小型甘蔗收获机断尾机构创新设计与仿真试验分析--优秀毕业论文.pdf

广西大学 硕士学位论文 小型甘蔗收获机断尾机构创新设计与仿真试验分析 姓名 江少杰 申请学位级别 硕士 专业 机械制造及自动化 指导教师 陈伟叙 20070608 小型甘蔗收获机断尾机构创新设计与仿真试验分析 摘要 小型甘蔗联合收割机对于加快我国甘蔗收获机械化 增强我国糖业国 际竞争力具有极其重要的作用 本文作为国家自然科学基金资助项目 基 于知识的甘蔗收获机械智能设计系统关键技术研究 的基础部分 主要运 用虚拟设计对断尾机构进行创新设计 运用虚拟仿真技术 对设计的断尾 机构功能进行仿真验证 通过物理试验寻找最佳断尾工具组合参数 根据 试验确定的参数对断尾组件进行动力学分析 具体工作为 一 通过对甘蔗生长及自身特性的测量分析和对切割理论的研究 对 断尾机构进行了结构创新设计 二 介绍了适合断尾仿真的虚拟甘蔗的建模方法 即根据柔性连接理 论 建立多段刚性短梁加柔性连接组成的接近甘蔗真实状态的甘蔗模型 采用设计的断尾机构和建立的甘蔗模型 并参照砍蔗试验的运动参数组合 在a d a m s 中对单根甘蔗作了断尾流程仿真分析 并通过细化甘蔗模型得 出了与砍蔗试验结果较接近的断尾力 对多根甘蔗进行了分流仿真 验证 机构设计的合理性 并对设计的举升臂作了静力学强度分析 三 根据所设计的断尾机构 设计试验装置进行单刀盘断尾试验 对 不同的盘式断尾工具进行了试验比较 以选择较好的断尾工具 通过对正 交试验结果进行分析得出断尾组件部分最佳工作参数和对断尾效果有显著 影响的因素 计算出单根甘蔗断尾的实耗功率上限值 并计算出断尾力 选取了合适的马达马区动 四 断尾装置在工作时 切割阻力等因素会使断尾装置切割组件在工 作中出现结构振动 本文应用a n s y s 软件对切割组件 刀片 刀盘进行 动态特性分析 根据振动理论 通过计算单个组件的振动固有频率并对它 们进行振动安全性校核 并提出了一些提高刀片 刀盘的抗振性能的措施 关键词 断尾机构扫 蔗模型虚拟仿真动态分析 i n n o v a t i v ed e s i g na n ds i m u l a t i o ne x p e r i m e n t r e s e a r c h0 fc a n e e n dc u t t n gm e c h a n i s mf o r m i n i t y p es u g a rh a r v e s t e r a b s t r a c t r e s e a r c h i n gt h em i n i t y p es u g a r c a n eh a r v e s t e rh a sg r e a tm e a n i n gt o a c c e l e r a t em e c h a n i z a t i o na p p l i c a t i o ni ns u g a r c a n eh a r v e s t e ra n de n h a n c eo u r c o u n t r y sc o m p e t i t i o ni nt h ew o r l d t h i st h e s i si st h eb a s eo fn a t i o n a ln a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o n t h e k e yt e c h n o l o g ys t u d y o fs u g a r c a n eh a r v e s t e r a p t i t u d ed e s i g ns y s t e mb a s e do nk n o w l e d g e i t sp u r p o s ei si n n o v a t i n gt h e c a n e e n dc u t t i n gm e c h a n i s mu s i n gv i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y s e t t i n gu p3 d p r o em o d e la n dr u n n i n gt h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c ss i m u l a t i o nb a s i n go n v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yt op r o v et h e d e s i g n e dm e c h a n i s m l o o k i n gf o rt h e b e t t e rp a r a m e t e r so ft h ee n d c u t t i n gt o o lb yp h y s i c a le x p e r i m e n ta n dm a k i n g d y n a m i ca n a l y s i st ot h ec u t t i n gm e c h a n i s ma c c o r d i n gt h es e l e c t e dp a r a m e t e r s t