基于產(chǎn)品數(shù)字化建模技術(shù)下聯(lián)合收割機(jī)設(shè)計(jì)與分析

龐國紅

(昌圖縣亮中橋鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心,遼寧 昌圖 112524)

0 引言

農(nóng)業(yè)機(jī)械在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起著至關(guān)重要的作用,與此同時(shí),聯(lián)合收割機(jī)也成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的一部分。但聯(lián)合收割機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化一直是一個(gè)重要課題,在過去的幾十年中,農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)主要依賴于手工制圖和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),存在精度低、周期長、難以優(yōu)化等問題。

伴隨著我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,數(shù)字化技術(shù)逐漸被應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中。在此過程中,數(shù)字化建模技術(shù)逐漸被人們重視,成為一項(xiàng)十分重要的內(nèi)容。數(shù)字化建模技術(shù)能夠?qū)F(xiàn)實(shí)中的物體轉(zhuǎn)化為數(shù)字化模型,并對(duì)其進(jìn)行精確設(shè)計(jì)和分析。通過數(shù)字化建模技術(shù),可以提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)精度和效率[1-2],同時(shí)也能夠減少因設(shè)計(jì)錯(cuò)誤造成的生產(chǎn)成本和時(shí)間上的浪費(fèi)。

本研究基于產(chǎn)品數(shù)字化建模技術(shù),以聯(lián)合收割機(jī)為例,采用三維建模軟件進(jìn)行模型構(gòu)建,對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和應(yīng)力分析,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)合收割機(jī)設(shè)計(jì)的精確優(yōu)化。研究結(jié)果將為農(nóng)業(yè)機(jī)械的數(shù)字化設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供借鑒,并促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的進(jìn)一步發(fā)展。

1 產(chǎn)品數(shù)字化建模技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

產(chǎn)品數(shù)字化建模技術(shù)是指將實(shí)際物體通過數(shù)字化手段轉(zhuǎn)化為數(shù)字化模型,以便對(duì)實(shí)際物體進(jìn)行分析和優(yōu)化,具有精度高、周期短、可重復(fù)性強(qiáng)等特點(diǎn)[3],已經(jīng)成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)中的重要工具。

數(shù)字化建模技術(shù)在聯(lián)合收割機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用能夠提高其設(shè)計(jì)效率和精度,優(yōu)化其性能和可靠性。數(shù)字化建模技術(shù)在聯(lián)合收割機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面。

1)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。在聯(lián)合收割機(jī)的設(shè)計(jì)中,數(shù)字化建模技術(shù)能夠更好地構(gòu)建機(jī)器的各個(gè)組成部分,如形狀、尺寸、位置和功能,還能夠幫助工程師更好地協(xié)同工作,共享設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和信息,提高設(shè)計(jì)效率[4-5]。

2)運(yùn)動(dòng)仿真。運(yùn)動(dòng)仿真可以幫助設(shè)計(jì)人員更好地理解和分析產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)過程,優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能。在聯(lián)合收割機(jī)的設(shè)計(jì)中,數(shù)字化建模技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)聯(lián)合收割機(jī)運(yùn)動(dòng)過程的仿真分析,更好地理解其工作原理和性能,并通過仿真分析來優(yōu)化其運(yùn)動(dòng)性能[6]。

3)應(yīng)力分析。聯(lián)合收割機(jī)在工作過程中需要承受各種外部負(fù)載和力矩的作用,可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)器的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形和破壞[7]。應(yīng)力分析是一種通過數(shù)值計(jì)算方法,對(duì)機(jī)器結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析和評(píng)估的技術(shù),可以幫助設(shè)計(jì)人員更好地了解機(jī)器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu),提高其承載能力和壽命。

2 聯(lián)合收割機(jī)數(shù)字化建模設(shè)計(jì)

2.1 聯(lián)合收割機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

聯(lián)合收割機(jī)是一種集割切、脫粒、清選等多種功能于一身的農(nóng)業(yè)機(jī)械,主要由割臺(tái)、輸送機(jī)、脫粒分離裝置、糧倉和駕駛室等部分組成(圖1)。聯(lián)合收割機(jī)在作業(yè)過程中將農(nóng)作物從田地上收割、清理、分離、壓縮成作物流,然后將作物流通過輸送機(jī)和卸糧管輸送到集散器或裝袋器中[8]。具體工作過程可分為以下幾個(gè)步驟:

1.割臺(tái);2.輸送機(jī);3.駕駛室;4.糧倉;5脫粒分離裝置圖1 聯(lián)合收割機(jī)三維模型

1)切割作物。聯(lián)合收割機(jī)的前部裝有收割頭,收割頭上有一排刀片,通過電機(jī)或液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn),將農(nóng)作物從田地上割下并送入機(jī)器內(nèi)部。

