董 欣，楊 波，徐允飛，邵 菲，那明君

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

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煙草缽苗移栽機(jī)成穴機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)仿真分析

董 欣，楊 波，徐允飛，邵 菲，那明君

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

吊籃式煙草缽苗移栽機(jī)成穴機(jī)構(gòu)的作業(yè)性能直接影響移栽機(jī)的移栽質(zhì)量。為了探討成穴機(jī)構(gòu)各桿件相互作用及成穴鏟運(yùn)動規(guī)律，針對成穴機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡化，建立矢量方程得到成穴機(jī)構(gòu)成穴鏟的位移、速度和加速度模型。采用ADAMS軟件建立成穴機(jī)構(gòu)的三維運(yùn)動仿真模型進(jìn)行仿真分析，對獲得成穴鏟豎直和水平方向的位移、速度及加速度變化曲線進(jìn)行分析，滿足成穴要求，驗(yàn)證了成穴機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，為煙草缽苗移栽機(jī)成穴機(jī)構(gòu)的運(yùn)動軌跡進(jìn)一步優(yōu)化及動力學(xué)仿真分析提供了理論依據(jù)。

煙草缽苗移栽；成穴機(jī)構(gòu)；運(yùn)動分析；仿真

0 引言

煙草是以育苗移栽方式為主的經(jīng)濟(jì)作物，我國近年煙葉種植面積穩(wěn)定在133.3萬hm2左右，但其移栽機(jī)械化水平仍相對較低。人工移栽以大量的畜力、人工等傳統(tǒng)落后的生產(chǎn)工具和生產(chǎn)方式為主，不適于規(guī)?；N植模式[1-2]；機(jī)械化移栽可提高煙草幼苗質(zhì)量，降低育苗成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，降低農(nóng)民勞動強(qiáng)度，爭取更多春耕時(shí)間，達(dá)到節(jié)本、增產(chǎn)和增收的目的[3-5]。吊籃式煙草缽苗移栽機(jī)在移栽作業(yè)過程中要完成成穴、施肥、移栽、注水覆土和鋪膜等工序。成穴作業(yè)是指根據(jù)栽煙密度(株距)要求，利用成穴機(jī)構(gòu)在栽植器入土前在壟頂上成形穴坑的過程。

成穴機(jī)構(gòu)是吊籃式煙草缽苗移栽機(jī)完成煙苗移栽的關(guān)鍵部件之一，移栽機(jī)作業(yè)時(shí)，成穴機(jī)構(gòu)通過地輪驅(qū)動以一定的運(yùn)動規(guī)律在壟上形成缽苗穴坑，其作業(yè)性能決定了穴坑的形狀尺寸，直接影響移栽機(jī)后續(xù)作業(yè)效果、作業(yè)效率及煙苗移栽的栽植質(zhì)量。采用先成穴后移栽方式，可以大大減少栽植臂入土?xí)r，土壤對栽植臂的阻力，有效地減少栽植器的磨損[6]。因此，結(jié)合煙草種植農(nóng)藝要求設(shè)計(jì)適于北方煙草缽苗移栽機(jī)具，充分考慮成穴機(jī)構(gòu)成穴特性的研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

為探討北方煙草缽苗移栽機(jī)成穴機(jī)構(gòu)的運(yùn)動規(guī)律及特性，建立了成穴機(jī)構(gòu)的運(yùn)學(xué)模型。同時(shí)，基于ADAMS軟件建立成穴機(jī)構(gòu)的三維運(yùn)動仿真模型進(jìn)行成穴軌跡仿真分析，獲得成穴鏟位移、速度及加速度變化規(guī)律，旨在驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，為煙草缽苗移栽機(jī)成穴機(jī)構(gòu)運(yùn)動軌跡的進(jìn)一步優(yōu)化及動力學(xué)仿真分析提供理論依據(jù)。

1 成穴機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 成穴機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

成穴機(jī)構(gòu)是吊籃式煙草缽苗移栽機(jī)的關(guān)鍵部件之一，固定安裝在移栽機(jī)前部，主要由曲軸、曲柄、連桿、平行四桿機(jī)構(gòu)、成穴鏟柱焊合、成穴鏟、固定支架及滑動導(dǎo)軌等構(gòu)成，如圖1所示。成穴鏟柱與成穴鏟通過螺栓連接，如圖2所示。

1.曲軸 2.曲柄 3.連桿 4.平行四桿機(jī)構(gòu) 5.成穴鏟柱焊合 6.成穴鏟 7.固定支架 8.滑動導(dǎo)軌圖1 煙草缽苗移栽機(jī)的成穴機(jī)構(gòu)Fig.1 Whole structure of cavitation

