釀酒葡萄收獲機輸送裝置運動分析及仿真

袁盼盼，張學軍，坎雜，李成松，靳　偉，楊蘭濤

( 1.新疆農業大學 機械交通學院，烏魯木齊　830052；2.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子　832000)

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釀酒葡萄收獲機輸送裝置運動分析及仿真

袁盼盼1，張學軍1，坎雜2，李成松2，靳偉1，楊蘭濤2

( 1.新疆農業大學 機械交通學院，烏魯木齊830052；2.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子832000)

摘要：釀酒葡萄收獲機輸送裝置由導軌、集果系統、傳動系統及輔助部件組成。對驅動撥爪鏈的多邊形效應進行了運動學分析，得出驅動撥爪鏈速度及速度不均勻系數的關系表達式。利用ADAMS對裝置輸送鏈的運動過程和受力進行了仿真，獲得兩鏈輪的角速度、角加速度、轉矩及驅動撥爪鏈條的速度、加速度的變化規律，且得知從動鏈輪相對主動鏈輪運動平穩。

關鍵詞：收獲機；釀酒葡萄；輸送裝置；ADAMS；

0引言

葡萄可分為釀酒葡萄和鮮食葡萄[1]。新疆是我國最早引種和栽培葡萄的地區[2-3]，種植面積在不斷擴大，但其收獲目前完全依靠人工，勞動強度大、效率低、采收費用高，機械化采收是釀酒葡萄產業發展的必然趨勢[4-6]。由于國內外釀酒葡萄種植模式與生長特點存在一定差異，國外收獲機械并不適用于新疆釀酒葡萄的收獲[7-8]。輸送裝置是釀酒葡萄收獲機的主要組成部分，用于收集和輸送釀酒葡萄至料箱[9-10]。

本文對釀酒葡萄收獲機輸送裝置進行了運動學分析及仿真，研究驅動撥爪鏈和輸送鏈輪間的相互作用，分析驅動撥爪鏈的多邊形效應，探索主要結構參數間的關系及其對驅動撥爪鏈動載荷等性能的影響，對提高釀酒葡萄收獲機輸送裝置的工作性能具有重要的意義。

1裝置總體結構

釀酒葡萄收獲機輸送裝置由導軌、集果系統(戽斗、連接架)、傳動系統(雙鉸接鏈條、驅動部件)及輔助部件(擋板、出料口)等構成，形成兩側對稱的“回”形輸送結構，如圖1所示。工作時，收獲機進行單行作業，騎跨于某一葡萄行上，輸送裝置分布在葡萄藤的兩側，經驅動部件驅動鏈運動；戽斗在雙鉸接鏈的帶動下以順時針方向進行輸送作業，直至將釀酒葡萄輸送至出料口。傳動系統由驅動部件與雙鉸接鏈組成，驅動部件安裝于導軌兩側的傾斜段，用于驅動雙鉸鏈運動。

1.導軌　2.戽斗　3.驅動部件　4.頂部擋板　5.出料口

驅動部件由驅動馬達、主動鏈輪、從動鏈輪、驅動撥爪鏈條、雙排滾子鏈等構成，如圖2所示。驅動撥爪鏈條上設置多個具有固定距離的撥爪相續掛接，與雙鉸接輸送鏈配合運動。馬達輸出的動力經雙排滾子鏈傳動傳遞給驅動撥爪鏈條，由驅動撥爪鏈條上的撥爪撥動雙鉸接輸送鏈使其在導軌中向前移動。

2傳動系統分析

工作時，驅動撥爪鏈條與雙鉸接鏈配合運動，驅動撥爪鏈帶動長度6m的雙鉸接鏈運動，因驅動撥爪鏈做擾動性傳動，易出現在鏈條運動過程中不穩定和抖動問題，使得驅動撥爪鏈和輸送鏈輪處于沖擊和脈動負荷的作用環境中。在運動過程中，驅動撥爪鏈條的線速度呈現周期性變化[11-15]。輸送裝置結構及驅動撥爪鏈速度分析如圖3所示，齒數與速度關系如圖4所示。設輸送鏈輪分度圓半徑為r，齒數為z，鏈輪角速度為ω，鏈條間的鉸接點在嚙入鏈輪上的相位角為β，根據圖3中的速度分解關系，可得驅動撥爪鏈的線速度滿足如下公式，即

