往复式割刀曲柄连杆机构的运动特性仿真--启林站长网

往复式割刀曲柄连杆机构的运动特性仿真

设计说明书

1 绪论

大力发展农业机械化是我国现代农业发展的必要条件，只有实现农业机械化，才能真正提高农民收入，人民的生活水平才能得以改善。切割器是各种收割机械的重要工作部件。目前，各种收割机械普遍采用的切割器有往复式和回转式两种。往复式割刀副较宽，并且工作效率高，可获得较好的采摘质量，割茬平齐，且不会产生割碎作物的现象。其缺点是工作惯性力大，割台震动和噪音都很大，广泛应用于谷物收获。回转式切割器用于收获牧草、青饲料、粗秆作物等，少数谷物也使用这种切割器。回转式切割器的切割速度高，惯性力容易平衡，震动较小，割刀的结构比较简单。但受回转直径的限制，不能用于宽幅切割，割刀的寿命较短，维修费很高。

当前，收获机上使用的切割器以往复式最多，而且制造技术趋于完善，只是在局部有所改进，但其惯性力不平衡仍是主要问题。.

国内收割机起步较晚，早期以模仿及从苏联，美国及加拿大等国家进口为主。很多连接或支撑部件没有经过详细的计算，二十根据发达国家已造好的收割机的尺寸设计制造的，使得收割机体积庞大，质量偏大。大型收割机是非常复杂的机械装备，大型收割机的使用对土地的平整和规模有更高的要求，华北平原，三江平原等重要的小麦，水稻产区很早就使用联合收割机进行生产。相对大型收割机，小型收割机的设计更随意，现在国内很多院校都开始尝试针对设计制造小型收割机。这些院校设计适合本地土地环境和生产力的小型收割机，这种收割机价格低，维修简单，使用方便，适合各种地形，保养要求低，适合小农户规模的生产。

往复式割刀驱动机构，其作用是将源动力的旋转转换为割刀所需的直线往复式运动。目前，国内的收割机采用的往复式机构种类众多。大致上可以归纳为曲柄连杆机构和摆环机构两类。

传统的往复式手工费器大都采用单边驱动，惯性力很难平衡，日本久保田麦稻联合收割机将刀杆分成两段，采用两个曲柄连杆机构双边驱动，两段刃杆的运动方向总是相反，可部分抵消惯性力。由于南方水田深泥脚，水稻收获是切割器易被泥土卡住，因此久保田收割机将刀杆加宽，在其底部挖了排泥孔，割刀在运动时可将进入切割器间隙的泥土及时排出。此外，这种机型还加装了割刀自动润滑系统，可将润滑油自动滴到刀杆上，随动刀的运动而进入摩擦间隙，以免手工加油发生危险。

1.1 切割器的要求

切割器是收获机械的重要部件之一，它的功用是将田间的作物切断，切割器应该满足一下要求： 1）切割质量好：割茬整齐，不漏割，不重割，不堵刀，切割损失小；

2）切割省力，功率消耗少，振动小；

3）通用性好，结构简单，调整方便。

切割器按照其运动方式可分为往复式和回转式两种，经过多年的研究，其技术已较为成熟，基本可以满足上述需要，但也存在许多问题。

1.2 影响切割质量的因素

切割质量与切割器的特性、茎秆的物理性能、切割器与茎秆的相对位置以及切割的速度和方向都有密切的关系。

1）切割器的机构

刀片的断面一般呈楔形，楔角的顶部就是刃口，刃口越薄切割阻力就越小，但如果刃口过于单薄，强度不够，很快磨损或折断，影响其使用寿命。往复式切割器使用梯形刀片，其形状参数对夹持茎秆并轻快切割具有决定性作用。

2）作物茎秆有纤维素构成，从结构上讲是非均匀体，不同方向上机械性能并不相同，有关专家对横切、斜切和削切做了对比，证明割刀偏斜 ° 45 或削切较横切切割阻力和功耗都降低很多。茎秆的刚度对切割也有重要影响，刚度小的茎秆受很小外力就会弯斜，割刀必须具有一定的切割速度，或给予茎秆一定的支撑，才能保证顺利切割。

