張曉紅

(襄陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北 襄陽 441021)

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基于虛擬樣機(jī)的打瓜撿拾脫籽聯(lián)合收獲機(jī)的研究

張曉紅

(襄陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖北 襄陽 441021)

籽瓜是新疆地區(qū)廣泛種植的經(jīng)濟(jì)作物之一，年均種植面積高達(dá) 26.7萬 hm2。目前籽瓜種植品種日益增多，加之瓜農(nóng)對(duì)籽瓜收獲技術(shù)要求的不斷提升，不斷改進(jìn)前期研制的籽瓜撿拾脫籽聯(lián)合收獲機(jī)以提升籽瓜收獲率和瓜農(nóng)收入，降低收獲成本。為此，根據(jù)新疆地區(qū)對(duì)打瓜收獲機(jī)械的要求，采用SolidWorks軟件平臺(tái)中的建模方式，構(gòu)建打瓜撿拾脫籽聯(lián)合收獲機(jī)虛擬樣機(jī)模型，并對(duì)其關(guān)鍵零部件參數(shù)和結(jié)構(gòu)展開設(shè)計(jì)及優(yōu)化，以期為類似改進(jìn)研制提供重要的借鑒。

虛擬樣機(jī)；打瓜；撿拾脫籽聯(lián)合收獲機(jī)；工作原理

0 引言

近年來，國際市場(chǎng)對(duì)打瓜籽需求量明顯增多，新疆地區(qū)打瓜種植面積也逐年擴(kuò)大，打瓜籽價(jià)格一路升高。傳統(tǒng)打瓜收獲環(huán)節(jié)依然依賴人工撿拾、喂入、機(jī)械脫落等操作，勞動(dòng)強(qiáng)度較大、勞動(dòng)效率不高。因此，加強(qiáng)關(guān)于打瓜收獲機(jī)械的研究，對(duì)減少瓜農(nóng)投入、提高瓜農(nóng)收入及打瓜作業(yè)效率具有重要意義。

打瓜收獲機(jī)虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)是運(yùn)用計(jì)算機(jī)完成整個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)，即在虛擬環(huán)境下對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)、裝配、檢驗(yàn)及分析。借助計(jì)算機(jī)的數(shù)字化模型設(shè)計(jì)的虛擬產(chǎn)品代替實(shí)物模型展開仿真分析，能有效提高機(jī)具質(zhì)量、成本等決策水平，確保一次性完成全局最優(yōu)的產(chǎn)品。采用傳統(tǒng)方法對(duì)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行研發(fā)過程中，設(shè)計(jì)人員必須經(jīng)過設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、修改設(shè)計(jì)、重新測(cè)試等環(huán)節(jié)，需要花費(fèi)大量的時(shí)間、財(cái)力和精力。同時(shí)，部分農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題無法在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)展現(xiàn)出來，加之，農(nóng)機(jī)產(chǎn)品試驗(yàn)具有較強(qiáng)的季節(jié)性，在一定程度上增加產(chǎn)品開發(fā)周期。

本文以SolidWorks為軟件平臺(tái)研制打瓜收獲機(jī)。該軟件平臺(tái)能夠直觀展現(xiàn)所研發(fā)產(chǎn)品的零件結(jié)構(gòu)、裝配關(guān)系、運(yùn)動(dòng)軌跡等內(nèi)容，不僅提升設(shè)計(jì)人員的感性認(rèn)識(shí)，也能有效縮短開發(fā)周期。

