水稻收获打捆一体机打捆装置仿真分析

曲洪潮，包 帅，衣淑娟，陶桂香，李衣菲，毛 欣，徐 畅

(1.黑龙江八一农垦大学 工程学院，大庆 163319；2.哈尔滨工程大学 国际合作教育学院，哈尔滨 150001；3.黑龙江农垦建三江管理局 鸭绿河农场党委组织部，黑龙江 同江 156400)

水稻收获打捆一体机打捆装置仿真分析

曲洪潮1，包 帅2，衣淑娟1，陶桂香1，李衣菲1，毛 欣1，徐 畅3

(1.黑龙江八一农垦大学 工程学院，大庆 163319；2.哈尔滨工程大学 国际合作教育学院，哈尔滨 150001；3.黑龙江农垦建三江管理局 鸭绿河农场党委组织部，黑龙江 同江 156400)

虚拟样机可以对机械系统进行运动学和动力学分析。为此，运用三维建模软件UG对水稻收获打捆一体机打捆装置零部件进行三维建模、装配，完成水稻收获打捆一体机打捆装置零部件的虚拟样机设计。虚拟样机的设计需要高尺寸精度与各零部件之间的准确约束，通过零部件的三维绘制与装配，再进行整机的装配，对样机进行干涉检查，可提高研发效率。打捆装置虚拟样机的建立为后续的虚拟样机运动仿真及其打捆装置零部件的结构优化奠定了良好的基础。对仿真后输出的曲线进行分析和讨论，使其符合真实的打捆环境，结果表明：各个装置的时序配合精准，能够较好地反映出整个打捆的过程，对实体的组装具有较大的指导意义。

水稻收获打捆一体机；打捆装置；仿真分析；UG

0 引言

黑龙江省是水稻生产大省，水稻收获机械化已成为发展趋势。水稻的机械化收获主要分为联合收获与分段收获，而收获后秸秆的处理与回收问题,成为了目前关注较高的话题。目前,黑龙江水稻收获后秸秆散落在田间，有些被二次回收，有些则直接焚烧。而二次回收增加了秸秆回收的成本，捡拾压捆机再次进入田地，造成了田地的二次压实，使土壤板结率增加，破坏了土壤结构；而直接焚烧则造成了环境的严重污染，这是国家明令禁止的。为此，设计了一台水稻收获打捆一体机。其集收获与秸秆打捆于一体，在水稻收获过程中分离的秸秆直接进入打捆装置中进行打捆，既节约了成本，避免了机具对田地的二次压实，同时又回收了水稻秸秆，对黑龙江水稻秸秆的综合利用具有重要意义。针对设计要求的不同，运用不同的设计方法，如UG、ADAMS、Pro/E软件进行仿真设计。本文运用了UG对水稻收获打捆一体机以及打捆装置进行了虚拟样机的设计[1]。

1 打捆装置三维结构及时序关系

水稻收获打捆一体机打捆装置由压缩装置、输草装置、打结装置、草捆长度控制装置及草捆密度调节装置组成，动力来源于水稻联合收割机脱粒滚筒，由链轮传动到压缩装置减速器，如图1所示。

1.压缩机构 2.输草装置 3.打结装置 4.捆长控制装置 5.草捆密度控制装置

减速器为一级减速器，水稻收获打捆一体机与打捆装置的时序配合为：水稻秸秆由脱粒滚筒脱粒，脱粒滚筒下方带有螺旋输送器，可将脱粒后的秸秆输送到脱粒装置右端，由拨叉式喂入装置喂入到打捆装置，输草装置由链轮传动到压缩装置减速器。减速器为二级减速器，水稻收获打捆一体机与打捆装置的时序配合为：水稻秸秆由脱粒滚筒脱粒后进入打捆装置，输草装置与压缩装置作业同时进行；设置好一定的草捆长度后，草捆长度控制机构随着草捆的向后运动计量草捆长度，当草捆长度达到指定长度后，草捆长度控制器带动打结器离合器工作，打结器开始工作，完成草捆打结工作。草捆密度调节器单独工作，不与其他装置关联，在收割机工作之前，将草捆密度调节器调节到一定值后即可开始打捆作业。

2 各机构及关键部件的三维结构

2.1 压缩装置三维结构

压缩装置由压缩板、飞轮、减速器、滑道及压缩室组成，如图2所示。脱粒滚筒传来的动力由减速器减速，传给压缩板。飞轮的作用：一是使压缩板运动更加平稳；二是形成往复运动机构，使压缩板往复工作。压缩板在打捆装置的机体内，滑道安装在压缩室内，作用是减小压缩板的阻力，压缩板在滑道内可以前后滑动，以节约动力。

1.减速器 2.惯性轮 3.连杆 4.压缩板

2.2 输草装置三维结构

输草装置三维结构如图3所示。其主要结构是输草轮，与脱粒滚筒的喂入拨叉机构相连，作用是输送脱粒滚筒脱下来的水稻秸秆，使之进入压缩室，以免造成堵塞。它位于压缩室上方，压缩室上层有开口，秸秆由开口进入压缩室。

