李世云，孫文磊，洪榮榮

(1.新疆石河子職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 石河子　832000；2.新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊　830008)

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基于ADAMS的采棉機(jī)摘錠運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析及軌跡仿真

李世云1，孫文磊2，洪榮榮2

(1.新疆石河子職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 石河子832000；2.新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊830008)

摘要：機(jī)械采棉已經(jīng)成為棉花采摘發(fā)展的必然趨勢(shì)，而采棉機(jī)目前仍依賴進(jìn)口。進(jìn)口采棉機(jī)具有較好的使用性能，但其關(guān)鍵部件摘錠不僅價(jià)格高而且維修困難，因此采棉機(jī)國(guó)產(chǎn)化首要解決的是采摘關(guān)鍵部件及摘錠結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題。為此，主要對(duì)采棉機(jī)摘錠運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析，基于ADAMS對(duì)采棉機(jī)采摘頭關(guān)鍵部件摘錠進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡仿真，獲取了相關(guān)參數(shù)和軌跡，實(shí)現(xiàn)以軌跡為基礎(chǔ)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。同時(shí)，判斷采摘機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性，為國(guó)產(chǎn)采棉機(jī)采摘部件設(shè)計(jì)提供研究基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：摘錠；ADAMS；運(yùn)動(dòng)軌跡；仿真

0引言

近年來(lái)，我國(guó)棉花種植規(guī)模保持在466.7萬(wàn)hm2以上，而棉花生產(chǎn)的人工采摘費(fèi)用在以新疆為主的西北內(nèi)陸棉區(qū)已高達(dá)9 900～19 500元/hm2。伴隨著勞動(dòng)力資源的持續(xù)短缺，棉花的機(jī)械化采收已成為必然趨勢(shì)。在我國(guó)主產(chǎn)棉區(qū)新疆、黑龍江等地目前廣泛使用的采棉機(jī)以美國(guó)約翰迪爾公司、凱斯公司及國(guó)產(chǎn)貴航股份公司生產(chǎn)的采棉機(jī)為主。其中，約翰迪爾的產(chǎn)品具有科技含量高、性能出眾等特點(diǎn)，典型代表為約翰迪爾7760采棉機(jī)；凱斯代表產(chǎn)品ME625型采棉機(jī)集采摘打模功能于一體，能夠產(chǎn)生最大的采摘效率。兩種產(chǎn)品均有人工投入少、機(jī)械化程度高、效率高等優(yōu)勢(shì)，符合發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)機(jī)械化的國(guó)情。但其高昂的售價(jià)令我國(guó)的許多棉農(nóng)望而卻步，如迪爾7760售價(jià)435萬(wàn)元，與國(guó)內(nèi)貴航采棉機(jī)相比高出280萬(wàn)元。因此，支持國(guó)產(chǎn)采棉機(jī)發(fā)展具有非常重要的戰(zhàn)略意義?，F(xiàn)有國(guó)產(chǎn)貴航水平摘錠式4MZ-5型采棉機(jī)國(guó)產(chǎn)化不足，核心部件摘錠存在價(jià)格昂貴、維修困難且依賴進(jìn)口等弊端。這些問(wèn)題嚴(yán)重制約國(guó)產(chǎn)采棉機(jī)的發(fā)展，攻克摘錠核心技術(shù)成為推廣國(guó)產(chǎn)采棉機(jī)的工作重點(diǎn)與難點(diǎn)。

本文在對(duì)水平摘錠式采棉機(jī)的采摘原理和摘錠的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)摘錠的運(yùn)動(dòng)軌跡及運(yùn)動(dòng)形態(tài)進(jìn)行仿真與分析，找出摘錠的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，旨在為優(yōu)化水平摘錠式采棉機(jī)采摘機(jī)構(gòu)的性能提供借鑒。

1采摘原理與摘錠運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析

采棉機(jī)是一種根據(jù)棉花棉鈴?fù)滦醭潭冗M(jìn)行多次采摘籽棉的現(xiàn)代化收獲機(jī)械。此類機(jī)器按照采摘棉花的關(guān)鍵部件摘錠而被統(tǒng)稱為摘錠式采棉機(jī)。按摘錠與地面的相對(duì)位置該類采棉機(jī)又可分為水平摘錠式與垂直摘錠式[4]。本文以目前應(yīng)用最為廣泛的水平摘錠式采棉機(jī)為例進(jìn)行分析，如圖1所示。

