无链式玉米收获机切碎装置的原理分析和虚拟设计

参 考 文 献- 1 -目 录摘 要 . IABSTRACT（英文摘要） . 目 录 . 第一章 引 言 . 11.1 课题的提出和意义 . 11.2 玉米收获、茎杆切碎一体化技术国内外研究及应用现状 . 21.2 .1 国内现状 . 21.2 .2 国外现状 . 81.3 研究内容和关键技术 . 91.3 .1 研究内容 . 91.3 .2 关键技术 . 91.4 面临的问题 . 101.4 .1 机构优化问题 . 101.4 .2 设计目标 . 10第二章 玉米茎杆切碎技术研究 . 112.1 本章研究内容简介 . 112.1.1 切 碎 技 术 简 介 . 112.2 玉米植株在该技术装置中的运动分析 . 112.2.1 玉米植株被割断后在切碎装置中的运动分析及各参数之间关系分析 . 112.2.2 玉米植株在被割断前的切刀运动分析和相关参数关系 . 132.3 切碎装置设计 . 152.4 传动结构设计（切碎变速箱的设计） . 16第三章 利用 UG 软件进行实体造型和装配仿真 . 183.1 UG 软件简介 . 183.2 利用 UG 软件进行农业机械设计的主要流程 . 20参 考 文 献- 2 -3.3 基本零件的三维设计 . 213.4 切碎装置的装配 . 23结论 . 34参考文献 . 35致谢及声明 . 36参 考 文 献- 3 -摘 要1. 传统的玉米收获机主要采用链式结构进行玉米收获中的拨禾和切碎工作，本文重点是通过对国外新技术的借鉴和学习，采用切碎拨禾变速箱带动拨禾轮和切刀进行这两项工作，并对该机构进行了虚拟设计。2. 传统设计过程是对产品各方面性能要求进行分析、计算，然后拟定设计方案，再按选定方案进行零件图与装配图绘制，然后试制样机，样机出来对样机进行改进，再相应的修改设计图纸，不断修改和完善后才能正式投入生产，虚拟设计则可以直接进行三维可视化设计，并进行各种仿真模拟，使各项实验成本和实验时间都大大缩短，展示出了新设计手段的新特性，在此次设计中，重要利用 UG 软件进行切碎变速箱和升运器部分结构的三维仿真设计，并同同组其他同学协作完成了整体玉米收获机的装配工作。检验设计的合理性和可行性，对原有方案进行改进，检验三维仿真设计过程中的动态干涉情况，确保机构按预先设计方案准确运行。3. 关键词： 玉米收获机，切碎装置，虚拟设计，虚拟装配参 考 文 献- 4 -AbstractThe chain-driven manner is mainly used in the allocation and shredding of stem in traditional corn harvester. By means of foreign new technologies a new type of gearbox is designed in the paper that drives the finger rotor and shredding cutter. And then the virtual design to this structure is finished. Traditional process of product design is all performance requirements analysis, design and development of the program, when the program has been identified, then do the drawing job of parts and assembling .next step is produce the prototype .When the prototype is finished, improve it. Then do the corresponding changes to the design drawings. Constantly revise and perfect before formally put into production. Virtual design can direct visualization of 3D Design, and various simulation. So various experiments and experimental costs significantly shorten the time. The new design shows a new means of