h i st h e s i si n c l u d e sh e r e i n a f t e rw o r k f i r s t i n n o v a t i v ed e s i g n i n gt h ec a n e e n dc u t t i n gm e c h a n i s mb a s e do nt h e r e s e a r c ht o p r e v i o u sw o r k m e a s u r ea n da n a l y s i sf o rt h eg r o w t ha n di t s e l f c h a r a c t e r i s t i c so fc a n e s e c o n d t h em e t h o da b o u th o wt om o d e it h ev i r t u a lc a n ei sd i s c u s s e d w h i c hi ss u i t a b l ef o rt h ee n d c u t t i n gs i m u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h et h e o r ya b o u t 1 1 1 s o f tc o n n e c t i o n a tl a s tt h ec a n em o d e lw h i c hi sc o m p o s e db ys e v e r a ls h o r tb e a m a n ds o f tc o n n e c t i o ni ss e l e c t e d t h ef l o ws i m u l a t i o na n da n a l y s i sf o ro n ec a n ei s c a r r i e do u tb a s e do nt h ec a n em o d e la n dt h em o v e m e n tp a r a m e t e r sg o ti nt h e c a n e c u t t i n ge x p e r i m e n tw i t ht h es o f t w a r ea d a m s t h ec o n t a c tf o r c eb e t w e e n t h ec a n ea n dt h e c u t t e r p i e c e i s g o tw h i c hi s n e a r e rt ot h ec a n e c u t t i n g e x p e r i m e n tc o n c l u s i o n d i f f i u e n c es i m u l a t i o ni sa l s or u nf o rs e v e r a lc a n e sw h i c h i su t i l i z e dt ov a l i d a t et h ed i f f i u e n c ep o l ei nt h eu p p e rm e n t i o n e dm e c h a n i s m f i n a l l y t h es t a t i ci n t e n s i t ya n a l y s i si sm a d e f o rt h ed e s i g n e du p l i f ts h o u l d e r t h i r d t h ee x p e r i m e n te q u i p m e n t sa r ed e s i g n e df o re n d c u t t i n ge x p e r i m e n t i mt h eo n ec u t t e r d i s k a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n e de n d c u t t i n gm e c h a n i s m i n o r d e rt os e l e c tb e r e re n d c u t t i n gt o o l c o m p a r i s o ni sm a d ea m o n gs e v e r a l d i f f e r e n te n d c u t t i n gt o o l si nt h ef o r mo fd i s k i to b t a i n st h eb e s t c u t t i n g p a r a m e t e rc o m b i n a t i o na n dt h ef a c t o r sh a v i n gn o t a b l ee f f e c t t h em a x i m u m e x p e n d i n gp o w e rp r a c t i c a l l yf o ro n ep i e c eo fc a n ea n dt h ef o r c en e e d e db y e n d c u t t i n g s e l e c ta p p r o p r i a t em o t o r d r