水稻收獲打捆一體機(jī)打捆裝置仿真分析

曲洪潮，包 帥，衣淑娟，陶桂香，李衣菲，毛 欣，徐 暢

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，大慶 163319；2.哈爾濱工程大學(xué) 國(guó)際合作教育學(xué)院，哈爾濱 150001；3.黑龍江農(nóng)墾建三江管理局 鴨綠河農(nóng)場(chǎng)黨委組織部，黑龍江 同江 156400)

水稻收獲打捆一體機(jī)打捆裝置仿真分析

曲洪潮1，包 帥2，衣淑娟1，陶桂香1，李衣菲1，毛 欣1，徐 暢3

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，大慶 163319；2.哈爾濱工程大學(xué) 國(guó)際合作教育學(xué)院，哈爾濱 150001；3.黑龍江農(nóng)墾建三江管理局 鴨綠河農(nóng)場(chǎng)黨委組織部，黑龍江 同江 156400)

虛擬樣機(jī)可以對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。為此，運(yùn)用三維建模軟件UG對(duì)水稻收獲打捆一體機(jī)打捆裝置零部件進(jìn)行三維建模、裝配，完成水稻收獲打捆一體機(jī)打捆裝置零部件的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)。虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)需要高尺寸精度與各零部件之間的準(zhǔn)確約束，通過零部件的三維繪制與裝配，再進(jìn)行整機(jī)的裝配，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行干涉檢查，可提高研發(fā)效率。打捆裝置虛擬樣機(jī)的建立為后續(xù)的虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真及其打捆裝置零部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定了良好的基礎(chǔ)。對(duì)仿真后輸出的曲線進(jìn)行分析和討論，使其符合真實(shí)的打捆環(huán)境，結(jié)果表明：各個(gè)裝置的時(shí)序配合精準(zhǔn)，能夠較好地反映出整個(gè)打捆的過程，對(duì)實(shí)體的組裝具有較大的指導(dǎo)意義。

水稻收獲打捆一體機(jī)；打捆裝置；仿真分析；UG

0 引言

黑龍江省是水稻生產(chǎn)大省，水稻收獲機(jī)械化已成為發(fā)展趨勢(shì)。水稻的機(jī)械化收獲主要分為聯(lián)合收獲與分段收獲，而收獲后秸稈的處理與回收問題,成為了目前關(guān)注較高的話題。目前,黑龍江水稻收獲后秸稈散落在田間，有些被二次回收，有些則直接焚燒。而二次回收增加了秸稈回收的成本，撿拾壓捆機(jī)再次進(jìn)入田地，造成了田地的二次壓實(shí)，使土壤板結(jié)率增加，破壞了土壤結(jié)構(gòu)；而直接焚燒則造成了環(huán)境的嚴(yán)重污染，這是國(guó)家明令禁止的。為此，設(shè)計(jì)了一臺(tái)水稻收獲打捆一體機(jī)。其集收獲與秸稈打捆于一體，在水稻收獲過程中分離的秸稈直接進(jìn)入打捆裝置中進(jìn)行打捆，既節(jié)約了成本，避免了機(jī)具對(duì)田地的二次壓實(shí)，同時(shí)又回收了水稻秸稈，對(duì)黑龍江水稻秸稈的綜合利用具有重要意義。針對(duì)設(shè)計(jì)要求的不同，運(yùn)用不同的設(shè)計(jì)方法，如UG、ADAMS、Pro/E軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。本文運(yùn)用了UG對(duì)水稻收獲打捆一體機(jī)以及打捆裝置進(jìn)行了虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)[1]。

1 打捆裝置三維結(jié)構(gòu)及時(shí)序關(guān)系

水稻收獲打捆一體機(jī)打捆裝置由壓縮裝置、輸草裝置、打結(jié)裝置、草捆長(zhǎng)度控制裝置及草捆密度調(diào)節(jié)裝置組成，動(dòng)力來源于水稻聯(lián)合收割機(jī)脫粒滾筒，由鏈輪傳動(dòng)到壓縮裝置減速器，如圖1所示。

