Welger AP-530型打結(jié)器動態(tài)仿真和結(jié)構(gòu)分析

李淑慧

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)正逐步得到優(yōu)化調(diào)整，畜牧業(yè)將成為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化建設(shè)中一項重要內(nèi)容，加之隨著草原建設(shè)、退耕還草、生態(tài)恢復(fù)等西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，發(fā)展牧草業(yè)，不僅可以滿足我國畜牧業(yè)發(fā)展的需要，而且成為國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。要加快牧草的商品化、產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，就必須要實現(xiàn)牧草收割的機(jī)械化[1]。

牧草打捆機(jī)是將牧草壓實并捆成一定形狀（方形或圓形）的設(shè)備。打捆機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)是捆繩的打結(jié)器和其傳動機(jī)構(gòu)。目前國內(nèi)還沒有專門的打結(jié)器生產(chǎn)廠家，生產(chǎn)打捆機(jī)的廠家所用的打結(jié)器基本都從國外進(jìn)口。國內(nèi)有些廠家現(xiàn)在也開始仿制生產(chǎn)打結(jié)器的某些部件，但是僅僅停留在仿制實物結(jié)構(gòu)的階段，對各部件的運動分析和理論計算往往被忽略。目前國內(nèi)打結(jié)器上根本還沒有涉及到有關(guān)電子監(jiān)測設(shè)備和人性化的設(shè)計。鑒于我國目前對打捆機(jī)打結(jié)器的研究狀況，我們首先要逐漸擺脫單純仿制模擬階段，逐步向系統(tǒng)理論階段發(fā)展，達(dá)到自行研制的水平。再逐步添加打結(jié)器的控制系統(tǒng)，增加人機(jī)對話界面，同時把一些新材料新成果運用上去，使之更安全、更可靠、更有效地工作。進(jìn)而從基本理論、整機(jī)結(jié)構(gòu)和性能方面趕上或者超過世界先進(jìn)水平，形成自主品牌的打捆機(jī)的核心部件——打結(jié)器[2]。

根據(jù)動態(tài)仿真牧草打捆機(jī)打結(jié)器的工作過程，對其機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行分析，可以減少研究開發(fā)成本并提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能，使之更安全、更可靠、更有效地工作，進(jìn)而從基本理論、整機(jī)結(jié)構(gòu)和性能方面趕上或者超過世界先進(jìn)水平，形成自主品牌打捆機(jī)的核心部件——打結(jié)器。對打捆機(jī)核心技術(shù)打結(jié)器的研究是提升牧草打捆機(jī)技術(shù)水平的關(guān)鍵，通過引進(jìn)、消化、吸收，逐步建立自有的技術(shù)開發(fā)體系，形成較強(qiáng)的技術(shù)開發(fā)能力，創(chuàng)造自有的民族品牌的牧草打捆機(jī)。

1 打結(jié)器結(jié)構(gòu)及運動概述

目前的打結(jié)器如果按打結(jié)嘴和繞繩器的傳動路線結(jié)構(gòu)大致可以分為兩類：一類是不完全的錐齒輪直接驅(qū)動打結(jié)嘴和繞繩器，如圖1左所示，打結(jié)器動力傳遞路線是①不完全錐齒輪→②打結(jié)嘴，①不完全錐齒輪→③繞繩器；另一類是不完全錐齒間接驅(qū)動打結(jié)嘴和繞繩器，如圖1所示，打結(jié)器動力傳遞路線是：①不完全錐齒輪→②蝸輪蝸桿→③軸→④繞繩器→⑤打結(jié)嘴，中間通過②蝸輪蝸桿間接傳遞動力到③軸，繞繩器和打結(jié)嘴。

