基于CREO小型稻麥聯合收割機切割裝置設計研究

韓雄偉，楊運超，楊金鳳

（1.四川工程職業技術學院機電工程系，四川 德陽 618000；

2.德陽市金興農機制造有限責任公司，四川 德陽618000）

0 前言

小型稻麥聯合收割機因其結構緊湊、體積小、適應性強、操作方便、價格低等特點在我國得到廣泛應用。往復式切割裝置是小型稻麥聯合收割機的重要部件之一，其作用是根據稻麥聯合收割機總體要求完成稻麥的切割。按傳統的設計方法，收割機制造企業都是以經驗和仿制為主，在試制過程中都要反復修改和試驗，產品開發周期長，耗費資金多，也難達到最佳效果。以割幅寬度為1 200 mm的稻麥聯合收割機切割裝置設計為例，運用CREO軟件進行三維建模和運動仿真，對切割裝置進行精確設計和改進，提高了產品質量和可靠性，還節約了新產品開發成本和試制周期[1]。

1 往復式切割裝置總體設計

1.1 切割裝置的主要參數

設計往復式切割裝置的主要依據是割刀的切割線速度v、切割行程S、動刀片間距t、定刀片間距t0和刀片角度等[1-2]，這些參數之間的關系如圖1所示。割刀要切斷莖稈就必須要克服一定的切割阻力，但由于稻、麥等作物的剛度小，受很小的力就要發生彎斜，所以割刀必須有一定的切割速度或者給被切莖稈以適當的支承才能達到較好的切割效果。由經驗數據可知，有支承切割的稻麥收割機往復式切割器割刀的線速度通常線速度V=1～2 m/s[2]。根據靜力學自鎖條件，動、定刀片作用力P1、P2與法線間的最大夾角（α1+ α2= θ1+ θ2）不能超過莖稈對動、靜刀片的摩擦角 φ1、φ2，所以

圖1 切割裝置的主要參數

通常莖稈與刀片的摩擦角之和為38°，所以這里取動刀片的滑切角為α1=30°，定刀片的滑切角α2=0°.

1.2 往復式切割裝置結構原理

根據切割器主要參數、整機的空間位置和傳動系統的要求，設計了往復式切割裝置總體結構，如圖2所示。變速箱輸出的動力通過鏈輪使傳動軸以n=500 r/min的轉速轉動，安裝在傳動軸上的皮帶輪上安裝的偏心軸使連桿的一端繞傳動軸的中心轉動，連桿帶動換向器繞支撐軸擺動，換向器再通過動刀接槽帶動動刀組合完成往復切割運動[3]。

圖2 切割裝置總體結構

2 基于CREO的往復式切割裝置三維建模

通過研究將要建模的往復式切割裝置特征組成以及不同特征之間的關系，確定將往復式切割裝置分成切割器傳動機構和切割器兩個部分進行建模[4]，切割器傳動機構的三維模型如圖3所示。切割器三維模型如圖4所示[5]，將動刀片鉚合在動刀桿上，由切割器傳動機構帶動動刀桿作往復運動完成切割。

圖3 切割器傳動機構三維模型

圖4 切割器三維模型

3 切割器的運動分析

切割器傳動機構的結構參數直接影響切割器的運動行程、速度、加速度等重要指標和運動規律，是切割裝置設計的關鍵[6]。運用CREO運動學分析模塊對聯合收割機往復式切割裝置進行動學仿真的過程如下：根據設計分析結果確定一組參數，模擬其實際工作狀態，檢查有無干涉，得到各種運動學特征和規律[7]，從而驗證其運動的正確性，檢查運動機構間的協調關系，獲得相關數據。根據結果調整有關參數，改進設計模型，重復以上過程，直到結果滿意為止。

該稻麥聯合收割機往復切割裝置的n=500 r/min，r=38.3 mm，l=58 5mm、換向器搖臂長度 AK=KD=135 mm，e=50 mm時，切割器位移曲線如圖5所示，速度曲線如圖6所示，加速度曲線如圖7所示。

圖5 切割器的位移曲線

圖6 切割器的速度曲線

圖7 切割器加速度曲線

從仿真結果可以看出，割刀的位移、速度和加速度變化規律分別是正弦和余弦曲線，他們都是時間t的函數，與理論分析符合，而且更直觀準確。例如，由于割刀的速度是變化的，在理論上可以用下式表示割刀的平均速度[8-9]：

式中，r為曲柄半徑（m）；n為曲柄轉速（r/min）

由于標準型切割器S≈2r=76.2 mm，所以

vjd=2.53 n mm/s

式6計算的平均切割速度是割刀全程的平均值，而實際切割只發生在動、定刀片相遇的區間內，知道動刀片切入和切出定刀片時的速度是十分重要的。動、定刀片的位置和切割速度的關系如圖8所示，假定曲柄從0°轉過180°時，速度曲線近視為圓弧AD，當曲柄轉過θE角度時，割刀從AA′向右運動到BB′，動刀刃與定刀刃在B點相遇并開始切割，此時對應的速度vE，曲柄繼續轉到θF時，割刀繼續向右運動到達CC′，動刀片的前端與定刀片在C′點相遇，切割結束，對應的速度vF.根據以上設定按理論計算只是一個近似數，當運動機構較復雜時，誤差更大。結合CREO軟件運動模塊，可以通過圖6或者軟件的數據輸出功能得到準確的vE和vF，就可為設計人員提供了準確的數據。

圖8 動、定刀片的位置和切割速度的關系

4 結論

（1）應用CREO軟件設計的小型稻麥聯合收割機切割裝置，參數合理、結構緊湊、切割速度快，滿足整機要求。

（2）與傳統的設計方法相比，應用CREO軟件設計使設計和修改更為便捷，可以及時得到各種精確的設計參數，還可以通過仿真得到切割裝置運動曲線，真實直觀地反應切割裝置的運動特征。在設計過程中可以不斷調整設計方案，實現設計優化，為今后其它切割裝置的設計提供了技術支持。

（3）直接在數字化模型上對切割裝置進行各種運動特性的仿真分析，而不用投入大量的人力財力進行產品試制，縮短了新產品開發周期，有效節約了成本，在企業實際應用中達到了良好的效果。