基于Solidworks- Motion 的旋耕機動力學仿真

浦宏毅 李再參 葉 愈 黃建國

（云南省機械研究設計院 云南省機電一體化應用重點實驗室，云南 昆明650031）

隨著國內農村勞動力的逐漸的減少，國家土地耕作模式逐漸向大型機械轉變，從之前的單一機械化逐漸向全程機械化轉變[1]。旋耕機是現代農業中一種重要機型，傳統旋耕機設計時多采用經驗設計，很少對其受力和運動情況進行仿真分析，本文主要討論如何使用設計分析軟件Solidworks-motion，從產品設計角度進行動平衡設計和仿真優化，對旋耕機進行動態仿真分析，探測研究旋耕機的運動狀態、部件受力情況等數據，從產品初期設計階段確保旋耕機的合理性。能夠幫助設計人員在設計前期判斷設計是否達到預期目標。解決機械最復雜的機構運動受力問題。

1 旋耕機整機結構與技術參數

1.1 旋耕機整機結構

旋耕機在旋耕作業的過程中，判斷其作業好壞的兩個重要因素是旋耕后田塊質量及旋耕過程中其消耗的功率，其中影響兩個指標的重要因素就是刀片在刀軸上的排列方式。旋耕機在旋耕過程中不產生漏耕，這就要求旋耕機本身刀軸受力均勻，刀片間距合理，刀片之間不堵塞土壤[2]。

刀輥轉速280r/min、耕深135mm。

圖1 整機軸測圖

1.2 旋耕刀輥參數

旋耕機前進速度、刀輥每個切土小區內刀片數和刀輥轉速變化，直接影響土壤破碎度和功率消耗，適合的旋耕刀輥設計能夠有效降低功耗，本文設計的某型號旋耕機刀片采用多區段的雙螺旋的排列方式，有效的解決了土壤朝一側聚集造成耕后土壤平整度低的現象發生，根據中間傳動的特點將旋耕刀片采用以幅寬中央為基準，雙左右螺旋線分區段排列。

將旋耕刀輥小區內的刀片數設定為Z=2，刀輥上刀片排列方式采用多區段雙螺旋線排列[3]。旋耕機的傳動方式為中間傳動，刀軸被分為兩段，將刀座之間的間距設定為74mm[4]，則刀軸上旋耕刀片數量為：

式中：B- 耕幅，m（本項目為中間傳動，取兩刀輥幅寬之和1.8m，）；b′——刀座間距，mm（取值74）；Z ——每切土小區的刀數2；Z′——彎刀總數（取整偶數）。旋耕刀輥由48 把刀組成，刀輥按照雙螺旋線的排列方式排列，一個旋耕小區內共有5組10 把刀片，同一平面內的左右旋刀夾角成180 度，相鄰兩個刀座之間的間距為74mm，相鄰刀座之間的徑向夾角為72 度，左右兩側進行對稱布置。旋耕刀排列展開圖如圖2 所示。

圖2 旋耕刀排列展開圖

2 刀輥受力分析

由于旋耕刀耕作過程中刀的周期性入土－切土－出土旋轉，刀片切土過程的受力很復雜。國內外針對旋耕刀切土過程受力方面的研究雖很多，但他們的研究主要針對機具或刀片受力的某分力。如圖3 所示，旋耕機在正常工作時，刀軸所受到的扭矩M大小由刀片上所受力的合力大小決定[5]。在閱讀大量研究資料得出，如果刀片的工作半徑為R 時，那么其所受阻力作用在刀片的位置為R′=9.0R。當一個刀片入土時在入土的過程中其受到扭矩變化是非常大的，旋耕刀在土壤中運動時，扭矩隨旋耕刀轉過角度變化，扭矩在一個周期內呈現先升后降的趨勢。旋耕刀入土后，隨著切削土垡的厚度、高度及與土壤接觸面積的增加，導致旋耕刀扭矩增加；之后由于刀具上方的土壤逐漸減少，扭矩逐漸降低其變化可視為正弦曲線，其值為：單把刀具從入土時的0 增加至最大扭矩約Mmax27.4 N·m，而后扭矩逐漸降至接近0[6]。刀輥在一個切土區域內共有5 組10 把刀片，共4.8 個切土區域，刀輥順序切入土壤的兩把刀片相鄰夾角為36度，刀片彎轉方向相反，旋耕機連續作業時，可將其視為軸向左右受力平衡，刀輥在一個切土區域內共有三把刀片做切土運動，當刀片1 剛切入土壤時，刀片2、3 切入土壤內部，刀片4 剛好退出土壤。由此，可以近似的認為，在單個切土區域內，共有1+0.5+0.5=2 把刀在做最大扭矩切土運動，刀輥所受扭矩為:

圖3 刀輥切土狀態圖

3 旋耕機-Motion 分析模型設置

應用Solidworks 建立裝配體模型，開啟motion 插件，新建運行算例1，選用motion 分析，添加引力；引力加速度數值等于重力加速度9.8m/s2，方向豎直向下；設置固定約束：定義接觸，變速箱一級錐齒二、三級齒輪傳動為鋼對鋼實體濕式接觸；置設置輸入馬達；在一級小錐齒輪軸是設置圓周旋轉馬達，數值為300mm/s，方向順時針；設置刀輥扭矩：在左右刀軸上分別施加一個與運動方向相反的阻力扭矩135Nm。設置零件剛性組：機架剛組、變速箱體剛性組、左刀輥剛性組、右刀輥剛性組、同級齒輪和旋轉軸設為一個剛性組；每秒幀數設置：數值越高，分析結果月精確，但耗時越長，這個數值需要根據轉速確定，轉速300r/min，及每秒5 轉，及5 個運動周期，若每3 度算一幀，就有120*5=600 幀。

圖4 Motion 分析參數設置

4 結果圖解與討論

4.1 馬達能量消耗：根據motion 仿真分析，得出該型旋耕機的馬達能量消耗變化在旋耕機啟動時最大，達到了23KW,穩定后在17KW 內，刀輥反作用力變化為均勻波形，最大達到5697N。

圖5 馬達能量消耗圖

4.2 傳動齒輪接觸力：錐齒輪接觸力在旋耕機啟動時最大達到了15578N、當旋耕機運行平穩時呈現波形變化，變化幅度在1000-10000N 左右，三級傳動齒輪之間的接觸力趨勢與錐齒輪相同，啟動時達到27401N、當運行平穩時呈現波形變化，變化幅度在1000-10000N 左右。

圖6 錐齒輪接觸力圖

圖7 三級傳動齒輪之間的接觸力圖

4.3 刀輥反作用力:由圖4-4 可看出，旋耕機刀輥受力成正弦函數交替變化，變化情況相對穩定，最大值達到5697，最小值趨近于0。

圖8 刀輥反作用力圖

結束語

本次分析主要在于通過對分析某型旋耕機刀輥布工作是切入土壤的工作情況、刀片置情況研究，旋耕機的刀輥受力，并借助SolidWorks-Motion 軟件對旋耕機進行動態仿真分析，探測研究旋耕機的運動狀態、部件受力情況等數據，從而為旋耕機設計校驗提供依據，從產品初期設計階段確保旋耕機的合理性，能夠幫助設計人員在設計前期判斷設計是否達到預期目標，解決機械最復雜的機構運動受力問題。根據分析，得到了旋耕機的輸入馬達能量消耗圖和關鍵部位受力情況圖，旋耕機的受力變化趨勢，其變化情況符合設計時的要求。得出的輸數據客觀，與旋耕機的實際工作情況比較近似，對設計校驗和優化就有參考價值。