运用ADAMS参数优化的马铃薯收获机械设计毕业论文.doc 37页

'运用ADAMS参数优化的马铃薯收获机械设计毕业论文目录摘要I第一章绪论11.1马铃薯收获机概况11.1.1国外马铃薯收获机械的发展概况11.1.2国内马铃薯收获机械的发展概况21.2马铃薯收获机存在的主要问题21.3分离装置概状31.4本课题研究的目的与意义31.5本课题的王要研究内容4第二章小型马铃薯收获机及其模型的建立52.14SW型马铃薯挖掘机总体结构及工作过程52.2马铃薯收获机机体三维模型的建立5第三章主要结构的设计73.1悬挂装置的设计73.2挖掘铲结构设计73.3挖掘铲角度调节机构设计83.4摆动分离筛设计93.4.1摆动筛的结构93.4.2摆动筛的工作过程103.4.3摆动筛的运动分析103.4.4摆动筛的设计条件11第四章创新机构设计124.1切秧器设计124.2装薯拖车设计134.2.1装薯拖车总体设计134.2.2拖车底架设计144.2.3杆式分离装置设计14第五章基于ADAMS软件的虚拟仿真及优化分析165.1虚拟样机技术简介165.2虚拟样机仿真分析的实现过程175.3建立虚拟样机模型175.4虚拟样机的初步仿真分析195.5摆动筛质心的运动仿真分析195.5.1位移仿真分析195.5.2速度仿真分析205.5.3加速度仿真分析21 第六章马铃薯收获机仿真优化设计236.1虚拟试验与优化236.2参数化模型236.3设计研究246.4优化分析28第七章结论与建议337.1结论337.2建议33致谢34参考文献35 第一章绪论1.1马铃薯收获机概况在马铃薯生产中,收获作业难度最大,因此要实现马铃薯生产机械化就必须重点解决收获机械化问题。马铃薯的机械收获过程主要包括：挖掘、分离、捡拾、清选、分级和装运等工序。机械收获马铃薯的方法有分别收获法、分段收获法和联合收获法三种。其中分别收获法的工艺路线为挖掘-分离-捡拾-清选；分段收获由两个阶段组成：第一阶段为挖土，分离土块和杂物，并将薯块铺成一个狭窄条铺。第二阶段包括捡拾薯块、清除泥土和杂质，并将薯块收入薯箱；联合收获是先用除秧机割去茎叶，而后一次性挖掘薯块、分离土壤、输送薯块并进行集装。无论使用哪种收获方法，—般对收获技术提出如下要求：高生产率，高质量，薯块损伤少，工作时动力及人工耗费少，与杂质分离，能够在不同土壤条件下工作。马铃薯收获机具经历了挖掘犁、挖掘机和联合收获机的发展历程。1.1.1国外马铃薯收获机械的发展概况图1-1Pyra-2型马铃薯收获机图1-2迪沃夫马铃薯收获机Fig.1-1Pyra-2potatoharvesterFig.1-2potatoharvester20世纪初，欧美国家首先出现了畜力牵引式挖掘机代替了传统的手工挖掘薯块的马铃薯收获形式，随后又改为拖拉机牵引或悬挂式。20年代末又相继出现了升运链式和抛掷轮式的马铃薯挖掘机。国外马铃薯机械化收获起步早、发展快、技术水平高。在40年代初，前苏联、美国就开始研制、推广应用马铃薯收获机械，50年代末即己实现了机械化。从50~60年代马铃薯收获机械在俄国（前苏联）、欧美等国开始大量的生产使用，70年代主要是研制大功率自走式根块作物联合收获机械。在这些机型中，有很多是由大功率的拖拉机变型而成，如荷兰在拖拉机的基础上按照甜菜联合收获机的原理制成的四行马铃薯联合收获机，为了加强筛选效果，分离器有四个液压泵带动。70~80年代，德、英、法、意大利、瑞士、波兰、匈牙利、日本和韩国亦相继实现了马铃薯生产机械化[1]。 目前，发达国家已经实现了马铃薯的机械化收获。可分为两种类型：第一类是以俄罗斯、美国等国生产的机型为代表，普遍采用大功率自走式联合收获机。它们的特点是一次完成切蔓、挖掘、分离、筛选、分级、提升、卸料等作业，但是体积较为庞大、显得有点笨重，而且消耗功率也大，仅适合在大面积的土地上使用，不适合中小地块。第二类是以德国、意大利、挪威等国生产的机型为代表与中型拖拉机配套的牵引式马铃薯收获机。如德国“嘉博曼”公司生产的Pyra-2型2行马铃薯联合收获机，该机装有装卸输送带、茎叶拔除辊、万向轴、照明设备，挖掘器还装有转向轴和压缩空气装置，其配套动力为60KW，如图1-1所示。如图1-2所示比利时“迪沃夫”公司生产的马铃薯收获机，它具有速度快，效果好，能将挖、筛、选同时操作等优点。