基于ADAMS根基土樣破碎器的設計與仿真研究

李亞麗，湛小梅，崔晉波，曹中華

（重慶市農業科學院，重慶 401329）

植物根基土樣的研究需要土壤顆粒直徑在0.1～10 μm 的超細粉體，將土壤破碎為所需的超細粉體及相應的破碎技術可稱超細破碎[1]。隨著工業的快速發展，超細破碎作為一門新技術也在迅速發展。超細破碎大多用在藥物的使用，藥物可通過超細破碎機械使其超細化，使物質的界面性能和表面性能同時發生變化，但物質的化學成分不會被改變，從而達到一般物質粉體所無法達到的超常使用效果[2]。

目前在生態技術領域所采集的植物根部土樣或者是各種試樣等都是采集完送到實驗室進行各種分析和技術處理以獲取相應的實驗數據，這其中許多的試樣需要進行粉碎處理，許多實驗室所采用的破碎機械都是利用垂片式刀具或者是旋轉的錘子敲擊的粉碎方法，采用這種方式進行粉碎的機具結構比較復雜，維修起來比較困難，而且對整機的密封條件要求極高，因此這種結構的破碎機械價格普遍較高，并且這種破碎機械對刀具的材料要求極高，這些問題給實驗帶來了許多的不便，造成不必要的經濟損失。國內外制備超細粉體的機械粉碎設備主要有高速機械沖擊式磨機、氣流磨、介質攪拌磨、振動磨等[3-8]。其中，高速機械沖擊式磨機和氣流磨屬于干法超細粉碎設備，而介質攪拌磨和振動磨既可用于干法超細粉碎也可作為濕法超細粉碎[9]。陳宇紅進行的黃芪超細粉碎試驗，使用功率為1.5 kW、頻率為90 Hz 的REGAKU 高頻振動磨，主要是通過正向壓力和剪切力的聯合作用對黃芪進行破碎[10]，由于初期破碎時的速度較快，物質的分布范圍會收縮，破碎后期分布范圍會加大，且高頻振動磨的成本較高。李成華和曹成奎進行的黑木耳超微粉碎試驗，采用額定功率為1.5 kW 的ZM-2 型振動磨，主要是將物料和磨介質裝于由彈簧支承的粉碎筒體內，電機通過撓性聯軸器驅動偏心激振器產生擾動力，驅動粉碎筒體高頻振動，使筒體內的物料和磨介質產生拋射、沖擊、剪切、摩擦和旋轉運動而被粉碎[11]。由于以上的超細破碎機械，破碎物質的過程中機械會受到強烈的沖擊、碰撞、摩擦等作用，不僅降低了設備的使用壽命，又對產品造成了污染，且大多數破碎機械被廣泛應用于高檔涂料、醫藥、高技術陶瓷、微電子及信息材料、高級耐火及保溫材料、填料和新材料產業等[12]，價格較高，目前暫缺適宜用于小型科研如土壤研究等的價格不高的超細破碎機械。

本文設計一種根基土樣破碎器，以解決目前生態技術領域對土壤分析時土壤粒度問題。采用CATIA 軟件對根基土樣破碎機進行三維建模，并借助ADAMS軟件對所建模型進行仿真分析，提高根基土樣破碎器的鉸鏈四桿機構可靠性，合理匹配破碎器，達到根基土樣破碎的標準。

1 結構組成及工作原理

1.1 設計思路

1）偏心板和搖臂的長度均不能太大，盡量減小根基土壤破碎器的整體結構尺寸；

2）要保證破碎器在破碎根基土壤時偏心板不能反轉，以免破壞電動機；

3）要保證碎土罐中的鋼珠高速往復運動將根基土壤超細破碎；

4）要保證偏心板轉動靈活；

5）偏心板和搖臂要有足夠的強度和硬度；

6）要保證其結構簡單，方便維修維護；

7）要適用于各種物料，粉碎比大，能干法生產也能濕法生產；

8）要保證有很好的密封性，可防止粉塵飛揚；

9）盡量減小整體的能量消耗。

1.2 結構組成

如圖1 所示，根基土壤破碎器主要由機架、電動機、偏心板、連接板、搖桿和碎土罐等部件組成，其中碎土罐由密封蓋、托網和碎土研磨球等部件組成，且密封蓋與碎土罐之間采用螺紋連接。機架與搖桿通過搖桿中部的孔連接由擋圈限定其位置，搖桿的一端與碎土罐通過銷釘連接，碎土罐可以活動其通過限位卡與搖桿固定，搖桿的另一端與連接板的一端相連，連接板的另一端與偏心板的一端連接，偏心板的另一端與電動機連接，電動機通過螺栓連接于機架后部。

