基于ADAMS的宽窄行分插机构动力学分析

哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）摘 要宽窄行插秧是由农艺专家提出的一种适合我国水稻种植要求的种植方式，该种植方式的目标是增加通风，减少病虫害，增加水稻产量。目前国内插秧机用分插机构都是等行距(30cm) 形式，延吉插秧机制造有限公司和黑龙江农业机械研究所研制了一种宽窄行插机，采用等行距插秧用的曲柄摇杆式分插机构，只是在分插机构和秧箱的布置上做了一定的改进。实现了 20cm-40cm 的插秧行距，但秧箱未能有效利用，尤其是采用 20cm 秧盘，与现有 30cm 秧盘不通用，机器不成熟，限制了机器的推广。另外，浙江理工大学赵匀等提出了多种行星轮系宽窄行分插机构，并进行了机构运动学的分析和参数优化。宽窄行分插机构是宽窄行水稻插秧机的关键工作部件，其性能的优劣将直接影响水稻插秧质量、插秧机工作可靠性、使用寿命和插秧效率，直接决定插秧机的整体工作性能和品牌竞争力。因此，对宽窄行水稻插秧机分插机构进行运动学、动力学、强度方面的分析、研究，具有重大的现实意义和经济效益，对高速插秧机的发展，宽窄行分插机构的研制以及我国水稻种植机械化水平的提高具有重要的理论意义，同时还给零件的刚柔耦合分析提供了一种实现方法。本课题以水稻插秧机宽窄行分插机构为研究对象，首先分析了分插机构在高速和低速运动下机座的受力变化情况，讨论了在多高的转速下需要考虑分插机构的不平衡现象，并通过在机构上增加配重来优化高速下机座受力变化幅度；其次将分插机构栽植臂壳体看作柔性体，对其在水稻插秧机分插机构工作过程中受到的应力、应变、位移进行了分析、研究，主要内容如下：(1)实现 UG 与 ADAMS 的数据转换，实现虚拟样机的仿真；(2)分析不同转速下机座受力；(3)在 ADAMS 中进行动平衡研究；(4)实现 UG 与 ANSYS 的数据转换，在 ANSYS 中生成取苗臂壳体中性文件；(5)实现 ADAMS 与 ANSYS 的数据转换，在 ADAMS 中实现分插机构的刚柔耦合模型并进行仿真分析；(6)仿真载荷文件的提取及在 ANSYS 环境下的取苗臂壳体强度分析；哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）关键词：宽窄行分插机构；动平衡；柔性体；ANSYS；ADAMSAbstractWide-narrow distance planting is put forward by agricultural experts and is a cultivation mode suitable to Chinas rice planting requirements, the goal of this cropping system is to increase ventilation, reduce plant diseases and insect pests, increase the yield of rice. At present, domestic transplanter with mechanism are spaced (30cm), yanji transplanter manufacturing commpany and HeiLongJiang agricultural machinery have developed a wide-narrow distance transplating machine, adopting wide-narrow distance planting with the crank rocker mechanism, just do a certain improvement on the mechanism and the seedling boxs layout. Acheive the planting space of 20cm40cm, but the seedling box fails to use effectively, especially using 20cm seedling box,which is not general using with the existing 30cm seedling box. Because machine is not mature, so it limit the promotion of the machine. In addition, Zhao Yun of ZheJiang Sci_Tech University put forward a variety of