1.1.2国内马铃薯收获机械的发展概况20世纪初的中国农村，小面积的挖掘马铃薯主要采用了手工的铁锹或锄头的挖掘方式，较大面积的挖掘采用了畜力牵引犁，将薯块翻出，由人工捡拾的方式进行[2]。我国对马铃薯收获机械的研制虽较早，但发展缓慢，目前处于中小型悬挂式集条收获机的研制推广阶段。所研制机具的技术水平与国外相差甚远。最近几年，我国有些地区开始研制马铃薯（或其他根茎作物）收获机，主要是小型挖掘机，如黑龙江齐齐哈尔建新厂研制的4U-2牵引式马铃薯收获机[3]，4U-4型马铃薯收获机是西安圣农农业机械有限责任公司开发的新产品，主要适用于我国北方干旱半干旱地区种植马铃薯的农户及小型农场收获马铃薯使用。生产效率高，特别是收获垄上的种植马铃薯更能显示其优越性图1-34U-2马铃薯收获机图1-44U-4马铃薯收获机Fig1-34U-2PotatodiggerFig1-44U-4Potatodigger[4]。中国农业机械化科学研究院在吸收国外先进技术的基础上，优化设计了两种新型马铃薯收获机，一种是背负式4UL-1型马铃薯联合收获机。另一种是拖拉机后悬挂式4UW-120型马铃薯挖掘[5]。该马铃薯挖掘机与36.8--51.5KW拖拉机配套，采用独特的弧形指状排轮机构进行土薯分离，解决了传统抖动链式机构故障率高、传动不平衡的致命缺陷，工作更可靠。1.2马铃薯收获机存在的主要问题从近几年试验情况来看，马铃薯机械收获主要存在以下问题:(1)土薯分离效果不好，明薯率较低。(2)马铃薯损伤较重，伤薯率较高。(3)可靠性差。表现为故障较多，工艺辅助时间长，作业效率低。 (4)动力储备不足。在挖掘深度增加时明显表现出动力不足，难以满足薯块收获的动力需要。(5)适应性差。表现为适应沙土条件的适应不了壤土：在茎叶枯黄时能正常作业，在茎叶青绿时则出现壅土、缠秧而不能正常作业。目前我国落后的马铃薯收获技术严重制约了农民的生产水平，因此应不断提高马铃薯收获机生产率并改善马铃薯收获质量[6]。1.3分离装置概状由挖掘器进入分离装置的土垡包括薯块、碎土、土块、石头、茎叶和杂草等。分离装置在工作时承受的负荷很大，其单位宽度喂入量达100-150kg/(s·m)，要求分离掉的土壤达70-80％，工作可靠，对薯块的损伤小，并在分离的同时把剩余部分向后输送，以便在后面进一步的清选和分离。按分离原理，分离装置大致可分为十一类，如表1所示[7]。表1分离装置的类型目前生产上广泛采用的是按薯块的几何尺寸进行分离的工作装置，如杆条式升运器、分离筛、滚筒筛、圆盘筛等，这些通常用作现代薯类收获机械的主要分离装置。其余配置在主要分离装置后部，有的用在固定式辅助清理装置上。1.4本课题研究的目的与意义 本课题主要是针对马铃薯收获机械存在的土薯分离效果不好，明薯率较低，马铃薯损伤较重等问题，在现有机型基础上不断攻关完善，对分离装置工作原理进行分析研究，对影响其工作性能的结构和运动参数进行优化，最终实现较好的土薯分离效果和降低马铃薯的损伤。开展本课题的研究，不仅可以提高土薯分离效果，降低伤薯率，而且对于提高整机工作性能和效率，降低制造成本，确保机组正常运行和提高马铃薯品质，减轻农民劳动强度，实现优势产业的规模效益，推动马铃薯产业健康发展具有现实应用的意义。与此同时，本文以Solidworks与ADAMS为平台找出了一种马铃薯收获机的现代设计方法。1.5本课题的王要研究内容针对马铃薯收获机设计方法过于传统及使用过程中伤薯率高、明薯率低等问题，使用三维实体建模软件SolidWorks对小型马铃薯收获机零部件进行了参数化造型，并在ADAMS中对摆动分离筛虚拟样机模型进行了动态仿真分析。获得了收获机参数化模型，完成了摆动分离筛筛分性能关键参数的优化，提供了一种马铃薯收获机现代设计方法。主要研究内容如下：(1)建立小型马铃薯收获机三维模型，完成装配并随时进行干涉检验。完成各零部件及装配图的二维图绘制。(2)建立该机具分离装置的虚拟样机模型，并进行仿真分析。通过虚拟试验寻找出影响分离装置筛分性能的结构参数和工作参数，为优化设计提供理论依据。(3）根据优化设计理论和方法，对分离装置结构参数和工作参数进行优化，获得优化结果。(4)为实现小型马铃薯收获机一次性完成切秧、挖掘、分离、装薯等工序，针对切秧器和装薯拖车进行了创新设计。 第二章小型马铃薯收获机及其模型的建立2.14SW型马铃薯挖掘机总体结构及工作过程本文以4SW型马铃薯挖掘机作为典型的小型马铃薯收获机来进行讲述。