采棉工作單體是水平摘錠式采棉機(jī)采摘棉花的直接部件，主要由摘錠滾筒、脫棉圓盤(pán)、淋洗器、傳動(dòng)系統(tǒng)等組成。兩個(gè)摘錠滾筒按前后或左右排列在采棉單體上。在摘錠座管外安裝的是纏繞棉花的摘錠，內(nèi)部安裝的是能使摘錠旋轉(zhuǎn)起來(lái)的傳動(dòng)裝置。此外，在摘錠座管上部安裝有導(dǎo)向作用的曲拐。采棉滾筒在作業(yè)時(shí)，每個(gè)摘錠座管總成相對(duì)滾筒回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)，可以認(rèn)為是“公轉(zhuǎn)”；管座上的摘錠隨管座轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)也按一定的方向自行轉(zhuǎn)動(dòng)，稱之為“自轉(zhuǎn)”[4]。

采摘棉花時(shí)工作過(guò)程如下：首先由分禾器把前方采摘范圍內(nèi)的棉株聚攏擠壓進(jìn)采摘室，而后旋轉(zhuǎn)的摘錠按固定的運(yùn)動(dòng)軌跡插入被聚攏擠壓的棉株內(nèi)；當(dāng)遇到吐絮的籽棉時(shí)，摘錠上布滿的溝齒就會(huì)掛住籽棉，籽棉隨著摘錠的旋轉(zhuǎn)不斷從棉鈴中被扯出，并一層層纏繞在摘錠上，最終摘錠隨著滾筒逐漸由采摘室退出而進(jìn)入脫棉區(qū)。在脫棉區(qū)，旋轉(zhuǎn)著的摘錠與反向旋轉(zhuǎn)的脫棉盤(pán)相遇，籽棉便在脫棉盤(pán)反向摩擦力的作用下，從摘錠上被剝落。脫落的籽棉集中在集棉室內(nèi)，最終因?yàn)榉謾C(jī)氣道產(chǎn)生的負(fù)壓經(jīng)吸入門(mén)、風(fēng)桶后被送入棉箱，完成一次采摘過(guò)程。脫掉籽棉的摘錠隨滾筒轉(zhuǎn)到濕潤(rùn)器處進(jìn)行清潔，隨后再開(kāi)始下一輪作業(yè)，采摘過(guò)程如圖2所示[4]。

(a)結(jié)構(gòu)圖　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)實(shí)物模擬

1.分禾器　2.摘錠　3.采棉滾筒　4.柵板　5.積棉室

2摘錠動(dòng)力學(xué)建模與運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

本文采用ADAMS軟件對(duì)采棉機(jī)摘錠進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模與運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析。ADAMS軟件包含了基本模塊、擴(kuò)展模塊、接口模塊、專業(yè)領(lǐng)域模塊及工具箱5類模塊，可用于研究復(fù)雜機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系與動(dòng)力關(guān)系。本文利用它對(duì)摘錠建立數(shù)學(xué)模型后進(jìn)行仿真分析，其結(jié)果可以用來(lái)驗(yàn)證其他設(shè)計(jì)對(duì)象是否合理。ADAMS仿真系統(tǒng)中構(gòu)件與構(gòu)件或與地面間需添加運(yùn)動(dòng)副，可以用系統(tǒng)廣義坐標(biāo)表示為代數(shù)方程，進(jìn)而建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。

2.1　ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的建立

設(shè)運(yùn)動(dòng)副的約束方程個(gè)數(shù)為nh，則系統(tǒng)廣義坐標(biāo)下的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為

(1)

由機(jī)構(gòu)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析可知，確定運(yùn)動(dòng)需要機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的自由度為0，給系統(tǒng)1個(gè)等于自由度(nc-nh)的驅(qū)動(dòng)約束為

ΦD(q,t)=0

(2)

一般來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)是一種函數(shù)，由系統(tǒng)廣義坐標(biāo)和時(shí)間構(gòu)成。式(1)和式(2)組合成系統(tǒng)所受的總約束為

(3)

式(3)為系統(tǒng)方程，由nc個(gè)廣義坐標(biāo)下的nc個(gè)非線性方程組組成。

2.2　ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的求解算法

系統(tǒng)的約束方程為

Φ(q,tn)=0

(4)