transplanting mechanism with planetary gear train spacing, and the analysis of kinematics and parameter optimization.Wide-narrow distance transplating mechanism is the key part to the spacing of rice transplanter working parts, its quality performance will directly affect the quality of rice seedling transplanter, work reliability, service life and planting efficiency, the overall work performance and determine transplanters brand competitiveness. Therefore, the kinematics, dynamics, strength analysis and research for spacing rice transplanter mechanism has the significant practical significance and economic benefits, for the development of high-speed rice transplanter and that the development and the improvement of rice planting mechanization wide-narrow distance transplating mechanism in our country has important theoretical significance, it also provides an implementation method about the coupled analysis of part.This reaserch object is about the rice transplanter wide-narrow distance transplating mechanism, firstly analyzes the stress of mechanism on high-speed and low-speed movement changes, discusses in how high speed we need to consider the mechanism imbalance, and optimization the variations in force through to add weight to the mechanism; Second regard the planting arm shell as flexible body, analysis and reaserch the stress, strain and displacement of rice transplanter mechanism in the 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）process of working, the main content list as follows:1) Realize the UG and ADAMS data conversion, and the simulation of virtual prototype;2）Analysis of the chassis force in different speed;3) Reaserch dynamic balancing in ADAMS;4) Realize the UG and ANSYS data conversion, and generate the .mnf file;5) To achieve data conversion of ADAMS and ANSYS, and realization the coupled model of the mechanism and the simulation analysis in ADAMS;6) Extraction the load file of Simulation and take planting arm shell strength analysis in