1.壓縮機(jī)構(gòu) 2.輸草裝置 3.打結(jié)裝置 4.捆長(zhǎng)控制裝置 5.草捆密度控制裝置

減速器為一級(jí)減速器，水稻收獲打捆一體機(jī)與打捆裝置的時(shí)序配合為：水稻秸稈由脫粒滾筒脫粒，脫粒滾筒下方帶有螺旋輸送器，可將脫粒后的秸稈輸送到脫粒裝置右端，由撥叉式喂入裝置喂入到打捆裝置，輸草裝置由鏈輪傳動(dòng)到壓縮裝置減速器。減速器為二級(jí)減速器，水稻收獲打捆一體機(jī)與打捆裝置的時(shí)序配合為：水稻秸稈由脫粒滾筒脫粒后進(jìn)入打捆裝置，輸草裝置與壓縮裝置作業(yè)同時(shí)進(jìn)行；設(shè)置好一定的草捆長(zhǎng)度后，草捆長(zhǎng)度控制機(jī)構(gòu)隨著草捆的向后運(yùn)動(dòng)計(jì)量草捆長(zhǎng)度，當(dāng)草捆長(zhǎng)度達(dá)到指定長(zhǎng)度后，草捆長(zhǎng)度控制器帶動(dòng)打結(jié)器離合器工作，打結(jié)器開始工作，完成草捆打結(jié)工作。草捆密度調(diào)節(jié)器單獨(dú)工作，不與其他裝置關(guān)聯(lián)，在收割機(jī)工作之前，將草捆密度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)到一定值后即可開始打捆作業(yè)。

2 各機(jī)構(gòu)及關(guān)鍵部件的三維結(jié)構(gòu)

2.1 壓縮裝置三維結(jié)構(gòu)

壓縮裝置由壓縮板、飛輪、減速器、滑道及壓縮室組成，如圖2所示。脫粒滾筒傳來的動(dòng)力由減速器減速，傳給壓縮板。飛輪的作用：一是使壓縮板運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)；二是形成往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使壓縮板往復(fù)工作。壓縮板在打捆裝置的機(jī)體內(nèi)，滑道安裝在壓縮室內(nèi)，作用是減小壓縮板的阻力，壓縮板在滑道內(nèi)可以前后滑動(dòng)，以節(jié)約動(dòng)力。

1.減速器 2.慣性輪 3.連桿 4.壓縮板

2.2 輸草裝置三維結(jié)構(gòu)

輸草裝置三維結(jié)構(gòu)如圖3所示。其主要結(jié)構(gòu)是輸草輪，與脫粒滾筒的喂入撥叉機(jī)構(gòu)相連，作用是輸送脫粒滾筒脫下來的水稻秸稈，使之進(jìn)入壓縮室，以免造成堵塞。它位于壓縮室上方，壓縮室上層有開口，秸稈由開口進(jìn)入壓縮室。

2.3 打結(jié)裝置三維結(jié)構(gòu)

打結(jié)裝置由架體、復(fù)合驅(qū)動(dòng)齒盤、夾繩盤、夾繩盤錐齒輪、鷹嘴、蝸桿軸及蝸桿、鷹嘴齒輪及割繩刀片撥繩裝置等組成，如圖4所示。它有3個(gè)系統(tǒng)分時(shí)序工作：首先，穿繩針將繩送到打結(jié)嘴，將繩搭在打結(jié)嘴上；撥繩裝置將繩向后撥動(dòng)，使繩向夾繩盤運(yùn)動(dòng)，直至夾繩盤將繩夾?。坏竭_(dá)一定程度后，隨著鷹嘴旋轉(zhuǎn)兩股繩繞動(dòng)一圈，完成打結(jié)動(dòng)作，然后割繩刀工作；將繩割斷。

1.喂入口 2．箱體 3．輸草輪 4.驅(qū)動(dòng)鏈輪

1.復(fù)合驅(qū)動(dòng)齒盤 2.打結(jié)器機(jī)架 3.打結(jié)嘴錐齒輪 4.割繩刀 5.打結(jié)嘴 6.夾繩盤 7.夾繩盤直齒輪 8.蝸桿 9.夾繩盤錐齒輪

2.4 草捆長(zhǎng)度控制裝置的三維結(jié)構(gòu)

