1、往復式割刀曲柄連桿機構的運動特性仿真設計說明書1緒論大力發展農業機械化是我國現代農業發展的必要條件，只有實現農業機械化，才能真正提高農 民收入，人民的生活水平才能得以改善。切割器是各種收割機械的重要工作部件。目前，各種收割 機械普遍采用的切割器有往復式和回轉式兩種。往復式割刀副較寬，并且工作效率高，可獲得較好 的采摘質量，割茬平齊，且不會產生割碎作物的現象。其缺點是工作慣性力大，割臺震動和噪音都 很大，廣泛應用于谷物收獲。冋轉式切割器用于收獲牧草、青飼料、粗稈作物等，少數谷物也使用 這種切割器。回轉式切割器的切割速度高，慣性力容易平衡，震動較小，割刀的結構比較簡單。但 受冋轉直徑的限制，不能用

2、于寬幅切割，割刀的壽命較短，維修費很高。當前，收獲機上使用的切割器以往復式最多，而且制造技術趨于完善，只是在局部有所改進， 但其慣性力不平衡仍是主要問題。由于某些原因，沒有上傳完整的畢業設計（完整的應包括畢業設 計說明書、相關圖紙cad/proe、屮英文文獻及翻譯等），此文檔也稍微刪除了一部分內容（目錄 及某些關鍵內容）如需要的朋友，請聯系我的叩扣：2215891151,數萬篇現成設計及另有的高端團 隊絕對可滿足您的需要.國內收割機起步較晚，早期以模仿及從蘇聯，美國及加拿大等國家進口為主。很多連接或支撐 部件沒有經過詳細的計算，二十根據發達國家已造好的收割機的尺寸設計制造的，使得收割機體積 龐

3、大，質量偏大。大型收割機是非常復雜的機械裝備，大型收割機的使用對土地的平整和規模有更 高的要求，華北平原，三江平原等重要的小麥，水稻產區很早就使用聯合收割機進行生產。相對大 型收割機，小型收割機的設計更隨意，現在國內很多院校都開始嘗試針對設計制造小型收割機。這 些院校設計適合本地土地環境和生產力的小型收割機，這種收割機價格低，維修簡單，使用方便， 適合各種地形，保養要求低，適合小農戶規模的生產。往復式割刀驅動機構，其作用是將源動力的旋轉轉換為割刀所需的直線往復式運動。目前，國 內的收割機采用的往復式機構種類眾多。大致上可以歸納為曲柄連桿機構和擺環機構兩類。傳統的往復式手工費器大都釆用單邊驅動，

4、慣性力很難平衡，日本久保田麥稻聯合收割機將刀 桿分成兩段，采用兩個曲柄連桿機構雙邊驅動，兩段刃桿的運動方向總是相反，可部分抵消慣性力。 由于南方水e深泥腳，水稻收獲是切割器易被泥土卡住，因此久保田收割機將刀桿加寬，在其底部 挖了排泥孔，割刀在運動時可將進入切割器間隙的泥土及時排出。此外，這種機型述加裝了割刀口 動潤滑系統，可將潤滑油自動滴到刀桿上，隨動刀的運動而進入摩擦間隙，以免手工加油發生危險。 1.1切割器的要求切割器是收獲機械的重要部件之一，它的功用是將田間的作物切斷，切割器應該滿足一下要求:1）切割質量好：割茬整齊，不漏割，不重割，不堵刀，切割損失小；2）切割省力，功率消耗少，振動小；

5、3）通用性好，結構簡單，調整方便。切割器按照其運動方式可分為往復式和回轉式兩種，經過多年的研究，其技術已較為成熟，基 本可以滿足上述需要，但也存在許多問題。1.2影響切割質量的因素切割質量與切割器的特性、莖稈的物理性能、切割器與莖稈的相對位置以及切割的速度和方向 都有密切的關系。1) 切割器的機構刀片的斷面一般呈楔形，楔角的頂部就是刃口，刃口越薄切割阻力就越小，但如果刃口過于單 薄，強度不夠，很快磨損或折斷，影響其使用壽命。往復式切割器使用梯形刀片，其形狀參數對夾 持莖稈并輕快切割具有決定性作用。2) 作物莖稈有纖維素構成，從結構上講是非均勻體，不同方向上機械性能并不相同，有關專 家對橫切、斜

