（机械制造及其自动化专业论文）小型轮式甘蔗收获机总体研究及车架的设计分析.pdf

小型轮式甘蔗收获机总体研究及车架的设计分析 摘要 研制出适用于我国南方丘陵地带的小型轮式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，且具有 很好的发展机遇和巨大的市场潜力。本文在课题组已有研究的基础上，对 甘蔗收获机各部件的原理和整体方案进行总结研究；对车架结构进行设计 和分析。利用虚拟设计技术，对甘蔗收获机的各部件和整机模型进行三维 建模、虚拟受力、运动和动力仿真，通过分析获得有价值的数据并确定合 理的结构、流程参数。本文对整车进行的仿真及动态分析与设计，对研发 小型甘蔗收获机有着重要的意义等。本文主要工作如下： 一、在课题组已有研究的基础上，对小型轮式甘蔗收获机的功能和整体 方案进行系统的研究总结； 二、在断尾机构前置的情况下，利用具有试验测得参数的柔性化甘蔗 模型对甘蔗物流进行设计仿真分析，找出最佳的整体布局，从而保证各部 件结构位置的合理性以及物流的顺畅性；提高了甘蔗收获机工作流程虚拟 设计研究的拟实性； 三、对整机的行驶性能进行分析，并通过利用a d a m s 软件来仿真验证 甘蔗收获机具有良好的行驶平顺性、操作的稳定性和爬坡能力； 四、对甘蔗收获机车架部件进行了详细设计及选型，建立了详细的三 维实体模型，并对其进行强度和振动进行分析来优化车架的结构设计。应 用三维建模软件p r o e 建立模型，用a n s y s 、a d a m s 软件进行常模态分析和 受迫振动分析。通过对整机和车架的动态特性分析，由此初步确定其激振 频率，使砍刀盘避开激振频率而具有良好的抗振性能。 关键词：小型轮式甘蔗收获机整机车架虚拟样机技术甘蔗物流仿真 动态分析 t h es n 呲l s c a l e ，髓e l e ds u g a r c a n e h a r v e s t e r sc o n 口r e h e n s i v ei 己e s e a r c ha n dt h e w h o l ef r a 姬sd e s i g na n da n a i ，y s i s a b s t r a c t d e v e l o p i n gs m a l l - s c a l ew h e e l e ds u g a r c a n eh a r v e s t e ru s e di nt h es o u t ho fc h i n ah a s g r e a ts i g n i f i c a n c e t o i m p r o v e t h em e c h a n i z a t i o na p p l i c a t i o no fa g r i c u l t u r ea n d e n h a n c eo u rc o u n t r y sc o m p e t i t i o ni nt h ew o r l d , a n dh a st h eg o o dd e v e l o p i n g o p p o r t u n i t ya n dt h ep o t e n t i a lm a r k e lb a s e do nt h er e s e a r c ha h e a d ，t h i sp a p e rd o e s r e s e a r c ha n ds u m m a r y 。o n c l u d i n gi ne v e r yc o m p o n e n t sp r i n c i p l l ea n dc o m p r e h e n s i v e p r o j e c to fs u g a r c a n eh a r v e s t e r , a n dd e s i g na n da n a l y s i so ft h ew h o l ef r a m e u s i n gv i r t u a l p 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 dm 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 s s i m u l a t i o nb a s i n go nv i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y , i no r d e rt oa c h i e v et h ev a l u a b l e d a t u m t h e s ew o r k sh a v ec o n s i d e r a b l es i g n i f i c a n c et od e v e l o pm i n i - t y p eh a r v e s t e r t h i s t 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 ： 1 b a s e do ut h er e s e a r c ha h e