小型葡萄覆土機(jī)開土刀的運動分析

徐廣晨，霍仕武，趙鳳芹

(營口理工學(xué)院 機(jī)電工程系，遼寧 營口 115014)

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小型葡萄覆土機(jī)開土刀的運動分析

徐廣晨，霍仕武，趙鳳芹

(營口理工學(xué)院 機(jī)電工程系，遼寧 營口 115014)

為了分析小型葡萄覆土機(jī)的作業(yè)性能，分別采用理論分析、SolidWorks和ADAMS軟件聯(lián)合虛擬樣機(jī)仿真分析兩種方法，對其開土刀進(jìn)行了運動學(xué)分析，建立了開土裝置的運動學(xué)模型，推導(dǎo)出了任意開土刀上刀尖的理論運動軌跡、速度和加速度方程，并與虛擬仿真分析的結(jié)果進(jìn)行比較，檢驗了機(jī)構(gòu)的設(shè)計合理性和工作性能，為下一步的動力學(xué)分析提供了理論基礎(chǔ)。

小型葡萄覆土機(jī)；開土刀；運動分析；虛擬樣機(jī)；ADAMS

0 引言

葡萄是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物，其越冬掩埋技術(shù)是整個生產(chǎn)過程的一個重要環(huán)節(jié)，掩埋質(zhì)量和效率的高低直接影響到葡萄的生產(chǎn)。葡萄越冬埋藤技術(shù)的機(jī)器化已經(jīng)成為葡萄生產(chǎn)需要迫切解決的問題。國內(nèi)外的學(xué)者對小型葡萄覆土機(jī)已經(jīng)做了大量的試驗和研究工作，在葡萄的掩埋質(zhì)量和效率等方面都取得了很大的進(jìn)步，但對于小型葡萄覆土機(jī)的運動仿真分析研究目前還不多。小型葡萄覆土機(jī)的作業(yè)過程中，開土刀是一個關(guān)鍵部件，開土刀的開土失效會直接造成漏埋，最終導(dǎo)致覆土不均，作業(yè)質(zhì)量過低。為了檢驗開土刀的設(shè)計是否能夠滿足設(shè)計出發(fā)點并達(dá)到工作性能，為進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計做準(zhǔn)備，本文以理論分析為基礎(chǔ)，結(jié)合ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)，就小型葡萄覆土機(jī)的開土裝置在覆土過程中的運動學(xué)問題進(jìn)行了探討。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作過程

小型葡萄覆土機(jī)是利用刀片的旋轉(zhuǎn)和前進(jìn)的復(fù)合運動實現(xiàn)覆土作業(yè)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該機(jī)主要由機(jī)架、傳動裝置、變速箱和刀座4部分組成。其中，機(jī)架選為三點懸掛式，采用傳動較為平穩(wěn)的帶傳動，刀座部分由6把開土刀和6把取土刀在刀盤上均勻交錯排列構(gòu)成。

1.刀座 2.變速箱 3 .帶傳動裝置 4.機(jī)架圖1 小型葡萄覆土機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch map of small grape covering machine

覆土機(jī)工作時，由拖拉機(jī)實現(xiàn)牽引，動力通過拖拉機(jī)的輸出軸經(jīng)由帶傳動機(jī)構(gòu)，傳遞到輸入軸，經(jīng)過變速箱減速后，傳遞到刀座軸，刀座開始工作；刀座上的開土刀復(fù)合運動進(jìn)行碎土，并將碎土均勻地拋到葡萄床面的覆蓋物上方，完成覆土作業(yè)。

2 開土刀的運動特性分析

小型葡萄覆土機(jī)工作時，開土刀由于前進(jìn)和旋轉(zhuǎn)運動的共同作用切入土壤，土壤受到切土刀的打擊和剪切作用破碎分離后，再由取土刀拋離地面，達(dá)到了切土、拋土的目的。

以刀盤所在平面為XY面，以刀盤中心線為Z軸，建立一個相對于大地固定不動的坐標(biāo)系OXYZ。同時，以刀盤盤面為X1Y1平面，以刀盤軸線為Z軸，建立一個隨刀盤一起轉(zhuǎn)動的切刀定位坐標(biāo)系O1X1Y1Z1。開土刀在工作過程中，相對于坐標(biāo)系OXYZ是運動的，而相對于坐標(biāo)系O1X1Y1Z1是靜止的[1-3]。

本文以沿開土刀刀刃、靠近刀盤中心的端點為開土刀的空間位置，理想狀態(tài)下端點的運動軌跡為空間螺旋線[4-6]，則覆土刀盤上任意一把開土刀的位置可以用圓柱坐標(biāo)表示為(Ri，θi，Zi)。任意開土刀刀刃端點的運動參數(shù)方程為

(1)