design characters. In this design , mainly use the software of UG to do the 3D design simulation of the shredding gearbox . And collaborative other students finished the whole assemble job of the corn harvester . Do the reasonable and feasibility test to the design , then improve the exist programs.3D design simulation test is used to find the dynamic interference in the process. Make sure the structure can do the motion precisely in the Pre-design program. Keywords: corn harvester, shredding structure, virtual design, virtual assemble 参 考 文 献- 5 -第一章 引言1.1 课题的提出和意义4. 我国玉米种植面积和总产量仅次于美国，居世界第二位。在我国，玉米是仅次于小麦的主要粮食作物。2004 年全国玉米种植面积 0.24 亿公顷，约占全国总种植面积的 16.6。玉米年产量达 13029 万吨，按茎杆和产粮比为 1.8：1 计算，将产生 23452.2 万吨的玉米茎杆，据中国国家统计局统计，中国 2006 年全年粮食产量超过 49,000 万吨，而玉米产量约为1.28 亿吨到 1.42 亿吨，占粮食总产量的 30%，秸秆产量更是高达 2.6 亿吨。在收获玉米的同时，玉米秸秆的有效利用已成为农业发展的重大任务。5. 目前，对玉米秸秆最主要用途主要有秸秆还田和青贮两种处理方式。玉米秸秆还田后，增加了土壤肥力，减少了投入。玉米收获后用玉米还田机将秸秆打碎翻入土层中，增加了有机质含量，土壤理化性质得到改善，土壤可耕性，保壤、保肥性提高，如果以秸秆还田的耕地每亩少施尿素7.5kg，二胺 7.5KG,钾肥 5KG 计算，每亩就可少投入 35 元左右，每年就可以少投入近百元，每人就可以增加收入 30 元左右。此外根据有关资料统计，一头牛每天需要粗饲料 10KG,一只羊每天需要粗饲料 3.3KG，按此计算，我国每年共需要粗饲料约 8 亿吨。而我国草地退化十分严重，二十世纪 90 年代的草地面积仅为 60 年代的 50%，草食类家畜的饲养量每年增加，而草地面积逐年减少，从而造成我国粗饲料十分短缺，仅内蒙古自治区锡盟 2000 年就缺少饲草 300 万吨，2001 年度石家庄附近地区生产的秸秆压块饲料，达到技术指标要求的大部分销往内蒙。随着人民生活水平的提高，牛奶需求量不断增加，全国大中城市都在大力发展奶牛业，对粗饲料需求非常大。6. 在国际市场世界上一些资源贫乏国家，如日本、韩国、新加坡和中东地区，每年都需要进口大量干草和饲料用粮，以满足本国畜牧业的需要。仅日本北海道地区每年就需要粗饲料 550 万吨，现在主要靠进口美国和澳大利亚的干草来弥补粗饲料的短缺，而美国和澳大利亚的干草价格较贵。参 考 文 献- 6 -玉米秸秆作为饲料具有和干草近似的质量，而价格却比美国和澳大利亚的干草便宜，很容易被这些国家和地区接受。7. 因此，无论是秸秆还田还是茎秆青贮都有着广阔前景。然而随着农业经济体制改革的不断深入，农村不再把秸秆作为主要燃料，畜牧业对玉米秸秆利用率不高，化肥供应量充足，再加上秸秆沤肥还田费工费时，劳动强度大，群众积极性不高，使得“三秋” 期间，农民为图省事将秸秆一烧了之，不仅浪费了资源，而且严重污染了环境，影响了人们的正常生活和工作，成为社会关注的热点和政府工作的难点。因此，只有大力发展机械化玉米收获、秸秆处理，才能将群众从高强度、费工费时的体力劳动中解放出来，使群众重新燃起对玉米秸秆有效利用的积极性，并从中得到实惠。8. 玉米秸秆综合利用面临着许多困难和挑战：农村经济欠发达，农民承受力有限。农业机械结构不合理，大中型动力机械、秸秆还田机械及与其配套作业的旋耕机和深耕犁保有量小，导致秸秆还田面积小，作业不配套，还田效果不理想。秸秆还田机械分布不均匀，不平衡。 农民一家一户经营土地，经营规模小，不利于大中型机械作业。因此，通过研究集果穗收获、茎秆切碎于一体的技术将对研制能解决上述问题的新型玉米收获机做出巨大贡献。