袁玲合，謝　詢，史景釗

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州　450002)

?

大豆收獲機(jī)械切割機(jī)構(gòu)虛擬設(shè)計(jì)與仿真分析

袁玲合，謝詢，史景釗

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州450002)

摘要：針對(duì)于大豆收獲機(jī)械的特點(diǎn)，采用SolidWorks軟件對(duì)其切割機(jī)構(gòu)進(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)，將模型導(dǎo)入ADAMS軟件中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，并采用離散柔性連接件法構(gòu)建大豆莖稈柔性模型，與切割機(jī)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)合仿真。仿真結(jié)果表明：動(dòng)刀片的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)為復(fù)合運(yùn)動(dòng)，在切割方向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，行程為76mm，最大速度為1.72m/s，證明所設(shè)計(jì)切割機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與物理樣機(jī)相符，滿足設(shè)計(jì)要求；得到了大豆莖稈在切割機(jī)構(gòu)作用下的一系列運(yùn)動(dòng)曲線，為大豆收獲機(jī)械切割機(jī)構(gòu)進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：大豆收獲機(jī)械；切割機(jī)構(gòu)；虛擬設(shè)計(jì)；仿真分析

0引言

黃淮海大豆區(qū)種植面積266.7×104hm2,占全國(guó)的30%，產(chǎn)量占全國(guó)30%以上[1]。但是，該地區(qū)種植規(guī)模相對(duì)較小、地塊不集中，大豆生長(zhǎng)收獲作業(yè)工序大都采用半機(jī)械化人工作業(yè)，程序多、勞動(dòng)強(qiáng)度大，現(xiàn)有收獲機(jī)械以小型居多，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)具類型多、自動(dòng)化程度低，配套的機(jī)具不能很好的完成工作，很容易造成財(cái)力和勞動(dòng)力的浪費(fèi)。隨著農(nóng)業(yè)土地流轉(zhuǎn)的加快、農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的轉(zhuǎn)移，急需研制出與該區(qū)域種植模式相適應(yīng)的大豆全程生產(chǎn)機(jī)械化配套機(jī)具。但是，考慮到農(nóng)業(yè)機(jī)械的復(fù)雜性且工作對(duì)象為大豆，采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法并不能快速準(zhǔn)確地得到機(jī)器在工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。所以，從設(shè)計(jì)手段上出發(fā)，采用虛擬設(shè)計(jì)的方法，對(duì)大豆聯(lián)合收獲機(jī)械的切割機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并且實(shí)現(xiàn)了大豆聯(lián)合收獲切割機(jī)構(gòu)在實(shí)際工作狀態(tài)下的仿真，便于對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估、改進(jìn)并進(jìn)行優(yōu)化[2]，不僅可提高開(kāi)發(fā)速度、降低研發(fā)周期，而且可以達(dá)到降低研發(fā)成本，節(jié)省人力、物力的目的。

1切割機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

切割機(jī)構(gòu)的作用是將大豆莖稈切斷，由切割器和割刀驅(qū)動(dòng)裝置組成。驅(qū)動(dòng)裝置將動(dòng)力傳遞給割刀，同時(shí)將圓周運(yùn)動(dòng)改變?yōu)橥鶑?fù)式直線運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)割刀。大豆收獲機(jī)械多采用往復(fù)式切割器，該裝置是利用動(dòng)刀片相對(duì)于安裝在護(hù)刃器上的定刀片做往復(fù)切割運(yùn)動(dòng)，在作業(yè)時(shí)動(dòng)刀片與定刀片組成剪切副，通過(guò)剪切作用將大豆的莖稈切斷。

1.1　往復(fù)式切割器的設(shè)計(jì)

往復(fù)式切割器主要是由動(dòng)刀片、定刀片、護(hù)刃器、刃器、摩擦片及刀桿等組成的。根據(jù)《GB/T 1209-2009 農(nóng)業(yè)機(jī)械 切割器》的設(shè)計(jì)要求，選用國(guó)標(biāo)Ⅱ型切割器(見(jiàn)圖1)，則往復(fù)式切割器行程S為76mm[3]。

圖1?、蛐颓懈钇?/p>

1.2　割刀驅(qū)動(dòng)裝置

一般的谷物聯(lián)合收獲機(jī)械上能實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有曲柄連桿機(jī)構(gòu)、擺環(huán)機(jī)構(gòu)、行星齒輪機(jī)構(gòu)、雙曲柄機(jī)構(gòu)和雙飛輪機(jī)構(gòu)等。擺環(huán)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、噪聲小及穩(wěn)定的特點(diǎn)[4]，本設(shè)計(jì)選用擺環(huán)機(jī)構(gòu)作為往復(fù)式割刀的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

