基于Pro/E及ADAMS液態(tài)施肥機扎穴機構的設計與仿真

劉亞華，王金武，王金峰，鞠金艷

（東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030）

傳統(tǒng)施肥機械都是對農(nóng)作物進行開溝固體施肥，若遇地面干燥土質較干，則使作物對肥力吸出較慢，不利于作物生長，若遇土質太濕，不利于開溝施肥，從而對作物生長期的需肥狀況造成不利影響，若采用人工施肥則提高了勞動強度并且效率低下。液態(tài)施肥機克服傳統(tǒng)施肥機的缺點，可將化肥直接施在作物根系側旁，作物吸收快、利用率高，節(jié)約肥料，能有效減輕環(huán)境污染。因此，液態(tài)施肥機極具應用價值。扎穴機構是將噴肥針扎入土壤并噴施液態(tài)肥的機構，是液態(tài)施肥機關鍵工作部件，其工作性能決定了施肥機施肥質量、工作可靠性和作業(yè)速度[1-7]。本文運用Pro/E軟件繪制出機構各零部件的三維實體圖和機構裝配圖，而后轉到專業(yè)的運動學仿真軟件下，添加約束和運動副，最終形成系統(tǒng)的虛擬樣機。它把建立物理樣機原型的需求降到了最小，提高了創(chuàng)造性，并有助于在更短的時間內提供更好的產(chǎn)品。應用Pro/E與ADAMS軟件聯(lián)合仿真得出扎穴機構針尖運動軌跡，對軌跡進行分析，提出改進的方法。

1 結構及工作原理

橢圓齒輪扎穴機構是一種旋轉式扎穴機構，行星架旋轉1周，扎穴1次。其機構設計見圖1。

圖1 扎穴機構結構Fig.1 Pricking hole mechanism

由兩個全等橢圓齒輪1、2和兩個全等正圓齒輪3、4以及行星架5、搖臂6、噴肥針7組成，兩個橢圓齒輪的回轉中心均在橢圓齒輪的焦點上，在行星架處于初始相位角（即初始安裝位置）時，兩橢圓齒輪長軸共線。齒輪2和齒輪3固結為一體，中心橢圓齒輪1（亦稱太陽輪）固定不動。工作時，齒輪箱（即行星架）在驅動軸的帶動下，相當于一個原動件繞太陽輪的回轉中心轉動。通過鍵和行星輪軸與行星正圓齒輪固結的一對搖臂，其牽連運動是隨著齒輪箱做圓周運動，相對運動是隨著行星圓齒輪作不等速逆向運動。按照設計優(yōu)化后的參數(shù)，針尖可以按要求的姿態(tài)（角位移和軌跡）運動[8-9]。

2 建立扎穴機構虛擬樣機

2.1 沿曲線陣列法的橢圓齒輪建模

橢圓齒輪建模采用沿曲線陣列法，僅適用Pro/E 3.0及以后更高級的版本。建模的主要參數(shù)有：模數(shù)m、齒數(shù)z、分度圓壓力角angle_α、齒頂高系數(shù)ha*、頂隙系數(shù)c、齒寬B、橢圓長半軸α、橢圓短軸與長軸之比k等。橢圓齒輪參數(shù)見表1。

表1 橢圓齒輪主要參數(shù)Table1 Main parameter of elliptic gear

橢圓齒輪的建模過程：根據(jù)參數(shù)草繪出分度橢圓曲線—在橢圓長軸對稱一側利用基準曲線工具，建立笛卡爾坐標下的漸開線曲線—應用拉伸命令拉伸出齒廓—利用分度圓曲線陣列所有齒廓，見圖2[10]。

圖2 橢圓齒輪模型Fig.2 Elliptic gear model

2.2 正齒行星輪扎穴機構各部件裝配

根據(jù)需要，設計了齒輪箱、軸、行星架等部件，與上述設計的橢圓齒輪進行總體裝配。裝配后模型如圖3所示。

3 運動學仿真

3.1 Pro/E運動學仿真

機構總體裝配之后，即可運用軟件自帶的機構/運動分析功能進行運動學仿真。設置齒輪之間的傳動比，以及機構前進速度，得到噴肥針尖的絕對運動軌跡，如圖4所示。

圖3 扎穴機構裝配模型Fig.3 Assembly model of pricking hole mechanism

圖4 噴肥針絕對運動軌跡Fig.4 Absolute motion trajectory of spraying-fertilizer needle

在扎穴過程中，噴肥針基本能實現(xiàn)垂直入土和垂直出土的作業(yè)要求，避免噴肥針劃出長長的溝痕，減少了土壤對噴肥針的損傷；噴肥針扎穴機構入土深度為140 mm，在苗帶兩側交錯扎穴，即可以滿足穴距200 mm的要求。