3）切割速度

一般来讲，随切割速度的增加，切割阻力会有所降低，但二者并非线性关系，而且切割速度增加时空转功率也会上升，割台震动加剧，所以稻麦往复式切割器割刀平均速度一般不超过 2m/s 。

往复式切割器的特点

往复式切割器的割刀作直线运动，割刀的平均切割速度较低，切割性能好，结构简单，工作可靠，广泛应用在谷物收割机上。它的缺点是工作时惯性力大，割台振动和噪声都很大，一次切割存在重割和漏割区域，故割茬不够整齐。

传统的往复式切割器大都采用单边驱动，惯性力很难平衡，日本久保田麦稻联合收割机将刀杆分成两段，采用两个曲柄连杆机构双边驱动，两段刀杆的运动方向总是相反，可部分抵消惯性力。 2 切割器的参数选取和计算

2.1 切割器的种类

根据割刀行程，动刀片间距和定刀片间距三者的不同组合关系，分成下列三种类型的切割器。

2.1.1 单刀距行程型割刀器

其尺寸关系 mm t t s 2 . 76

0 = = = 如图 2-1 a ）这种形式也叫标准型切割器。其特点是：割刀的切割速度较高，切割性能较好，对粗细茎秆的适应性较好。但切割茎秆时倾斜度大，割茬变化较大。

2.1.2 低割型切割器

其尺寸关系为： mm t t s 4 . 152

2 0 = = = 如图 2-1 b ）切割器割刀行程和动刀片间距相等，是护刃齿间距的两倍。

切割谷物时，茎秆横向倾斜量小，割茬较低，对收割大豆和收割牧草较为有利，但对粗秆作物的适应性较差。

低割型切割器由于切割时割刀速度利用段较低，在茎秆青涩和杂草较多时，切割质量较差，割茬不齐并有堵刀现象。

2.1.3 双刀距行程型切割器

其尺寸关系 0 2 2 t t s = = 如图 2-1 c ）

双刀距行程特点为：割刀往复式运动的频率低，曲柄转速较慢，因而工作时惯性力力较小。对抗振性较差的小型收割机具有特殊意义，适用于小型收割机。

综上所述，通过三种割刀器的对比看出，就收获牧草量来说，以低割型较好。

a) b)

图 2-1 割刀示意图

2.2 动刀片的结构参数

动刀是切割器的主要工作零件，对刀片的要求为材料硬度高，耐磨，具有一定的弹性。因此动刀采用光刃结构，光刃切割省力，割茬整齐，但易磨钝，工作中需要经常磨刀。动刀片是一种易损零件，为了保证具有较好的耐磨性和一定的冲击韧性，刀片一般有 T9 碳素工具钢制成，刃部需淬火和回火。

动刀片的结构参数有：切割角 α（即刃线的倾角）、刃部高度 h 、刀片的宽度 c 和 d 。切割角 ɑ 是动刀片的主要参数，它的大小对切割性能有着重要的影响。既影响切割阻力的大小，又决定能否钳住茎秆保证可靠地切割。试验表明，切割角增大，切割阻力减小：当 ɑ 由 ° 15 增至 ° 45 时，切割阻力减小一半。阻力减小的原因在于切割角增加时刀片相对于牧草茎秆的滑切速度 1 V 增大。