该机主要为60～65马力拖拉机配套适用，在成熟的马铃薯地上可一次完成挖掘、薯块分离、铺条等联合作业，具有结构轻巧、工作平稳、挖掘薯块完好、摆放整齐、使用可靠等优点。该机主要虫悬挂机架、杆条式升运链、挖掘铲及铲架、切土圆盘刀、传动机构、摆动筛和限深轮等机构组成，如图2-1所示。1-悬挂机架2-切土圆盘刀3-挖掘铲4-摆动碎土机构5-振动辊6-杆条式升运链7-摆动筛8-传动机构9-限深轮图2-14SW马铃薯收获机工作过程：拖拉机的悬挂机构与悬挂机架1上的三点悬挂处相连，传动机构8通过万向节传动轴与拖拉机的动力输出轴连接。拖拉机的动力由安装在传动机构8两端的偏心链轮分别通过链条传给杆条式升运链6，使其转动，通过连杆传给摆动筛7，使其摆动。作业时，挖掘铲3进入土壤后，茎秆、薯块及土壤等的混合物一起被掘起，并沿铲面向后滑移被输送到杆条式升运链6上，经抖动、疏松、振动、破碎，使小于输送链杆条间距的土块和夹杂物被筛下，落到杆条链下部垄沟内。茎秆、薯块和大于杆条间距的土块及夹杂物被输送到摆动筛7上。经过摆动筛的分离后，土壤从筛条的间隙落下，薯块则成条状铺放在挖掘机的后面，再由人工捡拾完成马铃薯的收获。2.2马铃薯收获机机体三维模型的建立本文采用SolidWorks三维设计软件完成4SW型马铃薯收获机的三维实体建模工作，根据4sw型马铃薯挖掘机的实际生产图纸，在SolidWorks2011中按照1：1的比例，采用“自底向上”的模式进行三维实体建模。首先完成各零件的三维建模，再通过装配功能将零件模型依据霉部件之间的装配关系，添加相应装配约束(如同轴、平行、重台等)进行模拟装配，最后装配各零部件生成整机的实体模型，在此过程中随时进行干涉检查。机具的三维实体模型如图2-2。 把建好的样机几何模型转换和导入到ADAMS/View环境中。在ADAMS/View环境下建立完整的虚拟样机模型，并进行仿真分析。SolidWorks可以以IGES格式、STEP格式和Parasolid格式将输出的装配体文件读入ADAMS/View。经比较后。以Parasolid格式进行转换模型信息不丢失。图2-2马铃薯收获机机体三维模型 第三章主要结构的设计3.1悬挂装置的设计收获机组的入土性能、挖掘深度稳定性能、机组牵引性能、运输通过性能及对地表的适应性能等主要工作性能都受马铃薯收获机悬挂参数的影响。本设计采用三点悬挂式机构，由拖拉机后置三点悬挂和收获机悬挂架构成一个空间机构，它可以看作在纵垂面和水平面的两个四连杆机构。这两个四连杆机构具有各自的瞬心，挖掘工作时，在各种作用力及相对瞬心的力矩作用下，将产生绕这两个瞬心的转动趋势转动，以保持平衡。悬挂机构是马铃薯收获机的作业机与拖拉机的联接机构。播种机在道路上行进或在地头转弯时，利用悬挂机构将作业机提起，使作业机工作部件的位置高度≥300mm，与拖拉机后轮之间的纵向间距>200mm，路面通过角。作业时，利用悬挂机构将作业机降下使其工作部件满足播深要求。悬挂机构在提升过程中，作业机工作部件的运动轨迹影响着其人土能力。对悬挂装置进行仿真，目的就是分析后悬挂机构3个悬挂点的受力情况以及作业机工作部件的运动规律，并确定主要参数，进而寻找满足工作要求的悬挂机构的最佳工作参数。图3-1马铃薯收获机机架3.2挖掘铲结构设计挖掘铲及其角度调节机构设计的基本原则是:能有效降低牵引阻力,防止土壤壅堵,保证马铃薯挖净率,不伤、切薯块。要满足这一原则,必须做到:①铲面倾角可合理设置。②挖掘深度稳定,掘土量少,并能部分漏土。③不易缠挂秧茎。④尽量减少其他部件入土、触土。⑤输出端与升运链承接端相对位置合理,能保证土、薯顺畅输送。挖掘铲的铲片是多片铲的变形，铲片与铲片间留着间隙，这带来很多优点。（1）一方面是减少铲尖与土壤的接触面积，以达到减少阻力的目的。 （2）另一方面是减轻了机器前部的重量，以防止铲尖下陷。多片铲在工作发生局部磨损时，更换方便维修成本低。一般单株块茎在土壤中的分布宽度为400mm，块茎分布的深度一般为在地表下120-200mm之间。其结构如图3-1所示：图3-2挖掘铲为了保证铲刃的自动清理功能，铲刃的倾斜角度可由受力确定，使土壤在铲刃上的滑切力能克服摩擦力，即：(3-1)式中：为作用于铲刃上的阻力；为铲刃上的正压力；为铲刃上的滑切力；为铲刃与土壤之间的摩擦力，且，为摩擦角。