本课题通过对现有玉米收获、茎秆切碎技术的研究分析，针对现有技术的优缺点，提出一种先进的玉米收获、茎秆切碎技术，并将此技术应用于研制出简单、可靠，可以配置成不同类型的玉米联合收获机的无链式玉米摘穗秸秆粉碎单元体成为本课题首要解决的问题，本课题对推广玉米收获机械化技术，培育玉米机收市场，促进玉米收获机械化快速发展具有重要的现实意义。1.2 玉米收获、茎杆切碎一体化技术国内外研究及应用现状1.2.1 国内现状各级政府为有效地解决茎杆综合利用和禁烧问题，大力提倡发展适合我国国情的穗茎兼收型玉米联合收获机以提供畜牧业所需要的大量青贮饲料。同时，参 考 文 献- 7 -政府还将玉米机收与保护性耕作相结合，大力推行玉米机收、秸秆还田、小麦免耕播种“一条龙”作业，因此玉米秸秆机械粉碎还田也成为必要技术和重要措施，并投入了大量秸秆还田引导资金以发展秸秆还田机械。通过对玉米秸秆切碎还田问题所做的大量探索及实践经验，总结出玉米茎杆还田技术特征为在不影响作物产量和品质的情况下，应及早摘穗或收获，玉米要连苞叶一起摘下。尽可能要用直接摘收获方式，因为割倒摘穗后秸秆在田间闲置一段时间再粉碎，秸秆已变黄变干，粉碎效果差，也不易腐烂。因此,研究玉米收获、茎秆切碎一体化技术成为研制以上两种装置的基础。通过总结，国内涌现出的用于穗茎兼收或秸秆还田的玉米收获、茎秆切碎一体化技术及装置主要有以下若干种类。1、立式摘穗茎杆切碎装置该装置采用立式摘穗辊、拉茎辊及立轴切碎滚筒实现玉米收获、茎秆切碎的一体化装置（见图 1-1）。工作时，玉米植株经玉米收获机割台上安装的往复切割器切断，再由其台上的夹持输送链输送到立式摘穗辊摘穗；摘穗辊摘下的果穗由安装在割台下部的横输送器和升运器输送到果穗箱中。而茎杆经拉茎辊送入切碎滚筒切碎，碎茎秆被螺旋输送器收集并喂入抛送器，抛送器将茎秆抛送到茎秆箱或集草车中，还可以抛撒到田间还田。立式摘穗茎杆粉碎装置主要由摘穗辊、拉茎辊、滚刀、定刀、夹持链、机架和传动机构组成。该装置摘穗辊设计成三段，上段为沿摘辊母线方向的直筋，中段为螺旋线筋，下段为光棍。上段的作用是保证到达上部的秸秆顺利向后输送，防止在顶部堆集造成堵塞；中段为摘穗工作段，下段主要起6刀刀刀刀刀1 2 3 4 5图 1-1 立辊式玉米收获、茎秆切碎一体化技术装置1.摘穗辊 2. 拉茎辊 3.定刀 4.滚刀 5.导向筒 6.传动链轮 7.夹持链 8 下拉茎辊图 立式摘穗茎秆切碎装置Fig Sketch of vertical-roller corn picker with hob stalk shredder 参 考 文 献- 8 -引导秸秆喂入作用。切碎滚刀布置在每对立式玉米摘穗辊和拉茎辊的后方。滚刀上的动刀片可以由 26 片组成，动刀固定在刀座上，动刀与定刀的间隙可调。动刀与刀滚筒母线成 夹角，以保证滑切和减小冲击。通过改变滚刀与立式摘穗辊、拉茎辊的传动比 I，获得不同要求的切碎长度，选择范围 10100 。立辊m式摘穗结构后续空间较大，切碎装置的布置易于实现。立式摘穗茎杆切碎装置，其显著特点是结构简单，占用空间少，其摘碎效果相对卧式玉米收获机含杂率、籽粒损失率、籽粒破损率都要低；切碎效果好，碎茎秆长短均匀，切碎长度可根据需要调整，性能好，成本低。不足之处在于该装置需要专门机构将玉米植株喂入其中，该机构应用在 4YQZ-3 型穗茎兼收玉米联合收获机，其夹持喂入链在喂入玉米秸秆时易发生堵塞而造成故障。故该装置需配合更可靠喂入方式才能发挥其良好功能。2. 、在普通卧式摘穗辊式收获机割台下方安装与摘穗辊平行的的刀轴，在刀轴上安装不同形式的切刀，通过动、定刀配合、动、动刀配合等方式实现玉米收获、秸秆粉碎一体化技术。（如图 1-2 所示）（1）4YQW-2 卧式悬挂式穗茎兼收型玉米联合收获机该机型采用卧式摘穗辊 配合同轴向的切碎滚筒实现玉米收获、茎秆切碎一体化。该玉米联合收获机摘辊与普通摘辊类似，但是它却通过提高摘穗辊转速缩短了长度, 其切碎装置是采用了立式摘穗茎杆切碎装置中的切碎滚筒，结合摘穗辊的向下拉拽玉米茎秆的速度进行茎秆切碎。工作时，玉米植株经玉米收获机割台上安装的往复切割器切断，再由其上的夹持输送链输送到摘穗辊前上方，茎秆下端进入摘穗辊同时脱离夹持链完成摘穗过程同时茎秆下端进入切碎滚筒，碎茎秆被螺旋输送器收集并喂入抛送器，抛送器将茎秆抛送到茎秆箱或集草车中，还可以抛洒到田间换田，该装置切碎质量好，但通过设计短摘辊来123456图 1-2 4YQW-2 卧式悬挂式穗茎兼收型玉米联合收获机割台简图1.往复式割刀 2. 夹持输送链 3.抛送器4.摘穗辊 5.切碎滚筒 6.