基于ADAMS的工業大麻輸送機構參數優化*

譚理，紀愛敏，黃繼承，2，田昆鵬，2

(1. 河海大學機電工程學院,江蘇常州,213000; 2. 農業農村部南京農業機械化研究所,南京市,210014)

0 引言

目前,4MD-160工業大麻收割機在進行輸送過程時常出現工業大麻莖稈破損和莖稈折斷問題。輸送過程作為整個收獲過程的關鍵工序,其收獲質量要在可接受的水平之上。因此,如何減少輸送過程中莖稈的碰撞損傷現象,對提高收獲質量有重要意義。

國內對于工業大麻輸送過程的研究較少,還未形成核心技術,往往需要參考其他高稈作物輸送過程的研究。張宗玲等[1]進行了玉米穗莖稈與收割臺的切割夾持輸送裝置的剛柔混合系統動力學仿真分析,得到割刀與夾持點水平距離和果穗生長方向對結穗點位移的影響規律;在此之后張宗玲等[2]以夾持輸送鏈夾角、輸入軸鏈輪速度、割刀安裝位置及機器作業速度為試驗因素,進行了4因素3水平正交旋轉組合田間試驗,優化后果穗損失率降低了2.4%;耿端陽等[3]設計了一種間隙夾持輸送裝置,通過正交試驗得到了影響夾持輸送質量的三個主次因素;黃繼承等[4]利用中心組合試驗設計理論對關鍵部件作業參數試驗與優化,研究工業大麻收割機的切割-輸送部件的結構參數和作業參數對切割效率,輸送率的影響規律,并得出了最優作業參數;現階段對于高稈作物高質量輸送的研究,主要集中在最終的輸送成功率或輸送損傷率是否提高或降低,并未分析輸送過程中導致碰撞損傷的影響因素為何,而且研究中的田間試驗受到作物收獲季節性限制。

因此,本文對輸送過程中工業大麻莖稈受力情況進行分析,確定碰撞損傷現象產生的影響因素。后結合工業大麻莖稈物理特性構建莖稈-輸送機構剛柔耦合模型,并進行正交試驗以及方差分析,獲得影響因素對工業大麻輸送過程碰撞損傷現象的影響顯著性和影響規律,以及最優作業參數組合。

1 水平輸送機構

1.1 工作原理

割臺是工業大麻收割機的關鍵部件,其結構參數及工作參數是影響輸送作業質量的關鍵,結構如圖1所示。主要由雙動刀往復切割器、撥禾扶禾器、下水平輸送鏈、上水平輸送鏈、液壓馬達、擋板、上壓簧、下壓簧、割刀罩等組成。收獲作業時,撥禾扶禾器將割臺前方的工業大麻不斷引導至雙動刀往復切割器處切斷,切斷后的工業大麻莖稈被上水平輸送鏈,下水平輸送鏈,上壓簧,下壓簧構成的輸送機構強制輸送至割臺的另一側,最終被割臺排出。

圖1 割臺結構

輸送機構中水平輸送鏈由長撥齒鏈節、中撥齒鏈節、短撥齒鏈節以及中撥齒鏈節按順序連接而成,其結構如圖2所示。

圖2 水平輸送鏈結構

壓簧為金屬材質的細長彎桿,按功能可分為固定部分、引導部分和壓緊部分,其結構如圖3所示。壓簧的固定部分被緊固在撥禾扶禾器上,以保證工作時不發生偏移。引導部分起到將莖稈引導至輸送機構的作用。壓緊部分作業時將莖稈緊壓在水平輸送鏈上,起到穩定輸送的作用。該裝置可以進行夾持高度和夾持力度調整,便于對高低、粗細不一的莖稈進行夾持輸送。

圖3 上壓簧結構

1.2 輸送過程力學分析

以圖1中割刀罩的水平上表面為基準平面,將輸送過程中莖稈與水平輸送鏈以及壓簧的接觸點水平面根據與基準平面間垂直距離由近到遠依次劃分為Ⅰ面,Ⅱ面,Ⅲ面和Ⅳ面,其垂直距離分別為l1,l2,l3和l4。各個面分布如圖4所示。

圖4 水平面分布

以Ⅰ面,Ⅱ面作為莖稈受力分析平面,其俯視視角下莖稈受力情況如圖5所示。可以看出:莖稈與水平輸送鏈中兩個相鄰鏈節相接觸,與壓簧的壓緊部分接觸,并且在其接觸點A,B,C處受到正壓力FAn,FBn,FCn和摩擦力fA,fB,fC。