式中 xi(t)—覆土刀盤上第i把開土刀在X方向的坐標(biāo)值；

yi(t)—覆土刀盤上第i把開土刀在Y方向的坐標(biāo)值；

zi(t)—覆土刀盤上第i把開土刀在Z方向的坐標(biāo)值；

Ri—開土刀的刀刃端點的安裝半徑；

θi—覆土刀盤上第i把開土刀的初始相位角；

ω—覆土刀盤旋轉(zhuǎn)角速度；

vk—覆土刀盤前進(jìn)速度；

t—時間。

其中：R=600mm，vm=0.5m/s，ω=23rad/s。

刀片切土速度的方程可由刀片端點的位移方程求導(dǎo)，即

(2)

速度νi的大小和方向為

對開土刀端點的位移方程進(jìn)行二次求導(dǎo)，可得開土刀端點在水平和豎直方向的加速度方程，即

(3)

加速度的大小的方向為

根據(jù)上述方程和各個輸入、輸出軸間的換算關(guān)系，可知輸入軸的轉(zhuǎn)速為218rad/s。利用MatLab軟件，即可得到各運動參數(shù)的變化曲線圖。圖2～圖4分別是開土刀刀尖軌跡曲線、刀尖速度曲線及刀尖加速度曲線。

圖2 開土刀刀尖軌跡曲線Fig.2 Trajectory curve of point of opening soil knife

圖3 開土刀刀尖速度曲線Fig.3 Velocity curve of point of opening soil knife

圖4 開土刀刀尖加速度曲線Fig.4 Accelerating curve of point of opening soil knife

3 基于ADAMS的虛擬樣機(jī)仿真運動分析

3.1 葡萄覆土機(jī)虛擬樣機(jī)裝配模型的建立

鑒于ADAMS建模能力有限，本文選擇在三維 SolidWorks軟件中建立葡萄覆土機(jī)的模型[7-8]。由于已知輸入軸的轉(zhuǎn)速，為方便仿真計算，本文只建立其覆土關(guān)鍵機(jī)構(gòu)模型，即齒輪減速機(jī)構(gòu)和覆土機(jī)構(gòu)。

建造的小型葡萄覆土機(jī)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的虛擬裝配模型如圖5所示。

圖5 小型葡萄覆土機(jī)關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的虛擬裝配模型Fig.5 Virtual assemble model of key structure of small-grape

covering machine

3.2 虛擬樣機(jī)仿真試驗

虛擬樣機(jī)技術(shù)(Virtual Prototyping ,VP)是一種數(shù)字化制造領(lǐng)域的新技術(shù)，是在虛擬環(huán)境下運用CAD/CAE/CAM等技術(shù)來建立機(jī)械系統(tǒng)性能分析的虛擬模型。通過仿真分析來評估系統(tǒng)的性能，可為物理樣機(jī)的設(shè)計與制造提供有效的參數(shù)和依據(jù)[9-11]。

3.2.1 虛擬樣機(jī)仿真模型的設(shè)置

虛擬裝配模型導(dǎo)入ADAMS后，進(jìn)行運動仿真前，還要做如下設(shè)置：

1)添加約束。選擇約束工具箱中的固定約束副(Coulter)，在刀輪基板和輸出軸間、刀盤基板和取土板間、開土刀座和取土板間、開土刀座和開土刀間分別添加固定副；選擇約束工具箱中轉(zhuǎn)動約束副(Revolute)，為輸入軸、輸出軸和變速箱底座間添加轉(zhuǎn)動副；在主工具箱中選擇移動約束副(Translational)，為變速箱底座和地面之間添加移動副；在大小齒輪間添加齒輪副(Gear)。添加完成后，各零件間的約束關(guān)系如圖6所示[12-14]。

2)添加驅(qū)動。將工具箱中轉(zhuǎn)動驅(qū)動的值修改為218rad/s,地面和輸入軸之間轉(zhuǎn)動副上的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動設(shè)置初始值為0.5m/s。

C.固定約束副 R.旋轉(zhuǎn)約束副 G.齒輪約束副圖6 各零部件間的約束關(guān)系Fig.6 Restrain links of parts

3.2.2 虛擬樣機(jī)仿真

虛擬樣機(jī)仿真模型建立完成后即可進(jìn)行仿真分析，具體步驟為[15-22]：

1)仿真設(shè)置。設(shè)置開始、結(jié)束及步長。單擊開始工具，進(jìn)行模型的仿真分析。

2)任意開土刀尖的運動學(xué)參數(shù)測量。當(dāng)運行過仿真分析之后，系統(tǒng)中自動得出各個構(gòu)件之間的位置關(guān)系。因此，某個構(gòu)件上的一點相對于另一個構(gòu)件的軌跡也就能計算出來，并獲得其運動軌跡曲線。開土刀尖端某點在大地上的軌跡如圖7所示。

圖7 開土刀刀尖軌跡曲線Fig.7 Trajectory curve of point of opening soil knife

測量開土刀尖端點X方向、Y方向的速度和加速度，如圖8和圖9所示。

圖8 開土刀刀尖速度曲線Fig.8 Velocity curve of point of opening soil knife

圖9 開土刀刀尖加速度曲線Fig.9 Accelerating curve of point of opening soil knife

3)Post processor后處理模塊。仿真結(jié)束后，進(jìn)入 ADAMS/Post processor后處理模塊，選擇所需要的曲線，可查看曲線每個位置對應(yīng)的數(shù)值。

