基于ADAMS的水平摘锭式采棉机采棉滚筒运动仿真分析

基于ADAMS的水平摘锭式采棉机采棉滚筒运动仿真分析
摘要：采棉滚筒是水平摘锭式采棉机的核心工作部件，其工作的可靠性直接影响着采棉机的采摘质量和作业效率。

以约翰·迪尔7760型采棉机为例，介绍了采棉滚筒的结构及工作原理，利用adams 软件建立了采棉滚筒的三维模型并进行运动仿真，分析了运动规律，为采棉滚筒的设计和研究提供了理论依据和参考。

关键词：水平摘锭式采棉机；采棉滚筒；adams；仿真分析
中图分类号：s225.91+1 文献标识码：a 文章编号：0439-8114（2013）02-0440-03
新疆生产建设兵团是全国重要的优质棉生产基地和优质棉花产
区之一，在棉花生产机械化进程中，棉花机械化收获已成为必然趋势[1，2]。

目前，兵团引进的采棉机主要是水平摘锭式采棉机[3]。

而水平摘锭式采棉机又分为滚筒式、链式及平面式，由于滚筒式水平摘锭式采棉机采摘率高、落地棉损失少、含杂率低、功率消耗少等而被人们在生产中广泛接受[4，5]，约翰·迪尔7760型采棉机就是其中一种。

采棉滚筒是水平摘锭式采棉机的核心工作部件，它控制着摘锭座管和摘锭的运动，而摘锭是直接影响采摘质量和效率的关键因素[6]，因此，研究其运动规律对了解采棉机的工作原理有重要意义，尤其是可为采棉滚筒的国产化提供理论基础。

利用adams[7]软件建立了采棉滚筒的三维模型并进行运动仿真，分析了运动轨迹，为采棉滚筒的设计和研究提供理论依据和参考。

1 采棉滚筒的设计分析过程
创建零部件的模型主要有两种方法：一种是直接可利用
adams/view中的零件库来建模，另一种是通过其他cad软件导入adams中。

前者针对比较简单的零件模型，后者可建立结构复杂的模型。

本研究采用后者创建采棉滚筒的数学模型。

利用adams软件建立采棉滚筒的数学模型，通过实体的可视化仿真分析，模拟采棉滚筒在实际工作过程中的运动，从而确定其最佳设计参数。

2 采棉滚筒的结构与工作原理
2.1 结构
采棉滚筒主要由摘锭座管总成、摘锭、摘锭座管支座、导向槽、曲拐等组成，其结构如图1所示。

而摘锭座管总成由摘锭头、摘锭杆、摘锭锥齿轮等组成，其结构如图2所示，三维模型如图3所示。

采棉滚筒零部件繁多，其主体包括12个摘锭座管总成，而摘锭座管总成又包含18个摘锭，单个采棉滚筒就摘锭而言就有216个。

2.2 工作原理
每个采棉滚筒装有12个摘锭座管总成，且均匀分布在滚筒圆周上。

摘锭座管上端装有曲拐，曲拐上带有滚轮，滚轮嵌入到导向槽里。

当采棉滚筒转动时，摘锭座管随滚筒绕回转中心旋转，同时回转中心轴上的齿轮又带动中心轴转动，从而带动摘锭旋转。

随着采棉机的前行，棉花进入采摘头内，棉花就会被摘锭缠绕，进而实现采摘作业。

3 运动的仿真分析
3.1 采棉滚筒简易模型的建立
由于采棉滚筒模型复杂，滚筒零部件比较多，如果将整个滚筒模型导入adams中，庞大的信息量将会影响adams的运算效率，而且给建立系统模型带来相当大的工作量。