(1)

式中v —驅動撥爪鏈線速度(m/s);

vx—驅動撥爪鏈前進方向的分速度(m/s);

vy—驅動撥爪鏈垂直方向的分速度(m/s);

P—輸送鏈輪的節距(m)。

1.驅動馬達　2.主動鏈輪1　3.雙排滾子鏈

圖3　驅動撥爪鏈速度關系

圖4　齒數與速度關系

由公式(1)及圖4可知：在節距P一定的條件下，驅動撥爪鏈線速度隨著齒數的增加而增大。由于相位角β是變化的，即使主動鏈輪轉速恒定，驅動撥爪鏈的運動速度也是變化的；其前進或垂直方向的線速度均為周期變化，且每轉動一個鏈節，驅動撥爪鏈條速度周期重復變化一次。在節距P一定的條件下，驅動撥爪鏈的齒數越少，鏈條嚙合的相位角范圍越大，而驅動撥爪鏈條的速度的變化范圍越小。由鏈傳動的工作原理可知：驅動撥爪鏈前進方向分速度vx主要引起驅動撥爪鏈中心距方向運動的忽快忽慢，影響驅動撥爪鏈前進方向的運動平穩性和鏈條間的張緊程度；驅動撥爪鏈垂直方向的分速度vy使得鏈條上下運動，產生振動和噪音，對驅動撥爪鏈的動量和沖擊載荷影響較大。采用鏈條的瞬時速度的不均勻系數K，表示驅動撥爪鏈條速度的變化程度及其瞬時速度的不均勻性，則

(2)

式中K—驅動撥爪鏈條速度的不均勻系數；

vm—驅動撥爪鏈條平均線速度(m/s)。

(3)

因此，驅動撥爪鏈在前進方向的速度不均勻系數滿足上述關系，根據公式(3)可作出不同齒數時的速度不均與系數變化曲線，如圖5所示。

圖5　速度不均勻系數曲線

由圖5可知：鏈輪的齒數越多，驅動撥爪鏈條的速度不均勻系數越小，輸送裝置運行越平穩。由圖5可看出：當鏈輪齒數大于10時，速度不均勻系數K小于0.05，在可控允許誤差范圍內。由驅動撥爪鏈的線速度與鏈輪齒數的關系圖可知：驅動撥爪鏈速度隨著齒數的增加而增大，且垂直方向的最大分速度值隨著輸送鏈的齒數的增加而增大。為了減少驅動撥爪鏈的動量沖擊，鏈輪的齒數選擇10較為合適。

同理，驅動撥爪鏈的加速度為

(4)

式中ax—驅動撥爪鏈前進方向的加速度(m/s2)；

ay—驅動撥爪鏈垂直方向的加速度(m/s2)。

3傳動系統動力學仿真

3.1　建立模型設置參數

結合導入模型的實際情況，增設添加質量、運動副、接觸和載荷。設定導入的輸送鏈零部件材料為剛體，質量屬性為鋼，在輸送鏈的前后輸送鏈輪質心與兩轉軸之間分別添加固定副，并選擇兩個物體一個連接點，使兩根軸與輸送鏈輪同步轉動；在兩個鏈輪中心創建與轉軸之間的旋轉副。驅動撥爪鏈條由鏈輪驅動，在驅動撥爪鏈條與兩個鏈輪之間添加接觸副，剛度系數100 000N/mm，阻尼系數10N·s/mm，穿透深度0.1mm，靜摩因數0.3，動摩擦因數0.1；同時，驅動撥爪鏈條之間也添加接觸副，靜摩擦因數0.12，動摩擦因數0.1；在輸送鏈輪中心處施加一個速度型驅動。仿真模型如圖6所示。

圖6　仿真模型

3.2　仿真分析

啟用重力，設置仿真時間為2.0s，仿真步長為300步，選用I3求解器。利用ADAMS/Postprocessor后處理模塊獲取接觸力、速度、加速度、轉矩曲線。

由于輸送鏈傳動具有多邊形效應，驅動撥爪鏈條與鏈輪剛剛接觸時受力較大，接觸部分會產生較大震蕩。驅動撥爪鏈條的接觸力變化曲線如圖7所示。從圖7可看出：鏈條的傳動周期約為1.5 s，在啟動0.5s內，鏈條與主動鏈輪的接觸力波動震蕩較大，并隨著鏈輪的轉動趨于穩定。在鏈條與鏈輪接觸傳動的過程中，由于鏈輪的多邊形效應，鏈條的接觸力波動明顯，大約0.7s之后鏈條運動趨于平穩，接觸力也達到穩定。

