農用切割機執行機構的仿真與分析

席曉燕

唐山學院 機電工程系,河北 唐山 063000

農用切割機執行機構的仿真與分析

席曉燕

唐山學院 機電工程系,河北 唐山 063000

應用ADAMS軟件對切割機執行機構進行仿真與分析，得到了鉸鏈受力曲線圖。考慮運動副的間隙，用銷孔和軸的間隙配合替換理想運動副，并添加碰撞接觸力，分析間隙大小對刀頭位移、速度、加速度的影響；考慮構件柔性對機構中典型剛性件柔性化，并分析構件的柔性對機構動力學特性的影響。結果表明：運動副間隙和構件柔性對刀頭速度、加速度影響明顯產生振蕩現象，且柔性構件使得加速度曲線在出現振蕩的基礎上峰值有所下降，緩解了切削過程中由于阻力產生的沖擊。適當改變間隙值大小在一定程度上可以降低鉸接構件的碰撞強度，改善切割機執行機構目標點刀頭的動力學響應。

ADAMS;切割機執行機構;間隙;接觸力;柔性

隨著現代農業機械加工業的發展，切割機械對切割的質量、精度要求的不斷提高，對提高生產效率、降低生產成本的要求也在提升。在切割機加工過程中，執行機構由于裝配、制造誤差及正常磨損，會使運動副間產生間隙，導致運動副元素之間可能會發生碰撞和沖擊，加劇磨損以及產生噪聲和振動[1]。文獻[2]提出了一種含間隙平面連桿機構運動精度的穩健優化設計方法。文獻[3]針對一汽輪機閥門機構分析了鉸鏈間隙、制造和裝配誤差等因素對機構動力學特性的影響。文獻[4]研究了含間隙的圓柱銷動力學模型并進行了有限元分析。文獻[5]基于仿真軟件對含間隙酒瓶裝箱機構進行了優化設計。機構在實際運行時，由于材料的特性對構件的柔性影響也不容忽視，有許多學者針對柔性連桿機構的動力學特性進行了較為深入的研究[6-9]。而對考慮運動副間隙和連桿柔性的共同影響的研究報告較少，文獻[10]基于仿真軟件平臺，采用沖擊函理論模擬間隙接觸的碰撞，研究了含間隙運動副柔性曲柄搖桿機構的動力學行為，文獻[11]同時考慮構件的柔性和運動副的間隙，對酒瓶裝箱機構進行了優化設計與動力學分析。

本文應用虛擬樣機軟件ADAMS[12-16]建立切割機執行機構的虛擬樣機模型并進行仿真分析，得到鉸鏈處受力圖。考慮運動副處間隙，用銷孔和軸的間隙配合替換理想運動副，并添加碰撞接觸力，分析了運動副間隙及間隙大小對刀頭位移、速度、加速度的影響；考慮構件的柔性對機構中受力較大的的剛性件柔性化，并分析構件的柔性對機構動力學特性的影響。

1 切割機執行機構參數化建模仿真

切割機機構簡圖如圖1所示，是由連桿機構組成，電機經過減速裝置使曲柄1轉動，再通過導桿機構使裝有刀具的滑塊5沿導路作往復運動，以實現刀具切削運動。在ADAMS中對機構進行建模，其中曲柄、導桿、連桿的創建利用ADAMS/View中的link命令創建，滑塊B用Box命令創建，滑塊E用Extrusion命令創建。建立的模型如圖2、圖3、圖4所示.

圖1 切割機機構運動簡圖Fig.1Actuator of cutter

圖2 導桿曲柄及連桿模型Fig.2 Guide rod,crank,connecting rod

圖3 滑塊2模型Fig.3 Slider No.2

圖4 滑塊5模型Fig.4 Slider No.5

完成切割機執行機構幾何實體模型后，通過添加約束副和驅動將它們依照特定的順序連接起來，以定義物體之間的相對運動。最終得到機構的虛擬樣機模型如圖5所示。

圖5 虛擬樣機模型Fig.5 Prototype model

2 考慮運動副間隙的機構動力學分析

上述建立的模型各構件之間的轉動副為理想轉動副，由于轉動副存在著間隙，機構的實際運動和理想的運動之間會產生偏差，降低機構的運動精度。如果間隙量過小會使機構的運轉不便捷，引起轉動副元素的劇烈摩擦而發熱，加速構件磨損致使間隙量變大，產生較大的噪聲從而降低了效率；如果間隙量較大會直接降低機構的運動精度。

