基于ADAMS对水稻插秧机横向移箱机构的虚拟仿真及优化设计

水稻作为我国传统的主要粮食作物，在全国大部分地区被广泛种植。现代的水稻种植，机械化已经大大普及，极大减轻了人的体力劳动强度，将人们从繁重的水稻种植劳动中解放出来。随着社会和科学技术的快速发展，人们对机械种植水稻的要求也越来越高，不仅要求种植的效果要好 ，更要求在操作机械时更舒适，生产效率更高。提高生产效率，意味着更高的移箱速度 ，这就对移箱机构的设计提出了更高要求。移箱机构作为水稻插秧机的核心插秧部件，想要提高使用寿命，必然要采用强度更好的材料，更好的设计，以降低秧苗移箱时的冲击。

双向螺旋传动是目前水稻种植机械中常见的-种换向机构 ，它的大量使用 ，主要是伴随着现代冶炼工艺的提高使螺旋轴和与之配合的滑块的强度大大增加，能够满足高速换向运动对材料的苛刻要求，且随着在实践中对螺旋轴换向段曲线的进-步深人研究，使其在两端的换向更加柔和，避免了大规模的应力集中造成的机械损坏。但是，在以往的研究中，大多数笔者都仅仅把双向螺旋轴本身作为研究对象，而不是把螺旋轴和滑块作为-个整体，为此提出了基于PRO/E造型，通过ADAMS仿真分析滑块的细节设计，分析对换向机构性能的影响。

1 三维实体模型的建立移箱机构是通过双向螺旋轴的转动，带动滑块在螺旋轴沟槽中滑动，滑块通过滑块支座、调节螺栓、秧箱抬臂将运动传递给秧箱，使秧箱在导轨中来回运动并完成移箱动作〖虑到秧箱抬臂带动秧箱，而秧箱与导轨只存在滑动摩擦，故将秧箱重量加在秧箱抬臂上，并将其滑动摩擦添加给抬臂与大地，可以在大大简化模型的同时，又不影响后续仿真分析。采用野火版proe4.0分别对移箱机构各个零件进行实体建模，并实现虚拟装配，其三维效果如图 1所示。

1.双向螺旋轴 2.衬套a 3.滑块支座 4.孔用卡簧5.滑块 6.秧箱抬臂 7.螺母 8.调节螺栓 9.衬套 b图 1 偏心齿轮分差机构总装配图2 滑块受力分析滑块是移箱机构的重要部件，起着承上启下的作用，并最终将力和运动从螺旋轴传递给秧箱。因此，滑块作为移箱机构中受力最复杂的部件之-，对其进行准确和全面的受力分析，是十分必要的。

1.双向螺旋轴 2.滑块支座 3.卡簧 4.滑块图2 滑块受力分析图收稿日期：2013-02-04作者简介：蒲明辉(1964-)，男，硕士，教授，硕士生导师，主要从事机械 CAD/CAM/CAE及虚拟样机技术的教学和研究工作。

1-- Equipment Manufacturing Technology No.5，2013滑块受力分析如图2所示，其中：为螺旋轴沟槽对滑块产生的接触力；。、 、 -分别为在 、y、 方向的分力；为滑块支座对滑块z方向的平衡力；为卡簧对滑块Y方向的接触平衡力；为螺旋轴沟槽对滑块绕Y方向的力矩；Ⅳ为螺旋轴对滑块的支持力；G为滑块自身重力；由以上分析可知，滑块受到与螺旋轴接触力方向的分力作用，使滑块水平移动；滑块在运动过程中在 y方向会产生-定程度的振动；滑块在运动到螺旋轴两端反向段螺旋沟槽时，会受到反向旋转力矩，带动滑块转动-定角度，实现换向。

3 ADAMS动力学仿真将在 proe4.0中创建的三维模型 ，通过 Mech-Pro2005接口软件，生成 cmd文件，导人 adams2012，生成 adams模型。

3.1载荷施加双向螺旋轴转动，带动滑块水平移动，滑块通过调节螺杆、取苗抬臂，带动载苗台整体左右移箱〖虑到在不影响仿真的情况下简化模型，将载苗台和取苗抬臂简化为取苗抬臂-个部件。载苗台在载秧状态下全重约 90 kg，载苗台在导轨上滑动 ，钢和橡胶在较差润滑条件下动摩擦系数 。取 0.25，静摩擦系数 ：取 0.3，则：Fmg l 290 x 9.8×0.25220.5 N查阅相关资料 ，高速乘坐式水稻插秧机的双向螺旋轴最高转速取：7 r/s，即转速为 420 r/min。

