（农业机械化工程专业论文）盘刀式铡草机切碎器的虚拟设计及其性能研究.pdf

摘要 随着畜牧业的发展，草饲料加工机械也得到了大力发展，铡草机是应用较广泛 的草饲料加工机具之一，但该机具仍存在着切割过程中功率消耗过大的问题，切碎 器的设计对于铡草机切割功耗起着决定性作用，而动刀片又是切碎器的主要工作部 件。因此，设计出性能优良的切碎器显得尤为重要。为解决这一问题，以9 z 一4 8 0 型铡草机为样机，通过对其切碎器切割过程进行试验研究分析，推导出动刀片的等 滑切角刀刃曲线方程( 即对数螺线方程) 。为使等滑切角刀刃曲线设计更为准确， 利用计算机软件k 4 t l a b 编程，根据所得到的方程绘制出不同角度的等滑切角曲线： 利用三维软件技术，对样机的切碎器进行参数化建模和运动仿真。这种新型设计方 法可使设计方案交流方便，整体设计程序更具有灵活性和高效性，缩短了产品研发 周期。针对所选定的等滑切角曲线，设计并生产了不同等滑切角的动刀片，在该样 机上采用正交试验，对试验数据进行分析，得出切碎器切割功率消耗最小的数学模 型，并对该模型进行优化，得到最优结果。为切碎器的系列化设计与生产提供有力 的依据。 关键词：铡草机；切碎器；等滑切角；特征建模；试验研究；回归分析 v i r t u a ld e s i g na n dp e r f o r m a n c es t u d yo ff l y w h e e l t y p e c u t t e r h e a d a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa n i m a lh u s b a n d r y , t h eg r a s sf e e dp r o c e s s i n gm a c h i n e r yw a s d e v e l o p e dv i g o r o u s l y t h es t r a wc u r e ri so n eo ft h ew i d e l yu s e dm a c h i n e s b u ti th a st h e p r o b l e mo fp o w e rc o n s u m p t i o no v e r s i z e da tp r e s e n t t h ed e s i g no ft h ec u t t e r h e a dp l a y sa d e c i s i v er o l et ot h ep o w e rc o n s u m p t i o n ，m o b i l eb l a d ei st h e k e yp a r t i nt h e c u r e r h e a d t h e r e f o r e ，i ti se s p e c i a l l yi m p o r t a n to fd e s i g n i n gp e r f o r m a n c ec u n e r h e a d i n o r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，t a k et h e9 z 4 8 0f l y w h e e l t y p ec u t t e r h e a da st h ep r o t o t y p e t h r o u g ht oe x p r o m e n ta n a l y s i sf o rc u r i n gp r o c e s so ft h ec u t t e r h e a d ，i n f e rt h ee q u m i o no f c u t t e rc u r v eo rl o g a r i t h m i cs p i r a le q u a t i o n i no r d e rt om a k et h ed e s i g nm o r ea c c u r a t e ， p r o g r a mi nc o m p u t e rs o f t w a r eo fm a t l a b ，d r a wu pd i f f e r e n ta n g l ec u r e rc u r v ea c c o r d i n g t ot h ee q u a t i o n p a r a m e t e r m o d e l l i n ga n ds i m u l m ew a st o o ki nt h ec u t t e r h e a do ft h e p r o t o t y p eb ys o f t w a r eo f3 d t h ew a y h a sm o r ef l e x i b i l i t ya n de f f e c t i v e n e s s r e d u c e st h e d e v e l o p m e n tc y c l eo fp r o d u c t d i f f e r e n ta n g l ec u t t e rc u r v em o b i l eb l a d e sa