王 芳，王洪明，肖子學(xué)，刑冀輝，敖恩查

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

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彈齒滾筒式撿拾裝置的參數(shù)化設(shè)計(jì)與仿真

王 芳，王洪明，肖子學(xué)，刑冀輝，敖恩查

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

隨著我國(guó)畜牧業(yè)的飛速發(fā)展，人們對(duì)牧草收獲機(jī)械提出了更高的要求，特別是在內(nèi)蒙古地區(qū)，牧草收獲的數(shù)量多少、品質(zhì)優(yōu)劣直接決定了廣大農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入，因此對(duì)牧草收獲機(jī)械的研究變得尤為重要。為此，以9YG-1.8型圓捆機(jī)的彈齒滾筒式撿拾裝置為例，研究了盤形凸輪的基圓半徑、滾筒轉(zhuǎn)速和曲柄長(zhǎng)度3個(gè)參數(shù)對(duì)彈齒速度變化的影響,進(jìn)而分析其對(duì)撿拾效果的影響。本研究運(yùn)用SolidWorks進(jìn)行三維建模，使用VB6.0軟件進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)盤形凸輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)；使用SolidWorks自帶插件COSMOSMotion對(duì)彈齒滾筒式撿拾裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，對(duì)其中主要參數(shù)進(jìn)行分析，最終得出單一參數(shù)變化對(duì)撿拾效果的影響。在SolidWorks下運(yùn)用VB進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)可為其它機(jī)械運(yùn)動(dòng)分析提供了一種新的研究思路方法。

撿拾裝置；彈齒滾筒；參數(shù)化設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真；參數(shù)分析

0 引言

畜牧業(yè)對(duì)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展極其重要，牧草作為畜牧業(yè)發(fā)展最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，必須得到重視且大力發(fā)展對(duì)其的研究工作[1]。牧草收獲機(jī)械化技術(shù)是牧草生產(chǎn)中重要的環(huán)節(jié)，彈齒滾筒式撿拾裝置屬于牧草收獲機(jī)械打捆機(jī)中的重要裝置，是牧草收獲機(jī)械的主要工作部件。國(guó)內(nèi)外的壓捆機(jī)撿拾裝置形式大多為彈齒滾筒式，已有多家公司生產(chǎn)了不同型號(hào)的撿拾裝置，以滿足不同的撿拾要求[2]。但是，歸根結(jié)底，其工作原理是沒(méi)有改變的，至今沒(méi)有技術(shù)上的革新來(lái)替代此類彈齒滾筒式撿拾裝置[3-5]。撿拾器的轉(zhuǎn)速、彈齒的前端彎曲方向和彎曲程度及盤形凸輪機(jī)構(gòu)的參數(shù)對(duì)撿拾牧草的效率影響重大。本課題是在學(xué)者們對(duì)彈齒滾筒式撿拾裝置的研究的基礎(chǔ)上，對(duì)之前的研究方法做進(jìn)一步補(bǔ)充，更深入地對(duì)其做出說(shuō)明，使今后對(duì)此類機(jī)構(gòu)的研究變得更加便捷、迅速。與此同時(shí)，加入SolidWorks軟件的二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)盤形凸輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)，也為今后對(duì)彈齒滾筒式撿拾裝置的研究提供方法支持，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[6-8]。

1 彈齒滾筒式撿拾裝置的理論分析

1.1 彈齒滾筒式撿拾裝置的工作原理

滾筒彈齒式撿拾裝置如圖1所示。該撿拾裝置的主要工作元件為彈齒，需在護(hù)板里安裝帶動(dòng)曲柄運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)件，最終驅(qū)動(dòng)彈齒運(yùn)動(dòng)，定向滾輪機(jī)構(gòu)被凸輪軌道控制著，并按其規(guī)定的軌道運(yùn)動(dòng)[9]。當(dāng)撿拾器開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，彈齒在定向滾輪機(jī)構(gòu)導(dǎo)軌的控制下按其規(guī)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，完成在運(yùn)動(dòng)中合理有效地?fù)焓澳敛莸膭?dòng)作。當(dāng)彈齒運(yùn)動(dòng)到撿拾裝置滾筒的下方時(shí)，彈齒端部從護(hù)板內(nèi)的縫隙間伸出，將地面上散落的牧草撿拾起來(lái)；隨著彈齒按軌跡的運(yùn)動(dòng)將牧草逐漸提升到撿拾器的上方，并將其推向喂入機(jī)構(gòu)的正下方；與此同時(shí)，彈齒繼續(xù)垂直向下方運(yùn)動(dòng)，穩(wěn)步回縮到護(hù)板內(nèi)側(cè)，從而與被撿拾的牧草脫離。

