基于ADAMS的馬鈴薯挖掘機運動學仿真

吳金娥，呂金慶，楊　穎，尚琴琴，田忠恩，王英博，劉志鑫

(東北農業大學 工程學院，哈爾濱　1500030)

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基于ADAMS的馬鈴薯挖掘機運動學仿真

吳金娥，呂金慶，楊穎，尚琴琴，田忠恩，王英博，劉志鑫

(東北農業大學 工程學院，哈爾濱1500030)

摘要：分析了振動式馬鈴薯挖掘機的結構，并采用ADAMS仿真軟件建立了三維運動仿真模型，對馬鈴薯挖掘機各部件和偏心輪分別添加約束和旋轉驅動來實現挖掘機和分離篩的運動。通過測量獲得了其相對于機架的角位移、角速度、角加速度變化情況，觀察分析了相關曲線的變化趨勢，為馬鈴薯挖掘機軌跡優化及后續動力學仿真分析奠定了理論基礎。

關鍵詞：馬鈴薯挖掘機；挖掘鏟；振動篩；運動仿真

0引言

農業部近日表示，我國將啟動馬鈴薯主糧化戰略，推進把馬鈴薯加工成饅頭、面條、米粉等主食。未來馬鈴薯將成為稻米、小麥、玉米之外的第四大主糧作物，種植面積將逐步擴大到0.1億hm2，預計2020年50%以上的馬鈴薯將作為主糧消費[1]。然而，在我國南方，馬鈴薯的收獲機械化水平嚴重落后。首先，南方地理條件特殊，山地丘陵地帶眾多，田地分散且成階梯狀，從而限制了大型機器的行走和運作。其次，南方氣候條件溫暖多雨，土地濕軟且黏重，適用于北方土地條件的馬鈴薯收獲機械在南方收獲效果并不理想。經過調研與收集資料，筆者結合南方的地形與土地環境情況，設計了適用于南方的振動式馬鈴薯挖掘機，其體積小巧，配套動力小于18.4kW，在山地行走靈活，消耗油量小；運用振動原理，在土壤濕度大的壟作中分離效果更為明顯[2]。

為探討各工作部件的運動規律，本文采用虛擬樣機技術分別對振動架、挖掘鏟及分離篩進行了運動學仿真分析，確定其運動軌跡的合理性，以便達到直觀、形象的效果，為后續更為理想的設計和動力學特性仿真分析提供理論參考。

1馬鈴薯挖掘機的結構及原理

4U1Z型振動式馬鈴薯挖掘機主要由機架、偏心輪、連接襯套、鉸接臂、振動架、連接板、挖掘鏟、振動篩及后掛架等構成，如圖1所示。

1.偏心軸　2.連接襯套　3.鉸接臂　4.振動架

馬鈴薯挖掘機通過拖拉機的三點懸掛方式進行拖動，挖掘鏟的振動動力由拖拉機動力輸出軸通過萬向傳動軸經偏心軸輸入,偏心軸另一端與連接襯套相連，通過鉸接臂的球鉸鏈結合將相應動力傳遞給振動架。此動力輸入部分為空間五桿機構。空間機構的結構緊湊、運動多樣、工作可靠，避免了運動不靈活和卡住現象[3]。振動架的前后擺動通過連接板等帶動挖掘鏟和分離柵產生相對振動，實現對壟作的收獲。此工作部分為雙四桿平面機構[4]。平面機構在工程機械應用較廣泛，能實現多種運動規律和軌跡，有利于挖掘鏟和振動篩相互振動工作的穩定，其機構簡單可靠，滿足本課題設計要求[5]。

2運動仿真與結果分析

ADAMS軟件是由美國 MSC 公司開發研制的集建模、求解、可視化技術于一體的虛擬樣機軟件，主要針對機械系統進行仿真分析。通過ADAMS/View(用戶界面模塊)和ADAMS/Solver(求解器)，可對大部分的機械系統進行仿真。通過建模或導入模型，然后施加相應的運動約束副與驅動，最后執行一組與實際運動狀況相近的運動仿真測試，得到仿真結果就是實際運動情況。運用 ADAMS 軟件進行仿真, 可以大大簡化機械產品的設計開發過程, 大幅度縮短產品的開發周期, 大量減少產品開發費用和成本, 明顯提高產品質量, 提高產品的系統性能, 獲得最優化和創新的設計產品[6]。

