基于MATLAB花生收獲機(jī)振動(dòng)篩機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

摘要：針對(duì)目前花生收獲機(jī)振動(dòng)篩機(jī)構(gòu)振動(dòng)大、清土效果不理想和存在運(yùn)動(dòng)死點(diǎn)的問(wèn)題，采用MATLAB的 Simulink 軟件建立花生收獲機(jī)振動(dòng)篩機(jī)構(gòu)仿真模型，分析圖形化求解方法，通過(guò)設(shè)計(jì)并運(yùn)行仿真模型得到振動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)學(xué)變化曲線。結(jié)果表明，振動(dòng)篩在x和y方向上的位移、速度、加速度均呈周期性變化，周期為0.3 s，振動(dòng)幅值分別為23.4 mm和16.7 mm。振動(dòng)篩機(jī)構(gòu)周期性變化規(guī)律可視化的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而選擇最適合振動(dòng)篩機(jī)構(gòu)的尺寸，對(duì)優(yōu)化花生收獲機(jī)結(jié)構(gòu)和提高收獲質(zhì)量具有重要意義。

關(guān)鍵詞：花生收獲機(jī)；振動(dòng)篩；動(dòng)態(tài)仿真；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

中圖分類號(hào)： S225.7+3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2014）02-0343-03

收稿日期：2013-06-15

基金項(xiàng)目：河南省教育廳自然科學(xué)研究計(jì)劃（編號(hào)：2011c460007）。

作者簡(jiǎn)介：袁世先（1966—），女，貴州貴陽(yáng)人，副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與制造。E-mail：yuansx1966@126.com?；ㄉ俏覈?guó)重要的油料作物之一，全國(guó)種植面積約433萬(wàn)hm2。由于受到土地等客觀條件的限制，花生機(jī)械化收獲較為分散且作業(yè)程度較低。我國(guó)雖然對(duì)花生收獲機(jī)械進(jìn)行了大量的研究與開(kāi)發(fā)工作，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍處于初級(jí)階段，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性差、損失率高、土果分離不好等仍舊是困擾花生收獲機(jī)械發(fā)展的主要問(wèn)題。目前，在花生收獲機(jī)研究中已經(jīng)涌現(xiàn)出許多新設(shè)備，如胡志超等研發(fā)的4H-800 型振動(dòng)篩式花生收獲機(jī)[1]、陳強(qiáng)等研發(fā)的HS-73 實(shí)用新型振動(dòng)篩式花生收獲機(jī)[2]和呂冰等設(shè)計(jì)的振動(dòng)式花生收獲機(jī)[3]等。

振動(dòng)篩機(jī)構(gòu)是花生收獲機(jī)的核心部件，其工作運(yùn)動(dòng)性能的優(yōu)劣與整機(jī)工作性能的優(yōu)劣有著直接的關(guān)系，以四連桿機(jī)構(gòu)為模型的花生收獲機(jī)振動(dòng)篩機(jī)構(gòu)是目前使用最廣泛的機(jī)構(gòu)之一。對(duì)花生收獲機(jī)振動(dòng)篩機(jī)構(gòu)利用MATLAB的Simulink軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，分析其運(yùn)動(dòng)情況，以了解四連桿仿真模塊模型及圖形化求解方法，為優(yōu)化花生收獲機(jī)結(jié)構(gòu)提供一種可視化的方法。

1數(shù)學(xué)模型的建立

1.1工作原理及機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

四連桿機(jī)構(gòu)為模型的花生收獲機(jī)振動(dòng)篩，其主體為縱向排列的篩條，篩條中心距在確定的過(guò)程中可根據(jù)當(dāng)?shù)氐姆N植品種進(jìn)行自行設(shè)置，對(duì)振動(dòng)篩的位移、速度、加速度不產(chǎn)生直接影響。振動(dòng)篩機(jī)構(gòu)由曲柄（R2）、連桿（R3和R4）、振動(dòng)篩組成，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。在花生收獲過(guò)程中，通過(guò)軸帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)振動(dòng)篩子的運(yùn)動(dòng)，而振動(dòng)篩通過(guò)上下和左右的往復(fù)運(yùn)動(dòng)將土壤等雜物及花生秧果等不斷向后推動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中雜物被振動(dòng)篩振落，少部分雜物及花生秧果被拋出，實(shí)現(xiàn)花生的收獲。

1.2矢量方程的建立

為了便于對(duì)花生收獲機(jī)振動(dòng)篩機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行仿真分析，須建立振動(dòng)篩機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，可以近似為一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)，其閉環(huán)矢量圖如圖2所示。其中，R1是兩端的固定桿，R2代表曲柄，R3、R4代表連桿，θ2、θ3、θ4、ω2、ω3、ω4和α2、α3、α4分別是R2、R3、R4的運(yùn)動(dòng)角度、角速度和角加速度。