機構是由構件通過一個個運動副連接而成的，由構件所受到的力也是通過運動副傳遞的。如何求運動副所受力，在ADAMS軟件提供了很簡便的方法。以測量轉動副C所受力為例，右擊模型JOINT_3（C）處；彈出快捷菜單后選擇JOINT_3展開項的Measure選項；打開Joint Measure對話框；點擊Component的mag鈕，此為測量其絕對受力，如圖6所示，得到的轉動副C受力變化曲線如圖7所示。

圖6 測量轉動副受力窗口Fig.6 Window force diagram of the revolute pair

圖7 轉動副C受力變化曲線Fig.7 Force variation of the revolute pair C

按照如上步驟測量每一個轉動副在仿真時的受力變化。所有鉸鏈在整個仿真過程中的受力曲線匯集放大后如圖8所示。

圖8 各個轉動副受力曲線Fig.8 Force diagram of revolute pairs

圖9 建立銷軸-孔模型Fig.9 Model of pin and hole

圖8中在一個運動周期內，每條曲線在5處均有速度突變，這正是滑塊5受力對整個機構造成的顯著影響。從圖中讀出每條曲線的最大值，即為相對應轉動副在仿真過程中受到的最大力。從圖8中可以得出，在仿真過程中轉動副C受力最大，因此在此處重新建立帶有間隙的銷軸和孔，并添加接觸力CONTACT力來反映間隙接觸的碰撞力，建立的銷軸-孔模型如圖9所示，得到含間隙模型切刀的位移、速度、加速度曲線，與不含間隙模型比較得到如圖10～15所示。

圖10 不含間隙時滑塊位移曲線Fig.10 Displacement curve without clearance

圖11 含間隙時滑塊位移曲線Fig.11 Displacement curve with clearance

從圖10和圖11中兩條曲線十分接近，這說明含間隙運動副對滑塊的位移影響不大，原理上由于位移從曲柄處傳遞到導桿后，在導桿上進行傳遞軸銷與軸孔間存在著間隙，這種間隙在運動時隨運動鏈傳遞到了滑塊并對其位移造成影響，但同時由于間隙很小，軸銷和軸孔每次撞擊時間極短，位移變化得不到累積，所以間隙對目標滑塊快位移影響并不明顯。

圖12 未含間隙時速度曲線 Fig.12 Speed curve without clearance

圖13 含間隙時速度曲線Fig.13 Speed curve with clearance

對于是否存在運動副間隙，速度曲線對比比較鮮明，從圖14和圖15中可以看出：考慮轉動副間隙后，含間隙的刀頭速度在其理想理論值附近震蕩，是因為轉動副間隙的存在，是伴隨著軸銷與軸孔碰撞、分離再碰撞、再分離，每一次碰撞都會造成速度的突變并實時不衰減地傳遞給滑塊。

圖14 不含間隙時加速度曲線Fig.14Acceleration curve without clearance

圖15 含間隙時加速度曲線Fig.15Acceleration curve with clearance

由于加速度是速度與時間的比值，所以加速的曲線相比速度曲線其振蕩的還要激烈。如圖14和圖15所示，加速度產生了明顯的變化，這是因為加速度傳遞到間隙位置后，在多個方向上產生了分量，導致了最后傳遞到刀頭時，發生了較大變化。

以上仿真、分析、對比是切割機機構樣機模型導桿上間隙為0.05 cm的分析。通過修改銷軸或銷孔的半徑，將間隙變為0.255 cm時，得到加速度曲線如圖16所示。從圖15和圖16中可以看出轉動副間隙為0.05 cm時的刀頭加速度峰值高于轉動副間隙為0.025 cm時的峰值，相反的轉動副間隙為0.05 cm時的滑塊加速度頻率低于轉動副間隙為0.0025 cm時的頻率。