i v e rb ya n a l y z i n gt h ed a t a i no n e c u t t i n g d i s k so r t h o g o n a le x p e r i m e n t f i n a l l y w h i l et h ee n d c u t t i n gm e c h a n i s mr u n n i n g t h ev i b r a t i o no ft h e a s s e m b l yp a r t sw h i c hc o m p o s e dt h ee n d c u t t i n gm e c h a n i s mw i l lo c c u rf o rt h e c u t t i n gr e s i s t a n c e d y n a m i ca n a l y s i s f o rt h e c u t t e r p i e c e a n dc u t t e r d i s ki s c a r r i e do u ta c c o r d i n gt ot h ev i b r a t i o nt h e o r yw i t ht h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e a n s y s b yc a l c u l a t i n gt h ed y n a m i cn a t u r a lf r e q u e n c yf o re a c hs u b s t r u c t u r e v i b r a t i o ns e c u r i t yc h e c k u pi sd o n e s o m em e a s u r e sa r eb r o u g h tf o r w a r da b o u t i v h o wt oe n h a n c et h er e s i s t v i b r a t i o np r o p e r t yo ft h ec u t t e r p i e c ea n dc u t t e r d i s k k e yw o r d s e n d c u t t i n gm e c h a n i s m c a n em o d e l v i r t u a ls i m u l a t i o n d y n a m i ca n a l y s i s v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明 所呈交的学位论文是在导师指导下完成的 研究工作所取 得的成果和相关知识产权属广西大学所有 本人保证不以其它单位为第一 署名单位发表或使用本论文的研究内容 除己注明部分外 论文中不包含 其他人已经发表过的研究成果 也不包含本人为获得其它学位而使用过的 内容 对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体 均已在论文中明 确说明并致谢 论文作者签名 工夕煮 乃卯年石月2 口日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集 保存 使用学位论文的规定 即 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版 并提供目录检索与阅览服务 学校可以采用影印 缩印 数字化或其它复制手段保存论文 在不阻赢利为目的的前提下 学校可以公布论文的部分或全部内容 请选择发布时间 留即时发布口解密后发布 保密论文需注明 并在解密后遵守此规定 论文作者签名 珏步然 导师签名 洮啐仗埘7 年6 月p 日 广西大学硕士论文 d 型甘蔗收获机断尾机构创新设 i t 与仿真试验分析 1 1 课题来源及主要任务 1 2 第一章绪论 本课题是国家自然科学基金资助项目 编号5 0 3 6 5 0 0 1 基于知识的甘蔗收获 机械智能设计系统关键技术的研究 的一部分 是在广西区科技攻关项目 桂科攻 0 2 3 5 0 0 8 5 一 基于虚拟样机技术的甘蔗收获机及动力技术的研究 基础上进行的 本课题的主要任务是通过理论分析 虚拟设计 仿真分析计算 动态分析以及试验 为构建基于知识的丘陵地带甘蔗收获机械的专家系统提供知识 以提高设计的效率 降 低甘蔗收获机械开发成本 缩短开发周期 进而研制适合我国南部地区 尤其是广西地 形地貌特点的 功耗小 切割质量高 稳定性好的小型甘蔗收获机械 从而降低收获成 本 提高收获质量 改变我国甘蔗收获的落后局面 提高农业机械化水平 1 2 课题研究的目的及意义 3 6 据统计全球每年甘蔗产量约1 0 6 亿吨 2 0 0 1 年 中国糖料播种面积2 4 8 1 万亩 总 产8 6 5 6 万吨 目前我国已成为居巴西 印度之后的世界第三大食糖生产国 且主要产 蔗糖 去年产蔗糖超过1 1 0 0 万吨 相应所生产的甘蔗达1 亿吨以上 甘蔗是我国制糖 工业的主要原料 其种植区域主要分布在广西 广东 海南 福建 云南等南方省区 而广西是我国最大的产糖省区 在2 0 0 3 2 0 0 4 年榨季 甘蔗种植面积超过1 0 0 0 万亩 产糖5 8 8 万吨 占全国产糖量的5 8 8 