草捆長(zhǎng)度控制裝置的三維結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中，草捆長(zhǎng)度控制機(jī)構(gòu)由支座、凸輪擋板、控制凸輪、凸輪滾子、連桿、限位塊、外齒輪、內(nèi)弧形齒輪及計(jì)量輪組成，將草捆視作齒條，草捆推動(dòng)計(jì)量輪轉(zhuǎn)動(dòng)，形成齒條齒輪傳動(dòng)。草捆向后移動(dòng)，帶動(dòng)計(jì)量輪轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)到限位塊時(shí)，主軸離合器閉合，打結(jié)器工作。草捆長(zhǎng)度控制機(jī)構(gòu)控制著一系列的機(jī)構(gòu)，如打結(jié)機(jī)構(gòu)、撥繩機(jī)構(gòu)、送繩機(jī)構(gòu)等。當(dāng)草捆達(dá)到一定長(zhǎng)度后，草捆長(zhǎng)度控制器帶動(dòng)打結(jié)器離合器工作，打結(jié)器鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，完成一次打結(jié)動(dòng)作。

2.5 草捆密度調(diào)節(jié)裝置的三維結(jié)構(gòu)

草捆密度調(diào)節(jié)裝置由彈簧、手輪、槽鋼及張緊裝置組成，分布于打捆機(jī)尾部，如圖6所示。它的作用是縮小或者增大壓縮室出口的高度，使草捆更加困難或者更加輕松地排出打捆裝置，達(dá)到增加或者減小草捆密度的作用。

1手輪 2.彈簧 3.上箱槽鋼 4.箱體 5.下箱槽鋼

3 運(yùn)動(dòng)模型的構(gòu)建和運(yùn)動(dòng)仿真

3.1 運(yùn)動(dòng)模型的構(gòu)建

為了更好地比較水稻打捆裝置各部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，將對(duì)壓縮裝置、打結(jié)裝置及草捆長(zhǎng)度控制裝置3個(gè)部件進(jìn)行獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。運(yùn)用UG8．0的運(yùn)動(dòng)仿真模塊為各部件加載一個(gè)虛擬電機(jī)，模擬電機(jī)從零到恒定轉(zhuǎn)速，測(cè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)牧愕胶愣〞r(shí)各部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

UG運(yùn)動(dòng)仿真分析：首先要?jiǎng)?chuàng)建運(yùn)動(dòng)分析方案，并進(jìn)行參數(shù)設(shè)定;求解內(nèi)部計(jì)算器對(duì)運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行計(jì)算，并輸出到仿真模塊;最后經(jīng)后處理階段將得到的運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果輸出，將其轉(zhuǎn)換為圖表、動(dòng)畫等，方便后續(xù)數(shù)據(jù)分析。

首先定義各部件的連桿和運(yùn)動(dòng)副，對(duì)三維實(shí)體模型完成了連桿特性的設(shè)置、運(yùn)動(dòng)副的建立和外載荷的添加的前置處理后，就完成了運(yùn)動(dòng)模型的構(gòu)建。此時(shí)，可以利用運(yùn)動(dòng)仿真的運(yùn)動(dòng)分析工具欄，對(duì)創(chuàng)建的運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。

3.2 機(jī)構(gòu)碰撞干涉檢查

在UG零件裝配中對(duì)其進(jìn)行干涉檢查，是為了查看產(chǎn)品之間有沒有干涉、碰撞。當(dāng)兩個(gè)零件發(fā)生接觸時(shí)，必須要按照設(shè)計(jì)好的位置關(guān)系進(jìn)行裝配，而不應(yīng)發(fā)生一個(gè)零件穿入進(jìn)另一零件中的現(xiàn)象。要做到這一點(diǎn)，必須能夠?qū)崟r(shí)、精確地判斷零件間是否發(fā)生碰撞。如果出現(xiàn)了干涉現(xiàn)象，要及時(shí)修改，干涉檢查的目的在于能夠使仿真繼續(xù)進(jìn)行下去。在虛擬裝配環(huán)境中，添加和定義好伺服電動(dòng)機(jī)，開始進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)(Kinematic)分析。設(shè)定好開始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間，運(yùn)行仿真并保存，點(diǎn)擊回放按鈕，在回放界面的碰撞檢測(cè)中即可進(jìn)行機(jī)構(gòu)碰撞檢測(cè)。

