本文探討了應(yīng)用SolidWorks設(shè)計(jì)拋送式棉秸稈粉碎還田機(jī)相關(guān)內(nèi)容。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用和設(shè)計(jì)方法的不斷更新，SolidWorks是一套應(yīng)用在Windows系統(tǒng)下的3D實(shí)體模型構(gòu)建軟件，它的三維設(shè)計(jì)功能強(qiáng)大，界面友好，能讓使用者以簡(jiǎn)單的操作方式進(jìn)行高效的產(chǎn)品設(shè)計(jì)²。其提供的基于特征選型的參數(shù)化造型功能，更是為開發(fā)者提供了良好的開發(fā)環(huán)境。在拋送式棉秸稈粉碎還田機(jī)的設(shè)計(jì)中也可以采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，從而實(shí)現(xiàn)快速、高效的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，計(jì)算機(jī)仿真已成為現(xiàn)在重要的科研手段，不僅在可行性論證、工程設(shè)計(jì)和尋求最佳方案等方面發(fā)揮著重要作用，而且可以縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高工作效率。

　　1整機(jī)機(jī)構(gòu)仿真分析

　　虛擬樣機(jī)(Virtual Machine)技術(shù)指在制造第一臺(tái)物理樣機(jī)之前，以機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、多體動(dòng)力學(xué)、有限元分析和控制理論為核心，將產(chǎn)品各零件的設(shè)計(jì)和分析集成在一起，建立機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，從而為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、研究、優(yōu)化提供基于計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)的研究平臺(tái)。因此虛擬樣機(jī)亦被稱為數(shù)學(xué)化功能樣機(jī)。

　　進(jìn)行產(chǎn)品三維設(shè)計(jì)的同時(shí)，運(yùn)用分析仿真軟件(CAE)對(duì)產(chǎn)品工作性能進(jìn)行模擬仿真，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，根據(jù)分析仿真結(jié)果，運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改。重復(fù)上述仿真，找錯(cuò)、修改的過程，不斷對(duì)產(chǎn)品社會(huì)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，直至達(dá)到一定的設(shè)計(jì)要求。

　　1.1主要部件模型的建立

　　在對(duì)機(jī)具進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真之前，先進(jìn)行其零件主模型的建立及整機(jī)虛擬裝配。利用機(jī)具的結(jié)構(gòu)尺寸建立其主模型。秸稈粉碎還田及回收機(jī)采用由框架到零部件的裝配形式。整機(jī)的零件較多，為了使裝配緊湊，在組裝前，將某些相對(duì)固定配合在一起的零件先組裝成部件。在秸稈粉碎還田及回收機(jī)裝配過程中，有機(jī)架部件、動(dòng)刀輥部件、懸掛架部件、限深輪部件、回收送料斗部件、軸承、皮帶輪等小零件。

　　1.2動(dòng)態(tài)干涉檢查

　　運(yùn)動(dòng)仿真的一個(gè)重要的內(nèi)容就是進(jìn)行零件之間的干涉檢查，對(duì)整體結(jié)構(gòu)及尺寸進(jìn)行檢查與驗(yàn)證，使設(shè)計(jì)趨于合理。圖1為了分析秸稈粉碎還田及回收機(jī)主要工作部件動(dòng)刀輥上甩刀運(yùn)動(dòng)軌跡及其與相關(guān)部件間的相對(duì)位置關(guān)系，通過SolidWorks軟件，對(duì)甩刀運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤分析，以便對(duì)甩刀在實(shí)際工作狀態(tài)中的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析研究。以動(dòng)刀輥上甩刀為研究對(duì)象，對(duì)其在工作中的運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行跟蹤，顯示不同時(shí)刻甩刀運(yùn)動(dòng)位置的變化。通過分析甩刀在運(yùn)動(dòng)過程中的角加速度及角速度的運(yùn)動(dòng)曲線，就可以判斷出甩刀與粉碎室間及定刀是否發(fā)生了干涉，如果發(fā)生干涉可以迅速的查明甩刀和什么機(jī)構(gòu)干涉，并做一調(diào)整。圖2

　　2動(dòng)刀輥的運(yùn)動(dòng)仿真分析

　　2.1動(dòng)刀輥的設(shè)置

　　為了研究動(dòng)刀輥的動(dòng)平衡問題，設(shè)置了一種動(dòng)刀輥，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。由動(dòng)刀輥的結(jié)構(gòu)可知，由于機(jī)具動(dòng)刀輥兩端軸承與機(jī)架相連，刀座固接在動(dòng)刀輥上，可將其視為一體定義為一個(gè)構(gòu)件。甩刀通過銷軸與刀座相連，并通過連接銷同刀軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，故每一組甩刀、鉸鏈及其上連接螺栓可視為一個(gè)構(gòu)件。圖3、圖4

　　2.2設(shè)置仿真參數(shù)

　?、賱?chuàng)建運(yùn)動(dòng)副：運(yùn)動(dòng)副用來定義兩構(gòu)件間的連接方式。由于機(jī)具動(dòng)刀輥兩端軸承與機(jī)架相連，刀座固接在動(dòng)刀輥上，可將其視為一體，且為固定件。該構(gòu)件通過兩端軸承作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，因而，在刀軸兩端分別設(shè)置兩個(gè)固定的轉(zhuǎn)動(dòng)副，甩刀與銷子約束為同軸，有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，并在其中一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副的Motion Driver中填入相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。該機(jī)構(gòu)為加速一勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。采用0~2S為步進(jìn)函數(shù)，從0加速到10 800 deg/s，2 S以后為衡速10 800 deg/s。圖5

