基于ADAMS的打包箱體四連桿機構仿真系統分析與研究

文世昌 孫 奎 夏旭光 廖碧波

（中國鐵建重工集團股份有限公司,湖南 長沙 410000）

目前，隨著科技的進步，采棉機的更新換代十分迅速，采棉打包機為最新產品，采棉打包機的關鍵部件是打包箱體，打包箱體結構采用四連桿機構，其中常見的平面連桿機構分為曲柄搖桿機構、雙曲柄機構、雙搖桿機構。打包箱體四連桿機構屬于雙搖桿機構，具有能夠承受較大的載荷，各桿件之間的連接處容易潤滑；加工制造簡便，其運動精度較高；相鄰兩構件之間的接觸相對封閉；四連桿機構的構造能夠實現許多種運動規律和軌跡需求等諸多優點。通常機械四連桿機構主要有急回、壓力與傳動角、死角三個特性[1-5]。本文首先通過理論計算打包箱體四連桿受力最大位置，然后運用ADAMS軟件對打包箱體四連桿機構進行運動仿真分析，為油缸選型提供依據，最后進行田間試驗驗證仿真結果的可靠性。

1 打包箱體四連桿結構與工作原理

打包箱體在正常工作狀態下，箱體是閉合的，當需要放包時，如圖1所示，由打包門油缸5作為原動件的活塞桿一端伸出，前箱體作為機架4，通過將連架桿1支撐起后箱體（連桿2）帶動中間連桿（連架桿3）一起轉動，達到指定位置后，即可進行關閉箱體動作，通過液壓油缸原動件1伸縮實現后箱體開合動作。

圖1 打包箱體四連桿機構平面圖

2 四連桿機構理論分析

將打包箱體簡化表示，如圖2所示，此連桿機構中總構件數n=6，轉動副個數為7以及1個移動副，外加1個高副（點C處的連接方式為銷連接在腰型孔上，構件在腰型孔上兩端接觸的公法線重合）。

即該機構自由度個數為1，與原動件數一樣，具有確定的運動。

圖2 四連桿機構簡圖

構件5受力分析：當不計構件6的重力影響，此時構件6為二力桿結構，受力方為兩力作用點的連線，且等值、反向，如圖3所示。

圖3 構件6受力分析簡圖

以構件5為研究對象，如圖4所示。點E處為來自構件6作用力F1，方向與水平方向夾角為θ，點A處為鉸接點，受力方向用正交分力F2x和F2y表示，點Q為后箱體與前箱體結合點，設該點所受力沿斜面用正交分力F3a和F3b表示，其中β為角度尺寸，a、b、c、d、e、f、g、h、k、n、t、z為距離尺寸，G表示所受重力值。

圖4 構件5受力分析簡圖

列平衡方程組有：

代入數據：F1=-15489N

F2x=15 934.5N

F3a=-5 33.6N

F2y=40 273N

F3b=20.3N

取構件3進行研究分析，分析受力簡圖，如圖5所示，其中k1、k2、k3為距離尺寸。

列平衡方程組有：

Fx2·k2-F推·k1-Fy2·k3=0

代入數據：F推=154 167 N

圖5 構件3受力分析簡圖

即所求油缸的總推力值為15 4167N、單個油缸推力值約為77 084 N。

3 打包箱體四連桿ADAMS仿真與分析

3.1 打包箱體模型建立

ADAMS 作為一種機械系統動力學分析軟件，三維建模功能較差，可從其他三維軟件導入。為減少仿真時間以及運算量，在不影響仿真效果的前提下，將前箱體多余的部件省去，應用三維軟件CREO對打包箱體進行實體建模，并以X_T格式導入ADAMS軟件中，如圖6所示。

圖6 打包箱體簡化版幾何模型

將打包箱體四連桿三維模型導入ADAMS后，并給所有零件定義材料屬性，系統根據定義的材料種類自動計算部件的質量和轉動慣量，或者通過 User Input直接定義Mass的屬性。運用User Input方法直接對Bodies進行質量的添加[6-8]。

3.2 仿真參數前處理設定

后箱體整體總質量設定為 3 000kg，并且在后箱體位置模擬棉包施加給后箱體上的力，在箱體轉動過程中，添加STEP函數（圖6c所示），對初始位置施加 131 70 N 的負載（棉包分力），作用位置在后箱體重心位置。將全部的部件質量設置完畢后，在全局坐標系中設置重力加速度 g=9 806.65 mm/s2，液壓油缸伸縮速度設定為120 mm/s，方向為 Y 的負方向，將打包箱體上的鉸接點位置設置銷連接，液壓油缸設置一個移動副，同時在仿真界面設置步進數值為100[9-12]，打包箱體總體的配置示意圖，如圖 7所示。

圖7 前處理面板及參數設置

3.3 箱體四連桿機構仿真結果與分析

如圖8所示，JOINT7和JOINT 8為二力桿上的兩旋轉副（即圖2中的C點位置），在0～8 s內，由仿真曲線所示，推力呈現先增大后減小的趨勢，且最大推力值為Fmax=1.5×105N。

圖8 后處理仿真結果

可得出兩個液壓油缸的總推力應不小于Fmax=1.5×105N，即單個液壓油缸的最大推力不小于7.5×104N（約7.5 t）。

4 田間試驗

通過理論分析計算以及ADAMS仿真分析，可知打包箱體四連桿機構原動件所需最大推力值，依據最大推力值確定液壓油缸規格，并進行田間試驗進行驗證，其中打包箱體有三種狀態，分別為正常工作狀態、運輸狀態、放包狀態，如圖9所示。

選取合適的液壓油缸后，經過田間試驗測試，打包箱體四連桿機構能實現放包、采收狀態轉運輸狀態等動作，如圖9所示，同時為驗證仿真的受力變化趨勢，對油缸進行壓力檢測分析，油缸壓力值曲線變化如圖10所示。

圖9 打包箱體四連桿試驗三種模式

圖10 打包門油缸受力情況

如圖7所示，通過Adams仿真軟件進行分析，得到液壓油缸在箱體開啟過程中受力變化趨勢呈先急劇增大后減小最后趨于穩定狀態；而通過壓力檢測儀器實測液壓油缸在箱體開啟過程中，液壓油缸所受壓力值變化，如圖10藍色線條所示，在液壓油缸受力整體趨勢是先增大后減小趨勢，再增大后趨于平穩狀態（由于田間作業過程中，地面不平，會導致壓力值波動較大），液壓油缸最大受力點在箱體剛剛開啟階段，與ADAMS仿真結果基本一致。

5 結論

本文利用理論分析計算得出液壓油缸即四連桿結構原動件所需最大推力值，運用 CREO軟件建立打包箱體三維模型，而后簡化模型后導入 ADAMS 軟件中進行仿真分析，得到仿真最大值與理論計算值基本一致。通過計算以及仿真分析值，確定了油缸型號尺寸，進行田間試驗，并在開啟后箱體同時通過壓力監測儀得到油缸受力變化趨勢。試驗結果表明選取的液壓油缸可滿足開箱放包以及轉運輸狀態的動作，同時油缸壓力值變化曲線與ADAMS仿真結果基本一致，表明ADAMS仿真模擬打包箱體四連桿開箱過程，具有一定意義的參考價值，可為后續結構設計以及優化提供可靠依據。