戴有華， 段元帥

(江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇句容 212400)

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基于UG的手扶式茶樹修剪機的虛擬樣機設(shè)計與分析

戴有華， 段元帥

(江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇句容 212400)

手扶式茶樹修剪機是為丘陵山地茶園設(shè)計的一種輕小型、易操作的修剪機。在分析了整機結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，應(yīng)用UG軟件對手扶式茶樹修剪機進行虛擬樣機創(chuàng)建，并對虛擬樣機進行了干涉檢查以及結(jié)構(gòu)強度和刀片工作性能分析，保證了該修剪機的設(shè)計合理性和實物樣機的制造質(zhì)量。

茶樹修剪機；手扶式；虛擬樣機；UG

茶樹是我國丘陵山區(qū)的主要經(jīng)濟作物，2013年，我國茶園面積達(dá)257.9萬hm2，茶產(chǎn)量為193.0萬t[1]，均名列世界第一。茶葉產(chǎn)業(yè)是勞動密集型產(chǎn)業(yè)，勞動力成本占生產(chǎn)成本的40%以上[2]，茶葉生產(chǎn)、加工過程的機械化程度不高，制約了茶葉生產(chǎn)的發(fā)展。茶樹修剪是實現(xiàn)茶葉優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的一項重要技術(shù)措施[3]，如果采用人工修剪，每天僅能修剪茶園0.08～0.12 hm2，而一臺修剪機每天則可修剪茶園0.43～0.63 hm2，且機剪的茶樹蓬面平整度高[4]。目前，市場上現(xiàn)有的茶樹修剪機主要是單人手提式茶樹修剪機和雙人抬式茶樹修剪機2類。筆者在分析丘陵山區(qū)茶園特點和現(xiàn)有各種茶樹修剪機現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，應(yīng)用UG軟件對手扶式茶樹修剪機進行了虛擬樣機設(shè)計，以期研制結(jié)構(gòu)緊湊、輕便易用、修剪效果好的手扶式茶樹修剪機，滿足丘陵山區(qū)茶樹機械化修剪要求。

1 虛擬樣機技術(shù)

虛擬樣機技術(shù)就是在制造第1臺物理樣機之前，設(shè)計師利用計算機技術(shù)建立機械系統(tǒng)的數(shù)字化模型，進行仿真分析并以圖形方式顯示該系統(tǒng)在真實工程條件下的各種特性，從而修改并得到最優(yōu)設(shè)計方案的技術(shù)[5]。虛擬樣機是一種計算機模型，它能夠反映實際產(chǎn)品的特性，包括外觀、空間關(guān)系以及運動學(xué)和動力學(xué)的特性[6]。虛擬樣機技術(shù)是一門綜合多學(xué)科的技術(shù)，為研發(fā)機械產(chǎn)品提供了一種全新的設(shè)計方法。利用虛擬樣機代替物理樣機對產(chǎn)品進行創(chuàng)新設(shè)計、測試和評估，可以縮短開發(fā)周期、降低成本，改進產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量[7]。提供虛擬樣機分析的軟件比較多，該研究選用UG軟件。UG軟件是一個集成化的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)軟件，可以對產(chǎn)品進行設(shè)計、工程分析、數(shù)控程序編制等，為虛擬產(chǎn)品開發(fā)提供了完整的解決方案[8]。

2 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 整機結(jié)構(gòu) 手扶式茶樹修剪機主要由機架、行走降速用變速箱、刀片、修剪驅(qū)動用變速箱、鋼絲軟軸、定位螺栓、方向調(diào)整用變速箱、帶傳動、汽油發(fā)動機、扶手、鏈傳動構(gòu)成，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。機架上承載了發(fā)動機、傳動部件、修剪部件，機架下方安裝車輪，后側(cè)裝有扶手。傳動系統(tǒng)由3部分組成：行走降速用變速箱和鏈傳動將發(fā)動機的動力傳至后輪所在軸；帶傳動和方向調(diào)整用變速箱將發(fā)動機的動力分成兩路,用以驅(qū)動左右兩側(cè)的刀片做修剪運動；鋼絲軟軸和修剪驅(qū)動用變速箱將修剪動力分別傳給左右兩側(cè)的刀片。修剪驅(qū)動用變速箱外側(cè)的兩個凸耳與車架頂部的安裝結(jié)構(gòu)、定位螺栓組成刀片位置調(diào)節(jié)裝置，用以調(diào)節(jié)刀片處于水平修剪位置或豎直修剪位置。刀片選用往復(fù)式齒條形狀的刀片，結(jié)構(gòu)緊湊、割幅大。

注：1.機架；2.行走降速用變速箱；3.刀片；4.修剪驅(qū)動用變速箱；5.鋼絲軟軸；6.定位螺栓；7.方向調(diào)整用變速箱；8.帶傳動；9.汽油發(fā)動機；10.扶手；11.鏈傳動。Note: 1. Frame; 2. Gearbox for walking down speed; 3. Blade;4.Gearbox for pruning drive; 5. Wire flexible shaft; 6. Fixed position bolt; 7. Gearbox for direction adjustment; 8. Belt drive; 9. Gasoline engine; 10. Handrail; 11. Chain transmission. 圖1 手扶式茶樹修剪機結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of walking type tea plants pruning machine

