摘要：運(yùn)用Pro/E軟件設(shè)計了一種雙螺旋刀輥組合的水田秸稈還田耕整機(jī)，能夠一次性實現(xiàn)水田秸稈的翻埋還田、旋耕碎土、平地等多項功能。應(yīng)用Pro/E軟件中的機(jī)構(gòu)模塊對螺旋刀輥進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真，得到了刀輥轉(zhuǎn)速一定時機(jī)組在不同前進(jìn)速度下的4種不同運(yùn)動軌跡，通過對運(yùn)動軌跡的分析可優(yōu)化機(jī)組工作的前進(jìn)速度。

關(guān)鍵詞：螺旋刀輥；秸稈還田；運(yùn)動仿真

中圖分類號：S222.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439—8114（2012）19—4382—03

隨著市場競爭的激烈化、用戶需求的多樣化和個性化，企業(yè)必須調(diào)整產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計模式，以達(dá)到設(shè)計開發(fā)周期最短、產(chǎn)品質(zhì)量品質(zhì)最高、設(shè)計開發(fā)成本最低、最少的環(huán)境破壞等優(yōu)化結(jié)果。在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計開發(fā)方面，如何縮短設(shè)計開發(fā)周期、降低產(chǎn)品開發(fā)成本，是開發(fā)農(nóng)業(yè)機(jī)械的關(guān)鍵因素。

目前，我國農(nóng)機(jī)新產(chǎn)品的研發(fā)一般按照傳統(tǒng)方式，要經(jīng)過幾個階段：產(chǎn)品設(shè)計——根據(jù)用戶要求設(shè)計思想變成二維圖紙，樣機(jī)制造——按照設(shè)計圖紙制造出物理樣機(jī)，性能實驗——對制造出的樣機(jī)進(jìn)行性能實驗，以檢驗設(shè)計是否滿足要求；最后根據(jù)實驗結(jié)果進(jìn)行樣機(jī)評價和修改設(shè)計。這種傳統(tǒng)的設(shè)計方法研發(fā)周期長，做物理樣機(jī)投資大，只能進(jìn)行有限范圍、有限次數(shù)的試驗，而且更多地依賴于設(shè)計人員的經(jīng)驗。顯然，傳統(tǒng)的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計方法已經(jīng)不能滿足市場的需求，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字化的設(shè)計過程，便于設(shè)計人員反復(fù)修改與分析[1]，縮短了設(shè)計開發(fā)周期，降低了產(chǎn)品研發(fā)成本。

水田秸稈的有效還田能夠增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善水田耕作層的土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤保肥保水能力，利于水稻的生長；同時避免了大量秸稈焚燒而造成的環(huán)境污染，有利于生態(tài)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。隨著水稻品種、種植方式、收獲方式的改良，殘留在田間的作物秸稈量越來越多，傳統(tǒng)的水田耕整方式和常規(guī)的耕整機(jī)具愈來愈難以適應(yīng)高茬水田的耕整要求，為了提高耕整和還田的效果一般需要多次作業(yè)，造成動力消耗大，工作效率低[2—4]。因此，設(shè)計了一種新型高效的水田高茬秸稈還田耕整機(jī)，利用三維設(shè)計軟件Pro/E對機(jī)具的各個零件進(jìn)行實體參數(shù)化建模、虛擬裝配、干涉檢查和運(yùn)動仿真分析，并得出工作刀輥的運(yùn)動軌跡曲線。

1 方案設(shè)計

提出了一種雙螺旋刀輥并行工作的耕整機(jī)具，機(jī)組行進(jìn)一次就可以實現(xiàn)傳統(tǒng)單刀輥兩遍耕整作業(yè)的效果。設(shè)計采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，用Pro/E軟件搭建零部件模型并進(jìn)行虛擬裝配，對整機(jī)模型進(jìn)行仿真分析，及時修改仿真過程中發(fā)現(xiàn)的問題。運(yùn)動仿真流程見圖1。

2 零部件建模

2.1 總體設(shè)計

應(yīng)用Pro/E進(jìn)行復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計，設(shè)計產(chǎn)品總體裝配模型時有兩種方法可選擇，一種是自底向上（Down—Top）的建模思想，先建立各個零部件的模型，然后按照零件之間的實際組裝位置來約束各個零件的相對位置，最后構(gòu)建總體的裝配模型，這種建模方式在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計中用得較多；另一種是自頂向下（Top—Down）的建模思想，與自底向上的方式恰恰相反，這種方式先建立總體外觀模型（或總裝模型），然后逐個拆解成子裝配、零件模型，這種方式在修改模型尺寸時很方便，尤其是復(fù)雜的產(chǎn)品模型，修改某個零件尺寸則與其相關(guān)聯(lián)的其他零部件尺寸也隨之變更，這種建模方式在電子和玩具產(chǎn)品設(shè)計中用得較多[5]，在具體設(shè)計中可以根據(jù)產(chǎn)品的實際結(jié)構(gòu)來選擇建模方式。該設(shè)計采用的是第一種建模方式，圖2為水田秸稈還田耕整機(jī)的總裝效果模型圖。

