王海瑞

（鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鶴壁 458030）

小型稻麥聯(lián)合收割機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為緊密，體積較小，具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，更加方便機(jī)手操作，并且價(jià)格較為低廉，因此，被廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)種植中。往復(fù)式收割裝置是小型稻麥聯(lián)合收割機(jī)中的重要組件，能根據(jù)收割機(jī)的整體需求完成收割工作。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式中，收割機(jī)的制造多以仿制為主，均需要通過(guò)多次反復(fù)的測(cè)驗(yàn)才能完成設(shè)計(jì)工作，在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中需要耗費(fèi)較多的時(shí)間以及資金，且產(chǎn)生的效果卻不佳。合理利用CREO軟件開(kāi)展設(shè)計(jì)工作[1-10]，則能提升產(chǎn)品的科學(xué)性，并減少調(diào)試所需時(shí)間與資金。

1 CREO軟件

CREO產(chǎn)生于2010年，是美國(guó)PTC公司推出的CAD軟件包。該軟件包整合了PTC公司的參數(shù)、建模以及三維可視化技術(shù)[1]。該軟件是美國(guó)PTC公司閃電計(jì)劃中所推出的第一個(gè)產(chǎn)品，具有較強(qiáng)的可操作性、開(kāi)放性以及易用性。CREO軟件的出現(xiàn)，解決了機(jī)械 CAD領(lǐng)域中未解決的重大問(wèn)題，其問(wèn)題解決方案較為新穎，具有交互性，能應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)程序中，并能為設(shè)計(jì)工作人員提供較為合理的解決方案。該軟件具有柔性建模擴(kuò)展、可配置建模、2D概念設(shè)計(jì)、ECAD-MCAD協(xié)作擴(kuò)展、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)專(zhuān)家、塑膠模具專(zhuān)家、沖壓模具專(zhuān)家等模塊。目前，CREO軟件已經(jīng)更新至3.0版本，集成多種應(yīng)用程序，功能性強(qiáng)大，覆蓋面積廣，能獨(dú)立應(yīng)用2D、3D、CAD進(jìn)行建模，實(shí)現(xiàn)可視化的功能，并且還能讓工作人員輕松獲取到建模中的數(shù)據(jù)，克服以往CAD使用環(huán)境中的可用性以及裝配管理關(guān)聯(lián)挑戰(zhàn)。

2 主要參數(shù)

往復(fù)切割裝置主要由定刀片以及動(dòng)刀片共同作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)小麥以及水稻的切割工作[2]。參數(shù)中，將割刀移動(dòng)速度看作v，切割過(guò)程中切割機(jī)的移動(dòng)路徑為s，動(dòng)刀片之間的距離為t，定刀片之間的距離為t0，切割機(jī)在進(jìn)行切割作業(yè)的過(guò)程中，必須克服一定的阻力，才能完成對(duì)作物莖稈的切除工作。但是水稻以及小麥等作物莖稈的剛性較低，因此，在切割過(guò)程中，如果切割力度過(guò)小或者速度過(guò)慢，則可能會(huì)導(dǎo)致切割過(guò)程中產(chǎn)生莖稈彎折等情況，影響水稻、小麥?zhǔn)崭钯|(zhì)量。因此，往復(fù)切割裝置中的割刀在運(yùn)行過(guò)程中必須具備一定的速度，并且保持適當(dāng)?shù)那懈盍Χ龋拍苡行嵘懈钚Ч?。從?shí)際收割經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，小型稻麥切割機(jī)中割刀的速度應(yīng)達(dá)到1 m/s～2 m/s，才能實(shí)現(xiàn)有效切割。根據(jù)靜力學(xué)條件能判斷，定刀片以及動(dòng)刀片之間的夾角不能超過(guò)在切割稻麥過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦力之角。一般情況下，稻麥根莖與切割機(jī)產(chǎn)生的摩擦力之角的和為38°，故在這一過(guò)程中，動(dòng)刀片與的滑切角應(yīng)是30°，定刀片的滑切角應(yīng)為0°。

