基于ADAMS的擺環機構運動仿真分析

周偉權 史增錄 張絹 趙守瑞 白圣賀

摘要：擺環機構是實現往復式切割器運動的一種典型傳動機構。運用Solidworks軟件對擺環機構進行建模設計，介紹其結構及工作原理。通過ADAMS軟件對擺環機構進行模擬仿真，研究其傳動方式和運動規律，獲得割刀在往復運動方向上的位移、速度、加速度等運動曲線，為農、牧業收獲機械中擺環機構的設計分析提供依據。

關鍵詞：擺環機構；運動仿真；造型設計；ADAMS

中圖分類號：S220.39 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）07-0019-03

聯合收獲機械的切割裝置分為往復式和圓盤式兩種。其中，往復式切割器的驅動部件有曲柄連桿機構、擺環機構、行星齒輪機構、雙曲柄機構和雙飛輪機構等。這些傳動機構的共同特點是把回轉運動變成割刀的平面往復直線運動。擺環機構作為一種運動轉換部件，起著與曲柄連桿機構相同的作用，即將旋轉運動轉化為往復運動。且有較曲柄連桿機構結構緊湊、穩定、噪聲小的優點，故被廣泛應用于需進行運動轉換的機具。

利用Solidworks進行擺環機構建模，并運用ADAMS軟件對擺環機構進行仿真分析，得出擺環機構的相關數據，旨在為擺環機構的設計和研究提供依據。

1 擺環機構結構與工作原理

利用Solidworks完成擺環機構的虛擬裝配，其機構如圖1所示，主要由主軸，擺環，擺軸，擺桿和導桿等零件組成。

為更直觀地表達擺環機構的詳細結構，其模型爆炸視圖如圖2所示。擺環機構是一種由裝在主軸上的擺環通過擺軸把回轉運動轉變為往復運動的機構。軸套套在主軸上，主軸旋轉帶動軸套轉動，軸套與軸承內圈相連，軸承外圈帶動擺環轉動，擺環擺動時通過擺軸擺桿帶動導桿，從而驅動割刀進行往復運動。

2 擺環機構的運動特性

割刀的運動特性對切割器性能有直接影響。往復式切割器工作時，動刀片在擺環機構的驅動下做橫向往復直線運動。圖3是擺環運動示意圖，從正面看過去，擺環的中心為O，半徑等于OA′，它以傾角ɑ剛性地固連于水平主動軸上，隨軸一起做等速旋轉，角速度為ω；在W面上，擺環的投影為一橢圓，并隨主動軸（其投影聚集于點）一同以角速度ω旋轉運動。

擺環機構的割刀位移方程式為：x=-σrcosωt

擺環機構的割刀速度方程式為：Vx=μrωsinωt

擺環機構的割刀加速度方程式為：αx=γrω2cosωt

式中：x為割刀位移；Vx為速度；αx為加速度；σ，μ，γ皆為擺環偏角ɑ和rω的函數。

在擺環偏角≦15°時，擺環機構與曲柄連桿機構的割刀運動規律類似。當ɑ角大于25°時，則αx較曲柄連桿機構有明顯的差異，即αx在一個周期內出現兩個高峰，使機器振動加劇。故一般取擺角ɑ=15～18°。

3 擺環機構的仿真分析

3.1 機構創建

利用三維建模Solidworks軟件對機構進行建模，通過數據轉換接口將模型保存為Parasolid（X_T）格式，并導入到ADAMS中，完成仿真分析模型創建，如圖4所示。對導入到ADAMS中擺環機構的虛擬樣機進行各部件布爾操作、重命名、添加材料屬性等編輯。此外，由于導桿在實際運動中存在彈性變形，故在虛擬樣機中將導桿做為柔性部件進行仿真分析。

3.2 添加約束與載荷

虛擬樣機構建完成后，利用ADAMS軟件中的主工具箱中的約束功能，按照機構的實際狀態將各個構件進行約束添加。添加完成的約束如表1所示。

根據擺環機構的設計要求，以主軸轉速500 r/min作為其動力輸入速度，并在在虛擬樣機的機架與主軸之間的旋轉副上施加驅動載荷。

3.3 仿真分析

根據收割機的傳動比計算出主軸的轉速為500 r/min。在ADAMS添加驅動并設置其轉速，進行機構運動仿真，設置仿真時間End time為0.25 s，仿真步數為200，分析動刀片的運動規律。

從圖5可以看出割刀在x軸上的移動變化特性：最大位移為655 mm，最小位移為565 mm，行程為45 mm，在X軸做周期為0.12 s的往復間諧振動，滿足設計最初設計行程的要求。

圖6是割刀在x方向上的速度變化曲線。由曲線可以看出，割刀在往復運動完成1次切割時，位移速度變化范圍在-2.5～2.5 m/s之間，滿足切割要求。

圖7是割刀的加速度變化曲線。由于導桿為柔性體，在開始受力時因存在塑性變形而受力不均，加速度突變不穩定，故從穩定后開始分析，確定其加速度變化范圍是-112.8～120.0 m/s。

對照圖5—7可以看出，當割刀的行程達一半時，速度最大，加速度為0 mm/s；在割刀行程最大時，其速度為0 m/s，但加速度最大，符合理論計算模型。

4 結論

運用三維建模軟件Solidworks對擺環機構進行造型設計，概述擺環機構的構造、工作原理，分析其運動特性，通過仿真軟件ADAMS對擺環機構的情況進行模擬仿真，研究割刀在往復運動方向上的位移、速度、加速度變化曲線，獲得割刀運動參數，為今后擺環機構的設計計算提供分析方法。

參考文獻

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