(3-2)代入得：一般土壤对钢的摩擦角为，取，所以。若铲片数量为5个，单个铲片宽度为100mm，长度为250mm，铲刃倾斜角度，铲面倾角为，铲间间隙为25mm。为了保证挖掘铲挖进的土壤和块茎不会从两侧滑落，因此需要在挖掘铲的两侧加设挡板，挡板为平行四边形，焊接在机架上。3.3挖掘铲角度调节机构设计挖掘铲及其角度调节机构的结构如图3-3所示。挖掘铲为分离组合式结构,由8组相互分离的铲片与铲托柱组成,其中铲托柱为组焊件。挖掘铲所有铲片的上表面共面,铲尖共线,铲片间距为20mm,挖掘铲总宽度为680mm。延伸栅条末端延伸至升运链导向撑链轮的上方,铲托的弧形弯曲钢管在升运链松边下方绕过。挖掘铲及其角度调节机构与机架下边框联接。通过调整调节螺杆上的螺母,可使铲托带动挖掘铲悬臂板轴同步转动,实现挖掘铲铲面倾角的连续调整。 挖掘铲主要结构参数有铲刃斜角、铲宽和铲长。参考文献认为铲尖过长会导致刃1-挖掘铲2-铲托3-调节螺杆4-调节螺母图3-3挖掘铲角度调节机构图3-4角度调节机构原理尖入土深,但后部铲刃入土浅的弊端,并指出铲片宽度可由铲尖长度和铲刃斜角加以确定。综合研究成果,本设计单个铲片铲刃斜角取为55,铲片宽度取为112mm。角度调节机构原理如图3-4所示。调节机构为一个曲柄滑块机构，调节螺杆在调节螺母的控制下上下移动起到滑块的作用，并且能够在要求位置实现静止。螺杆的移动通过铲托传递给挖掘铲，挖掘铲做以下轴为中心的转动，继而改变角度。挖掘过程为：铲刃切开土壤薯层，将薯垄崛起，薯垄沿平面铲向上滑行，经过剪切破裂到过渡杆条，杆条进一步拱碎土壤，下层疏松的土壤开始下漏，得到的松碎土薯沿曲面杆条顺向进入输送、分离装置。3.4摆动分离筛设计3.4.1摆动筛的结构1-连杆2-筛角调节板3-前吊挂杆4-后吊挂杆5-筛架6-筛条图3-5摆动分离筛模型摆动筛安装在马铃薯收获机的尾部，主要由筛架、前、后吊挂杆、筛条和筛角调节板等构成。摆动筛在偏心轮和连杆机构的带动下摆动，其功能是将杆条式升运链上输送来的物料(马铃薯块茎及少量土壤)进行二次筛分，使筛上的大部分泥土落到筛下，而马铃薯块茎被送到机器后面，在地面上铺放成条。其结构如图3-5所示。 3.4.2摆动筛的工作过程摆动筛在偏心轮和连杆机构的带动下摆动，其功能是将杆条式升运链上输送来的物料(马铃薯块茎及少量土壤)进行二次筛分，使筛上的大部分泥土落到筛下，而马铃薯块茎被送到机器后面，在地面上铺放成条。摆动筛作为挖掘机的最后一个工作部件，它不仅能分离薯块和土，同时也能把筛面上的物料向机器后方输送。由于筛上物料大部分是马铃薯块茎，没有足够的土壤对薯块进行保护，故摆动筛和筛上物的运动情况及相关参数与薯块的损伤和筛分效率关系密切，需要合理确定摆动筛运动参数和动力参数。3.4.3摆动筛的运动分析物料在筛面上的运动是由摆动筛的运动而产生的，所以摆动筛的运动分析是筛面物料运动分析的基础。摆动筛吊挂在两对吊挂杆上，组成双摇杆机构，在曲柄连杆机构的驱动下作往复摆动。曲柄OE，连杆EB，前吊挂杆AB，后吊挂杆CD。筛面倾角，摆动方向角，摆动方向与筛面夹角。1-曲柄2-连杆3-点4-前吊挂杆5-筛6-点7-后吊挂杆8-点图3-6摆动分离筛及驱动机构简图由图3-6可知，该摆动筛机构为双摇杆机构。连杆长度远大于曲柄半径，故该机构可看成是做振幅为A=2r(r为曲柄半径)简谐振动的直线振动筛。设筛子的摆动方向为X轴，曲柄在最右面位置时作为筛子的位移和时间的起始相位，并规定以逆时针为正，易得出如下关系：位移：；速度：；加速度：式中：-曲柄半径，；-曲柄角速度，rad/s；-时间，S。从上述方程可以看出，影响摆动筛工作性能的主要参数是曲柄转速和曲柄半径。 3.4.4摆动筛的设计条件摆动筛在分离土、薯的同时也要把筛面上的物料向机器后方输送。筛上物的运动情况关系着摆动筛的筛分效率和处理能力，因此需要分析筛上物的运动特性，找出影响筛上物运动的参数，从而为合理选择摆动筛的运动参数和达到良好的筛分效果提供依据。由于筛上物是由薯块，土等物质组成的混合物，所以筛上物在运动时必然伴随各物质间的相互挤压，碰撞以及自身的翻滚。这些作用都是随机的，无法用确定的力函数表达，从而给进一步的分析带来了困难。