基于ADAMS的振動式挖掘鏟運動分析

張奎 黃明慧

貴州電子信息職業技術學院，貴州凱里

自主研發的小型魚腥草收獲機的挖掘裝置采用了振動式挖掘鏟。振動式挖掘鏟相對于傳統的固定式挖掘鏟，牽引力只是固定挖掘鏟的33%，質量大約是固定挖掘鏟的10%，能夠有效地提高碎土能力[1]。根據一代樣機的田間試驗可知，振動式挖掘鏟在工作時出現壅土現象和穩定性差等問題（如圖1所示），而影響振動式挖掘鏟壅土和穩定性的主要因素是挖掘鏟的質心加速度[2-5]。何曉芬等[6,7]只是確定了挖掘鏟的基本參數（刃切口夾角θ、挖掘鏟入土角α、鏟的長度L、鏟的寬度B）、各桿（曲柄、連桿、中吊桿、后吊桿）的長度和安裝位置（如圖2所示），沒有對振動式挖掘進行運動分析，從而無法得到振動式挖掘鏟最佳工作時各關鍵參數值。基于此，建立振動式挖掘鏟質心加速方程，以得到各桿影響挖掘鏟質心加速度大小的程度，隨后使用ADAMS對挖掘鏟進行優化設計，以便得到挖掘鏟最佳工作時各參數。

1 挖掘鏟的工作原理

如圖3所示動力由拖拉機通過皮帶傳到動力輸入輪1，動力輸入輪1通過變速箱2和鏈條再把動力傳到鏈輪3，鏈輪3帶動傳動軸轉動，傳動軸再把動力傳到曲柄4，曲柄4最后通過連桿和中吊桿把運動傳遞給挖掘鏟，把旋轉運動轉化為往復運動，從而實現挖掘鏟的工作。

圖 1 小型魚腥草收獲機壅土現象

2 挖掘鏟運動方程的建立及分析

以O為原點，當曲柄OA運動到左極限位置時，L1與L2共線，以此建立x軸，垂直x軸建立y軸，向右為x軸的正方向，向上為y軸的正方向，建立Oxy直角坐標系（如圖4所示）。

作振動式挖掘鏟的封閉矢量多邊形，矢量方程如下：

圖 2 振動式挖掘鏟線框圖

圖 3 小型魚腥草收獲機

圖 4 振動式挖掘鏟的機構簡圖

將式(1)的矢量方程轉化為解析形式：

（3）可以求得α2，α3，詳細求解過程可參考文獻[8]。將方程組（3）中的第一式對時間進行求導，可得：

將直角坐標系繞O點逆時針旋轉α2,（4）式可得：

其中A1=α1-α2，A2= α3-α2,

對（4）式進行時間求導，可得：

將直角坐標系繞O點逆時針旋轉α2，由（6）式可得：

把式（2）化成解析形式，可得：

建立點D的位移方程：

由于a4=a3,可把（9）式改寫成：

將（10）式對時間進行二次求導，可得：

利用（4）-（7）的方法，可由（8）式得到

由于振動式挖掘鏟鏟面是一個平面機構，為了方便研究，取質心為鏟面L5的中點，建立振動式挖掘鏟DE質心位移方程：

將方程組（14）對時間進行二次求導，得挖掘鏟DE質心加速度：

結合式（1）-（15）分析，可得影響挖掘鏟在x，y方向上質心加速度的桿有L1，L2，L3，L4，L5，L6，影響程度從大到小分別為L1，L3，L4，L2，L3，L5，L6。

3 挖掘鏟的優化設計

在Solidworks中建立振動式挖掘鏟三維模型，并導到ADAMS/view中（如圖5所示），添加約束以及旋轉運動的驅動力，由何曉芬小型折耳根收獲機的設計研究[6]可知，曲柄OA轉速為341 r/min，旋轉的方向為逆時針，定義材料為steel。以上參數設置好后，進行挖掘鏟的運動仿真。

