寶塔菜聯合收獲機關鍵部件建模方法與仿真
——基于ADAMS

吳 俊，王春秀，王 鶴，劉帥帥，謝亞星，陳星名

(寧夏大學 機械工程學院，銀川 750021)

0 引言

現有根莖類作物收獲機多采用升運鏈式分離機構，既能夠運輸物料，也能夠為后續的機構提供動力。其結構具有較好的緩沖和吸振動性能[1]，亦能夠實現精確輸送的功能。寶塔菜聯合收獲機輸送機構的功能是將寶塔菜果實與土壤進行分離，并將寶塔菜果實順利輸送到后續分離機構。

傳統收獲機的研制主要采用經驗設計方法，存在設計周期長及成本高的問題。本文應用ADAMS軟件，采用虛擬樣機技術，在計算機上對樣機關鍵部件進行仿真測試。ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)軟件，是由美國機械動力公司(Mechanical Dynamics Inc)開發的最優秀的機械系統動態仿真軟件，通過計算機圖形交換格式文件可以與CAD軟件相互保持數據的一致性，還能夠支持并行工程環境，節省大量的時間和經費。利用ADAMS軟件建立參數化模型，能夠進行研究設計、實驗設計與優化分析，為研究機構參數化提供有效的方法[2]。

對寶塔菜聯合收獲機關鍵部件的虛擬樣機的運動進行研究，可以掌握其運動軌跡及相關部件的運動參數，分析運動規律，找出可能出現的潛在問題，減少設計上的失誤，提高了寶塔菜聯合收獲機設計參數的可靠性及準確性。

1 機具整體機構及工作原理

1.1 機具工作原理

寶塔菜聯合收獲機工作時，由拖拉機帶動機具前行，壓土輥將松散土壤壓實；挖掘鏟鏟入土中，將寶塔菜主根鏟斷，且將掘起的寶塔菜果實與土壤輸送到抖動升運鏈上，抖動升運鏈板能夠將寶塔菜果實上的部分土壤振散使其掉落至地面；果實與剩余土壤通過升運鏈進入到振動篩，振動篩以特定頻率與振幅做前后反復運動，進一步將附著在果實上的土壤振散并將果實送至收集簍。本機具采用二階平面鏟，在三角平面鏟的基礎上添加一個傾角，可以使土壤發生二次剪切，提高了碎土功能；抖動式升運裝置，在寶塔菜果實輸送的同時將土壤進行振碎，加強了篩土性能。

1.機架 2.壓土輥 3.挖掘鏟 4.升運鏈 5.抖動器 6.振動篩 7.收集簍 8.偏心輪 9.曲柄搖桿 10.減速器圖1 寶塔菜聯合收獲機結構配置圖Fig.1 Configuration drawing of the combine harvester

1.2 分離輸送系統

分離輸送系統由傾斜式升運鏈板和振動篩組成，升運器采用圓柱鏈桿結構。鏈傳動無彈性滑動和整體打滑現象，能保持平均傳動的精確性及較高傳動效率[3]，也能夠保證其在較為惡劣的工況下工作，因而適用于聯合收獲機，如圖2所示。由于寶塔菜果實呈螺旋狀，其平均橫截面積直徑僅有8mm，故選用滾子鏈規格為10A型、節距為15.875mm、滾子直徑為10.16mm及鏈條鏈板由鏈條直徑為8mm的滾筒構成。其鏈滾與鏈滾間的距離約為8mm，能夠保證在挖掘輸送過程中，讓寶塔菜果實盡可能地往后輸送，可以降低果實的遺漏損失率。寶塔菜種植行距一般在250～300mm，為雙行收獲機，故將鏈板寬幅設為600mm。

1.從動輪 2.鏈滾 3.抖動器 4.主動輪 5.振動篩 6.收集簍圖2 升運器三維模型Fig.2 Three dimensional model of elevator