成为中国蔗糖生产的半壁江山 涉及种甘蔗的 人口达2 0 0 0 多万人 蔗糖业已经成为广西的支柱产业和政府财政收入的主要来源 然 而 随着我国加入世贸组织 w t o 和中国 东盟 1 0 1 自由贸易区 这将给广西 的糖业带来了严重的挑战 但也带来了难得的发展机遇 分析影响广西蔗糖业国际竞争 力的主要因素 认为表现在如下方面 1 单户种植面积过小 集约化水平低 甘蔗生产成本高 广西甘蔗种植户的种植生产规模很小 每户种植面积平均仅4 亩 与世界上其他产 糖大国相比 差之甚远 这些国家的单户种植面积分别为 美国8 7 0 亩 户 巴西6 0 0 亩 户 澳大利亚5 0 0 亩 户 泰国3 7 0 亩 户 可见广西的蔗农集约种植经营水平非常 低 要提高收入仅依靠提高甘蔗的价格来实现 这对降低糖厂的原料生产成本是极为不 广西大学硕士论文 小型甘蔗收获机昕尾机朐创新设计与仿 啦 聪防析 利的 2 甘蔗收割手工化 收割成本过高 很难降低甘蔗进口价格 世界上产糖大国 如美国 巴西 澳大利亚等产糖地区的甘蔗生产机械化程度 特 别是甘蔗收获机械化程度已达7 0 以上 从而大大地减少了大量繁重劳动 提高了生产 效率 这对降低甘蔗成本极为有利 而我国到目前为止 甘蔗生产机械化程度基本为零 几乎全靠大量人力手工完成下种 深耕培土 收获全过程 种植成本高 农民收益不大 甘蔗种植积极性受到影响 3 榨季生产周期长 后期甘蔗的糖分丢失多 甘蔗生长到榨季的后期 其糖分会部分转化为其他物质 时间越往后 转化量就越 高 甘蔗糖分丢损越大 这会使制糖生产成本大幅度上升 而实现甘蔗收割机械化后 可稳定甘蔗日进口量 糖厂生产能高负荷连续稳定进行 从而有效缩短榨季生产周期 避免了榨季后期甘蔗糖分不必要的损失 稳定甘蔗出糖率 综上三点可见 为有效调动蔗农种植积极性 降低蔗糖的生产成本 促进提高我国 糖业国际竞争力 必须寻求一种高效的种植措施 而甘蔗收获过程实现机械化 正是获 得这种高效措施的突破口 过去也有人发明过甘蔗收割机 但都不能有效地减少收割强 度和加快收割速度 因而也未能得到推广 所以开发 生产一种优质 价廉的甘蔗联合 收获机具有良好的发展机遇和潜在市场 农业部关于发布 十五 国家科技攻关计划重点 项目 现代农业技术装备研制开发 课题申报指南的通知中也指出要研究适合我国国情 的甘蔗机械化收获技术体系 开发悬挂式甘蔗整秆收获机械装备 进行组装集成 形成 甘蔗机械化收获成套装备 我国蔗糖产区主要在南方 广西 云南 广东等 而我国 南方多为小田块的丘陵地区 无统一的种植模式 地理条件比较复杂以及不良的交通状 况 使得甘蔗的收获机械化程度都很低 因此 发展成熟的 适合于我国南方地区的甘 蔗收获机是非常必须的 1 3 国内外甘蔗收获机械研究状况 1 3 1 国外收获机械研究现状1 9 l i l 哪嘲 1 国外甘蔗收获机械的初级阶段 国外的甘蔗收割机研究始于1 9 世纪8 0 年代 1 8 8 8 年 t a s i l v e r w o o d 提出一种 实 用的收割甘蔗工具 模型 1 8 9 0 年 j o l l i lr o w l a n d 设计并制造了世界上第一台甘蔗收割 2 广西大掌硕士 e 囔 小型甘蔗收获机断思机构创新设计与仿真试验分析 机 并为之申请了专利 该机器长2 7 m 由蒸汽机驱动 割收系统很特殊 由一个长割 刀安装在机器前部的摆臂上 摆臂摆动 带动割刀完成甘蔗的收获动作 1 8 9 4 年 工程 师j a m e sp e e l 制造了一台收割机 其收割机构由两个直径为1 s i n 轮子驱动 收割器的 典型特征是由两片锯齿转盘构成 1 9 0 1 年 s o r e n t a l d t 设计的由一匹马拉动的收割机 利用齿条传动 将割下的蔗秆输送到后面的拖车上 这种物料输送动作为蔗秆的割后处 理提供了一种原始功能模型 同年 j a m e se d w a r d s 申请的专利是一个大弹簧驱动的收 割机 该机由一个大转轮带动弹簧 将动力传给收割机前部的梳状割刀 2 拖拉机的出现推动了甘蔗收获技术的发展 1 9 2 8 年 c l i f f h o w a r d 设计制造的甘蔗整杆式收割机 w h o l es t a i l c a n eh a r v e s t e r 以c o r k 型f c r g u s o n 拖拉机为动力 1 9 3 2 年 他又成功地制造了澳大利亚第一台切段式 收割机 c h o p p e rh a r v e s t e r 不过 这一时期最成功的是由r a l p hs a d l e i rf a i k i n e r 设计 的切断式收割机 它进行了商业大批量生产 而且形成了以收割机与田问运输车辆组成 的甘蔗田间收获输送方式 该收割机的上部设置分离去杂作用的吹风系统 现在 这种 风力分离机构广泛地用于地域广阔而平坦的大型切断式联合收割机上 收割机左侧是提 升机 将蔗段输送给运输车辆 二十世纪4 0 5 0 年代 收割机的设计以充分利用拖拉机动力 并尽可能降低设备 成本为主导思想 使收割机结构更加紧凑 由b r i s t a n e 设计 k i h e r p t y 有限公司生产的 收割机 其主体结构是水平置于地面的割刀和相应的支撑架 收割时 前部导向杆将甘 蔗向一侧推倒 割刀将其割下 侧置的推杆将蔗秆推成堆 收割器安装方便 可以随时 