1.成穴鏟柱焊合 2.螺栓 3.成穴鏟圖2 成穴鏟部裝Fig.2 The shovel of cavitation

1.2 成穴機(jī)構(gòu)成穴原理

為了實(shí)現(xiàn)移栽機(jī)作業(yè)時(shí)成穴機(jī)構(gòu)間歇運(yùn)動，成穴機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和平行四桿機(jī)構(gòu)結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式。移栽機(jī)作業(yè)時(shí)，通過地輪將動力經(jīng)鏈傳動傳遞至曲軸，曲軸帶動曲柄做回轉(zhuǎn)運(yùn)動，通過連桿帶動平行四桿機(jī)構(gòu)使固定在成穴鏟鏟柱上的成穴鏟實(shí)現(xiàn)上、下往復(fù)運(yùn)動。移栽機(jī)的前進(jìn)運(yùn)動與成穴鏟上下往復(fù)運(yùn)動的合成運(yùn)動成形缽苗穴坑。

2 成穴機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析

2.1 成穴機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)成穴機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的桿件參數(shù)，將成穴機(jī)構(gòu)簡化為平面曲柄搖桿平行四桿機(jī)構(gòu)，建立成穴機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示。

圖3 成穴機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)模型Fig.3 The Diagram of spade punch device movement

其中，O點(diǎn)為曲軸驅(qū)動位置轉(zhuǎn)動點(diǎn)，驅(qū)動整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)，OA為曲柄、AB為連桿與搖桿BE組成曲柄連桿機(jī)構(gòu)；ED為支架，BE、CD為平行桿與成穴鏟柱焊合構(gòu)成了平行四桿機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)控制成穴鏟在垂直地面方向的往復(fù)運(yùn)動，C點(diǎn)運(yùn)動規(guī)律與成穴鏟質(zhì)心F點(diǎn)的運(yùn)動規(guī)律一致。

2.2 成穴機(jī)構(gòu)運(yùn)動模型建立

圖3中：在O點(diǎn)建立平面坐標(biāo)系，取x軸水平向右為正方向，y軸垂直向下為正方向。令OA=l1，AB=l2，BE=l3，OE=l4，BC=l5，CF=l6，且θ1為連桿OA與x軸夾角，θ2為擺桿AB與x軸夾角，θ3為搖桿BE與x軸夾角θ4為OE與x軸夾角(θ變化為0～360°)，各桿角位移以順時(shí)針為正方向。

根據(jù)簡化結(jié)構(gòu)模型建立四桿機(jī)構(gòu)OABE及平行四桿機(jī)構(gòu)BCDE的封閉矢量方程[4]，即

(1)

(2)

將矢量方程轉(zhuǎn)化為解析式，得出各點(diǎn)位置方程：

A點(diǎn)位移方程為

(3)

B點(diǎn)位移方程為

(4)

C點(diǎn)位移方程為

(5)

成穴鏟質(zhì)心F點(diǎn)的位移方程為

(6)

設(shè)機(jī)具前進(jìn)速度為v,方向?yàn)閤軸負(fù)方向，則成穴鏟質(zhì)心F點(diǎn)隨時(shí)間t變化的軌跡方程為

(7)

對式(7)求一階導(dǎo)數(shù)得成穴鏟質(zhì)心F的速度，有

(8)

對方程組(7)求二階導(dǎo)數(shù)，得成穴鏟質(zhì)心F的加速度，有

(9)

其中，θ1=ωt、θ2=ωt+θ代入式(7)～式(9)，得到成穴鏟質(zhì)心F點(diǎn)的運(yùn)動軌跡、運(yùn)動速度及其加速度為

(10)

(11)

(12)

通過上述分析，獲得成穴鏟質(zhì)心F的位移、速度及加速度模型。由其軌跡方程(10)得：成穴鏟質(zhì)心F的軌跡的x方向的位移響應(yīng)曲線是振幅為l1和l2的兩個(gè)余弦曲線與斜率為V的一次函數(shù)的疊加；y方向的位移曲線是以(l5+l6)為基準(zhǔn)，振幅為l1和l2的兩個(gè)正弦曲線的疊加。由速度方程(11)得：成穴鏟質(zhì)心F的x方向速度響應(yīng)曲線是以前進(jìn)速度v為基準(zhǔn)，振幅為-l1ω和-l2ω的兩個(gè)正弦曲線的疊加；y方向的速度響應(yīng)曲線是振幅為l1ω和l2ω的兩個(gè)余弦曲線的疊加。由加速度方程(12)知：成穴鏟質(zhì)心F點(diǎn)的x方向的加速度響應(yīng)曲線是振幅為l1ω2和l2ω2的兩個(gè)余弦曲線的疊加；y方向的加速度響應(yīng)曲線是振幅為-l1ω2和-l2ω2的兩個(gè)正弦曲線的疊加。