r ed e s i g n e d a n dp r o d u c e dt ob e i n gs e l e c t e d ao r t h o g o n a lt e s tw a sc o m p l e t e di nt h ep r o t o t y p e a n d a n a l y s i sd a t a s ，o b t a i nt h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，w h i c hp o w e rc o n s u m p t i o ni st h em i m m u m a n do p t i m i z a t i o nw a sc a r r i e di nt h i sm o d e l o b t a i no p t i m i z a t i o nr e s u l t ，w h i c hp r o v i d e p o w e r f u lr e f e r e n c ef o rs e r i e sd e s i g na n dt h ep r o d u c t i o n k e yw o r d s ：c u t t e r h e a d ；e q u a ls l i d ec u r v e s ；c h a r a c t e rm o d e l i n g ；s t u d yo f e x p e r i m e n t ； r e g r e s s i o na n a l y s i s d i r e c t e db y ：a s s o c i a t ep r o f l l ii n a p p l i c a n tf o rm a s t e rd e g r e e ：y a nx iu f a n g ( m e c h a n i z a t i o no fa g r i c u l t u r ep r o j e c t ) ( c o l l e g eo f m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g , i n n e rm o n g o l i a a g r i c u l t u r a lu n i v e r s i t y , h u h h o t0 1 0 0 1 8 。c h i n a ) 内蒙古农业大学 研究生学位论文独创声明 本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢蚵 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包 含为获得我校或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料，与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说。 明并表示谢意 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 论文作者签名：i 叠盔苤日期：兰望堡垒鱼日 内蒙古农业大学研究生学位论文版权使用授权书 本人完全了解内蒙古农业大学有关保护知识产权的规定，印：研 究生在攻读学位期闻论文工作的知识产权单位属内蒙古农业大学本 人保证毕业高校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为内蒙 古农业大学，且导师为通讯作者，通讯作者单位亦署名为内蒙古农业 大学学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和皂 子文档，允许论文被查阅和借阒学校可以公布学位论文的全部或部 分内容( 保密内容除外) ，采用影印、缩印或其他手段保存论文 论文作者签名：z a 杰苤一 指导教师签名：乏叁笠季一 日 期：婴芏：竺； 内蒙古农业大学硕士学位论文 l 1 引言 随着经济的发展和人们生活水平的逐步提高，对畜产品的需求有了较大的增加 大力加强和发展畜牧业将是中国农业的主要发展t 芎向。畜牧业近期实行节约粮食型， 远期看将依靠饲草料粮。饲草料是发展畜牧业重要的物质基础我国虽然是农业大 国，但人均占有粮食不足4 0 0 千克，距世界公认的粮食过关标准5 0 0 千克相差甚远， 与发达国家相比差距更大。显然对我国而言，仅仅依靠粮食生产饲料来发展畜牧业 这条路是行不通的。目前，减少畜牧用粮的办法有一：( 1 ) 发展配合饲料并改良畜禽 品种，以提高饲料转化率；( 2 ) 调整畜牧业结构，发展饲草料转化率高的家禽生产： ( 3 ) 加强防疫灭病，减少畜禽因死亡造成的饲料损失；( 4 ) 饲、粮分流，以一部分耕 地种植优质高产饲草料作物：( 5 ) 大量开发利用非常规饲草料资源。其中前四点己经 受到注意，第五点对于减少饲料粮消耗有重要的意义，却一直未被重视。在“非常 规饲草料”中，农作物秸秆等数量最大、分布最广，自然成为发展畜牧业的首选突 破口。秸秆作为一种资源，已受到世界各国的关注和开发利用。