周桂霞，李劍，李玉清，張偉，梁遠

（1.黑龍江八一農墾大學工程學院，大慶163319；2.黑龍江省三江管局洪河農場第五管理區(qū)）

近年來隨著畜牧業(yè)的發(fā)展，資源成本相對較高的種植業(yè)面積會適當減少，使土地資源和農業(yè)生產(chǎn)結構向畜牧業(yè)、草業(yè)等方面調整，牧草生產(chǎn)和加工產(chǎn)業(yè)將面臨新的機遇，但其收集、儲運環(huán)節(jié)成為制約其產(chǎn)業(yè)化利用的主要因素。研究開發(fā)牧草壓捆機是實現(xiàn)農業(yè)生物質產(chǎn)業(yè)化的前提之一。

由于農業(yè)機械的工作對象和環(huán)境的隨機性、復雜性，傳統(tǒng)設計方法已不能滿足現(xiàn)代農機具的設計需求，因此采用現(xiàn)代設計方法，在現(xiàn)有牧草壓縮理論基礎上，應用UG軟件對牧草打捆機的關鍵部件進行虛擬設計和動態(tài)仿真分析，可為重要結構參數(shù)的確定提供理論依據(jù)，從而縮短設計周期，降低物理樣機的成本，提高企業(yè)競爭力[1-4]。

1 壓捆機工作原理和性能分析

1.1 工作原理

壓捆機的工作原理是用機械機構模擬人工打捆的工藝過程，完成牧草撿拾、壓實和打捆過程。工作時，牧草通過輸送喂入裝置把牧草喂入到壓縮室，在曲柄連桿機構作用下，活塞往復運動，把壓縮室內的牧草壓成草捆，打結后推向壓縮室出口。

1.2 任意一點的位移分析[5-6]

為了簡化分析，取X坐標軸與滑塊運動軌跡重合，如圖1所示。設曲柄長度為L1，其方位角為β，連接桿長度為L2，其方位角為θ，S為其軌跡矢量。閉環(huán)矢量方程數(shù)學表達式為S=L1+L2。如圖建立坐標系，構造矢量封閉方程：

則

圖1 壓縮機構動力模型Fig.1 The dynamicmodel of compressmachine

圖1所示為單一自由度的曲柄連桿機構模型。s、l1、l2分別代表活塞中心距曲柄回轉中心距離、曲柄長度、連桿長度，β為曲軸轉角，θ為連桿與活塞中心線的夾角。曲柄回轉角速度ω2=θ′。

設活塞中心距曲柄回轉中心距離、曲柄長度以及連桿長度分別用矢量S、L1、L2表示。

則它們之間的矢量關系可表述為S=L1+L2。如圖建立坐標系，構造矢量封閉方程：

對式（2）方程兩邊進行求導后，得到曲柄連桿機構的運動學方程為：

為便于仿真分析，可將式（3）用矩陣形式表示為：

2 UG三維建模與裝配

2.1 UG建模

UG軟件是廣泛應用于航空、船舶、汽車、兵器、機械工業(yè)、模具、工業(yè)設計、等產(chǎn)業(yè)的全新三維機械設計軟件。它包括機械設計（CAD）模塊、功能仿真（CAE）模塊、制造（CAM）模塊、模具設計模塊、扳金等模塊，能夠實現(xiàn)實體與曲面設計、零件裝配、二維工程圖制作、機構運動仿真、有限元分析、鈑金設計、模具設計、數(shù)控加工等功能。

基于UG建立的三維模型可以判斷裝配模型之間有無干涉，而且提供了各種運動分析，便于進行結構的自鎖分析、結構件的運動干涉檢查及機構運動的動畫仿真，可及時發(fā)現(xiàn)設計中存在的問題并改進，縮短設計周期，降低設計成本，有利于新產(chǎn)品、新方案的設計，幫助機械設計設計人員更快、更準確、更有效率地將創(chuàng)新思想轉變?yōu)槭袌霎a(chǎn)品，提高產(chǎn)品開發(fā)的成功率。

2.2 關鍵部件裝配

首先根據(jù)零部件的結構特點，通過UG軟件的拉伸、旋轉、掃掠、陣列、復制和布爾和等工具條完成曲柄、連桿、滑塊的三維參數(shù)化設計并建立零件庫，為零件的修改和調整、虛擬裝配、動力學分析、運動分析做準備。

裝配時采用自下向上的方法，先定義各零件模型之間的裝配約束，確定零件的裝配順序，將零件裝配成部件，再生成壓捆機關鍵部件裝配體。通過渲染工具條對模型進行渲染，使實體模型達到逼真效果。最終得到打捆機關鍵部件裝配圖，如圖2。

圖2 壓捆機關鍵部件裝配Fig.2 Assembly of pasture pressbaler key parts

3 運動仿真

UG運動分析模塊是一個模擬仿真分析的設計工具。既能進行運動學分析，又能進行動力學分析。通過UG機構運動仿真分析模塊進行前處理，創(chuàng)建連桿、運動副和定義運動驅動，求解運動過程，生成內部數(shù)據(jù)文件，后處理，分析數(shù)據(jù)，將構件的位移、速度和加速度數(shù)據(jù)轉換成動畫、圖表和報表文件。分析結果可用來指導修改結構設計，可在設計模式下直接修改模型參數(shù)，重復仿真分析，得到更合理的機構設計方案。

滑塊位移變化圖如圖3，滑塊加速度變化圖如圖4。

圖3 位移曲線圖Fig.3 Themap of displacement

圖4 加速度變化圖Fig.4 The variationalmap of acceleration

由仿真曲線可看出在曲柄活塞往復運動過程中，仿真量隨著時間的變化呈周期性變化。壓縮過程曲線的變化規(guī)律與所構建的數(shù)學模型相吻合，且動態(tài)響應性能良好。由活塞位置曲線可以看出，活塞在一個沖程內前極點和后極點位置坐標，圓整后可確定活塞的實際有效行程，為設計設定的有效行程提供參考依據(jù)。

4 干涉檢驗

壓捆機的關鍵部件中，裝填撥叉機構和壓縮機構之間的配合運動能否成功運行是關鍵問題，如果發(fā)生干涉會損壞工作部件，使機器發(fā)生故障。因此，在壓捆機關鍵部件裝配和運動仿真的基礎上，利用UG對實體模型進行干涉檢驗，包括特定裝配結構形式下，裝配體各個零件之間相對位置是否干涉的靜態(tài)檢查和運動過程中零部件之間的動態(tài)干涉，以生成干涉體表示。

對裝配體進行干涉檢驗，觀察和分析出現(xiàn)的干涉問題，對結構進行改進設計，將整機設計中可能存在的問題消除在萌芽狀態(tài)，確保設計質量，減少試制樣機費用和改進時間，縮短機械產(chǎn)品的更新周期。

5 結論

基于UG建立了壓捆機關鍵部件直觀、易于理解的三維模型，并進行了運動仿真分析，為牧草壓捆機的設計、改進以及將來的樣機制造奠定了基礎。雖然整個過程不能完全代表關鍵部件的實際運動，但對于揭示關鍵部件的運動特點、檢查設計參數(shù)的合理性與工作性能，提供了各種運動分析、結構的自鎖分析、結構件的運動干涉檢查以及機構運動的動畫仿真，及時在參數(shù)化階段發(fā)現(xiàn)問題與不足，縮短開發(fā)時間提高了產(chǎn)品設計質量和研發(fā)的成功率。

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