1 打瓜撿拾脫籽聯(lián)合收獲機(jī)工作原理

打瓜作為新疆農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)中的重要經(jīng)濟(jì)作物，在其產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中占據(jù)重要比重。隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，打瓜總體規(guī)模日益擴(kuò)大，人力、生產(chǎn)成本消耗等問題日益突出。目前，新疆從耕地、播種、植保、取籽等環(huán)節(jié)均已達(dá)到機(jī)械化生產(chǎn)狀態(tài)，但上述工作只占整體工作量的60%，其余部分均要采用手工作業(yè)。打瓜作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大，且打瓜成熟之時(shí)也是棉花、玉米等農(nóng)作物收獲之際，勞動(dòng)力明顯不足；加上打瓜成熟后不宜在田地里放置過久，為打瓜收獲帶來一定困難。目前，新疆地區(qū)主要采用以下方式收獲籽瓜：一種是利用采摘、取籽聯(lián)合收獲機(jī)完成作業(yè)；另一種是采用分段收獲模式。前者收獲模式具有機(jī)械化程度高、節(jié)約成本、效率高、省時(shí)省力等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)土地有較高的要求。如果在非常惡劣的打瓜種植地開展撿拾作業(yè)，效果并不理想。因此，這種收獲方式急需進(jìn)一步的改進(jìn)和優(yōu)化。在分段收獲模式中，常用的收獲機(jī)械為集條機(jī)，該機(jī)把農(nóng)田中自然散布的打瓜集成條形，方便后續(xù)的撿拾工作。目前，多數(shù)地區(qū)使用4DGJI-20型打瓜集條機(jī),部分地區(qū)也采用以螺旋推運(yùn)器、拾瓜滾筒為主的打瓜收獲機(jī)。在上述打瓜收獲機(jī)械中，多數(shù)機(jī)械屬于實(shí)用新型專利，并沒有獲得廣泛推廣應(yīng)用。國內(nèi)的打瓜收獲機(jī)械在結(jié)構(gòu)和應(yīng)用上依然存在一些問題，必須進(jìn)一步研究、改進(jìn)，才能促使其大范圍推廣使用。打瓜收獲中對(duì)機(jī)械化參與程度要求越來越高，人工勞動(dòng)強(qiáng)度低的機(jī)械化收獲設(shè)備的要求更加迫切，機(jī)械化收獲技術(shù)是未來打瓜產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著農(nóng)業(yè)部門、科研機(jī)構(gòu)、農(nóng)業(yè)研究工作者等的重視和關(guān)注，打瓜生產(chǎn)全程機(jī)械化模式必將獲得質(zhì)的飛躍。研制打瓜撿拾脫籽聯(lián)合收獲機(jī)能填補(bǔ)國內(nèi)打瓜機(jī)械化收獲方面的空白，提升打瓜產(chǎn)量及工作效率。打瓜撿拾脫籽聯(lián)合收獲機(jī)主要由撿拾部件、機(jī)架及脫籽部件等部分組成。其中，撿拾部件包含集攏器、扎瓜齒、取瓜部件等；脫籽部件主要由進(jìn)料斗、篩選部件、傳動(dòng)系統(tǒng)、螺旋輸送部件等組成。整個(gè)機(jī)具由拖拉機(jī)牽引運(yùn)行，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 打瓜撿拾脫籽聯(lián)合收獲機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖1中：1、2分別表示扎齒輪和撿拾輥；3表示瓜齒分離裝置；4、5依次表示U形支架、脫籽機(jī)；6表示集攏器；7、8表示油缸、地輪；9表示機(jī)架。

機(jī)具進(jìn)行作業(yè)時(shí)，采用中、小型拖拉機(jī)為配套動(dòng)力，借助機(jī)架帶動(dòng)撿拾輥向前移動(dòng)，集攏器把地面上已經(jīng)集條的籽瓜集攏至撿拾輥工作范圍內(nèi)，集攏器如圖2所示。

圖2 集控器簡圖

籽瓜將被固定于撿拾輥上的扎瓜齒由地面扎起來，并隨著撿拾輥運(yùn)動(dòng)，入股籽瓜運(yùn)動(dòng)至瓜齒分離位置，瓜齒分離裝置強(qiáng)行把籽瓜梳取下來；基于重力的作用，沿著瓜齒分離裝置滾落到脫籽機(jī)進(jìn)瓜口內(nèi)，從而完成分離操作。分離出的瓜皮由皮口排回到田中，瓜籽由出籽口實(shí)施再次集攏、喂入、脫籽、回收等作業(yè)。運(yùn)輸過程中，因機(jī)具設(shè)計(jì)的油缸，促使撿拾輥得以脫離地面，防止扎瓜齒等部件損壞。

2 設(shè)計(jì)打瓜收獲機(jī)參數(shù)并建模

2.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)就是以打瓜撿拾脫籽聯(lián)合收獲機(jī)參數(shù)化模型確定尺寸與對(duì)應(yīng)的關(guān)系，無需設(shè)計(jì)特定的數(shù)據(jù)。如果設(shè)計(jì)中的某個(gè)參數(shù)值改變，系統(tǒng)能夠自動(dòng)改變所有與其相關(guān)的尺寸。即利用創(chuàng)建的參數(shù)化模型，隨機(jī)調(diào)整參數(shù)用來修改和控制機(jī)械設(shè)備的形狀，快速設(shè)計(jì)出精確的產(chǎn)品。