ANSYS;Keywords: wide-narrow distance transplating mechanism；dynamic balance；flexible body；ANSYS ；ADAMS哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）目 录摘 要Abstract第一章 绪论 .11.1 课题研究的背景和意义 .11.1.1 研究背景 .11.1.2 研究意义 .11.2 行星系分插机构的研究现状 .21.2.1 传统行星系分插机构 .21.2.2 宽窄行行星系分插机构 .41.3 研究内容 .51.4 课题的研究思路 .61.4.1 联合仿真分析 .6第二章 UG 三维建模及虚拟样机装配 .82.1 虚拟样机技术 .82.2 栽植臂装配图 .82.3 UG 建立分插机构虚拟样机的三维模型 .92.4 ADAMS 仿真步骤 .112.4.1 创建几何模型 .112.4.2 创建约束和运动 .112.4.3 施加力 .122.4.4 添加驱动 .122.4.5 仿真分析与结果后处理 .132.5 建立分插机构虚拟样机 .132.5.1 分插机构三维模型导入 ADAMS .132.5.2 定义分插机构构件属性 .142.5.3 添加运动副 .152.5.4 施加载何及驱动 .162.5.5 分插机构虚拟样机仿真 .172.6 本章小结 .19第三章 基于 ADAMS 的配重研究 .203.1 不同转速下支座力的研究 .203.2 确定配重块位置 .213.2 添加配重块 .213.3 参数化配重块半径 .21哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）3.4 设计研究 .223.5 最优化求解 .233.6 结果分析 .233.7 本章小结 .24第四章 基于 ANSYS 和 ADAMS 的栽植臂壳体强度分析 .254.1 ADAMS 建立柔性体 .254.1.1 离散柔性连接 .254.1.2 利用有限元程序建立柔性体 .254.1.3 利用 ADAMS/AutoFlex 创建柔性体 .254.2 UG、ANSYS、ADAMS 之间的数据转换 .264.2.1 UG 与 ANSYS 之间的数据转换 .264.2.2 UG 与 ADAMS 之间的数据转换 .264.2.3 ANSYS 与 ADAMS 之间的数据转换 .264.3 ANSYS 生成模态中性文件 .274.3.1 设置单位制 .274.3.2 设定单元类型 .274.3.3 定义材料属性 .274.3.4 设置实常数 .274.3.5 定义单元截面 .284.3.6 划分网格 .284.3.7 建立蜘蛛网模型 .294.3.8 ANSYS 生成柔性体中性文件 .314.4 ADAMS 生成载荷文件 .314.4.1 替换刚性栽植臂壳体 .314.4.2 定义外部载荷 .324.4.3 刚柔耦合模型运动仿真分析 .324.4.4 输出载荷文件 .334.5 栽植臂壳体强度分析 .374.6 本章小结 .39第五章 总结与展望 .405.1 总结 .405.2 展望 .40参考文献 .42致谢 .44哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）1第一章 绪论1.1 课题研究的背景和意义1.1.1 研究背景宽窄行插秧是由农艺专家提出的一种适合我国水稻种植要求的种植方式，该种植方式的目标是增加通风，减少病虫害，增加水稻产量。全中国水稻年产量达 2000 亿公斤，占世界产量的一半以上，平均单产是世界水平的 1.6 倍。水稻是我国主要粮食作物,在粮食安全中占有极其重要的地位。水稻常年种植面积约 3000 万公顷，占全国谷物种植面积的 30，世界水稻种植面积的 20；稻谷总产量近 20000 万吨，占全国粮食总产的 40，世界稻谷总产的 35；稻谷平均单产 6.212 吨公顷，是单产最高的粮食作物。 但是我国水稻种植基本采用人工育秧、插秧、收获的“三弯腰”方式, 劳动强度大, 工作效率较低。我国虽在五六十年代就提出了水稻栽植机械化，但行动慢，步子小，进展不大。据有关数据表明，水稻种植、收获两个环节实现机械化作业可分别减少劳动用工量 40%和 76%，大幅度提高工效；机械栽插比人工手插平均节约成本450 元/公顷左右，提高单产 375 公斤/公顷以上；机械收获较人工收获节省成本 300 元/公顷。因此，提高水稻插秧机械化水平对我国只拥有 7%的世界耕地却要养活 22%世界人口的国家来说，具有重大的意义。