碎茎秆输送器 参 考 文 献- 9 -缩短割台长度，虽然摘辊转速提高，但卧式摘辊的拉茎能力有限，经常出现无法在摘辊有效摘穗段范围内将较长的玉米茎秆完全拉拽入切碎滚筒而造成堵塞。高速旋转的摘穗辊造成的籽粒损失率和籽粒破损率通过前人实验证明较高。此外，该装置由割台前端夹持链喂入玉米植株而造成割台可靠性相对不高。因此该机型还有待改进才能实现其预计效果。（2）玉米收获机完全切断式秸秆粉碎装置（如图 1-3 所示）该装置采用普通卧式摘穗辊式收获机割台作为果穗采摘装置，在两摘穗辊下方安装切碎装置（如图 1-2）。其切碎装置动刀轴在摘穗辊间隙正下方，刀轴上螺旋排列有燕形锯齿刀，其定刀安装在切碎刀一侧，玉米植株在拉茎辊作用后沿摘穗辊向后运动同时被下拽，切碎装置首先切断玉米植株，之后玉米植株在拉茎辊的拉拽作用下被切碎装置完全打碎。其中，前侧被切碎的玉米茎秆没有落入横输送装置而被直接还田，后方秸秆落入横输送器，可通过进一步加装收集装置而被收集。该切碎装置采用支撑切割方式，因此切碎效果好。该装置采用燕形锯齿刀，在切碎过程中起到一定积极作用，但刀片制作工艺相对复杂，成本高，而且刀片采用焊接方式与刀轴相连，损坏或者磨钝后不容易更换；卧式割台下方空间较小，安装切碎装置后造成摘碎辊位置相对提升，收获时割台与地面距离可调范围变小从而收获时难以适应结穗高度低或者倒伏的玉米；切碎装置本身无法过于伸长，因此切断玉米秸秆时留茬高度太大，玉米秸秆残留部分仍然需要在还田机作用下被切碎，造成整机动力消耗仍然很大。茎秆收集装置所收集的茎秆数量太小，而且在刮板式横输送器侧方加装秸秆收集装置面临困难较大；虽然该设计满足保护性耕作要求的茎秆无需完全还田，5 46321图 1-3 玉米收获机完全切断式秸秆粉碎装置1.动刀 2. 茎秆输送器 3.动刀轴刀 4.摘穗装置 5.摘穗辊 6.定刀参 考 文 献- 10 -但收集到的茎秆很少，对需要茎秆青贮地区因数量少而不能满足需求，由此又会引发秸秆的后续处理问题。经上述分析认为该机型虽然能满足果穗收获、茎秆切碎，但推广价值不大。（3）玉米茎秆切碎装置装置一为在拉茎辊下方装有切碎装置，由定刀和动刀构成其中动刀轴上装有四片刀片，玉米茎秆被拉茎辊下拽后进入切碎装置间隙被切碎（如图 1-4）。该装置结构小，成本低，在拉茎辊下方而不会损伤果穗。装置二安装方式类似，区别在于采用一对相向旋转动刀片进行切碎。该装置缺点为切刀为悬臂方式，因此无法与现有长摘穗辊配合作业，由于设计原因，该切碎装置转速低，达不到切碎要求。此外，玉米茎秆被摘穗辊下拉过程中必然被挤压变形，由于缺少引导装置而使得玉米茎秆喂入切刀时发生偏差。刀片安装时角度及间隙要调整要求较高, 否则可能因为茎秆韧性好而造成无法切断。与该装置相结合的玉米收获机需在后方悬挂还田机再次打碎实现秸秆还田。而作为青贮装置显然实现起来困难较高。3 该类技术主要特征在普通卧式摘穗辊式收获机割台下方安装专用切碎装置实现玉米收获、秸秆粉碎一体化。切碎装置刀轴平面与摘穗辊所在平面相互垂直，主要通过多组刀片交错切割切碎茎秆。（1） 单行穗茎兼收玉米联合收获机 该装置为悬挂在拖拉机侧面的单行收获机，主要分为摘穗部分、切碎部分和抛送部分（如图 1-5）。其摘穗部分为普遍采用的卧式摘穗辊摘穗机构或者摘穗板式摘穗机构。在摘穗机构下方为茎秆先由铣刀装置切断后再被交错切割的甩刀装置切碎。如图，其中机构 1 为逆时针旋转的铣刀切断装置，在玉米收1234图 1-4 4YQW-2 玉米收获机完全切断式秸秆粉碎装置1.动刀 2.摘穗辊 3.动刀轴 4.定刀 参 考 文 献- 11 -获机前进过程中，将已被摘穗的茎秆切断并向后方抛出，其后 3 为茎秆切碎机构。该机构由刀座，刀轴、外壳、“T”型甩到构成。工作时二者分别以高低速相向转动，玉米茎秆被抓取并切碎，切碎的茎秆被风机 4 吸引并高速抛射，碎茎秆在进入风机时，被风机抛送叶片上的动刀片 5 与风机外壳上 6 的定刀片再次切碎，之后被抛出到茎秆收集箱中。该装置切碎过程复杂，切断切碎不是同时进行，玉米秸秆喂入到切碎装置过程偶然性大，切碎过程反复，2 次切碎时茎秆飞入路径随机，茎秆切碎不均匀,切断之间连结现象较普遍。切断切碎装置结构较复杂，造成传动复杂，若至于割台下方势必造成割台加重，无法大范围调整该台离地高度而使割台无法收获结穗高度过低或者倒伏的玉米；切碎装置与地面距离调整困难，离地高则切碎效果不好，离地低容易造成打土现象，加剧刀具磨损增加动力消耗，在平整度较差的田间作业效果不好。该结构不适于多行玉米收获机，因此效率低，不适应如今的玉米收获机发展。