耿傳玉+甄宗霖+王凱歌+劉磊

摘要：隨著我國(guó)人工種植牧草面積在逐年增加，實(shí)現(xiàn)牧草收獲的機(jī)械化，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率具有重要意義。同時(shí)，由于我國(guó)的草原多分布在北方高寒帶，牧草適時(shí)收獲期較短，季節(jié)性強(qiáng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，為保證割草機(jī)割草后及時(shí)摟草攤曬，使牧草充分干燥，避免牧草中的營(yíng)養(yǎng)成分丟失，使用高效率的摟草機(jī)械十分必要。該指盤式折疊摟草機(jī)主要由伸縮式主梁、折疊式側(cè)梁、調(diào)節(jié)梁，2+7×2個(gè)草盤（分別置于主梁前側(cè)和側(cè)梁）、液壓系統(tǒng)、固定輪、萬(wàn)向輪等組成。其中，側(cè)梁與主梁的連接進(jìn)行零件建模與裝配，借助solidworks simulation進(jìn)行該機(jī)機(jī)架的有限元分析，為后期優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，使用solidCAM對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的采用的折疊機(jī)構(gòu)，大大提高了摟草機(jī)的便捷性。本設(shè)計(jì)主要是利用solidworks主要零件進(jìn)行數(shù)控加工模擬仿真。三維建模軟件的使用節(jié)省了人力物力，縮短了設(shè)計(jì)周期。

關(guān)鍵詞：指盤折疊式摟草機(jī) 效率便捷 CAD/CAE/CAM

1.課題的設(shè)計(jì)背景和意義

隨著我國(guó)西部大開發(fā)和畜牧業(yè)的快速發(fā)展，人工種植牧草面積在逐年增加，實(shí)現(xiàn)牧草收獲的機(jī)械化，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率具有重要意義。同時(shí)，由于我國(guó)的草原多分布在北方高寒帶，牧草適時(shí)收獲期較短，季節(jié)性強(qiáng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，為保證割草機(jī)割草后及時(shí)摟草攤曬，使牧草充分干燥，避免牧草中的營(yíng)養(yǎng)成分丟失，使用高效率的摟草機(jī)械十分必要。

此外，目前國(guó)內(nèi)摟草機(jī)械摟草作業(yè)面積大約在15m，摟草機(jī)長(zhǎng)7m至8m，非工作狀態(tài)下占用空間較多，這對(duì)于一些地形復(fù)雜崎嶇的地方，傳統(tǒng)摟草機(jī)的設(shè)計(jì)顯得過于笨重，不便于運(yùn)輸。這就需要一種即便于運(yùn)輸，又不失傳統(tǒng)摟草機(jī)優(yōu)勢(shì)的新型摟草機(jī)。

本設(shè)計(jì)在現(xiàn)有摟草機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新。側(cè)梁與主梁的連接采用六桿機(jī)構(gòu)作為摟草機(jī)的折疊機(jī)構(gòu)，摟草機(jī)伸展后，六桿機(jī)構(gòu)恰好到達(dá)死點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)自鎖，然后開始作業(yè)。作業(yè)結(jié)束后，利用液壓缸拉動(dòng)滑塊將側(cè)梁收回，側(cè)梁折疊，主梁縮回。和傳統(tǒng)摟草機(jī)相比，該摟草機(jī)由于采用折疊機(jī)構(gòu)，使得在相同工作面積下，大大減小了機(jī)器尺寸，節(jié)省了原材料，同時(shí)便于操作和運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)控制的自動(dòng)化。

2.整體結(jié)構(gòu)方案

該指盤式折疊摟草機(jī)主要由伸縮式主梁、折疊式側(cè)梁、調(diào)節(jié)梁，立軸梁，2+7×2個(gè)草盤（分別置于主梁前側(cè)和側(cè)梁）、液壓系統(tǒng)、固定輪以及萬(wàn)向輪等組成。摟草機(jī)整體與拖拉機(jī)牽引連接，拖拉機(jī)提供整體動(dòng)力，由液壓系統(tǒng)控制草盤的起升和降落以及伸縮式主梁的伸縮。主要結(jié)構(gòu)如圖所示：

3.功能與使用說明

該摟草機(jī)工作時(shí)由拖拉機(jī)帶動(dòng)整體前行，液壓機(jī)構(gòu)控制主梁梁1的伸長(zhǎng)以及折疊式側(cè)梁的伸展，折疊機(jī)構(gòu)伸展后，恰好到達(dá)死點(diǎn)位置，實(shí)現(xiàn)自鎖，然后摟草機(jī)開始作業(yè)。側(cè)梁與主梁成135°角，16個(gè)草盤均勻分布于中間和兩側(cè)，并與側(cè)梁成一定角度，草盤靠重力作用抓地隨機(jī)器前行，齒的頭部彎曲，這樣易抓取牧草，整個(gè)過程中草盤不轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)遇到地面較高處時(shí)，會(huì)在彈簧的拉力下自動(dòng)彈起，避免耙齒破壞草場(chǎng)地面，還可以減少草條中的陳腐草及泥土等雜物。在運(yùn)輸過程中，液壓系統(tǒng)控制著草盤的起升和降落，以免摟草盤上的齒將其他物體刮傷或者草盤自身受損。作業(yè)結(jié)束后，利用液壓缸拉動(dòng)滑塊將側(cè)梁收回，側(cè)梁折疊，主梁縮回。

