宝塔菜联合收获机关键部件建模方法与仿真基于ADAMS

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宝塔菜联合收获机关键部件建模方法与仿真
基于ADAMS
吴㊀俊ꎬ王春秀ꎬ王㊀鹤ꎬ刘帅帅ꎬ谢亚星ꎬ陈星名
(宁夏大学机械工程学院ꎬ银川㊀750021)
摘㊀要:介绍了宝塔菜联合收获机的工作原理㊁技术特点及关键部件结构的设计与工作参数ꎮ以宝塔菜联合收获机的升运器为研究对象ꎬ应用SolidWorks软件建立三维简化模型ꎬ导入动力学仿真软件ADAMS中ꎬ使用宏命令编写程序代码为机构添加接触与约束ꎬ对宝塔菜联合收获机虚拟样机升运器进行动力学仿真ꎬ研究其运动规律ꎬ得出主㊁从动轮的功率㊁链滚的横纵向的速度及加速度ꎮ该研究验证了模型的可行性ꎬ缩短了设计周期ꎬ为后续机构的优化设计提供了理论依据ꎮ
关键词:联合收获机ꎻ虚拟样机ꎻ建模ꎻ约束ꎻ接触
中图分类号:S225.92㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:A文章编号:1003-188X(2019)01-0066-05
0㊀引言
现有根茎类作物收获机多采用升运链式分离机构ꎬ既能够运输物料ꎬ也能够为后续的机构提供动力ꎮ其结构具有较好的缓冲和吸振动性能[1]ꎬ亦能够实现精确输送的功能ꎮ宝塔菜联合收获机输送机构的功能是将宝塔菜果实与土壤进行分离ꎬ并将宝塔菜果实顺利输送到后续分离机构ꎮ
传统收获机的研制主要采用经验设计方法ꎬ存在设计周期长及成本高的问题ꎮ本文应用ADAMS软件ꎬ采用虚拟样机技术ꎬ在计算机上对样机关键部件进行仿真测试ꎮADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem)软件ꎬ是由美国机械动力公司(Me ̄chanicalDynamicsInc)开发的最优秀的机械系统动态仿真软件ꎬ通过计算机图形交换格式文件可以与CAD软件相互保持数据的一致性ꎬ还能够支持并行工程环境ꎬ节省大量的时间和经费ꎮ利用ADAMS软件建立参数化模型ꎬ能够进行研究设计㊁实验设计与优化分析ꎬ为研究机构参数化提供有效的方法[2]ꎮ
对宝塔菜联合收获机关键部件的虚拟样机的运动进行研究ꎬ可以掌握其运动轨迹及相关部件的运动参数ꎬ分析运动规律ꎬ找出可能出现的潜在问题ꎬ减少设计上的失误ꎬ提高了宝塔菜联合收获机设计参数的可收稿日期:2017-08-24
基金项目:宁夏回族自治区科技支撑计划项目(413-0224)
作者简介:吴㊀俊(1992-)ꎬ男ꎬ福建南平人ꎬ硕士研究生ꎬ(E-mail)346480231@qq.comꎮ
通讯作者:王春秀(1964-)ꎬ女ꎬ长春人ꎬ教授ꎬ硕士生导师ꎬ(E-mail)chunxwang@nxu.edu.cnꎮ靠性及准确性ꎮ
1㊀机具整体机构及工作原理
1.1㊀机具工作原理
宝塔菜联合收获机工作时ꎬ由拖拉机带动机具前行ꎬ压土辊将松散土壤压实ꎻ挖掘铲铲入土中ꎬ将宝塔菜主根铲断ꎬ且将掘起的宝塔菜果实与土壤输送到抖动升运链上ꎬ抖动升运链板能够将宝塔菜果实上的部分土壤振散使其掉落至地面ꎻ果实与剩余土壤通过升运链进入到振动筛ꎬ振动筛以特定频率与振幅做前后反复运动ꎬ进一步将附着在果实上的土壤振散并将果实送至收集篓ꎮ本机具采用二阶平面铲ꎬ在三角平面铲的基础上添加一个倾角ꎬ可以使土壤发生二次剪切ꎬ提高了碎土功能ꎻ抖动式升运装置ꎬ在宝塔菜果实输送的同时将土壤进行振碎ꎬ加强了筛土性能ꎮ
1.机架㊀2.压土辊㊀3.挖掘铲㊀4.升运链㊀5.抖动器㊀6.振动筛7.收集篓㊀8.偏心轮㊀9.曲柄摇杆㊀10.减速器
图1㊀宝塔菜联合收获机结构配置图
Fig.1㊀Configurationdrawingofthecombineharvester
2019年1月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀农机化研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第1期
1.2㊀分离输送系统
分离输送系统由倾斜式升运链板和振动筛组成ꎬ
升运器采用圆柱链杆结构ꎮ链传动无弹性滑动和整
体打滑现象ꎬ能保持平均传动的精确性及较高传动效
