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基于ADAMS的水果破碎机仿真 |
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作者：罗晓丽 魏文军 张绍英 李海涛 |
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摘 要：为了提高水果破碎机设计的效率和可靠性，运用ADAMS和Solidworks二者之间共同支持的图形交换格式Parasolid格式，把Solidworks中水果破碎机的三维模型导入到ADAMS中，在Matlab/SIMULINK里添加电机控制仿真模块，模拟水果破碎机在工作工程中物料的输送过程，同时对模型进行运动学、动力学仿真。为水果破碎的设计开发省了时间和成本，同时也为水果破碎机的工作参数和结构设计参数提供理论依据。
关键词：水果破碎机，ADAMS，仿真
1 前言
在水果破碎机的设计、试验过程中，理想的仿真应满足：建模简单快速、模型逼真，并对物料的真实工作过程进行运动分析，使得机械系统在外力条件下进行模拟仿真，实现虚拟样机的真实仿真[1]。ADAMS是虚拟样机领域非常优秀的软件，它能根据实际运动系统建造仿真虚拟样机，在物理样机建造之前分析出系统的工作性能，并能方便的改进和优化。大大提高研究效率，节约了时间和费用，实现了高质量、快速、低成本的设计。
2 水果破碎机建模
Solidworks为机械设计自动化软件，充分利用了众所周知的MicrosoftWindows图形用户界面，功能强大，易学易用。使用这套简单易学的工具，机械设计工程师能快速的按照其设计思想绘制草图及生成实体模型。
ADAMS提供了建模指令，但造型功能相对薄弱，难以创建具有复杂特性的零件。所以可以利用ADAMS和Solidworks两者共同支持的图形交换格式Paradsolid实现数据交换[2]。从而在ADAMS中确立水果破碎机的机械系统模型，然后添加约束和力。
此水果破碎机的工作原理如图1所示，物料经进料斗进入螺旋输送段，由螺旋推进器将物料推送至破碎刀盘，破碎后的物料颗粒在离心力的作用下分离，通过出料口排出机外。
图1 PS-10水果破碎机
设该螺旋推进杆为标准的等螺距、等直径的单头螺旋，其螺距为S，螺旋轴半径为r0，螺旋叶片半径为R。物料距离螺旋轴线的距离为r(r0
3 控制系统建模
在MATLAB/SIMULINK提供的图形用户界面GUI上[3]，只要进行鼠标的简单拖拉操作就可以构造出复杂的仿真模型，它外表以方块图形形式实现，采用分层结构，在SIMULINK环境中，用户可以直接观察到现实世界中摩擦、震动等非线性因素和各种随机因素对系统行为的影响，而不用进行数学推演和繁琐编成。
图2描述了此水果破碎机的控制方案[4]，此样机的控制原理是用刀盘的旋转信号来控制螺旋轴的旋转，使其转速比为3：1。
图2 水果破碎机的控制方案
4 破碎物料运动的仿真
当水果破碎机的破碎量为10t/h的苹果时，螺旋轴以200r/min、刀盘以600r/min的转速旋转。分别对距离螺旋轴线为R处的苹果1和1/2R处的苹果2在螺旋推进过程中的轴向速度进行运动仿真[5]。其仿真结果如图3所示。
图2 螺旋推进器中物料的运动仿真
由图可知物料在推进过程中，苹果沿进料口至出料口轴向速度逐渐减小，而靠近螺旋叶片外层物料的轴向速度比螺旋轴附近的小；当物料被推送到刀盘时，物料的轴向速度将为零；在螺旋轴转速为200r/min时，苹果2的初始轴向速度为0.02m/s，苹果1初始速度约为0.037m/s。
5 系统的动力仿真
在破碎机的螺旋推进器以平均速度0.2m/s的速度输送时，螺旋设备输送物料量为：
W=3600ρAv （1）
式中ρ——输送物料的密度
A——物流截面积 A=π(R2-r02)φ
φ——装满系数
由（1）式可以求得螺旋推进器的加载量W=10.048t/h，通过对螺旋轴和刀盘进行受力分析，添加受力约束，从而可以仿真出螺旋轴和刀盘轴所承受的扭矩如图4所示。
图4 水果破碎机的动力仿真
物料加载由仿真曲线可知电机输出转矩在受振动等因素的影响，扭矩有轻微的波动，但并不影响总体计算结果，螺旋轴所承受的转矩为75N·m，破碎刀盘轴所承受的扭矩约为160 N·m
根据功率计算公式为：
P=T·n/9550 （2）
式中 T——扭矩
n——转速
由式（2）可知在破碎10.048t/h的苹果时，螺旋推进器在推进物料时所需功率为P轴=1.57kw，而破碎刀盘在破碎物料时所需的功率为P刀=10.052kw
6 结论
基于ADAMS自身强大的运动学和动力学分析功能，利用Solidworks实体建模方法，结合MATLAB的接口技术，实现水果破碎机的控制系统仿真，同时模拟了水果破碎机在破碎物料时，物料的轴向推进速度，并实现了破碎机的动力学仿真，从而求出水果破碎机所消耗的功率。利用这种技术，可以为研究水果破碎机的运动规律及水果破碎机优化设计参数等方面提供很好的方法。同时，本文成功地解决了运动可视化问题，为水果破碎机的设计开发节省了时间和成本。
参考文献
[1] 杨斌久，蔡光起，赵亮，陈旭．基于ADAMS技术的3-TPT并联机器人机构动态仿真．机械制造．2004年7月第479期14~15．
[2] 陈新荣，余跃庆，姜春福，刘迎春．基于虚拟样机的机器人仿真．北京工业大学学报．2004，2第30卷第1期．：38~40．
[3] 刘小平，郑建荣，朱治国，顾秀兰．Solidworks与ADAMS/View之间的图形数据交换研究．机械工程师．2003.12 26~28．
[4]张志勇．精通Matalab6.5．北京：北京航空航天大学出版社，2003年3月ISBN 7-81077-255-2．
[5] 郑建荣．ADAMS——虚拟样机技术入门与提高．北京：机械工业出版社，2003年7月．
作者简介：
罗晓丽，女，1981年出生，硕士研究生，研究方向智能机械设计；E-mail: lxl@bbn.cn
魏文军，男，1958年出生，中国农业大学工学院教授,博士生导师，主要研究方向智能机械设计。(end)
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(4/27/2006) |
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