a d ，c a r r i e so u tt h ec o m p r e h e n s i v es u m m a r ya n d r e s e a r c hi nt h ef u n c t i o n sa n dw h o l eo ft h es u g a r c a n eh a r v e s t e r 2 c o n s i d e r e dt h es i t u a t i o no fs u g a r c a n e - e n dc u t t i n gm e c h a n i s ma tf r o n t ，d e s i g n s a n da n a l y z e st h es u g a r c a n ef l o w i n gs i m u l a t i o nw i t ht h ef l e x i b l es u g a r e a n e sm o d e i ，a n d g e tt h eo p t i m i z eo v e r a l ll a y o u to ft h es u g a r c a n eh a r v e s t e r , t h e ng u a r a n t e et h e r e a s o n a b i l i t yo ft h ee v e r yp a r t sa n dt h es m o o t h n e s so ft h es u g a r c a n ef l o w i n g i t i m p r o v e st h ea u t h e n t i c i t yo fv i r t u a lr e s e a r c ho ft h es u g a r c a n ef l o w i n gi ns u g a r c a n e h a r v e s t e r 3 a n a l y z e st h ep a s s i n gc a p a b i l i t yo ft h es u g a r c a n eh a r v e s t e r , a n dv e r i f i e st h ev i r t u a l p r o t o t y p em o d e lh a sg o o dd r i v ep e r f o r m a n c e ，g o o dc o n t r o ls t a b i l i t ya n dg o o dp a 鹪i n g i i i c a p a b i l i t yb yu s i n ga d a m s 4 d e s i g n st h ew h o l ef r a m eo ft h es u g a r c a n eh a r v e s t e r , c r e a t e st h ed e t a i l s3 dm o d e l a n dc a r r i e so p t i m i z a t i o nd e s i g nt h r o u g ha n a l y s i so ft h ei n t e n s i t ya n dv i b r a t i o nt h ew h o l e f r a m e c r e a t e st h em o d e lw i t hp r o e ，a n dc a r r i e so u tn o r m a lm o d e sa u a i y s 缸a n df o r c e v i b r a t i o na n a l y s bt ot h ew h o l ef r a m ew i ma n s y sa n da d a m s t h e nd e t e r m i n e st h e a c t u a t o rf r e q u e n c yo fd y n a m i ca n a l y s i s m a k et h ec u t t e rd e v i c em o d u i et oa v o i dt h e a c t u a t o rf r e q u e n c ya n dg o tg o o dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c f i n a l l yt h e s er e s e a r c h e sr a ya v e r yg o o df o u n d a t i o ni no r d e rt op e r f e c tt h es m a l l - s c a l es u g a r c a n er e a p i n gm a c h i n ei n f u r t h e r k e yw o r d s ：s m a l l - s c a l ew h e e l e ds u g a r c a n eh a r v e s t e r ；w h o l ef r a m e ； v i r t u a l p r o t o 哆p et e c h n o l o g y ；s u g a r c a n e f l o w s i m u l a t i o n ；d y n a m i c a n a l y s i s 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。