擺環(huán)機(jī)構(gòu)是通過(guò)裝在主軸上的擺環(huán)，將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)擺軸轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)運(yùn)動(dòng)的一種機(jī)構(gòu)。擺環(huán)機(jī)構(gòu)由主軸、擺環(huán)、擺叉、擺軸、擺臂和連桿組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。在主軸的中部有一個(gè)斜軸，斜軸上裝有軸承，帶雙銷軸的擺環(huán)套在軸承外部，擺叉與雙銷軸鉸接。主軸軸線、擺環(huán)軸線和擺叉軸線相交于O點(diǎn)；當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，擺環(huán)不轉(zhuǎn)，而繞其中心點(diǎn)O做空間運(yùn)動(dòng)，擺環(huán)銷軸的軸線與垂線傾斜角稱為擺角α。本文選取α=15°[5]。

1.主軸　2.擺環(huán)　3.擺叉　4.擺軸　5.擺臂　6.連桿　7.割刀

利用SolidWorks軟件對(duì)切割器和擺環(huán)機(jī)構(gòu)的各個(gè)部件進(jìn)行三維實(shí)體設(shè)計(jì)，然后將各個(gè)部件裝配之后得到切割機(jī)構(gòu)的三維模型，并對(duì)模型進(jìn)行檢查，確認(rèn)無(wú)干涉。其三維模型如圖3所示。

1.切割器　2.擺環(huán)箱

2切割機(jī)構(gòu)仿真與分析

將在SolidWorks中建立的裝配模型調(diào)整好坐標(biāo)系，輸出為Parosolid格式文件，再導(dǎo)入到Adams軟件中，在Adams中對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。

1) 添加約束：對(duì)ADAMS的切割機(jī)構(gòu)模型各部件進(jìn)行材料屬性定義并添加約束，約束情況如表1所示。

2)模型驗(yàn)證：仿真之前，利用ADAMS軟件對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行模型驗(yàn)證，以保證所建模型的正確性。顯示結(jié)果為模型驗(yàn)證成功。

表1　約束情況

3) 施加驅(qū)動(dòng)：在“Jiont_3“處添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，在“Joint_14“處添加移動(dòng)驅(qū)動(dòng)，如圖4所示。本文選擇擺環(huán)主軸轉(zhuǎn)速為400r/min,前進(jìn)速度為0.8m/s，設(shè)定仿真時(shí)間為0.15s，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)擺環(huán)機(jī)構(gòu)1個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。

圖4　添加好約束和驅(qū)動(dòng)的虛擬樣機(jī)

4) 結(jié)果：仿真結(jié)束之后，從后處理模塊中繪制和輸出動(dòng)刀片的仿真結(jié)果。在切割方向上位移、速度、加速度曲線如圖5所示，動(dòng)刀片的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6所示。

圖5 動(dòng)刀片在切割方向的仿真曲線

圖6　動(dòng)刀片運(yùn)動(dòng)軌跡

如圖5、圖6所示：動(dòng)刀在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，既要做勻速前進(jìn)的直線運(yùn)動(dòng)，又要沿著機(jī)架做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，故動(dòng)刀的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是一種復(fù)合運(yùn)動(dòng)。圖5中，動(dòng)刀在切割方向上往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其速度、加速度，位移都為一簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。當(dāng)割刀運(yùn)動(dòng)到左右極限位置時(shí)，割刀的速度0mm/s，0.032 5s和0.112 5s時(shí)速度達(dá)到最大值1.72m/s。0～0.075s時(shí)，割刀向Z軸的負(fù)方向運(yùn)動(dòng)；0.075s時(shí)，割刀運(yùn)動(dòng)到左極限位置，達(dá)到了最大位移76mm，此時(shí)，加速度達(dá)到最大值；0.075～0.15s，動(dòng)刀向Z軸正方向做回復(fù)運(yùn)動(dòng)。如此反復(fù)，便組成割刀在1個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。動(dòng)刀仿真情況符合實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而且割刀位移76mm符合其選取的參數(shù)，所以證明此虛擬樣機(jī)仿真正確。

