基于Pro/E的水田秸秆还田耕整机的设计与运动仿真
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摘要：运用Pro/E软件设计了一种双螺旋刀辊组合的水田秸秆还田耕整机，能够一次性实现水田秸秆的翻埋还田、旋耕碎土、平地等多项功能。应用Pro/E软件中的机构模块对螺旋刀辊进行了运动学仿真，得到了刀辊转速一定时机组在不同前进速度下的4种不同运动轨迹，通过对运动轨迹的分析可优化机组工作的前进速度。
关键词：螺旋刀辊；秸秆还田；运动仿真
中图分类号：S222.3 文献标识码：A 文章编号：0439—8114（2012）19—4382—03
随着市场竞争的激烈化、用户需求的多样化和个性化，企业必须调整产品的开发设计模式，以达到设计开发周期最短、产品质量品质最高、设计开发成本最低、最少的环境破坏等优化结果。在农业机械设计开发方面，如何缩短设计开发周期、降低产品开发成本，是开发农业机械的关键因素。
目前，我国农机新产品的研发一般按照传统方式，要经过几个阶段：产品设计——根据用户要求设计思想变成二维图纸，样机制造——按照设计图纸制造出物理样机，性能实验——对制造出的样机进行性能实验，以检验设计是否满足要求；最后根据实验结果进行样机评价和修改设计。这种传统的设计方法研发周期长，做物理样机投资大，只能进行有限范围、有限次数的试验，而且更多地依赖于设计人员的经验。显然，传统的农机产品设计方法已经不能满足市场的需求，采用虚拟样机技术，能够实现产品数字化的设计过程，便于设计人员反复修改与分析[1]，缩短了设计开发周期，降低了产品研发成本。
水田秸秆的有效还田能够增加土壤有机质含量，改善水田耕作层的土壤结构，提高土壤保肥保水能力，利于水稻的生长；同时避免了大量秸秆焚烧而造成的环境污染，有利于生态农业的可持续发展。随着水稻品种、种植方式、收获方式的改良，残留在田间的作物秸秆量越来越多，传统的水田耕整方式和常规的耕整机具愈来愈难以适应高茬水田的耕整要求，为了提高耕整和还田的效果一般需要多次作业，造成动力消耗大，工作效率低[2—4]。因此，设计了一种新型高效的水田高茬秸秆还田耕整机，利用三维设计软件Pro/E对机具的各个零件进行实体参数化建模、虚拟装配、干涉检查和运动仿真分析，并得出工作刀辊的运动轨迹曲线。
1 方案设计
提出了一种双螺旋刀辊并行工作的耕整机具，机组行进一次就可以实现传统单刀辊两遍耕整作业的效果。设计采用虚拟样机技术，用Pro/E软件搭建零部件模型并进行虚拟装配，对整机模型进行仿真分析，及时修改仿真过程中发现的问题。运动仿真流程见图1。
2 零部件建模
2.1 总体设计
应用Pro/E进行复杂产品设计，设计产品总体装配模型时有两种方法可选择，一种是自底向上（Down—Top）的建模思想，先建立各个零部件的模型，然后按照零件之间的实际组装位置来约束各个零件的相对位置，最后构建总体的装配模型，这种建模方式在机械产品设计中用得较多；另一种是自顶向下（Top—Down）的建模思想，与自底向上的方式恰恰相反，这种方式先建立总体外观模型（或总装模型），然后逐个拆解成子装配、零件模型，这种方式在修改模型尺寸时很方便，尤其是复杂的产品模型，修改某个零件尺寸则与其相关联的其他零部件尺寸也随之变更，这种建模方式在电子和玩具产品设计中用得较多[5]，在具体设计中可以根据产品的实际结构来选择建模方式。该设计采用的是第一种建模方式，图2为水田秸秆还田耕整机的总装效果模型图。
2.2 埋草刀辊的设计
埋草刀辊是水田秸秆还田耕整机的主要工作部件，主要由左右弯刀、刀盘、刀轴、左右螺旋横刀和立刀按照一定的匹配关系形成一个组合体[2—6]。整个刀辊由6组左、右旋向的螺旋刀辊组成，有效工作幅宽达200 cm（图3）。左旋横刀与右旋横刀按照对置式布置，呈“人”字形对称排列为一对，埋草刀辊由3对这样的组合依次排开，组成一个无重、无漏的整幅螺旋刀辊。采用对置式布置，左、右螺旋横刀在切削过程中受到土壤的反作用力在沿着刀轴方向的分力能够相互抵消，刀辊轴向受力平衡。螺旋横刀在刀辊旋转工作中，横刀的一端先入土，然后以螺旋状的刀刃对土壤进行连续滑切，将耕作层土壤切成垡条，采用滑切方式能够有效降低切割阻力，切割过程中刀辊受到的冲击小。螺旋横刀在切割土壤的同时将秸秆压入土壤，依靠螺旋横刀的前刀面实现对土壤的翻耕和横向推送，在左、右交互横向移动的过程中实现秸秆与土壤的充分揉合而融为一体。
