振動(dòng)式精密排種器排種速度仿真與分析①

陳長(zhǎng)春， 周海波， 馬 翔， 周 亮， 翟通通

(佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江佳木斯 154007)

0 引言

作為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)精密播種技術(shù)之一，精密排種器的有效研發(fā)尤為關(guān)鍵，具有播種精度高、工作性能穩(wěn)定的雙重振動(dòng)式精密排種器結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，影響排種性能的因素也比較多.如果依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)分析[1]，一般要經(jīng)歷三次以上的重復(fù)設(shè)計(jì)、制造和試驗(yàn)測(cè)試，期間的物理樣機(jī)加工與測(cè)試環(huán)節(jié)不僅提高了設(shè)計(jì)成本，而且占用了1/4以上的開(kāi)發(fā)時(shí)間[2]，大大延緩了現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的應(yīng)用進(jìn)程.為快速、準(zhǔn)確地獲得最佳設(shè)計(jì)參數(shù)，充分挖掘精密排種器的工作潛能，更好的保證設(shè)計(jì)的可靠性，本文應(yīng)用運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真技術(shù)，在三維實(shí)體建?；A(chǔ)上，利用Adams軟件對(duì)該排種器的排種速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真與分析，從而驗(yàn)證仿真模型的正確性[3－5].

1 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真方法

運(yùn)動(dòng)學(xué)(kinematics)是力學(xué)的一門(mén)分支，專(zhuān)門(mén)描述物體的運(yùn)動(dòng)，即物體在空間中的位置隨時(shí)間的變化規(guī)律，完全不考慮作用力或質(zhì)量等等影響運(yùn)動(dòng)的因素.以研究質(zhì)點(diǎn)和剛體這兩個(gè)簡(jiǎn)化模型的運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)，并進(jìn)一步研究變形體(彈性體、流體等)的運(yùn)動(dòng).其中點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程、軌跡、位移、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)特征;剛體運(yùn)動(dòng)按運(yùn)動(dòng)的特性又可分為平動(dòng)、繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)、平面平行運(yùn)動(dòng)、繞定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)和一般運(yùn)動(dòng)[6].

振動(dòng)式精密排種器主要由定量供種箱和氣動(dòng)振盤(pán)系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示.定量供種箱主要包括種箱、電磁振動(dòng)器、勺式外槽輪等，氣動(dòng)振盤(pán)系統(tǒng)包括支架和振動(dòng)盤(pán)，其中振動(dòng)盤(pán)由氣動(dòng)振動(dòng)器、振動(dòng)座、板簧、振動(dòng)梁、V形槽盤(pán)、梯形篩分盤(pán)、調(diào)節(jié)板組成.其工作原理為定量供種箱的勺式外槽輪可將精量的種子從種箱中分離出來(lái)，拋擲到氣動(dòng)振盤(pán)系統(tǒng)的振動(dòng)盤(pán)上，經(jīng)過(guò)梯形篩分盤(pán)篩分除雜后，由V形槽盤(pán)均勻的排出，可進(jìn)行播種作業(yè)[11].

由播種過(guò)程可知，振動(dòng)盤(pán)的運(yùn)動(dòng)屬于平動(dòng)，而其上的種子運(yùn)動(dòng)可簡(jiǎn)化為點(diǎn)運(yùn)動(dòng).為此，排種器排種速度的仿真方法為:在Pro/E三維實(shí)體模型基礎(chǔ)上，應(yīng)用Adams仿真軟件，對(duì)氣動(dòng)振盤(pán)系統(tǒng)添加各種運(yùn)動(dòng)副、剛度、阻尼、接觸力以及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，創(chuàng)建完全參數(shù)化的排種器仿真模型，通過(guò)調(diào)整振動(dòng)力和頻率，對(duì)虛擬系統(tǒng)進(jìn)行排種速度的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，輸出單粒種子沿盤(pán)面運(yùn)動(dòng)的速度曲線，并通過(guò)種子平均速度與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)照，預(yù)測(cè)排種器仿真模型的工作性能，具體排種速度仿真過(guò)程如圖2所示.

圖1 雙重振動(dòng)式精密排種器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 氣動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)速度仿真流程

2 創(chuàng)建仿真模型

2.1 設(shè)計(jì)三維實(shí)體

在Pro/E環(huán)境中，采用國(guó)際單位為毫米、千克和秒的“mmks_part_solid.prt”和“mmks_asm_design.asm”設(shè)計(jì)模板，對(duì)雙重振動(dòng)式精密排種器的零部件進(jìn)行建模、工程裝配和全局干涉檢查，生成的三維實(shí)體模型如圖3所示.

為了防止將Pro/E三維實(shí)體模型導(dǎo)入到Adams環(huán)境中出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，應(yīng)利用Pro/E 3.0和Adams之間的專(zhuān)用接口軟件Mech/Pro程序，在Pro/E 3.0環(huán)境下對(duì)三維實(shí)體模型進(jìn)行定義剛體、建立Marker點(diǎn)，并生成接口文件.同時(shí)，為了在Adams中添加種子與梯形篩分板和V形槽板的接觸約束，在Pro/E環(huán)境中還需要把梯形篩分板、V形槽板模型存儲(chǔ)為拋物面x_t格式.

