全椭圆齿轮行星系扎穴机构的三维仿真与动力学分析.doc

全椭圆齿轮行星系扎穴机构的三维仿真与动力学分析基金项目：*高等学校博士学科点专项科研基金（20102325110002，20112325110006） 何剑南，王金武，王金峰王金武通信联系人：王金武（1970-），男，教授，主要研究方向：田间机械和机械可靠性. E-mail: jinwuw作者简介：何剑南（1985-），男，硕士研究生，主要研究方向：田间作业机械1.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.5College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030;College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030;College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030;东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030;东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030150030;150030;15846600792;13904619325;0451-55190950;0451-55190950;黑龙江省哈尔滨市东北农业大学工程学院329室;黑龙江省哈尔滨市东北农业大学工程学院329室;黑龙江省哈尔滨市香坊区木材街59号 东北农业大学工程研究中心329室hejiannan-12345;jinwuw;jinfeng_w何剑南（1985-），男，硕士研究生，主要研究方向：田间作业机械;王金武（1970-），男，教授，主要研究方向：田间机械和机械可靠性;王金峰（1981-），男，讲师，主要研究方向：田间作业机械何剑南;王金武;王金峰HE Jiannan;WANG Jinwu;WANG Jinfeng1.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51.51*|*论文集*|*王金武，王金峰.深施型液态施肥关键部件的设计与仿真A.中国农业工程学会2009年学术年会论文集C.2009.<CR>2*|*期刊*|*王金峰，王金武，葛宜元，等.深施型液态施肥机扎穴机构优化设计J.农业机械学报，2010，41（4）：5255.<CR>3*|*期刊*|*王金武，王金峰，鞠金艳.深施型液态施肥机扎穴机构动力学优化J.农业工程学报，2011，27（1）：165169.<CR>4*|*论文集*|*何剑南，王金武，王金峰.全等椭圆齿轮行星系扎穴机构的机理分析与设计A.中国农业工程学会2011年学术年会论文集C.2011.<CR>5*|*期刊*|*刘亚华，王金武，王金峰，等.基于Pro/E及ADAMS液态施肥机扎穴机构的设计与仿真J.东北农业大学学报，2010，41（2）：134137.<CR>6*|*专著*|*李增刚.ADAMS入门详解与实例M.北京：国防工业出版社，2006.<CR>7*|*专著*|*赵匀.农业机械分析与综合M.北京：机械工业出版社，2008.<CR>8*|*期刊*|*赵匀，武俊生，程革，等.水稻插秧机分插机构的动力学分析J.农业机械学报，1991，22（3）：2024.<CR>9*|*期刊*|*俞高红，赵凤芹，武传宇，等.正齿行星轮分插机构的运动特性分析J.农业机械学报，2004，35（6）：5557，51.<CR>10*|*期刊*|*俞高红，陈建能，赵凤芹，等.正齿行星轮分插机构的动力学分析J.农业机械学报，2005，36(4)：5155.<CR>11*|*期刊*|*李革，赵匀，俞高红.椭圆齿轮行星系分插机构的机理分析和计算机优化J.农业工程学报，2000，16（4）：7881.|1|何剑南|HE Jiannan|东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030|College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030|何剑南（1985-），男，硕士研究生，主要研究方向：田间作业机械|黑龙江省哈尔滨市东北农业大学工程学院329室|150030|hejiannan-12345|0451-55190950|15846600792<CR>*|2|王金武|WANG Jinwu|东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030|College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030|王金武（1970-），男，教授，主要研究方向：田间机械和机械可靠性|黑龙江省哈尔滨市东北农业大学工程学院329室|150030|jinwuw|0451-55190950|13904619325<CR>|3|王金峰|WANG Jinfeng|东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030|College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030|王金峰（1981-），男，讲师，主要研究方向：田间作业机械|黑龙江省哈尔滨市香坊区木材街59号 东北农业大学工程研究中心329室|jinfeng_w|全椭圆齿轮行星系扎穴机构的三维仿真与动力学分析|3D simulation and dynamics analysis for pricking hole mechanism with congruent elliptic gears|*高等学校博士学科点专项科研基金（20102325110002，20112325110006）（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）摘要：应用Pro/E软件对液态施肥机扎穴机构进行三维建模，再运用ADAMS软件对其进行运动学仿真，获得喷肥针尖点的相对运动轨迹和绝对运动轨迹，以验证模型建立的正确与否。