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        水陸兩棲式水生植物收割裝置運動分析與仿真

        2022-01-20 09:10:06周竹馨
        農(nóng)業(yè)裝備技術(shù) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:往復(fù)式曲柄運動學(xué)

        王 斐,周竹馨,沈 輝

        (1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 揚州分院,江蘇 揚州 225003;2.揚州大學(xué) 機械工程學(xué)院,江蘇 揚州 225127)

        濕地水生植物收割作業(yè)量大,采用傳統(tǒng)人工方式勞動強度大、工作效率低。水陸兩棲式水生植物收割裝置可適應(yīng)復(fù)雜濕地環(huán)境下的行走和對挺水植物的切割,作業(yè)效率高,成本低,可滿足市場需求[1],而切割器作為工作裝置的關(guān)鍵部件,其性能將直接影響切割質(zhì)量及收割效率。本文對水陸兩棲式水生植物收割裝置切割器進行運動學(xué)分析與仿真,以期為后期生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

        1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

        水陸兩棲式水生植物收割裝置的結(jié)構(gòu)如圖1 所示,該裝置由車架、行走底盤、動力單元、連接架、提升架、快換接頭和工作裝置等組成。提升架的作用是調(diào)整工作裝置的高度,控制切割高度;連接架起到伸長和減震的作用;快換接頭方便工作裝置的安裝和拆卸,可裝配不同的工作裝置,滿足多功能的需求。工作機除裝配T 型刀頭用來收割水草和濕地植被外,也可裝配鉆頭用于厚冰鉆孔,進行冰上搶險救災(zāi)。

        圖1 濕地輕型兩棲式多功能工作機結(jié)構(gòu)

        2 往復(fù)式切割器工作原理與運動分析

        2.1 工作原理

        往復(fù)式切割器結(jié)構(gòu)如圖2 所示,工作原理如圖3 所示。

        圖2 往復(fù)式切割器結(jié)構(gòu)

        圖3 工作原理

        2.2 割刀運動方程

        割刀的運動特性將對切割器性能產(chǎn)生直接影響,為此,可以將往復(fù)式切割器簡化為曲柄連桿機構(gòu),連桿在曲柄的驅(qū)動下做往復(fù)直線運動,如圖4 所示。

        圖4 切割器的機構(gòu)運動簡圖

        建立動刀片的運動方程[2]:

        其中:ω 為動刀片的角速度,rad/s;r 為曲柄半徑,mm;x 為割刀位移,mm;Vx為割刀在x 方向的速度,mm/s;t 為時間,s;a 為加速度,mm/s2。

        聯(lián)立式(1)、式(2)可得式(4):

        可以看出,割刀速度與割刀位移的關(guān)系滿足橢圓方程式,橢圓長半軸的長度為rω,短半軸的長度為r,如圖5 所示,說明割刀上任一點的速度都不相同。

        圖5 割刀速度與割刀位移的關(guān)系

        綜上可知,刀片上某一點的速度變化規(guī)律與橢圓方程式是一致的。當(dāng)位移為零,即x =0 時,該點位于刀片的中點,此時Vx取得最大值,即為rω;當(dāng)位移為r,即x=±r 時,該點位于刀片的極左或極右處,此時Vx=0,為最小值。

        2.3 工作機運動學(xué)仿真

        為直觀地分析切割器工作過程中刀具的位移、速度和加速度特性,使用ADAMS 軟件進行運動學(xué)仿真分析[3]。利用電動機帶動傳動軸轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)速為550 r/min。由圖6 可以看出,割刀的位移曲線為正弦曲線,曲線的波峰和波谷值是動刀片在兩個不同方向上的最大位移。

        圖6 割刀位移隨時間變化曲線

        由圖7 可以看出,當(dāng)曲柄以恒定速度旋轉(zhuǎn)時,在連桿的驅(qū)動下,割刀的速度變化曲線可以近似為正弦變化。動刀片的最大速度值出現(xiàn)在初始點,動刀片的零速度在其最大位移處。

        圖7 割刀速度隨時間變化曲線

        由圖8 可以看出,割刀的加速度變化曲線也呈近似正弦曲線。割刀的最大加速度出現(xiàn)在其最大位移處,而最小加速度出現(xiàn)在初始點。

        圖8 割刀加速度隨時間變化曲線

        3 性能試驗研究

        在挺水植物及沉水植物生長茂盛期間,對濕地輕型兩棲式多功能工作機綜合切割性能進行測試,測試結(jié)果見表1 所示。表1 結(jié)果表明:該濕地輕型兩棲式多功能工作機可以通過調(diào)節(jié)切割深度在復(fù)雜地形條件下連續(xù)切割沉水植物和大面積挺水植物,在一定條件下滿足復(fù)雜的兩棲作業(yè)要求,工作性能穩(wěn)定可靠,達到動力與效率的平衡。

        表1 兩棲式多功能工作機切割性能試驗結(jié)果

        4 結(jié) 論

        (1)對濕地輕型兩棲式多功能工作機的關(guān)鍵部件進行了運動分析,從理論上證明割刀相對于時間的位移、速度、加速度變化曲線均呈正弦規(guī)律。

        (2)在軟件ADAMS 中進行運動學(xué)仿真分析,得到割刀位移、速度和加速度的變化曲線,割刀的最大速度出現(xiàn)在初始點,零速度出現(xiàn)在割刀的最大位移處;割刀的最大加速度出現(xiàn)在其最大位移處,最小加速度出現(xiàn)在初始點。

        (3)試驗結(jié)果表明,濕地輕型兩棲式多功能工作機在滿足設(shè)計要求的同時也能保證工作效率。

        對于濕地輕型兩棲式多功能工作機的傳動系統(tǒng)以及切割器刀片的高度確定還需要進一步研究,以達到更好的切割效果。

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