運(yùn)用ADAMS參數(shù)優(yōu)化的馬鈴薯收獲機(jī)械設(shè)計(jì)畢業(yè)論文目錄摘 要I第一章 緒論11.1 馬鈴薯收獲機(jī)概況11.1.1 國外馬鈴薯收獲機(jī)械的發(fā)展概況11.1.2 國內(nèi)馬鈴薯收獲機(jī)械的發(fā)展概況21.2 馬鈴薯收獲機(jī)存在的主要問題21.3 分離裝置概狀31.4 本課題研究的目的與意義31.5 本課題的王要研究內(nèi)容4第二章 小型馬鈴薯收獲機(jī)及其模型的建立52.1 4SW型馬鈴薯挖掘機(jī)總體結(jié)構(gòu)及工作過程52.2 馬鈴薯收獲機(jī)機(jī)體三維模型的建立5第三章 主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)73.1 懸掛裝置的設(shè)計(jì)73.2 挖掘鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)73.3 挖掘鏟角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)83.4 擺動分離篩設(shè)計(jì)93.4.1 擺動篩的結(jié)構(gòu)93.4.2 擺動篩的工作過程103.4.3 擺動篩的運(yùn)動分析103.4.4 擺動篩的設(shè)計(jì)條件11第四章 創(chuàng)新機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)124.1 切秧器設(shè)計(jì)124.2 裝薯拖車設(shè)計(jì)134.2.1 裝薯拖車總體設(shè)計(jì)134.2.2 拖車底架設(shè)計(jì)144.2.3 桿式分離裝置設(shè)計(jì)14第五章 基于ADAMS軟件的虛擬仿真及優(yōu)化分析165.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)簡介165.2 虛擬樣機(jī)仿真分析的實(shí)現(xiàn)過程175.3 建立虛擬樣機(jī)模型175.4 虛擬樣機(jī)的初步仿真分析195.5 擺動篩質(zhì)心的運(yùn)動仿真分析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 馬鈴薯收獲機(jī)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)236.1 虛擬試驗(yàn)與優(yōu)化236.2 參數(shù)化模型236.3 設(shè)計(jì)研究246.4 優(yōu)化分析28第七章 結(jié)論與建議337.1 結(jié)論337.2 建議33致 謝34參考文獻(xiàn)35第一章 緒論1.1 馬鈴薯收獲機(jī)概況在馬鈴薯生產(chǎn)中,收獲作業(yè)難度最大,因此要實(shí)現(xiàn)馬鈴薯生產(chǎn)機(jī)械化就必須重點(diǎn)解決收獲機(jī)械化問題。馬鈴薯的機(jī)械收獲過程主要包括：挖掘、分離、撿拾、清選、分級和裝運(yùn)等工序。機(jī)械收獲馬鈴薯的方法有分別收獲法、分段收獲法和聯(lián)合收獲法三種。其中分別收獲法的工藝路線為挖掘-分離-撿拾-清選；分段收獲由兩個(gè)階段組成：第一階段為挖土，分離土塊和雜物，并將薯塊鋪成一個(gè)狹窄條鋪。第二階段包括撿拾薯塊、清除泥土和雜質(zhì)，并將薯塊收入薯箱；聯(lián)合收獲是先用除秧機(jī)割去莖葉，而后一次性挖掘薯塊、分離土壤、輸送薯塊并進(jìn)行集裝。無論使用哪種收獲方法，般對收獲技術(shù)提出如下要求：高生產(chǎn)率，高質(zhì)量，薯塊損傷少，工作時(shí)動力及人工耗費(fèi)少，與雜質(zhì)分離，能夠在不同土壤條件下工作。馬鈴薯收獲機(jī)具經(jīng)歷了挖掘犁、挖掘機(jī)和聯(lián)合收獲機(jī)的發(fā)展歷程。1.1.1 國外馬鈴薯收獲機(jī)械的發(fā)展概況 圖1-1 Pyra-2 型馬鈴薯收獲機(jī) 圖1-2 迪沃夫馬鈴薯收獲機(jī)Fig.1-1 Pyra-2 potato harvester Fig.1-2 potato harvester20世紀(jì)初，歐美國家首先出現(xiàn)了畜力牽引式挖掘機(jī)代替了傳統(tǒng)的手工挖掘薯塊的馬鈴薯收獲形式，隨后又改為拖拉機(jī)牽引或懸掛式。20 年代末又相繼出現(xiàn)了升運(yùn)鏈?zhǔn)胶蛼仈S輪式的馬鈴薯挖掘機(jī)。國外馬鈴薯機(jī)械化收獲起步早、發(fā)展快、技術(shù)水平高。在 40 年代初，前蘇聯(lián)、美國就開始研制、推廣應(yīng)用馬鈴薯收獲機(jī)械，50 年代末即己實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化。從5060 年代馬鈴薯收獲機(jī)械在俄國（前蘇聯(lián)）、歐美等國開始大量的生產(chǎn)使用，70 年代主要是研制大功率自走式根塊作物聯(lián)合收獲機(jī)械。在這些機(jī)型中，有很多是由大功率的拖拉機(jī)變型而成，如荷蘭在拖拉機(jī)的基礎(chǔ)上按照甜菜聯(lián)合收獲機(jī)的原理制成的四行馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)，為了加強(qiáng)篩選效果，分離器有四個(gè)液壓泵帶動。7080 年代，德、英、法、意大利、瑞士、波蘭、匈牙利、日本和韓國亦相繼實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯生產(chǎn)機(jī)械化1。目前，發(fā)達(dá)國家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯的機(jī)械化收獲。可分為兩種類型：第一類是以俄羅斯、美國等國生產(chǎn)的機(jī)型為代表，普遍采用大功率自走式聯(lián)合收獲機(jī)。它們的特點(diǎn)是一次完成切蔓、挖掘、分離、篩選、分級、提升、卸料等作業(yè)，但是體積較為龐大、顯得有點(diǎn)笨重，而且消耗功率也大，僅適合在大面積的土地上使用，不適合中小地塊。第二類是以德國、意大利、挪威等國生產(chǎn)的機(jī)型為代表與中型拖拉機(jī)配套的牽引式馬鈴薯收獲機(jī)。如德國“嘉博曼”公司生產(chǎn)的 Pyra-2 型2行馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)，該機(jī)裝有裝卸輸送帶、莖葉拔除輥、萬向軸、照明設(shè)備，挖掘器還裝有轉(zhuǎn)向軸和壓縮空氣裝置，其配套動力為 60KW，如圖 1-1 所示。如圖1-2所示比利時(shí)“迪沃夫”公司生產(chǎn)的馬鈴薯收獲機(jī)，它具有速度快，效果好，能將挖、篩、選同時(shí)操作等優(yōu)點(diǎn)。 