（2） 茎秆切碎装置该装置为上下两个相对旋转的刀轴，刀轴安12图 1-6 玉米收获、茎秆切碎装置2 摘穗辊 2切碎装置234156图 1-5 单行穗茎兼收玉米联合收获机1 铣刀 2摘穗辊 3.切碎装置 4.茎秆抛送装置5.动刀片 6.定刀参 考 文 献- 12 -装有弧形刀(如图 1-6)。工作时下放旋转的刀先将玉米植株茎秆切断，在切刀旋转力的作用下，把被切断的茎秆又送到上下旋转轴的切刀之间，在刀刃的挤压作用下茎秆产生很大的拉力，有效的保证了茎秆的送进和连续切断。该装置结构简单，切刀易加工，消耗动力也较小，切段均匀且不会连结。该装置不足之处：卧式割台下方空间较小，安装该装置势必减小割台与地面的调整高度或增加割台倾斜程度以提供足够安置空间，且田间会出现垄，切刀与地面距离控制较难，太高影响切碎效果，低了容易打土，尤其是要求该装置组成多行玉米收获机切刀与地面之间的仿形更加困难，无法保证该装置的最佳工作状态。1.2.2 国外现状国外玉米收获机的研究现状 世界上第一台玉米联合收获机是由澳大利亚昆士兰文巴的艾伦（George Hand）于1921 年设计出来，又经过多次完善和改进，随后一些经济发达国家便逐步开始生产和使用，至5060年代已完成玉米收获机械化。1963 年，第一台自走式玉米收获机在法国西部问世，玉米联合收获技术进入了新阶段。目前国外玉米收获机的研究与生产技术已经成熟，由于机、电、液技术的结合，目前美国、德国、乌克兰、俄罗斯等西方国家，玉米的收获包括籽粒和茎杆青贮已基本上实现了机械化，由于其种植方式多为一年一季，收获时玉米籽粒的含水率很低，大多数国家均采用玉米摘穗并直接脱粒的收获方式。美国的JohnDeere公司、Case公司、德国Mengle公司、道依茨公司等玉米联合收获机，绝大部分是在小麦收获机上换装玉米割台，并通过调节脱粒滚筒的转速和脱粒间隙进行玉米的联合收获。从20世纪80年代初期，我国相继引进了一些国外机型，如美国Case公司的联合收获机换装玉米割台，一次作业可完成玉米摘穗、脱粒和清选作业。由于我国北方玉米产区尤其是小麦玉米一年两作种植区，玉米收获时籽粒含水率高达35%以上，采用直接脱粒方式收获，籽粒破碎率十分严重。据1980年9月在河北省栾城县万亩试验站测定，美国Case公司的1440型联合收获机换装玉米割台后收获玉米时，籽粒破碎率平均为14%，最高达到30%，总损失率达到20%9。而且这种直接脱粒的收获方式也不利于玉米后熟，导致产量降低。因此这种类型的机具不适应我国两茬轮作参 考 文 献- 13 -种植区高含水率玉米的收获作业。国外玉米收获机的研究与生产技术已经成熟，目前在美国、德国、乌克兰、俄罗斯等西方国家的玉米收获(包括籽粒和秸秆青贮)已基本实现了全部机械化作业 。由于种植方式多为一年一季种植，收获时玉米籽粒的含水率很低，大多数国家采用玉米摘穗并直接脱粒的收获方式。此外，国外的玉米种植地域面积大，种植株距、行距规范，其玉米收获机设计生产的玉米联合收获机，绝大部分是在小麦联合收获机上换装玉米割台，机型庞大，广泛应用机电一体化和自动化技术，向舒适性、使用安全性、操作方便性、智能化收获机发展，也由此价格昂贵，无论从田间状况适应性还是农民购买能力上都令国人无法从容接受。1.3 研究内容和关键技术1.3.1研究内容本课题主要结合国外优秀玉米联合收获机切碎装置的优良特点和我国本土玉米收获特征和农民购买力现况（主要借鉴德国KMPER CORNSTAR割台结构），针对该割台的创新结构，通过对当前国内外各种玉米收获、茎秆切碎一体化技术及装置的优缺点，针对中国玉米种植情况及目前国内对玉米秸秆的综合处理情况，通过已掌握的机械设计、制造原理，国内玉米收获机设计标准等基础知识将其消化吸收，旨在研究出适合当前国内玉米收获机的玉米收获、茎秆切碎一体化技术，并在此基础上进行机构的三维仿真（主要利用UG软件完成）。最后结合同组同学关于分禾器，摘穗辊，传动装置等进行总体部装。1.3.2 关键技术1. 运用简单有效的切碎原理开发满足穗茎兼收及秸秆还田要求的切碎技术。2. 将优化后的摘穗机构、茎秆切碎机构有机结合，创新一种简单可靠、实用性强的玉米收获、茎秆切碎一体化技术 ，并通过合理的设计研制出可以与不对行技术相结合，以果穗采摘、秸秆还田为主要目的，并且能参 考 文 献- 14 -够生成准确的三维造型，进行总体装配。1.4 面临的问题1.4.1 机构优化问题本设计在进行切碎拨禾变速箱的机构优化时，主要考虑如何最大可能性的是该变速箱结构简单，性能可靠，节约钢材，市面上大多数收获机割台长度超过1.5米，其主要原因在于受前期玉米收获机成熟机型影响，在设计过程中采用的低转速摘穗辊或拉茎棍导致摘穗辊或拉茎棍长度过长，以至于整体割台结构庞大。