水平摘錠式采棉機(jī)摘錠軌跡特性研究—基于ADAMS與MatLab

洪榮榮，孫文磊，陳　勇

(新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,烏魯木齊　830047)

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水平摘錠式采棉機(jī)摘錠軌跡特性研究
—基于ADAMS與MatLab

洪榮榮，孫文磊，陳勇

(新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,烏魯木齊830047)

摘要：水平摘錠式采棉機(jī)是一種高精度、高精準(zhǔn)作業(yè)要求的大型棉花收獲機(jī)械，其關(guān)鍵部件-采頭機(jī)構(gòu)(尤其是摘錠)的運(yùn)動(dòng)合理性直接影響采摘性能。為此，通過對水平摘錠式采棉機(jī)進(jìn)行采頭功能分析，以掌握其結(jié)構(gòu)組成原理，為采頭進(jìn)行數(shù)字化建模與傳動(dòng)分析做準(zhǔn)備；然后，利用ADAMS對摘錠軌跡進(jìn)行仿真獲得軌跡曲線；最后將仿真軌跡曲線數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入MatLab獲得曲線多項(xiàng)式，以此來研究探索摘錠運(yùn)動(dòng)的規(guī)律及其對摘錠采摘性能的影響。該研究為提高國產(chǎn)采棉機(jī)采摘性能提供參考。

關(guān)鍵詞：采棉機(jī)；水平摘錠式；ADAMS；MatLab

0引言

采棉機(jī)的普及對推進(jìn)棉花規(guī)模化種植、降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度與成本、提高勞動(dòng)效率具有重要意義。采棉機(jī)的種類多樣，其中水平摘錠式采棉機(jī)因其較高的采摘性能在新疆棉花收獲中應(yīng)用廣泛。早在1996年，采棉機(jī)作為國家科技部“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目，備受矚目。經(jīng)歷了近20年的發(fā)展，貴航4MZ-5已經(jīng)基本可以滿足市場需求；但相對于國外采棉機(jī)巨頭——約翰迪爾和凱斯，還有較大差距(采頭故障率高、穩(wěn)定性差)。其核心部件-采頭(尤其是采摘?jiǎng)幼鲌?zhí)行部件摘錠)價(jià)格昂貴、維修困難且依賴進(jìn)口。

國內(nèi)采棉機(jī)研究機(jī)構(gòu)主要有石河子大學(xué)、新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所、新疆農(nóng)墾科學(xué)院農(nóng)機(jī)研究所、新疆大學(xué)及新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)等。

石河子大學(xué)畢新勝、王維新等通過分析采棉機(jī)水平摘錠的基本工作原理,推導(dǎo)出棉鈴在自然和施壓二種狀態(tài)下摘錠摘取棉花的摩擦力大小公式。趙巖、王維新等完成了FS4M-2R滾筒式軟摘錠采棉機(jī)的設(shè)計(jì)。新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)莊力駿、孫穎等利用計(jì)算機(jī)作圖，模擬研究了該采棉滾筒摘錠運(yùn)動(dòng)軌跡與K值的對應(yīng)關(guān)系，探討了K值對采棉性能的影響。這些研究為采棉機(jī)采摘性能優(yōu)化提供了參考，但是對摘錠運(yùn)動(dòng)規(guī)律這方面的研究較少。

摘錠的運(yùn)動(dòng)軌跡特征不僅決定了摘錠對棉株的損傷、攪動(dòng)進(jìn)而影響棉花含雜率，還決定了能否把籽棉從棉鈴中充分地勾住并拽出及以一定的角度脫棉和潤濕摘錠。為研究摘錠的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其軌跡特性，筆者利用功能分析法對采頭部件進(jìn)行了功能分析，利用UG對采頭進(jìn)行了數(shù)字化建模，利用仿真軟件ADAMS對采頭進(jìn)行仿真，得到摘錠的運(yùn)動(dòng)軌跡。最后，對軌跡進(jìn)行MatLab擬合，得到軌跡曲線的多項(xiàng)式，并對多項(xiàng)式及其對軌跡對性能影響進(jìn)行探討。

