彈齒滾筒式撿拾裝置的參數(shù)化設計與仿真

王 芳，王洪明，肖子學，刑冀輝，敖恩查

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，呼和浩特 010018)

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彈齒滾筒式撿拾裝置的參數(shù)化設計與仿真

王 芳，王洪明，肖子學，刑冀輝，敖恩查

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院，呼和浩特 010018)

隨著我國畜牧業(yè)的飛速發(fā)展，人們對牧草收獲機械提出了更高的要求，特別是在內(nèi)蒙古地區(qū)，牧草收獲的數(shù)量多少、品質優(yōu)劣直接決定了廣大農(nóng)民的經(jīng)濟收入，因此對牧草收獲機械的研究變得尤為重要。為此，以9YG-1.8型圓捆機的彈齒滾筒式撿拾裝置為例，研究了盤形凸輪的基圓半徑、滾筒轉速和曲柄長度3個參數(shù)對彈齒速度變化的影響,進而分析其對撿拾效果的影響。本研究運用SolidWorks進行三維建模，使用VB6.0軟件進行編程，實現(xiàn)盤形凸輪的參數(shù)化設計；使用SolidWorks自帶插件COSMOSMotion對彈齒滾筒式撿拾裝置進行運動學仿真，對其中主要參數(shù)進行分析，最終得出單一參數(shù)變化對撿拾效果的影響。在SolidWorks下運用VB進行二次開發(fā)可為其它機械運動分析提供了一種新的研究思路方法。

撿拾裝置；彈齒滾筒；參數(shù)化設計；運動學仿真；參數(shù)分析

0 引言

畜牧業(yè)對農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展極其重要，牧草作為畜牧業(yè)發(fā)展最重要的物質基礎，必須得到重視且大力發(fā)展對其的研究工作[1]。牧草收獲機械化技術是牧草生產(chǎn)中重要的環(huán)節(jié)，彈齒滾筒式撿拾裝置屬于牧草收獲機械打捆機中的重要裝置，是牧草收獲機械的主要工作部件。國內(nèi)外的壓捆機撿拾裝置形式大多為彈齒滾筒式，已有多家公司生產(chǎn)了不同型號的撿拾裝置，以滿足不同的撿拾要求[2]。但是，歸根結底，其工作原理是沒有改變的，至今沒有技術上的革新來替代此類彈齒滾筒式撿拾裝置[3-5]。撿拾器的轉速、彈齒的前端彎曲方向和彎曲程度及盤形凸輪機構的參數(shù)對撿拾牧草的效率影響重大。本課題是在學者們對彈齒滾筒式撿拾裝置的研究的基礎上，對之前的研究方法做進一步補充，更深入地對其做出說明，使今后對此類機構的研究變得更加便捷、迅速。與此同時，加入SolidWorks軟件的二次開發(fā)，實現(xiàn)對盤形凸輪的參數(shù)化設計，也為今后對彈齒滾筒式撿拾裝置的研究提供方法支持，具有重要的現(xiàn)實意義[6-8]。

1 彈齒滾筒式撿拾裝置的理論分析

1.1 彈齒滾筒式撿拾裝置的工作原理

滾筒彈齒式撿拾裝置如圖1所示。該撿拾裝置的主要工作元件為彈齒，需在護板里安裝帶動曲柄運動的驅動件，最終驅動彈齒運動，定向滾輪機構被凸輪軌道控制著，并按其規(guī)定的軌道運動[9]。當撿拾器開始運轉時，彈齒在定向滾輪機構導軌的控制下按其規(guī)定的軌跡運動，完成在運動中合理有效地撿拾牧草的動作。當彈齒運動到撿拾裝置滾筒的下方時，彈齒端部從護板內(nèi)的縫隙間伸出，將地面上散落的牧草撿拾起來；隨著彈齒按軌跡的運動將牧草逐漸提升到撿拾器的上方，并將其推向喂入機構的正下方；與此同時，彈齒繼續(xù)垂直向下方運動，穩(wěn)步回縮到護板內(nèi)側，從而與被撿拾的牧草脫離。

1.彈齒 2.彈齒桿 3.曲柄 4.凸輪盤 5.滾輪 6.滾筒盤 7.中間軸 8.滾筒護板 9.側護板 10.懸掛軸 11.支架

1.2 彈齒滾筒式撿拾裝置的運動分析

1.2.1 彈齒滾筒式撿拾裝置的數(shù)學模型

由于撿拾裝置的運動是由3個單一運動共同合成的運動，需要同時考慮到機器本身向前的運動、彈齒相對于機體的轉動和彈齒相對于盤形凸輪的擺動[10-11]。如圖2所示，彈齒端部G點的位移、速度和加速度方程為：