所以本课题在进行机构优化的过程中所主要面临的问题是改进摘穗机构，设计转速高、长度短的摘穗机构，从根本上缩短割台长度，节约钢材，降低成本。同时对切碎装置进行改进，使结构更为简单，体积更小，进一步简化整个割台部分的结构复杂程度。并且解决在三维造型时期将要面临的一些复杂曲面造型部件和装配时可能产生的干涉问题。1.4.2 设计目标据调查，玉米茎秆青贮多要达到的茎秆切碎要求为切碎长度小于 到305，秸秆还田的茎秆切碎要求切段长度要小于 。秸秆还田还需要达m10m到一定的抛撒均匀度。为解决前文中各类茎秆切碎装置的缺陷，本课题旨在研究在玉米收获过程中同时实现茎秆切碎，切碎长度可调以满足符合青贮或还田要求的技术，并保证切碎长度均匀，所制造的装置结构简便，制造成本低。并且实现装置的三位优化造型，进行干涉检查，进而进行割台的总装配。前期研究的基础上,通过UG进行了虚拟设计.优化了切碎装置的整体结构,校核了切碎变速箱的关键工作部件。参 考 文 献- 15 -第二章 玉米茎杆切碎技术研究2.1 本章研究内容简介本研究为玉米收获、茎杆切碎一体化技术的一个组成部分，考虑到工作量问题，收获即摘穗部分技术由同组同学完成，本论文仅介绍茎杆切碎部分技术的研究和讨论。本章主要简单介绍该技术的主要组成部分和相关理论分析。2.1.1 切碎技术简介玉米收获、茎秆切碎一体化技术中采用立轴式甩刀切碎技术，该技术采用无支撑切割，在一根垂直于地面的刀轴上安装平板式切刀若干把，在刀轴高速旋转的过程中甩刀将被摘穗机构下拽的玉米植株茎秆切碎（如图 2-1）。由于切碎机构下拽玉米植株速度恒定，切刀转速恒定且转速较高，因此各切段长度比较均匀。可通过调节切碎刀片的数量满足不同切碎长度的要求3 2 14图 2-1 立轴式玉米收获、茎秆切碎一体化技术装置1甩刀 2刀盘 3立轴 4板式摘穗装置参 考 文 献- 16 -2.2 玉米植株在该技术装置中的运动分析2.2.1 玉米植株被割断后在切碎装置中的运动分析及各参数之间关系分析玉米植株进入拉茎辊后，在被向下拉拽的过程中被下方旋转切刀切碎。如图 2-5，此时玉米植株处于摘穗板间隙处，玉米植株的沿摘穗板向后的运动由拉茎辊或者拉茎辊和拨指共同产生，如前文分析，其水平运动速度大小为 4V。按照实际情况，玉米秸秆每60sind2两次被切断之间的时间间隔很短（后文切碎装置参数确定中有计算说明），玉米植株被切断过程中所发生的位移很小，对切断的长度要求不造成测量影响。因此， 切碎过程近似认为玉米植株被切碎时只有垂直于地面向下的运动，而此时切碎刀的运动轨迹则可以理想化为圆周运动，即切刀在同一位置将玉米秸秆切成小段。玉米植株在受到拉茎辊下拽过程中将被切刀切成的切段的长度与玉米植株向下运动的速度、切刀旋转速度和刀片数量之间相互关系如下公式分析： n60tz（结合前文公式 大小nzcosd60Vtl 233 3V推倒公式），由此公式可知，切碎长度可通过保持转速不变情况下改变刀片数量而改变。图 2-2 切刀工作原理图123Vx图 2-3 切碎装置示意图1 刀盘 2 立轴 3 甩刀参 考 文 献- 17 -切碎长度；l刀片数量；z切刀每旋转一周所用的时间；t相邻两把切刀交替切割所用时间；刀盘转速；n玉米植株垂直向下运动速度；3V其中，在拉茎辊最短状况下，玉米在拉茎辊末端被完全拉拽下去的同时玉米植株被完全切碎。因此，切碎长度 应为已知参数，应按照所设计样机的切l碎要求确定。所以，拉茎辊转速与切刀转速的关系为 。2cosnlzd另外，切碎过程从切断一开始就已经进行了。当玉米被拨指拨进切割范围内后，玉米植株被切断，如图 2-3，在图示下方的玉米植株处于摘穗板前沿做水平向右运动，其运动速度来源于拨禾轮拨指的推动。此时玉米植株在重力作用下向下运动，切刀做无支撑切割。由于拨指到喂入辊之间距离 较短，玉米s植株很快被拨入喂入辊并进入拉茎辊。此时玉米植株的朝喂入辊方向的运动速度为 。玉米植株从被切断开始到进入喂入辊之间的时间为 ，xV1 2d60n 3xstV此过程中玉米植株下移的距离为 。 被切碎的平均长度大小为 。231HgtHtl其中 重力加速度。g2.2.2玉米植株在被割断前的切刀运动分析和相关参数关系切碎装置的在切断过程中的运动是由刀盘的旋转和机器的前进运动合成的。工作时切刀工作平面平行于地面，因此其运动轨迹为余摆线（如图 2-4）。