基于Creo Parametric的新型防堵裝置運(yùn)動(dòng)仿真

盧彩云，孟志軍，王　秀，武廣偉，李立偉

(1. 北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京　100097；2.國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京　100097；3.農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100097；4.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100097；5.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京　100097)

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基于Creo Parametric的新型防堵裝置運(yùn)動(dòng)仿真

盧彩云1,2,3,4,5，孟志軍1,2,3,4，王秀1,2,3,4，武廣偉1,2,3,4，李立偉1,2,3,4

(1. 北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心，北京100097；2.國(guó)家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心，北京100097；3.農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100097；4.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100097；5.北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京100097)

摘要：結(jié)合被動(dòng)式防堵裝置和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)式防堵裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了一種新型的滑板壓稈旋切式防堵裝置，并分析了該防堵裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理。同時(shí)，采用Creo Parametric軟件建立了三維幾何模型，并通過(guò)Creo Parametric軟件的機(jī)構(gòu)模塊對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了干涉和運(yùn)動(dòng)仿真分析。通過(guò)分析確保該裝置各部件之間不存在干涉，并得到其關(guān)鍵部件旋切平面刀端點(diǎn)的速度、速度X方向分量、速度Y方向分量及加速度、加速度X方向分量和加速度Y方向分量隨時(shí)間的變化規(guī)律，旨在為滑板壓稈旋切式防堵裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：滑板壓稈旋切式防堵裝置；干涉分析；運(yùn)動(dòng)仿真；Creo Parametric

0引言

小麥和玉米是華北一年兩熟區(qū)的主要糧食作物，6月份小麥?zhǔn)斋@后播種玉米，10月份玉米收獲后播種小麥，作物產(chǎn)量高、秸稈量大，耕地休閑期短。進(jìn)行免耕作業(yè)時(shí)，由于大量秸稈的存在，必須采用合適的防堵裝置[1-5]對(duì)秸稈進(jìn)行處理，才能保證開(kāi)溝器順利通過(guò)而避免堵塞。目前，免耕防堵裝置主要有被動(dòng)式防堵裝置和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)式防堵裝置兩種。被動(dòng)式防堵裝置主要用于處理秸稈量比較小的地塊，典型的有免耕播種機(jī)彈齒式防堵裝置[6]、少耕覆蓋播種機(jī)[7]、多梁式高地隙小麥免耕播種機(jī)[8]及齒輪撥草型免耕覆蓋精播機(jī)[9]；動(dòng)力驅(qū)動(dòng)式防堵裝置主要用于處理秸稈量較大的地塊，如動(dòng)力甩刀式免耕播種機(jī)[10]、免耕播種機(jī)組合型鋸切防堵裝置[11]、帶狀粉碎免耕播種機(jī)[12]及斜置驅(qū)動(dòng)圓盤免耕防堵裝置[13]等。被動(dòng)式防堵裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但防堵能力有限；動(dòng)力驅(qū)動(dòng)式防堵裝置防堵能力強(qiáng)，但刀軸轉(zhuǎn)速高，機(jī)器振動(dòng)噪音大，安全性能差。

滑板壓稈旋切式防堵裝置[14-15]是結(jié)合被動(dòng)式防堵裝置和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)式防堵裝置的優(yōu)點(diǎn)開(kāi)發(fā)的一種新型的防堵裝置。該裝置采用支撐切割方式切斷秸稈，刀具切割速度小、功耗低。為探討該裝置各組成部件運(yùn)動(dòng)規(guī)律，采用Creo Parametric軟件對(duì)滑板壓稈旋切式防堵裝置關(guān)鍵部件進(jìn)行三維建模，并采用Creo Parametric軟件的機(jī)構(gòu)模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析；在檢測(cè)裝置是否干涉的同時(shí)，可以直觀、形象地觀測(cè)和分析各部件運(yùn)動(dòng)，為進(jìn)一步優(yōu)化裝置參數(shù)提供理論參考。

1結(jié)構(gòu)及工作原理

滑板壓稈旋切式防堵裝置主要由機(jī)架、齒輪箱、三點(diǎn)懸掛、旋轉(zhuǎn)軸、旋切平面刀、滑板、刀輥、固定座、轉(zhuǎn)動(dòng)塊和彈簧限位桿等組成，如圖1所示。

1.三點(diǎn)懸掛裝置　2.機(jī)架　3.旋轉(zhuǎn)軸　4.滑板

工作原理是：旋切平面刀高速旋轉(zhuǎn)至秸稈處時(shí)切割秸稈，此時(shí)滑板壓住秸稈，形成有支撐切割。切割完成后，旋切平面刀繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，此時(shí)由于滑板有向下壓的作用，秸稈無(wú)法隨旋切平面刀向后上方飛濺，但存在向后上方運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)；在秸稈重力作用下，秸稈慢慢回落至地面，然后沿滑板與土壤之間的空隙流向后方。該裝置的關(guān)鍵部件是旋切平面刀和滑板。