除已注明部分外，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： 曾志强 学位论文使用授权说明 ， 、 年6j 寻z - o 日 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： 在不以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： 嘶日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) 一：骷磋翎虢叼唧滞占月叫目 小耍擀式 l a - 蔗收获机总胃嘞究及耳讨异的设计分析 第一章绪论 1 1 课题研究目的和意义 1 1 1 课题来源【1 1 1 2 1 本课题来源于广西科技厅攻关项目“虚拟样机技术的甘蔗收获机及其动力技术研 发”和国家自然科学基金项目( 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”，该项目研究是对甘蔗收获机械整机及其部件进行理论分析、 虚拟设计、仿真分析计算、动态分析以及试验等。 1 1 2 课题研究的意义和目的1 3 1 【4 】嘲 甘蔗是我国南方地区的主要经济作物之一，随着人们生活水平的提高，糖的需求量 越来越大，与此同时，甘蔗种植面积也不断增加。蔗糖生产是我国主要产业之一，在2 0 0 2 年，全国甘蔗种植面积1 2 8 2 万h m 2 ，其中，广西作为我国甘蔗的主要产区，蔗糖生产已 成为广西的支柱产业，甘蔗种植面积4 5 5 0 万h m 2 为全国甘蔗种植第一大省区。在 2 0 0 1 2 0 0 2 年榨季，我国蔗糖产量达7 4 7 万吨，广西年产糖量4 5 0 万吨左右，占全国总 产糖量的5 0 以上，相当于世界产糖大国古巴的产量。但是，广西甘蔗种植机械化程度 远远落后于糖业发展的需要。广西地处祖国的南疆，山多，丘陵多，其中甘蔗种植地很 大一部分是丘陵地带。而丘陵地带的一个主要特点就是沙石多，地势起伏不平，有坡度。 交通也不便利，甘蔗种植也大多是小块种植。 丘陵地带的特点不利于甘蔗种植的机械化，也不利于甘蔗收获的机械化。因此大型 甘蔗收获机械不适用于丘陵地带。所以，丘陵地带的甘蔗种植和收获仍然基本沿用手工 方式，劳动强度大，这不仅给蔗农造成沉重的负担，浪费了大量的人力、物力，同时也 由于生产率低下，严重阻碍了甘蔗的种植和发展在这种情况下，研制小型、轻便、经 济、适用于丘陵地带的甘蔗收获机械就显得尤为重要。我国的甘蔗收获机械化基本上还 是空白，其市场需求较大( 我国的甘蔗种植总面积约达2 0 0 0 万亩，年产原料蔗 8 0 0 0 1 0 0 0 0 万吨，蔗糖总产量达8 7 0 万吨，年。按平均每台甘蔗收获机械的工作能力为 4 吨j 、时计算，按6 0 7 0 占有率计算，全国的市场需求量约达3 2 0 0 0 台) 。因此，开 发出高性能、符合我国农村生产方式、农民购买能力及糖厂加工工艺的实用型甘蔗收获 机显得尤为必要和紧迫。在这样一个巨大的市场上，过去也有人发明过甘蔗收获机，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。 d q 嘴茸泔囊 收获机肖“姗究及弄习i 啪罚h 粉析 同时，加入w t o 后，相对于澳大利亚、美国、巴西等机械化程度高、效率高、成 本低的产糖国，我国蔗糖业面临着严峻的挑战，由于我国甘蔗生产机械化程度较低，制 约了良种良法、深耕深松等先进农业技术的应用，劳动效率低、生产成本高，已成为我 国蔗糖业与国际竞争的障碍。 研制适合我国南部地区小型甘蔗收获机械，尤其是适应广西地形地貌特点，功耗小， 切割质量高，稳定性好；从而降低甘蔗收获成本，提高甘蔗收获质量，改变我国甘蔗收 获的落后局面；并且构建基于知识的丘陵地带甘蔗收获机械的专家系统，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，提高农业机械研制水平，完善甘蔗收 获机的设计理论。 1 1 3 甘蔗收获机国内外研究情况悯。【1 叼 世界各国在发展本国的农业机械时，都是根据本国农业生产规模、农业资源等现状， 从本国的实际要求出发，发展适合本国农业生产特点的农业技术装备。 目前在国际上，产糖大国巴西、澳大利亚、美国、古巴等国家在甘蔗收获机上主要 发展了适应大规模集约化经营所需的大型甘蔗收获机械。主要有两种：一是包括切割甘 蔗顶叶部分和切割在地面根部的收获机，这种机器对过高或过矮的甘蔗收割都不理想， 有容易造成严重浪费和脱叶不净的缺点；二是先用火烧掉蔗田里的蔗叶。再用机械收割 传入带有切割装置的切割器里，切成2 0 0 - - 2 5 0 毫米的短条，这些收获机以切断式为主， 其收获机械化程度高，效率高，但甘蔗收获含杂率较高，且这种收获机在切成短条时， 使短于2 0 0 毫米的甘蔗无法回收，收获后的残留较多，这种浪费是农民无法接受的。