后插式蔬菜移栽机分插机构动力学分析与仿真

2015年2月农机化研究第2期

后插式蔬菜移栽机分插机构动力学分析与仿真

李

1

夺，万

1

霖，李

2

剑，张

锟

1

（1．黑龙江八一农垦大学工程学院，黑龙江大庆摘

163319；2．东北石油大学，黑龙江大庆163318）

要：为提高依靠弹簧作为动力的后插式蔬菜移栽机分插机构工作的稳定性，运用拉格朗日方法，从能量学

角度建立机构动力学模型，结合机构栽植运行轨迹，利用MatLab－simulink系统对所建模型进行动力学仿真。结果表明：在给定具体初始条件下建立的机构动力学模型，可快速获得满足移栽机构工作轨迹要求、机构振动与回弹程度较轻的动力参数解，为后插式蔬菜移栽机分插机构动力学控制方法设计与研究提供了理论依据。关键词：蔬菜移栽；分插机构；动力学分析；仿真中图分类号：S223．94

DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.02.022

文献标识码：A

文章编号：1003－188X（2015）02－0091－03

0引言

通过对国内蔬菜移栽机械的现状及特点进行分

后插式蔬菜移栽机分插机构的结构如图1所示。摇杆CD（L2）和栽植臂CBEF组机构由曲柄AB（L1）、

成。摇杆一端固定于机架上，另一端与栽植臂相连接，它将传动轴输出的动力传送给栽植臂。栽植臂由L7、L8）组成，在其前端装有取苗器，连杆体零件（L2、

工作时将曲柄的圆周运动变为特定的曲线运动（F点的绝对运动轨迹），即移栽机栽植运行轨迹

。

析，发现蔬菜钵苗移栽大多采用弹簧作为推力的分插机构，此装置结构简单、操作方便，但在机构做反复式运动时所产生的弹跳和振动程度较大

［1－2］

。当机构达

到一定运行速度时，会出现错误性栽植动作，如将钵苗丢向地面或栽植深度不够等。现实生产中，对这种情况还未从理论上提出有针对性的解决方案。曾有人对蔬菜移栽机分插机构进行过动力学分析，然而在其分析过程中没有结合机构栽植运行轨迹，对机构存在问题未能有效地解决

［3－5］

，研制的移栽机没有得到

推广应用。因此，对机构进行综合性动力学分析，不仅可以提高机构的机械性能，而且能够更好地保证钵苗移栽的质量，对提高生产效益与经济效益具有重大意义。为了使得该栽植机构具有优良的作业效果，本研究从能量学角度出发，结合机构栽植轨迹，运用拉格朗日方法，建立后插式蔬菜移栽机分插机构动力学模型。同时，借助MATLAB－simulink对所建模型进行仿真，并以曲线图形式表达出来，得出机构速度、转角及选定位置点的力随时间变化的规律，最终获得机构动力学参数优化解。

图1

Fig．1

蔬菜移栽机分插机构简图

1机构组成及工作原理

2

2．1

Vegetabletransplanttransplantingmechanismmap

收稿日期：2014－03－07

“十二五”基金项目：黑龙江省农垦总局攻关项目（HNK11A－09－06）；

黑龙江省教育厅科学技术研究项目（12521366）

（E－mail）作者简介：李夺（1986－），女，辽宁盘山人，硕士研究生，

624090008@qq．com。

女，山东即墨人，教授，硕士生导师，博士，通讯作者：万霖（1971－），

（E－mail）381995603@qq．com。

机构动力学分析

机构运行分析与假设

vm为移栽机行走速度，θ1为曲柄的角速图1中，

度，整个分插机构做平面反复式运动。为了对机构进行动力学分析，建立直角坐标系，将各构件均表示为

·91·

2015年2月农机化研究第2期

杆矢。在机构移栽过程中，假设各构件为刚体，不考虑各零件间的配合间隙、构件弹性及摩擦，各杆矢方位角θi由X轴开始，定沿逆时针方向为正。采用拉格朗日方程，对机构进行动力学分析，从能量学角度建立分插机构动力学模型。2．2

系统能量分析

蔬菜移栽机分插机构处于静平衡状态时，为n个活动杆件的平面连杆机构，各杆件所受的外力转化到其质心上和作用于质心上的力矩，其各力及力矩在其虚位移上作元功之和为0，即

n

统的势能U。将式（4）、式（5）代入式（3）中，可求得分插机构的动力学方程为

M(q)q+C(q，q)q+G(q)=τ

C(q，其中，q)=M－

·

···

··

（6）

1·TU

qM（q）］。，G（q）=2qq

3

3．1

动力学模型仿真

建立仿真模型

对蔬菜移栽机分插机构进行仿真，其主要目的是

以组成分插机构的杆组为仿真模块，搭建分插机构

（1）

MATLAB－simulink仿真模型，对低副机构进行动力学仿真和分析，使分插机构具有良好的作业效果。在MATLAB－simulink系统模块库中选用Body、Ground