2 升運器仿真模型的建立

2.1 幾何模型的建立

ADAMS/View雖然提供了建模工具，但其操作性不強，對于復雜的三維模型耗時大，且模型的尺寸與精度不能得到保障。本文運用SolidWorks軟件對升運器進行建模，并對裝配體進行干涉檢驗，確保零件設計及配合的準確性。將SolidWorks實體模型保存成Parasolid(.x_t)格式，通過ADAMS/Exchange圖形接口模塊導入ADAMS中[4]。

SolidWorks三維實體模型在導入ADAMS之前需要簡化，將主動輪與從動輪簡化為圓柱體，抖動器簡化為橢圓柱體，傳動帶簡化為離散的小圓柱[5]。

2.2 虛擬樣機模型建立

導入的模型需要對各個零件進行重命名，讓其排列有序，并對各個零件的材料屬性進行定義。設置工作柵格平面垂直于鏈輪的中心軸，單位設置為MMKS，各個零件的質量屬性定義為剛體，同時將大地定義為各個零件的運動參照基準，以方便后續約束與接觸的添加[6]。約束為兩個運動部件的聯接，是它們建立相對的運動關系。為各個零件添加約束，使其成為一個完整的機械系統。

分別將主動輪、從動輪與抖動器的質心點創建與大地旋轉副，并在主動輪上添加一個驅動函數[7]，函數表達式為2 300.0d·time，設置順時針方向為其轉動方向。

2.2.1 鏈節與鏈節之間建模

在鏈滾與鏈滾之間的需要考慮到機構的變形，ADAMS里提供了柔性連接元素軸套力[8]。采用軸套力實際模擬了連接間的軸銷連接，軸銷連接具有3個旋轉方向和3個移動方向，軸套力可以在2個相互作用的構建上施加一個3方向的作用力[9]。

軸套力計算公式為

(1)

由于存在111個鏈節，故需要添加111個軸套力，用手動方法逐個添加，工作量大且易出現錯誤，故通過宏命令幫助實現。下面為鏈滾與鏈滾之間創建軸套力的程序代碼：

for variable_name=ip start_value=1 end_value=111

force create element_like bushing&

bushing_name=(eval("bushing_"http://RTOI(ip)))&

i_marker_name=(eval(".ex_1.lun"http://RTOI(ip)//".cm"))&

j_marker_name=(eval(".ex_1.lun"http://RTOI(ip+1)//".cm"))&

stiffness=2e5,2e5,2e5&

damping=2e3,2e3,2e3&

force_preload=0,0,0&

tstiffness=2e4,2e4,0&

tdamping=2e3,2e3,0&

torque_preload=0,0,0

end

2.2.2 鏈節與動輪之間建模

鏈節與主、從動輪及抖動器之間需要建立接觸力。在ADAMS中的接觸有連續接觸與瞬時接觸，其接觸力的計算主要有沖擊函數與泊松模型[10]。

沖擊函數表達式為

(2)

式中K—碰撞剛度；

g—切入深度；

dmax—最大切入深度；

e—力指數；

cmax—最大阻尼；

dg/dt—滲入速度。

泊松模型表達式為

(3)

式中p—罰參數；

ε—恢復系數。

參數若選擇較大，收斂速度則會變慢；若參數選擇較小，則難以保證其約束條件。故選用拉格朗日改進模型,其表達式為

(4)

式中k—迭代步數。

由于存在111個鏈滾，都需與主、從動輪與抖動器設置接觸力，故采用宏命令編輯，其程序代碼如下[11]：

for variable_name=ip start_value=1 end_value=111

contact create contact_name=(eval("CONTACT_"http://RTOI(ip)))&

i_geometry_name=(eval(".ex_1.lun"http://RTOI(ip)//".SOLID"http://RTOI(ip)))&

j_geometry_name=.ex_1.driver.SOLID113&

stiffness=1.0E+005&

damping=1000&

exponent=1.5&

日糧蛋白質水平對“京紅1號”蛋種雞育成期（9～13周齡）生長性能的影響見表2。由表2可知，日糧蛋白質水平對13周齡體重有極顯著的影響（P＜0.01），隨日糧蛋白質水平增加，體重呈線性增加趨勢（P＜0.01）。P4組（CP 15.7%）13周齡體重最大且與其他各組差異極顯著（P＜0.01），日糧蛋白質水平對蛋雞平均日增重的影響也呈現相同趨勢。