2)清理和分離作物。農(nóng)作物經(jīng)過收割臺(tái)后,會(huì)混合著雜草、秸稈等雜質(zhì),通過清理器將這些雜質(zhì)清理掉,并將作物分離出來。

3)壓縮和卸糧。作物在經(jīng)過清理和分離后,會(huì)被送到卸糧管中進(jìn)行壓縮,便于谷物的輸送和儲(chǔ)存。

4)收集和處理秸稈。聯(lián)合收割機(jī)在收割過程中會(huì)產(chǎn)生大量秸稈,需要通過秸稈收集器將其收集起來,并進(jìn)行處理和利用。

2.2 聯(lián)合收割機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用

數(shù)字化建模技術(shù)可以將聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行三維建模,這個(gè)過程中需要將聯(lián)合收割機(jī)的各個(gè)部件進(jìn)行分解,對(duì)每個(gè)部件建模,然后再將各個(gè)部件組裝。在聯(lián)合收割機(jī)的三維建模過程中,主要包括割臺(tái)、輸送機(jī)和打捆機(jī)部分。

1)割臺(tái)建模。割臺(tái)是聯(lián)合收割機(jī)的前部,用于切割農(nóng)作物,由切割器、螺旋推動(dòng)器、撥禾輪等組成。通過數(shù)字化建模技術(shù)可以準(zhǔn)確地重建這些零部件的三維模型,確定它們之間的相對(duì)位置和運(yùn)動(dòng)關(guān)系(圖2)。

1.切割器;2.螺旋推動(dòng)器;3.撥禾輪圖2 割臺(tái)三位模型示意圖

2)輸送機(jī)建模。輸送機(jī)是聯(lián)合收割機(jī)的中部,用于將收割下來的作物輸送到卸糧器中,由鏈條、傳動(dòng)輪、滾筒等部分組成。

3)打捆機(jī)建模。打捆機(jī)是聯(lián)合收割機(jī)的后部,可將作物打捆成方便運(yùn)輸和儲(chǔ)存的形式,由鐵絲夾具、卷取輪、剪刀等部分組成。

聯(lián)合收割機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,包括多個(gè)部分和組件,對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化建模時(shí)需進(jìn)行多層次分析,從而準(zhǔn)確還原聯(lián)合收割機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能。同時(shí),聯(lián)合收割機(jī)運(yùn)行過程涉及多個(gè)物理場,如機(jī)械運(yùn)動(dòng)、流體動(dòng)力學(xué)、熱傳導(dǎo)等,需要進(jìn)行多物理場的仿真。具體解決方案如下。

1)采用多層次建模分析,將聯(lián)合收割機(jī)按各部分結(jié)構(gòu)依次建模,提高建模效率和精度。

2)采用多物理場仿真軟件,如COMSOL Multiphysics,進(jìn)行多物理場仿真,分析聯(lián)合收割機(jī)的運(yùn)作過程[9]。

3)采用高精度測量設(shè)備,如三維掃描儀,進(jìn)行數(shù)字化建模,提高建模精度。

3 產(chǎn)品數(shù)字化建模技術(shù)應(yīng)用及效果分析

3.1 應(yīng)用實(shí)例

1)運(yùn)動(dòng)仿真。利用ADAMS軟件對(duì)聯(lián)合收割機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿真分析,包括割臺(tái)旋轉(zhuǎn)、輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、打捆機(jī)脫粒等。通過仿真分析,可以了解聯(lián)合收割機(jī)各部分的運(yùn)動(dòng)情況,分析其工作原理和性能。

2)應(yīng)力分析。利用ANSYS軟件對(duì)聯(lián)合收割機(jī)各部分的應(yīng)力情況進(jìn)行分析,包括割臺(tái)彎曲應(yīng)力、輸送機(jī)拉伸應(yīng)力、打捆機(jī)壓力等。通過應(yīng)力分析,可以優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu),提高其承載能力和壽命。

3.2 效果分析

3.2.1 提高設(shè)計(jì)精度

數(shù)字化建模技術(shù)可以通過軟件繪制聯(lián)合收割機(jī)的三維幾何模型,提高其設(shè)計(jì)精度,確保每個(gè)組件的尺寸、形狀和位置都準(zhǔn)確無誤,消除了傳統(tǒng)手工繪圖和模型制作中可能出現(xiàn)的誤差,還可以應(yīng)用碰撞檢測工具進(jìn)行碰撞檢測,避免不同部件之間的碰撞或干涉,以確保各個(gè)部件在運(yùn)行時(shí)不會(huì)相互干擾,提高設(shè)計(jì)的安全性和可靠性。