另 一个问题是价格方面，其机械成本很高，如美国生产的联合收获机每台成本在3 5 万美 元( 约2 0 0 万元人民币) 左右，在农业尚不发达的中国，农民无法消费。其研究大体上 经过了以下四个阶段。 ( 1 ) 甘蔗收获机械的初级阶段：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 h n r o w l a n d 设计并制造了世界上第 一台甘蔗收获机。1 8 9 4 年，工程师j a m e sp e e l 制造了一台以两片锯齿转盘为典型特征的 收割器的收获机。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获机，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。 ( 2 ) 割后处理技术的研究：2 0 世纪2 0 3 0 年代，这一时期最成功的是由r a l p hs a d l e i r 2 小参缱窖式乍- 蔗收获审l 总嘲阿究a 爿讨薯的设爿吩析 f a l k i n e r 设计的切断式收获机，它进行了商业大批量生产，而且形成了以收获机与田间 运输车辆组成的甘蔗田间收获输送方式。2 0 世纪4 0 5 0 年代，收获机的设计以充分利 用拖拉机动力，并尽可能降低设备成本为主导思想，使收获机结构更加紧凑。 ( 3 ) 甘蔗的整杆收获：1 9 5 0 年，w r a s m u s s e n 设计的收获机引起了轰动。该机设有 切除嫩稍的旋转切刀，由水平放置的木支架支撵。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。2 0 世纪7 0 年代，m a s s e y f e r g u s o i 卜- 甘蔗青秆收获( g r i 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。 ( 4 ) 现代收割技术：2 0 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。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 m i n 。 图1 - 1c h 3 5 0 0 甘蔗联合收割机 f i g 1 - 1c h 3 5 0 0s u g a r c a n eh a r v e s t e r 国外大型甘蔗联合收割机生产厂商主要有：美国c a m e c o 公司、德国c l a a s 公 司、英国s e r r a n a 公司、巴西s a h t a l 公司等。国外甘蔗收获机的主要机型有：( 1 ) a u s t o f i7 0 0 0 型甘蔗收获机，配套动力：3 3 0 马力； 生成率9 0 吨小时；采用全液压和 先进的电子控制系统。采用螺旋扶蔗机构的轮式甘蔗收获机。该机主要适用于平原的甘 蔗截断式收割。a u s t o f t 7 7 0 0 在泰国甘蔗地内田问效率只有4 2 ，造成机器的收获成本 高于人工收获；( 2 ) g k 2 0 0 型甘蔗收获机，该机是履带中型甘蔗收获机，采用橡胶履 带使对地面的压力很小只有0 4 k g c m 2 ；外形尺寸( 1 n m ) ：7 8 0 0 * 2 4 0 0 * 3 8 0 0 ：操作重量 ( k g ) ：3 0 0 0 ：发动机：b f 6 m 1 0 1 3 c ；发动机转速：2 3 0 0 r p m ：作业速度：0 8 k p h 。 ( 3 ) 美国c a m e c o 公司的切段式甘蔗联合收割机( 见图l 1 ) 等。 国内甘蔗收获机的发展较为缓慢，基本上是从2 0 世纪7 0 年代才开始进行甘蔗的自 动化收获技术研究。而且我国已研制出的甘蔗收获机大多是仿照国外大型的收获机械， 3 d 坦轮式- d - 蘑收获机岗“书研究及j ：架的设爿吩析 所研制的机型也主要分为两种型式：切段式甘蔗联合收割机和整杆式甘蔗收获机。由于 沿用传统的设计方法开发，机器仍较为庞大，结构复杂，机动性差，且同样不能适用于 小田块、无规范统一的种植模式以及复杂的丘陵地区地理条件。目前我国的糖厂压榨工 艺不适于切断式甘蔗，并且大型的甘蔗收获机械不适于丘陵地域的甘蔗收获。因此，目 前在我国，切段式收获机的使用根本不可能实现，整株式收获机仅在少数农场使用，主 要的甘蔗产地，仍以人力收获为主。 目前，我国已研制出的甘蔗收获机有切段式和整杆式两种。其中广西农机研究所研 制的4 g 扛1 4 0 型自走切段式甘蔗收获机和南宁手扶拖拉机厂研制的4 ( 7 _ , - - 2 5 0 型甘蔗 联合收割机，由于切段式甘蔗不受糖厂欢迎，故该类机型在国内没有得到推广应用。国 内的主要机型如下： l 、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。 