基于Creo Parametric的新型防堵裝置運動仿真

盧彩云，孟志軍，王　秀，武廣偉，李立偉

(1. 北京農業智能裝備技術研究中心，北京　100097；2.國家農業智能裝備工程技術研究中心，北京　100097；3.農業智能裝備技術北京市重點實驗室，北京　100097；4.農業部農業信息技術重點實驗室，北京100097；5.北京農業信息技術研究中心，北京　100097)

?

基于Creo Parametric的新型防堵裝置運動仿真

盧彩云1,2,3,4,5，孟志軍1,2,3,4，王秀1,2,3,4，武廣偉1,2,3,4，李立偉1,2,3,4

(1. 北京農業智能裝備技術研究中心，北京100097；2.國家農業智能裝備工程技術研究中心，北京100097；3.農業智能裝備技術北京市重點實驗室，北京100097；4.農業部農業信息技術重點實驗室，北京100097；5.北京農業信息技術研究中心，北京100097)

摘要：結合被動式防堵裝置和動力驅動式防堵裝置的優缺點，開發了一種新型的滑板壓稈旋切式防堵裝置，并分析了該防堵裝置的結構和工作原理。同時，采用Creo Parametric軟件建立了三維幾何模型，并通過Creo Parametric軟件的機構模塊對關鍵部件進行了干涉和運動仿真分析。通過分析確保該裝置各部件之間不存在干涉，并得到其關鍵部件旋切平面刀端點的速度、速度X方向分量、速度Y方向分量及加速度、加速度X方向分量和加速度Y方向分量隨時間的變化規律，旨在為滑板壓稈旋切式防堵裝置的結構優化提供科學依據。

關鍵詞：滑板壓稈旋切式防堵裝置；干涉分析；運動仿真；Creo Parametric

0引言

小麥和玉米是華北一年兩熟區的主要糧食作物，6月份小麥收獲后播種玉米，10月份玉米收獲后播種小麥，作物產量高、秸稈量大，耕地休閑期短。進行免耕作業時，由于大量秸稈的存在，必須采用合適的防堵裝置[1-5]對秸稈進行處理，才能保證開溝器順利通過而避免堵塞。目前，免耕防堵裝置主要有被動式防堵裝置和動力驅動式防堵裝置兩種。被動式防堵裝置主要用于處理秸稈量比較小的地塊，典型的有免耕播種機彈齒式防堵裝置[6]、少耕覆蓋播種機[7]、多梁式高地隙小麥免耕播種機[8]及齒輪撥草型免耕覆蓋精播機[9]；動力驅動式防堵裝置主要用于處理秸稈量較大的地塊，如動力甩刀式免耕播種機[10]、免耕播種機組合型鋸切防堵裝置[11]、帶狀粉碎免耕播種機[12]及斜置驅動圓盤免耕防堵裝置[13]等。被動式防堵裝置結構簡單，但防堵能力有限；動力驅動式防堵裝置防堵能力強，但刀軸轉速高，機器振動噪音大，安全性能差。

滑板壓稈旋切式防堵裝置[14-15]是結合被動式防堵裝置和動力驅動式防堵裝置的優點開發的一種新型的防堵裝置。該裝置采用支撐切割方式切斷秸稈，刀具切割速度小、功耗低。為探討該裝置各組成部件運動規律，采用Creo Parametric軟件對滑板壓稈旋切式防堵裝置關鍵部件進行三維建模，并采用Creo Parametric軟件的機構模塊進行運動仿真分析；在檢測裝置是否干涉的同時，可以直觀、形象地觀測和分析各部件運動，為進一步優化裝置參數提供理論參考。

1結構及工作原理

滑板壓稈旋切式防堵裝置主要由機架、齒輪箱、三點懸掛、旋轉軸、旋切平面刀、滑板、刀輥、固定座、轉動塊和彈簧限位桿等組成，如圖1所示。

1.三點懸掛裝置　2.機架　3.旋轉軸　4.滑板

工作原理是：旋切平面刀高速旋轉至秸稈處時切割秸稈，此時滑板壓住秸稈，形成有支撐切割。切割完成后，旋切平面刀繼續旋轉，此時由于滑板有向下壓的作用，秸稈無法隨旋切平面刀向后上方飛濺，但存在向后上方運動的趨勢；在秸稈重力作用下，秸稈慢慢回落至地面，然后沿滑板與土壤之間的空隙流向后方。該裝置的關鍵部件是旋切平面刀和滑板。