sin 1 V V = （２－１）

式中，V 为刀片的运动速度，如图所示。

注：c 为刀片后宽；d 为刀片前宽；h 为刀片刃部高度；A 为刀刃的起始点；a 为切割角；V 为刀片的运动速度

图 2-2 刀片参数

但切割角a 过大时将引起茎秆切割时沿刃线向外滑动。甚至钳不住茎秆，不能保证可靠切割。为此，必须以钳住牧草茎秆为前提，尽量选择较大的切割角a 。

切割瞬时，钳住牧草茎秆的条件为：两刃作用于茎秆的合力 1 R 、 2 R 必须在同一条直线上。因为

1 1 tan j N F ￡ 2

2 2 tan j N F ￡ 2 1 F F = ， 2

1 j j = 式中，

2 1 j j = 是动刀片对牧草茎秆的摩擦角，如图 2-

3 所示。

图 2-3 切割原理示意图

得钳住牧草茎秆的条件为： 2 1 2 j j a + ￡。

经测定，光刀动刀片配合时，对牧草茎秆的摩擦角之和为 ° = + 52 2 1 j j ~ ° 54 。则取动刀片的切割角a 的参数关系为 a

tan 2 d c h - = ，因此动刀宽度 mm c 35 = ， mm d 6 = ，动刀刃部高度 mm h 30 = 。

2.3 曲柄转速的确定

在切割过程中，曲柄连杆机构通过中间零件拨叉拨动切割器动刀组相对顶到组做往复式运动对牧草进行切割。

由于曲柄每转一圈割刀完成 2个割刀行程（s ）

所以

30 60 2 ns s n v p = × =

（２－２）式中：n ——曲柄的转速 min / r s ——割刀行程 mm mm

s 4 . 152 = 对于切割平均速度是选用值，谷物干、脆取 1~2 s m / ，牧草青、湿、取大一些，但速度

又不宜过大，这里取2.5 s m / 。

可得：

min

/ 492r n ? 为了方便计算 min

/ 500r n = 2.4 收割机的进距计算

进距：割刀运动一个行程时，机器前进的距离

进距也是影响切割器切割性能的重要因素，进距太小重割区太大，浪费功率；进距太大漏割区增大。

n v n v t v H m m

m 30 2 60 = = = （２－３）

式中： m v ——机器前进的速度 s m / n ——曲柄的转速 min

/ r 2.5 切割器功率计算

根据能量守恒定律可知，往复式切割器消耗的功率等于曲柄输入的功率。往复式切割器的切割功率包括切割牧草的功率和空转时的摩擦功率两部分。

2.5.1 切割功率的计算

切割功率和机器前进的速度、收割器的割副以及收割牧草单位面积所消耗的功率有密切关系。根据经验公式有

1000 0

L B v N m p ′ ′ = （２－４）

式中： m v ——收割机的前进速度 s m v m / 6 . 1

= ； B ——收割机的割副 m B 2 . 4 = ；

0 L ——切割牧草单位面积所消耗的功率 ?

对于牧草 20 0 = L ~ 2 / 30 m kw ，这里取 2 0

/ 30 m kw L = 所以可得

N p 2016 . 0 = 2.5.2 摩擦空转功率的确定

摩擦空转功率 m N 目前还没有确定的计算公式，摩擦空转功率与割刀的安装状态有很大关系，经大量试验确定，每米割副的空转功率随曲柄的转速不同在 0.59~1.1 m kw / 之间变化，为更好的保证此次设计的质量取1.0 m kw / 。