我国人口众多，而 耕地面积有限，为了减少畜牧业对粮食的依赖，因此，更要充分开发和利用各种饲 草料资源。 据资料统计 ：，我国每年农业生产中所遗留的各种农作物秸秆大约有6 亿多吨， 其中约3 0 为玉米秸秆。如果充分利用秸秆加工技术，如切碎、揉碎和粉碎以及青 贮与氨化等，把秸秆加工成饲草料，不但可以节约大量的粮食，还可以过腹还田， 充分利用氮、磷以及各种有机物成分：提高微量元素的循环利用率，达到培育地力、 提高土壤的肥力、改善土壤土粒结构的目的，起到防止土壤风蚀、沙化和退化的作 用。 据报道，从“八五”到“十一五”期间，我国的秸秆利用率有了很大提高，其 中：青贮饲草料约6 0 0 0 万吨，氨化秸秆约3 5 0 0 万吨，每年可节约粮食约2 0 0 0 万吨。近年来，我国每年的农作物秸秆总产量数量可观，并逐年增多。据估测，可 用于粗饲草料的秸秆约为总产量的2 0 一4 0 ，相当于欧洲与美国的用量总和。但 是，我国农业秸秆资源的利用率只占世界先进水平的3 0 。因此，在我国秸秆的开 发利用方面还有很大的发展潜力和空间。 秸秆是一种粗饲草料资源，尤其在反刍家畜的饲草料来源中，秸秆类粗饲草料 占相当重要的地位。但秸秆类粗饲草料普遍具有质地粗硬、咀嚼费力、适口性差、 粗蛋白含量少、消化率低等特点。因此，必须对其进行合理加工或相应的处理，以 提高其利用价值。 近年来，对农作物秸秆这一生物资源的开发利用在国内外引起了高度重视，国 内外的许多科研部门和学者在合理利用和深度开发农作物秸秆产品方面做了大量的 科学研究工作，对农作物秸秆的加工特性研究也有了较大的发展。各式各样的秸秆 加工机具、设备、配套工艺和秸秆物料产品应运而，圭也为进一步设计与开发新型 2 盘刀式铡草机切碎器的虚拟拟设计及其性能研究 机具、新工艺和新技术提供了一定的理论依据和试验基础，开辟了农作物秸秆资源 充分开发和利用的新途径旧1 0 1 。 秸秆加工方式及设备根据施力形式与加工方式的不同而不同，秸秆加工的基本 受力原理主要有弯曲、拉伸、折断、剪切、冲击和揉搓等破坏形式，以及压缩流变 等。研究表明，由于农作物秸秆具有韧性大、易变性等特点，适宜采用的加工方式 一般是切割( 砍切、滑切) 、揉搓( 切) 、粉碎与压缩。目前，广泛应用于农业生 产中的秸秆加工机具主要有铡草机、粉碎机、揉碎机和压捆机等哺，。 一1 1国内外草饲料加工机械的发展现状 由于绝大多数可用于粗饲草料的农作物秸秆具有杆节粗大、质地坚硬等特点。 导致牲畜采食困难、咀嚼费力、适口性差、消化率低，其代谢能的利用率也较差。 因此，应对其进行合理加工与处理以提高利用价值，这也就为各种秸秆加工机械和 加工工艺提供了良好的应用平台和发展机遇。我国秸秆加工机械起步较晚，但发展 速度较快。其中铡草机是较早定型并广泛推广使用的产品之一，该机型主要利用切 割的工作原理来加工秸秆。它具有结构简单、功耗低、生产率较高等特点。铡草机 。把秸秆切成段状，来满足喂饲需求，但是，在加工过程中一般无法破碎秸秆的茎节， 。且部分切碎段粗大，从而影响了牲畜的采食和消化吸收，造成较大浪费。秸秆粉碎 机是目前应用比较多的另一类秸秆加工机具，其加工原理主要是冲击粉碎。粉碎机 具加工出的秸秆饲草料因粒度细小而不利于反刍家畜的消化，因此主要作为秸秆饲 草料制粒和压块等工序的前处理。另外，秸秆粉碎机还具有动力消耗较大，噪声高 等缺点。秸秆饲草料揉碎机是我国近年来研制的一种秸秆加工的新机型，包括揉搓 机和揉切机。揉搓机主要采用拉伸、揉搓和粉碎的加工原理，综合利用了剪( 砍、 滑) 切、揉搓和粉碎的加工方式，使秸秆在加工过程中既能受到多次打击，又能受 到不断的揉搓和粉碎，处理过的秸秆较好地满足了加工质量的要求，可将秸秆加工 成具有一定长度和粗细度的丝状段，大大提高了加工物料的采食率和消化率，深受 广大用户的好评和欢迎。但这种机具也存在一定不足，如生产率低，功耗较大，用 于加工多汁和韧性较大与纤维较多的物料时，容易出现阻塞机具等问题。秸秆打捆 机采用压缩的加工方式，将松散、密度低的秸秆压缩成高密度草捆，解决了贮存和 运输的问题。 我国草饲料加工设备已有一定的发展，某些已经达到国外九十年中期的先进水 平1 。 目前，我国北方市场上普遍应用的机型有：9 z r 一5 0 型秸秆铡揉多用机； 9 r s - - 4 0 0 型秸秆揉碎机；9 3 q h - 5 0 0 型鲜草深加工设备：9 r 一4 0 型饲草料揉碎机；9 3 q h 系列燃煤牧草烘干机组：9 z r - 3 0 0 0 型揉切机；9 3 q h d 系列饲草液压打包机：9 3 q h d 轻型打捆机；饲草液压打包机等。 内蒙古农业大学硕士学位论文 3 欧美以及一些畜牧业比较发达国家在秸秆加工机械应用方面起步较早，相继研 制生产出许多技术性能优良、工艺性和配套性先进的秸秆加工机具和设备。多年来， 国外一直以发展自动化程度高、通用性好的大型秸秆和饲草料加工机具为主，大幅 度提高了生产效率和秸秆与饲草料的加工质量1 。英国在2 0 世纪8 0 年代初在收 获机上对秸秆进行粉碎。丹麦多农企业机械厂生产的多农8 0 5 型饲草加工机组，采 用7 5 h p 以上的拖拉机为动力进行驱动，饲草切碎或揉碎后由液压泵把氢氧化钠溶 液洒在上面，充分搅拌后由抛送器送入贮藏室或青贮窖内。