基于ADAMS的撬翻式茶園深耕機的運動分析

李坤，肖宏儒，宋志禹，梅松，丁文芹，韓余（農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，江蘇 南京 210014）

基于ADAMS的撬翻式茶園深耕機的運動分析

李坤，肖宏儒*，宋志禹，梅松，丁文芹，韓余
（農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，江蘇 南京 210014）

對撬翻式茶園深耕機進行了運動分析，基于 ADAMS建立了撬翻式茶園深耕機的虛擬樣機模型，并對速度、垂直位移等運動學特性進行了仿真研究。分析結(jié)果表明，仿真運行結(jié)果與理論分析一致，可以滿足耕作深度的要求。該研究思路對茶園深耕機構(gòu)的優(yōu)化設計具有一定的參考價值，為設計提供了有效的依據(jù)，有較強的實用性。

茶園深耕機；ADAMS；虛擬模型；運動學仿真分析

成齡的叢栽茶園深耕要到達25 cm或者以上［1］，因而只有耕作深度滿足此要求的機器才可以順利進行成齡叢栽茶園的深耕作業(yè)。如果采用傳統(tǒng)的設計方法進行研究機器的耕作深度，需要制造多個物理樣機，進行反復試驗，成本高、周期長、效率低，還需要消耗大量的人力。因此，本文以機械系統(tǒng)動力學自動分析軟件ADAMS為平臺，建立撬翻式式茶園深耕機仿真模型并進行運動學仿真分析，為茶園深耕機的優(yōu)化設計提供了新思路。

1 茶園深耕機的結(jié)構(gòu)及工作原理

本文研究的茶園深耕機是由農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所研制的撬翻式茶園深耕機（結(jié)構(gòu)圖如圖1所示）。撬翻式茶園深耕機的曲柄、搖桿、連桿、機架組成三組曲柄搖桿機構(gòu)，連桿的一端固定有朝下方延伸的鋤齒。深耕作業(yè)時，牽引機具通過的齒輪變速箱帶動機曲柄搖桿機構(gòu)完成類似人工掘地的動作。工作時，鋤齒與地面成一定角度入土，然后深入土中，切開土壤，至最深位置時向后撬起土垡，并向后上方拋擲。三組工作鋤齒，相互成120°角交替完成入土、撬土、出土交替動作。

2 茶園深耕機運動模型的建立

撬翻式茶園深耕機的運動簡圖如圖2所示。

圖1 茶園深耕機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of deep-plowing machine for tea plantations

圖2 茶園深耕機的運動簡圖Fig. 2 Kinematic diagram of deep-plowing machine for tea plantations

以搖桿的旋轉(zhuǎn)中心 O為原點建立直角坐標系xoy，x軸正向和茶園深耕機前進方向相反，y軸正向垂直向上。設搖桿OC長度為l1，機架OA長度為l2，曲柄AB長度為l3，上鋤臂BC長度為l4，下鋤臂CD長度為l5，撬翻式茶園深耕機的前進速度為v，曲柄的旋轉(zhuǎn)角速度為ω，曲柄與x軸正向所成的角度為β，連桿與x軸負向所成的角度為γ，經(jīng)推導后撬翻式茶園深耕機的鋤齒端點 D的運動方程為（1）；

假設曲柄的旋轉(zhuǎn)中心A距離地面的距離為H，則由式（1）可知鋤齒的耕作深度為（2）；

由于角度γ是隨著時間t和曲柄角速度ω變化的，并且它們之間的關(guān)系比較復雜，所以本文對其進行簡化處理。假設角度γ與時間t、角速度ω的關(guān)系為γ=f（t，ω），對式（1）進行時間的一階求導，得到鋤齒端點的速度方程（3）；

經(jīng)測量撬翻式茶園深耕機樣機的各桿件、角度參數(shù)分別為l1=290 mm，l2=400 mm，l3=130 mm。l4=350 mm，l5=320 mm，α=38°。將上述參數(shù)帶入式（2）中得，耕作深度為（4）。

由于上式含有未知變量γ，且該變量的精確變化范圍不能確定，因而Isight優(yōu)化求解、Excel規(guī)劃求解等方法不能確定最大耕作深度，只有經(jīng)過樣機試驗才能得到該機具的最大耕作深度。若茶園深耕機在此參數(shù)條件下未能滿足最大耕深25cm的要求，說明桿件參數(shù)設計不合理，導致材料、人工等成本的嚴重浪費。為此在運動模型的基礎(chǔ)上進行仿真分析，設計出滿足茶園深耕要求的撬翻式茶園深耕機。

