農(nóng)作物秸稈是一種可以綜合利用的重要生物資源．農(nóng)作物秸稈的開發(fā)利用是一項重要的農(nóng)業(yè)工程。農(nóng)作物秸稈的粉碎是對其開發(fā)利用過程中的一個重要的工序。目前，復合式秸稈粉碎機在農(nóng)村中被廣泛的應用．由于沒有統(tǒng)一的設計標準和規(guī)范，其樣式和結(jié)構(gòu)也多種多樣。轉(zhuǎn)子是復合式秸稈粉碎機的主要工作部件，其設計參數(shù)是否合理，對秸稈的粉碎處理質(zhì)量、工作效率以及功耗等具有重要的影響。傳統(tǒng)的設計方法一般是根據(jù)客戶的要求繪制二維圖紙交由工廠進行制造，然后對組裝成的產(chǎn)品進行物理樣機試驗，檢驗機器的性能以及設計的合理性。該過程往往耗時長，成本比較高。本研究將虛擬樣機技術(shù)引入秸稈粉碎機械的設計領(lǐng)域，采用Pro/E進行三維造型設計，過程為：首先，根據(jù)二維的設計數(shù)據(jù)來生成三維零件；然后，對三維零件進行虛擬裝配，裝配完畢后進行模型分析，也可以對裝配體進行運動仿真，觀察其運動狀態(tài)；最后，根據(jù)模型分析和動態(tài)仿真結(jié)果確定修改方案。
1、復合式秸稈粉碎機轉(zhuǎn)子的三維建模
本研究以江蘇大學農(nóng)業(yè)工程學院實驗室的F-500秸稈粉碎機轉(zhuǎn)子為設計原型，利用Pro/E建立復合式秸稈粉碎機轉(zhuǎn)子的虛擬樣機模型。在建模中主要運用了拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描混合等建模命令，富通新能源生產(chǎn)銷售的秸稈粉碎機如下圖所示：
1.1主要零件的建模復合式秸稈粉碎機轉(zhuǎn)子的零件數(shù)量很多，有幾十個，這里以主軸、動刀座、錘架板、錘片、動刀片等為例介紹零件的建模。
1)主軸。主軸是粉碎機轉(zhuǎn)子的重要組成部分，主要起傳遞動力的作用。軸上加工有鍵槽和螺紋，起固定錘架板和定位套筒的作用。階梯軸通過旋轉(zhuǎn)特征生成，然后再使用拉伸切除命令創(chuàng)建鍵槽特征，使用螺旋掃描(Helix Swept)生成螺紋特征。
2)動刀座。動刀座主要用來固定切割動刀，通過鍵與主軸一起旋轉(zhuǎn)運動。它主要通過拉伸(Ex-trude)、孔(Hole)等命令完成。
3)錘架板。錘架板主要起著固定銷軸和錘片的作用。其與主軸通過鍵槽傳遞動力。錘架板結(jié)構(gòu)簡單，通過兩次拉伸命令即可生成。
4)錘片。錘片是粉碎秸稈物料的核心部件。它與銷軸銷接，工作時通過與秸稈物料的碰撞、摩擦和揉搓來粉碎秸稈。錘片的形狀已經(jīng)標準化。本研究中采用的是標準化的矩形錘片，結(jié)構(gòu)形狀簡單。通過拉伸和孔(Hole)命令生成。
1.2轉(zhuǎn)子的虛擬裝配
轉(zhuǎn)子的虛擬裝配過程比較繁瑣，需要對不同的零件添加不同的約束。Pro/E軟件的裝配中常用的約束命令有匹配(Mate)、對齊(Align)和插入(lnsert)等命令。用戶可以根據(jù)需要安排不同的裝配順序，來保證零件按設計意圖組合在一起。由于需要對轉(zhuǎn)子進行動態(tài)仿真分析，本研究在裝配的過程中第一步先建立了一個骨架模型，然后再逐步調(diào)入零件模型．在骨架中裝配模型。骨架模型的好處在于可以方便裝配一些比較繁瑣的系統(tǒng)，用戶通過預先設定一些裝配參數(shù)來減少裝配中的難度。
2、轉(zhuǎn)子的運動仿真分析
Pro/E軟件的機構(gòu)運動分析可以完成各種機構(gòu)的運動分析，在運動分析中．可以在不考慮模型系統(tǒng)的作用力情況下分析機構(gòu)運動情況，并可以測量運動主體的位置、速度和加速度的改變，對機構(gòu)運動元件進行干涉檢查．還可以輸出運動元件的運動軌跡和包絡圖。運動分析的基本過程主要包括模型的創(chuàng)建、定義機構(gòu)圖元、分析準備、分析模型、結(jié)果檢視和最佳化模型六個階段。
2.1錘片末端位置仿真
錘片是主要的粉碎部件，其在運行中的位置影響物料粉碎的效果，對其在運動中位置的研究有助于更好地改進設計。傳統(tǒng)設計是無法做到這點的，因為錘片位于粉碎機的內(nèi)部，是無法直接觀察到的。而通過Pro/E對虛擬樣機轉(zhuǎn)子的運動仿真．可以得到這些數(shù)據(jù)。圖4是對轉(zhuǎn)子進行運動仿真時得到的錘片末端位置與運動時間的關(guān)系曲線圖。該曲線初始設定電動機轉(zhuǎn)速為3000r/min，設定仿真時間為5s，幀數(shù)為50。
2.2轉(zhuǎn)子運動包絡圖
運動包絡圖可以明了的看到各零件的運動軌跡范圍。本研究中在獲取轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的運動包絡圖時，設定質(zhì)量等級為4。
2.3仿真結(jié)果分析討論
在錘片位置仿真分析中可以看到．錘片末端到轉(zhuǎn)動軸的位置做周期性的小幅度擺動。這一現(xiàn)象的產(chǎn)生與錘片的結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。錘片與銷軸是鉸接形式，每個錘片在隨銷軸繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動的同時．錘片質(zhì)心將繞銷軸軸心做周期擺動。該現(xiàn)象在文獻[6]中有具體計算介紹，本研究不再敘述。從中可以看出，仿真結(jié)果是比較真實可靠的。
3、結(jié)束語
用Pro/E．建立了復合式秸稈粉碎機的轉(zhuǎn)子的三維模型，并對其進行了運動仿真分析．得到了錘片末端位置與運動時間的關(guān)系曲線圖，對轉(zhuǎn)子進行了干涉檢驗，并對仿真結(jié)果進行了探討分析，為更好的設計改進轉(zhuǎn)子提供了理論依據(jù)。實踐表明，基于Pro/E的虛擬樣機技術(shù)應用于復合式秸稈粉碎機轉(zhuǎn)子的設計與分析，可以顯著地提高產(chǎn)品的開發(fā)效率，降低設計成本。本研究為農(nóng)機產(chǎn)品的開發(fā)設計提供了方法和參考。
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