2 、4 g z 一9 型甘蔗收获机( 见图l - 2 ) 该机是由广西农业机械研究院研制，配套动力8 8 k w ；结构质量：1 1 4 0 k g ：外形尺 寸：3 7 3 0 木2 2 6 0 拳1 9 7 0 ；作业率1 5 亩人；燃油耗o 9 5 1 9 亩；破头率2 0 ：作业速 度：0 3 4 o 7 ( m s ) ；传动方式：齿轮齿条传动。 3 、4 g z 一2 5 0 型甘蔗收获机( 见图l - - 3 ) 该机也是广西农业机械研究院研制，重1 2 吨，采用全液压及p l c 控制等先进技术， 设计生产力为每小时收割甘蔗3 0 吨，宿根破头率s 2 0 ，含杂率1 0 ，蔗段长度为 2 0 0 3 0 0 毫米。 图卜24 ( ；z - 9 型甘蔗割铺机 f i g i 2c h 3 5 0 0s u g a r c a n eh a r v e s t e r 4 图1 - 34 g z 一2 5 0 型甘蔗联合收割机 f i g 1 34 g z - - 2 5 0s u g a r c a n eh a r v e s t e r j 冒，“# 司e 士掌位论文d 、型轮式甘蔗收获机总礴研究覆j 谦的饿剖吩析 4 、柳州市汉森公司的h s m 8 0 0 型轮式甘蔗联合收割机 柳州汉森公司在2 0 0 5 年1 月研制成功了h s m l 0 0 0 轮式甘蔗联合收割机，其主要参 数如下：外形尺寸( 长半宽$ 高) ：5 5 3 0 1 5 0 0 2 3 0 0 ：结构重量( k g ) ：2 6 0 0 ：轮距( 咖) ： 1 2 5 0 ；轴距( 唧) ：1 7 0 0 ；配套动力( k ：4 2 2 ；作业前进速度( k i n h ) ：i 5 、i 8 、 2 3 ；生产率( 亩d 时) ：2 3 ；破损率( ) ：1 0 ；含杂率( ) ：s 2 3 ：油耗 ( 升亩) ：2 5 ；作业坡度：s i o o 。 1 。2 虚拟样机技术i ”】嗍1 7 】 1 2 1 虚拟设计及相关技术的概述 传统的机械设计流程主要是从提出产品设计提议开始，后经过工程图纸绘制、设计 方案论证、制造物理样机并对之进行反复的试验与修改，最终实现产品设计定型是一种 典型的“自下而上”产品设计过程。但随着科学技术的发展，这一产品设计已暴露出来 的弊端有：( 1 ) 产品开发周期过长，而且随着产品结构越来越复杂，周期变得更长； ( 2 ) 反复试验需要的物理样机均需专门制造，成本高；( 3 ) 物理样机试验需要较多的 试验设备：( 4 ) 在技术上难以考察产品内部缺陷及选出最优方案。 因此，为了缩短产品的开发周期、降低生产成本、提高产品的性能及可靠性，缒着 计算机技术的飞速发展，基于p c 的虚拟样机技术应运而生，成为机械工程产品设计研 究领域的主流设计理念。虚拟样机技术是一外来语，原名为v i r t u a lp r o t o t y p i n g t e c h n o l o g y ( v p t ) ，又译为虚拟模型技术，是在c a x ( 如c a d ，c a m , c a e 等) d f x ( 如 d f a ，d f m 等) 技术基础上发展起来的一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方 法。虚拟样机技术在于对多剐体动力学理论的研究，进一步融合了信息技术、先进制造 技术和先进仿真术，将这些技术集成应用于复杂系统，并对之进行综合考察，是从系统 的层面“从上至下”的系统开发模式。由于虚拟样机是一种计算机模型，它能够反映实 际产品的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学的特性，借助于这项技术，设 计师可以在计算机上建立产品系统的模型，伴之以三维可视化处理，模拟在真实环境下 系统的运动学和动力学特性，并根据仿真结果细化和优化系统。应用虚拟样机技术，可 使产品的设计者、使用者和制造者在产品研制的早期，在虚拟环境中直观形象地对模拟 的产品原型进行设计优化、性能测试、制造仿真和使用仿真，这对启迪设计创新、提高 设计质量、减少设计错误、缩短产品开发周期、解决传统设计存在的问题有重要意义。 厂。西，叫塾司仕尊w t 论文小主轮式甘蔗收获机总喇蝌究及车礴 的设卡盼析 虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p et e c h n o l o g y ) 是当前设计制造领域的一门新技 术，涉及多体系统动力学、计算方法与软件工程等学科。它利用软件建立机械系统的三 维实体模型和力学模型，分析和评估系统的性能，从而为物理样机的设计和制造提供参 数依据。虚拟样机技术在设计的初级阶段一概念设计阶段就可以对整个系统进行完整的 分析，可以观察并试验各组成部件的相互运动情况。使用系统仿真软件在各种虚拟环境 中真实地模拟系统的运动，它可以在计算机上方便的修改设计缺陷，仿真实验不同的设 计方案，对整个系统不断改进，直至获得最优设计方案以后，再作出物理样机。虚拟样 机的设计方法同传统的设计方法相比具有以下优点：在设计早期确定关键的设计参数、 更新产品开发过程、缩短开发周期，降低成本、提高产品质量。 