［6－9］

，和JointSensor等模块然后定义各模块的Pa-

（Fiδri∑i=1

式中

+Miθi）=0

Fi—转化到各杆件质心上的合力矢量；θri—各杆件质心的虚位移矢量；θi—各杆件的虚角位移矢量。

根据动静法原理，加上惯性力及惯性力矩，对于平

JointSensor主rametars，建立仿真模拟系统。本文中，要感应角加速度和约束力，子模块通过对输出信号的积分和微分，还可以感应角速度、速度和位移变化，具体情况如图2、图3所示

。

面连杆机构的动力学分析转化为静力学分析，则式（1）可转化为

n

［（Fi∑i=1

式中

··

i

+F'i）δri+（Mi+M'i）θi］=0

（2）

F'i—各杆件质心上的惯性力矢，F'i=－mi×

rM'i；

··

M'i=－Jiθi。M'i—各杆件的惯性力矩矢量，根据拉格朗日方程有

LL

=τ·－dtqq

()

（3）

L=T－U，T、U分别为机构系统动能和势其中，

T

y，z，能；q=［β］为广义坐标；τ为所对应的广义坐标

q的非保守广义力。

系统动能为

N

T=

∑i=1

12)mi(x2+Jiθ2i］xl+yyl

2

（4）

图2

Fig．2

整个系统仿真模拟图

Thewholesystemsimulationofsimulate

map

系统势能为

N

U=

式中

mighi∑i=1

（5）

Ji—第i根活动杆件的传动惯量（kg·m2）；mi—各活动杆件质量（kg）；N—活动杆件数量；

hi—各活动杆件的质心与水平面之间的距离

（mm）。

2．3动力学模型建立

将杆件及质点的动能代入式（4）中，可求得系统的

图3Fig．3

子系统内部结构图Subsysteminternalstructuremap

动能T；将杆件及质点的势能代入式（5）中，可求得系

·92·

2015年2月3．2

仿真条件

农机化研究第2期

为1700N·m，摇杆的角速度为4rad/s，摇杆的角加速度为0．28rad/s，栽植臂的角速度为3．4rad/s，栽植臂的角加速度为0．27rad/s。

L1=35mm，L2=70mm，L3=60mm，给定初始条件，

L4=75mm，取苗器尖点距A点距离rE=300mm，杆件l以等角速度7．35rad/s顺时针方向回转。3．3

仿真结果与分析

通过仿真，获得约束反力与分插机构运动参数的变化规律，如图4、图5所示

。

4结论

基于拉格朗日方法，建立了后插式蔬菜移栽机分

插机构动力学模型，并借助MatLab－simulink对该模C两点型进行了仿真。依据图4、图5曲线可知，在B、约束反力变化不大的情况下，角加速度不断成周期性变化，而且其它各项参数指标同步成周期性波动。同时，得出了约束反力对取苗臂尖点运动轨迹的影响规律，获得了满足取苗工作轨迹要求及机构振动较轻的动力参数解。在机构栽植轨迹绝对高度300mm时，垂直约束反力0．48kN，曲柄力矩为1700N·m，摇杆角速度4rad/s，摇杆角加速度0．28rad/s，栽植臂角速度3．4rad/s，栽植臂角加速度0．27rad/s，符合实际生产中动力学和运动学上的要求。因此，基于本文所建立的分插机构动力学模型获取机构动力学参数，使分插机构在工作时具有良好的工作稳定性，为后插式蔬