1.1.2 國內(nèi)馬鈴薯收獲機(jī)械的發(fā)展概況20 世紀(jì)初的中國農(nóng)村，小面積的挖掘馬鈴薯主要采用了手工的鐵鍬或鋤頭的挖掘方式，較大面積的挖掘采用了畜力牽引犁，將薯塊翻出，由人工撿拾的方式進(jìn)行2。我國對馬鈴薯收獲機(jī)械的研制雖較早，但發(fā)展緩慢，目前處于中小型懸掛式集條收獲機(jī)的研制推廣階段。所研制機(jī)具的技術(shù)水平與國外相差甚遠(yuǎn)。最近幾年，我國有些地區(qū)開始研制馬鈴薯（或其他根莖作物）收獲機(jī)，主要是小型挖掘機(jī)，如黑龍江齊齊哈爾建新廠研制的4U-2牽引式馬鈴薯收獲機(jī)3，4U-4 型馬鈴薯收獲機(jī)是西安圣農(nóng)農(nóng)業(yè)機(jī)械有限責(zé)任公司開發(fā)的新產(chǎn)品，主要適用于我國北方干旱半干旱地區(qū)種植馬鈴薯的農(nóng)戶及小型農(nóng)場收獲馬鈴薯使用。生產(chǎn)效率高，特別是收獲壟上的種植馬鈴薯更能顯示其優(yōu)越性 圖1-3 4U-2 馬鈴薯收獲機(jī) 圖1-4 4U-4 馬鈴薯收獲機(jī) Fig1-3 4U-2 Potato digger Fig 1-4 4U-4 Potato digger4。中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院在吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計(jì)了兩種新型馬鈴薯收獲機(jī)，一種是背負(fù)式 4UL-1型馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)。另一種是拖拉機(jī)后懸掛式 4UW-120 型馬鈴薯挖掘5。該馬鈴薯挖掘機(jī)與 36.8-51.5KW拖拉機(jī)配套，采用獨(dú)特的弧形指狀排輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行土薯分離，解決了傳統(tǒng)抖動鏈?zhǔn)綑C(jī)構(gòu)故障率高、傳動不平衡的致命缺陷，工作更可靠。1.2 馬鈴薯收獲機(jī)存在的主要問題從近幾年試驗(yàn)情況來看，馬鈴薯機(jī)械收獲主要存在以下問題:(1)土薯分離效果不好，明薯率較低。(2)馬鈴薯損傷較重，傷薯率較高。(3)可靠性差。表現(xiàn)為故障較多，工藝輔助時(shí)間長，作業(yè)效率低。(4)動力儲備不足。在挖掘深度增加時(shí)明顯表現(xiàn)出動力不足，難以滿足薯塊收獲的動力需要。(5)適應(yīng)性差。表現(xiàn)為適應(yīng)沙土條件的適應(yīng)不了壤土：在莖葉枯黃時(shí)能正常作業(yè)，在莖葉青綠時(shí)則出現(xiàn)壅土、纏秧而不能正常作業(yè)。目前我國落后的馬鈴薯收獲技術(shù)嚴(yán)重制約了農(nóng)民的生產(chǎn)水平，因此應(yīng)不斷提高馬鈴薯收獲機(jī)生產(chǎn)率并改善馬鈴薯收獲質(zhì)量6。1.3 分離裝置概狀由挖掘器進(jìn)入分離裝置的土垡包括薯塊、碎土、土塊、石頭、莖葉和雜草等。分離裝置在工作時(shí)承受的負(fù)荷很大，其單位寬度喂入量達(dá)100-150kg/(sm)，要求分離掉的土壤達(dá)70-80，工作可靠，對薯塊的損傷小，并在分離的同時(shí)把剩余部分向后輸送，以便在后面進(jìn)一步的清選和分離。按分離原理，分離裝置大致可分為十一類，如表1所示7。表1 分離裝置的類型目前生產(chǎn)上廣泛采用的是按薯塊的幾何尺寸進(jìn)行分離的工作裝置，如桿條式升運(yùn)器、分離篩、滾筒篩、圓盤篩等，這些通常用作現(xiàn)代薯類收獲機(jī)械的主要分離裝置。其余配置在主要分離裝置后部，有的用在固定式輔助清理裝置上。1.4 本課題研究的目的與意義本課題主要是針對馬鈴薯收獲機(jī)械存在的土薯分離效果不好，明薯率較低，馬鈴薯損傷較重等問題，在現(xiàn)有機(jī)型基礎(chǔ)上不斷攻關(guān)完善，對分離裝置工作原理進(jìn)行分析研究，對影響其工作性能的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)較好的土薯分離效果和降低馬鈴薯的損傷。開展本課題的研究，不僅可以提高土薯分離效果，降低傷薯率，而且對于提高整機(jī)工作性能和效率，降低制造成本，確保機(jī)組正常運(yùn)行和提高馬鈴薯品質(zhì)，減輕農(nóng)民勞動強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)的規(guī)模效益，推動馬鈴薯產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的意義。與此同時(shí)，本文以Solidworks與ADAMS為平臺找出了一種馬鈴薯收獲機(jī)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。1.5 本課題的王要研究內(nèi)容針對馬鈴薯收獲機(jī)設(shè)計(jì)方法過于傳統(tǒng)及使用過程中傷薯率高、明薯率低等問題，使用三維實(shí)體建模軟件SolidWorks對小型馬鈴薯收獲機(jī)零部件進(jìn)行了參數(shù)化造型，并在ADAMS中對擺動分離篩虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行了動態(tài)仿真分析。獲得了收獲機(jī)參數(shù)化模型，完成了擺動分離篩篩分性能關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化，提供了一種馬鈴薯收獲機(jī)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。主要研究內(nèi)容如下： (1)建立小型馬鈴薯收獲機(jī)三維模型，完成裝配并隨時(shí)進(jìn)行干涉檢驗(yàn)。完成各零部件及裝配圖的二維圖繪制。 (2)建立該機(jī)具分離裝置的虛擬樣機(jī)模型，并進(jìn)行仿真分析。通過虛擬試驗(yàn)尋找出影響分離裝置篩分性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。 (3）根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論和方法，對分離裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得優(yōu)化結(jié)果。 (4)為實(shí)現(xiàn)小型馬鈴薯收獲機(jī)一次性完成切秧、挖掘、分離、裝薯等工序，針對切秧器和裝薯拖車進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。第二章 小型馬鈴薯收獲機(jī)及其模型的建立2.1 4SW型馬鈴薯挖掘機(jī)總體結(jié)構(gòu)及工作過程本文以4SW型馬鈴薯挖掘機(jī)作為典型的小型馬鈴薯收獲機(jī)來進(jìn)行講述。