丹麦皮里士登有限公司 生产的皮里士登1 0 0 型锤片式饲草粉碎机，配套动力为1 0 0 1 5 0h p ，生产率可达 4 - 5 t h 。在以大功率、多功能为主的粗饲草料粉碎机占主导的前提下，意大利的塞 科公司又研制和生产了小型粗饲草料揉碎粉碎机，该机的工作刀片沿螺旋线分布， 机具振动小，物料加工均匀。英国艾里温公司生产的3 8 m k i i 型草捆粉碎机，粉碎转 子只有六个铰链锤片，粉碎室的结构类似于般的揉碎机，结构简单，生产率达 2 t h 。美国万国公司于上世纪6 0 年代初首次在联合收割机上采用切碎机对秸秆进 行切碎，其后研制了与9 0 k w 拖拉机配套的6 0 型秸秆切碎揉碎机。西欧一些公司 还相当重视生产小型粗饲料粉碎机型。其特点是体积小、质量轻、动力消耗少。 1 2 国内外铡草机的发展现状 铡草机也称切碎机，主要用来切断茎秆，如谷草、稻草、麦秸、玉米秸秆等。 适用于作物乳熟期的青贮。铡草机按机型可分为小型、中型和大型；按切割方式不 同可分为滚筒式和圆盘式；按固定方式可分为固定式和移动式。大中型铡草机为了 便于抛送青贮饲料，一般都采用圆盘式，而小型铡草机以滚筒式为多。 铡草机是我国使用最早和生产量较多、应用比较广泛的饲草料加工机械之j 。j 早在上世纪三十年代，我国广大农村开始应用手压铡刀，来实现长草短喂的饲养方 法。中华人民共和国成立以来，先在农村推广了手摇铡草机。5 0 年代我国是以仿制 原苏联的产品为主，如风送铡草机。6 0 一- 7 0 年代开始自行研制，但没有形成系列， 也没有标准可循。生产的铡草机主要型号n 1 ：滚刀式有泰山一3 0 0 型( 2 8 k w ) 、z c 一1 o 型( 3 k w ) 、z c t 一0 5 型( 2 8 k w ) ；圆盘式有9 c f 1 0 型( 3 k w ) 、z p 一1 型( 4 5 k w ) 、9 q s 一7 0 型( 4 5 k w ) 、z c 一6 型( 1 6 k w ) 和9 q c 一1 2 0 型( 2 0 k w ) 等。8 0 年代，我国颁布实施了铡草机试验方法、铡草机技术条件、圆盘 式铡草机基本参数部颁标准、铡草机安全技术要求的国家标准。8 0 年代中期， 并组织了新型铡草机系列设计工作，包括9 z p 一0 1 6 、9 z p 一0 4 、9 z p 1 6 和9 z p 一2 5 型4 种型号。8 0 年代后期和9 0 年代，各地研制的铡草机主要有农户家庭用 的微型和小型铡草机，以及与小型拖拉机配套适于专业户流动作业的铡草机。例如 济南市农机所研制的9 z - o 5 型铡草机配套动力为0 7 5 k w 单相电机：内蒙商都县 牧机厂研制的q c 一1 6 0 型切草机配套动力为0 7 5 1 1 k w 单相电机：洛阳工学院 4 盘刀式铡草机切碎器的虚拟拟设计及其性能研究 设计的9 3 z t 一5 0 0 型铡草机，配套动力为2 2k w 电机或小型拖拉机；山东莱州市 微型铡草机厂研制的9 z 一0 4 型电动微型铡草机，配套动力为l k w 。河南所浚县新 镇振兴粉碎机械厂生产的z 6 0 0 型铡草机，配套动力为5 9 1 lk w 小型拖拉机； 山东滨州地区农机所等单位研制的9 3 z t - 2 0 0 0 型移动式饲草铡切机，可与8 8 k w 小四轮拖拉机或5 5 k w 电机配套。 目前国内铡草机的生产厂家及产品型号都很多，基本已能足不同生产的需要。 但节省能耗、标准化、通用化水平、高新技术的应用、使用方便性和舒适性、检测、 检查力度等，和国外( 先进机型) 相比仍存在很大差距。 1 3 课题的提出及意义 饲草料加工工业的迅速发展对饲草料加工机械的设计和制造提出了更高、更新 的要求，要求饲草料加工机械工业迅速提高制造装备能力和工艺水平。近2 0 多年来， 我国饲草料加工机械和加工技术取得了非常显著的进步，机具的品种规格不断增加， 产品质量不断提高，一些特殊工艺要求的机械设备也迅速发展起来了，特别是通过 引进技术和关键2 h i 设备，与外商合资合作生产等方法，使国产草饲料加工设备的 技术水平已接近国际9 0 年代初的水平。但是，要适应经济全球化的发展和国际饲草 料集团进入中国市场参与竞争的挑战，饲草料加工机械依然面临着改进工艺、降低 能耗、降低成本、优选材质、提高精度、成套供应和售后服务的国际竞争，与发达 国家的先进科学水平相比，仍然存在一定的差距。 随着节粮型畜牧业的发展，为此应加快研制各种类型和规格的饲草料加工机具， 重点解决提高生产率，降低能耗，改善加工质量，以适应不同用户需求。为了适应 快速发展的市场要求，企业必须要有高度柔性，对市场的变化作出快速敏捷的反应， 并及时对自身的生产做出合理的调整与重新规划。将促进我国饲草料加工机械产品 质量进一步提高；另一方面，有利于我国草饲料加工机械进入国际市场竞争，提高 竞争力。目前我国在秸秆加工机械设备设计和制造中存在一些问题：饲草料加工机 械多属中小型厂家，自主研发能力、科技创新能力和系列化、通用化、标准化生产 水平较低，专业化生产厂家较少，生产出的机具型号杂乱。 目前，秸秆切碎是秸秆加工处理的主要工艺之一。铡草机( 含青贮切碎机、青饲 料切碎机、多功能铡草机) 是畜牧业生产中重要的饲草料加工机械。