水平摘錠式采棉機摘錠軌跡特性研究—基于ADAMS與MatLab

洪榮榮，孫文磊，陳　勇

(新疆大學 機械工程學院,烏魯木齊　830047)

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水平摘錠式采棉機摘錠軌跡特性研究
—基于ADAMS與MatLab

洪榮榮，孫文磊，陳勇

(新疆大學 機械工程學院,烏魯木齊830047)

摘要：水平摘錠式采棉機是一種高精度、高精準作業要求的大型棉花收獲機械，其關鍵部件-采頭機構(尤其是摘錠)的運動合理性直接影響采摘性能。為此，通過對水平摘錠式采棉機進行采頭功能分析，以掌握其結構組成原理，為采頭進行數字化建模與傳動分析做準備；然后，利用ADAMS對摘錠軌跡進行仿真獲得軌跡曲線；最后將仿真軌跡曲線數據信息導入MatLab獲得曲線多項式，以此來研究探索摘錠運動的規律及其對摘錠采摘性能的影響。該研究為提高國產采棉機采摘性能提供參考。

關鍵詞：采棉機；水平摘錠式；ADAMS；MatLab

0引言

采棉機的普及對推進棉花規模化種植、降低人工勞動強度與成本、提高勞動效率具有重要意義。采棉機的種類多樣，其中水平摘錠式采棉機因其較高的采摘性能在新疆棉花收獲中應用廣泛。早在1996年，采棉機作為國家科技部“九五”科技攻關項目，備受矚目。經歷了近20年的發展，貴航4MZ-5已經基本可以滿足市場需求；但相對于國外采棉機巨頭——約翰迪爾和凱斯，還有較大差距(采頭故障率高、穩定性差)。其核心部件-采頭(尤其是采摘動作執行部件摘錠)價格昂貴、維修困難且依賴進口。

國內采棉機研究機構主要有石河子大學、新疆農業科學院農業機械化研究所、新疆農墾科學院農機研究所、新疆大學及新疆農業大學等。

石河子大學畢新勝、王維新等通過分析采棉機水平摘錠的基本工作原理,推導出棉鈴在自然和施壓二種狀態下摘錠摘取棉花的摩擦力大小公式。趙巖、王維新等完成了FS4M-2R滾筒式軟摘錠采棉機的設計。新疆農業大學莊力駿、孫穎等利用計算機作圖，模擬研究了該采棉滾筒摘錠運動軌跡與K值的對應關系，探討了K值對采棉性能的影響。這些研究為采棉機采摘性能優化提供了參考，但是對摘錠運動規律這方面的研究較少。

摘錠的運動軌跡特征不僅決定了摘錠對棉株的損傷、攪動進而影響棉花含雜率，還決定了能否把籽棉從棉鈴中充分地勾住并拽出及以一定的角度脫棉和潤濕摘錠。為研究摘錠的運動規律及其軌跡特性，筆者利用功能分析法對采頭部件進行了功能分析，利用UG對采頭進行了數字化建模，利用仿真軟件ADAMS對采頭進行仿真，得到摘錠的運動軌跡。最后，對軌跡進行MatLab擬合，得到軌跡曲線的多項式，并對多項式及其對軌跡對性能影響進行探討。

1基于UG的采頭建模及傳動分析

1.1結構組成

如圖1所示，采頭的結構主要由滾筒與脫棉盤組成。滾筒又包括凸輪、滾輪、曲拐、轉盤、摘錠座管及摘錠。此外，還有各級齒輪組合的傳動系統。傳動齒輪包括滾筒轉動傳動齒輪、聯動齒輪、座管端齒輪、摘錠錐齒輪及脫棉盤傳動齒輪。其中，曲拐上端下端與座管固定聯結，上端卡入凸輪槽內(導向槽)。

1.2傳動分析

如圖2所示，采頭的傳動由離合器、各級齒輪、座管、凸輪和曲拐等部件組成。采頭的傳動形式為齒輪傳動。由傳動圖可以看出摘錠有3種運動：沿自身軸線的自轉、繞滾筒中心軸的公轉以及受曲拐影響的擺動。嚴格來說還有第4種，即隨采棉機的前進。摘錠的這4種運動構成了完整的采摘過程同時影響著采摘性能，這4種運動相輔相成又都有著各自的傳動路線。本文研究內容為摘錠的對滾筒的相對運動，因此對其自轉及公轉運動進行了分析。兩種運動的傳動分析如圖3所示。

圖1　采頭總成

如圖3所示，摘錠的自轉傳動路線為：動力源傳動到錐齒輪1、2，然后經過離合器、齒輪3后分為兩路：一路經齒輪5、9、聯動齒輪、11傳動至座管齒輪20，最后座管齒輪20帶動錐齒輪13,則摘錠開始自轉；另一路經齒輪6、8后傳動指滾動軸，再由滾筒軸帶動轉盤，最后轉盤帶動座管，則摘錠開始公轉。