为了便于推导，作如下规定：(1)不考虑土垡中马铃薯块茎的弹性、马铃薯残余根系的牵连和空气对筛上物料的运动阻力；(2)忽略马铃薯间的相互碰撞以及自身的翻滚，即忽略群体的影响，将其个体视为自由质点，分析其在摆动筛面上的受力与相对运动状态。筛上物料的运动状态直接影响振动筛的筛分效率和处理能力,所以为了合理选择振动筛的运动参数,需先分析筛上物料的运动特性。薯块沿筛面的运动情况分为前滑、后滑和跳动。要求马铃薯块茎在不跳离筛面的情况下,向前滑动的距离应大于向后滑动的距离。振动筛的运动学参数通常是根据所选定的物料运动状态来选取,选择不同的振动筛振动频率和振幅,将影响物料通过筛子的能力。一般认为马铃薯损伤率,因此要求筛子质心点运动的合成加速度平均值,筛子质心点运动的x方向速度,y方向速度[8]。 第四章创新机构设计目前小型马铃薯收获机仅能够实现挖掘、分离和铺条的工作，而必须事先进行切秧以及事后人工捡拾等工作，效率较低。针对上述问题，本文尝试进行了创新设计：切秧器、拖挂式装薯箱的设计。4.1切秧器设计1-切秧台2-锯齿3-直切秧刀4-切秧齿刀图4-1切秧器切秧器由切秧台、两把切秧刀和两把切秧齿刀等部件组合而成，依靠车体前行的动力以及切秧刀的切削力实现对秧蔓的切割。切秧台呈三角状，被切割的秧蔓将沿着切秧刀摆放方向向后滑移，从而在车体前行过程中达到切割秧蔓和将其置于车体两侧的目的。切秧台底面锯齿齿向与齿刀齿向相反，可增大秧蔓与切秧刀具之间的接触力，更加易于实现切割。具体结构如图4-1所示。图4-2切秧器运作原理 切秧器头部呈三角型，在两边分别安装有底面锯齿、细齿刀和直齿刀。其中锯齿齿向与齿刀齿向相反，齿刀齿向与行驶方向反向，便于滑切。秧蔓在底面锯齿向前推拉与齿刀向后推拉的作用下瞬间固定，接着由直齿刀滑切而断裂，随后在三角型切秧台的推挤下倒向两侧，为车体行驶消除障碍。切秧器运作原理如图4-2所示。4.2装薯拖车设计根据马铃薯的特性及其机械化收获要求，确定了马铃薯收获机的改进设计方案为设计一种牵引式行走方式的集挖掘、分离、筛选、装箱为一体的具有特殊性能的小型马铃薯收获机。让其既符合当今我国马铃薯收获的现状，又能够实现多工序收获过程，提高效率、节省人力。4.2.1装薯拖车总体设计1-底架结构2-地轮3-减震机构4-杆式分离装置5-薯箱盖6-装薯箱体图4-3装薯拖车目前，小型马铃薯收获机均没有配备装薯设备。本文创新的实现了较为可行的装薯箱设计，它包括装薯部分、杆式分离装置、减震装置、底架结构以及地轮等。工作过程为经分离的块茎、土壤进入装薯箱，下滑的过程中经过杆式分离装置，在车体的震荡中继续分离土壤，最终留块茎于箱中。底架结构与车体钩式相连，单行收获完毕后可取下装薯箱并屯薯后继续进行之后工作。图4-4装薯箱工作过程示意图 收获机装薯箱主要是将分离后的马铃薯块茎进行装箱。据统计单行马铃薯收获机械进行收获作业时，76%～80%的土壤要求在装箱前分离，然而仍存在部分土壤。本装薯箱之所以采用了底部杆式分离装置，就是为最大限度的实现土薯分离，确保块茎装箱的同时在装薯箱震荡的过程中筛分出土壤。装薯箱结构如图4-3所示。装薯箱工作过程如图4-4所示。4.2.2拖车底架设计拖车底架为装薯拖车的重要部分，它的设计广泛的受到周围环境的影响，凸起的地面以及持续的震动要求它具有良好的简易的身躯和抗震性能。鉴于此，本底架设计采用了骨架结构。底架采用普通碳素铜管经过焊接、组合而成。为了减轻管重量，提高强度，也可采用低合金钢管制造。由于拖车是依靠收获机拖拽而行驶的，底架便成为承受行驶中所产生的冲击载荷以及能否安全的运载土豆的重要结构体，底架结构制造精度的优劣，将直接影响土豆的伤薯率。拖车底架模型如图4-5所示。图4-5拖车底架模型拖车底架后叉管结构犹如自行车后下叉管，组成后叉管的叉骨及分别位于叉骨两端的勾爪及接头与叉骨是一体成型的相互连接，减省了后叉管的加工程序，降低了成本，增强后叉管的强度。后叉架如图4-5右下角所示。4.2.3杆式分离装置设计图4-6杆式分离装置 分离装置的三维实体建模用的是Solidworks三维实体设计软件，它提供了从二维到三维的创新设计，可以实现产品的概念、外观、总体、结构和零部件设计等功能。杆条可以用Solidworks中拉伸的方法进行直接建立模型，最后进行装配得到杆式分离装置的整体三维实体模型如图4-6所示。在拖车行驶过程中，车体存在着较大的震动，对马铃薯的损害较大，故杆条采用橡胶制作。杆条间距经实物模拟计算，得出合理的尺寸值。 