基于ADAMS的擺環(huán)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析

周偉權(quán) 史增錄 張絹 趙守瑞 白圣賀

摘要：擺環(huán)機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)往復(fù)式切割器運(yùn)動(dòng)的一種典型傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。運(yùn)用Solidworks軟件對(duì)擺環(huán)機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模設(shè)計(jì)，介紹其結(jié)構(gòu)及工作原理。通過(guò)ADAMS軟件對(duì)擺環(huán)機(jī)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真，研究其傳動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，獲得割刀在往復(fù)運(yùn)動(dòng)方向上的位移、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)曲線，為農(nóng)、牧業(yè)收獲機(jī)械中擺環(huán)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：擺環(huán)機(jī)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)仿真；造型設(shè)計(jì)；ADAMS

中圖分類號(hào)：S220.39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2016）07-0019-03

聯(lián)合收獲機(jī)械的切割裝置分為往復(fù)式和圓盤式兩種。其中，往復(fù)式切割器的驅(qū)動(dòng)部件有曲柄連桿機(jī)構(gòu)、擺環(huán)機(jī)構(gòu)、行星齒輪機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙飛輪機(jī)構(gòu)等。這些傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的共同特點(diǎn)是把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成割刀的平面往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。擺環(huán)機(jī)構(gòu)作為一種運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換部件，起著與曲柄連桿機(jī)構(gòu)相同的作用，即將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為往復(fù)運(yùn)動(dòng)。且有較曲柄連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定、噪聲小的優(yōu)點(diǎn)，故被廣泛應(yīng)用于需進(jìn)行運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換的機(jī)具。

利用Solidworks進(jìn)行擺環(huán)機(jī)構(gòu)建模，并運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)擺環(huán)機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，得出擺環(huán)機(jī)構(gòu)的相關(guān)數(shù)據(jù)，旨在為擺環(huán)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和研究提供依據(jù)。

1 擺環(huán)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與工作原理

利用Solidworks完成擺環(huán)機(jī)構(gòu)的虛擬裝配，其機(jī)構(gòu)如圖1所示，主要由主軸，擺環(huán)，擺軸，擺桿和導(dǎo)桿等零件組成。

為更直觀地表達(dá)擺環(huán)機(jī)構(gòu)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，其模型爆炸視圖如圖2所示。擺環(huán)機(jī)構(gòu)是一種由裝在主軸上的擺環(huán)通過(guò)擺軸把回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。軸套套在主軸上，主軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)軸套轉(zhuǎn)動(dòng)，軸套與軸承內(nèi)圈相連，軸承外圈帶動(dòng)擺環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，擺環(huán)擺動(dòng)時(shí)通過(guò)擺軸擺桿帶動(dòng)導(dǎo)桿，從而驅(qū)動(dòng)割刀進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

2 擺環(huán)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性

割刀的運(yùn)動(dòng)特性對(duì)切割器性能有直接影響。往復(fù)式切割器工作時(shí)，動(dòng)刀片在擺環(huán)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下做橫向往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。圖3是擺環(huán)運(yùn)動(dòng)示意圖，從正面看過(guò)去，擺環(huán)的中心為O，半徑等于OA′，它以傾角ɑ剛性地固連于水平主動(dòng)軸上，隨軸一起做等速旋轉(zhuǎn)，角速度為ω；在W面上，擺環(huán)的投影為一橢圓，并隨主動(dòng)軸（其投影聚集于點(diǎn)）一同以角速度ω旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

擺環(huán)機(jī)構(gòu)的割刀位移方程式為：x=-σrcosωt

擺環(huán)機(jī)構(gòu)的割刀速度方程式為：Vx=μrωsinωt

擺環(huán)機(jī)構(gòu)的割刀加速度方程式為：αx=γrω2cosωt

式中：x為割刀位移；Vx為速度；αx為加速度；σ，μ，γ皆為擺環(huán)偏角ɑ和rω的函數(shù)。

在擺環(huán)偏角≦15°時(shí)，擺環(huán)機(jī)構(gòu)與曲柄連桿機(jī)構(gòu)的割刀運(yùn)動(dòng)規(guī)律類似。當(dāng)ɑ角大于25°時(shí)，則αx較曲柄連桿機(jī)構(gòu)有明顯的差異，即αx在一個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)兩個(gè)高峰，使機(jī)器振動(dòng)加劇。故一般取擺角ɑ=15～18°。

