張 莉，郭巧惠，徐 嘉

( 1.武漢晴川學(xué)院，武漢 430064；2.福建農(nóng)林大學(xué) 金山學(xué)院，福州 350001)

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基于ADAMS的花生收獲機(jī)清選裝置設(shè)計(jì)與仿真研究

張 莉1，郭巧惠2，徐 嘉1

( 1.武漢晴川學(xué)院，武漢 430064；2.福建農(nóng)林大學(xué) 金山學(xué)院，福州 350001)

花生清選分離是花生收獲機(jī)作業(yè)過程中最重要的項(xiàng)目之一，是收獲機(jī)的核心部件，其性能的好壞直接關(guān)系到收獲機(jī)的作業(yè)質(zhì)量，其主要的指標(biāo)是含雜率與損失破碎率。為了提高花生清選分離裝置的設(shè)計(jì)效率、縮短設(shè)計(jì)周期，提出了一種基于ADAMS的花生收獲機(jī)清選裝置虛擬設(shè)計(jì)和仿真方法，并對(duì)核心部件做了重點(diǎn)設(shè)計(jì)，包括輪軸和星型輪。利用非自由質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)系和廣義坐標(biāo)系，結(jié)合拉格朗日方程的位置和速度約束，建立了清選裝置的機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)微分方程。使用ADAMS軟件對(duì)不同轉(zhuǎn)速條件下的輪軸工作效果進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，得到了3種不同速度下的Y軸速度曲線，通過比較曲線的震動(dòng)效果，選擇合適的輪軸轉(zhuǎn)速，對(duì)花生收獲機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的借鑒意義。

花生收獲機(jī)；清選裝置；虛擬仿真；ADAMS軟件；星型輪

0 引言

花生是我國(guó)重要的農(nóng)作物，但長(zhǎng)期以來都是使用人力對(duì)花生進(jìn)行收獲，并將果實(shí)進(jìn)行人工采摘，耗費(fèi)了大量人力，并且效率低。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化水平的提高，花生自動(dòng)收獲也逐漸成為可能；但花生自動(dòng)收獲機(jī)還處于初始研究階段，技術(shù)還不成熟，尤其是我國(guó)對(duì)于花生收獲裝置的研究還沒有取得顯著性的進(jìn)展，其技術(shù)瓶頸是花生的清選分離裝置?；ㄉ暹x裝置的分類主要包括風(fēng)選、篩選及比重選等形式，由于花生和其他谷物類的形狀不同，決定了花生清選分離裝置需要不同的特征形狀。本研究主要采用ADAMS軟件對(duì)花生清選裝置進(jìn)行虛擬仿真，可以有效地提高裝置的設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期，從而實(shí)現(xiàn)清選裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

花生的清選分離裝置是將花生果實(shí)以外的莖稈和枝葉等進(jìn)行分離，是花生收獲的一個(gè)非常重要的作業(yè)步驟，是花生收獲機(jī)的核心部件，對(duì)花生收獲機(jī)的工作質(zhì)量起到?jīng)Q定性的作用?；ㄉ蛛x裝置主要利用星型輪的作用對(duì)花生收獲機(jī)的混合物進(jìn)行分離，星型輪的運(yùn)動(dòng)方式為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在花生采摘混合物前進(jìn)過程中，在星型輪的作用下，花生和混合物分離，并從星型輪的間隙漏下，而莖稈和枝葉沿著星型輪的方向排出，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

1.星型輪 2.輪軸圖1 星型輪軸結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 The structure schematic diagram of star wheel axle

星型輪的結(jié)構(gòu)為圓弧結(jié)構(gòu)，可以降低齒輪對(duì)花生的作用力，避免造成果實(shí)傷害。在輪軸方向并行地分布了很多星型輪，將混合物的莖稈和枝葉分離出來，達(dá)到一級(jí)清選的目的。星型輪和輪軸是清選裝置的關(guān)鍵部件，可以根據(jù)花生分離混合物的特征，從星型輪的旋轉(zhuǎn)速度、幾何尺寸、幾何形狀及排列方式等方面進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，并建立關(guān)鍵部件的虛擬樣機(jī)模型，其流程如圖2所示。首先通過Pro/E軟件建立裝置的虛擬樣機(jī)實(shí)體模型，然后在ADAMS軟件中建立ADAMS和Pro/E的接口MECHANISM/Pro；將建立好的實(shí)體模型轉(zhuǎn)到ADAMS/Vie模塊中，在ADMSA軟件中對(duì)虛擬樣機(jī)模型施加邊界條件約束，并重點(diǎn)對(duì)星型輪和輪軸的動(dòng)力特性進(jìn)行驗(yàn)證，使其工作流程和實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合，輸出滿意的計(jì)算結(jié)果，從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