圖5 莖稈在鏈節間,壓簧上的受力情況

輸送過程中莖稈所受水平外力如圖6所示,為保證莖稈穩定輸送,不發生傾倒,莖稈所受水平合外力及合外力矩需為零。以基準平面上的接觸點A為取矩點,水平外力應滿足式(1)。

圖6 莖稈在輸送機構中的受力示意圖

(1)

式中:FⅠ、FⅡ、FⅢ、FⅣ——莖稈在Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ面內受到的水平合力,N;

l1、l2、l3、l4——取矩點A到Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ面上的垂直距離,mm。

根據式(1)可知,輸送機構對莖稈的作用力F與位置參數l有關。

2 動力學模型

若輸送過程仿真模型中的莖稈為剛體簡化模型,則仿真分析將產生較大誤差。因此本文聯合應用SolidWorks 2016,Ansys 2017及Adams 2020建立莖稈-輸送機構的剛柔耦合模型并進行輸送仿真。

在建立仿真模型前,先做如下假設:(1)水平輸送鏈的運動狀態為勻速直線運動;(2)莖稈被夾持后在前進方向速度與輸送機構前進方向速度相同;(3)莖稈在輸送方向初速度與水平輸送鏈速度相同,并且喂入姿態為直立狀態。

2.1 輸送機構模型建立

輸送機構模型的建立和裝配采用SolidWorks。為了減少后續Adams計算量,建模時對模型進行必要簡化。僅保留割臺的上、下水平輸送鏈和上、下壓簧。簡化后的輸送機構模型另存為.x_t格式的文本文件,并在Adams中導入該文件。其輸送機構模型在Adams中如圖7所示。

圖7 簡化后輸送機構模型

2.2 莖稈柔性體模型建立

工業大麻莖稈可視為正交各向異性材料[5],結合復合材料工程常數關系式[6]得到莖稈整稈的材料屬性參數,如表1所示。利用SolidWorks和Ansys聯合建立長度為3 000 mm,底部直徑為21.18 mm,底部內徑為10.53 mm的莖稈整稈三維模型。

表1 工業大麻莖稈整稈材料屬性Tab. 1 Industrial hemp stalk whole stalk material properties

劃分網格后莖稈的有限元模型如圖8所示。利用Ansys中的Export to Adams功能將莖稈模型導出為Adams可識別的MNF文件。

圖8 部分莖稈柔性體模型

將MNF文件導入至Adams后,將莖稈置于待輸送位置。最終得到剛柔耦合動力學模型如圖9所示。

圖9 剛柔耦合動力學仿真模型

2.3 添加約束

根據假設(1)和假設(2),輸送鏈節可視為勻速直線運動,因此采用直線副,其方向為水平且垂直于前進方向。在輸送過程中莖稈前進速度與輸送機構速度一致,輸送過程可視為莖稈在輸送機構中由一側運動至另一側,因此壓簧采用固定副,如表2所示。

表2 運動副添加Tab. 2 Sports vice addition table

2.4 添加接觸

添加完約束后,還需要設定碰撞接觸力的碰撞參數。在Adams中有兩種計算接觸力的方法:Impact函數法和恢復系數法。而在連續型接觸條件下使用Impact函數法效果更好[7]。因此采用Impact函數法定義輸送機構中各零部件與莖稈之間的碰撞接觸力[8-10]。Impact函數表達式[11]如式(2)所示。

(2)

式中:x0——兩個要碰撞物體的初始距離,mm;

x——兩個物體碰撞過程中的實際距離,mm;

dx/dt——兩物體相對速度,mm/s;

k——剛度系數,N·mm-3/2;

e——碰撞指數;

cmax——阻尼系數,N·s·mm-1;

dmax——切入深度,mm。

式(2)中剛度系數k通常采用Hertz彈性碰撞模型理論公式計算[12]。

(3)

ρ=ρ1·ρ2/(ρ1+ρ2)

(4)

E*=E1·E2/[E1(1-μ22)+E2(1-μ12)]

(5)

式中:ρ——綜合曲率半徑,mm;

E*——綜合彈性模量,MPa;

ρ1、ρ2——兩物體碰撞處的曲率半徑,mm;

E1、E2——兩物體的彈性模量,MPa;

μ1、μ2——兩物體的泊松比。

碰撞指數e為材料的非線性程度,其推薦值取2;最大阻尼系數cmax表征碰撞過程能量的損失,其值一般設置為剛度系數的0.1%～1%。切入深度dmax代表最大阻尼時的侵入深度,其值取0.1 mm[11]。最終碰撞參數設置如表3所示。