2.1初始數(shù)據(jù)的獲取

根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的尺寸，利用幾何方法計(jì)算得到的數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

2.2動(dòng)態(tài)仿真模型的建立

根據(jù)矢量方程所建數(shù)學(xué)模型，設(shè)連桿初始的角加速度為0，通過(guò)數(shù)值積分計(jì)算θ2、θ3、θ4、ω2、ω3、ω4、α3、α4。為實(shí)現(xiàn)面向模塊的動(dòng)態(tài)仿真，在Simulink模型中需要6個(gè)積分模塊，以α2為常量0作為仿真輸入，選擇constant模塊與積分器相連接。在子程序function函數(shù)中定義四連桿的r1、r2、r3和r4，選擇function塊將函數(shù)嵌入Simulink仿真中，由于function塊的輸入、輸出是以矢量的形式進(jìn)行，因此，需加入Mux塊實(shí)現(xiàn)原始信號(hào)的轉(zhuǎn)換，在輸出時(shí)需要用DeMux塊分解，然后再將Mux塊聯(lián)網(wǎng)到適當(dāng)?shù)男盘?hào)。為實(shí)現(xiàn)仿真結(jié)果的輸出為矩陣（變量simout），在結(jié)果輸出前也需要再加入Mux塊。另外，為實(shí)現(xiàn)振動(dòng)篩的運(yùn)動(dòng)分析，需在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模塊的擴(kuò)展，增加1個(gè)function塊（即whz.m文件），再通過(guò)DeMux和Mux塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分解和矩陣矢量化，便于準(zhǔn)確分析振動(dòng)篩在x、y、z方向的速度、加速度和位移的變化[3，5-6]。

3仿真結(jié)果分析

由于篩子與連桿是通過(guò)焊接連接，分析連接點(diǎn)可間接分析振動(dòng)篩，因此，以連接振動(dòng)篩的點(diǎn)作為研究對(duì)象，分別對(duì)該點(diǎn)沿x與y方向的速度、加速度以及位移進(jìn)行仿真分析，運(yùn)用plot函數(shù)繪制相關(guān)曲線。由圖3至圖8可見(jiàn)，振動(dòng)篩在x方向的速度在250～-250 mm/s之間做周期性變化（圖3），振動(dòng)篩在y方向的速度在200～-200 mm/s之間做周期性變化（圖4），振動(dòng)篩在x方向的加速度在5 000～-5 000 mm/s2之間做周期性變化（圖5），振動(dòng)篩在y方向的加速度在 4 000～-4 000 mm/s2 之間做周期性變化（圖6），振動(dòng)篩在x方向的位移在0～25 mm之間做周期性變化，其振動(dòng)幅度為23.4 mm（圖7），振動(dòng)篩在y方向的位移在0～18 mm之間做周期性變化，其振動(dòng)幅度為16.7 mm（圖8）；變化周期均為 0.3 s。

4小結(jié)與討論

利用MATLAB的Simulink仿真模型對(duì)花生收獲機(jī)振動(dòng)篩機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行仿真分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，振動(dòng)篩速度、加速度和位移在x方向上分別在250～-250 mm/s、5000～-5000 mm/s2、0～25 mm之間呈周期性變化，位移振動(dòng)幅度為23.4 mm，在y方向上分別在200～-200 mm/s、4 000～-4 000 mm/s2、0～18 mm之間呈周期性變化，位移振動(dòng)幅度為16.7 mm；周期均為0.3 s。

在設(shè)計(jì)花生振動(dòng)篩機(jī)構(gòu)時(shí)，設(shè)計(jì)的尺寸、結(jié)構(gòu)及配置要求等會(huì)與實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀況存在一定誤差，利用花生振動(dòng)篩機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊框圖，通過(guò)MATLAB設(shè)計(jì)程序?qū)Σ煌叽纭⒔羌铀俣?、角速度賦值，分析各連桿的角速度、角加速度、擺角和振動(dòng)篩的位移、速度、加速度情況，進(jìn)而選取具有最小振動(dòng)、最適合當(dāng)?shù)厥斋@情況、不存在運(yùn)動(dòng)死點(diǎn)的設(shè)計(jì)尺寸和結(jié)構(gòu)，以滿足實(shí)際生產(chǎn)要求[7-8]。利用MATLAB的Simulink軟件建立的仿真模型，實(shí)現(xiàn)了花生收獲機(jī)振動(dòng)篩運(yùn)動(dòng)情況的圖形可視化，能夠便捷地得到運(yùn)動(dòng)的相關(guān)參數(shù)，簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程，提高了計(jì)算精度，為花生收獲機(jī)振動(dòng)篩機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了良好快捷的方法。

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