指盤折疊式摟草機

耿傳玉+甄宗霖+王凱歌+劉磊

摘要：隨著我國人工種植牧草面積在逐年增加，實現(xiàn)牧草收獲的機械化，降低勞動強度，提高勞動生產(chǎn)效率具有重要意義。同時，由于我國的草原多分布在北方高寒帶，牧草適時收獲期較短，季節(jié)性強，勞動強度大，為保證割草機割草后及時摟草攤曬，使牧草充分干燥，避免牧草中的營養(yǎng)成分丟失，使用高效率的摟草機械十分必要。該指盤式折疊摟草機主要由伸縮式主梁、折疊式側(cè)梁、調(diào)節(jié)梁，2+7×2個草盤（分別置于主梁前側(cè)和側(cè)梁）、液壓系統(tǒng)、固定輪、萬向輪等組成。其中，側(cè)梁與主梁的連接進行零件建模與裝配，借助solidworks simulation進行該機機架的有限元分析，為后期優(yōu)化設計提供理論依據(jù)，使用solidCAM對設計產(chǎn)品的采用的折疊機構(gòu)，大大提高了摟草機的便捷性。本設計主要是利用solidworks主要零件進行數(shù)控加工模擬仿真。三維建模軟件的使用節(jié)省了人力物力，縮短了設計周期。

關(guān)鍵詞：指盤折疊式摟草機 效率便捷 CAD/CAE/CAM

1.課題的設計背景和意義

隨著我國西部大開發(fā)和畜牧業(yè)的快速發(fā)展，人工種植牧草面積在逐年增加，實現(xiàn)牧草收獲的機械化，降低勞動強度，提高勞動生產(chǎn)效率具有重要意義。同時，由于我國的草原多分布在北方高寒帶，牧草適時收獲期較短，季節(jié)性強，勞動強度大，為保證割草機割草后及時摟草攤曬，使牧草充分干燥，避免牧草中的營養(yǎng)成分丟失，使用高效率的摟草機械十分必要。

此外，目前國內(nèi)摟草機械摟草作業(yè)面積大約在15m，摟草機長7m至8m，非工作狀態(tài)下占用空間較多，這對于一些地形復雜崎嶇的地方，傳統(tǒng)摟草機的設計顯得過于笨重，不便于運輸。這就需要一種即便于運輸，又不失傳統(tǒng)摟草機優(yōu)勢的新型摟草機。

本設計在現(xiàn)有摟草機設計的基礎上進行創(chuàng)新。側(cè)梁與主梁的連接采用六桿機構(gòu)作為摟草機的折疊機構(gòu)，摟草機伸展后，六桿機構(gòu)恰好到達死點位置，實現(xiàn)自鎖，然后開始作業(yè)。作業(yè)結(jié)束后，利用液壓缸拉動滑塊將側(cè)梁收回，側(cè)梁折疊，主梁縮回。和傳統(tǒng)摟草機相比，該摟草機由于采用折疊機構(gòu)，使得在相同工作面積下，大大減小了機器尺寸，節(jié)省了原材料，同時便于操作和運輸，實現(xiàn)控制的自動化。

2.整體結(jié)構(gòu)方案

該指盤式折疊摟草機主要由伸縮式主梁、折疊式側(cè)梁、調(diào)節(jié)梁，立軸梁，2+7×2個草盤（分別置于主梁前側(cè)和側(cè)梁）、液壓系統(tǒng)、固定輪以及萬向輪等組成。摟草機整體與拖拉機牽引連接，拖拉機提供整體動力，由液壓系統(tǒng)控制草盤的起升和降落以及伸縮式主梁的伸縮。主要結(jié)構(gòu)如圖所示：

3.功能與使用說明

該摟草機工作時由拖拉機帶動整體前行，液壓機構(gòu)控制主梁梁1的伸長以及折疊式側(cè)梁的伸展，折疊機構(gòu)伸展后，恰好到達死點位置，實現(xiàn)自鎖，然后摟草機開始作業(yè)。側(cè)梁與主梁成135°角，16個草盤均勻分布于中間和兩側(cè)，并與側(cè)梁成一定角度，草盤靠重力作用抓地隨機器前行，齒的頭部彎曲，這樣易抓取牧草，整個過程中草盤不轉(zhuǎn)動，當遇到地面較高處時，會在彈簧的拉力下自動彈起，避免耙齒破壞草場地面，還可以減少草條中的陳腐草及泥土等雜物。在運輸過程中，液壓系統(tǒng)控制著草盤的起升和降落，以免摟草盤上的齒將其他物體刮傷或者草盤自身受損。作業(yè)結(jié)束后，利用液壓缸拉動滑塊將側(cè)梁收回，側(cè)梁折疊，主梁縮回。