1基于UG的采頭建模及傳動(dòng)分析

1.1結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，采頭的結(jié)構(gòu)主要由滾筒與脫棉盤組成。滾筒又包括凸輪、滾輪、曲拐、轉(zhuǎn)盤、摘錠座管及摘錠。此外，還有各級齒輪組合的傳動(dòng)系統(tǒng)。傳動(dòng)齒輪包括滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)齒輪、聯(lián)動(dòng)齒輪、座管端齒輪、摘錠錐齒輪及脫棉盤傳動(dòng)齒輪。其中，曲拐上端下端與座管固定聯(lián)結(jié)，上端卡入凸輪槽內(nèi)(導(dǎo)向槽)。

1.2傳動(dòng)分析

如圖2所示，采頭的傳動(dòng)由離合器、各級齒輪、座管、凸輪和曲拐等部件組成。采頭的傳動(dòng)形式為齒輪傳動(dòng)。由傳動(dòng)圖可以看出摘錠有3種運(yùn)動(dòng)：沿自身軸線的自轉(zhuǎn)、繞滾筒中心軸的公轉(zhuǎn)以及受曲拐影響的擺動(dòng)。嚴(yán)格來說還有第4種，即隨采棉機(jī)的前進(jìn)。摘錠的這4種運(yùn)動(dòng)構(gòu)成了完整的采摘過程同時(shí)影響著采摘性能，這4種運(yùn)動(dòng)相輔相成又都有著各自的傳動(dòng)路線。本文研究內(nèi)容為摘錠的對滾筒的相對運(yùn)動(dòng)，因此對其自轉(zhuǎn)及公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析。兩種運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)分析如圖3所示。

圖1　采頭總成

如圖3所示，摘錠的自轉(zhuǎn)傳動(dòng)路線為：動(dòng)力源傳動(dòng)到錐齒輪1、2，然后經(jīng)過離合器、齒輪3后分為兩路：一路經(jīng)齒輪5、9、聯(lián)動(dòng)齒輪、11傳動(dòng)至座管齒輪20，最后座管齒輪20帶動(dòng)錐齒輪13,則摘錠開始自轉(zhuǎn)；另一路經(jīng)齒輪6、8后傳動(dòng)指滾動(dòng)軸，再由滾筒軸帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤，最后轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)座管，則摘錠開始公轉(zhuǎn)。

圖3　傳動(dòng)分析

2基于功能論的采頭功能分析

功能論設(shè)計(jì)方法的主要特征就是由系統(tǒng)的觀念弄清設(shè)計(jì)對象的實(shí)用功能及其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對設(shè)計(jì)對象的功能進(jìn)行抽象和分析。對采頭進(jìn)行功能分析，有助于進(jìn)一步認(rèn)識采棉機(jī)的采摘機(jī)理與影響采摘性能的因素。為理清采頭各部件的功能性質(zhì)，以每一工序的涉及的固定件、傳動(dòng)件、軌跡約束件及執(zhí)行件為分類類別進(jìn)行了采頭各部件的功能整理，如表1所示。

表1　部件及其功能

為了更好地分析設(shè)計(jì)對象，就必須對功能進(jìn)行區(qū)別和分類。為掌握產(chǎn)品必要功能，發(fā)現(xiàn)和消除不必要功能，筆者用系統(tǒng)的思想分析各功能間的內(nèi)在聯(lián)系，按照功能的邏輯體制編制功能關(guān)系圖，如表 2所示。

