3ZT-3型中耕追肥機受力分析及運動仿真

遲宏偉，劉宏俊，趙淑紅，譚賀文，張先民，楊悅乾

(1.黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150081；2.東北農業大學 工程學院，哈爾濱 150030)

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3ZT-3型中耕追肥機受力分析及運動仿真

遲宏偉1，劉宏俊2，趙淑紅2，譚賀文2，張先民2，楊悅乾2

(1.黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150081；2.東北農業大學 工程學院，哈爾濱 150030)

針對3ZT-3型中耕追肥機進行受力分析，確定牽引角對整機穩定性的影響；在ADAMS/View中建立基于3ZT-3型中耕追肥機的虛擬樣機仿真模型，根據各構件運動狀態，添加相應的約束，并對仿真模型進行檢驗。在仿真分析結束后選取相關點，觀察分析其運動軌跡圖。仿真分析結果表明：牽引角的變化量在-100～+100之間,仿形效果能夠滿足中耕農藝要求，該研究可為中耕追肥機的優化及后續動力學仿真分析奠定理論基礎。

中耕；追肥；受力分析；ADAMS；運動仿真

0 引言

隨著保護性耕作技術逐步推廣，對中耕的施肥機施肥質量的要求也逐步提高[1-3]。保護性耕作要求地表有大量的殘茬及秸稈覆蓋，同時土壤硬度大，嚴重地影響了傳統施肥機施肥作業穩定性[4]。若施肥機的穩定性差，不易保證施肥深度穩定，容易出現施肥過深或過淺的現象，將導致幼苗對肥料吸收不足，造成肥料浪費，降低中耕施肥作業質量[5-7]。為了提高施肥機的施肥質量,保證施肥機的穩定性，采用控制深度的機構?？刂粕疃葯C構主要是電液自控仿形機構和平行四桿仿形機構，前者造價高，設計過于復雜，后者更適于在農業機械上的應用[8-11]。針對施肥機工作穩定性差等問題，根據中耕機要求，采用平行四桿仿形機構，設計出3ZT-3型中耕追肥機，可保證施肥深度一致，滿足中耕農藝的要求。

為了驗證3ZT-3型中耕追肥機設計的合理性，對該追肥機進行了受力分析，確定了影響施肥機穩定性的主要因素；運用ADAMS軟件，建立基于3ZT-3型中耕追肥機的虛擬樣機仿真模型，并對其進行運動學仿真分析，驗證了設計的合理性，為下一步提高施肥機的動力學仿真分析和實際生產提供參考。

1 中耕追肥機整機機構及工作原理

3ZT-3型中耕追肥機主要由機架、仿形機構、肥箱、單體梁、松土除草部件、施肥鏟及傳動地輪等組成，如圖1所示。該機可以進行3行施肥作業，通過前后配置除草鏟，實現分層松土除草作業；通過單體兩側配置除草鏟，實現在壟幫兒施肥。

1.機架 2.仿形機構 3.肥箱 4.單體梁 5.后置松土除草鏟 6.施肥鏟 7.前置松土除草鏟 8.傳動地輪

在施肥作業過程中，平行四桿仿形機構保證施肥機單體在高低起伏的地面作業時作業深度保證穩定，控制施肥深度一致。

2 中耕追肥機整機受力分析

3ZT-3型中耕追肥機主要通過U型卡連接主梁和作業單體。在中耕作業過程中，伴隨著壟溝高低不平和壟溝里秸稈覆蓋不均勻等因素，機器在施肥過程中受力的大小和方向一直在變化。追肥單體中的四桿仿形機構決定著追肥機的穩定性。對3ZT-3型中耕追肥機進行受力分析，可以為主要關鍵部件的設計和作業可行性提供依據。該追肥機由3個施肥單體組成，工作時，3個單體的受力相同。因此，本文以1個施肥單體進行受力分析。四桿仿形的上下拉桿的受力主要集中在下拉桿。為了簡化分析過程，將觸土部件(松土除草鏟和施肥鏟)看成一個部件進行受力分析，具體分析如圖2所示。圖2中，M為牽引主距；Fx和Fy為牽引力在xy方向的分力；FQx和FQy為傳動地輪所受的阻力在xy方向的分力；FRx和FRy為觸土部件在xy方向的分力；H為各個力到仿形拉桿末端的距離。

圖2 追肥機的受力分析圖

仿形機構的平衡條件為

Fx-FRx-FQx=0

(1)

Fy+FRy+FQy-G=0

(2)

(3)

式中 α—牽引角(°)；

M—仿形機構力矩(N·mm)；

G—機具重力(N)。

其中，FRx和FRy存在線性關系，FQx和FQy也存在線性關系，具體關系為

FQx=μFQy

(4)

FRx=fFRy

(5)

式中f—施肥鏟與土壤的摩擦因數；

μ—傳動地輪與土壤的阻力因數。

(6)

由上述公式可知：當機器的重力G和地輪的垂直反力FQy一定時，隨著α的增大，FR將減少。FR與入土深度有關，FR越小，觸土部件入土深度越淺。由此可知：α不易過大，應保持在一定范圍內。作業時，仿形拉桿上下浮動的浮動范圍小時，則FR穩定。這說明觸土部件入土深度穩定，則可保證施肥深度穩定，進而增加機器的整體穩定性。