3.3 虛擬樣機(jī)仿真試驗結(jié)果分析

3.3.1 開土刀刀尖點軌跡分析

開土刀的刀尖點軌跡是指葡萄覆土機(jī)作業(yè)時開土刀相對地面走過的軌跡，如圖7所示。通過在ADAMS中的虛擬仿真試驗結(jié)果可以看出：正如理論分析計算所述，該葡萄覆土機(jī)在作業(yè)時，刀尖點走過的是一個空間的位移。其軌跡形狀為典型的直線運動和圓周運動的復(fù)合曲線，也稱為空間螺旋線，與理論分析曲線完全一致。螺旋線的回轉(zhuǎn)半徑為R，螺距表示刀具旋轉(zhuǎn)1周在Z方向上前進(jìn)的距離，該值的大小與拖拉機(jī)的進(jìn)給速度和覆土刀輪的轉(zhuǎn)速有關(guān)；螺距值過大，會導(dǎo)致覆土厚度不夠，達(dá)不到預(yù)期的覆土效果；螺距值過小，則開土刀只是簡單的刺入土壤，土體不能被送向覆土方向，有漏拋區(qū)域，無法正常完成覆土功能。由圖8、圖9中可以得出：該機(jī)的覆土節(jié)距合理，也能直接證明該小型葡萄覆土機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定軌跡變化的要求，滿足設(shè)計出發(fā)點。

3.3.2 開土刀刀尖點速度和加速度分析

通過對開土刀速度和加速度曲線的對比分析，可看出ADAMS的虛擬仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果一致。

開土刀相對于土壤的運動速度的大小與拖拉機(jī)牽引速度、回轉(zhuǎn)半徑和覆土刀盤的旋轉(zhuǎn)角速度有關(guān)。在牽引速度和旋轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，速度隨回轉(zhuǎn)半徑的變化而變化。越靠近開土刀的外端，回轉(zhuǎn)半徑越大，速度也越大，因此可以適當(dāng)?shù)丶哟箝_土刀外端的強(qiáng)度。此外，刀尖點速度的方向沿著運動軌跡的切線，并與Z軸(牽引方向)所夾的角度保持不變。這個速度在理論上可以反映出被切削土粒的運動路徑，再加土壤自身條件的復(fù)雜多變，不利于研究開土刀與土壤之間的相互作用關(guān)系。

加速度的大小、曲線半徑和覆土刀盤的旋轉(zhuǎn)角速度有關(guān)。在旋轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，曲線半徑與加速度成正比，曲線半徑越大，加速度越大。加速度矢量指向Z軸，在X—Y平面內(nèi)。

理論與仿真分析表明：機(jī)構(gòu)中開土刀的速度和加速度變化符合實際的工作要求，能夠達(dá)到設(shè)計要求的生產(chǎn)能力和功率。

4 結(jié)論

1)在分析小型葡萄覆土機(jī)的設(shè)計出發(fā)點和工作原理的基礎(chǔ)上，建立了小型葡萄覆土機(jī)開土刀上任意點的軌跡速度和加速度方程，在MatLab下獲得相應(yīng)的曲線。

2)在 SolidWorks中完成了小型葡萄覆土機(jī)的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)的構(gòu)建，并將其導(dǎo)入 ADAMS中進(jìn)行運動分析，計算出小型葡萄覆土機(jī)開土刀尖端某點的運動軌跡、速度和加速度曲線。仿真分析結(jié)果與理論分析結(jié)果一致，驗證了模型的正確性和理論計算的準(zhǔn)確性。

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Motion Analysis of Opening Soil Knife of Small Grape Covering Machine

Xu Guangchen, Huo Shiwu, Zhao Fengqin

(Department of Mechanical and Electronic Engineering, YingKou Institude of Technology, Yingkou 115014, China)

In order to analyze the small grape cover earth machine's work performance, this paper respectively adopted theoretical analysis and SolidWorks combined with the ADAMS software processing the virtual prototype simulation analysis, to processed the kinematic analysis of opening soil knife, set up the kinematics model of opening soil device, deduced the tip trajectory, velocity and acceleration equations, and with the virtual simulation results of the analysis were compared, testing the rationality of design of the mechanism and working performance and provides theoretical basis for further dynamics analysis.

small grape covering machine; opening soil knife; kinematic analysis; virtual prototype; ADAMS

2016-04-28

遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項目(L2015551)

徐廣晨(1984-),男，遼寧營口人，講師，博士研究生， (E-mail) kanu012@163.com。

趙鳳芹(1966-)，女，遼寧朝陽人，教授，(E-mail)fqinzhao@163.com。

S224.1+49

A

1003-188X(2017)06-0064-05