根據馬鈴薯挖掘機各部分具體結構設計，在 ADAMS/VIEW 中建立空間五桿傳動機構和雙四桿平面機構虛擬樣機模型，其尺寸均按設計要求選擇，并進行仿真分析，形象直觀地展示該機構的工作過程，分析各關鍵部件運動特性。

2.1幾何建模

根據圖1采用參數化建模，用各構件連接點的坐標創建設計點。機架用長方體建模工具相應設計點生成，偏心輪采用圓柱建模工具相應設計點生成，其余各構件均用連桿建模工具相應設計點生成。

2.2施加約束和運動

將相應的約束施加在各構件上，以限制構件之間的某些相對運動，并以此將不同構件連接起來組成一個機械系統。按照各構件之間的相對運動關系情況來添加約束、偏心輪的幾何中心點O、各鉸接點A～J處(除C)等均采用銷釘連接；對上述鉸接點施加旋轉副將構件連接，鉸接點C處施加球面幅將構件連接，機架與大地的之間的運動副為固定副。偏心輪是整個工作過程的動力驅動裝置，因此在其中心點O處的旋轉副建立旋轉驅動。考慮到馬鈴薯挖掘機實際作業時偏心輪轉速，設置偏心輪中心點O處參數為540 r/min(3 240°/s)。對ADAMS中建立的運動系統仿真模型進行約束與驅動加載完成，仿真模型如圖2所示。

2.3仿真結果

在開始仿真分析之前，利用模型自檢工具對樣機模型進行最后的檢驗，排除建模過程中隱含的錯誤，以保證仿真分析順利進行[7]。

為獲得振動架、挖掘鏟、分離篩相對于機架的各運動參數曲線，令各關鍵構件的角位移為從機架前進方向(即水平向左方向)逆時針旋轉至運動構件之間的夾角。為方便測量各運動構件的角位移，在機架上創建點U和點V。為保證U點與G點、V點與D分別保持水平，使U點與G點、V點與D點的Y向坐標分別相等。在分離篩上創建一點W，為保證W點與H點保持水平，使其Y向坐標相等[8]。為了研究的需要，設置仿真時間為0.5s,設定仿真步數為450；然后,觀察模型仿真運動情況；仿真結束后進入后處理界面，結果如圖3～圖5所示。

圖2　運動系統仿真模型

圖3代表振動架相對于機架的角位移、角速度和角加速度變化規律。從圖3可以看出：偏心輪旋轉1周時，振動架的角位移在37°～47°范圍內往復移動，角速度在-336°/s～315°/s 范圍內往復移動，角加速度在-17151°/s2～19 465°/s2范圍內往復移動。

圖4代表挖掘鏟相對于機架的角位移、角速度和角加速度變化規律。從圖4可以看出：偏心輪旋轉1周時，挖掘鏟的角位移在62°～67°范圍內往復移動，角速度在-120°/s ～128°/s 范圍內往復移動，角加速度在-7 206°/s2～6 905°/s2范圍內往復移動。

圖5代表分離篩相對于機架的角位移、角速度和角加速度變化規律。從圖5可以看出：偏心輪旋轉1周時，分離篩的角位移在177°～182°范圍內往復移動，角速度在-39°/s ～42°/s 范圍內往復移動，角加速度在-2 942°/s2～1 743°/s2范圍內往復移動。

圖3　振動架運動參數曲線

圖4　挖掘鏟運動參數曲線

圖5　分離篩運動參數曲線

從仿真分析的結果和仿真動畫來看:機構DEFG與DHIJ均為搖桿機構,其振動架每轉10°的過程中,挖掘鏟和分離篩轉動分別轉動10°和5°。分析圖3～圖5可以得到：①當t=0.03s時，偏心輪轉動到最高點，振動架與挖掘鏟、分離篩的角位移均達到最大值，挖掘鏟到達最右邊臨界位置，分離篩到達最左邊極限位置，與實際情況相符。各構件的角速度此刻為0，振動架的角加速度處于最大值，而挖掘鏟和分離篩的角加速度均處于最小值。②當t=0.095s時，偏心輪轉動到最低點，振動架與挖掘鏟、分離篩的角位移均達到最小值，挖掘鏟到達最左邊臨界位置，分離篩到達最右邊極限位置，與實際情況相符。各構件的角速度此刻為0，振動架的角加速度處于最小值，而挖掘鏟和分離篩的角加速度均處于最大值。③當t=0.14s時，振動架與挖掘鏟、分離篩的運動特性與t=0.03s時一致。各構件均完成一個周期的運動，歷時0.11s。

