番茄收获机抛秧装置运动学分析与仿真

李景彬，刘富强，坎　杂，李成松，付　威

(1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子　832000；2.新疆兵团农业机械重点实验室，新疆 石河子　832000)



番茄收获机抛秧装置运动学分析与仿真

李景彬1,2，刘富强1,2，坎杂1,2，李成松1,2，付威1,2

(1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子832000；2.新疆兵团农业机械重点实验室，新疆 石河子832000)

摘要：抛秧装置是番茄收获机的关键部件，其工作性能直接影响整机的收获质量。为此，针对抛秧机构，进行机构简化和建立矢量方程，得出抛秧机构的关键点H的位移、速度和加速度模型。通过ADAMS软件对抛秧机构的仿真模型进行仿真分析，获得H点在竖直和水平方向的位移及加速度曲线，验证了结构设计的合理性，为番茄收获机整机设计提供理论依据和技术支持。

关键词：番茄收获；抛秧机构；运动分析；仿真

0引言

近年来，新疆加工番茄种植面积不断增加，已成为继美国之后世界第二大加工番茄生产基地，番茄种植加工业已成为新疆地区的支柱产业。目前，新疆加工番茄收获机械化采收多采用国外进口机型，如美国的FMC、CTM、PIKIRTE和意大利的CRF、CORIMA、POMAC等，上述机型价格高、服务周期长，依靠进口不足以满足我国的番茄收获的需要，因此番茄收获机国产化势在必行。近年来，我国关于番茄收获机抛秧装置及割台已开展相关研究，如石河子大学李成松对切割捡拾装置进行研究，对抛秧装置的拨叉进行运动分析，得出拨叉运动轨迹。石河子大学江英兰对割台特点及发展现状进行研究，对比分析往复式切割装置的切割辅助装置与圆盘式切割辅助装置的差异。石河子大学彭霞对拨禾扶秧装置的速度进行分析，指出了其存在的问题，并做出了进一步的研究设想。

割台是番茄收获机的重要装置，其主要作用是将带有果实的番茄秧割断并抛送到输送链上，喂入果秧分离装置进行分离。番茄收获机割台主要由抛秧装置和往复式切割器组成。抛秧装置的作用是将匍匐在地面的番茄秧扶持起来，有利于割刀切割，然后再将切割下来的番茄秧抛送到后部的输送链上。抛秧装置为割台的重要组成部分，因此抛秧装置作业效果直接影响割台工作的可靠性与稳定性，从而对整个收获过程产生重要影响。

本研究通过对抛秧装置进行运动学分析，在ADAMS软件下对抛秧机构关键点H进行仿真分析，以验证结构设计的合理性。

1结构组成及工作原理

抛秧装置(见图1)是番茄收获机的关键部件之一，固定安装在收获机前部，其作业质量直接影响收获机整机作业效果。

1.偏心轮轴　2.连杆　3.连接杆

图1中：抛秧装置的主要工作部件有偏心轮轴、连杆、连接杆、吊杆、拨叉及拨叉横梁。拨叉分为两组，分别安装在前、后拨叉横梁；前、后拨叉横梁通过连接杆与偏心轴套连接，两个偏心轴套对称安装在同一轴上。工作时，马达驱动偏心轮轴，带动偏心轴套，将偏心机构的回转运动转化为抛秧拨叉组的椭圆运动；偏心机构逆时针旋转，拨叉前端为顺时针往复运动，从而使上下两组拨叉往复、交替运动向后抛秧；拨叉紧贴地面插入番茄秧下面，将匐在地上的番茄秧扶起便于切割；然后拨叉交替往复运动，将割下来的番茄秧向后抛送，落在后面的果秧输送链上。

2抛秧机构运动学分析

将抛秧装置简化,如图2所示。其中，OA为曲柄(偏心距)、AD为简化的连杆、DE为简化的连接杆、EG为简化的吊杆、DH为拨叉，H点为抛秧机构关键点。

图2　抛秧机构分析

2.1　结构参数

抛秧机构部件参数如表1所示。

表1　抛秧装置各部件参数

2.2　结构简化及运动学分析

根据图2和表1，将抛秧机构中的双拨叉机构简化，如图3所示。参照图2(a)抛秧机构可知：拨叉段为番茄秧扶起阶段，同时割刀进行切割。切割后的番茄秧在H点起抛，所以H点为抛秧关键点。抛秧机构运动学分析如图3所示。

图3　抛秧机构运动学分析

建立机构矢量方程为

(1)

(2)

将式(1)、式(2)化简得

tanα2=(yB1-yA1)/(xB1-xA1)

(3)

B1点坐标为

D1点坐标为

(4)

求方程组(4)一阶导得D1点的速度，则

求方程组(4)二阶导数，得D1杆质心加速度为

因此，通过上述分析，获得拨叉1的关键点D1(H简化后)的位移、速度及加速度方程。

同理可得，B2点坐标为

D2点坐标为

D2点的速度为

D2杆质心加速度为

因此，通过上述分析，获得拨叉2的关键点D2(H简化后)的位移、速度、加速度方程。

3ADAMS仿真分析

抛秧装置先在SolidWorks软件下建立三维模型，将模型在SolidWorks下另存为*.x_t文件;然后在ADAMS2012的import 选项下,File tyep中选择parasoild ，file to read中单击右键选择browse找到*.x_t文件，在model name对应的空白框中点击右键，选择model→create输入文件名，则数据文件被导入adams环境。