假设及其前进速度方向为 X 轴正方向，垂直向上为 Y 轴正方向，切刀顺时针转动，切刀上任意一点的运动轨迹方程为参 考 文 献- 18 -sincoXVtrYt式中： 拨指上任一点的半径；r拨指绕原点 的转O动与 Y 轴的夹角；切刀角速度；切刀转过时间；t玉米收获机前进速V度；切刀转速跟工作长度之间的关系：因切刀内端 点在有效拨切割范围内圆a周速度最低，故应以该点为基准确定切刀的速度（如图所示 2-5）。在切刀工作平面内，其上任一点速度均为其圆周速度与玉米收获机前进速度的合成，故点在该平面上的速度为：aV2 2cos()mmrrV由上式可见， 当 时, 最小。0.1)kna即 22mina式中： 60切刀转速。此计算为理论上切刀上 点的最小速度，a实际过程中，按照不对行设计要求以此坐标系为准，其切断范围在 区间内，因,36此应按实际情况选择 点最小速度。根据有a关资料，完全切断两根玉米植株时切刀的速度为 13.6 ,此数据可作为确定二者关系时/ms的最小值。切刀数量、机器前进速度和切刀转速的图 2-4 切刀运动分析图baOHhV2rVVaXYO图 2-5 切刀上 a 点速度示意图参 考 文 献- 19 -关系：切刀运动时的切割图形是由多把切刀的运动轨迹构成，在图示平面内为余摆带的宽度。而该带宽与切刀工作长度 近似相等。因此切刀工作长度应根h据其进距 （拨禾轮旋转一周机器前进的速度）与各带宽的宽度之和相等来确H定。为不发生漏拨， ；zh；60/Vn；机器前进速度，由拖拉机档位决定；切刀工作长度，根据不对行要求由机器结构决定；h切刀转速n此外，此处计算的切刀数量、切刀转速用于切断理论计算，但本设计中切刀除起到切断作用外，还兼起切碎作用，因此，二者还要与切碎要求中的切刀数量作对比。2.3 切碎装置设计切碎装置如图 2-6 所示，图中虚线部分代表玉米植株被切断后得运动轨迹，可以看出，整个切碎过程切碎位置并不相同。根据前文分析，切碎装置关键参数为刀片数量、转速、旋转半径。玉米植株留茬高度，切碎刀转速、刀片数量与拉茎辊及拨禾轮转速有关。根据已初步确定的拨禾轮转速及摘穗辊转速，按照前文公式计算得出其转速范围为 1350 转/分到 2300 转/ 每分,根据要求刀片数量为 2-4 把。考虑到制造及使用的方便，刀片采用两面有韧的平板式甩刀。经前文对切碎长度的研究及推导出的公式，切刀旋转一周需要 0.026-0.04 秒。在摘穗板前沿处，玉米沿摘穗板横向移动的速度来源与拨指的拨动，其水平运动速度大小经推导得出： ；其中， 为拨禾轮转速， 为玉米被xV1 dcos60n1nd拨动处的拨禾轮旋转直径。根据拨禾轮转速不同， 取值范围为 0.5-0.9 。xV/ms玉米植株从被切断的位置到喂入辊距离约为 250 ，根据第二章的对此切碎m过程的分析，该段位移内玉米运动花费时间为 0.05-0.028 秒，其向下运动的位移根据公式 约为 12-4 ，根据所对应切刀数量，每把切刀对应切割21Hgt一次的时间按切刀数为 2、3、4 把为 0.013 -0.02 秒；0.008 -0.013 秒；0.0065 -参 考 文 献- 20 -0.01 秒，对应此段时间内玉米植株最多被切断两次。因此在进行试验时可能会出现少量长度极短的切段，但此切断不应被计入机器考核所测量的切碎长度中去。对应玉米在摘穗板间隙处被切割时，玉米眼摘穗板水平向后运动速度 =yV，其取值范围根据摘穗辊转速不同在 0.52-0.95 每把切刀对应切60sind2 /ms割一次的时间按照刀数不同玉米沿摘穗板间隙向后运动距离为 12-11.02 ；8-7.46 ；6-5.4 。由上述数据可见，相对于切刀转速来说，每两次切割间隔m之间玉米植株运动的距离很小，该运动对切割碎长度的影响很小，切碎长度虽有偏差但仍符合所需精度要求。因此各切段的平均长度按照前文计算公式如下：(具体切碎长度数值见后文切碎实验数据表) ,3lVt,60ntz切碎长度；l刀片数量；切刀每旋转一周所用的时间；t相邻两把切刀交替切割所用时间；刀盘转速；n玉米3V植株垂直向下运动速度；2.4传动结构设计（切碎变速箱的设计）如图 2-7，其传动部分均采用闭式齿轮123VyVx图 2-6 切碎装置示意图1 刀盘 2 立轴 3 甩刀123456图 2-7 无链式玉米收获、秸秆切碎单元体切碎装置示意图1 拨禾轮 2 切碎拨禾变速箱 3 安全离合器 4 主传箱 5 摘穗装置 6 切碎装置参 考 文 献- 21 -传动，分为主传箱及切碎拨禾变速箱两个主要部分。主传箱功用在于动力输入后，按照各部件不同转速要求将动力分配到摘穗辊及摘碎拨禾变速箱。拨禾轮与切碎刀虽转速不同，但为了实现装置设计功能而公用一个变速箱，内部通过齿轮传动满足上拨禾轮转速慢下切刀转速快的要求。（本图未包含不对行相关装置）.