圖2 虛擬樣機(jī)模型建立的流程Fig.2 The process of virtual prototype model

2 基于ADAMS的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程

花生收獲機(jī)清選裝置虛擬樣機(jī)模型的機(jī)械系統(tǒng)可以使用非自由質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)系來表示，然后使用廣義坐標(biāo)系表示動(dòng)力學(xué)方程，從而可以得到拉格朗日方程，在方程上進(jìn)行位置和速度約束，便可以建立清選裝置的機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)微分方程。對(duì)于ADAMS軟件，可以用剛體j的直角坐標(biāo)和歐拉角作為廣義坐標(biāo)，則廣義坐標(biāo)可以表示為pj=[x,y,z,ψ,φ,φ]jT，則對(duì)于n個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，則有p=[p1,p2,...,pn]T，則清選裝置機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程可以表示為

(1)

其中，D表示整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)能；Q表示廣義力矩陣；p表示廣義坐標(biāo)的列陣；ρ表示完整拉格朗日乘子列陣；μ表示非完成約束的拉格朗日乘子列陣；φ(p,t)=0表示完整約束方程，ф(q,q,t)=0表示非完整約束方程。令μ-p=0，將式(1)降階為一階代數(shù)微分方程，其表達(dá)式為

(2)

(3)

ADAMS對(duì)于微分方程的求解默認(rèn)使用的是GSTIFF積分器，該積分器采用Gear積分和泰勒級(jí)數(shù)，在t時(shí)刻對(duì)tn+1時(shí)刻的狀態(tài)向量y和yn+1進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以通過六階插值多項(xiàng)式推導(dǎo)得到，則有

(4)

(5)

(6)

迭代校正的公式為

(7)

其中

Δpk=pk+1-pk;Δuk=uk+1-uk;Δλk=λk+1-λk

(8)

由式(5)可得

(9)

由式(6)可得

?G/?p=(1/hβo)I ?G/?u=I

(10)

將式(9)與式(10)代入到式(7)可得

(11)

3 花生收獲機(jī)清選裝置虛擬設(shè)計(jì)和仿真

為了實(shí)現(xiàn)花生收獲機(jī)清選裝置的優(yōu)化，本研究采用ADAMS軟件作為虛擬仿真計(jì)算工具，并采用Pro/E軟件建立清選裝置的模型。建立好的模型保存為Parasolid(*x-t)格式，并保存在一定的文件目錄下；然后在ADAMS/View模塊中，選擇Import a file，從保存的目錄文件下選擇建立的裝置模型，點(diǎn)擊ok便可以導(dǎo)入模型，其界面如圖3所示。

圖3 ADAMS導(dǎo)入Pro/E模型的過程Fig.3 The process of introducing Pro/E model into ADAMS

導(dǎo)入模型后需要對(duì)模型的材質(zhì)進(jìn)行設(shè)置：輪軸采用鋼結(jié)構(gòu)材料，選擇steel材質(zhì)；星型輪采用PVC材料，由于軟件中缺少這種材料，所以可以選擇Geometry and Density，將其密度設(shè)置為1600.0(kg/meter**3)，如圖4所示。

圖4 星形輪和輪軸材質(zhì)設(shè)置Fig.4 The material setting of the star wheel and axle

修改旋轉(zhuǎn)副的速度時(shí)，可以點(diǎn)擊Modify，從而得到Motion設(shè)置欄，在Function(time)一欄中可以改變轉(zhuǎn)速，將轉(zhuǎn)速改為100r/min和300r/min，通過計(jì)算可以得到不同轉(zhuǎn)速條件下Y向的速度隨時(shí)間變化曲線。