从拖拉机上卸下 但田间作业时 该收割机要求非常整齐 在倒伏地中无法正常工作 另外甘蔗堆中会混有许多杂物 如土块 石头等 与之相比 f a i r y m e a d 型收割机尽管 在外形上看上去有些杂乱 它却有较好地工作性能 它采用双转盘割刀 用齿链 钢板 进行蔗秆的导向传输 在1 9 4 1 1 9 8 6 年间 f a i r y m e a d 是较成功的整杆式收割机 其生 产率是2 0 0 4 0 0 t d 3 割后处理技术的研究 二十世纪5 0 年代以后 人们更注重割后处理技术的研究 这时的主流收割方式是 整杆式收获 同时在去稍除叶 输送蔗秆方面有了很大的发展 1 9 5 0 年 w r a s m u s s e n 设计的收割机引起了轰动 该机设有切除嫩稍的旋转切刀 由水平放置的木支架支撑 收获时 切刀先将直立状态的甘蔗头部嫩稍切除 然后将甘蔗割下并整齐地摆放在地面 该收获机在一个收获季节可以收割1 2 0 0 0 t 广西大擘q 瓤士论文 小型甘蘑收获机昕思机构创新设计与仿真试验分析 二十世纪7 0 年代 m a s s c yf e r g u s 彻一甘蔗青秆收获 g r nc a n eh a r v e s t e r 的 先驱 为蔗糖工业带来了普遍接受的 多样化的割后处理技术 m a s s e yf e r g u s o n 复活了 3 0 年代出现的切段式收获技术 并将此技术变成现代收割机具备的关键功能之一 k e n g a u n t 从这一技术中得出结论 收获倒伏或缠绕的蔗秆唯一办法就是将蔗秆切成段 并 将重的蔗段从杂叶中分离出来 这种连贯作业免除了整杆收获的双重操作 即将割下 的蔗秆放下 再用机械装载 这一思想的发展 彻底地改革了甘蔗的割后处理方式 与 k e ng a u n t 的结论同时出现的是a f t h u rc a n a v a n 的甘蔗收获理论 虽然它对于将甘蔗整 杆切成段所要求的连续收割 切稍 去杂装载动作以及对收获过程的蔗秆收集 旋转割 刀和喂料滚轮的论述 并不新鲜 但其切断与投掷理论真正有效地解决了蔗段的分离问 题 该理论提出 水平前置托臂上的液动转刀先将嫩稍切下并向外抛开 一个短提升器 与喂料滚筒相配合 将割下蔗秆的根部拖入切割器 切割器是一个与喂料口成一定角度 的辊轴 其上装有直刀 喂入的蔗秆被切成长度为3 0 c m 左右的秆段 蔗段被送入投掷 道 并从此处抛出 沿一定轨迹落入与收割机并行的车斗中 鼓风机将风吹向抛掷道末 端 将较轻的杂物抛开 完成杂质分离 4 现代收割技术 二十世纪8 0 9 0 年代 西方甘蔗收获技术获得了更大的发展 技术主流是连续的 切断式收获 可用于焚烧的 b u r n i n gc a n eh a r v e s t e r 或青秆甘蔗收获 随着配备功率 的增大 机械的工作效率得到了很大的提高 现在 一台a u s t o r 7 0 0 0 或7 7 0 0 的生产率 为2 3 5 t h 在提升机前端与末端设置两台风机 功率都在2 5 7 4 k w 以上 使得分离 效果越来越好 不过 收获技术的发展仍未走到尽头 现代的甘蔗收获机械主流很不适 合在亚洲国家的甘蔗地作业 小田块 无法规范统一的种植模式 复杂的地理条件以及 不良的交通状况 使得大型收割机无法有效地工作 试验表明 a u s t o r 7 7 0 0 在泰国甘蔗 地内田间效率只有4 2 造成机器的收获成本高于人工收获 因此 发展成熟的 适合亚洲地区的甘蔗收获理论和技术是非常必要的 1 3 2 国内甘蔗收获机械研发现状1 3 1 1 4 1 7 1 1 1 1 我国甘蔗收获机的研制进展缓慢 从二十世纪七十年代起就有许多科研院所研制甘 蔗收获机械或引进国外联合收获机械进行仿制 开发的机型主要是仿制国外的大型收获 机械 大型收获机多以进口或仿制国外的大型联合收获机为主 而进1 3 的收获机大多为 4 西大掌硕j e 文小型甘蔗j i 慊机断月翻嘴创寮卜 殳制 j 亨仿真试验分析 切断式 但是目前我国的糖厂压榨工艺不适于切断式甘蔗 切断式的甘蔗收获含杂率较 高且要求收割后的甘蔗必须在2 4 小时内处理 并且大型的甘蔗收获机械不适于丘陵地 域的甘蔗收获 在国内 目前发展的大多是与中型轮式拖拉机配套的侧挂式剥叶整秆收获机型 虽 能一次完成打顶 切割 剥叶 清净 集堆等工序 工作效率也较高 但机器庞大 结 构复杂 且不能收获严重倒伏的甘蔗 目前 我国已研制出的甘蔗收获机主要有以下几 种 g z 3 5 侧挂式甘蔗整杆收获机 该机由广东农机所研制 配套动力为丰收一3 5 或红卫一4 0 等中型轮式拖拉机 收 割机半悬挂于拖拉机的右侧 外端支撑在一个侧轮上 属于剥叶式整杆收获机 能一次 性完成扶 切割 喂入 剥叶 分离清理等工序 该机的缺点是灵活性差 适应性不强 不适合小块地作业 4 g z 1 2 小型甘蔗收获机 该机由福建农学院和仙游县农机厂研制 配用东风 1 2 型手扶拖拉机的动力和底 盘 采用履带行走装置 是一种新型的立式割台整杆铺放式收割机 操作灵活 但对倒 伏严重的甘蔗仍不能收获 而且功率不足 垄农一号甘蔗收获机 该机由云南农垦国营陇川农场研制 属于剥叶式整杆收获机 可一次性完成打 顶 切割 剥叶 清净 集堆等工序 但该机生产率偏低 4 g z 1 0 0 型甘蔗收获机 该机由湛江农机所研制 属于剥叶式整杆收获机 可以和各种型号的拖拉机配套使 