基于新型香蕉種植開坑機的UG仿真

謝炳光，馬俊生，馬桂香，梁　甲，劉子良,文　棋

(廣西大學 機械工程學院，南寧　530004)

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基于新型香蕉種植開坑機的UG仿真

謝炳光，馬俊生，馬桂香，梁甲，劉子良,文棋

(廣西大學 機械工程學院，南寧530004)

摘要：針對大規(guī)模香蕉種植開坑機的研發(fā)比較缺乏的問題，設(shè)計了一種新型香蕉種植開坑機。該機具有開坑質(zhì)量高、成本較低及能適應不同挖坑要求的特點。為此，介紹了新型香蕉種植開坑機的工作原理，并運用三維軟件UG進行運動學分析，真實再現(xiàn)了新型香蕉種植開坑機的工作狀況。結(jié)果表明：新型香蕉種植開坑機能夠滿足工作需求，可為其他類似農(nóng)作物開坑機器的研制提供參考。

關(guān)鍵詞：香蕉；開坑機；UG ；仿真

0引言

目前，香蕉種植多采用拖拉機翻犁之后，再人工開坑放入香蕉苗，不僅增加了種植香蕉勞動強度，而且效率不高。

針對目前香蕉開坑機的缺乏的問題，研制了一種效率高、安全系數(shù)大、勞動強度低、高質(zhì)量開坑且能適用不同工作環(huán)境條件的一種新型香蕉種植開坑機。若對新型香蕉種植開坑機器的研究是通過類比或經(jīng)驗得出，則具有一定的盲目性和局限性。因此，需要更為科學合理的設(shè)計方法，來為新型香蕉種植開坑機的生產(chǎn)和制造提供更加準確的參數(shù)。本文利用運動學理論結(jié)合UG軟件自帶運動仿真模塊，真實再現(xiàn)新型香蕉種植開坑機的工作狀況，對開坑機進行運動學分析和三維仿真。此方法對降低研發(fā)成本、明確開坑機的負載范圍及延長機具使用壽命具有重要的指導意義。

1新型香蕉種植開坑機的工作原理

開坑機包括動力機構(gòu)、傳動機構(gòu)、開坑機構(gòu)、行走機構(gòu)和螺旋式刀盤，如圖1～圖3所示。

1)動力機構(gòu)：以柴油機作為動力源。

2)傳動機構(gòu)：動力傳輸路徑為柴油機、皮帶輪、離合器、傳動軸傳于十字聯(lián)軸器，通過第2對錐齒輪實現(xiàn)螺旋式刀盤換向、減速和旋轉(zhuǎn)，完成植樹挖坑機的挖坑作業(yè)。

3)開坑機構(gòu)：開坑機構(gòu)的提升過程是先旋轉(zhuǎn)手輪，經(jīng)驅(qū)動桿通過第1對錐齒輪、渦輪蝸桿、鋼繩帶動螺旋式刀盤提升運動。其中，渦輪蝸桿具有自鎖功能，螺旋式刀盤提升后而不會下降。新型開坑機螺旋式刀盤下降時通過旋轉(zhuǎn)手輪靠螺旋式刀盤的自身重力來完成植樹挖坑機的下降進給運動。

4)行走機構(gòu)：新型開坑機的行走運動可分為自動行走和手動行走。自動行走是利用手柄、限位裝置限位、撥叉使花鍵連接套與第3鏈輪配合，動力依次經(jīng)第1鏈輪、減速器、第3鏈輪，從而帶動第4鏈輪、萬向輪和前輪旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)自動行走運動;減速器起到減速與換向作用。手動行走是靠人力推動扶手將動力傳給萬向輪和前輪實現(xiàn)行走運動。

1.鋼繩　2.十字聯(lián)軸器　3.支撐桿　4.螺旋式刀盤

螺旋式刀盤由螺旋葉片、開坑鉆頭、主支桿組成，如圖2所示。螺旋式刀盤在扭矩和自身重力的作用下圓周轉(zhuǎn)動并向下進給，主支桿對螺旋葉片與開坑鉆頭起到支撐作用，由開坑鉆頭實現(xiàn)刀盤定位，螺旋葉片對土壤進行切削；在螺旋葉片的作用下，土壤沿螺旋葉片的弧線覆蓋在坑位的周圍。

1.開坑鉆頭　2.螺旋葉片　3.主支桿

2土壤質(zhì)點的運動規(guī)律分析

2.1土壤質(zhì)點的速度分析

螺旋式刀盤在扭矩和自身重力下的作業(yè)下圓周轉(zhuǎn)動并向下進給，螺旋葉片對土壤進行切削；在螺旋葉片的作用下，土壤沿螺旋葉片的弧線填在坑位的周圍。現(xiàn)以螺旋葉片上任意土壤質(zhì)點作為研究對象，設(shè)螺旋式刀盤以角速度ω進行轉(zhuǎn)動，并以速度vz向下進給，如圖3所示。

