基于虚拟样机的打瓜捡拾脱籽联合收获机的研究

张晓红

(襄阳职业技术学院,湖北 襄阳 441021)



基于虚拟样机的打瓜捡拾脱籽联合收获机的研究

张晓红

(襄阳职业技术学院,湖北 襄阳 441021)

籽瓜是新疆地区广泛种植的经济作物之一，年均种植面积高达 26.7万 hm2。目前籽瓜种植品种日益增多，加之瓜农对籽瓜收获技术要求的不断提升，不断改进前期研制的籽瓜捡拾脱籽联合收获机以提升籽瓜收获率和瓜农收入，降低收获成本。为此，根据新疆地区对打瓜收获机械的要求，采用SolidWorks软件平台中的建模方式，构建打瓜捡拾脱籽联合收获机虚拟样机模型，并对其关键零部件参数和结构展开设计及优化，以期为类似改进研制提供重要的借鉴。

虚拟样机；打瓜；捡拾脱籽联合收获机；工作原理

0 引言

近年来，国际市场对打瓜籽需求量明显增多，新疆地区打瓜种植面积也逐年扩大，打瓜籽价格一路升高。传统打瓜收获环节依然依赖人工捡拾、喂入、机械脱落等操作，劳动强度较大、劳动效率不高。因此，加强关于打瓜收获机械的研究，对减少瓜农投入、提高瓜农收入及打瓜作业效率具有重要意义。

打瓜收获机虚拟样机设计是运用计算机完成整个产品的开发，即在虚拟环境下对产品进行设计、装配、检验及分析。借助计算机的数字化模型设计的虚拟产品代替实物模型展开仿真分析，能有效提高机具质量、成本等决策水平，确保一次性完成全局最优的产品。采用传统方法对农机产品进行研发过程中，设计人员必须经过设计、试验、修改设计、重新测试等环节，需要花费大量的时间、财力和精力。同时，部分农机产品设计问题无法在设计环节展现出来，加之，农机产品试验具有较强的季节性，在一定程度上增加产品开发周期。

本文以SolidWorks为软件平台研制打瓜收获机。该软件平台能够直观展现所研发产品的零件结构、装配关系、运动轨迹等内容，不仅提升设计人员的感性认识，也能有效缩短开发周期。

1 打瓜捡拾脱籽联合收获机工作原理

打瓜作为新疆农业产业中的重要经济作物，在其产业结构调整中占据重要比重。随着农业产业结构的调整，打瓜总体规模日益扩大，人力、生产成本消耗等问题日益突出。目前，新疆从耕地、播种、植保、取籽等环节均已达到机械化生产状态，但上述工作只占整体工作量的60%，其余部分均要采用手工作业。打瓜作业劳动强度大，且打瓜成熟之时也是棉花、玉米等农作物收获之际，劳动力明显不足；加上打瓜成熟后不宜在田地里放置过久，为打瓜收获带来一定困难。目前，新疆地区主要采用以下方式收获籽瓜：一种是利用采摘、取籽联合收获机完成作业；另一种是采用分段收获模式。前者收获模式具有机械化程度高、节约成本、效率高、省时省力等优点，但对土地有较高的要求。如果在非常恶劣的打瓜种植地开展捡拾作业，效果并不理想。因此，这种收获方式急需进一步的改进和优化。在分段收获模式中，常用的收获机械为集条机，该机把农田中自然散布的打瓜集成条形，方便后续的捡拾工作。目前，多数地区使用4DGJI-20型打瓜集条机,部分地区也采用以螺旋推运器、拾瓜滚筒为主的打瓜收获机。在上述打瓜收获机械中，多数机械属于实用新型专利，并没有获得广泛推广应用。国内的打瓜收获机械在结构和应用上依然存在一些问题，必须进一步研究、改进，才能促使其大范围推广使用。打瓜收获中对机械化参与程度要求越来越高，人工劳动强度低的机械化收获设备的要求更加迫切，机械化收获技术是未来打瓜产业发展的必然趋势。随着农业部门、科研机构、农业研究工作者等的重视和关注，打瓜生产全程机械化模式必将获得质的飞跃。研制打瓜捡拾脱籽联合收获机能填补国内打瓜机械化收获方面的空白，提升打瓜产量及工作效率。打瓜捡拾脱籽联合收获机主要由捡拾部件、机架及脱籽部件等部分组成。其中，捡拾部件包含集拢器、扎瓜齿、取瓜部件等；脱籽部件主要由进料斗、筛选部件、传动系统、螺旋输送部件等组成。整个机具由拖拉机牵引运行，具体结构如图1所示。