用 但该机在倒伏严重的情况下易出现漏割现象 柳州汉森小型甘蔗收获机 h s m l 0 0 0 型轮式甘蔗联合收割机是汉森公司拥有自主知识产权的专利产品 该产品 是甘蔗收割中集自动扶起倒扶的甘蔗 切稍 砍蔗 输送 剥叶 蔗叶分离等功能于一 体的轮式甘蔗联合收割机 其最大特点是与国外同类产品相比 整机体形较小 重量较 轻 地头转弯方便 横跨蔗垄也很灵便 割台仿形装置使割台随地形起伏变化 以保持 砍蔗圆盘刀实时贴地切割甘蔗 但其扶蔗机构采用较早的 指拨式 扶蔗效果不太理 想 另外 断尾机构总体断尾效果 尤其在有倒伏的情况下 亦不怎么明显 西大掌硬士论文 小型甘囊 坩臼竞机昕l 相 构创稍设计与仿真试骆分析 10 4 虚拟样机技术及a d a m s 软件介绍 10 4 1 虚拟样机技术的定义 特点及应用 1 2 1 1 q 虚拟样机是一个完整的基于计算机的产品研制的集中信息载体 是根据产品设计或 概念描述产生的在功能 行为以及感官 视觉 听觉 触觉等 特性方面与实际产品尽 可能相似的可仿真数字模型 虚拟样机技术涉及多体系统运动学与动力学建模理论及技 术实现 是基于先进的建模技术 多领域仿真技术 信息管理技术 交互式用户界面技 术和虚拟现实技术的综合应用技术 虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中 将分散的零部件设计和分析技术揉和在 一起 在计算机上建造出产品的整体模型 并针对该产品在投入使用后的各种工况进行 仿真分析 预测产品的整体性能 进而改进产品设计 提高产品性能的一项新技术 5 6 1 在该技术中 工程设计人员可以直接利用e a d 系统所提供的各种零部件的物理信息及 其几何信息 在计算机上定义零部件间的连接关系并对机械系统进行虚拟装配 从而获 得机械系统的虚拟样机 使用系统的仿真软件在各种虚拟环境中真实的模拟系统的运 动 并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析 观察并试验各组成部件的相 互运动情况 它可以在计算机上方便的修改设计缺陷 仿真试验不同的设计方案 对整 个系统进行不断的改进 甚至获得最优化的方案以后 再做出物理样机 虚拟样机技术 的应用贯穿在整个设计过程中 它可以用在概念设计和方案论证中 设计者可以把自己 的经验与想象结合在计算机的虚拟样机里 让想象力充分发挥 虚拟样机开发技术一改传统的经验设计方法为预测方法 运用虚拟样机技术开发小 型甘蔗收割机 其具有无法比拟的优点 a 提供了一个全新的产品研发模式 虚拟样机技术以在计算机上构造数字化产品为 目标驱动 使得产品模型极易修改 通过可视化技术和虚拟现实技术 可以直观 方便 迅速地分析 比较多种设计方案 确定影响甘蔗收割机性能的敏感参数 模拟各种真实 工况下收割机的各项性能 如不满足要求则进行修改 修改过程即数字产品模型再 制 造 再快速模拟分析过程 如此循环直至得到满足设计要求的数字化产品模型 b 更低的研发成本 更短的研发周期 更高的产品质量 不同于基于串行工程的传 统物理样机技术 基于并行工程的虚拟样机技术使得产品的设计可同时由不同学科的设 6 r 西大璋啊曩哇舱文 小型甘蔗收获机断 毛机构创新设计与仿真试鼬泞析 计人员分工设计产品的不同部分 在产品的初步方案确定后同时进行性能分析 并根据 各自的仿真分析结果提出改进措施 而且通过虚拟样机可以完成无数物理样机无法进行 由于成本和时间不允许 的虚拟试验 从而无需制造物理样机就可获得产品级的优化设 计方案 不仅缩短了开发周期 而且提高了设计效率 设计质量和一次开发的成功率 c 实现动态联盟的重要手段 目前世界范围内广泛地接受了动态联盟 v i r t u a l c o m p a n y 的概念 即为了适应快速变化的全球市场 克服单个企业资源的局限性 出 现了在一定时间内 通过i n t e m e t 或b 缸锄c t 临时缔结成的一种虚拟企业 为实现并行 设计和制造 参盟企业之间产品信息的敏捷交流尤显重要 而虚拟样机是一种数字化模 型 通过网络输送产品信息 具有传递快速 反馈及时的特点 进而使动态联盟的活动 具有高度的并行性 小型甘蔗联合收获机的工作状态多变 作业条件恶劣 而且工作具有季节性 如果 采用传统的基于物理样机的设计手段 其研制周期会很长 而且成本高 验证产品性能 时还会受到榨季的影响 故从甘蔗收获机自身的特点及虚拟样机技术本身的优势考虑 在小型甘蔗联合收割机研制过程中引入虚拟样机技术 对于加快研制周期 降低研制成 本 都具有重要的意义 i a 2 a d a m s 软件简介 1 懈1 虚拟样机技术的发展有赖于功能强大的软件平台的开发 虚拟样机软件中较有影响 的有美国机械动力公司 m e c h a n i c a ld y n a m i c si n c 的a d a m s c a d s i 的d a d s 德国 航天局的s i m p a c k 其它还有w o r k i n gm o d e l f 1 0 w 3 d i d e a s p h o e n i c s a n s y s p a m c f a s h 等等 甘蔗收割机虚拟样机的分析不但包括样机结构 应力的静力分析 还包 括样机的运动 动力 动态分析 而美国机械动力公司的a d a m s 软件为用户提供了强 大的建模 