3.2 應用ADAMS進行仿真分析

3.2.1 模型導入ADAMS與約束設置

相對于Pro/E而言，ADAMS的仿真能力能更強，所以作者在Pro/E建立好模型后導入到ADAMS中進行分析。齒輪、齒輪軸均定義為剛體，材料為Steel，忽略相互之間的彈性變形。在各部件間施加約束：兩根齒輪軸分別添加旋轉副，行星系箱體架4與大地固接。軸與齒輪間均用固定副固定在一起以便于分析。兩對齒輪間的嚙合均采用碰撞副，碰撞副參數(shù)設置如下：碰撞類型為實體對實體，計算碰撞力的方法選擇沖擊函數(shù)法，添加S接觸剛度為 1.0×105N·mm-1，指數(shù)為1.5，阻尼為50 N·s·mm-1，切入深度為 0.1 mm；摩擦力計算方法選庫侖法，添加靜態(tài)系數(shù)為0.3，動態(tài)系數(shù)為0.1，靜滑移速度為100 mm·s-1，動滑移速度為1 000 mm·s-1；在行星架3上添加電機驅動[11-12]。

3.2.2 仿真結果與分析

利用ADAMS軟件進行運動學仿真可知，兩對齒輪嚙合正常，沒有出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。得出噴肥針單次和兩次運動軌跡，如圖5所示。

圖5 噴肥針相對運動軌跡Fig.5 Relative motion trajectory of spraying-fertilizer needle

仿真結果符合預期的設計要求，得到生產(chǎn)要求的相對運動軌跡為淚滴型軌跡，從而驗證了模型建構和仿真分析的正確性。但噴肥針尖運動的軌跡并不是光滑的，呈現(xiàn)鋸齒狀，如圖5a所示；進一步加長仿真運動時間，觀察噴肥針尖運動的軌跡，發(fā)現(xiàn)循環(huán)兩次運動的軌跡并不重合，如圖5b所示。分析原因如下：①由橢圓齒輪的基礎知識可知，齒輪相互間嚙合時，壓力角與重合度是瞬時變化的，這也顯示了橢圓齒輪傳動的相對不平穩(wěn)性；②在ADAMS仿真前，已經(jīng)設置各部件的材料、質量、轉動慣量等屬性，由于齒輪間碰撞慣性力的存在，使齒輪嚙合瞬間輪齒擺動；③橢圓齒輪在建模過程中，齒廓是通過陣列的方式得到，與實際橢圓齒輪的加工不完全一致；④齒輪在嚙合過程中存在齒間間隙。

以上原因都可能導致了橢圓齒輪扎穴機構仿真運動軌跡的鋸齒形狀。由于液態(tài)施肥機本身工作環(huán)境較為惡劣，精度要求較低，且仿真過程中各參數(shù)的長度單位均設置為毫米（mm），因此此軌跡已符合實際工作要求。實際工作過程中，齒輪采用線切割加工，提高各零部件加工精度，減小齒輪模數(shù)，都可使軌跡更為平滑。

4 結論

利用Pro/E、ADAMS虛擬樣機技術進行機構設計、運動仿真分析，大大減少了傳統(tǒng)的物理樣機制造和實驗過程，具有重大的工程實用價值。根據(jù)設計參數(shù)，基于參數(shù)化造型技術軟件Pro/E對扎穴機構進行造型，裝配后利用Pro/E與ADAMS運動學聯(lián)合仿真。仿真結果表明，根據(jù)設計參數(shù)建立的扎穴機構虛擬樣機滿足扎穴機構的運動要求，達到預期的設計目的。橢圓齒輪行星系作為液態(tài)施肥機的扎穴機構，是其在農(nóng)業(yè)機械領域應用中的又一創(chuàng)新。

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