2.2 埋草刀輥的設(shè)計

埋草刀輥是水田秸稈還田耕整機(jī)的主要工作部件，主要由左右彎刀、刀盤、刀軸、左右螺旋橫刀和立刀按照一定的匹配關(guān)系形成一個組合體[2—6]。整個刀輥由6組左、右旋向的螺旋刀輥組成，有效工作幅寬達(dá)200 cm（圖3）。左旋橫刀與右旋橫刀按照對置式布置，呈“人”字形對稱排列為一對，埋草刀輥由3對這樣的組合依次排開，組成一個無重、無漏的整幅螺旋刀輥。采用對置式布置，左、右螺旋橫刀在切削過程中受到土壤的反作用力在沿著刀軸方向的分力能夠相互抵消，刀輥軸向受力平衡。螺旋橫刀在刀輥旋轉(zhuǎn)工作中，橫刀的一端先入土，然后以螺旋狀的刀刃對土壤進(jìn)行連續(xù)滑切，將耕作層土壤切成垡條，采用滑切方式能夠有效降低切割阻力，切割過程中刀輥受到的沖擊小。螺旋橫刀在切割土壤的同時將秸稈壓入土壤，依靠螺旋橫刀的前刀面實現(xiàn)對土壤的翻耕和橫向推送，在左、右交互橫向移動的過程中實現(xiàn)秸稈與土壤的充分揉合而融為一體。

3 水田秸稈還田耕整機(jī)運(yùn)動仿真分析

3.1 零部件裝配和機(jī)構(gòu)設(shè)置

為了減少機(jī)構(gòu)仿真過程中的計算量，總裝模型在從Pro/E標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境轉(zhuǎn)到機(jī)構(gòu)環(huán)境前需要進(jìn)行簡化處理，通過視圖管理器將與運(yùn)動部件無關(guān)的結(jié)構(gòu)件暫時屏蔽起來，被屏蔽的部分在后面的分析過程中不占用計算機(jī)的內(nèi)存[7]。在Pro/E標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中進(jìn)行零部件裝配時，設(shè)定傳動向各個齒輪的花鍵軸與箱體的連接方式為銷釘連接，齒輪與花鍵軸為剛性連接，中間傳動箱體的輸出軸和側(cè)邊傳動箱的輸入軸分別與萬向傳動軸剛性連接，側(cè)邊傳動箱的輸出軸和埋草刀輥剛性連接，水田秸稈還田耕整機(jī)總體與Pro/E內(nèi)平面的連接為滑動桿連接，將定義好的整機(jī)模型轉(zhuǎn)換到仿真模塊中進(jìn)行運(yùn)動仿真。根據(jù)動力傳遞路線，依次定義中間箱體的一對錐齒輪、側(cè)邊箱體內(nèi)的齒輪傳動；根據(jù)該機(jī)工作時的實際運(yùn)動，在中間傳動箱的錐齒輪軸上定義1個伺服電機(jī)來模擬拖拉機(jī)動力輸出傳遞過來的動力，根據(jù)掛接拖拉機(jī)動力輸出軸的輸出轉(zhuǎn)速來定義伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速；機(jī)架與Pro/E平面之間定義1個滑動伺服電機(jī)，按照該機(jī)具工作時掛接拖拉機(jī)的前進(jìn)速度來定義伺服電機(jī)速度[8]。

3.2 機(jī)構(gòu)分析與干涉檢查

齒輪傳動機(jī)構(gòu)和伺服電機(jī)定義完成以后，進(jìn)入機(jī)構(gòu)分析界面，選定運(yùn)動分析選項，設(shè)定運(yùn)動開始時間為0、結(jié)束時間為4及總共生成的幀數(shù)和每幀時長等參數(shù)，點擊運(yùn)行，機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真分析開始，秸稈還田耕整機(jī)開始模擬田間旋耕整地工作運(yùn)動。運(yùn)動仿真分析完成后，Pro/E機(jī)構(gòu)仿真環(huán)境下還可以回放機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程，能根據(jù)需要從不同的角度查看仿真結(jié)果。在回放過程中可以對整機(jī)的各個部件進(jìn)行動態(tài)干涉檢查，設(shè)置相關(guān)選項，當(dāng)檢測到干涉時，干涉區(qū)域會加亮并發(fā)出聲音報警或停止回放過程，設(shè)計人員可以對仿真過程中檢測出來的干涉部分進(jìn)行分析和更改設(shè)計，直到符合設(shè)計要求。

