基于CREO小型稻麦联合收割机切割装置设计探索*

王海瑞

（鹤壁职业技术学院，河南 鹤壁 458030）

小型稻麦联合收割机的内部结构较为紧密，体积较小，具有较强的适应能力，更加方便机手操作，并且价格较为低廉，因此，被广泛地应用于农业种植中。往复式收割装置是小型稻麦联合收割机中的重要组件，能根据收割机的整体需求完成收割工作。传统的设计方式中，收割机的制造多以仿制为主，均需要通过多次反复的测验才能完成设计工作，在产品研发过程中需要耗费较多的时间以及资金，且产生的效果却不佳。合理利用CREO软件开展设计工作[1-10]，则能提升产品的科学性，并减少调试所需时间与资金。

1 CREO软件

CREO产生于2010年，是美国PTC公司推出的CAD软件包。该软件包整合了PTC公司的参数、建模以及三维可视化技术[1]。该软件是美国PTC公司闪电计划中所推出的第一个产品，具有较强的可操作性、开放性以及易用性。CREO软件的出现，解决了机械 CAD领域中未解决的重大问题，其问题解决方案较为新颖，具有交互性，能应用于机械设计程序中，并能为设计工作人员提供较为合理的解决方案。该软件具有柔性建模扩展、可配置建模、2D概念设计、ECAD-MCAD协作扩展、钢结构设计专家、塑胶模具专家、冲压模具专家等模块。目前，CREO软件已经更新至3.0版本，集成多种应用程序，功能性强大，覆盖面积广，能独立应用2D、3D、CAD进行建模，实现可视化的功能，并且还能让工作人员轻松获取到建模中的数据，克服以往CAD使用环境中的可用性以及装配管理关联挑战。

2 主要参数

往复切割装置主要由定刀片以及动刀片共同作用，实现对小麦以及水稻的切割工作[2]。参数中，将割刀移动速度看作v，切割过程中切割机的移动路径为s，动刀片之间的距离为t，定刀片之间的距离为t0，切割机在进行切割作业的过程中，必须克服一定的阻力，才能完成对作物茎秆的切除工作。但是水稻以及小麦等作物茎秆的刚性较低，因此，在切割过程中，如果切割力度过小或者速度过慢，则可能会导致切割过程中产生茎秆弯折等情况，影响水稻、小麦收割质量。因此，往复切割装置中的割刀在运行过程中必须具备一定的速度，并且保持适当的切割力度，才能有效提升切割效果。从实际收割经验来看，小型稻麦切割机中割刀的速度应达到1 m/s～2 m/s，才能实现有效切割。根据静力学条件能判断，定刀片以及动刀片之间的夹角不能超过在切割稻麦过程中产生的摩擦力之角。一般情况下，稻麦根茎与切割机产生的摩擦力之角的和为38°，故在这一过程中，动刀片与的滑切角应是30°，定刀片的滑切角应为0°。

3 结构原理

切割装置结构如图1所示，该结构主要是依据切割器的参数、空间位置以及传动系统需求设计的。切割器中变速箱的动力能通过链轮对传动轴进行传动，使其转速保持在500 r/min左右[3]。在皮带轮上安装偏心轴，将杠杆的一端转动，转动应围绕转动轴的中心进行。连杆带动转换器摆动，摆动围绕支撑轴进行，在动刀接槽的带动下，转换器能对动刀组产生影响，带动其产生往复运动，实现往复切割运动。

图1 切割装置结构

4 运动力学以及切割原理

稻麦联合收割机中的往复收割装置的工作原理是将两个曲柄进行圆周运动，对刀杆进行推动，从而实现往复切割运动。在运动过程中，能对夹在定刀片以及动刀片中的水稻以及小麦等作物进行切割，为小麦、水稻的脱粒工作奠定基础。这一切割装置主要由曲柄、连杆、动刀杆、动刀片以及定刀片等共同组成，根据其驱动情况，向量OA+向量AB=向量OB。由此能得出，XB=XA+L2cosθ2，YB=YA+L2sinθ2=0。根据上述方程的解得出，当θ2在π与-π之间的时候，能得出θ2=tan-1[-Y4/-√L2-YA]。将θ2带入到公式中，能得出XB，并在推导下，能得出θ2的角速度ω以及加速度α。其中ω=-Y4/L2cosθ2，α=-Y4+L2ω2sinθ2/L2cosθ2。 对B点的加速度进行整理能得出，XB=XAL2(ωsinθ2+αcosθ2)以及YB=YA+L2(ωcosθ2-αsinθ2)=0。借助CREO对切割器进行运动仿真学研究，并通过仿真模拟，对设计工作进行校验以及检查。能对其运动速度、运动轨迹以及运动路径等进行研究，也能设计出较为逼真的数字仿真界面，实现仿真效果显示的作用。根据往复切割机运动的特点，能将其设置为匀速运动，并将其角速度控制在30°/s左右，方便对其时间变化曲线进行观察以及测量，进而判断割刀往复运动随着时间推移而产生的变化情况。

