釀酒葡萄收獲機(jī)輸送裝置運(yùn)動(dòng)分析及仿真

袁盼盼，張學(xué)軍，坎雜，李成松，靳　偉，楊蘭濤

( 1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械交通學(xué)院，烏魯木齊　830052；2.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子　832000)

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釀酒葡萄收獲機(jī)輸送裝置運(yùn)動(dòng)分析及仿真

袁盼盼1，張學(xué)軍1，坎雜2，李成松2，靳偉1，楊蘭濤2

( 1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械交通學(xué)院，烏魯木齊830052；2.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子832000)

摘要：釀酒葡萄收獲機(jī)輸送裝置由導(dǎo)軌、集果系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)及輔助部件組成。對(duì)驅(qū)動(dòng)撥爪鏈的多邊形效應(yīng)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得出驅(qū)動(dòng)撥爪鏈速度及速度不均勻系數(shù)的關(guān)系表達(dá)式。利用ADAMS對(duì)裝置輸送鏈的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和受力進(jìn)行了仿真，獲得兩鏈輪的角速度、角加速度、轉(zhuǎn)矩及驅(qū)動(dòng)撥爪鏈條的速度、加速度的變化規(guī)律，且得知從動(dòng)鏈輪相對(duì)主動(dòng)鏈輪運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。

關(guān)鍵詞：收獲機(jī)；釀酒葡萄；輸送裝置；ADAMS；

0引言

葡萄可分為釀酒葡萄和鮮食葡萄[1]。新疆是我國(guó)最早引種和栽培葡萄的地區(qū)[2-3]，種植面積在不斷擴(kuò)大，但其收獲目前完全依靠人工，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、采收費(fèi)用高，機(jī)械化采收是釀酒葡萄產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[4-6]。由于國(guó)內(nèi)外釀酒葡萄種植模式與生長(zhǎng)特點(diǎn)存在一定差異，國(guó)外收獲機(jī)械并不適用于新疆釀酒葡萄的收獲[7-8]。輸送裝置是釀酒葡萄收獲機(jī)的主要組成部分，用于收集和輸送釀酒葡萄至料箱[9-10]。

本文對(duì)釀酒葡萄收獲機(jī)輸送裝置進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及仿真，研究驅(qū)動(dòng)撥爪鏈和輸送鏈輪間的相互作用，分析驅(qū)動(dòng)撥爪鏈的多邊形效應(yīng)，探索主要結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)系及其對(duì)驅(qū)動(dòng)撥爪鏈動(dòng)載荷等性能的影響，對(duì)提高釀酒葡萄收獲機(jī)輸送裝置的工作性能具有重要的意義。

1裝置總體結(jié)構(gòu)

釀酒葡萄收獲機(jī)輸送裝置由導(dǎo)軌、集果系統(tǒng)(戽斗、連接架)、傳動(dòng)系統(tǒng)(雙鉸接鏈條、驅(qū)動(dòng)部件)及輔助部件(擋板、出料口)等構(gòu)成，形成兩側(cè)對(duì)稱(chēng)的“回”形輸送結(jié)構(gòu)，如圖1所示。工作時(shí)，收獲機(jī)進(jìn)行單行作業(yè)，騎跨于某一葡萄行上，輸送裝置分布在葡萄藤的兩側(cè)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)部件驅(qū)動(dòng)鏈運(yùn)動(dòng)；戽斗在雙鉸接鏈的帶動(dòng)下以順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行輸送作業(yè)，直至將釀酒葡萄輸送至出料口。傳動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)部件與雙鉸接鏈組成，驅(qū)動(dòng)部件安裝于導(dǎo)軌兩側(cè)的傾斜段，用于驅(qū)動(dòng)雙鉸鏈運(yùn)動(dòng)。

1.導(dǎo)軌　2.戽斗　3.驅(qū)動(dòng)部件　4.頂部擋板　5.出料口

驅(qū)動(dòng)部件由驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、主動(dòng)鏈輪、從動(dòng)鏈輪、驅(qū)動(dòng)撥爪鏈條、雙排滾子鏈等構(gòu)成，如圖2所示。驅(qū)動(dòng)撥爪鏈條上設(shè)置多個(gè)具有固定距離的撥爪相續(xù)掛接，與雙鉸接輸送鏈配合運(yùn)動(dòng)。馬達(dá)輸出的動(dòng)力經(jīng)雙排滾子鏈傳動(dòng)傳遞給驅(qū)動(dòng)撥爪鏈條，由驅(qū)動(dòng)撥爪鏈條上的撥爪撥動(dòng)雙鉸接輸送鏈?zhǔn)蛊湓趯?dǎo)軌中向前移動(dòng)。