率[3]ꎬ也能够保证其在较为恶劣的工况下工作ꎬ因而适用于联合收获机ꎬ如图2所示ꎮ由于宝塔菜果实呈
螺旋状ꎬ其平均横截面积直径仅有8mmꎬ故选用滚子
链规格为10A型㊁节距为15.875mm㊁滚子直径为10.16mm及链条链板由链条直径为8mm的滚筒构成ꎮ其链滚与链滚间的距离约为8mmꎬ能够保证在挖掘输送过程中ꎬ让宝塔菜果实尽可能地往后输送ꎬ可以降低果实的遗漏损失率ꎮ宝塔菜种植行距一般在250~300mmꎬ为双行收获机ꎬ故将链板宽幅设为600mmꎮ
1.从动轮㊀2.链滚㊀3.抖动器㊀4.主动轮㊀5.振动筛㊀6.收集篓
图2㊀升运器三维模型
Fig.2㊀Threedimensionalmodelofelevator
2㊀升运器仿真模型的建立
2.1㊀几何模型的建立
ADAMS/View虽然提供了建模工具ꎬ但其操作性不强ꎬ对于复杂的三维模型耗时大ꎬ且模型的尺寸与精度不能得到保障ꎮ本文运用SolidWorks软件对升运器进行建模ꎬ并对装配体进行干涉检验ꎬ确保零件设计及配合的准确性ꎮ将SolidWorks实体模型保存成Parasolid(.x_t)格式ꎬ通过ADAMS/Exchange图形接口模块导入ADAMS中[4]ꎮ
SolidWorks三维实体模型在导入ADAMS之前需要简化ꎬ将主动轮与从动轮简化为圆柱体ꎬ抖动器简化为椭圆柱体ꎬ传动带简化为离散的小圆柱[5]ꎮ2.2㊀虚拟样机模型建立
导入的模型需要对各个零件进行重命名ꎬ让其排列有序ꎬ并对各个零件的材料属性进行定义ꎮ设置工作栅格平面垂直于链轮的中心轴ꎬ单位设置为MMKSꎬ各个零件的质量属性定义为刚体ꎬ同时将大地定义为各个零件的运动参照基准ꎬ以方便后续约束与接触的添加[6]ꎮ约束为两个运动部件的联接ꎬ是它们建立相对的运动关系ꎮ为各个零件添加约束ꎬ使其成为一个完整的机械系统ꎮ
分别将主动轮㊁从动轮与抖动器的质心点创建与大地旋转副ꎬ并在主动轮上添加一个驱动函数[7]ꎬ函数表达式为2300.0d timeꎬ设置顺时针方向为其转动方向ꎮ
2.2.1㊀链节与链节之间建模
在链滚与链滚之间的需要考虑到机构的变形ꎬADAMS里提供了柔性连接元素轴套力[8]ꎮ采用轴套力实际模拟了连接间的轴销连接ꎬ轴销连接具有3个旋转方向和3个移动方向ꎬ轴套力可以在2个相互作用的构建上施加一个3方向的作用力[9]ꎮ
轴套力计算公式为
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K1100000
0K220000
00K33000
000K4400
0000K550
00000K66
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C1100000
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0000C550
00000C66
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(1)其中ꎬF为力ꎻT为力矩ꎻK为刚度系数ꎬK11=
EA
L为拉伸刚性系数ꎻK22=K33=
EA
L为剪切感性系数ꎻG为剪切模量ꎻK44=
Gπd4
32L为扭转刚性系数ꎻK55=K66=Eπd4
64L为弯曲刚性系数ꎻC为阻尼ꎮ
由于存在111个链节ꎬ故需要添加111个轴套力ꎬ用手动方法逐个添加ꎬ工作量大且易出现错误ꎬ故通过宏命令帮助实现ꎮ下面为链滚与链滚之间创建轴套力的程序代码:
forvariable_name=ipstart_value=1end_value=111forcecreateelement_likebushing&
bushing_name=(eval("bushing_"//RTOI(ip)))&
2019年1月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀农机化研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第1期
i_marker_name=(eval(".ex_1.lun"//RTOI(ip)//".cm"))&
j_marker_name=(eval(".ex_1.lun"//RTOI(ip+1)//".cm"))&
