jù)定義的材料種類自動(dòng)計(jì)算部件的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，或者通過(guò) User Input直接定義Mass的屬性。運(yùn)用User Input方法直接對(duì)Bodies進(jìn)行質(zhì)量的添加[6-8]。

3.2 仿真參數(shù)前處理設(shè)定

后箱體整體總質(zhì)量設(shè)定為 3 000kg，并且在后箱體位置模擬棉包施加給后箱體上的力，在箱體轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，添加STEP函數(shù)（圖6c所示），對(duì)初始位置施加 131 70 N 的負(fù)載（棉包分力），作用位置在后箱體重心位置。將全部的部件質(zhì)量設(shè)置完畢后，在全局坐標(biāo)系中設(shè)置重力加速度 g=9 806.65 mm/s2，液壓油缸伸縮速度設(shè)定為120 mm/s，方向?yàn)?Y 的負(fù)方向，將打包箱體上的鉸接點(diǎn)位置設(shè)置銷連接，液壓油缸設(shè)置一個(gè)移動(dòng)副，同時(shí)在仿真界面設(shè)置步進(jìn)數(shù)值為100[9-12]，打包箱體總體的配置示意圖，如圖 7所示。

圖7 前處理面板及參數(shù)設(shè)置

3.3 箱體四連桿機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果與分析

如圖8所示，JOINT7和JOINT 8為二力桿上的兩旋轉(zhuǎn)副（即圖2中的C點(diǎn)位置），在0～8 s內(nèi)，由仿真曲線所示，推力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且最大推力值為Fmax=1.5×105N。

圖8 后處理仿真結(jié)果

可得出兩個(gè)液壓油缸的總推力應(yīng)不小于Fmax=1.5×105N，即單個(gè)液壓油缸的最大推力不小于7.5×104N（約7.5 t）。

4 田間試驗(yàn)

通過(guò)理論分析計(jì)算以及ADAMS仿真分析，可知打包箱體四連桿機(jī)構(gòu)原動(dòng)件所需最大推力值，依據(jù)最大推力值確定液壓油缸規(guī)格，并進(jìn)行田間試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，其中打包箱體有三種狀態(tài)，分別為正常工作狀態(tài)、運(yùn)輸狀態(tài)、放包狀態(tài)，如圖9所示。

選取合適的液壓油缸后，經(jīng)過(guò)田間試驗(yàn)測(cè)試，打包箱體四連桿機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)放包、采收狀態(tài)轉(zhuǎn)運(yùn)輸狀態(tài)等動(dòng)作，如圖9所示，同時(shí)為驗(yàn)證仿真的受力變化趨勢(shì)，對(duì)油缸進(jìn)行壓力檢測(cè)分析，油缸壓力值曲線變化如圖10所示。

圖9 打包箱體四連桿試驗(yàn)三種模式

圖10 打包門油缸受力情況

如圖7所示，通過(guò)Adams仿真軟件進(jìn)行分析，得到液壓油缸在箱體開(kāi)啟過(guò)程中受力變化趨勢(shì)呈先急劇增大后減小最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)；而通過(guò)壓力檢測(cè)儀器實(shí)測(cè)液壓油缸在箱體開(kāi)啟過(guò)程中，液壓油缸所受壓力值變化，如圖10藍(lán)色線條所示，在液壓油缸受力整體趨勢(shì)是先增大后減小趨勢(shì)，再增大后趨于平穩(wěn)狀態(tài)（由于田間作業(yè)過(guò)程中，地面不平，會(huì)導(dǎo)致壓力值波動(dòng)較大），液壓油缸最大受力點(diǎn)在箱體剛剛開(kāi)啟階段，與ADAMS仿真結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

本文利用理論分析計(jì)算得出液壓油缸即四連桿結(jié)構(gòu)原動(dòng)件所需最大推力值，運(yùn)用 CREO軟件建立打包箱體三維模型，而后簡(jiǎn)化模型后導(dǎo)入 ADAMS 軟件中進(jìn)行仿真分析，得到仿真最大值與理論計(jì)算值基本一致。通過(guò)計(jì)算以及仿真分析值，確定了油缸型號(hào)尺寸，進(jìn)行田間試驗(yàn)，并在開(kāi)啟后箱體同時(shí)通過(guò)壓力監(jiān)測(cè)儀得到油缸受力變化趨勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)果表明選取的液壓油缸可滿足開(kāi)箱放包以及轉(zhuǎn)運(yùn)輸狀態(tài)的動(dòng)作，同時(shí)油缸壓力值變化曲線與ADAMS仿真結(jié)果基本一致，表明ADAMS仿真模擬打包箱體四連桿開(kāi)箱過(guò)程，具有一定意義的參考價(jià)值，可為后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及優(yōu)化提供可靠依據(jù)。