2傳動(dòng)系統(tǒng)分析

工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)撥爪鏈條與雙鉸接鏈配合運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)撥爪鏈帶動(dòng)長(zhǎng)度6m的雙鉸接鏈運(yùn)動(dòng)，因驅(qū)動(dòng)撥爪鏈做擾動(dòng)性傳動(dòng)，易出現(xiàn)在鏈條運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不穩(wěn)定和抖動(dòng)問(wèn)題，使得驅(qū)動(dòng)撥爪鏈和輸送鏈輪處于沖擊和脈動(dòng)負(fù)荷的作用環(huán)境中。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)撥爪鏈條的線(xiàn)速度呈現(xiàn)周期性變化[11-15]。輸送裝置結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)撥爪鏈速度分析如圖3所示，齒數(shù)與速度關(guān)系如圖4所示。設(shè)輸送鏈輪分度圓半徑為r，齒數(shù)為z，鏈輪角速度為ω，鏈條間的鉸接點(diǎn)在嚙入鏈輪上的相位角為β，根據(jù)圖3中的速度分解關(guān)系，可得驅(qū)動(dòng)撥爪鏈的線(xiàn)速度滿(mǎn)足如下公式，即

(1)

式中v —驅(qū)動(dòng)撥爪鏈線(xiàn)速度(m/s);

vx—驅(qū)動(dòng)撥爪鏈前進(jìn)方向的分速度(m/s);

vy—驅(qū)動(dòng)撥爪鏈垂直方向的分速度(m/s);

P—輸送鏈輪的節(jié)距(m)。

1.驅(qū)動(dòng)馬達(dá)　2.主動(dòng)鏈輪1　3.雙排滾子鏈

圖3　驅(qū)動(dòng)撥爪鏈速度關(guān)系

圖4　齒數(shù)與速度關(guān)系

由公式(1)及圖4可知：在節(jié)距P一定的條件下，驅(qū)動(dòng)撥爪鏈線(xiàn)速度隨著齒數(shù)的增加而增大。由于相位角β是變化的，即使主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速恒定，驅(qū)動(dòng)撥爪鏈的運(yùn)動(dòng)速度也是變化的；其前進(jìn)或垂直方向的線(xiàn)速度均為周期變化，且每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)鏈節(jié)，驅(qū)動(dòng)撥爪鏈條速度周期重復(fù)變化一次。在節(jié)距P一定的條件下，驅(qū)動(dòng)撥爪鏈的齒數(shù)越少，鏈條嚙合的相位角范圍越大，而驅(qū)動(dòng)撥爪鏈條的速度的變化范圍越小。由鏈傳動(dòng)的工作原理可知：驅(qū)動(dòng)撥爪鏈前進(jìn)方向分速度vx主要引起驅(qū)動(dòng)撥爪鏈中心距方向運(yùn)動(dòng)的忽快忽慢，影響驅(qū)動(dòng)撥爪鏈前進(jìn)方向的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和鏈條間的張緊程度；驅(qū)動(dòng)撥爪鏈垂直方向的分速度vy使得鏈條上下運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，對(duì)驅(qū)動(dòng)撥爪鏈的動(dòng)量和沖擊載荷影響較大。采用鏈條的瞬時(shí)速度的不均勻系數(shù)K，表示驅(qū)動(dòng)撥爪鏈條速度的變化程度及其瞬時(shí)速度的不均勻性，則

(2)

式中K—驅(qū)動(dòng)撥爪鏈條速度的不均勻系數(shù)；

vm—驅(qū)動(dòng)撥爪鏈條平均線(xiàn)速度(m/s)。

(3)

因此，驅(qū)動(dòng)撥爪鏈在前進(jìn)方向的速度不均勻系數(shù)滿(mǎn)足上述關(guān)系，根據(jù)公式(3)可作出不同齒數(shù)時(shí)的速度不均與系數(shù)變化曲線(xiàn)，如圖5所示。

圖5　速度不均勻系數(shù)曲線(xiàn)

