基于ADAMS馬鈴薯收獲機(jī)振動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)特性分析

果　霖，張?zhí)鞎?huì)，王　冉，張永華

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明　650201)

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基于ADAMS馬鈴薯收獲機(jī)振動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)特性分析

果霖，張?zhí)鞎?huì)，王冉，張永華

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，昆明650201)

摘要：馬鈴薯收獲機(jī)是馬鈴薯生產(chǎn)過(guò)程中一種非常重要的機(jī)械，但馬鈴薯收獲機(jī)振動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)規(guī)律復(fù)雜，經(jīng)常發(fā)生傷薯問題。為此，以某型號(hào)馬鈴薯收獲機(jī)多桿機(jī)構(gòu)的振動(dòng)篩為研究對(duì)象，利用Creo建立了振動(dòng)篩的參數(shù)化模型，并利用ADAMS對(duì)振動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了分析。通過(guò)分析得到振動(dòng)篩的振幅范圍5.5～31.8mm略微超出了最佳范圍10～30mm；速度范圍105.5～535.2mm/s符合小于600mm/s的最佳要求；加速度范圍0.7～18.7mm/s2，其最小值小于最佳取值范圍2.5～20mm/s2的下界。利用ADAMS可以準(zhǔn)確高效地得到振動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)特性，為振動(dòng)篩的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯收獲機(jī)；振動(dòng)篩；ADAMS；運(yùn)動(dòng)特性

0引言

馬鈴薯以其適應(yīng)性強(qiáng)、產(chǎn)值高、營(yíng)養(yǎng)豐富等特點(diǎn)，在我國(guó)得到了越來(lái)越廣泛的推廣和種植，在國(guó)內(nèi)的消費(fèi)量也以平均每年8%的速度增長(zhǎng)[1]。在馬鈴薯大量種植過(guò)程中，需要有多種相應(yīng)的機(jī)械進(jìn)行作業(yè)，馬鈴薯收獲機(jī)就是其中一種。我國(guó)馬鈴薯收獲機(jī)起步比較晚，雖然發(fā)展較快，但是還存在多種問題[2]。振動(dòng)篩是影響馬鈴薯收獲機(jī)收獲質(zhì)量最重要的機(jī)構(gòu)之一，馬鈴薯常常在振動(dòng)篩的速度大小、方向突變區(qū)及抖動(dòng)加速?gòu)?qiáng)烈區(qū)受傷[3]。

馬鈴薯震動(dòng)篩多采用四桿機(jī)構(gòu)或多桿機(jī)構(gòu)。多桿機(jī)構(gòu)可以提高馬鈴薯的分離質(zhì)量，但其運(yùn)動(dòng)特性的分析過(guò)程復(fù)雜，很大程度上增加了產(chǎn)品研發(fā)周期和成本，很難使產(chǎn)品達(dá)到最佳效果。

本文針對(duì)馬鈴薯在振動(dòng)篩抖動(dòng)運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中容易受傷的問題，以某型號(hào)馬鈴薯收獲機(jī)多桿機(jī)構(gòu)的振動(dòng)篩為對(duì)象，利用參數(shù)化建模軟件Creo建立振動(dòng)篩的三維模型，并利用ADAMS分析振動(dòng)篩的振幅、加速度等運(yùn)動(dòng)特性。

1振動(dòng)篩模型

本文研究的馬鈴薯振動(dòng)篩是由多個(gè)連接桿構(gòu)成的，是一個(gè)典型的多桿機(jī)構(gòu)，如圖1所示。其中，前掛桿的兩端分別與篩架和機(jī)架鉸接在一起，后掛桿的兩端分別與機(jī)架和上連桿鉸接在一起，上連桿的兩端分別與篩架和驅(qū)動(dòng)搖桿鉸接在一起，驅(qū)動(dòng)搖桿鉸接在機(jī)架的一端。振動(dòng)篩工作時(shí)，機(jī)架與馬鈴薯收獲機(jī)保持相對(duì)靜止，外部動(dòng)力帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)搖桿轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)篩架和篩條做周期運(yùn)動(dòng)。

1.前掛桿　2.機(jī)架　3.篩架　4.篩條　5.后掛桿

2ADAMS運(yùn)動(dòng)分析

2.1ADAMS運(yùn)動(dòng)方程

在ADAMS內(nèi)的每一個(gè)構(gòu)件都與其他的構(gòu)件通過(guò)運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行連接，這些運(yùn)動(dòng)就構(gòu)成了運(yùn)動(dòng)分析的代數(shù)方程。假設(shè)運(yùn)動(dòng)副構(gòu)成的約束方程的個(gè)數(shù)為nh，則用系統(tǒng)廣義坐標(biāo)矢量表示的運(yùn)動(dòng)學(xué)約束方程組為[4]