随着我国畜牧业 由“耗粮型”向“节粮效益型 的战略转移及农区畜牧业“秸秆过腹还田 工程的 推进，饲草料加工机械得到了长足的发展和广泛的应用。铡草机以其结构简单、操 作方便深受广大养畜用户的欢迎。而切碎器又是其主要工作部件，切碎器性能的优 良程度决定了铡草机的性能的好坏。改善切碎器的性能，提高切碎质量和工作效率， 降低功率消耗一直是农( 牧) 机械行业所重视的问题。目前铡草机的切碎器的形式 有轮刀式( 盘刀式) 和滚筒式两种。其中滚筒式切碎器多用于青饲料收获机上，轮 内蒙古农业大学硕士学位论文 5 刀式多为铡草机所用。轮刀式切碎器动刀片刀刃的类型主要有凹曲线型、凸曲线型 和直线型。大中型铡草机多采用曲线型，小型铡草机多用直线型。那么如何设计、一 选择动刀片的形状与结构，是铡草机生产中的一个非常重要的问题，它直接影响着 铡草机的工作质量和效率。就现代机械设备设计生产而言，解决这个问题有效的方 法之一就是在计算机上进行模型化设计和运动仿真设计，即利用虚拟设计技术。它 是利用计算机模拟技术比较真实地模拟机械的工作状态，能够在虚拟的状态下设计、 制造、测试和分析产品；有效的解决那些在结构参数、制造技术、生产质量等方面 存在的问题，从而大大缩短设计和研发周期，降低了制造成本，提高生产效率，加 快产品的生产和更新换代。 先进的计算机技术，尤其是虚拟设计技术的发展与应用，对解决上述类似问题 提供了有效的方法和手段；为产品的开发提出了新型的设计思路。这种设计方法将 对铡草机系列产品的开发提供了一个良好的研发平台和手段，同时能够很好的实现 产品的柔性制造。与传统的设计方法相比，在机械的设计、制造加工、安装调试、 试验改进等很多方面都具有非常明显的优势。因此本课题主要针对内蒙古农业大学 机械厂生产的9 z - 4 8 0 型铡草机在能耗，切割平稳性等方面存在的问题，通过对主要 工作部件切碎器，利用虚拟设计技术进行改进设计，并进行试验分析研究，得 出切碎器主要结构参数的选择范围和结构改进的最化方案，为该类机具的改进提供 相关的依据和方法。 1 4 本课题主要研究内容 1 ) 对切碎器进行结构分析并确定其主要结构参数。 2 ) 对切碎器各部件参数化建模。 3 ) 在虚拟环境下对各部件进行装配，并对其进行干涉检验，然后按预定的规律 进行仿真运动。针对结果参数在不同配置条件下，作运动和动力分析，确定切碎器 主要结构参数的最佳理论范围；通过对铡草机切割过程分析，确定影响其切割性能 的主要结构参数。 4 ) 根据结构参数建立等滑切角刀刃曲线方程，利用m a t l a b 编程绘制曲线；导 入c a d 界面下设计等滑切角型动刀片并生产。 5 ) 试验设备的准备( 维修，保养) ；确定试验的性能参数及要测试的试验指标。 6 ) 以玉米秸秆( 含水率为2 0 - 4 0 ) 为试验材料，进行二次正交回归试验，分 析试验数据。得出参数和试验指标的关系，即二次回归方程，并找出最佳配置方案。 7 ) 最后得出结论，提出新的研究方法；为后续研究类似农牧业机械提供理论依 据。 6 盘刀式铡草机切碎器的虚拟拟设计及其性能研究 2 铡草机切碎器虚拟设计 2 1 虚拟设计的简介 当今市场竞争日益激烈，科学技术进步的加快，使得产品开发的技术含量与复 杂程度日益增加，同时也由于产品的生命周期不断地缩短，因此，缩短新产品开发 的周期、提高新产品开发的技术水平、降低新产品开发的成本，并保证上市后产品 的上市周期，是当前新产品开发着重要解决的问题f 2 。 虚拟设计( v i r t u a ld e s i g n ) 属于多学科交叉技术，涉及众多的学科和专业技 术知识，它是随着科学技术的发展，特别是计算机辅助c a x ( c a d 、c a e 、c a m 、c a p p 、 p d m 的统称。) 技术的发展，开始广泛地应用于企业的生产与制造之中。由于虚拟 设计技术在新产品开发过程中的应用，使产品设计实现更自然的人机交互，采用并 行设计工作模式，系统考虑各种因素，使相关的人员之间相互理解、相互支持，把 握了新产品开发周期的全过程，提高了产品设计的一次性成功。从而缩短产品开发 周期，降低生产成本，提高了产品质量，给企业带来了更多的商机。 随着计算机辅助设计和辅助制造技术的飞速发展，其应用领域日益扩展，已使 工程设计业和制造业发生了深刻的变化，这一点在产品的结构设计方面表现的尤为 显著。三维造型技术、参数设计技术和数字化制造技术等新概念、新方法已渗透到 传统的结构设计中，并发挥出前所未有的作用，推动了工程设计技术的发展。 在数字化制造中，利用建模技术建立与物理样机相似的数字化模型，并对该模 型进行仿真、实验、评估和优化，从而达到提高产品质量和缩短研制周期以及实现 从传统制造向可预测制造转变的目的。 虚拟装配设计( v i r t u a la s s e m b l yd e s i g n ) 是虚拟设计在新产品开发方面具有 较大影响力的一个领域。虚拟装配( v i r t u a la s s e m b l y ) 采用计算机仿真与虚拟现 实技术，通过仿真模型在计算机上进行仿真装配，实现产品的工艺规划、加工制造、 装配和调试，它是实际装配的过程在计算机上的本质体现。目前，就其技术而言， 已经成熟，虽尚没有商用虚拟装配系统，也尚未充分地应用于新产品开发的分析和 评价，但这项技术在新产品开发中已得到肯定，并具有很重要的意义。 