3 結(jié)構(gòu)原理

切割裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，該結(jié)構(gòu)主要是依據(jù)切割器的參數(shù)、空間位置以及傳動(dòng)系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)的。切割器中變速箱的動(dòng)力能通過(guò)鏈輪對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行傳動(dòng)，使其轉(zhuǎn)速保持在500 r/min左右[3]。在皮帶輪上安裝偏心軸，將杠桿的一端轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸的中心進(jìn)行。連桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)換器擺動(dòng)，擺動(dòng)圍繞支撐軸進(jìn)行，在動(dòng)刀接槽的帶動(dòng)下，轉(zhuǎn)換器能對(duì)動(dòng)刀組產(chǎn)生影響，帶動(dòng)其產(chǎn)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)往復(fù)切割運(yùn)動(dòng)。

圖1 切割裝置結(jié)構(gòu)

4 運(yùn)動(dòng)力學(xué)以及切割原理

稻麥聯(lián)合收割機(jī)中的往復(fù)收割裝置的工作原理是將兩個(gè)曲柄進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，對(duì)刀桿進(jìn)行推動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)往復(fù)切割運(yùn)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，能對(duì)夾在定刀片以及動(dòng)刀片中的水稻以及小麥等作物進(jìn)行切割，為小麥、水稻的脫粒工作奠定基礎(chǔ)。這一切割裝置主要由曲柄、連桿、動(dòng)刀桿、動(dòng)刀片以及定刀片等共同組成，根據(jù)其驅(qū)動(dòng)情況，向量OA+向量AB=向量OB。由此能得出，XB=XA+L2cosθ2，YB=YA+L2sinθ2=0。根據(jù)上述方程的解得出，當(dāng)θ2在π與-π之間的時(shí)候，能得出θ2=tan-1[-Y4/-√L2-YA]。將θ2帶入到公式中，能得出XB，并在推導(dǎo)下，能得出θ2的角速度ω以及加速度α。其中ω=-Y4/L2cosθ2，α=-Y4+L2ω2sinθ2/L2cosθ2。 對(duì)B點(diǎn)的加速度進(jìn)行整理能得出，XB=XAL2(ωsinθ2+αcosθ2)以及YB=YA+L2(ωcosθ2-αsinθ2)=0。借助CREO對(duì)切割器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真學(xué)研究，并通過(guò)仿真模擬，對(duì)設(shè)計(jì)工作進(jìn)行校驗(yàn)以及檢查。能對(duì)其運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)軌跡以及運(yùn)動(dòng)路徑等進(jìn)行研究，也能設(shè)計(jì)出較為逼真的數(shù)字仿真界面，實(shí)現(xiàn)仿真效果顯示的作用。根據(jù)往復(fù)切割機(jī)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，能將其設(shè)置為勻速運(yùn)動(dòng)，并將其角速度控制在30°/s左右，方便對(duì)其時(shí)間變化曲線(xiàn)進(jìn)行觀察以及測(cè)量，進(jìn)而判斷割刀往復(fù)運(yùn)動(dòng)隨著時(shí)間推移而產(chǎn)生的變化情況。

