基于Pro/E的水田秸稈還田耕整機的設計與運動仿真

摘要：運用Pro/E軟件設計了一種雙螺旋刀輥組合的水田秸稈還田耕整機，能夠一次性實現水田秸稈的翻埋還田、旋耕碎土、平地等多項功能。應用Pro/E軟件中的機構模塊對螺旋刀輥進行了運動學仿真，得到了刀輥轉速一定時機組在不同前進速度下的4種不同運動軌跡，通過對運動軌跡的分析可優化機組工作的前進速度。

關鍵詞：螺旋刀輥；秸稈還田；運動仿真

中圖分類號：S222.3 文獻標識碼：A 文章編號：0439—8114（2012）19—4382—03

隨著市場競爭的激烈化、用戶需求的多樣化和個性化，企業必須調整產品的開發設計模式，以達到設計開發周期最短、產品質量品質最高、設計開發成本最低、最少的環境破壞等優化結果。在農業機械設計開發方面，如何縮短設計開發周期、降低產品開發成本，是開發農業機械的關鍵因素。

目前，我國農機新產品的研發一般按照傳統方式，要經過幾個階段：產品設計——根據用戶要求設計思想變成二維圖紙，樣機制造——按照設計圖紙制造出物理樣機，性能實驗——對制造出的樣機進行性能實驗，以檢驗設計是否滿足要求；最后根據實驗結果進行樣機評價和修改設計。這種傳統的設計方法研發周期長，做物理樣機投資大，只能進行有限范圍、有限次數的試驗，而且更多地依賴于設計人員的經驗。顯然，傳統的農機產品設計方法已經不能滿足市場的需求，采用虛擬樣機技術，能夠實現產品數字化的設計過程，便于設計人員反復修改與分析[1]，縮短了設計開發周期，降低了產品研發成本。

水田秸稈的有效還田能夠增加土壤有機質含量，改善水田耕作層的土壤結構，提高土壤保肥保水能力，利于水稻的生長；同時避免了大量秸稈焚燒而造成的環境污染，有利于生態農業的可持續發展。隨著水稻品種、種植方式、收獲方式的改良，殘留在田間的作物秸稈量越來越多，傳統的水田耕整方式和常規的耕整機具愈來愈難以適應高茬水田的耕整要求，為了提高耕整和還田的效果一般需要多次作業，造成動力消耗大，工作效率低[2—4]。因此，設計了一種新型高效的水田高茬秸稈還田耕整機，利用三維設計軟件Pro/E對機具的各個零件進行實體參數化建模、虛擬裝配、干涉檢查和運動仿真分析，并得出工作刀輥的運動軌跡曲線。

1 方案設計

提出了一種雙螺旋刀輥并行工作的耕整機具，機組行進一次就可以實現傳統單刀輥兩遍耕整作業的效果。設計采用虛擬樣機技術，用Pro/E軟件搭建零部件模型并進行虛擬裝配，對整機模型進行仿真分析，及時修改仿真過程中發現的問題。運動仿真流程見圖1。

2 零部件建模

2.1 總體設計

應用Pro/E進行復雜產品設計，設計產品總體裝配模型時有兩種方法可選擇，一種是自底向上（Down—Top）的建模思想，先建立各個零部件的模型，然后按照零件之間的實際組裝位置來約束各個零件的相對位置，最后構建總體的裝配模型，這種建模方式在機械產品設計中用得較多；另一種是自頂向下（Top—Down）的建模思想，與自底向上的方式恰恰相反，這種方式先建立總體外觀模型（或總裝模型），然后逐個拆解成子裝配、零件模型，這種方式在修改模型尺寸時很方便，尤其是復雜的產品模型，修改某個零件尺寸則與其相關聯的其他零部件尺寸也隨之變更，這種建模方式在電子和玩具產品設計中用得較多[5]，在具體設計中可以根據產品的實際結構來選擇建模方式。該設計采用的是第一種建模方式，圖2為水田秸稈還田耕整機的總裝效果模型圖。

2.2 埋草刀輥的設計

埋草刀輥是水田秸稈還田耕整機的主要工作部件，主要由左右彎刀、刀盤、刀軸、左右螺旋橫刀和立刀按照一定的匹配關系形成一個組合體[2—6]。整個刀輥由6組左、右旋向的螺旋刀輥組成，有效工作幅寬達200 cm（圖3）。左旋橫刀與右旋橫刀按照對置式布置，呈“人”字形對稱排列為一對，埋草刀輥由3對這樣的組合依次排開，組成一個無重、無漏的整幅螺旋刀輥。采用對置式布置，左、右螺旋橫刀在切削過程中受到土壤的反作用力在沿著刀軸方向的分力能夠相互抵消，刀輥軸向受力平衡。螺旋橫刀在刀輥旋轉工作中，橫刀的一端先入土，然后以螺旋狀的刀刃對土壤進行連續滑切，將耕作層土壤切成垡條，采用滑切方式能夠有效降低切割阻力，切割過程中刀輥受到的沖擊小。螺旋橫刀在切割土壤的同時將秸稈壓入土壤，依靠螺旋橫刀的前刀面實現對土壤的翻耕和橫向推送，在左、右交互橫向移動的過程中實現秸稈與土壤的充分揉合而融為一體。

