收獲機械切割機構的仿真分析

謝飛　尹洋

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

關鍵詞：擺環；收割機；仿真；Adams

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

小型聯合收割機是集切割、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，切割機構是實現切割功能的重要部件，主要由切割器和驅動裝置兩大部分組成。小型聯合收割機使用往復式切割器較為廣泛，部分型號尺寸已經標準化。在選用不同種的切割器時，其往復行程也不同，主要考慮驅動機構與割刀行程要相適應。驅動裝置可分為曲柄連桿、曲柄滑塊、擺環機構3類，其中曲柄連桿和擺環機構運用最廣泛。往復式割刀及其傳動機構的慣性力會導致機器的振動和轉速不均勻，因此對轉速較高的收割機而言應該考慮慣性力平衡問題。曲柄連桿機構結構簡單，但整體的質量較大，在高速運轉時會產生較大的慣性力，對機器工作時的穩定性影響較大。而實現同樣驅動功能的擺環機，結構相對緊湊，占空間小，連桿長度小，質量輕，產生慣性力小，在傳動平穩性、結構方面優于曲柄連桿機構。擺環機構是將旋轉運動轉化為往復運動，其運動過程較為復雜，在設計、制造和裝配的過程中，實現部件間的準確連接和正常工作比較困難。對切割機構建立仿真分析，能夠準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。

1 擺環機構的結構特點和工作原理

擺環機構安裝在聯合收割機的割臺部分，將主軸的旋轉運動轉化為往復運動來驅動割刀進行切割。擺環機構主要由主軸（1）、擺環（2）、擺叉（3）、擺軸（4）、擺臂（5）、導桿（6）和割刀（7）組成 （圖1）。

主軸通過2個軸承裝在機架上，前面半軸與擺環的旋轉中心重合，且旋轉面與半軸垂直。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。當主軸轉動180°時擺環繞中心作球面運動，裝配在主軸上的擺環轉到關于yoz的對稱位置，與原位置夾角為2α，從而使擺軸轉動一個角度。擺軸再帶動擺臂作擺動，連接在割刀上的導桿驅動刀片作往復運動，形成切割運動。完成了從輸入旋轉運動到輸出往復運動的整個過程。

2 切割機構的運動特性

2.1 擺環機構的運動學分析

擺環與主軸所成角度為90°-α，當主軸轉動時，裝在擺環里的軸承會產生轉動，擺環與主軸會發生相對運動，彎軸會以O為頂點旋轉形成圓錐面，擺環做球面運動，擺環與擺叉為鉸鏈連接，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，擺軸只發生轉動。將擺環分別投影到yoz和xoz這2個平面上（圖2），

設初始位置擺環圈與yoz面垂直，擺環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。當擺環旋轉180°時，在yoz面上的投影為直線BB′，與DD′關于CC′對稱。設橢圓上有一點M，主軸轉過角度θ=ωt后到A點位置，對應到yoz面上，其投影為A′A。此時擺叉轉過的角度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為主軸轉動角速度，α為擺環角。

2.2 切割速度約束條件

由于收割機切割作業時，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聯的，因此必須根據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、作業速度vm有如下關系式：vm=qCBM（1+1/β），其中，C為常數，當單位以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量比；M為作物單位面積產量。當其他條件相同時，動刀片的切割速度通常與收割機的作業速度vm成正比，因此刀片的切割平均速度vp可根據vm來選擇，即vp=βg·vm，其中βg為收割機的切割比，通常是由收割作業的種類和收割機的型號來決定。

3 機構的三維建模

在小型聯合收割機中，一般先確定割臺尺寸和傳動路線簡圖，所以在設計割臺傳動部分時，擺環機構中的擺桿和擺臂長度應該與割臺尺寸相吻合，當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計裝配，再通過運動仿真來模擬并驗證其結構尺寸準確性。

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

Adams具有強大的運動學仿真和分析功能，但在三維建模部分比較薄弱；因此機構的三維建模采用Solidworks，先分別設計出各個零件的結構和尺寸，再將所有的零件裝配成型。然后把整個機構的裝配體一并倒入到Adams當中，此時裝配的關系已經丟失，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當中的仿真準備。

4 切割機構的仿真與分析

根據收割機的傳動比，可以計算出主軸的轉速為 500 r/min，在Adams中添加驅動電機并設置其轉速，進行機構運動仿真，可以觀察到割刀動刀片會做往復運動。此時分析動刀片的運動規律。

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的往復簡諧運動，滿足設計最初設計行程要求。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 結論

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

參考文獻：

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