該機(jī)主要為6065馬力拖拉機(jī)配套適用，在成熟的馬鈴薯地上可一次完成挖掘、薯塊分離、鋪條等聯(lián)合作業(yè)，具有結(jié)構(gòu)輕巧、工作平穩(wěn)、挖掘薯塊完好、擺放整齊、使用可靠等優(yōu)點(diǎn)。該機(jī)主要蟲懸掛機(jī)架、桿條式升運(yùn)鏈、挖掘鏟及鏟架、切土圓盤刀、傳動機(jī)構(gòu)、擺動篩和限深輪等機(jī)構(gòu)組成，如圖2-1所示。 1-懸掛機(jī)架 2-切土圓盤刀 3-挖掘鏟 4-擺動碎土機(jī)構(gòu) 5-振動輥 6-桿條式升運(yùn)鏈 7-擺動篩 8-傳動機(jī)構(gòu) 9-限深輪 圖2-1 4SW馬鈴薯收獲機(jī) 工作過程：拖拉機(jī)的懸掛機(jī)構(gòu)與懸掛機(jī)架1上的三點(diǎn)懸掛處相連，傳動機(jī)構(gòu)8通過萬向節(jié)傳動軸與拖拉機(jī)的動力輸出軸連接。拖拉機(jī)的動力由安裝在傳動機(jī)構(gòu)8兩端的偏心鏈輪分別通過鏈條傳給桿條式升運(yùn)鏈6，使其轉(zhuǎn)動，通過連桿傳給擺動篩7，使其擺動。作業(yè)時(shí)，挖掘鏟3進(jìn)入土壤后，莖稈、薯塊及土壤等的混合物一起被掘起，并沿鏟面向后滑移被輸送到桿條式升運(yùn)鏈6上，經(jīng)抖動、疏松、振動、破碎，使小于輸送鏈桿條間距的土塊和夾雜物被篩下，落到桿條鏈下部壟溝內(nèi)。莖稈、薯塊和大于桿條間距的土塊及夾雜物被輸送到擺動篩7上。經(jīng)過擺動篩的分離后，土壤從篩條的間隙落下，薯塊則成條狀鋪放在挖掘機(jī)的后面，再由人工撿拾完成馬鈴薯的收獲。2.2 馬鈴薯收獲機(jī)機(jī)體三維模型的建立本文采用SolidWorks三維設(shè)計(jì)軟件完成4SW型馬鈴薯收獲機(jī)的三維實(shí)體建模工作，根據(jù)4sw型馬鈴薯挖掘機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)圖紙，在SolidWorks2011中按照1：1的比例，采用“自底向上”的模式進(jìn)行三維實(shí)體建模。首先完成各零件的三維建模，再通過裝配功能將零件模型依據(jù)霉部件之間的裝配關(guān)系，添加相應(yīng)裝配約束(如同軸、平行、重臺等)進(jìn)行模擬裝配，最后裝配各零部件生成整機(jī)的實(shí)體模型，在此過程中隨時(shí)進(jìn)行干涉檢查。機(jī)具的三維實(shí)體模型如圖2-2。把建好的樣機(jī)幾何模型轉(zhuǎn)換和導(dǎo)入到ADAMS/View環(huán)境中。在ADAMS/View環(huán)境下建立完整的虛擬樣機(jī)模型，并進(jìn)行仿真分析。SolidWorks可以以IGES格式、STEP格式和Parasolid格式將輸出的裝配體文件讀入ADAMS/View。經(jīng)比較后。以Parasolid格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換模型信息不丟失。 圖2-2 馬鈴薯收獲機(jī)機(jī)體三維模型 第三章 主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)3.1 懸掛裝置的設(shè)計(jì)收獲機(jī)組的入土性能、挖掘深度穩(wěn)定性能、機(jī)組牽引性能、運(yùn)輸通過性能及對地表的適應(yīng)性能等主要工作性能都受馬鈴薯收獲機(jī)懸掛參數(shù)的影響。本設(shè)計(jì)采用三點(diǎn)懸掛式機(jī)構(gòu)，由拖拉機(jī)后置三點(diǎn)懸掛和收獲機(jī)懸掛架構(gòu)成一個(gè)空間機(jī)構(gòu)，它可以看作在縱垂面和水平面的兩個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)。這兩個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)具有各自的瞬心，挖掘工作時(shí)，在各種作用力及相對瞬心的力矩作用下，將產(chǎn)生繞這兩個(gè)瞬心的轉(zhuǎn)動趨勢轉(zhuǎn)動，以保持平衡。懸掛機(jī)構(gòu)是馬鈴薯收獲機(jī)的作業(yè)機(jī)與拖拉機(jī)的聯(lián)接機(jī)構(gòu)。播種機(jī)在道路上行進(jìn)或在地頭轉(zhuǎn)彎時(shí)，利用懸掛機(jī)構(gòu)將作業(yè)機(jī)提起，使作業(yè)機(jī)工作部件的位置高度300mm，與拖拉機(jī)后輪之間的縱向間距200mm，路面通過角。作業(yè)時(shí)，利用懸掛機(jī)構(gòu)將作業(yè)機(jī)降下使其工作部件滿足播深要求。懸掛機(jī)構(gòu)在提升過程中，作業(yè)機(jī)工作部件的運(yùn)動軌跡影響著其人土能力。對懸掛裝置進(jìn)行仿真，目的就是分析后懸掛機(jī)構(gòu)3個(gè)懸掛點(diǎn)的受力情況以及作業(yè)機(jī)工作部件的運(yùn)動規(guī)律，并確定主要參數(shù)，進(jìn)而尋找滿足工作要求的懸掛機(jī)構(gòu)的最佳工作參數(shù)。 圖3-1 馬鈴薯收獲機(jī)機(jī)架 3.2 挖掘鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)挖掘鏟及其角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則是:能有效降低牽引阻力, 防止土壤壅堵, 保證馬鈴薯挖凈率, 不傷、切薯塊。要滿足這一原則, 必須做到:鏟面傾角可合理設(shè)置。挖掘深度穩(wěn)定, 掘土量少, 并能部分漏土。不易纏掛秧莖。盡量減少其他部件入土、觸土。輸出端與升運(yùn)鏈承接端相對位置合理, 能保證土、薯順暢輸送。挖掘鏟的鏟片是多片鏟的變形，鏟片與鏟片間留著間隙，這帶來很多優(yōu)點(diǎn)。（1）一方面是減少鏟尖與土壤的接觸面積，以達(dá)到減少阻力的目的。（2）另一方面是減輕了機(jī)器前部的重量，以防止鏟尖下陷。多片鏟在工作發(fā)生局部磨損時(shí)，更換方便維修成本低。一般單株塊莖在土壤中的分布寬度為400mm，塊莖分布的深度一般為在地表下120-200mm之間。其結(jié)構(gòu)如圖3-1所示： 圖3-2 挖掘鏟 為了保證鏟刃的自動清理功能，鏟刃的傾斜角度可由受力確定，使土壤在鏟刃上的滑切力能克服摩擦力，即： (3-1)式中：為作用于鏟刃上的阻力；為 鏟刃上的正壓力；為鏟刃上的滑切力；為鏟刃與土壤之間的摩擦力，且，為摩擦角。 (3-2)代入得：一般土壤對鋼的摩擦角為，取，所以。若鏟片數(shù)量為5個(gè)，單個(gè)鏟片寬度為100mm，長度為250mm，鏟刃傾斜角度，鏟面傾角為，鏟間間隙為25mm。為了保證挖掘鏟挖進(jìn)的土壤和塊莖不會從兩側(cè)滑落，因此需要在挖掘鏟的兩側(cè)加設(shè)擋板，擋板為平行四邊形，焊接在機(jī)架上。