表2　功能分類與整理

續(xù)表2

3基于ADAMS的摘錠運(yùn)動(dòng)仿真

采棉機(jī)是一種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、工作季節(jié)性強(qiáng)的大型機(jī)械，一年中只有幾個(gè)月可以接觸，而且必須是采棉過程出現(xiàn)故障或者每年一次的大檢修才有機(jī)會看到核心機(jī)構(gòu)。由于條件所限，無法進(jìn)行現(xiàn)場摘錠軌跡研究。因此，需要依照實(shí)物建模后對摘錠運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真分析。所謂摘錠運(yùn)動(dòng)軌跡的仿真，就是利用運(yùn)動(dòng)學(xué)軟件對摘錠運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行模擬。現(xiàn)有的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真軟件有RecurDyn、SIMPACK及ADAMS等。

ADAMS求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。鑒于其強(qiáng)大的仿真功能，選擇它作為仿真工具。

座管仿真的難點(diǎn)在于摘錠的擺動(dòng)。影響摘錠擺動(dòng)的機(jī)構(gòu)有凸輪、曲拐和座管。凸輪固定在采頭上；座管上端聯(lián)結(jié)曲拐，中間被轉(zhuǎn)盤格擋限制并隨其旋轉(zhuǎn)，下端與滾筒底部固定可旋轉(zhuǎn)；曲拐上端卡入凸輪槽，下端與座管固定。當(dāng)座管旋轉(zhuǎn)時(shí)，摘錠一邊隨座管旋轉(zhuǎn)，一邊受曲拐的影響沿凸輪槽運(yùn)動(dòng)。由于座管底部僅有軸向約束，而且轉(zhuǎn)盤格擋與座管的接觸位置沒有約束，所以座管可以在轉(zhuǎn)盤的格擋間自由運(yùn)動(dòng)，由此形成了座管的擺動(dòng)。

3.1模型簡化

摘錠的運(yùn)動(dòng)軌跡涉及到的部件有凸輪、滾輪、曲拐、轉(zhuǎn)盤、座管、座管固定件及底座。由于摘錠有3種運(yùn)動(dòng)，每種運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)形式都有所不同，因此傳動(dòng)路徑復(fù)雜，涉及的傳動(dòng)部件更是多而雜；再加上控制摘錠運(yùn)動(dòng)軌跡的凸輪、曲拐及轉(zhuǎn)盤等部件，使得滾筒模型過于龐雜；因此，對模型進(jìn)行簡化十分必要。根據(jù)模型簡化原則—定性分析類型、控制計(jì)算規(guī)模、對稱性、化繁為簡4個(gè)原則，正確選擇與摘錠軌跡相關(guān)的構(gòu)件，將數(shù)個(gè)傳動(dòng)齒輪組成的動(dòng)力源用一個(gè)簡單的桿代替，將216根摘錠簡化為一個(gè)，摘錠上的眾多構(gòu)件也布爾為一個(gè)整體，如圖4所示。這樣不僅可以提高ADAMS的運(yùn)算效率，還可以減少建立系統(tǒng)模型的工作量。

簡化后，尤其要注意座管的上中下3部分的裝配，其上端與曲拐下端軸心對齊，兩部件上端面對齊；卡入轉(zhuǎn)盤的座管中部與轉(zhuǎn)盤沒有裝配關(guān)系，若設(shè)定裝配則影響摘錠軌跡的仿真；座管下端與滾筒底部旋轉(zhuǎn)部件有兩個(gè)部件連接，下端部件與滾筒固定裝配，上端是一個(gè)旋轉(zhuǎn)套，起到分離作用，與座管之間是軸心對齊及端面對齊的裝配關(guān)系。

3.2摘錠運(yùn)動(dòng)仿真及軌跡結(jié)果分析

模型簡化后，對各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)副的添加，其由1個(gè)機(jī)架、8個(gè)運(yùn)動(dòng)副、4個(gè)回轉(zhuǎn)副及4個(gè)固定副組成；接著，以轉(zhuǎn)盤軸為驅(qū)動(dòng)進(jìn)行仿真，得摘錠的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，如圖5所示。