3 茶園深耕機的運動仿真分析

機械系統(tǒng)動力學自動分析軟件 ADAMS （ Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）是美國MDI公司（Mechanical Dynamics Inc.）開發(fā)的虛擬樣機分析軟件。用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析，能夠幫助工程師更好地理解系統(tǒng)的運動、解釋其子系統(tǒng)或整個系統(tǒng)即產(chǎn)品的設計特性，比較多個設計方案之間的工作性能，預測精確的載荷變化過程，計算其運動路徑，以及速度和加速度分布圖等。

3.1 幾何建模

雖然機械系統(tǒng)動力學自動分析軟件ADAMS并不是一款專業(yè)用于三維繪圖的軟件，它只具備簡單的三維建模功能，但是對于一些結(jié)構(gòu)比較復雜的機械，在不影響其研究結(jié)果的情況下，可以利用ADAMS進行簡單的建模分析。從上文所述中可以看出，撬翻式茶園深耕機的工作原理是三組曲柄搖桿機構(gòu)，在ADAMS環(huán)境中按機具的各桿件尺寸進行簡化建模。由于本文只研究其運動的變化規(guī)律，因而簡化機構(gòu)沒有質(zhì)量，單位、柵格、重力等仿真環(huán)境設置都為軟件自帶的默認參數(shù)。

按前文所述的桿件參數(shù)建立簡化機構(gòu)［2-4］，其端點的運動情況反映了深耕機鋤齒的運動。建模后對其進行約束添加，本簡化模型主要用到旋轉(zhuǎn)副（Joint：Revolute）、固定副（Joint：Fixed）、移動副（Joint：Translational）等約束。其中鋤齒上臂和鋤齒下臂的固結(jié)采用固定副，零件間的鉸接采用旋轉(zhuǎn)副，機架與大地（Grand）采用移動副。對曲柄添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動（Rotational Joint Motion），設置曲柄的轉(zhuǎn)速；對機架添加移動驅(qū)動（Translational Joint Motion）設置機架的前進速度。添加約束和驅(qū)動后，軟件仿真的工作界面如圖3所示。

圖3 ADAMS仿真工作界面圖Fig.3 Simulation interface of ADAMS

3.2 仿真結(jié)果分析

設置仿真終止時間（End Time）為10，仿真工作步長（Step Size）為0.01，系統(tǒng)進行運動學仿真，可得鋤齒端點的運動變化規(guī)律曲線圖。

圖4為鋤齒端點在垂直方向上的運動軌跡圖。從圖中可以看到，在前進速度、轉(zhuǎn)速一定的條件下，鋤齒端點在 y軸上的分位移的最小值為：Min=-248.7089 mm。最小值為負值說明是鋤齒端點在仿真系統(tǒng)中MARKERˉ22點建立的坐標系y軸方向與入土方向相反。由圖中的最小值可以看出，鋤齒入土的最大垂直距離為248.7089 mm，即最大耕深為24.87089 cm（約為25 cm）。

圖5為鋤齒端點在垂直方向上速度和位移的仿真結(jié)果。從圖中可以得到，當鋤齒端點運動到最大的耕作深度位置時，鋤齒端點的y軸分速度恰好為0，并且兩者的波形都與正余弦的波形相似。這說明當鋤齒耕作深度達到25 cm時，此時鋤齒只有水平的前進速度，而無垂直方向上的速度，這致使鋤齒一邊隨機具前進，一邊向后拋土，但鋤齒不再繼續(xù)向更大深度挖掘。

圖4 耕作深度的仿真結(jié)果Fig.4 Simulation tillage depth

圖5 鋤齒的位移和速度Fig.5 Displacement and velo of tine

4 試驗驗證

2014年10月30日，于江蘇省鹽城市鹽海拖拉機制造有限公司的試驗田進行撬翻式茶園深耕機試驗。由于不同土壤的堅實度和含水率對撬翻式茶園深耕機產(chǎn)生的反作用力不同，進而在本中就會對耕作深度的產(chǎn)生影響。當堅實度和含水率較低時，土壤對茶園深耕機的反作用力較小，土壤易于耕作，耕作深度會較大；反之，當堅實度和含水率較大時，土壤對茶園深耕機的反作用力較大，耕作深度會隨之減小。因而試驗開始之前，先對試驗田地進行堅實度與含水率的測量，只有滿足實際茶園土壤物理參數(shù)的田地才可以進行耕深試驗。在測試區(qū)的內(nèi)對角線上取5點，每點按0～10、10～20、20～30 cm分層進行測定，并分別算出分層和全層平均值。其中全層平均值作為土壤的物理參數(shù)。

