收獲機械切割機構(gòu)的仿真分析

謝飛　尹洋

摘要：簡述切割機構(gòu)組成部分與工作原理，對其進行運動學(xué)分析。探討擺環(huán)安裝位置對切割機構(gòu)實際生產(chǎn)加工和裝配帶來的困難。通過Solidworks參數(shù)化設(shè)計和Adams機構(gòu)仿真，對理論計算進行驗證。同時，對切割機構(gòu)的設(shè)計提供了一種方法，簡化了機構(gòu)的設(shè)計過程，縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)周期。

關(guān)鍵詞：擺環(huán)；收割機；仿真；Adams

中圖分類號： S225 文獻標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）10-0474-02

小型聯(lián)合收割機是集切割、輸送、脫粒、分選、裝袋等功能為一體的谷物收獲機械 。在機器整個收獲過程中，切割機構(gòu)是實現(xiàn)切割功能的重要部件，主要由切割器和驅(qū)動裝置兩大部分組成。小型聯(lián)合收割機使用往復(fù)式切割器較為廣泛，部分型號尺寸已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。在選用不同種的切割器時，其往復(fù)行程也不同，主要考慮驅(qū)動機構(gòu)與割刀行程要相適應(yīng)。驅(qū)動裝置可分為曲柄連桿、曲柄滑塊、擺環(huán)機構(gòu)3類，其中曲柄連桿和擺環(huán)機構(gòu)運用最廣泛。往復(fù)式割刀及其傳動機構(gòu)的慣性力會導(dǎo)致機器的振動和轉(zhuǎn)速不均勻，因此對轉(zhuǎn)速較高的收割機而言應(yīng)該考慮慣性力平衡問題。曲柄連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，但整體的質(zhì)量較大，在高速運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生較大的慣性力，對機器工作時的穩(wěn)定性影響較大。而實現(xiàn)同樣驅(qū)動功能的擺環(huán)機，結(jié)構(gòu)相對緊湊，占空間小，連桿長度小，質(zhì)量輕，產(chǎn)生慣性力小，在傳動平穩(wěn)性、結(jié)構(gòu)方面優(yōu)于曲柄連桿機構(gòu)。擺環(huán)機構(gòu)是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為往復(fù)運動，其運動過程較為復(fù)雜，在設(shè)計、制造和裝配的過程中，實現(xiàn)部件間的準(zhǔn)確連接和正常工作比較困難。對切割機構(gòu)建立仿真分析，能夠準(zhǔn)確反映其工作原理和工作過程，為建立實驗虛擬樣機奠定了基礎(chǔ)。

1 擺環(huán)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點和工作原理

擺環(huán)機構(gòu)安裝在聯(lián)合收割機的割臺部分，將主軸的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為往復(fù)運動來驅(qū)動割刀進行切割。擺環(huán)機構(gòu)主要由主軸（1）、擺環(huán)（2）、擺叉（3）、擺軸（4）、擺臂（5）、導(dǎo)桿（6）和割刀（7）組成 （圖1）。

主軸通過2個軸承裝在機架上，前面半軸與擺環(huán)的旋轉(zhuǎn)中心重合，且旋轉(zhuǎn)面與半軸垂直。前半軸與x軸夾角成α，主軸、擺叉和擺臂三者相交于一點，擺軸也和主軸垂直，且割刀與主軸平行。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動180°時擺環(huán)繞中心作球面運動，裝配在主軸上的擺環(huán)轉(zhuǎn)到關(guān)于yoz的對稱位置，與原位置夾角為2α，從而使擺軸轉(zhuǎn)動一個角度。擺軸再帶動擺臂作擺動，連接在割刀上的導(dǎo)桿驅(qū)動刀片作往復(fù)運動，形成切割運動。完成了從輸入旋轉(zhuǎn)運動到輸出往復(fù)運動的整個過程。

2 切割機構(gòu)的運動特性

2.1 擺環(huán)機構(gòu)的運動學(xué)分析

擺環(huán)與主軸所成角度為90°-α，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動時，裝在擺環(huán)里的軸承會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，擺環(huán)與主軸會發(fā)生相對運動，彎軸會以O(shè)為頂點旋轉(zhuǎn)形成圓錐面，擺環(huán)做球面運動，擺環(huán)與擺叉為鉸鏈連接，二者可以相對運動，擺叉與擺軸又是剛性連接，擺軸上裝有滾動軸承連接在機架上，擺軸只發(fā)生轉(zhuǎn)動。將擺環(huán)分別投影到y(tǒng)oz和xoz這2個平面上（圖2），

