切段式甘蔗联合收割机机架运动仿真分析
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针对甘蔗机械化收获中宿根破头率这一难题，本文结合企业的研发项目，以SolidWorks Motion为平台，根据主要工作过程设定仿真流程，在三个行程位置上进行Motion分析，并对仿真结果进行分析，对设计进行修正。
一、引言
甘蔗含糖一般为14%左右，是制糖工业主要原料。近年来，由于甘蔗人工收获成本大幅上涨，生产成本不断增高，研究探讨甘蔗收获机械化技术对于我国甘蔗行业发展有着极其重要的意义。
甘蔗作为一种多年生草本植物，如果宿根受到损伤或者破坏严重，则会大幅减少来年甘蔗宿根的发芽率。因此，机械化收获对甘蔗宿根破坏的情况对于来年甘蔗的产量影响很大，甘蔗机械化收获中所面临的一个难题即是如何降低甘蔗的宿根破头率。在多次甘蔗机械收获试验中发现，当收割机切割器进行入土切割――即切割器刀片以一定的线速度切入地面以下20～50m m对甘蔗进行切割的时候，对甘蔗宿根的损伤和破坏（主要是砍裂蔗头、损坏蔗芽）最小，且入土切割以后，会促使甘蔗宿根低位芽萌发，从而使宿根蔗粗壮、不易倒伏，提高甘蔗产量。
广西农机院近年研发的4GZQ180型切段式甘蔗联合收割机，其切割器固定在机架上，依靠左右前轮支撑油缸的伸缩来调整机架相对地面的高度，从而调整切割器刀盘相对地面的位置。
本文以SolidWorks软件对切段式甘蔗联合收割机进行建模，运用SolidWorks Motion模块对其切割器刀盘工作位置及相关零部件运动进行仿真分析，通过分析其仿真结果，对设计进行修正。
二、建立机架主体及切割器实体模型
在SolidWorks中采用自底向上的设计方法对收割机的主体机架结构和切割器进行三维实体建模，并通过相应的装配关系将机架主体结构、支撑油缸、转向油缸以及切割器安装在一起，如图1所示。
三、仿真分析
1.仿真目的
下面以前轮支撑油缸升降的三个行程位置（最长、中位、最短）结合转向油缸的伸缩进行Motion分析仿真，主要目的是获取切割器刀盘的刀尖运动路径、相对地面高度，检查相应零部件干涉情况。
2.仿真模型简化
由于机架主体结构中上前轮、后轮都是左右结构对称，因此进行Motion仿真分析之前，先将模型简化，将与Motion仿真分析无关的部件以及标准件省略，并将机架右半侧进行压缩，对左半侧进行分析。
3.仿真
在SolidWorks中打开机架主体与切割器的装配体文件，并添加一个固定的ground零件作为地面，其余部件作为运动部件。
三维模型设置好后， 在装配体环境下直接启动SolidWorks Motion模块进入仿真环境。SolidWorks Motion模块可以自动识别SolidWorks装配体中的约束副。支撑油缸和转向油缸与机架主体之间的约束副主要是旋转副（同心）和移动副（距离），切割器与机架主体之间的约束副是由同心和重合构成的固定约束。切割器刀盘的刀尖运动路径和相对地面高度取决于支撑油缸的行程位置，支撑油缸的行程位置和转向油缸的长度确定了前轮的转角以及一些相应零部件的干涉情况。支撑油缸和转向油缸的运动参数如表1。
根据设计，支撑油缸的动作优先于转向油缸的动作，因此，设置如下仿真动作流程：
（1）支撑油缸初始位置为最小安装距离，转向油缸初始位置为行程中位；
（2）支撑油缸伸长至最大行程S T E P（T i m e，0，0，5，-340）；
（3）支撑油缸缩短至最小安装距离S T E P（T i m e，5，0，10，340）；
（4）转向油缸伸长至最大行程ST E P（T i m e，10，0，12.5，120）；
（5）转向油缸缩短至最小安装距离S T E P（T i m e，12.5，0，17.5，-240）；
（6）转向油缸伸长至行程中位S T E P（T i m e，17.5，0，20，120）；
（7）支撑油缸伸长至行程中位S T E P（T i m e，20，0，22.5，-170）；
（8）转向油缸伸长至最大行程STEP（Time，22.5，0，25，120）；
（9）转向油缸缩短至最小安装距离STEP（Time，25，0，30，-240）；
（10）转向油缸伸长至行程中位STEP（Time，30，0，32.5，120）；
（11）支撑油缸伸长至最大行程S T E P（T i m e，32.5，0，35，-170）；
（12）转向油缸伸长至最大行程STEP（Time，35，0，37.5，120）；
（13）转向油缸缩短至最小安装距离S T E P（Time，37.5，0，42.5，-240）。