曲柄滑塊運(yùn)動(dòng)圖如圖2所示，往復(fù)切割機(jī)中的切割刀作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，能在護(hù)刃器的配合下，完成支撐切割的工作。使用CREO軟件對(duì)其運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行判斷可知，定刀片將在軌跡線(xiàn)內(nèi)的作物向兩側(cè)推，根據(jù)作物位置的不同，產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)效果也是不同的。1）在一次切割區(qū)內(nèi)的作物，能在被推向兩側(cè)后直接被一次性切割完成。2）在漏割區(qū)域內(nèi)的作物，當(dāng)?shù)度羞\(yùn)動(dòng)到最右側(cè)之后，未受到刀片的切割，或割刀歸位的過(guò)程中被切斷。如果漏割區(qū)域過(guò)大，則可能會(huì)導(dǎo)致稻麥莖稈過(guò)于集中，對(duì)切割過(guò)程產(chǎn)生較大的阻力，導(dǎo)致莖稈折斷、漏割等情況。3）作物位于重割區(qū)域，在其被割斷后，被另一邊的刀口波及，可能會(huì)產(chǎn)生重割的情況。結(jié)合上述情況分析能看出，切割器在切割的過(guò)程中，漏割區(qū)域以及重割區(qū)域的面積會(huì)在一定程度上影響切割的效果，也會(huì)影響到切割的速度以及質(zhì)量等。為提升切割效果，減少切割過(guò)程中切割刀產(chǎn)生的阻力以及消耗的功率，則應(yīng)盡可能地減少切割器中漏割區(qū)域以及重割區(qū)域的面積。測(cè)試表明：隨著割刀間距的不斷加大，重割區(qū)域面積逐漸減小，但漏割區(qū)域面積不斷增大；隨著刀刃高度不斷增大，重割區(qū)域面積不斷增大，但漏割區(qū)域面積不斷減??；隨著收割機(jī)進(jìn)距的不斷加大，重割區(qū)域面積不斷減小，但漏割區(qū)域面積不斷減小。因此，結(jié)合上述情況應(yīng)根據(jù)收割工作的實(shí)際需求，對(duì)刀刃高度、割刀間距以及收割機(jī)進(jìn)距進(jìn)行綜合判斷，發(fā)揮切割裝置的最大作用。

圖2 曲柄滑塊運(yùn)動(dòng)圖

5 三維建模

建模工作應(yīng)圍繞往復(fù)切割機(jī)中傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及切割器兩部分進(jìn)行，建模依靠往復(fù)式切割裝置的特征組成以及不同特征之間的關(guān)系進(jìn)行建立[4]。模型建立過(guò)程中能將動(dòng)刀片與動(dòng)刀組進(jìn)行連接，連接方式采用鉚合的方式，并且還應(yīng)在切割器傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)下，對(duì)動(dòng)刀桿進(jìn)行帶動(dòng)，完成反復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成切割、收割工作。

6 運(yùn)動(dòng)分析

往復(fù)切割機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況以及運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)等會(huì)對(duì)其運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)路徑、運(yùn)動(dòng)加速度等產(chǎn)生較大的影響，并成為體現(xiàn)往復(fù)切割機(jī)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的重要影響因素，是設(shè)計(jì)工作人員在實(shí)行切割裝置設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵工作所在[5]。使用CREO運(yùn)動(dòng)仿真學(xué)進(jìn)行分析，能對(duì)聯(lián)合收割機(jī)往復(fù)切割裝置的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行仿真，仿真過(guò)程如下：根據(jù)反復(fù)切割機(jī)的設(shè)計(jì)情況，對(duì)其進(jìn)行分析，確定參數(shù)，對(duì)其實(shí)際工作情況予以模仿，檢查工作過(guò)程，得到其運(yùn)動(dòng)特征以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律；在對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行總結(jié)的過(guò)程中對(duì)其運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行判斷，了解運(yùn)動(dòng)正確性，對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，檢查不同運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，了解其協(xié)調(diào)性，并獲得其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)；根據(jù)檢驗(yàn)以及測(cè)試得出的結(jié)果，對(duì)其各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。完成上述工作后，對(duì)上述工作進(jìn)行重復(fù)，對(duì)數(shù)據(jù)不斷進(jìn)行調(diào)整，直到調(diào)整結(jié)果得到設(shè)計(jì)工作人員滿(mǎn)意為止。

經(jīng)檢測(cè)，該稻麥聯(lián)合收割機(jī)往復(fù)切割裝置中，傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速為500 r/min，半徑為38.3 mm，長(zhǎng)度為58.5 mm。切割機(jī)轉(zhuǎn)換器搖臂長(zhǎng)度能達(dá)到135 mm，在50 mm時(shí)，檢測(cè)出切割機(jī)位移曲線(xiàn)、速度曲線(xiàn)以及加速度曲線(xiàn)。結(jié)合運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果能看出，切割機(jī)割刀的位移、速度以及加速度之間的變化情況均是具有一定規(guī)律性的，結(jié)合數(shù)學(xué)函數(shù)方面的知識(shí)，能將其作為正弦函數(shù)以及余弦函數(shù)看待。上述數(shù)據(jù)均能隨著時(shí)間的變化而產(chǎn)生變化，實(shí)際變化情況與理論結(jié)論得出的結(jié)果一致，并且能更加準(zhǔn)確地反映出切割機(jī)的工作原理。例如：切割器在工作中，割刀的速度是在不斷變化的，因而能通過(guò)下述公式，對(duì)割刀的速度進(jìn)行反映。因此，可以按照如下公式計(jì)算：V=2Sn/60=rn/15 m/s，其中r表示曲柄半徑，n表示曲柄轉(zhuǎn)速，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)型切割器S約等于2r=76.2 mm，所以可以得到結(jié)論：V=2.54n mm/s。

