剛-柔混合建模的玉米摘穗臺(tái)虛擬樣機(jī)開(kāi)發(fā)研究

(河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 451191)

0 引言

玉米收獲機(jī)摘穗臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)包括喂入裝置、摘穗裝置和螺旋輸送裝置，其傳動(dòng)特性對(duì)玉米收獲機(jī)收割效率等作業(yè)性能具有重要影響[1-4]。傳統(tǒng)解析法分析摘穗臺(tái)傳動(dòng)特性時(shí)存在建模復(fù)雜度高，變量動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)性差的缺點(diǎn)。采用可視化虛擬樣機(jī)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)摘穗臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)件動(dòng)力學(xué)關(guān)系間的動(dòng)態(tài)耦合，大幅降低模型復(fù)雜度?，F(xiàn)有關(guān)于玉米收獲機(jī)摘穗臺(tái)虛擬樣機(jī)的研究均采用剛性建模方法，忽略了構(gòu)件彈性形變對(duì)傳動(dòng)特性的影響，仿真精度較低。

本文以4YZW-4C 型玉米收獲機(jī)摘穗臺(tái)為實(shí)例。在ADAMS 和Solidworks 平臺(tái)上開(kāi)發(fā)剛-柔混合虛擬樣機(jī)，分析玉米收割作業(yè)中摘穗臺(tái)的動(dòng)力學(xué)特性。

1 虛擬樣機(jī)創(chuàng)建

圖1 玉米收獲機(jī)摘穗臺(tái)傳動(dòng)路線(xiàn)

選擇4YZW-4C 型玉米收獲機(jī)摘穗臺(tái)作為開(kāi)發(fā)實(shí)例。圖1 為實(shí)例摘穗臺(tái)傳動(dòng)路線(xiàn)，表1 對(duì)應(yīng)圖中主要傳動(dòng)參數(shù)。由圖可知，玉米收獲機(jī)摘穗臺(tái)工作時(shí)，摘穗臺(tái)動(dòng)力由主動(dòng)帶輪輸入，經(jīng)由二級(jí)鏈傳動(dòng)和三級(jí)鏈傳動(dòng)分別傳遞至動(dòng)力解耦器和果穗螺旋裝置，并通過(guò)動(dòng)力解耦器分別將動(dòng)力傳遞至拉莖輥和撥禾鏈，用于玉米收割時(shí)的摘穗和撥禾作業(yè)。由于傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度等直接影響玉米摘穗臺(tái)的生產(chǎn)效率和作業(yè)質(zhì)量，采用柔體動(dòng)力學(xué)模塊建立傳動(dòng)系統(tǒng)中的傳動(dòng)軸和皮帶，用剛體動(dòng)力學(xué)模塊建立其他傳動(dòng)構(gòu)件虛擬樣機(jī)模型。

表1 4YZW-4C 摘穗臺(tái)主要傳動(dòng)參數(shù)

ADAMS Flex 平臺(tái)采用基于動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)的Craing-Bampton 修正方法，能夠大幅降低模型復(fù)雜度，提高仿真精度，在ADAMS Flex 平臺(tái)上創(chuàng)建傳動(dòng)系統(tǒng)柔體動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)模型。其柔體建模原理為：使用展開(kāi)后的模態(tài)向量和模態(tài)坐標(biāo)線(xiàn)性組合表征彈性構(gòu)件本身的彈性位移，將彈性構(gòu)件的全部自由度離散化為有限結(jié)點(diǎn)自由度后，其彈性形變可近似為少量模態(tài)的線(xiàn)性組合[5]，通過(guò)截?cái)喔唠A模態(tài)的低階模態(tài)集描述主模態(tài)集，單次釋放固定界面自由度得到約束模態(tài)，其數(shù)目等于子結(jié)構(gòu)界面自由度數(shù)目[6]，最后采用基于笛卡爾廣義坐標(biāo)的拉格朗日運(yùn)動(dòng)方程求解[7]。

圖2 為創(chuàng)建后的4YZW-4C 玉米收獲機(jī)摘穗臺(tái)虛擬樣機(jī)模型。創(chuàng)建過(guò)程為：

1）首先通過(guò)Solodworks 實(shí)體造型庫(kù)分別創(chuàng)建摘穗臺(tái)機(jī)架、動(dòng)力解耦器機(jī)架、果穗螺旋、傳動(dòng)軸等的三維實(shí)體模型。然后將其導(dǎo)入Solodworks 裝配體模塊，采用共面、同軸、固定等配合關(guān)系限制零件的相對(duì)位置，完成實(shí)體零件裝配。最后將模型簡(jiǎn)化，通過(guò)基于Solidworks 與ADAMS 的Parasolid 核心實(shí)體造型技術(shù)將其導(dǎo)入ADAMS 中，能夠很好地保留模型特征，防止數(shù)據(jù)丟失。

