1、责 任编辑 NO6A 2009 Farm Machinery 运用虚拟样机技术 可以大大简化机械产品的设计 开发过程 大幅度缩短产品开发周期 大量减少产品开发 费用和成本 明显提高产品质量 提高产品的系统性能 获得最优化和创新的设计产品 1 在该技术中 工程设计 人员可以直接利用 CAD 建立机械系统的虚拟样机 使用 系统仿真软件在各种虚拟环境中进行仿真分析 可以对 虚拟样机仿真试验不同的设计方案 对整个系统进行不 断改进 直至获得最优设计方案 本文采用 ADAMS 软件 对 4SW 130 型马铃薯挖掘机的分离筛进行仿真研究 1 1 仿真模型的建立 4SW 130 型马铃薯挖掘机主要由悬挂机
2、架 杆条式 升运链 挖掘铲及铲架 切土圆盘刀 传动机构 分离筛 和限深轮等机构组成 2 图 1 基于虚拟样机技术的 4SW 130 型 马铃薯挖掘机分离筛的仿真优化 杨 莉 王春光 内蒙古农业大学机电工程学院 摘要 利用虚拟样机技术 在 ADAMS 中建立了 4SW 130 型马铃薯挖掘机分离筛的虚拟样机模型 通过动态仿 真分析 得到了分离筛质心的位移 速度和加速度 获得了分离筛装置关键参数的最佳值 关键词 虚拟样机技术 马铃薯挖掘机 分离筛 仿真 优化 1 4SW 130 型马铃薯挖掘机分离筛建模与仿真 图 1 4SW 130 型马铃薯挖掘机 方茹娟 钢轮与车轴之间采用免维护的双列球轴承 3
3、210A 2RS 连接 移动 转向灵活 3 底座车两端设有多用途钢制牵引脚 见图 2 牵 引脚可以在水平向外 水平向内和垂直向下 3 种位置进 行切换和固定 牵引脚的独特设计使机组可以根据需要进行双向 牵引 当机组需要向某一侧移动时 调整该侧牵引脚水 平向外 另一侧牵引脚水平向内 然后将水平向外的牵 引脚与牵引机械连接即可 机组工作时 调整两侧牵引 脚垂直向下 即可为机组提供可靠的支撑与固定 对成套机组来说 设备的整体布局较关键 通过合 理布局可减小机组体积和提高机组移动的稳定性和灵 活性 常规设备布局法是按水泵 柴油机和油箱等顺序布 置机组长度约为 2 620 mm 为尽量减小机组体积 设计
4、 时对油箱采取立体布局方案 将其放置在水泵及柴油机 联轴器上方 并通过支架固定在底座车上 这样 在没有 增加机组高度的情况下 IS 520 15 型移动式水泵灌溉 机组长度缩短为 2 110 mm 缩短了近 20 4 机组设备布局 技术 设计与制造 图 2 牵引脚的 3 种安放位置 89 NO6A 2009 责任编辑 Farm Machinery 在 Solid Works 2007 中建立该机具主要部件的三维 实体模型 图 2 然后用 ADAMS Exchange 图形接口模 块 将实体模型导入 ADAMS 中 在 ADAMS 中重新拾取 实体模型的质量特性并用 ADAMS 建立完整的三维实
5、体 模型 1 2 添加约束副和驱动 利用 ADMAS 中的布尔加运算将机架的各个零件组 合使之成为一个整体 再用布尔加运算将筛架的各个零 件组合 仿真时它们相当于一个整体一起运动 所添加 的约束副如表 1 所示 设定偏心轮为原动件 在其旋转副上创建旋转驱动 Motion 1 Function time 为 1 620 s 270 r min 仿真模 型见图 3 1 3 添加材料属性 所选用材料均为碳钢类 查 机械设计手册 得出 碳钢类材料的弹性模量 E 1 为 2 07 10 5 N mm 2 泊松比 为 0 29 密度 1 为 7 8 10 6 kg mm 3 1 4 仿真分析 对虚拟样机进
6、行 1 0 s 50 步的仿真分析 分别测得 分离筛的质心位移 速度和加速度曲线图 图 4 筛上物料的运动状态直接影响分离筛的筛分效率 和处理能力 而物料在筛面上的运动形式和方向是由筛 子加速度的大小和方向决定的 为了找出对筛子加速度 影响较大的结构参数和运动参数 利用 ADMAS 的 设计 研究 模块来进行参数影响程度的研究 筛分机构中 主 要运动参数有偏心轮的转速 n 结构参数有偏心轮偏心 半径 r 筛面倾角 a 连杆长度 L 1 前吊杆长度 L 2 及后吊 杆长度 L 3 设计研究时的变量如表 2 所示 从设计研究分析报告中可知各个变量的敏感度 如 表 3 所示 表 1 约束副 大地 固