机械系统虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p i n g ) ，又称为机械系统的动态仿真技术 是指在机械系统的设计开发过程中，综合应用相关的先进技术手段，在计算机上建造出 机械产品的模型，并对该机械系统整体在投入运行后的工作情况进行分析研究的一种高 新技术手段，其核心是机械系统运动学和动力学仿真技术，同时还包括三维c a d 建模技 术、有限元分析技术、机电液控技术、最优化技术等相关技术。它是2 0 世纪8 0 年代随 着计算机技术的发展而迅速发展起来的一种计算机辅助工程( c a e ) 技术。随着近代科 学技术的发展，工程设计的理论、方法和手段都发生了很大变化。特别是近3 0 年来， 工程设计手段的先进与否、数字化程度( 以c a d 技术和f f a 技术为典范) 的高低，在很 大程度上决定了产品设计开发的周期、质量和成本。c a d 技术是计算机应用于工程设计 中最早和最成功的典范，它将设计人员从枯燥的重复劳动中解放出来，为设计人员将更 多的时间和精力用于创造性的工作提供了条件。f e a 技术在工程设计过程中的应用，再 次极大地改进了产品的设计手段，它可以帮助设计人员分析机械系统零部件的结构强 度、刚度、热特性和动态特性，不但进一步推动了c a d 技术在各行业的应用，而且解决 了许多以前难以处理的工程问题。但是，随着科学技术的发展，人们逐渐认识到这样一 个事实：即使是机械系统中的每个零部件都是经过优化的，也不能保证整个系统的性能 是良好的，即系统级的优化绝不是系统中各部件优化的简单叠加。机械系统虚拟样机技 术作为一种应用于机械系统设计过程中的高新技术手段，是现阶段解决这类问题最有效 的技术方案。 通常，人们采用常规的设计方法，即首先进行不同方案设计，并绘制出工程图纸， 然后在经过较长时间的基于经验的方案论证后，选出较合适的方案并试制出物理样机， 此后进行试验设计，并对物理样机在多种工况下进行测试，当发现结构或位能方面有缺 陷时，就修改设计方案及工程图纸，然后再次制造物理样机并对其进行测试，不难看出 6 广西大掌司e 士掌位论文小五i 转式甘蔗j 呔襄柳虑嘲暗究夏j 曝的设剖分析 这种传统的物理样机制造试验方法大大增加了新产品开发周期和成本，而且很难选 用真正的优化方案；而机械系统虚拟样机技术则可以直接利用软件所提供的各零部件的 物理信息及其几何信息，在计算机上对机械系统进行虚拟装配( 定义零部件问的联接关 系及其作用力、运动激励等) ，从而获得虚拟样机，并对其进行仿真分析。这可以使设 计人员在各种虚拟环境中真实地模拟机械系统的工作情况，快速分析多种设计方案，可 以帮助设计人员完成无数次物理样机无法进行的仿真试验，直至获得系统级的优化设计 方案。此外，它还是分析对于物理样机来说极其危险的工况的最佳手段，如安全性试验 等。机械系统虚拟样机技术不但可以用于系统设计方案的论证及评估，而且可用于产品 的概念设计阶段、设计细化阶段、试验规划阶段以及工作状态再现等的全过程。机械系 统基于虚拟样机技术的可视化虚拟设计作为进行样机设计、仿真研究复杂机械系统动力 学问题的有效手段，不但可以帮助设计人员对于物理样机的过度依赖，而且可以大幅度 缩短产品的设计开发周期，降低成本，提高质量，进而突破制约产品设计水平提高的“瓶 颈” 1 2 2 虚拟样机技术在农业机械领域的应用情况 虚拟样机技术应用于农业机械领域的研究尚处于初步阶段。由于农业机械作业对象 和作业环境都较为复杂，在虚拟样机的建模、模型验证、仿真等方面都面l 临较大的困难。 从虚拟样机技术诞生以来，农机科技工作者就一直努力把研究这一新技术应用于农业机 械方面，并已取得了一定成效。例如，全球最大的农机公司约翰迪尔( j o h n l ) e e r ) 的工 程师针对该公司的一种工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动问题， 衬用虚拟模型技术对其进行分析，不仅找到了原因，而且提出了改进方案，同时在虚拟 模型上验证了方案的有效性，使该产品的高速行驶性能与重载作业性能大为提高。广西 大学机械工程学院利用虚拟样机技术，开展过摆秧机振动排秧盘、耕整机扶手架振动机 理及减振措施的虚拟研究。 农业机械是在外部作用不断变化的条件下进行作业，这些作用取决于各种不同的因 素，如地面不平度，土壤和作物的物理一机械性质，所加工和所输送物料的性质以及其 它各种因素。这些不断交化的因素使机器和负载不均匀，并影响着机器工作的工艺过程 指标和功率损耗性能。因此，在农业机械设计时，应充分考虑机械在正常工作所处的实 际情况，利用基于虚拟样机技术的可视化虚拟设计，对机构和机器进行虚拟优化，设计 出数字化的样机，可以大为减少物理样机制造和试验费用。 1 3 产品设计的技术路线【1 7 2 2 1 7 ，西大掌司e b 掌位论文d 屺嘴式甘羲m 漾机黉坷研究及车莱的设科吩析 甘蔗收获机作为复杂的机电产品，其设计制造过程是一个设计参数相互交换、约束 交叉影响的过程。进行基于动态协同仿真的甘蔗收获机零件向部件、部件向整机的整合 体现了参数与约束的相互影响关系。从总体来说，小型甘蔗联合收割机虚拟样机设计技 术路线是基于“自下而上、自上而下”的两种虚拟设计仿真与协同动态装配的设计思路 进行的。