stiffness=2e5ꎬ2e5ꎬ2e5&
damping=2e3ꎬ2e3ꎬ2e3&
force_preload=0ꎬ0ꎬ0&
tstiffness=2e4ꎬ2e4ꎬ0&
tdamping=2e3ꎬ2e3ꎬ0&
torque_preload=0ꎬ0ꎬ0
end
2.2.2㊀链节与动轮之间建模
链节与主㊁从动轮及抖动器之间需要建立接触力ꎮ在ADAMS中的接触有连续接触与瞬时接触ꎬ其接触力的计算主要有冲击函数与泊松模型[10]ꎮ冲击函数表达式为
Fn=K ge+step(gꎬ0ꎬ0ꎬdmaxꎬcmax) dgdt(2)
式中㊀K 碰撞刚度ꎻ
㊀g 切入深度ꎻ
㊀dmax 最大切入深度ꎻ
㊀e 力指数ꎻ
㊀cmax 最大阻尼ꎻ
㊀dg/dt 渗入速度ꎮ
泊松模型表达式为
Fn=p (ε-1) dgdt(3)
式中㊀p 罚参数ꎻ
㊀ε 恢复系数ꎮ
参数若选择较大ꎬ收敛速度则会变慢ꎻ若参数选择较小ꎬ则难以保证其约束条件ꎮ故选用拉格朗日改进模型ꎬ其表达式为
F(k)n=λ(k)pdg(k)dt
k=1ꎬ2ꎬ3ꎬ ꎬkmaxλ(k)=0ꎬk=1
λ(k)=F(k-1)
nꎬk>1(4)
式中㊀k 迭代步数ꎮ
由于存在111个链滚ꎬ都需与主㊁从动轮与抖动器设置接触力ꎬ故采用宏命令编辑ꎬ其程序代码如下[11]:
forvariable_name=ipstart_value=1end_value=111contactcreatecontact_name=(eval("CONTACT_"//RTOI(ip)))&i_geometry_name=(eval(".ex_1.lun"//RTOI(ip)//".SOLID"//RTOI(ip)))&
j_geometry_name=.ex_1.driver.SOLID113&
stiffness=1.0E+005&
damping=1000&
exponent=1.5&
dmax=1&
coulomb_friction=on&
mu_static=0.2&
mu_dynamic=0.05&
stiction_transition_velocity=0.1&
friction_transition_velocity=10
end
通过以上过程ꎬ完成了对升运器虚拟样机的建模ꎬ111个链滚ꎬ2个动轮ꎬ1个抖动器ꎬ共计114个刚体ꎮ其中ꎬ3个旋转副㊁111个轴套力㊁333个接触约束ꎬ如图3所示ꎮ
图3㊀虚拟样机图
Fig.3㊀Virtualprototypemodel
2.2.3㊀其他设置
为了能准确而快速地完成仿真ꎬ需要对求解器进行设置ꎮ在求解器Solver的设置页面中ꎬIntegrator选用默认的GSTIFFꎮ而在选择Formulation时ꎬ需要根据仿真的实际情况选定ꎮI3仿真速度较快ꎬSI2仿真速度慢ꎬ但是仿真稳定ꎬ不易出错ꎮ本文选择I3ꎬCorrec ̄tor为ModifiedꎬError取0.1[12]ꎮ
3㊀动力学仿真
完成上述步骤ꎬ对其进行动力学仿真ꎮ点击仿真界面ꎬ设置仿真时间为5sꎬ经验证ꎬ仿真步长设置为500可行ꎮ仿真结束后进入ADAMS后处理界面Post ̄processor[13]ꎬ可得到构件的运动曲线图ꎮ
图4和图5为主动轮与从动轮的功率曲线图ꎬ可得出主动轮的平均功率为1057.35Wꎬ从动轮的平均功率为921.7Wꎬ根据传动效率计算公式η=W1/Wꎬ可
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以计算出传递效率为87.13%ꎮ滚子链的传动效率一般在95%~98%之间ꎬ得出传递效率偏低ꎬ这可能由于在建模时设置摩擦因数偏大导致ꎮ
图4㊀主动轮功率曲线
Fig.4㊀Drivingwheelpowercurve
图5㊀从动轮功率曲线
Fig.5㊀Drivenwheelpowercurve
图6和图7为链滚在X方向上的位移与速度ꎬ升运器根据实际设计与水平成25ʎ倾角ꎬ主动轮与从动轮的中心距为760mmꎬ由图6㊁图7可以看出:链滚在做周期运动ꎬ链滚在X方向振幅与实际相符ꎬ运动情况与实际情况基本吻合ꎬ说明模型建立较为成功ꎮ
图6㊀链滚在X方向的速度
Fig.6㊀ThevelocityofthechainrollsintheXdirection