圖3 排種器三維實(shí)體模型

圖4 排種器運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型

圖5 種子受力分析圖

2.2 導(dǎo)入仿真模型

在Adams仿真軟件中，應(yīng)用File下拉菜單的Import功能，將Pro/E中生成的三維實(shí)體模型的接口文件aview.cmd打開(kāi)，即可生成排種器的仿真模型.為了減少模型的仿真數(shù)據(jù)量，僅對(duì)氣動(dòng)振盤(pán)系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)入，如圖4所示.繼續(xù)使用Import功能，設(shè)置打開(kāi)文件類(lèi)型為Parasolid，然后將Model Name改為Part Name，在Part Name欄選擇振動(dòng)盤(pán)剛體，再將Location及Orientation均選擇與梯形篩分板和V形槽板一致，使梯形篩分板和V形槽板以Parasolid格式導(dǎo)入Adams，然后再刪除原梯形篩分板和V形槽板實(shí)體模型，從而完成仿真模型的導(dǎo)入過(guò)程.

2.3 仿真條件設(shè)置

(1)建立種子模型

參照文獻(xiàn)[7]，選擇超級(jí)稻秀優(yōu)5號(hào)作為種子，千粒重為32.7g，靜摩擦系數(shù)為0.93，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.89.在建立種子模型時(shí)，將種子簡(jiǎn)化成一個(gè)橢球剛體，在工具箱中使用Geometry Modify Shape Ellipsoid工具，其中長(zhǎng)度為 7.81mm，寬度為 4.51mm，高度為 2.82mm，質(zhì)量為 3.27 ×10－5kg，并建立在投種位置點(diǎn)處.

(2)添加約束

按氣動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)要求，如圖2所示，需要使用Adams Main to…工具箱，添加固定副約束到支架剛體上，并與大地用固定在一起;添加移動(dòng)副約束到振動(dòng)盤(pán)剛體上;添加Bushing約束到振動(dòng)盤(pán)剛體和支架剛體上，同時(shí)將其剛度和阻尼都設(shè)為350 N·s/mm 和 0.017 N·s/mm[8]，作用點(diǎn)選擇振動(dòng)盤(pán)剛體的質(zhì)心處;將振動(dòng)盤(pán)剛體的質(zhì)量設(shè)為3.5kg;V形槽板傾角α1為7°，振動(dòng)座與V形槽板間的振動(dòng)方向角δ1為35°;梯形篩分板傾角α2為－4°，振動(dòng)座與梯形篩分板間的振動(dòng)方向角δ2為24°(圖 5)[7].

(3)添加激振力和頻率

在工具箱中使用Force工具，將激振力添加到振動(dòng)盤(pán)的Marker點(diǎn)上，方向與振動(dòng)座垂直，如圖5可知，激振力的大小為

其中F為激振力，N;F0為初始激振力，N，由氣動(dòng)振動(dòng)器和電磁振動(dòng)器共同產(chǎn)生，試驗(yàn)中，供種量和種子特性的不同，需要的初始激振力也不相同;f為系統(tǒng)頻率，Hz;Time為時(shí)間，s;根據(jù)氣力振動(dòng)盤(pán)系統(tǒng)的壓力測(cè)試試驗(yàn)，不同壓強(qiáng)P下對(duì)應(yīng)的F0，f如表1所示[11].

表1 初始激振力和頻率

(4)定義接觸力

在工具箱中選擇Contact工具，分別定義種子和梯形篩分板、V形槽板之間的接觸，其中，靜摩擦、動(dòng)摩擦系數(shù)為種子摩擦系數(shù).

(5)添加傳感器

為了方便分別測(cè)量種子在梯形篩分盤(pán)和V形槽盤(pán)上的平均速度，需要在振動(dòng)盤(pán)的不同位置添加傳感器.選擇菜單Simulate中的Sensor功能，分別在梯形篩分板末端中點(diǎn)、V形槽板末端中點(diǎn)上各添加一個(gè)傳感器，將種子的質(zhì)心與各傳感器間的距離Value設(shè)為0，精度為 1.0 ×10－3，即當(dāng)小球運(yùn)動(dòng)到傳感器后仿真停止，便與自動(dòng)提取種子在V形槽板上的運(yùn)行時(shí)間，從而計(jì)算該段的種子運(yùn)動(dòng)的平均速度.