3.3 挖掘鏟角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)挖掘鏟及其角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。挖掘鏟為分離組合式結(jié)構(gòu),由8組相互分離的鏟片與鏟托柱組成, 其中鏟托柱為組焊件。挖掘鏟所有鏟片的上表面共面, 鏟尖共線, 鏟片間距為20mm,挖掘鏟總寬度為680mm。延伸柵條末端延伸至升運(yùn)鏈導(dǎo)向撐鏈輪的上方, 鏟托的弧形彎曲鋼管在升運(yùn)鏈松邊下方繞過。挖掘鏟及其角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與機(jī)架下邊框聯(lián)接。通過調(diào)整調(diào)節(jié)螺桿上的螺母, 可使鏟托帶動挖掘鏟懸臂板軸同步轉(zhuǎn)動, 實(shí)現(xiàn)挖掘鏟鏟面傾角的連續(xù)調(diào)整。 挖掘鏟主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有鏟刃斜角、鏟寬和鏟長。參考文獻(xiàn)認(rèn)為鏟尖過長會導(dǎo)致刃1-挖掘鏟 2-鏟托 3-調(diào)節(jié)螺桿 4-調(diào)節(jié)螺母 圖3-3 挖掘鏟角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 圖3-4 角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)原理 尖入土深, 但后部鏟刃入土淺的弊端, 并指出鏟片寬度可由鏟尖長度和鏟刃斜角加以確定。綜合研究成果, 本設(shè)計(jì)單個(gè)鏟片鏟刃斜角取為55,鏟片寬度取為112mm。角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)原理如圖3-4所示。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)為一個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)螺桿在調(diào)節(jié)螺母的控制下上下移動起到滑塊的作用，并且能夠在要求位置實(shí)現(xiàn)靜止。螺桿的移動通過鏟托傳遞給挖掘鏟，挖掘鏟做以下軸為中心的轉(zhuǎn)動，繼而改變角度。挖掘過程為：鏟刃切開土壤薯層，將薯壟崛起，薯壟沿平面鏟向上滑行，經(jīng)過剪切破裂到過渡桿條，桿條進(jìn)一步拱碎土壤，下層疏松的土壤開始下漏，得到的松碎土薯沿曲面桿條順向進(jìn)入輸送、分離裝置。3.4 擺動分離篩設(shè)計(jì)3.4.1 擺動篩的結(jié)構(gòu) 1-連桿 2-篩角調(diào)節(jié)板 3-前吊掛桿 4-后吊掛桿 5-篩架 6-篩條圖3-5 擺動分離篩模型 擺動篩安裝在馬鈴薯收獲機(jī)的尾部，主要由篩架、前、后吊掛桿、篩條和篩角調(diào)節(jié)板等構(gòu)成。擺動篩在偏心輪和連桿機(jī)構(gòu)的帶動下擺動，其功能是將桿條式升運(yùn)鏈上輸送來的物料(馬鈴薯塊莖及少量土壤)進(jìn)行二次篩分，使篩上的大部分泥土落到篩下，而馬鈴薯塊莖被送到機(jī)器后面，在地面上鋪放成條。其結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。3.4.2 擺動篩的工作過程擺動篩在偏心輪和連桿機(jī)構(gòu)的帶動下擺動，其功能是將桿條式升運(yùn)鏈上輸送來的物料(馬鈴薯塊莖及少量土壤)進(jìn)行二次篩分，使篩上的大部分泥土落到篩下，而馬鈴薯塊莖被送到機(jī)器后面，在地面上鋪放成條。擺動篩作為挖掘機(jī)的最后一個(gè)工作部件，它不僅能分離薯塊和土，同時(shí)也能把篩面上的物料向機(jī)器后方輸送。由于篩上物料大部分是馬鈴薯塊莖，沒有足夠的土壤對薯塊進(jìn)行保護(hù)，故擺動篩和篩上物的運(yùn)動情況及相關(guān)參數(shù)與薯塊的損傷和篩分效率關(guān)系密切，需要合理確定擺動篩運(yùn)動參數(shù)和動力參數(shù)。3.4.3 擺動篩的運(yùn)動分析物料在篩面上的運(yùn)動是由擺動篩的運(yùn)動而產(chǎn)生的，所以擺動篩的運(yùn)動分析是篩面物料運(yùn)動分析的基礎(chǔ)。擺動篩吊掛在兩對吊掛桿上，組成雙搖桿機(jī)構(gòu)，在曲柄連桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動下作往復(fù)擺動。曲柄OE，連桿EB，前吊掛桿AB，后吊掛桿CD。篩面傾角，擺動方向角，擺動方向與篩面夾角。1-曲柄 2-連桿 3-點(diǎn) 4-前吊掛桿 5-篩 6-點(diǎn) 7-后吊掛桿 8-點(diǎn)圖3-6 擺動分離篩及驅(qū)動機(jī)構(gòu)簡圖由圖3-6可知，該擺動篩機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu)。連桿長度遠(yuǎn)大于曲柄半徑，故該機(jī)構(gòu)可看成是做振幅為A=2r(r為曲柄半徑)簡諧振動的直線振動篩。設(shè)篩子的擺動方向?yàn)閄軸，曲柄在最右面位置時(shí)作為篩子的位移和時(shí)間的起始相位，并規(guī)定以逆時(shí)針為正，易得出如下關(guān)系：位移：；速度：；加速度：式中：-曲柄半徑，；-曲柄角速度，rad/s；-時(shí)間，S。從上述方程可以看出，影響擺動篩工作性能的主要參數(shù)是曲柄轉(zhuǎn)速和曲柄半徑。3.4.4 擺動篩的設(shè)計(jì)條件擺動篩在分離土、薯的同時(shí)也要把篩面上的物料向機(jī)器后方輸送。篩上物的運(yùn)動情況關(guān)系著擺動篩的篩分效率和處理能力，因此需要分析篩上物的運(yùn)動特性，找出影響篩上物運(yùn)動的參數(shù)，從而為合理選擇擺動篩的運(yùn)動參數(shù)和達(dá)到良好的篩分效果提供依據(jù)。由于篩上物是由薯塊，土等物質(zhì)組成的混合物，所以篩上物在運(yùn)動時(shí)必然伴隨各物質(zhì)間的相互擠壓，碰撞以及自身的翻滾。這些作用都是隨機(jī)的，無法用確定的力函數(shù)表達(dá)，從而給進(jìn)一步的分析帶來了困難。為了便于推導(dǎo)，作如下規(guī)定：(1)不考慮土垡中馬鈴薯塊莖的彈性、馬鈴薯殘余根系的牽連和空氣對篩上物料的運(yùn)動阻力；(2)忽略馬鈴薯間的相互碰撞以及自身的翻滾，即忽略群體的影響，將其個(gè)體視為自由質(zhì)點(diǎn)，分析其在擺動篩面上的受力與相對運(yùn)動狀態(tài)。篩上物料的運(yùn)動狀態(tài)直接影響振動篩的篩分效率和處理能力, 所以為了合理選擇振動篩的運(yùn)動參數(shù), 需先分析篩上物料的運(yùn)動特性。薯塊沿篩面的運(yùn)動情況分為前滑、后滑和跳動。要求馬鈴薯塊莖在不跳離篩面的情況下, 向前滑動的距離應(yīng)大于向后滑動的距離。