圖1 根基土樣破碎機結構圖

1.3 工作原理

生態要素采集器采集的根基土樣放入碎土罐中，當電動機通電運轉的時候，偏心板作旋轉運動，偏心板帶動連接板作往復式運動，連接板帶動搖桿作往復式擺動，由于碎土罐與搖桿連接，因此碎土罐往復運動，鋼球在碎土罐里高速往復運動，在碎土罐內與土塊碰撞以達到粉碎的作用。碎土罐的一個連接孔與搖桿通過銷釘連接，另一個連接孔由限位卡固定。當要粉碎土塊時，首先按下限位卡，將碎土罐轉到豎直方向，然后加入土塊，蓋緊密封蓋，將其恢復到原始的位置，放開限位卡，在彈簧的作用下使限位卡回到原來的位置固定碎土罐，粉碎完采取同樣的方式，只是在此時打開下方的密封蓋，由于有托網，鋼珠不會落出。

2 關鍵零部件的設計

2.1 碎土罐設計

碎土罐是根基土樣破碎器的關鍵部件，其主要作用是將生態要素采集器采集的根基土樣放入碎土罐中，作往復運動可將土塊超細破碎。如圖2 所示，碎土罐主要由密封蓋、托網和碎土研磨球等組成，碎土罐的兩端設置密封蓋，密封蓋上設有托網，密封蓋與碎土罐體之間采用螺紋連接，其內部設有碎土研磨球，碎土罐可以活動其通過限位卡與搖桿固定。

圖2 碎土罐結構圖

碎土罐的罐體材料為45 鋼，其半徑為60 mm。為了保證土塊在碎土罐中能夠快速有效地被粉碎，碎土罐中放有大小相等的碎土研磨鋼球，鋼球的直徑為25 mm。鋼球的直徑太小與土塊的接觸面積小，不利于土塊的超細粉碎；鋼球的直徑太大，鋼球之間及鋼球與罐體之間的碰撞面積增大，碎土罐的損傷就增加。密封蓋上托網的作用是漏掉被粉碎的土壤，使鋼珠不會下落及對其往復運動時有彈力，可以加快鋼球往復運動的速度，使鋼球與土塊高速碰撞，可加快土塊的粉碎。

2.2 搖桿設計

如圖3 所示，搖桿為“S”形，其頭部為“ㄈ”形，設有與碎土罐連接的孔，在頭部設有限位卡和復位彈簧。

圖3 搖桿結構圖

3 建立數學模型對破土器進行分析

所研制的根基土樣破碎器是一個四桿機構，采用礦山機械中利用鋼球粉碎的原理，將其運用到小型粉碎機械上來從而研制出的一種新的小型粉碎機械。如圖4 所示為根基土樣破碎器的運動分析簡圖，在圖中OA桿為偏心板，作為主動件且角速度為ω，AB桿是連桿，一端與偏心板鉸接，另一端與搖桿BC中間部分鉸接，對于破土罐安裝在搖桿BC的端部，分析破土罐作往復運動時的最大速度，在最大速度時破土鋼珠的運動最快，且對土塊的破碎效果最好。

圖4 根基土樣破碎器的運動分析圖

依據圖4 進行設定，四桿機構中各桿的長度分別為l1=72 mm，l2=160 mm，l3=260 mm，l=320 mm，l4=300 mm，偏心板以角速度ω=180 rad·s-1作勻速轉動。可將鉸鏈四桿機構看作為一個封閉多量多邊形[13-16]，分別以l1、l2、l3、l4表示各構件的矢量，θ1、θ2、θ3表示圖4 中的三個角，該機構的封閉矢量方程式以復數形式表示為：

