2za-1型煙草移栽機(jī)栽植器曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2za-1型煙草移栽機(jī)栽植器曲柄連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2-1型自適應(yīng)牧場噴霧機(jī)為自走式，可實(shí)現(xiàn)膜上移栽和膜下移植，適應(yīng)110cm的行寬和20.40cm的高簇性。飛機(jī)的輕盈輕重靈活，特別適用于湖南和其他南方煙區(qū)的生產(chǎn)環(huán)境，對解決南方地區(qū)機(jī)械化草坪植物的技術(shù)難題具有重要意義。該移栽機(jī)的栽植器為曲柄連桿式,利用ADAMS軟件建立了移栽機(jī)栽植器的模型,通過對該栽植器進(jìn)行參數(shù)化建模和優(yōu)化分析,得出了曲柄連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù),通過試驗(yàn)證明達(dá)到了性能指標(biāo)要求.1該裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理1.1仿形感應(yīng)板及油膜安裝工藝設(shè)計(jì)2ZY-1型壟高自適應(yīng)煙草移栽機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示,由仿形導(dǎo)向輪、液壓升降機(jī)構(gòu)、吊杯栽植器、投苗轉(zhuǎn)盤、覆土鎮(zhèn)壓輪、液壓仿形調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等組成.作業(yè)時(shí),仿形導(dǎo)向輪緊壓壟壁,隨著壟側(cè)面形狀的變化對機(jī)器進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)向,駕駛員只需站在機(jī)器的一側(cè)將煙苗投入苗盤內(nèi),由凸輪控制苗盤間歇轉(zhuǎn)動(dòng)和內(nèi)舌開閉,配合鴨嘴栽植器上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)完成落苗動(dòng)作,栽植器下降過程完成打孔和栽植的動(dòng)作;液壓仿形感應(yīng)板緊貼壟面,當(dāng)壟面高度發(fā)生變化時(shí),感應(yīng)板通過液壓調(diào)節(jié)閥和液壓缸,調(diào)節(jié)底盤的升降,保證煙苗栽植深度穩(wěn)定均勻;安裝在栽植器后面的V形覆土鎮(zhèn)壓輪將苗穴兩側(cè)的土壤覆蓋到煙苗莖部實(shí)現(xiàn)覆土和鎮(zhèn)壓,提高了煙苗移栽的立苗率.1.2栽植器升降特性2ZY-1型煙草移栽機(jī)的栽植機(jī)構(gòu)屬于曲柄連桿型,主要由小曲柄、擺桿、大曲柄、連桿、搖桿、開啟拉板、鴨嘴等組成,如圖2所示.栽植器升降的范圍為0～180mm,在此范圍要求栽植器的運(yùn)動(dòng)與移栽機(jī)的運(yùn)動(dòng)同步,栽植器打開時(shí)的水平方向速度與移栽機(jī)前進(jìn)速度大小相等、方向相反,保證投苗時(shí)水平方向速度為零,避免拖苗、帶苗和拖膜現(xiàn)象,同時(shí)鴨嘴在運(yùn)動(dòng)過程中始終與工作壟面垂直,保證栽植打孔的垂直度,提高立苗率.2u3000擺桿長度與約束建立曲柄連桿栽植器的結(jié)構(gòu)示意圖,如圖3所示,并建立解析方程.{xA=l1cosα1yA=l1sinα1(1){xA=l1cosα1yA=l1sinα1(1)式中:l1為小曲柄長度;α1為小曲柄與x軸正方向的夾角.{xB=xA+l2cosα2=xC+l3cosα3yB=yA+l2sinα2=yC+l3sinα3(2){xB=xA+l2cosα2=xC+l3cosα3yB=yA+l2sinα2=yC+l3sinα3(2)式中:l2為擺桿短端長度l3為連桿長度;α2,α3分別為擺桿短端、連桿與x軸正方向的夾角.{xC=xD+l4cosα4yC=yD+l4sinα4(3){xC=xD+l4cosα4yC=yD+l4sinα4(3)式中:l4為大曲柄長度;α4為大區(qū)柄與x軸正方向夾角.{xE=xA+lAEcosα2yE=yA+lAEsinα2xF=xE+l6cosα6=xG+l7cosα5yF=yE+l6sinα6=yG+l7sinα5(4)式中:lAE為擺桿長度;l6為鴨嘴支撐桿長度;α6為鴨嘴支撐桿與x軸正方向的夾角;l7為搖桿長度;α5為擺桿長端與x軸正方向的夾角.