3大豆莖稈模型的建立

收獲機(jī)械的虛擬樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)，為了得到大豆須考慮到切割機(jī)構(gòu)與大豆莖稈發(fā)生的相互作用。首先在ADAMS軟件中建立大豆莖稈的虛擬模型，再通過(guò)此模型建立其與大豆收獲機(jī)械切割機(jī)構(gòu)的約束，才能得到大豆收獲機(jī)械切割機(jī)構(gòu)的性能參數(shù)[6]。

3.1　大豆莖稈的創(chuàng)建

大豆莖稈是節(jié)狀的，秸稈密度大且比較直，大豆莖稈受到切割器的作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形，為保證大豆莖稈模型與真實(shí)情況相符，采用離散柔性連接件法把大豆莖稈模型作為可以變形的柔性體處理。離散柔性連接件法直接將剛性件分成多個(gè)小件，每個(gè)小件之間用柔性梁進(jìn)行連接，每段小件其實(shí)是一個(gè)獨(dú)立的剛性構(gòu)件，可以對(duì)其信息進(jìn)行編輯[7]。

成熟期大豆莖稈的莖粗為5.87mm，平均株高為84.92cm，平均彈性模量為564.7MPa，密度為3.37×10-5kg/mm3，泊松比為0.33[8]。在建立大豆莖稈模型時(shí)將莖稈模型簡(jiǎn)化為圓柱形，然后編輯其材料屬性。利用離散柔性連接件法構(gòu)建大豆莖稈模型，將莖稈離散為15節(jié)以便于后期處理與分析，選擇“Build︱Flexible Bodies︱Discrete Flexible Link”菜單項(xiàng)，彈出創(chuàng)建離散柔性連接的“Discrete Flexible Link”對(duì)話，在相應(yīng)的對(duì)話框中輸入大豆莖稈參數(shù)，完成了大豆莖稈的柔性模型。

3.2　大豆莖稈與大地之間約束添加

由于大豆莖稈生長(zhǎng)在土地上，依靠其根部與地面固定。在進(jìn)行仿真時(shí)，需要建立大豆莖稈與大地之間的約束關(guān)系，以保證能夠得到合理的仿真結(jié)果。在ADAMS軟件中，有兩種約束與大豆莖稈和大地的連接方式比較相似，分別是軸套力和球形鉸鏈約束。其中，軸套力是針對(duì)于柔性連接的，其參數(shù)的設(shè)置包括6個(gè)剛度系數(shù)和6個(gè)阻尼系數(shù)?？紤]到本文建立的大豆莖稈是柔性連接的，決定采用軸套力來(lái)定義大豆莖稈和大地之間的關(guān)系。

軸套力的施加方法如下：點(diǎn)擊“Build-Forces”選擇軸套力；在設(shè)置欄里選擇軸套力的定義方式“2Bodies_1Location”?！?Bodies”分別指的是“flex_dadoujinggan_elem1”和“ground”，“1Location”指的是“Marker_1”，確定大豆莖稈與大地之間的連接參數(shù)，并將其輸入相應(yīng)的對(duì)話框中。大豆莖稈模型如圖7所示。

圖7　大豆莖稈模型

4切割機(jī)構(gòu)和大豆莖稈聯(lián)合仿真

切割機(jī)構(gòu)在對(duì)大豆莖稈進(jìn)行切割工作時(shí)，動(dòng)刀片與定刀片之間的剪切作用將莖稈切斷。動(dòng)刀片和定刀片首先要夾住或咬住莖稈，不致滑脫，保證能夠進(jìn)行穩(wěn)定的剪切。為了仿真大豆莖稈被切割的過(guò)程，分別在定刀片與莖稈、動(dòng)刀片與莖稈之間添加碰撞接觸。

碰撞接觸的施加方法如下：點(diǎn)擊“Build-Forces”選擇碰撞接觸；在設(shè)置欄里選擇其定義方“2bodies_1Location”。“2Bodies”分別指的“flex_dadoujinggan_elem1”和動(dòng)、定刀片, 在相應(yīng)的對(duì)話框中輸入?yún)?shù)[9]。

設(shè)定仿真時(shí)間為0.047s，為了便于軟件對(duì)仿真過(guò)程進(jìn)行計(jì)算，設(shè)置仿真步數(shù)為100步，在后處理界面中繪制出“flex_dadoujinggan_elem1”的X、Y、Z軸位移，如圖8~圖10所示。