2）通過(guò)ADAMS/Machinery 庫(kù)在三維實(shí)體模型對(duì)應(yīng)坐標(biāo)位置分別構(gòu)造輸入帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、果穗螺旋、齒輪組、錐齒輪組、傳動(dòng)軸和機(jī)架的數(shù)字化模型，并基于約束庫(kù)添加傳動(dòng)構(gòu)件運(yùn)動(dòng)關(guān)系。其中，機(jī)架與大地、動(dòng)力解耦器殼體之間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，采用“固定副”約束；傳動(dòng)構(gòu)件中的鏈輪、齒輪、帶輪與傳動(dòng)軸采用花鍵鏈接，能夠同軸等速旋轉(zhuǎn)，采用“固定副”約束；柔性傳動(dòng)軸分別相對(duì)于機(jī)架、動(dòng)力解耦器殼體旋轉(zhuǎn)，采用“旋轉(zhuǎn)副”約束；果穗螺旋安裝在機(jī)架上，和機(jī)架間添加“旋轉(zhuǎn)副”約束。

3）在采用ADAMS/Flex 平臺(tái)上對(duì)數(shù)字化模型中的傳動(dòng)軸和皮帶進(jìn)行離散化處理，通過(guò)外接節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)與其他剛性模型的動(dòng)態(tài)耦合。

圖2 4YZW-4C 玉米收獲機(jī)摘穗臺(tái)虛擬樣機(jī)模型

為進(jìn)一步體現(xiàn)虛擬樣機(jī)的材料外觀屬性，根據(jù)4YZW-4C 型玉米收獲機(jī)摘穗臺(tái)的材料參數(shù)，在ADAMS/View 界面對(duì)剛-柔混合虛擬樣機(jī)進(jìn)行渲染，得到包含外觀屬性的玉米收獲機(jī)摘穗臺(tái)剛-柔混合虛擬樣機(jī)模型如圖3所示。

圖3 包含外觀屬性的玉米收獲機(jī)摘穗臺(tái)剛-柔混合虛擬樣機(jī)

2 動(dòng)力學(xué)特性分析

2.1 虛擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在ADAMS/Postprocessor 平臺(tái)上進(jìn)行虛擬試驗(yàn)中的運(yùn)動(dòng)演示、數(shù)據(jù)采集和分析。由于玉米收獲機(jī)摘穗臺(tái)輸出裝置中果穗螺旋的轉(zhuǎn)速最小，標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速為100r/min，根據(jù)采樣定理，設(shè)置仿真周期為1s，采樣頻率為1 000Hz。

采用具有恒定轉(zhuǎn)速的輸入功率模擬摘穗臺(tái)收獲作業(yè)時(shí)的驅(qū)動(dòng)功率。通過(guò)階躍函數(shù)40*360d*step (time,0,0,0.2,1)表征轉(zhuǎn)速特征，設(shè)定加載周期內(nèi)輸入轉(zhuǎn)速在0.2s內(nèi)逐漸增大至2 400r/min，其余時(shí)間保持恒定。根據(jù)玉米收獲機(jī)摘穗工況特征，采用階躍函數(shù)[8.88 29.8]*step(time,0,0,0.2,1)表征果穗螺旋和撥禾鏈處的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，設(shè)定加載周期內(nèi)果穗螺旋和撥禾鏈端負(fù)載轉(zhuǎn)矩在0.2s 內(nèi)逐漸增大8.88N·m 和29.8N·m，其余時(shí)間保持恒定。由于拉莖輥負(fù)載變化較大，具有隨機(jī)性。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，玉米適收期摘穗拉力約為0.93kN，采用脈沖函數(shù)41.85*(step(time,0,0,0.2,0.2)+step(time,0.4,0,0.41,1)*step(time,0.41,1,0.42,0))表征拉莖輥處的負(fù)載轉(zhuǎn)矩。設(shè)定加載周期內(nèi)拉莖輥負(fù)載轉(zhuǎn)矩在0.2s 時(shí)達(dá)到8.3N·m；0.2s～0.4s 保持恒定；從0.41s施加峰值為41.85N·m 負(fù)載轉(zhuǎn)矩脈沖。其中恒定階段用于模擬排莖過(guò)程，脈沖階段模擬摘穗過(guò)程。

2.2 仿真結(jié)果分析

圖4 為拉莖輥動(dòng)力輸入軸端轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)。由圖可知，加載后拉莖輥轉(zhuǎn)速振蕩最大幅值出現(xiàn)在沖擊加載時(shí)刻0.41s附近，表明開(kāi)發(fā)的虛擬樣機(jī)可以有效體現(xiàn)玉米收獲機(jī)摘穗過(guò)程中由于作物排列不均勻和土質(zhì)差異導(dǎo)致的沖擊載荷，并且能夠有效反應(yīng)傳動(dòng)系統(tǒng)中柔性體彈性形變產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)特征。