第五章基于ADAMS软件的虚拟仿真及优化分析5.1虚拟样机技术简介虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术(指在某单一系统中零部件的CAD和FEA技术)揉合在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工作情况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术[9]。机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程(CAE)技术，其核心是机械系统运动学和动力学仿真技术，同时还包括三维CAD建模技术、有限元分析技术、机电液控制技术、最优化技术等相关技术[10]。机械系统动力学自动分析软件ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem)，是由美国MechanicalDynamicsInc公司研制开发的集建模、求解、可视化技术于一体的虚拟样机分析软件，是世界上目前使用范围最广的机械系统仿真分析软件。ADAMS软件由核心模块、功能扩展模块、专业模块、接口模块和工具箱5类模块组成[11]，其中ADAMS/View(用户界面模块)和ADAMS/Solver(求解器)是核心模块。图5-1建模仿真分析步骤 ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析；另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台[12]。5.2虚拟样机仿真分析的实现过程本文所研究的马铃薯挖掘机摆动分离筛的虚拟样机仿真分析包括运动分析和确定关键参数，其实现步骤如图5-1所示。首先在ADAMS中建立仿真模型，然后通过仿真研究筛面加速度大小和方向的变化规律，再利用ADAMS的研究工具研究机构各参数变化对筛面加速度的敏感程度，根据敏感程度的大小确定出摆动分离筛机构的关键参数。5.3建立虚拟样机模型SolidWorks模型导入ADAMS后，机具模型的几何特征完全保留，但原有的装配关系都已经无效，只是提供了各构件的初始位置，各构件之间只是毫无关系地独立存在于ADAMS中，并不是具有现实意义的虚拟样机。所以要在ADAMS中将零部件“装配”成整体并设置实体模型的质量特性，从而建立完整的虚拟样机模型。(1)导入模型为了研究方便，故将整机的模型建立一个新配置，压缩掉无关的零部件，使模型简化为图5-2后，以Solidworks格式导入ADAMS/View中，图5-3为导入时的设置。图5-2马铃薯收获机摆动筛机构图5-3ADAMS中导入参数设置(2)设置建模环境在ADAMS/View模块中，选用笛卡尔坐标系(Cartesian)作为全局坐标。单位设定选用MKS(m,kg,N,s,deg)选项,，即长度、质量、力、时间及角度单位分别为米(m)、千克(kg)、牛顿(N)、秒(s)和度(deg)。设置重力加速度沿Y轴负方向，大小为9.807。设置工作栅格时选用直角坐标(Rectangular)，栅格平面尺寸(size)为X=0.5m、Y=0.5m，其间距值(spacing)为0.005m，将栅格的圈点设在第一传动轴的左端处。(3)添加材料属性 模型的各个零件添加材料属性。所选用的材料均为碳钢类，按ADAMS标准材料库：[13]碳钢娄材料的弹性模量，密度，泊松比。(4)添加约束副由于SolidWorks模型导入ADAMS后，模型中原有的装配关系都已经无效，故需要使用ADMAS中的布尔加运算和约束副将它们连接起来，以定义物体之间的相对运动。利用ADMAS中的布尔加运算将机架的各个零件组合，调用ADAMS中的Connectors命令中的固定副，将机架部装与大地之间创建固定副。再用布尔加运算将摆动分离筛部装的各个零件组合，仿真时使它们成为一个整体一起运动。偏心轮与大地之间创建旋转副，连杆、前后吊挂杆分别与其相对应销轴之间创建旋转副。(5)添加驱动设定偏心轮为原动件，在其旋转副上创建旋转驱动(RotationalJointMotion)Motion-l，Function(time)为。(6)ADAMS模型自检利用ADAMS自带的模型自检工具进行模型自检。