濟(jì)寧市兗州區(qū)興隆莊街道農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心 劉磊

在農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展進(jìn)程中，馬鈴薯農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展進(jìn)度遲緩，近年來水平才明顯提升，國外馬鈴薯收獲機(jī)械的生產(chǎn)應(yīng)用率明顯降低，聯(lián)合收獲機(jī)則得到了極大發(fā)展，基本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯收獲機(jī)械化。在日常農(nóng)具中也開始應(yīng)用高新技術(shù)，如振動(dòng)、液壓技術(shù)，利用傳感技術(shù)控制喂入量，我國在該領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)進(jìn)度比較遲緩，目前主要集中在中小型懸掛式集條收獲機(jī)研制推廣階段，各類農(nóng)業(yè)機(jī)械用具的技術(shù)水平與國外發(fā)達(dá)國家依然有較大差距[1]。近年來我國部分地區(qū)研制的小型收獲機(jī)設(shè)備初試成功，如4UL-2 型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)、1650 型帶臂式聯(lián)合收獲機(jī)等。但是目前傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法，依然要面臨低效率、低精度、粗略性與近似性結(jié)論的問題，為了縮減機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期，降低成本投入，提高設(shè)備效率與精度，本文將提出基于ADAMS的農(nóng)業(yè)機(jī)械仿真設(shè)計(jì)研究，運(yùn)用ADAMS 軟件建立農(nóng)業(yè)機(jī)械仿真模型，優(yōu)化設(shè)計(jì)獲得最佳工作參數(shù)。

1 ADAMS 軟件

ADAMS 為機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，由美國MDI 公司研發(fā)，具備可視化View，高效求解Solver 與強(qiáng)大功能處理模塊，在應(yīng)用中集建模、求解、可視化等多項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)于一體化虛擬樣機(jī)仿真分析軟件，是目前廣泛使用的權(quán)威多體動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件[2]。在軟件使用中可以利用交互式環(huán)境、約束庫、零件庫、力庫等，建立參數(shù)化機(jī)械模型，運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)理論拉格朗日方程法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，使后處理模塊獲得輸出速度、位移、力度曲線。運(yùn)用該軟件建立復(fù)雜虛擬樣機(jī)，能夠在短時(shí)間內(nèi)迅速獲得優(yōu)化后機(jī)械設(shè)備的相關(guān)性能參數(shù)，這樣一來能夠?qū)ξ锢順訖C(jī)的高額研制費(fèi)用與次數(shù)有效減少，從而極大地提升了產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量與研發(fā)時(shí)間、成本，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、交通、機(jī)械設(shè)計(jì)制造等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[3]。

2 收獲機(jī)設(shè)備工作原理

4UX-550 型馬鈴薯收獲機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1 所示。設(shè)備運(yùn)行中經(jīng)拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸、萬向聯(lián)軸器總成，向偏心軸傳遞動(dòng)力，旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)前后兩個(gè)擺臂，轉(zhuǎn)變旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為左右擺動(dòng)，擺臂擺動(dòng)帶動(dòng)抖動(dòng)篩往復(fù)運(yùn)動(dòng)，馬鈴薯鏟入土層向前運(yùn)動(dòng)，在抖動(dòng)篩內(nèi)挖起土與馬鈴薯分離后，在作業(yè)帶一側(cè)分布馬鈴薯塊，擺動(dòng)篩可以經(jīng)篩面振動(dòng)在掘起物內(nèi)分離馬鈴薯，這樣在篩面激勵(lì)下不僅有沿著篩面進(jìn)行的下行運(yùn)動(dòng)，還包括沿著篩面的上行運(yùn)動(dòng)與躍起，實(shí)現(xiàn)馬鈴薯抖動(dòng)與拋落。該機(jī)械設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)為：配套動(dòng)力 13.3～22.1kW，550mm 幅寬，218kg 機(jī)具自重，13.5mm 偏心距，150～250 挖掘深[4]。

圖1 馬鈴薯收獲機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3 ADAMS 機(jī)械仿真建模

3.1 設(shè)計(jì)分析流程

因?yàn)锳DAMS 機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件具備簡化可實(shí)現(xiàn)三維建模功能，在處理復(fù)雜不規(guī)則系統(tǒng)與不規(guī)則零件幾何時(shí)，處理難度就會(huì)隨之增加，因此通常采用專業(yè)三維建模與動(dòng)力學(xué)仿真軟件完成。Pro/E 的建模功能尤為強(qiáng)大，能夠方便零部件建模裝配，聯(lián)合ADAMS 軟件仿真，即可提高復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的整體性能[5]。在聯(lián)合其他軟件設(shè)計(jì)的過程中，首先要建立Pro/E 的各零件三維特征模型，依據(jù)具體設(shè)計(jì)需求干涉所要裝的配零部件，向ADAMS 中依據(jù)特定格式導(dǎo)入模型，即可完成ADAMS 軟件中設(shè)定的約束、驅(qū)動(dòng)、相關(guān)仿真參數(shù)，并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析[6]。

3.2 幾何建模

本研究設(shè)計(jì)的馬鈴薯收獲機(jī)的幾何建模步驟如下：

（1）傳動(dòng)軸與偏心輪、中篩臂、搖臂的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)見表2，對(duì)各關(guān)鍵點(diǎn)完成分別定義；（2）使用Cylinder 在A、B 各點(diǎn)建立偏心輪，設(shè)計(jì)偏心輪的具體方向，使用LInk 在 C 點(diǎn)建立前篩搖臂，在 G 點(diǎn)建立后篩搖臂；（3）使用 Plate 在 C、D、E 點(diǎn)建立篩中篩臂，在 G、F、H 點(diǎn)建立篩中篩臂；（4）使用Cylinder 與Box 工具與布爾運(yùn)算，成功建立擺動(dòng)篩幾何模型；（5）依次建立飛輪、懸掛架、鏟具與其他構(gòu)件的幾何建模。