3 水田秸稈還田耕整機運動仿真分析

3.1 零部件裝配和機構設置

為了減少機構仿真過程中的計算量，總裝模型在從Pro/E標準環境轉到機構環境前需要進行簡化處理，通過視圖管理器將與運動部件無關的結構件暫時屏蔽起來，被屏蔽的部分在后面的分析過程中不占用計算機的內存[7]。在Pro/E標準環境中進行零部件裝配時，設定傳動向各個齒輪的花鍵軸與箱體的連接方式為銷釘連接，齒輪與花鍵軸為剛性連接，中間傳動箱體的輸出軸和側邊傳動箱的輸入軸分別與萬向傳動軸剛性連接，側邊傳動箱的輸出軸和埋草刀輥剛性連接，水田秸稈還田耕整機總體與Pro/E內平面的連接為滑動桿連接，將定義好的整機模型轉換到仿真模塊中進行運動仿真。根據動力傳遞路線，依次定義中間箱體的一對錐齒輪、側邊箱體內的齒輪傳動；根據該機工作時的實際運動，在中間傳動箱的錐齒輪軸上定義1個伺服電機來模擬拖拉機動力輸出傳遞過來的動力，根據掛接拖拉機動力輸出軸的輸出轉速來定義伺服電機的轉速；機架與Pro/E平面之間定義1個滑動伺服電機，按照該機具工作時掛接拖拉機的前進速度來定義伺服電機速度[8]。

3.2 機構分析與干涉檢查

齒輪傳動機構和伺服電機定義完成以后，進入機構分析界面，選定運動分析選項，設定運動開始時間為0、結束時間為4及總共生成的幀數和每幀時長等參數，點擊運行，機構運動仿真分析開始，秸稈還田耕整機開始模擬田間旋耕整地工作運動。運動仿真分析完成后，Pro/E機構仿真環境下還可以回放機構運動過程，能根據需要從不同的角度查看仿真結果。在回放過程中可以對整機的各個部件進行動態干涉檢查，設置相關選項，當檢測到干涉時，干涉區域會加亮并發出聲音報警或停止回放過程，設計人員可以對仿真過程中檢測出來的干涉部分進行分析和更改設計，直到符合設計要求。

3.3 仿真結果與分析

3.3.1 運動仿真結果 以前置刀輥的運動作為分析對象，確定中間減速箱上的伺服電機轉速不變，分別設置不同的前進速度，繪制前置刀輥上的同一個定點在相同時間內的運動軌跡，得到運動仿真不同結果軌跡曲線，如圖4至圖7。

3.3.2 仿真結果分析 由前置刀輥右彎刀在4種不同的前進速度下的運動軌跡可以看出：當旋耕速度比λ大于1時，右彎刀的運動軌跡為余擺線，刀具在工作中能夠向后切削土壤，可以正常工作，如圖5和圖6；當旋耕速度比λ小于1時，右彎刀的運動軌跡為滾擺線，此時刀具在工作中不能向后切土，而出現向前推土的現象，無法正常工作（圖7）。

旋耕速度比λ大于1時，刀輥在相同的工作轉速下，機組前進速度越大，彎刀的切土節距越大，切下的土塊厚度越大，碎土程度越低，影響水田的表層起漿效果；切土節距越大，機組作業后底部不平度越大，底部凸起的高度會隨機組前進速度增大而增大。切下的土塊越厚，螺旋橫刀在提升和翻轉土塊過程中受到的阻力越大，造成工作刀輥切削功耗增加。

刀輥能夠正常進行工作的條件是刀片頂點的運動軌跡為余擺線，即其作用點的旋轉線速度必須大于機組的前進速度[9]。旋轉線速度和前進速度比越大，余擺線的繞扣就越寬，工作范圍就越大，作業后底部更平。在刀輥能夠正常工作的條件下，增加機組前進速度可以明顯提高工作效率。然而同時要考慮機具工作的能耗要求，將其控制在一個合理的范圍，綜合優化機組工作時刀輥旋轉速度和前進速度的匹配。

4 小結

應用Pro/E軟件建立了水田秸稈還田耕整機的三維模型，并對其進行了運動學仿真和干涉檢查。分析了螺旋埋草刀輥轉速一定時，機組在不同前進速度下刀片端點的運動軌跡曲線，通過仿真確定機組前進速度的范圍，為該機具的優化設計奠定了基礎。

參考文獻：

[1] 牛國棟，張士新.虛擬樣機技術在農業機械產品開發中的應用[J].農機化研究，2008（5）：157—159.

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[5] 張國忠，許綺川，夏俊芳，等.1GMC—70型船式旋耕埋草機的設計[J].農業機械學報，2008，39（10）：214—217.

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[7] 魏 陽，王書義.基于Pro/E的機械系統運動仿真分析[J].現代機械，2004（9）：55—56.

[8] 齊 龍，馬 旭，譚祖庭.基于ProE的復合式水田除草器設計與運動仿真分析[J].吉林農業大學學報，2011，33（4）：455—458，468.

[9] 李寶筏.農業機械學[M].北京：中國農業出版社，2003.