基于Motion的升降割臺仿真分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

孔朵朵，尹 健，肖 龍，張 奎

（貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

1 引言

水稻收割機(jī)的性能和尺寸是限制水稻收割機(jī)使用的兩個重要因素。我國水稻主產(chǎn)區(qū)在江蘇、安徽、湖南、湖北、江西、廣東等南方地區(qū)，這些地區(qū)多丘陵、梯田、爛泥田，收獲環(huán)境、季節(jié)性差異大。限制收割機(jī)尺寸、提高收割機(jī)性能對丘陵地區(qū)水稻收割具有重要意義[1]。我國對于收獲機(jī)割臺的設(shè)計(jì)、研究主要手段還處于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的階段。文獻(xiàn)[2]對4LBZ-125型半喂入水稻聯(lián)合收割機(jī)割臺進(jìn)行了動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)計(jì)算，并通過構(gòu)建試驗(yàn)臺正交實(shí)驗(yàn)得出了割臺切割、扶禾、輸送、機(jī)器行走等參數(shù)的組合方法。近年來通過虛擬樣機(jī)建立對割臺進(jìn)行動態(tài)仿真分析、有限元分析、模態(tài)分析有所發(fā)展。文獻(xiàn)[3]對于4LZ-2.0型聯(lián)合收割機(jī)割臺進(jìn)行了模態(tài)分析驗(yàn)證了割臺的震動特性；文獻(xiàn)[4]通過ANSYS對于4LY-Z油菜收獲機(jī)割臺框架進(jìn)行了諧響應(yīng)分析模擬了框架田間工作振動狀況，為割臺減重、減震提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。文獻(xiàn)[5]利用有限元方法對背負(fù)式玉米收獲機(jī)割臺支架進(jìn)行了模擬優(yōu)化分析使支架重量減輕。文獻(xiàn)[6]修對半喂入水稻收割機(jī)割臺通過Pro/E進(jìn)行了動態(tài)仿真分析驗(yàn)證了割臺傳動參數(shù)。文獻(xiàn)[7]通過UG和SPSS對水稻割曬機(jī)割臺進(jìn)行了仿真分析得出了割臺參數(shù)相關(guān)性。

對于收獲機(jī)割臺的研究主要是在大型割臺振動領(lǐng)域、割臺傳動參數(shù)配合領(lǐng)域，而對于小型半喂入收割機(jī)割臺的研究、割臺升降裝置的研究較少。對小型割臺的動力學(xué)仿真，有利于驗(yàn)證割臺傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，為整機(jī)設(shè)計(jì)提供了重要設(shè)計(jì)參數(shù)。對割臺升降裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)可以有效的縮小收割機(jī)縱向尺寸，提升收割機(jī)性能。

2 割臺設(shè)計(jì)

立式割臺縱向尺寸短、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，對于作物高矮適應(yīng)性強(qiáng)，目前已被廣泛的應(yīng)用于小型割曬機(jī)上[8]。立式割臺在4LB-0.6半喂入水稻聯(lián)合收割機(jī)上應(yīng)用可以有效的減輕整機(jī)重量，縮短整機(jī)尺寸，適應(yīng)在山地轉(zhuǎn)運(yùn)、船只裝載、小型地塊作業(yè)等要求。

2.1 割臺收割工作原理

割臺整體，如圖1所示。工作時割臺隨整機(jī)行走，禾桿進(jìn)入分禾裝置，撥禾星輪將禾桿攬入并撥向后方，同時在撥禾星輪的輔助支撐下割刀將禾桿割斷。割斷后的禾桿呈豎直狀態(tài)進(jìn)入橫向輸送裝置。橫向輸送裝置由寬型夾持鏈、被動撥禾星輪、彈性壓禾鋼絲組成。在橫向輸送裝置作用下禾桿呈豎直狀態(tài)橫向移動。禾桿到達(dá)割臺右側(cè)后進(jìn)入禾桿轉(zhuǎn)位導(dǎo)軌，在豎直平面內(nèi)逆時針翻轉(zhuǎn)，并由后續(xù)禾桿推動，繼續(xù)水平狀態(tài)移動并進(jìn)入脫粒夾持鏈條和喂入深度調(diào)節(jié)鏈，調(diào)節(jié)好喂入深度的禾桿由脫粒夾持鏈帶入滾筒進(jìn)行脫粒。

圖1 割臺整體結(jié)構(gòu)Fig.1 The Integral Structure of Header

2.2 割臺傳動參數(shù)設(shè)計(jì)

4LB-0.6小型半喂入水稻聯(lián)合收割機(jī)割幅B=0.6m、作業(yè)速度VM=0.35m/s。選用定刀片節(jié)距t0=50mm的小刀片割刀進(jìn)行收割作業(yè)。選用6齒、節(jié)圓半徑R=130mm的撥禾星輪。寬型夾持鏈選用08A鏈條。

