曲洪潮，包 帥，衣淑娟，陶桂香，李衣菲，毛 欣，徐 暢

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，大慶 163319；2.哈爾濱工程大學(xué) 國際合作教育學(xué)院，哈爾濱 150001；3.黑龍江農(nóng)墾建三江管理局 鴨綠河農(nóng)場黨委組織部，黑龍江 同江 156400)

水稻收獲打捆一體機打捆裝置仿真分析

曲洪潮1，包 帥2，衣淑娟1，陶桂香1，李衣菲1，毛 欣1，徐 暢3

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，大慶 163319；2.哈爾濱工程大學(xué) 國際合作教育學(xué)院，哈爾濱 150001；3.黑龍江農(nóng)墾建三江管理局 鴨綠河農(nóng)場黨委組織部，黑龍江 同江 156400)

虛擬樣機可以對機械系統(tǒng)進行運動學(xué)和動力學(xué)分析。為此，運用三維建模軟件UG對水稻收獲打捆一體機打捆裝置零部件進行三維建模、裝配，完成水稻收獲打捆一體機打捆裝置零部件的虛擬樣機設(shè)計。虛擬樣機的設(shè)計需要高尺寸精度與各零部件之間的準確約束，通過零部件的三維繪制與裝配，再進行整機的裝配，對樣機進行干涉檢查，可提高研發(fā)效率。打捆裝置虛擬樣機的建立為后續(xù)的虛擬樣機運動仿真及其打捆裝置零部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定了良好的基礎(chǔ)。對仿真后輸出的曲線進行分析和討論，使其符合真實的打捆環(huán)境，結(jié)果表明：各個裝置的時序配合精準，能夠較好地反映出整個打捆的過程，對實體的組裝具有較大的指導(dǎo)意義。

水稻收獲打捆一體機；打捆裝置；仿真分析；UG

0 引言

黑龍江省是水稻生產(chǎn)大省，水稻收獲機械化已成為發(fā)展趨勢。水稻的機械化收獲主要分為聯(lián)合收獲與分段收獲，而收獲后秸稈的處理與回收問題,成為了目前關(guān)注較高的話題。目前,黑龍江水稻收獲后秸稈散落在田間，有些被二次回收，有些則直接焚燒。而二次回收增加了秸稈回收的成本，撿拾壓捆機再次進入田地，造成了田地的二次壓實，使土壤板結(jié)率增加，破壞了土壤結(jié)構(gòu)；而直接焚燒則造成了環(huán)境的嚴重污染，這是國家明令禁止的。為此，設(shè)計了一臺水稻收獲打捆一體機。其集收獲與秸稈打捆于一體，在水稻收獲過程中分離的秸稈直接進入打捆裝置中進行打捆，既節(jié)約了成本，避免了機具對田地的二次壓實，同時又回收了水稻秸稈，對黑龍江水稻秸稈的綜合利用具有重要意義。針對設(shè)計要求的不同，運用不同的設(shè)計方法，如UG、ADAMS、Pro/E軟件進行仿真設(shè)計。本文運用了UG對水稻收獲打捆一體機以及打捆裝置進行了虛擬樣機的設(shè)計[1]。

1 打捆裝置三維結(jié)構(gòu)及時序關(guān)系

水稻收獲打捆一體機打捆裝置由壓縮裝置、輸草裝置、打結(jié)裝置、草捆長度控制裝置及草捆密度調(diào)節(jié)裝置組成，動力來源于水稻聯(lián)合收割機脫粒滾筒，由鏈輪傳動到壓縮裝置減速器，如圖1所示。

1.壓縮機構(gòu) 2.輸草裝置 3.打結(jié)裝置 4.捆長控制裝置 5.草捆密度控制裝置

減速器為一級減速器，水稻收獲打捆一體機與打捆裝置的時序配合為：水稻秸稈由脫粒滾筒脫粒，脫粒滾筒下方帶有螺旋輸送器，可將脫粒后的秸稈輸送到脫粒裝置右端，由撥叉式喂入裝置喂入到打捆裝置，輸草裝置由鏈輪傳動到壓縮裝置減速器。減速器為二級減速器，水稻收獲打捆一體機與打捆裝置的時序配合為：水稻秸稈由脫粒滾筒脫粒后進入打捆裝置，輸草裝置與壓縮裝置作業(yè)同時進行；設(shè)置好一定的草捆長度后，草捆長度控制機構(gòu)隨著草捆的向后運動計量草捆長度，當草捆長度達到指定長度后，草捆長度控制器帶動打結(jié)器離合器工作，打結(jié)器開始工作，完成草捆打結(jié)工作。草捆密度調(diào)節(jié)器單獨工作，不與其他裝置關(guān)聯(lián)，在收割機工作之前，將草捆密度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)到一定值后即可開始打捆作業(yè)。