前者运用发散思维、创新设计，通过从部件设计切入，建立数字模型仿真分析， 搭建初步框架，寻找部件设计的主要参数和设计方向。后者则侧重于系统级详细设计， 进一步完善各部件功能结构与布局，从系统高度评价、测定及优化 i 3 1 小型甘蔗收获机。自下而上”虚拟样机设计方法 甘蔗收获机核心部件虚拟设计及仿真的思路是分析各部件功能要求，在对各工序过 程进行运动分析和受力分析的基础上通过虚拟设计模型、仿真选定执行机构的发散创新 设计，进行虚拟装配和运动仿真分析。通过调整运动范围或改进机构参数使虚拟样机达 到性能、功能设计要求。通过对各方案仿真分析比较，不断改进直至获得最优设计方案。 其虚拟设计流程中存在着协同反馈信息流。分析功能要求，并进行工艺动作运动、动力 分析。通过发散性设计选定执行机构和运动方案，最后进行虚拟装配和仿真分析。机构 设计流程如下图1 - 4 所示。 动作分析发散性设计三维模型建立仿真分析 图l - 4 甘蔗收获柳湖构设计流程图 f i g 1 - 4d e s i g nf l o wc h a to f s u g a r c a n ed e v i c e 1 3 f 2 小型甘蔗收获机。自上而下”虚拟样机的协同设计方法 该方法侧重于产品的前期规划，从整机的功能入手，通过对整机的运动、动力、动 态仿真分析，作为协同仿真的反馈数据，根据动态装配及仿真过程中实现功能要求所满 足约束检验、运动平顺性检验、动力分配优化及结构优化，最终实现零部件结构的详细 设计。其中整机的运动、动力、动态仿真分析是协同仿真反馈的数据源，控制着装配方 墨 d q 嘴式甘囊收获审u 电礴田f 究覆j 磲的设科吩析 案及整机结构的选择。甘蔗联合收割机“自上而下”仿真分析及虚拟装配流程图如图l - 5 所示。 图l - 5 甘蔗收获机仿真分析与虚拟装配流程图 f 皓1 - 5t h e f l o w d l a r t o f s u g a r c a n e h a r v e s t e r s v i r t u a l d e s i g n a n d v i r t u a l l 、功能模块结构建模仿真及整机建模 在甘蔗收获机各功能部件结构虚拟样机建模及仿真基础上，得出部件相关设计参 数、几何模型和力学仿真模型，进行初步整机建模。 2 、整机仿真分析从整机运动、动力、动态三方面分析初装整机的性能仿真。 整机运动分析侧重部件相对位置、速比、关联参数的确定，同时通过a d a m s c a r 模 块进行检验整机运动平顺性及操作的平稳性的试验研究。整机动力分析主要考察模型的 动力特性、动力动态分布及传动系统，使收割机物流比较顺畅、节拍合理，动力分配合 乎功能要求。在此基础上由其动力特性进行模型结构优化，并提取主要控制参数建立参 数化模型，通过修改参数达到实现优化设计的目的。通过和m a t l a b 的联合仿真，寻找 悬架的运动规律，实现对复杂机电产品的控制，为今后进行协同仿真的做了初步的研究 探索。整机动态分析考察整机的各关键部件的振动对刀盘砍蔗稳定性的影响，由动态振 9 小互纠蜮瑁i 蔗敢获机慧礴冯f 舞：及j 濞的设量卜分析 动分析结果反馈结构设计，对模型修改和选择较优方案提供了依据。 3 、协同反馈的动态装配仿真及零部件的详细设计 通过“自上而下”的整机运动、动力、动态仿真分析结果的协同反馈仿真，选择和 修改零部件结构、相对位置和关联关系，并动态修改和完善整机装配模型。 1 4 本论文的主要研究内容 课题要任务是设计一种适应我国南部地区，尤其是广西地貌特点的小型甘蔗收获 机，从而降低劳动强度，减少收获损失，改变我国甘蔗收获的落后局面，提高农业机械 化水平，降低甘蔗收获成本，进而提高我国蔗糖业的国际竞争力。经过导师组和学长们 的研究，已经取得了很多成果。李尚平教授等对砍蔗、剥叶、扶蔗、断尾等运动机理和 结构参数进行了深入研究，杨家军、杨坚、区颖刚等学者对甘蔗切割器切割质量影响因 素进行了试验研究，并对刀片参数、刀盘安装参数、刀盘转速等进行了优化设计设计理 论进行了研究。针对项目的要求，本文将对这以下其他几个方面进行研究。 一、对小型轮式甘蔗收获机的原理和整体方案进行研究总结； 二、在断尾机构前置的情况下，对整体物流仿真设计分析，找出最佳的整体布局， 从而保证了结构的合理性和物流的顺畅： 三、对整机的行驶性能进行分析仿真； 四、对甘蔗收获机车架部件进行了详细设计及选型，建立了详细的三维实体模型， 并对其进行强度和振动分析来优化设计。应用三维建模软件p r o e 建立模型，a n s y $ 、 a d a m s 软件进行结构振动分析。 l o 广西，“垫司n 亡掌位论文d q 巴轮式噌蔗坩国e 枫岗佴鼻研究覆j ：莱的设胡吩析 第二章小型甘蔗收获机的功能分析与总体设计 轮式小型甘蔗联合收割机是一个复杂的机电液一体化系统，是适应南方丘陵、坡地 小块田地的甘蔗收割的高效率的高自动化产品。轮式小型甘蔗联合收割机要求能够完成 一整套的功能，包括扶蔗、断尾、砍蔗、输送、剥叶，集蔗和行走控制系统等模块。其 中甘蔗从中间腹部式进入，并且可以同时进入多根甘蔗，流程是连续性的；行走机构采 用轮式，可以进行变速行走。