3.2.2 提高設(shè)計(jì)效率

基于數(shù)字化建模工具可以快速創(chuàng)建和修改聯(lián)合收割機(jī)的三維模型。相比傳統(tǒng)的手工繪圖和物理模型制作,數(shù)字化建模技術(shù)大大縮短了設(shè)計(jì)迭代的時(shí)間,設(shè)計(jì)人員可以便捷地進(jìn)行多個(gè)設(shè)計(jì)方案的比較和修改,通過修改參數(shù),設(shè)計(jì)人員可以快速生成不同規(guī)格和尺寸的聯(lián)合收割機(jī)模型,無需從頭開始重新設(shè)計(jì),這種靈活性極大地提高了設(shè)計(jì)效率。

3.2.3 優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

數(shù)字化建模技術(shù)在聯(lián)合收割機(jī)設(shè)計(jì)中可以幫助優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。數(shù)字化建模技術(shù)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的應(yīng)用主要包括以下內(nèi)容。

1)拓?fù)鋬?yōu)化。通過改變材料的分布和形狀來最大程度地減少結(jié)構(gòu)重量,并保持其所需的強(qiáng)度和剛度,確定不必要的材料和重量集中區(qū)域,并進(jìn)行優(yōu)化,從而減輕產(chǎn)品重量,提高效率,降低能耗。

2)強(qiáng)度和剛度優(yōu)化。保證聯(lián)合收割機(jī)在工作條件下具有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度,應(yīng)用結(jié)構(gòu)分析和仿真,評(píng)估不同材料和結(jié)構(gòu)配置的性能,以提高產(chǎn)品的可靠性和使用壽命。

3)材料選擇。通過模擬不同材料的物理特性和行為,如強(qiáng)度、剛度、耐磨性和耐腐蝕性等,在數(shù)字模型中進(jìn)行比較和評(píng)估,有助于選擇最佳材料,以滿足產(chǎn)品的性能要求,優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

4)系統(tǒng)集成優(yōu)化。通過建立數(shù)字模型,仿真分析不同組件和系統(tǒng)之間的相互作用和性能,來確保各部分之間的協(xié)調(diào)性和整體性能最優(yōu)化。

3.2.4 提高市場競爭力

數(shù)字化建模技術(shù)可以加速產(chǎn)品開發(fā)周期,使設(shè)計(jì)師能夠更快速地將新產(chǎn)品推向市場。通過使用數(shù)字化建模工具創(chuàng)建虛擬原型,在物理樣機(jī)制作之前進(jìn)行多次迭代和修改,減少開發(fā)時(shí)間,迅速響應(yīng)市場需求,并在競爭中獲得先機(jī)。另外,還可使用參數(shù)化建模和自定義選項(xiàng)來滿足客戶的特定需求,通過與客戶進(jìn)行交互,設(shè)計(jì)師可以根據(jù)客戶的要求快速定制聯(lián)合收割機(jī)產(chǎn)品,滿足不同客戶群體的需求。

4 結(jié)論

通過對(duì)數(shù)字化建模技術(shù)在聯(lián)合收割機(jī)設(shè)計(jì)和分析中的應(yīng)用進(jìn)行探討和分析,可以得出以下結(jié)論:

1)數(shù)字化建模技術(shù)能夠幫助工程師們更加準(zhǔn)確地進(jìn)行聯(lián)合收割機(jī)設(shè)計(jì),提高其性能和可靠性。數(shù)字化建模技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)聯(lián)合收割機(jī)運(yùn)動(dòng)過程的仿真分析,可以更好地理解其工作原理和性能。同時(shí),數(shù)字化建模技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)聯(lián)合收割機(jī)的應(yīng)力分析,有助于優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu),提高其承載能力和壽命。

2)通過數(shù)字化建模技術(shù)對(duì)聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)行三維建模,可以更加準(zhǔn)確地還原聯(lián)合收割機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能,包括割臺(tái)、輸送機(jī)等部分。通過運(yùn)動(dòng)仿真,可分析聯(lián)合收割機(jī)的運(yùn)動(dòng)過程,包括割臺(tái)旋轉(zhuǎn)、輸送機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、打捆機(jī)脫粒等。這有助于設(shè)計(jì)人員更好地理解產(chǎn)品的功能和性能,對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化。

3)數(shù)字化建模技術(shù)不僅能夠提高聯(lián)合收割機(jī)的設(shè)計(jì)和分析效率,還能夠提高產(chǎn)品的品質(zhì)和競爭力。數(shù)字化建模技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代化設(shè)計(jì)和制造的重要手段,對(duì)提高企業(yè)核心競爭力和市場占有率具有重要意義。