自检是检查模型中不恰当的连接和约束、没有约束的构件、无质量构件、样机的目由度等。这项检验是从机械原理的角度对模型的综合评价，一般通过这项检验就可以进行仿真试验了。在ADAMS/View模型界面中单击菜单[Tools]→[ModelVerify]，进行模型自检，系统会自动弹出自检信息窗口(图5-4)。由自检结果可以看出模型已通过自检，说明可以进行仿真试验了。图5-4模型自检信息窗口图5-5马铃薯收获机仿真模型这样建立了完整的虚拟样机模型(图5-5)。利用ADAMS的强大的动力学仿真功能可以对其进行仿真分析。 5.4虚拟样机的初步仿真分析建完模型后，可以对其进行仿真分析了。选择仿真工具进行1s，50步的仿真分析。可选回放工具回放仿真过程。在ADAMS/View中可以设置仿真分析输出，包括模型的位移、追度、加速度、力、力矩以及它们的各个分量等。设置所需输出后，经过仿真分析，ADAMS/Solver求解之后．可获得仿真分析输出结果。选择启动后处理模块ADAMS/PostProcessor，在该程序界面内可以重现仿真过程和绘制仿真分析曲线。图5-6为样机模型经仿真分析后，在后处理模块中绘制的仿真分析输出结果，即摆动筛质心的位移、速度、加速度曲线图。图5-6ADAMS/PostProcessor程序界面5.5摆动筛质心的运动仿真分析由于筛子机构不完全是一个平行四杆机构，筛面上各点的运动轨迹、速度和加速度是不同的，为了简化考察筛面运动变化情况，故对筛面上质心点的参数进行测量，得到真实情况下筛面上质心点的位移、速度和加速度的变化情况。分别对摆动筛质心点cm设置运动参数测量，获得了在一个周期内沿筛面出料方向(x方向)、垂直于筛面方向(y方向)和其合成量的曲线图。5.5.1位移仿真分析启动仿真命令，输出质心点X、Y方向的位移和合成位移，如图5-7至5-10所示。 图5-10三者位移对比图图5-7筛面质心点x方向位移图图5-8筛面质心点Y方向位移图图5-9筛面质心点合成位移图由图可知：①筛子质心在X方向的位移远远大于在y方向的位移，使得筛上物更易于抛出机体；②筛子质心的合成位移比较平稳，有利于避免过大的伤薯率。5.5.2速度仿真分析启动仿真命令，输出质心点X、Y方向的速度和合成速度，如图5-11至5-14所示。由图可知：①筛子质心速度大致符合,的条件；②筛子质心的合成速度在上下波动，比较平稳，有利于向后输送马铃薯。 图5-14三者速度对比图图5-11筛面质心点x方向速度图图5-12筛面质心点Y方向速度图图5-13筛面质心点合成速度图5.5.3加速度仿真分析由于筛上物料的运动状态直接影响摆动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所决定的心钔，所以不仅要测量筛子加速度大小还要确定加速度的方向。质心点X方向的加速度、y方向的加速度和合成加速度a如图5-15至5-18所示。 图5-18三者加速度对比图图5-15筛面质心点x方向加速度图图5-16筛面质心点Y方向加速度图图5-17筛子质心点合成加速度图由图可知：①筛子各点的ax随时间的变化规律相同而且在同一时刻加速度的大小几乎相等。ax的正负变化可使筛面上的物料有向前和向后滑动的趋势；②ay影响物料的抛起和透筛运动，其值为正时，物料有被抛起的趋势，其值为负时，物料有透筛的趋势。筛面上各点由前向后ay的变化范围逐渐减小，峰值也逐渐减小；③ax要远远大于ay；④筛面由前向后各点的合成加速度a变化规律基本相同，而且在同一时刻加速度的大小几乎相等。 第六章马铃薯收获机仿真优化设计6.1虚拟试验与优化虚拟试验就是在软件环境中对虚拟样机模型进行仿真试验，来研究对虚拟样机影响较大的参数以及影响的程度。摆动分离筛机构的虚拟试验是在ADAMS中对机构进行仿真分析，寻找出那些对筛面运动状态影响最大的参数，为整个机构的优化确定设计变量。机构的结构参数和运动参数对筛面的运动状态都有影响，比如曲柄半径、曲柄转速、连杆、筛面倾角以及前、后吊杆长度，这些量发生变化都会导致筛面运动状态的变化，但其中有些参数的变动可能对筛面运动的影响并不是很大，所以通过虚拟试验从多个参数中选择出对筛面运动影响较为显著的那些参数，把它们作为优化设计时的设计变量。6.2参数化模型通过参数化建模，可以将参数值设置为可以改变的变量。