3 水田秸秆还田耕整机运动仿真分析
3.1 零部件装配和机构设置
为了减少机构仿真过程中的计算量，总装模型在从Pro/E标准环境转到机构环境前需要进行简化处理，通过视图管理器将与运动部件无关的结构件暂时屏蔽起来，被屏蔽的部分在后面的分析过程中不占用计算机的内存[7]。在Pro/E标准环境中进行零部件装配时，设定传动向各个齿轮的花键轴与箱体的连接方式为销钉连接，齿轮与花键轴为刚性连接，中间传动箱体的输出轴和侧边传动箱的输入轴分别与万向传动轴刚性连接，侧边传动箱的输出轴和埋草刀辊刚性连接，水田秸秆还田耕整机总体与Pro/E内平面的连接为滑动杆连接，将定义好的整机模型转换到仿真模块中进行运动仿真。根据动力传递路线，依次定义中间箱体的一对锥齿轮、侧边箱体内的齿轮传动；根据该机工作时的实际运动，在中间传动箱的锥齿轮轴上定义1个伺服电机来模拟拖拉机动力输出传递过来的动力，根据挂接拖拉机动力输出轴的输出转速来定义伺服电机的转速；机架与Pro/E平面之间定义1个滑动伺服电机，按照该机具工作时挂接拖拉机的前进速度来定义伺服电机速度[8]。
3.2 机构分析与干涉检查
齿轮传动机构和伺服电机定义完成以后，进入机构分析界面，选定运动分析选项，设定运动开始时间为0、结束时间为4及总共生成的帧数和每帧时长等参数，点击运行，机构运动仿真分析开始，秸秆还田耕整机开始模拟田间旋耕整地工作运动。运动仿真分析完成后，Pro/E机构仿真环境下还可以回放机构运动过程，能根据需要从不同的角度查看仿真结果。在回放过程中可以对整机的各个部件进行动态干涉检查，设置相关选项，当检测到干涉时，干涉区域会加亮并发出声音报警或停止回放过程，设计人员可以对仿真过程中检测出来的干涉部分进行分析和更改设计，直到符合设计要求。
3.3 仿真结果与分析
3.3.1 运动仿真结果 以前置刀辊的运动作为分析对象，确定中间减速箱上的伺服电机转速不变，分别设置不同的前进速度，绘制前置刀辊上的同一个定点在相同时间内的运动轨迹，得到运动仿真不同结果轨迹曲线，如图4至图7。
3.3.2 仿真结果分析 由前置刀辊右弯刀在4种不同的前进速度下的运动轨迹可以看出：当旋耕速度比λ大于1时，右弯刀的运动轨迹为余摆线，刀具在工作中能够向后切削土壤，可以正常工作，如图5和图6；当旋耕速度比λ小于1时，右弯刀的运动轨迹为滚摆线，此时刀具在工作中不能向后切土，而出现向前推土的现象，无法正常工作（图7）。
旋耕速度比λ大于1时，刀辊在相同的工作转速下，机组前进速度越大，弯刀的切土节距越大，切下的土块厚度越大，碎土程度越低，影响水田的表层起浆效果；切土节距越大，机组作业后底部不平度越大，底部凸起的高度会随机组前进速度增大而增大。切下的土块越厚，螺旋横刀在提升和翻转土块过程中受到的阻力越大，造成工作刀辊切削功耗增加。
刀辊能够正常进行工作的条件是刀片顶点的运动轨迹为余摆线，即其作用点的旋转线速度必须大于机组的前进速度[9]。旋转线速度和前进速度比越大，余摆线的绕扣就越宽，工作范围就越大，作业后底部更平。在刀辊能够正常工作的条件下，增加机组前进速度可以明显提高工作效率。然而同时要考虑机具工作的能耗要求，将其控制在一个合理的范围，综合优化机组工作时刀辊旋转速度和前进速度的匹配。
4 小结
应用Pro/E软件建立了水田秸秆还田耕整机的三维模型，并对其进行了运动学仿真和干涉检查。分析了螺旋埋草刀辊转速一定时，机组在不同前进速度下刀片端点的运动轨迹曲线，通过仿真确定机组前进速度的范围，为该机具的优化设计奠定了基础。
参考文献：
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[2] 夏俊芳，张国忠，许绮川，等.多熟制稻作区水田旋耕埋草机的结构与性能[J].华中农业大学学报，2008，27（2）：331—334.
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[4] 章秀福，英，符冠富，等.南方稻田保护性耕作的研究进展与研究对策[J].土壤通报，2006，37（2）：346—351.
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[9] 李宝筏.农业机械学[M].北京：中国农业出版社，2003.