圖1 直接驅(qū)動打結(jié)器和間接驅(qū)動打結(jié)器

綜合目前打捆機(jī)打結(jié)器的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，通過對從國外購買多種機(jī)型打結(jié)器結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)劣的對比，本文擬選用不完全錐齒輪直接驅(qū)動打結(jié)嘴和繞繩器的結(jié)構(gòu)方案，選用該方案，工作可靠，維修簡單，打結(jié)成功率高[3]，本文選擇Welger AP－530機(jī)型作為研究的參考對象。

2 牧草打捆機(jī)打結(jié)器的主要部件結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

2.1 嚙合錐齒輪漸開線齒廓和傳動比的確定

2.2 小錐齒輪（不完全錐齒輪）變位的確定

當(dāng)用齒條型刀具切制標(biāo)準(zhǔn)齒輪時，刀具的分度線必須與被切齒輪的分度圓相切，并作范成運動。由于小錐齒輪的齒數(shù)是8，壓力角為20°的小錐齒輪不產(chǎn)生根切的最小齒數(shù)為13。為了在Z＜Zmin時使被切齒輪不產(chǎn)生根切，采用變位修正法，查機(jī)械設(shè)計手冊第二版表35.4－6《直齒及零度狐齒錐齒輪徑向變位系數(shù)x》（格里森齒），當(dāng)傳動比 i=4.82～6.81時，變位系數(shù) x=0.45[4]。

2.3 嚙合錐齒輪模數(shù)的修正

圓錐齒輪傳動是用來傳遞兩相交軸之間的運動和動力的。嚙合的兩直齒圓錐齒輪，傳動比如公式(1)，其中δ1、δ2分別為兩圓錐齒輪的分度圓錐角（簡稱分錐角）。

當(dāng)兩軸夾間的夾角∑＝90°時，則因 δ1＋δ2＝90°，公式(1)變?yōu)?/p>

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T12369—90，GB/T12370—90)規(guī)定，現(xiàn)多采用等頂隙圓錐齒輪傳動，與不完全錐齒輪配對的小錐齒輪（不完全錐齒輪）由于齒數(shù)為8個，小于不產(chǎn)生根切的錐齒輪的最小齒數(shù)13，必須變位?？紤]到初次測量小錐齒輪（不完全錐齒輪）尺寸后推導(dǎo)的模數(shù)m＝3.5受鑄造精度的影響，其值不是很準(zhǔn)確，故以大的不完全錐齒輪推導(dǎo)的模數(shù)m=3.25為準(zhǔn)。修改模數(shù)后的小錐齒輪尺寸減小，不會產(chǎn)生運動干涉。所以配對的錐齒輪的模數(shù)m=3.25。

2.4 打結(jié)支架上打結(jié)嘴軸線和繞繩器軸線夾角的確定

打結(jié)支架上打結(jié)鉗和夾繩器軸線的角度決定打結(jié)和夾繩是否協(xié)調(diào)。實際中，打結(jié)鉗位于繞繩器前面。通過觀察，在打結(jié)鉗開始嚙合轉(zhuǎn)動4個齒后，繞繩器才開始嚙合。由于不完全錐齒輪完整齒數(shù)是48個齒，當(dāng)轉(zhuǎn)動4個齒時轉(zhuǎn)動角度可以從公式(3)推算：

實際測量打結(jié)鉗和繞繩器軸線的夾角也接近30°。

打結(jié)器主要部件的基本參數(shù)確定方法主要是對于容易測出并且影響不大的參數(shù)以實測為準(zhǔn)；對于不便實測的參數(shù)，方法是先以實測數(shù)據(jù)做出假設(shè)，然后在假設(shè)的基礎(chǔ)上，再以相互配合部件幾何尺寸的計算公式加以校驗，或者通過部件配合時的實際運動情況加以校驗，最終反求出各主要部件的基本參數(shù)。

