基于Motion的升降割臺仿真分析與優化設計

孔朵朵，尹 健，肖 龍，張 奎

（貴州大學 機械工程學院，貴州 貴陽 550025）

1 引言

水稻收割機的性能和尺寸是限制水稻收割機使用的兩個重要因素。我國水稻主產區在江蘇、安徽、湖南、湖北、江西、廣東等南方地區，這些地區多丘陵、梯田、爛泥田，收獲環境、季節性差異大。限制收割機尺寸、提高收割機性能對丘陵地區水稻收割具有重要意義[1]。我國對于收獲機割臺的設計、研究主要手段還處于傳統設計與實驗結合的階段。文獻[2]對4LBZ-125型半喂入水稻聯合收割機割臺進行了動力學和運動學計算，并通過構建試驗臺正交實驗得出了割臺切割、扶禾、輸送、機器行走等參數的組合方法。近年來通過虛擬樣機建立對割臺進行動態仿真分析、有限元分析、模態分析有所發展。文獻[3]對于4LZ-2.0型聯合收割機割臺進行了模態分析驗證了割臺的震動特性；文獻[4]通過ANSYS對于4LY-Z油菜收獲機割臺框架進行了諧響應分析模擬了框架田間工作振動狀況，為割臺減重、減震提供了設計依據。文獻[5]利用有限元方法對背負式玉米收獲機割臺支架進行了模擬優化分析使支架重量減輕。文獻[6]修對半喂入水稻收割機割臺通過Pro/E進行了動態仿真分析驗證了割臺傳動參數。文獻[7]通過UG和SPSS對水稻割曬機割臺進行了仿真分析得出了割臺參數相關性。

對于收獲機割臺的研究主要是在大型割臺振動領域、割臺傳動參數配合領域，而對于小型半喂入收割機割臺的研究、割臺升降裝置的研究較少。對小型割臺的動力學仿真，有利于驗證割臺傳動系統設計的準確性，為整機設計提供了重要設計參數。對割臺升降裝置優化設計可以有效的縮小收割機縱向尺寸，提升收割機性能。

2 割臺設計

立式割臺縱向尺寸短、重量輕、結構緊湊，對于作物高矮適應性強，目前已被廣泛的應用于小型割曬機上[8]。立式割臺在4LB-0.6半喂入水稻聯合收割機上應用可以有效的減輕整機重量，縮短整機尺寸，適應在山地轉運、船只裝載、小型地塊作業等要求。

2.1 割臺收割工作原理

割臺整體，如圖1所示。工作時割臺隨整機行走，禾桿進入分禾裝置，撥禾星輪將禾桿攬入并撥向后方，同時在撥禾星輪的輔助支撐下割刀將禾桿割斷。割斷后的禾桿呈豎直狀態進入橫向輸送裝置。橫向輸送裝置由寬型夾持鏈、被動撥禾星輪、彈性壓禾鋼絲組成。在橫向輸送裝置作用下禾桿呈豎直狀態橫向移動。禾桿到達割臺右側后進入禾桿轉位導軌，在豎直平面內逆時針翻轉，并由后續禾桿推動，繼續水平狀態移動并進入脫粒夾持鏈條和喂入深度調節鏈，調節好喂入深度的禾桿由脫粒夾持鏈帶入滾筒進行脫粒。

圖1 割臺整體結構Fig.1 The Integral Structure of Header

2.2 割臺傳動參數設計

4LB-0.6小型半喂入水稻聯合收割機割幅B=0.6m、作業速度VM=0.35m/s。選用定刀片節距t0=50mm的小刀片割刀進行收割作業。選用6齒、節圓半徑R=130mm的撥禾星輪。寬型夾持鏈選用08A鏈條。

2.2.1 割刀計算

小型水稻收割機行走速度慢、負荷小，為了減小慣性力、機器振動和功率消耗，割刀做往復運動的平均速度一般選取（0.9～1）m/s，本機選取V平=0.95m/s。往復割刀驅動選用曲柄滑塊機構，曲柄在水平面布置，連桿與割刀接口采用球頭副連接，提高割刀自適應能力。計算曲柄轉速與曲柄半徑[8]：

