基于MATLAB花生收获机振动筛机构的运动学分析

摘要：针对目前花生收获机振动筛机构振动大、清土效果不理想和存在运动死点的问题，采用MATLAB的 Simulink 软件建立花生收获机振动筛机构仿真模型，分析图形化求解方法，通过设计并运行仿真模型得到振动筛的运动学变化曲线。结果表明，振动筛在x和y方向上的位移、速度、加速度均呈周期性变化，周期为0.3 s，振动幅值分别为23.4 mm和16.7 mm。振动筛机构周期性变化规律可视化的实现，进而选择最适合振动筛机构的尺寸，对优化花生收获机结构和提高收获质量具有重要意义。

关键词：花生收获机；振动筛；动态仿真；运动学分析

中图分类号： S225.7+3文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）02-0343-03

收稿日期：2013-06-15

基金项目：河南省教育厅自然科学研究计划（编号：2011c460007）。

作者简介：袁世先（1966—），女，贵州贵阳人，副教授，主要研究方向为机械设计与制造。E-mail：yuansx1966@126.com。花生是我国重要的油料作物之一，全国种植面积约433万hm2。由于受到土地等客观条件的限制，花生机械化收获较为分散且作业程度较低。我国虽然对花生收获机械进行了大量的研究与开发工作，但与发达国家相比仍处于初级阶段，结构简单、适应性差、损失率高、土果分离不好等仍旧是困扰花生收获机械发展的主要问题。目前，在花生收获机研究中已经涌现出许多新设备，如胡志超等研发的4H-800 型振动筛式花生收获机[1]、陈强等研发的HS-73 实用新型振动筛式花生收获机[2]和吕冰等设计的振动式花生收获机[3]等。

振动筛机构是花生收获机的核心部件，其工作运动性能的优劣与整机工作性能的优劣有着直接的关系，以四连杆机构为模型的花生收获机振动筛机构是目前使用最广泛的机构之一。对花生收获机振动筛机构利用MATLAB的Simulink软件进行动态仿真，分析其运动情况，以了解四连杆仿真模块模型及图形化求解方法，为优化花生收获机结构提供一种可视化的方法。

1数学模型的建立

1.1工作原理及机构简图

四连杆机构为模型的花生收获机振动筛，其主体为纵向排列的筛条，筛条中心距在确定的过程中可根据当地的种植品种进行自行设置，对振动筛的位移、速度、加速度不产生直接影响。振动筛机构由曲柄（R2）、连杆（R3和R4）、振动筛组成，其结构简图如图1所示。在花生收获过程中，通过轴带动偏心轮转动来实现振动筛子的运动，而振动筛通过上下和左右的往复运动将土壤等杂物及花生秧果等不断向后推动，在运动过程中杂物被振动筛振落，少部分杂物及花生秧果被抛出，实现花生的收获。

1.2矢量方程的建立

为了便于对花生收获机振动筛机构的运动特性进行仿真分析，须建立振动筛机构的数学模型，可以近似为一个四连杆机构，其闭环矢量图如图2所示。其中，R1是两端的固定杆，R2代表曲柄，R3、R4代表连杆，θ2、θ3、θ4、ω2、ω3、ω4和α2、α3、α4分别是R2、R3、R4的运动角度、角速度和角加速度。

2.1初始数据的获取

根据机构设计的尺寸，利用几何方法计算得到的数据见表1。

2.2动态仿真模型的建立

根据矢量方程所建数学模型，设连杆初始的角加速度为0，通过数值积分计算θ2、θ3、θ4、ω2、ω3、ω4、α3、α4。为实现面向模块的动态仿真，在Simulink模型中需要6个积分模块，以α2为常量0作为仿真输入，选择constant模块与积分器相连接。在子程序function函数中定义四连杆的r1、r2、r3和r4，选择function块将函数嵌入Simulink仿真中，由于function块的输入、输出是以矢量的形式进行，因此，需加入Mux块实现原始信号的转换，在输出时需要用DeMux块分解，然后再将Mux块联网到适当的信号。为实现仿真结果的输出为矩阵（变量simout），在结果输出前也需要再加入Mux块。另外，为实现振动筛的运动分析，需在此基础上进行模块的扩展，增加1个function块（即whz.m文件），再通过DeMux和Mux块实现信号的分解和矩阵矢量化，便于准确分析振动筛在x、y、z方向的速度、加速度和位移的变化[3，5-6]。

