基于ADAMS运秧车带式输送梯的设计及仿真解析

0 引言

目前，对于带式输送梯的的动态特性研究较少，主要是由于输送梯的输送带在输送过程中具有较大的变形，其建模过程中不能当作刚体来简单地处理。因此，必须采用将输送带分成若干刚性小带块进行建模，然后各刚性小带块之间施加约束来拟合输送带的变形以及柔性的方法，通过利用仿真软件 AD-AMS 实现带式输送梯的建模与仿真，从而较为方便地对带式输送梯的动态特性进行研究。

1 关键技术

1． 1 设计任务
运秧车带式输送梯系统在设计的过程中主要解决以下关键技术难题: ①秧苗从田埂输送到运秧车的过程中，应尽量减轻对秧苗的损伤，避免断苗的现象出现，提高秧苗的成活率; ②确保输送梯的工作效率，待秧苗装满后，输送梯应能较方便地放置于运秧车的有效空间; ③设计的输送梯工作可靠、运转平稳，在此前提下，做到结构简单、质量轻便并且操作简易。

1． 2 主要技术参数
其主要技术参数如表1 所示。


2 总体结构及其工作原理
2． 1 总体结构
运秧车带式输送梯系统的主要功用是把田埂上的秧苗输送到运秧车上，来减免人工的搬运。总体结构主要由驱动滚筒、支撑滚筒、换向滚筒、输送带、机架侧板及折叠关节等组成，如图1 所示。


2． 2 工作原理
运秧车上的发动机所输入的动力经行走变速箱输出，通过十字万向节把动力传递到运秧梯上作为原动力，带动驱动滚筒旋转; 由于输送带缠绕在驱动滚筒和换向滚筒上，所以输送带被驱动旋转; 把秧苗盘放置到输送带上，由于摩擦力的作用，拖动秧苗盘进行输送。通过上述步骤，完成秧苗从田埂到运秧车上输送。

3 输送梯模型的建立
3． 1 运输梯的三维建模
驱动滚筒、换向滚筒、支撑滚筒和机架侧板相对于输送带而言，其刚度较大、变形很小，可以简化为刚体。输送带在进行秧苗运输时具有较大的变形，所以其建模过程中不能当作刚体来简单的处理，必须考虑带本身所具有的粘弹性特性。采用 ADAMS 中的柔性体来进行输送带的建模，将输送带分成若干刚性小带块进行建模，然后各刚性小带块之间施加约束来拟合输送带的变形以及柔性。带式输送梯的三维模型如图2 所示。


3． 2 动力学模型的简化
带式输送梯的结构虽然不复杂，但是当施加约束及均布载荷力后，如果按照运输机的实际尺寸建立模型进行动态仿真，ADAMS 软件在计算时使用的是高阶稀疏矩阵就会更加庞大，给计算机的运算造成困难，因此必须建立运输梯的简化模型。
在进行秧苗输送时，带式输送梯的机架侧板固定在运秧车上，因此机架侧板可简化为地面。支撑滚筒作为一个输送带的支撑件，可以将其简化为一个带有旋转副的圆柱体; 换向滚筒设在带式输送梯的后面，并且在换向滚筒轴上施加张紧力，因此由换向滚筒轴上施加与地面移动副，使得换向滚筒轴可以水平移动张紧，换向滚筒与地面施加旋转副; 另外，输送带是一个柔性体，在进行动力学仿真时，只需要将 Solider-works 中建好的驱动滚筒、支撑滚筒、换向滚筒及刚性小带块的模型，保存成标准图形接口文件( 如． x － t等) ，在 ADAMS 中打开保存的文件，而不考虑水稻秧苗运输机的内部结构，然后再将相应的力和约束添加到驱动滚筒、支撑滚筒以及换向滚筒上。带式运输梯的简化模型如图3 所示。