　?、诙x3D碰撞：甩刀與銷子約束為同軸，有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，在COSMOSMotion界面，定義3D碰撞，選擇動(dòng)刀輥為容器，將其余甩刀設(shè)為可與第一個(gè)容器中的動(dòng)刀輥碰撞的零件。

　?、圩枘嵩O(shè)置：對(duì)甩刀與銷子添加旋轉(zhuǎn)阻尼，可以在運(yùn)動(dòng)過程中逐步消耗能量，逐步降低運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)，對(duì)甩刀與銷軸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)起反力。選擇第一個(gè)部件為甩刀，第二個(gè)部件為銷軸，選擇位置為甩刀與銷軸的接觸圓弧線，選擇方向?yàn)樗Φ兜膫?cè)面。通常阻尼系數(shù)是剛度的0.1%～1%?，F(xiàn)取50N-mm(see/deg)。

　　④重力設(shè)置：在參數(shù)預(yù)設(shè)置中，默認(rèn)長度單位為°，時(shí)間單位為s，力的單位為N，重力加速度為-9 810mm/s2，方向沿z軸的負(fù)方向。

　　2.3動(dòng)刀輥動(dòng)平衡的校核

　　動(dòng)刀輥兩端軸承受力結(jié)果為，到達(dá)1.6 S左右時(shí)動(dòng)刀輥運(yùn)動(dòng)平衡，軸端所受力為自身的重力。當(dāng)動(dòng)刀輥轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，基本上滿足動(dòng)平衡的要求。圖6

　　3甩刀的有限元分析

　　甩刀是棉稈粉碎機(jī)具的關(guān)鍵部件。由于刀輥?zhàn)龈咚俎D(zhuǎn)動(dòng)n=1 800 r/min，并在旋轉(zhuǎn)過程中切割棉稈，所以甩刀切割作物時(shí)受到很大的沖擊載荷。在工作條件下，甩刀的強(qiáng)度、抗沖擊性、疲勞強(qiáng)度以及可靠性方面都有一定的要求。因此，對(duì)甩刀進(jìn)行有限元分析，分析其在工作狀態(tài)下應(yīng)力分布的狀況，是甩刀設(shè)計(jì)過程不可少的環(huán)節(jié)之一。

　　3.1甩刀的有限元計(jì)算結(jié)果

　　已知粉碎單株棉稈時(shí)所需剪切力的大小為6.5~19.9 MPa，可以將其做為參考。為增大安全性并選取其上限19.9 MPa為甩刀切割單株棉稈所受的力。對(duì)甩刀施加約束并在刀刃上施加F=19.9×πr*r=000 N的載荷(式中r為棉稈半徑)，隨后進(jìn)行求解運(yùn)算。圖7

　　在不同工況下，甩刀的應(yīng)力分布及所受的最大應(yīng)力。由此，可得當(dāng)甩刀同時(shí)切割兩組棉稈時(shí)的甩刀所受應(yīng)力最大，固選擇該種狀況下甩刀所受得最大應(yīng)力進(jìn)行甩刀的強(qiáng)度校核。圖7

　　由圖7可知該狀況下甩刀所受最大應(yīng)力為：σmax=2.848*100000000n/m²

　　3.2甩刀的應(yīng)力分析結(jié)果

　?、購?qiáng)度校核檢驗(yàn)條件：[σ]> σmax;[σ]材料的許用應(yīng)力，N/m²;σmax實(shí)際計(jì)算出的最大應(yīng)力，N/m²

　?、谟?jì)算結(jié)果

　　由上述應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)同時(shí)切割兩組棉桿時(shí)，甩刀上所受應(yīng)力最大。為安全起見以該情況下甩刀所受應(yīng)力為甩刀應(yīng)力校核的數(shù)據(jù)，校核過程及結(jié)果如下：

　　根據(jù)實(shí)際計(jì)算的應(yīng)力結(jié)果：σmax =2.848*100000000 N/m²

　　甩刀許用應(yīng)力為：[σ]=3.68*100000000N/m²，σmax。<[σ]

　　可見該機(jī)甩刀所受的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力，因此此甩刀有足夠的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。

　　4結(jié)論

　　利用SolidWorks軟件對(duì)機(jī)具進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，對(duì)其結(jié)構(gòu)、尺寸進(jìn)行檢驗(yàn)與修改。運(yùn)用SolidWorks中運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)處理方法，針對(duì)機(jī)具的機(jī)構(gòu)動(dòng)平衡，進(jìn)行了相關(guān)分析與校核，以便為機(jī)具的設(shè)計(jì)提供一定的分析方法及驗(yàn)證手段。

　?、偻ㄟ^對(duì)機(jī)具的整機(jī)裝配及仿真運(yùn)動(dòng)，對(duì)整體結(jié)構(gòu)及尺寸進(jìn)行檢查與驗(yàn)證，使設(shè)計(jì)趨于合理。

　　②以Solidwo&s分析軟件為手段，在理淪分析的基礎(chǔ)上，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬及仿真，對(duì)甩刀排列不同的動(dòng)刀輥進(jìn)行動(dòng)平衡測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與理論分析基本符合，這有助于為機(jī)具的設(shè)計(jì)與分析提供新的方法。

　　③對(duì)甩刀進(jìn)行有限元分析，根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)甩刀進(jìn)行有限元分析，經(jīng)驗(yàn)證甩刀滿足秸稈粉碎使用要求。

　　此次運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析當(dāng)中，沒有考慮到實(shí)際工況中的風(fēng)阻及物料的對(duì)動(dòng)刀輥的阻力，還有其它因素引起的變形、內(nèi)應(yīng)力和強(qiáng)度以及材料的內(nèi)部缺陷等，所以計(jì)算的結(jié)果會(huì)有一定偏差，因此以上的分析結(jié)果和建議僅僅為實(shí)際設(shè)計(jì)和制造提供輔助手段。