圖 5 振動式挖掘鏟的三維模型

3.1 挖掘鏟質心加速度變化規律分析

以曲柄OA的左極限位置為仿真起點，分析挖掘鏟DE的質心加速度在x方向和y方向變化規律。仿真結果見圖6。在到達右極限位置之前，質心加速度在x負方向上逐漸增大至0，之后，在x正方向上是逐漸增大直至加速度為58.267 m/s2。曲柄OA從左極限位置到右極限位置，挖掘鏟是向前運動的；當曲柄OA在后半周期內運動時，從右極限位置開始，質心加速度與前半周期相反，質心加速度在x正方向逐漸減小，隨后在x負方向上逐漸增大，直至到達左極限位置。曲柄OA從右極限位置到左極限位置，挖掘鏟是向后運動的。在整個周期內，質心加速度在x方向上的變化范圍為-67.567～58.267 m/s2，平均加速度為2.330 m/s2。

圖 6 挖掘鏟質心在不同方向的加速度

通過分析圖6b發現，挖掘鏟的質心加速度在y方向上變化規律為：當曲柄OA在前半周期內運動時，從左極限位置開始，質心加速度在y正方向上從0逐漸增大到12.347 m/s2，之后，在y軸正方向上逐漸減小到0。當曲柄OA在后半周期內運動時，質心加速度在y負方向從0逐漸減小到-20.693 m/s2，隨后在y負方向上逐漸增大到0，直至到達右極限位置。在整個周期內，質心加速度在y方向上的變化范圍為-20.693～12.347 m/s2，平均加速度為-0.669 m/s2。

3.2 挖掘鏟的設計研究

對于振動式挖掘鏟來說，主要是由PT_1～5（PT是PIONT的縮寫）這5個點影響著振動式挖掘鏟的質心加速度，其中，PT_1的數值決定曲柄OA的長度，PT_2的數值決定連桿AB的長度，PT_3的數值決定前吊桿BC的長度，PT_4決定前吊桿BD的長度，PT_5的數值決定中吊桿EF的長度。為有效地觀察到PT_1～5這5個點對振動式挖掘鏟的質心加速的影響，把這5個點x和y坐標值設置為設計變量，即DV_1～10，然后設定設計變量的取值范圍[9]。研究結果表明（如表1所示），不同的設計變量對挖掘鏟質心加速度的影響程度也不同，4個設計變量DV_1、DV_2、DV_6、DV_8的敏感度最大，并且DV_1、DV_2的敏感度比DV_6、DV_8的敏感度大的多，因此，振動式挖掘鏟的質心加速最主要的影響因素是曲柄的長度，與前面運動方程結論一致。

3.3 挖掘鏟的優化設計與分析

從表2分析結果可知，當曲柄OA的長度0.035 m，前吊桿BC的長度為0.285 m，前吊桿BD的長度為0.620 m(也就是CD的長度為0.335 m)時，振動式挖掘鏟在x方向上的平均加速增加了5.24%，此時的平均加速最佳值為2.452 m/s2，有助于減小挖掘阻力、提高挖掘效率、降低挖掘能耗和輸送根土混合物；而在y方向上的平均加速度絕對值減少了54.5%，此時的平均加速最佳值為-0.305 m/s2，有助于提高整機的穩定性（圖7）。

表 1 設計研究結果

表 2 各參數優化前后對比

圖 7 挖掘鏟的質心加速度優化曲線

4 結論

分析一代樣機出現的問題：

運用解析法建立振動式挖掘鏟質心加速度的運動方程得知：各桿影響質心加速的大小程度不同，影響程度從大到小分別為L1，L3，L4，L2，L3，L5，L6。

在ADAMS中建立振動式挖掘鏟模型，建立影響挖掘鏟質心加速度的5個關鍵點，并將這5個點x，y的坐標值創建成設計變量DV_1～10，通過設計研究得到DV_1、DV_2、DV_6、DV_8這4個設計變量對挖掘鏟質心加速度的影響最大。

當曲柄OA長為0.035 m，連桿AB長為0.440 m，前吊桿BC長為0.285 m，前吊桿CD長為0.335 m，后吊桿長為0.280 m時，挖掘鏟在x方向上的質心加速度增加百分比為5.24%，在y方向上的質心加速度絕對值減少的百分比為54.5%，有利于輸送挖掘鏟的土壤和提高整機的穩定性，為二代樣機的制造和田間實驗提供了理論依據。