圖8　dadoujinggan_elem1 X軸位移曲線

圖9　dadoujinggan_elem1 Y軸位移

圖10　dadoujinggan_elem1 Z軸位移

由圖8~圖10可知:在仿真過(guò)程中，動(dòng)刀片與莖稈flex_dadoujinggan_elem1從0.014s開(kāi)始接觸，大豆莖稈在動(dòng)刀片沖擊下向定刀片處移動(dòng)；在0.038s時(shí)，莖稈接觸定刀片，受到定刀片與動(dòng)刀片擠壓，莖稈沿定刀片刃產(chǎn)生微小滑動(dòng)位移；在0.046s時(shí)，莖稈x軸位移和y軸位移達(dá)到最大，動(dòng)刀片與莖稈發(fā)生碰撞擊穿，大豆莖稈一次性被切斷。

5結(jié)論

采用三維建模軟件SolidWorks建立了大豆收獲機(jī)切割裝置實(shí)體模型，將其導(dǎo)入仿真軟件ADAMS中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，并用離散柔性連接件法構(gòu)建大豆莖稈模型，建立大豆莖稈與地面之間的約束，分別在動(dòng)刀片與莖稈、定刀片與莖稈之間添加碰撞接觸，對(duì)大豆莖稈被切割的過(guò)程進(jìn)行仿真。

仿真結(jié)果表明：動(dòng)刀片的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)為前進(jìn)運(yùn)動(dòng)和切割方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)所形成的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。由其在切割方向的位移、速度、加速度變化曲線可知：動(dòng)刀片行程為76mm，最大切割速度為1.72m/s，符合設(shè)計(jì)要求。在仿真大豆莖稈被往復(fù)式切割裝置切割的過(guò)程中，觀察到大豆莖稈一次性被切斷，并得到了大豆莖稈在受到切割時(shí)的各方向的位移變化曲線，為切割裝置的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王彩潔,徐冉,張禮鳳,等.黃淮海地區(qū)大豆推廣品種的狀況與育種發(fā)展趨勢(shì)[J].山東農(nóng)業(yè)科學(xué),2006(5):14-16.

[2]牛國(guó)棟,張士新. 虛擬樣機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究, 2004(6):175-159.

[3]GB/T1209-2009,農(nóng)業(yè)機(jī)械切割器[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009.

[4]李建平,劉俊峰,楊欣,等.擺環(huán)機(jī)構(gòu)特征造型及運(yùn)動(dòng)仿真[J].農(nóng)機(jī)化研究,2008(6):31-33.

[5]吳雪梅,張富貴,呂敬堂,等.收獲機(jī)械中擺環(huán)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2010,32 (4):58-59,64.

[6]明哲.基于ADAMS的玉米收割機(jī)主要部件仿真分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014，36(10):33-37.

[7]李增剛.ADAMS2012虛擬樣機(jī)技術(shù)從入門到精通[M].北京:清華大學(xué)出版社,2013.

[8]陳海濤,頓國(guó)強(qiáng).基于虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真的大豆扶禾器參數(shù)優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2012,28(18):23-29.

[9]安雪斌,潘尚峰.多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真中的接觸碰撞模型分析[J].計(jì)算機(jī)仿真,2008,25(10):98-101.

Virtual Design and Simulative Analysis of the Cutting Mechanism of Soybean Harvest Machinery

Yuan Linghe， Xie Xun， Shi Jingzhao

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Agricultural University of Henan，Zhengzhou 450002，China)

Abstract：In view of the characteristics of the soybean harvest machinery, The SolidWorks software was used to virtual design of the cutting mechanism of the soybean harvest machinery.The model was exposed into the ADAMS software for the kinematics simulation.The method of discrete flexible link is used to build a flexible model of soybean stalk, then jointing simulation with cutting mechanism.Through the analysis of simulation results,absolute motion of the cutter blade is a compound motion.It does reciprocating motion in cutting direction, its stroke is 76mm and the maximum speed is 1.72m/s, proving that the motion state of the designed cutting mechanism is consistent with the physical prototype and meets the design requirements.From the results,a series of motion curves of soybean stalk under the action of cutting mechanism are got, providing the reference for further improvement and optimization design of the cutting mechanism of soybean harvest machinery.

Key words：soybean harvest machinery； cutting mechanism； virtual design； simulative analysis

中圖分類號(hào)：S225.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)11-0076-05

作者簡(jiǎn)介：袁玲合(1990- )，男，河南信陽(yáng)人，碩士研究生，(E-mail)linghe_y@126.com。通訊作者：史景釗(1963-)，男，河南柘城人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)haujingzhao@126.com。

基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201303011—4)

收稿日期：2015-10-04