周桂霞，李劍，李玉清，張偉，梁遠(yuǎn)

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶163319；2.黑龍江省三江管局洪河農(nóng)場(chǎng)第五管理區(qū)）

近年來隨著畜牧業(yè)的發(fā)展，資源成本相對(duì)較高的種植業(yè)面積會(huì)適當(dāng)減少，使土地資源和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)向畜牧業(yè)、草業(yè)等方面調(diào)整，牧草生產(chǎn)和加工產(chǎn)業(yè)將面臨新的機(jī)遇，但其收集、儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)成為制約其產(chǎn)業(yè)化利用的主要因素。研究開發(fā)牧草壓捆機(jī)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生物質(zhì)產(chǎn)業(yè)化的前提之一。

由于農(nóng)業(yè)機(jī)械的工作對(duì)象和環(huán)境的隨機(jī)性、復(fù)雜性，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已不能滿足現(xiàn)代農(nóng)機(jī)具的設(shè)計(jì)需求，因此采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，在現(xiàn)有牧草壓縮理論基礎(chǔ)上，應(yīng)用UG軟件對(duì)牧草打捆機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)仿真分析，可為重要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定提供理論依據(jù)，從而縮短設(shè)計(jì)周期，降低物理樣機(jī)的成本，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力[1-4]。

1 壓捆機(jī)工作原理和性能分析

1.1 工作原理

壓捆機(jī)的工作原理是用機(jī)械機(jī)構(gòu)模擬人工打捆的工藝過程，完成牧草撿拾、壓實(shí)和打捆過程。工作時(shí)，牧草通過輸送喂入裝置把牧草喂入到壓縮室，在曲柄連桿機(jī)構(gòu)作用下，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，把壓縮室內(nèi)的牧草壓成草捆，打結(jié)后推向壓縮室出口。

1.2 任意一點(diǎn)的位移分析[5-6]

為了簡(jiǎn)化分析，取X坐標(biāo)軸與滑塊運(yùn)動(dòng)軌跡重合，如圖1所示。設(shè)曲柄長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，其方位角為β，連接桿長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，其方位角為θ，S為其軌跡矢量。閉環(huán)矢量方程數(shù)學(xué)表達(dá)式為S=L1+L2。如圖建立坐標(biāo)系，構(gòu)造矢量封閉方程：

則

圖1 壓縮機(jī)構(gòu)動(dòng)力模型Fig.1 The dynamicmodel of compressmachine

圖1所示為單一自由度的曲柄連桿機(jī)構(gòu)模型。s、l1、l2分別代表活塞中心距曲柄回轉(zhuǎn)中心距離、曲柄長(zhǎng)度、連桿長(zhǎng)度，β為曲軸轉(zhuǎn)角，θ為連桿與活塞中心線的夾角。曲柄回轉(zhuǎn)角速度ω2=θ′。

設(shè)活塞中心距曲柄回轉(zhuǎn)中心距離、曲柄長(zhǎng)度以及連桿長(zhǎng)度分別用矢量S、L1、L2表示。

則它們之間的矢量關(guān)系可表述為S=L1+L2。如圖建立坐標(biāo)系，構(gòu)造矢量封閉方程：

對(duì)式（2）方程兩邊進(jìn)行求導(dǎo)后，得到曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：

為便于仿真分析，可將式（3）用矩陣形式表示為：

2 UG三維建模與裝配

2.1 UG建模

UG軟件是廣泛應(yīng)用于航空、船舶、汽車、兵器、機(jī)械工業(yè)、模具、工業(yè)設(shè)計(jì)、等產(chǎn)業(yè)的全新三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件。它包括機(jī)械設(shè)計(jì)（CAD）模塊、功能仿真（CAE）模塊、制造（CAM）模塊、模具設(shè)計(jì)模塊、扳金等模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)體與曲面設(shè)計(jì)、零件裝配、二維工程圖制作、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真、有限元分析、鈑金設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、數(shù)控加工等功能。

基于UG建立的三維模型可以判斷裝配模型之間有無干涉，而且提供了各種運(yùn)動(dòng)分析，便于進(jìn)行結(jié)構(gòu)的自鎖分析、結(jié)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)干涉檢查及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫仿真，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題并改進(jìn)，縮短設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本，有利于新產(chǎn)品、新方案的設(shè)計(jì)，幫助機(jī)械設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)人員更快、更準(zhǔn)確、更有效率地將創(chuàng)新思想轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌?chǎng)產(chǎn)品，提高產(chǎn)品開發(fā)的成功率。