2.2 工作原理 手扶式茶樹修剪機在行進時，先啟動汽油發(fā)動機，松開控制行走動力的離合器，此時，修剪機自動前行，修剪刀片處于不工作狀態(tài)，通過扶手調(diào)整前輪的偏轉(zhuǎn)角度，可控制修剪機的行進方向，修剪機的后輪有2個，輪間距與茶樹行間距匹配。手扶式茶樹修剪機在進行豎直修剪時，先拉住控制行走動力的離合器和制動器，使修剪機處于停止前進狀態(tài)，再通過刀片位置調(diào)節(jié)裝置將刀片調(diào)整至豎直方位，松開控制修剪動力的離合器，可動刀片來回往復(fù)運動，與固定刀片共同形成修剪動作，之后，松開控制行走動力的離合器和制動器，修剪機從兩行茶樹中間的過道行進時，即可修剪兩行茶樹處于過道一側(cè)的枝條，形成平齊的豎直面。手扶式茶樹修剪在進行水平修剪時，操作過程與進行豎直修剪時相似，只是需要將刀片調(diào)整至水平方位，即可修剪過道兩側(cè)的茶樹成平齊的上表面。

3 虛擬樣機的創(chuàng)建

3.1 各組成部件的三維建模 UG軟件的三維建模一般通過草圖繪制、拉伸(旋轉(zhuǎn)、掃描)、布爾運算、特征操作等命令實現(xiàn)。手扶式茶樹修剪機的組成部件較多，有些部件對修剪機的性能影響較大，如機架、刀片、修剪驅(qū)動用變速箱等，需要根據(jù)設(shè)計參數(shù)精確創(chuàng)建，以利于之后進行虛擬樣機分析；另有一些部件對修剪機的性能影響不大，如汽油發(fā)動機、車輪等，則可以在保證幾個外觀尺寸精確的基礎(chǔ)上進行適當(dāng)近似創(chuàng)建。

該研究對機架、刀片、修剪驅(qū)動用變速箱的三維建模過程進行簡述。創(chuàng)建機架時，首先創(chuàng)建機架中部的彎折U形結(jié)構(gòu)，然后創(chuàng)建傾斜的扶手穿過的管，再創(chuàng)建2根傾斜的連接彎折U形結(jié)構(gòu)與傾斜管的桿，最后創(chuàng)建機架上部用于承載方向調(diào)整用變速箱和修剪驅(qū)動用變速箱的結(jié)構(gòu)。機架的三維模型如圖2所示。在機架的三維建模過程中，采用草圖繪制、拉伸等命令，不采用掃描命令，以利于所得各面平整，便于各部分結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格貼合。創(chuàng)建刀片時，由于刀片由結(jié)構(gòu)尺寸相同的活動刀片和固定刀片2部分組成，可以先創(chuàng)建一側(cè)的刀片，然后鏡像得到另一側(cè)刀片即可。刀片的三維模型如圖3所示。在創(chuàng)建刀片刃口傾斜角度時，可以通過拔模命令實現(xiàn)。創(chuàng)建修剪驅(qū)動用變速箱時，主要通過多次的拉伸和布爾運算命令實現(xiàn)，變速箱的三維模型如圖4所示。其中，修剪驅(qū)動用變速箱外殼上的孔和長凸耳上的孔被穿住時，刀片處于豎直方位；修剪驅(qū)動用變速箱外殼上的孔和短凸耳上的孔被穿住時，刀片處于水平方位，因此，這3個孔的位置設(shè)計要很精確。

圖2 機架的三維模型Fig.2 Three dimensional model of frame

圖3 刀片的三維模型Fig.3 Three dimensional model of blade

圖4 修剪驅(qū)動用變速箱的三維模型Fig.4 Three dimensional model of gearbox for pruning drive

3.2 整機的虛擬裝配 UG軟件的虛擬裝配一般通過添加組件的方式逐一裝配零部件，首次添加的零部件通過絕對原點命令將其定位到裝配空間，后續(xù)添加的零部件通過裝配約束來定義零部件之間的位置關(guān)系。在手扶式茶樹修剪機的裝配過程中，可以參考實際生產(chǎn)中的裝配順序，先添加機架，再依次添加扶手、車輪、發(fā)動機、變速箱、刀片等零部件，并通過一定的約束關(guān)系來完成虛擬裝配。虛擬裝配完成后，手扶式茶樹修剪機的裝配模型如圖5所示。