規定角θ應以x軸的正向逆時針方向度量，按照歐拉公式eiθ=cosθ+isinθ展開可得

方程式（2）的實部和虛部應分別相等，即

消去θ2后可得

（5）式中θ3有兩個值，說明搖桿BC在作往復運動時會與x軸有兩個不同的夾角，是根據搖桿BC的初始位置和連續運動條件來決定的[17]。

將式（1）對時間求導可得

為了消除θ2，將式（6）的兩邊同時乘以可得

按照歐拉公式展開后，取實部可得搖桿BC的角速度ω3，即

將式（6）對時間再求導數可得

為了消除α2，將式（9）兩邊同時乘以可得

對上式中兩邊分別取實部可得搖桿BC的角加速度α3，即

角加速度的正、負號可表明角速度的變化趨勢，角加速度與角速度同號時表示加速，反之則為減速[18]。

應用數學方式對以上各式進行求解，方法如下：

由角位移方程式組（3）可求得非線性方程組，即

借助MATLAB 自帶的fsolve 函數分別繪出BC搖桿的角速度ω3、角加速度α3與時間t的關系圖。

則有BC端點F點處碎土罐的位移方程

將方程（13）對時間求一階導數，得BC端點F點的速度方程，即

則F點碎土罐的線速度為

4 ADAMS仿真分析

為了提高根基土樣破碎器的鉸鏈四桿機構在ADAMS中仿真分析[19-20]的可靠性，建模時應該遵循的原則如下。

1）采用從簡單到復雜機構分析的漸進模式方法。在仿真建模的初始階段，要保證鉸鏈四桿機構中各鉸點位置、質心位置及各部件質量的正確性。

2）對復雜機構進行仿真分析時，應將整個系統分解為若干個子系統，首先對各子系統進行仿真分析，最后進行整體系統的仿真分析。

3）ADAMS 軟件對虛擬樣機仿真分析[21-22]應該盡量降低其規模，只考慮影響根基土樣破碎器性能的構件。

在ADAMS 環境中建立根基土樣破碎器四桿機構ADAMS 模型，其主動曲柄長度為72 mm，角速度為180 rad·s-1，主動曲柄長與水平地面的初始夾角為83.72°；連桿長度160 mm，機架桿長300 mm，搖桿BC長度260 mm，CF長度320 mm。整個機構有四個轉動副和1 個馬達，分別在主動曲柄與機架之間建立轉動副，在主動曲柄與連桿之間建立轉動副，在連桿與搖桿之間建立轉動副及搖桿與機架之間建立轉動副，在主動曲柄與機架之間的轉動副上建立馬達[23]。

根基土樣破碎器通過與破碎罐接觸的搖桿末端來反應該四桿機構的運動特性，其隨時間搖桿末端的垂直方向位移變化曲線如圖5 所示。可知四桿機構破碎運動曲線先下滑，在0.18 s 處達到極值，隨后開始上揚，整體呈現往復式運動規律[24]，完成一個周期時間為0.50 s。其整體在垂直方向的位移量變化較為平緩，最大高度差為60 mm，避免了碎土研磨球將土壤夯實在托網上，難以分篩。

圖5 四桿機構仿真運動位移變化曲線

5 結論

1）根據對碎土標準和便于維護等方面的考慮，本文設計了根基土樣破碎器，并重點對碎土罐、搖桿等關鍵零部件進行了分析，認為能夠解決根基土壤超細粉碎的要求，可為破碎機的研發提供依據。

2）根據根基土樣破碎機四桿機構的設計，借助MATLAB 自帶的fsolve 函數分別繪出搖桿的角速度、角加速度與時間的關系，也確定了其線速度方程，得到最大線速度。

3）仿真結果證明，該破碎罐垂直方向進行拋物線式往復運動，一個運動周期為0.5 s，最大運動高度差為60 mm，趨勢較為平緩，可有效降低土壤夯實過緊的問題。基于ADAMS 參數化分析法對復雜運動機構的優化設計更加高效和便捷，為物理樣機的研制提供了參考。