1.彈齒 2.彈齒桿 3.曲柄 4.凸輪盤 5.滾輪 6.滾筒盤 7.中間軸 8.滾筒護(hù)板 9.側(cè)護(hù)板 10.懸掛軸 11.支架

1.2 彈齒滾筒式撿拾裝置的運(yùn)動(dòng)分析

1.2.1 彈齒滾筒式撿拾裝置的數(shù)學(xué)模型

由于撿拾裝置的運(yùn)動(dòng)是由3個(gè)單一運(yùn)動(dòng)共同合成的運(yùn)動(dòng)，需要同時(shí)考慮到機(jī)器本身向前的運(yùn)動(dòng)、彈齒相對(duì)于機(jī)體的轉(zhuǎn)動(dòng)和彈齒相對(duì)于盤形凸輪的擺動(dòng)[10-11]。如圖2所示，彈齒端部G點(diǎn)的位移、速度和加速度方程為：

G點(diǎn)的位移方程為

(1)

G點(diǎn)的速度方程為

(2)

G點(diǎn)的加速度方程為

(3)

其中，x、y分別為彈齒端部水平和垂直向位移；vx、vy分別為彈齒端部水平和垂直分速度；ax、ay分別為彈齒端部水平和垂直加速度；l為曲柄長(zhǎng)度；l'為彈齒長(zhǎng)度；φ0為 凸輪初始擺角；φ為凸輪擺角；t為時(shí)間；γ為彈齒與曲柄夾角。

圖2 彈齒運(yùn)動(dòng)分析圖

得出位移方程后，將其作為在SolidWorks軟件中三維建模的依據(jù)，利用“按方程軌跡”這一選項(xiàng)進(jìn)行建模，得出了速度和加速度方程，可以在三維建模完成后的計(jì)算機(jī)仿真階段依靠計(jì)算機(jī)來(lái)計(jì)算，得出速度和加速度曲線[12]。

1.2.2 影響撿拾裝置撿拾效果的主要因素

1) 彈齒末端離地最小間隙。要分析影響撿拾裝置撿拾效果的主要因素，首先要知道彈齒的運(yùn)動(dòng)軌跡。

如圖3所示，在彈齒隨機(jī)器運(yùn)動(dòng)的一個(gè)周期內(nèi)，有一個(gè)空間是不能夠被彈齒撿拾的，即a點(diǎn)、b點(diǎn)、c點(diǎn)所圍成的空間。調(diào)整此空間的面積，也就成了提高撿拾效果的重要手段[13]。圖4為9YG-1.8型彈齒滾筒式撿拾裝置彈齒的三維模型，彈齒的長(zhǎng)度為180 mm，經(jīng)過(guò)查閱和分析了大量文獻(xiàn)，此次研究彈齒端部離地面最小間隙選擇為30mm。

圖3 彈齒的運(yùn)動(dòng)軌跡

圖4 彈齒三維模型

2) 機(jī)器前進(jìn)的速度。在圓捆機(jī)工作時(shí)，必須是機(jī)器前進(jìn)的速度低于彈齒所做圓周運(yùn)動(dòng)的線速度，才能夠達(dá)到撿拾效果。由內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)的烏吉斯古楞在2010年對(duì)其研究的報(bào)告中指出：機(jī)器前進(jìn)的速度在1.2～1.6m/s之間，其大小的變化對(duì)撿拾效果的影響不大，只需滿足其速度比彈齒圓周速度小即可。本次研究對(duì)機(jī)器前進(jìn)的速度取值為1.4m/s。

3)撿拾裝置的轉(zhuǎn)速。修正系數(shù)K取值為1.5，所以撿拾裝置實(shí)際的轉(zhuǎn)速應(yīng)為111r/min[14]。

4)彈齒滾筒式撿拾裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)。撿拾裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)到底對(duì)撿拾效果有何影響，還需要利用計(jì)算機(jī)仿真得出結(jié)論。這也就是本文所要研究的一部分內(nèi)容，即單一參數(shù)對(duì)彈齒滾筒式撿拾裝置撿拾效果的影響，本文要研究的結(jié)構(gòu)參數(shù)為盤形凸輪的基圓半徑和曲柄長(zhǎng)度。

