大豆收獲機械切割機構虛擬設計與仿真分析

袁玲合，謝　詢，史景釗

(河南農業大學 機電工程學院，鄭州　450002)

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大豆收獲機械切割機構虛擬設計與仿真分析

袁玲合，謝詢，史景釗

(河南農業大學 機電工程學院，鄭州450002)

摘要：針對于大豆收獲機械的特點，采用SolidWorks軟件對其切割機構進行虛擬設計，將模型導入ADAMS軟件中進行運動學仿真，并采用離散柔性連接件法構建大豆莖稈柔性模型，與切割機構進行聯合仿真。仿真結果表明：動刀片的絕對運動為復合運動，在切割方向做往復運動，行程為76mm，最大速度為1.72m/s，證明所設計切割機構的運動狀態與物理樣機相符，滿足設計要求；得到了大豆莖稈在切割機構作用下的一系列運動曲線，為大豆收獲機械切割機構進一步的改進和優化設計提供了參考。

關鍵詞：大豆收獲機械；切割機構；虛擬設計；仿真分析

0引言

黃淮海大豆區種植面積266.7×104hm2,占全國的30%，產量占全國30%以上[1]。但是，該地區種植規模相對較小、地塊不集中，大豆生長收獲作業工序大都采用半機械化人工作業，程序多、勞動強度大，現有收獲機械以小型居多，結構簡單、機具類型多、自動化程度低，配套的機具不能很好的完成工作，很容易造成財力和勞動力的浪費。隨著農業土地流轉的加快、農業勞動力的轉移，急需研制出與該區域種植模式相適應的大豆全程生產機械化配套機具。但是，考慮到農業機械的復雜性且工作對象為大豆，采用傳統的設計方法并不能快速準確地得到機器在工作時的運動狀態。所以，從設計手段上出發，采用虛擬設計的方法，對大豆聯合收獲機械的切割機構進行了設計，并且實現了大豆聯合收獲切割機構在實際工作狀態下的仿真，便于對其性能進行評估、改進并進行優化[2]，不僅可提高開發速度、降低研發周期，而且可以達到降低研發成本，節省人力、物力的目的。

1切割機構的設計

切割機構的作用是將大豆莖稈切斷，由切割器和割刀驅動裝置組成。驅動裝置將動力傳遞給割刀，同時將圓周運動改變為往復式直線運動，驅動割刀。大豆收獲機械多采用往復式切割器，該裝置是利用動刀片相對于安裝在護刃器上的定刀片做往復切割運動，在作業時動刀片與定刀片組成剪切副，通過剪切作用將大豆的莖稈切斷。

1.1　往復式切割器的設計

往復式切割器主要是由動刀片、定刀片、護刃器、刃器、摩擦片及刀桿等組成的。根據《GB/T 1209-2009 農業機械 切割器》的設計要求，選用國標Ⅱ型切割器(見圖1)，則往復式切割器行程S為76mm[3]。

圖1?、蛐颓懈钇?/p>

1.2　割刀驅動裝置

一般的谷物聯合收獲機械上能實現往復運動的傳動機構有曲柄連桿機構、擺環機構、行星齒輪機構、雙曲柄機構和雙飛輪機構等。擺環機構具有結構緊湊、噪聲小及穩定的特點[4]，本設計選用擺環機構作為往復式割刀的驅動機構。

擺環機構是通過裝在主軸上的擺環，將回轉運動經擺軸轉變為往復運動的一種機構。擺環機構由主軸、擺環、擺叉、擺軸、擺臂和連桿組成，結構如圖2所示。在主軸的中部有一個斜軸，斜軸上裝有軸承，帶雙銷軸的擺環套在軸承外部，擺叉與雙銷軸鉸接。主軸軸線、擺環軸線和擺叉軸線相交于O點；當主軸旋轉時，擺環不轉，而繞其中心點O做空間運動，擺環銷軸的軸線與垂線傾斜角稱為擺角α。本文選取α=15°[5]。

1.主軸　2.擺環　3.擺叉　4.擺軸　5.擺臂　6.連桿　7.割刀

利用SolidWorks軟件對切割器和擺環機構的各個部件進行三維實體設計，然后將各個部件裝配之后得到切割機構的三維模型，并對模型進行檢查，確認無干涉。其三維模型如圖3所示。

