基于产品数字化建模技术下联合收割机设计与分析

庞国红

(昌图县亮中桥镇农业综合服务中心,辽宁 昌图 112524)

0 引言

农业机械在现代农业生产中起着至关重要的作用,与此同时,联合收割机也成为现代农业生产中不可或缺的一部分。但联合收割机的设计和优化一直是一个重要课题,在过去的几十年中,农业机械设计主要依赖于手工制图和经验设计,存在精度低、周期长、难以优化等问题。

伴随着我国的经济发展,数字化技术逐渐被应用到农业机械设计中。在此过程中,数字化建模技术逐渐被人们重视,成为一项十分重要的内容。数字化建模技术能够将现实中的物体转化为数字化模型,并对其进行精确设计和分析。通过数字化建模技术,可以提高农业机械的设计精度和效率[1-2],同时也能够减少因设计错误造成的生产成本和时间上的浪费。

本研究基于产品数字化建模技术,以联合收割机为例,采用三维建模软件进行模型构建,对其进行运动仿真和应力分析,从而实现对联合收割机设计的精确优化。研究结果将为农业机械的数字化设计和优化提供借鉴,并促进农业机械的进一步发展。

1 产品数字化建模技术在农业机械设计中的应用

产品数字化建模技术是指将实际物体通过数字化手段转化为数字化模型,以便对实际物体进行分析和优化,具有精度高、周期短、可重复性强等特点[3],已经成为现代设计中的重要工具。

数字化建模技术在联合收割机设计中的应用能够提高其设计效率和精度,优化其性能和可靠性。数字化建模技术在联合收割机设计中的应用主要包括以下几个方面。

1)产品设计。在联合收割机的设计中,数字化建模技术能够更好地构建机器的各个组成部分,如形状、尺寸、位置和功能,还能够帮助工程师更好地协同工作,共享设计数据和信息,提高设计效率[4-5]。

2)运动仿真。运动仿真可以帮助设计人员更好地理解和分析产品的运动过程,优化产品设计和性能。在联合收割机的设计中,数字化建模技术能够实现对联合收割机运动过程的仿真分析,更好地理解其工作原理和性能,并通过仿真分析来优化其运动性能[6]。

3)应力分析。联合收割机在工作过程中需要承受各种外部负载和力矩的作用,可能会导致机器的结构产生变形和破坏[7]。应力分析是一种通过数值计算方法,对机器结构的强度和刚度进行分析和评估的技术,可以帮助设计人员更好地了解机器的结构强度,优化产品结构,提高其承载能力和寿命。

2 联合收割机数字化建模设计

2.1 联合收割机结构及工作原理

联合收割机是一种集割切、脱粒、清选等多种功能于一身的农业机械,主要由割台、输送机、脱粒分离装置、粮仓和驾驶室等部分组成(图1)。联合收割机在作业过程中将农作物从田地上收割、清理、分离、压缩成作物流,然后将作物流通过输送机和卸粮管输送到集散器或装袋器中[8]。具体工作过程可分为以下几个步骤:

1.割台;2.输送机;3.驾驶室;4.粮仓;5脱粒分离装置图1 联合收割机三维模型

1)切割作物。联合收割机的前部装有收割头,收割头上有一排刀片,通过电机或液压系统驱动旋转,将农作物从田地上割下并送入机器内部。

2)清理和分离作物。农作物经过收割台后,会混合着杂草、秸秆等杂质,通过清理器将这些杂质清理掉,并将作物分离出来。

3)压缩和卸粮。作物在经过清理和分离后,会被送到卸粮管中进行压缩,便于谷物的输送和储存。

4)收集和处理秸秆。联合收割机在收割过程中会产生大量秸秆,需要通过秸秆收集器将其收集起来,并进行处理和利用。

2.2 联合收割机设计应用

数字化建模技术可以将联合收割机进行三维建模,这个过程中需要将联合收割机的各个部件进行分解,对每个部件建模,然后再将各个部件组装。在联合收割机的三维建模过程中,主要包括割台、输送机和打捆机部分。

1)割台建模。割台是联合收割机的前部,用于切割农作物,由切割器、螺旋推动器、拨禾轮等组成。通过数字化建模技术可以准确地重建这些零部件的三维模型,确定它们之间的相对位置和运动关系(图2)。

1.切割器;2.螺旋推动器;3.拨禾轮图2 割台三位模型示意图

2)输送机建模。输送机是联合收割机的中部,用于将收割下来的作物输送到卸粮器中,由链条、传动轮、滚筒等部分组成。

3)打捆机建模。打捆机是联合收割机的后部,可将作物打捆成方便运输和储存的形式,由铁丝夹具、卷取轮、剪刀等部分组成。

联合收割机结构复杂,包括多个部分和组件,对其进行数字化建模时需进行多层次分析,从而准确还原联合收割机的结构和功能。同时,联合收割机运行过程涉及多个物理场,如机械运动、流体动力学、热传导等,需要进行多物理场的仿真。具体解决方案如下。