圖3　土壤質(zhì)點的速度圖

土壤質(zhì)點的絕對速度等于相對速度、牽連速度加上豎直速度的矢量和，則

ω—螺旋式刀盤的角速度(rad/s)；

r—土壤質(zhì)點到中心軸的質(zhì)點(m)；

δ—螺旋葉片與水平方向的夾角(°)。

2.2土壤質(zhì)點的加速度分析

質(zhì)點位于勻速轉(zhuǎn)動的螺旋式刀盤的螺旋葉片上，且沿著螺旋葉片相對向上滑動，如圖4所示。根據(jù)運動學知識，質(zhì)點的絕對加速度等于科式加速度、相對加速度和牽連加速度的矢量和，則

δ—牽連加速度與相對加速度的夾角(°)。

圖4　土壤質(zhì)點的加速度圖

2.3土壤質(zhì)點的力學分析

以螺旋葉片上任意質(zhì)點作為研究對象，分析其受力如圖5所示。

圖5　受力圖

3新型香蕉種植開坑機器的運動學分析

3.1新型香蕉種植開坑機器的三維建模

要進行開坑機器的運動學分析，需對開坑機器建立三維模型。本新型香蕉種植開坑機器由動力機構(gòu)、傳動機構(gòu)、開坑機構(gòu)、行走機構(gòu)和螺旋式刀盤組成。在三維軟件UG中建立三維模型如圖6所示。

1.鋼繩　2.十字聯(lián)軸器　3.支撐桿　4.螺旋式刀盤　6.機架

3.2創(chuàng)建驅(qū)動條件

在新型香蕉種植開坑機器中，加入兩動力源: 齒輪軸的減速度為ω1= 11°/s；傳動軸的動力角加速度為ω1= 330°/s。驅(qū)動條件如圖7所示。

圖7　新型香蕉種植開坑機器的驅(qū)動條件

3.3運動仿真的解算方案

經(jīng)UG基于運動學與動力學的綜合分析，確定好重力常數(shù)的大小和方向，以及解算方案,如圖8所示。

圖8　新型香蕉種植開坑機器的解算方案

3.4螺旋式刀盤運動仿真的解算結(jié)果

經(jīng)UG運動學分析，螺旋式刀盤刀尖位置位移圖如圖9所示，螺旋式刀盤刀尖位置的速度圖如圖10所示。以螺旋式刀盤的切削刀的某邊緣一點作位置跟蹤，其位移圖如圖11所示；速度圖如圖12所示。

圖9　螺旋式刀盤刀尖位置的位移圖

圖10　螺旋式刀盤刀尖位置的速度圖

圖11　螺旋式刀盤的切削刀位移圖

圖12　螺旋式刀盤的切削刀速度圖

由運行的結(jié)果分析可得：螺旋式刀盤刀尖位置的運動為勻速直線運動，其速度為7.5mm/s。

由運行的結(jié)果分析可知：螺旋式刀盤的切削刀運動為勻速轉(zhuǎn)動，其速度是485mm/s。

4結(jié)論

三維仿真軟件UG真實再現(xiàn)了新型香蕉種植開坑機的工作狀況，且開坑機器符合工作需求。

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Abstract ID:1003-188X(2016)06-0122-EA

Based on the New Type of Banana Planting Open Pit of UG Simulation Machine

Xie Bingguang, Ma Junsheng, Ma Guixiang, Liang Jia, Liu Ziliang, Wen Qi

(College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Abstract：For large banana plantations of relative lack of research and development of the open pit machine, designed a new type of banana planting machine open pit.This machine has the open pit are of good quality, lower cost, and can adapt to the characteristics of different digging holes required. In this paper, the new type of banana planting the working principle of the open pit machine kinematics analysis and using 3d software UG, new real banana planting open pit machine working condition. The results show that the new type of banana planting open pit machine can meet the demand of work. A new type of banana planting the development of the open pit machine can be used as crop other similar open pit machine developed to provide the reference.

Key words：banana; open pit machine; UG; simulation

文章編號：1003-188X(2016)06-0122-04

中圖分類號：S222.5+2

文獻標識碼：A

作者簡介：謝炳光(1963-)，男，南寧人，工程師，(E-mail)bg6816@163.com。

基金項目：廣西大學國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目(201410593052)

收稿日期：2015-04-21