基于ADAMS的采棉机摘锭运动规律分析及轨迹仿真

李世云，孙文磊，洪荣荣

(1.新疆石河子职业技术学院，新疆 石河子　832000；2.新疆大学 机械工程学院，乌鲁木齐　830008)



基于ADAMS的采棉机摘锭运动规律分析及轨迹仿真

李世云1，孙文磊2，洪荣荣2

(1.新疆石河子职业技术学院，新疆 石河子832000；2.新疆大学 机械工程学院，乌鲁木齐830008)

摘要：机械采棉已经成为棉花采摘发展的必然趋势，而采棉机目前仍依赖进口。进口采棉机具有较好的使用性能，但其关键部件摘锭不仅价格高而且维修困难，因此采棉机国产化首要解决的是采摘关键部件及摘锭结构优化问题。为此，主要对采棉机摘锭运动规律进行分析，基于ADAMS对采棉机采摘头关键部件摘锭进行运动轨迹仿真，获取了相关参数和轨迹，实现以轨迹为基础的创新设计。同时，判断采摘机构设计合理性，为国产采棉机采摘部件设计提供研究基础。

关键词：摘锭；ADAMS；运动轨迹；仿真

0引言

近年来，我国棉花种植规模保持在466.7万hm2以上，而棉花生产的人工采摘费用在以新疆为主的西北内陆棉区已高达9 900～19 500元/hm2。伴随着劳动力资源的持续短缺，棉花的机械化采收已成为必然趋势。在我国主产棉区新疆、黑龙江等地目前广泛使用的采棉机以美国约翰迪尔公司、凯斯公司及国产贵航股份公司生产的采棉机为主。其中，约翰迪尔的产品具有科技含量高、性能出众等特点，典型代表为约翰迪尔7760采棉机；凯斯代表产品ME625型采棉机集采摘打模功能于一体，能够产生最大的采摘效率。两种产品均有人工投入少、机械化程度高、效率高等优势，符合发达国家生产机械化的国情。但其高昂的售价令我国的许多棉农望而却步，如迪尔7760售价435万元，与国内贵航采棉机相比高出280万元。因此，支持国产采棉机发展具有非常重要的战略意义。现有国产贵航水平摘锭式4MZ-5型采棉机国产化不足，核心部件摘锭存在价格昂贵、维修困难且依赖进口等弊端。这些问题严重制约国产采棉机的发展，攻克摘锭核心技术成为推广国产采棉机的工作重点与难点。

本文在对水平摘锭式采棉机的采摘原理和摘锭的运动过程进行分析的基础上，对摘锭的运动轨迹及运动形态进行仿真与分析，找出摘锭的运动规律，旨在为优化水平摘锭式采棉机采摘机构的性能提供借鉴。

1采摘原理与摘锭运动过程分析

采棉机是一种根据棉花棉铃吐絮程度进行多次采摘籽棉的现代化收获机械。此类机器按照采摘棉花的关键部件摘锭而被统称为摘锭式采棉机。按摘锭与地面的相对位置该类采棉机又可分为水平摘锭式与垂直摘锭式[4]。本文以目前应用最为广泛的水平摘锭式采棉机为例进行分析，如图1所示。

采棉工作单体是水平摘锭式采棉机采摘棉花的直接部件，主要由摘锭滚筒、脱棉圆盘、淋洗器、传动系统等组成。两个摘锭滚筒按前后或左右排列在采棉单体上。在摘锭座管外安装的是缠绕棉花的摘锭，内部安装的是能使摘锭旋转起来的传动装置。此外，在摘锭座管上部安装有导向作用的曲拐。采棉滚筒在作业时，每个摘锭座管总成相对滚筒回转中心旋转，可以认为是“公转”；管座上的摘锭随管座转动的同时也按一定的方向自行转动，称之为“自转”[4]。

采摘棉花时工作过程如下：首先由分禾器把前方采摘范围内的棉株聚拢挤压进采摘室，而后旋转的摘锭按固定的运动轨迹插入被聚拢挤压的棉株内；当遇到吐絮的籽棉时，摘锭上布满的沟齿就会挂住籽棉，籽棉随着摘锭的旋转不断从棉铃中被扯出，并一层层缠绕在摘锭上，最终摘锭随着滚筒逐渐由采摘室退出而进入脱棉区。在脱棉区，旋转着的摘锭与反向旋转的脱棉盘相遇，籽棉便在脱棉盘反向摩擦力的作用下，从摘锭上被剥落。脱落的籽棉集中在集棉室内，最终因为分机气道产生的负压经吸入门、风桶后被送入棉箱，完成一次采摘过程。脱掉籽棉的摘锭随滚筒转到湿润器处进行清洁，随后再开始下一轮作业，采摘过程如图2所示[4]。