4.基本零件的設(shè)計(jì)

零件是組成機(jī)械產(chǎn)品的基本要素，零件的模型構(gòu)建及裝配決定了整個(gè)機(jī)械產(chǎn)品的性能。在使用Solidworks三維軟件進(jìn)行零件設(shè)計(jì)過程中，尺寸設(shè)計(jì)是一項(xiàng)重要的限制因素，通過詳細(xì)了解傳統(tǒng)摟草機(jī)，以及根據(jù)有限云分析軟件得出的數(shù)據(jù)，最終確定該指盤折疊式摟草機(jī)各部分零件的尺寸。

在該指盤折疊式摟草機(jī)中主要部位是主梁，側(cè)梁和調(diào)節(jié)梁。根據(jù)實(shí)際工作要求，以及傳統(tǒng)摟草機(jī)相關(guān)尺寸，結(jié)合有限元分析軟件分析數(shù)據(jù)，最終確定主梁，側(cè)梁以及調(diào)節(jié)梁尺寸。然后，將主梁，側(cè)梁和調(diào)節(jié)梁進(jìn)行細(xì)分，得到各部分零件尺寸。再用Solidworks三維建模軟件進(jìn)行零件圖的繪制。在零件圖的繪制中，主梁，側(cè)梁，調(diào)節(jié)梁以及立軸梁的各部分零件主要用到了拉伸，切除，旋轉(zhuǎn)，抽殼以及異型孔向?qū)А?/p>

草盤在整個(gè)零件的三維建模中屬于比較繁瑣的零件，依據(jù)傳統(tǒng)摟草機(jī)草盤的形狀，尺寸以及有限元分析軟件得出的數(shù)據(jù)，最終確定該摟草機(jī)草盤的形狀以及尺寸。它的三維建模主要用到了掃描，拉伸，切除，放樣以及局部陣列。

其他零件如輪胎，軸銷以及液壓油缸等根據(jù)不同的需要確定其尺寸，通過旋轉(zhuǎn)，放樣，曲面等一系列特征形成。

5.運(yùn)動(dòng)模擬仿真

Solidworks提供一種運(yùn)動(dòng)仿真的運(yùn)動(dòng)算例。正確裝配摟草機(jī)后，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。在該指盤折疊式摟草機(jī)的設(shè)計(jì)中，不同時(shí)間點(diǎn)設(shè)定摟草機(jī)側(cè)梁非工作狀態(tài)，側(cè)梁展開狀態(tài)以及主梁伸長(zhǎng)狀態(tài)，和摟草機(jī)側(cè)梁折回，主梁收縮狀態(tài)。通過運(yùn)動(dòng)算例實(shí)現(xiàn)其不同狀態(tài)下的模擬仿真運(yùn)動(dòng)。通過運(yùn)動(dòng)模擬仿真可以直觀的觀察到設(shè)計(jì)產(chǎn)品的操作運(yùn)行狀態(tài)，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供直觀依據(jù)。

6.結(jié)論

通過我們的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外的大型牧場(chǎng)都在使用摟草機(jī)，但是存在一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，傳統(tǒng)摟草機(jī)體積較大，在崎嶇的地形不方便運(yùn)輸，這樣急需要一種在非工作狀態(tài)下體積較小，方便運(yùn)輸?shù)膿Р輽C(jī)。

與傳統(tǒng)摟草機(jī)相比，該指盤折疊式摟草機(jī)折疊系統(tǒng)以及伸縮式主梁的設(shè)計(jì)，使得其在崎嶇的地形上工作成為可能，并且被大大減小了非工作狀態(tài)下?lián)Р輽C(jī)的體積，更加方面與摟草機(jī)的運(yùn)輸，但同時(shí)又不影響摟草機(jī)的工作效率以及作業(yè)幅寬。

使用solidworks進(jìn)行零件設(shè)計(jì)、裝配，通過直觀展示完成一些列的樣機(jī)外形改進(jìn)。使用CAE有限元分析軟件對(duì)主機(jī)架及中間桁架進(jìn)一系列分析，通過應(yīng)力云圖、位移云圖、應(yīng)變?cè)茍D進(jìn)行機(jī)架校核，簡(jiǎn)化計(jì)算過程，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。使用CAM進(jìn)行數(shù)控加工模擬仿真技術(shù)，用軟件進(jìn)行零件加工軌跡模擬，避免了直接在機(jī)床試加工時(shí)浪費(fèi)材料、人力，以及破壞機(jī)器的風(fēng)險(xiǎn)。Solidworks軟件中CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的使用，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中，保證了設(shè)計(jì)者可以隨時(shí)觀察、優(yōu)化和修改設(shè)計(jì)產(chǎn)品，縮短了設(shè)計(jì)周期。

參考文獻(xiàn)：

[1]成大先。機(jī)械制圖精度設(shè)計(jì)：化學(xué)工業(yè)出版，2010：91-210。

[2]賴一楠。復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu) 模糊優(yōu)化方法及工程應(yīng)用：科學(xué)出版社，2008：31-108。

[3]從曉霞，馮章憲，絳明華。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)：北京大學(xué)出版社，2008：62-92。

[4]崔鳳奎等。Solidworks機(jī)械設(shè)計(jì)機(jī)械：工業(yè)出版社，2007：1-193。