表1 關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)

4 測(cè)試樣機(jī)建模優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

4.1 初始建模與模型參數(shù)化

根據(jù)馬鈴薯收獲機(jī)的幾何模型，建立樣機(jī)初始模型，設(shè)定540r/min 輸出軸加載轉(zhuǎn)速，加載0.2s，50 步仿真分析，對(duì)擺動(dòng)篩質(zhì)心速度與加速度參數(shù)進(jìn)行測(cè)量（如圖 2、圖 3 所示）。

圖2 前篩質(zhì)心加速度

圖3 前篩質(zhì)心速度

通過處理馬鈴薯收獲機(jī)的擺動(dòng)篩傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，根據(jù)機(jī)構(gòu)在仿真軟件中完成各關(guān)節(jié)點(diǎn)的變量創(chuàng)建，設(shè)計(jì)變量值包括 POINT_1～POINT_8 與 Loc_x、Loc_y[7]。

4.2 樣機(jī)模型設(shè)計(jì)

本文以4UX-550 型馬鈴薯收獲機(jī)為例，該設(shè)備前后擺動(dòng)篩交替擺動(dòng)，相反運(yùn)動(dòng)，僅僅對(duì)前篩設(shè)計(jì)展開研究。在試驗(yàn)中，在篩面的傾角為0°～10°時(shí)，設(shè)計(jì)最適用的加速度值，分別為 15～20m/s2、35～40m/s2，在此條件下能夠成功分離70%～75%土壤，設(shè)計(jì)篩面篩物的移動(dòng)速度范圍為0.25～0.5m/s。為了確保最優(yōu)化分離，將擺動(dòng)篩的平均加速度取值設(shè)為40m/s2，優(yōu)化設(shè)計(jì)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)。根據(jù)設(shè)定的各設(shè)備結(jié)構(gòu)變量取值范圍，對(duì)不同設(shè)計(jì)變量下所造成的擺動(dòng)篩加速度影響進(jìn)行觀察，設(shè)計(jì)前擺動(dòng)篩加速度均值，具體變量見表2。

表2 設(shè)計(jì)變量

根據(jù)上述設(shè)計(jì)變量在DV_1～DV-8 中，對(duì)機(jī)械擺動(dòng)篩加速度進(jìn)行均值研究，以獲得不同變量取值相應(yīng)的加速度均值變化情況,發(fā)現(xiàn)其中 1、2、4、6、8 達(dá)到最大敏感度，DV_1 決定了機(jī)械偏心輪的半徑值，DV_2 對(duì)偏心輪的半徑不造成任何影響，所以DV_2 在優(yōu)化設(shè)計(jì)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)中不做考慮。表3 為本次研究的設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)結(jié)果情況。

表3 設(shè)計(jì)研究結(jié)果

5 樣機(jī)模型優(yōu)化設(shè)計(jì)

在導(dǎo)入模型后，運(yùn)用ADAMS 軟件設(shè)計(jì)仿真環(huán)境，包括單位、重力、柵格平面方向等。為了盡可能減少ADAMS 仿真軟件的仿真計(jì)算量，可以使用布爾運(yùn)算的合并指令，合并同樣功能的不同零件為統(tǒng)一零件。因?yàn)樵谠摲抡孳浖袑?dǎo)入各零件，均為無質(zhì)量幾何體，這都需要后期加工生產(chǎn)添加零件屬性，對(duì)于接觸運(yùn)動(dòng)物體則需要添加合理范圍內(nèi)的接觸作用力，最后虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)能夠在轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力曲柄軸的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)方向。根據(jù)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)完成仿真設(shè)計(jì)，運(yùn)用ADAMS 繪制相關(guān)部位的速度、位移、軌跡、加速度、驅(qū)動(dòng)力等參數(shù)[8]。結(jié)合本次研究設(shè)計(jì)建模，對(duì)上述分析中最大敏感度的幾項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)，使用Design Variable、Modify 顯示數(shù)據(jù)瀏覽器，選定可修改數(shù)據(jù)變量對(duì)話框，在選項(xiàng)框內(nèi)選擇輸入設(shè)設(shè)計(jì)變量的最大、最小極值，即成功修改了設(shè)計(jì)變量，如表4 所示。根據(jù)多次迭代運(yùn)算獲得DV_1 為463.51，DV_4 為 130.40，DV_6 為 -44.984，DV_8 為-310.55，其中最優(yōu)點(diǎn)為 41.457m/s2，與 40m/s2這一理論最優(yōu)值最為接近。

表4 修改設(shè)計(jì)變量

6 結(jié)語

總而言之，在本研究中通過使用ADAMS 仿真軟件，對(duì)4UX-550 型馬鈴薯收獲機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真設(shè)計(jì)，可獲對(duì)收獲機(jī)設(shè)備裝置造成影響的關(guān)鍵參數(shù)，也就是偏心輪偏心半徑與中篩臂的臂長，并獲得馬鈴薯收獲機(jī)在最佳設(shè)備分離狀態(tài)下的關(guān)鍵參數(shù)。經(jīng)設(shè)計(jì)對(duì)比仿真結(jié)果可得，4UX-550 型馬鈴薯收獲機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，經(jīng)模型優(yōu)化設(shè)計(jì)所得仿真結(jié)果中的最優(yōu)點(diǎn)為41.457m/s2，與40m/s2這一理論最優(yōu)值最為接近。將ADAMS 應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中，可以對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)與各部件功能進(jìn)行模擬，并且發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)階段的樣機(jī)缺陷，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)能夠有效完善農(nóng)業(yè)機(jī)械方案。