3 打結(jié)器各部件的虛擬三維建模和動態(tài)仿真

3.1 打結(jié)器各部件的三維虛擬建模

圖2 打結(jié)器整體裝配

Pro/ENGINEER是一個全方位的三維產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)軟件，可以實現(xiàn)面向制造的設(shè)計 (Design For Manufacturing，DFM)、面向裝配的設(shè)計(Design For Assembly，DFA)、逆向設(shè)計(Inverse Design，ID)、并行工程(Concurrent Engineering，CE)等先進(jìn)的設(shè)計方法和模式[5]。

根據(jù)上面各個部件的參數(shù)，首先對打結(jié)器主要零部件用Pro/engineer進(jìn)行建模，然后將各個零部件整體裝配成的整體三維模型，如圖2所示[6]。

3.2 打結(jié)器各部件裝配后的虛擬動態(tài)仿真

牧草打捆機(jī)打結(jié)器工作的步驟為：1.打結(jié)器安裝后初始位置，2.不完全錐齒輪和打結(jié)嘴上小錐齒輪嚙合（開始繞繩），3.不完全錐齒輪和打結(jié)嘴和繞繩撥叉同時嚙合（打結(jié)前固定兩股捆繩），4.繞繩后、成結(jié)前打結(jié)舌張開，開始成扣，5.成結(jié)后，打結(jié)舌閉合，安裝在繞繩撥叉的刀片割斷兩股捆繩，準(zhǔn)備脫扣（見圖3）。

以現(xiàn)有零件測繪的尺寸為基礎(chǔ)，根據(jù)調(diào)研時掌握的零件在使用過程中出現(xiàn)的破壞情況和程度，保留了對打結(jié)功能影響不大的零件尺寸，修改了易損部件的結(jié)構(gòu)，然后重建了打結(jié)器整體結(jié)構(gòu)的三維虛擬模型。在重建結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，模擬了打結(jié)器從壓繩、繞繩、成扣、脫扣等的成結(jié)運動過程。

4 打結(jié)器主要部件的結(jié)構(gòu)分析

圖3 牧草打捆機(jī)打結(jié)器的虛擬動態(tài)

為了保證所設(shè)計的機(jī)械零件能安全、可靠地工作，一般要對主要部件做靜力學(xué)和動力學(xué)分析。打結(jié)器工作在低速狀態(tài)下（3捆/min），可只進(jìn)行靜力學(xué)分析，它是強(qiáng)度設(shè)計的基礎(chǔ)。本文采用Pro/MECHANICA來分析在Pro/ENGINNEER下建立的所有零件三維虛擬模型。

4.1 打結(jié)器主要部件打結(jié)嘴的靜力分析[7，8]

對打結(jié)嘴的靜力分析的前提條件：約束在打結(jié)嘴軸孔處，位移為零；施加外力為300 kgf=2940 N[注：常用的直徑在2.7～2.9 mm的牧草捆繩，單根最大拉力是150 kg]；材料：ZG40Mn[注：用于承受摩擦和沖擊的零件，適于制造較高強(qiáng)度的運動零件，如活塞、銷子、齒輪]；彈性模量：202 GPa；σb=640 MPa，泊松比：0.3，密度：7.8×103kg/m3。

經(jīng)過靜力結(jié)構(gòu)分析圖可以得出，最大應(yīng)力集中處發(fā)生在打結(jié)嘴頸部，但是事實上在結(jié)繩的過程中，捆繩并不是以最大拉力繞在打結(jié)嘴頭部圓孔處，而是在捆繩張力剛開始時繞在打結(jié)嘴頭部圓孔處，當(dāng)捆繩受到1323 N的拉力時，最大應(yīng)力為383.8 MPa，如圖4。

圖4 打結(jié)嘴近似實際受力的最大應(yīng)力（最大應(yīng)力=383.8 MPa＜σb=640 MPa）

對打結(jié)嘴的靜力分析得知，打結(jié)嘴正常使用不會發(fā)生靜力強(qiáng)度破壞，只有在捆繩纏繞沒有脫扣等故障情況下，捆繩接近其最大拉斷應(yīng)力時才會對打結(jié)嘴產(chǎn)生破壞，破壞之處首先發(fā)生在打結(jié)嘴頸部，這種分析符合打結(jié)嘴在實際使用過程中失效的真實情況。