过去传统的产品开发，常需要花费大量的时问、人力、物力来制作实物模型进 行各种装配实验研究，力求在产品的可行性、实用性和产品性能等方面进行各种测 试分析。现代设计要求设计人员在虚拟产品开发早期就应考虑装配问题，在进行虚 拟装配的同时创建产品、分析装配精度，及时优化设计方案。 ： 2 2s o l l d 3 0 0 0 的简介m h 州 s o li d 3 0 0 0 作为国内唯一本地化、标准化的三维c a d 软件，该软件最新版本根 据用户的建议在软件的功能、易用性、集成性等方面作了众多改进，同时内嵌了运 动仿真模块，进一步提高了软件的技术水平住。 内蒙古农业大学硕士学位论文 7 1 ) 草图解算功能 草图欠约束、过约束、完全约束提示，图线颜色可以根据约束情况动态地改变， 从而极大地提高了草图建模的质量，降低了草图约束分析的难度。 2 ) 特征和草图复用的能力 新增了特征库功能，用户可以将常用的特征或草图通过简单的拖放保存到特征 库；再次使用时只需将该特征调出，根据需要适当修改尺寸即可使用，从而减少用 户的重复工作。 3 ) 增强了尺寸表达式功能 可以建立跨草图、跨特征以及跨模型的尺寸关系，充分体现设计意图，使工程 师灵活控制尺寸参数间复杂关系的愿望成为现实，为创新产品设计提供有力支持。 4 ) 完善的在位设计能力 ，：， 增加了“在位 约束，使自顶向下设计过程更加完善，通过对关联的断开与恢 复，可以有效管理设计修改所影响的范围，同时优化了装配约束管理，使约束的查 找、修改更加便捷。j 5 ) 增加智能装配约束 在装配环境下，可以利用右键通过拖动零部件在零部件之间智能添加装配约束， 从而使装配约束的界面、，过程都得到了简化，而且操作更加直观流畅。 6 ) 新增装配下配孔特征 可以实现装配下多个相关零件的孔的配做，从而减少重复操作、提高设计效率、 更加符合实际设计习惯。 7 ) 增加装配同步功能 装配同步可以帮助用户在两台电脑之间方便的同步装配及其包含的零部件，方 便支持同一项目的异地工作、协同工作，例如，用户可以通过向导将办公室中未完 成的工作打包，带回家中继续工作，然后再通过向导将修改过的文件带回办公室。： 8 ) 内置的运动仿真模块 s o l i d 3 0 0 0v 7 0 最大的亮点之一便是内置了机构运动仿真模块，该模块与装配 环境完全融为一体，软件提供了丰富的运动副，如：旋转副、滑移副、圆柱副、螺 杆副、球铰副和齿轮副，及丰富的驱动手段，通过各种初始条件的设置，可以模拟 复杂装配机构的真实运动，通过动态干涉检查，可在运动过程中自动进行干涉检查， 使用户只需很少的资金投入就可以获得在设计阶段对产品进行仿真分析的能力，从 而优化、提升产品质量幢副。 2 3 铡草机切碎器的建模1 2 乳神1 9 z - 4 8 0 型铡草机切碎器由定刀组、动刀组、动刀架、动刀架轴、风扇片等组成。 首先针对样机切碎器的主要结构参数在软件s o li d 3 0 0 0 二维环境下建立各零部件二 8 盘刀式铡草机切碎器的虚拟拟设计及其性能研究 维草图模型，在该软件三维环境下生成三维实体模型。对于在c a d 环境下设计的零 部件，想观看其立体模型，则可在s o li d 3 0 0 0 环境下直接导出c a d 图形作为草图同 时在其二维环境下可继续编辑，最后生成三维图形。应用方便快捷。特征建模如图 l 所示： 直刃动刀定刀动刀架 、岁 图l 切割器实体模型 切碎器装配体 2 4 干涉检验 在零件装配过程中，可能会出现由于零件的设计形状或尺寸大小不合理，或者 零件的绘制过程中有偏差，导致无法进行装配的现象。在s o li d 3 0 0 0 设计中，这类 现象可以在零件装配的过程中及时发现，从而避免经济损失。当两个零件装配时发 生实体重合的时候，我们称这两个零件发生了干涉。 干涉检查的方法如下： 1 ) 选择菜单栏中的“工具”“干涉检查”，系统弹出“干涉检查”对话框，如 图2 所示。 2 ) 在绘图区选取需要进行干涉检查的零部件，零部件名称将出现在“选择实体” 列表框中：如果需要检查装配体中的所有零部件，可以勾选“全选”复选框，装配 体中的所有零部件将列于“选择实体”列表框中。同时，“干涉结果”列表框中也 会立即列出发生干涉的零部件。 内蒙古农业大学硕士学位论文 9 图2 _ f 涉检查对话框 3 ) 单击“干涉结果”列表框中的发生干涉的零部件名称，在右下方的文本框中 将会显示出此干涉的体积。同时，干涉区域以高亮的四方体显示在屏幕上。如果选 择：文字显示“复选框，则会在零部件的干涉区域用数字显示，该数字表示的是高 亮显示的干涉区域的长、宽、高。干涉检验结果如图2 所示1 。i ， 2 5 切碎器的运动仿真 装配完成后，为了对所设计的切割装置有一个直观的认识了解，使用s o l i d 3 0 0 0 的专用模块对铡草机切醉器进行运动仿真。主要是利用静止件、运动件、仿真设置、 动态干涉等选项功能检查模型的正确性，是否达到了设计要求3 。 首先在装配环境下建立仿真方案，在右键菜单中选择“运动仿真”，单击“运 动仿真”工具栏中的“运动仿真设计”系统会弹出“仿真方案管理”对话框，单击 “新建”即进入仿真设计环境。接着定义运动部件，在特征树上选中零件，单击右 键，在弹出的菜单中选择“运动部件”同理可选择多个零件作为运动部件，把一起 运动的零件可以创建组。