6、切和削切做了對比，證明割刀偏斜45。或削切較橫切切割阻力和功耗都降低很多。莖 稈的剛度對切割也有重要彫響，剛度小的莖稈受很小外力就會彎斜，割刀必須具有一定的切割速度, 或給予莖稈一定的支撐，才能保證順利切割。3) 切割速度一般來講，隨切割速度的增加，切割阻力會有所降低，但二者并非線性關系，而且切割速度增 加時空轉功率也會上升，割臺震動加劇，所以稻麥往復式切割器割刀平均速度一般不超過2m/s。往復式切割器的特點往復式切割器的割刀作直線運動，割刀的平均切割速度較低，切割性能好，結構簡單，工作可 靠，廣泛應用在谷物收割機上。它的缺點是工作時慣性力大，割臺振動和噪聲都很大，一次切割存 在重割和漏割區域

7、，故割茬不夠整齊。傳統的往復式切割器大都采用單邊驅動，慣性力很難平衡，日本久保出麥稻聯合收割機將刀桿 分成兩段，采用兩個曲柄連桿機構雙邊驅動，兩段刀桿的運動方向總是相反，可部分抵消慣性力。 2切割器的參數選取和計算2.1切割器的種類根據割刀行程，動刀片間距和定刀片間距三者的不同組合關系，分成下列三種類型的切割器。 2.1.1單刀距行程型割刀器其尺寸關系s = t = t0= 76.2mm如圖2-1 a)這種形式也叫標準型切割器。其待點是：割刀的切割速度較高，切割性能較好，對粗細莖稈的 適應性較好。但切割莖稈時傾斜度大，割茬變化較大。2.1.2低割型切割器其尺寸關系為：s = t = 2厲=15

8、2.4mm如圖2-1 b)切割器割刀行程和動刀片間距相等，是護刃齒間距的兩倍。切割谷物時，莖稈橫向傾斜量小，割茬較低，對收割大豆和收割牧草較為有利，但對粗稈作物 的適應性較差。低割型切割器由于切割時割刀速度利用段較低，在莖稈青澀和雜草較多時，切割質量較差，割 茬不齊并有堵刀現象。2.1.3雙刀距行程型切割器其尺寸關系s = 2t = 2心如圖2-1 c)雙刀距行程特點為：割刀往復式運動的頻率低，曲柄轉速較慢，因而工作時慣性力力較小。對 抗振性較差的小型收割機具有特殊意義，適用于小型收割機。綜上所述，通過三種割刀器的對比看出，就收獲牧草量來說，以低割型較好。tna)b)c)圖21割刀示意圖22動

9、刀片的結構參數動刀是切割器的主要工作零件，對刀片的要求為材料硬度高，耐磨，具有一定的彈性。因此動 刀采用光刃結構，光刃切割省力，割茬整齊，但易磨鈍，工作中需要經常磨刀。動刀片是一種易損 零件，為了保證具有較好的耐磨性和一定的沖擊韌性，刀片一般有t9碳素工具鋼制成，刃部需淬 火和回火。動刀片的結構參數有：切割角a (即刃線的傾角)、刃部高度h、刀片的寬度c和d。切割角a 是動刀片的主要參數，它的大小對切割性能有著重要的影響。既影響切割阻力的大小，又決定能否 鉗住莖稈保證可靠地切割。試驗表明，切割角增大，切割阻力減小：當a由15。增至45。時，切割 阻力減小一半。阻力減小的原因在于切割角增加時刀片

10、相對于牧草莖稈的滑切速度v,增大。v( = v sin a( 2 1 )式中，伙為刀片的運動速度，如圖所示。q為切割角；v為刀片的運動速度圖22刀片參數但切割角q過大時將引起莖稈切割時沿刃線向外滑動。甚至鉗不住莖稈，不能保證可靠切割。為此, 必須以鉗住牧草莖稈為前提，盡量選擇較大的切割角q。切割瞬時，鉗住牧草莖稈的條件為：兩刃作用于莖稈的合力尺、凡必須在同一條直線上。因為f5n tanf2< tan®f = f? , (p =(p2式中，(p=(p2是動刀片對牧草莖稈的摩擦角，如圖23所示。圖2-3切割原理示意圖 得鉗住牧草莖稈的條件為：2gs%+©。經測定，光刀動刀