G點的位移方程為

(1)

G點的速度方程為

(2)

G點的加速度方程為

(3)

其中，x、y分別為彈齒端部水平和垂直向位移；vx、vy分別為彈齒端部水平和垂直分速度；ax、ay分別為彈齒端部水平和垂直加速度；l為曲柄長度；l'為彈齒長度；φ0為 凸輪初始擺角；φ為凸輪擺角；t為時間；γ為彈齒與曲柄夾角。

圖2 彈齒運動分析圖

得出位移方程后，將其作為在SolidWorks軟件中三維建模的依據(jù)，利用“按方程軌跡”這一選項進行建模，得出了速度和加速度方程，可以在三維建模完成后的計算機仿真階段依靠計算機來計算，得出速度和加速度曲線[12]。

1.2.2 影響撿拾裝置撿拾效果的主要因素

1) 彈齒末端離地最小間隙。要分析影響撿拾裝置撿拾效果的主要因素，首先要知道彈齒的運動軌跡。

如圖3所示，在彈齒隨機器運動的一個周期內(nèi)，有一個空間是不能夠被彈齒撿拾的，即a點、b點、c點所圍成的空間。調整此空間的面積，也就成了提高撿拾效果的重要手段[13]。圖4為9YG-1.8型彈齒滾筒式撿拾裝置彈齒的三維模型，彈齒的長度為180 mm，經(jīng)過查閱和分析了大量文獻，此次研究彈齒端部離地面最小間隙選擇為30mm。

圖3 彈齒的運動軌跡

圖4 彈齒三維模型

2) 機器前進的速度。在圓捆機工作時，必須是機器前進的速度低于彈齒所做圓周運動的線速度，才能夠達到撿拾效果。由內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學的烏吉斯古楞在2010年對其研究的報告中指出：機器前進的速度在1.2～1.6m/s之間，其大小的變化對撿拾效果的影響不大，只需滿足其速度比彈齒圓周速度小即可。本次研究對機器前進的速度取值為1.4m/s。

3)撿拾裝置的轉速。修正系數(shù)K取值為1.5，所以撿拾裝置實際的轉速應為111r/min[14]。

4)彈齒滾筒式撿拾裝置結構參數(shù)。撿拾裝置的結構參數(shù)到底對撿拾效果有何影響，還需要利用計算機仿真得出結論。這也就是本文所要研究的一部分內(nèi)容，即單一參數(shù)對彈齒滾筒式撿拾裝置撿拾效果的影響，本文要研究的結構參數(shù)為盤形凸輪的基圓半徑和曲柄長度。

2 對彈齒滾筒式撿拾裝置的三維建模

本次研究采用SolidWorks軟件進行三維建模，如圖5所示。彈齒滾筒式撿拾裝置尺寸是由國家草原畜牧業(yè)裝備工程技術研究中心提供的，型號為9YG-1.8型。其中，滾筒半徑為160mm、曲柄長度為80mm、彈齒長度為180mm、彈齒與曲柄夾角為1.1rad、滾子半徑為17.5mm。

圖5 彈齒滾筒式撿拾裝置裝配體

首先根據(jù)撿拾器的實際工作要求，確定所設計盤形凸輪機構的運動規(guī)律。在撿拾階段，采用等角速度運動規(guī)律，當盤形凸輪轉過120°時，滾子按其軌跡上升50mm；等盤形凸輪繼續(xù)轉過60°時，滾子保持該距離不變動；當盤形凸輪再轉動60°時，滾子下降回初始時的位置，即下降50mm,此過程采用的運動規(guī)律為余弦加速度運動規(guī)律；剩下的過程中，滾子保持初始位置不動。首先用SolidWorks繪制零件圖，使用“方程驅動的曲線”這一方式進行建模[15]，如圖6所示。在繪制盤形凸輪的同時，使用“宏錄制”這一功能，如圖7所示。將所得到的程序在VB6.0編程軟件中設計出的人機交互界面(見圖8)輸入?yún)?shù)，進行修改，SolidWorks軟件自啟并完成建模(見圖9)，從而實現(xiàn)對盤形凸輪的參數(shù)化設計[16]。