振動篩的運(yùn)動學(xué)參數(shù)通常是根據(jù)所選定的物料運(yùn)動狀態(tài)來選取, 選擇不同的振動篩振動頻率和振幅, 將影響物料通過篩子的能力。一般認(rèn)為馬鈴薯損傷率, 因此要求篩子質(zhì)心點(diǎn)運(yùn)動的合成加速度平均值,篩子質(zhì)心點(diǎn)運(yùn)動的x方向速度,y方向速度8。第四章 創(chuàng)新機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)目前小型馬鈴薯收獲機(jī)僅能夠?qū)崿F(xiàn)挖掘、分離和鋪條的工作，而必須事先進(jìn)行切秧以及事后人工撿拾等工作，效率較低。針對上述問題，本文嘗試進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)：切秧器、拖掛式裝薯箱的設(shè)計(jì)。4.1 切秧器設(shè)計(jì) 1-切秧臺 2-鋸齒 3-直切秧刀 4-切秧齒刀圖4-1 切秧器 切秧器由切秧臺、兩把切秧刀和兩把切秧齒刀等部件組合而成，依靠車體前行的動力以及切秧刀的切削力實(shí)現(xiàn)對秧蔓的切割。切秧臺呈三角狀，被切割的秧蔓將沿著切秧刀擺放方向向后滑移，從而在車體前行過程中達(dá)到切割秧蔓和將其置于車體兩側(cè)的目的。切秧臺底面鋸齒齒向與齒刀齒向相反，可增大秧蔓與切秧刀具之間的接觸力，更加易于實(shí)現(xiàn)切割。具體結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。 圖4-2 切秧器運(yùn)作原理 切秧器頭部呈三角型，在兩邊分別安裝有底面鋸齒、細(xì)齒刀和直齒刀。其中鋸齒齒向與齒刀齒向相反，齒刀齒向與行駛方向反向，便于滑切。秧蔓在底面鋸齒向前推拉與齒刀向后推拉的作用下瞬間固定，接著由直齒刀滑切而斷裂，隨后在三角型切秧臺的推擠下倒向兩側(cè)，為車體行駛消除障礙。切秧器運(yùn)作原理如圖4-2所示。4.2 裝薯拖車設(shè)計(jì)根據(jù)馬鈴薯的特性及其機(jī)械化收獲要求，確定了馬鈴薯收獲機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案為設(shè)計(jì)一種牽引式行走方式的集挖掘、分離、篩選、裝箱為一體的具有特殊性能的小型馬鈴薯收獲機(jī)。讓其既符合當(dāng)今我國馬鈴薯收獲的現(xiàn)狀，又能夠?qū)崿F(xiàn)多工序收獲過程，提高效率、節(jié)省人力。4.2.1 裝薯拖車總體設(shè)計(jì)1-底架結(jié)構(gòu) 2-地輪 3-減震機(jī)構(gòu) 4-桿式分離裝置 5-薯箱蓋 6-裝薯箱體圖4-3 裝薯拖車 目前，小型馬鈴薯收獲機(jī)均沒有配備裝薯設(shè)備。本文創(chuàng)新的實(shí)現(xiàn)了較為可行的裝薯箱設(shè)計(jì)，它包括裝薯部分、桿式分離裝置、減震裝置、底架結(jié)構(gòu)以及地輪等。工作過程為經(jīng)分離的塊莖、土壤進(jìn)入裝薯箱，下滑的過程中經(jīng)過桿式分離裝置，在車體的震蕩中繼續(xù)分離土壤，最終留塊莖于箱中。底架結(jié)構(gòu)與車體鉤式相連，單行收獲完畢后可取下裝薯箱并屯薯后繼續(xù)進(jìn)行之后工作。圖4-4 裝薯箱工作過程示意圖 收獲機(jī)裝薯箱主要是將分離后的馬鈴薯塊莖進(jìn)行裝箱。據(jù)統(tǒng)計(jì)單行馬鈴薯收獲機(jī)械進(jìn)行收獲作業(yè)時(shí)，76%80%的土壤要求在裝箱前分離，然而仍存在部分土壤。本裝薯箱之所以采用了底部桿式分離裝置，就是為最大限度的實(shí)現(xiàn)土薯分離，確保塊莖裝箱的同時(shí)在裝薯箱震蕩的過程中篩分出土壤。裝薯箱結(jié)構(gòu)如圖4-3所示。裝薯箱工作過程如圖4-4所示。4.2.2 拖車底架設(shè)計(jì)拖車底架為裝薯拖車的重要部分，它的設(shè)計(jì)廣泛的受到周圍環(huán)境的影響，凸起的地面以及持續(xù)的震動要求它具有良好的簡易的身軀和抗震性能。鑒于此，本底架設(shè)計(jì)采用了骨架結(jié)構(gòu)。底架采用普通碳素銅管經(jīng)過焊接、組合而成。為了減輕管重量，提高強(qiáng)度，也可采用低合金鋼管制造。由于拖車是依靠收獲機(jī)拖拽而行駛的，底架便成為承受行駛中所產(chǎn)生的沖擊載荷以及能否安全的運(yùn)載土豆的重要結(jié)構(gòu)體，底架結(jié)構(gòu)制造精度的優(yōu)劣，將直接影響土豆的傷薯率。拖車底架模型如圖4-5所示。圖4-5 拖車底架模型 拖車底架后叉管結(jié)構(gòu)猶如自行車后下叉管，組成后叉管的叉骨及分別位于叉骨兩端的勾爪及接頭與叉骨是一體成型的相互連接，減省了后叉管的加工程序，降低了成本，增強(qiáng)后叉管的強(qiáng)度。后叉架如圖4-5右下角所示。4.2.3 桿式分離裝置設(shè)計(jì)圖4-6 桿式分離裝置 分離裝置的三維實(shí)體建模用的是Solidworks三維實(shí)體設(shè)計(jì)軟件，它提供了從二維到三維的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的概念、外觀、總體、結(jié)構(gòu)和零部件設(shè)計(jì)等功能。桿條可以用Solidworks中拉伸的方法進(jìn)行直接建立模型，最后進(jìn)行裝配得到桿式分離裝置的整體三維實(shí)體模型如圖4-6所示。在拖車行駛過程中，車體存在著較大的震動，對馬鈴薯的損害較大，故桿條采用橡膠制作。桿條間距經(jīng)實(shí)物模擬計(jì)算，得出合理的尺寸值。第五章 基于ADAMS軟件的虛擬仿真及優(yōu)化分析5.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)簡介虛擬樣機(jī)技術(shù)是指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，將分散的零部件設(shè)計(jì)和分析技術(shù)(指在某單一系統(tǒng)中零部件的CAD和FEA技術(shù))揉合在一起，在計(jì)算機(jī)上建造出產(chǎn)品的整體模型，并針對該產(chǎn)品在投入使用后的各種工作情況進(jìn)行仿真分析，預(yù)測產(chǎn)品的整體性能，進(jìn)而改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、提高產(chǎn)品性能的一種新技術(shù)9。機(jī)械工程中的虛擬樣機(jī)技術(shù)又稱為機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)，是20世紀(jì)80年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)，其核心是機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真技術(shù)，同時(shí)還包括三維CAD建模技術(shù)、有限元分析技術(shù)、機(jī)電液控制技術(shù)、最優(yōu)化技術(shù)等相關(guān)技術(shù)10。