式中：V平—割刀平均運動速度，m/s；S—割刀行程，m；r—曲柄半徑，m；n—曲柄轉速，r/min。

代入計算得到曲柄轉速n=570r/min，曲柄半徑為r=25min。割刀切割進程計算：

式中：VM—機器前進速度，m/s；H—割刀切割進程，m；n—曲柄轉讀，r/min。代入得到H=18.42mm/s。

2.2.2 橫向輸送裝置計算

合適的橫向輸送速度對機器至關重要，若輸送速度過慢，機器行走速度過快，則單位時間內撥指容量增大，會增加輸送鏈載荷，造成堵塞等問題。若輸送鏈速度過快，輸送鏈撥指間的間隙不能夠充分被利用，會造成輸送鏈能量浪費。若使收割機行走速度與輸送量速度相匹配則應滿足割臺輸送量大于等于收割谷物量。計算橫向輸送鏈速度[9]：

式中：VM—機器前進速度，m/s；B—收割機割幅，m；q1—谷物生長密度，株/m2；Vs—輸送鏈速度，m/s；h—谷物在輸送鏈上厚度，m；q2—禾桿在輸送鏈上的密集度，株/m2。

當株距為0.3m時，q1=16株/m2，允許一排6株進入割臺，h=0.05m，即：

帶入K=12.5得，計算式（3）得橫向輸送鏈速度Vs=0.34m/s。

2.3 割臺傳動系統設計

確定割刀曲柄轉速與橫向輸送鏈速度之后，就可以對割臺傳動系統進行設計。割臺動力由一個動力輸入軸輸入，通過并聯方式將動力傳遞給割刀與橫向傳動鏈，橫向傳動鏈帶動撥禾星輪轉動，割臺傳動系統運動示意圖，如圖2所示。

圖2 割臺傳動示意圖Fig.2 The Schematic Diagram of Transmission of Header

3 升降機構設計

割臺升降機構是連接割臺與機架的重要部件，主要實現割臺不同工作位置的轉變。在割臺工作位時保證割刀與地面平行，距離110mm。為了保證收割機良好的轉運通過性割刀抬升高度能夠達到230mm。

3.1 升降方案確定

實現割臺升降可有多種方案可選，例如：固定軌道推桿提升、固定軌道絲杠提升、連桿機構絲杠提升。通過固定軌道的方法可以實現運動位置精確，但存在體積大、安裝精度高、抗震效果差的缺點。通過連桿機構能夠保證割臺運動軌跡相對準確，但連桿機構結構簡單，安裝精度要求小，具有一定抗震性能。綜合比較本裝置采用連桿機構進行設計。為了保證收割機的模塊化設計要求，減少割臺與機架的直接連接，采用間接接口設計理念，綜合使用四桿機構和轉動導桿結合實現割臺升降機構設計。

3.2 升降機構設計

割臺、機架、連桿通過銷釘鉸接，動力裝置采用電動推桿，如圖3所示。由于機架、割臺上其它零部件的結構限制，升降連桿與電動推桿在其上安裝位置A、B、C、D、E均確定。割臺與機架保留一定安全距離，通過割臺上下兩個工作位置運用作圖法初步設計得到上連桿l1=195mm，下連桿l2=250mm，機架安裝位置距離l3=95mm，割臺安裝位置距離l4=155mm。

圖3 升降機構示意圖Fig.3 The Sketch Map of Lifting Mechanism

4 基于Motion的割臺動態仿真

SolidworksMotion是一款虛擬原型機仿真工具。一個剛性物體的三維運動規律，可由兩個方程組成：第一個方程為牛頓第二運動規律，描述了施加在主體上外力的總和等于線性動量p的變化律，既∑M=dp/dt。對質量不發生改變的實體，方程式右側可以簡化成∑F=ma。第二個方程是主體上外力圍繞質心產生力矩之和等于主體角動量H的變化率，∑M=dH/dt。在Motion分析過程中，每個時間步長，程序使用改進的Newton-Raphson迭代法進行求解[10]。

