小型葡萄覆土機開土刀的運動分析

徐廣晨，霍仕武，趙鳳芹

(營口理工學院 機電工程系，遼寧 營口 115014)

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小型葡萄覆土機開土刀的運動分析

徐廣晨，霍仕武，趙鳳芹

(營口理工學院 機電工程系，遼寧 營口 115014)

為了分析小型葡萄覆土機的作業性能，分別采用理論分析、SolidWorks和ADAMS軟件聯合虛擬樣機仿真分析兩種方法，對其開土刀進行了運動學分析，建立了開土裝置的運動學模型，推導出了任意開土刀上刀尖的理論運動軌跡、速度和加速度方程，并與虛擬仿真分析的結果進行比較，檢驗了機構的設計合理性和工作性能，為下一步的動力學分析提供了理論基礎。

小型葡萄覆土機；開土刀；運動分析；虛擬樣機；ADAMS

0 引言

葡萄是我國重要的經濟作物，其越冬掩埋技術是整個生產過程的一個重要環節，掩埋質量和效率的高低直接影響到葡萄的生產。葡萄越冬埋藤技術的機器化已經成為葡萄生產需要迫切解決的問題。國內外的學者對小型葡萄覆土機已經做了大量的試驗和研究工作，在葡萄的掩埋質量和效率等方面都取得了很大的進步，但對于小型葡萄覆土機的運動仿真分析研究目前還不多。小型葡萄覆土機的作業過程中，開土刀是一個關鍵部件，開土刀的開土失效會直接造成漏埋，最終導致覆土不均，作業質量過低。為了檢驗開土刀的設計是否能夠滿足設計出發點并達到工作性能，為進一步的優化設計做準備，本文以理論分析為基礎，結合ADAMS虛擬樣機技術，就小型葡萄覆土機的開土裝置在覆土過程中的運動學問題進行了探討。

1 整機結構及工作過程

小型葡萄覆土機是利用刀片的旋轉和前進的復合運動實現覆土作業，結構如圖1所示。該機主要由機架、傳動裝置、變速箱和刀座4部分組成。其中，機架選為三點懸掛式，采用傳動較為平穩的帶傳動，刀座部分由6把開土刀和6把取土刀在刀盤上均勻交錯排列構成。

1.刀座 2.變速箱 3 .帶傳動裝置 4.機架圖1 小型葡萄覆土機結構示意圖Fig.1 Sketch map of small grape covering machine

覆土機工作時，由拖拉機實現牽引，動力通過拖拉機的輸出軸經由帶傳動機構，傳遞到輸入軸，經過變速箱減速后，傳遞到刀座軸，刀座開始工作；刀座上的開土刀復合運動進行碎土，并將碎土均勻地拋到葡萄床面的覆蓋物上方，完成覆土作業。

2 開土刀的運動特性分析

小型葡萄覆土機工作時，開土刀由于前進和旋轉運動的共同作用切入土壤，土壤受到切土刀的打擊和剪切作用破碎分離后，再由取土刀拋離地面，達到了切土、拋土的目的。

以刀盤所在平面為XY面，以刀盤中心線為Z軸，建立一個相對于大地固定不動的坐標系OXYZ。同時，以刀盤盤面為X1Y1平面，以刀盤軸線為Z軸，建立一個隨刀盤一起轉動的切刀定位坐標系O1X1Y1Z1。開土刀在工作過程中，相對于坐標系OXYZ是運動的，而相對于坐標系O1X1Y1Z1是靜止的[1-3]。

本文以沿開土刀刀刃、靠近刀盤中心的端點為開土刀的空間位置，理想狀態下端點的運動軌跡為空間螺旋線[4-6]，則覆土刀盤上任意一把開土刀的位置可以用圓柱坐標表示為(Ri，θi，Zi)。任意開土刀刀刃端點的運動參數方程為

(1)

式中 xi(t)—覆土刀盤上第i把開土刀在X方向的坐標值；

yi(t)—覆土刀盤上第i把開土刀在Y方向的坐標值；

zi(t)—覆土刀盤上第i把開土刀在Z方向的坐標值；

Ri—開土刀的刀刃端點的安裝半徑；

θi—覆土刀盤上第i把開土刀的初始相位角；

ω—覆土刀盤旋轉角速度；

vk—覆土刀盤前進速度；

t—時間。

其中：R=600mm，vm=0.5m/s，ω=23rad/s。

刀片切土速度的方程可由刀片端點的位移方程求導，即

(2)