1.切割器　2.擺環箱

2切割機構仿真與分析

將在SolidWorks中建立的裝配模型調整好坐標系，輸出為Parosolid格式文件，再導入到Adams軟件中，在Adams中對其進行運動仿真。

1) 添加約束：對ADAMS的切割機構模型各部件進行材料屬性定義并添加約束，約束情況如表1所示。

2)模型驗證：仿真之前，利用ADAMS軟件對虛擬樣機進行模型驗證，以保證所建模型的正確性。顯示結果為模型驗證成功。

表1　約束情況

3) 施加驅動：在“Jiont_3“處添加旋轉驅動，在“Joint_14“處添加移動驅動，如圖4所示。本文選擇擺環主軸轉速為400r/min,前進速度為0.8m/s，設定仿真時間為0.15s，這樣能夠實現擺環機構1個周期內的運動。

圖4　添加好約束和驅動的虛擬樣機

4) 結果：仿真結束之后，從后處理模塊中繪制和輸出動刀片的仿真結果。在切割方向上位移、速度、加速度曲線如圖5所示，動刀片的運動軌跡如圖6所示。

圖5 動刀片在切割方向的仿真曲線

圖6　動刀片運動軌跡

如圖5、圖6所示：動刀在運動過程中，既要做勻速前進的直線運動，又要沿著機架做直線往復運動，故動刀的絕對運動是一種復合運動。圖5中，動刀在切割方向上往復運動過程中，其速度、加速度，位移都為一簡諧運動。當割刀運動到左右極限位置時，割刀的速度0mm/s，0.032 5s和0.112 5s時速度達到最大值1.72m/s。0～0.075s時，割刀向Z軸的負方向運動；0.075s時，割刀運動到左極限位置，達到了最大位移76mm，此時，加速度達到最大值；0.075～0.15s，動刀向Z軸正方向做回復運動。如此反復，便組成割刀在1個周期內的運動過程。動刀仿真情況符合實際運動規律，而且割刀位移76mm符合其選取的參數，所以證明此虛擬樣機仿真正確。

3大豆莖稈模型的建立

收獲機械的虛擬樣機進行運動仿真時，為了得到大豆須考慮到切割機構與大豆莖稈發生的相互作用。首先在ADAMS軟件中建立大豆莖稈的虛擬模型，再通過此模型建立其與大豆收獲機械切割機構的約束，才能得到大豆收獲機械切割機構的性能參數[6]。

3.1　大豆莖稈的創建

大豆莖稈是節狀的，秸稈密度大且比較直，大豆莖稈受到切割器的作用時會產生變形，為保證大豆莖稈模型與真實情況相符，采用離散柔性連接件法把大豆莖稈模型作為可以變形的柔性體處理。離散柔性連接件法直接將剛性件分成多個小件，每個小件之間用柔性梁進行連接，每段小件其實是一個獨立的剛性構件，可以對其信息進行編輯[7]。

成熟期大豆莖稈的莖粗為5.87mm，平均株高為84.92cm，平均彈性模量為564.7MPa，密度為3.37×10-5kg/mm3，泊松比為0.33[8]。在建立大豆莖稈模型時將莖稈模型簡化為圓柱形，然后編輯其材料屬性。利用離散柔性連接件法構建大豆莖稈模型，將莖稈離散為15節以便于后期處理與分析，選擇“Build︱Flexible Bodies︱Discrete Flexible Link”菜單項，彈出創建離散柔性連接的“Discrete Flexible Link”對話，在相應的對話框中輸入大豆莖稈參數，完成了大豆莖稈的柔性模型。

3.2　大豆莖稈與大地之間約束添加

由于大豆莖稈生長在土地上，依靠其根部與地面固定。在進行仿真時，需要建立大豆莖稈與大地之間的約束關系，以保證能夠得到合理的仿真結果。在ADAMS軟件中，有兩種約束與大豆莖稈和大地的連接方式比較相似，分別是軸套力和球形鉸鏈約束。其中，軸套力是針對于柔性連接的，其參數的設置包括6個剛度系數和6個阻尼系數?？紤]到本文建立的大豆莖稈是柔性連接的，決定采用軸套力來定義大豆莖稈和大地之間的關系。

軸套力的施加方法如下：點擊“Build-Forces”選擇軸套力；在設置欄里選擇軸套力的定義方式“2Bodies_1Location”。“2Bodies”分別指的是“flex_dadoujinggan_elem1”和“ground”，“1Location”指的是“Marker_1”，確定大豆莖稈與大地之間的連接參數，并將其輸入相應的對話框中。大豆莖稈模型如圖7所示。

