收获机械切割机构的仿真分析

谢飞　尹洋

摘要：简述切割机构组成部分与工作原理，对其进行运动学分析。探讨摆环安装位置对切割机构实际生产加工和装配带来的困难。通过Solidworks参数化设计和Adams机构仿真，对理论计算进行验证。同时，对切割机构的设计提供了一种方法，简化了机构的设计过程，缩短了产品生产周期。

关键词：摆环；收割机；仿真；Adams

中图分类号： S225 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）10-0474-02

小型联合收割机是集切割、输送、脱粒、分选、装袋等功能为一体的谷物收获机械 。在机器整个收获过程中，切割机构是实现切割功能的重要部件，主要由切割器和驱动装置两大部分组成。小型联合收割机使用往复式切割器较为广泛，部分型号尺寸已经标准化。在选用不同种的切割器时，其往复行程也不同，主要考虑驱动机构与割刀行程要相适应。驱动装置可分为曲柄连杆、曲柄滑块、摆环机构3类，其中曲柄连杆和摆环机构运用最广泛。往复式割刀及其传动机构的惯性力会导致机器的振动和转速不均匀，因此对转速较高的收割机而言应该考虑惯性力平衡问题。曲柄连杆机构结构简单，但整体的质量较大，在高速运转时会产生较大的惯性力，对机器工作时的稳定性影响较大。而实现同样驱动功能的摆环机，结构相对紧凑，占空间小，连杆长度小，质量轻，产生惯性力小，在传动平稳性、结构方面优于曲柄连杆机构。摆环机构是将旋转运动转化为往复运动，其运动过程较为复杂，在设计、制造和装配的过程中，实现部件间的准确连接和正常工作比较困难。对切割机构建立仿真分析，能够准确反映其工作原理和工作过程，为建立实验虚拟样机奠定了基础。

1 摆环机构的结构特点和工作原理

摆环机构安装在联合收割机的割台部分，将主轴的旋转运动转化为往复运动来驱动割刀进行切割。摆环机构主要由主轴（1）、摆环（2）、摆叉（3）、摆轴（4）、摆臂（5）、导杆（6）和割刀（7）组成 （图1）。

主轴通过2个轴承装在机架上，前面半轴与摆环的旋转中心重合，且旋转面与半轴垂直。前半轴与x轴夹角成α，主轴、摆叉和摆臂三者相交于一点，摆轴也和主轴垂直，且割刀与主轴平行。当主轴转动180°时摆环绕中心作球面运动，装配在主轴上的摆环转到关于yoz的对称位置，与原位置夹角为2α，从而使摆轴转动一个角度。摆轴再带动摆臂作摆动，连接在割刀上的导杆驱动刀片作往复运动，形成切割运动。完成了从输入旋转运动到输出往复运动的整个过程。

2 切割机构的运动特性

2.1 摆环机构的运动学分析

摆环与主轴所成角度为90°-α，当主轴转动时，装在摆环里的轴承会产生转动，摆环与主轴会发生相对运动，弯轴会以O为顶点旋转形成圆锥面，摆环做球面运动，摆环与摆叉为铰链连接，二者可以相对运动，摆叉与摆轴又是刚性连接，摆轴上装有滚动轴承连接在机架上，摆轴只发生转动。将摆环分别投影到yoz和xoz这2个平面上（图2），

设初始位置摆环圈与yoz面垂直，摆环在上面的投影为直线DD′，与z轴的夹角为α，长度为2R。同时在xoz面上投影为1个椭圆，长轴为2R，短轴为2Rcosα。当摆环旋转180°时，在yoz面上的投影为直线BB′，与DD′关于CC′对称。设椭圆上有一点M，主轴转过角度θ=ωt后到A点位置，对应到yoz面上，其投影为A′A。此时摆叉转过的角度α-ζ=α-arccos11+tan2αcos2ωt；由参考文献[4]可知，割刀位移x=-rcosωt×1cosα1+tan2αcos2ωt，割刀速度v=ωrsinωt×1cos（1+tan2αcos2ωt）3/2，割刀加速度a=ω2cosωt×1+3tan2α-2tan2αcos2ωtcosα（1+tan2αcos2ωt）5/2。其中，r为摆臂长度，ω为主轴转动角速度，α为摆环角。

2.2 切割速度约束条件

由于收割机切割作业时，刀片的切割速度与收割机行进的速度、割幅、喂入量等因素是相互关联的，因此必须根据具体的工作条件选择合适的切割速度。通常收割机的喂入量q、割幅B、作业速度vm有如下关系式：vm=qCBM（1+1/β），其中，C为常数，当单位以t/hm2计算时，C=10；β为谷草比，为已割作物中谷粒与茎秆的质量比；M为作物单位面积产量。当其他条件相同时，动刀片的切割速度通常与收割机的作业速度vm成正比，因此刀片的切割平均速度vp可根据vm来选择，即vp=βg·vm，其中βg为收割机的切割比，通常是由收割作业的种类和收割机的型号来决定。

3 机构的三维建模

在小型联合收割机中，一般先确定割台尺寸和传动路线简图，所以在设计割台传动部分时，摆环机构中的摆杆和摆臂长度应该与割台尺寸相吻合，当主轴与割刀的初始安装位置确定后，需要对其他连接部分进行设计装配，再通过运动仿真来模拟并验证其结构尺寸准确性。

由于该收割机是小型联合收割机，其割幅为1.3 m，喂入量为1.0 kg/s，其作业速度为0.8 m/s；一般联合收割机中，βg=0.75～1.2，其切割平均速度vp=0.6～0.96 m/s。摆环轴角度越大，割刀的惯性力越大。当摆环轴角度α=15°时，摆环机构带动割刀运动规律与采用曲柄连杆机构带动所得到的结果最为接近，所以此角度也是一个最佳取值 （图3）。

Adams具有强大的运动学仿真和分析功能，但在三维建模部分比较薄弱；因此机构的三维建模采用Solidworks，先分别设计出各个零件的结构和尺寸，再将所有的零件装配成型。然后把整个机构的装配体一并倒入到Adams当中，此时装配的关系已经丢失，只需分别再对各个零件添加约束和运动副，最后再进行装配检测即可以完成割刀在Adams当中的仿真准备。

4 切割机构的仿真与分析

根据收割机的传动比，可以计算出主轴的转速为 500 r/min，在Adams中添加驱动电机并设置其转速，进行机构运动仿真，可以观察到割刀动刀片会做往复运动。此时分析动刀片的运动规律。

从图4中可以看出割刀在x轴上的移动变化特性，其行程为50 mm，在x轴做周期为0.12 s的往复简谐运动，满足设计最初设计行程要求。图5是割刀在x方向上的速度变化曲线，可以看出割刀在往复运动完成1次切割时，割刀的位移速度变化范围在-1.4～1.4 m/s之间，割刀的平均速度为0856 m/s，能够满足切割要求。图6是割刀的加速度变化曲线，可以看出其加速度变化范围是-69.7～69.7 m/s2。对照以上图4、图5、图6，可以看出当割刀的行程达到一半时，此时的速度最大，加速度为0；而在割刀行程最大时，其速度为0，但加速度最大。

5 结论

计算机辅助设计为现在的产品研发极大地降低了成本，同时缩短了研发周期。通过三维软件的建模，使实际产品虚拟化；再通过虚拟装配技术，将各个零件装配在一起；最后采用仿真技术，设置与现实工作状况相似的条件，并测试其重要参数条件，并与设计参数进行对比；反复调试模型参数，达到合理的成品。为实际生产活动提供了一种可靠性高、成本低的有效研发途径。

参考文献：

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