基于CREO小型稻麥聯合收割機切割裝置設計探索*

王海瑞

（鶴壁職業技術學院，河南 鶴壁 458030）

小型稻麥聯合收割機的內部結構較為緊密，體積較小，具有較強的適應能力，更加方便機手操作，并且價格較為低廉，因此，被廣泛地應用于農業種植中。往復式收割裝置是小型稻麥聯合收割機中的重要組件，能根據收割機的整體需求完成收割工作。傳統的設計方式中，收割機的制造多以仿制為主，均需要通過多次反復的測驗才能完成設計工作，在產品研發過程中需要耗費較多的時間以及資金，且產生的效果卻不佳。合理利用CREO軟件開展設計工作[1-10]，則能提升產品的科學性，并減少調試所需時間與資金。

1 CREO軟件

CREO產生于2010年，是美國PTC公司推出的CAD軟件包。該軟件包整合了PTC公司的參數、建模以及三維可視化技術[1]。該軟件是美國PTC公司閃電計劃中所推出的第一個產品，具有較強的可操作性、開放性以及易用性。CREO軟件的出現，解決了機械 CAD領域中未解決的重大問題，其問題解決方案較為新穎，具有交互性，能應用于機械設計程序中，并能為設計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展、可配置建模、2D概念設計、ECAD-MCAD協作擴展、鋼結構設計專家、塑膠模具專家、沖壓模具專家等模塊。目前，CREO軟件已經更新至3.0版本，集成多種應用程序，功能性強大，覆蓋面積廣，能獨立應用2D、3D、CAD進行建模，實現可視化的功能，并且還能讓工作人員輕松獲取到建模中的數據，克服以往CAD使用環境中的可用性以及裝配管理關聯挑戰。

2 主要參數

往復切割裝置主要由定刀片以及動刀片共同作用，實現對小麥以及水稻的切割工作[2]。參數中，將割刀移動速度看作v，切割過程中切割機的移動路徑為s，動刀片之間的距離為t，定刀片之間的距離為t0，切割機在進行切割作業的過程中，必須克服一定的阻力，才能完成對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，在切割過程中，如果切割力度過小或者速度過慢，則可能會導致切割過程中產生莖稈彎折等情況，影響水稻、小麥收割質量。因此，往復切割裝置中的割刀在運行過程中必須具備一定的速度，并且保持適當的切割力度，才能有效提升切割效果。從實際收割經驗來看，小型稻麥切割機中割刀的速度應達到1 m/s～2 m/s，才能實現有效切割。根據靜力學條件能判斷，定刀片以及動刀片之間的夾角不能超過在切割稻麥過程中產生的摩擦力之角。一般情況下，稻麥根莖與切割機產生的摩擦力之角的和為38°，故在這一過程中，動刀片與的滑切角應是30°，定刀片的滑切角應為0°。

3 結構原理

切割裝置結構如圖1所示，該結構主要是依據切割器的參數、空間位置以及傳動系統需求設計的。切割器中變速箱的動力能通過鏈輪對傳動軸進行傳動，使其轉速保持在500 r/min左右[3]。在皮帶輪上安裝偏心軸，將杠桿的一端轉動，轉動應圍繞轉動軸的中心進行。連桿帶動轉換器擺動，擺動圍繞支撐軸進行，在動刀接槽的帶動下，轉換器能對動刀組產生影響，帶動其產生往復運動，實現往復切割運動。

圖1 切割裝置結構

4 運動力學以及切割原理

稻麥聯合收割機中的往復收割裝置的工作原理是將兩個曲柄進行圓周運動，對刀桿進行推動，從而實現往復切割運動。在運動過程中，能對夾在定刀片以及動刀片中的水稻以及小麥等作物進行切割，為小麥、水稻的脫粒工作奠定基礎。這一切割裝置主要由曲柄、連桿、動刀桿、動刀片以及定刀片等共同組成，根據其驅動情況，向量OA+向量AB=向量OB。由此能得出，XB=XA+L2cosθ2，YB=YA+L2sinθ2=0。根據上述方程的解得出，當θ2在π與-π之間的時候，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B點的加速度進行整理能得出，XB=XAL2(ωsinθ2+αcosθ2)以及YB=YA+L2(ωcosθ2-αsinθ2)=0。借助CREO對切割器進行運動仿真學研究，并通過仿真模擬，對設計工作進行校驗以及檢查。能對其運動速度、運動軌跡以及運動路徑等進行研究，也能設計出較為逼真的數字仿真界面，實現仿真效果顯示的作用。根據往復切割機運動的特點，能將其設置為勻速運動，并將其角速度控制在30°/s左右，方便對其時間變化曲線進行觀察以及測量，進而判斷割刀往復運動隨著時間推移而產生的變化情況。