1)采用多层次建模分析,将联合收割机按各部分结构依次建模,提高建模效率和精度。

2)采用多物理场仿真软件,如COMSOL Multiphysics,进行多物理场仿真,分析联合收割机的运作过程[9]。

3)采用高精度测量设备,如三维扫描仪,进行数字化建模,提高建模精度。

3 产品数字化建模技术应用及效果分析

3.1 应用实例

1)运动仿真。利用ADAMS软件对联合收割机的运动过程进行仿真分析,包括割台旋转、输送机运转、打捆机脱粒等。通过仿真分析,可以了解联合收割机各部分的运动情况,分析其工作原理和性能。

2)应力分析。利用ANSYS软件对联合收割机各部分的应力情况进行分析,包括割台弯曲应力、输送机拉伸应力、打捆机压力等。通过应力分析,可以优化产品结构,提高其承载能力和寿命。

3.2 效果分析

3.2.1 提高设计精度

数字化建模技术可以通过软件绘制联合收割机的三维几何模型,提高其设计精度,确保每个组件的尺寸、形状和位置都准确无误,消除了传统手工绘图和模型制作中可能出现的误差,还可以应用碰撞检测工具进行碰撞检测,避免不同部件之间的碰撞或干涉,以确保各个部件在运行时不会相互干扰,提高设计的安全性和可靠性。

3.2.2 提高设计效率

基于数字化建模工具可以快速创建和修改联合收割机的三维模型。相比传统的手工绘图和物理模型制作,数字化建模技术大大缩短了设计迭代的时间,设计人员可以便捷地进行多个设计方案的比较和修改,通过修改参数,设计人员可以快速生成不同规格和尺寸的联合收割机模型,无需从头开始重新设计,这种灵活性极大地提高了设计效率。

3.2.3 优化产品结构

数字化建模技术在联合收割机设计中可以帮助优化产品结构。数字化建模技术在产品结构优化方面的应用主要包括以下内容。

1)拓扑优化。通过改变材料的分布和形状来最大程度地减少结构重量,并保持其所需的强度和刚度,确定不必要的材料和重量集中区域,并进行优化,从而减轻产品重量,提高效率,降低能耗。

2)强度和刚度优化。保证联合收割机在工作条件下具有足够的结构强度和刚度,应用结构分析和仿真,评估不同材料和结构配置的性能,以提高产品的可靠性和使用寿命。

3)材料选择。通过模拟不同材料的物理特性和行为,如强度、刚度、耐磨性和耐腐蚀性等,在数字模型中进行比较和评估,有助于选择最佳材料,以满足产品的性能要求,优化产品结构。

4)系统集成优化。通过建立数字模型,仿真分析不同组件和系统之间的相互作用和性能,来确保各部分之间的协调性和整体性能最优化。

3.2.4 提高市场竞争力

数字化建模技术可以加速产品开发周期,使设计师能够更快速地将新产品推向市场。通过使用数字化建模工具创建虚拟原型,在物理样机制作之前进行多次迭代和修改,减少开发时间,迅速响应市场需求,并在竞争中获得先机。另外,还可使用参数化建模和自定义选项来满足客户的特定需求,通过与客户进行交互,设计师可以根据客户的要求快速定制联合收割机产品,满足不同客户群体的需求。

4 结论

通过对数字化建模技术在联合收割机设计和分析中的应用进行探讨和分析,可以得出以下结论:

1)数字化建模技术能够帮助工程师们更加准确地进行联合收割机设计,提高其性能和可靠性。数字化建模技术能够实现对联合收割机运动过程的仿真分析,可以更好地理解其工作原理和性能。同时,数字化建模技术能够实现对联合收割机的应力分析,有助于优化产品结构,提高其承载能力和寿命。

2)通过数字化建模技术对联合收割机进行三维建模,可以更加准确地还原联合收割机的结构和功能,包括割台、输送机等部分。通过运动仿真,可分析联合收割机的运动过程,包括割台旋转、输送机运转、打捆机脱粒等。这有助于设计人员更好地理解产品的功能和性能,对产品进行优化。

3)数字化建模技术不仅能够提高联合收割机的设计和分析效率,还能够提高产品的品质和竞争力。数字化建模技术已经成为现代化设计和制造的重要手段,对提高企业核心竞争力和市场占有率具有重要意义。