曲柄滑块运动图如图2所示，往复切割机中的切割刀作直线运动，能在护刃器的配合下，完成支撑切割的工作。使用CREO软件对其运动轨迹进行判断可知，定刀片将在轨迹线内的作物向两侧推，根据作物位置的不同，产生的运动效果也是不同的。1）在一次切割区内的作物，能在被推向两侧后直接被一次性切割完成。2）在漏割区域内的作物，当刀刃运动到最右侧之后，未受到刀片的切割，或割刀归位的过程中被切断。如果漏割区域过大，则可能会导致稻麦茎秆过于集中，对切割过程产生较大的阻力，导致茎秆折断、漏割等情况。3）作物位于重割区域，在其被割断后，被另一边的刀口波及，可能会产生重割的情况。结合上述情况分析能看出，切割器在切割的过程中，漏割区域以及重割区域的面积会在一定程度上影响切割的效果，也会影响到切割的速度以及质量等。为提升切割效果，减少切割过程中切割刀产生的阻力以及消耗的功率，则应尽可能地减少切割器中漏割区域以及重割区域的面积。测试表明：随着割刀间距的不断加大，重割区域面积逐渐减小，但漏割区域面积不断增大；随着刀刃高度不断增大，重割区域面积不断增大，但漏割区域面积不断减小；随着收割机进距的不断加大，重割区域面积不断减小，但漏割区域面积不断减小。因此，结合上述情况应根据收割工作的实际需求，对刀刃高度、割刀间距以及收割机进距进行综合判断，发挥切割装置的最大作用。

图2 曲柄滑块运动图

5 三维建模

建模工作应围绕往复切割机中传动机构以及切割器两部分进行，建模依靠往复式切割装置的特征组成以及不同特征之间的关系进行建立[4]。模型建立过程中能将动刀片与动刀组进行连接，连接方式采用铆合的方式，并且还应在切割器传动结构的运动下，对动刀杆进行带动，完成反复运动，完成切割、收割工作。

6 运动分析

往复切割机的运动情况以及运动结构等会对其运动速度、运动路径、运动加速度等产生较大的影响，并成为体现往复切割机运动规律的重要影响因素，是设计工作人员在实行切割装置设计过程中的关键工作所在[5]。使用CREO运动仿真学进行分析，能对联合收割机往复切割装置的运动情况进行仿真，仿真过程如下：根据反复切割机的设计情况，对其进行分析，确定参数，对其实际工作情况予以模仿，检查工作过程，得到其运动特征以及运动规律；在对运动规律进行总结的过程中对其运动情况进行判断，了解运动正确性，对其进行验证，检查不同运动结构之间的关系，了解其协调性，并获得其运动过程中可能会产生的数据；根据检验以及测试得出的结果，对其各项参数进行调整，并对模型进行改进设计。完成上述工作后，对上述工作进行重复，对数据不断进行调整，直到调整结果得到设计工作人员满意为止。

经检测，该稻麦联合收割机往复切割装置中，传动轴转速为500 r/min，半径为38.3 mm，长度为58.5 mm。切割机转换器摇臂长度能达到135 mm，在50 mm时，检测出切割机位移曲线、速度曲线以及加速度曲线。结合运动仿真结果能看出，切割机割刀的位移、速度以及加速度之间的变化情况均是具有一定规律性的，结合数学函数方面的知识，能将其作为正弦函数以及余弦函数看待。上述数据均能随着时间的变化而产生变化，实际变化情况与理论结论得出的结果一致，并且能更加准确地反映出切割机的工作原理。例如：切割器在工作中，割刀的速度是在不断变化的，因而能通过下述公式，对割刀的速度进行反映。因此，可以按照如下公式计算：V=2Sn/60=rn/15 m/s，其中r表示曲柄半径，n表示曲柄转速，因为标准型切割器S约等于2r=76.2 mm，所以可以得到结论：V=2.54n mm/s。

结合上述计算，可得切割装置平均速度，将其作为割刀运转过程中的平均值。但是实际切割过程中，定刀片以及动刀片仅能在其规定的范围内进行运动，并产生规律性的碰撞以及相遇等。结合上述情况可知，动刀片以及定刀片运动的速度是往复切割机工作过程中较为重要的影响因素。接下来借助CREO软件，对定刀片与动刀片之间的位置关系以及速度关系进行判断。假设定曲柄从0°转变到180°时，能将速度曲线看作是圆弧曲线，当曲柄角度转移后，割刀能完成从左至右的运动，刀刃能完成切割工作。在这一过程中，割刀的运动速度能达到VE。当曲柄持续运转，到达最左端的时候，割刀则继续向右运转，到达最右端，并与定刀片相遇，完成切割工作，这时对应的速度为VF。按照上述运转方式能看出，速度的计算有且只有一个近似值，当运动机制较为复杂的时候，则会产生较大的误差。结合CREO软件中的运动模式进行分析，能对软件功能进行细致分析，得出较为准确的速度值，为设计人员的工作情况提供较为准确的数据，为设计工作的开展奠定基础[11-15]。

7 结论

使用CREO软件，对小型稻麦联合收割机的切割装置进行设计，分析其参数、结构、切割速度等，能使计算结果更加合理，加快切割速度，提升切割效果，使其满足切割器的要求。将CREO软件设计下的切割机与传统的切割机进行比较。在CREO软件设计下的切割机设计工作更加便捷，能对各种设计参数进行精确处理，能通过CREO软件中的仿真运动种植将切割运动曲线表现出来，并将切割机切割装置的运动特征更加准确地表现出来。在设计过程中，设计人员能借助CREO软件，不断对其设计方案进行调整，使其设计效果不断优化，形成更优的切割装置设计方案，为今后切割装置的设计工作提供技术上的支持。利用CREO软件，能制作数字化模型，并合理运用切割装置的运动特性以及仿真装置，减少设计过程中人力、财力以及物力的浪费，减少产品调试所需时间，缩短产品开发周期，并节约设计成本，在企业设计应用过程中取得了较好的效果。