水平摘锭式采棉机摘锭轨迹特性研究—基于ADAMS与MatLab

洪荣荣，孙文磊，陈　勇

(新疆大学 机械工程学院,乌鲁木齐　830047)



水平摘锭式采棉机摘锭轨迹特性研究
—基于ADAMS与MatLab

洪荣荣，孙文磊，陈勇

(新疆大学 机械工程学院,乌鲁木齐830047)

摘要：水平摘锭式采棉机是一种高精度、高精准作业要求的大型棉花收获机械，其关键部件-采头机构(尤其是摘锭)的运动合理性直接影响采摘性能。为此，通过对水平摘锭式采棉机进行采头功能分析，以掌握其结构组成原理，为采头进行数字化建模与传动分析做准备；然后，利用ADAMS对摘锭轨迹进行仿真获得轨迹曲线；最后将仿真轨迹曲线数据信息导入MatLab获得曲线多项式，以此来研究探索摘锭运动的规律及其对摘锭采摘性能的影响。该研究为提高国产采棉机采摘性能提供参考。

关键词：采棉机；水平摘锭式；ADAMS；MatLab

0引言

采棉机的普及对推进棉花规模化种植、降低人工劳动强度与成本、提高劳动效率具有重要意义。采棉机的种类多样，其中水平摘锭式采棉机因其较高的采摘性能在新疆棉花收获中应用广泛。早在1996年，采棉机作为国家科技部“九五”科技攻关项目，备受瞩目。经历了近20年的发展，贵航4MZ-5已经基本可以满足市场需求；但相对于国外采棉机巨头——约翰迪尔和凯斯，还有较大差距(采头故障率高、稳定性差)。其核心部件-采头(尤其是采摘动作执行部件摘锭)价格昂贵、维修困难且依赖进口。

国内采棉机研究机构主要有石河子大学、新疆农业科学院农业机械化研究所、新疆农垦科学院农机研究所、新疆大学及新疆农业大学等。

石河子大学毕新胜、王维新等通过分析采棉机水平摘锭的基本工作原理,推导出棉铃在自然和施压二种状态下摘锭摘取棉花的摩擦力大小公式。赵岩、王维新等完成了FS4M-2R滚筒式软摘锭采棉机的设计。新疆农业大学庄力骏、孙颖等利用计算机作图，模拟研究了该采棉滚筒摘锭运动轨迹与K值的对应关系，探讨了K值对采棉性能的影响。这些研究为采棉机采摘性能优化提供了参考，但是对摘锭运动规律这方面的研究较少。

摘锭的运动轨迹特征不仅决定了摘锭对棉株的损伤、搅动进而影响棉花含杂率，还决定了能否把籽棉从棉铃中充分地勾住并拽出及以一定的角度脱棉和润湿摘锭。为研究摘锭的运动规律及其轨迹特性，笔者利用功能分析法对采头部件进行了功能分析，利用UG对采头进行了数字化建模，利用仿真软件ADAMS对采头进行仿真，得到摘锭的运动轨迹。最后，对轨迹进行MatLab拟合，得到轨迹曲线的多项式，并对多项式及其对轨迹对性能影响进行探讨。

1基于UG的采头建模及传动分析

1.1结构组成

如图1所示，采头的结构主要由滚筒与脱棉盘组成。滚筒又包括凸轮、滚轮、曲拐、转盘、摘锭座管及摘锭。此外，还有各级齿轮组合的传动系统。传动齿轮包括滚筒转动传动齿轮、联动齿轮、座管端齿轮、摘锭锥齿轮及脱棉盘传动齿轮。其中，曲拐上端下端与座管固定联结，上端卡入凸轮槽内(导向槽)。

1.2传动分析

如图2所示，采头的传动由离合器、各级齿轮、座管、凸轮和曲拐等部件组成。采头的传动形式为齿轮传动。由传动图可以看出摘锭有3种运动：沿自身轴线的自转、绕滚筒中心轴的公转以及受曲拐影响的摆动。严格来说还有第4种，即随采棉机的前进。摘锭的这4种运动构成了完整的采摘过程同时影响着采摘性能，这4种运动相辅相成又都有着各自的传动路线。本文研究内容为摘锭的对滚筒的相对运动，因此对其自转及公转运动进行了分析。两种运动的传动分析如图3所示。

图1　采头总成

如图3所示，摘锭的自转传动路线为：动力源传动到锥齿轮1、2，然后经过离合器、齿轮3后分为两路：一路经齿轮5、9、联动齿轮、11传动至座管齿轮20，最后座管齿轮20带动锥齿轮13,则摘锭开始自转；另一路经齿轮6、8后传动指滚动轴，再由滚筒轴带动转盘，最后转盘带动座管，则摘锭开始公转。