圖5 手扶式茶樹修剪機的裝配模型Fig.5 Assembly model of walking type tea plants pruning machine

4 虛擬樣機分析

4.1 干涉檢查 UG軟件的裝配干涉檢查功能是對裝配體中各零部件之間干涉情況的檢查，直觀地干涉位置，以便及時進行修改，保證設(shè)計結(jié)果的準(zhǔn)確性。在裝配建模環(huán)境下，應(yīng)用分析工具中的簡單干涉命令，選取可能存在相互干涉的2個零部件進行分析，如果存在干涉情況，則會以高亮的顏色顯示出來。經(jīng)干涉檢查得知，手扶式茶樹修剪機的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計合理，不存在干涉情況。

4.2 受力分析 UG軟件的高級仿真功能可以對整個模型進行有限元分析，從而直觀地顯示其受力后的變形和應(yīng)力等情況。手扶式茶樹修剪機在修剪過程中，受到樹枝的阻力，為了保證修剪機能節(jié)省材料且有足夠的強度，預(yù)定滿負(fù)荷工作時受到400 N阻力的情況下，進行修剪機的受力分析。為了分析過程的順利進行，先對手扶式茶樹修剪機的結(jié)構(gòu)進行簡化，保留機架、修剪驅(qū)動用變速箱、刀片等與受力分析有主要關(guān)系的零部件，并去除圓角等特征，然后在高級仿真環(huán)境下，設(shè)置零部件材料為鋼，進行3D四面體網(wǎng)格劃分，再設(shè)置機架中傾斜管的外圓柱面為固定約束面，設(shè)置刀片刃口表面為受到修剪阻力的面，最后進行解算得到分析結(jié)果。手扶式茶樹修剪機在修剪過程中，主要承受修剪阻力部件的受力變形云圖如圖6所示。由分析結(jié)果可知，整機的受力強度足夠，但是刀片不宜太長，否則會出現(xiàn)刀片剛度不足的情況。

圖6 主要承受修剪阻力部件的受力變形云圖Fig.6 Deformation cloud image of main bearing pruning resistance component

4.3 運動分析 UG軟件的運動仿真功能可以對整個模型進行運動學(xué)或動力學(xué)分析，從而直觀地顯示其工作部件的運動情況。手扶式茶樹修剪機工作時，活動刀片一邊隨著修剪機前行，一邊做直線往復(fù)運動。預(yù)定修剪機的行進速度為90 m/min、刀片運動速度為2 000次/min。在進行運動分析時，由于手扶式茶樹修剪機兩側(cè)的刀片是對稱布置的，故可以選其中一側(cè)進行分析即可。另外，需要創(chuàng)建一個處于修剪機下方的長方體作為地面。在高級仿真環(huán)境下，定義地面作為固定連桿，定義修剪機機架、修剪驅(qū)動用變速箱里的曲柄和連桿、刀片等作為連桿，并添加連桿之間的滑動副或旋轉(zhuǎn)副，設(shè)置機架相對地面之間滑動副的驅(qū)動速度為15 000 mm/s，設(shè)置曲柄相對回轉(zhuǎn)軸之間旋轉(zhuǎn)副的驅(qū)動速度為12 000°/s，最后進行解算得到運動分析動畫和指定的運動分析曲線。以時長1 min為例來看，修剪時刀片的速度加速度曲線如圖7所示。由分析結(jié)果可知，刀片運動基本平穩(wěn)，整機存在輕度的振動。

圖7 修剪時刀片的速度加速度曲線Fig.7 The velocity acceleration curve of the cutting blade

5 結(jié)論

在我國，虛擬樣機技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械裝備設(shè)計開發(fā)中得到了越來越多的推廣應(yīng)用。通過對手扶式茶樹修剪機的結(jié)構(gòu)分析，在UG軟件中建立了修剪機的虛擬樣機模型，進而對主要承受修剪阻力的零部件做了有限元分析，對修剪機作業(yè)時刀片的運動情況做了動力學(xué)分析，結(jié)果表明，手扶式茶樹修剪機的結(jié)構(gòu)尺寸合適，使用性能良好，可以根據(jù)設(shè)計結(jié)果制造實物樣機。

[1] 陳宗懋．中國茶產(chǎn)業(yè)的展望[J]．中國茶葉加工，2014(4)：1.

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Virtual Prototype Design and Analysis of Walking Type Tea Plants Pruning Machine Based on UG

DAI You-hua, DUAN Yuan-shuai

(Jiangsu Vocational College of Agriculture and Forestry, Jurong, Jiangsu 212400)

Walking type tea plants pruning machine is a light-small and easy to operate pruning machine, designed for hilly mountain tea garden. On the basis of the analysis of the whole structure and working principle, a virtual prototype of walking type tea plants pruning machine was created by UG software. Then the interference check of the virtual prototype was carried out, the structural strength and blade performance were analyzed. It ensured the design rationality of the pruning machine and the manufacturing quality of the physical prototype.

Tea plants pruning machine; Walking type; Virtual prototype; UG

戴有華(1980- )，男，江蘇江都人，講師，碩士，從事數(shù)字化設(shè)計與制造、農(nóng)業(yè)機械與裝備研究。

2016-09-28

S 224.3

A

0517-6611(2016)32-0197-03