打捆机喂入机构的仿真和应力分析

马春晓，曲京博，黄亚楠，孙 勇

(1.东北农业大学 工程学院，哈尔滨 150030；2.黑龙江省农业机械试验鉴定站，哈尔滨 150301)

0 引言

我国属于农业大国，秸秆资源十分丰富，高效的秸秆捡拾打捆设备能有效提高我国的农业生产效率[1]。秸秆主要来源于小麦、稻谷及玉米中，具有很高的利用价值。农民就地焚烧秸秆带来的资源浪费和环境污染问题也引起全社会的关注[2]，尤其在大中城市周围和国家重点公路沿线，焚烧秸秆的现象愈演愈烈[3]。因此，农作物秸秆规模化收集利用逐渐成为解决环境问题和可再生能源问题越来越重要的部分[4]。秸秆打捆机作为秸秆规模化收集利用的工具，已被人们逐渐认可和接受。本文对秸秆打捆机喂入机构的填料过程进行了分析，并利用实体建模和虚拟仿真技术对打捆机的喂入过程进行模拟仿真运动，以期提高设计效率，为打捆机的设计提供理论依据和可行的方法。

1 喂入机构设计要求

喂入机构的工作过程是：喂入拨叉在压缩活塞回程时，输送喂入秸秆至压缩室喂入口，在压缩活塞进程至喂入口之前，喂入拨叉离开压缩室。因此，在保证打捆机工作性能、满足结构简化、性能可靠的前提下，喂入机构的设计应满足秸秆喂入充分、喂入秸秆量均匀充足、运动轨迹规则稳定、不与压缩室内部件产生干涉等要求。

2 喂入机构的结构设计与运动分析

喂入机构采用曲柄摇杆机构来实现秸秆的输送喂入，其结构设计与运动学分析对喂入性能的影响具有重要作用。以曲柄l1的轴心为坐标原点O，X轴正向水平向右，Y轴正向竖直向上，建立平面直角坐标系如图1所示。

图1 喂入机构运动简图

2.1 喂入机构位置分析

曲柄摇杆机构的矢量方程表达式为

(1)

将式(1)向X轴和Y轴投影，得到喂入机构的位置方程式为

(2)

为避免喂入拨叉与压缩室内部件产生干涉，曲柄转角φ1与喂入拨叉转角θ1应满足的关系式为

(3)

其中，θ1为喂入拨叉转角(°)；θ为连杆与喂入拨叉夹角(°)；le为喂入拨叉长度(mm)；L为曲柄中心到压缩室近端的水平距离(mm)；H为曲柄中心到压缩室近端的竖直距离(mm)。

2.2 喂入机构速度分析

将式(2)对时间t求一阶导数，得到喂入机构速度方程式为

(4)

其中，ω1为曲柄角速度(rad/s)；ω2为连杆角速度(rad/s)；ω3为摇杆角速度(rad/s)。

式(4)的矩阵形式为

(5)

2.3 喂入机构加速度分析

将式(5)对时间t求一阶导数，得到喂入机构加速度方程式为

3 喂入机构的三维实体建模

喂入机构箱体作为喂入机构的连接定位和固定的基准，摇杆绕摇杆轴摆动，其位置关系直接影响喂入拨叉的运动轨迹，因此其三维模型的建立要保证定位位置和其它连接位置的精准度。喂入拨叉部件三维模型和二维工程图如图2所示，材质为45钢。喂入机构箱体三维模型如图3(a)所示，材质为Q235钢。喂入机构采用曲柄摇杆机构以实现秸秆的输送喂入，其中喂入拨叉部件、曲柄、摇杆的尺寸和形状直接决定喂入机构的工作性能。曲柄三维模型如图3(b)所示，材质为45钢。摇杆三维模型如图3(c)所示，材质为45钢。

图2 喂入叉二维工程图和三维模型

图3 喂入机构箱体、喂入叉驱动曲柄、喂入叉摇臂三维模型

将绘制完成的喂入机构零部件按照相应的位置和结构关系，添加约束配合，进行喂入机构装配体的三维建模，如图4所示。通过装配体干涉检查，确定零部件之间不存在干涉现象，为下一步运动学仿真分析做准备。

图4 装配体图

经检测装配后的零件之间没有干涉现象，可以进行下一步的分析及轨迹分析。

4 喂入机构运动仿真分析

4.1 SolidWorks机构运动仿真方法

利用SolidWorks Motion插件对喂入机构进行运动分析，避免了使用不同分析软件在导入过程中出现的格式转换和特征混乱等问题。具体操作过程包括：

1)启动SolidWorks软件，打开三维实体模型。

2)打开工具菜单栏中的插件选项，确认勾选激活SolidWorks Motion插件。

3)生成新运动算例，并添加驱动。

4)完成运动模拟仿真，生成并分析结果。

4.2 喂入机构的运动仿真参数设置

启动SolidWorks 2016软件，打开喂入机构装配体三维实体模型，新建分析类型为“Motion分析”的运动算例。Motion运动仿真管理器自动将装配过程中添加的配合作为新建运动算例的约束。重点分析喂入拨叉端点的运动情况，固定喂入机构箱体，其余零部件均为运动件。在喂入机构曲柄位置添加“旋转马达”，方向为逆时针，速度类型为等速，大小为100r/min。