(1)

穩(wěn)定的機(jī)械系統(tǒng)的自由度為0，故施加自由度為0的約束，有

ΦD(q,t)=0

(2)

聯(lián)立式(1)和式(2)可得

(3)

對(duì)式(3)進(jìn)行求導(dǎo)，并令Φt(q,t)=-v ，即可得到速度方程為

(4)

(5)

其中，q為廣義坐標(biāo)系列陣；q、v為廣義速度陣列；Φ為描述完整約束的代數(shù)方程陣列。

2.2分析設(shè)置

根據(jù)馬鈴薯振動(dòng)篩的形狀及大小，利用Creo參數(shù)化建模軟件，建立振動(dòng)篩的參數(shù)化模型，將模型保存成*.x_t格式的文件[5]，并將模型導(dǎo)入到ADAMS中。

模型的所有構(gòu)件都是通過(guò)運(yùn)動(dòng)副連接起來(lái)的，且振動(dòng)篩的機(jī)架與馬鈴薯收獲機(jī)保持相對(duì)靜止，所以按照振動(dòng)篩的實(shí)際狀況，在所有構(gòu)件鉸接的位置施加轉(zhuǎn)動(dòng)副約束，并利用固定約束將機(jī)架與大地固定在一起[6]。整個(gè)振動(dòng)篩模型中含有13個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副約束和1個(gè)固定約束。本文只研究振動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)特性，所以不需要對(duì)振動(dòng)篩各個(gè)構(gòu)件的質(zhì)量及材料等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

馬鈴薯振動(dòng)篩的額定工作轉(zhuǎn)速為383r/min，在振動(dòng)篩的驅(qū)動(dòng)搖桿上施加一個(gè)大小為383r/min的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。

施加完相關(guān)運(yùn)動(dòng)副約束和轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)后的振動(dòng)篩模型如圖2所示。

為了分析振動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)特性，在振動(dòng)篩的篩架上建立4個(gè)標(biāo)記點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)，分別為A、B、C、D。其中，B點(diǎn)位于振動(dòng)篩的質(zhì)心位置，測(cè)量點(diǎn)的位置如圖1所示。

2.3求解設(shè)置

模型運(yùn)動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短和數(shù)據(jù)點(diǎn)的多少可以通過(guò)設(shè)置求解的時(shí)間和求解的步數(shù)來(lái)控制。振動(dòng)篩的轉(zhuǎn)速為267r/min，為了觀察兩個(gè)完成周期的運(yùn)動(dòng)特性，這里將求解時(shí)間設(shè)置為0.45s，并將求解步數(shù)設(shè)置為300。

3求解結(jié)果

經(jīng)過(guò)計(jì)算求解之后，進(jìn)入ADAMS后處理模塊，利用后處理模塊將ADAMS的計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為特性曲線的形式，用曲線表示馬鈴薯振動(dòng)篩各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性，根據(jù)處理得到4個(gè)測(cè)量點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性曲線。分析得到振動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)特性的相關(guān)數(shù)據(jù)，如表1所示。

圖2　振動(dòng)篩模型約束

振幅/mm速度/mm·s-1加速度/mm·s-2平均加速度/mm·s-2A點(diǎn)31.81.2～538.24944.9～20359.613793.8B點(diǎn)22.8105.5～535.2737.1～18698.19795.0C點(diǎn)5.5164.1～534.22896.0～19172.311739.6D點(diǎn)25.9176.2～572.92247.2～18486.99196.9

圖3是馬鈴薯振動(dòng)篩4個(gè)測(cè)量點(diǎn)位移曲線。由圖3可以看出：曲線A和曲線B的波峰和波谷出現(xiàn)的時(shí)間相同，曲線C和曲線D的波峰和波谷出現(xiàn)的時(shí)間相同，曲線A和曲線D的波峰和波谷出現(xiàn)的時(shí)間相差半個(gè)運(yùn)動(dòng)周期；振幅最大的點(diǎn)為A點(diǎn)，最大值為31.8mm，最小的振幅為5.5mm，振動(dòng)篩質(zhì)心B點(diǎn)振幅為22.7mm，理論研究和試驗(yàn)結(jié)果表明，尾部振動(dòng)篩最佳的振幅范圍為10～30mm[7]，A點(diǎn)和C點(diǎn)的振幅略偏離最佳振動(dòng)范圍。