圖6 使用“方程驅動的曲線”模式繪制的盤形凸輪模型

圖7 宏文件

圖9 改變基圓半徑后的盤形凸輪模型

3 彈齒滾筒式撿拾裝置仿真分析

用COSMOSMotion 對彈齒滾筒式撿拾裝置進行仿真，得到彈齒滾筒撿拾器的彈齒尖在旋轉過程中的各種曲線[17]，9YG-1.8型撿拾器在機器前進速度V=1.4m/s、滾筒轉速n=74r/min、曲柄長度為80mm的情況下，對其彈齒的速度進行分析。其中，盤形凸輪的參數(shù)為：基圓半徑r=120mm ,升程角為31.5°，回程角為23°，分析結果如圖10所示。該型號彈齒運動周期為2.78s,包括推程階段、遠休止階段和回程階段。

圖10 9YG-1.8型撿拾器彈齒速度分析圖

推程階段為0～0.79s。在0～0.62s的過程中，彈齒速度從300mm/s下降到290mm/s；在0.62～0.79s的過程中，速度上升到292mm/s時。遠休止階段為0.79～2.05s，彈齒速度保持在292mm/s時，速度沒有明顯變化，可以平穩(wěn)地進行撿拾工作。回程階段為2.05～2.78s。在2.05～2.19s之中速度會略有上升，在2.19～2.37s之中速度下降到289mm/s的最低值，2.37～2.78s之中速度迅速上升到300mm/s。

3.1 單一因素對彈齒速度的影響

3.1.1 基圓半徑對彈齒速度的影響

在其他因素不變的情況下，只改變盤形凸輪基圓半徑，分析彈齒的速度變化情況，速度變化曲線如圖11、圖12所示。

圖11 基圓半徑為110mm時彈齒速度變化曲線

圖12 基圓半徑為130mm時彈齒速度變化曲線

由以上速度分析圖和圖10進行比對，可以看出：周期沒有變化，最大速度和最小速度變化也不大；隨著盤形凸輪基圓半徑尺寸的增加，在升程階段速度變化的程度越大，在圖形中可以看出其形狀越來越“尖銳”，盤形凸輪受到的沖擊也就越大，此位置易造成凸輪的磨損。在遠休止階段速度幾乎沒有變化，有利于撿拾裝置平穩(wěn)地完成撿拾作業(yè)。在回程階段因為需要將牧草送進喂入裝置中，并且完成收齒動作，需要速度的突變來完成這項動作。因此，圖中在該階段顯得比較“震蕩”，隨著基圓半徑的增加，“震蕩”的幅度越來越小。

圖13～圖15分別是基圓半徑為110、120、130mm所對應的角速度變化曲線。

圖13 基圓半徑為110mm時彈齒角速度變化曲線

圖14 基圓半徑為120mm時彈齒角速度變化曲線

圖15 基圓半徑為130mm時彈齒角速度變化曲線

由以上角速度分析圖可以看出：彈齒的角速度最大值和最小值都沒有太大的變化。在升程階段，角速度大小隨時間從最小值慢慢變大，之后有所下降，基圓半徑越大，角速度改變程度越大，在此階段角速度達到的最大值越大。在遠休止階段，基圓半徑幾乎沒有對角速度產(chǎn)生影響，角速度恒定在一個值上不變，撿拾裝置在此階段對牧草的撿拾可以平穩(wěn)地進行。在回程階段，角速度經(jīng)歷了一個變小之后變大再變回到最小值的過程，當基圓半徑增大到130mm時，其變化的程度比原來有所減小。

3.1.2 滾筒轉速對彈齒速度的影響

圖16、圖17分別是滾筒轉速為64r/min和84r/min時彈齒的速度曲線圖。

圖16 滾筒轉速為64r/min時彈齒速度變化曲線

圖17 滾筒轉速為84r/min時彈齒速度變化曲線

由圖16、圖17和圖10可以得知：隨著滾筒轉速的增加，所對應周期逐漸減小，從3.23s減小到2.44s，升程、遠休止和回程3個階段各自所用的時間也相應減小；其速度變化的趨勢基本一致，即圖形看起來大致相同，不同的是不同轉速對升程階段、遠休止階段和回程階段彈齒的速度大小是有影響的，且隨著滾筒轉速的增大，各個階段彈齒速度隨之逐漸增大。其中，升程階段最大速度由260mm/s提升到了341mm/s，最小速度由251mm/s增長到330mm/s；遠休止階段的速度由253mm/s提升到了332mm/s；回程階段最大速度由260mm/s提升到了341mm/s，最小速度由250mm/s增長到328mm/s。