2013年农业部落实农业机械化发展目标任务，农业部要求，要积极争取各方支持，落实完善农机化发展扶持政策；加强农机与农艺、农机化与信息化融合，促进技术创新推广；大力推进农机社会化服务，加快发展农业生产全程和全面机械化。水稻插秧机是比较复杂的田间水稻种植作业机械，分插机构是水稻插秧机的核心工作部件，由取苗臂和秧针轨迹控制机构组成，在其他工作部件配合下完成分秧和插秧的动作，其性能直接影响插秧质量、工作可靠性和插秧效率，决定插秧机的整体水平和竞争力，因此对水稻插秧机分插机构运动运动学、动力学、强度方面的分析、研究，具有重大的现实意义和经济效益 1。1.1.2 研究意义由于机械向轻型化、高速化方向发展的趋势，导致构件的柔度、惯性力矩急剧增大，在这种情况下，构件的弹性变形将会给机械的运动输出带来误差，哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）2尤其是对于一些挠度比较大的构和一些会产生大变形的构建。对于一些高精密机械，必须计入这种弹性变形对精度的影响，机械系统的柔度加大，系统固有频率下降；机械运转速度提高，激振频率上升。激振频率和固有频率靠近，可能会发生较强的振动现象，既破坏机械的运动精度，又影响构件的疲劳强度，并引发噪声。现代机械系统朝着高速、重载、高精度方向发展的要求也使设计者越来越重视构件的动应力和产品的寿命预估，使得系统刚性运动与其自身变形之间相耦合而产生的弹性动力学问题已成为该领域急需解决的普遍问题和关键技术。宽窄行分插机构也是高速插秧机的部件，由于速度高，而且其取秧与插秧运动是空间运动，所以不能不考虑机座的受力不平衡量，通过在壳体上增加配重块，ADAMS 可以对整个部件进行分析求解。在机械系统中，柔性体会对整个系统的运动产生重要影响，在进行运动学分析时如果不考虑柔性体的影响将会造成很大的误差，同样整个系统的运动情况也反过来决定了每个构件的受力状况和运动状态，从而决定了构件内部的应力应变分布。采用ANSYS和ADAMS软件的联合仿真它不但可以精确的模拟整个系统的运动，而且可以基于运动仿真的结果对运动系统中的柔性体进行应力应变的分析 2。为了提高宽窄行水稻插秧机的工作效率和工作质量，分插机构不断朝着高速、高精度方向发展，为了更加精确地模拟整个系统的运动，反映分插机构的应力、应变问题，必须将薄壁铝制的分插机构栽植臂壳体看作柔性体来进行运动仿真分析，可以将ANSYS 与ADAMS 两个软件结合使用。通常，ANSYS不适合进行机构的动力学分析，而ADAMS不适合进行有限元分析，将二者结合，有利于取长补短。ADAMS 软件是著名的机械系统动力学仿真分析软件，分析对象主要是刚体，但与ANSYS 软件结合使用可以考虑分析零部件的弹性，同样ADAMS的分析结果可为 ANSYS分析提供相应的边界条件 3-8。1.2 行星系分插机构的研究现状1.2.1 传统行星系分插机构传统行星系分插机构主要是等行距的，这种机构插秧的缺点是不利于秧苗内部通风。主要有如下五种形式。(1) 偏心齿轮行星系分插机构偏心齿轮行星系分插机构由日本率先发明，并在中国申报专利。该机构如哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）3图 1.1 所示，共有 9 个半径相同的偏心齿轮，太阳轮 10 固定不动，两边对称布置 2 对齿轮，栽植臂 4 固定在行星轮 8 上，行星架 7 与太阳轮共轴。工作时，行星架转动，2 个惰轮 9(也称中间轮)绕太阳轮转动，带动 2 个行星轮在周期内摆动，栽植臂随行星架的圆周运动和随行星轮作相对于行星轮轴的摆动，构成了特殊的运动轨迹，可满足秧爪轨迹和姿态的要求。偏心齿轮行星系分插机构与非圆齿轮行星系分插机构相比较有加工简单的优点，但齿隙变化引起振动，需增加防振装置，结构较复杂。中国学者也对该机构进行了研究和改进，在对该机构进行运动分析的基础上，用解析法建立了该分插机构的运动学模型 9。(2) 偏心链轮式分插机构偏心链轮式分插机构采用 5 个偏心链轮，利用传动比变化实现分插机构的传动要求。偏心链轮分插机构的传动部分产生效果，与偏心齿轮、椭圆齿轮分插机构相同。不同之处在于偏心链轮分插机构没有中间轮，取而代之的是两个等径偏心链轮的传动比变化来实现要求。两偏心链轮轮心在工作周期中，靠近和分离造成链条松紧变化可由偏心张紧轮消除 10。(3) 椭圆差速分插机构椭圆差速分插机构在一个回转的壳体里(相当于轮系机构的行星架)安装 3个全等的椭圆齿轮，3 个椭圆齿轮的回转中心均在椭圆齿轮的交点上且相位相同，并支撑在壳体上，栽植臂上秧爪输出的绝对运动为随壳体的平动和绕行星轮轴心的不等速转动的合成，从而使秧爪获得适于分秧、插秧的运动轨迹。另1.推秧凸轮 2.拨叉 3.推秧弹簧 4.载植臂 5.推秧杆 6.秧爪7.