3． 3 动力学模型的约束及载荷
由于带式输送梯的动力学模型在 ADAMS 中需要建立旋转副、驱动为约束，以及接触力、轴套力为载荷，所以首先简要介绍两种约束及两种载荷的特点:
1) 旋转副。旋转副只允许两个物体绕一条共同的轴线旋转，它可以在旋转轴线的任意位移，旋转副的方向决定旋转轴线的方向。
2) 驱动。驱动必须添加在运动副上，实际上是将运动副还没有约束住的自由度“管住”，并按照某种规律变化。
3) 接触力。当两个构件之间的表面发生接触时，这两个构件就会在接触的位置产生接触力，接触力的大小是由接触的几何体或者平面间联合决定的。
4) 轴套力。轴套力是在柔性连接中一个非常重要的元素，把两个部件连接起来，并对这两个部件施加线性作用力。
在输送带的各个小刚性带块之间施加轴套力，并且将受力处在各个小带块的几何中心位置施加轴套力，从而使整个输送带变成柔性体。在输送带的各个刚性小带块分别与驱动滚筒、换向滚筒之间施加接触力。在两滚筒分别与大地或者侧板之间施加旋转副，并且在驱动滚筒上施加驱动。在输送带上建一刚性板，并且设置好刚性板的长、宽、高及板的密度，用来模拟均布载荷，刚性板和各个刚性小带块之间施加接触力。施加完约束和载荷后的模型如图4 所示。


4 输送梯的仿真分析

4． 1 分析带块的位置
在 ADAMS 中建立水稻秧苗输送机的简化模型，在模型中的驱动滚筒上施加恒转速驱动，以及在输送带上施加所受到的均布外载荷，研究输送带运动过程中的速度特性及横向振动幅值，通过图形来表达出仿真结果，进一步完成分析。选取在仿真开始时的 2 个位置相邻带块的分析，分别是带块即将离开驱动滚筒的3 个相邻带块( Ⅰ) 及即将离开换向滚筒的 3 个相邻带块( Ⅱ) ，如图5 所示。

4． 2 位置Ⅰ速度特性分析
图6 为相邻3 个带块在即将离开驱动滚筒接触时( Ⅰ) 的速度曲线。带块①的特性用实线表示，带块②的特性用长虚线表示，带块③的特性用短虚线表示。从速度曲线可以看出: 随着输送带远离驱动滚筒，带速发生急剧变化，并且带的速度波动幅度随着输送带的运转逐渐增加。这是由于松边的输送带在驱动滚筒和换向滚筒中间的垂度最大，所以随着输送带的运转速度波动幅度也逐渐加大，其分析结果和理论状态相符合。


4． 3 位置Ⅱ速度特性分析
图7 为相邻 3 个带块在即将离开换向滚筒时( Ⅱ) 的速度曲线。带块⑥的特性用实线表示，带块⑤的特性用长虚线表示，带块④的特性用短虚线表示。从速度曲线可以看出: 在启动时，带块与改向滚动接触，然后逐渐远离换向滚筒，在即将接触均布载荷瞬间带块的振动速度发生峰值突变; 由于带块突然受到载荷的作用而产生速度突变，最后带块在载荷的作用下以微小的波动前进，从而可以看出分析结果与理论工况相符。


4． 4 位置Ⅰ横向振动幅值特性分析
图8 为相邻3 个带块在即将离开驱动滚筒接触时( Ⅰ) 的速度曲线。带块①的特性用实线表示，带块②的特性用长虚线表示，带块③的特性用短虚线表示。从位移曲线可以看出: 输送带块逐渐远离驱动滚筒进入松边，振幅逐渐增大; 振幅越大，带传动过程中的噪声也越大。因此，设计时必须尽量缩小带传动过程中的振动幅值。从仿真分析的结果可知: 振动幅值满足实际运输秧苗需要。

4． 5 位置Ⅱ横向振动幅值特性分析
图9 为相邻 3 个带块在即将离开换向滚筒时( Ⅱ) 的速度曲线。带块⑥的特性用实线表示，带块⑤的特性用长虚线表示，带块④的特性用短虚线表示。从位移曲线可以看出: 带块即将离开改向滚筒时振幅较小，离开改向滚筒后振幅突然增大，接着与均布载荷接触时振幅又减小并且基本趋于稳定。在秧苗输送过程中所产生的动态特性和理论分析的结果基本保持一致。


5 结论
1) 采用将输送带分成若干刚性小带块进行建模，然后各刚性小带块之间施加约束来拟合输送带的变形及柔性的方法，通过利用仿真软件 ADAMS 实现带式输送梯的建模与仿真。对仿真结果进行分析可看出: 所设计的带式输送梯能够满足实际运秧需求，并且动态特性和理论相符。
2) 输送带的建模采用类似于有限元的思想，为以后输送带的动态特性研究奠定了新的基础。
参考文献（略）