基于Pro/E及ADAMS液態(tài)施肥機(jī)扎穴機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真

劉亞華，王金武，王金峰，鞠金艷

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

傳統(tǒng)施肥機(jī)械都是對農(nóng)作物進(jìn)行開溝固體施肥，若遇地面干燥土質(zhì)較干，則使作物對肥力吸出較慢，不利于作物生長，若遇土質(zhì)太濕，不利于開溝施肥，從而對作物生長期的需肥狀況造成不利影響，若采用人工施肥則提高了勞動(dòng)強(qiáng)度并且效率低下。液態(tài)施肥機(jī)克服傳統(tǒng)施肥機(jī)的缺點(diǎn)，可將化肥直接施在作物根系側(cè)旁，作物吸收快、利用率高，節(jié)約肥料，能有效減輕環(huán)境污染。因此，液態(tài)施肥機(jī)極具應(yīng)用價(jià)值。扎穴機(jī)構(gòu)是將噴肥針扎入土壤并噴施液態(tài)肥的機(jī)構(gòu)，是液態(tài)施肥機(jī)關(guān)鍵工作部件，其工作性能決定了施肥機(jī)施肥質(zhì)量、工作可靠性和作業(yè)速度[1-7]。本文運(yùn)用Pro/E軟件繪制出機(jī)構(gòu)各零部件的三維實(shí)體圖和機(jī)構(gòu)裝配圖，而后轉(zhuǎn)到專業(yè)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件下，添加約束和運(yùn)動(dòng)副，最終形成系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)。它把建立物理樣機(jī)原型的需求降到了最小，提高了創(chuàng)造性，并有助于在更短的時(shí)間內(nèi)提供更好的產(chǎn)品。應(yīng)用Pro/E與ADAMS軟件聯(lián)合仿真得出扎穴機(jī)構(gòu)針尖運(yùn)動(dòng)軌跡，對軌跡進(jìn)行分析，提出改進(jìn)的方法。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

橢圓齒輪扎穴機(jī)構(gòu)是一種旋轉(zhuǎn)式扎穴機(jī)構(gòu)，行星架旋轉(zhuǎn)1周，扎穴1次。其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖1。

圖1 扎穴機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)Fig.1 Pricking hole mechanism

由兩個(gè)全等橢圓齒輪1、2和兩個(gè)全等正圓齒輪3、4以及行星架5、搖臂6、噴肥針7組成，兩個(gè)橢圓齒輪的回轉(zhuǎn)中心均在橢圓齒輪的焦點(diǎn)上，在行星架處于初始相位角（即初始安裝位置）時(shí)，兩橢圓齒輪長軸共線。齒輪2和齒輪3固結(jié)為一體，中心橢圓齒輪1（亦稱太陽輪）固定不動(dòng)。工作時(shí)，齒輪箱（即行星架）在驅(qū)動(dòng)軸的帶動(dòng)下，相當(dāng)于一個(gè)原動(dòng)件繞太陽輪的回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)。通過鍵和行星輪軸與行星正圓齒輪固結(jié)的一對搖臂，其牽連運(yùn)動(dòng)是隨著齒輪箱做圓周運(yùn)動(dòng)，相對運(yùn)動(dòng)是隨著行星圓齒輪作不等速逆向運(yùn)動(dòng)。按照設(shè)計(jì)優(yōu)化后的參數(shù)，針尖可以按要求的姿態(tài)（角位移和軌跡）運(yùn)動(dòng)[8-9]。

2 建立扎穴機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)

2.1 沿曲線陣列法的橢圓齒輪建模

橢圓齒輪建模采用沿曲線陣列法，僅適用Pro/E 3.0及以后更高級的版本。建模的主要參數(shù)有：模數(shù)m、齒數(shù)z、分度圓壓力角angle_α、齒頂高系數(shù)ha*、頂隙系數(shù)c、齒寬B、橢圓長半軸α、橢圓短軸與長軸之比k等。橢圓齒輪參數(shù)見表1。

表1 橢圓齒輪主要參數(shù)Table1 Main parameter of elliptic gear

橢圓齒輪的建模過程：根據(jù)參數(shù)草繪出分度橢圓曲線—在橢圓長軸對稱一側(cè)利用基準(zhǔn)曲線工具，建立笛卡爾坐標(biāo)下的漸開線曲線—應(yīng)用拉伸命令拉伸出齒廓—利用分度圓曲線陣列所有齒廓，見圖2[10]。

圖2 橢圓齒輪模型Fig.2 Elliptic gear model

2.2 正齒行星輪扎穴機(jī)構(gòu)各部件裝配

根據(jù)需要，設(shè)計(jì)了齒輪箱、軸、行星架等部件，與上述設(shè)計(jì)的橢圓齒輪進(jìn)行總體裝配。裝配后模型如圖3所示。

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

3.1 Pro/E運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

機(jī)構(gòu)總體裝配之后，即可運(yùn)用軟件自帶的機(jī)構(gòu)/運(yùn)動(dòng)分析功能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。設(shè)置齒輪之間的傳動(dòng)比，以及機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度，得到噴肥針尖的絕對運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖4所示。

圖3 扎穴機(jī)構(gòu)裝配模型Fig.3 Assembly model of pricking hole mechanism

圖4 噴肥針絕對運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.4 Absolute motion trajectory of spraying-fertilizer needle

在扎穴過程中，噴肥針基本能實(shí)現(xiàn)垂直入土和垂直出土的作業(yè)要求，避免噴肥針劃出長長的溝痕，減少了土壤對噴肥針的損傷；噴肥針扎穴機(jī)構(gòu)入土深度為140 mm，在苗帶兩側(cè)交錯(cuò)扎穴，即可以滿足穴距200 mm的要求。