dmax=1&

coulomb_friction=on&

mu_static=0.2&

mu_dynamic=0.05&

stiction_transition_velocity=0.1&

end

通過以上過程，完成了對升運器虛擬樣機的建模，111個鏈滾，2個動輪，1個抖動器，共計114個剛體。其中，3個旋轉副、111個軸套力、333個接觸約束，如圖3所示。

圖3 虛擬樣機圖Fig.3 Virtual prototype model

2.2.3 其他設置

為了能準確而快速地完成仿真，需要對求解器進行設置。在求解器Solver的設置頁面中，Integrator選用默認的GSTIFF。而在選擇Formulation時，需要根據仿真的實際情況選定。I3仿真速度較快，SI2仿真速度慢，但是仿真穩定，不易出錯。本文選擇I3，Corrector為Modified，Error取0.1[12]。

3 動力學仿真

完成上述步驟，對其進行動力學仿真。點擊仿真界面，設置仿真時間為5s，經驗證，仿真步長設置為500可行。仿真結束后進入ADAMS后處理界面Postprocessor[13]，可得到構件的運動曲線圖。

圖4和圖5為主動輪與從動輪的功率曲線圖，可得出主動輪的平均功率為1 057.35W，從動輪的平均功率為921.7W，根據傳動效率計算公式η=W1/W，可以計算出傳遞效率為87.13%。滾子鏈的傳動效率一般在95%～98%之間，得出傳遞效率偏低，這可能由于在建模時設置摩擦因數偏大導致。

圖4 主動輪功率曲線Fig. 4 Driving wheel power curve

圖5 從動輪功率曲線Fig.5 Driven wheel power curve

圖6和圖7為鏈滾在X方向上的位移與速度，升運器根據實際設計與水平成25°傾角，主動輪與從動輪的中心距為760mm，由圖6、圖7可以看出：鏈滾在做周期運動，鏈滾在X方向振幅與實際相符，運動情況與實際情況基本吻合，說明模型建立較為成功。

圖6 鏈滾在X方向的速度Fig.6 The velocity of the chain rolls in the X direction

圖7 鏈滾在X方向的位移Fig.7 The position of the chain rolls in the X direction

鏈傳動中不可忽視的多邊形效應，它對鏈節造成沖擊，故研究鏈滾的橫向、縱向的速度、加速度的變化，觀察其運動規律。由圖8、圖9可知：鏈滾在往復運動的過程中，受到的縱向沖擊要明顯小于橫向沖擊；加速度在階躍點變化較大。這可為升運器的抖動頻率提供數據參考，為整機的篩分效率的計算提供理論依據。

圖8 鏈滾橫向速度、加速度變化Fig.8 Lateral velocity and acceleration change of chain roll

圖9 鏈滾縱向速度、加速度變化Fig.9 Longitudinal velocity and acceleration change of chain roll

4 結論

通過軟件SolidWorks對收獲機關鍵部件進行建模，然后通過ADAMS軟件做動力學仿真，研究其動力學特性。

此方法建立了包含多接觸問題的鏈傳動多體動力學模型，并對模型中的接觸問題進行了簡化處理，提出用軸套力來約束鏈滾之間的受力關系，運用ADAMS宏命令建立模型，得出相關物理參數與實際相符，證明此建模方法能夠較為準確地模擬出升運器實際工作的動力學特性。仿真結果驗證了此鏈傳動模型的正確性，也為其他類型的多接觸問題提供了參考依據。