图7㊀链滚在X方向的位移
Fig.7㊀ThepositionofthechainrollsintheXdirection
链传动中不可忽视的多边形效应ꎬ它对链节造成冲击ꎬ故研究链滚的横向㊁纵向的速度㊁加速度的变化ꎬ观察其运动规律ꎮ由图8㊁图9可知:链滚在往复运动的过程中ꎬ受到的纵向冲击要明显小于横向冲击ꎻ加速度在阶跃点变化较大ꎮ这可为升运器的抖动频率提供数据参考ꎬ为整机的筛分效率的计算提供理论依据ꎮ
图8㊀链滚横向速度㊁加速度变化
Fig.8㊀Lateralvelocityandaccelerationchangeofchainroll
图9㊀链滚纵向速度㊁加速度变化
Fig.9㊀Longitudinalvelocityandaccelerationchangeofchainroll
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4㊀结论
通过软件SolidWorks对收获机关键部件进行建模ꎬ然后通过ADAMS软件做动力学仿真ꎬ研究其动力学特性ꎮ
此方法建立了包含多接触问题的链传动多体动力学模型ꎬ并对模型中的接触问题进行了简化处理ꎬ提出用轴套力来约束链滚之间的受力关系ꎬ运用ADAMS宏命令建立模型ꎬ得出相关物理参数与实际相符ꎬ证明此建模方法能够较为准确地模拟出升运器实际工作的动力学特性ꎮ仿真结果验证了此链传动模型的正确性ꎬ也为其他类型的多接触问题提供了参考依据ꎮ
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ModelingMethodandSimulatingforKeyComponentofCombine
HarvestMachineConveyorDeviceofArtichokeonMSC.ADAMS
WuJunꎬWangChunxiuꎬWangHeꎬLiuShuaishuaiꎬXieYaxingꎬChenXingming
(SchoolofMechanicalEngineeringꎬNingxiaUniversityꎬYinchuan750021ꎬChina)
Abstract:Introducingthedesignandworkparametersꎬworkingprinciple.ResearchingontransportdeviceofcombineharvestmachineꎬandusingtheSolidworkssoftwaretoestablishthethree-dimensionalmodelintoADAMSsoftwareꎬintheprocessꎬmacrocommandsareusedtowriteprogramcodetoaddcontactsandconstraintstotheorganization.Makingdynamicsimulationforthevirtualprototypeoftransportdeviceofcombineharvestmachineꎬthelawofmotionisstudiedꎬthengetthepowerofthedriveranddrivenwheelꎬthespeedandaccelerationofthelink.Thesimulationmovementisan ̄alyzedꎬthefeasibilityofthemodelisverifiedꎬthedesigncycleisshortenedꎬandthetheoreticalbasisfortheoptimalde ̄signofthefollow-upmechanismisprovided.
Keywords:combineharvestmachineꎻvirtualprototypeꎻmodelingꎻconstraintꎻcontact
2019年1月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀农机化研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第1期。

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