在分析过程中，只需改变模型中的有关参数值，ADAMS就可以自动地更新整个样机模型。还可以根据预先设置的可变参数，自动地进行一系列的仿真分析，观察在不同参数值下样机的变化。进行参数化建模时，只对变化的参数进行参数化。(1)创建设计变量分别将曲柄转速、曲柄半径创建为设计变量DV_1~DV_2，虚拟试验时的各参数变化如下表所示：表2设计变量设计变量因素水平1水平2水平3DV_1曲柄半径r（m）0.010.030.05DV_2曲柄转速n（r/min）240r/min300r/min350r/min此处利用参数化marker来表达曲柄半径，对应关系为0.177924——50mm；0.187924——40mm；0.197924——30mm；0.207924——20mm；0.217924——10mm。(2)参数化驱动旋转驱动Motion-1参数化的表达式为：DV_1×time。(3)产生摆动分离筛的质心加速度的测量为了研究设计变量在不同取值下对摆动分高筛加速度的影响，展开摆动分离筛的质心加速度的测量。进行1s，50步的仿真，得到摆动分离筛的质心加速度、随时间变化的曲线如图6-1、6-2所示。 图6-3计研究对话框图6-1筛子质心加速度随时间变化的曲线图图6-2筛子质心加速度随时间变化的曲线图6.3设计研究设计研究主要研究某个设计变量发生变化或取不同的值时，样机的性能将会发生怎样的变化。在设计研究过程中，对某个设计参数在一定范围内取若干值，然后每次取不同的设计参数值自动地进行一系列的仿真分析，完成设计分析后报告各次分析的结果，分析设计参数的影响。利用ADMAS的“设计研究(DesignStudy)” 模块来进行参数影响程度的研究。基本做法是：把其中的一个参数定义为设计变量(DesignVariable)，同时保持其余参数不变，通过一系列的仿真分析，根据设计分析报告判断设计变量在其变动时对筛面运动的影响。依次类推，可对每个变量对筛面的影响进行分析。图6-3为设计研究对话框。图6-4曲柄半径r变化时对筛面的影响图6-5曲柄半径r变化时对筛面的影响图6-6曲柄半径r变化时对筛面a的影响设定适当的仿真时间和仿真步长，运行仿真，得到虚拟试验结果和设计研究分析结果报告由图6-4至图6-9所示。 图6-7曲柄转速n变化时对筛面的影响图6-8曲柄转速n变化时对筛面的影响图6-9曲柄转速n变化时对筛面a的影响 图6-10r对x向速度的设计分析报告图6-11r对y向速度的设计分析报告图6-12r对a的设计分析报告图6-13n对x向速度的设计分析报告图6-14n对y向速度的设计分析报告图6-15n对a的设计分析报告 从上面的图6-4～6-15可以看出，各参数取不同水平时，对筛面的加速度会有不同程度的影响。将设计分析结果报告中的设计变量取初始值时的敏感度列于表3。表3设计研究结果设计变量初始值敏感度DV_1曲柄半径r(m)0.03414.5DV_2曲柄转速n(r/min)3000.16.4优化分析(1)设计变量的选择对物料运动状态影响最大的就是筛面加速度的大小和方向，由设计研究结果可知筛面加速度主要决定于摆动分离筛机构的两个参数：曲柄转速n和曲柄半径r。因此在对机构进行优化时选取n、r为设计变量。即：。(2)目标函数根据用于薯类收获机上的摆动筛的特点，既要使马铃薯在筛面上输送，又要使得薯块和土壤、杂质等得到较好的分离，更要大幅度降低伤薯率，所以要求马铃薯块茎在不跳离筛面的情况下，筛面加速度尽可能的小。从而减小了马铃薯块茎与筛面的摩擦，使马铃薯块茎的损伤降低。因此以薯块在筛面上的合成加速度最小为目标函数，即：.(6-1)(3)确定约束条件①筛面在X方向上的速度最大效率的高低取决于物料沿筛面的推进速度，推进速度快则效率高，而且推进速度快，可使马铃薯块茎相对于筛面的滑动路程短，可减少摩擦降低伤薯率。故约束条件为：maximumvalueduringsimulationofbaidongshai_velocity_X.(6-2)②筛面在Y方向上的速度尽可能小为了降低伤薯率，薯块不应跳离筛面，不能拥有过大的。故约束条件为：minimumvalueduringsimulationofbaidongshai_velocity_Y.(6-3)③曲柄转速n曲柄转速取值范围为：240r/min≤n≤350r/min(6-4)故约束条件为：；(6-5)④曲柄半径r曲柄半径r取值范围为：0.01m