3.3 仿真結(jié)果與分析

3.3.1 運(yùn)動仿真結(jié)果 以前置刀輥的運(yùn)動作為分析對象，確定中間減速箱上的伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，分別設(shè)置不同的前進(jìn)速度，繪制前置刀輥上的同一個定點在相同時間內(nèi)的運(yùn)動軌跡，得到運(yùn)動仿真不同結(jié)果軌跡曲線，如圖4至圖7。

3.3.2 仿真結(jié)果分析 由前置刀輥右彎刀在4種不同的前進(jìn)速度下的運(yùn)動軌跡可以看出：當(dāng)旋耕速度比λ大于1時，右彎刀的運(yùn)動軌跡為余擺線，刀具在工作中能夠向后切削土壤，可以正常工作，如圖5和圖6；當(dāng)旋耕速度比λ小于1時，右彎刀的運(yùn)動軌跡為滾擺線，此時刀具在工作中不能向后切土，而出現(xiàn)向前推土的現(xiàn)象，無法正常工作（圖7）。

旋耕速度比λ大于1時，刀輥在相同的工作轉(zhuǎn)速下，機(jī)組前進(jìn)速度越大，彎刀的切土節(jié)距越大，切下的土塊厚度越大，碎土程度越低，影響水田的表層起漿效果；切土節(jié)距越大，機(jī)組作業(yè)后底部不平度越大，底部凸起的高度會隨機(jī)組前進(jìn)速度增大而增大。切下的土塊越厚，螺旋橫刀在提升和翻轉(zhuǎn)土塊過程中受到的阻力越大，造成工作刀輥切削功耗增加。

刀輥能夠正常進(jìn)行工作的條件是刀片頂點的運(yùn)動軌跡為余擺線，即其作用點的旋轉(zhuǎn)線速度必須大于機(jī)組的前進(jìn)速度[9]。旋轉(zhuǎn)線速度和前進(jìn)速度比越大，余擺線的繞扣就越寬，工作范圍就越大，作業(yè)后底部更平。在刀輥能夠正常工作的條件下，增加機(jī)組前進(jìn)速度可以明顯提高工作效率。然而同時要考慮機(jī)具工作的能耗要求，將其控制在一個合理的范圍，綜合優(yōu)化機(jī)組工作時刀輥旋轉(zhuǎn)速度和前進(jìn)速度的匹配。

4 小結(jié)

應(yīng)用Pro/E軟件建立了水田秸稈還田耕整機(jī)的三維模型，并對其進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真和干涉檢查。分析了螺旋埋草刀輥轉(zhuǎn)速一定時，機(jī)組在不同前進(jìn)速度下刀片端點的運(yùn)動軌跡曲線，通過仿真確定機(jī)組前進(jìn)速度的范圍，為該機(jī)具的優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 牛國棟，張士新.虛擬樣機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究，2008（5）：157—159.

[2] 夏俊芳，張國忠，許綺川，等.多熟制稻作區(qū)水田旋耕埋草機(jī)的結(jié)構(gòu)與性能[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，27（2）：331—334.

[3] 王金武，尹大慶，韓永俊，等.水稻秸稈整株還田機(jī)的設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2007，38（10）：54—56.

[4] 章秀福，王丹英，符冠富，等.南方稻田保護(hù)性耕作的研究進(jìn)展與研究對策[J].土壤通報，2006，37（2）：346—351.

[5] 張國忠，許綺川，夏俊芳，等.1GMC—70型船式旋耕埋草機(jī)的設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2008，39（10）：214—217.

[6] 吳仕宏，李寶筏.基于Pro/E的免耕壟作播種機(jī)清壟裝置設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26（10）：18—21.

[7] 魏 陽，王書義.基于Pro/E的機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動仿真分析[J].現(xiàn)代機(jī)械，2004（9）：55—56.

[8] 齊 龍，馬 旭，譚祖庭.基于ProE的復(fù)合式水田除草器設(shè)計與運(yùn)動仿真分析[J].吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，33（4）：455—458，468.

[9] 李寶筏.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2003.