2運(yùn)動(dòng)仿真及結(jié)果分析

采用Creo Parametric對(duì)滑板壓稈旋切式防堵裝置進(jìn)行三維實(shí)體模型，然后導(dǎo)入機(jī)構(gòu)模塊中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，能夠檢測(cè)出各部件之間是否存在干涉，并可通過(guò)模擬關(guān)鍵部件的運(yùn)動(dòng)，研究關(guān)鍵部件上作用點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡及在不同時(shí)刻的位置、速度、加速度等參數(shù)。在Creo Parametric中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真流程如圖2所示。

圖2　在Creo Parametric中運(yùn)動(dòng)仿真流程圖

2.1　幾何建模

根據(jù)滑板壓稈旋切式防堵裝置各部分具體結(jié)構(gòu)尺寸，按照1:1的比例分別用Creo Parametric建立三維實(shí)體部件圖，然后根據(jù)各部件之間連接關(guān)系進(jìn)行裝配，如圖3所示。

保護(hù)性耕作要求盡量減少耕作，因此選擇旋切平面刀作為秸稈切割部件。旋切平面刀切削面結(jié)構(gòu)采用阿基米德螺旋線。旋切平面刀側(cè)切刃曲線的極坐標(biāo)方程為

Rn=R0+kθ(θmin≤θ≤θmax)

(1)

式中Rn—旋切平面刀任意點(diǎn)回轉(zhuǎn)半徑(mm)；

R0—側(cè)切刃起點(diǎn)的回轉(zhuǎn)半徑(mm)；

k—極角每增加1rad回轉(zhuǎn)半徑的增量(mm)；

θ—側(cè)切刃上任意點(diǎn)的極角(rad)；

θmax—最大回轉(zhuǎn)半徑對(duì)應(yīng)的極角(rad)；

θmin—最小回轉(zhuǎn)半徑對(duì)應(yīng)的極角(rad)。

正切刃曲線方程為

(2)

式中R1—側(cè)切刃最大回轉(zhuǎn)半徑(mm)；

φ—正切刃上任意點(diǎn)的極角(rad)；

φmax—正切刃上最大回轉(zhuǎn)半徑對(duì)應(yīng)的極角(rad)；

β—彎折角(rad)。

根據(jù)田間試驗(yàn)條件，選擇旋切平面刀的回轉(zhuǎn)半徑為225mm，由公式(1)和公式(2)建立旋切平面刀模型。

滑板由弧形板和平面板兩部分組成。其中，滑板幾何參數(shù)包括弧形板與水平面夾角、平板長(zhǎng)度、滑板厚度和寬度等，根據(jù)小麥播種行距及與旋切平面刀相對(duì)位置等條件確定。

圖3　滑板壓稈旋切式防堵裝置三維實(shí)體模型

2.2　運(yùn)動(dòng)建模

將滑板壓稈旋切式防堵裝置三維實(shí)體模型導(dǎo)入Creo Parametric機(jī)構(gòu)模塊中。在Creo Parametric機(jī)構(gòu)模塊中對(duì)旋切平面刀的運(yùn)動(dòng)仿真主要通過(guò)以下幾個(gè)步驟進(jìn)行：①單擊齒輪，分別建立齒輪箱輸入軸與輸出軸、齒輪箱輸出軸與刀軸之間的嚙合關(guān)系，為使運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，此處設(shè)置各齒輪齒數(shù)相同。②單擊伺服電動(dòng)機(jī)，選取齒輪箱輸入軸為運(yùn)動(dòng)軸，定義電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為320r/min，即旋切平面刀的旋轉(zhuǎn)速度。③單擊機(jī)構(gòu)分析，對(duì)旋切平面刀進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，類型選擇運(yùn)動(dòng)學(xué)，設(shè)定好運(yùn)行時(shí)間點(diǎn)擊運(yùn)行即可看到旋切平面刀的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，并保存運(yùn)行結(jié)果。④單擊回放，選擇碰撞檢測(cè)設(shè)置的全局碰撞檢測(cè)，并選擇碰撞時(shí)鈴聲警告和碰撞時(shí)停止動(dòng)畫(huà)回放，點(diǎn)擊確定并運(yùn)行即可檢測(cè)部件之間是否存在干涉。若存在干涉，可根據(jù)提示對(duì)裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，直至干涉完全消除。⑤在保證裝置各部件之間無(wú)干涉的基礎(chǔ)上，單擊生成分析的測(cè)量結(jié)果，選擇裝置任意點(diǎn)可對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行位置、速度、加速度等信息的測(cè)量并輸出分析結(jié)果。