根據(jù)式(4)的Newton-Raphson迭代法可求得運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件在某一時(shí)刻tn的位置

ΦqjΔqj+Φ(qj,tn)=0

(5)

其中，Δqj=qj+1-qj，表示第j次迭代。

此刻速度為

(6)

此刻加速度為

(7)

2.3　摘錠運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

采棉機(jī)在采摘作業(yè)時(shí)，結(jié)合采摘頭滾筒、脫棉盤(pán)及濕潤(rùn)器的位置分布得到的摘錠軌跡圖如圖3所示；不難看出，采摘工作區(qū)間位于扣環(huán)處如圖4所示。從扣環(huán)狀的軌跡可得：摘錠在工作區(qū)間改變過(guò)方向；進(jìn)入扣環(huán)區(qū)即進(jìn)入采摘工作區(qū)，扣環(huán)極點(diǎn)周圍即摘錠抓取并纏繞棉花的區(qū)間；走出扣環(huán)區(qū)，摘錠開(kāi)始進(jìn)入脫棉區(qū)。由軌跡線可知：進(jìn)入脫棉區(qū)的過(guò)程中，摘錠與脫棉盤(pán)之間的夾角變化不大，這樣有助于順利脫棉。接著，摘錠進(jìn)入濕潤(rùn)摘錠的區(qū)間，在此區(qū)間，摘錠角度變化與脫棉區(qū)相仿。

圖3　采頭各部件位置分布

圖4　采棉機(jī)實(shí)際作業(yè)摘錠相對(duì)地面軌跡圖

3摘錠運(yùn)動(dòng)軌跡仿真

摘錠運(yùn)動(dòng)軌跡的仿真就是利用運(yùn)動(dòng)學(xué)軟件對(duì)摘錠運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬。首先用三維建模軟件構(gòu)建采摘機(jī)構(gòu)及摘錠的三維模型，而后將三維模型導(dǎo)入仿真軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真及分析。本研究?jī)?nèi)容采用UG進(jìn)行三維建模，在此不再贅述。由于ADAMS易掌握，功能強(qiáng)大，所以選擇它作為仿真工具。

在ADAMS中構(gòu)建采棉機(jī)采摘頭部件的動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，模型驗(yàn)證正確無(wú)誤后對(duì)其進(jìn)行仿真。首先將裝配無(wú)誤的滾筒簡(jiǎn)化為模型，對(duì)模型各部件進(jìn)行材料賦予；其次，在各部件間添加合理的運(yùn)動(dòng)副。添加運(yùn)動(dòng)副的難點(diǎn)是滾輪的點(diǎn)線約束，這里的點(diǎn)是曲拐上端的中心點(diǎn)，線為凸輪中心曲線；另外，由于傳動(dòng)盤(pán)與滾筒同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此對(duì)這兩個(gè)部件進(jìn)行聯(lián)合同步運(yùn)動(dòng)。摘錠運(yùn)動(dòng)軌跡仿真的難點(diǎn)在于摘錠的擺動(dòng)，摘錠的擺動(dòng)由座管的擺動(dòng)引起。座管的擺動(dòng)是由其底端的旋轉(zhuǎn)副與座管上端固定連接的曲拐的點(diǎn)線副造成的，而座管與轉(zhuǎn)盤(pán)之間沒(méi)有運(yùn)動(dòng)副，這使仿真過(guò)程變得簡(jiǎn)單。

運(yùn)動(dòng)副添加完畢后添加驅(qū)動(dòng)。由滾筒傳動(dòng)分析可知：摘錠公轉(zhuǎn)與擺動(dòng)的動(dòng)力來(lái)自滾筒中心軸(這里將中心軸簡(jiǎn)化為一個(gè)桿)，然后中心軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)，轉(zhuǎn)盤(pán)帶動(dòng)座管，座管沿軌跡運(yùn)動(dòng)。為便于操作，這里將驅(qū)動(dòng)賦予了轉(zhuǎn)盤(pán)的旋轉(zhuǎn)副。仿真模型如圖5和圖6所示。

