刘晓丽，郭媛媛，魏彦伟
商丘工学院 机械工程学院，河南 商丘 476000
摘 要:采棉滚筒是水平摘锭式采棉机的核心工作部件，其工作的可靠性直接影响着采棉机的采摘质量和作业效率。本文介绍了采棉滚筒的结构及工作原理，首先利用Pro/E软件建立了采棉滚筒的三维模型，然后使用ADAMS软件进行运动仿真，分析其运动规律，为采棉滚筒的设计和研究提供了理论依据和参考。
关键词：采棉滚筒；ADAMS；运动仿真
0 引言
棉花是我国新疆的主要农业产品，棉花生产收获实现机械化是社会发展的必然趋势。手工采棉不但劳动量大、效率低，而且棉花生产成本高,这意味着生产力没有彻底解放。现阶段国内大部分自主研发的采棉机仍然处于科研和试验阶段，未来的发展趋势是：充分利用机电一体化技术，提高采棉机的可靠性和采摘质量，使采棉机操作更加简便，方便棉农使用；因地制宜，研制适合不同地区的机采棉设备，完善与采棉机相配套的机械设备；加快研制适合我国的经济型采摘部件[1]。因此，使用ADAMS软件对水平摘锭式采棉机中的采摘滚筒进行仿真为以后的采棉机设计提供依据。
1 采棉滚筒的运动分析方法
ADAMS软件由美国公司所开发，是目前国际上比较通用和权威的动力分析软件之一，由核心模块、功能扩展模块、专业模块、接口模块、工具箱模块几大模块组成。利用ADAMS能够快捷、有效地建立简单的机械系统所需要的几何模型，即能够直接用ADAMS中ADAMS/View来创建机械系统模型，也可以从其他三维建模软件中直接导入。在利用三维软件直接导入之后，需要在模型上添加零件的材料、零件之间的相互约束、驱动力等之后才可以实现运动仿真和分析。
因直接在ADAMS里建立比较复杂的几何形状不太容易，所以这次使用Pro/Engineer（Pro/E）建立好模型之后再导入ADAMS软件中。
Pro/E与ADAMS中没有直接的连接口，所以需要转化成可以在ADAMS中使用的格式。例如stp、x_t、xmt_txt、bin等格式，本文中采用x_t格式。在Pro/E软件中建立三维模型之后通过保存副本将格式改为x_t，为了保证保存文件中不出错，采用保存之后再次在Pro/E软件中打开，然后导入ADAMS软件中，进行把约束、驱动等必须的条件添加上去，就可以得出模型[2]。
2 采棉滚筒的结构和工作原理
采棉滚筒主要由摘锭座管总成、摘锭、导向槽、曲拐等组成，其结构如图1所示。
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图1滚筒传动总装配图
采棉滚筒工作过程：当采棉机向前行走时，棉花扶导器把棉花的枝干扶正进入采摘工作室，在采棉工作室中被碾压，摘锭以高速回转的方式，以一定的方式伸入或退出隔离棉花的栅板。当摘锭从栅板之间的缝隙伸出时，直接伸进处于碾压状态的棉花，然后通过摘锭上的沟槽勾住棉花，高速转动的摘锭把勾住的棉花绕在摘锭上将棉花从裂开的棉壳中拉出。摘锭退出采摘区域进入脱棉区域，因脱棉盘和采摘滚筒的转动方向是相反的，所以摘锭勾住的棉花与脱棉盘接触使其脱离，进入收集棉花工作室通过气流经输送棉花的管道送进集棉箱。液体清洗脱掉棉花的摘锭，然后摘锭再一次进入采摘工作室进行采摘。
采摘滚筒是采摘头中重要的部件，它的采摘性质的优劣将影响到采摘能否顺利实现。每2组采棉滚筒前后排列组成了一个采棉个体，每个采摘个体一次可采摘5-6行棉花，多个采棉个体水平布置组成了采摘头。这样既可以提高采净率又可以提高效率。
3 采棉滚筒的运动仿真
3.1 滚筒仿真模型建立
通过前期的整理之后，得出滚筒模型就可以进行模拟仿真，可以清楚地得出滚筒的运动情况和规律。当将三维模型导入ADAMS时，可以看出采棉滚筒的零部件太多，导致在增加约束的时带来很多的困难，同时三维模型太复杂，导入ADAMS时生成模型的速度很慢，直接影响到了ADAMS的运行速度。于是将三维模型进行化简。化简过程中将运动方式和方向相同部件进行简化成一个实体，以便于运动仿真。
将三维模型在ADAMS中通过位移、速度、加速度等因素来进行动力学分析，分析时，需要对三维模型进行约束且自由度大于一。
采摘滚筒上有12支摘锭管，其中一支摘锭管上有18个摘锭，一个采摘滚筒上摘锭的个数就有216个。导入ADAMS中会使ADAMS运行变得迟钝。因采摘滚筒上的摘锭管和摘锭只有运动方向不同其他都一样，所以它们的运动规律应该相同，所以将它们简化，可以单独分析一个摘锭管和摘锭。
3.2 采棉滚筒仿真过程
仿真过程如下：在Pro/Engineer建立三维模型之后通过保存副本将格式改为x_t，然后打开ADAMS软件找到“导入”进行选择在Pro/E中所保存的地址。然后添加文件名称。导入之后在“设置”里面设置各种参数如：工作栅格、单位等。然后，在“视图”里面点击“模型”。在AMDMS界面中显示出简化过的图型，用鼠标右击所有的部件进行添加材料。添加材料之后，点击“约束”对部件进行约束。首先对传动轴添加一个相对于机架的圆柱副，之后将所有的齿轮与传动轴进行布尔加运算。然后将两个啮合齿轮添加齿轮副进行约束，在曲拐和导向盘之间添加移动副，摘锭和摘锭主齿轮之间添加齿轮副。添加约束完成之后，点击“驱动”，在传动轴的圆柱副添加平移驱动，在第一个齿轮啮合出添加旋转驱动。最后，点击“仿真”修改里面参数，进行运行[9]。
3.3 采棉滚筒仿真分析
通过模型测试及测量结果的后处理，其仿真分析输出结果可以看出曲线图形可以看出采棉机中采棉滚筒的轨迹为摆线，原因为在采棉机前进的同时采棉滚筒自身做旋转运动，相对于地面来说采棉滚筒是按照直线进行运动的。采摘滚筒按y轴前进，由于震动、安装精度等的影响，采棉滚筒在x方向也会有一定的位移变化，但是位移波动不大可以忽略不计。采摘滚筒在z轴上的速度为sin曲线，同时在y轴上也有较大的速度变化，因为采摘滚筒在z方向转动时转动速度不同所产生。在z方向上采摘筒的加速度为sin曲线，然而在y轴上为cos曲线，y比z轴只是滞后相位角。
4 结论
采棉滚筒是水平摘锭式采棉机的核心工作部件，其工作的可靠性直接影响着采棉机的采摘质量和作业效率。本文建立了采棉滚筒的三维模型之后并使用ADAMS软件进行运动仿真，分析其运动轨迹，其结果与实际工作状况一致，体现了分析的可行性与直观性，为采棉滚筒的设计和研究提供了理论依据和参考，也为国内采棉机设计提供数据基础。
参考文献
[1]建农.4MCS-300梳齿式棉花联合采收机[J].农业装备技术，2010,(1):46.
[2]刘晓丽，陈发，王学农.4MZ-3000型梳齿式采棉机梳齿部件的结构分析[J].新疆农业学科，2011,48(9):1645-1647.
作者简介：刘晓丽（1983—），女，河南商丘人，主要从事机械设计与材料工程研究。