2 對(duì)彈齒滾筒式撿拾裝置的三維建模

本次研究采用SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模，如圖5所示。彈齒滾筒式撿拾裝置尺寸是由國(guó)家草原畜牧業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心提供的，型號(hào)為9YG-1.8型。其中，滾筒半徑為160mm、曲柄長(zhǎng)度為80mm、彈齒長(zhǎng)度為180mm、彈齒與曲柄夾角為1.1rad、滾子半徑為17.5mm。

圖5 彈齒滾筒式撿拾裝置裝配體

首先根據(jù)撿拾器的實(shí)際工作要求，確定所設(shè)計(jì)盤形凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在撿拾階段，采用等角速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律，當(dāng)盤形凸輪轉(zhuǎn)過(guò)120°時(shí)，滾子按其軌跡上升50mm；等盤形凸輪繼續(xù)轉(zhuǎn)過(guò)60°時(shí)，滾子保持該距離不變動(dòng)；當(dāng)盤形凸輪再轉(zhuǎn)動(dòng)60°時(shí)，滾子下降回初始時(shí)的位置，即下降50mm,此過(guò)程采用的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為余弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律；剩下的過(guò)程中，滾子保持初始位置不動(dòng)。首先用SolidWorks繪制零件圖，使用“方程驅(qū)動(dòng)的曲線”這一方式進(jìn)行建模[15]，如圖6所示。在繪制盤形凸輪的同時(shí)，使用“宏錄制”這一功能，如圖7所示。將所得到的程序在VB6.0編程軟件中設(shè)計(jì)出的人機(jī)交互界面(見(jiàn)圖8)輸入?yún)?shù)，進(jìn)行修改，SolidWorks軟件自啟并完成建模(見(jiàn)圖9)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)盤形凸輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)[16]。

圖6 使用“方程驅(qū)動(dòng)的曲線”模式繪制的盤形凸輪模型

圖7 宏文件

圖9 改變基圓半徑后的盤形凸輪模型

3 彈齒滾筒式撿拾裝置仿真分析

用COSMOSMotion 對(duì)彈齒滾筒式撿拾裝置進(jìn)行仿真，得到彈齒滾筒撿拾器的彈齒尖在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的各種曲線[17]，9YG-1.8型撿拾器在機(jī)器前進(jìn)速度V=1.4m/s、滾筒轉(zhuǎn)速n=74r/min、曲柄長(zhǎng)度為80mm的情況下，對(duì)其彈齒的速度進(jìn)行分析。其中，盤形凸輪的參數(shù)為：基圓半徑r=120mm ,升程角為31.5°，回程角為23°，分析結(jié)果如圖10所示。該型號(hào)彈齒運(yùn)動(dòng)周期為2.78s,包括推程階段、遠(yuǎn)休止階段和回程階段。

圖10 9YG-1.8型撿拾器彈齒速度分析圖

推程階段為0～0.79s。在0～0.62s的過(guò)程中，彈齒速度從300mm/s下降到290mm/s；在0.62～0.79s的過(guò)程中，速度上升到292mm/s時(shí)。遠(yuǎn)休止階段為0.79～2.05s，彈齒速度保持在292mm/s時(shí)，速度沒(méi)有明顯變化，可以平穩(wěn)地進(jìn)行撿拾工作。回程階段為2.05～2.78s。在2.05～2.19s之中速度會(huì)略有上升，在2.19～2.37s之中速度下降到289mm/s的最低值，2.37～2.78s之中速度迅速上升到300mm/s。