機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件ADAMS(AutomaticDynamic AnalysisofMechanical System)，是由美國MechanicalDynamicsInc公司研制開發(fā)的集建模、求解、可視化技術(shù)于一體的虛擬樣機(jī)分析軟件，是世界上目前使用范圍最廣的機(jī)械系統(tǒng)仿真分析軟件。ADAMS軟件由核心模塊、功能擴(kuò)展模塊、專業(yè)模塊、接口模塊和工具箱5類模塊組成11，其中ADAMS/View(用戶界面模塊)和ADAMS/Solver(求解器)是核心模塊。圖5-1 建模仿真分析步驟 ADAMS一方面是虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件非常方便地對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析；另一方面，又是虛擬樣機(jī)分析開發(fā)工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進(jìn)行特殊類型虛擬樣機(jī)分析的二次開發(fā)工具平臺12。5.2 虛擬樣機(jī)仿真分析的實(shí)現(xiàn)過程本文所研究的馬鈴薯挖掘機(jī)擺動分離篩的虛擬樣機(jī)仿真分析包括運(yùn)動分析和確定關(guān)鍵參數(shù)，其實(shí)現(xiàn)步驟如圖5-1所示。首先在ADAMS中建立仿真模型，然后通過仿真研究篩面加速度大小和方向的變化規(guī)律，再利用ADAMS的研究工具研究機(jī)構(gòu)各參數(shù)變化對篩面加速度的敏感程度，根據(jù)敏感程度的大小確定出擺動分離篩機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)。5.3 建立虛擬樣機(jī)模型SolidWorks模型導(dǎo)入ADAMS后，機(jī)具模型的幾何特征完全保留，但原有的裝配關(guān)系都已經(jīng)無效，只是提供了各構(gòu)件的初始位置，各構(gòu)件之間只是毫無關(guān)系地獨(dú)立存在于ADAMS中，并不是具有現(xiàn)實(shí)意義的虛擬樣機(jī)。所以要在ADAMS中將零部件“裝配”成整體并設(shè)置實(shí)體模型的質(zhì)量特性，從而建立完整的虛擬樣機(jī)模型。(1)導(dǎo)入模型為了研究方便，故將整機(jī)的模型建立一個(gè)新配置，壓縮掉無關(guān)的零部件，使模型簡化為圖5-2后，以Solidworks格式導(dǎo)入ADAMS/View中，圖5-3為導(dǎo)入時(shí)的設(shè)置。 圖5-2 馬鈴薯收獲機(jī)擺動篩機(jī)構(gòu) 圖5-3 ADAMS中導(dǎo)入?yún)?shù)設(shè)置 (2)設(shè)置建模環(huán)境在ADAMS/View模塊中，選用笛卡爾坐標(biāo)系(Cartesian)作為全局坐標(biāo)。單位設(shè)定選用MKS(m,kg,N,s,deg)選項(xiàng),，即長度、質(zhì)量、力、時(shí)間及角度單位分別為米(m)、千克(kg)、牛頓(N)、秒(s)和度(deg)。設(shè)置重力加速度沿Y軸負(fù)方向，大小為9.807。設(shè)置工作柵格時(shí)選用直角坐標(biāo)(Rectangular)，柵格平面尺寸(size)為X=0.5m、Y=0.5m，其間距值(spacing)為0.005m，將柵格的圈點(diǎn)設(shè)在第一傳動軸的左端處。(3)添加材料屬性模型的各個(gè)零件添加材料屬性。所選用的材料均為碳鋼類，按ADAMS標(biāo)準(zhǔn)材料庫：13碳鋼婁材料的彈性模量，密度，泊松比。(4)添加約束副由于SolidWorks模型導(dǎo)入ADAMS后，模型中原有的裝配關(guān)系都已經(jīng)無效，故需要使用ADMAS中的布爾加運(yùn)算和約束副將它們連接起來，以定義物體之間的相對運(yùn)動。利用ADMAS中的布爾加運(yùn)算將機(jī)架的各個(gè)零件組合，調(diào)用ADAMS中的Connectors命令中的固定副，將機(jī)架部裝與大地之間創(chuàng)建固定副。再用布爾加運(yùn)算將擺動分離篩部裝的各個(gè)零件組合，仿真時(shí)使它們成為一個(gè)整體一起運(yùn)動。偏心輪與大地之間創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副，連桿、前后吊掛桿分別與其相對應(yīng)銷軸之間創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)副。(5)添加驅(qū)動設(shè)定偏心輪為原動件，在其旋轉(zhuǎn)副上創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(Rotational Joint Motion) Motion-l，F(xiàn)unction(time)為。(6)ADAMS模型自檢利用ADAMS自帶的模型自檢工具進(jìn)行模型自檢。自檢是檢查模型中不恰當(dāng)?shù)倪B接和約束、沒有約束的構(gòu)件、無質(zhì)量構(gòu)件、樣機(jī)的目由度等。這項(xiàng)檢驗(yàn)是從機(jī)械原理的角度對模型的綜合評價(jià)，一般通過這項(xiàng)檢驗(yàn)就可以進(jìn)行仿真試驗(yàn)了。在ADAMS/View模型界面中單擊菜單ToolsModel Verify，進(jìn)行模型自檢，系統(tǒng)會自動彈出自檢信息窗口(圖5-4)。由自檢結(jié)果可以看出模型已通過自檢，說明可以進(jìn)行仿真試驗(yàn)了。 圖5-4 模型自檢信息窗口 圖5-5 馬鈴薯收獲機(jī)仿真模型 這樣建立了完整的虛擬樣機(jī)模型(圖5-5)。利用ADAMS的強(qiáng)大的動力學(xué)仿真功能可以對其進(jìn)行仿真分析。5.4 虛擬樣機(jī)的初步仿真分析建完模型后，可以對其進(jìn)行仿真分析了。選擇仿真工具進(jìn)行1s，50步的仿真分析。可選回放工具回放仿真過程。在ADAMS/View中可以設(shè)置仿真分析輸出，包括模型的位移、追度、加速度、力、力矩以及它們的各個(gè)分量等。設(shè)置所需輸出后，經(jīng)過仿真分析，ADAMS/Solver求解之后可獲得仿真分析輸出結(jié)果。選擇啟動后處理模塊ADAMS/PostProcessor，在該程序界面內(nèi)可以重現(xiàn)仿真過程和繪制仿真分析曲線。圖5-6為樣機(jī)模型經(jīng)仿真分析后，在后處理模塊中繪制的仿真分析輸出結(jié)果，即擺動篩質(zhì)心的位移、速度、加速度曲線圖。 