圖7　驅動撥爪鏈條的接觸力變化曲線

鏈條在傳動過程中處于一張一弛的小幅抖動狀態。由于鏈輪與鏈條間摩擦力的存在，兩個鏈輪存在一定的運動差異。測量得到主、從動鏈輪的角速度、角加速度及轉矩圖，如圖8～圖10所示。

圖8　主、從動鏈輪的角速度曲線

圖9　主、從動鏈輪的角加速度曲線

圖10　主、從動鏈輪的轉矩曲線

由于主動輪為驅動輪，則主動輪角速度穩定為180deg/s，角加速度約為0.7(°)/s2，主動輪最大轉矩為812N·m，穩定后平均轉矩為300N·m。從動輪受到啟動沖擊的影響，從動輪角速度產生波動，最后趨于穩定，在主動輪角速度180(°)/s上下小幅度波動。從動輪角速度在啟動0.5s左右時波動最大，因此從動輪角加速度在該處約為1.25×106(°)/s2，隨后趨于穩定，逐漸趨于0。從動輪轉矩遠遠小于主動輪，因主動輪轉矩較大，從動輪相對主動輪的運動平穩，且與輸送鏈之間存在一定的打滑現象，緩解了輸送鏈的張緊邊載荷的差異，提高了輸送裝置的使用壽命。

設定X、Y、mag分別為仿真因素的水平分量、垂直分量和合量，任意輸送鏈片質心速度和加速度曲線如圖11、圖12所示。

由圖11、圖12可看出：驅動撥爪鏈條運動成周期性變化，在運動初期鏈條速度和加速度波動較大；0.47s前鏈條速度、加速度劇烈波動、不穩定，此時，鏈片與輸送鏈主動輪嚙合；0.53 s后鏈條運動趨于穩定。輸送鏈條與輸送鏈主動輪嚙合時存在多邊形效應，運動基本符合正余弦曲線規律；輸送速度約為1m/s，符合輸送要求。

圖11　驅動撥爪鏈條速度曲線

圖12　驅動撥爪鏈條加速度曲線

4結論

1)分析了驅動撥爪鏈運動多邊形效應，獲得了輸送鏈的速度、加速度與輸送鏈輪參數之間的關系。鏈輪的齒數越多，驅動撥爪鏈條的速度不均勻系數越小，輸送裝置運行越平穩，確定齒數為10。

2)分析了輸送鏈的運動過程及受力，分析兩鏈輪的角速度、角加速度、轉矩的變化規律。在啟動0.5 s內，鏈條與主動鏈輪的接觸力、角速度波動震蕩均較大，從動鏈輪相對主動鏈輪運動平穩。

3) 分析了驅動撥爪鏈條的速度、加速度，確定輸送速度約為1m/s。

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Movement Analysis and Simulation of Wine Grape Harvester Conveyer

Yuan Panpan1, Zhang Xuejun1, Kan Za2, Li Chengsong2, Jin Wei1, Yang Lantao2

Abstract：Wine grape harvester conveyer consist of guide rail, collect system, transmission system and accessories. The movement of drive dial claw chain polygon effect was analyzed, expression of drive dial claw chain velocity and velocity distribution uneven coefficient were derived.The movement process and stress of the conveying chains, change rules of angular speed, angular acceleration and torque of the two sprockets were achieved using ADAMS simulation software. And driven sprocket was smooth movement relative to drive sprocket.

Key words：harvester; wine grape; convey; ADAMS

中圖分類號：S225.93

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)10-0051-05

作者簡介：袁盼盼(1989-)，女，河南周口人，助教，碩士，(E-mail)ypp_xnd@163.com。通訊作者：張學軍(1966-)，男，四川渠縣人，教授，碩士生導師，博士，(E-mail)zhxjau@sina.com。

基金項目：新疆生產建設兵團工業科技攻關計劃項目(2013BA009)

收稿日期：2015-10-29