圖3　傳動分析

2基于功能論的采頭功能分析

功能論設計方法的主要特征就是由系統的觀念弄清設計對象的實用功能及其系統結構，對設計對象的功能進行抽象和分析。對采頭進行功能分析，有助于進一步認識采棉機的采摘機理與影響采摘性能的因素。為理清采頭各部件的功能性質，以每一工序的涉及的固定件、傳動件、軌跡約束件及執行件為分類類別進行了采頭各部件的功能整理，如表1所示。

表1　部件及其功能

為了更好地分析設計對象，就必須對功能進行區別和分類。為掌握產品必要功能，發現和消除不必要功能，筆者用系統的思想分析各功能間的內在聯系，按照功能的邏輯體制編制功能關系圖，如表 2所示。

表2　功能分類與整理

續表2

3基于ADAMS的摘錠運動仿真

采棉機是一種結構復雜、價格昂貴、工作季節性強的大型機械，一年中只有幾個月可以接觸，而且必須是采棉過程出現故障或者每年一次的大檢修才有機會看到核心機構。由于條件所限，無法進行現場摘錠軌跡研究。因此，需要依照實物建模后對摘錠運動進行仿真分析。所謂摘錠運動軌跡的仿真，就是利用運動學軟件對摘錠運動行為進行模擬。現有的運動學仿真軟件有RecurDyn、SIMPACK及ADAMS等。

ADAMS求解器采用多剛體系統動力學理論中的拉格朗日方程方法，建立系統動力學方程，對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。鑒于其強大的仿真功能，選擇它作為仿真工具。

座管仿真的難點在于摘錠的擺動。影響摘錠擺動的機構有凸輪、曲拐和座管。凸輪固定在采頭上；座管上端聯結曲拐，中間被轉盤格擋限制并隨其旋轉，下端與滾筒底部固定可旋轉；曲拐上端卡入凸輪槽，下端與座管固定。當座管旋轉時，摘錠一邊隨座管旋轉，一邊受曲拐的影響沿凸輪槽運動。由于座管底部僅有軸向約束，而且轉盤格擋與座管的接觸位置沒有約束，所以座管可以在轉盤的格擋間自由運動，由此形成了座管的擺動。

3.1模型簡化

摘錠的運動軌跡涉及到的部件有凸輪、滾輪、曲拐、轉盤、座管、座管固定件及底座。由于摘錠有3種運動，每種運動的傳動形式都有所不同，因此傳動路徑復雜，涉及的傳動部件更是多而雜；再加上控制摘錠運動軌跡的凸輪、曲拐及轉盤等部件，使得滾筒模型過于龐雜；因此，對模型進行簡化十分必要。根據模型簡化原則—定性分析類型、控制計算規模、對稱性、化繁為簡4個原則，正確選擇與摘錠軌跡相關的構件，將數個傳動齒輪組成的動力源用一個簡單的桿代替，將216根摘錠簡化為一個，摘錠上的眾多構件也布爾為一個整體，如圖4所示。這樣不僅可以提高ADAMS的運算效率，還可以減少建立系統模型的工作量。

簡化后，尤其要注意座管的上中下3部分的裝配，其上端與曲拐下端軸心對齊，兩部件上端面對齊；卡入轉盤的座管中部與轉盤沒有裝配關系，若設定裝配則影響摘錠軌跡的仿真；座管下端與滾筒底部旋轉部件有兩個部件連接，下端部件與滾筒固定裝配，上端是一個旋轉套，起到分離作用，與座管之間是軸心對齊及端面對齊的裝配關系。

3.2摘錠運動仿真及軌跡結果分析

模型簡化后，對各運動構件進行運動副的添加，其由1個機架、8個運動副、4個回轉副及4個固定副組成；接著，以轉盤軸為驅動進行仿真，得摘錠的運動軌跡曲線，如圖5所示。

圖5　簡化模型仿真分析結果

由圖5可以看出：摘錠的運動軌跡是一個光滑的不規則曲線，可以減小座管擺動的加速度，增加摘錠工作的穩定性。另外，在某時刻t，摘錠在采摘工作區與脫棉區的分布較密：采摘區分布3根，脫棉區分布3根。在采摘區與脫棉區分布較密有助于提高采摘與脫棉效率。摘錠初始進入采摘區時，與工作區的夾角約為60°(采棉機水平向右運動，滾筒逆時針旋轉)；完全進入工作區后，摘錠與棉行約成90°，這樣既可以減少對棉珠的攪動，又可以在摘錠垂直伸入棉鈴后有足夠的時間纏卷棉花，提高采凈率。摘錠進入脫棉區時，與脫棉盤切線方向的夾角較小，在這樣的位置脫棉盤上的凸起更容易將纏繞摘錠上的籽棉脫下。相對位置與角度關系圖如圖6所示。