2.2.1 割刀計(jì)算

小型水稻收割機(jī)行走速度慢、負(fù)荷小，為了減小慣性力、機(jī)器振動和功率消耗，割刀做往復(fù)運(yùn)動的平均速度一般選?。?.9～1）m/s，本機(jī)選取V平=0.95m/s。往復(fù)割刀驅(qū)動選用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，曲柄在水平面布置，連桿與割刀接口采用球頭副連接，提高割刀自適應(yīng)能力。計(jì)算曲柄轉(zhuǎn)速與曲柄半徑[8]：

式中：V平—割刀平均運(yùn)動速度，m/s；S—割刀行程，m；r—曲柄半徑，m；n—曲柄轉(zhuǎn)速，r/min。

代入計(jì)算得到曲柄轉(zhuǎn)速n=570r/min，曲柄半徑為r=25min。割刀切割進(jìn)程計(jì)算：

式中：VM—機(jī)器前進(jìn)速度，m/s；H—割刀切割進(jìn)程，m；n—曲柄轉(zhuǎn)讀，r/min。代入得到H=18.42mm/s。

2.2.2 橫向輸送裝置計(jì)算

合適的橫向輸送速度對機(jī)器至關(guān)重要，若輸送速度過慢，機(jī)器行走速度過快，則單位時間內(nèi)撥指容量增大，會增加輸送鏈載荷，造成堵塞等問題。若輸送鏈速度過快，輸送鏈撥指間的間隙不能夠充分被利用，會造成輸送鏈能量浪費(fèi)。若使收割機(jī)行走速度與輸送量速度相匹配則應(yīng)滿足割臺輸送量大于等于收割谷物量。計(jì)算橫向輸送鏈速度[9]：

式中：VM—機(jī)器前進(jìn)速度，m/s；B—收割機(jī)割幅，m；q1—谷物生長密度，株/m2；Vs—輸送鏈速度，m/s；h—谷物在輸送鏈上厚度，m；q2—禾桿在輸送鏈上的密集度，株/m2。

當(dāng)株距為0.3m時，q1=16株/m2，允許一排6株進(jìn)入割臺，h=0.05m，即：

帶入K=12.5得，計(jì)算式（3）得橫向輸送鏈速度Vs=0.34m/s。

2.3 割臺傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

確定割刀曲柄轉(zhuǎn)速與橫向輸送鏈速度之后，就可以對割臺傳動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。割臺動力由一個動力輸入軸輸入，通過并聯(lián)方式將動力傳遞給割刀與橫向傳動鏈，橫向傳動鏈帶動撥禾星輪轉(zhuǎn)動，割臺傳動系統(tǒng)運(yùn)動示意圖，如圖2所示。

圖2 割臺傳動示意圖Fig.2 The Schematic Diagram of Transmission of Header

3 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

割臺升降機(jī)構(gòu)是連接割臺與機(jī)架的重要部件，主要實(shí)現(xiàn)割臺不同工作位置的轉(zhuǎn)變。在割臺工作位時保證割刀與地面平行，距離110mm。為了保證收割機(jī)良好的轉(zhuǎn)運(yùn)通過性割刀抬升高度能夠達(dá)到230mm。

3.1 升降方案確定

實(shí)現(xiàn)割臺升降可有多種方案可選，例如：固定軌道推桿提升、固定軌道絲杠提升、連桿機(jī)構(gòu)絲杠提升。通過固定軌道的方法可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動位置精確，但存在體積大、安裝精度高、抗震效果差的缺點(diǎn)。通過連桿機(jī)構(gòu)能夠保證割臺運(yùn)動軌跡相對準(zhǔn)確，但連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，安裝精度要求小，具有一定抗震性能。綜合比較本裝置采用連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了保證收割機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)要求，減少割臺與機(jī)架的直接連接，采用間接接口設(shè)計(jì)理念，綜合使用四桿機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿結(jié)合實(shí)現(xiàn)割臺升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.2 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

割臺、機(jī)架、連桿通過銷釘鉸接，動力裝置采用電動推桿，如圖3所示。由于機(jī)架、割臺上其它零部件的結(jié)構(gòu)限制，升降連桿與電動推桿在其上安裝位置A、B、C、D、E均確定。割臺與機(jī)架保留一定安全距離，通過割臺上下兩個工作位置運(yùn)用作圖法初步設(shè)計(jì)得到上連桿l1=195mm，下連桿l2=250mm，機(jī)架安裝位置距離l3=95mm，割臺安裝位置距離l4=155mm。