速度νi的大小和方向為

對開土刀端點的位移方程進行二次求導，可得開土刀端點在水平和豎直方向的加速度方程，即

(3)

加速度的大小的方向為

根據上述方程和各個輸入、輸出軸間的換算關系，可知輸入軸的轉速為218rad/s。利用MatLab軟件，即可得到各運動參數的變化曲線圖。圖2～圖4分別是開土刀刀尖軌跡曲線、刀尖速度曲線及刀尖加速度曲線。

圖2 開土刀刀尖軌跡曲線Fig.2 Trajectory curve of point of opening soil knife

圖3 開土刀刀尖速度曲線Fig.3 Velocity curve of point of opening soil knife

圖4 開土刀刀尖加速度曲線Fig.4 Accelerating curve of point of opening soil knife

3 基于ADAMS的虛擬樣機仿真運動分析

3.1 葡萄覆土機虛擬樣機裝配模型的建立

鑒于ADAMS建模能力有限，本文選擇在三維 SolidWorks軟件中建立葡萄覆土機的模型[7-8]。由于已知輸入軸的轉速，為方便仿真計算，本文只建立其覆土關鍵機構模型，即齒輪減速機構和覆土機構。

建造的小型葡萄覆土機的關鍵機構的虛擬裝配模型如圖5所示。

圖5 小型葡萄覆土機關鍵機構的虛擬裝配模型Fig.5 Virtual assemble model of key structure of small-grape

covering machine

3.2 虛擬樣機仿真試驗

虛擬樣機技術(Virtual Prototyping ,VP)是一種數字化制造領域的新技術，是在虛擬環境下運用CAD/CAE/CAM等技術來建立機械系統性能分析的虛擬模型。通過仿真分析來評估系統的性能，可為物理樣機的設計與制造提供有效的參數和依據[9-11]。

3.2.1 虛擬樣機仿真模型的設置

虛擬裝配模型導入ADAMS后，進行運動仿真前，還要做如下設置：

1)添加約束。選擇約束工具箱中的固定約束副(Coulter)，在刀輪基板和輸出軸間、刀盤基板和取土板間、開土刀座和取土板間、開土刀座和開土刀間分別添加固定副；選擇約束工具箱中轉動約束副(Revolute)，為輸入軸、輸出軸和變速箱底座間添加轉動副；在主工具箱中選擇移動約束副(Translational)，為變速箱底座和地面之間添加移動副；在大小齒輪間添加齒輪副(Gear)。添加完成后，各零件間的約束關系如圖6所示[12-14]。

2)添加驅動。將工具箱中轉動驅動的值修改為218rad/s,地面和輸入軸之間轉動副上的旋轉驅動設置初始值為0.5m/s。

C.固定約束副 R.旋轉約束副 G.齒輪約束副圖6 各零部件間的約束關系Fig.6 Restrain links of parts

3.2.2 虛擬樣機仿真

虛擬樣機仿真模型建立完成后即可進行仿真分析，具體步驟為[15-22]：

1)仿真設置。設置開始、結束及步長。單擊開始工具，進行模型的仿真分析。

2)任意開土刀尖的運動學參數測量。當運行過仿真分析之后，系統中自動得出各個構件之間的位置關系。因此，某個構件上的一點相對于另一個構件的軌跡也就能計算出來，并獲得其運動軌跡曲線。開土刀尖端某點在大地上的軌跡如圖7所示。

圖7 開土刀刀尖軌跡曲線Fig.7 Trajectory curve of point of opening soil knife

測量開土刀尖端點X方向、Y方向的速度和加速度，如圖8和圖9所示。

圖8 開土刀刀尖速度曲線Fig.8 Velocity curve of point of opening soil knife

圖9 開土刀刀尖加速度曲線Fig.9 Accelerating curve of point of opening soil knife

3)Post processor后處理模塊。仿真結束后，進入 ADAMS/Post processor后處理模塊，選擇所需要的曲線，可查看曲線每個位置對應的數值。