7、定副 旋转副 连杆 旋转副 前吊挂杆 旋转副 后吊挂杆 旋转副 机架 偏心轮 销轴 图 4 摆动筛质心的合成位移 速度和加速度曲线 图 3 4SW 130 型马铃薯挖掘机仿真模型 方茹娟 技术 设计与制造 图 2 三维实体模型 2 虚拟样机的设计研究 90 责 任编辑 NO6A 2009 Farm Machinery 从表 3 可知 各个变量的敏感度中 DV 1 DV 2 最 大 从敏感度的大小也可以看出 偏心轮的转速和偏心 轮的偏心半径的变化对筛面加速度的影响要大于其余 因素的影响 因此这两个参数就是影响较大的参数 3 1 设计变量的选择 由设计研究结果可知 筛面加速度的大小和方向主 要决定
8、于分离筛机构的 2 个参数 偏心轮转速 n 和偏心 轮偏心半径 r 故优化时选取 n r 为设计变量 即 X X 1 X 2 T n r T 3 2 设计变量的选择 用于马铃薯收获机上的分离筛 既要使马铃薯在 筛面上输送 又要使薯块和土壤 杂质等得到较好分 离 而且有较高的生产率和较低的伤薯率 所以马铃薯 块茎在不跳离筛面的情况下 向后滑动的距离大于向 前滑动的距离 生产率的高低取决于物料沿筛面的平 均推进速度 平均推进速度快则生产率高 而且平均推 进速度快 可使马铃薯块茎相对于筛面的滑动路程短 从而减少马铃薯块茎与筛面的摩擦 使马铃薯块茎损 伤降低 当物料在筛面上仅滑动而无跳动时 其平均移
9、动速度为 v p x r 后 x r 前 T 因此目标函数为 min F X x 2 2 x r 后 x r 前 3 3 确定约束条件 根据对马铃薯在筛上的运动分析可知 1 物料相对于筛面具向后滑动的约束条件为 r 2 g fcos sin cos fsin K 后 2 物料相对于筛面具向前滑动的约束条件为 r 2 g fcos sin cos fsin K 前 3 物料不跳离筛面的约束条件为 r 2 g cos sin K 跃 启动 ADAMS 中的优化工具 以对筛面加速度的影 响最大的 DV 1 DV 2 作为设计变量 取目标函数作为 优化目标 在给定的约束条件下对机构进行优化 优化 结果
10、见表 4 根据试验 当筛面倾角为 0 10 时 最适宜加速度 值分别为 15 20 m s 2 和 35 40 m s 2 在此条件下可以分 离出 70 75 的土壤 被筛物沿筛面移动速度为 0 25 0 5 m s 3 从表 4 可知 分离筛经过优化后 被筛物沿筛 面的平均移动速度由 0 28 m s 提高到 0 39 m s 故分离 筛不仅可以分离出大量土壤 使得土薯得到充分的分 离 而且可以提高生产率 降低伤薯率 1 利用 Solid Works 和 ADAMS 虚拟样机技术建立 了 4SW 130 型马铃薯挖掘机分离筛的虚拟样机模型 建立了分离筛的参数优化设计的数学模型 2 通过虚拟仿
11、真和优化分析 获得了影响分离筛加 速度的关键参数 即偏心轮转速 n 和偏心轮偏心半径 r 优化后 关键参数最佳取值分别为 n 285 r min r 0 033 m 可使分离筛达到最佳土薯分离效果 并且使生产率提 高 伤薯率降低 参考文献 1 郑建荣 ADAMS 虚拟样机技术入门与提高 M 北京 机械工业 出版杜 2002 1 2 赵满全 赵士杰 佘大庆 刘汉涛 刘文忠 王政 组合分离式马 铃薯挖掘机设计与研究 J 农机化研究 2007 4 69 3 李瀚如 孙风楼 柯保康 等 农业机械学 下册 M 北京 农业 出版社 1997 180 202 因素 水平 1 水平 2 水平 3 设计变量 偏
12、心轮转速 n r min 240 270 300 DV 1 偏心半径 r m 0 030 0 035 0 040 DV 2 筛面倾角 0 5 10 DV 3 连杆长度 L 1 m 0 800 1 000 1 200 DV 4 前吊杆长度 L 2 m 0 200 0 230 0 260 DV 5 后吊杆长度 L 3 m 0 240 0 270 0 300 DV 6 表 2 设计变量 表 3 设计研究结果 设计变量 初始值 敏感度 DV 1 270 0 032 DV 2 0 035 647 160 DV 3 5 0 021 DV 4 1 15 816 DV 5 0 230 27 841 DV 6 0 270 0 0138 3 摆动筛的优化设计 偏心轮的转速 n r min 偏心轮的偏心半 径 r m 平均移动速度 v m s 优化前 270 0 035 0 28 优化后 285 0 033 0 39 表 4 分离筛参数优化结果 4 结论 方茹娟 技术 设计与制造 91
