基于ADAMS的擺環(huán)機構(gòu)運動仿真分析

周偉權(quán) 史增錄 張絹 趙守瑞 白圣賀

摘要：擺環(huán)機構(gòu)是實現(xiàn)往復(fù)式切割器運動的一種典型傳動機構(gòu)。運用Solidworks軟件對擺環(huán)機構(gòu)進行建模設(shè)計，介紹其結(jié)構(gòu)及工作原理。通過ADAMS軟件對擺環(huán)機構(gòu)進行模擬仿真，研究其傳動方式和運動規(guī)律，獲得割刀在往復(fù)運動方向上的位移、速度、加速度等運動曲線，為農(nóng)、牧業(yè)收獲機械中擺環(huán)機構(gòu)的設(shè)計分析提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：擺環(huán)機構(gòu)；運動仿真；造型設(shè)計；ADAMS

中圖分類號：S220.39 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）07-0019-03

聯(lián)合收獲機械的切割裝置分為往復(fù)式和圓盤式兩種。其中，往復(fù)式切割器的驅(qū)動部件有曲柄連桿機構(gòu)、擺環(huán)機構(gòu)、行星齒輪機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)和雙飛輪機構(gòu)等。這些傳動機構(gòu)的共同特點是把回轉(zhuǎn)運動變成割刀的平面往復(fù)直線運動。擺環(huán)機構(gòu)作為一種運動轉(zhuǎn)換部件，起著與曲柄連桿機構(gòu)相同的作用，即將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為往復(fù)運動。且有較曲柄連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定、噪聲小的優(yōu)點，故被廣泛應(yīng)用于需進行運動轉(zhuǎn)換的機具。

利用Solidworks進行擺環(huán)機構(gòu)建模，并運用ADAMS軟件對擺環(huán)機構(gòu)進行仿真分析，得出擺環(huán)機構(gòu)的相關(guān)數(shù)據(jù)，旨在為擺環(huán)機構(gòu)的設(shè)計和研究提供依據(jù)。

1 擺環(huán)機構(gòu)結(jié)構(gòu)與工作原理

利用Solidworks完成擺環(huán)機構(gòu)的虛擬裝配，其機構(gòu)如圖1所示，主要由主軸，擺環(huán)，擺軸，擺桿和導(dǎo)桿等零件組成。

為更直觀地表達擺環(huán)機構(gòu)的詳細結(jié)構(gòu)，其模型爆炸視圖如圖2所示。擺環(huán)機構(gòu)是一種由裝在主軸上的擺環(huán)通過擺軸把回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)運動的機構(gòu)。軸套套在主軸上，主軸旋轉(zhuǎn)帶動軸套轉(zhuǎn)動，軸套與軸承內(nèi)圈相連，軸承外圈帶動擺環(huán)轉(zhuǎn)動，擺環(huán)擺動時通過擺軸擺桿帶動導(dǎo)桿，從而驅(qū)動割刀進行往復(fù)運動。

2 擺環(huán)機構(gòu)的運動特性

割刀的運動特性對切割器性能有直接影響。往復(fù)式切割器工作時，動刀片在擺環(huán)機構(gòu)的驅(qū)動下做橫向往復(fù)直線運動。圖3是擺環(huán)運動示意圖，從正面看過去，擺環(huán)的中心為O，半徑等于OA′，它以傾角ɑ剛性地固連于水平主動軸上，隨軸一起做等速旋轉(zhuǎn)，角速度為ω；在W面上，擺環(huán)的投影為一橢圓，并隨主動軸（其投影聚集于點）一同以角速度ω旋轉(zhuǎn)運動。

擺環(huán)機構(gòu)的割刀位移方程式為：x=-σrcosωt

擺環(huán)機構(gòu)的割刀速度方程式為：Vx=μrωsinωt

擺環(huán)機構(gòu)的割刀加速度方程式為：αx=γrω2cosωt

式中：x為割刀位移；Vx為速度；αx為加速度；σ，μ，γ皆為擺環(huán)偏角ɑ和rω的函數(shù)。

在擺環(huán)偏角≦15°時，擺環(huán)機構(gòu)與曲柄連桿機構(gòu)的割刀運動規(guī)律類似。當ɑ角大于25°時，則αx較曲柄連桿機構(gòu)有明顯的差異，即αx在一個周期內(nèi)出現(xiàn)兩個高峰，使機器振動加劇。故一般取擺角ɑ=15～18°。

3 擺環(huán)機構(gòu)的仿真分析

3.1 機構(gòu)創(chuàng)建

利用三維建模Solidworks軟件對機構(gòu)進行建模，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口將模型保存為Parasolid（X_T）格式，并導(dǎo)入到ADAMS中，完成仿真分析模型創(chuàng)建，如圖4所示。對導(dǎo)入到ADAMS中擺環(huán)機構(gòu)的虛擬樣機進行各部件布爾操作、重命名、添加材料屬性等編輯。此外，由于導(dǎo)桿在實際運動中存在彈性變形，故在虛擬樣機中將導(dǎo)桿做為柔性部件進行仿真分析。

3.2 添加約束與載荷

虛擬樣機構(gòu)建完成后，利用ADAMS軟件中的主工具箱中的約束功能，按照機構(gòu)的實際狀態(tài)將各個構(gòu)件進行約束添加。添加完成的約束如表1所示。

根據(jù)擺環(huán)機構(gòu)的設(shè)計要求，以主軸轉(zhuǎn)速500 r/min作為其動力輸入速度，并在在虛擬樣機的機架與主軸之間的旋轉(zhuǎn)副上施加驅(qū)動載荷。

3.3 仿真分析

根據(jù)收割機的傳動比計算出主軸的轉(zhuǎn)速為500 r/min。在ADAMS添加驅(qū)動并設(shè)置其轉(zhuǎn)速，進行機構(gòu)運動仿真，設(shè)置仿真時間End time為0.25 s，仿真步數(shù)為200，分析動刀片的運動規(guī)律。

從圖5可以看出割刀在x軸上的移動變化特性：最大位移為655 mm，最小位移為565 mm，行程為45 mm，在X軸做周期為0.12 s的往復(fù)間諧振動，滿足設(shè)計最初設(shè)計行程的要求。

圖6是割刀在x方向上的速度變化曲線。由曲線可以看出，割刀在往復(fù)運動完成1次切割時，位移速度變化范圍在-2.5～2.5 m/s之間，滿足切割要求。

圖7是割刀的加速度變化曲線。由于導(dǎo)桿為柔性體，在開始受力時因存在塑性變形而受力不均，加速度突變不穩(wěn)定，故從穩(wěn)定后開始分析，確定其加速度變化范圍是-112.8～120.0 m/s。

對照圖5—7可以看出，當割刀的行程達一半時，速度最大，加速度為0 mm/s；在割刀行程最大時，其速度為0 m/s，但加速度最大，符合理論計算模型。

4 結(jié)論

運用三維建模軟件Solidworks對擺環(huán)機構(gòu)進行造型設(shè)計，概述擺環(huán)機構(gòu)的構(gòu)造、工作原理，分析其運動特性，通過仿真軟件ADAMS對擺環(huán)機構(gòu)的情況進行模擬仿真，研究割刀在往復(fù)運動方向上的位移、速度、加速度變化曲線，獲得割刀運動參數(shù)，為今后擺環(huán)機構(gòu)的設(shè)計計算提供分析方法。

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