3.2 應(yīng)用ADAMS進(jìn)行仿真分析

3.2.1 模型導(dǎo)入ADAMS與約束設(shè)置

相對于Pro/E而言，ADAMS的仿真能力能更強(qiáng)，所以作者在Pro/E建立好模型后導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行分析。齒輪、齒輪軸均定義為剛體，材料為Steel，忽略相互之間的彈性變形。在各部件間施加約束：兩根齒輪軸分別添加旋轉(zhuǎn)副，行星系箱體架4與大地固接。軸與齒輪間均用固定副固定在一起以便于分析。兩對齒輪間的嚙合均采用碰撞副，碰撞副參數(shù)設(shè)置如下：碰撞類型為實(shí)體對實(shí)體，計(jì)算碰撞力的方法選擇沖擊函數(shù)法，添加S接觸剛度為 1.0×105N·mm-1，指數(shù)為1.5，阻尼為50 N·s·mm-1，切入深度為 0.1 mm；摩擦力計(jì)算方法選庫侖法，添加靜態(tài)系數(shù)為0.3，動(dòng)態(tài)系數(shù)為0.1，靜滑移速度為100 mm·s-1，動(dòng)滑移速度為1 000 mm·s-1；在行星架3上添加電機(jī)驅(qū)動(dòng)[11-12]。

3.2.2 仿真結(jié)果與分析

利用ADAMS軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真可知，兩對齒輪嚙合正常，沒有出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。得出噴肥針單次和兩次運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖5所示。

圖5 噴肥針相對運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.5 Relative motion trajectory of spraying-fertilizer needle

仿真結(jié)果符合預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，得到生產(chǎn)要求的相對運(yùn)動(dòng)軌跡為淚滴型軌跡，從而驗(yàn)證了模型建構(gòu)和仿真分析的正確性。但噴肥針尖運(yùn)動(dòng)的軌跡并不是光滑的，呈現(xiàn)鋸齒狀，如圖5a所示；進(jìn)一步加長仿真運(yùn)動(dòng)時(shí)間，觀察噴肥針尖運(yùn)動(dòng)的軌跡，發(fā)現(xiàn)循環(huán)兩次運(yùn)動(dòng)的軌跡并不重合，如圖5b所示。分析原因如下：①由橢圓齒輪的基礎(chǔ)知識可知，齒輪相互間嚙合時(shí)，壓力角與重合度是瞬時(shí)變化的，這也顯示了橢圓齒輪傳動(dòng)的相對不平穩(wěn)性；②在ADAMS仿真前，已經(jīng)設(shè)置各部件的材料、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等屬性，由于齒輪間碰撞慣性力的存在，使齒輪嚙合瞬間輪齒擺動(dòng)；③橢圓齒輪在建模過程中，齒廓是通過陣列的方式得到，與實(shí)際橢圓齒輪的加工不完全一致；④齒輪在嚙合過程中存在齒間間隙。

以上原因都可能導(dǎo)致了橢圓齒輪扎穴機(jī)構(gòu)仿真運(yùn)動(dòng)軌跡的鋸齒形狀。由于液態(tài)施肥機(jī)本身工作環(huán)境較為惡劣，精度要求較低，且仿真過程中各參數(shù)的長度單位均設(shè)置為毫米（mm），因此此軌跡已符合實(shí)際工作要求。實(shí)際工作過程中，齒輪采用線切割加工，提高各零部件加工精度，減小齒輪模數(shù)，都可使軌跡更為平滑。

4 結(jié)論

利用Pro/E、ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)仿真分析，大大減少了傳統(tǒng)的物理樣機(jī)制造和實(shí)驗(yàn)過程，具有重大的工程實(shí)用價(jià)值。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，基于參數(shù)化造型技術(shù)軟件Pro/E對扎穴機(jī)構(gòu)進(jìn)行造型，裝配后利用Pro/E與ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)聯(lián)合仿真。仿真結(jié)果表明，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)建立的扎穴機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)滿足扎穴機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)要求，達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。橢圓齒輪行星系作為液態(tài)施肥機(jī)的扎穴機(jī)構(gòu)，是其在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用中的又一創(chuàng)新。

[1]譚偉明,胡赤兵,冼偉杰,等.非圓齒輪滾切最簡數(shù)學(xué)模型及其圖形仿真[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2001,37(5):71-82.

[2]裴艷蘭,和麗,許紀(jì)倩.高速水稻插秧機(jī)中非圓齒輪齒廓的圖形仿真[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2007,20(5):96-97.

[3]馮金龍,王金武.探針注入式深層施肥機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2007(4):64-65.

[4]陳志剛,吳雪飛.基于Pro/E及ADAMS圓柱齒輪減速器的參數(shù)化建模及運(yùn)動(dòng)仿真[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2005,18(2):105-106.

[5]王金峰,王金武,葛宜元.深施型液態(tài)施肥裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2009,40(4):58-62.

[6]王金武,紀(jì)文義,馮金龍,等.液態(tài)施肥機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(6):157-159.

[7]王金峰,王金武.液態(tài)變量施肥機(jī)兩種不同變量機(jī)構(gòu)的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2007(1):123-125.

[8]趙勻,俞高紅,武傳宇,等.機(jī)構(gòu)數(shù)值分析與綜合[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[9]俞高紅,趙鳳芹,武傳宇,等.正齒行星輪分插機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2004,35(6):64-67.

[10]鐘日銘.Pro/ENGINEER Wildfire 3.0中文版機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)例教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

[11]鄭建榮.ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[12]李增剛.ADAMS入門詳解與實(shí)例[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.