滑块在螺旋轴螺旋槽中运动，滑块与螺旋轴的材料接触类型为润滑条件下的钢对钢接触，查资料，ADAMS中接触力设置为：k 100 000 N/mm stifness；C50 N.sec/mm damping；e1.5 exponent；d：0.1 mm peneation depth；VS0.1 staticfriction vel；vd10 dynam ic friction vel；mils0.08 staticfriction coef；mud0.05 dynam ic friction coef；3.2约束施加在该模拟移箱机构中，共有螺旋轴、螺旋轴支座、滑块、卡簧、调节螺栓和取苗抬臂六个部件，其中2螺旋轴支座又包含螺旋轴支座、衬套 1、衬套 2和螺母四个部件，具体见图 l。

螺旋轴支座和大地、取苗抬臂和大地分别添加移动副；螺旋轴和大地添加旋转副；滑块和螺旋轴支座添加圆柱副；卡簧和螺旋轴支座、调节螺栓和螺旋轴支座分别添加固定副；取苗抬臂和大地添加移动副，并在移动副上添加动摩擦 。0.25、静摩擦系数 ：0-3；滑块与双向螺旋轴添加接触力 contactl；滑块与卡簧添加接触力 contact2；调节螺栓与取苗臂添加接触力 contact3；双向螺旋轴是此虚拟移箱机构动力源头，故通过添加在该螺旋轴旋转副上旋转动力，Motion7 x360d×time，来实现该机构的动力学分析。

3.3移箱机构动力学分析当螺旋轴驱动滑块横向移动送秧时，滑块与螺旋轴沟槽的接触部位为滑块底部圆唬滑块在螺旋轴沟槽中运动时，主要受到接触力在 方向分力的作用，因此 ，滑块和螺旋轴之间的冲击和磨损也主要发生在该方向。滑块底部圆浑径取值变化，直接决定了与螺旋轴沟槽面的接触大小，极可能会影响到滑块在 方向运动受力情况和在 Y方向的振动。本文正是基于此可能性进行分析，以寻找到滑块底部最佳圆浑径 ，改善移箱机构的工作状态，减轻滑块和螺旋轴沟槽磨损，提高其使用寿命。

考虑到双向螺旋轴的实际半径和螺旋沟槽处必须具备-定的抗扭转强度，同时为了保证滑块在螺旋沟槽中的运动平稳性，设置三组可行的滑块底部圆弧直径 l6 rflTl、th20 mln和22 rRITI，分别进行虚拟仿真，结果如图 3所示。

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《装备制造技术)20a3年第5期4：3lI- CCNTACT l ElemLForeeMl池 F2 。 ) 。 。

(c)4，22 mm圆滑块与螺旋轴接触力图3 滑块与螺旋轴接触力曲线由上面曲线可以绘出滑块半径与接触力的关系表，如表 l所示。

表 1 滑块不同底部圆浑径对应仿真接触力值16 20nun I 2mm平均值(N) l 1 695 245 J 258最大值(N) I 2g75 l g65 l 2467通过分析上面的曲线和表值可以得出，滑块底部圆煌螺旋轴之间的接触面积对接触力存在较大影响，滑块底部直径为 20 mm的圆弧时，接触力平均值和最大值都最小，且接触力变化较平稳，能够显著改善滑块和螺旋轴的运动平稳性，提高其使用寿命。

4 结束语利用 Pro/E建立插秧机移箱机构三维模型，导人ADAMS后对其进行运动和动力学仿真分析，可以得出滑块底部圆弧形状，以及与双向螺旋轴螺旋槽之间的接触面积，对接触力的大型变化平稳性存在显著影响，因此在对螺旋轴强度、直径、沟槽形状设计完成后，对滑块底部形状进行针对性的优化分析，以使其更好的配合螺旋轴工作，对提高移箱机构整体性能，具有十分重要的意义。