3 基于ADAMS的運(yùn)動仿真與分析

Adams(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)是美國MDI公司開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件，可以自行創(chuàng)建機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，也可以將已有的三維模型，如solidworks、Pro/Engineer、UG等三維模型轉(zhuǎn)換格式導(dǎo)入，通過添加約束、載荷，創(chuàng)建機(jī)械副等實(shí)現(xiàn)模擬仿真，并進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度等曲線，可減少產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)周期及成本[7-9]。

3.1 幾何建模

利用SolidWorks對成穴機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模。轉(zhuǎn)化格式為Parasolid.x_t導(dǎo)入ADAMS軟件中，用布爾運(yùn)算將固定支架各零件約束為整體，成穴鏟柱各零件約束為整體，在ADAMS存在7個(gè)part,即導(dǎo)軌、固定支架、曲軸、連桿、兩平行搖桿、成穴鏟部裝。

3.2 添加約束

添加各桿件材料屬性為steel，創(chuàng)建曲軸與固定支架、連桿與曲軸、連桿與平行搖桿、搖桿與運(yùn)動架為轉(zhuǎn)動副；固定支架與導(dǎo)軌為移動副。在固定支架與滑動導(dǎo)軌的移動副上，添加驅(qū)動為勻速直線運(yùn)動；在曲柄的旋轉(zhuǎn)副上，添加一個(gè)勻速旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。根據(jù)實(shí)際移栽機(jī)作業(yè)速度，設(shè)置成穴機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度0.3m/s，由傳動比知，對應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)速為36r/min(144°/s)。添加約束和驅(qū)動后成穴機(jī)構(gòu)模型如圖4所示。

圖4 添加約束和驅(qū)動Fig.4 Adding constraints and drive

3.3 仿真結(jié)果分析

在ADAMS中對成穴機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真，得到成穴機(jī)構(gòu)仿真軌跡，如圖5所示。

圖5 成穴機(jī)構(gòu)運(yùn)動軌跡Fig.5 Movement path of hole mechanism

由圖5可知：成穴機(jī)構(gòu)的運(yùn)動軌跡是移栽機(jī)前進(jìn)運(yùn)動與成穴鏟垂直于壟面的往復(fù)合成運(yùn)動。由軌跡可知：成穴機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)基本滿足煙草缽苗移栽機(jī)的成穴幾何參數(shù)要求。由于在仿真軟件中模擬的軌跡為成穴機(jī)構(gòu)理論軌跡，實(shí)際作業(yè)中，還需要考慮土壤回流及成穴鏟尺寸形狀等因素。

3.3.1 成穴鏟位移分析

以橫坐標(biāo)為時(shí)間、縱坐標(biāo)為位移，仿真成穴周期為0～2.0s，得到成穴鏟位移曲線，如圖6所示。

由圖6可知：隨著成穴部件運(yùn)動，x方向的位移基本呈線性增加，y方向位移先減小后增大，然后再減小，類似正弦曲線；在0～0.5s內(nèi)，成穴鏟處于向下運(yùn)動伸入土壤成穴階段；在0.5～1.0s內(nèi)成穴鏟處于回程階段，此時(shí)成穴鏟從下始點(diǎn)向上始點(diǎn)運(yùn)動；在0.6～0.75s下始點(diǎn)附近，1.5～1.65s上始點(diǎn)附近，x方向位移基本保持不變，此時(shí)間段內(nèi)成穴鏟在曲軸的驅(qū)動下有與機(jī)具前進(jìn)方向相反的向后運(yùn)動，故位移略有抵消。成穴鏟y方向位移行程約為276mm，滿足成穴機(jī)構(gòu)的成穴要求。

