微耕機執行裝置的虛擬樣機及運動仿真-藏刊網

0 引言

微型耕耘機是指功率不大于7. 5 kW,可以直接用驅動輪軸驅動旋轉工作部件\\( 如旋耕\\) ,主要用于水田旱田耕整、田園管理、設施農業等耕耘作業的機動微型耕耘機,又稱微耕機、耕耘機、管理機、園藝機等[1].我國耕地地形復雜,特別是山區、丘陵和小面積水田耕地,因此微耕機的推廣是實現農業機械化的重要手段.隨著農村家庭聯產承包責任制進一步深化、農業經濟作物種植規模不斷擴大和農業棚室技術的進一步推廣,微耕機的推廣符合我國的國情,也是解決"三農"問題、實現我國農業全面機械化的有力工具.

目前,我國微耕機的機型并未形成完整、成熟的體系,對微耕機的研究主要集中在整體性能、制造工藝和適合當地特色的配套機具研發方面,技術相對落后[2].

為此,設計開發了具有效率高、耕深大、操作更加簡單省力的微型耕地機,對于微耕機結構和機構的調整以及開發適合我國特色的耕地機設計工作有一定的參考價值.

1 微耕機執行裝置的工作原理

目前,國內銷售的微耕機多采用 2. 20 ~6. 6kW 柴油機或汽油機作為配套動力,傳動方式主要為齒輪傳動和皮帶型傳動,工作部件一般為彎刀刀片,按一定的規律固定在刀軸上.微耕機工作時,刀軸由發動機的動力輸出軸經變速器驅動旋轉,刀片隨刀軸轉動自地面從上向下切削土壤; 隨著機組前進,旋轉刀片不斷切入未耕土壤,切下的土塊被拋向后方,并與擋泥板相撞,進一步破碎再落到地面,達到松土碎土的目的[15].而在實際工作過程中,旋耕刀安裝不當,將嚴重影響作業質量; 刀片旋轉不平衡,導致機件損壞和機組震動增大; 并且傳統微耕機耕刀的布局使得在微耕機操作過程中稍有不慎會對操作者造成人身傷害.

因此,設計一種新型微耕機執行裝置很有必要.

工作原理: 執行機構與微耕機機體相連,隨動力機械前行,通過連桿機構與耕刀連接,連桿機構具有急回特性,在去程即挖土工況時挖土深度大,運行速度慢; 回程時,運行速度快,節省時間,達到很好的挖土效果,并具有很高的工作效率.

平面連桿機構是現代機械工程中應用得最為普遍、也最為重要的機構之一.它具有機構多樣性、性能可靠性、成本低廉性、設計靈活性等多個優點,是實際工程中機構設計的首選,在各類機械中應用廣泛[16].圖 1 為其結構簡圖.裝置整體隨動力機械前行,圖 1 中 AI 為主動件,做順時針圓周運動; BC 為從動件,做順時針圓周運動.多連桿機構運動及動力機械前行運動的合成使輸出件 DG\\( 即耕刀的軌跡曲線\\)達到理想的曲線,進而得到良好的耕地效果.

2 執行裝置虛擬樣機及運動仿真

2. 1 虛擬樣機的建立

應用 SolidWorks 來建立實體,雖然它是參數化設計軟件,但也需合理規劃零部件的建模過程,才能保證參數化設計效果.應先分析實體的結構特征,并確定這些特征建立的先后順序和每個特征的建立方法,使所建立的特征盡可能簡單、參數尺寸盡可能少.幾何建模時,應盡量減少修改尺寸,同時不引起其他特征的更改,以保證模型的其他參數不變.在進行上述分析后,利用 SolidWorks 所提供的拉伸、旋轉、掃描、切除、抽殼等建模功能創建出三維實體模型.

應用 SolidWorks simulation 模塊對創建的機構虛擬樣機進行運動仿真,可以方便地得到機構的各種運動參數,如速度、加速度、位移等[9].

通過分析執行裝置的結構簡圖,并結合微耕機機體的整體結構,建立執行裝置的虛擬樣機圖,如圖 2所示.