2運動仿真及結果分析

采用Creo Parametric對滑板壓稈旋切式防堵裝置進行三維實體模型，然后導入機構模塊中進行運動仿真，能夠檢測出各部件之間是否存在干涉，并可通過模擬關鍵部件的運動，研究關鍵部件上作用點的運動軌跡及在不同時刻的位置、速度、加速度等參數。在Creo Parametric中進行運動仿真流程如圖2所示。

圖2　在Creo Parametric中運動仿真流程圖

2.1　幾何建模

根據滑板壓稈旋切式防堵裝置各部分具體結構尺寸，按照1:1的比例分別用Creo Parametric建立三維實體部件圖，然后根據各部件之間連接關系進行裝配，如圖3所示。

保護性耕作要求盡量減少耕作，因此選擇旋切平面刀作為秸稈切割部件。旋切平面刀切削面結構采用阿基米德螺旋線。旋切平面刀側切刃曲線的極坐標方程為

Rn=R0+kθ(θmin≤θ≤θmax)

(1)

式中Rn—旋切平面刀任意點回轉半徑(mm)；

R0—側切刃起點的回轉半徑(mm)；

k—極角每增加1rad回轉半徑的增量(mm)；

θ—側切刃上任意點的極角(rad)；

θmax—最大回轉半徑對應的極角(rad)；

θmin—最小回轉半徑對應的極角(rad)。

正切刃曲線方程為

(2)

式中R1—側切刃最大回轉半徑(mm)；

φ—正切刃上任意點的極角(rad)；

φmax—正切刃上最大回轉半徑對應的極角(rad)；

β—彎折角(rad)。

根據田間試驗條件，選擇旋切平面刀的回轉半徑為225mm，由公式(1)和公式(2)建立旋切平面刀模型。

滑板由弧形板和平面板兩部分組成。其中，滑板幾何參數包括弧形板與水平面夾角、平板長度、滑板厚度和寬度等，根據小麥播種行距及與旋切平面刀相對位置等條件確定。

圖3　滑板壓稈旋切式防堵裝置三維實體模型

2.2　運動建模

將滑板壓稈旋切式防堵裝置三維實體模型導入Creo Parametric機構模塊中。在Creo Parametric機構模塊中對旋切平面刀的運動仿真主要通過以下幾個步驟進行：①單擊齒輪，分別建立齒輪箱輸入軸與輸出軸、齒輪箱輸出軸與刀軸之間的嚙合關系，為使運動結構簡單，此處設置各齒輪齒數相同。②單擊伺服電動機，選取齒輪箱輸入軸為運動軸，定義電動機轉速為320r/min，即旋切平面刀的旋轉速度。③單擊機構分析，對旋切平面刀進行運動分析，類型選擇運動學，設定好運行時間點擊運行即可看到旋切平面刀的運動過程，并保存運行結果。④單擊回放，選擇碰撞檢測設置的全局碰撞檢測，并選擇碰撞時鈴聲警告和碰撞時停止動畫回放，點擊確定并運行即可檢測部件之間是否存在干涉。若存在干涉，可根據提示對裝置結構進行改善，直至干涉完全消除。⑤在保證裝置各部件之間無干涉的基礎上，單擊生成分析的測量結果，選擇裝置任意點可對該點進行位置、速度、加速度等信息的測量并輸出分析結果。

2.3　結果分析

1)干涉檢測過程中，沒有發出鈴聲警告，且沒有停止動畫回放，表明該裝置各部件之間不存在干涉，結構設置合理。

2)對旋切平面刀的端點進行測量得到其3s內的速度-時間、速度x方向-時間、速度y方向-時間、加速度-時間、加速度x方向-時間和加速度y方向-時間的特性曲線，如圖4～圖9所示。

圖4　速度-時間特性曲線

圖5　速度x方向-時間特性曲線

圖6　速度y方向-時間特性曲線

圖7　加速度-時間特性曲線

圖8　加速度x方向-時間特性曲線

圖9　加速度y方向-時間特性曲線

由圖4～圖6可以看出：旋切平面刀端點速度在x方向、y方向的分量與時間呈正弦分布，而總速度為恒定值。由圖7～圖9可以看出：旋切平面刀端點加速度在x方向、y方向的分量也與時間呈正弦分布，其加速度為恒定值。對旋轉部件的理論分析可知，以上結果是合理的。通過Creo Parametric進行運動分析，可以檢測出研究對象之間是否存在干涉，而且能夠直觀形象地獲得研究對象的運動參數和變化趨勢，為研究對象的設計提供理論依據。

3結論

1) 對滑板壓稈旋切式防堵裝置進行設計，并根據旋切平面刀和滑板的幾何參數，利用Creo Parametric軟件建立了滑板壓稈旋切式防堵裝置三維幾何模型。

2) 應用Creo Parametric軟件的機構模塊對滑板壓稈旋切式防堵裝置進行運動仿真，干涉分析結果表明：各部件之間不存在干涉，結構設置合理。

3) 運動仿真同時得到了轉速320r/min時旋切平面刀端點的速度、速度X方向分量、速度Y方向分量及加速度、加速度X方向分量和加速度Y方向分量隨時間的變化規律。

參考文獻：

[1]張喜瑞,李洪文,何進,等.小麥免耕播種機防堵裝置性能對比試驗[J].農業機械學報,2010,41(2):73-77.