11、片配合時，對牧草莖稈的摩擦角之和為為+徑=52。54°。則収動刀片的c d切割角q的參數關系為/?=,因此動刀寬度c = 35mm , d = 6nun ,動刀刃部高度2tan6zh = 30 mm。2.3曲柄轉速的確定在切割過程中，曲柄連桿機構通過中間零件撥叉撥動切割器動刀組相對頂到組做往復式運動對 牧草進行切割。由于曲柄每轉一圈割刀完成2個割刀行程(s)所以n 2s _ ns 6030式中：n曲柄的轉速r/min$割刀行程 mm s = 152.4/7w2對于切割平均速度是選用值，谷物干、脆取2mls,牧草青、濕、取大一些，但速度 又不宜過大，這里取2.5mis.可得：n

12、71; 492 r/ min為了方便計算刃= 500廠/min2.4收割機的進距計算進距：割刀運動一個行程時，機器前進的距離進距也是影響切割器切割性能的重要因素，進距太小重割區太大，浪費功率；進距太大漏割區 增大。ry603()式屮：v,機器前進的速度 m/s 曲柄的轉速r/min2.5切割器功率計算根據能量守恒定律可知，往復式切割器消耗的功率等于曲柄輸入的功率。往復式切割器的切割 功率包括切割牧草的功率和空轉時的摩擦功率兩部分。2.5.1切害ij功率的計算切割功率和機器前進的速度、收割器的割副以及收割牧草單位面積所消耗的功率有密切關系。 根據經驗公式有n =厶（2 - 4 ）卩 1000式中

13、：收割機的前進速度匕“=1.6加£；b 收割機的割副 b = 4.2加；厶切割牧草單位面積所消耗的功率；對于牧草£0 = 2030kw/赤，這里取厶）=30sv加$所以可得np = 0.2016cw2.5.2摩擦空轉功率的確定摩擦空轉功率目前還沒有確定的計算公式，摩擦空轉功率與割刀的安裝狀態有很大關系， 經大量試驗確定，每米割副的空轉功率隨曲柄的轉速不同在0.591.1 bu/加之i'可變化，為更好的保 證此次設計的質量取l.oaw/加。則有nm= 4.2x1.0 = 4.2kw2.5.3切割器消耗的總功率綜合以上分析可得切割器消耗的總功率：n = np + nm

14、= 0.2016+4.2 = 4.401 &w2.6驅動曲柄所需的轉矩(2 -4 )驅動曲柄所需的轉矩：n co式中：血為曲柄的轉角速度2勿 2兀 x 500“> /co =匕 52 rad / s60 60所以52«857vm3切割圖的繪制與分析切割圖是根據刀片結構參數以及割刀行程，述有收割機進距確定的一個可以直接反映切割器切 割性能的圖表。3.1切割圖的繪制步驟1）先在圖上畫出兩個相鄰定刀片的屮心線和刃線的軌跡（即縱向平行線）。2）按給定的參數（及11）計算割刀進距h,并畫出動刀片原始和走過兩個行程后的位置。3）以動刀片原始位置的刃部a點為基準，用作圖法畫出該點的軌

15、跡線。 以a點為始點，以曲柄為半徑作半圓，在圓弧上分成n等分：1, 2, 3,n,并作出標 記。 在動刀片的進距線上分成同等的n等分：1, 2,n,并作出標記。 在圓弧的各等分點，畫縱向平行線；在進距線的等分點，畫橫向平行線。找出同樣標記的縱、 橫線的交點并連成曲線。即為動刀片的軌跡線。4）按a點的軌跡圖型，在ab及cd兩刃線的端點畫出其軌跡線，即得動刀片刃部在兩個行程中對地面的掃描圖形一切割圖。3.2切割圖分析1）一次切割區：大多數莖桿沿割刀運動方向傾斜，茬較低。2）重割區：刃線兩次通過，茬殘再遭重割，浪費功率。3）漏割區：刃線不通過此區，其禾桿被推向下一行程的一次切割區，縱向傾斜，割茬較高