執行裝置主要由 5 部分構成: 組件 1 為通用微耕機機體; 組件 2 為平面連桿機構; 組件 3 為皮帶輪作為執行機構的主動件; 組件 4 為皮帶輪作為執行機構的從動件; 組件5 為耕刀,作為微耕機執行裝置的輸出件.

2. 2 運動仿真

給皮帶輪施加旋轉馬達驅動,設置轉速為 100r/min,動力機械前進速度為 6. 28m / min,仿真時間設置為 2s,對執行裝置進行運動仿真.圖 3 ~ 圖 6 分別為耕刀運行的軌跡曲線、Y 軸位置曲線、速度曲線及加速度曲線.

圖 3 為執行裝置耕刀的運動軌跡曲線.在耕刀每一個運動周期的軌跡曲線相互之間均有重合區域,即在模擬的掘土工況時每一個運動周期均有對上一周期的重復掘土工作,即可達到鞏固掘土效果的功效; 并且相對于傳統微耕機,耕刀掘土深度大、上揚幅度小,提高了工作效率.

圖 4 為耕刀尖點的 Y 軸位置曲線.0. 27 ~ 0. 87s的運動周期內,在 0. 27 ~0. 49s,耕刀尖點的 Y 軸位置由初始狀態的峰值到達谷值,即由-153mm 到達-305mm,工況為耕刀的掘土動作; 在 0. 49 ~ 0. 87s 內,耕刀尖點的位置由谷值到達峰值,即由-305mm 到達-153mm,工況為耕刀的上揚動作.在一個運動周期內,掘土工況的時間大于上揚工況的時間,并且掘土深度大、上揚幅度小,達到很好的掘土效果.

圖 5 為耕刀尖點的速度曲線.由圖 5 可知: 在0. 27 ~0. 55s 內,耕刀尖點的平均速度由峰值 1 015mm / s到達谷值-656mm/s; 在 0. 55 ~ 0. 69s 內,耕刀尖點速度由谷值-656mm/s 升至-134mm/s; 在 0. 69 ~ 0. 79s內,耕刀尖點平均速度上升到-310mm /s; 在 0. 79~ 0 . 87 s 內 ,耕刀尖點平均速度由 - 310 mm / s 升至峰值 1 015mm/s,即平均速度小、工作時間長、掘土效果好.

圖 6 為耕刀尖點的加速度曲線.由圖 6 可知:0. 27 ~ 0. 87s 的運動周期內,在 0. 27 ~ 0. 38s,耕刀尖點的加速度由初始狀態的峰值 17 423mm /s2變化到達 9 357mm/s2; 在 0. 38s ~ 0. 76s,加速度經過連續波動變化到達谷值 2 589mm/s2; 在 0. 76 ~0. 89s,加速度又重新達到峰值.

綜合圖 4 ~ 圖 6 得出耕刀尖點的運動規律,如表 1所示.由表 1 可以看出,在耕刀去程即掘土工況時,速度小,加速度大,即掘土力大,工作時間長,掘土效果充分; 回程時,速度大,加速度小,即工作時間短,有效提升耕刀工作效率,節省非做功工況時間.耕刀尖點的運動規律充分證明,該執行裝置可以很好地達到預期的效果.

3 結論

1\\) 通過平面多連桿機構實現微耕機執行機構的功能,相對于傳統微耕機,具有掘土深度大、上揚幅度小的特點.

2\\) 通過建立微耕機執行裝置的虛擬樣機,可以得出耕刀的運行軌跡圖及運行軌跡曲線,從而很好地滿足執行裝置的工作要求.

3\\) 應用 Simulation 功能模塊進行運動仿真得出,參數曲線并統計出運動規律表.相對于傳統微耕機,執行機構效果可提升 30% ~50% .

針對傳統微耕機掘土效果較差、工作效率不高等缺點,以通用微耕機機體為基礎設計了一種新型微耕機,改變了微耕機的執行機構; 通過平面連桿機構實現功能,利用 SolidWorks 進行建模,并運用 Simulation進行運動仿真,快速獲得耕刀尖點的位置、速度、加速度曲線,由耕刀尖點的運動規律進一步驗證了該裝置對提升微耕機工作效果及工作效率所起的作用,為以后進一步的研究打下了堅實的基礎.

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