圖4 拉莖輥轉(zhuǎn)速特征

圖5 為動(dòng)力解耦器中撥禾鏈端錐齒輪組的轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)。由圖可知，0.2s 后，從動(dòng)錐齒輪的平均轉(zhuǎn)矩為29.80N·m，方向與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相反，大小等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。對(duì)比圖4 可知，由于傳動(dòng)軸柔體模型的阻尼特征，撥禾鏈從動(dòng)錐齒輪處的波動(dòng)轉(zhuǎn)矩振幅較小。主動(dòng)錐齒輪平均轉(zhuǎn)矩為18.21N·m，錐齒輪組轉(zhuǎn)矩比為1.64，接近實(shí)際值。對(duì)比圖5 可知，撥禾鏈主動(dòng)錐齒輪的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，經(jīng)分析主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的主要原因是：齒輪組的重合度為1.43，單組齒嚙合和雙組齒嚙合交替過(guò)程中由于輪齒形變而引起的載荷沖擊所致。

圖6 為動(dòng)力解耦裝置中間軸錐齒輪組轉(zhuǎn)矩特征。由圖可知，加載過(guò)程中主動(dòng)錐齒輪和被動(dòng)錐齒輪在加載轉(zhuǎn)矩附近波動(dòng)，符合描述排莖負(fù)載的階躍函數(shù)特征；并在0.41s 處出現(xiàn)沖擊，主動(dòng)輪沖擊度較小，表明4YZW-4C 型玉米收獲機(jī)摘穗臺(tái)拉莖輥錐齒輪副傳動(dòng)特征能夠有效吸收來(lái)自摘穗作業(yè)中的沖擊負(fù)載，提高摘穗臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)的平順性。

圖5 撥禾鏈主從動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)

圖6 中間軸錐齒輪組轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)

圖7 拉莖輥從動(dòng)錐齒輪轉(zhuǎn)矩時(shí)頻特性

圖7 為經(jīng)過(guò)低通濾波和幅頻變換后拉莖輥從動(dòng)錐齒輪轉(zhuǎn)矩時(shí)頻特性。由濾波后曲線(xiàn)可知，當(dāng)系統(tǒng)受到拉莖輥的沖擊負(fù)載時(shí)，動(dòng)力解耦裝置拉莖輥輸出軸處震蕩衰減較快，能夠迅速恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定時(shí)間為0.2s，表明4YZW-4C 型玉米收獲機(jī)摘穗臺(tái)傳動(dòng)快速性較好。由傅里葉曲線(xiàn)可知，動(dòng)力解耦裝置拉莖輥輸出軸處轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的基頻為286.7Hz，等于拉莖輥錐齒輪的嚙合頻率；大于撥禾鏈錐齒輪的嚙合頻率200Hz，曲線(xiàn)基頻對(duì)應(yīng)的振蕩幅值為4.72N·m，表明4YZW-4C 型玉米收獲機(jī)摘穗臺(tái)同時(shí)進(jìn)行摘穗、排莖、撥禾作業(yè)時(shí)，高頻載荷主要來(lái)自摘穗作業(yè)，傳動(dòng)系統(tǒng)的高頻載荷主要集中在拉莖輥動(dòng)力輸出軸端從動(dòng)錐齒輪處。

3 結(jié)論

1)在ADAMS 和Solidworks 平臺(tái)上創(chuàng)建了4YZW-4C型玉米收獲機(jī)摘穗臺(tái)剛-柔混合虛擬樣機(jī)，能夠有效體現(xiàn)該型號(hào)摘穗臺(tái)的實(shí)體特征。

2）設(shè)計(jì)了模擬摘穗、排莖、撥禾作業(yè)時(shí)的加載函數(shù)，基于剛-柔虛擬樣機(jī)平臺(tái)開(kāi)展了仿真分析，結(jié)果表明：基于剛-柔混合建模開(kāi)發(fā)虛擬樣機(jī)模型能夠有效體現(xiàn)4YZW-4C 型玉米收獲機(jī)摘穗臺(tái)的傳動(dòng)特征，各傳動(dòng)構(gòu)件的動(dòng)力學(xué)特性符合柔體動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)。

3）加載沖擊度后，表明4YZW-4C 型玉米收獲機(jī)摘穗臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)的高頻載荷主要集中在摘穗臺(tái)動(dòng)力解耦裝置拉莖輥端錐齒輪組；拉莖輥端主動(dòng)齒輪沖擊度小于從動(dòng)輪錐齒輪，傳動(dòng)平順性較好；沖擊衰減較快，穩(wěn)定時(shí)間為0.2s。