图1 打瓜捡拾脱籽联合收获机结构图

图1中：1、2分别表示扎齿轮和捡拾辊；3表示瓜齿分离装置；4、5依次表示U形支架、脱籽机；6表示集拢器；7、8表示油缸、地轮；9表示机架。

机具进行作业时，采用中、小型拖拉机为配套动力，借助机架带动捡拾辊向前移动，集拢器把地面上已经集条的籽瓜集拢至捡拾辊工作范围内，集拢器如图2所示。

图2 集控器简图

籽瓜将被固定于捡拾辊上的扎瓜齿由地面扎起来，并随着捡拾辊运动，入股籽瓜运动至瓜齿分离位置，瓜齿分离装置强行把籽瓜梳取下来；基于重力的作用，沿着瓜齿分离装置滚落到脱籽机进瓜口内，从而完成分离操作。分离出的瓜皮由皮口排回到田中，瓜籽由出籽口实施再次集拢、喂入、脱籽、回收等作业。运输过程中，因机具设计的油缸，促使捡拾辊得以脱离地面，防止扎瓜齿等部件损坏。

2 设计打瓜收获机参数并建模

2.1 参数化设计

参数化设计就是以打瓜捡拾脱籽联合收获机参数化模型确定尺寸与对应的关系，无需设计特定的数据。如果设计中的某个参数值改变，系统能够自动改变所有与其相关的尺寸。即利用创建的参数化模型，随机调整参数用来修改和控制机械设备的形状，快速设计出精确的产品。

本次选用的机具其参数化设计系统是以PDM系统和三维设计软件SolidWorks系统为平台，设计人员能够快速、灵活地完成设计。该平台主要由数字化设计、虚拟样机、数字化工艺规划与设计图档管理系统等部分组成。

2.2 零部件建模、装配

瓜捡拾脱籽联合收获机由捡拾滚筒、脱籽机、收拢装置和取瓜等部件构成。依据设计需求对该机具实施三维建模和装配。因该机具零部件较多，因此进行配置前要清楚掌握打瓜捡拾脱籽联合收获机层次结构及各零部件之间运动关系，制定行之有效的规划，便于快速完成一个总装配体。具体配装过程中，零部件根据添加的重合、平行、垂直、距离等配合达到设计要求。必须注意，不同的组合会获得存在明显差异的配合效果，配合情况直接影响装配体的运行效率和质量。因此，添加的配合必须满足设计意图，对各零部件进行合理的配合。进行建模时，把焊接件当做部件处理，能有效提高设计效率，灵活修改各项内容。在SolidWorks装配体环境下对建立完成的零件模型进行焊缝装配时，可通过“焊缝”命令实现，快速完成焊缝操作。

2.3 总体配件装配操作

总体配件装配是指在SolidWorks环境下把设计的零件和部件装配起来构成打瓜捡拾脱籽联合收获机。在总装过程中，捡拾辊、机架、脱籽机等部件均为子装配体。其中，底盘和脱籽机不存在相对运动，捡拾辊、油缸等子装配体内部存在相对运动，而设定为浮动状态。采用SolidWorks构建打瓜捡拾脱籽联合收获机三维模型，如图3所示。

3 建立机具虚拟样机

采用SolidWorks系统建立打瓜捡拾脱籽联合收获机虚拟样机，具有直观性强、便于修改等优点，并可检验机具强度刚度、运动仿真等情况，以此可验证本次设计的科学性、正确性。