由以上分析可以得出：改變滾筒轉速的大小可以改變彈齒運動的周期，滾筒速度越大，周期越小，同時可以改變彈齒線速度的最大值和最小值，滾筒速度越大，彈齒線速度越大。但是，改變滾筒轉速不能改變彈齒在運動過程中的速度變化趨勢。

分析得知，該圖的最大應力為916 MPa，發(fā)生連接塊與連接螺栓的連接處，單元305 461即表示此時最大應力的地方。統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)所有連接塊與連接螺栓處的受力都在880 MPa左右，考慮到它們的應力狀況，螺栓被拉斷對連接塊造成的影響是比較嚴重的，需要進行適當加強或改善設計。另一側的支座受力和變形情況與此極為相似，只是有略微的不同，故不再贅述。

3.1.3 曲柄長度對彈齒速度的影響

圖18、圖19分別是曲柄長度為75mm和85mm時彈齒的速度曲線圖。

由圖18、圖19和圖10得知：隨著曲柄長度的增加，所對應周期逐漸減小，從3.04s減小到2.63s，升程、遠休止和回程3個階段各自所用的時間也相應減小。其速度變化的趨勢基本一致，即圖形看起來大致相同，只是在升程階段經(jīng)過升程角的時候速度曲線的圖形變得越來越“尖銳”，回程階段經(jīng)過回程角的時間速度曲線波動越來越小。曲柄長度對升程階段、遠休止階段和回程階段彈齒的速度大小是有影響的，并且隨著曲柄長度的增大，各個階段彈齒速度隨之逐漸增大。由以上分析可以得出：改變曲柄長度的大小可以改變彈齒運動的周期，曲柄越大，周期越小，同時可以改變彈齒線速度的最大值和最小值，曲柄長度越大，彈齒線速度越大，但曲柄長度必須滿足使機構運動的條件。改變曲柄長度可以一定程度上改變彈齒在升程階段和回程階段的速度變化趨勢。

圖18 曲柄長度為75mm時彈齒速度變化曲線

圖19 曲柄長度為85mm時彈齒速度變化曲線

4 結論與建議

4.1 結論

1)利用VB6.0和SolidWorks對撿拾裝置的盤形凸輪進行參數(shù)化設計，加快了研究的速度，提高了工作效率，對今后此類機構的研究提供了理論依據(jù)和方法支持。

2)改變基圓半徑對彈齒運動周期沒有影響，對彈齒運動過程中速度的最大值和最小值的變化有影響，對彈齒在運動到升程階段和回程階段的速度變化快慢有一定的影響。

4)在滿足撿拾裝置可以正常工作的情況下，改變曲柄長度可以改變彈齒運動的周期，曲柄長度越大，周期越小，同時可以改變彈齒線速度的最大值和最小值，曲柄長度越大，彈齒線速度越大。改變曲柄長度可以一定程度上改變彈齒在升程階段和回程階段的速度變化快慢。

4.2 建議

本研究只停留在計算機仿真階段，對于實際工作情況中各個參數(shù)對彈齒滾筒式撿拾裝置撿拾效果的影響，還需要進一步通過試驗來確定。

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Parametric Design and Kinematics Simulation on Spring-Finger Cylinder Pickup Collector

Wang Fang, Wang Hongming , Xiao Zixue, Xing Jihui, Ao Encha

(College of Mechanical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010018,China)

With the rapid development of Chinese animal husbandry, People also put forward higher requirements for forage harvesting machinery. Especially in the Inner Mongolia region, the number and the quality of harvest grass directly determine the income of people. Therefore, the study of forage harvesting machine is particularly important.This article researches on the spring-finger cylinder pickup collector of 9YG-1.8 type round binder, including the disc CAM base circle radius, roller speed and length of crank, a total of three parameters is studied in this paper for the influence of the changes in the rate of the spring-finger, and analyze its influence on collecting effect. The research apply SolidWorks to make 3D modeling, using VB6.0 program to achieve parameterized design of disc CAM. Using SolidWorks ’s plug-in COSMOS Motion making kinematics simulation.With the computer simulation method to study the effect of single parameters on the effect of collecting, eventually come to the conclusion. The use of VB to the second development in SolidWorks provides a new method for the analysis of other mechanical movement.

pickup collector； spring-finger cylinder; parametric design; kinematics simulation; parameter analysis

2016-05-31

國家自然科學基金項目(31160248)；內(nèi)蒙古自然科學基金項目(2014MS0538)

王 芳(1972-)，女，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，副教授，博士，碩士生導師，( E-mail)nndwangfang@163.com。

S817.1

A

1003-188X(2017)05-0057-06