圖4是篩面上各個(gè)測(cè)量點(diǎn)在x方向的位移曲線。由圖4可以看出：篩面從前到后各點(diǎn)在x方向的位移不斷增大，使得篩子后端的物體可以很好地被拋出機(jī)體。

圖4　曬面各點(diǎn)在x方向的位移曲線

圖5是馬鈴薯振動(dòng)篩4個(gè)測(cè)量點(diǎn)的速度曲線。從圖5可以看出：B點(diǎn)、C點(diǎn)、D點(diǎn)的速度曲線基本一致，質(zhì)心B點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度范圍為105.5～535.2mm/s；而在馬鈴薯塊莖不脫離振動(dòng)篩的的條件下，振動(dòng)篩質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)小于600mm/s[7]，符合最佳分離要求。

圖5　合成速度曲線

圖6是馬鈴薯振蕩篩質(zhì)心B點(diǎn)x、z方向的速度分量。

圖6　質(zhì)心B點(diǎn)x、z方向的速度分量曲線

由圖6可以看出：B點(diǎn)x方向的速度分量和z方向的速度分量的波峰和波谷沒有重合；B點(diǎn)x方向的速度分量的最大值小于510mm/s，不會(huì)發(fā)生傷薯問題[7]。

圖7是馬鈴薯振動(dòng)篩4個(gè)測(cè)量點(diǎn)的加速度曲線。由圖7可以看出：質(zhì)心位置B點(diǎn)的加速度范圍是0.7～18.7mm/s2，而在馬鈴薯塊莖不脫離振動(dòng)篩的條件下，振動(dòng)篩質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)加速度范圍是2.5～20mm/s2[7]，點(diǎn)B的最小加速度低于最佳范圍的下界。

圖7　合成加速度曲線

4結(jié)論

1)所分析的馬鈴薯振動(dòng)篩的振幅最大值為31.8mm，最小值5.5mm，振幅范圍偏出了理論最佳振幅范圍10～30mm，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化設(shè)計(jì)。

2)所分析的馬鈴薯振動(dòng)篩質(zhì)心的速度范圍是105.5～535.2mm/s，符合運(yùn)動(dòng)速度小于600mm/s的最佳值；所分析的馬鈴薯振動(dòng)篩質(zhì)心的加速度范圍是0.7～18.7mm/s2，其最小值小于最佳取值范圍2.5～20mm/s2的下界。

3)在對(duì)馬鈴薯振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)特性分析的過(guò)程中，應(yīng)用Creo建立了振動(dòng)篩的參數(shù)化模型，并利用ADAMS對(duì)振動(dòng)篩的振幅、速度等特性進(jìn)行分析，得到了振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)時(shí)的參數(shù)，為檢驗(yàn)振動(dòng)篩的工作性能提供了依據(jù)，也為振動(dòng)篩的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支持。

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Kinematics Analysis on Potato Harvester Vibration Sieve Based on ADAMS

Guo Lin, Zhang Tianhui, Wang Ran, Zhang Yonghua

(College of Mechanical and Electrical Engineering,Yunnan Agricultural University,Kunming 650201,China)

Abstract：Potato harvester is a kind of very important machinery in potato production，but the movement of the potato harvester’s vibration sieve is complex and vibration sieve offer damage potato. This article takes a type of potato harvester’s vibration sieve as the research object.The simplified 3D model of the vibration sieve was built by Creo,and analyzed the motion characteristics of vibrating sieve by ADAMS.The analysis results show that the amplitude range which is 5.5mm～31.8mm is bigger than the optimum range which is 10～30mm;the speed range which is 105.5～535.2mm/s is in accordance with the best standard which is samller than 600mm/s; the acceleration range is 0.7～18.7mm/s2,the smallest acceleration is out of the optimum range which is 2.5～20mm/s2. ADAMS can be used to accurately obtain the motion characteristics of vibrating screen, and provides the theoretical basis for the acceptance and optimization design of vibrating sieve.

Key words：potato harvester; vibration sieve; ADAMS; motion analysis

文章編號(hào)：1003-188X(2016)05-0024-04

中圖分類號(hào)：S225.7+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：果霖(1986-)，男，昆明人，講師,碩士，(E-mail)1265120@qq.com。通訊作者：張永華(1974-)，男，云南曲靖人，講師，碩士。

基金項(xiàng)目：云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2013FD021)；云南省教育廳基金項(xiàng)目(2014Y188)

收稿日期：2015-04-24