16、, 切割力集中，阻力較大。4）進距ht，切割圖形t，空白區增加，重割區減少，動刀刃高漏割區重割區f圖3-1切割圖4曲柄柄連桿機構的建模與仿真4.1技術路線4.2曲柄連桿的機構簡圖往復式曲柄連桿機構是將旋轉運動轉化為直線運動，如圖所示，曲柄轉動帶動拉桿運動，拉桿 與中間連桿的交接處作往復直線運動，中間連桿的另一端使得撥叉作繞固定軸轉動，從而帶動滑塊 做平面運動，最終帶動動刀組作往復式直線運動。自由度：f = 3xn-2xpl-ph =3x7-2x10-0 = 1,可以得到確定運動。圖41曲柄連桿機構簡圖4.3曲柄連桿機構各零件的建模與裝配431零件的建模根據原理要求和結構簡圖，對機構中零件進行建

17、模。首先，曲柄是通過偏心輪形式表現出來的 如圖4-2 (e)所示；其次，執行部件是雙滑塊，其中一滑塊固定在動刀組上，帶動動刀做往復直線 運動，另一滑塊相對撥叉做平動運動；然后，導向桿如圖4-2 (c)的作用是將旋轉運動轉換為往攵 直線運動，而且連接水平血方向與豎直方向上的運動。零件還有拉桿如圖4-2 (d)連接曲柄和導向 桿，固定支座限定導向桿只能在一個方向上做往復式直線運動，中間連桿如圖4-2 (f)連接導向桿 和撥叉將導向桿的運動傳遞給撥叉，使得撥叉繞定軸擺動。(a)撥叉(b)動刀組撥桿及滑塊(c)導向桿(d)拉桿(e)偏心輪(f)中i'可連桿圖4-2零件模型圖4.3.2機構的裝配

18、圖4-3曲柄連桿裝配4.4干涉檢驗干涉檢驗是在solidworks環境下進行的，主要是對曲柄連桿機構在運動過程中是各零部件之間 是否存在運動沖突進行檢驗。選擇干涉檢驗，將沖突檢驗設置為在全局范圍內檢驗，在運動過程屮 發生干涉時，顯示發生干涉零件透明，最后根據干涉區域的大小對發生干涉的零件進行結構上的修 改。由于檢驗得到發生干涉的零件如圖4-4所示，可以看岀在運動過程中中間連桿機構和撥叉發生 干涉，根據干涉區域的大小對屮間連桿進行尺寸上的修改，在修改后再進行干涉檢驗，如此反反復復，直到無干涉為止。zh干涉檢直斜畫q ©裝駅ll布局|草圖|評估|辦公直產呂|用閑鈿0.83血3sffios

19、ldasm圖4-4干涉檢驗4.5基于adams的往復式割刀曲柄連桿機構的仿真4.5.1為模型添加約束往復式割刀機構的三維模型是在solidworks中建立的，如圖所示。建好模型后將其保存為 *parasolid格式，再打開adams ju選擇import a file打開adams彈出文件輸入框，選擇import a file, file type選擇parasolid,然后瀏覽到由sol id works生成的*parasolid文件，再給輸入文件一個 字母名稱，完成文件的導入。在adams !'導入的三維軟件模型是沒有質量等信息的，我們需要對導入的模型定義材料，如 果不添加信息仿真

20、會失效。在添加負動副約束時避免過約束和欠約束尤英是過約束或者約束錯誤。首先，將偏心輪固定座 與ground鎖定，并在其與偏心輪之間添加較鏈約束，同樣各個連桿之間添加轉動副；其次，將導 向筒與ground鎖定，并與導向桿構成移動副；最后要注意的是，動刀撥動桿與動刀組導軌只能構 成平面移動副而不能定義為滑塊移動副，否則為過約束。如圖4-5所示。0j.o8t11.marker 26頌 t6.marker_5.rt3 marker 6瞬礎匪甩20 諂駄或ser 仃fker.53/ 駐斗dl rart2.markerletiomalllglg廠育i rn n圖4-5添加連接方式4.5.2機構的運動仿真首