则有

N m 2 . 4 0 . 1 2 . 4 = ′ = 2.5.3 切割器消耗的总功率

综合以上分析可得切割器消耗的总功率：

N N N m p 4016 . 4 2 . 4 2016 . 0 = + = + = 2.6 驱动曲柄所需的转矩

驱动曲柄所需的转矩：

w N n N T = =9550

（２－４）

式中：w 为曲柄的转角速度 s rad n / 52 60

500 2 60 2 ? ′ = =

p p w 所以 Nm T 85 52

6 . 4401 ? = 3 切割图的绘制与分析

切割图是根据刀片结构参数以及割刀行程，还有收割机进距确定的一个可以直接反映切割器切割性能的图表。

3.1 切割图的绘制步骤

1）先在图上画出两个相邻定刀片的中心线和刃线的轨迹（即纵向平行线）。

2）按给定的参数（ m v 及 n ）计算割刀进距H ，并画出动刀片原始和走过两个行程后的位置。

3）以动刀片原始位置的刃部 A 点为基准，用作图法画出该点的轨迹线。

①以 A 点为始点，以曲柄 r 为半径作半圆，在圆弧上分成 n 等分：1，2，3，……n ，并作出标记。

②在动刀片的进距线上分成同等的 n 等分：1，2，……n ，并作出标记。

③在圆弧的各等分点，画纵向平行线；在进距线的等分点，画横向平行线。找出同样标记的纵、横线的交点并连成曲线。即为动刀片的轨迹线。

4)按 A 点的轨迹图型，在 AB 及 CD 两刃线的端点画出其轨迹线，即得动刀片刃部在两个行程中对地面的扫描图形—切割图。

3.2 切割图分析

1）一次切割区：大多数茎杆沿割刀运动方向倾斜，茬较低。

2）重割区：刃线两次通过，茬残再遭重割，浪费功率。

3）漏割区：刃线不通过此区，其禾杆被推向下一行程的一次切割区，纵向倾斜，割茬较高，切割力集中，阻力较大。

4）进距 H↑，切割图形↑，空白区增加，重割区减少，动刀刃高↑，漏割区↓，重割区↑

图 3-1 切割图

4 曲柄柄连杆机构的建模与仿真

4.1 技术路线

4.2 曲柄连杆的机构简图

往复式曲柄连杆机构是将旋转运动转化为直线运动，如图所示，曲柄转动带动拉杆运动，拉杆与中间连杆的交接处作往复直线运动，中间连杆的另一端使得拨叉作绕固定轴转动，从而带动滑块做平面运动，最终带动动刀组作往复式直线运动。

自由度： 1 0 10 2 7 3

2 3 = - ′ - ′ = - ′ - ′ = H L P P n F ，可以得到确定运动。

图 4-1 曲柄连杆机构简图

4.3 曲柄连杆机构各零件的建模与装配

4.3.1 零件的建模

根据原理要求和结构简图，对机构中零件进行建模。首先，曲柄是通过偏心轮形式表现出来的如图 4-2（e）所示；其次，执行部件是双滑块，其中一滑块固定在动刀组上，带动动刀做往复直线运动，另一滑块相对拨叉做平动运动；然后，导向杆如图 4-2（c）的作用是将旋转运动转换为往复直线运动，而且连接水平面方向与竖直方向上的运动。零件还有拉杆如图 4-2（d）连接曲柄和导向杆，固定支座限定导向杆只能在一个方向上做往复式直线运动，中间连杆如图 4-2（f）连接导向杆和拨叉将导向杆的运动传递给拨叉，使得拨叉绕定轴摆动。

（a）拨叉 (b) 动刀组拨杆及滑块

(c)导向杆 (d)拉杆

(e)偏心轮 (f)中间连杆

图 4-2 零件模型图

4.3.2 机构的装配

图 4-3 曲柄连杆装配

4.4 干涉检验

干涉检验是在 solidworks 环境下进行的，主要是对曲柄连杆机构在运动过程中是各零部件之间是否存在运动冲突进行检验。选择干涉检验，将冲突检验设置为在全局范围内检验，在运动过程中发生干涉时，显示发生干涉零件透明，最后根据干涉区域的大小对发生干涉的零件进行结构上的修改。

由于检验得到发生干涉的零件如图 4-4 所示，可以看出在运动过程中中间连杆机构和拨叉发生干涉，根据干涉区域的大小对中间连杆进行尺寸上的修改，在修改后再进行干涉检验，如此反反复复，直到无干涉为止。

图 4-4 干涉检验

4.5 基于 ADAMS 的往复式割刀曲柄连杆机构的仿真

4.5.1 为模型添加约束

往复式割刀机构的三维模型是在 solidworks 中建立的，如图所示。建好模型后将其保存为

*parasolid格式，再打开 ADAMS 后选择 import a file 打开 ADAMS 弹出文件输入框，选择 import a file，file type 选择 parasolid，然后浏览到由 solidworks 生成的*parasolid文件，再给输入文件一个字母名称，完成文件的导入。