由于扎穴机构除了对运动轨迹有严格要求外，在工作时，其各部位的受力也是一个不容忽视的问题。因此，在进行运动学仿真的同时，还对其动力学作了理论分析。该分析为机构各处的受力求解和动力学特性优化奠定了理论基础，对扎穴机构的进一步研究具有一定的指导意义。关键词：扎穴机构；三维建模；仿真；动力学；分析中图分类号：S224.213D simulation and dynamics analysis for pricking hole mechanism with congruent elliptic gearsHE Jiannan, WANG Jinwu, WANG Jinfeng(College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030)Abstract: Three-dimensional model of pricking hole mechanism of liquid fertilizer applicator was built using Pro/E software, and the relative motion trajectory and absolute motion trajectory of spray fertilizer needle tip point was obtained through kinematic simulation using ADAMS software, verifying whether the model was correct or not. The pricking hole mechanism has strict requirements on the motion trajectory, in addition, by force of various parts is a problem that can not be ignored when it working. So, this article makes kinematic simulation and theoretical analysis for its dynamics at the same time. The analysis lays theoretical foundation for strive solutions of institutions throughout and dynamics optimization, and has certain guiding significance for the further study of the pricking hole mechanism.Key words: pricking hole mechanism; 3D modeling; simulation; dynamics; analysis0 引言液态肥的利用率高，相对于固态肥有很多优点。目前，液态肥的施用机具主要以叶面喷洒机具为主1。其将液态肥喷洒于作物叶片表面，作业速度快、效果明显、施肥方便，但对化肥的利用率相对液肥深施较低，且存在一定程度的污染。而深施型液态施肥机则可以把液态肥施于作物根部附近一定的土壤深度中2，更进一步提高了液肥利用率，防止了污染。扎穴机构作为深施型液态施肥机的核心部件，其运动学特性和动力学特性均在一定程度上决定着施肥机工作性能的好坏，所以扎穴机构除了需在运动学上满足要求外，其动力学性能也要满足要求3。由于该机构的工作原理和运动学分析在文献4中已作了详细介绍，本文现只对扎穴机构进行三维运动学仿真和动力学分析，建立相应的动力学模型，为扎穴机构各处的受力求解奠定理论基础。1 扎穴机构的三维建模与仿真应用Pro/E软件对扎穴机构各零件进行三维建模，并对各零件进行组装，装配好的三维模型如图1所示，再将扎穴机构三维模型导入ADAMS中进行仿真。在仿真之前，首先将各零件定义为刚体，选择零件材料为钢，然后在各零件之间添加约束。所添加的约束为：行星轮与行星轮轴之间添加固定副；中间轮与中间轮轴之间添加固定副；行星轮轴和中间轮轴分别与行星架之间添加转动副；太阳轮与机架之间添加固定副；太阳轮轴与行星架之间添架固定副；太阳轮轴与机架之间添加转动副，并在该转动副上添架转动驱动；当扎穴机构作相对运动时，在机架与大地之间添架固定副；当扎穴机构作绝对运动时，在机架与大地之间添架移动副，并在该移动副上添加移动驱动。由于在ADAMS中，椭圆齿轮之间无法添加齿轮副，所以应用力库中的碰撞来实现齿轮之间的传动。碰撞参数设置为：碰撞类型选实体对实体；求解碰撞力的方法采用冲击函数法，接触刚度设为N/mm，刚度系数设为1.5N×s/mm，接触深度设为0.1mm；求解摩擦力的方法采用库仑法，静摩擦系数设为0.3，动摩擦系数设为0.1，静滑移速度设为100mm/s，动滑移速度设为1000mm/s56。图1 扎穴机构三维模型Fig. 1 3D model of pricking hole mechanism所有约束设置好后，对扎穴机构进行运动学仿真，获得的相对运动仿真图像和绝对运动仿真图像分别如图2和图3所示。