3.1 校验零部件强度、刚度

与有限元分析软件比较，SolidWorks软件简单易学，便于操作。由于各零件应力情况并不复杂，一般设计员可借助其展开受力分析，确保整个设计简单实用。同时，对该机具各零部件静态、动态有限元应力分析过程中，及时获取应力、变形等数据展开深入分析并优化相应设计。依据分析可知，打瓜捡拾脱籽联合作业机其最大受力部位用于把捡拾辊与底盘连接的铰接板，机具进行作业时，利用铰接板牵引力驱动捡拾辊向前滚动。因此，该铰接板必须承受最大的弯矩。最初设计时，采用20mm厚度的钢板为该铰接板，运用COMMOSworks对其实施有限元分析，在铰接点位置添加相应约束，在管轴轴承位置分别添加两个250N的力，如图4所示。

图3 打瓜捡拾脱籽联合收获机三维模型图

图4 一块铰接板有限元分析简图

根据长时间的经验，农机设计材料所选用的安全系数应大于1.5，因此上述材料无法达到设计要求。所以，要挑选两块厚度为12mm钢板焊接在管轴圆周两侧，再次增设与上述分析相同的初始条件，本次设计结果安全系数达到2.08，完全满足具体设计要求。分析其原因如下：与较厚的板相比，采用两块较薄的板其安全系数约增加1倍，利用SolidWorks 自带的质量特性功能检出使用两块板比一块板质量只是增加1.2kg左右。

3.2 实现参数化设计

基于已经设计完成的打瓜捡拾脱籽联合收获机，设计员需随机对其进行改进，这就必须展开参数化设计达到产品系列化要求，在一定程度上避免设计的重复性。因采用SolidWorks创建三维模型和装配体草图尺寸、装配体尺寸均为参数化驱动结果。在 SolidWorks 环境中可通过以下方法完成机具参数化设计要求：①采用SolidWorks软件能够直接修改机具模型的尺寸、添加特征等内容， 随之另外保存为新的零件或者装配体，包含已经修改的三维特征尺寸、工程图的尺寸等。②运用 SolidWorks 所提供的 API 接口，借助 BV 等软件对机具实施二次开发，达到参数化设计要求。③机具系列零件具有一系列的共同特征，有些零件虽然外形相同但尺寸存在明显差异。借助SolidWorks所提供的系列零件设计表，根据特征预先定义某个系列零件的尺寸，随之生成相应的零件设计表， 以此生成更多的零件或装配体。

4 结论

以打瓜捡拾脱籽联合收获机作为研究依据，运用SolidWorks软件平台所提供的多种建模方式，进行了虚拟样机的建模、装配及参数化设计。实践证明：设计的打瓜收获机虚拟样机能直观展现其零件结构、运动轨迹及装配关系，在一定程度上提升设计效率和质量。

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Based on the Virtual Prototype of a Kind of Watermelon Collecting De-seeding Combine Research

Zhang Xiaohong

(Xiangyang Vocation and Technical College, Xiangyang 441021,China)

The seed of melon is widely cultivated in Xinjiang area economic one of crops, the annual average planting area up to 267000 hm2, aiming at seed melon planting varieties increased, and farmers to seed melon harvest and continuous increase of technical requirements, continuously improve the early stage of the development of melon seed collecting de-seeding joint function effectively improve seed melon harvest yield and farmers' income, decrease the cost of harvest. In this paper, according to the requirement of the xinjiang region of a kind of watermelon harvest machinery and equipment, USES the digital design method, using Solidworks software platform in the modeling way, build a kind of watermelon collecting de-seeding combine virtual prototyping model, and its key components parameters and structure design and optimization, so as to provide important reference for similar improvement research. At the same time, in the process of product development using virtual prototype technology, can effectively optimize machine design scheme, to a certain extent, shorten product development cycle, saving development costs unnecessarily.

virtual prototype; a kind of watermelon; collecting de-seeding united harvest machine; working principle

2016-05-18

湖北省教育厅科研项目(B20107502)

张晓红(1966-)，女，湖北房县人，副教授，(E-mail)zhangxiaohong1302@163.com。

S225.92

A

1003-188X(2017)07-0192-04