3.3 虛擬樣機仿真試驗結果分析

3.3.1 開土刀刀尖點軌跡分析

開土刀的刀尖點軌跡是指葡萄覆土機作業時開土刀相對地面走過的軌跡，如圖7所示。通過在ADAMS中的虛擬仿真試驗結果可以看出：正如理論分析計算所述，該葡萄覆土機在作業時，刀尖點走過的是一個空間的位移。其軌跡形狀為典型的直線運動和圓周運動的復合曲線，也稱為空間螺旋線，與理論分析曲線完全一致。螺旋線的回轉半徑為R，螺距表示刀具旋轉1周在Z方向上前進的距離，該值的大小與拖拉機的進給速度和覆土刀輪的轉速有關；螺距值過大，會導致覆土厚度不夠，達不到預期的覆土效果；螺距值過小，則開土刀只是簡單的刺入土壤，土體不能被送向覆土方向，有漏拋區域，無法正常完成覆土功能。由圖8、圖9中可以得出：該機的覆土節距合理，也能直接證明該小型葡萄覆土機能夠實現預定軌跡變化的要求，滿足設計出發點。

3.3.2 開土刀刀尖點速度和加速度分析

通過對開土刀速度和加速度曲線的對比分析，可看出ADAMS的虛擬仿真結果與理論計算結果一致。

開土刀相對于土壤的運動速度的大小與拖拉機牽引速度、回轉半徑和覆土刀盤的旋轉角速度有關。在牽引速度和旋轉角速度一定的情況下，速度隨回轉半徑的變化而變化。越靠近開土刀的外端，回轉半徑越大，速度也越大，因此可以適當地加大開土刀外端的強度。此外，刀尖點速度的方向沿著運動軌跡的切線，并與Z軸(牽引方向)所夾的角度保持不變。這個速度在理論上可以反映出被切削土粒的運動路徑，再加土壤自身條件的復雜多變，不利于研究開土刀與土壤之間的相互作用關系。

加速度的大小、曲線半徑和覆土刀盤的旋轉角速度有關。在旋轉角速度一定的情況下，曲線半徑與加速度成正比，曲線半徑越大，加速度越大。加速度矢量指向Z軸，在X—Y平面內。

理論與仿真分析表明：機構中開土刀的速度和加速度變化符合實際的工作要求，能夠達到設計要求的生產能力和功率。

4 結論

1)在分析小型葡萄覆土機的設計出發點和工作原理的基礎上，建立了小型葡萄覆土機開土刀上任意點的軌跡速度和加速度方程，在MatLab下獲得相應的曲線。

2)在 SolidWorks中完成了小型葡萄覆土機的關鍵機構的虛擬樣機的構建，并將其導入 ADAMS中進行運動分析，計算出小型葡萄覆土機開土刀尖端某點的運動軌跡、速度和加速度曲線。仿真分析結果與理論分析結果一致，驗證了模型的正確性和理論計算的準確性。

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Motion Analysis of Opening Soil Knife of Small Grape Covering Machine

Xu Guangchen, Huo Shiwu, Zhao Fengqin

(Department of Mechanical and Electronic Engineering, YingKou Institude of Technology, Yingkou 115014, China)

In order to analyze the small grape cover earth machine's work performance, this paper respectively adopted theoretical analysis and SolidWorks combined with the ADAMS software processing the virtual prototype simulation analysis, to processed the kinematic analysis of opening soil knife, set up the kinematics model of opening soil device, deduced the tip trajectory, velocity and acceleration equations, and with the virtual simulation results of the analysis were compared, testing the rationality of design of the mechanism and working performance and provides theoretical basis for further dynamics analysis.

small grape covering machine; opening soil knife; kinematic analysis; virtual prototype; ADAMS

2016-04-28

遼寧省教育廳科學研究一般項目(L2015551)

徐廣晨(1984-),男，遼寧營口人，講師，博士研究生， (E-mail) kanu012@163.com。

趙鳳芹(1966-)，女，遼寧朝陽人，教授，(E-mail)fqinzhao@163.com。

S224.1+49

A

1003-188X(2017)06-0064-05