振动式精密排种器排种速度仿真与分析①

陈长春， 周海波， 马 翔， 周 亮， 翟通通

(佳木斯大学机械工程学院，黑龙江佳木斯 154007)

0 引言

作为现代化农业精密播种技术之一，精密排种器的有效研发尤为关键，具有播种精度高、工作性能稳定的双重振动式精密排种器结构较复杂，影响排种性能的因素也比较多.如果依靠传统经验设计和试验分析[1]，一般要经历三次以上的重复设计、制造和试验测试，期间的物理样机加工与测试环节不仅提高了设计成本，而且占用了1/4以上的开发时间[2]，大大延缓了现代化农业的应用进程.为快速、准确地获得最佳设计参数，充分挖掘精密排种器的工作潜能，更好的保证设计的可靠性，本文应用运动学仿真技术，在三维实体建模基础上，利用Adams软件对该排种器的排种速度进行运动学仿真与分析，从而验证仿真模型的正确性[3－5].

1 运动学仿真方法

运动学(kinematics)是力学的一门分支，专门描述物体的运动，即物体在空间中的位置随时间的变化规律，完全不考虑作用力或质量等等影响运动的因素.以研究质点和刚体这两个简化模型的运动为基础，并进一步研究变形体(弹性体、流体等)的运动.其中点的运动学研究点的运动方程、轨迹、位移、速度、加速度等运动特征;刚体运动按运动的特性又可分为平动、绕定轴转动、平面平行运动、绕定点转动和一般运动[6].

振动式精密排种器主要由定量供种箱和气动振盘系统两部分组成，如图1所示.定量供种箱主要包括种箱、电磁振动器、勺式外槽轮等，气动振盘系统包括支架和振动盘，其中振动盘由气动振动器、振动座、板簧、振动梁、V形槽盘、梯形筛分盘、调节板组成.其工作原理为定量供种箱的勺式外槽轮可将精量的种子从种箱中分离出来，抛掷到气动振盘系统的振动盘上，经过梯形筛分盘筛分除杂后，由V形槽盘均匀的排出，可进行播种作业[11].

由播种过程可知，振动盘的运动属于平动，而其上的种子运动可简化为点运动.为此，排种器排种速度的仿真方法为:在Pro/E三维实体模型基础上，应用Adams仿真软件，对气动振盘系统添加各种运动副、刚度、阻尼、接触力以及相应的结构参数，创建完全参数化的排种器仿真模型，通过调整振动力和频率，对虚拟系统进行排种速度的运动学仿真，输出单粒种子沿盘面运动的速度曲线，并通过种子平均速度与试验数据对照，预测排种器仿真模型的工作性能，具体排种速度仿真过程如图2所示.

图1 双重振动式精密排种器结构示意图

图2 气动振动系统速度仿真流程

2 创建仿真模型

2.1 设计三维实体

在Pro/E环境中，采用国际单位为毫米、千克和秒的“mmks_part_solid.prt”和“mmks_asm_design.asm”设计模板，对双重振动式精密排种器的零部件进行建模、工程装配和全局干涉检查，生成的三维实体模型如图3所示.

为了防止将Pro/E三维实体模型导入到Adams环境中出现数据丢失的现象，应利用Pro/E 3.0和Adams之间的专用接口软件Mech/Pro程序，在Pro/E 3.0环境下对三维实体模型进行定义刚体、建立Marker点，并生成接口文件.同时，为了在Adams中添加种子与梯形筛分板和V形槽板的接触约束，在Pro/E环境中还需要把梯形筛分板、V形槽板模型存储为抛物面x_t格式.

图3 排种器三维实体模型

图4 排种器运动学仿真模型

图5 种子受力分析图

2.2 导入仿真模型

在Adams仿真软件中，应用File下拉菜单的Import功能，将Pro/E中生成的三维实体模型的接口文件aview.cmd打开，即可生成排种器的仿真模型.为了减少模型的仿真数据量，仅对气动振盘系统进行导入，如图4所示.继续使用Import功能，设置打开文件类型为Parasolid，然后将Model Name改为Part Name，在Part Name栏选择振动盘刚体，再将Location及Orientation均选择与梯形筛分板和V形槽板一致，使梯形筛分板和V形槽板以Parasolid格式导入Adams，然后再删除原梯形筛分板和V形槽板实体模型，从而完成仿真模型的导入过程.

2.3 仿真条件设置

(1)建立种子模型

参照文献[7]，选择超级稻秀优5号作为种子，千粒重为32.7g，静摩擦系数为0.93，动摩擦系数为0.89.在建立种子模型时，将种子简化成一个椭球刚体，在工具箱中使用Geometry Modify Shape Ellipsoid工具，其中长度为 7.81mm，宽度为 4.51mm，高度为 2.82mm，质量为 3.27 ×10－5kg，并建立在投种位置点处.

(2)添加约束

按气动振动系统的振动要求，如图2所示，需要使用Adams Main to…工具箱，添加固定副约束到支架刚体上，并与大地用固定在一起;添加移动副约束到振动盘刚体上;添加Bushing约束到振动盘刚体和支架刚体上，同时将其刚度和阻尼都设为350 N·s/mm 和 0.017 N·s/mm[8]，作用点选择振动盘刚体的质心处;将振动盘刚体的质量设为3.5kg;V形槽板倾角α1为7°，振动座与V形槽板间的振动方向角δ1为35°;梯形筛分板倾角α2为－4°，振动座与梯形筛分板间的振动方向角δ2为24°(图 5)[7].