仿真环境 并能在计算机上模拟机械系统的各种运动 同时 用户还可以对 模型进行运动学和动力学分析 定义多个设计参数 观察在不同条件下模型的运行状况 得到最优解 a d a m s 的功能很好地综合了大部分的分析需求 成为我们分析软件的第 选择 a d a m s 软件通过各个分模块的集成形成了强大的分析功能 其中包括核心模块 a d a m s v i e w 和a d a m s s o l v e r 以及其他扩展模块 例如开发汽车的专业模块 a d a m s 朋蚵c l e a d a m s c a r a d a m s t i r e 等 发动机模块a d a m s e n g i n e 飞机开 7 广1 西木鬻b 唾士论曳小墅甘蓑收获机断思机构创新设计与仿真试验分析 发模块a d a m s a i r c r a f t 铁道行业的模块a d a m s r a i l 控制模块a d a m s c o n h o l s 系 统模态分析模茸l m a m s r i n e a r 柔性分析模块a d a m s f l e x 等许多专业模块 其主要功 能如下表1 1 所示 表1 1 d 螨主要功能 1 曲 1 1a d a m sm a i nf u n c t i o l e a d a m s 组件组件主要功能 提供强大的建模仿真集成环境 并可对模型进行参数化分析 a d a m s n i e w 用测试数据验证模型 是a d a m s 系列软件的主要模块 是a d a m s 强大的数学分析器 可以自动求解机械系统的运动 方程 a d a m s s o l v e r 可以集成到其它图形用户界面 g u i a d a m s s o l v c r 中 如a d a m s v i e w a d a m s c a r i d e a s m e c h a n i s m d e s i g n u gm e c h a n i s m s m e c h a n i s m p r o 等 利用这些软件建模并传 到s o l v e r 中仿真 再将仿真结果传回这些g u i 中 附加的a d a m s 模块 使用户能在模型中加入柔性件 从而得 a d a m s f l 甑 到更真实的仿真结果 a d a m s c 盯 用于创建 分析汽车模型的模块 a d a m s 瓜a i l用于创建 分析铁路模型的模块 a d a m s a n i m a t i o nm d p s 的动画包 可以运行仿真的动画结果 建造 分析 显示a d a m s s o l v e r 模型的结果 是不属于标准 d a m s 鼬e l e a d a m s s o l v e r 系列的独立产品 a d a m s c o n t r o l s附加的a d a m s 模块 使用户能在模型中加入复杂的控制系统 a d a m s a n d r o i da d a m s a n d r o i d 预处理程序用于创建人体模型 析 具体地说 a d a m s 软件具有如下特点 1 分析类型包括运动学 静力学 准静力学分析 以及线性和完全非线性动力学分 2 具有二维和三维建模能力 3 包含刚体和柔体分析 4 具有五十多种联结副 力和运动发生器组成的库 5 具有组装 分析和动态显示不同的模型或同一个模型的某一变化过程 8 j 1 可大擘习n t 舱交4 q 芝甘蔗收获机昕鼽构创审h 2 甘与仿真试聪汾析 6 具有一个强大的函数库 供用户自定义力和运动发生器 7 具有开发式结构 允许用户集成自己的子程序 8 具有先进的数值分析技术和强有力的求解器 使求解快速 准确 9 具有与c a d f e a r e n d e r i n g 广告动画 和控制系统建模软件之间的专用接口 1 0 使用a d a m s 软件 能通过简单的图标菜单拾取和按键操作 对初学者而言 加 上复杂的高级特点和可选项的利用 x 3 有经验的用户而言 解决很复杂的问题 1 5 问题的提出 刎 2 5 1 前几届在断尾机构上的工作主要是在任晓智老师所提出的锥滚式智能断尾机构的 基础上进行的 但经实际考察现用的腹挂式机构存在以下不足 首先 大部分甘蔗都 是在1 1 月份进行青杆收获的 并且在剥叶 断尾前 甘蔗的 鸡蛋黄 部分 通常蔗 农在此部对甘蔗进行断尾 被绿叶子包裹着 该处直径可达到1 2 1 3 r a m 左右 有的甚 至更大 与紧挨其下面的蔗杆的直径差不多 并且从绿叶较多处开始到鸡蛋黄处约有 2 0 3 0 c m 的长度 这就更增加了上述断尾机构智能判断的难度 其次 由于蔗叶自身生 长排布的独特性使甘蔗在有绿叶包裹处整个截面呈椭圆形 这就使其在锥滚上滚动传 送有一定的困难 另外 由于甘蔗 鸡蛋黄 部位与其它部位相比较是较容易脆断的 部位 所以采用在传输过程中加大弯矩的方法会比较容易将尾部折断的 但是在收获 时 甘蔗是连续交错传送的 所以 该方法也不太好实现 1 6 本文主要研究内容 结合本课题组已做的工作和研究经验 考虑到我课题的重点在断尾机构的创新设计 和虚拟仿真上 本文围绕小型甘蔗收获机断尾机构的结构创新和断尾试验仿真动态分析 进行了研究 其主要内容为以下方面 1 根据切割机理用三维设计软件p r o e 对断尾机构创新设计 2 建立甘蔗模型 甘蔗是仿真时的工作对象 