基于ADAMS 的農業(yè)機械仿真設計分析

濟寧市兗州區(qū)興隆莊街道農業(yè)綜合服務中心 劉磊

在農業(yè)機械化發(fā)展進程中，馬鈴薯農業(yè)機械的發(fā)展進度遲緩，近年來水平才明顯提升，國外馬鈴薯收獲機械的生產應用率明顯降低，聯(lián)合收獲機則得到了極大發(fā)展，基本已經實現(xiàn)了馬鈴薯收獲機械化。在日常農具中也開始應用高新技術，如振動、液壓技術，利用傳感技術控制喂入量，我國在該領域的技術研發(fā)進度比較遲緩，目前主要集中在中小型懸掛式集條收獲機研制推廣階段，各類農業(yè)機械用具的技術水平與國外發(fā)達國家依然有較大差距[1]。近年來我國部分地區(qū)研制的小型收獲機設備初試成功，如4UL-2 型馬鈴薯聯(lián)合收獲機、1650 型帶臂式聯(lián)合收獲機等。但是目前傳統(tǒng)機械設計方法，依然要面臨低效率、低精度、粗略性與近似性結論的問題，為了縮減機械系統(tǒng)設計周期，降低成本投入，提高設備效率與精度，本文將提出基于ADAMS的農業(yè)機械仿真設計研究，運用ADAMS 軟件建立農業(yè)機械仿真模型，優(yōu)化設計獲得最佳工作參數(shù)。

1 ADAMS 軟件

ADAMS 為機械系統(tǒng)動力學，由美國MDI 公司研發(fā)，具備可視化View，高效求解Solver 與強大功能處理模塊，在應用中集建模、求解、可視化等多項技術優(yōu)勢于一體化虛擬樣機仿真分析軟件，是目前廣泛使用的權威多體動力學仿真分析軟件[2]。在軟件使用中可以利用交互式環(huán)境、約束庫、零件庫、力庫等，建立參數(shù)化機械模型，運用多體動力學理論拉格朗日方程法，建立系統(tǒng)動力學方程，使后處理模塊獲得輸出速度、位移、力度曲線。運用該軟件建立復雜虛擬樣機，能夠在短時間內迅速獲得優(yōu)化后機械設備的相關性能參數(shù)，這樣一來能夠對物理樣機的高額研制費用與次數(shù)有效減少，從而極大地提升了產品設計質量與研發(fā)時間、成本，在農業(yè)、工業(yè)、交通、機械設計制造等行業(yè)得到廣泛應用[3]。

2 收獲機設備工作原理

4UX-550 型馬鈴薯收獲機設備結構如圖1 所示。設備運行中經拖拉機動力輸出軸、萬向聯(lián)軸器總成，向偏心軸傳遞動力，旋轉帶動前后兩個擺臂，轉變旋轉運動為左右擺動，擺臂擺動帶動抖動篩往復運動，馬鈴薯鏟入土層向前運動，在抖動篩內挖起土與馬鈴薯分離后，在作業(yè)帶一側分布馬鈴薯塊，擺動篩可以經篩面振動在掘起物內分離馬鈴薯，這樣在篩面激勵下不僅有沿著篩面進行的下行運動，還包括沿著篩面的上行運動與躍起，實現(xiàn)馬鈴薯抖動與拋落。該機械設備的主要技術參數(shù)為：配套動力 13.3～22.1kW，550mm 幅寬，218kg 機具自重，13.5mm 偏心距，150～250 挖掘深[4]。

圖1 馬鈴薯收獲機結構圖

3 ADAMS 機械仿真建模

3.1 設計分析流程

因為ADAMS 機械系統(tǒng)動力學軟件具備簡化可實現(xiàn)三維建模功能，在處理復雜不規(guī)則系統(tǒng)與不規(guī)則零件幾何時，處理難度就會隨之增加，因此通常采用專業(yè)三維建模與動力學仿真軟件完成。Pro/E 的建模功能尤為強大，能夠方便零部件建模裝配，聯(lián)合ADAMS 軟件仿真，即可提高復雜機械系統(tǒng)虛擬樣機的整體性能[5]。在聯(lián)合其他軟件設計的過程中，首先要建立Pro/E 的各零件三維特征模型，依據(jù)具體設計需求干涉所要裝的配零部件，向ADAMS 中依據(jù)特定格式導入模型，即可完成ADAMS 軟件中設定的約束、驅動、相關仿真參數(shù)，并進行動力學仿真分析[6]。