2.3 打结装置三维结构

打结装置由架体、复合驱动齿盘、夹绳盘、夹绳盘锥齿轮、鹰嘴、蜗杆轴及蜗杆、鹰嘴齿轮及割绳刀片拨绳装置等组成，如图4所示。它有3个系统分时序工作：首先，穿绳针将绳送到打结嘴，将绳搭在打结嘴上；拨绳装置将绳向后拨动，使绳向夹绳盘运动，直至夹绳盘将绳夹住；到达一定程度后，随着鹰嘴旋转两股绳绕动一圈，完成打结动作，然后割绳刀工作；将绳割断。

1.喂入口 2．箱体 3．输草轮 4.驱动链轮

1.复合驱动齿盘 2.打结器机架 3.打结嘴锥齿轮 4.割绳刀 5.打结嘴 6.夹绳盘 7.夹绳盘直齿轮 8.蜗杆 9.夹绳盘锥齿轮

2.4 草捆长度控制装置的三维结构

草捆长度控制装置的三维结构如图5所示。其中，草捆长度控制机构由支座、凸轮挡板、控制凸轮、凸轮滚子、连杆、限位块、外齿轮、内弧形齿轮及计量轮组成，将草捆视作齿条，草捆推动计量轮转动，形成齿条齿轮传动。草捆向后移动，带动计量轮转动，当转到限位块时，主轴离合器闭合，打结器工作。草捆长度控制机构控制着一系列的机构，如打结机构、拨绳机构、送绳机构等。当草捆达到一定长度后，草捆长度控制器带动打结器离合器工作，打结器链轮转动一周，完成一次打结动作。

2.5 草捆密度调节装置的三维结构

草捆密度调节装置由弹簧、手轮、槽钢及张紧装置组成，分布于打捆机尾部，如图6所示。它的作用是缩小或者增大压缩室出口的高度，使草捆更加困难或者更加轻松地排出打捆装置，达到增加或者减小草捆密度的作用。

1手轮 2.弹簧 3.上箱槽钢 4.箱体 5.下箱槽钢

3 运动模型的构建和运动仿真

3.1 运动模型的构建

为了更好地比较水稻打捆装置各部件的运动规律，将对压缩装置、打结装置及草捆长度控制装置3个部件进行独立驱动。运用UG8．0的运动仿真模块为各部件加载一个虚拟电机，模拟电机从零到恒定转速，测定电机转速从零到恒定时各部件的运动规律。

UG运动仿真分析：首先要创建运动分析方案，并进行参数设定;求解内部计算器对运动过程进行计算，并输出到仿真模块;最后经后处理阶段将得到的运动仿真结果输出，将其转换为图表、动画等，方便后续数据分析。

首先定义各部件的连杆和运动副，对三维实体模型完成了连杆特性的设置、运动副的建立和外载荷的添加的前置处理后，就完成了运动模型的构建。此时，可以利用运动仿真的运动分析工具栏，对创建的运动模型进行运动仿真。

3.2 机构碰撞干涉检查

在UG零件装配中对其进行干涉检查，是为了查看产品之间有没有干涉、碰撞。当两个零件发生接触时，必须要按照设计好的位置关系进行装配，而不应发生一个零件穿入进另一零件中的现象。要做到这一点，必须能够实时、精确地判断零件间是否发生碰撞。如果出现了干涉现象，要及时修改，干涉检查的目的在于能够使仿真继续进行下去。在虚拟装配环境中，添加和定义好伺服电动机，开始进行运动学(Kinematic)分析。设定好开始时间与结束时间，运行仿真并保存，点击回放按钮，在回放界面的碰撞检测中即可进行机构碰撞检测。

3.3 运动仿真

虚拟出水稻秸秆从脱粒滚筒排出，由输草装置输送到压缩室，再由压缩装置压缩，一点点地排出打捆装置，做到与真实的打捆水稻秸秆环境相一致，由水稻秸秆作为齿盘驱动草捆长度控制机构运动，整个打捆装置才能运作起来。在进行运动仿真前，将虚拟样机的装配模块转换为运动仿真模块。在进入打捆装置处添加动力装置即伺服电动机，带动整个装置运动，对原来的三维实体模型完成了连杆特性的设置，运动副建立和外载荷添加的前置处理后，就完成了运动模型的构建。此时，可以利用运动仿真的运动分析工具栏，对创建的运动模型进行运动仿真，在完成各部件的参数设定后，选择新建解决方案，设置好解决方案类型为常规驱动，分析类型为运动学/动力学，时间为10s，步数为400，点击确定完成水稻收获打捆一体机打捆装置的运动仿真。在该运动仿真下，虚拟电机将在5s内从0(°)/s转速上升到200(°)/s，驱动虚拟样机各部件的运动，以进行下一步的运动数据分析。