圖3 升降機(jī)構(gòu)示意圖Fig.3 The Sketch Map of Lifting Mechanism

4 基于Motion的割臺動態(tài)仿真

SolidworksMotion是一款虛擬原型機(jī)仿真工具。一個剛性物體的三維運(yùn)動規(guī)律，可由兩個方程組成：第一個方程為牛頓第二運(yùn)動規(guī)律，描述了施加在主體上外力的總和等于線性動量p的變化律，既∑M=dp/dt。對質(zhì)量不發(fā)生改變的實(shí)體，方程式右側(cè)可以簡化成∑F=ma。第二個方程是主體上外力圍繞質(zhì)心產(chǎn)生力矩之和等于主體角動量H的變化率，∑M=dH/dt。在Motion分析過程中，每個時間步長，程序使用改進(jìn)的Newton-Raphson迭代法進(jìn)行求解[10]。

4.1 割臺仿真模型建立

裝配割臺零部件，并設(shè)置齒輪、鏈輪、撥禾星輪之間的傳動關(guān)系。割臺動力輸入由輸谷攪龍軸提供，通過雙萬向聯(lián)軸節(jié)機(jī)構(gòu)連接，割臺收割工作位時割臺輸入軸與輸送攪龍軸平行，消除了輸入轉(zhuǎn)速的波動性。設(shè)置輸入軸馬達(dá)速度為順時針570r/min，設(shè)置運(yùn)行時間為0.211s輸入軸轉(zhuǎn)動，運(yùn)行Motion分析。

4.2 運(yùn)行結(jié)果分析

如圖4所示，橫向輸送鏈條工作穩(wěn)定后，線速度呈余弦曲線變化，最大速度為0.328m/s，最小速度為0.348m/s，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，平均速度為0.337m/s。因?yàn)檩斎胼S到鏈輪存在萬向聯(lián)軸節(jié)，所以存在速度波動，速度波動幅度為平均速度的0.54%能夠滿足橫向輸送鏈平穩(wěn)運(yùn)動要求。仿真速度與設(shè)計(jì)速度相差0.88%符合設(shè)計(jì)期望。割刀最大速度為1.551m/s，割刀最小速度為0mm/s，平均速度為0.95m/s，如圖4所示。

圖4 橫向輸送鏈速度與割刀線速度變化Fig.4 The Horizontal Transmission Chain Speed and Cutters Line Speed Change

5 基于Motion的割臺升降優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.1 Motion模型建立

各部件、零件指定材料，Solidworks計(jì)算得出機(jī)架質(zhì)量m=25.596kg。對機(jī)架和割臺虛擬裝配，上下連桿、電動推桿采用鉸接裝配，用套管替換冗余的配合。電動推桿上安置直線電機(jī)，采用線段的方式控制電機(jī)的速度輸出，電動推桿的運(yùn)動速度設(shè)定，如表1所示。設(shè)置重力場加速度為g=9.8m/s2，忽略上下轉(zhuǎn)臂與機(jī)架割臺之間的摩擦。為采用Motion設(shè)計(jì)算例運(yùn)動仿真方法對割臺升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用數(shù)學(xué)方法確定上下連桿關(guān)系。

表1 速度變化Tab.1 The Velocity Variation

圖5 機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系建立Fig.5 Establishment of Mechanism Coordinate System

如圖5建立坐標(biāo)系，上下連桿在機(jī)架上安裝位置為A、D，在割臺上安裝位置為B、C，x為變量。通過Matlab建立程序，運(yùn)用二次插值擬合得出了上下連桿函數(shù)關(guān)系。

上下連桿的關(guān)系式為：l2=0.00041l21+0.75l1+88

式中：l1—上連桿長度；l2—下連桿長度。殘差為0.28滿足連桿設(shè)計(jì)要求。

5.2 設(shè)計(jì)算例建立

建立設(shè)計(jì)算例，如表2所示。生成120個Motion運(yùn)動仿真分析。其中距離1、距離2、距離3為三個割臺易與機(jī)架零部件發(fā)生干涉的距離測量。

表2 Motion設(shè)計(jì)算例Tab.2 The Motion Design Example

5.3 設(shè)計(jì)算例運(yùn)行結(jié)果分析

三個測量距離隨的變化，左側(cè)為割臺零件進(jìn)入到機(jī)架零件發(fā)生干涉的距離，右側(cè)為割臺零件離開機(jī)架零件的距離，如圖6所示。割臺升高距離的變化，如圖7所示。電動推桿最大功率隨呈線性變化，如圖8所示。綜合三圖選擇最優(yōu)結(jié)果為情形68。此時l1=187mm、l2=242mm，三個測量距離分別為47.12mm、15.36mm、25.37mm均為安全距離，連桿長度為最短不發(fā)生干涉長度，割臺升高高度h=120.114mm滿足約束條件。此時電動推桿消耗功率較小，最大功率為12.36w，電動推桿行程為47.25mm，可根據(jù)行程功率要求對電動推桿精確選型。割臺某點(diǎn)軌跡追蹤，A為割臺收割工作位，B為割臺轉(zhuǎn)運(yùn)工作位，如圖9所示。

