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摘 要：针对我国粗放式地表种植土剥离的现状，提出了自动化精确种植土剥离。本文结合振动切削减阻理论与二维切削原理，提出了一种刚柔混联振动剥离机的方案;并基于数字样机技术对整机结构建模仿真然后进行结构优化，为以后物理样机的研制提供了依据。
关键词：振动减阻;二维切削;刚柔混联;建模仿真;结构优化
0 前言
随着我国农业的发展，采用自动化精确种植土剥离代替粗放式种植土剥离是亟待解决的问题。目前，只能使用工程机械进行粗放式剥离，剥离精度差，功耗大，功率大量浪费在土壤的破损上，而且不能地表仿形，得到种植土的质量很低，急需研制一种精确剥离设备。总上所述，刚柔混联振动剥离机能够减少土地破坏获得较高质量的地表种植土，功耗小、剥离精度高在小面积农田建设及小面积土地开发整理中具有广阔的应用前景，对于发展经济、高效和环保的设施农业具有重要的现实意义。
1 设计原理
柴油发动机（1）一方面将动力输送给履带车（2）驱动履带车行驶;另一方面将动力经软轴（2）与转向器（8）输送给转轴（7）;转轴（7）通过偏心套带动刀架（10）运动，转轴与偏心套通过键连接;刀架下端与机架之间通过板簧（12）连接;转向器可以实现转轴的正反转，从而实现刀板（9）不同的振动方式;仿形轮（11）与地面接触，在整机行进过程中，仿形轮带动信号盘（6）动作，光电传感器检测到信号盘（6）动作时通过液压回路控制升降液压缸（4）的动作从而实现地表仿形，达到精确剥离。工作过程中刀板在履带车的牵引下水平切削土壤的同时，上下振动，实现振动型二维切削。
2 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应用土力学的原理加以分析，
土壤在振动时其强度发生变化，并具有与静态时不同的破坏机理。由土壤粘聚力引起的阻力大大降低;土壤自重引起的阻力，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主要由与刀板连接的刀架与土壤的接触引起的阻力。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，振动使牵引阻力减小;旋耕同样可以使土壤剥离;再根据土壤成分，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。
3 刚柔混联机构
对于刀架下端与机架的连接本文采用板簧连接，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。
本文在对刚柔混联机构建模仿真时将板簧作为柔性体，其他構件作为刚性体处理来更准确的得到机构的运动情况以及刀板的运动轨迹。
4 利用ADAMS进行建模仿真以及结构优化
4.1 ADAMS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。同时其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。
4.2 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;打开软件ADAMS以相应格式导入刚才保存的文件。
4.3 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：60Si2Mn 弹性模量E=206GPa，切变模量G=79.38GPa，泊松比?=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。
4.4 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。
由图3、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在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。
4.5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，然后进行仿真，效果如图6、图7。
由图6、图7的仿真结果可知刀板在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。
5 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;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以及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。
参考文献
[1]徐嘉梁.土壤触应变与垂直振动切削土壤实验[J].农业机械学报，1992，23（4）：77～80.
[2]殷涌光，程悦荪，李俊明. 振动式二维切削土壤减小阻力 机理[J].农业机械学报，1992，23（2）：11～16.
[3]董向前，宋建农，王继承，等.草地振动松土机运动特性分析与振动频率优化[J].农业工程学报，2012，28（12）：44～49.
[4]武广伟，宋建农，李永磊，等.草地振动式间隔松土机设计与实验 [J].农业机械学报，2010，41（2）：42～46.
[5]石珍强，徐培民.ADAMS刚柔耦合多体系统动力学建模 [J]. 安徽工业大学学报，2007，24（1）：43～45.
关键词：振动减阻;二维切削;刚柔混联;建模仿真;结构优化
0 前言
随着我国农业的发展，采用自动化精确种植土剥离代替粗放式种植土剥离是亟待解决的问题。目前，只能使用工程机械进行粗放式剥离，剥离精度差，功耗大，功率大量浪费在土壤的破损上，而且不能地表仿形，得到种植土的质量很低，急需研制一种精确剥离设备。总上所述，刚柔混联振动剥离机能够减少土地破坏获得较高质量的地表种植土，功耗小、剥离精度高在小面积农田建设及小面积土地开发整理中具有广阔的应用前景，对于发展经济、高效和环保的设施农业具有重要的现实意义。
1 设计原理
柴油发动机（1）一方面将动力输送给履带车（2）驱动履带车行驶;另一方面将动力经软轴（2）与转向器（8）输送给转轴（7）;转轴（7）通过偏心套带动刀架（10）运动，转轴与偏心套通过键连接;刀架下端与机架之间通过板簧（12）连接;转向器可以实现转轴的正反转，从而实现刀板（9）不同的振动方式;仿形轮（11）与地面接触，在整机行进过程中，仿形轮带动信号盘（6）动作，光电传感器检测到信号盘（6）动作时通过液压回路控制升降液压缸（4）的动作从而实现地表仿形，达到精确剥离。工作过程中刀板在履带车的牵引下水平切削土壤的同时，上下振动，实现振动型二维切削。
2 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应用土力学的原理加以分析，
土壤在振动时其强度发生变化，并具有与静态时不同的破坏机理。由土壤粘聚力引起的阻力大大降低;土壤自重引起的阻力，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主要由与刀板连接的刀架与土壤的接触引起的阻力。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，振动使牵引阻力减小;旋耕同样可以使土壤剥离;再根据土壤成分，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。
3 刚柔混联机构
对于刀架下端与机架的连接本文采用板簧连接，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。
本文在对刚柔混联机构建模仿真时将板簧作为柔性体，其他構件作为刚性体处理来更准确的得到机构的运动情况以及刀板的运动轨迹。
4 利用ADAMS进行建模仿真以及结构优化
4.1 ADAMS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。同时其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。
4.2 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;打开软件ADAMS以相应格式导入刚才保存的文件。
4.3 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：60Si2Mn 弹性模量E=206GPa，切变模量G=79.38GPa，泊松比?=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。
4.4 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。
由图3、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在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。
4.5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，然后进行仿真，效果如图6、图7。
由图6、图7的仿真结果可知刀板在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。
5 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;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以及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。
参考文献
[1]徐嘉梁.土壤触应变与垂直振动切削土壤实验[J].农业机械学报，1992，23（4）：77～80.
[2]殷涌光，程悦荪，李俊明. 振动式二维切削土壤减小阻力 机理[J].农业机械学报，1992，23（2）：11～16.
[3]董向前，宋建农，王继承，等.草地振动松土机运动特性分析与振动频率优化[J].农业工程学报，2012，28（12）：44～49.
[4]武广伟，宋建农，李永磊，等.草地振动式间隔松土机设计与实验 [J].农业机械学报，2010，41（2）：42～46.
[5]石珍强，徐培民.ADAMS刚柔耦合多体系统动力学建模 [J]. 安徽工业大学学报，2007，24（1）：43～45.