行星架 8.行星轮 9.惰轮 10.太阳轮图 1.1 偏心齿轮行星系分插机构1.中心椭圆齿轮 2、3.中间椭圆齿轮4、 5.中间圆齿轮 6、7.行星圆齿轮图 1.2 正齿行星轮系分插机构哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）4外，在栽植臂上附加推秧机构，其作用是插秧时将秧苗准确推入土壤中。(4) 正齿行星轮系分插机构正齿行星轮系分插机构如图 1.2 所示，它由正圆齿轮和椭圆齿轮组成。通过键、行星轮轴与行星圆齿轮固结的一对栽植臂，一方面随着行星架作圆周运动，另一方面随着行星圆齿轮相对行星架作非匀速转动，在这两种运动的复合下，秧爪按要求的姿态(角位移和轨迹)运动，通过选择合适的结构参数，就可以找到满足插秧要求的工作轨迹、取秧角和插秧角 11。(5) 椭圆齿轮行星系分插机构椭圆齿轮行星系分插机构如图 1.3 所示。其传动部分由 5 个全等的椭圆齿轮、行星架和 2 个栽植臂组成。中央椭圆齿轮 I(也称太阳轮) 与机架固定，在起始位置，5 个椭圆齿轮长轴在一条直线上，行星架转动，转速为 ，2 个中间齿轮( 也称惰轮) 绕太阳轮转动，带动 2 个行星轮(齿轮III)在周期内摆动，行星轮与栽植臂一体，栽植臂上各点(包括秧爪尖) 作复合运动：行星轮轴随行星架的圆周运动(牵连运动)和随行星轮作相对于行星轮轴的摆动(相对运动)，构成了特殊的运动轨迹。秧爪的角速度为行星架角位移和行星轮角位移的代数和。在 VB6.0 平台上开发出人机交互参数优化软件，分析了各结构参数对运动轨迹和优化目标的影响，优化出满足插秧要求的结构参数 12-13。1.2.2 宽窄行行星系分插机构(1) 非匀速空间行星轮系宽窄行分插机构非圆锥齿轮行星轮系分插机构结构如图 1.4 所示，主要由太阳轮 4,中间斜齿轮 2、中间非圆锥齿轮 3、和行星轮 1 组成。其中行星轮也是非圆锥齿轮，与非圆锥齿轮 3 配合，太阳轮固定不动，随着壳体的转动将带动中间轮和行星轮转动，从而完成取秧和插秧过程，由于非圆锥齿轮的存在，秧爪尖点的运动轨图 1.3 椭圆齿轮行星系分插机构哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）5迹为空间轨迹。1.右行星齿轮 2.右中间斜齿轮 3.右中间非圆锥齿轮 4.右太阳轮图 1.4 非匀速空间行星轮系分插机构(2) 圆柱凸轮滑移式宽窄行分插机构圆柱凸轮滑移式宽窄行分插机构原理如图 1.5 所示，机构由变速传动部件和栽植臂组成，其变速传动部件有 5 个全等的变性椭圆齿轮，太阳轮 2 与机架固结，中心轴 1 带动行星架 3 及两个中间轮 4 和两个行星轮 6 转动，两个中间轮 4 和太阳轮 2 啮合产生自转，并分别带动对应的行星轮 6 相对行星架 3 转动；栽植臂 11 通过行星轴 8 与行星轮 6 固结，圆柱凸轮 9 以栽植臂 11 相对行星架3 转动作为动力，驱动栽植臂 11 在旋转的同时相对行星架 3 横向移动，形成一空间轨迹，推秧杆 13 在凸轮 7、拨叉 15 和弹簧 12 组成的凸轮机构的控制下，依靠弹簧 12 弹力在指定位置完成推秧，并通过凸轮 7 挤压弹簧 12 收回，准备取秧和下次推秧。1.3 研究内容目前对于分插机构的研究都集中于，秧针尖点轨迹、姿态角、取秧角度、插秧角度、秧针尖点的运动速度等上面，缺乏对动力学的研究；缺乏对机构平衡的考虑，基于此种情况，尤其是在高速运动情况下，不平衡量的大小对机构1.中心轴 2.太阳轮 3.行星架 4.中间轮 5.中间轴 6.行星轮 7.凸轮 8.行星轴 9.圆柱凸轮 10.滑块 11.栽植臂壳体 12.弹簧 13.推秧杆 14.秧针 15.拨叉图 1.5 圆柱凸轮滑移式宽窄行分插机构哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）6的可靠性和使用寿命起着至关重要的作用，利用多刚体动力学分析软件ADAMS 对宽窄行分插机构的平衡情况进行研究。分插机构栽植臂壳体是薄壁硬铝合金壳体，当分插机构取秧时，按在栽植臂壳体上的秧针撕取秧箱上的秧苗，此过程是分插机构整个周期中受力最大，也是容易产生破坏的过程。本论文利用 ADAMS 分析纯刚体分插机构在高速运动时机座的受力变化情况，还采用了 ADAMS 和 ANSYS 两个软件的联合仿真技术来研究分插机构栽植臂在取秧时刻或者出现意外（如取秧时秧针与秧门发生碰撞、插秧时碰到石子）时栽植臂的变形和应力分布，通过结构的改进设计以提高栽植臂工作时的可靠性。