[2]王漢羊,陳海濤,紀文義.2BMFJ-3型麥茬地免耕精播機防堵裝置[J].農業機械學報,2013,44(4):64-70.

[3]范旭輝,賈洪雷,張偉漢,等.免耕播種機仿形爪式防堵清茬機構參數分析[J].農業機械學報,2011,42(10):56-60.

[4]高娜娜,張東興,楊麗,等.玉米免耕播種機滾筒式防堵機構的設計與試驗[J].農業工程學報,2012,28(12):31-38.

[5]Brandelero EM,de Araujo AG,Ralisch R. Soil mobilization and seeding depth by no-till seeder mechanisms for residue management[J]. Engenharia Agricola,2014,34(2):263-272.

[6]趙武云,張鋒偉,吳勁鋒,等.免耕播種機彈齒式防堵裝置[J] .農業機械學報,2007,38(3):188-190.

[7]劉應回,費國勝.少耕覆蓋播種機:中國,CN01222698.X[P].2002-04-10.

[8]高煥文,李洪文,姚宗路.輕型高防堵性能免耕播種機研究[J].中國工程科學,2007(9):15-20.

[9]陳君達,李洪文,高煥文.玉米免耕整稈覆蓋播種機的防堵裝置[J].北京農業工程大學學報,1994,14(3):34-39.

[10]何進,李洪文,王慶杰,等.動力甩刀式小麥固定壟免耕播種機[J]農業機械學報,2011,42(10):51-55.

[11]高煥文,廖慶喜,李洪文.免耕播種機組合型鋸切防堵裝置:中國,CN03264397.7[P].2004-08-04.

[12]張晉國.帶狀粉碎免耕播種機的試驗研究[D].北京:中國農業大學,2001.

[13]馬洪亮.免耕播種機玉米秸稈根茬切斷裝置的研究[D].北京:中國農業大學,2006.

[14]盧彩云,李洪文,何進,等.小麥免耕播種機浮動支撐式防堵裝置[J].農業機械學報,2013,44(12):52-55，153.

[15]盧彩云,何進,李洪文,等.基于有支撐切割原理的免耕防堵裝置有限元分析[J].農業機械學報,2013,44(S1):61-66.

Motion Simulation Analysis on New Anti-blocking Device Based on Creo Parametric

Lu Caiyun1,2,3,4, Meng Zhijun1,2,3,4, Wang Xiu1,2,3,4, Wu Guangwei1,2,3,4, Li Liwei1,2,3,4

(1. Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097, China; 2. National Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097, China; 3. Beijing Key Laboratory of Intelligent Agricultural Equipment and Technology, Beijing 100097, China; 4. Key Laboratory of Agr-Informatics, Ministry of Agriculture, P. R. China, Beijing 100097, China； 5.Beijing Research Centor for Information Technology in Agriculture, Beijing 100097, China)

Abstract：An anti-blocking device of rotary cutting with slide plate pressing straw for no-till planter was designed based on the characteristics of passive and active anti-blocking devices, and the structure and working principle was analyzed. Three-dimensional model of the anti-blocking device was established by Creo Parametric, and analysis of interference and motion were carried out in the mechanism module of Creo Parametric. There was no interference in the anti-blocking device by analysis, and the endpoint motion of rotary blade, such as the speed, the speed in X-direction, the speed in Y-direction, acceleration, the acceleration in X-direction, the acceleration in Y-direction were obtained, which provides scientific basis for structural improvement of Anti-blocking Device of Rotary Cutting with Slide Plate Pressing Straw.

Key words：anti-blocking device of rotary cutting with slide plate pressing straw; interference analysis; motion analysis; Creo Parametric

中圖分類號：S222.2

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)08-0060-04

作者簡介：盧彩云(1986-)，女，河北滄州人，博士，博士后，(E-mail)lucy@nercita.org.cn。通訊作者：孟志軍(1975-)，男，河南信陽人，研究員，博士。

基金項目：農業部“948計劃”項目(2011-G32[5])；北京市農林科學院博士后基金項目(2014002)

收稿日期：2015-09-01