圖5　仿真模型組成

圖6　仿真運(yùn)動(dòng)副的組成

最后，獲取軌跡曲線，這是摘錠運(yùn)動(dòng)軌跡仿真成功的關(guān)鍵所在。ADAMS提供了便捷的測(cè)量工具，只需確定被測(cè)對(duì)象的各點(diǎn)位置，設(shè)定測(cè)量周期即可方便獲得其運(yùn)動(dòng)曲線圖。ADAMS獲取的軌跡曲線的點(diǎn)需是質(zhì)心，因此在摘錠末端創(chuàng)建微小球體并附加為一體，然后以球體質(zhì)心marker點(diǎn)為對(duì)象來(lái)獲取軌跡、軌跡運(yùn)動(dòng)的位移及角度變化曲線圖。

因?yàn)榉抡娼Y(jié)果是建立在特定工作環(huán)境下的，因此在獲取摘錠的軌跡線時(shí)必須賦予仿真系統(tǒng)所需的技術(shù)參數(shù)和特定的工作條件。根據(jù)相關(guān)資料得知：采棉機(jī)作業(yè)時(shí)正常采收速度為5.8km/h,即1.61m/s；采頭滾筒的轉(zhuǎn)速為152r/min,即912°/s。

為獲得摘錠的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，在運(yùn)動(dòng)仿真中設(shè)定采棉機(jī)運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樗较蛴?，?duì)滾筒簡(jiǎn)化模型賦予水平移動(dòng)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；賦予轉(zhuǎn)盤(pán)相對(duì)中心軸一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，凸輪相對(duì)地面一個(gè)移動(dòng)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)將移動(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)置為1.61m/s，轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)置為912°/s，仿真得到摘錠的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖7所示。圖7中上部分為棉行分布區(qū)。

圖7　摘錠末端對(duì)地軌跡圖

為進(jìn)一步分析摘錠末端對(duì)地軌跡，將1個(gè)周期內(nèi)的摘錠運(yùn)動(dòng)分為12部分來(lái)描述。如圖8所示，對(duì)地軌跡1~12，是摘錠1個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的軌跡位置分布。摘錠的位置分布受采棉機(jī)前進(jìn)速度與滾筒轉(zhuǎn)速的雙重影響。水平運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)合成摘錠的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡。由圖8可以看出：摘錠運(yùn)動(dòng)周期軌跡呈扣環(huán)狀，兩扣環(huán)之間軌跡呈弧形，與前述實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡一致。

在實(shí)際應(yīng)用中，可通過(guò)衡量上述摘錠運(yùn)動(dòng)軌跡與有效軌跡匹配的程度，對(duì)摘錠軌跡形狀特征進(jìn)行精確量化描述與誤差計(jì)算，進(jìn)而獲取有效的參數(shù)。

圖8　摘錠末端對(duì)地軌跡分解圖

4結(jié)束語(yǔ)

闡述了采棉機(jī)在我國(guó)的使用現(xiàn)狀，對(duì)采棉機(jī)的采摘原理與摘錠的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上使用ADAMS軟件的相關(guān)理論與功能對(duì)摘錠的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了基于實(shí)際工作情形的仿真分析。該仿真結(jié)果可以作為相關(guān)科研部門(mén)在優(yōu)化采棉機(jī)的采摘機(jī)構(gòu)時(shí)，通過(guò)對(duì)摘錠的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真匹配來(lái)判斷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性的重要依據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)以軌跡為基礎(chǔ)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

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Abstract ID:1003-188X(2016)09-0074-EA

ADAMS-based Cotton Picker Spindle Motion Analysis and

Trajectory Simulation

Li Shiyun1， Sun Wenlei2， Hong Rongrong2

Abstract：Mechanical cotton Picker has become an inevitable trend of cotton harvesting, cotton is still dependent on imports. Imported cotton Picker has a good performance, but the spindle is not only higher prices of key components and maintenance difficulties,cotton picking key domestic priorities are components and structural optimization of spindle.This paper focuses on the cotton picker spindle motion analysis based on ADAMS for cotton picking heads spindle trajectory simulation of key components, gets the parameters and paths.Realization of trajectory-based innovative design, judge-picking mechanism design rationality,for domestic cotton picking parts is designed to provide basic research.

Key words：spindle; ADAMS; trajectory；simulation;cotton picker

中圖分類號(hào)：S225.91+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)09-0074-04

作者簡(jiǎn)介：李世云(1976-)，女(回族)，寧夏海原人，副教授，碩士，(E-mail)1003284059@qq.com。

基金項(xiàng)目：新疆維吾爾族自治區(qū)科技支疆項(xiàng)目(2013911032)

收稿日期：2015-08-18