表3 Impact模型碰撞參數設置Tab. 3 Impact model collision parameter settings

在Impact函數中,摩擦力由Coulomb模型確定,即摩擦力大小為作用在物體上的正壓力與摩擦系數的乘積。其摩擦系數可分為靜摩擦系數μs和動摩系數μd,靜摩擦系數和動摩擦系數與兩接觸物體的材料屬性以及表面的粗糙程度等因素有關[7]。本文參考孟慶軍[13]對木材與金屬之間摩擦系數研究,具體參數設置如表4所示。

表4 Coulomb模型參數設定Tab. 4 Coulomb model parameter settings

3 仿真分析

3.1 試驗方法

仿真試驗主要研究輸送機構的結構參數以及工作參數對莖稈碰撞損傷的影響。通過正交試驗和方差分析得出各因素對評價指標的影響趨勢。最終總結各因素對評價指標的影響規律。結合莖稈穩定輸送式(1),Impact函數表達式(2),將位置參數中的上水平輸送鏈位置l4,下水平輸送鏈位置l2,上壓簧位置l3和工作參數中的輸送速度v作為影響因素,分別用A,B,C,D代表。

3.2 評價指標

輸送時,莖稈與輸送機構發生接觸,接觸所產生的擠壓應力σ計算如式(4)所示。

(6)

式中:F——正壓力,N;

A——正壓力作用面的面積,mm2。

莖稈的徑向截面可視為薄壁環形截面,該截面上因接觸而產生的切應力τmax計算如式(5)所示。

(5)

式中:FS——橫截面上的剪力,N;

A——環形截面的面積,mm2。

輸送過程中的碰撞損傷最常見的表現形式為破損和折斷,根據式(6)與式(7)可知此類現象的產生與輸送機構對莖稈的作用力有關,即與碰撞接觸力有關。因此,將輸送過程中莖稈與輸送機構間最大碰撞接觸力指標來間接評價輸送質量。

3.3 試驗設計

工業大麻莖稈輸送過程復雜,試驗因素與評價指標之間呈非線性關系。為探究因素的主效應,以及因素間的交互效應對最大碰撞接觸力的影響規律,根據輸送機構實際結構參數和輸送速度工作范圍,對A,B,C,D因素定義合理的水平,并選取L8(27)正交表安排試驗[14-15],試驗中各因素及水平設計如表5所示。

表5 試驗因素水平編碼表Tab. 5 Test factor level coding table

3.4 試驗結果分析

試驗方案及結果如表6所示。可以看出:當A因素取695 mm,B因素取270 mm,C因素取380 mm,D因素取0.9 m/s時,最大碰撞接觸力最小,為123 N。

表6 試驗設計方案及其結果Tab. 6 Experimental design and results

將上表數據導入到SPSS中進行方差分析,進一步探究各因素對試驗評價指標的影響規律。其試驗評價指標的方差分析結果如表7所示。

表7 方差分析Tab. 7 Analysis of varianc

由表7中P值可以看出,下水平輸送鏈位置B對最大碰撞接觸力有著極顯著影響,同時上水平輸送鏈位置A,上壓簧位置C,輸送速度D,交互項AB和BC對最大碰撞接觸力有顯著影響。因此得出各因素對最大碰撞接觸力影響次序為:B>C>D>A>AB>BC。

進一步分析可知,A,C因素對最大接觸碰撞力的影響與B有關。同理,B對最大接觸碰撞力的影響與A,B有關。從結果顯示的數據可知,B對最大接觸碰撞力的影響無論是主效應還是交互效應都是顯著的。

4 結論

本文針對4MD-160型工業大麻收割機作業時產生碰撞損傷這一問題,提出了一種利用仿真技術進行正交試驗以減小輸送過程中莖稈所受最大碰撞接觸力的參數優化方法。首先應用SolidWorks和Ansys建立莖稈-輸送機構剛柔耦合動力學仿真模型。其次采用4因素2水平的正交試驗方法,以最大碰撞接觸力為評價指標,對輸送過程進行仿真試驗尋求最優參數組合。最后利用SPSS軟件對試驗數據進行方差分析,得到各因素主效應及因素間交互效應對最大碰撞接觸力的影響規律。

1) 下水平輸送鏈位置對最大碰撞接觸力的影響是最明顯的(P<0.01),而上水平輸送鏈位置,上壓簧位置,輸送速度對最大碰撞接觸力的影響較明顯(0.01

2) 下水平輸送鏈位置與上水平輸送鏈位置因素之間,下水平輸送鏈位置與上壓簧因素之間存在交互作用,且交互作用對最大接觸碰撞力影響較明顯(0.01

3) 在Adams虛擬正交試驗中,最大碰撞接觸力最小時的結構及其工作參數為上水平輸送鏈位置為695 mm,下水平輸送鏈位置為270 mm,上壓簧位置為380 mm,輸送速度為0.9 m/s。該組合下最大接觸碰撞力為123 N。