2 各機構(gòu)及關(guān)鍵部件的三維結(jié)構(gòu)

2.1 壓縮裝置三維結(jié)構(gòu)

壓縮裝置由壓縮板、飛輪、減速器、滑道及壓縮室組成，如圖2所示。脫粒滾筒傳來的動力由減速器減速，傳給壓縮板。飛輪的作用：一是使壓縮板運動更加平穩(wěn)；二是形成往復(fù)運動機構(gòu)，使壓縮板往復(fù)工作。壓縮板在打捆裝置的機體內(nèi)，滑道安裝在壓縮室內(nèi)，作用是減小壓縮板的阻力，壓縮板在滑道內(nèi)可以前后滑動，以節(jié)約動力。

1.減速器 2.慣性輪 3.連桿 4.壓縮板

2.2 輸草裝置三維結(jié)構(gòu)

輸草裝置三維結(jié)構(gòu)如圖3所示。其主要結(jié)構(gòu)是輸草輪，與脫粒滾筒的喂入撥叉機構(gòu)相連，作用是輸送脫粒滾筒脫下來的水稻秸稈，使之進入壓縮室，以免造成堵塞。它位于壓縮室上方，壓縮室上層有開口，秸稈由開口進入壓縮室。

2.3 打結(jié)裝置三維結(jié)構(gòu)

打結(jié)裝置由架體、復(fù)合驅(qū)動齒盤、夾繩盤、夾繩盤錐齒輪、鷹嘴、蝸桿軸及蝸桿、鷹嘴齒輪及割繩刀片撥繩裝置等組成，如圖4所示。它有3個系統(tǒng)分時序工作：首先，穿繩針將繩送到打結(jié)嘴，將繩搭在打結(jié)嘴上；撥繩裝置將繩向后撥動，使繩向夾繩盤運動，直至夾繩盤將繩夾??；到達一定程度后，隨著鷹嘴旋轉(zhuǎn)兩股繩繞動一圈，完成打結(jié)動作，然后割繩刀工作；將繩割斷。

1.喂入口 2．箱體 3．輸草輪 4.驅(qū)動鏈輪

1.復(fù)合驅(qū)動齒盤 2.打結(jié)器機架 3.打結(jié)嘴錐齒輪 4.割繩刀 5.打結(jié)嘴 6.夾繩盤 7.夾繩盤直齒輪 8.蝸桿 9.夾繩盤錐齒輪

2.4 草捆長度控制裝置的三維結(jié)構(gòu)

草捆長度控制裝置的三維結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中，草捆長度控制機構(gòu)由支座、凸輪擋板、控制凸輪、凸輪滾子、連桿、限位塊、外齒輪、內(nèi)弧形齒輪及計量輪組成，將草捆視作齒條，草捆推動計量輪轉(zhuǎn)動，形成齒條齒輪傳動。草捆向后移動，帶動計量輪轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)到限位塊時，主軸離合器閉合，打結(jié)器工作。草捆長度控制機構(gòu)控制著一系列的機構(gòu)，如打結(jié)機構(gòu)、撥繩機構(gòu)、送繩機構(gòu)等。當草捆達到一定長度后，草捆長度控制器帶動打結(jié)器離合器工作，打結(jié)器鏈輪轉(zhuǎn)動一周，完成一次打結(jié)動作。

2.5 草捆密度調(diào)節(jié)裝置的三維結(jié)構(gòu)

草捆密度調(diào)節(jié)裝置由彈簧、手輪、槽鋼及張緊裝置組成，分布于打捆機尾部，如圖6所示。它的作用是縮小或者增大壓縮室出口的高度，使草捆更加困難或者更加輕松地排出打捆裝置，達到增加或者減小草捆密度的作用。

1手輪 2.彈簧 3.上箱槽鋼 4.箱體 5.下箱槽鋼

3 運動模型的構(gòu)建和運動仿真

3.1 運動模型的構(gòu)建

為了更好地比較水稻打捆裝置各部件的運動規(guī)律，將對壓縮裝置、打結(jié)裝置及草捆長度控制裝置3個部件進行獨立驅(qū)動。運用UG8．0的運動仿真模塊為各部件加載一個虛擬電機，模擬電機從零到恒定轉(zhuǎn)速，測定電機轉(zhuǎn)速從零到恒定時各部件的運動規(guī)律。

UG運動仿真分析：首先要創(chuàng)建運動分析方案，并進行參數(shù)設(shè)定;求解內(nèi)部計算器對運動過程進行計算，并輸出到仿真模塊;最后經(jīng)后處理階段將得到的運動仿真結(jié)果輸出，將其轉(zhuǎn)換為圖表、動畫等，方便后續(xù)數(shù)據(jù)分析。