曲柄滑塊運動圖如圖2所示，往復切割機中的切割刀作直線運動，能在護刃器的配合下，完成支撐切割的工作。使用CREO軟件對其運動軌跡進行判斷可知，定刀片將在軌跡線內的作物向兩側推，根據作物位置的不同，產生的運動效果也是不同的。1）在一次切割區內的作物，能在被推向兩側后直接被一次性切割完成。2）在漏割區域內的作物，當刀刃運動到最右側之后，未受到刀片的切割，或割刀歸位的過程中被切斷。如果漏割區域過大，則可能會導致稻麥莖稈過于集中，對切割過程產生較大的阻力，導致莖稈折斷、漏割等情況。3）作物位于重割區域，在其被割斷后，被另一邊的刀口波及，可能會產生重割的情況。結合上述情況分析能看出，切割器在切割的過程中，漏割區域以及重割區域的面積會在一定程度上影響切割的效果，也會影響到切割的速度以及質量等。為提升切割效果，減少切割過程中切割刀產生的阻力以及消耗的功率，則應盡可能地減少切割器中漏割區域以及重割區域的面積。測試表明：隨著割刀間距的不斷加大，重割區域面積逐漸減小，但漏割區域面積不斷增大；隨著刀刃高度不斷增大，重割區域面積不斷增大，但漏割區域面積不斷減小；隨著收割機進距的不斷加大，重割區域面積不斷減小，但漏割區域面積不斷減小。因此，結合上述情況應根據收割工作的實際需求，對刀刃高度、割刀間距以及收割機進距進行綜合判斷，發揮切割裝置的最大作用。

圖2 曲柄滑塊運動圖

5 三維建模

建模工作應圍繞往復切割機中傳動機構以及切割器兩部分進行，建模依靠往復式切割裝置的特征組成以及不同特征之間的關系進行建立[4]。模型建立過程中能將動刀片與動刀組進行連接，連接方式采用鉚合的方式，并且還應在切割器傳動結構的運動下，對動刀桿進行帶動，完成反復運動，完成切割、收割工作。

6 運動分析

往復切割機的運動情況以及運動結構等會對其運動速度、運動路徑、運動加速度等產生較大的影響，并成為體現往復切割機運動規律的重要影響因素，是設計工作人員在實行切割裝置設計過程中的關鍵工作所在[5]。使用CREO運動仿真學進行分析，能對聯合收割機往復切割裝置的運動情況進行仿真，仿真過程如下：根據反復切割機的設計情況，對其進行分析，確定參數，對其實際工作情況予以模仿，檢查工作過程，得到其運動特征以及運動規律；在對運動規律進行總結的過程中對其運動情況進行判斷，了解運動正確性，對其進行驗證，檢查不同運動結構之間的關系，了解其協調性，并獲得其運動過程中可能會產生的數據；根據檢驗以及測試得出的結果，對其各項參數進行調整，并對模型進行改進設計。完成上述工作后，對上述工作進行重復，對數據不斷進行調整，直到調整結果得到設計工作人員滿意為止。

經檢測，該稻麥聯合收割機往復切割裝置中，傳動軸轉速為500 r/min，半徑為38.3 mm，長度為58.5 mm。切割機轉換器搖臂長度能達到135 mm，在50 mm時，檢測出切割機位移曲線、速度曲線以及加速度曲線。結合運動仿真結果能看出，切割機割刀的位移、速度以及加速度之間的變化情況均是具有一定規律性的，結合數學函數方面的知識，能將其作為正弦函數以及余弦函數看待。上述數據均能隨著時間的變化而產生變化，實際變化情況與理論結論得出的結果一致，并且能更加準確地反映出切割機的工作原理。例如：切割器在工作中，割刀的速度是在不斷變化的，因而能通過下述公式，對割刀的速度進行反映。因此，可以按照如下公式計算：V=2Sn/60=rn/15 m/s，其中r表示曲柄半徑，n表示曲柄轉速，因為標準型切割器S約等于2r=76.2 mm，所以可以得到結論：V=2.54n mm/s。

結合上述計算，可得切割裝置平均速度，將其作為割刀運轉過程中的平均值。但是實際切割過程中，定刀片以及動刀片僅能在其規定的范圍內進行運動，并產生規律性的碰撞以及相遇等。結合上述情況可知，動刀片以及定刀片運動的速度是往復切割機工作過程中較為重要的影響因素。接下來借助CREO軟件，對定刀片與動刀片之間的位置關系以及速度關系進行判斷。假設定曲柄從0°轉變到180°時，能將速度曲線看作是圓弧曲線，當曲柄角度轉移后，割刀能完成從左至右的運動，刀刃能完成切割工作。在這一過程中，割刀的運動速度能達到VE。當曲柄持續運轉，到達最左端的時候，割刀則繼續向右運轉，到達最右端，并與定刀片相遇，完成切割工作，這時對應的速度為VF。按照上述運轉方式能看出，速度的計算有且只有一個近似值，當運動機制較為復雜的時候，則會產生較大的誤差。結合CREO軟件中的運動模式進行分析，能對軟件功能進行細致分析，得出較為準確的速度值，為設計人員的工作情況提供較為準確的數據，為設計工作的開展奠定基礎[11-15]。

7 結論

使用CREO軟件，對小型稻麥聯合收割機的切割裝置進行設計，分析其參數、結構、切割速度等，能使計算結果更加合理，加快切割速度，提升切割效果，使其滿足切割器的要求。將CREO軟件設計下的切割機與傳統的切割機進行比較。在CREO軟件設計下的切割機設計工作更加便捷，能對各種設計參數進行精確處理，能通過CREO軟件中的仿真運動種植將切割運動曲線表現出來，并將切割機切割裝置的運動特征更加準確地表現出來。在設計過程中，設計人員能借助CREO軟件，不斷對其設計方案進行調整，使其設計效果不斷優化，形成更優的切割裝置設計方案，為今后切割裝置的設計工作提供技術上的支持。利用CREO軟件，能制作數字化模型，并合理運用切割裝置的運動特性以及仿真裝置，減少設計過程中人力、財力以及物力的浪費，減少產品調試所需時間，縮短產品開發周期，并節約設計成本，在企業設計應用過程中取得了較好的效果。