4.1 割臺仿真模型建立

裝配割臺零部件，并設置齒輪、鏈輪、撥禾星輪之間的傳動關系。割臺動力輸入由輸谷攪龍軸提供，通過雙萬向聯軸節機構連接，割臺收割工作位時割臺輸入軸與輸送攪龍軸平行，消除了輸入轉速的波動性。設置輸入軸馬達速度為順時針570r/min，設置運行時間為0.211s輸入軸轉動，運行Motion分析。

4.2 運行結果分析

如圖4所示，橫向輸送鏈條工作穩定后，線速度呈余弦曲線變化，最大速度為0.328m/s，最小速度為0.348m/s，對數據進行處理，平均速度為0.337m/s。因為輸入軸到鏈輪存在萬向聯軸節，所以存在速度波動，速度波動幅度為平均速度的0.54%能夠滿足橫向輸送鏈平穩運動要求。仿真速度與設計速度相差0.88%符合設計期望。割刀最大速度為1.551m/s，割刀最小速度為0mm/s，平均速度為0.95m/s，如圖4所示。

圖4 橫向輸送鏈速度與割刀線速度變化Fig.4 The Horizontal Transmission Chain Speed and Cutters Line Speed Change

5 基于Motion的割臺升降優化設計

5.1 Motion模型建立

各部件、零件指定材料，Solidworks計算得出機架質量m=25.596kg。對機架和割臺虛擬裝配，上下連桿、電動推桿采用鉸接裝配，用套管替換冗余的配合。電動推桿上安置直線電機，采用線段的方式控制電機的速度輸出，電動推桿的運動速度設定，如表1所示。設置重力場加速度為g=9.8m/s2，忽略上下轉臂與機架割臺之間的摩擦。為采用Motion設計算例運動仿真方法對割臺升降機構進行優化設計。采用數學方法確定上下連桿關系。

表1 速度變化Tab.1 The Velocity Variation

圖5 機構坐標系建立Fig.5 Establishment of Mechanism Coordinate System

如圖5建立坐標系，上下連桿在機架上安裝位置為A、D，在割臺上安裝位置為B、C，x為變量。通過Matlab建立程序，運用二次插值擬合得出了上下連桿函數關系。

上下連桿的關系式為：l2=0.00041l21+0.75l1+88

式中：l1—上連桿長度；l2—下連桿長度。殘差為0.28滿足連桿設計要求。

5.2 設計算例建立

建立設計算例，如表2所示。生成120個Motion運動仿真分析。其中距離1、距離2、距離3為三個割臺易與機架零部件發生干涉的距離測量。

表2 Motion設計算例Tab.2 The Motion Design Example

5.3 設計算例運行結果分析

三個測量距離隨的變化，左側為割臺零件進入到機架零件發生干涉的距離，右側為割臺零件離開機架零件的距離，如圖6所示。割臺升高距離的變化，如圖7所示。電動推桿最大功率隨呈線性變化，如圖8所示。綜合三圖選擇最優結果為情形68。此時l1=187mm、l2=242mm，三個測量距離分別為47.12mm、15.36mm、25.37mm均為安全距離，連桿長度為最短不發生干涉長度，割臺升高高度h=120.114mm滿足約束條件。此時電動推桿消耗功率較小，最大功率為12.36w，電動推桿行程為47.25mm，可根據行程功率要求對電動推桿精確選型。割臺某點軌跡追蹤，A為割臺收割工作位，B為割臺轉運工作位，如圖9所示。