运行仿真模拟前，要对运动算例属性进行设定，仿真模拟时长5 s，时间间隔为0.25 s，每秒帧数为500，精确度为0.000 1。

4.3 喂入机构的仿真运动与分析

完成运动仿真参数的设置后，进入结果与图解分析窗口。在结果的复选框中选择跟踪路径，以喂入拨叉端点作为标定点，完成选择后再次播放模拟仿真，将生成该点的运动路线轨迹如图5所示。

图5(a)为喂入拨叉端点进程最高点，即喂入拨叉进入压缩室的最高喂入高度；
图5(b)为喂入拨叉从压缩室喂入口向喂入起始位置的回程运动过程；
图5(c)为喂入拨叉喂入起始位置，即喂入拨叉将捡拾机构所拾取的秸秆输送喂入至压缩室；图5(d)为喂入拨叉喂入进程，即喂入拨叉持续把秸秆输送喂入至压缩室。

图5 喂入叉运动路线轨迹

根据喂入机构运动参数，工作转速为100r/min，计算出喂入拨叉角速度和运动周期为

其中，ω为角速度(deg/s)；n为转速(r/min)。

根据计算，可以得出喂入叉角速度为600°/s。

再次进入结果与图解分析窗口，在结果的复选框中选择线性速度，以喂入拨叉端点作为标定点，完成选择后再次播放模拟仿真，将生成该点的运动速度曲线，如图6所示。

图6 喂入叉尖端的速度测量

由1个周期内喂入拨叉的运动速度曲线分析可知，喂入拨叉端点速度曲线存在4个极值位置，如图7所示。

图7 喂入机构的极值点

为进一步了解喂入机构的的工作情况，还可以对喂入机构的加速度及角速度进行曲线绘制，分别如图8和图9所示。

图8 喂入叉曲线加速度图

图9 喂入叉尖端角速度图

结合图7对喂入机构的运动仿真可分析如下：

1)由点2至点1复合线性速度逐渐增大，水平方向和竖直方向线性速度均为先增大后减小，并伴随着方向的改变。点1的复合线性速度达到最大值，即喂入拨叉喂入进程的速度极值。

2)由点1至点4复合线性速度逐渐减小，点4为喂入拨叉进程速度最小值，即喂入拨叉至喂入最高点，将秸秆喂入至压缩室内。

3)由点4至点3复合线性速度快速增大，点3为喂入拨叉回程速度最大值，即喂入拨叉完成喂入动作后快速离开压缩室，向喂入起始点回退。

4)由点3至点2复合线性速度逐渐减小，点2为喂入拨叉回程速度最小值(即喂入起始位置)，实现平稳喂入秸秆。

5 喂入机构的应力分析

5.1 喂入叉的应力分析

启动SolidWorks 2016软件，打开喂入拨叉部件三维实体模型，新建分析类型为“静应力分析”的新算例。本章重点分析喂入拨叉端点的受力情况，在喂入拨叉轴套的内表面位置添加固定夹具。

喂入拨叉每次喂入秸秆质量约为3kg。根据拨叉喂入方向上横截面积计算，在喂入拨叉上表面施加75N/m2的压力，同时在连杆销孔处施加100N/m2的压力。

Simulation有限元管理器自动将装配过程中添加的材料属性作为新建算例专题的材料。以软件默认网格密度对喂入拨叉部件进行网格划分。

运行此算例对喂入拨叉部件进行有限元分析求解，生成喂入拨叉部件的应力、应变和位移云图。最大应力出现在远离连杆的喂入拨叉的根部，大小为1.963×104N/m2；最大应变同样出现在该位置，数值为7.222×10-8；最大位移变形出现在该喂入拨叉的端点位置，变形量为8.65×10-5mm。

5.2 喂入叉的应力分析

启动SolidWorks 2016软件，打开摇杆三维实体模型，新建分析类型为“静应力分析”的新算例。在摇杆一端轴孔内表面位置添加固定夹具，在摇杆另一端上表面施加200 N/m2的压力，Simulation有限元管理器自动将三维建模过程中添加的材料属性作为新建算例专题的材料。以软件默认网格密度对摇杆进行网格划分，运行此算例对摇杆进行有限元分析求解。最大应力出现在摇杆与连杆连接处的注油孔位置，大小为8.924×102N/m2；最大应变同样出现在该位置，数值为3.361×10-9；最大位移变形出现在摇杆与连杆连接位置，变形量为4.679×10-6mm。

通过喂入机构关键部件的有限元分析可知：优化设计的喂入机构满足强度要求，喂入拨叉无明显不可逆变形，可靠性高，设计后的喂入机构如图10所示。

图10 喂入叉实物图

6 结论

1) 采取公式阐述数值分析过程，按照推到的方程式得出轨迹曲线，代入数值并利用SolidWorks Motion插件绘制喂入拨叉端点的运动轨迹曲线，通过对喂入拨叉端点线性速度的分析，得出喂入拨叉速度曲线存在4个极值位置并进行分析。为了详细研究喂入机构的作业情况，绘制了喂入拨叉端点角速度和加速度曲线。

2) 利用SolidWorks Simulation插件对喂入拨叉组件和摇杆进行有限元分析，研究喂入机构关键部件的应力、应变和位移变化情况，为提高喂入机构的可靠性和稳定性提供了依据。