刚柔混联振动剥离机的方案设计与仿真分析

2015年2月农机化研究第2期

刚柔混联振动剥离机的方案设计与仿真分析

王

伟，张泽明，王泽河，姜海勇，胡世鑫

071001）

（河北农业大学机电工程学院，河北保定

摘

要：针对我国粗放式地表种植土剥离的现状，提出了自动化精确种植土剥离的方案。同时，结合振动切削

减阻理论与二维切削原理，提出了一种刚柔混联振动剥离机的设计思路，并基于数字样机技术对整机结构建模仿真，然后进行结构优化，为以后物理样机的研制提供了依据。关键词：振动减阻；二维切削；刚柔混联；建模仿真；种值土中图分类号：S222．59

DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.02.023

+

文献标识码：A文章编号：1003－188X（2015）02－0094－04

0引言

在高标准农田建设示范工随着我国农业的发展，

可以实现转轴的正反转，从而实现刀板不同的振动方在整机行进过程中，仿形式；仿形轮（11）与地面接触，

轮带动信号盘动作，光电传感器检测到信号盘动作时通过液压回路控制升降液压缸的动作，从而实现地表仿形，达到精确剥离。工作过程中，刀板在履带车的牵引下水平切削土壤的同时上下振动，实现振动型二维切削

。

程中，种植土的移植与更换是农田新建、农田改造、设施农业的重要工序。种植土的自动化精确剥离可以提高农田建设提高效率及建设质量。研究表明，农业地、园林地、自然生态地表深度在100～150mm范围内种植土价值最高，因此采用自动化精确种植土剥离代替粗放式种植土剥离是亟待解决的问题。目前，市场没有专门用于种植土的剥离设备，只能使用工程机械进行粗放式剥离。其剥离精度差，土层剥离程度主要取决于驾驶员的操作技术，功耗大，功率大量浪费在土壤的破损上，且不能地表仿形，得到种植土的质量很低，因此急需研制一种精确剥离设备。为此，设计了刚柔混联振动剥离机，其能够减少土地破坏、获得较高质量的地表种植土，且功耗小、剥离精度高，在小面积农田建设及小面积土地开发整理中具有广阔的应用前景，对于发展经济、高效和环保的设施农业具有重要的现实意义。

1．柴油发动机2．软轴3．履带车4．升降液压缸

5．机架6．信号盘7．转轴8．转向器9．刀板10．刀架11．仿形轮12．板簧13．连杆

图1

刚柔混联振动剥离机

1设计原理

刚柔混联振动剥离机结构如图1所示。工作时，

柴油发动机一方面将动力输送给履带车驱动履带车行驶，另一方面将动力经软轴与转向器输送给转轴；转轴通过偏心套带动刀架运动，转轴与偏心套通过键连接；刀架下端与机架之间通过板簧连接；转向器

收稿日期：2014－03－27

基金项目：河北省科技支撑计划项目（12227108D）

（E－mail）作者简介：王伟（1984－），男，河北邢台人，助教，

wangwei2552782@163．com。

通讯作者：王泽河（1969－），男，山东临清人，教授，硕士生导师，

（E－mail）wzhcau@163．com。

2振动切削减阻原理

振动型二维切削即切削土壤的方向有两个—刀

具推进方向与垂直于刀具推进方向，而振动垂直于刀具推进方向。铲刃在插入土体过程中产生的阻力可以应用土力学的原理加以分析，铲刃阻力FN可推导表示为

FN=Fγ+Fq+Fc

式中

Fγ—土壤自重引起的阻力（N）；

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Fq—土壤水平方向单位面积压力引起的阻力

（N）；

Fc—由土壤粘聚力引起的阻力（N）。

并具有与静态时不土壤在振动时强度发生变化，

同的破坏机理。对于振动切削减阻原理，国内学者的说法各有不同。笔者认为，振动将能量以波的形式传递给土壤，土壤内能增加，从而破坏了土壤粒子与粒子之间粘聚力，土壤松碎发生流变稀释。因此，由土壤粘聚力引起的阻力Fc大大降低；设想对于完全沙化的土壤，刀具在推进过程所受到的阻力主要为沙土包裹刀具所产生的摩擦力（即土壤自重引起的阻力Fy），振动对阻力的减小影响甚小；而土壤水平方向单位面积压力引起的阻力Fq主要为与刀板连接的刀架与土壤接触引起的阻力。因此，在一定范围内随着土壤松碎程度的增加，切削阻力也会相应减小。国内从能量守恒的角度对二维振动切削的研究还较少，振动使牵引阻力减小，所引起的功率的减小会因振动频率和振幅的增大产生的振动功率所抵消，笔者称之为振动减功机理。旋耕同样可以使土壤剥离，但功率消耗巨大。因此，根据土壤成分，调节振动的频率与振幅，使土壤剥离的同时达到合适的松碎程度，从而得到最低的消耗功率，可作为振动减功机理的研究方向。