3.1 單一因素對(duì)彈齒速度的影響

3.1.1 基圓半徑對(duì)彈齒速度的影響

在其他因素不變的情況下，只改變盤形凸輪基圓半徑，分析彈齒的速度變化情況，速度變化曲線如圖11、圖12所示。

圖11 基圓半徑為110mm時(shí)彈齒速度變化曲線

圖12 基圓半徑為130mm時(shí)彈齒速度變化曲線

由以上速度分析圖和圖10進(jìn)行比對(duì)，可以看出：周期沒(méi)有變化，最大速度和最小速度變化也不大；隨著盤形凸輪基圓半徑尺寸的增加，在升程階段速度變化的程度越大，在圖形中可以看出其形狀越來(lái)越“尖銳”，盤形凸輪受到的沖擊也就越大，此位置易造成凸輪的磨損。在遠(yuǎn)休止階段速度幾乎沒(méi)有變化，有利于撿拾裝置平穩(wěn)地完成撿拾作業(yè)。在回程階段因?yàn)樾枰獙⒛敛菟瓦M(jìn)喂入裝置中，并且完成收齒動(dòng)作，需要速度的突變來(lái)完成這項(xiàng)動(dòng)作。因此，圖中在該階段顯得比較“震蕩”，隨著基圓半徑的增加，“震蕩”的幅度越來(lái)越小。

圖13～圖15分別是基圓半徑為110、120、130mm所對(duì)應(yīng)的角速度變化曲線。

圖13 基圓半徑為110mm時(shí)彈齒角速度變化曲線

圖14 基圓半徑為120mm時(shí)彈齒角速度變化曲線

圖15 基圓半徑為130mm時(shí)彈齒角速度變化曲線

由以上角速度分析圖可以看出：彈齒的角速度最大值和最小值都沒(méi)有太大的變化。在升程階段，角速度大小隨時(shí)間從最小值慢慢變大，之后有所下降，基圓半徑越大，角速度改變程度越大，在此階段角速度達(dá)到的最大值越大。在遠(yuǎn)休止階段，基圓半徑幾乎沒(méi)有對(duì)角速度產(chǎn)生影響，角速度恒定在一個(gè)值上不變，撿拾裝置在此階段對(duì)牧草的撿拾可以平穩(wěn)地進(jìn)行。在回程階段，角速度經(jīng)歷了一個(gè)變小之后變大再變回到最小值的過(guò)程，當(dāng)基圓半徑增大到130mm時(shí)，其變化的程度比原來(lái)有所減小。

3.1.2 滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)彈齒速度的影響

圖16、圖17分別是滾筒轉(zhuǎn)速為64r/min和84r/min時(shí)彈齒的速度曲線圖。

圖16 滾筒轉(zhuǎn)速為64r/min時(shí)彈齒速度變化曲線

圖17 滾筒轉(zhuǎn)速為84r/min時(shí)彈齒速度變化曲線

由圖16、圖17和圖10可以得知：隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加，所對(duì)應(yīng)周期逐漸減小，從3.23s減小到2.44s，升程、遠(yuǎn)休止和回程3個(gè)階段各自所用的時(shí)間也相應(yīng)減小；其速度變化的趨勢(shì)基本一致，即圖形看起來(lái)大致相同，不同的是不同轉(zhuǎn)速對(duì)升程階段、遠(yuǎn)休止階段和回程階段彈齒的速度大小是有影響的，且隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增大，各個(gè)階段彈齒速度隨之逐漸增大。其中，升程階段最大速度由260mm/s提升到了341mm/s，最小速度由251mm/s增長(zhǎng)到330mm/s；遠(yuǎn)休止階段的速度由253mm/s提升到了332mm/s；回程階段最大速度由260mm/s提升到了341mm/s，最小速度由250mm/s增長(zhǎng)到328mm/s。

由以上分析可以得出：改變滾筒轉(zhuǎn)速的大小可以改變彈齒運(yùn)動(dòng)的周期，滾筒速度越大，周期越小，同時(shí)可以改變彈齒線速度的最大值和最小值，滾筒速度越大，彈齒線速度越大。但是，改變滾筒轉(zhuǎn)速不能改變彈齒在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的速度變化趨勢(shì)。

分析得知，該圖的最大應(yīng)力為916 MPa，發(fā)生連接塊與連接螺栓的連接處，單元305 461即表示此時(shí)最大應(yīng)力的地方。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)所有連接塊與連接螺栓處的受力都在880 MPa左右，考慮到它們的應(yīng)力狀況，螺栓被拉斷對(duì)連接塊造成的影響是比較嚴(yán)重的，需要進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)或改善設(shè)計(jì)。另一側(cè)的支座受力和變形情況與此極為相似，只是有略微的不同，故不再贅述。

