基于Solidworks- Motion 的旋耕機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真

浦宏毅 李再參 葉 愈 黃建國(guó)

（云南省機(jī)械研究設(shè)計(jì)院 云南省機(jī)電一體化應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明650031）

隨著國(guó)內(nèi)農(nóng)村勞動(dòng)力的逐漸的減少，國(guó)家土地耕作模式逐漸向大型機(jī)械轉(zhuǎn)變，從之前的單一機(jī)械化逐漸向全程機(jī)械化轉(zhuǎn)變[1]。旋耕機(jī)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中一種重要機(jī)型，傳統(tǒng)旋耕機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)多采用經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，很少對(duì)其受力和運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行仿真分析，本文主要討論如何使用設(shè)計(jì)分析軟件Solidworks-motion，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)角度進(jìn)行動(dòng)平衡設(shè)計(jì)和仿真優(yōu)化，對(duì)旋耕機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析，探測(cè)研究旋耕機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、部件受力情況等數(shù)據(jù)，從產(chǎn)品初期設(shè)計(jì)階段確保旋耕機(jī)的合理性。能夠幫助設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)前期判斷設(shè)計(jì)是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。解決機(jī)械最復(fù)雜的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)受力問(wèn)題。

1 旋耕機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

1.1 旋耕機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)

旋耕機(jī)在旋耕作業(yè)的過(guò)程中，判斷其作業(yè)好壞的兩個(gè)重要因素是旋耕后田塊質(zhì)量及旋耕過(guò)程中其消耗的功率，其中影響兩個(gè)指標(biāo)的重要因素就是刀片在刀軸上的排列方式。旋耕機(jī)在旋耕過(guò)程中不產(chǎn)生漏耕，這就要求旋耕機(jī)本身刀軸受力均勻，刀片間距合理，刀片之間不堵塞土壤[2]。

刀輥轉(zhuǎn)速280r/min、耕深135mm。

圖1 整機(jī)軸測(cè)圖

1.2 旋耕刀輥參數(shù)

旋耕機(jī)前進(jìn)速度、刀輥每個(gè)切土小區(qū)內(nèi)刀片數(shù)和刀輥轉(zhuǎn)速變化，直接影響土壤破碎度和功率消耗，適合的旋耕刀輥設(shè)計(jì)能夠有效降低功耗，本文設(shè)計(jì)的某型號(hào)旋耕機(jī)刀片采用多區(qū)段的雙螺旋的排列方式，有效的解決了土壤朝一側(cè)聚集造成耕后土壤平整度低的現(xiàn)象發(fā)生，根據(jù)中間傳動(dòng)的特點(diǎn)將旋耕刀片采用以幅寬中央為基準(zhǔn)，雙左右螺旋線分區(qū)段排列。

將旋耕刀輥小區(qū)內(nèi)的刀片數(shù)設(shè)定為Z=2，刀輥上刀片排列方式采用多區(qū)段雙螺旋線排列[3]。旋耕機(jī)的傳動(dòng)方式為中間傳動(dòng)，刀軸被分為兩段，將刀座之間的間距設(shè)定為74mm[4]，則刀軸上旋耕刀片數(shù)量為：

式中：B- 耕幅，m（本項(xiàng)目為中間傳動(dòng)，取兩刀輥幅寬之和1.8m，）；b′——刀座間距，mm（取值74）；Z ——每切土小區(qū)的刀數(shù)2；Z′——彎刀總數(shù)（取整偶數(shù)）。旋耕刀輥由48 把刀組成，刀輥按照雙螺旋線的排列方式排列，一個(gè)旋耕小區(qū)內(nèi)共有5組10 把刀片，同一平面內(nèi)的左右旋刀夾角成180 度，相鄰兩個(gè)刀座之間的間距為74mm，相鄰刀座之間的徑向夾角為72 度，左右兩側(cè)進(jìn)行對(duì)稱布置。旋耕刀排列展開圖如圖2 所示。

圖2 旋耕刀排列展開圖

2 刀輥受力分析

由于旋耕刀耕作過(guò)程中刀的周期性入土－切土－出土旋轉(zhuǎn)，刀片切土過(guò)程的受力很復(fù)雜。國(guó)內(nèi)外針對(duì)旋耕刀切土過(guò)程受力方面的研究雖很多，但他們的研究主要針對(duì)機(jī)具或刀片受力的某分力。如圖3 所示，旋耕機(jī)在正常工作時(shí)，刀軸所受到的扭矩M大小由刀片上所受力的合力大小決定[5]。在閱讀大量研究資料得出，如果刀片的工作半徑為R 時(shí)，那么其所受阻力作用在刀片的位置為R′=9.0R。當(dāng)一個(gè)刀片入土?xí)r在入土的過(guò)程中其受到扭矩變化是非常大的，旋耕刀在土壤中運(yùn)動(dòng)時(shí)，扭矩隨旋耕刀轉(zhuǎn)過(guò)角度變化，扭矩在一個(gè)周期內(nèi)呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)。旋耕刀入土后，隨著切削土垡的厚度、高度及與土壤接觸面積的增加，導(dǎo)致旋耕刀扭矩增加；之后由于刀具上方的土壤逐漸減少，扭矩逐漸降低其變化可視為正弦曲線，其值為：?jiǎn)伟训毒邚娜胪習(xí)r的0 增加至最大扭矩約Mmax27.4 N·m，而后扭矩逐漸降至接近0[6]。刀輥在一個(gè)切土區(qū)域內(nèi)共有5 組10 把刀片，共4.8 個(gè)切土區(qū)域，刀輥?lái)樞蚯腥胪寥赖膬砂训镀噜強(qiáng)A角為36度，刀片彎轉(zhuǎn)方向相反，旋耕機(jī)連續(xù)作業(yè)時(shí)，可將其視為軸向左右受力平衡，刀輥在一個(gè)切土區(qū)域內(nèi)共有三把刀片做切土運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)镀? 剛切入土壤時(shí)，刀片2、3 切入土壤內(nèi)部，刀片4 剛好退出土壤。由此，可以近似的認(rèn)為，在單個(gè)切土區(qū)域內(nèi)，共有1+0.5+0.5=2 把刀在做最大扭矩切土運(yùn)動(dòng)，刀輥所受扭矩為:

圖3 刀輥切土狀態(tài)圖

3 旋耕機(jī)-Motion 分析模型設(shè)置

應(yīng)用Solidworks 建立裝配體模型，開啟motion 插件，新建運(yùn)行算例1，選用motion 分析，添加引力；引力加速度數(shù)值等于重力加速度9.8m/s2，方向豎直向下；設(shè)置固定約束：定義接觸，變速箱一級(jí)錐齒二、三級(jí)齒輪傳動(dòng)為鋼對(duì)鋼實(shí)體濕式接觸；置設(shè)置輸入馬達(dá)；在一級(jí)小錐齒輪軸是設(shè)置圓周旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，數(shù)值為300mm/s，方向順時(shí)針；設(shè)置刀輥扭矩：在左右刀軸上分別施加一個(gè)與運(yùn)動(dòng)方向相反的阻力扭矩135Nm。設(shè)置零件剛性組：機(jī)架剛組、變速箱體剛性組、左刀輥剛性組、右刀輥剛性組、同級(jí)齒輪和旋轉(zhuǎn)軸設(shè)為一個(gè)剛性組；每秒幀數(shù)設(shè)置：數(shù)值越高，分析結(jié)果月精確，但耗時(shí)越長(zhǎng)，這個(gè)數(shù)值需要根據(jù)轉(zhuǎn)速確定，轉(zhuǎn)速300r/min，及每秒5 轉(zhuǎn)，及5 個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，若每3 度算一幀，就有120*5=600 幀。

圖4 Motion 分析參數(shù)設(shè)置

4 結(jié)果圖解與討論

4.1 馬達(dá)能量消耗：根據(jù)motion 仿真分析，得出該型旋耕機(jī)的馬達(dá)能量消耗變化在旋耕機(jī)啟動(dòng)時(shí)最大，達(dá)到了23KW,穩(wěn)定后在17KW 內(nèi)，刀輥反作用力變化為均勻波形，最大達(dá)到5697N。

圖5 馬達(dá)能量消耗圖

4.2 傳動(dòng)齒輪接觸力：錐齒輪接觸力在旋耕機(jī)啟動(dòng)時(shí)最大達(dá)到了15578N、當(dāng)旋耕機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)時(shí)呈現(xiàn)波形變化，變化幅度在1000-10000N 左右，三級(jí)傳動(dòng)齒輪之間的接觸力趨勢(shì)與錐齒輪相同，啟動(dòng)時(shí)達(dá)到27401N、當(dāng)運(yùn)行平穩(wěn)時(shí)呈現(xiàn)波形變化，變化幅度在1000-10000N 左右。

圖6 錐齒輪接觸力圖

圖7 三級(jí)傳動(dòng)齒輪之間的接觸力圖

4.3 刀輥反作用力:由圖4-4 可看出，旋耕機(jī)刀輥受力成正弦函數(shù)交替變化，變化情況相對(duì)穩(wěn)定，最大值達(dá)到5697，最小值趨近于0。

圖8 刀輥反作用力圖

結(jié)束語(yǔ)

本次分析主要在于通過(guò)對(duì)分析某型旋耕機(jī)刀輥布工作是切入土壤的工作情況、刀片置情況研究，旋耕機(jī)的刀輥受力，并借助SolidWorks-Motion 軟件對(duì)旋耕機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析，探測(cè)研究旋耕機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、部件受力情況等數(shù)據(jù)，從而為旋耕機(jī)設(shè)計(jì)校驗(yàn)提供依據(jù)，從產(chǎn)品初期設(shè)計(jì)階段確保旋耕機(jī)的合理性，能夠幫助設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)前期判斷設(shè)計(jì)是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，解決機(jī)械最復(fù)雜的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)受力問(wèn)題。根據(jù)分析，得到了旋耕機(jī)的輸入馬達(dá)能量消耗圖和關(guān)鍵部位受力情況圖，旋耕機(jī)的受力變化趨勢(shì)，其變化情況符合設(shè)計(jì)時(shí)的要求。得出的輸數(shù)據(jù)客觀，與旋耕機(jī)的實(shí)際工作情況比較近似，對(duì)設(shè)計(jì)校驗(yàn)和優(yōu)化就有參考價(jià)值。