经过上面所有过程，可以很清楚的看出，从主传箱传递过来的扭矩，经过切碎变速箱的作用分配为两部分：1.为切刀提供动力;2. 为拨禾轮提供动力。因此，我们可以基本确定切碎装置各项参数，然后进入三维仿真造型阶段。图 2-8 为经过 UG 造型后，无链式玉米收获、秸秆切碎单元体切碎装置的预览效果图。图 2-8 无链式玉米收获、秸秆切碎单元体切碎装置的预览效果图参 考 文 献- 22 -第 三 章 利 用 UG软 件 进 行 实 体 造 型 和 装 配 仿 真3.1 UG软件简介Unigraphics Solutions 公司(简称 UGS)是全球著名的 MCAD 供应商,主要为汽车与交通、 航空航天、日用消费品、通用机械以及电子工业等领域通过其虚拟产品开发(VPD)的理念提供多级化的、集成的、企业级的包括软件产品与服务在内的完整的 MCAD 解决方案。其主要的 CAD 产品是 UG。UG 公司的产品主要有为机械制造企业提供包括从设计、分析到制造应用的Unigraphics 软件、基于 Windows 的设计与制图产品 Solid Edge、集团级产品数据管理系统 iMAN、产品可视化技术 ProductVision 以及被业界广泛使用的高精度边界表示的实体建模核心 Parasolid 在内的全线产品。UG 在航空航天、汽车、通用机械、工业设备、医疗器械以及其它高科技应用领域的机械设计和模具加工自动化的市场上得到了广泛的应用。多年来，UGS 一直在支持美国通用汽车公司实施目前全球最大的虚拟产品开发项目，同时 Unigraphics 也是日本著名汽车零部件制造商 DENSO 公司的计算机应用标准，并在全球汽车行业得到了很大的应用，如 Navistar、底特律柴油机厂、Winnebago 和 Robert Bosch AG 等。另外，UGS 公司在航空领域也有很好的的表现：在美国的航空业，安装了超过10,000 套 UG 软件；在俄罗斯航空业，UG 软件具有 90%以上的市场；在北美汽参 考 文 献- 23 -轮机市场，UG 软件占 80%。UGS 在喷气发动机行业也占有领先地位，拥有如Pratt & Whitney 和 GE 喷气发动机公司这样的知名客户。航空业的其它客户还有：B/E 航空公司、波音公司、 以色列飞机公司、英国航空公司、Northrop Grumman、伊尔飞机和 Antonov。UGS 公司的产品同时还遍布通用机械、医疗器械、电子、高技术以及日用消费品等行业，如：3M、Will-Pemco、Biomet、Zimmer、飞利浦公司、吉列公司、Timex、 Eureka 和 Arctic Cat 等。UG 具有丰富的曲面建模工具。包括直纹面、扫描面、通过一组曲线的自由曲面、通过两组类正交曲线的自由曲面、曲线广义扫掠、标准二次曲线方法放样、等半径和变半径倒圆、广义二次曲线倒圆、两张及多张曲面间的光顺桥接、动态拉动调整曲面、等距或不等距偏置、曲面裁减、编辑、点云生成、曲面编辑。作为一款优秀的三维设计软件，UG 主要有以下特点：（1）建模的灵活性 复合建模：无需草图,需要时可进行全参数设计,无需定义和参数化新曲线可直接利用实体边缘。几何特征 ：具有凸垫、键槽、凸台、斜角、挖壳等特征、用户自定义特征 、引用模式 。光顺倒圆: 业界最好的倒圆技术 ，可自适应于切口、陡峭边缘及两非邻接面等几何构形，变半径倒圆的最小半径值可退化至极限零。（2）协同化装配建模 可提供自顶向下、自底向上两种产品结构定义方式并可在上下文中设计编辑 ，高级的装配导航工具 ，可图示装配树结构，可方便快速的确定部件位置 ， 对装配件的简化表达，隐藏或关掉特定组件。局部着色 ，强大的零件间的相关性 ，配对条件，零件间的表达式（关系） ，协同化团队工作 ，可方便的替换产品中任一零部件，刷新部件以取得最新的工作版本，团队成员可并行设计产品中各子装配或零件，（3）直观的二维绘图 对制图员来讲，简单并富于逻辑性 ，剖视图自动相关于模型和剖切线位置 ，正交视图的计算和定位可简便的由一次鼠标操作参 考 文 献- 24 -完成 ，自动隐藏线消除 ，自动尺寸排列不需要了解设计意图 ，自动工程图草图尺寸标注。 （4）被业界证实的数控加工 25 轴铣 ，车加工， 线切割， 钣金件制造 ，刀轨仿真和验证 ，刀具库标准工艺数据库功能 。（5）领先的钣金件制造 可在成型或展开的情况下设计或修改产品结构 ，折弯工序可仿真工艺成型过程 ，钣料展开几何自动与产品设计相关 ，可在一幅工程图中直接展示产品设计和钣料展开几何 。（6）集成的数字分析 机构运动学分析 ，硬干涉检查和软干涉检查 ，运动仿真和分析 ，动画过程中的动态干涉检查。 （7）广