3 擺環(huán)機(jī)構(gòu)的仿真分析

3.1 機(jī)構(gòu)創(chuàng)建

利用三維建模Solidworks軟件對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模，通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口將模型保存為Parasolid（X_T）格式，并導(dǎo)入到ADAMS中，完成仿真分析模型創(chuàng)建，如圖4所示。對(duì)導(dǎo)入到ADAMS中擺環(huán)機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)進(jìn)行各部件布爾操作、重命名、添加材料屬性等編輯。此外，由于導(dǎo)桿在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中存在彈性變形，故在虛擬樣機(jī)中將導(dǎo)桿做為柔性部件進(jìn)行仿真分析。

3.2 添加約束與載荷

虛擬樣機(jī)構(gòu)建完成后，利用ADAMS軟件中的主工具箱中的約束功能，按照機(jī)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)將各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行約束添加。添加完成的約束如表1所示。

根據(jù)擺環(huán)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，以主軸轉(zhuǎn)速500 r/min作為其動(dòng)力輸入速度，并在在虛擬樣機(jī)的機(jī)架與主軸之間的旋轉(zhuǎn)副上施加驅(qū)動(dòng)載荷。

3.3 仿真分析

根據(jù)收割機(jī)的傳動(dòng)比計(jì)算出主軸的轉(zhuǎn)速為500 r/min。在ADAMS添加驅(qū)動(dòng)并設(shè)置其轉(zhuǎn)速，進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真，設(shè)置仿真時(shí)間End time為0.25 s，仿真步數(shù)為200，分析動(dòng)刀片的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

從圖5可以看出割刀在x軸上的移動(dòng)變化特性：最大位移為655 mm，最小位移為565 mm，行程為45 mm，在X軸做周期為0.12 s的往復(fù)間諧振動(dòng)，滿足設(shè)計(jì)最初設(shè)計(jì)行程的要求。

圖6是割刀在x方向上的速度變化曲線。由曲線可以看出，割刀在往復(fù)運(yùn)動(dòng)完成1次切割時(shí)，位移速度變化范圍在-2.5～2.5 m/s之間，滿足切割要求。

圖7是割刀的加速度變化曲線。由于導(dǎo)桿為柔性體，在開始受力時(shí)因存在塑性變形而受力不均，加速度突變不穩(wěn)定，故從穩(wěn)定后開始分析，確定其加速度變化范圍是-112.8～120.0 m/s。

對(duì)照?qǐng)D5—7可以看出，當(dāng)割刀的行程達(dá)一半時(shí)，速度最大，加速度為0 mm/s；在割刀行程最大時(shí)，其速度為0 m/s，但加速度最大，符合理論計(jì)算模型。

4 結(jié)論

運(yùn)用三維建模軟件Solidworks對(duì)擺環(huán)機(jī)構(gòu)進(jìn)行造型設(shè)計(jì)，概述擺環(huán)機(jī)構(gòu)的構(gòu)造、工作原理，分析其運(yùn)動(dòng)特性，通過(guò)仿真軟件ADAMS對(duì)擺環(huán)機(jī)構(gòu)的情況進(jìn)行模擬仿真，研究割刀在往復(fù)運(yùn)動(dòng)方向上的位移、速度、加速度變化曲線，獲得割刀運(yùn)動(dòng)參數(shù)，為今后擺環(huán)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算提供分析方法。

參考文獻(xiàn)

[1] 毛文華，曹晶晶，姜紅花，等.基于多特征的田間雜草識(shí)別方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007（11）：206-209.

[2] 謝飛，尹洋.收獲機(jī)械切割機(jī)構(gòu)的仿真分析[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015（10）：474-476.

[3] 謝珣，史景釗，李保謙，等.基于ADAMS的擺環(huán)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2015（6）：67-69.

[4]吳雪梅，張富貴，呂敬堂，等.收獲機(jī)械中擺環(huán)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010（4）：58-59.