图3　传动分析

2基于功能论的采头功能分析

功能论设计方法的主要特征就是由系统的观念弄清设计对象的实用功能及其系统结构，对设计对象的功能进行抽象和分析。对采头进行功能分析，有助于进一步认识采棉机的采摘机理与影响采摘性能的因素。为理清采头各部件的功能性质，以每一工序的涉及的固定件、传动件、轨迹约束件及执行件为分类类别进行了采头各部件的功能整理，如表1所示。

表1　部件及其功能

为了更好地分析设计对象，就必须对功能进行区别和分类。为掌握产品必要功能，发现和消除不必要功能，笔者用系统的思想分析各功能间的内在联系，按照功能的逻辑体制编制功能关系图，如表 2所示。

表2　功能分类与整理

续表2

3基于ADAMS的摘锭运动仿真

采棉机是一种结构复杂、价格昂贵、工作季节性强的大型机械，一年中只有几个月可以接触，而且必须是采棉过程出现故障或者每年一次的大检修才有机会看到核心机构。由于条件所限，无法进行现场摘锭轨迹研究。因此，需要依照实物建模后对摘锭运动进行仿真分析。所谓摘锭运动轨迹的仿真，就是利用运动学软件对摘锭运动行为进行模拟。现有的运动学仿真软件有RecurDyn、SIMPACK及ADAMS等。

ADAMS求解器采用多刚体系统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。鉴于其强大的仿真功能，选择它作为仿真工具。

座管仿真的难点在于摘锭的摆动。影响摘锭摆动的机构有凸轮、曲拐和座管。凸轮固定在采头上；座管上端联结曲拐，中间被转盘格挡限制并随其旋转，下端与滚筒底部固定可旋转；曲拐上端卡入凸轮槽，下端与座管固定。当座管旋转时，摘锭一边随座管旋转，一边受曲拐的影响沿凸轮槽运动。由于座管底部仅有轴向约束，而且转盘格挡与座管的接触位置没有约束，所以座管可以在转盘的格挡间自由运动，由此形成了座管的摆动。

3.1模型简化

摘锭的运动轨迹涉及到的部件有凸轮、滚轮、曲拐、转盘、座管、座管固定件及底座。由于摘锭有3种运动，每种运动的传动形式都有所不同，因此传动路径复杂，涉及的传动部件更是多而杂；再加上控制摘锭运动轨迹的凸轮、曲拐及转盘等部件，使得滚筒模型过于庞杂；因此，对模型进行简化十分必要。根据模型简化原则—定性分析类型、控制计算规模、对称性、化繁为简4个原则，正确选择与摘锭轨迹相关的构件，将数个传动齿轮组成的动力源用一个简单的杆代替，将216根摘锭简化为一个，摘锭上的众多构件也布尔为一个整体，如图4所示。这样不仅可以提高ADAMS的运算效率，还可以减少建立系统模型的工作量。

简化后，尤其要注意座管的上中下3部分的装配，其上端与曲拐下端轴心对齐，两部件上端面对齐；卡入转盘的座管中部与转盘没有装配关系，若设定装配则影响摘锭轨迹的仿真；座管下端与滚筒底部旋转部件有两个部件连接，下端部件与滚筒固定装配，上端是一个旋转套，起到分离作用，与座管之间是轴心对齐及端面对齐的装配关系。

3.2摘锭运动仿真及轨迹结果分析

模型简化后，对各运动构件进行运动副的添加，其由1个机架、8个运动副、4个回转副及4个固定副组成；接着，以转盘轴为驱动进行仿真，得摘锭的运动轨迹曲线，如图5所示。

图5　简化模型仿真分析结果

由图5可以看出：摘锭的运动轨迹是一个光滑的不规则曲线，可以减小座管摆动的加速度，增加摘锭工作的稳定性。另外，在某时刻t，摘锭在采摘工作区与脱棉区的分布较密：采摘区分布3根，脱棉区分布3根。在采摘区与脱棉区分布较密有助于提高采摘与脱棉效率。摘锭初始进入采摘区时，与工作区的夹角约为60°(采棉机水平向右运动，滚筒逆时针旋转)；完全进入工作区后，摘锭与棉行约成90°，这样既可以减少对棉珠的搅动，又可以在摘锭垂直伸入棉铃后有足够的时间缠卷棉花，提高采净率。摘锭进入脱棉区时，与脱棉盘切线方向的夹角较小，在这样的位置脱棉盘上的凸起更容易将缠绕摘锭上的籽棉脱下。相对位置与角度关系图如图6所示。

图6　相对位置与角度关系图

图6中，虚线代表摘锭末端与转盘中心这两点的相对位置曲线；实线代表摘锭末端、曲拐下端与转盘中心这3点所围成角的相对角度曲线。由图6可以看出：这两条曲线规律变化基本一致。初始进入脱棉区，曲线呈下降趋势，完全进入后曲线来到第1个波谷；离开脱棉区，曲线呈上升趋势，完全离开后到达第1个波峰；接着，摘锭到达摘锭清洁区达到第2个波谷，之后一直到完全进入采摘工作区，到达第3个波峰；离开工作区后呈下降趋势，完全离开后，达到第3个波谷，之后沿着脱棉区方向上升。如此循环往复。