圖7　大豆莖稈模型

4切割機構和大豆莖稈聯合仿真

切割機構在對大豆莖稈進行切割工作時，動刀片與定刀片之間的剪切作用將莖稈切斷。動刀片和定刀片首先要夾住或咬住莖稈，不致滑脫，保證能夠進行穩定的剪切。為了仿真大豆莖稈被切割的過程，分別在定刀片與莖稈、動刀片與莖稈之間添加碰撞接觸。

碰撞接觸的施加方法如下：點擊“Build-Forces”選擇碰撞接觸；在設置欄里選擇其定義方“2bodies_1Location”?！?Bodies”分別指的“flex_dadoujinggan_elem1”和動、定刀片, 在相應的對話框中輸入參數[9]。

設定仿真時間為0.047s，為了便于軟件對仿真過程進行計算，設置仿真步數為100步，在后處理界面中繪制出“flex_dadoujinggan_elem1”的X、Y、Z軸位移，如圖8~圖10所示。

圖8　dadoujinggan_elem1 X軸位移曲線

圖9　dadoujinggan_elem1 Y軸位移

圖10　dadoujinggan_elem1 Z軸位移

由圖8~圖10可知:在仿真過程中，動刀片與莖稈flex_dadoujinggan_elem1從0.014s開始接觸，大豆莖稈在動刀片沖擊下向定刀片處移動；在0.038s時，莖稈接觸定刀片，受到定刀片與動刀片擠壓，莖稈沿定刀片刃產生微小滑動位移；在0.046s時，莖稈x軸位移和y軸位移達到最大，動刀片與莖稈發生碰撞擊穿，大豆莖稈一次性被切斷。

5結論

采用三維建模軟件SolidWorks建立了大豆收獲機切割裝置實體模型，將其導入仿真軟件ADAMS中進行運動學仿真，并用離散柔性連接件法構建大豆莖稈模型，建立大豆莖稈與地面之間的約束，分別在動刀片與莖稈、定刀片與莖稈之間添加碰撞接觸，對大豆莖稈被切割的過程進行仿真。

仿真結果表明：動刀片的絕對運動為前進運動和切割方向往復運動所形成的復合運動。由其在切割方向的位移、速度、加速度變化曲線可知：動刀片行程為76mm，最大切割速度為1.72m/s，符合設計要求。在仿真大豆莖稈被往復式切割裝置切割的過程中，觀察到大豆莖稈一次性被切斷，并得到了大豆莖稈在受到切割時的各方向的位移變化曲線，為切割裝置的設計提供了依據。

參考文獻：

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[3]GB/T1209-2009,農業機械切割器[S]. 北京：中國標準出版社,2009.

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[6]明哲.基于ADAMS的玉米收割機主要部件仿真分析[J].農機化研究,2014，36(10):33-37.

[7]李增剛.ADAMS2012虛擬樣機技術從入門到精通[M].北京:清華大學出版社,2013.

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[9]安雪斌,潘尚峰.多體系統動力學仿真中的接觸碰撞模型分析[J].計算機仿真,2008,25(10):98-101.

Virtual Design and Simulative Analysis of the Cutting Mechanism of Soybean Harvest Machinery

Yuan Linghe， Xie Xun， Shi Jingzhao

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Agricultural University of Henan，Zhengzhou 450002，China)

Abstract：In view of the characteristics of the soybean harvest machinery, The SolidWorks software was used to virtual design of the cutting mechanism of the soybean harvest machinery.The model was exposed into the ADAMS software for the kinematics simulation.The method of discrete flexible link is used to build a flexible model of soybean stalk, then jointing simulation with cutting mechanism.Through the analysis of simulation results,absolute motion of the cutter blade is a compound motion.It does reciprocating motion in cutting direction, its stroke is 76mm and the maximum speed is 1.72m/s, proving that the motion state of the designed cutting mechanism is consistent with the physical prototype and meets the design requirements.From the results,a series of motion curves of soybean stalk under the action of cutting mechanism are got, providing the reference for further improvement and optimization design of the cutting mechanism of soybean harvest machinery.

Key words：soybean harvest machinery； cutting mechanism； virtual design； simulative analysis

中圖分類號：S225.6

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0076-05

作者簡介：袁玲合(1990- )，男，河南信陽人，碩士研究生，(E-mail)linghe_y@126.com。通訊作者：史景釗(1963-)，男，河南柘城人，副教授，碩士生導師，(E-mail)haujingzhao@126.com。

基金項目：公益性行業(農業)科研專項(201303011—4)

收稿日期：2015-10-04