2.2 關(guān)鍵部件裝配

首先根據(jù)零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過UG軟件的拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠、陣列、復(fù)制和布爾和等工具條完成曲柄、連桿、滑塊的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)并建立零件庫，為零件的修改和調(diào)整、虛擬裝配、動(dòng)力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)分析做準(zhǔn)備。

裝配時(shí)采用自下向上的方法，先定義各零件模型之間的裝配約束，確定零件的裝配順序，將零件裝配成部件，再生成壓捆機(jī)關(guān)鍵部件裝配體。通過渲染工具條對(duì)模型進(jìn)行渲染，使實(shí)體模型達(dá)到逼真效果。最終得到打捆機(jī)關(guān)鍵部件裝配圖，如圖2。

圖2 壓捆機(jī)關(guān)鍵部件裝配Fig.2 Assembly of pasture pressbaler key parts

3 運(yùn)動(dòng)仿真

UG運(yùn)動(dòng)分析模塊是一個(gè)模擬仿真分析的設(shè)計(jì)工具。既能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，又能進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。通過UG機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析模塊進(jìn)行前處理，創(chuàng)建連桿、運(yùn)動(dòng)副和定義運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，求解運(yùn)動(dòng)過程，生成內(nèi)部數(shù)據(jù)文件，后處理，分析數(shù)據(jù)，將構(gòu)件的位移、速度和加速度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成動(dòng)畫、圖表和報(bào)表文件。分析結(jié)果可用來指導(dǎo)修改結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可在設(shè)計(jì)模式下直接修改模型參數(shù)，重復(fù)仿真分析，得到更合理的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

滑塊位移變化圖如圖3，滑塊加速度變化圖如圖4。

圖3 位移曲線圖Fig.3 Themap of displacement

圖4 加速度變化圖Fig.4 The variationalmap of acceleration

由仿真曲線可看出在曲柄活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中，仿真量隨著時(shí)間的變化呈周期性變化。壓縮過程曲線的變化規(guī)律與所構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型相吻合，且動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能良好。由活塞位置曲線可以看出，活塞在一個(gè)沖程內(nèi)前極點(diǎn)和后極點(diǎn)位置坐標(biāo)，圓整后可確定活塞的實(shí)際有效行程，為設(shè)計(jì)設(shè)定的有效行程提供參考依據(jù)。

4 干涉檢驗(yàn)

壓捆機(jī)的關(guān)鍵部件中，裝填撥叉機(jī)構(gòu)和壓縮機(jī)構(gòu)之間的配合運(yùn)動(dòng)能否成功運(yùn)行是關(guān)鍵問題，如果發(fā)生干涉會(huì)損壞工作部件，使機(jī)器發(fā)生故障。因此，在壓捆機(jī)關(guān)鍵部件裝配和運(yùn)動(dòng)仿真的基礎(chǔ)上，利用UG對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行干涉檢驗(yàn)，包括特定裝配結(jié)構(gòu)形式下，裝配體各個(gè)零件之間相對(duì)位置是否干涉的靜態(tài)檢查和運(yùn)動(dòng)過程中零部件之間的動(dòng)態(tài)干涉，以生成干涉體表示。

對(duì)裝配體進(jìn)行干涉檢驗(yàn)，觀察和分析出現(xiàn)的干涉問題，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，將整機(jī)設(shè)計(jì)中可能存在的問題消除在萌芽狀態(tài)，確保設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少試制樣機(jī)費(fèi)用和改進(jìn)時(shí)間，縮短機(jī)械產(chǎn)品的更新周期。

5 結(jié)論

基于UG建立了壓捆機(jī)關(guān)鍵部件直觀、易于理解的三維模型，并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析，為牧草壓捆機(jī)的設(shè)計(jì)、改進(jìn)以及將來的樣機(jī)制造奠定了基礎(chǔ)。雖然整個(gè)過程不能完全代表關(guān)鍵部件的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，但對(duì)于揭示關(guān)鍵部件的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)、檢查設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性與工作性能，提供了各種運(yùn)動(dòng)分析、結(jié)構(gòu)的自鎖分析、結(jié)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)干涉檢查以及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫仿真，及時(shí)在參數(shù)化階段發(fā)現(xiàn)問題與不足，縮短開發(fā)時(shí)間提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量和研發(fā)的成功率。

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