根据机构运动的方式，在零件之间添加约束。在joint中选择合适的约束并添加在零件之间。创建几何点(point)，选择main toolbox中的point，选项设置为大地(add to ground)，将其添加在zhou(center)；选择驱动(motion generator)中的创建铰接低副，选择低副(joints)，转动副(revolute)选择参数1location，添加到zhou(center)点；低副选择转动副(revolute)，选择参数2badies—1location, normal to grid，选中ch_px和ch_lg，将约束添加在ch_px(center)。同理，选中d_px和d_lg选择相同的约束和参数添加到d_px(center)。在joints中选择固定副(fixed)选项设置为normal to grid和2badies—1location，选中zhou和ch_px，将约束添加在zhou(center)上。同理，选中zhou和d_px添加到zhou(center)上；选中d_lg和d_hl添加到d_hl(center)；选中ch_lg和ch_hl添加到ch_lg(center)；选中ch_lg和ch_bch添加到ch_bch(center)；选中d_bch和d_hl添加到d_bch(center)。选择低副(joints)，转动副(revolute)选择参数1location，normal to grid,选中ch_dg添加到ch_dg(center)。同理，选择相同的约束和参数选，选中d_dg添加到d_dg(center)。如图4所示：在ADAMS环境下获得仿真模型及添加的约束，然后点击main toolbox中的interactive simulation controls 在其中设置仿真参数，采用default方式，end time设置为100，steps设置为120。

完成约束的添加之后，在需要测量的点创建一个Marker点。运行仿真Marker点(D1、D2点)，可以获得位移、速度、加速度曲线。仿真结果如图5～图8所示，其分别为上下拨叉的关键点H(D1、D2点)的位移和加速度曲线。

图4　AADAMS环境中机构约束模型

图5　 H点X轴(竖直)方向上的加速度曲线

图6　 H点Y轴(水平)方向的加速度曲线

图7　H点X轴(竖直)方向上的位移曲线

图8　H点Y轴(水平)方向上的位移曲线

4结论

1)首先对抛秧机构进行简化，建立矢量方程，分别获得泡养机构关键点H(D1、D2)位移、速度、加速度矢量方程。

2)通过ADAMS仿真软件对仿真模型进行仿真分析，将关键点H(D1、D2)设置为Marker，分别获得位移和加速度曲线，证明机构实现连续抛物，设计合理。

参考文献：

[1]李成松,坎杂,谭洪洋,等.4FZ-30型自走式番茄收获机的研制[J].农业工程学报,2012(10):20-26.

[2]江英兰,李成松,冯玉磊,等.番茄收获机割台特点及发展现状[J].安徽农业科学,2012(10):6325-6327.

[3]付威,杨立东,何荣,等.谷物联合收获机抖动板的改进及分析[J].石河子大学学报：自然科学版,2012(2):249-251.

[4]彭霞.番茄收获机割台部分的设计及仿真研究[D].石河子：石河子大学,2009.

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[9]徐声彪.以机械化促进加工番茄产业化[J]. 新疆农机化,2008(4):34-35.

[10]谭洪洋,李成松,坎杂,等.加工番茄果秧分离装置的设计及仿真[J].农机化研究,2012，34(1):84-87.

Abstract ID:1003-188X(2016)12-0025-EA

The Kinematics Analysis and Simulation of Tomato Harvester’Throwing Device

Li Jingbin1,2, Liu Fuqiang1,2, Kan Za1,2, Li Chengsong1,2, Fu Wei1,2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Shihezi University, Shihezi 832003,China; 2. Agricultural Machinery Key Laboratories, Xinjiang Production and Construction Corps, Shihezi 832003, China)

Abstract：Throwing device is a key component of the tomato harvester, the performance of which directly affects the quality of the harvest.Base on the throwing structure in this research ,institutions can be simplified,vector equation can be established,and the displacement, velocity and acceleration model of throwing structure’H key point can be obtained.According to ADAMS software, simulation model of throwing structure carry out simulation analysis, receiving H-point in the vertical and horizontal directions of the displacement,acceleration curves, verifying the structural design is reasonable, to provide the theoretical basis and technical support formachine design of omato harvester.

Key words：tomato harvest; throwing structure; motion analysis;simulation

中图分类号：S225.92

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)12-0025-05

作者简介：李景彬(1980-)，男，河南淮阳人，副教授，硕士生导师，工学博士，(E-mail)ljb8095@163.com。通讯作者：付威(1977-)，男(满)，黑龙江五常人，副教授，硕士生导师，工学博士，(E-mail)fuwei001@126.com。

基金项目：国家农业科技成果转化资金特别重大项目(2012GB2G410526)

收稿日期：2016-01-04