机械系统动力学仿真分析软件，其求解器采用多刚体动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。

本文采用直接在ADAMS/View中建立柔性体的MNF文件，然后用柔性体替换原来的刚性体的方法建立柔性体。4．2

几何模型的建立以及导入

首先，在三维建模软件Pro/E中建立系统简化模型的各个组件，简化模型（见图2）用偏心轴代替转轴与偏心套的组合，偏心距为4mm；然后，在装配环境下进行装配，以确定各组件间的相对位置，以parasolid（*．x_t）格式保存副本；最后，打开软件ADAMS，以相应格式导入刚才保存的文件

。

3刚柔混联机构

刀架下端与机架的连接采用板簧连接。采用连

杆代替板簧连接，刀板的运动同样可以实现；但对于土壤中不可预测的切削情况，连杆机构使刀板与土壤硬物不可避免地刚性接触，容易损坏刀板，而且连杆结构很难承受高频振动与转动；相反，采用板簧作为柔性部件连接，刀板在和土壤硬物接触时会发生跳脱现象，提高了刀板在切削过程中的柔性，同时板簧依靠自身柔性能承受高频振动。

对于实际工程问题，严格来说属于柔性多体动力学问题，但为使问题简化，往往将其简化成刚体动力学问题。然而，对于具有较大柔性的构件对机械系统的影响又不能不考虑，因此对于刚柔耦合多体系统模型的研究非常必要。本文在对刚柔混联机构建模仿真时将板簧作为柔性体，其他构件作为刚性体处理，可更准确地得到机构的运动情况及刀板的运动轨迹。

4．3

图2

整机简化的仿真模型

材料和载荷添加约束、

机架与ground固定副连接，偏心轴与机架、刀架

与偏心轴均采用转动副连接，板簧与机架、板簧与刀架均采用固定副连接；为偏心轴与机架的转动副添加驱动；为模型部件附加相应的材料。板簧材料为60Si2Mn，切变模量G=弹性模量E=206GPa，79．38GPa，泊松比μ=0．29。启用重力，在刀板上添加水平方向的切土阻力和竖直方向的振动阻力。利用ADAMS/AutoFlex模块设置相应的参数，建立板簧的柔性体模型来代替原来的刚性体。4．4

仿真

设定驱动转速n=21600d*time（即3600r/min）定义刀具推进方向（即水平方向）为x方向，垂直于刀具推进方向（即竖直方向）为Y方向。刀板上的MAＲKEＲ_38点在Y、X方向上的位移随时间变化的图像如图3和图4所示。

由图3和图4的仿真结果可知：刀板在竖直方向

4

4．1

建模仿真及结构优化

ADAMS柔性体模块

ADAMS推出的ADAMS/Flex模块能够实现同时

包含刚体和柔体的机构动力学分析。同时，作为一款

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的振幅由偏心轴的偏心距决定；刀板在水平方向上的振幅为50～60mm，振动强度大且不稳定，不符合振动型二维切削的要求，因此结构需要优化改进

。

图6结构优化后刀板上的MAＲKEＲ_39点在Y方向上的

位移随时间变化的图像

图3刀板上的MAＲKEＲ_38点在Y

方向上的位移随时间变化的图像

图7结构优化后刀板上的MAＲKEＲ_39点在X方向上的

位移随时间变化的图像

5

图4

刀板上的MAＲKEＲ_38点在X方向上的位移随时间变化的图像

结论

刚柔混联振动剥离机的方案充分结合了振动切

4．5结构优化

优化方案：将板簧与刀架的固定副连接改为转动

削减阻理论与二维切削原理，而且采用刚柔混联机构与液压式地表仿形系统满足了自动化精确种植土剥离的要求。其整体结构简单、紧凑，能承受高速旋转与高频振动。同时，利用软件Pro/E建模导入软件ADAMS中进行仿真，并提出优化方案，大大缩减了系统研制的周期，降低了产品在研制过程中的成本，为以后物理样机的研制提供了依据。参考文献：

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J］．农业工程学报，2012，28（12）：44析与振动频率优化［－49．

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J］．农业机械学报，2010，41（2）：42－46．与实验［

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J］．科学技术与工程，2011，11（3）：588－论分析与研究［590．

［7］付俊峰，李霞，等．振动深松机的改进设计与试验张东兴，

副连接，如图5所示；然后进行仿真，效果如图6和图7X方所示。结构优化后刀板上的MAKEＲ_39点在Y、向上的位移随时间变化的图像如图6和图7所示。

由图6和图7可知：刀板在Y方向上的振动与结构优化前相同，即由刀板竖直方向的振幅由偏心轴的偏心距决定；刀板在X方向的振幅在2．25mm左右且振动平稳，满足振动型二维切削的要求

。

图5

结构优化后的仿真模型

J］．中国农业大学学报，2011，16（6）：158－162．研究［

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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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