由圖5可知：鏈輪的齒數(shù)越多，驅(qū)動(dòng)撥爪鏈條的速度不均勻系數(shù)越小，輸送裝置運(yùn)行越平穩(wěn)。由圖5可看出：當(dāng)鏈輪齒數(shù)大于10時(shí)，速度不均勻系數(shù)K小于0.05，在可控允許誤差范圍內(nèi)。由驅(qū)動(dòng)撥爪鏈的線(xiàn)速度與鏈輪齒數(shù)的關(guān)系圖可知：驅(qū)動(dòng)撥爪鏈速度隨著齒數(shù)的增加而增大，且垂直方向的最大分速度值隨著輸送鏈的齒數(shù)的增加而增大。為了減少驅(qū)動(dòng)撥爪鏈的動(dòng)量沖擊，鏈輪的齒數(shù)選擇10較為合適。

同理，驅(qū)動(dòng)撥爪鏈的加速度為

(4)

式中ax—驅(qū)動(dòng)撥爪鏈前進(jìn)方向的加速度(m/s2)；

ay—驅(qū)動(dòng)撥爪鏈垂直方向的加速度(m/s2)。

3傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真

3.1　建立模型設(shè)置參數(shù)

結(jié)合導(dǎo)入模型的實(shí)際情況，增設(shè)添加質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)副、接觸和載荷。設(shè)定導(dǎo)入的輸送鏈零部件材料為剛體，質(zhì)量屬性為鋼，在輸送鏈的前后輸送鏈輪質(zhì)心與兩轉(zhuǎn)軸之間分別添加固定副，并選擇兩個(gè)物體一個(gè)連接點(diǎn)，使兩根軸與輸送鏈輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)；在兩個(gè)鏈輪中心創(chuàng)建與轉(zhuǎn)軸之間的旋轉(zhuǎn)副。驅(qū)動(dòng)撥爪鏈條由鏈輪驅(qū)動(dòng)，在驅(qū)動(dòng)撥爪鏈條與兩個(gè)鏈輪之間添加接觸副，剛度系數(shù)100 000N/mm，阻尼系數(shù)10N·s/mm，穿透深度0.1mm，靜摩因數(shù)0.3，動(dòng)摩擦因數(shù)0.1；同時(shí)，驅(qū)動(dòng)撥爪鏈條之間也添加接觸副，靜摩擦因數(shù)0.12，動(dòng)摩擦因數(shù)0.1；在輸送鏈輪中心處施加一個(gè)速度型驅(qū)動(dòng)。仿真模型如圖6所示。

圖6　仿真模型

3.2　仿真分析

啟用重力，設(shè)置仿真時(shí)間為2.0s，仿真步長(zhǎng)為300步，選用I3求解器。利用ADAMS/Postprocessor后處理模塊獲取接觸力、速度、加速度、轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)。

由于輸送鏈傳動(dòng)具有多邊形效應(yīng)，驅(qū)動(dòng)撥爪鏈條與鏈輪剛剛接觸時(shí)受力較大，接觸部分會(huì)產(chǎn)生較大震蕩。驅(qū)動(dòng)撥爪鏈條的接觸力變化曲線(xiàn)如圖7所示。從圖7可看出：鏈條的傳動(dòng)周期約為1.5 s，在啟動(dòng)0.5s內(nèi)，鏈條與主動(dòng)鏈輪的接觸力波動(dòng)震蕩較大，并隨著鏈輪的轉(zhuǎn)動(dòng)趨于穩(wěn)定。在鏈條與鏈輪接觸傳動(dòng)的過(guò)程中，由于鏈輪的多邊形效應(yīng)，鏈條的接觸力波動(dòng)明顯，大約0.7s之后鏈條運(yùn)動(dòng)趨于平穩(wěn)，接觸力也達(dá)到穩(wěn)定。

圖7　驅(qū)動(dòng)撥爪鏈條的接觸力變化曲線(xiàn)

鏈條在傳動(dòng)過(guò)程中處于一張一弛的小幅抖動(dòng)狀態(tài)。由于鏈輪與鏈條間摩擦力的存在，兩個(gè)鏈輪存在一定的運(yùn)動(dòng)差異。測(cè)量得到主、從動(dòng)鏈輪的角速度、角加速度及轉(zhuǎn)矩圖，如圖8～圖10所示。

圖8　主、從動(dòng)鏈輪的角速度曲線(xiàn)

圖9　主、從動(dòng)鏈輪的角加速度曲線(xiàn)