3.1.3 曲柄長(zhǎng)度對(duì)彈齒速度的影響

圖18、圖19分別是曲柄長(zhǎng)度為75mm和85mm時(shí)彈齒的速度曲線圖。

由圖18、圖19和圖10得知：隨著曲柄長(zhǎng)度的增加，所對(duì)應(yīng)周期逐漸減小，從3.04s減小到2.63s，升程、遠(yuǎn)休止和回程3個(gè)階段各自所用的時(shí)間也相應(yīng)減小。其速度變化的趨勢(shì)基本一致，即圖形看起來(lái)大致相同，只是在升程階段經(jīng)過(guò)升程角的時(shí)候速度曲線的圖形變得越來(lái)越“尖銳”，回程階段經(jīng)過(guò)回程角的時(shí)間速度曲線波動(dòng)越來(lái)越小。曲柄長(zhǎng)度對(duì)升程階段、遠(yuǎn)休止階段和回程階段彈齒的速度大小是有影響的，并且隨著曲柄長(zhǎng)度的增大，各個(gè)階段彈齒速度隨之逐漸增大。由以上分析可以得出：改變曲柄長(zhǎng)度的大小可以改變彈齒運(yùn)動(dòng)的周期，曲柄越大，周期越小，同時(shí)可以改變彈齒線速度的最大值和最小值，曲柄長(zhǎng)度越大，彈齒線速度越大，但曲柄長(zhǎng)度必須滿足使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的條件。改變曲柄長(zhǎng)度可以一定程度上改變彈齒在升程階段和回程階段的速度變化趨勢(shì)。

圖18 曲柄長(zhǎng)度為75mm時(shí)彈齒速度變化曲線

圖19 曲柄長(zhǎng)度為85mm時(shí)彈齒速度變化曲線

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

1)利用VB6.0和SolidWorks對(duì)撿拾裝置的盤形凸輪進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，加快了研究的速度，提高了工作效率，對(duì)今后此類機(jī)構(gòu)的研究提供了理論依據(jù)和方法支持。

2)改變基圓半徑對(duì)彈齒運(yùn)動(dòng)周期沒(méi)有影響，對(duì)彈齒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度的最大值和最小值的變化有影響，對(duì)彈齒在運(yùn)動(dòng)到升程階段和回程階段的速度變化快慢有一定的影響。

4)在滿足撿拾裝置可以正常工作的情況下，改變曲柄長(zhǎng)度可以改變彈齒運(yùn)動(dòng)的周期，曲柄長(zhǎng)度越大，周期越小，同時(shí)可以改變彈齒線速度的最大值和最小值，曲柄長(zhǎng)度越大，彈齒線速度越大。改變曲柄長(zhǎng)度可以一定程度上改變彈齒在升程階段和回程階段的速度變化快慢。

4.2 建議

本研究只停留在計(jì)算機(jī)仿真階段，對(duì)于實(shí)際工作情況中各個(gè)參數(shù)對(duì)彈齒滾筒式撿拾裝置撿拾效果的影響，還需要進(jìn)一步通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。

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Parametric Design and Kinematics Simulation on Spring-Finger Cylinder Pickup Collector

Wang Fang, Wang Hongming , Xiao Zixue, Xing Jihui, Ao Encha

(College of Mechanical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010018,China)

With the rapid development of Chinese animal husbandry, People also put forward higher requirements for forage harvesting machinery. Especially in the Inner Mongolia region, the number and the quality of harvest grass directly determine the income of people. Therefore, the study of forage harvesting machine is particularly important.This article researches on the spring-finger cylinder pickup collector of 9YG-1.8 type round binder, including the disc CAM base circle radius, roller speed and length of crank, a total of three parameters is studied in this paper for the influence of the changes in the rate of the spring-finger, and analyze its influence on collecting effect. The research apply SolidWorks to make 3D modeling, using VB6.0 program to achieve parameterized design of disc CAM. Using SolidWorks ’s plug-in COSMOS Motion making kinematics simulation.With the computer simulation method to study the effect of single parameters on the effect of collecting, eventually come to the conclusion. The use of VB to the second development in SolidWorks provides a new method for the analysis of other mechanical movement.

pickup collector； spring-finger cylinder; parametric design; kinematics simulation; parameter analysis

2016-05-31

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31160248)；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014MS0538)

王 芳(1972-)，女，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，( E-mail)nndwangfang@163.com。

S817.1

A

1003-188X(2017)05-0057-06