根据以上设定，在支撑油缸上添加线性马达，运动表达式为：
STEP（Time，0，0，5，-340）+S T E P（T ime，5，0，10，340）+STEP（Time，20，0，22.5，-170）+STEP（Time，32.5，0，35，-170）
在转向油缸上添加线性马达，运动表达式为：
STEP（Time，10，0，12.5，120）+STEP（Time，12.5，0，17.5，-240）+S T E P（T i m e，17.5，0，20，120）+STEP（Time，22.5，0，25，120）+STEP（T im e，25，0，30，-240）+S T E P（T im e，30，0，32.5，120）+STEP（Time，35，0，37.5，120）+STEP（Time，37.5，0，42.5，-240）
在Motion中设定仿真时间为42.5s，运动算例属性中使用WSTIFF积分类型，其余Motion分析设定为默认值进行仿真计算。
在仿真结果中，图解切割器刀盘的刀尖运动路径如图2所示。
图2所示刀尖的运动路径明显未到达地面，即切割器刀盘未能入土切割。
切割器刀盘的刀尖相对地面高度如图3所示。
从图3中可知，刀尖在最低位置离地面仍有约52mm的高度。
支撑油缸转角（即前轮轴心线转角）如图4所示。
支撑油缸行程位置如图5所示。
转向油缸长度如图6所示。
通过Motion模块的检查干涉功能进行分析，发现前轮与扶倒器支架加强板之间、转向油缸球头与支撑油缸转向耳和下吊耳之间都发生不同程度的干涉。
由图7 可见， 前轮与扶倒器支架加强板之间在11.635～13.674s时发生干涉，且在12.514s时干涉体积最大，为11 902.426mm3，如图8所示。
转向油缸球头与支撑油缸转向耳在2.639～7.357s、23.309～27.107s、29.186～30.586s、32.944～41.822s时发生干涉。最大干涉体积如图9所示。
表2是以上各时间段产生最大干涉体积的时间和最大干涉体积。
转向油缸球头与支撑油缸下吊耳之间在2.879～7.157s、28.427～31.185s、33.264～41.822s时发生干涉。最大干涉体积如图10所示。
表3是以上各时间段产生最大干涉体积的时间和最大干涉体积。
4.结果分析
由图2和图3可知，刀尖离地最大高度为346mm，最小离地高度为52m m，即无论支撑油缸位于哪个行程位置，都未能达到切割器刀片以一定的线速度切入地面以下20～50m m的
设计目标。
前轮与扶倒器支架加强板之间，转向油缸球头与支撑油缸转向耳和下吊耳之间存在干涉。结合支撑油缸转角、支撑油缸行程位置和转向油缸长度进行分析可知：前轮与扶倒器支架加强板之间的干涉发生在（11.635～13.674s）支撑油缸位于最短行程位置附近，转向油缸长度从806.8125m m伸长至840mm，然后缩回至806.5416mm。
转向油缸球头与支撑油缸转向耳之间的干涉发生在如表4所示的时间段，支撑油缸行程位置和转角、转向油缸长度关系如下。
转向油缸球头与支撑油缸下吊耳之间的干涉发生在如表5所示的时间段，支撑油缸行程位置和转角、转向油缸长度关系如下。
由表4和表5分析可知，只要当支撑油缸行程位置超过170m m，支撑油缸转向耳和下吊耳都有可能与转向油缸球头发生干涉。
结合图4、图5和图6分析上述问题，其主要产生原因有两点：一是支撑油缸行程太长；二是支撑油缸上下铰接点在机架前侧板上的相对位置过高。
根据以上仿真分析的结果，对原有的设计进行了修改，改进了机架前侧板和扶倒器支架加强板的外形尺寸，将扶倒器支架加强板在发生干涉处切出一圆弧边以避让前轮，将支撑油缸转向耳和下吊耳结构改为如图11所示的转向耳和上吊耳结构，支撑油缸的上下铰接点位置向上移动，修正支撑油缸的最大行程为320mm。
此时，通过Motion仿真可知切割刀盘的刀尖路径和刀尖相对地面高度，如图12所示。切割刀盘的刀尖可入土切割的最大深度达到47m m。通过Motion模块的检查干涉功能进行分析可知，前轮与扶倒器支架加强板之间、转向油缸球头与支撑油缸转向耳和下吊耳之间在整个设定的运动过程中都不再存在干涉情况。至此，完成了对整个机架主体结构以及相应油缸的修正，达到了设计目标。
四、结语
本文运用SolidWorks Motion模块对机架主体结构和切割器切割刀盘刀尖位置进行了仿真分析，以结果为依据对设计进行修正，并验证修正以后的设计已达到设计目标。在以SolidWorks为平台在计算机上用虚拟样机来模拟机械系统的运动，很大程度缩短了研发周期，降低了研制费用，进而达到了改进设计、节约成本和时间的目的。