圖5　簡化模型仿真分析結(jié)果

由圖5可以看出：摘錠的運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)光滑的不規(guī)則曲線，可以減小座管擺動(dòng)的加速度，增加摘錠工作的穩(wěn)定性。另外，在某時(shí)刻t，摘錠在采摘工作區(qū)與脫棉區(qū)的分布較密：采摘區(qū)分布3根，脫棉區(qū)分布3根。在采摘區(qū)與脫棉區(qū)分布較密有助于提高采摘與脫棉效率。摘錠初始進(jìn)入采摘區(qū)時(shí)，與工作區(qū)的夾角約為60°(采棉機(jī)水平向右運(yùn)動(dòng)，滾筒逆時(shí)針旋轉(zhuǎn))；完全進(jìn)入工作區(qū)后，摘錠與棉行約成90°，這樣既可以減少對棉珠的攪動(dòng)，又可以在摘錠垂直伸入棉鈴后有足夠的時(shí)間纏卷棉花，提高采凈率。摘錠進(jìn)入脫棉區(qū)時(shí)，與脫棉盤切線方向的夾角較小，在這樣的位置脫棉盤上的凸起更容易將纏繞摘錠上的籽棉脫下。相對位置與角度關(guān)系圖如圖6所示。

圖6　相對位置與角度關(guān)系圖

圖6中，虛線代表摘錠末端與轉(zhuǎn)盤中心這兩點(diǎn)的相對位置曲線；實(shí)線代表摘錠末端、曲拐下端與轉(zhuǎn)盤中心這3點(diǎn)所圍成角的相對角度曲線。由圖6可以看出：這兩條曲線規(guī)律變化基本一致。初始進(jìn)入脫棉區(qū)，曲線呈下降趨勢，完全進(jìn)入后曲線來到第1個(gè)波谷；離開脫棉區(qū)，曲線呈上升趨勢，完全離開后到達(dá)第1個(gè)波峰；接著，摘錠到達(dá)摘錠清潔區(qū)達(dá)到第2個(gè)波谷，之后一直到完全進(jìn)入采摘工作區(qū)，到達(dá)第3個(gè)波峰；離開工作區(qū)后呈下降趨勢，完全離開后，達(dá)到第3個(gè)波谷，之后沿著脫棉區(qū)方向上升。如此循環(huán)往復(fù)。

4基于Matlab的軌跡曲線擬合

為進(jìn)一步了解軌跡曲線的特性，筆者在ADAMS軌跡數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行曲線擬合。所謂擬合是指已知某函數(shù)的若干離散函數(shù)值{f1,f2,…,fn}，通過調(diào)整該函數(shù)中若干待定系數(shù)f(λ1,λ2,…,λn)，使得該函數(shù)與已知點(diǎn)集的差別(最小二乘意義)最小。鑒于MatLab強(qiáng)大的數(shù)學(xué)功能，筆者選擇了它作為獲取軌跡曲線的工具。本文所涉及的軌跡曲線即是利用多項(xiàng)式擬合功能進(jìn)行的，包括導(dǎo)出測量曲線數(shù)據(jù)、將“*.txt”文件導(dǎo)入到matlab中進(jìn)行分析、利用Matlab畫圖及對曲線進(jìn)行多項(xiàng)式擬合4個(gè)步驟。因?yàn)檎V軌跡為閉合的，無法得到擬合函數(shù)，所以將曲線分為兩部分，分段擬合。為達(dá)到理想擬合效果，兩部分?jǐn)M合階次均取7階，得到結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7　上半段軌跡擬合曲線

圖8　下半段軌跡擬合曲線

這組數(shù)據(jù)擬合的相關(guān)系數(shù)為95%，復(fù)相關(guān)系數(shù)(R-square)、調(diào)整自由度相關(guān)系數(shù)(Adjusted R-square)均接近于1，誤差平方和(SSE)較小，擬合度較高。