21、先，為曲柄連桿機構添加馬達motion,動力輸入軸即運動軸為偏心倫軸，adams中motion 添加在joint中，這里添加在joint. 1即偏心輪與底座的轉動約束中。馬達的參數為speed,由于偏 心輪的轉速為500轉/分,而馬達速度的單位為d/s即每秒轉多少度,所以馬達的速度等于3000d/s； 其次，點擊simulation定義分析類型為default,軟件會根據運動副和自由度的關系自動選擇分析類 型，另外設置end time 20, steps 500；最后，點擊開始仿真。如圖4-6所示。圖4-6運動仿真設置圖5.1動刀組位置分析5運動仿真完畢后即可生成測量結果曲線。啟動adams/

22、postprocessor,設置視圖布置設置三個視窗，激活左邊的屏幕視窗，將鼠標置于 視窗上，用鼠標右鍵打開彈出式菜單。選擇locid animation命令，調入adams/view的仿真計 算結果，可以再屏幕上看見已調入的曲柄連桿機構，如圖5-1所示。file edit view iools helpanimation 耳c| 釧勺| h |>:! j0int9-h fijointjo會 moti6n 豐屈 last_run - analysis flags：;osteelf 卜甘part8_mea!ito"part8-mea.2卜礦 part8_mea_3i 卜礦 par

23、t8_meajl:|ppart8_mea5卜礦part8mea6卜礦 part8mea7 l屜last simlast run tlme= 0.0000 frame=00lb» page!-c page_22'lame filterheader | footer nonemw也旳關囤囤創gsowgboanalyin: l>«t_runtmelmc20125-18 02:11:51£ >«oe-55000 04000.03000 0200001000 00.0 10000.part8.cm wtoutyn-2000040000-4000

24、0-5000 000 0.1 0 2 0.3 0.4 0.0 0.6 07 0.8 0.3 1.0anyis l»t_runtime (mc)2012*05*18 02:11 51固 aljljjll 型nakjanimation | view | camera | record|timezjbouend|li foreverzjdisplay unitsframe incrementstart o-loopspeed control<1 1訂display frametrace marker1廠superimposemodel inputcomponent117include

25、 staticnext statictrail framesfo-rinclude contactsnext contacttrail decay rate < i 1 | overlay | contour plots | vector plots | hot spots |圖5-1測試仿真結果激活右上方的屏幕視窗，該視窗名為plot_2o在控制區，選擇；然后依次選擇model=.gaohongbo,-500005.010 0150200analysis laslruntime （sec）圖52動刀組位移曲線zhuanpeitu-100 0filter=body, characteri

26、stic二cm_position, component=乙 選擇 add curve 按鈕，繪制動刀撥動桿的 位移曲線圖。50 05 2結果分析1）從位移曲線來看它也不是簡諧運動，切割性能不是很好；2）割刀行程沒達到所要求的152.4mm；3）經過多次調整位置以及修改尺寸，發現此機構割刀行程的變化范圍很小，不能滿足要求；4）機構較復雜傳動效率降低，并且移動副摩擦大。5.2機構的修改割刀行程無法滿足設計要求，對能是因為中間連桿與撥叉存在相對轉動，不能很好的傳遞運動, 撥叉不能實現較大角度的擺動，針對以上情況，現對機構做一下改動，結構簡圖如圖所示。按修改 后的結構簡圖對個別零件重新建模，最后再重新

27、裝配，機構簡圖如圖53所示。圖5-3結構簡圖5.3修改后的機構零件建模a）導向桿b）中間連桿圖54修改后的零件5.4曲柄連桿機構重新裝配圖5-5裝配圖在曲柄連桿機構中，影響割刀行程的主要因數是曲柄的偏心距和動刀組撥桿與導向桿的相對位 置。現使偏心距不變，通過調整動刀組撥桿與導向桿的相對位置，測試相應的割刀行程。如表5-1 所示。表5-1尺寸關系(mm)曲柄偏心距撥動桿與刀桿的乖直距離割刀的行程50230.546805()246.3049450246.58710650240.63210650252.43312650260.12414450265.47742950260.8271455()261.