第三步添加运动副，单击“添加运动副”系统弹出创建运 动副对话框如图3 所示；第四设置驱动，可以在绘图区选中一个运动副，单击右键， 在弹出的菜单中单击“驱动”，填写对话框，完成后单击“确定：瑚可，如图4 所 示。第五运动仿真，单击左下角“仿真面板”中的“仿真设置”l j 按钾写对 活框如图5 所示，填写好对话框后单击“确定”：最后单击“运动仿真”圆按钮， 就可以观察绘图区的模型运动情况。同时还可以完成动态干涉检查、输出动画等功 能，如图3 、图1 1 、图5 、图6 所示。 1o盘刀式铡草机切碎器的虚拟拟设计及其性能研究 u 盂动到舅握动 驱动选项 骢动英丑 一 _ ；i ；i i _ p i i ；i 一 驱动万式 l _ 幽江：一一p 蜘地角度 o “ 初托角速度 骢动函数 i 值 函披参数 张疽3 6 0 “ 圈匣 图， 添加驱动 图3 添加运动哥 盯问0 帻数 遁度3 0 i l 叠放黻 i q 抄 帧 帧，杪 叠艘方冉 n 进, 后i l l 燮 口画口 图5 仿真设置 图6 铡草机切割器运动仿真 内蒙古农业大学硕士学位论文 11 3 切碎器主要参数的确定 3 1 切碎器设计性能的要求 1 ) 切割时不挤推滑出饲草以保证切割； 2 ) 降低切割的消耗： 3 ) 对切碎器轴的载荷比较均匀，以减小圆盘( 飞轮) 的重量，使机器工作较平 。稳。 由分析可知，切割时不挤推滑出饲草的条件为：脚l + 9 2 n 钉 式中：) 广切割副的挤推角， q l ，9 2 一动刀和定刀对饲草的摩擦角 目前国内外大多数铡草机及青饲料收获机广泛采用圆盘式切碎器。其工作过程 中所消耗的能量主要用于对草饲料茎秆的切断过程。 大多数的大中型圆盘式切碎器多采用曲线型刃的动 刀片，尽管其切割性能较直线刃的切碎器要好得多， 但并不令人十分满意。其主要缺陷是在切割过程中 还存在着滑切角变化幅度太大，导致切割阻力矩急 剧变化，因而功耗增加n 引。 滑切角的大小直接影响切碎时的功率消耗，因 此合理的选择滑切角可使切割单位面积所需的功率 最小。如图7 所示动刀片由a b 位置至a b 位置， 图7 切割功的计算 其移动距离为d s ，我们将d s 分解成垂直于刃口的距离d s c o s x ，以及 平行于刃口的距离d s s i n x ，因此，刀片所做功可看作是由两部分合成的，即：垂直 刃口所做的功：a 1 j p s d s c o s z 3 ( 1 ) 卜切割比阻，k g c m对选定的滑切角p 是一常数。 a l = p f s d s c o s - r = p f f 切割面积，m m 2 平行刃口所做功a 2 = f p s f d s s i n f p s f d s t g x c o s z = p f t g x f 3 1 ( 2 ) 故切割总功为a = a l + a 2 = p f ( 1 + f t g x ) ( 3 ) 切割单位面积所需的功为比功a 比，则比功a 比为 a 比= a f = p ( 1 + f t g x ) = k p ( 4 ) 式中k = l + f t g t 公式( 3 ) 说明切割所需的功由两部分组成，一为垂直切割的功，一为滑动切割 的功，且切割总功与切割面积成正比，与切割比阻p 成正比，此外还与k 有关，k 称作切刀的特性系数。 p 、f 、t g x 三者关系，根据相关试验资料推导所得，如图8 所示：当滑切角c 加 大，切割省力，即p 值随之减小，因此切割所需比功a 比也相应下降，但不是滑切 1 2盘刀式铡草机切碎器的虚拟拟设计及其性能研究 角越大越好，当滑切角大到一定程度之后，滑切所需之功a 2 ( 与f t g z 成正比) 由于 f l g x 急剧上升，切割比功a 比反而增大，因此滑切角不宜太大，根据相关试验资料， 滑切角最好选在3 5 。5 5 。之间。 图8p 、f 、t 对a 比的影响 很多试验研究表明，动刀片的刀刃形状直接影响切割功率消耗大小。动刀刃设 计为等滑切角则可以大大改善切碎割性能，降低能耗，提高切碎质量。这在其他机型 上已有印证。我们针对9 z - 4 8 0 型铡草机切碎器，对其动刀片结合计算机软件进行改 进设计。对推导出的等滑切角刀刃曲线方程，利用m a t l a b 程序绘制程序，绘制图形； 再利用三维软件s o l i d 3 0 0 0 进行特征建模，在虚拟环境下对其完成动态仿真。同时 结合试验分析研究，对理论分析作近一步验证。 3 2 等滑切角型动刀片的设计 3 2 1 等滑切角刃线方程的建立n 厶h j 蝴 如图9 所示，设i 、n 、为铡草 机的喂入口，取坐标轴o x 与它的中心线d e 重合，动刀绕其极点o 回转进行切割。当刀 片刃线a b 由任意角e 转d e 角时，其上任意 切割点m 变到m 点，矢径r 变为r 7 ，增加d r 。 若d o 很小趋于零，可视弧删为直线，弧m n 。 与直线m n 相等。若以v ，v n ，v t 分别代表m 。 点的速度、法向速度、切向速度。 根据滑切角的定义，在删1 n 中有 mnr d o - - t a n f = = 。 