在 ADAMS 中导入的三维软件模型是没有质量等信息的，我们需要对导入的模型定义材料，如果不添加信息仿真会失效。

在添加运动副约束时避免过约束和欠约束尤其是过约束或者约束错误。首先，将偏心轮固定座与 ground锁定，并在其与偏心轮之间添加铰链约束，同样各个连杆之间添加转动副；其次，将导向筒与 ground锁定，并与导向杆构成移动副；最后要注意的是，动刀拨动杆与动刀组导轨只能构成平面移动副而不能定义为滑块移动副，否则为过约束。如图 4-5 所示。

图 4-5 添加连接方式

4.5.2 机构的运动仿真

首先，为曲柄连杆机构添加马达 motion，动力输入轴即运动轴为偏心轮轴，ADAMS 中 motion 添加在 joint 中，这里添加在 joint_1 即偏心轮与底座的转动约束中。马达的参数为 speed，由于偏

所以马达的速度等于 3000D/S；心轮的转速为 500 转/分，

而马达速度的单位为 D/S 即每秒转多少度，

其次，点击 simulation定义分析类型为 default，软件会根据运动副和自由度的关系自动选择分析类型，另外设置 end time 20，steps 500；最后，点击开始仿真。如图 4-6所示。

图 4-6 运动仿真设置图

5.1 动刀组位置分析

5.1.1 运动仿真完毕后即可生成测量结果曲线。

启动 ADAMS/PostProcessor，设置视图布置设置三个视窗，激活左边的屏幕视窗，将鼠标置于视窗上，用鼠标右键打开弹出式菜单。选择 Load Animation 命令，调入 ADAMS/VIEW 的仿真计算结果，可以再屏幕上看见已调入的曲柄连杆机构，如图 5-1所示。

图 5-1 测试仿真结果

激活右上方的屏幕视窗，该视窗名为 Plot_2。在控制区，选择；然后依次选择 Model=.gaohongbo， Filter=body，Characteristic=CM_Position，Component=Z；选择 Add Curve按钮，绘制动刀拨动杆的位移曲线图。

图 5-2 动刀组位移曲线

5.1.2 结果分析

1）从位移曲线来看它也不是简谐运动，切割性能不是很好；

2）割刀行程没达到所要求的 152.4mm；

3）经过多次调整位置以及修改尺寸，发现此机构割刀行程的变化范围很小，不能满足要求；

4）机构较复杂传动效率降低，并且移动副摩擦大。

5.2 机构的修改

割刀行程无法满足设计要求，可能是因为中间连杆与拨叉存在相对转动，不能很好的传递运动，拨叉不能实现较大角度的摆动，针对以上情况，现对机构做一下改动，结构简图如图所示。按修改后的结构简图对个别零件重新建模，最后再重新装配，机构简图如图 5-3 所示。

图 5-3 结构简图

5.3 修改后的机构零件建模

a）导向杆 b）中间连杆

图 5-4 修改后的零件

5.4 曲柄连杆机构重新装配

图 5-5 装配图

在曲柄连杆机构中，影响割刀行程的主要因数是曲柄的偏心距和动刀组拨杆与导向杆的相对位置。现使偏心距不变，通过调整动刀组拨杆与导向杆的相对位置，测试相应的割刀行程。如表 5-1 所示。

表 5-1 尺寸关系 (mm) 曲柄偏心距拨动杆与刀杆的垂直距离割刀的行程

50 230.546 80

50 246.304 94

50 246.587 106

50 240.632 106

50 252.433 126

50 260.124 144

50 265.477 429

50 260.827 145

50 261.912 149

50 262.986 153

确定好曲柄连杆机构中各杆件间的相对位置，将装配图另存为*parasolid格式并导入 ADAMS，并添加连接关系，进行仿真，结果测试。

图 5-6 修改后的曲柄连杆机构添加约束

图 5-7 测试结果

图 5-8 动刀组运动位移

由曲线形状可以得知，动刀组运动为简谐运动，切割器具有很好的切割性能。另外，图形中波峰与波谷之差显然大于设计要求 152.4mm，满足割副要求。

激活右下方的屏幕视窗，该视窗名为 Plot_3。在控制区，选择 Sourc=Object；然后依次选择 Model=.gaohongbo，Filter=body，Characteristic=CM_Velocity，Component=Z；选择 Add Curves 按钮，绘制动刀组拨动杆的速度曲线。