3.3 運(yùn)動(dòng)仿真

虛擬出水稻秸稈從脫粒滾筒排出，由輸草裝置輸送到壓縮室，再由壓縮裝置壓縮，一點(diǎn)點(diǎn)地排出打捆裝置，做到與真實(shí)的打捆水稻秸稈環(huán)境相一致，由水稻秸稈作為齒盤驅(qū)動(dòng)草捆長(zhǎng)度控制機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，整個(gè)打捆裝置才能運(yùn)作起來。在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真前，將虛擬樣機(jī)的裝配模塊轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)仿真模塊。在進(jìn)入打捆裝置處添加動(dòng)力裝置即伺服電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)整個(gè)裝置運(yùn)動(dòng)，對(duì)原來的三維實(shí)體模型完成了連桿特性的設(shè)置，運(yùn)動(dòng)副建立和外載荷添加的前置處理后，就完成了運(yùn)動(dòng)模型的構(gòu)建。此時(shí)，可以利用運(yùn)動(dòng)仿真的運(yùn)動(dòng)分析工具欄，對(duì)創(chuàng)建的運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，在完成各部件的參數(shù)設(shè)定后，選擇新建解決方案，設(shè)置好解決方案類型為常規(guī)驅(qū)動(dòng)，分析類型為運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)，時(shí)間為10s，步數(shù)為400，點(diǎn)擊確定完成水稻收獲打捆一體機(jī)打捆裝置的運(yùn)動(dòng)仿真。在該運(yùn)動(dòng)仿真下，虛擬電機(jī)將在5s內(nèi)從0(°)/s轉(zhuǎn)速上升到200(°)/s，驅(qū)動(dòng)虛擬樣機(jī)各部件的運(yùn)動(dòng)，以進(jìn)行下一步的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)分析。

3.4 運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果分析

3.4.1 壓縮機(jī)構(gòu)最大壓縮力分析

通過借鑒國(guó)外方捆打捆機(jī)經(jīng)驗(yàn)，滿足基本的成捆條件，對(duì)打捆機(jī)的主要結(jié)構(gòu)部件壓縮活塞進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要設(shè)計(jì)指標(biāo)：方捆的截面尺寸為310 mm×460mm，壓縮機(jī)構(gòu)需要對(duì)此截面草捆提供至少0.15MPa的壓縮力,在設(shè)計(jì)中近似轉(zhuǎn)換為曲柄連桿需要對(duì)活塞水平方向提供最大推力不小于2.14×104N。經(jīng)計(jì)算得曲柄長(zhǎng)度為r=330mm,連桿長(zhǎng)為660mm,曲柄的轉(zhuǎn)速ω=180°/s，計(jì)算并設(shè)定了適于打捆機(jī)的壓縮活塞結(jié)構(gòu)參數(shù),并利用UG軟件,進(jìn)行壓縮機(jī)構(gòu)的仿真分析，檢驗(yàn)打捆裝置是否能夠達(dá)到許用的壓縮力要求。

由圖7可知：壓縮裝置的運(yùn)動(dòng)位移呈現(xiàn)出正弦規(guī)律曲線，正弦曲線沒有凸點(diǎn)、尖點(diǎn)，說明壓縮板運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定；壓縮板做回轉(zhuǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，壓縮板的位移呈現(xiàn)先來回往復(fù)的周期運(yùn)動(dòng)軌跡。

如圖8所示，壓縮機(jī)構(gòu)的壓縮板在力的作用下做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在壓縮階段，壓縮板對(duì)草捆大力擠壓，壓縮板受力較大；在回程階段，壓縮板不壓縮草捆，所以受力較小。在力的作用下，壓縮機(jī)構(gòu)壓縮板做速度先增加再勻速的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由圖8得受力最大的點(diǎn)的具體數(shù)值為2.21×104N，大于基本2.14×104N的設(shè)計(jì)要求，因此壓縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸合理。

圖7 壓縮板位移隨時(shí)間變化曲線

圖8 壓縮板受力隨時(shí)間變化曲線

3.4.2 水稻收獲打捆一體機(jī)打捆過程分析

本裝置為水稻收獲打捆一體機(jī)，集水稻的收獲與打捆于一體，但是其關(guān)鍵部件仍為打結(jié)器，打捆成結(jié)過程為打捆裝置的主要過程，其打捆成結(jié)的過程是當(dāng)壓縮室內(nèi)的水稻秸稈達(dá)到預(yù)定長(zhǎng)度時(shí)，草捆長(zhǎng)度控制器工作，控制打捆機(jī)構(gòu)開始工作，分為以下幾個(gè)步驟成結(jié)。