本次選用的機(jī)具其參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)是以PDM系統(tǒng)和三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks系統(tǒng)為平臺(tái)，設(shè)計(jì)人員能夠快速、靈活地完成設(shè)計(jì)。該平臺(tái)主要由數(shù)字化設(shè)計(jì)、虛擬樣機(jī)、數(shù)字化工藝規(guī)劃與設(shè)計(jì)圖檔管理系統(tǒng)等部分組成。

2.2 零部件建模、裝配

瓜撿拾脫籽聯(lián)合收獲機(jī)由撿拾滾筒、脫籽機(jī)、收攏裝置和取瓜等部件構(gòu)成。依據(jù)設(shè)計(jì)需求對(duì)該機(jī)具實(shí)施三維建模和裝配。因該機(jī)具零部件較多，因此進(jìn)行配置前要清楚掌握打瓜撿拾脫籽聯(lián)合收獲機(jī)層次結(jié)構(gòu)及各零部件之間運(yùn)動(dòng)關(guān)系，制定行之有效的規(guī)劃，便于快速完成一個(gè)總裝配體。具體配裝過程中，零部件根據(jù)添加的重合、平行、垂直、距離等配合達(dá)到設(shè)計(jì)要求。必須注意，不同的組合會(huì)獲得存在明顯差異的配合效果，配合情況直接影響裝配體的運(yùn)行效率和質(zhì)量。因此，添加的配合必須滿足設(shè)計(jì)意圖，對(duì)各零部件進(jìn)行合理的配合。進(jìn)行建模時(shí)，把焊接件當(dāng)做部件處理，能有效提高設(shè)計(jì)效率，靈活修改各項(xiàng)內(nèi)容。在SolidWorks裝配體環(huán)境下對(duì)建立完成的零件模型進(jìn)行焊縫裝配時(shí)，可通過“焊縫”命令實(shí)現(xiàn)，快速完成焊縫操作。

2.3 總體配件裝配操作

總體配件裝配是指在SolidWorks環(huán)境下把設(shè)計(jì)的零件和部件裝配起來構(gòu)成打瓜撿拾脫籽聯(lián)合收獲機(jī)。在總裝過程中，撿拾輥、機(jī)架、脫籽機(jī)等部件均為子裝配體。其中，底盤和脫籽機(jī)不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，撿拾輥、油缸等子裝配體內(nèi)部存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而設(shè)定為浮動(dòng)狀態(tài)。采用SolidWorks構(gòu)建打瓜撿拾脫籽聯(lián)合收獲機(jī)三維模型，如圖3所示。

3 建立機(jī)具虛擬樣機(jī)

采用SolidWorks系統(tǒng)建立打瓜撿拾脫籽聯(lián)合收獲機(jī)虛擬樣機(jī)，具有直觀性強(qiáng)、便于修改等優(yōu)點(diǎn)，并可檢驗(yàn)機(jī)具強(qiáng)度剛度、運(yùn)動(dòng)仿真等情況，以此可驗(yàn)證本次設(shè)計(jì)的科學(xué)性、正確性。

3.1 校驗(yàn)零部件強(qiáng)度、剛度

與有限元分析軟件比較，SolidWorks軟件簡單易學(xué)，便于操作。由于各零件應(yīng)力情況并不復(fù)雜，一般設(shè)計(jì)員可借助其展開受力分析，確保整個(gè)設(shè)計(jì)簡單實(shí)用。同時(shí)，對(duì)該機(jī)具各零部件靜態(tài)、動(dòng)態(tài)有限元應(yīng)力分析過程中，及時(shí)獲取應(yīng)力、變形等數(shù)據(jù)展開深入分析并優(yōu)化相應(yīng)設(shè)計(jì)。依據(jù)分析可知，打瓜撿拾脫籽聯(lián)合作業(yè)機(jī)其最大受力部位用于把撿拾輥與底盤連接的鉸接板，機(jī)具進(jìn)行作業(yè)時(shí)，利用鉸接板牽引力驅(qū)動(dòng)撿拾輥向前滾動(dòng)。因此，該鉸接板必須承受最大的彎矩。最初設(shè)計(jì)時(shí)，采用20mm厚度的鋼板為該鉸接板，運(yùn)用COMMOSworks對(duì)其實(shí)施有限元分析，在鉸接點(diǎn)位置添加相應(yīng)約束，在管軸軸承位置分別添加兩個(gè)250N的力，如圖4所示。

