基于MATLAB花生收獲機振動篩機構的運動學分析

摘要：針對目前花生收獲機振動篩機構振動大、清土效果不理想和存在運動死點的問題，采用MATLAB的 Simulink 軟件建立花生收獲機振動篩機構仿真模型，分析圖形化求解方法，通過設計并運行仿真模型得到振動篩的運動學變化曲線。結果表明，振動篩在x和y方向上的位移、速度、加速度均呈周期性變化，周期為0.3 s，振動幅值分別為23.4 mm和16.7 mm。振動篩機構周期性變化規律可視化的實現，進而選擇最適合振動篩機構的尺寸，對優化花生收獲機結構和提高收獲質量具有重要意義。

關鍵詞：花生收獲機；振動篩；動態仿真；運動學分析

中圖分類號： S225.7+3文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）02-0343-03

收稿日期：2013-06-15

基金項目：河南省教育廳自然科學研究計劃（編號：2011c460007）。

作者簡介：袁世先（1966—），女，貴州貴陽人，副教授，主要研究方向為機械設計與制造。E-mail：yuansx1966@126.com。花生是我國重要的油料作物之一，全國種植面積約433萬hm2。由于受到土地等客觀條件的限制，花生機械化收獲較為分散且作業程度較低。我國雖然對花生收獲機械進行了大量的研究與開發工作，但與發達國家相比仍處于初級階段，結構簡單、適應性差、損失率高、土果分離不好等仍舊是困擾花生收獲機械發展的主要問題。目前，在花生收獲機研究中已經涌現出許多新設備，如胡志超等研發的4H-800 型振動篩式花生收獲機[1]、陳強等研發的HS-73 實用新型振動篩式花生收獲機[2]和呂冰等設計的振動式花生收獲機[3]等。

振動篩機構是花生收獲機的核心部件，其工作運動性能的優劣與整機工作性能的優劣有著直接的關系，以四連桿機構為模型的花生收獲機振動篩機構是目前使用最廣泛的機構之一。對花生收獲機振動篩機構利用MATLAB的Simulink軟件進行動態仿真，分析其運動情況，以了解四連桿仿真模塊模型及圖形化求解方法，為優化花生收獲機結構提供一種可視化的方法。

1數學模型的建立

1.1工作原理及機構簡圖

四連桿機構為模型的花生收獲機振動篩，其主體為縱向排列的篩條，篩條中心距在確定的過程中可根據當地的種植品種進行自行設置，對振動篩的位移、速度、加速度不產生直接影響。振動篩機構由曲柄（R2）、連桿（R3和R4）、振動篩組成，其結構簡圖如圖1所示。在花生收獲過程中，通過軸帶動偏心輪轉動來實現振動篩子的運動，而振動篩通過上下和左右的往復運動將土壤等雜物及花生秧果等不斷向后推動，在運動過程中雜物被振動篩振落，少部分雜物及花生秧果被拋出，實現花生的收獲。

1.2矢量方程的建立

為了便于對花生收獲機振動篩機構的運動特性進行仿真分析，須建立振動篩機構的數學模型，可以近似為一個四連桿機構，其閉環矢量圖如圖2所示。其中，R1是兩端的固定桿，R2代表曲柄，R3、R4代表連桿，θ2、θ3、θ4、ω2、ω3、ω4和α2、α3、α4分別是R2、R3、R4的運動角度、角速度和角加速度。

2.1初始數據的獲取

根據機構設計的尺寸，利用幾何方法計算得到的數據見表1。

2.2動態仿真模型的建立

根據矢量方程所建數學模型，設連桿初始的角加速度為0，通過數值積分計算θ2、θ3、θ4、ω2、ω3、ω4、α3、α4。為實現面向模塊的動態仿真，在Simulink模型中需要6個積分模塊，以α2為常量0作為仿真輸入，選擇constant模塊與積分器相連接。在子程序function函數中定義四連桿的r1、r2、r3和r4，選擇function塊將函數嵌入Simulink仿真中，由于function塊的輸入、輸出是以矢量的形式進行，因此，需加入Mux塊實現原始信號的轉換，在輸出時需要用DeMux塊分解，然后再將Mux塊聯網到適當的信號。為實現仿真結果的輸出為矩陣（變量simout），在結果輸出前也需要再加入Mux塊。另外，為實現振動篩的運動分析，需在此基礎上進行模塊的擴展，增加1個function塊（即whz.m文件），再通過DeMux和Mux塊實現信號的分解和矩陣矢量化，便于準確分析振動篩在x、y、z方向的速度、加速度和位移的變化[3，5-6]。

3仿真結果分析

由于篩子與連桿是通過焊接連接，分析連接點可間接分析振動篩，因此，以連接振動篩的點作為研究對象，分別對該點沿x與y方向的速度、加速度以及位移進行仿真分析，運用plot函數繪制相關曲線。由圖3至圖8可見，振動篩在x方向的速度在250～-250 mm/s之間做周期性變化（圖3），振動篩在y方向的速度在200～-200 mm/s之間做周期性變化（圖4），振動篩在x方向的加速度在5 000～-5 000 mm/s2之間做周期性變化（圖5），振動篩在y方向的加速度在 4 000～-4 000 mm/s2 之間做周期性變化（圖6），振動篩在x方向的位移在0～25 mm之間做周期性變化，其振動幅度為23.4 mm（圖7），振動篩在y方向的位移在0～18 mm之間做周期性變化，其振動幅度為16.7 mm（圖8）；變化周期均為 0.3 s。

4小結與討論

利用MATLAB的Simulink仿真模型對花生收獲機振動篩機構運動情況進行仿真分析，結果發現，振動篩速度、加速度和位移在x方向上分別在250～-250 mm/s、5000～-5000 mm/s2、0～25 mm之間呈周期性變化，位移振動幅度為23.4 mm，在y方向上分別在200～-200 mm/s、4 000～-4 000 mm/s2、0～18 mm之間呈周期性變化，位移振動幅度為16.7 mm；周期均為0.3 s。

在設計花生振動篩機構時，設計的尺寸、結構及配置要求等會與實際運動狀況存在一定誤差，利用花生振動篩機構運動學仿真模塊框圖，通過MATLAB設計程序對不同尺寸、角加速度、角速度賦值，分析各連桿的角速度、角加速度、擺角和振動篩的位移、速度、加速度情況，進而選取具有最小振動、最適合當地收獲情況、不存在運動死點的設計尺寸和結構，以滿足實際生產要求[7-8]。利用MATLAB的Simulink軟件建立的仿真模型，實現了花生收獲機振動篩運動情況的圖形可視化，能夠便捷地得到運動的相關參數，簡化了計算過程，提高了計算精度，為花生收獲機振動篩機構優化設計提供了良好快捷的方法。

參考文獻：

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