設(shè)初始位置擺環(huán)圈與yoz面垂直，擺環(huán)在上面的投影為直線DD′，與z軸的夾角為α，長度為2R。同時在xoz面上投影為1個橢圓，長軸為2R，短軸為2Rcosα。當(dāng)擺環(huán)旋轉(zhuǎn)180°時，在yoz面上的投影為直線BB′，與DD′關(guān)于CC′對稱。設(shè)橢圓上有一點M，主軸轉(zhuǎn)過角度θ=ωt后到A點位置，對應(yīng)到y(tǒng)oz面上，其投影為A′A。此時擺叉轉(zhuǎn)過的角度α-ζ=α-arccos11+tan2αcos2ωt；由參考文獻[4]可知，割刀位移x=-rcosωt×1cosα1+tan2αcos2ωt，割刀速度v=ωrsinωt×1cos（1+tan2αcos2ωt）3/2，割刀加速度a=ω2cosωt×1+3tan2α-2tan2αcos2ωtcosα（1+tan2αcos2ωt）5/2。其中，r為擺臂長度，ω為主軸轉(zhuǎn)動角速度，α為擺環(huán)角。

2.2 切割速度約束條件

由于收割機切割作業(yè)時，刀片的切割速度與收割機行進的速度、割幅、喂入量等因素是相互關(guān)聯(lián)的，因此必須根據(jù)具體的工作條件選擇合適的切割速度。通常收割機的喂入量q、割幅B、作業(yè)速度vm有如下關(guān)系式：vm=qCBM（1+1/β），其中，C為常數(shù)，當(dāng)單位以t/hm2計算時，C=10；β為谷草比，為已割作物中谷粒與莖稈的質(zhì)量比；M為作物單位面積產(chǎn)量。當(dāng)其他條件相同時，動刀片的切割速度通常與收割機的作業(yè)速度vm成正比，因此刀片的切割平均速度vp可根據(jù)vm來選擇，即vp=βg·vm，其中βg為收割機的切割比，通常是由收割作業(yè)的種類和收割機的型號來決定。

3 機構(gòu)的三維建模

在小型聯(lián)合收割機中，一般先確定割臺尺寸和傳動路線簡圖，所以在設(shè)計割臺傳動部分時，擺環(huán)機構(gòu)中的擺桿和擺臂長度應(yīng)該與割臺尺寸相吻合，當(dāng)主軸與割刀的初始安裝位置確定后，需要對其他連接部分進行設(shè)計裝配，再通過運動仿真來模擬并驗證其結(jié)構(gòu)尺寸準(zhǔn)確性。

由于該收割機是小型聯(lián)合收割機，其割幅為1.3 m，喂入量為1.0 kg/s，其作業(yè)速度為0.8 m/s；一般聯(lián)合收割機中，βg=0.75～1.2，其切割平均速度vp=0.6～0.96 m/s。擺環(huán)軸角度越大，割刀的慣性力越大。當(dāng)擺環(huán)軸角度α=15°時，擺環(huán)機構(gòu)帶動割刀運動規(guī)律與采用曲柄連桿機構(gòu)帶動所得到的結(jié)果最為接近，所以此角度也是一個最佳取值 （圖3）。

Adams具有強大的運動學(xué)仿真和分析功能，但在三維建模部分比較薄弱；因此機構(gòu)的三維建模采用Solidworks，先分別設(shè)計出各個零件的結(jié)構(gòu)和尺寸，再將所有的零件裝配成型。然后把整個機構(gòu)的裝配體一并倒入到Adams當(dāng)中，此時裝配的關(guān)系已經(jīng)丟失，只需分別再對各個零件添加約束和運動副，最后再進行裝配檢測即可以完成割刀在Adams當(dāng)中的仿真準(zhǔn)備。

4 切割機構(gòu)的仿真與分析

根據(jù)收割機的傳動比，可以計算出主軸的轉(zhuǎn)速為 500 r/min，在Adams中添加驅(qū)動電機并設(shè)置其轉(zhuǎn)速，進行機構(gòu)運動仿真，可以觀察到割刀動刀片會做往復(fù)運動。此時分析動刀片的運動規(guī)律。

從圖4中可以看出割刀在x軸上的移動變化特性，其行程為50 mm，在x軸做周期為0.12 s的往復(fù)簡諧運動，滿足設(shè)計最初設(shè)計行程要求。圖5是割刀在x方向上的速度變化曲線，可以看出割刀在往復(fù)運動完成1次切割時，割刀的位移速度變化范圍在-1.4～1.4 m/s之間，割刀的平均速度為0856 m/s，能夠滿足切割要求。圖6是割刀的加速度變化曲線，可以看出其加速度變化范圍是-69.7～69.7 m/s2。對照以上圖4、圖5、圖6，可以看出當(dāng)割刀的行程達到一半時，此時的速度最大，加速度為0；而在割刀行程最大時，其速度為0，但加速度最大。

5 結(jié)論

計算機輔助設(shè)計為現(xiàn)在的產(chǎn)品研發(fā)極大地降低了成本，同時縮短了研發(fā)周期。通過三維軟件的建模，使實際產(chǎn)品虛擬化；再通過虛擬裝配技術(shù)，將各個零件裝配在一起；最后采用仿真技術(shù)，設(shè)置與現(xiàn)實工作狀況相似的條件，并測試其重要參數(shù)條件，并與設(shè)計參數(shù)進行對比；反復(fù)調(diào)試模型參數(shù)，達到合理的成品。為實際生產(chǎn)活動提供了一種可靠性高、成本低的有效研發(fā)途徑。

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