從以上分析得到：當偏心輪每旋轉1周時，工作部件挖掘鏟和分離篩均達到左右極限位置1次,且方向相反步調一致，達到雙四桿機構的同步異向的振動效果，滿足設計要求。振動架、挖掘鏟和分離篩的各運動參數變化過程基本一致,并且運動都是呈周期性規律變化。各角位移、角速度和角加速度變化平緩，無劇烈振動現象，無較大沖擊，可以保證馬鈴薯挖掘機的質量，性能良好[10]。根據曲線分析得到的規律和參數完全可以作為設計人員設計或檢驗機構的依據。

3結論

針對南方的馬鈴薯挖掘作業機械化水平低的現狀，提出了一種適用于南方地理條件和氣候的振動式馬鈴薯挖掘機設計方案。該挖掘機既滿足當地的種植模式，又提高了馬鈴薯挖掘作業的工作效率。采用空間五桿機構的動力輸入和雙四桿平面機構工作輸出，從馬鈴薯挖掘機的整體結構設計出發，完成了馬鈴薯挖掘機整個工作系統的機構設計，為提高南方兩作區馬鈴薯挖掘作業的機械化水平提供了一種解決方案。

通過在ADAMS下的機構仿真，不僅可以直觀地觀察各關鍵部件的真實運動過程，了解振動架、挖掘鏟及分離篩作業時在各個方向的具體位置，還可以得到其角位移、角速度、角加速度等各方面的響應曲線。分析其運動規律和運動特性，如果不符合設計要求，可以通過反復地修改運動學模型，在虛境下模擬系統的運動，直到滿足運動要求。虛擬樣機技術的運用提高了分析效率和質量,簡化了設計過程,縮短了設計周期,從而降低了設計的成本。

參考文獻：

[1]中華人民共和國農業部.[EB/OL].[2015-04-02].http://www.moa.gov.cn/zwllm/zwdt/201501/t20150107_4324333.htm.

[2]聞邦椿.振動機械的理論與研究[M].北京:機械工業出版社，1982:86.

[3]張啟先．空間機構的分析與綜合[M].北京：機械工業出版社，1984.

[4]趙淑紅，蔣恩臣，閆以勛，等.小麥播種機開溝器雙向平行四桿仿形機構的設計及運動仿真[J].農業工程學報, 2013,7(14):26-32.

[5]孫恒，陳作模，葛文杰．機械原理[M].北京：高等教育出版社，2006:38-67.

[6]郭衛東.虛擬樣機技術與ADAMS應用實例教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008:2-5.

[7]葛正浩.ADAMS2007虛擬樣機技術[M].北京：化學工業出版社，2010:147-148.

[8]MSC.Software. MSC.ADAMSFSP基礎培訓教程[M].北京:清華大學出版社,2004:105.

[9]厲國柱，梁楚華，趙德斌. 行星輪爬壁機器人的設計、運動分析及動態仿真[J]. 機器人技術,2009(5): 71-74.

[10]中國農業機械化科學研究院. 農業機械設計手冊[K]. 北京：機械工業出版社，1990.

Kinematics Simulation of Potato Digger Based on ADAMS

Wu Jine, Lv Jinqing, Yang Ying, Shang Qinqin, Tian Zhongen, Wang Yingbo, Liu Zhixin

(Department of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract：In this paper, Through analyzing the structure of vibrating potato digger，using the ADAMS simulation software to establish 3D motion simulation model, add the constraints of potato digger parts and the eccentric rotating drive of eccentric wheel to realize the movement of digging shovel and vibrating screen. By measuring the change of the angular displacement, angular velocity and angular acceleration of key components relative to the rack, observing and analyzing the change trend of related curve. It provides a theoretical basis for the trajectory optimization and subsequent dynamics simulation analysis of potato digger in the future.

Key words：potato digger；digging blade；separating sieve；motion simulation

文章編號：1003-188X(2016)02-0031-04

中圖分類號：S225.7+1

文獻標識碼：A

作者簡介：吳金娥(1990-)，女，湖南衡南人，碩士研究生，(E-mail)396658102@qq.com。通訊作者：呂金慶(1970-)，男，哈爾濱人，研究員，碩士生導師，國家馬鈴薯產業技術體系崗位科學家，(E-mail)ljq8888866666@163.com。

基金項目：現代農業產業技術體系建設專項(CARS-10-P22)；國家“十二五”科技支撐計劃項目(2014BAD06B03)；云南省冬季無公害高產技術體系構建及應用項目(2014YNC001)

收稿日期：2015-04-20