圖5-6 ADAMS/PostProcessor程序界面 5.5 擺動篩質(zhì)心的運(yùn)動仿真分析由于篩子機(jī)構(gòu)不完全是一個(gè)平行四桿機(jī)構(gòu)，篩面上各點(diǎn)的運(yùn)動軌跡、速度和加速度是不同的，為了簡化考察篩面運(yùn)動變化情況，故對篩面上質(zhì)心點(diǎn)的參數(shù)進(jìn)行測量，得到真實(shí)情況下篩面上質(zhì)心點(diǎn)的位移、速度和加速度的變化情況。分別對擺動篩質(zhì)心點(diǎn)cm設(shè)置運(yùn)動參數(shù)測量，獲得了在一個(gè)周期內(nèi)沿篩面出料方向(x方向)、垂直于篩面方向(y方向)和其合成量的曲線圖。5.5.1 位移仿真分析啟動仿真命令，輸出質(zhì)心點(diǎn)X、Y方向的位移和合成位移，如圖5-7至5-10所示。 圖5-10 三者位移對比圖 圖5-7 篩面質(zhì)心點(diǎn)x方向位移圖 圖5-8 篩面質(zhì)心點(diǎn)Y方向位移圖 圖5-9 篩面質(zhì)心點(diǎn)合成位移圖 由圖可知：篩子質(zhì)心在X方向的位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在y方向的位移，使得篩上物更易于拋出機(jī)體；篩子質(zhì)心的合成位移比較平穩(wěn)，有利于避免過大的傷薯率。5.5.2 速度仿真分析啟動仿真命令，輸出質(zhì)心點(diǎn)X、Y方向的速度和合成速度，如圖5-11至5-14所示。由圖可知：篩子質(zhì)心速度大致符合,的條件；篩子質(zhì)心的合成速度在上下波動，比較平穩(wěn)，有利于向后輸送馬鈴薯。 圖5-14 三者速度對比圖 圖5-11 篩面質(zhì)心點(diǎn)x方向速度圖 圖5-12 篩面質(zhì)心點(diǎn)Y方向速度圖 圖5-13 篩面質(zhì)心點(diǎn)合成速度圖 5.5.3 加速度仿真分析由于篩上物料的運(yùn)動狀態(tài)直接影響擺動分離篩的篩分效率和處理能力，而物料在篩面上的運(yùn)動形式和方向是由篩子加速度的大小和方向所決定的心鍆，所以不僅要測量篩子加速度大小還要確定加速度的方向。質(zhì)心點(diǎn)X方向的加速度、y方向的加速度和合成加速度a如圖5-15至5-18所示。 圖5-18 三者加速度對比圖 圖5-15 篩面質(zhì)心點(diǎn)x方向加速度圖 圖5-16 篩面質(zhì)心點(diǎn)Y方向加速度圖 圖5-17 篩子質(zhì)心點(diǎn)合成加速度圖 由圖可知：篩子各點(diǎn)的ax隨時(shí)間的變化規(guī)律相同而且在同一時(shí)刻加速度的大小幾乎相等。ax的正負(fù)變化可使篩面上的物料有向前和向后滑動的趨勢；ay影響物料的拋起和透篩運(yùn)動，其值為正時(shí)，物料有被拋起的趨勢，其值為負(fù)時(shí)，物料有透篩的趨勢。篩面上各點(diǎn)由前向后ay的變化范圍逐漸減小，峰值也逐漸減小；ax要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ay；篩面由前向后各點(diǎn)的合成加速度a變化規(guī)律基本相同，而且在同一時(shí)刻加速度的大小幾乎相等。第六章 馬鈴薯收獲機(jī)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)6.1 虛擬試驗(yàn)與優(yōu)化虛擬試驗(yàn)就是在軟件環(huán)境中對虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)，來研究對虛擬樣機(jī)影響較大的參數(shù)以及影響的程度。擺動分離篩機(jī)構(gòu)的虛擬試驗(yàn)是在ADAMS中對機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，尋找出那些對篩面運(yùn)動狀態(tài)影響最大的參數(shù)，為整個(gè)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化確定設(shè)計(jì)變量。機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動參數(shù)對篩面的運(yùn)動狀態(tài)都有影響，比如曲柄半徑、曲柄轉(zhuǎn)速、連桿、篩面傾角以及前、后吊桿長度，這些量發(fā)生變化都會導(dǎo)致篩面運(yùn)動狀態(tài)的變化，但其中有些參數(shù)的變動可能對篩面運(yùn)動的影響并不是很大，所以通過虛擬試驗(yàn)從多個(gè)參數(shù)中選擇出對篩面運(yùn)動影響較為顯著的那些參數(shù)，把它們作為優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)的設(shè)計(jì)變量。6.2 參數(shù)化模型通過參數(shù)化建模，可以將參數(shù)值設(shè)置為可以改變的變量。在分析過程中，只需改變模型中的有關(guān)參數(shù)值，ADAMS就可以自動地更新整個(gè)樣機(jī)模型。還可以根據(jù)預(yù)先設(shè)置的可變參數(shù)，自動地進(jìn)行一系列的仿真分析，觀察在不同參數(shù)值下樣機(jī)的變化。進(jìn)行參數(shù)化建模時(shí)，只對變化的參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化。(1)創(chuàng)建設(shè)計(jì)變量分別將曲柄轉(zhuǎn)速、曲柄半徑創(chuàng)建為設(shè)計(jì)變量DV_1DV_2，虛擬試驗(yàn)時(shí)的各參數(shù)變化如下表所示：表2 設(shè)計(jì)變量設(shè)計(jì)變量因素水平1水平2水平3DV_1曲柄半徑r（m）0.010.030.05DV_2曲柄轉(zhuǎn)速n（r/min）240r/min300r/min350r/min 此處利用參數(shù)化marker來表達(dá)曲柄半徑，對應(yīng)關(guān)系為0.17792450mm；0.18792440mm；0.19792430mm；0.20792420mm；0.21792410mm。 (2)參數(shù)化驅(qū)動旋轉(zhuǎn)驅(qū)動Motion-1參數(shù)化的表達(dá)式為：DV_1time。 (3)產(chǎn)生擺動分離篩的質(zhì)心加速度的測量為了研究設(shè)計(jì)變量在不同取值下對擺動分高篩加速度的影響，展開擺動分離篩的質(zhì)心加速度的測量。進(jìn)行1s，50步的仿真，得到擺動分離篩的質(zhì)心加速度、隨時(shí)間變化的曲線如圖6-1、6-2所示。圖6-3 計(jì)研究對話框 圖6-1 篩子質(zhì)心加速度隨時(shí)間變化的曲線圖 圖6-2 篩子質(zhì)心加速度隨時(shí)間變化的曲線圖 6.3 設(shè)計(jì)研究設(shè)計(jì)研究主要研究某個(gè)設(shè)計(jì)變量發(fā)生變化或取不同的值時(shí)，樣機(jī)的性能將會發(fā)生怎樣的變化。