圖6 測量距離變化Fig.6 The Measuring Distance Variation

圖7 割臺豎直升高距離Fig.7 The Vertical Rise Distance of Header

圖8 電動推桿最大功率變化Fig.8 The Maximum Power Change of Electric Push Rod

圖9 割臺運動軌跡追蹤Fig.9 The Header Motion Trajectory Tracking

6 結論

對4LB-0.6半喂入水稻聯合收割機割臺進行了設計，得出了兩個主要設計參數，割刀曲柄轉速、橫向輸送鏈速，并創新設計了割臺傳動布置，為微型半喂入割臺設計提供了設計參考。運用模塊化設計理念使用四桿機構和轉動導桿機構結合設計了割臺升降機構，較傳統升降機構可靠性強。通過動態仿真得出割刀、橫向輸送鏈速度曲線。運用Motion設計算例的方法對升降機構進行優化設計減小了收割機縱向尺寸，為升降機構優化設計方提供了新思路。

［1］劉華，陳衛靈，鄒詩洋.南方水稻收獲機械應用現狀與發展趨勢［J］.現代農業裝備，2014（1）：37-40.（Liu Hua，Chen Wei-ling，Zhou Shi-yang.Research and development trend of rice transplanting mechanization in china［J］.Modern Agricultural Equipment，2014（1）：37-40.）

［2］魏宵.4LBZ-125型半喂入水稻聯合收獲機割臺性能實驗研究［D］.湖南：湖南農業大學，2012（5）.（Wei Xiao.Functional experiments on cutting table of 4LBZ-125 headfeed rice combine ［D］.Hunan：Hunan Agricultural University，2012（5）.）

［3］陳樹人，韓紅陽，盧強.4LZ-2.0型聯合收獲機割臺模態分析［J］.農業機械學報，2012，10（43）：90-94.（Chen Shu-ren，Han Hong-yang，Lu Qiang.Model analysis of header for type 4LZ-2.0 combine harvester［J］.Transactions of The Chinese Society for Agricultural Machinery，2012，10（42）：90-94.）

［4］李青林，戴青玲.基于ANSYS的割臺框架諧響應分析［J］.農機化研究，2009（10）：28-34.（Li Qing-lin，Dai Qing-ling.Harmonic analysis of the frame of cuting table basedonANSYS［J］.JournalofAgriculturalMechanizationResearch，2009（10）：28-34.）

［5］吳林峰，肖啟敏，郝用興.割臺支架數值模擬優化與分析［J］.機械設計，2008，28（5）：：52-54.（Wu Lin-feng，Xiao Qi-min，Hao Yong-xing.Numerical simulation and optimization analysis on suporting frame of cutting platform［J］.Journal of Mechine Design，2008，28（5）：52-54.）

［6］何國修.半喂入式聯合收割機割臺傳動系統優化設計［D］.四川：西華大學，2012（6）.（He Guo-xiu.Optimization design for heading transmission of half-feed combine harvester［D］.Sichuan：Xihua University，2012（6）.）

［7］李浩，衣淑娟，楚智偉.基于UG的水稻割曬機割臺仿真與分析［J］.農機化研究，2015（12）：7-11.（Li Hao，Yi Shu-juan，Chu Zhi-wei.Simulation Analysis of rice swather cuting table based on UG［J］.Journal of Agricultural Mechanization Research，2015（12）：7-11.）

［8］華南農學院農機教研室.水稻聯合收割機原理與設計［M］．北京：中國農業機械出版社，1981.（The Teaching Group of Huanan Agriculture College.The Principle and Design of Rice Combine Harvester［M］.Beijing：China Agriculture Machinery Press，1981.）

［9］耿瑞陽.新編農業機械學［M］.北京：國防工業出版社，2011（12）：255.（Geng Rui-yang.The New Agricultural Machinery［M］.Beijing：National Defence Industry Press，2011（12）：255.）

［10］DS Solidworks公司.Solidworks Motion運動仿真教程［M］.北京：機械工業出版社，2012（8）：1-2.（DS Solidworks Company.Solidworks Motion［M］.Beijing：China Machine Press，2012.8：1-2.）