這組數(shù)據(jù)擬合的相關(guān)系數(shù)為95%，誤差平方和(SSE)較小，復(fù)相關(guān)系數(shù)或復(fù)測定系數(shù)(R-square)接近1，擬合度較高。

這些擬合數(shù)據(jù)可以用于摘錠軌跡的重構(gòu)，將其導(dǎo)入U(xiǎn)G/solidworks等建模軟件中，可以利用軌跡進(jìn)行凸輪、曲拐、摘錠長度等的再設(shè)計(jì)，在滿足軌跡要求的基礎(chǔ)上，對機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)及優(yōu)化。

此外，摘錠軌跡也可用于分析采棉機(jī)性能。在未來采棉機(jī)機(jī)構(gòu)多樣化發(fā)展的過程中，不同采棉機(jī)之間有不同的軌跡特征，通過對這些軌跡進(jìn)行分析、對比與綜合得到新的軌跡，從而得到新的采摘機(jī)構(gòu)、優(yōu)化的采摘性能。

5結(jié)論

1)通過功能論的思想方法對采頭進(jìn)行功能分析得到各部件結(jié)構(gòu)組成及功能。通過功能分析后，發(fā)現(xiàn)采棉1個(gè)周內(nèi)采摘工序涉及的功能性質(zhì)及部件數(shù)量最多，結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)形式最復(fù)雜。

2)利用UG對采頭進(jìn)行數(shù)字化建模，并根據(jù)一些原則對模型進(jìn)行了簡化，并對采頭進(jìn)行傳動(dòng)分析。

3)利用ADAMS對摘錠軌跡進(jìn)行仿真獲得軌跡曲線，得出結(jié)論：摘錠在采摘區(qū)與脫棉區(qū)分布較密，摘錠初始進(jìn)入工作區(qū)的夾角為60°，可減少對棉珠的攪動(dòng)。摘錠末端位移與角度變化隨采摘工序不同，呈周期性變化。

4)將仿真軌跡曲線數(shù)據(jù)信息導(dǎo)入MatLab獲得曲線多項(xiàng)式，擬合結(jié)果表明其擬合度較高。同時(shí)，分上下兩段對曲線進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，得到兩個(gè)階次為6的系數(shù)不同的多項(xiàng)式，分析結(jié)果可用于凸輪、曲拐、摘錠等的再設(shè)計(jì)及機(jī)構(gòu)改進(jìn)的理論依據(jù)，為摘錠運(yùn)動(dòng)規(guī)律的進(jìn)一步研究提供參考。

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Research of Spindle Trajectory Characteristic of Horizontal Spindle Type Cotton-picking Machine—Based on ADAMS and MatLab

Hong Rongrong, Sun Wenlei, Chen Yong

Abstract：Level spindle - type cotton picker is a kind of large-scale harvesting machine, which has a high precision requirement for the job. Its key components-picking monomers’ motion rationality (especially spindle) directly influences the picking performance. In view of this, They conducted a functional analysis to master its structure principle、digital modeling and transmission analysis to prepare for the trajectory simulation, Then conducted simulations with ADAMS of spindle to get trajectory, Finally imported the simulation curve data into the MATLAB to get the polynomial of trajectory .Through this, to study the regular pattern of the spindle’s motion. And then, provide a reference for improving the picking performance of the domestic cotton picker.

Key words：cotton picker; level spindle-type; ADAMS；MatLaba

文章編號：1003-188X(2016)04-0044-05

中圖分類號：S225.91+1；TH16

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：洪榮榮(1990-)，女，河南商丘人，碩士研究生，(E-mail)1498219704@qq.com。通訊作者：孫文磊 (1962-),男,新疆奎屯人,教授,博士生導(dǎo)師，(E-mail)sunwenxj@163.com。

基金項(xiàng)目：新疆科技支疆項(xiàng)目(2013911032)；新疆科技重點(diǎn)專項(xiàng)(201130110)

收稿日期：2015-04-03