圖6　相對位置與角度關系圖

圖6中，虛線代表摘錠末端與轉盤中心這兩點的相對位置曲線；實線代表摘錠末端、曲拐下端與轉盤中心這3點所圍成角的相對角度曲線。由圖6可以看出：這兩條曲線規律變化基本一致。初始進入脫棉區，曲線呈下降趨勢，完全進入后曲線來到第1個波谷；離開脫棉區，曲線呈上升趨勢，完全離開后到達第1個波峰；接著，摘錠到達摘錠清潔區達到第2個波谷，之后一直到完全進入采摘工作區，到達第3個波峰；離開工作區后呈下降趨勢，完全離開后，達到第3個波谷，之后沿著脫棉區方向上升。如此循環往復。

4基于Matlab的軌跡曲線擬合

為進一步了解軌跡曲線的特性，筆者在ADAMS軌跡數據的基礎上，對其進行曲線擬合。所謂擬合是指已知某函數的若干離散函數值{f1,f2,…,fn}，通過調整該函數中若干待定系數f(λ1,λ2,…,λn)，使得該函數與已知點集的差別(最小二乘意義)最小。鑒于MatLab強大的數學功能，筆者選擇了它作為獲取軌跡曲線的工具。本文所涉及的軌跡曲線即是利用多項式擬合功能進行的，包括導出測量曲線數據、將“*.txt”文件導入到matlab中進行分析、利用Matlab畫圖及對曲線進行多項式擬合4個步驟。因為摘錠軌跡為閉合的，無法得到擬合函數，所以將曲線分為兩部分，分段擬合。為達到理想擬合效果，兩部分擬合階次均取7階，得到結果如圖7、圖8所示。

圖7　上半段軌跡擬合曲線

圖8　下半段軌跡擬合曲線

這組數據擬合的相關系數為95%，復相關系數(R-square)、調整自由度相關系數(Adjusted R-square)均接近于1，誤差平方和(SSE)較小，擬合度較高。

這組數據擬合的相關系數為95%，誤差平方和(SSE)較小，復相關系數或復測定系數(R-square)接近1，擬合度較高。

這些擬合數據可以用于摘錠軌跡的重構，將其導入UG/solidworks等建模軟件中，可以利用軌跡進行凸輪、曲拐、摘錠長度等的再設計，在滿足軌跡要求的基礎上，對機構進行改進及優化。

此外，摘錠軌跡也可用于分析采棉機性能。在未來采棉機機構多樣化發展的過程中，不同采棉機之間有不同的軌跡特征，通過對這些軌跡進行分析、對比與綜合得到新的軌跡，從而得到新的采摘機構、優化的采摘性能。

5結論

1)通過功能論的思想方法對采頭進行功能分析得到各部件結構組成及功能。通過功能分析后，發現采棉1個周內采摘工序涉及的功能性質及部件數量最多，結構及運動形式最復雜。

2)利用UG對采頭進行數字化建模，并根據一些原則對模型進行了簡化，并對采頭進行傳動分析。

3)利用ADAMS對摘錠軌跡進行仿真獲得軌跡曲線，得出結論：摘錠在采摘區與脫棉區分布較密，摘錠初始進入工作區的夾角為60°，可減少對棉珠的攪動。摘錠末端位移與角度變化隨采摘工序不同，呈周期性變化。

4)將仿真軌跡曲線數據信息導入MatLab獲得曲線多項式，擬合結果表明其擬合度較高。同時，分上下兩段對曲線進行數學描述，得到兩個階次為6的系數不同的多項式，分析結果可用于凸輪、曲拐、摘錠等的再設計及機構改進的理論依據，為摘錠運動規律的進一步研究提供參考。

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Research of Spindle Trajectory Characteristic of Horizontal Spindle Type Cotton-picking Machine—Based on ADAMS and MatLab

Hong Rongrong, Sun Wenlei, Chen Yong

Abstract：Level spindle - type cotton picker is a kind of large-scale harvesting machine, which has a high precision requirement for the job. Its key components-picking monomers’ motion rationality (especially spindle) directly influences the picking performance. In view of this, They conducted a functional analysis to master its structure principle、digital modeling and transmission analysis to prepare for the trajectory simulation, Then conducted simulations with ADAMS of spindle to get trajectory, Finally imported the simulation curve data into the MATLAB to get the polynomial of trajectory .Through this, to study the regular pattern of the spindle’s motion. And then, provide a reference for improving the picking performance of the domestic cotton picker.

Key words：cotton picker; level spindle-type; ADAMS；MatLaba

文章編號：1003-188X(2016)04-0044-05

中圖分類號：S225.91+1；TH16

文獻標識碼：A

作者簡介：洪榮榮(1990-)，女，河南商丘人，碩士研究生，(E-mail)1498219704@qq.com。通訊作者：孫文磊 (1962-),男,新疆奎屯人,教授,博士生導師，(E-mail)sunwenxj@163.com。

基金項目：新疆科技支疆項目(2013911032)；新疆科技重點專項(201130110)

收稿日期：2015-04-03