基于ADAMS的水平摘錠式采棉機采棉滾筒運動仿真分析

摘要：采棉滾筒是水平摘錠式采棉機的核心工作部件，其工作的可靠性直接影響著采棉機的采摘質(zhì)量和作業(yè)效率。以約翰·迪爾7760型采棉機為例，介紹了采棉滾筒的結(jié)構(gòu)及工作原理，利用ADAMS軟件建立了采棉滾筒的三維模型并進行運動仿真，分析了運動規(guī)律，為采棉滾筒的設(shè)計和研究提供了理論依據(jù)和參考。

關(guān)鍵詞：水平摘錠式采棉機；采棉滾筒；ADAMS；仿真分析

中圖分類號：S225.91+1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）02-0440-03

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團是全國重要的優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地和優(yōu)質(zhì)棉花產(chǎn)區(qū)之一，在棉花生產(chǎn)機械化進程中，棉花機械化收獲已成為必然趨勢[1，2]。目前，兵團引進的采棉機主要是水平摘錠式采棉機[3]。而水平摘錠式采棉機又分為滾筒式、鏈式及平面式，由于滾筒式水平摘錠式采棉機采摘率高、落地棉損失少、含雜率低、功率消耗少等而被人們在生產(chǎn)中廣泛接受[4，5]，約翰·迪爾7760型采棉機就是其中一種。

采棉滾筒是水平摘錠式采棉機的核心工作部件，它控制著摘錠座管和摘錠的運動，而摘錠是直接影響采摘質(zhì)量和效率的關(guān)鍵因素[6]，因此，研究其運動規(guī)律對了解采棉機的工作原理有重要意義，尤其是可為采棉滾筒的國產(chǎn)化提供理論基礎(chǔ)。利用ADAMS[7]軟件建立了采棉滾筒的三維模型并進行運動仿真，分析了運動軌跡，為采棉滾筒的設(shè)計和研究提供理論依據(jù)和參考。

1 采棉滾筒的設(shè)計分析過程

創(chuàng)建零部件的模型主要有兩種方法：一種是直接可利用ADAMS/View中的零件庫來建模，另一種是通過其他CAD軟件導(dǎo)入ADAMS中。前者針對比較簡單的零件模型，后者可建立結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型。本研究采用后者創(chuàng)建采棉滾筒的數(shù)學(xué)模型。

利用ADAMS軟件建立采棉滾筒的數(shù)學(xué)模型，通過實體的可視化仿真分析，模擬采棉滾筒在實際工作過程中的運動，從而確定其最佳設(shè)計參數(shù)。

2 采棉滾筒的結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)

采棉滾筒主要由摘錠座管總成、摘錠、摘錠座管支座、導(dǎo)向槽、曲拐等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。而摘錠座管總成由摘錠頭、摘錠桿、摘錠錐齒輪等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，三維模型如圖3所示。采棉滾筒零部件繁多，其主體包括12個摘錠座管總成，而摘錠座管總成又包含18個摘錠，單個采棉滾筒就摘錠而言就有216個。

2.2 工作原理

每個采棉滾筒裝有12個摘錠座管總成，且均勻分布在滾筒圓周上。摘錠座管上端裝有曲拐，曲拐上帶有滾輪，滾輪嵌入到導(dǎo)向槽里。當(dāng)采棉滾筒轉(zhuǎn)動時，摘錠座管隨滾筒繞回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)，同時回轉(zhuǎn)中心軸上的齒輪又帶動中心軸轉(zhuǎn)動，從而帶動摘錠旋轉(zhuǎn)。隨著采棉機的前行，棉花進入采摘頭內(nèi)，棉花就會被摘錠纏繞，進而實現(xiàn)采摘作業(yè)。

3 運動的仿真分析

3.1 采棉滾筒簡易模型的建立

由于采棉滾筒模型復(fù)雜，滾筒零部件比較多，如果將整個滾筒模型導(dǎo)入ADAMS中，龐大的信息量將會影響ADAMS的運算效率，而且給建立系統(tǒng)模型帶來相當(dāng)大的工作量。其次，12個摘錠座管的運動規(guī)律基本上都是一致的，只是運動的先后不同。且每個摘錠座管上摘錠相對于地面的運動規(guī)律相同，因此將模型進行簡化。每個摘錠座管上只取一個摘錠來進行仿真分析，用一個紅色小球來代替。這樣同樣能得到滾筒的運動特性，但模型大大簡化，提高了ADAMS的運行速度，也減少了大量重復(fù)繁瑣的工作。以坐標軸x正向為采棉機前進方向，采棉滾筒沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)，簡化后的滾筒模型如圖4所示。

