1振动切削减阻原理
振动型二维切削即切削土壤的方向有两个—刀具推进方向与垂直于刀具推进方向，而振动垂直于刀具推进方向。铲刃在插入土体过程中产生的阻力可以应用土力学的原理加以分析，铲刃阻力FN可推导表示为FN=Fγ+Fq+Fc式中Fγ—土壤自重引起的阻力(N)；Fq—土壤水平方向单位面积压力引起的阻力(N);Fc—由土壤粘聚力引起的阻力(N)。土壤在振动时强度发生变化，并具有与静态时不同的破坏机理。对于振动切削减阻原理，国内学者的说法各有不同。笔者认为，振动将能量以波的形式传递给土壤，土壤内能增加，从而破坏了土壤粒子与粒子之间粘聚力，土壤松碎发生流变稀释。因此，由土壤粘聚力引起的阻力Fc大大降低;设想对于完全沙化的土壤，刀具在推进过程所受到的阻力主要为沙土包裹刀具所产生的摩擦力(即土壤自重引起的阻力Fy)，振动对阻力的减小影响甚小;而土壤水平方向单位面积压力引起的阻力Fq主要为与刀板连接的刀架与土壤接触引起的阻力。因此，在一定范围内随着土壤松碎程度的增加，切削阻力也会相应减小。国内从能量守恒的角度对二维振动切削的研究还较少，振动使牵引阻力减小，所引起的功率的减小会因振动频率和振幅的增大产生的振动功率所抵消，笔者称之为振动减功机理。旋耕同样可以使土壤剥离，但功率消耗巨大。因此，根据土壤成分，调节振动的频率与振幅，使土壤剥离的同时达到合适的松碎程度，从而得到最低的消耗功率，可作为振动减功机理的研究方向。
2刚柔混联机构
刀架下端与机架的连接采用板簧连接。采用连杆代替板簧连接，刀板的运动同样可以实现;但对于土壤中不可预测的切削情况，连杆机构使刀板与土壤硬物不可避免地刚性接触，容易损坏刀板，而且连杆结构很难承受高频振动与转动;相反，采用板簧作为柔性部件连接，刀板在和土壤硬物接触时会发生跳脱现象，提高了刀板在切削过程中的柔性，同时板簧依靠自身柔性能承受高频振动。对于实际工程问题，严格来说属于柔性多体动力学问题，但为使问题简化，往往将其简化成刚体动力学问题。然而，对于具有较大柔性的构件对机械系统的影响又不能不考虑，因此对于刚柔耦合多体系统模型的研究非常必要。本文在对刚柔混联机构建模仿真时将板簧作为柔性体，其他构件作为刚性体处理，可更准确地得到机构的运动情况及刀板的运动轨迹。
3建模仿真及结构优化
3．1ADAMS柔性体模块ADAMS推出的ADAMS/Flex模块能够实现同时包含刚体和柔体的机构动力学分析。同时，作为一款机械系统动力学仿真分析软件，其求解器采用多刚体动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。本文采用直接在ADAMS/View中建立柔性体的MNF文件，然后用柔性体替换原来的刚性体的方法建立柔性体。
3．2几何模型的建立以及导入
首先，在三维建模软件Pro/E中建立系统简化模型的各个组件，简化模型(见图2)用偏心轴代替转轴与偏心套的组合，偏心距为4mm;然后，在装配环境下进行装配，以确定各组件间的相对位置，以parasolid(*．x_t)格式保存副本;最后，打开软件ADAMS，以相应格式导入刚才保存的文件。
3．3添加约束、材料和载荷
机架与ground固定副连接，偏心轴与机架、刀架与偏心轴均采用转动副连接，板簧与机架、板簧与刀架均采用固定副连接;为偏心轴与机架的转动副添加驱动;为模型部件附加相应的材料。板簧材料为60Si2Mn，弹性模量E=206GPa，切变模量G=79．38GPa，泊松比μ=0．29。启用重力，在刀板上添加水平方向的切土阻力和竖直方向的振动阻力。利用ADAMS/AutoFlex模块设置相应的参数，建立板簧的柔性体模型来代替原来的刚性体。
3．4仿真
设定驱动转速n=21600d*time(即3600r/min)定义刀具推进方向(即水平方向)为x方向，垂直于刀具推进方向(即竖直方向)为Y方向。刀板上的MAＲKEＲ_38点在Y、X方向上的位移随时间变化的图像如图3和图4所示。由图3和图4的仿真结果可知:刀板在竖直方向的振幅由偏心轴的偏心距决定;刀板在水平方向上的振幅为50～60mm，振动强度大且不稳定，不符合振动型二维切削的要求，因此结构需要优化改进。
3．5结构优化
优化方案:将板簧与刀架的固定副连接改为转动副连接，如图5所示;然后进行仿真，效果如图6和图7所示。结构优化后刀板上的MAKEＲ_39点在Y、X方向上的位移随时间变化的图像如图6和图7所示。由图6和图7可知:刀板在Y方向上的振动与结构优化前相同，即由刀板竖直方向的振幅由偏心轴的偏心距决定;刀板在X方向的振幅在2．25mm左右且振动平稳，满足振动型二维切削的要求。
4结论
刚柔混联振动剥离机的方案充分结合了振动切削减阻理论与二维切削原理，而且采用刚柔混联机构与液压式地表仿形系统满足了自动化精确种植土剥离的要求。其整体结构简单、紧凑，能承受高速旋转与高频振动。同时，利用软件Pro/E建模导入软件ADAMS中进行仿真，并提出优化方案，大大缩减了系统研制的周期，降低了产品在研制过程中的成本，为以后物理样机的研制提供了依据。
作者：王伟 张泽明 王泽河 姜海勇 胡世鑫 单位：河北农业大学 机电工程学院
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