1)搭繩：穿繩針向上運(yùn)動(dòng)，將捆繩搭在打結(jié)嘴上表面，與原來的一股繩合在一起，形成兩股繩。

2)夾繩：當(dāng)穿繩針上升接近上止點(diǎn)時(shí)，捆繩已被送到夾繩器缺口內(nèi)，這時(shí)夾繩器開始轉(zhuǎn)動(dòng)，將繩夾緊。

3)繞環(huán)：夾繩器尚未停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，打結(jié)嘴轉(zhuǎn)動(dòng)，將兩股捆繩繞成繩環(huán)。

4)張嘴：打結(jié)嘴轉(zhuǎn)動(dòng)到3/4圈時(shí)，打結(jié)嘴完全張開，兩股繩夾在打結(jié)嘴的上下顎之間。

5)閉合：打結(jié)嘴轉(zhuǎn)動(dòng)接近結(jié)束時(shí)，上下顎閉合，將兩股繩夾住。

6)成扣：隨著草捆的后移，繩環(huán)不斷被拉緊。

7)割繩：繩環(huán)被拉緊到一定程度，脫繩桿往前擺動(dòng)，固定在脫繩桿上的割繩刀將捆繩割斷。

8)脫扣：脫繩桿繼續(xù)往前運(yùn)動(dòng)，它將繩環(huán)從打結(jié)嘴上摘下，套在上下顎間夾住的繩端上，形成繩結(jié)并從打結(jié)嘴脫下。

4 結(jié)論

運(yùn)用UG軟件，實(shí)現(xiàn)了水稻收獲打捆一體機(jī)打捆裝置各零部件的三維建模，并進(jìn)行了整個(gè)裝置的裝配工作。運(yùn)用虛擬樣機(jī)對(duì)水稻收獲打捆裝置各部件進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析，對(duì)壓縮裝置進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，反應(yīng)出整個(gè)打捆裝置的運(yùn)動(dòng)較穩(wěn)定。同時(shí)，對(duì)打結(jié)器的成結(jié)原理進(jìn)行了仿真，詳細(xì)給出了打結(jié)的過程，將運(yùn)動(dòng)仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)出，通過UG與其它軟件的接口，將運(yùn)動(dòng)仿真數(shù)據(jù)導(dǎo)入其它軟件進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析。通過簡(jiǎn)單的參數(shù)設(shè)定更改，模擬水稻收獲打捆裝置在不同工作環(huán)境的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，大幅縮短研究時(shí)間。

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Simulation Analysis of Rice Harvest Tying Unity Machine’ Tying Device

Qu Hongchao1, Bao Shuai2, Yi Shujuan1, Tao Guixiang1, Li Yifei1, Mao Xin1, Xu Chang3

(1.Engineering College, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China; 2.Institute of International Education Cooperation,Harbin Engineering University, Harbin 150001,China; 3.Yalvhe Farm Part Committee Organization Department,Heilongjiang Jiansanjiang Nongkon Consturetion Management Bureau,Tongjiang 156400,China)

The virtual prototype can be kinematics and dynamics analysis of mechanical system. Therefore, using three-dimensional modeling software UG to rice harvest tying device baling machine spare parts for 3 d modeling, assembly, complete rice harvest tying device baling machine parts and components of the virtual prototype design. Virtual prototype design requires high dimensional precision and accurate constraints between parts, through the 3 d drawing and assembly parts, and then to the whole machine assembly, interference checking was carried out on the prototype, can improve the efficiency of research and development. Tying device of the establishment of a virtual prototype for subsequent virtual prototype simulation movement, rice harvest tying device baling machine parts of structure optimization has laid a good foundation. Output after the simulation curves are analyzed and discussed, and make it conform to the real environment of baling, The results show that: with the precise timing of each device, can better reflect the bundling process; assembly of the entity has great significance.

rice harvest tying unity machine; tying device; simulation analysis; UG

2016-09-27

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD06)；黑龍江省農(nóng)墾總局攻關(guān)項(xiàng)目(HNK125B-06-12A)；黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)培育課題(XA2015-03)

曲洪潮(1991-),男，黑龍江綏化人，碩士研究生，(E-mail)852885095@qq.com。

衣淑娟(1965-)，女，山東棲霞人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)yishujuan_2005@126.com。

S225.4

A

1003-188X(2017)11-0059-05