圖5表示轉(zhuǎn)速為200r/min時(shí)Y軸向速度隨時(shí)間變化曲線。為了完成清選工作，輪軸在運(yùn)動(dòng)時(shí)需要上下振動(dòng)，相當(dāng)于日常的篩子，通過震動(dòng)可以將花生更加容易地震落。理論上震動(dòng)的幅度越大越好，但過大也可能造成花生果實(shí)的損傷。由圖5可以看出：當(dāng)轉(zhuǎn)速為200r/min時(shí)，Y軸方向有明顯的震動(dòng)幅度，但是震動(dòng)的幅度較小。

圖5 轉(zhuǎn)速200r/min時(shí)Y軸向速度Fig.5 Y-axial velocity at the speed of 200r/min

圖6表示轉(zhuǎn)速為100r/min時(shí)Y軸向速度隨時(shí)間變化曲線。由圖6可以看出：當(dāng)轉(zhuǎn)速為100r/min時(shí)，Y軸方向有明顯的震動(dòng)幅度，但是通轉(zhuǎn)速為200r/min相比，震動(dòng)幅度更小。

圖6 轉(zhuǎn)速100r/min時(shí)Y軸向速度Fig.6 Y-axial velocity at the speed of 100r/min

如圖7所示，轉(zhuǎn)速為300r/min時(shí)輪軸的振動(dòng)相比之前轉(zhuǎn)速為100r/min和200r/min時(shí)震動(dòng)的要?jiǎng)×?；但在振?dòng)劇烈后輪軸Y向速度幅度雖然有所提高，但震動(dòng)不太穩(wěn)定，整個(gè)過程的振幅不能保持一致，振動(dòng)密度不均衡。相比而言，還是選擇轉(zhuǎn)速為200r/min而言效果要好一些。

圖7 轉(zhuǎn)速300r/min時(shí)Y軸向速度Fig.7 Y-axial velocity at the speed of 300r/min

4 結(jié)論和討論

由于花生和其他谷物類的形狀不同，決定了清選分離裝置需要不同的特征尺寸，本研究提出了一種基于ADAMS軟件的虛擬優(yōu)化仿真方法，以提高花生清選分離裝置的設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期。利用該方法對(duì)清選裝置的核心部件進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計(jì)，包括輪軸和星型輪。利用非自由質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)系和廣義坐標(biāo)系，結(jié)合拉格朗日方程建立了清選裝置的機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)微分方程。使用ADAMS軟件對(duì)不同轉(zhuǎn)速條件下的輪軸工作效果進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，得到了3種不同速度下的輪軸的震動(dòng)效果，為清選裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)參考。由于計(jì)算條件和篇幅的限制，本研究還未對(duì)更多的轉(zhuǎn)速條件及其他軸的速度展開研究，在今后的研究中還需要展開更多的虛擬仿真計(jì)算，通過結(jié)果對(duì)比，真正意義上實(shí)現(xiàn)清選裝置的全面優(yōu)化。

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Design and Simulation of Cleaning Device in Peanut Harvester Based on ADAMS

Zhang Li1, Guo Qiaohui2, Xu Jia1

(1.Wuhan Qingchuan University,Wuhan 430064，China;2 Jinshan college of Fujian Agriculture And Forestry University, Fuzhou 350001,China)

As the most important one of the items, peanut cleaning and separation is peanut harvester operation process that the core part of the harvester,whose performance is directly related to the work quality of the harvester. And its main target is the impurity rate and loss of broken rate. In order to improve peanut cleaning device for separating the design efficiency and shorten the design cycle, it presents a peanut harvester based on ADAMS cleaning apparatus virtual design and simulation methods, and focus on the design of key parts, including wheel and the star wheel. By using the non free particle coordinate system and the generalized coordinate system, the differential equation of the mechanical system of the cleaning device is established based on the position and velocity constraints of Lagrange equation.By using ADAMS software under the condition of different speed of shaft work effect were dynamics simulation, it describes three different speeds of Y axis velocity curve.By comparing the curve of the vibration effect, it selected the appropriate shaft speed. And the peanut harvesting machine optimal design has important significance.

peanut harvester; cleaning device; virtual simulation; ADAMS

2016-01-26

湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014CFB322)

張 莉(1978-)，女，武漢人，講師，碩士。

郭巧惠(1981-)，女，福建霞浦人，講師，碩士，(E-mail)gqh0591@163.com。

S225.7+3

A

1003-188X(2017)03-0053-05