圖10　主、從動(dòng)鏈輪的轉(zhuǎn)矩曲線(xiàn)

由于主動(dòng)輪為驅(qū)動(dòng)輪，則主動(dòng)輪角速度穩(wěn)定為180deg/s，角加速度約為0.7(°)/s2，主動(dòng)輪最大轉(zhuǎn)矩為812N·m，穩(wěn)定后平均轉(zhuǎn)矩為300N·m。從動(dòng)輪受到啟動(dòng)沖擊的影響，從動(dòng)輪角速度產(chǎn)生波動(dòng)，最后趨于穩(wěn)定，在主動(dòng)輪角速度180(°)/s上下小幅度波動(dòng)。從動(dòng)輪角速度在啟動(dòng)0.5s左右時(shí)波動(dòng)最大，因此從動(dòng)輪角加速度在該處約為1.25×106(°)/s2，隨后趨于穩(wěn)定，逐漸趨于0。從動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于主動(dòng)輪，因主動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩較大，從動(dòng)輪相對(duì)主動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，且與輸送鏈之間存在一定的打滑現(xiàn)象，緩解了輸送鏈的張緊邊載荷的差異，提高了輸送裝置的使用壽命。

設(shè)定X、Y、mag分別為仿真因素的水平分量、垂直分量和合量，任意輸送鏈片質(zhì)心速度和加速度曲線(xiàn)如圖11、圖12所示。

由圖11、圖12可看出：驅(qū)動(dòng)撥爪鏈條運(yùn)動(dòng)成周期性變化，在運(yùn)動(dòng)初期鏈條速度和加速度波動(dòng)較大；0.47s前鏈條速度、加速度劇烈波動(dòng)、不穩(wěn)定，此時(shí)，鏈片與輸送鏈主動(dòng)輪嚙合；0.53 s后鏈條運(yùn)動(dòng)趨于穩(wěn)定。輸送鏈條與輸送鏈主動(dòng)輪嚙合時(shí)存在多邊形效應(yīng)，運(yùn)動(dòng)基本符合正余弦曲線(xiàn)規(guī)律；輸送速度約為1m/s，符合輸送要求。

圖11　驅(qū)動(dòng)撥爪鏈條速度曲線(xiàn)

圖12　驅(qū)動(dòng)撥爪鏈條加速度曲線(xiàn)

4結(jié)論

1)分析了驅(qū)動(dòng)撥爪鏈運(yùn)動(dòng)多邊形效應(yīng)，獲得了輸送鏈的速度、加速度與輸送鏈輪參數(shù)之間的關(guān)系。鏈輪的齒數(shù)越多，驅(qū)動(dòng)撥爪鏈條的速度不均勻系數(shù)越小，輸送裝置運(yùn)行越平穩(wěn)，確定齒數(shù)為10。

2)分析了輸送鏈的運(yùn)動(dòng)過(guò)程及受力，分析兩鏈輪的角速度、角加速度、轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律。在啟動(dòng)0.5 s內(nèi)，鏈條與主動(dòng)鏈輪的接觸力、角速度波動(dòng)震蕩均較大，從動(dòng)鏈輪相對(duì)主動(dòng)鏈輪運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。

3) 分析了驅(qū)動(dòng)撥爪鏈條的速度、加速度，確定輸送速度約為1m/s。

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Movement Analysis and Simulation of Wine Grape Harvester Conveyer

Yuan Panpan1, Zhang Xuejun1, Kan Za2, Li Chengsong2, Jin Wei1, Yang Lantao2

Abstract：Wine grape harvester conveyer consist of guide rail, collect system, transmission system and accessories. The movement of drive dial claw chain polygon effect was analyzed, expression of drive dial claw chain velocity and velocity distribution uneven coefficient were derived.The movement process and stress of the conveying chains, change rules of angular speed, angular acceleration and torque of the two sprockets were achieved using ADAMS simulation software. And driven sprocket was smooth movement relative to drive sprocket.

Key words：harvester; wine grape; convey; ADAMS

中圖分類(lèi)號(hào)：S225.93

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)10-0051-05

作者簡(jiǎn)介：袁盼盼(1989-)，女，河南周口人，助教，碩士，(E-mail)ypp_xnd@163.com。通訊作者：張學(xué)軍(1966-)，男，四川渠縣人，教授，碩士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)zhxjau@sina.com。

基金項(xiàng)目：新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)工業(yè)科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(2013BA009)

收稿日期：2015-10-29