3 基于ADAMS軟件的運動仿真

ADAMS軟件主要針對機械系統的運動學與動力學進行仿真計算，主要由ADAMS/View模塊和ADAMS/Solver模塊組成。ADAMS/View模塊通過自身建?；驅肴S模型，采用約束將模型鏈接，通過裝配成為系統，利用外力或者運動對其進行驅動。ADAMS/Solver模塊支持多種分析類型，包括運動學、靜力學和動力學分析。采用ADAMS軟件設計虛擬樣機進行仿真，為設計人員提供新的研發模式，可以縮短開發周期，減少產品研發成本，提高產品質量[12]。

3.1 幾何建模

在保證仿真分析結果真實可靠和仿真效率的前提下，忽略與運動過程無關的因素，進而簡化建模過程，建立基于3ZT-3型中耕追肥機的虛擬仿真模型。在ADAMS/View中，根據施肥機各部件的實際結構尺寸，對仿形桿、地輪和施肥單體進行參數化建模，得到相應的虛擬樣機模型。地面則有相應的坐標設計點生成，可以很容易地改變模型。

3.2 施加約束和運動

在各部件建模完成后，根據各構件之間運動關系，添加相應的約束，獲得相應的虛擬樣機的機械系統。仿形體與機架、仿形桿與施肥單體和地輪與施肥單體采用旋轉副將構件鏈接。機架與大地之間選擇運動副，大地固定約束，機架的運動速度為6 km/h。地輪與大地之間添加線線接觸約束，可以避免地輪在高低不平的地面產生脫離。虛擬仿真具體約束如表1所示。虛擬樣機仿真模型如圖3 所示。

表1 主要部件的約束關系

圖3 虛擬樣機仿真模型

3.3 模型檢驗

在虛擬仿真計算之前，對虛擬樣機模型進行驗證，確保系統的構成、系統自由度、定義質量的構件、約束等信息均正確，同時在建模過程中，也可以進行模型驗證，可保證模型的準確性及虛擬仿真能完成。采用自檢工具對模型進行最后的檢驗的結果如圖4所示。

圖4 模型自檢信息

3.4 仿真結果分析

在虛擬仿真分析過程中，觀察虛擬樣機的實時工作過程，獲得各個部件的運動狀態。選擇地輪的中心、施肥單體與開溝器接觸點，生成相應的運動軌跡。由圖5可知：虛擬樣機中的地輪隨著地面的高低起伏進行運動，施肥鏟等工作部件相對于地面產生了相應的變化，表明該虛擬樣機的可行性；仿形機構的仿形滯后現象低，仿形效果好，其軌跡形狀更加接近于實際地形，保證了設計的合理性。

圖5 運動軌跡圖

圖6中表示的是在仿真時間350s內，仿形桿相對于機架繞著z軸的角位移、角速度的運動變化圖。由圖6中可知：在仿真時間在0～275s之間時，虛擬樣機地面不平整，角位移穩定在-10°～+10°之間，未出現過大的現象，滿足牽引角α不易過大的要求，表明設計合理；在仿真時間在275～300 s之間時，虛擬樣機在平整的穩定運行，角位移不發生變化。仿真分析結果表明：該整機的適應性好，滿足設計要求。

圖6 施肥機運動參數曲線

4 結論

1)針對施肥機進行受力分析，確定了牽引角α是影響3ZT-3型中耕追肥機穩定性的主要因素。

2)建立了基于3ZT-3型中耕追肥機的虛擬樣機仿真模型。

3)運用ADAMS軟件對虛擬樣機仿真模型進行仿真分析，得到牽引角的變化量在-10°～+10°之間,虛擬樣機穩定性好，滿足設計要求。

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Force Analysis and Motion Simulation of the 3ZT-3 Cultivator Fertilizer Machine

Chi Hongwei1， Liu Hongjun2, Zhao Shuhong2, Tan Hewen2, Zhang Xianmin2， Yang Yueqian2

(1.Science Research Institute of Agricultural Mechanical Engineering in Heilongjiang， Harbin 150081,China; 2.College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

In order to determine the traction angle influence on the stability of the whole machine, force analysis on the 3ZT-3 cultivator fertilizer machine is performed. Based on the 3ZT-3 cultivator fertilizer machine，the virtual motion simulation model is desgined by the ADAMS simulation software. Depending on each component state of motion each motion, the corresponding constraints are added, and the test simulation model is tested. After the simulation analysis ,the relevant points are selected for observing analysis of the trajectory.The simulation results show that the traction angle variation between -10°～+10° which meet the requirements of cultivating agronomy. This paper is using for the optimization of cultivator fertilizer machine.The theoretical basis of this paper is using for the subsequent dynamics simulation analysis.

cultivator; fertilizer shovel; force analysis; ADAMS; motion simulation

2016-03-10

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD11B01-02)

遲宏偉(1967-)，女，黑龍江密山人，高級工程師，(E-mail)1050292909@qq.com。

趙淑紅(1969-)，女，哈爾濱人，教授，博士生導師，(E-mail)shhzh91@sina.com。

S224.21

A

1003-188X(2017)01-0015-04