4.基本零件的設計

零件是組成機械產(chǎn)品的基本要素，零件的模型構(gòu)建及裝配決定了整個機械產(chǎn)品的性能。在使用Solidworks三維軟件進行零件設計過程中，尺寸設計是一項重要的限制因素，通過詳細了解傳統(tǒng)摟草機，以及根據(jù)有限云分析軟件得出的數(shù)據(jù)，最終確定該指盤折疊式摟草機各部分零件的尺寸。

在該指盤折疊式摟草機中主要部位是主梁，側(cè)梁和調(diào)節(jié)梁。根據(jù)實際工作要求，以及傳統(tǒng)摟草機相關(guān)尺寸，結(jié)合有限元分析軟件分析數(shù)據(jù)，最終確定主梁，側(cè)梁以及調(diào)節(jié)梁尺寸。然后，將主梁，側(cè)梁和調(diào)節(jié)梁進行細分，得到各部分零件尺寸。再用Solidworks三維建模軟件進行零件圖的繪制。在零件圖的繪制中，主梁，側(cè)梁，調(diào)節(jié)梁以及立軸梁的各部分零件主要用到了拉伸，切除，旋轉(zhuǎn)，抽殼以及異型孔向?qū)А?/p>

草盤在整個零件的三維建模中屬于比較繁瑣的零件，依據(jù)傳統(tǒng)摟草機草盤的形狀，尺寸以及有限元分析軟件得出的數(shù)據(jù)，最終確定該摟草機草盤的形狀以及尺寸。它的三維建模主要用到了掃描，拉伸，切除，放樣以及局部陣列。

其他零件如輪胎，軸銷以及液壓油缸等根據(jù)不同的需要確定其尺寸，通過旋轉(zhuǎn)，放樣，曲面等一系列特征形成。

5.運動模擬仿真

Solidworks提供一種運動仿真的運動算例。正確裝配摟草機后，進行運動仿真。在該指盤折疊式摟草機的設計中，不同時間點設定摟草機側(cè)梁非工作狀態(tài)，側(cè)梁展開狀態(tài)以及主梁伸長狀態(tài)，和摟草機側(cè)梁折回，主梁收縮狀態(tài)。通過運動算例實現(xiàn)其不同狀態(tài)下的模擬仿真運動。通過運動模擬仿真可以直觀的觀察到設計產(chǎn)品的操作運行狀態(tài)，為優(yōu)化設計提供直觀依據(jù)。

6.結(jié)論

通過我們的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)無論國內(nèi)還是國外的大型牧場都在使用摟草機，但是存在一個嚴重的缺點，傳統(tǒng)摟草機體積較大，在崎嶇的地形不方便運輸，這樣急需要一種在非工作狀態(tài)下體積較小，方便運輸?shù)膿Р輽C。

與傳統(tǒng)摟草機相比，該指盤折疊式摟草機折疊系統(tǒng)以及伸縮式主梁的設計，使得其在崎嶇的地形上工作成為可能，并且被大大減小了非工作狀態(tài)下?lián)Р輽C的體積，更加方面與摟草機的運輸，但同時又不影響摟草機的工作效率以及作業(yè)幅寬。

使用solidworks進行零件設計、裝配，通過直觀展示完成一些列的樣機外形改進。使用CAE有限元分析軟件對主機架及中間桁架進一系列分析，通過應力云圖、位移云圖、應變云圖進行機架校核，簡化計算過程，為優(yōu)化設計提供理論基礎。使用CAM進行數(shù)控加工模擬仿真技術(shù)，用軟件進行零件加工軌跡模擬，避免了直接在機床試加工時浪費材料、人力，以及破壞機器的風險。Solidworks軟件中CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的使用，在產(chǎn)品的設計過程中，保證了設計者可以隨時觀察、優(yōu)化和修改設計產(chǎn)品，縮短了設計周期。

參考文獻：

[1]成大先。機械制圖精度設計：化學工業(yè)出版，2010：91-210。

[2]賴一楠。復雜機械結(jié)構(gòu) 模糊優(yōu)化方法及工程應用：科學出版社，2008：31-108。

[3]從曉霞，馮章憲，絳明華。機械創(chuàng)新設計：北京大學出版社，2008：62-92。

[4]崔鳳奎等。Solidworks機械設計機械：工業(yè)出版社，2007：1-193。