4基于Matlab的轨迹曲线拟合

为进一步了解轨迹曲线的特性，笔者在ADAMS轨迹数据的基础上，对其进行曲线拟合。所谓拟合是指已知某函数的若干离散函数值{f1,f2,…,fn}，通过调整该函数中若干待定系数f(λ1,λ2,…,λn)，使得该函数与已知点集的差别(最小二乘意义)最小。鉴于MatLab强大的数学功能，笔者选择了它作为获取轨迹曲线的工具。本文所涉及的轨迹曲线即是利用多项式拟合功能进行的，包括导出测量曲线数据、将“*.txt”文件导入到matlab中进行分析、利用Matlab画图及对曲线进行多项式拟合4个步骤。因为摘锭轨迹为闭合的，无法得到拟合函数，所以将曲线分为两部分，分段拟合。为达到理想拟合效果，两部分拟合阶次均取7阶，得到结果如图7、图8所示。

图7　上半段轨迹拟合曲线

图8　下半段轨迹拟合曲线

这组数据拟合的相关系数为95%，复相关系数(R-square)、调整自由度相关系数(Adjusted R-square)均接近于1，误差平方和(SSE)较小，拟合度较高。

这组数据拟合的相关系数为95%，误差平方和(SSE)较小，复相关系数或复测定系数(R-square)接近1，拟合度较高。

这些拟合数据可以用于摘锭轨迹的重构，将其导入UG/solidworks等建模软件中，可以利用轨迹进行凸轮、曲拐、摘锭长度等的再设计，在满足轨迹要求的基础上，对机构进行改进及优化。

此外，摘锭轨迹也可用于分析采棉机性能。在未来采棉机机构多样化发展的过程中，不同采棉机之间有不同的轨迹特征，通过对这些轨迹进行分析、对比与综合得到新的轨迹，从而得到新的采摘机构、优化的采摘性能。

5结论

1)通过功能论的思想方法对采头进行功能分析得到各部件结构组成及功能。通过功能分析后，发现采棉1个周内采摘工序涉及的功能性质及部件数量最多，结构及运动形式最复杂。

2)利用UG对采头进行数字化建模，并根据一些原则对模型进行了简化，并对采头进行传动分析。

3)利用ADAMS对摘锭轨迹进行仿真获得轨迹曲线，得出结论：摘锭在采摘区与脱棉区分布较密，摘锭初始进入工作区的夹角为60°，可减少对棉珠的搅动。摘锭末端位移与角度变化随采摘工序不同，呈周期性变化。

4)将仿真轨迹曲线数据信息导入MatLab获得曲线多项式，拟合结果表明其拟合度较高。同时，分上下两段对曲线进行数学描述，得到两个阶次为6的系数不同的多项式，分析结果可用于凸轮、曲拐、摘锭等的再设计及机构改进的理论依据，为摘锭运动规律的进一步研究提供参考。

参考文献：

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[5]毕新胜,王维新,丛锦玲,等.水平摘锭式采棉机采棉滚筒的运动学分析[J].农机化研究,2008(8):49-51,54.

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[9]付长兵 孙文磊. 水平摘锭式采棉机采棉装置及关键部件分析[J].机械工程与自动化, 2011(1):85-86,89.

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Research of Spindle Trajectory Characteristic of Horizontal Spindle Type Cotton-picking Machine—Based on ADAMS and MatLab

Hong Rongrong, Sun Wenlei, Chen Yong

Abstract：Level spindle - type cotton picker is a kind of large-scale harvesting machine, which has a high precision requirement for the job. Its key components-picking monomers’ motion rationality (especially spindle) directly influences the picking performance. In view of this, They conducted a functional analysis to master its structure principle、digital modeling and transmission analysis to prepare for the trajectory simulation, Then conducted simulations with ADAMS of spindle to get trajectory, Finally imported the simulation curve data into the MATLAB to get the polynomial of trajectory .Through this, to study the regular pattern of the spindle’s motion. And then, provide a reference for improving the picking performance of the domestic cotton picker.

Key words：cotton picker; level spindle-type; ADAMS；MatLaba

文章编号：1003-188X(2016)04-0044-05

中图分类号：S225.91+1；TH16

文献标识码：A

作者简介：洪荣荣(1990-)，女，河南商丘人，硕士研究生，(E-mail)1498219704@qq.com。通讯作者：孙文磊 (1962-),男,新疆奎屯人,教授,博士生导师，(E-mail)sunwenxj@163.com。

基金项目：新疆科技支疆项目(2013911032)；新疆科技重点专项(201130110)

收稿日期：2015-04-03