{xΗ=xF+l8cosα8yΗ=yF+l8sinα8(5)式中:l8為鴨嘴支撐板長度;α8為鴨嘴支撐板與x軸正方向夾角.根據(jù)以上方程,通過修改各桿件的長度、原始夾角等參數(shù),并根據(jù)移栽性能要求,初步確定機(jī)構(gòu)的形狀和尺寸,并建立三維模型.3建立栽植器仿真模型將在Pro/E中建立的曲柄連桿栽植器三維模型導(dǎo)入到ADAMS中,給各零件增加材料屬性,在鴨嘴的頂點(diǎn)位置創(chuàng)建一個(gè)Marker點(diǎn),并建立該Marker點(diǎn)水平方向速度大小的測量.在相應(yīng)位置添加運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)力,驅(qū)動(dòng)力包括2個(gè)曲柄的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng),轉(zhuǎn)速為1r·s-1,機(jī)器前進(jìn)為直線驅(qū)動(dòng),速度為500mm·s-1.在此條件下,滿足栽植機(jī)構(gòu)移栽1株·s-1煙苗且株距為500mm的要求.運(yùn)行一個(gè)時(shí)間為0.5s,步長大小0.01的運(yùn)動(dòng)仿真,得到Marker點(diǎn)在最低點(diǎn)時(shí)水平方向的分速度為-177mm·s-1,不符合煙草移栽機(jī)工作時(shí)零速投苗的作業(yè)要求.由于從Pro/E導(dǎo)入進(jìn)ADAMS中的零件不能參數(shù)化,也就不能進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化分析,將通過在ADAMS中創(chuàng)建相應(yīng)的設(shè)計(jì)點(diǎn)和設(shè)計(jì)變量后對該栽植器進(jìn)行參數(shù)化,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對移栽器的優(yōu)化.3.1系統(tǒng)坐標(biāo)系的建立在原有機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上,在各零件的鉸接點(diǎn)創(chuàng)建11個(gè)原始設(shè)計(jì)點(diǎn),并定義大曲柄的旋轉(zhuǎn)中心D位于ADAMS全局坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn).把栽植器處于最高點(diǎn)時(shí)的位置作為運(yùn)動(dòng)仿真的起始位置,此時(shí)大曲柄與連桿重合,小曲柄的位置方向與大曲柄相差180°.創(chuàng)建的設(shè)計(jì)變量及范圍,各設(shè)計(jì)點(diǎn)的坐標(biāo)值或參數(shù)化表達(dá)式見表1.在ADAMS中用link連接各個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn),并在相應(yīng)位置添加約束副和驅(qū)動(dòng),創(chuàng)建的參數(shù)化模型如圖4所示.3.2優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)3.2.1大曲柄與x軸正方向的速度利用ADAMS對各個(gè)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),大曲柄和小曲柄的長度對栽植軌跡以及栽植深度有著重要的影響;連桿的長度對栽植軌跡和深度有一定影響;擺桿的長度對移栽時(shí)鴨嘴的垂直度及鴨嘴到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)的速度影響不大,但對栽植軌跡有一定影響;搖桿的長度對移栽時(shí)鴨嘴的垂直度及鴨嘴到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)的速度影響較大,隨著長度的增加,垂直度減小,到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)的速度增大;大曲柄與x軸正方向的夾角對移栽時(shí)的垂直度有較大影響,隨著該夾角的增大,移栽的垂直度增加,對鴨嘴到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)的速度影響不大;搖桿與x軸正方向的夾角對移栽深度和垂直度有一定影響,對移栽軌跡和鴨嘴到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)的速度影響不大.