(3)添加激振力和频率

在工具箱中使用Force工具，将激振力添加到振动盘的Marker点上，方向与振动座垂直，如图5可知，激振力的大小为

其中F为激振力，N;F0为初始激振力，N，由气动振动器和电磁振动器共同产生，试验中，供种量和种子特性的不同，需要的初始激振力也不相同;f为系统频率，Hz;Time为时间，s;根据气力振动盘系统的压力测试试验，不同压强P下对应的F0，f如表1所示[11].

表1 初始激振力和频率

(4)定义接触力

在工具箱中选择Contact工具，分别定义种子和梯形筛分板、V形槽板之间的接触，其中，静摩擦、动摩擦系数为种子摩擦系数.

(5)添加传感器

为了方便分别测量种子在梯形筛分盘和V形槽盘上的平均速度，需要在振动盘的不同位置添加传感器.选择菜单Simulate中的Sensor功能，分别在梯形筛分板末端中点、V形槽板末端中点上各添加一个传感器，将种子的质心与各传感器间的距离Value设为0，精度为 1.0 ×10－3，即当小球运动到传感器后仿真停止，便与自动提取种子在V形槽板上的运行时间，从而计算该段的种子运动的平均速度.

3 仿真与结果分析

首先设置系统仿真时间和步长(见表2)，根据气动振动系统排种速度仿真流程(图2)，在不同压强P下，改变初始激振力和频率(表1)，分别对气动振动系统进行种子运动速度仿真，可以得到种子在梯形筛分盘和V形槽盘上运动速度曲线，图6分别为压强在 0.19MPa、0.22MPa、0.25MPa 时得到的仿真曲线.按照上述仿真结果，得到不同压强下种子的平均运动速度见表2.

从三个梯形筛分盘排种速度仿真曲线可以看出，种子在梯形筛分板上沿x轴方向开始运动时，速度v1变化比较大，是因为种子从定量供种箱排出并落在梯形筛分盘面上，存在弹跳滚动，种子运动不平稳;然后种子处于变加速度状态沿梯形筛分板平面加速向上爬行，随着平均加速度变小，种子逐渐趋于平稳运动，直到平铺排序且匀速向上爬行;同时排种速度随着输入压强的增大而不断加快，在0.25MPa状态下，种子弹跳比较剧烈，基本处于共振排种状态，与试验现象相似.

从三个V形槽盘排种速度仿真曲线可以看出，种子从梯形筛分板落入到V形槽板上时，速度v2也存在波动，随后种子沿V形槽板加速向下滑行，速度变化也比较平稳;同时排种速度也随着输入压强的增大而不断加快.

将表2的仿真结果与文献[11]的试验结果进行对比，可以看出，不同压强下种子在梯形筛分盘上的运动仿真速度与试验速度比较接近，存在的误差主要来自系统的仿真步数以及初始弹跳滚动等因素影响;然而在V形槽板上种子的运动速度与试验结果偏差却很大，接近于两倍，原因是在Ad-ams中仅实现了单粒种子的运动仿真，实际试验情况是大量种子在V形槽内形成种子流，滑行过程中存在相互挤压、摩擦和上下窜动等原因，从而减慢了种子的实际运行速度.

表2 排种速度结果

图6 不同压强下种子分别在梯形筛分盘和V形槽盘上运动速度曲线

4 结论

应用动力学仿真技术，在Pro/E三维实体建模的基础上，利用Adams软件生成了振动式精密排种器排种速度仿真模型.在不同压强下，以初始激振力和频率作为输入条件，对单粒种子进行了运动速度仿真.由仿真和试验数据对照看出，单粒种子在梯形筛分板上的运动仿真速度与试验结果基本一致，在V形槽板上仿真速度约为试验结果的两倍，同时排种速度随着输入压强的增大而不断加快.通过结果分析可知，在梯形筛分板段单粒种子与盘面平铺的单层种层的运动相一致，然而在V形槽板段因种子之间存在相互挤压、摩擦和上下窜动等原因，从而减缓了实际种子流的排种速度，说明仿真结果与实际相符，因此本文所建立的气动振盘系统运动学仿真模型是实用的，为排种器的虚拟样机及参数优化设计奠定了基础.

[1]孙裕晶.虚拟样机技术及其在精密排种部件设计中的应用[D].长春:吉林大学，2005.

[2]H.－J.Bullinger，J.Warschat，K.F.WiBler，V.Seitz.快速产品开发—一种整体的产品开发模式[J].工程设计，1997(3):1－8.

[3]朱华炳，张娟，宋孝炳.基于ADAMS的工业机器人运动学分析和仿真[J].机械设计与制造，2013(5):204－206.

[4]E.Sacksa，L.Joskowicz.Automated Modeling and Kinematic Simulation of Mechanisms[J].Computer－ Aided Design，1993，25(2):106–118.

[5]余龙，秦东晨，武红霞，等.基于Pro/E和Adams的液压支架虚拟样机建模与仿真研究[J].煤矿机械，2009，30(11):36－38.

[6]E.T.Whittaker.A Treatise on the Analytical Dynamics of Particles and Rigid Bodies;with an Introduction to The Problem of Three Bodies[M].Cambridge University Press，second edition，1917:chapter 1.

[7]周海波.水稻秧盘育秧精密播种机的关键技术研究与应用[D].长春:吉林大学，2009.

[8]王淑铭，魏天路，周海波.气动振动精密排种器实验研究及虚拟样机设计[J].农机化研究，2011(6):62－65.