基于ADAMS的撥禾輪建模及仿真研究①

劉 凡，肖 平,*，司馬勇，陳黎卿

(1. 安徽工程大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2. 保隆(安徽)汽車配件有限公司，安徽 宣城 242000；3. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽 合肥 230061)

0 引 言

撥禾輪是聯(lián)合收割機(jī)割臺的主要工作總成之一，也是收割機(jī)最先接觸農(nóng)作的部件，其功能是扶壓農(nóng)作物，把待割農(nóng)作物的莖稈扶正喂入割臺，有利于切割器切割農(nóng)作物，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對不同的收割情況，其撥禾輪自轉(zhuǎn)速度和收割機(jī)前進(jìn)速度的比值也是不同的，控制好其運(yùn)動軌跡，對收獲效率有著顯著影響。因而對在聯(lián)合收割機(jī)部件中最先接觸農(nóng)作物的撥禾輪作為研究對象，進(jìn)行建立數(shù)學(xué)模型，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真分析，從而為減少收割環(huán)節(jié)時農(nóng)作物的損失率，提供理論依據(jù)。

1 撥禾輪數(shù)學(xué)模型

1.1 撥禾輪安裝高度模型

撥禾輪在工作時，其滾動前進(jìn)運(yùn)動會對農(nóng)作物造成打擊，造成谷物脫落，但當(dāng)其接觸農(nóng)作物時，彈齒的相對運(yùn)動方向與地面垂直時，可以將在此收割環(huán)節(jié)的損失降到最低。要滿足上述的要求,撥禾輪的高度為：

(1)

式中，H為撥禾輪中心軸與主切割器的垂直距離，L為作物高度，R為撥禾輪半徑，λ為撥禾輪速比，I為撥禾輪彈齒的長度，h為主切割器與水平地面的垂直距離[1]。

為了防止撥禾輪在轉(zhuǎn)動時，彈齒將莖稈卷帶飛出割臺，不能起到撥禾作用，讓割刀切割農(nóng)作物，H還要保證彈齒在轉(zhuǎn)動到垂直于地面方向的最低位置時,其向后推動作用的位置，應(yīng)在禾稈割取部分的1/3處，所以H為：

(2)

1.2 撥禾輪運(yùn)動軌跡模型

撥禾輪工作時,聯(lián)合收割機(jī)的水平前進(jìn)運(yùn)動和其本身的轉(zhuǎn)動構(gòu)成了其運(yùn)動形式?？稍O(shè)撥禾輪中心軸在水平地面的投影為坐標(biāo)原點(diǎn)，過坐標(biāo)原點(diǎn)且平行于地面為X軸方向，過坐標(biāo)原點(diǎn)且垂直于地面為Y軸方向，讓彈齒軸上的一點(diǎn)在水平位置處開始順時針方向轉(zhuǎn)動，那么該點(diǎn)的運(yùn)動方程可表示為：

(3)

式中，Vm為聯(lián)合收割機(jī)前進(jìn)速度，t為撥禾輪工作時間，ω為撥禾輪旋轉(zhuǎn)角速度[2]。

對式(3)進(jìn)行求導(dǎo)可得撥禾輪的水平分速度和豎直分速度為：

(4)

1.3 撥禾輪作用程度模型

撥禾輪在正常工作時,因為轉(zhuǎn)速的不同會對農(nóng)作物產(chǎn)生碰撞，從而造成收割損失。為了減少撥禾桿對農(nóng)作物的撞擊,撥禾桿進(jìn)入農(nóng)作叢時其水平分速度應(yīng)該為0，即：

Vx=Vm-Rωsinωt1=0

(5)

由公式(5)可得：

(6)

又ΔX是每根撥禾桿的作用范圍，即每根撥禾桿在配合切割時每次所扶持的谷物范圍為：

ΔX=X1-X2

(7)

由公式(6)可得：

(8)

將(8)代入(4)中可得：

(9)

所以

(10)

設(shè)撥禾輪有Z個撥禾桿，所以撥禾桿的余擺線扣環(huán)之間的節(jié)距為：

(11)

(12)

將(10)代入(12)化簡可得：

(13)

η是撥禾桿扶持狀態(tài)下割臺切割農(nóng)作物的百分?jǐn)?shù)，數(shù)值過大會造成收割農(nóng)作物損失加大，數(shù)值過小則工作性能降低，一般撥禾輪的作用程度η達(dá)到30%就可以正常工作要求。

1.4 撥禾輪轉(zhuǎn)速模型

(14)

式中，n為撥禾輪轉(zhuǎn)速，D為撥禾輪直徑。

2 基于Solid Works和ADAMS的撥禾輪運(yùn)動學(xué)模型

2.1 三維實體建模及簡化

為了提高撥禾輪抗倒伏能力，對傳統(tǒng)彈齒調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，在撥禾桿與彈齒之間增加多層可調(diào)鐵制薄片機(jī)構(gòu)，從而可以根據(jù)谷物倒伏情況調(diào)整彈齒高度，提高收獲效率。撥禾輪的半徑采用通用機(jī)型的標(biāo)準(zhǔn)，本文建模的偏心撥禾輪半徑為480mm；主軸半徑為33mm、長為2772mm；彈齒軸半徑為15mm、長為2490mm；彈齒長為212mm、分布間距235mm，數(shù)目為10個。模型如圖1所示。