3.4 运动仿真结果分析

3.4.1 压缩机构最大压缩力分析

通过借鉴国外方捆打捆机经验，满足基本的成捆条件，对打捆机的主要结构部件压缩活塞进行设计。主要设计指标：方捆的截面尺寸为310 mm×460mm，压缩机构需要对此截面草捆提供至少0.15MPa的压缩力,在设计中近似转换为曲柄连杆需要对活塞水平方向提供最大推力不小于2.14×104N。经计算得曲柄长度为r=330mm,连杆长为660mm,曲柄的转速ω=180°/s，计算并设定了适于打捆机的压缩活塞结构参数,并利用UG软件,进行压缩机构的仿真分析，检验打捆装置是否能够达到许用的压缩力要求。

由图7可知：压缩装置的运动位移呈现出正弦规律曲线，正弦曲线没有凸点、尖点，说明压缩板运动稳定；压缩板做回转往复运动，压缩板的位移呈现先来回往复的周期运动轨迹。

如图8所示，压缩机构的压缩板在力的作用下做回转运动。在压缩阶段，压缩板对草捆大力挤压，压缩板受力较大；在回程阶段，压缩板不压缩草捆，所以受力较小。在力的作用下，压缩机构压缩板做速度先增加再匀速的往复运动。由图8得受力最大的点的具体数值为2.21×104N，大于基本2.14×104N的设计要求，因此压缩机构设计的结构尺寸合理。

图7 压缩板位移随时间变化曲线

图8 压缩板受力随时间变化曲线

3.4.2 水稻收获打捆一体机打捆过程分析

本装置为水稻收获打捆一体机，集水稻的收获与打捆于一体，但是其关键部件仍为打结器，打捆成结过程为打捆装置的主要过程，其打捆成结的过程是当压缩室内的水稻秸秆达到预定长度时，草捆长度控制器工作，控制打捆机构开始工作，分为以下几个步骤成结。

1)搭绳：穿绳针向上运动，将捆绳搭在打结嘴上表面，与原来的一股绳合在一起，形成两股绳。

2)夹绳：当穿绳针上升接近上止点时，捆绳已被送到夹绳器缺口内，这时夹绳器开始转动，将绳夹紧。

3)绕环：夹绳器尚未停止转动时，打结嘴转动，将两股捆绳绕成绳环。

4)张嘴：打结嘴转动到3/4圈时，打结嘴完全张开，两股绳夹在打结嘴的上下颚之间。

5)闭合：打结嘴转动接近结束时，上下颚闭合，将两股绳夹住。

6)成扣：随着草捆的后移，绳环不断被拉紧。

7)割绳：绳环被拉紧到一定程度，脱绳杆往前摆动，固定在脱绳杆上的割绳刀将捆绳割断。

8)脱扣：脱绳杆继续往前运动，它将绳环从打结嘴上摘下，套在上下颚间夹住的绳端上，形成绳结并从打结嘴脱下。

4 结论

运用UG软件，实现了水稻收获打捆一体机打捆装置各零部件的三维建模，并进行了整个装置的装配工作。运用虚拟样机对水稻收获打捆装置各部件进行了运动参数分析，对压缩装置进行了稳定性分析，反应出整个打捆装置的运动较稳定。同时，对打结器的成结原理进行了仿真，详细给出了打结的过程，将运动仿真数据导出，通过UG与其它软件的接口，将运动仿真数据导入其它软件进行相应的数据分析。通过简单的参数设定更改，模拟水稻收获打捆装置在不同工作环境的运动状态，大幅缩短研究时间。

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Simulation Analysis of Rice Harvest Tying Unity Machine’ Tying Device

Qu Hongchao1, Bao Shuai2, Yi Shujuan1, Tao Guixiang1, Li Yifei1, Mao Xin1, Xu Chang3

(1.Engineering College, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China; 2.Institute of International Education Cooperation,Harbin Engineering University, Harbin 150001,China; 3.Yalvhe Farm Part Committee Organization Department,Heilongjiang Jiansanjiang Nongkon Consturetion Management Bureau,Tongjiang 156400,China)

The virtual prototype can be kinematics and dynamics analysis of mechanical system. Therefore, using three-dimensional modeling software UG to rice harvest tying device baling machine spare parts for 3 d modeling, assembly, complete rice harvest tying device baling machine parts and components of the virtual prototype design. Virtual prototype design requires high dimensional precision and accurate constraints between parts, through the 3 d drawing and assembly parts, and then to the whole machine assembly, interference checking was carried out on the prototype, can improve the efficiency of research and development. Tying device of the establishment of a virtual prototype for subsequent virtual prototype simulation movement, rice harvest tying device baling machine parts of structure optimization has laid a good foundation. Output after the simulation curves are analyzed and discussed, and make it conform to the real environment of baling, The results show that: with the precise timing of each device, can better reflect the bundling process; assembly of the entity has great significance.

rice harvest tying unity machine; tying device; simulation analysis; UG

2016-09-27

“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD06)；黑龙江省农垦总局攻关项目(HNK125B-06-12A)；黑龙江八一农垦大学培育课题(XA2015-03)

曲洪潮(1991-),男，黑龙江绥化人，硕士研究生，(E-mail)852885095@qq.com。

衣淑娟(1965-)，女，山东栖霞人，教授，博士生导师，(E-mail)yishujuan_2005@126.com。

S225.4

A

1003-188X(2017)11-0059-05