3.2 幾何建模

本研究設計的馬鈴薯收獲機的幾何建模步驟如下：

（1）傳動軸與偏心輪、中篩臂、搖臂的關鍵點坐標見表2，對各關鍵點完成分別定義；（2）使用Cylinder 在A、B 各點建立偏心輪，設計偏心輪的具體方向，使用LInk 在 C 點建立前篩搖臂，在 G 點建立后篩搖臂；（3）使用 Plate 在 C、D、E 點建立篩中篩臂，在 G、F、H 點建立篩中篩臂；（4）使用Cylinder 與Box 工具與布爾運算，成功建立擺動篩幾何模型；（5）依次建立飛輪、懸掛架、鏟具與其他構件的幾何建模。

表1 關鍵點坐標

4 測試樣機建模優(yōu)化設計研究

4.1 初始建模與模型參數(shù)化

根據(jù)馬鈴薯收獲機的幾何模型，建立樣機初始模型，設定540r/min 輸出軸加載轉速，加載0.2s，50 步仿真分析，對擺動篩質心速度與加速度參數(shù)進行測量（如圖 2、圖 3 所示）。

圖2 前篩質心加速度

圖3 前篩質心速度

通過處理馬鈴薯收獲機的擺動篩傳動機構，根據(jù)機構在仿真軟件中完成各關節(jié)點的變量創(chuàng)建，設計變量值包括 POINT_1～POINT_8 與 Loc_x、Loc_y[7]。

4.2 樣機模型設計

本文以4UX-550 型馬鈴薯收獲機為例，該設備前后擺動篩交替擺動，相反運動，僅僅對前篩設計展開研究。在試驗中，在篩面的傾角為0°～10°時，設計最適用的加速度值，分別為 15～20m/s2、35～40m/s2，在此條件下能夠成功分離70%～75%土壤，設計篩面篩物的移動速度范圍為0.25～0.5m/s。為了確保最優(yōu)化分離，將擺動篩的平均加速度取值設為40m/s2，優(yōu)化設計擺動機構。根據(jù)設定的各設備結構變量取值范圍，對不同設計變量下所造成的擺動篩加速度影響進行觀察，設計前擺動篩加速度均值，具體變量見表2。

表2 設計變量

根據(jù)上述設計變量在DV_1～DV-8 中，對機械擺動篩加速度進行均值研究，以獲得不同變量取值相應的加速度均值變化情況,發(fā)現(xiàn)其中 1、2、4、6、8 達到最大敏感度，DV_1 決定了機械偏心輪的半徑值，DV_2 對偏心輪的半徑不造成任何影響，所以DV_2 在優(yōu)化設計擺動機構中不做考慮。表3 為本次研究的設計對應結果情況。

表3 設計研究結果

5 樣機模型優(yōu)化設計

在導入模型后，運用ADAMS 軟件設計仿真環(huán)境，包括單位、重力、柵格平面方向等。為了盡可能減少ADAMS 仿真軟件的仿真計算量，可以使用布爾運算的合并指令，合并同樣功能的不同零件為統(tǒng)一零件。因為在該仿真軟件中導入各零件，均為無質量幾何體，這都需要后期加工生產添加零件屬性，對于接觸運動物體則需要添加合理范圍內的接觸作用力，最后虛擬樣機運動能夠在轉動動力曲柄軸的基礎上設計旋轉方向。根據(jù)機構動力學完成仿真設計，運用ADAMS 繪制相關部位的速度、位移、軌跡、加速度、驅動力等參數(shù)[8]。結合本次研究設計建模，對上述分析中最大敏感度的幾項關鍵參數(shù)，使用Design Variable、Modify 顯示數(shù)據(jù)瀏覽器，選定可修改數(shù)據(jù)變量對話框，在選項框內選擇輸入設設計變量的最大、最小極值，即成功修改了設計變量，如表4 所示。根據(jù)多次迭代運算獲得DV_1 為463.51，DV_4 為 130.40，DV_6 為 -44.984，DV_8 為-310.55，其中最優(yōu)點為 41.457m/s2，與 40m/s2這一理論最優(yōu)值最為接近。

表4 修改設計變量

6 結語

總而言之，在本研究中通過使用ADAMS 仿真軟件，對4UX-550 型馬鈴薯收獲機進行動態(tài)仿真設計，可獲對收獲機設備裝置造成影響的關鍵參數(shù)，也就是偏心輪偏心半徑與中篩臂的臂長，并獲得馬鈴薯收獲機在最佳設備分離狀態(tài)下的關鍵參數(shù)。經設計對比仿真結果可得，4UX-550 型馬鈴薯收獲機的機械傳動機構設計合理，經模型優(yōu)化設計所得仿真結果中的最優(yōu)點為41.457m/s2，與40m/s2這一理論最優(yōu)值最為接近。將ADAMS 應用于農業(yè)機械設計中，可以對機械結構與各部件功能進行模擬，并且發(fā)現(xiàn)設計階段的樣機缺陷，對其進行改進能夠有效完善農業(yè)機械方案。