28、91214950262.986153確定好曲柄連桿機構中各桿件間的相對位置，將裝配圖另存為*parasolid格式并導入adams, 并添加連接關系，進行仿真，結果測試。圖56修改后的曲柄連桿機構添加約束eile edit view ioois help d|&|g|a| m| , +卜館妙呦&last-run tim«= 0 0000 frime=001marrn f<eranalysis last runtime (sec) 2o12-os-18 0211516e)analysis lart.run tinw (wc) 2012s-18 02 11 51an

29、imation | view | camera | record | overlay | contour plou vector plots | hot spots |ospuy unitsframe lr>c(eme<itstart o-loop| fortvtr(timedo-end) 1zjspe«d controltrice marketcomponenttraltrarf oecay rate102lj2jr suptnmpos*p include staticr include corudctsf 0 050wxx staocnext contact由曲線形狀

30、可以得知，動刀組運動為簡諧運動，切割器具冇很好的切割性能。另外，圖形中波 峰與波谷之差顯然大于設計要求152.4mm,滿足割副要求。激活右下方的屏幕視窗，該視窗名為plot_3o在控制區，選擇sourc二object；然后依次選擇 model=.gaohongbo, filter二body, characteristic=cm_velocity, component=z；選擇 add curves 按 鈕，繪制動刀組撥動桿的速度曲線。圖59動刀組速度曲線在控制區，選擇 object=on；然后依次選擇：model=.gaohongbo» filter=body, characteri

31、slic=cm_vcceleration 和 component=乙 選擇 one curve per plot 項，設置在新的一頁繪制 曲線；選擇add curve按鈕，產生新的一頁并繪制動刀組撥動桿加速度曲線。gaohongbo 60000.0 -50000.040000.030000.020000.010000.00.0-10000.0-20000.0 0.05.010.015.020.0analysis: last_runtime (sec)2012-05-26 22:01 28圖51()動刀組加速度曲線由以上各曲線圖可以看出，割刀的位移、速度、加速度都是時間t的函數，各時刻的參數大小

32、 都可以從表格中直接讀取，并且對表格處理得出：最大位移為19mm,最大速度為2500 mmls, 最大加速度為60000mm/52 6曲柄連桿機構運動學分析a點的坐標廠=oacosa = ecos 曲ya = oasin a = esin cotz4 =°b點的坐標xb =xa + abcosp = ecos 曲 + abcos0y=° z = °c點的坐標xc =4- bc = ecoscot 4- aficos/? 4- bcac 二九=° zc = zr = 0d點的坐標xd=xc + cd sin y = ecoscot + abcos0 + b

33、c+cdsin /yn = yc=qzd = cd cosyd點的速度*vd=vd_= zd = cdy sin yd點的加速度ad-zd- cdy" sin / - cd/2 cos/7結論將單個的零部件設計和分析技術結合在一起，在計算機上建造出產品的整體尸體模型，針對該 產品在實際投入使用后的各種工況進行仿真分析，預測產品的整體性能,進而對產品進行改進設計、 提高產品性能的新技術；是從分析解決產品整體性能及其相關問題的角度出發，解決傳統的設計、 制造過程中存在弊端的新技術。虛擬樣機技術可使產品設計人員在各種虛擬環境中真實地模擬產品 整體的運動及受力情況，快速分析多種設計方案，進行

34、對物理樣機來說難以進行或根本無法進行的 試驗，知道獲得最優的優化設計方案。虛擬樣機技術的應用貫穿在產品整個設計過程中，可以再概 念設計和方案論證中，設計人員可以把口己的經驗與想象結合在計算機的虛擬樣機中充分發揮創造 力，進而縮短開發周期，提高設計質量和設計效率。利用solidworks對收割器曲柄連桿機構進行建模裝配和adams運動仿真，可以實吋觀測各機 構運動過程，觀察機構運動是否產牛干涉。通過主成曲線與數據檢測被測對象的運動規律是否滿足 工作要求。虛擬運動分析能夠準確確定并優化機構的運動，大大減少了設計的工作量和縮短了設計 周期，提高了分析機構運動的效率與質量，同時也為往復式割刀曲柄連桿機構的研究提供了理論上 的支持。通過此次畢業設計，使我更加扎實的掌握了有關虛擬樣