1—彈齒；2—彈齒軸；3—撥禾輪主軸；4—可調(diào)節(jié)鐵片；5—偏心輻條；6—偏心副板；7—曲柄連接桿;8—偏心調(diào)節(jié)板

撥禾輪裝配體包含零件過多，若將其全部導(dǎo)入ADAMS軟件進(jìn)行仿真分析，增大模型約束和驅(qū)動施加的工作量，也容易發(fā)生干涉和仿真報錯，為了方便仿真分析，在不影響實驗結(jié)果的前提下，對模型進(jìn)行設(shè)計簡化；模型中所有螺絲、螺母、墊片的作用可以在ADAMS中直接通過施加約束代替，所以將其全部去除；偏心調(diào)節(jié)板在隨后的仿真中，對撥禾輪運(yùn)動不產(chǎn)生影響，但需要額外施加多余約束和驅(qū)動，為方便后期實驗仿真也將其刪除。

2.2 建立虛擬樣機(jī)

運(yùn)用ADAMS 2020軟件對其三維模型進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真研究。圖2(a)是其導(dǎo)入 ADAMS軟件中的撥禾輪模型。撥禾輪裝配體導(dǎo)入軟件后沒有任何裝配關(guān)系，每個零部件都是完全獨(dú)立的。所以要運(yùn)用布爾運(yùn)算以及添加運(yùn)動副和驅(qū)動使模型在ADAMS中形成完整的虛擬樣機(jī)模型。

分別將五根彈齒軸上的彈齒與彈齒軸，三個主輻板和其對應(yīng)的主輻條，三個主輻板與撥禾輪主軸，偏心輻板與偏心輻條運(yùn)用布爾運(yùn)算合并成一個整體。將五個彈齒軸分別與主輻條連接位置施加旋轉(zhuǎn)副,將五個曲柄連接桿分別與偏心輻條連接位置施加旋轉(zhuǎn)副,在對撥禾輪主軸施加旋轉(zhuǎn)副及移動副，再對撥禾輪主軸施加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動和平移驅(qū)動。為了方便仿真觀察其運(yùn)動形態(tài)，將彈齒改為綠色,彈齒軸和曲柄連接桿改為紅色，偏心輻板和偏心輻條改為土黃色。圖2(b)為添加約束和驅(qū)動后的模型。

(a)導(dǎo)入ADAMS軟件中的撥禾輪

3 仿真實驗及結(jié)果分析

因為撥禾輪的運(yùn)動軌跡與撥禾速度比λ有關(guān)，所以控制撥禾速度比λ的大小，對撥禾輪運(yùn)動軌跡進(jìn)行仿真分析，找到λ與運(yùn)動軌跡之間的映射關(guān)系。仿真時取彈齒末端尖點(diǎn)作為運(yùn)動軌跡觀察對象。

(1)當(dāng)撥禾速度比λ<1時，取撥禾輪圓周線速度為0.9 m/s，水平前進(jìn)速度為1.5 m/s，此時λ=0.6。彈齒末端運(yùn)動軌跡，水平位移曲線和水平分速度曲線分別為圖3，4，5所示。

圖3 λ <1時彈齒末端運(yùn)動軌跡

圖4 λ <1時彈齒末端水平位移曲線

圖5 λ<1時彈齒末端水平分速度曲線

當(dāng)撥禾速度比λ<1時，彈齒末端的運(yùn)動軌跡為短幅擺線，沒有扣環(huán)。彈齒速度依然為正值，沒有向后的水平分速度，所以也不會將農(nóng)作物喂入割臺中去。彈齒的水平位移曲線都呈現(xiàn)平穩(wěn)增長，所以也都不起撥禾作用。

(2)當(dāng)撥禾速度比λ=1時，取撥禾輪圓周線速度為0.9 m/s，水平前進(jìn)速度為0.9m/s，此時λ=1。彈齒末端運(yùn)動軌跡，水平位移曲線和水平分速度曲線分別為圖6，7，8所示。

圖6 λ=1時彈齒末端運(yùn)動軌跡

圖7 λ=1時彈齒末端水平位移曲線

圖8 λ=1時彈齒末端水平分速度曲線

當(dāng)撥禾速度比λ=1時，彈齒末端的運(yùn)動軌跡為普通平擺線，也沒有扣環(huán)。彈齒在任意一點(diǎn)的運(yùn)動軌跡依然沒有水平向后的分速度，所以也不會將農(nóng)作物喂入割臺中去，對農(nóng)作物的扶持向后輸送的作用非常有限。彈齒的位移曲線上升波動不夠明顯，撥禾能力幾乎沒有。