4.2 打結(jié)器主要部件的疲勞分析

疲勞是材料在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變的作用下，在一處或幾處產(chǎn)生局部永久性累計損傷，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程。在交變應(yīng)力的作用下，雖然零件的內(nèi)部應(yīng)力沒有達(dá)到靜載荷的許用應(yīng)力極限值，但是零件可能已經(jīng)被破壞，這種破壞稱之為疲勞破壞。所以在交變應(yīng)力情況下，必須對零件進(jìn)行疲勞分析[9]。

Pro/MECHANICA軟件提供了Fatigue Advisor疲勞分析工具，用該工具可以對零件的疲勞特性進(jìn)行預(yù)測和評估，本文采用該工具作疲勞分析。

4.2.1 打結(jié)嘴的疲勞分析

分析條件：從打結(jié)嘴的靜力分析，材料ZG40Mn，σb=640 MPa，循環(huán)基數(shù) N0=107次。通過 Fatigue Advisor進(jìn)行疲勞分析得知，打結(jié)嘴在疲勞破壞前的加載循環(huán)次數(shù)近似為1020次，因此我們可以認(rèn)為，在不出現(xiàn)捆繩纏繞等故障的前提下，可以認(rèn)為打結(jié)嘴是不會出現(xiàn)疲勞破壞的。

4.2.2 小錐齒輪（不完全錐齒輪）的疲勞分析

分析條件：上節(jié)小錐齒輪（不完全錐齒輪）的靜力分析，材料45號鋼，σb=600 MPa，循環(huán)基數(shù)N0=107次。小錐齒輪（不完全錐齒輪）的靜力分析結(jié)果和疲勞分析結(jié)果對比如圖5所示。

圖5 小錐齒輪（不完全錐齒輪）靜力分析和疲勞分析結(jié)果對比

從分析結(jié)果對比圖可以得出，應(yīng)力最大的地方疲勞壽命最短，也就是說該部位最早出現(xiàn)疲勞破壞，其中在小錐齒輪（不完全錐齒輪）小端齒根部，大約經(jīng)過109次循環(huán)才產(chǎn)生疲勞破壞，可以認(rèn)為滿足設(shè)計壽命。

5 結(jié)論

本文針對目前牧草打捆機(jī)的核心部件打結(jié)器在國內(nèi)的研究和設(shè)計幾乎是空白，在比較幾種進(jìn)口機(jī)型打結(jié)器優(yōu)劣的前提下，挑選了適用的AP-530打結(jié)器作為參考對象，運用虛擬樣機(jī)技術(shù)對打結(jié)器的工作過程進(jìn)行了仿真，為打結(jié)器的實際設(shè)計起到了很重要的作用，對打結(jié)器的國產(chǎn)化有很好的參考價值。

由于時間有限，今后還應(yīng)該綜合考慮各種因素，比如變化載荷、動態(tài)載荷等，進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和可靠的分析，以更加真實地模擬牧草打捆機(jī)的工作過程，為牧草打捆機(jī)的實際應(yīng)用和制造提供更加完善的技術(shù)基礎(chǔ)。

[1]唐輝宇.牧草加工機(jī)械現(xiàn)狀簡析[J].農(nóng)機(jī)市場，2004(6):13-14.

[2]朱士岑.國外主要農(nóng)機(jī)企業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 [J].農(nóng)機(jī)市場，2005(3):14-19.

[3]楊詩軍，姚文席.凱斯8545與Welger AP-530牧草方捆機(jī)打結(jié)器結(jié)構(gòu)及效能比較[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2006(1):41.

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[6]王詠梅，李大慶，孫江宏，等.Pro/Engineer Wildfire 3.0中文野火版基礎(chǔ)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

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