3 仿真與結(jié)果分析

首先設(shè)置系統(tǒng)仿真時(shí)間和步長(zhǎng)(見(jiàn)表2)，根據(jù)氣動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)排種速度仿真流程(圖2)，在不同壓強(qiáng)P下，改變初始激振力和頻率(表1)，分別對(duì)氣動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行種子運(yùn)動(dòng)速度仿真，可以得到種子在梯形篩分盤(pán)和V形槽盤(pán)上運(yùn)動(dòng)速度曲線，圖6分別為壓強(qiáng)在 0.19MPa、0.22MPa、0.25MPa 時(shí)得到的仿真曲線.按照上述仿真結(jié)果，得到不同壓強(qiáng)下種子的平均運(yùn)動(dòng)速度見(jiàn)表2.

從三個(gè)梯形篩分盤(pán)排種速度仿真曲線可以看出，種子在梯形篩分板上沿x軸方向開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度v1變化比較大，是因?yàn)榉N子從定量供種箱排出并落在梯形篩分盤(pán)面上，存在彈跳滾動(dòng)，種子運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn);然后種子處于變加速度狀態(tài)沿梯形篩分板平面加速向上爬行，隨著平均加速度變小，種子逐漸趨于平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，直到平鋪排序且勻速向上爬行;同時(shí)排種速度隨著輸入壓強(qiáng)的增大而不斷加快，在0.25MPa狀態(tài)下，種子彈跳比較劇烈，基本處于共振排種狀態(tài)，與試驗(yàn)現(xiàn)象相似.

從三個(gè)V形槽盤(pán)排種速度仿真曲線可以看出，種子從梯形篩分板落入到V形槽板上時(shí)，速度v2也存在波動(dòng)，隨后種子沿V形槽板加速向下滑行，速度變化也比較平穩(wěn);同時(shí)排種速度也隨著輸入壓強(qiáng)的增大而不斷加快.

將表2的仿真結(jié)果與文獻(xiàn)[11]的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以看出，不同壓強(qiáng)下種子在梯形篩分盤(pán)上的運(yùn)動(dòng)仿真速度與試驗(yàn)速度比較接近，存在的誤差主要來(lái)自系統(tǒng)的仿真步數(shù)以及初始彈跳滾動(dòng)等因素影響;然而在V形槽板上種子的運(yùn)動(dòng)速度與試驗(yàn)結(jié)果偏差卻很大，接近于兩倍，原因是在Ad-ams中僅實(shí)現(xiàn)了單粒種子的運(yùn)動(dòng)仿真，實(shí)際試驗(yàn)情況是大量種子在V形槽內(nèi)形成種子流，滑行過(guò)程中存在相互擠壓、摩擦和上下竄動(dòng)等原因，從而減慢了種子的實(shí)際運(yùn)行速度.

表2 排種速度結(jié)果

圖6 不同壓強(qiáng)下種子分別在梯形篩分盤(pán)和V形槽盤(pán)上運(yùn)動(dòng)速度曲線

4 結(jié)論

應(yīng)用動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)，在Pro/E三維實(shí)體建模的基礎(chǔ)上，利用Adams軟件生成了振動(dòng)式精密排種器排種速度仿真模型.在不同壓強(qiáng)下，以初始激振力和頻率作為輸入條件，對(duì)單粒種子進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)速度仿真.由仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)照看出，單粒種子在梯形篩分板上的運(yùn)動(dòng)仿真速度與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，在V形槽板上仿真速度約為試驗(yàn)結(jié)果的兩倍，同時(shí)排種速度隨著輸入壓強(qiáng)的增大而不斷加快.通過(guò)結(jié)果分析可知，在梯形篩分板段單粒種子與盤(pán)面平鋪的單層種層的運(yùn)動(dòng)相一致，然而在V形槽板段因種子之間存在相互擠壓、摩擦和上下竄動(dòng)等原因，從而減緩了實(shí)際種子流的排種速度，說(shuō)明仿真結(jié)果與實(shí)際相符，因此本文所建立的氣動(dòng)振盤(pán)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型是實(shí)用的，為排種器的虛擬樣機(jī)及參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ).

[1]孫裕晶.虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在精密排種部件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2005.

[2]H.－J.Bullinger，J.Warschat，K.F.WiBler，V.Seitz.快速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)—一種整體的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式[J].工程設(shè)計(jì)，1997(3):1－8.

[3]朱華炳，張娟，宋孝炳.基于ADAMS的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013(5):204－206.

[4]E.Sacksa，L.Joskowicz.Automated Modeling and Kinematic Simulation of Mechanisms[J].Computer－ Aided Design，1993，25(2):106–118.

[5]余龍，秦東晨，武紅霞，等.基于Pro/E和Adams的液壓支架虛擬樣機(jī)建模與仿真研究[J].煤礦機(jī)械，2009，30(11):36－38.

[6]E.T.Whittaker.A Treatise on the Analytical Dynamics of Particles and Rigid Bodies;with an Introduction to The Problem of Three Bodies[M].Cambridge University Press，second edition，1917:chapter 1.

[7]周海波.水稻秧盤(pán)育秧精密播種機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué)，2009.

[8]王淑銘，魏天路，周海波.氣動(dòng)振動(dòng)精密排種器實(shí)驗(yàn)研究及虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2011(6):62－65.