番茄收獲機拋秧裝置運動學分析與仿真

李景彬，劉富強，坎　雜，李成松，付　威

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子　832000；2.新疆兵團農業機械重點實驗室，新疆 石河子　832000)

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番茄收獲機拋秧裝置運動學分析與仿真

李景彬1,2，劉富強1,2，坎雜1,2，李成松1,2，付威1,2

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子832000；2.新疆兵團農業機械重點實驗室，新疆 石河子832000)

摘要：拋秧裝置是番茄收獲機的關鍵部件，其工作性能直接影響整機的收獲質量。為此，針對拋秧機構，進行機構簡化和建立矢量方程，得出拋秧機構的關鍵點H的位移、速度和加速度模型。通過ADAMS軟件對拋秧機構的仿真模型進行仿真分析，獲得H點在豎直和水平方向的位移及加速度曲線，驗證了結構設計的合理性，為番茄收獲機整機設計提供理論依據和技術支持。

關鍵詞：番茄收獲；拋秧機構；運動分析；仿真

0引言

近年來，新疆加工番茄種植面積不斷增加，已成為繼美國之后世界第二大加工番茄生產基地，番茄種植加工業已成為新疆地區的支柱產業。目前，新疆加工番茄收獲機械化采收多采用國外進口機型，如美國的FMC、CTM、PIKIRTE和意大利的CRF、CORIMA、POMAC等，上述機型價格高、服務周期長，依靠進口不足以滿足我國的番茄收獲的需要，因此番茄收獲機國產化勢在必行。近年來，我國關于番茄收獲機拋秧裝置及割臺已開展相關研究，如石河子大學李成松對切割撿拾裝置進行研究，對拋秧裝置的撥叉進行運動分析，得出撥叉運動軌跡。石河子大學江英蘭對割臺特點及發展現狀進行研究，對比分析往復式切割裝置的切割輔助裝置與圓盤式切割輔助裝置的差異。石河子大學彭霞對撥禾扶秧裝置的速度進行分析，指出了其存在的問題，并做出了進一步的研究設想。

割臺是番茄收獲機的重要裝置，其主要作用是將帶有果實的番茄秧割斷并拋送到輸送鏈上，喂入果秧分離裝置進行分離。番茄收獲機割臺主要由拋秧裝置和往復式切割器組成。拋秧裝置的作用是將匍匐在地面的番茄秧扶持起來，有利于割刀切割，然后再將切割下來的番茄秧拋送到后部的輸送鏈上。拋秧裝置為割臺的重要組成部分，因此拋秧裝置作業效果直接影響割臺工作的可靠性與穩定性，從而對整個收獲過程產生重要影響。

本研究通過對拋秧裝置進行運動學分析，在ADAMS軟件下對拋秧機構關鍵點H進行仿真分析，以驗證結構設計的合理性。

1結構組成及工作原理

拋秧裝置(見圖1)是番茄收獲機的關鍵部件之一，固定安裝在收獲機前部，其作業質量直接影響收獲機整機作業效果。

1.偏心輪軸　2.連桿　3.連接桿

圖1中：拋秧裝置的主要工作部件有偏心輪軸、連桿、連接桿、吊桿、撥叉及撥叉橫梁。撥叉分為兩組，分別安裝在前、后撥叉橫梁；前、后撥叉橫梁通過連接桿與偏心軸套連接，兩個偏心軸套對稱安裝在同一軸上。工作時，馬達驅動偏心輪軸，帶動偏心軸套，將偏心機構的回轉運動轉化為拋秧撥叉組的橢圓運動；偏心機構逆時針旋轉，撥叉前端為順時針往復運動，從而使上下兩組撥叉往復、交替運動向后拋秧；撥叉緊貼地面插入番茄秧下面，將匐在地上的番茄秧扶起便于切割；然后撥叉交替往復運動，將割下來的番茄秧向后拋送，落在后面的果秧輸送鏈上。

2拋秧機構運動學分析

將拋秧裝置簡化,如圖2所示。其中，OA為曲柄(偏心距)、AD為簡化的連桿、DE為簡化的連接桿、EG為簡化的吊桿、DH為撥叉，H點為拋秧機構關鍵點。

圖2　拋秧機構分析

2.1　結構參數

拋秧機構部件參數如表1所示。

表1　拋秧裝置各部件參數

2.2　結構簡化及運動學分析

根據圖2和表1，將拋秧機構中的雙撥叉機構簡化，如圖3所示。參照圖2(a)拋秧機構可知：撥叉段為番茄秧扶起階段，同時割刀進行切割。切割后的番茄秧在H點起拋，所以H點為拋秧關鍵點。拋秧機構運動學分析如圖3所示。

圖3　拋秧機構運動學分析

建立機構矢量方程為

(1)

(2)

將式(1)、式(2)化簡得

tanα2=(yB1-yA1)/(xB1-xA1)

(3)

B1點坐標為

D1點坐標為

(4)