圖6 測量距離變化Fig.6 The Measuring Distance Variation

圖7 割臺豎直升高距離Fig.7 The Vertical Rise Distance of Header

圖8 電動推桿最大功率變化Fig.8 The Maximum Power Change of Electric Push Rod

圖9 割臺運(yùn)動軌跡追蹤Fig.9 The Header Motion Trajectory Tracking

6 結(jié)論

對4LB-0.6半喂入水稻聯(lián)合收割機(jī)割臺進(jìn)行了設(shè)計(jì)，得出了兩個主要設(shè)計(jì)參數(shù)，割刀曲柄轉(zhuǎn)速、橫向輸送鏈速，并創(chuàng)新設(shè)計(jì)了割臺傳動布置，為微型半喂入割臺設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)參考。運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)理念使用四桿機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)動導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)結(jié)合設(shè)計(jì)了割臺升降機(jī)構(gòu)，較傳統(tǒng)升降機(jī)構(gòu)可靠性強(qiáng)。通過動態(tài)仿真得出割刀、橫向輸送鏈速度曲線。運(yùn)用Motion設(shè)計(jì)算例的方法對升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)減小了收割機(jī)縱向尺寸，為升降機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方提供了新思路。

［1］劉華，陳衛(wèi)靈，鄒詩洋.南方水稻收獲機(jī)械應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2014（1）：37-40.（Liu Hua，Chen Wei-ling，Zhou Shi-yang.Research and development trend of rice transplanting mechanization in china［J］.Modern Agricultural Equipment，2014（1）：37-40.）

［2］魏宵.4LBZ-125型半喂入水稻聯(lián)合收獲機(jī)割臺性能實(shí)驗(yàn)研究［D］.湖南：湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012（5）.（Wei Xiao.Functional experiments on cutting table of 4LBZ-125 headfeed rice combine ［D］.Hunan：Hunan Agricultural University，2012（5）.）

［3］陳樹人，韓紅陽，盧強(qiáng).4LZ-2.0型聯(lián)合收獲機(jī)割臺模態(tài)分析［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，10（43）：90-94.（Chen Shu-ren，Han Hong-yang，Lu Qiang.Model analysis of header for type 4LZ-2.0 combine harvester［J］.Transactions of The Chinese Society for Agricultural Machinery，2012，10（42）：90-94.）

［4］李青林，戴青玲.基于ANSYS的割臺框架諧響應(yīng)分析［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2009（10）：28-34.（Li Qing-lin，Dai Qing-ling.Harmonic analysis of the frame of cuting table basedonANSYS［J］.JournalofAgriculturalMechanizationResearch，2009（10）：28-34.）

［5］吳林峰，肖啟敏，郝用興.割臺支架數(shù)值模擬優(yōu)化與分析［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2008，28（5）：：52-54.（Wu Lin-feng，Xiao Qi-min，Hao Yong-xing.Numerical simulation and optimization analysis on suporting frame of cutting platform［J］.Journal of Mechine Design，2008，28（5）：52-54.）

［6］何國修.半喂入式聯(lián)合收割機(jī)割臺傳動系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)［D］.四川：西華大學(xué)，2012（6）.（He Guo-xiu.Optimization design for heading transmission of half-feed combine harvester［D］.Sichuan：Xihua University，2012（6）.）

［7］李浩，衣淑娟，楚智偉.基于UG的水稻割曬機(jī)割臺仿真與分析［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2015（12）：7-11.（Li Hao，Yi Shu-juan，Chu Zhi-wei.Simulation Analysis of rice swather cuting table based on UG［J］.Journal of Agricultural Mechanization Research，2015（12）：7-11.）

［8］華南農(nóng)學(xué)院農(nóng)機(jī)教研室.水稻聯(lián)合收割機(jī)原理與設(shè)計(jì)［M］．北京：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1981.（The Teaching Group of Huanan Agriculture College.The Principle and Design of Rice Combine Harvester［M］.Beijing：China Agriculture Machinery Press，1981.）

［9］耿瑞陽.新編農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2011（12）：255.（Geng Rui-yang.The New Agricultural Machinery［M］.Beijing：National Defence Industry Press，2011（12）：255.）

［10］DS Solidworks公司.Solidworks Motion運(yùn)動仿真教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012（8）：1-2.（DS Solidworks Company.Solidworks Motion［M］.Beijing：China Machine Press，2012.8：1-2.）