圖3 打瓜撿拾脫籽聯(lián)合收獲機(jī)三維模型圖

圖4 一塊鉸接板有限元分析簡圖

根據(jù)長時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)，農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)材料所選用的安全系數(shù)應(yīng)大于1.5，因此上述材料無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。所以，要挑選兩塊厚度為12mm鋼板焊接在管軸圓周兩側(cè)，再次增設(shè)與上述分析相同的初始條件，本次設(shè)計(jì)結(jié)果安全系數(shù)達(dá)到2.08，完全滿足具體設(shè)計(jì)要求。分析其原因如下：與較厚的板相比，采用兩塊較薄的板其安全系數(shù)約增加1倍，利用SolidWorks 自帶的質(zhì)量特性功能檢出使用兩塊板比一塊板質(zhì)量只是增加1.2kg左右。

3.2 實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)

基于已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的打瓜撿拾脫籽聯(lián)合收獲機(jī)，設(shè)計(jì)員需隨機(jī)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，這就必須展開參數(shù)化設(shè)計(jì)達(dá)到產(chǎn)品系列化要求，在一定程度上避免設(shè)計(jì)的重復(fù)性。因采用SolidWorks創(chuàng)建三維模型和裝配體草圖尺寸、裝配體尺寸均為參數(shù)化驅(qū)動(dòng)結(jié)果。在 SolidWorks 環(huán)境中可通過以下方法完成機(jī)具參數(shù)化設(shè)計(jì)要求：①采用SolidWorks軟件能夠直接修改機(jī)具模型的尺寸、添加特征等內(nèi)容， 隨之另外保存為新的零件或者裝配體，包含已經(jīng)修改的三維特征尺寸、工程圖的尺寸等。②運(yùn)用 SolidWorks 所提供的 API 接口，借助 BV 等軟件對(duì)機(jī)具實(shí)施二次開發(fā)，達(dá)到參數(shù)化設(shè)計(jì)要求。③機(jī)具系列零件具有一系列的共同特征，有些零件雖然外形相同但尺寸存在明顯差異。借助SolidWorks所提供的系列零件設(shè)計(jì)表，根據(jù)特征預(yù)先定義某個(gè)系列零件的尺寸，隨之生成相應(yīng)的零件設(shè)計(jì)表， 以此生成更多的零件或裝配體。

4 結(jié)論

以打瓜撿拾脫籽聯(lián)合收獲機(jī)作為研究依據(jù)，運(yùn)用SolidWorks軟件平臺(tái)所提供的多種建模方式，進(jìn)行了虛擬樣機(jī)的建模、裝配及參數(shù)化設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明：設(shè)計(jì)的打瓜收獲機(jī)虛擬樣機(jī)能直觀展現(xiàn)其零件結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)軌跡及裝配關(guān)系，在一定程度上提升設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

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Based on the Virtual Prototype of a Kind of Watermelon Collecting De-seeding Combine Research

Zhang Xiaohong

(Xiangyang Vocation and Technical College, Xiangyang 441021,China)

The seed of melon is widely cultivated in Xinjiang area economic one of crops, the annual average planting area up to 267000 hm2, aiming at seed melon planting varieties increased, and farmers to seed melon harvest and continuous increase of technical requirements, continuously improve the early stage of the development of melon seed collecting de-seeding joint function effectively improve seed melon harvest yield and farmers' income, decrease the cost of harvest. In this paper, according to the requirement of the xinjiang region of a kind of watermelon harvest machinery and equipment, USES the digital design method, using Solidworks software platform in the modeling way, build a kind of watermelon collecting de-seeding combine virtual prototyping model, and its key components parameters and structure design and optimization, so as to provide important reference for similar improvement research. At the same time, in the process of product development using virtual prototype technology, can effectively optimize machine design scheme, to a certain extent, shorten product development cycle, saving development costs unnecessarily.

virtual prototype; a kind of watermelon; collecting de-seeding united harvest machine; working principle

2016-05-18

湖北省教育廳科研項(xiàng)目(B20107502)

張曉紅(1966-)，女，湖北房縣人，副教授，(E-mail)zhangxiaohong1302@163.com。

S225.92

A

1003-188X(2017)07-0192-04