首先定義各部件的連桿和運動副，對三維實體模型完成了連桿特性的設(shè)置、運動副的建立和外載荷的添加的前置處理后，就完成了運動模型的構(gòu)建。此時，可以利用運動仿真的運動分析工具欄，對創(chuàng)建的運動模型進行運動仿真。

3.2 機構(gòu)碰撞干涉檢查

在UG零件裝配中對其進行干涉檢查，是為了查看產(chǎn)品之間有沒有干涉、碰撞。當兩個零件發(fā)生接觸時，必須要按照設(shè)計好的位置關(guān)系進行裝配，而不應(yīng)發(fā)生一個零件穿入進另一零件中的現(xiàn)象。要做到這一點，必須能夠?qū)崟r、精確地判斷零件間是否發(fā)生碰撞。如果出現(xiàn)了干涉現(xiàn)象，要及時修改，干涉檢查的目的在于能夠使仿真繼續(xù)進行下去。在虛擬裝配環(huán)境中，添加和定義好伺服電動機，開始進行運動學(xué)(Kinematic)分析。設(shè)定好開始時間與結(jié)束時間，運行仿真并保存，點擊回放按鈕，在回放界面的碰撞檢測中即可進行機構(gòu)碰撞檢測。

3.3 運動仿真

虛擬出水稻秸稈從脫粒滾筒排出，由輸草裝置輸送到壓縮室，再由壓縮裝置壓縮，一點點地排出打捆裝置，做到與真實的打捆水稻秸稈環(huán)境相一致，由水稻秸稈作為齒盤驅(qū)動草捆長度控制機構(gòu)運動，整個打捆裝置才能運作起來。在進行運動仿真前，將虛擬樣機的裝配模塊轉(zhuǎn)換為運動仿真模塊。在進入打捆裝置處添加動力裝置即伺服電動機，帶動整個裝置運動，對原來的三維實體模型完成了連桿特性的設(shè)置，運動副建立和外載荷添加的前置處理后，就完成了運動模型的構(gòu)建。此時，可以利用運動仿真的運動分析工具欄，對創(chuàng)建的運動模型進行運動仿真，在完成各部件的參數(shù)設(shè)定后，選擇新建解決方案，設(shè)置好解決方案類型為常規(guī)驅(qū)動，分析類型為運動學(xué)/動力學(xué)，時間為10s，步數(shù)為400，點擊確定完成水稻收獲打捆一體機打捆裝置的運動仿真。在該運動仿真下，虛擬電機將在5s內(nèi)從0(°)/s轉(zhuǎn)速上升到200(°)/s，驅(qū)動虛擬樣機各部件的運動，以進行下一步的運動數(shù)據(jù)分析。

3.4 運動仿真結(jié)果分析

3.4.1 壓縮機構(gòu)最大壓縮力分析

通過借鑒國外方捆打捆機經(jīng)驗，滿足基本的成捆條件，對打捆機的主要結(jié)構(gòu)部件壓縮活塞進行設(shè)計。主要設(shè)計指標：方捆的截面尺寸為310 mm×460mm，壓縮機構(gòu)需要對此截面草捆提供至少0.15MPa的壓縮力,在設(shè)計中近似轉(zhuǎn)換為曲柄連桿需要對活塞水平方向提供最大推力不小于2.14×104N。經(jīng)計算得曲柄長度為r=330mm,連桿長為660mm,曲柄的轉(zhuǎn)速ω=180°/s，計算并設(shè)定了適于打捆機的壓縮活塞結(jié)構(gòu)參數(shù),并利用UG軟件,進行壓縮機構(gòu)的仿真分析，檢驗打捆裝置是否能夠達到許用的壓縮力要求。

由圖7可知：壓縮裝置的運動位移呈現(xiàn)出正弦規(guī)律曲線，正弦曲線沒有凸點、尖點，說明壓縮板運動穩(wěn)定；壓縮板做回轉(zhuǎn)往復(fù)運動，壓縮板的位移呈現(xiàn)先來回往復(fù)的周期運動軌跡。

如圖8所示，壓縮機構(gòu)的壓縮板在力的作用下做回轉(zhuǎn)運動。在壓縮階段，壓縮板對草捆大力擠壓，壓縮板受力較大；在回程階段，壓縮板不壓縮草捆，所以受力較小。在力的作用下，壓縮機構(gòu)壓縮板做速度先增加再勻速的往復(fù)運動。由圖8得受力最大的點的具體數(shù)值為2.21×104N，大于基本2.14×104N的設(shè)計要求，因此壓縮機構(gòu)設(shè)計的結(jié)構(gòu)尺寸合理。