結(jié)合上述計(jì)算，可得切割裝置平均速度，將其作為割刀運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的平均值。但是實(shí)際切割過(guò)程中，定刀片以及動(dòng)刀片僅能在其規(guī)定的范圍內(nèi)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生規(guī)律性的碰撞以及相遇等。結(jié)合上述情況可知，動(dòng)刀片以及定刀片運(yùn)動(dòng)的速度是往復(fù)切割機(jī)工作過(guò)程中較為重要的影響因素。接下來(lái)借助CREO軟件，對(duì)定刀片與動(dòng)刀片之間的位置關(guān)系以及速度關(guān)系進(jìn)行判斷。假設(shè)定曲柄從0°轉(zhuǎn)變到180°時(shí)，能將速度曲線(xiàn)看作是圓弧曲線(xiàn)，當(dāng)曲柄角度轉(zhuǎn)移后，割刀能完成從左至右的運(yùn)動(dòng)，刀刃能完成切割工作。在這一過(guò)程中，割刀的運(yùn)動(dòng)速度能達(dá)到VE。當(dāng)曲柄持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，到達(dá)最左端的時(shí)候，割刀則繼續(xù)向右運(yùn)轉(zhuǎn)，到達(dá)最右端，并與定刀片相遇，完成切割工作，這時(shí)對(duì)應(yīng)的速度為VF。按照上述運(yùn)轉(zhuǎn)方式能看出，速度的計(jì)算有且只有一個(gè)近似值，當(dāng)運(yùn)動(dòng)機(jī)制較為復(fù)雜的時(shí)候，則會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。結(jié)合CREO軟件中的運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行分析，能對(duì)軟件功能進(jìn)行細(xì)致分析，得出較為準(zhǔn)確的速度值，為設(shè)計(jì)人員的工作情況提供較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)工作的開(kāi)展奠定基礎(chǔ)[11-15]。

7 結(jié)論

使用CREO軟件，對(duì)小型稻麥聯(lián)合收割機(jī)的切割裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析其參數(shù)、結(jié)構(gòu)、切割速度等，能使計(jì)算結(jié)果更加合理，加快切割速度，提升切割效果，使其滿(mǎn)足切割器的要求。將CREO軟件設(shè)計(jì)下的切割機(jī)與傳統(tǒng)的切割機(jī)進(jìn)行比較。在CREO軟件設(shè)計(jì)下的切割機(jī)設(shè)計(jì)工作更加便捷，能對(duì)各種設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行精確處理，能通過(guò)CREO軟件中的仿真運(yùn)動(dòng)種植將切割運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)表現(xiàn)出來(lái)，并將切割機(jī)切割裝置的運(yùn)動(dòng)特征更加準(zhǔn)確地表現(xiàn)出來(lái)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員能借助CREO軟件，不斷對(duì)其設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整，使其設(shè)計(jì)效果不斷優(yōu)化，形成更優(yōu)的切割裝置設(shè)計(jì)方案，為今后切割裝置的設(shè)計(jì)工作提供技術(shù)上的支持。利用CREO軟件，能制作數(shù)字化模型，并合理運(yùn)用切割裝置的運(yùn)動(dòng)特性以及仿真裝置，減少設(shè)計(jì)過(guò)程中人力、財(cái)力以及物力的浪費(fèi)，減少產(chǎn)品調(diào)試所需時(shí)間，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，并節(jié)約設(shè)計(jì)成本，在企業(yè)設(shè)計(jì)應(yīng)用過(guò)程中取得了較好的效果。