綜合上述分析,以大曲柄、小曲柄、連桿以及搖桿的長度,大曲柄與x軸正方向的夾角作為該栽植器模型的設(shè)計(jì)變量,即X={x1,x2,x3,x4,x5}T={l4,l1,l3,l7,α4}T3.2.2建立約束函數(shù)ADAMS中每個(gè)約束條件均創(chuàng)建一個(gè)不等式或關(guān)系式準(zhǔn)則,優(yōu)化方法是要盡可能使得所有約束條件值小于或等于零.因此,條件值為正值代表設(shè)計(jì)不可行,而負(fù)值或零代表設(shè)計(jì)可行.要滿足約束條件值為零,則可創(chuàng)建2個(gè)相反的測量函數(shù).在鴨嘴的最低點(diǎn)(H點(diǎn))選擇一個(gè)Marker點(diǎn)(Marker_12)并建立該Marker點(diǎn)在水平方向速度分量的函數(shù)測量FUNCTION_MEA_M12_VX和FUNCTION_MEA_M12_FVX,這2個(gè)測量的函數(shù)表達(dá)式分別為:VX(Marker_12)和-VX(Marker_12).以這2個(gè)互為相反數(shù)的測量函數(shù)建立2個(gè)約束條件,當(dāng)滿足這2個(gè)約束條件時(shí),即可滿足栽植器在最低點(diǎn)投苗時(shí)水平速度為零.3.2.3鴨前時(shí)間及仿真結(jié)果分析栽植器工作時(shí),除了要滿足零速投苗的條件外,鴨嘴的運(yùn)動(dòng)過程應(yīng)始終保持與工作壟面基本垂直.同理,在Marker_12點(diǎn)建立該Marker點(diǎn)相對于ADAMS全局坐標(biāo)系中z軸旋轉(zhuǎn)的角度測量函數(shù)FUNCTION_MEA_M12_AZ,函數(shù)表達(dá)式為:57.3*ABS(AZ(MARKER_12)),優(yōu)化時(shí)以該函數(shù)表達(dá)式運(yùn)動(dòng)過程中的平均值最小為優(yōu)化目標(biāo),運(yùn)行一個(gè)時(shí)間為0.5s,步長大小0.01的運(yùn)動(dòng)仿真,優(yōu)化運(yùn)算在30次時(shí)發(fā)生迭代,此時(shí)鴨嘴在最低點(diǎn)時(shí)的速度為0.18mm·s-1,如圖5所示,基本實(shí)現(xiàn)了移栽時(shí)的零速投苗.優(yōu)化后各設(shè)計(jì)變量的值分別為:大曲柄l4=45mm,小曲柄l1=30mm,連桿l3=120mm以及搖桿的長度l7=310mm,大曲柄與x軸正方向的夾角α4=165°,優(yōu)化目標(biāo)的值為4.2°,初始狀態(tài)的值為13.4°,優(yōu)化結(jié)果較明顯.圖6為優(yōu)化后鴨嘴在0.5s的運(yùn)動(dòng)過程中的角度變化情況,從圖可以看出曲線大部分都處于5°以下,基本保證了移栽時(shí)鴨嘴的垂直度.4煙苗自然生長特性的測定樣機(jī)研制出來之后,通過選擇不同水分條件、煙苗類型、旋耕、起壟高度的農(nóng)田,先后在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)土槽、油菜試驗(yàn)田、中南煙草站煙草基地進(jìn)行了多次移栽試驗(yàn),每次試驗(yàn)移栽120株煙苗,每組試驗(yàn)重復(fù)3次,測定煙苗處于自然生長狀態(tài)下的物理特性參數(shù).依據(jù)煙苗的直立度用苗體與地面的夾角,即栽植傾角θ來劃分,θ﹥70°為優(yōu)良;θ﹥45°為合格;θ≤45°為倒伏.并用倒伏率、直立度合格率和直立度優(yōu)良率來評價(jià)煙苗直立度.通過樣機(jī)試驗(yàn),移栽效果得到中南煙草站相關(guān)技術(shù)人員以及周邊農(nóng)戶的肯定,此后在寧鄉(xiāng)煙草基地為煙農(nóng)示范移栽3畝(1畝=666.6m2)煙苗(1200株·畝-1),并測取整機(jī)移栽性能參數(shù),見表3.5基于adams的系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)(1)建立了曲柄連桿栽植器的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,通過聯(lián)立各方程,可求解各質(zhì)點(diǎn)的位移、速度以及加速度,初步確定機(jī)構(gòu)的形狀和尺寸.(2)利用ADAMS進(jìn)行