3仿真结果分析

由于筛子与连杆是通过焊接连接，分析连接点可间接分析振动筛，因此，以连接振动筛的点作为研究对象，分别对该点沿x与y方向的速度、加速度以及位移进行仿真分析，运用plot函数绘制相关曲线。由图3至图8可见，振动筛在x方向的速度在250～-250 mm/s之间做周期性变化（图3），振动筛在y方向的速度在200～-200 mm/s之间做周期性变化（图4），振动筛在x方向的加速度在5 000～-5 000 mm/s2之间做周期性变化（图5），振动筛在y方向的加速度在 4 000～-4 000 mm/s2 之间做周期性变化（图6），振动筛在x方向的位移在0～25 mm之间做周期性变化，其振动幅度为23.4 mm（图7），振动筛在y方向的位移在0～18 mm之间做周期性变化，其振动幅度为16.7 mm（图8）；变化周期均为 0.3 s。

4小结与讨论

利用MATLAB的Simulink仿真模型对花生收获机振动筛机构运动情况进行仿真分析，结果发现，振动筛速度、加速度和位移在x方向上分别在250～-250 mm/s、5000～-5000 mm/s2、0～25 mm之间呈周期性变化，位移振动幅度为23.4 mm，在y方向上分别在200～-200 mm/s、4 000～-4 000 mm/s2、0～18 mm之间呈周期性变化，位移振动幅度为16.7 mm；周期均为0.3 s。

在设计花生振动筛机构时，设计的尺寸、结构及配置要求等会与实际运动状况存在一定误差，利用花生振动筛机构运动学仿真模块框图，通过MATLAB设计程序对不同尺寸、角加速度、角速度赋值，分析各连杆的角速度、角加速度、摆角和振动筛的位移、速度、加速度情况，进而选取具有最小振动、最适合当地收获情况、不存在运动死点的设计尺寸和结构，以满足实际生产要求[7-8]。利用MATLAB的Simulink软件建立的仿真模型，实现了花生收获机振动筛运动情况的图形可视化，能够便捷地得到运动的相关参数，简化了计算过程，提高了计算精度，为花生收获机振动筛机构优化设计提供了良好快捷的方法。

参考文献：

[1]胡志超，陈有庆，王海鸥，等. 振动筛式花生收获机的设计与试验[J]. 农业工程学报，2008，24（10）：114-117.

[2]陈强，王鹏，史立杰，等. HS-73实用新型振动筛式花生收获机[J]. 农业装备与车辆工程，2011（7）：13-15.

[3]吕冰，吕钊钦. 振动式花生收获机的设计[J]. 农机化研究，2012，34（12）：111-114.

[4]约翰·F·加德纳. 机构动态仿真——使用MATLAB和SIMULINK[M]. 西安：西安交通大学出版社，2002：5-47.

[5]阎洪山，杨怀君，薛理，等. 籽瓜联合收获机捡拾器的设计与试验[J]. 广东农业科学，2012，39（23）：200-202.

[6]许银亮，熊荣，孙倩. 基于ADAMS引线键合机动态性能仿真分析[J]. 制造业自动化，2010，32（3）：1-2，47.

[7]孙治博，刘晋浩. 林木联合采育机底盘车架设计与模态分析[J]. 江苏农业科学，2013，41（2）：375-377.

[8]宋宇，陈无畏，陈黎卿. 基于ADAMS与Matlab的车辆稳定性控制联合仿真研究[J]. 机械工程学报，2011，47（16）：86-92.