m n 由 图9 等滑切角型刃曲线方程的建立 ( 5 ) 内蒙古农业大学硕士学位论文 13 若曲线上滑切角t 为给定常数，且令t a n r = k ，上式可得：三咖= 1 _ d o 等式两边积分 1 1 ，窿 得：i n 厂：l 七o + c , ( c l 为积分常数) 半e = 。时，r 。= c ( 常数) ，则厂= c p i ( 6 ) 该极坐标方程为对数螺线方程( 等滑切角曲线方程) 。它的几何特性是经过极 点0 的各条射线与刀刃曲线在该点的切线方向所夹锐角均相等，且均等于刀片刃线 的给定滑切角。即为等滑切角型刀片设计的理论依据。 3 2 2 动刀片设计过程 为了深入探讨滑切角t 对切割性能的影响，根据试验样机的有关参数( 图9 中 a = 1 2 r m ，b = 1 2 0 m m ，c = l o o m m ) 同时参考有关研究的试验结果，经过筛选确定设计5 种等滑角，即滑切角分别为t = 3 0 。、3 5 。、4 0 。i4 5 。5 0 。的动刀片。由上述推导 得等滑切角刀刃曲线函数：，= c e k ( k = t a n c ) 0 一动刀回转角 z 0 ：= 0 ，= k h l ( 兰+ 1 ) 对应的曲线失径 f r 一 r m 邓，嘣勘 ，：1 ( 6 + c ) 2 + ( 昙) 2 动刀刃外端最小回转半径为： 取值：t = 3 0 。、3 5 。、4 0 。、4 5 。、5 0 。 对应o m a x 值为：1 ： - - 3 0 。时o m a x 2 6 。 t = 3 5 。时o m a x - - 3 1 6 5 。 t = 4 0 。时o m a x = 3 8 。 c = 4 5 。时o m a x = 4 5 2 。 t = 5 0 。时o m a x = 5 3 8 。 图1 0 为t = 5 0 。时所设计的刀片刃口曲线。 图l o 等滑切角型刀片刃口曲线的设计 t = 5 0 。，i 、i i 、1 1 1 分别表示 刃口曲线的3 个不同位置 3 2 3m a t l a b 的简介旧5 堋1 m a t l a b 是m a t r i xl a b o r a t o r y 的缩写，早期主要用于现代控制中复杂的矩 阵、向量的各种运算。由于m a t l a b 提供了强大的矩阵处理和绘图功能，很多专 家因此在自己擅长的领域用它编写了许多专门的m a t l a b 工具包( t o o l b o x ) ，如 控制系统工具包( c o n t r o ls y s t e m st o o l b o x ) ；系统辨识工具包( s y s t e mi d e n t i f i e a t i o n t o o l b o x ) ；信号处理工具包( s i g n a lp r o c e s s i n gt o o l b o x ) ：鲁棒控制工具包( r o b u s tc o n t r o l t o o l b o x ) ：最优化工具包( o p t i m i z a t i o nt o o l b o x ) 等等。由于m a t l a b 功能的不断扩展， 所以现在的m a t l a b 已不仅仅局限于现代控制系统分析和综合应用，它已是一种包罗 1 4 盘刀式铡草机切碎器的虚拟拟设计及其性能研究 众多学科的功能强大的“技术计算语言( t h el a n g u a g eo f t e c h n i c a lc o m p u t i n g ) m a t h w o r k s 公司于1 9 9 2 年推出了具有划时代意义的m a t l a b4 0 版本，并推出 了交互式模型输入与仿真系统s i m u l i n k ，它使得控制系统的仿真与c a d 应用更 加方便、快捷，用户可以方便地在计算机上建模和仿真实验。1 9 9 7 年m a t h w o r k s 推出的m a t l a b5 0 版允许了更多的数据结构，1 9 9 9 年初推出的m a t l a b5 3 版在很多方面又进一步改进了m a t l a b 语言的功能。最新的版本是2 0 0 3 年推出 的m a t l a b6 5 1 。m a t l a b 以矩阵作为基本编程单元，它提供了各种矩阵的运算 与操作，并有较强的绘图功能。m a t l a b 集科学计算、图像处理、声音处理于一身， 是一个高度的集成系统，有良好的用户界面，并有良好的帮助功能。m a t l a b 不仅 流行于控制界，在机械工程、生物工程、语音处理、图像处理、信号分析、计算机 技术等各行各业中都有极广泛的应用。 3 2 4 利用m a t l a b 编程分别绘制出各刀刃曲线和刀片图样 c l e a r 。 a = 1 2 ，b = 1 2 0 ，c = l0 0 ，t a u = 3 0 ； k = t a n ( t a u p i 18 0 ) ； t = l o g ( b c + 1 ) ； t h e t a = k 幸t ； 。 t h e t a = ( 0 ：0 01 ：t h e t a ) ； r h o = c e x p ( t h e t a k ) ； s u b p l o t ( 2 ，3 ，1 ) p l o t ( t h e t a ，r h o