图2中的喷肥针尖相对运动轨迹为“泪滴形”，与图4中通过VB编程获得的喷肥针尖静轨迹极为相似，验证了模型建立的正确性5。通过图3中喷肥针尖的绝对运动轨迹可以看出，扎穴机构运动无干涉，各齿轮啮合正常。 图2 相对运动仿真图像 图3 绝对运动仿真图像Fig. 2 The simulation images of Fig. 3 The simulation images of absolute motionrelative motion图4 VB界面中的喷肥针尖静轨迹Fig. 4 The static trajectory of spray fertilizer needle tip point in the VB interface2 动力学分析由于扎穴机构两端结构对称，受力分析相类似，所以对扎穴机构进行动力学分析时只分析其单边79。1) 太阳轮受力分析以太阳轮为研究对象，建立动力学平衡方程，其受力分析如图5所示。设机架对太阳轮的作用力为、，两边的中间轮在啮合点和处对太阳轮的作用力分别为、和、，点坐标为、，点坐标为、，太阳轮固定不动7,10。图5 太阳轮受力分析Fig. 5 Stress analysis of sun wheel （1） （2） （3）其中， （4） （5），式中 太阳轮的质量，kg；太阳轮的离心率；太阳轮所受的阻力矩，N×m；太阳轮与中间轮啮合点处的正压力，N；太阳轮与中间轮啮合点处的摩擦力，N；太阳轮与中间轮啮合点处的正压力，N；太阳轮与中间轮啮合点处的摩擦力，N；行星架的初始安装角，rad；行星架相对初始安装位置的角位移，rad；摩擦角；、分别为中间轮啮合力和摩擦力相对的角位移。2）中间轮受力分析以中间轮(含中间轮轴)为研究对象，建立动力学平衡方程，其受力分析如图6所示。设行星架对中间轮轴的作用力为、，行星轮在啮合点处对中间轮的作用力为、，中间轮在啮合点处受到的作用力为、7,11。图6 中间轮受力分析Fig. 6 Stress analysis of middle wheel （6）（7） （8）其中， （9） （10），或 （11）式中 中间轮的质量，kg；到啮合点的距离，mm； 到啮合点的距离，mm； 中间轮对过点的轴的转动惯量，kg×m2；行星架相对于中间轮的角位移，rad；、中间轮的质心坐标；、A点的坐标； 、分别为行星轮啮合力和摩擦力相对的角位移。3）行星轮受力分析以行星轮（含行星轮轴、摇臂和喷肥针）为研究对象，建立动力学平衡方程，其受力分析如图7所示。设行星架对行星轮的作用力为、，行星轮在啮合点处受到的作用力为、。喷肥针尖受到的作用力为和11。图7 行星轮受力分析Fig. 7 Stress analysis of planetary wheel （12） （13） （14）其中，或 （15）式中 行星轮的质量，kg；到啮合点的距离，mm； 行星轮对过点的轴的转动惯量，kg×m2； 摇臂长度，mm； 喷肥针长度，mm； 喷肥针与水平面的夹角，rad； 、土壤对喷肥针的作用力，N； 行星架相对于行星轮的角位移，rad；、行星轮的质心坐标；、B点的坐标。喷肥针入土和出土过程中，和存在；喷肥针在土壤之外时，和不存在。4）行星架受力分析以行星架为研究对象，建立动力学平衡方程，其受力分析如图8所示。设太阳轮轴对行星架的作用力为、（与作用在太阳轮回转中心的两个力不相同）7。图8 行星架受力分析Fig. 8 Stress analysis of planetary frame （16） （17）（18）其中，式（18）可以转化为（19）式中 行星架的质量，kg； 链条驱动力，N； 与水平方向的夹角，由于惯性力的影响，链条传动常常产生与转速反向的力矩，而作用力的方向并不反向而是链条的另一方向，所以，正向驱动时，反向驱动时，。3 结论通过Pro/E软件建立扎穴机构三维模型，并在ADAMS中实现其运动仿真，得到与VB编程获得的喷肥针尖静轨迹极为相似的相对运动轨迹，验证了模型建立的正确性。同时，对扎穴机构进行了动力学理论分析，为机构各处的受力求解奠定了理论基础。同时可以利用本文建立的动力学模型对扎穴机构的动力学特性进行优化，得到既具有合适的运动轨迹姿态，又具有良好的动力学特性的扎穴机构。参考文献 (References)1 王金武，王金峰.深施型液态施肥关键部件的设计与仿真A.中国农业工程学会2009年学术年会论文集C.2009.2 王金峰，王金武，葛宜元，等.深施型液态施肥机扎穴机构优化设计J.农业机械学报，2010，41（4）：5255.3 王金武，王金峰，鞠金艳.深施型液态施肥机扎穴机构动力学优化J.农业工程学报，2011，27（1）：165169.4 何剑南，王金武，王金峰.全等椭圆齿轮行星系扎穴机构的机理分析与设计A.中国农业工程学会2011年学术年会论文集C.2011.5 刘亚华，王金武，王金峰，等.基于Pro/E及ADAMS液态施肥机扎穴机构的设计与仿真J.东北农业大学学报，2010，41（2）：134137.6 李增刚.ADAMS入门详解与实例M.北京：国防工业出版社，2006.7 赵匀.农业机械分析与综合M.北京：机械工业出版社，2008.8 赵匀，武俊生，程革，等.水稻插秧机分插机构的动力学分析J.农业机械学报，1991，22（3）：2024.9 俞高红，赵凤芹，武传宇，等.正齿行星轮分插机构的运动特性分析J.农业机械学报，2004，35（6）：5557，51.10 俞高红，陈建能，赵凤芹，等.正齿行星轮分插机构的动力学分析J.农业机械学报，2005，36(4)：5155.11 李革，赵匀，俞高红.椭圆齿轮行星系分插机构的机理分析和计算机优化J.农业工程学报，2000，16（4）：7881.