圖7 壓縮板位移隨時間變化曲線

圖8 壓縮板受力隨時間變化曲線

3.4.2 水稻收獲打捆一體機打捆過程分析

本裝置為水稻收獲打捆一體機，集水稻的收獲與打捆于一體，但是其關(guān)鍵部件仍為打結(jié)器，打捆成結(jié)過程為打捆裝置的主要過程，其打捆成結(jié)的過程是當壓縮室內(nèi)的水稻秸稈達到預(yù)定長度時，草捆長度控制器工作，控制打捆機構(gòu)開始工作，分為以下幾個步驟成結(jié)。

1)搭繩：穿繩針向上運動，將捆繩搭在打結(jié)嘴上表面，與原來的一股繩合在一起，形成兩股繩。

2)夾繩：當穿繩針上升接近上止點時，捆繩已被送到夾繩器缺口內(nèi)，這時夾繩器開始轉(zhuǎn)動，將繩夾緊。

3)繞環(huán)：夾繩器尚未停止轉(zhuǎn)動時，打結(jié)嘴轉(zhuǎn)動，將兩股捆繩繞成繩環(huán)。

4)張嘴：打結(jié)嘴轉(zhuǎn)動到3/4圈時，打結(jié)嘴完全張開，兩股繩夾在打結(jié)嘴的上下顎之間。

5)閉合：打結(jié)嘴轉(zhuǎn)動接近結(jié)束時，上下顎閉合，將兩股繩夾住。

6)成扣：隨著草捆的后移，繩環(huán)不斷被拉緊。

7)割繩：繩環(huán)被拉緊到一定程度，脫繩桿往前擺動，固定在脫繩桿上的割繩刀將捆繩割斷。

8)脫扣：脫繩桿繼續(xù)往前運動，它將繩環(huán)從打結(jié)嘴上摘下，套在上下顎間夾住的繩端上，形成繩結(jié)并從打結(jié)嘴脫下。

4 結(jié)論

運用UG軟件，實現(xiàn)了水稻收獲打捆一體機打捆裝置各零部件的三維建模，并進行了整個裝置的裝配工作。運用虛擬樣機對水稻收獲打捆裝置各部件進行了運動參數(shù)分析，對壓縮裝置進行了穩(wěn)定性分析，反應(yīng)出整個打捆裝置的運動較穩(wěn)定。同時，對打結(jié)器的成結(jié)原理進行了仿真，詳細給出了打結(jié)的過程，將運動仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)出，通過UG與其它軟件的接口，將運動仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入其它軟件進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析。通過簡單的參數(shù)設(shè)定更改，模擬水稻收獲打捆裝置在不同工作環(huán)境的運動狀態(tài)，大幅縮短研究時間。

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Simulation Analysis of Rice Harvest Tying Unity Machine’ Tying Device

Qu Hongchao1, Bao Shuai2, Yi Shujuan1, Tao Guixiang1, Li Yifei1, Mao Xin1, Xu Chang3

(1.Engineering College, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China; 2.Institute of International Education Cooperation,Harbin Engineering University, Harbin 150001,China; 3.Yalvhe Farm Part Committee Organization Department,Heilongjiang Jiansanjiang Nongkon Consturetion Management Bureau,Tongjiang 156400,China)

The virtual prototype can be kinematics and dynamics analysis of mechanical system. Therefore, using three-dimensional modeling software UG to rice harvest tying device baling machine spare parts for 3 d modeling, assembly, complete rice harvest tying device baling machine parts and components of the virtual prototype design. Virtual prototype design requires high dimensional precision and accurate constraints between parts, through the 3 d drawing and assembly parts, and then to the whole machine assembly, interference checking was carried out on the prototype, can improve the efficiency of research and development. Tying device of the establishment of a virtual prototype for subsequent virtual prototype simulation movement, rice harvest tying device baling machine parts of structure optimization has laid a good foundation. Output after the simulation curves are analyzed and discussed, and make it conform to the real environment of baling, The results show that: with the precise timing of each device, can better reflect the bundling process; assembly of the entity has great significance.

rice harvest tying unity machine; tying device; simulation analysis; UG

2016-09-27

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD06)；黑龍江省農(nóng)墾總局攻關(guān)項目(HNK125B-06-12A)；黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)培育課題(XA2015-03)

曲洪潮(1991-),男，黑龍江綏化人，碩士研究生，(E-mail)852885095@qq.com。

衣淑娟(1965-)，女，山東棲霞人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)yishujuan_2005@126.com。

S225.4

A

1003-188X(2017)11-0059-05