前面师兄师姐已经完成了从刚性甘 蔗到柔性化甘蔗 离散化甘蔗 多段柔性短梁连接的研究 本文旨在结合师姐们柔性化 甘蔗和离散化甘蔗两者之问的优点 考虑到断尾仿真的特殊情况 根据b u s h i n g 理论 建立多段刚性短梁加柔性连接组成的接近甘蔗真实状态的甘蔗模型 9 小型甘蘑收获机新l 机构创新设计鲁仿真试验分析 3 根据设计的断尾机构和建立的甘蔗模型 对机构进行运动学 动力学仿真研究 分析 4 设置试验装置进行室内断尾模拟试验 通过对试验结果分析和断尾效果的比较 选择合适的断尾工具 确定出最佳工作参数 计算出断尾消耗功率 5 根据选定的工作参数 对断尾关键部件一断尾刀片和刀盘进行振动分析 并 进行振动安全性校核 1 7 解决方案 考虑到我们现有的剥叶机构技术比较成熟 剥叶效果也不错以及农用机械的具体要 求 本文采用前置式断尾机构 1 对前置式断尾机构进行结构创新 柳州汉森的该机构在断尾时有较多的遗漏 若采用该机构则要考虑怎样减少遗漏的问题和在倒伏的情况下如何能否有效配合扶蔗 机构进行断尾 2 在a d a m s n i 倒v 中建立甘蔗模型 利用a d a m s 和p r o l e 的接口 在a d a m s 中导入各部件的p r o e 模型 施加约束 来进行甘蔗断尾的运动学 动力学的仿真分析 3 根据设计的断尾机构 设计试验方案 组织进行断尾试验 通过对正交试验结 果进行级差和方差分析 确定最优工作参数 找出对断尾效果影响明显的因素 根据功 率消耗 计算切割扭矩 4 在p r o f e 建立断尾装置的刀片 刀盘模型 通过p r o e 与a n s y s 的接口 将 刀片 刀盘模型导入a n s y s 中进行模态分析并根据振动理论对其进行振动安全性校核 小錾h 蔗收获机断思机构创新设爿 j 亭彷真试鬻防析 2 1 创新设计的定义 第二章前置式断尾机构的创新设计 面对2 l 世纪产品竞争日益加剧的挑战 世晃各国普遍重视提高产品的设计水平 以 增强产品的竞争力 产品设计的根本目的就是创新产品 满足市场需求和占领更大的市 场 产品设计本身是创造性的劳动 设计的本质是创新 因此 重视创新设计是增加机 械产品竞争力的根本途径 所谓创新设计 是指在工程设计中对过去经验和知识的分解组合 使之实现新的功 用 或发现某种新思想 很多情况不是因为现有的产品不能满足社会 用户 的需求而 激发的新颖构思和创见 创新的能力是知识量与扩散思维的综合 在产品设计过程中 创新性表现最为集中 最为突出的阶段是产品的概念设计阶段瞄 脚l 2 2 创新设计的过程描述 创新设计是一个发散性思维的过程 是设计者在创新设计目标 各种约束 已有理 论如知识及经验才能等要素 作用 下 借助于各种创造性激发方法 进行创造性想象 及逻辑推理分析 以交叉 迂回 嵌入等方式的反复 撞击 及 连接 最后诞生 出既反映待求自然属性 又反映社会属性的最优机械结构技术方案 创新设计的过程可 用图2 1 表示 2 5 2 7 随着3 d 设计软件在产品设计中的推广应用 机械产品的设计和研发正向着3 d 化和 虚拟化方向发展 采用3 d 设计软件 如s o l i d w o r k s p r o e u g a d a m s 等进行产品开 发设计的主要优点在于 能够实时地评价零部件的结构公益性 可装配型和可制造性等 由于3 d 设计软件一般都采用基于特征的参数化造型方法 因此特别容易对三维虚拟实体 零部件的结构特征进行修改 以满足可装配性 可制造性等方面的要求 利用装配技术 得到三维虚拟样机 通过运动仿真和干涉检验 修改和完善设计方案 三维产品设计技 术的发展推动了机械产品创新设计的进步 特别是基于三维设计技术的虚拟样机和仿真 技术的发展 为机械产品创新设计的自动化提供了一种理想的技术支撑平台 4 噬崔 蔗收获机昕乓r 丰 均创新设计与肪真试验分析 2 3 茎杆切割机理 图2 i 创新设计结构图 f i g 2 1f r a m e w o r ko fi n n o v a t i v ed e s i g n 2 3 1 茎秆切割过程的影响因素凹 挣l 茎秆的切割过程与切刀的特性 茎秆的物理机械性质 切刀与茎秆的相对位置以及 切割的速度和方向等都有密切关系 首先 刀片的断面一般呈楔形 楔角的顶部就是刃口 刃口越薄 工作时对材料产 生的单位压力就越大 刃口也越锐利 切割阻力就越小 但是过于单薄而尖锐的刃口 没有足够的强度 会很快磨损或折断 而缩短寿命 因此必须正确处理好锐利度与耐磨 性的关系 其次 茎秆的横断面大都呈圆形或略带椭圆形 茎秆由按照一定规律排列而形成纤 维组织的细胞所构成 其外表有一层硬质纤维而形成的韧皮圈 使茎杆具有一定的高度 里面的组织用来输送储存水分和糖分 因为茎杆不是均匀体 在不同方向上的机械性能 并不同 称为各向异性 所以在切割茎秆的过程中 刀刃与茎秆的相对位置和相对运 动方向和速度 对切割的效果也有影响 另外 刀刃及刃角对切割阻力的影响 现讨论割刀在对材料进行正切 切割力与切割速度均垂直于刃口 时 割刀的受力 1 2 西大掣嘎町士论文d 霉 甘蔗收获机膏 尾相胸创弗卜涟计与仿真锚擒 分析 状态 若在刀刃楔角y 又称刃角 的两边各增加一个摩擦角矿 如下图示 即把刀刃看 作一个假想的楔 这样 切割时作用在假想楔面上的正压力 相当于作用于实际刀刃楔 面上的合阻力 等于n c o s 妒和n c o s 9