本章根据轮式小型甘蔗联合收割机的特点和功能进行理论 分析和总体设计，小型甘蔗收获机设计流程图见2 1 。 小型甘蔗联合收割机设计 知识收集卜叫整机和各模块功能分析1 实验测量 整机方案和可靠性分析 整机技术参数初步确定 功能模块结构虚拟设计 性能模块结构建模仿真 整机建模 二 整机仿真分析 比较分析修改零部件虚拟模型 分 析 比 较 参 照 部件物理样机 实验验证设计量 分析，修改零部件模型及参数 动态装配部件检验 甘蔗联合收割机产品 图2 - 1 小型甘蔗畋荻机设计流程图 f i g 2 - i t h ef l o wc h a r to f s u g a r c a n eh a r v e s t e r sv i r t u a ld e s i g na n dv i r t u a l 2 。1 小型甘蔗收获机的总体方案1 2 3 1 p 4 1 1 2 5 】嗍 2 1 1 小型甘蔗联合收割机结构流程方案设计分析 小型甘蔗收获机须考虑到要适合丘陵坡地和小田地作业的情况，而且要符合结构紧 凑和经济效率的要求。本文考虑的流程有两种方案：立式方案和卧式方案。在立式方案 小耍擀式甘蔗收获机恿陶f 舅生耳坤异的设刊- 分析 中，甘蔗开始以直立的方式进入流程，在经过顶端去尾和单刀或双刀砍断以后，通过夹 持装置把甘蔗从直立方式输送，然后转变为卧倒方式进入后面的剥叶等流程。立式方案 具有一定的可行性，如果不考虑后面的剥叶部件，它的结构将非常紧凑，容易实现小型 化的要求。但是立式方案有几个不太适合本文机器的缺点，如：它的前端断尾很难实现 判断功能，夹持机构导致机器的整体布置困难，当与本文所需要的剥叶部件配合时，由 直立位置转化为卧倒方式将导致整机机构变长，就失去作为小型甘蔗收割的基本要求 了。采用腹挂式由于甘蔗从驾驶室下方通过，在机器的正面投影上看，驾驶室所占用的 宽度和甘蔗物流所要求的宽度是重合的，所以整个机器的总宽度较小。当然驾驶室的位 置会被迫提高，但是可以用其他的办法来解决因此而产生的重心升高的问题。因此，从 小型甘蔗收获机的工作环境以及由此所产生的对机器结构尺寸方面的苛刻要求来看，小 型甘蔗联合收割机应该采用腹挂式的物流布置为宜。小型甘蔗联合收割机的功能模块可 以分为扶蔗、断尾、砍蔗、输送、剥时、集蔗和底盘及行走控制系统等模块。小型甘蔗 联合收割机在工作时首先由扶蔗装置将倒伏甘蔗扶起，然后由割刀将甘蔗切断，甘蔗喂 入轮和输送辊将割倒的甘蔗提升并进入断尾机构断尾，之后进入剥叶机进行剥叶，最后 进入集蔗斗中。 图中：l 断尾机构，2 扶蔗筒，3 砍蔗机构，4 输送杷轮， 5 输送轮。6 剥叶器，7 柴油机，8 集蔗箱。 图2 - 2 结构流程示意图 f i g2 - 2 s k e t c hm a po f s t r u c t u r ef l o w 小型轮式甘蔗联合收割机的结构流程布局示意图如图2 2 所示；收割机的行走方式 是轮式；整套流程装置设置在联合收割机的中间；甘蔗在扶蔗装置的作用下达到断尾和 1 2 广西大肖目馥士掌位 鲁文司q 理聆式甘蔗收获机总喇澌究a j 磲的舒h 协析 砍蔗的有利形式，前置的断尾装置可以对甘蔗进行断尾，然后由双刀砍蔗装置砍断甘蔗， 经喂入装置喂入到输送装置，输送装置把甘蔗喂入到断尾装置，断尾后的甘蔗被送入剥 叶装置，在剥叶机构的输送下以一定的速度送到集蔗装置中，集蔗装置可以把甘蔗倾倒 在两侧，来完成整个甘蔗的砍断、断尾、剥叶和收集的全部收割工作。小型轮式甘蔗收 获机的三维立体模型如图2 3 ，甘蔗的流程方向示意图如图2 4 。 甘蔗母 图2 - 3 小型轮式甘蔗牧获机整机模型 f i g 2 - 3t h em o d e lo ft h es s a l l 一s c a l ew h e e l e ds u g a r c a n eh a r v e s t e r 至扶蔗筒腧隔 2 未i 蔷 送 一n 杷 左扶蔗筒。 轮 图2 - 4 甘蔗流程方向示意图 f i g2 - 4s t r u c t u r ec h a r to f s u g a rf l o w 在设计中要注意几个问题，其中最主要的有装置的合理布局和各个部分运转速度的 合理匹配。小型甘蔗收获机的主要部分是割台、断尾装置和剥叶机，甘蔗属高杆作物， 而其在各装置内部运动的轨迹直接影响到蔗茎的完好率。直立的甘蔗经过割刀将根部切 断，由于收割机的前移使甘蔗向前倾到，同时在刀盘的切向摩擦力作用下，加上输送耙 轮的强制喂入和输送辊的输送作用将甘蔗送入到剥叶机中，最后由输送辊输出。甘蔗在 整个高速的运行的过程中，都要求蔗茎不受或少受弯曲作用，从两个上下输送辊和剥叶 d q 砭舱式甘蔗收获机总喇u 弄究a j 啸的设刊吩析 辊的中点到耙轮的切点所连线段是甘蔗输送剥叶的通道，一定要保持直线状态。因此设 计物流时要注意以下几个方面： ( 1 ) 耙轮和输送轮的位置。如果耙轮的位置、角度，偏高，当刀入土切割时，甘蔗 会悬架于地面和耙轮上，这样会引起耙轮从中间打断甘蔗茎；如果输送轮放置不当会造 成甘蔗折线运行，也会引起拔轮打断甘蔗。 ( 2 ) 耙轮和刀盘倾角匹配。当刀盘离土切割时，甘蔗又类似于落在刀盘和耙轮上， 造成割刀在甘蔗的中部和尾部发生多次重砍，损伤蔗茎。 ( 3 ) 各模块安装的位置。各