在設(shè)計(jì)研究過程中，對某個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)在一定范圍內(nèi)取若干值，然后每次取不同的設(shè)計(jì)參數(shù)值自動地進(jìn)行一系列的仿真分析，完成設(shè)計(jì)分析后報(bào)告各次分析的結(jié)果，分析設(shè)計(jì)參數(shù)的影響。利用ADMAS的“設(shè)計(jì)研究(DesignStudy)”模塊來進(jìn)行參數(shù)影響程度的研究。基本做法是：把其中的一個(gè)參數(shù)定義為設(shè)計(jì)變量(DesignVariable)，同時(shí)保持其余參數(shù)不變，通過一系列的仿真分析，根據(jù)設(shè)計(jì)分析報(bào)告判斷設(shè)計(jì)變量在其變動時(shí)對篩面運(yùn)動的影響。依次類推，可對每個(gè)變量對篩面的影響進(jìn)行分析。圖6-3為設(shè)計(jì)研究對話框。 圖6-4 曲柄半徑r變化時(shí)對篩面的影響 圖6-5 曲柄半徑r變化時(shí)對篩面的影響 圖6-6 曲柄半徑r變化時(shí)對篩面a的影響 設(shè)定適當(dāng)?shù)姆抡鏁r(shí)間和仿真步長，運(yùn)行仿真，得到虛擬試驗(yàn)結(jié)果和設(shè)計(jì)研究分析結(jié)果報(bào)告由圖6-4至圖6-9所示。 圖6-7 曲柄轉(zhuǎn)速n變化時(shí)對篩面的影響 圖6-8 曲柄轉(zhuǎn)速n變化時(shí)對篩面的影響 圖6-9 曲柄轉(zhuǎn)速n變化時(shí)對篩面a的影響 圖6-10 r對x向速度的設(shè)計(jì)分析報(bào)告 圖6-11 r對y向速度的設(shè)計(jì)分析報(bào)告 圖6-12 r對a的設(shè)計(jì)分析報(bào)告 圖6-13 n對x向速度的設(shè)計(jì)分析報(bào)告 圖6-14 n對y向速度的設(shè)計(jì)分析報(bào)告 圖6-15 n對a的設(shè)計(jì)分析報(bào)告 從上面的圖6-46-15可以看出，各參數(shù)取不同水平時(shí)，對篩面的加速度會有不同程度的影響。將設(shè)計(jì)分析結(jié)果報(bào)告中的設(shè)計(jì)變量取初始值時(shí)的敏感度列于表3。表3 設(shè)計(jì)研究結(jié)果設(shè)計(jì)變量初始值敏感度DV_1曲柄半徑r(m)0.03414.5DV_2曲柄轉(zhuǎn)速n(r/min)3000.1 6.4 優(yōu)化分析(1)設(shè)計(jì)變量的選擇對物料運(yùn)動狀態(tài)影響最大的就是篩面加速度的大小和方向，由設(shè)計(jì)研究結(jié)果可知篩面加速度主要決定于擺動分離篩機(jī)構(gòu)的兩個(gè)參數(shù)：曲柄轉(zhuǎn)速n和曲柄半徑r。因此在對機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)選取n、r為設(shè)計(jì)變量。即：。(2)目標(biāo)函數(shù)根據(jù)用于薯類收獲機(jī)上的擺動篩的特點(diǎn)，既要使馬鈴薯在篩面上輸送，又要使得薯塊和土壤、雜質(zhì)等得到較好的分離，更要大幅度降低傷薯率，所以要求馬鈴薯塊莖在不跳離篩面的情況下，篩面加速度盡可能的小。從而減小了馬鈴薯塊莖與篩面的摩擦，使馬鈴薯塊莖的損傷降低。因此以薯塊在篩面上的合成加速度最小為目標(biāo)函數(shù)，即：. (6-1)(3) 確定約束條件篩面在X方向上的速度最大效率的高低取決于物料沿篩面的推進(jìn)速度，推進(jìn)速度快則效率高，而且推進(jìn)速度快，可使馬鈴薯塊莖相對于篩面的滑動路程短，可減少摩擦降低傷薯率。故約束條件為：maximum value during simulation of baidongshai_velocity_X. (6-2)篩面在Y方向上的速度盡可能小為了降低傷薯率，薯塊不應(yīng)跳離篩面，不能擁有過大的。故約束條件為：minimum value during simulation of baidongshai_velocity_Y. (6-3)曲柄轉(zhuǎn)速n曲柄轉(zhuǎn)速取值范圍為：240r/minn350r/min (6-4)故約束條件為：； (6-5)曲柄半徑r曲柄半徑r取值范圍為：0.01mr0.05m故約束條件為：； (6-6)(4)數(shù)學(xué)模型綜上所述，所建立的擺動分離篩的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型為： (6-7)(5)優(yōu)化優(yōu)化采用約束隨機(jī)方向法。其優(yōu)點(diǎn)是對目標(biāo)函數(shù)的性態(tài)無特殊要求，程序設(shè)計(jì)較易實(shí)現(xiàn)且使用方便，由于可行搜索方向是從許多隨機(jī)方向中選擇的使目標(biāo)函數(shù)下降最快的方向，加之步長還可以靈活變動，所以此算法的收斂速度也比較快15。擺動分離篩的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的計(jì)算程序框圖見圖6-16。圖6-16 優(yōu)化設(shè)計(jì)程序框圖 （6）優(yōu)化結(jié)果及分析以曲柄半徑r為設(shè)計(jì)變量時(shí)：保持曲柄轉(zhuǎn)速不變，以曲柄半徑為設(shè)計(jì)變量，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，重復(fù)56次的優(yōu)化試驗(yàn)后得出圖6-17至圖6-19優(yōu)化過程。圖6-17 加速度優(yōu)化過程 圖6-18 X方向速度優(yōu)化過程 圖6-19 Y方向速度優(yōu)化過程 該重復(fù)過程的目的為尋找最低篩面加速度，并迎合最大和最小，與此同時(shí)也要服從所有的約束方程與優(yōu)化條件。在優(yōu)化過程中a、以及r的變化趨勢如圖6-20至6-23所示，下面對優(yōu)化出的各類曲線圖展開分析。 圖6-20 加速度a變化趨勢 圖6-21 半徑r變化趨勢 圖6-22 速度變化趨勢 圖6-23 速度變化趨勢 設(shè)計(jì)條件為：篩子質(zhì)心點(diǎn)運(yùn)動的合成加速度平均值，x方向速度, y方向速度。在滿足設(shè)計(jì)條件的情況下，為達(dá)到最高生產(chǎn)率，故尋求最大推進(jìn)速度，即滿足所有條件下的、的最大值，如表4所示。表4 優(yōu)化分析結(jié)果重復(fù)數(shù)加速度a（）（m/s）（m/s）半徑r（mm）333.72650.91154-0.2003519以曲柄轉(zhuǎn)速n為設(shè)計(jì)變量時(shí)：保持曲柄轉(zhuǎn)速不變，以曲柄半徑為設(shè)計(jì)變量，進(jìn)行設(shè)計(jì)研究時(shí)，得出如圖6-24所示對