土槽土壤堅實度是用杭州邁煌科技有限公司生產(chǎn)的MH-JSD型土壤緊實度速測儀進行測量。五個測試點的土壤全層平均堅實度如表1所示。

用烘干法測量土壤的含水率，其測點與土壤堅實度的測點相對應。每層取不少于30 g的土樣（去掉石塊和植物殘體等雜質(zhì)），裝入鋁盒后稱重，放在105℃恒溫烘箱中烘烤約6小時，一直到質(zhì)量不變?yōu)橹埂Ｈ缓笕〕龇湃敫稍锲髦欣鋮s到常溫稱重，并分別計算出分層和全層的平均土壤含水率，以全層的平均土壤含水率作為該點的含水率［5］。五個測試點的土壤全層平均含水率如表2所示。

由以上數(shù)據(jù)可知，試驗田地的堅實度為0.464MPa，含水率為 25.12%，該試驗田地與茶園土壤的堅實度和含水率差別不大，是一塊理想的試驗用地并符合試驗方法的規(guī)定和要求。因而可以進行撬翻式茶園深耕機的耕深試驗。撬翻式茶園深耕機掛接在鹽城市鹽海拖拉機制造有限公司生產(chǎn)的2FX-500L型履帶式拖拉機上，機器勻速前進時，用耕深尺沿機組的前進方向每隔2 m測量一點的最大耕作深度。測量時分為快、慢檔2個工況，每個工況測2個行程，每個行程各測5點，5點的平均值作為該行程下的平均最大耕作深度。測量結(jié)果如表3所示。

由上表可以看出，撬翻式茶園深耕機在不同工況下的最大耕作深度都能達到27 cm左右，比前文的仿真結(jié)果略高，誤差在8.4%左右，這是由于試驗地不平和土壤的粘結(jié)性所導致的。仿真結(jié)果和試驗結(jié)果驗證了在此桿件參數(shù)條件下，撬翻式茶園深耕機滿足茶園深耕25 cm的要求，可以進行茶園深耕機的實際生產(chǎn)作業(yè)。

表1 五個測試點的堅實度Table 1 Solid of the five test points

表2 五個測試點的含水率Table 2 Moisture contents in soil at 5 testing sites

表3 測試點的耕作深度Table 3 Tillage depths at 5 testing sites

5 結(jié)論

在常規(guī)的機械設計中，往往需要人為地不斷修改設計參數(shù)以達到設計要求，這需要大量的重復工作。本文利用ADAMS軟件對撬翻式茶園深耕機進行建模與運動仿真，并將仿真結(jié)果與試驗相比較，結(jié)果表明，該條件下的桿件參數(shù)滿足茶園深耕要求。將虛擬樣機技術(shù)應用到撬翻式茶園深耕機的設計過程中，能夠仿真分析各種參數(shù)對機器工作性能的影響，仿真結(jié)果為進一步進行撬翻式茶園深耕機的優(yōu)化設計奠定了基礎(chǔ)。

［1］ 王葉紅.茶園土壤耕作技術(shù)［J］.安徽林業(yè)，2006，（5）：37-38.

［2］ 鄭建榮.ADAMS虛擬樣機技術(shù)入門與提高［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［3］ 李增剛.ADAMS入門詳解與實例［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008.

［4］ 王成，王效岳.虛擬樣機技術(shù)及ADAMS［J］.機械工程與自動化，2004，（12）：66-68.

［5］ 國家機械工業(yè)局.JB/T 9803.2-1999.中華人民共和國機械行業(yè)標準：耕整機試驗方法［S］.北京：中國標準出版社，2000.

ADAMS Modeling and Kinematic Analysis on Deep-plowing Machine for Tea Plantations

LI Kun，XIAO Hong-ru*，SONG Zhi-yu，MEI Song，DING Wen-qin，HAN Yu
（Nanjing Research Institute of Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture，Nanjing，Jiangsu 210014，China）

Applying the software， ADAMS， a virtual prototype model for a deep-plowing machine was constructed. A kinematic simulation analysis using the model to evaluate the operational characteristics including velocity and vertical displacement for tea plantations was conducted. The results suggested that the tested machine would satisfy the requirements for the purpose of deep tillage on a tea plantation. Furthermore， the information obtained could also be valuable for the design of an improved deep-plowing machine.

deep-plowing machine； tea plantation； ADAMS； virtual model； kinematic simulation analysis

S233.1

A

2014-12-30 初稿；2015-03-05 修改稿

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)茶葉產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARSˉ23）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201303012）；中國農(nóng)業(yè)科學院創(chuàng)新工程——果蔬茶類收獲機械創(chuàng)新團隊。

李坤（1989-），男，碩士研究生，研究方向為農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)。E-mail:ddlikun19891119@163.com

肖宏儒（1957-），研究員，研究方向為農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)。E-mail:xrh2712@sina.com