主要的研究内容如下：(1)实现 UG 与 ADAMS 的数据转换，实现虚拟样机的仿真；(2)分析不同转速下机座受力； (3)在 ADAMS 中进行配重研究；(4)实现 UG 与 ANSYS 的数据转换，在 ANSYS 中生成取苗臂壳体中性文件；(5) 实现 ADAMS 与 ANSYS 的数据转换，在 ADAMS 中实现分插机构的刚柔耦合模型并进行仿真分析；(6) 仿真载荷文件的提取及在 ANSYS 环境下的取苗臂壳体强度分析；1.4 课题的研究思路本课题利用UG、ADAMS、ANSYS 实现对分插机构视为刚柔耦合机构进行联合仿真分析，其流程如图1.6所示：1.4.1 联合仿真分析图 1.6 刚柔耦合分插机构运动仿真分析流程图哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）71.5 本章小结1.提出了本课题研究的背景及意义；2.综述了水稻插秧机分插机构的研究现状及关键技术；3.阐述了本课题的研究内容及研究思路。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）8第二章 UG 三维建模及虚拟样机装配2.1 虚拟样机技术虚拟样机技术(VPT，virtual prototyping technology) 是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，是各领域 CAX/DFX 技术的发展和延伸。虚拟样机技术进一步融合了先进建模/仿真技术，现代信息技术，先进设计制造技术和现代管理技术，将这些技术应用于复杂产品全生命周期和全系统的设计，并对他们进行综合管理。与传统产品设计技术相比，虚拟样机技术强调系统的观点，涉及产品全生命周期，支持对产品的全方位测试，分析与评估，强调不同领域的虚拟化的协同设计。多刚体动力学分析软件 ADAMS 就是一种虚拟样机技术，它通过计算机软件建立机械系统的三维实体模型和力学模型，分析和评估系统的性能，从而为物理样机的设计和制造提供合理的参数依据。虚拟样机技术的核心是机械系统动态仿真，还包括三维 CAD 建模方法、有限元分析方法、机电液控制技术和最优化方法等相关技术并取得了很好的应用效果。同传统的基于物理样机的设计方法相比，虚拟样机的设计方法具有很多特点 16，包括全新的开发模式、降低开发成本、实现动态联盟等。2.2 栽植臂装配图由 CAD 建立各个零件的二维工程图，分插机构栽植臂装配图和栽植臂壳体主视图如图 2.1、2.2 所示。1.秧针 2.推秧爪 3.推秧杆 4.密封塞 5.衬套 2 6.栽植臂壳体 7.衬套 1 8.缓冲橡胶垫 9.拨叉 10.顶盖橡胶垫 11.顶盖 12.栽植臂弹簧 13.螺钉 14.弹簧垫圈 15.固定销 16.弹簧座 17.螺钉 18.弹簧垫圈图 2.1 栽植臂剖视图哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）92.3 UG 建立分插机构虚拟样机的三维模型UG(Unigraphics NX)是Siemens PLM Software公司出品的一个产品工程解决方案，它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。Unigraphics NX针对用户的 虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的解决方案。本实验中采用UG软件建立虚拟样机的三维模型，实现装配仿真分析，图2.3到图2.9为宽窄行分插机构的部分构件的三维模型：19.拨叉轴 20.六角螺母 21.M6 平垫圈 22.定位板图 2.2 栽植臂后盖法向视图图 2.3 拨叉 图 2.4 定位板图 2.5 后端盖 图 2.6 推秧杆哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）10图 2.11 栽植臂子装配由于细小零件较多，此处就不一一列出，将装好的装配图列举如下，图2.10为整个分插机构的虚拟样机装配图，图2.11为栽植臂装配图。图 2.7 凸轮 图 2.8 秧针图 2.9 栽植臂壳体图 2.10 分插机构装配图哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）112.4 ADAMS 仿真步骤应用 ADAMS 软件进行机械系统仿真分析的一般步骤如图 2.12 所示 17-19。为使仿真分析能够顺利地进行，应遵循以下原则:2.4.1 创建几何模型对于较简单的几何模型，可以直接在 ADAMS/View 中建立。而对于复杂的模型，其三维建模一般是在专业的三维建模软件(如 UG、Proe、SolidWorks等)中完成，完成零件的组装，然后通过专用接口或通用数据格式转换导入ADAMS