綜上所述，可見運動副間隙對于本文中的切割機構樣機模型目標點刀頭有著不可避免的影響。間隙雖然對滑塊的位移影響甚小，可以忽略，但對其速度和加速度影響明顯。隨著間隙的增大，滑塊的速度突變峰值增大，但其頻率卻隨著間隙的增大而降低。由于間隙的存在影響著機構目標的運動精度，而且可能因此造成機構的振動加劇，所以現實中要對轉動副的間隙加以限制。

圖16 間隙為0.05 cm時滑塊加速度曲線Fig.16Acceleration curve with clearance of 0.05 cm

圖17 考慮柔性體時刀頭位移曲線 Fig.17 Displacement curve of flexibility bar

圖18 考慮柔性體時刀頭速度曲線Fig.18 Speed curve of flexibility bar

3 考慮構件柔性的機構動力學分析

本文的切割機樣機模型，先前創建的模型其構件均為剛性構件，也就是說受力沒有考慮變形。考慮構件材料特性及運動及受力特性，構件的柔性不可忽視，因此在ADAMS中建立典型構件的柔性體模型并進行動力學分析，需要將其中典型構件轉變為柔性體，用以研究構件受力變形對機構目標點的運動特性影響。根據鉸鏈受力圖8將機構中受力較大的鉸鏈C相連的導桿3柔性化，具體操作通過選擇菜單中Build中的Flexible Bodies展開項的Discrete Flexible Link將導桿3柔性化，再添加約束后，將有柔性體的模型中的滑塊速度、加速度、位移曲線與理想狀態下的相比較，得到如圖17～19所示。

圖19 考慮柔性體時刀頭加速度曲線Fig.19Acceleration curve of flexibility bar

對比圖10和圖17，可以看出，含柔性體的運動副對刀頭的位移曲線影響不大，只是在局部有輕微的振蕩，但也會影響被加工工件的表面質量。對比圖12和圖18，可以看出，考慮柔性構件時刀頭速度曲線出現明顯振蕩，明顯影響到被加工工件的表面質量。對比圖14和圖19，可以看出考慮構件柔性時刀頭加速度曲線振蕩現象十分明顯，但峰值有所下降，說明柔性構件從某種程度上對切削過程中產生的沖擊有所緩解，為機構結構設計及選材方面提供了可參考價值。

3 結論

本文基于虛擬樣機ADAMS平臺對農用切割機執行機構進行了建模仿真，分析了運動副間隙和柔性構件對機構運動學和動力學的影響。

(1)考慮運動副間隙，并添加非線性碰撞接觸力來反映構件接觸處的碰撞接觸力與位移關系，分析了運動副間隙及間隙大小對機構動力學特性的影響，通過適當改變間隙值大小在一定程度上可以降低鉸接構件的碰撞強度，改善切割機執行機構目標點刀頭的動力學響應。

(2)考慮構件柔性時，位移、速度曲線出現振蕩，加速度曲線在出現振蕩的基礎上峰值有所下降，緩解了切削過程中由于阻力產生的沖擊。

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Simulation andAnalysis on Running Mechanism ofAgricultural Cutter

XI Xiao-yan
Department of Mechanical Engineering/Tangshan University,Tangshan 063000,China

The hinge force curves were obtained through the simulation and analysis of the actuator based on ADAMS. Considering the kinematic clearance,replaced the ideal kinematic pair between the pin hole and the shaft,and added crash contact force,analyzed the influence of clearance gap size on tool head displacement,speed and acceleration.The influence of the component flexibility on the dynamic characteristics of the mechanism was analyzed.Results showed that Kinematic clearance and component flexibility had the obviously oscillatory occurence on cutter head speed and acceleration.The flexible component caused the peak value of the acceleration curve to decrease on the basis of the oscillation,and the impact of the resistance during the cutting process was relieved.Changing the clearance could reduce articulated member impact strength to some extent and improve the cutting machine execution mechanism dynamic response of the target point cutter head.

ADAMS;agricultural cutter actuator;clearance;contact force;flexibility

TB486;TS261.3

:A

:1000-2324(2017)03-0355-05

2016-11-14

:2017-03-15

河北省科技廳資助項目(16221923)

席曉燕(1979-),女,副教授.主要從事機械動力學、機械設計及理論教學與研究.E-mail:xixiaoyan@163.com