(a)结构图　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)实物模拟

1.分禾器　2.摘锭　3.采棉滚筒　4.栅板　5.积棉室

2摘锭动力学建模与运动规律分析

本文采用ADAMS软件对采棉机摘锭进行动力学建模与运动规律分析。ADAMS软件包含了基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块，可用于研究复杂机构的运动关系与动力关系。本文利用它对摘锭建立数学模型后进行仿真分析，其结果可以用来验证其他设计对象是否合理。ADAMS仿真系统中构件与构件或与地面间需添加运动副，可以用系统广义坐标表示为代数方程，进而建立运动学方程。

2.1　ADAMS运动学方程的建立

设运动副的约束方程个数为nh，则系统广义坐标下的运动学方程为

(1)

由机构系统运动分析可知，确定运动需要机构系统的自由度为0，给系统1个等于自由度(nc-nh)的驱动约束为

ΦD(q,t)=0

(2)

一般来说，驱动是一种函数，由系统广义坐标和时间构成。式(1)和式(2)组合成系统所受的总约束为

(3)

式(3)为系统方程，由nc个广义坐标下的nc个非线性方程组组成。

2.2　ADAMS运动学方程的求解算法

系统的约束方程为

Φ(q,tn)=0

(4)

根据式(4)的Newton-Raphson迭代法可求得运动的构件在某一时刻tn的位置

ΦqjΔqj+Φ(qj,tn)=0

(5)

其中，Δqj=qj+1-qj，表示第j次迭代。

此刻速度为

(6)

此刻加速度为

(7)

2.3　摘锭运动规律分析

采棉机在采摘作业时，结合采摘头滚筒、脱棉盘及湿润器的位置分布得到的摘锭轨迹图如图3所示；不难看出，采摘工作区间位于扣环处如图4所示。从扣环状的轨迹可得：摘锭在工作区间改变过方向；进入扣环区即进入采摘工作区，扣环极点周围即摘锭抓取并缠绕棉花的区间；走出扣环区，摘锭开始进入脱棉区。由轨迹线可知：进入脱棉区的过程中，摘锭与脱棉盘之间的夹角变化不大，这样有助于顺利脱棉。接着，摘锭进入湿润摘锭的区间，在此区间，摘锭角度变化与脱棉区相仿。

图3　采头各部件位置分布

图4　采棉机实际作业摘锭相对地面轨迹图

3摘锭运动轨迹仿真

摘锭运动轨迹的仿真就是利用运动学软件对摘锭运动轨迹进行模拟。首先用三维建模软件构建采摘机构及摘锭的三维模型，而后将三维模型导入仿真软件进行运动仿真及分析。本研究内容采用UG进行三维建模，在此不再赘述。由于ADAMS易掌握，功能强大，所以选择它作为仿真工具。

在ADAMS中构建采棉机采摘头部件的动力学模型，并对模型进行验证，模型验证正确无误后对其进行仿真。首先将装配无误的滚筒简化为模型，对模型各部件进行材料赋予；其次，在各部件间添加合理的运动副。添加运动副的难点是滚轮的点线约束，这里的点是曲拐上端的中心点，线为凸轮中心曲线；另外，由于传动盘与滚筒同时转动，因此对这两个部件进行联合同步运动。摘锭运动轨迹仿真的难点在于摘锭的摆动，摘锭的摆动由座管的摆动引起。座管的摆动是由其底端的旋转副与座管上端固定连接的曲拐的点线副造成的，而座管与转盘之间没有运动副，这使仿真过程变得简单。

运动副添加完毕后添加驱动。由滚筒传动分析可知：摘锭公转与摆动的动力来自滚筒中心轴(这里将中心轴简化为一个杆)，然后中心轴带动转盘，转盘带动座管，座管沿轨迹运动。为便于操作，这里将驱动赋予了转盘的旋转副。仿真模型如图5和图6所示。

图5　仿真模型组成

图6　仿真运动副的组成

最后，获取轨迹曲线，这是摘锭运动轨迹仿真成功的关键所在。ADAMS提供了便捷的测量工具，只需确定被测对象的各点位置，设定测量周期即可方便获得其运动曲线图。ADAMS获取的轨迹曲线的点需是质心，因此在摘锭末端创建微小球体并附加为一体，然后以球体质心marker点为对象来获取轨迹、轨迹运动的位移及角度变化曲线图。