图4Fig．4

B点角加速度、角速度、速度及位移与约束反力随时间的变化关系图

菜移栽机分插机构的后续研究提供了理论参考。参考文献：

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2012．业出版社，

［2］王君玲，高玉芝，李成华．蔬菜移栽生产机械化的现状与

J］．农机化研究，2004（3）：42－43．发展方向［

M］．北京：高等教育出版社，2008．［3］孙策．机械动力学［

［4］张波屏．播种机械设计原理［M］．北京：机械工业出版社，

1982：310－318．

［5］K．洛克（KurtLuck），K．－H．莫德勒（Karl－HeinzModler）

（德）．机械原理［M］．北京：机械工业出版社，2008：25－98．

［6］张贤明．MATLAB语言及应用实例［M］．南京：东南大学

2010：52－105．出版社，

［7］张德丰，M］．北京：清杨文茵．MATLAB仿真技术与应用［

2012：129－170．华大学出版社，

Bangularacceleration，angularvelocity，velocityand

displacementandforcevs．time

map

图5C点角加速度与约束反力随时间的变化关系图Cangularaccelerationandforcevs．timemap

［8］张瑞丰．精通MATLAB6．5［M］．北京：中国水利水电出版

2004：136－239．社，

［9］曲秀全，李洪波，孟庆鑫．7Ｒ六杆Ⅲ级机构的MATLAB动

J］．哈尔滨工业大学学报，2006（10）：52－58．力学仿真［

［10］叶秉良，陈志威，等．偏心齿轮—非圆齿轮行星俞高红，

．农业工程学系取苗机构的运动学建模与参数优化［J］2011（12）：7－12．报，

Fig．5

由此可知，随着机构运动参数不断变化，约束反力成周期性波动，且幅度较小。这表明，约束反力对取苗器尖点运动轨迹影响程度较轻。由此得出：满足蔬菜钵苗移栽要求的分插机构绝对运动轨迹高度为300mm时［10－11］，垂直约束反力为0．48kN，曲柄力矩

（下转第97页）

·93·

2015年2月农机化研究第2期

TheSchemeDesignofSurfacePlantingSoilStrippingMachineand

SimulationAnalysis

WangWei，ZhangZeming，WangZehe，JiangHaiyong，HuShixin

（CollegeofMechanicalandElectricalEngineering，AgriculturalUniversityofHebei，Baoding071001，China）

Abstract：ConsideringthestatusquothatthestrippingofChina＇ssurfaceplantingsoilisextensive，proposedautomatedandprecisestrippingofplantingsoil．Inthisarticle，combiningtwo－dimensionalcuttingtheoryanddragreductionwithvibrationprinciple，proposedaschemeofstrippingmachinewithvibratingandＲigid－flexiblehybrid；MakingmodelingandsimulationbasedonDigitalprototypingtechnologyandthengettingtheoptimizedstructure．alloftheseprovidefoun-dationforthefuturedevelopmentofthephysicalprototype．

Keywords：dragreductionwithvibration；two－dimensionalcutting；rigid－flexiblehybrid；modelingandsimulation；plantingsoil

（上接第90页）

AbstractID：1003－188X（2015）02－0087－EA

FlexibleWhippedGebaoHempLeafProcessSimulation

HuangHeyang，WangYuxing，Wangjing，ZhaoLixin，XuZhenhua，LuJiaxian

（SouthChinaAgriculturalUniversity，SouthKeyTechnologyKeyLaboratoryofAgriculturalMachineryandEquipment，Guangzhou510642，China）

Abstract：InordertooptimizethedesignoftheGebaohempleafpickingmachine，increasetherateofleafdeciduous，needtogetadifferentleafAngleandspeedofleaftoleafinmaximumdestructiveeffect．UsingANSYS/ls－dynafiniteelementsimulationprocessoftheblowsoftheleaves，（beam161）usingbeamelementandshellelement（shell163）Gebaohempleafmodelissetup．AnalyzesthevariousfactorsofthemaximumstressofGebaohempveinsineffect．Theanalysisresultsshowthatthedestructiveforceoftheveinsinthearticlewiththeflexiblerotationspeedincreases，leafdirectionX，Zsignificantinfluenceontheresult．Flexiblescourgeoffiniteelementsimulationcanreducethetestcost，shortenthetesttime，offersreferencestothedesignoftheprototype．

Keywords：gebaohemp；flexibleknife；computersimulation；ANSYS

（上接第93页）

AbstractID：1003－188X（2015）02－0091－EA

AfterInsertingVegetableTransplantTransplantingMechanism

DynamicsAnalysisandSimulation

LiDuo1，WanLin1，LiJian2，ZhangKun1

（1．CollegeofEngineering，HeilongjiangBayiAgriculturalUniversity，Daqing163319，China；2．NortheastPetroleumU-niversity，Daqing163318，China）

Abstract：：InordertoimproveonspringaspowerrearinsertedvegetabletransplanttransplantingmechanismworkingstabilityandusingtheLagrangemethod，establishdynamicmodelofmechanismfromtheenergyperspective，bindingmechanismofplantingtrajectory，utilizingtheMATLAB－simulinksystemdynamicsimulationofthemodel．Theresultsshowthatinthegiveninitialconditions，themechanismdynamicsmodelcanmeetthedynamicparametersoftransplan-tingtrajectoryrequirementsandmechanismofvibrationandtherebounddegreelightersolutiontoobtainfast．Forinser-tingvegetabletransplanttransplantingmechanismdynamicsandcontroldesignandresearchmethodprovidestheoreticalfoundation．

Keywords：vegetabletransplant；transplantingmechanism；analysisofmechanismkinematics；simulation

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