求方程組(4)一階導得D1點的速度，則

求方程組(4)二階導數，得D1桿質心加速度為

因此，通過上述分析，獲得撥叉1的關鍵點D1(H簡化后)的位移、速度及加速度方程。

同理可得，B2點坐標為

D2點坐標為

D2點的速度為

D2桿質心加速度為

因此，通過上述分析，獲得撥叉2的關鍵點D2(H簡化后)的位移、速度、加速度方程。

3ADAMS仿真分析

拋秧裝置先在SolidWorks軟件下建立三維模型，將模型在SolidWorks下另存為*.x_t文件;然后在ADAMS2012的import 選項下,File tyep中選擇parasoild ，file to read中單擊右鍵選擇browse找到*.x_t文件，在model name對應的空白框中點擊右鍵，選擇model→create輸入文件名，則數據文件被導入adams環境。

根據機構運動的方式，在零件之間添加約束。在joint中選擇合適的約束并添加在零件之間。創建幾何點(point)，選擇main toolbox中的point，選項設置為大地(add to ground)，將其添加在zhou(center)；選擇驅動(motion generator)中的創建鉸接低副，選擇低副(joints)，轉動副(revolute)選擇參數1location，添加到zhou(center)點；低副選擇轉動副(revolute)，選擇參數2badies—1location, normal to grid，選中ch_px和ch_lg，將約束添加在ch_px(center)。同理，選中d_px和d_lg選擇相同的約束和參數添加到d_px(center)。在joints中選擇固定副(fixed)選項設置為normal to grid和2badies—1location，選中zhou和ch_px，將約束添加在zhou(center)上。同理，選中zhou和d_px添加到zhou(center)上；選中d_lg和d_hl添加到d_hl(center)；選中ch_lg和ch_hl添加到ch_lg(center)；選中ch_lg和ch_bch添加到ch_bch(center)；選中d_bch和d_hl添加到d_bch(center)。選擇低副(joints)，轉動副(revolute)選擇參數1location，normal to grid,選中ch_dg添加到ch_dg(center)。同理，選擇相同的約束和參數選，選中d_dg添加到d_dg(center)。如圖4所示：在ADAMS環境下獲得仿真模型及添加的約束，然后點擊main toolbox中的interactive simulation controls 在其中設置仿真參數，采用default方式，end time設置為100，steps設置為120。

完成約束的添加之后，在需要測量的點創建一個Marker點。運行仿真Marker點(D1、D2點)，可以獲得位移、速度、加速度曲線。仿真結果如圖5～圖8所示，其分別為上下撥叉的關鍵點H(D1、D2點)的位移和加速度曲線。

圖4　AADAMS環境中機構約束模型

圖5　 H點X軸(豎直)方向上的加速度曲線

圖6　 H點Y軸(水平)方向的加速度曲線

圖7　H點X軸(豎直)方向上的位移曲線

圖8　H點Y軸(水平)方向上的位移曲線

4結論

1)首先對拋秧機構進行簡化，建立矢量方程，分別獲得泡養機構關鍵點H(D1、D2)位移、速度、加速度矢量方程。

2)通過ADAMS仿真軟件對仿真模型進行仿真分析，將關鍵點H(D1、D2)設置為Marker，分別獲得位移和加速度曲線，證明機構實現連續拋物，設計合理。

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[10]譚洪洋,李成松,坎雜,等.加工番茄果秧分離裝置的設計及仿真[J].農機化研究,2012，34(1):84-87.

Abstract ID:1003-188X(2016)12-0025-EA

The Kinematics Analysis and Simulation of Tomato Harvester’Throwing Device

Li Jingbin1,2, Liu Fuqiang1,2, Kan Za1,2, Li Chengsong1,2, Fu Wei1,2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Shihezi University, Shihezi 832003,China; 2. Agricultural Machinery Key Laboratories, Xinjiang Production and Construction Corps, Shihezi 832003, China)

Abstract：Throwing device is a key component of the tomato harvester, the performance of which directly affects the quality of the harvest.Base on the throwing structure in this research ,institutions can be simplified,vector equation can be established,and the displacement, velocity and acceleration model of throwing structure’H key point can be obtained.According to ADAMS software, simulation model of throwing structure carry out simulation analysis, receiving H-point in the vertical and horizontal directions of the displacement,acceleration curves, verifying the structural design is reasonable, to provide the theoretical basis and technical support formachine design of omato harvester.

Key words：tomato harvest; throwing structure; motion analysis;simulation

中圖分類號：S225.92

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0025-05

作者簡介：李景彬(1980-)，男，河南淮陽人，副教授，碩士生導師，工學博士，(E-mail)ljb8095@163.com。通訊作者：付威(1977-)，男(滿)，黑龍江五常人，副教授，碩士生導師，工學博士，(E-mail)fuwei001@126.com。

基金項目：國家農業科技成果轉化資金特別重大項目(2012GB2G410526)

收稿日期：2016-01-04