3.2 添加運動副

ADAMS中的運動副主要有移動副、旋轉(zhuǎn)副、固定副、凸輪副、圓柱副、鉸鏈副、平面副、連軸器等。添加運動副時必須注意選擇運動副的類型、作用點以及方向。

根據(jù)采棉滾筒的實際工作過程，在模型中主要添加5個運動副：添加采棉機整機和地面間的移動副1個，用于仿真采棉機運動；添加采棉機機架和采棉滾筒之間的旋轉(zhuǎn)副1個，用于滾筒旋轉(zhuǎn)；添加小球和采棉滾筒之間的固定副3個，防止?jié)L筒旋轉(zhuǎn)時小球脫離滾筒表面。

按照采棉滾筒的工作原理添加驅(qū)動，在采棉機機架添加一個沿x方向的速度，用于模擬機器的前進運動；在圓筒上添加方向為逆時針的回轉(zhuǎn)角速度，用于模擬采棉滾筒的圓周運動。

3.3 采棉滾筒運動軌跡的分析

以約翰·迪爾7760型采棉機為例，測得采棉機作業(yè)的前進速度為：vm=6.8 km/h≈1.89 m/s，測得采棉滾筒轉(zhuǎn)速為：n=182 r/min=1 092°/s。

對采棉滾筒模型添加驅(qū)動可得到其運動軌跡如圖5所示，軌跡曲線如圖6所示，位移曲線如圖7所示，在x、y、z軸上的速度曲線如圖8所示，合速度曲線如圖9所示，加速度曲線如圖10所示。

約翰·迪爾7760型采棉機工作時，采棉滾筒的運動軌跡為擺線，如圖5、圖6所示，形成原因是采棉滾筒自身作旋轉(zhuǎn)運動，再加上采棉滾筒相對于地面作直線運動。采棉滾筒是沿著y軸正方向前進的，而在x軸方向的位移有變化，但是波動不大，如圖6所示。采棉滾筒在x軸方向上的速度是個正弦曲線，在y軸方向上的速度變化較大，這是由采棉滾筒在x軸方向的旋轉(zhuǎn)速度不斷變化引起的，如圖8所示。采棉滾筒在x軸方向上的加速度是一條負的正弦曲線，而在y軸方向上的加速度是一條余弦曲線，他們之間相差一個相位角，如圖10所示。

4 小結(jié)

采棉滾筒是水平摘錠式采棉機的核心工作部件，其工作的可靠性直接影響著采棉機的采摘質(zhì)量和作業(yè)效率。本研究以約翰·迪爾7760型采棉機為例，介紹了采棉滾筒的結(jié)構(gòu)及工作原理，利用ADAMS軟件建立了采棉滾筒的三維模型并進行運動仿真，分析了運動軌跡，其結(jié)果與實際工作狀況一致，體現(xiàn)了分析的可行性與直觀性，為采棉滾筒的設(shè)計和研究提供了理論依據(jù)和參考，也為采棉滾筒的國產(chǎn)化打下了基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1] 周亞立，劉向新，閆向輝.棉花收獲機械化[M].烏魯木齊：新疆科學(xué)技術(shù)出版社，2012.

[2] 祝鵬濤，魏 敏，張宏文.采棉機摘錠的三維虛擬建模及有限元分析[J]. 農(nóng)機化研究，2011，33（4）：39-42.

[3] 周亞立，李生軍，劉向新，等.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團棉花生產(chǎn)機械化技術(shù)[J]. 新疆農(nóng)機化，2005（5）：8-14.

[4] 李世云，孫文磊，畢新勝，等.采棉機械采摘原理解析[J]. 科技信息，2011（7）：71-72.

[5] 畢新勝，王維新，叢錦玲，等. 水平摘錠式采棉機采棉滾筒的運動學(xué)分析[J]. 農(nóng)機化研究，2008，30（8）：49-54.

[6] 付長兵. 水平摘錠式采棉機采摘原理及關(guān)鍵部件分析[D]. 烏魯木齊：新疆大學(xué)，2005.

[7] 鄭建榮. ADAMS虛擬樣機技術(shù)入門與提高[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2001.