2.3　結(jié)果分析

1)干涉檢測(cè)過(guò)程中，沒(méi)有發(fā)出鈴聲警告，且沒(méi)有停止動(dòng)畫(huà)回放，表明該裝置各部件之間不存在干涉，結(jié)構(gòu)設(shè)置合理。

2)對(duì)旋切平面刀的端點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量得到其3s內(nèi)的速度-時(shí)間、速度x方向-時(shí)間、速度y方向-時(shí)間、加速度-時(shí)間、加速度x方向-時(shí)間和加速度y方向-時(shí)間的特性曲線，如圖4～圖9所示。

圖4　速度-時(shí)間特性曲線

圖5　速度x方向-時(shí)間特性曲線

圖6　速度y方向-時(shí)間特性曲線

圖7　加速度-時(shí)間特性曲線

圖8　加速度x方向-時(shí)間特性曲線

圖9　加速度y方向-時(shí)間特性曲線

由圖4～圖6可以看出：旋切平面刀端點(diǎn)速度在x方向、y方向的分量與時(shí)間呈正弦分布，而總速度為恒定值。由圖7～圖9可以看出：旋切平面刀端點(diǎn)加速度在x方向、y方向的分量也與時(shí)間呈正弦分布，其加速度為恒定值。對(duì)旋轉(zhuǎn)部件的理論分析可知，以上結(jié)果是合理的。通過(guò)Creo Parametric進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，可以檢測(cè)出研究對(duì)象之間是否存在干涉，而且能夠直觀形象地獲得研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和變化趨勢(shì)，為研究對(duì)象的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

3結(jié)論

1) 對(duì)滑板壓稈旋切式防堵裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)，并根據(jù)旋切平面刀和滑板的幾何參數(shù)，利用Creo Parametric軟件建立了滑板壓稈旋切式防堵裝置三維幾何模型。

2) 應(yīng)用Creo Parametric軟件的機(jī)構(gòu)模塊對(duì)滑板壓稈旋切式防堵裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，干涉分析結(jié)果表明：各部件之間不存在干涉，結(jié)構(gòu)設(shè)置合理。

3) 運(yùn)動(dòng)仿真同時(shí)得到了轉(zhuǎn)速320r/min時(shí)旋切平面刀端點(diǎn)的速度、速度X方向分量、速度Y方向分量及加速度、加速度X方向分量和加速度Y方向分量隨時(shí)間的變化規(guī)律。

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Motion Simulation Analysis on New Anti-blocking Device Based on Creo Parametric

Lu Caiyun1,2,3,4, Meng Zhijun1,2,3,4, Wang Xiu1,2,3,4, Wu Guangwei1,2,3,4, Li Liwei1,2,3,4

(1. Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Beijing 100097, China; 2. National Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097, China; 3. Beijing Key Laboratory of Intelligent Agricultural Equipment and Technology, Beijing 100097, China; 4. Key Laboratory of Agr-Informatics, Ministry of Agriculture, P. R. China, Beijing 100097, China； 5.Beijing Research Centor for Information Technology in Agriculture, Beijing 100097, China)

Abstract：An anti-blocking device of rotary cutting with slide plate pressing straw for no-till planter was designed based on the characteristics of passive and active anti-blocking devices, and the structure and working principle was analyzed. Three-dimensional model of the anti-blocking device was established by Creo Parametric, and analysis of interference and motion were carried out in the mechanism module of Creo Parametric. There was no interference in the anti-blocking device by analysis, and the endpoint motion of rotary blade, such as the speed, the speed in X-direction, the speed in Y-direction, acceleration, the acceleration in X-direction, the acceleration in Y-direction were obtained, which provides scientific basis for structural improvement of Anti-blocking Device of Rotary Cutting with Slide Plate Pressing Straw.

Key words：anti-blocking device of rotary cutting with slide plate pressing straw; interference analysis; motion analysis; Creo Parametric

中圖分類號(hào)：S222.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)08-0060-04

作者簡(jiǎn)介：盧彩云(1986-)，女，河北滄州人，博士，博士后，(E-mail)lucy@nercita.org.cn。通訊作者：孟志軍(1975-)，男，河南信陽(yáng)人，研究員，博士。

基金項(xiàng)目：農(nóng)業(yè)部“948計(jì)劃”項(xiàng)目(2011-G32[5])；北京市農(nóng)林科學(xué)院博士后基金項(xiàng)目(2014002)

收稿日期：2015-09-01