(3)當(dāng)撥禾速度比λ>1時，取撥禾輪圓周線速度為0.9 m/s，水平前進(jìn)速度為0.5m/s，此時λ=1.8。彈齒末端運(yùn)動軌跡，水平位移曲線和水平分速度曲線分別為圖9，10，11。

圖9 λ=1.8時彈齒末端運(yùn)動軌跡

圖10 λ=1.8時彈齒末端水平位移曲線

圖11 λ=1.8時彈齒末端水平分速度曲線

當(dāng)撥禾速度比λ=1.8時，彈齒末端的運(yùn)動軌跡為次擺線，運(yùn)動軌跡成扣環(huán)狀，彈齒末端運(yùn)動到余擺線扣環(huán)最大橫弦的下方有明顯向后位移的趨勢，存在顯著的對農(nóng)作物扶持和向后輸送作用。彈齒末端有水平向后的速度，可以很好的農(nóng)作物喂入割臺，并且彈齒末端的水平位移曲線有明顯波動，都是波浪式的上升曲線，撥禾作用明顯。

(4)當(dāng)撥禾速度比λ>1時，取撥禾輪圓周線速度為0.9 m/s，水平前進(jìn)速度為0.4m/s，此時λ=2.25。彈齒末端運(yùn)動軌跡，水平位移曲線和水平分速度曲線為圖12，13，14所示。

圖12 λ=2.25時彈齒末端運(yùn)動軌跡

圖13 λ=2.25時彈齒末端水平位移曲線

圖14 λ=2.25時彈齒末端水平分速度曲線

當(dāng)撥禾速度比λ=2.25時，彈齒水平位移曲線依然為波浪上升趨勢，水平分速度也有向后運(yùn)動趨勢，具有撥禾功能。由圖12明顯看出彈齒的運(yùn)動軌跡為次擺線，但是次擺線的環(huán)扣存在重疊現(xiàn)象，表明同一排部分農(nóng)作物在撥禾輪工作時，同時遭到不同排的彈齒的碰撞，這樣沒有提高撥禾功能，還因為彈齒對農(nóng)作物雙重的撞擊加大收割損失。

(5)撥禾速度比λ>1時，取撥禾輪圓周線速度為0.9 m/s，水平前進(jìn)速度為0.465m/s，此時λ≈1.935。彈齒末端運(yùn)動軌跡，水平位移曲線和水平分速度曲線為圖15，16，17所示。

圖15 λ≈1.935時彈齒末端運(yùn)動軌跡

圖16 λ≈1.935時彈齒末端水平位移曲線

圖17 λ≈1.935時彈齒末端水平分速度曲線

當(dāng)撥禾速度比λ≈1.935時，由圖16，17不難看出彈齒水平位移曲線都明顯呈現(xiàn)波浪式上升趨勢，水平分速度曲線也都存在負(fù)值，其收割機(jī)向前移動的同時，每個彈齒和彈齒軸也都呈周期性向后移動，表明撥禾輪能正常工作起到撥禾作用。彈齒運(yùn)動軌跡為次擺線，且每個環(huán)扣都相切，所以λ≈1.935是本文設(shè)計撥禾輪的能正常工作的λ上限。

綜上所述，當(dāng)λ<1時，由實驗(1)可知，彈齒水平分速度依然為正值，和撥禾輪水平前進(jìn)方向保持一致，沒有向后的運(yùn)動趨勢，撥禾輪不具有工作能力，不能正常工作，不符合撥禾輪運(yùn)動要求；當(dāng)λ>1.935時，由實驗(4)可知，雖然撥禾輪具有撥禾功能，但是農(nóng)作物遭到多重撞擊，對農(nóng)作物的穗部沖擊加大，使收割損失劇烈增加，不符合撥禾輪運(yùn)動要求；當(dāng)λ=1和λ≈1.935時，則是撥禾輪分別是其可以正常工作，和過多的撥禾作用從而造成收割損失加大的臨界點(diǎn)；所以當(dāng)1<λ<1.935是本文設(shè)計撥禾輪可以正常工作時λ的合理取值范圍。

4 結(jié) 語

為了減少聯(lián)合收割機(jī)收獲損失，首先對撥禾輪進(jìn)行理論建模，再利用Solid Works 2020軟件對撥禾輪的各個構(gòu)件進(jìn)行實體建模和裝配,然后將其裝配體導(dǎo)入ADAMS2020軟件中,并對撥禾輪進(jìn)行仿真實驗研究。以撥禾輪彈齒末端為觀察對象，在λ不同取值時，對其運(yùn)動軌跡，水平位移曲線及水平分速度曲線進(jìn)行實驗分析。最后得出，1<λ<1.935時是本設(shè)計的撥禾輪能正常工作的必要前提。撥禾輪設(shè)計與實驗得到的撥禾輪工作參數(shù)和調(diào)節(jié)范圍，有利于減少農(nóng)業(yè)聯(lián)合收割機(jī)工作時農(nóng)作物的損失，提高聯(lián)合收割機(jī)的收割效率。