(a) 成穴鏟x方向位移曲線

(b) 成穴鏟y方向位移曲線

(c) 成穴鏟合位移曲線圖6 成穴鏟位移曲線Fig.6 The displacement curve of hole mechanism

3.3.2 成穴鏟速度分析

成穴鏟尖點(diǎn)的運(yùn)動速度曲線如圖7所示。成穴鏟形成穴坑是靠機(jī)具前進(jìn)運(yùn)動與成穴鏟豎直方向的運(yùn)動合成共同作用所形成。由圖7(c)成穴鏟合速度可知：速度先增大后逐漸減小，直至0.6s時(shí)，速度達(dá)到最小值，此時(shí)為成穴鏟運(yùn)動的下始點(diǎn)位置；隨后成穴鏟向上運(yùn)動，回程速度先增大后緩慢減小，在1.5s時(shí)，到達(dá)成穴運(yùn)動上始點(diǎn)位置后，曲線上升，速度逐漸增大，完成一個(gè)成穴周期。

(a) 成穴鏟x方向速度曲線

(b) 成穴鏟y方向速度曲線

(c) 成穴鏟合速度曲線圖7 成穴鏟速度曲線Fig.7 Movement path of hole mechanism

3.3.3 成穴鏟加速度分析

成穴鏟的加速度曲線如圖8所示。由圖8(a)可知：在0.6s，即下始點(diǎn)位置時(shí)，y方向正向加速度最大，x方向負(fù)向加速度達(dá)到一個(gè)最小值；在1.5s時(shí)，x、y向負(fù)向加速度都達(dá)到另一個(gè)極點(diǎn)值。合加速度先緩慢減小后增大，當(dāng)成穴鏟運(yùn)動到下始點(diǎn)時(shí)，曲線迅速下降，加速度逐漸減??；在成穴鏟的回程過程中，成穴鏟運(yùn)動到上始點(diǎn)前，曲線加速上升，最高點(diǎn)為成穴鏟運(yùn)動極限位置，此時(shí)加速度最大，隨后曲線下降。

通過分析可知：成穴鏟質(zhì)心F點(diǎn)的位移、速度、加速度變化平穩(wěn)，響應(yīng)曲線無較大沖擊及劇烈波動現(xiàn)象，可以滿足成穴機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。由于成穴機(jī)構(gòu)運(yùn)動與各構(gòu)件的長度、曲軸轉(zhuǎn)速、前進(jìn)速度有關(guān)，所以對各曲線分析得到的參數(shù)規(guī)律可以成為成穴機(jī)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)依據(jù)[10]。

(a) 成穴鏟x、y方向加速度曲線

(b) 成穴鏟合加速度曲線圖8 成穴鏟加速度曲線Fig.8 The acceleration curve of hole mechanism

4 結(jié)論

1)對成穴機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡化，建立了各鉸接點(diǎn)的矢量方程及運(yùn)動學(xué)模型，并對其運(yùn)動軌跡進(jìn)行理論分析。

2)通過基于ADAMS的成穴機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，得到成穴鏟質(zhì)心的位移、速度及加速度等響應(yīng)曲線，滿足煙草缽苗移栽穴坑成穴的農(nóng)藝要求。

3)仿真分析真實(shí)地觀察了成穴鏟的運(yùn)動過程，通過改變成穴機(jī)構(gòu)的各桿件長度及位置，實(shí)現(xiàn)了成穴機(jī)構(gòu)運(yùn)動軌跡的優(yōu)化。運(yùn)動規(guī)律和運(yùn)動特性分析表明：其滿足成穴機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，可以成為成穴機(jī)構(gòu)軌跡優(yōu)化及改進(jìn)設(shè)計(jì)依據(jù)。

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Kinematic Analysis and Simulation of Cavitation Mechanism of Tobacco Seedling Transplanter

Dong Xin, Yang Bo, Xu Yunfei, Shao Fei, Na Mingjun

(Engineering College，Northeast Agricultural University，Harbin 150030，China)

Performance of cavitation mechanism of basket tobacco seedling transplanter directly affects the quality of tobacco seedling transplanting.By simplifying the cavitation mechanism and establishing the vector equation, exploring the mechanism of the interaction between the various members of the cavitation mechanism and movement law of the spade and obtaining displacement, velocity and acceleration model of the spade.Using ADAMS software built into3D motion simulation model of the cavitation mechanism and simulate.The change curves of displacement, velocity and acceleration in the vertical and horizontal direction of the spade are analyzed, and the rationality of the structure design of the hole forming mechanism is verified. It provides a theoretical basis for the further optimization and dynamic simulation analysis of the movement locus of the transplanting mechanism of tobacco pot seedling transplanting machine.

tobacco seedling transplanting; cavitation mechanism; kinematic analysis; simulation

2016-05-12

黑龍江省應(yīng)用技術(shù)與開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(GC13B604)

董 欣(1962-)，女，吉林德惠人，教授，碩士，(E-mail)Dongxin@neau.edu.cn。

S223.92

A

1003-188X(2017)03-0037-05