其次，12个摘锭座管的运动规律基本上都是一致的，只是运动的先后不同。

且每个摘锭座管上摘锭相对于地面的运动规律相同，因此将模型进行简化。

每个摘锭座管上只取一个摘锭来进行仿真分析，用一个红色小球来代替。

这样同样能得到滚筒的运动特性，但模型大大简化，提高了adams的运行速度，也减少了大量重复繁琐的工作。

以坐标轴x正向为采棉机前进方向，采棉滚筒沿逆时针方向旋转，简化后的滚筒模型如图4所示。

3.2 添加运动副
adams中的运动副主要有移动副、旋转副、固定副、凸轮副、圆柱副、铰链副、平面副、连轴器等。

添加运动副时必须注意选择运动副的类型、作用点以及方向。

根据采棉滚筒的实际工作过程，在模型中主要添加5个运动副：添加采棉机整机和地面间的移动副1个，用于仿真采棉机运动；添加采棉机机架和采棉滚筒之间的旋转副1个，用于滚筒旋转；添加小球和采棉滚筒之间的固定副3个，防止滚筒旋转时小球脱离滚筒表面。

按照采棉滚筒的工作原理添加驱动，在采棉机机架添加一个沿x
方向的速度，用于模拟机器的前进运动；在圆筒上添加方向为逆时针的回转角速度，用于模拟采棉滚筒的圆周运动。

3.3 采棉滚筒运动轨迹的分析
以约翰·迪尔7760型采棉机为例，测得采棉机作业的前进速度为：vm=6.8 km/h≈1.89 m/s，测得采棉滚筒转速为：n=182 r/min=1 092°/s。

对采棉滚筒模型添加驱动可得到其运动轨迹如图5所示，轨迹曲线如图6所示，位移曲线如图7所示，在x、y、z轴上的速度曲线如图8所示，合速度曲线如图9所示，加速度曲线如图10所示。

约翰·迪尔7760型采棉机工作时，采棉滚筒的运动轨迹为摆线，如图5、图6所示，形成原因是采棉滚筒自身作旋转运动，再加上采棉滚筒相对于地面作直线运动。

采棉滚筒是沿着y轴正方向前进的，而在x轴方向的位移有变化，但是波动不大，如图6所示。

采棉滚筒在x轴方向上的速度是个正弦曲线，在y轴方向上的速度变化较大，这是由采棉滚筒在x轴方向的旋转速度不断变化引起的，如图8所示。

采棉滚筒在x轴方向上的加速度是一条负的正弦曲线，而在y轴方向上的加速度是一条余弦曲线，他们之间相差一个相位角，如图10所示。

4 小结
采棉滚筒是水平摘锭式采棉机的核心工作部件，其工作的可靠性直接影响着采棉机的采摘质量和作业效率。

本研究以约翰·迪尔7760型采棉机为例，介绍了采棉滚筒的结构及工作原理，利用adams
软件建立了采棉滚筒的三维模型并进行运动仿真，分析了运动轨迹，其结果与实际工作状况一致，体现了分析的可行性与直观性，为采棉滚筒的设计和研究提供了理论依据和参考，也为采棉滚筒的国产化打下了基础。

参考文献：
[1] 周亚立，刘向新，闫向辉.棉花收获机械化[m].乌鲁木齐：新疆科学技术出版社，2012.
[2] 祝鹏涛，魏敏，张宏文.采棉机摘锭的三维虚拟建模及有限元分析[j]. 农机化研究，2011，33（4）：39-42.
[3] 周亚立，李生军，刘向新，等.新疆生产建设兵团棉花生产机械化技术[j]. 新疆农机化，2005（5）：8-14.
[4] 李世云，孙文磊，毕新胜，等.采棉机械采摘原理解析[j]. 科技信息，2011（7）：71-72.
[5] 毕新胜，王维新，丛锦玲，等. 水平摘锭式采棉机采棉滚筒的运动学分析[j]. 农机化研究，2008，30（8）：49-54.
[6] 付长兵. 水平摘锭式采棉机采摘原理及关键部件分析[d]. 乌鲁木齐：新疆大学，2005.
[7] 郑建荣. adams虚拟样机技术入门与提高[m]. 北京：机械工业出版社，2001.。