图 5-9 动刀组速度曲线

在控制区，选择 Object=ON ；然后依次选择：Model=.gaohongbo ，Filter=body ，

Characteristic=CM_Vcceleration 和 Component=Z 。选择 One Curve Per Plot 项，设置在新的一页绘制曲线；选择 Add Curve 按钮，产生新的一页并绘制动刀组拨动杆加速度曲线。

图 5-10 动刀组加速度曲线

由以上各曲线图可以看出，割刀的位移、速度、加速度都是时间 t 的函数，各时刻的参数大小都可以从表格中直接读取，并且对表格处理得出：最大位移为 179mm ，最大速度为2500 s mm / ，最大加速度为 60000 2

/s mm 。 6 曲柄连杆机构运动学分析

图 6-1 结构简图

A 点的坐标

E OA x A w a cos cos = = t

E OA y A w a sin sin = = 0

= A z B 点的坐标

b w b cos cos cos AB t E AB

x x A B + = + = 0

= = B B z y C 点的坐标

BC AB t E BC x x B C + + = + = b w cos cos

= = = = B C B C z z y y D 点的坐标

g b w g sin cos cos

sin CD BC AB t E CD x x C D + + + = + = 0

= = C D y y g

cos CD z D = D 点的速度

g g sin ￠ -

= ￠ = = CD z v v D Dz D D 点的加速度

g g g g a cos sin 2￠ - ￠￠ -

= ￠￠ = CD CD z D D 7 结论

将单个的零部件设计和分析技术结合在一起，在计算机上建造出产品的整体尸体模型，针对该产品在实际投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而对产品进行改进设计、提高产品性能的新技术；是从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发，解决传统的设计、制造过程中存在弊端的新技术。虚拟样机技术可使产品设计人员在各种虚拟环境中真实地模拟产品整体的运动及受力情况，快速分析多种设计方案，进行对物理样机来说难以进行或根本无法进行的试验，知道获得最优的优化设计方案。虚拟样机技术的应用贯穿在产品整个设计过程中，可以再概念设计和方案论证中，设计人员可以把自己的经验与想象结合在计算机的虚拟样机中充分发挥创造力，进而缩短开发周期，提高设计质量和设计效率。

利用 solidworks 对收割器曲柄连杆机构进行建模装配和 ADAMS 运动仿真，可以实时观测各机构运动过程，观察机构运动是否产生干涉。通过生成曲线与数据检测被测对象的运动规律是否满足工作要求。虚拟运动分析能够准确确定并优化机构的运动，大大减少了设计的工作量和缩短了设计周期，提高了分析机构运动的效率与质量，同时也为往复式割刀曲柄连杆机构的研究提供了理论上的支持。

小结

通过此次毕业设计，使我更加扎实的掌握了有关虚拟样机技术方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲手动手做，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。

过而能改，善莫大焉。在毕业设计过程中，我不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次计终于顺利完成了，在设计中遇到很多问题，最后在老师的帮助下，终于得到解决。

在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上披荆斩棘，而不是知难而退。

致谢

值此设计结束之际，在此我对帮助我和关心我的老师、朋友、同学和家人表示真挚的感谢。

首先我要特别地感谢我的指导教师周岭教授。周老师面对繁重的科研与教学任务，仍然挤出宝贵的时间，咨询我设计情况，督促我设计进度以及指导我解决在设计过程中所与到的很多问题。

我还要感谢我的同乡魏流锋同学。由于我之前对 ADAMS 软件从未接触过，做仿真这一类的设计，我感到有些力不从心。多亏魏流锋在软件上对我的指导和帮助，由此表示真诚的感谢。

另外，还要感谢其他室友以及好友，对我设计和生活上的关心和帮助。

最后，感谢我的家人对我学习自始自终的支持和关心。

参考文献

[1] 陈树人，卢强，李继伟，朱维忠，曹德明．基于ADAMS 秧草收割机往复式割刀机构的运动学仿真[J].农业装备技术，2010.6:53-55．