基于Pro/E及ADAMS液态施肥机扎穴机构的设计与仿真

刘亚华，王金武，王金峰，鞠金艳

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

传统施肥机械都是对农作物进行开沟固体施肥，若遇地面干燥土质较干，则使作物对肥力吸出较慢，不利于作物生长，若遇土质太湿，不利于开沟施肥，从而对作物生长期的需肥状况造成不利影响，若采用人工施肥则提高了劳动强度并且效率低下。液态施肥机克服传统施肥机的缺点，可将化肥直接施在作物根系侧旁，作物吸收快、利用率高，节约肥料，能有效减轻环境污染。因此，液态施肥机极具应用价值。扎穴机构是将喷肥针扎入土壤并喷施液态肥的机构，是液态施肥机关键工作部件，其工作性能决定了施肥机施肥质量、工作可靠性和作业速度[1-7]。本文运用Pro/E软件绘制出机构各零部件的三维实体图和机构装配图，而后转到专业的运动学仿真软件下，添加约束和运动副，最终形成系统的虚拟样机。它把建立物理样机原型的需求降到了最小，提高了创造性，并有助于在更短的时间内提供更好的产品。应用Pro/E与ADAMS软件联合仿真得出扎穴机构针尖运动轨迹，对轨迹进行分析，提出改进的方法。

1 结构及工作原理

椭圆齿轮扎穴机构是一种旋转式扎穴机构，行星架旋转1周，扎穴1次。其机构设计见图1。

图1 扎穴机构结构Fig.1 Pricking hole mechanism

由两个全等椭圆齿轮1、2和两个全等正圆齿轮3、4以及行星架5、摇臂6、喷肥针7组成，两个椭圆齿轮的回转中心均在椭圆齿轮的焦点上，在行星架处于初始相位角（即初始安装位置）时，两椭圆齿轮长轴共线。齿轮2和齿轮3固结为一体，中心椭圆齿轮1（亦称太阳轮）固定不动。工作时，齿轮箱（即行星架）在驱动轴的带动下，相当于一个原动件绕太阳轮的回转中心转动。通过键和行星轮轴与行星正圆齿轮固结的一对摇臂，其牵连运动是随着齿轮箱做圆周运动，相对运动是随着行星圆齿轮作不等速逆向运动。按照设计优化后的参数，针尖可以按要求的姿态（角位移和轨迹）运动[8-9]。

2 建立扎穴机构虚拟样机

2.1 沿曲线阵列法的椭圆齿轮建模

椭圆齿轮建模采用沿曲线阵列法，仅适用Pro/E 3.0及以后更高级的版本。建模的主要参数有：模数m、齿数z、分度圆压力角angle_α、齿顶高系数ha*、顶隙系数c、齿宽B、椭圆长半轴α、椭圆短轴与长轴之比k等。椭圆齿轮参数见表1。

表1 椭圆齿轮主要参数Table1 Main parameter of elliptic gear

椭圆齿轮的建模过程：根据参数草绘出分度椭圆曲线—在椭圆长轴对称一侧利用基准曲线工具，建立笛卡尔坐标下的渐开线曲线—应用拉伸命令拉伸出齿廓—利用分度圆曲线阵列所有齿廓，见图2[10]。

图2 椭圆齿轮模型Fig.2 Elliptic gear model

2.2 正齿行星轮扎穴机构各部件装配

根据需要，设计了齿轮箱、轴、行星架等部件，与上述设计的椭圆齿轮进行总体装配。装配后模型如图3所示。

3 运动学仿真

3.1 Pro/E运动学仿真

机构总体装配之后，即可运用软件自带的机构/运动分析功能进行运动学仿真。设置齿轮之间的传动比，以及机构前进速度，得到喷肥针尖的绝对运动轨迹，如图4所示。

图3 扎穴机构装配模型Fig.3 Assembly model of pricking hole mechanism

图4 喷肥针绝对运动轨迹Fig.4 Absolute motion trajectory of spraying-fertilizer needle

在扎穴过程中，喷肥针基本能实现垂直入土和垂直出土的作业要求，避免喷肥针划出长长的沟痕，减少了土壤对喷肥针的损伤；喷肥针扎穴机构入土深度为140 mm，在苗带两侧交错扎穴，即可以满足穴距200 mm的要求。

3.2 应用ADAMS进行仿真分析

3.2.1 模型导入ADAMS与约束设置

相对于Pro/E而言，ADAMS的仿真能力能更强，所以作者在Pro/E建立好模型后导入到ADAMS中进行分析。齿轮、齿轮轴均定义为刚体，材料为Steel，忽略相互之间的弹性变形。在各部件间施加约束：两根齿轮轴分别添加旋转副，行星系箱体架4与大地固接。轴与齿轮间均用固定副固定在一起以便于分析。两对齿轮间的啮合均采用碰撞副，碰撞副参数设置如下：碰撞类型为实体对实体，计算碰撞力的方法选择冲击函数法，添加S接触刚度为 1.0×105N·mm-1，指数为1.5，阻尼为50 N·s·mm-1，切入深度为 0.1 mm；摩擦力计算方法选库仑法，添加静态系数为0.3，动态系数为0.1，静滑移速度为100 mm·s-1，动滑移速度为1 000 mm·s-1；在行星架3上添加电机驱动[11-12]。

3.2.2 仿真结果与分析

利用ADAMS软件进行运动学仿真可知，两对齿轮啮合正常，没有出现干涉现象。得出喷肥针单次和两次运动轨迹，如图5所示。

图5 喷肥针相对运动轨迹Fig.5 Relative motion trajectory of spraying-fertilizer needle

仿真结果符合预期的设计要求，得到生产要求的相对运动轨迹为泪滴型轨迹，从而验证了模型建构和仿真分析的正确性。但喷肥针尖运动的轨迹并不是光滑的，呈现锯齿状，如图5a所示；进一步加长仿真运动时间，观察喷肥针尖运动的轨迹，发现循环两次运动的轨迹并不重合，如图5b所示。分析原因如下：①由椭圆齿轮的基础知识可知，齿轮相互间啮合时，压力角与重合度是瞬时变化的，这也显示了椭圆齿轮传动的相对不平稳性；②在ADAMS仿真前，已经设置各部件的材料、质量、转动惯量等属性，由于齿轮间碰撞惯性力的存在，使齿轮啮合瞬间轮齿摆动；③椭圆齿轮在建模过程中，齿廓是通过阵列的方式得到，与实际椭圆齿轮的加工不完全一致；④齿轮在啮合过程中存在齿间间隙。

以上原因都可能导致了椭圆齿轮扎穴机构仿真运动轨迹的锯齿形状。由于液态施肥机本身工作环境较为恶劣，精度要求较低，且仿真过程中各参数的长度单位均设置为毫米（mm），因此此轨迹已符合实际工作要求。实际工作过程中，齿轮采用线切割加工，提高各零部件加工精度，减小齿轮模数，都可使轨迹更为平滑。

4 结论

利用Pro/E、ADAMS虚拟样机技术进行机构设计、运动仿真分析，大大减少了传统的物理样机制造和实验过程，具有重大的工程实用价值。根据设计参数，基于参数化造型技术软件Pro/E对扎穴机构进行造型，装配后利用Pro/E与ADAMS运动学联合仿真。仿真结果表明，根据设计参数建立的扎穴机构虚拟样机满足扎穴机构的运动要求，达到预期的设计目的。椭圆齿轮行星系作为液态施肥机的扎穴机构，是其在农业机械领域应用中的又一创新。

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