因为仿真结果是建立在特定工作环境下的，因此在获取摘锭的轨迹线时必须赋予仿真系统所需的技术参数和特定的工作条件。根据相关资料得知：采棉机作业时正常采收速度为5.8km/h,即1.61m/s；采头滚筒的转速为152r/min,即912°/s。

为获得摘锭的绝对运动轨迹，在运动仿真中设定采棉机运动方向为水平向右，对滚筒简化模型赋予水平移动，逆时针旋转；赋予转盘相对中心轴一个转动驱动，凸轮相对地面一个移动驱动，同时将移动驱动设置为1.61m/s，转动驱动设置为912°/s，仿真得到摘锭的绝对运动轨迹如图7所示。图7中上部分为棉行分布区。

图7　摘锭末端对地轨迹图

为进一步分析摘锭末端对地轨迹，将1个周期内的摘锭运动分为12部分来描述。如图8所示，对地轨迹1~12，是摘锭1个运动周期的轨迹位置分布。摘锭的位置分布受采棉机前进速度与滚筒转速的双重影响。水平运动与旋转运动合成摘锭的绝对运动轨迹。由图8可以看出：摘锭运动周期轨迹呈扣环状，两扣环之间轨迹呈弧形，与前述实际运动轨迹一致。

在实际应用中，可通过衡量上述摘锭运动轨迹与有效轨迹匹配的程度，对摘锭轨迹形状特征进行精确量化描述与误差计算，进而获取有效的参数。

图8　摘锭末端对地轨迹分解图

4结束语

阐述了采棉机在我国的使用现状，对采棉机的采摘原理与摘锭的运动过程进行分析，在此基础上使用ADAMS软件的相关理论与功能对摘锭的运动轨迹进行了基于实际工作情形的仿真分析。该仿真结果可以作为相关科研部门在优化采棉机的采摘机构时，通过对摘锭的运动轨迹进行仿真匹配来判断机构设计合理性的重要依据，进而实现以轨迹为基础的创新设计。

参考文献：

[1]黄少华,袁逸萍,孙文磊,等.梳指式采棉机关键部件的动力学分析[J].农机化研究,2013,35(8):46-49.

[2]曹玉山,孙文磊.采棉机滚筒协同虚拟装配的研究与实现[J].农机化研究,2011,33(11):75-78.

[3]李世云,孙文磊,毕新胜,等.采棉机械采摘原理解析[J]. 科技信息,2011(7):71-72.

[4]付长兵.水平摘锭式采棉机采棉原理及关键零部件分析[D].乌鲁木齐：新疆大学,2010.

[5]曹玉山.采棉机滚筒协同装配与仿真系统的研究与实现[D].乌鲁木齐：新疆大学,2011.

[6]张智明.水平摘锭式采棉机采摘机构运动学及动力学研究[D].石河子：石河子大学,2014.

[7]徐守志.滚筒摘锭式采摘头结构优化设计[D].石河子：石河子大学,2013.

[8]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.

[9]张有强,马少辉,丁旺才.采棉机摘锭采摘过程的动力学分析[J].农业工程学报,2012(13):54-58.

Abstract ID:1003-188X(2016)09-0074-EA

ADAMS-based Cotton Picker Spindle Motion Analysis and

Trajectory Simulation

Li Shiyun1， Sun Wenlei2， Hong Rongrong2

Abstract：Mechanical cotton Picker has become an inevitable trend of cotton harvesting, cotton is still dependent on imports. Imported cotton Picker has a good performance, but the spindle is not only higher prices of key components and maintenance difficulties,cotton picking key domestic priorities are components and structural optimization of spindle.This paper focuses on the cotton picker spindle motion analysis based on ADAMS for cotton picking heads spindle trajectory simulation of key components, gets the parameters and paths.Realization of trajectory-based innovative design, judge-picking mechanism design rationality,for domestic cotton picking parts is designed to provide basic research.

Key words：spindle; ADAMS; trajectory；simulation;cotton picker

中图分类号：S225.91+2

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)09-0074-04

作者简介：李世云(1976-)，女(回族)，宁夏海原人，副教授，硕士，(E-mail)1003284059@qq.com。

基金项目：新疆维吾尔族自治区科技支疆项目(2013911032)

收稿日期：2015-08-18