戴有華， 段元帥

(江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇句容 212400)

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基于UG的手扶式茶樹修剪機(jī)的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)與分析

戴有華， 段元帥

(江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇句容 212400)

手扶式茶樹修剪機(jī)是為丘陵山地茶園設(shè)計(jì)的一種輕小型、易操作的修剪機(jī)。在分析了整機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，應(yīng)用UG軟件對手扶式茶樹修剪機(jī)進(jìn)行虛擬樣機(jī)創(chuàng)建，并對虛擬樣機(jī)進(jìn)行了干涉檢查以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和刀片工作性能分析，保證了該修剪機(jī)的設(shè)計(jì)合理性和實(shí)物樣機(jī)的制造質(zhì)量。

茶樹修剪機(jī)；手扶式；虛擬樣機(jī)；UG

茶樹是我國丘陵山區(qū)的主要經(jīng)濟(jì)作物，2013年，我國茶園面積達(dá)257.9萬hm2，茶產(chǎn)量為193.0萬t[1]，均名列世界第一。茶葉產(chǎn)業(yè)是勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，勞動(dòng)力成本占生產(chǎn)成本的40%以上[2]，茶葉生產(chǎn)、加工過程的機(jī)械化程度不高，制約了茶葉生產(chǎn)的發(fā)展。茶樹修剪是實(shí)現(xiàn)茶葉優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的一項(xiàng)重要技術(shù)措施[3]，如果采用人工修剪，每天僅能修剪茶園0.08～0.12 hm2，而一臺(tái)修剪機(jī)每天則可修剪茶園0.43～0.63 hm2，且機(jī)剪的茶樹蓬面平整度高[4]。目前，市場上現(xiàn)有的茶樹修剪機(jī)主要是單人手提式茶樹修剪機(jī)和雙人抬式茶樹修剪機(jī)2類。筆者在分析丘陵山區(qū)茶園特點(diǎn)和現(xiàn)有各種茶樹修剪機(jī)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，應(yīng)用UG軟件對手扶式茶樹修剪機(jī)進(jìn)行了虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)，以期研制結(jié)構(gòu)緊湊、輕便易用、修剪效果好的手扶式茶樹修剪機(jī)，滿足丘陵山區(qū)茶樹機(jī)械化修剪要求。

1 虛擬樣機(jī)技術(shù)

虛擬樣機(jī)技術(shù)就是在制造第1臺(tái)物理樣機(jī)之前，設(shè)計(jì)師利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)字化模型，進(jìn)行仿真分析并以圖形方式顯示該系統(tǒng)在真實(shí)工程條件下的各種特性，從而修改并得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)[5]。虛擬樣機(jī)是一種計(jì)算機(jī)模型，它能夠反映實(shí)際產(chǎn)品的特性，包括外觀、空間關(guān)系以及運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的特性[6]。虛擬樣機(jī)技術(shù)是一門綜合多學(xué)科的技術(shù)，為研發(fā)機(jī)械產(chǎn)品提供了一種全新的設(shè)計(jì)方法。利用虛擬樣機(jī)代替物理樣機(jī)對產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)、測試和評估，可以縮短開發(fā)周期、降低成本，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量[7]。提供虛擬樣機(jī)分析的軟件比較多，該研究選用UG軟件。UG軟件是一個(gè)集成化的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)軟件，可以對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)、工程分析、數(shù)控程序編制等，為虛擬產(chǎn)品開發(fā)提供了完整的解決方案[8]。

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu) 手扶式茶樹修剪機(jī)主要由機(jī)架、行走降速用變速箱、刀片、修剪驅(qū)動(dòng)用變速箱、鋼絲軟軸、定位螺栓、方向調(diào)整用變速箱、帶傳動(dòng)、汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、扶手、鏈傳動(dòng)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。機(jī)架上承載了發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)部件、修剪部件，機(jī)架下方安裝車輪，后側(cè)裝有扶手。傳動(dòng)系統(tǒng)由3部分組成：行走降速用變速箱和鏈傳動(dòng)將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳至后輪所在軸；帶傳動(dòng)和方向調(diào)整用變速箱將發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力分成兩路,用以驅(qū)動(dòng)左右兩側(cè)的刀片做修剪運(yùn)動(dòng)；鋼絲軟軸和修剪驅(qū)動(dòng)用變速箱將修剪動(dòng)力分別傳給左右兩側(cè)的刀片。修剪驅(qū)動(dòng)用變速箱外側(cè)的兩個(gè)凸耳與車架頂部的安裝結(jié)構(gòu)、定位螺栓組成刀片位置調(diào)節(jié)裝置，用以調(diào)節(jié)刀片處于水平修剪位置或豎直修剪位置。刀片選用往復(fù)式齒條形狀的刀片，結(jié)構(gòu)緊湊、割幅大。

注：1.機(jī)架；2.行走降速用變速箱；3.刀片；4.修剪驅(qū)動(dòng)用變速箱；5.鋼絲軟軸；6.定位螺栓；7.方向調(diào)整用變速箱；8.帶傳動(dòng)；9.汽油發(fā)動(dòng)機(jī)；10.扶手；11.鏈傳動(dòng)。Note: 1. Frame; 2. Gearbox for walking down speed; 3. Blade;4.Gearbox for pruning drive; 5. Wire flexible shaft; 6. Fixed position bolt; 7. Gearbox for direction adjustment; 8. Belt drive; 9. Gasoline engine; 10. Handrail; 11. Chain transmission. 圖1 手扶式茶樹修剪機(jī)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of walking type tea plants pruning machine

2.2 工作原理 手扶式茶樹修剪機(jī)在行進(jìn)時(shí)，先啟動(dòng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，松開控制行走動(dòng)力的離合器，此時(shí)，修剪機(jī)自動(dòng)前行，修剪刀片處于不工作狀態(tài)，通過扶手調(diào)整前輪的偏轉(zhuǎn)角度，可控制修剪機(jī)的行進(jìn)方向，修剪機(jī)的后輪有2個(gè)，輪間距與茶樹行間距匹配。手扶式茶樹修剪機(jī)在進(jìn)行豎直修剪時(shí)，先拉住控制行走動(dòng)力的離合器和制動(dòng)器，使修剪機(jī)處于停止前進(jìn)狀態(tài)，再通過刀片位置調(diào)節(jié)裝置將刀片調(diào)整至豎直方位，松開控制修剪動(dòng)力的離合器，可動(dòng)刀片來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，與固定刀片共同形成修剪動(dòng)作，之后，松開控制行走動(dòng)力的離合器和制動(dòng)器，修剪機(jī)從兩行茶樹中間的過道行進(jìn)時(shí)，即可修剪兩行茶樹處于過道一側(cè)的枝條，形成平齊的豎直面。手扶式茶樹修剪在進(jìn)行水平修剪時(shí)，操作過程與進(jìn)行豎直修剪時(shí)相似，只是需要將刀片調(diào)整至水平方位，即可修剪過道兩側(cè)的茶樹成平齊的上表面。

3 虛擬樣機(jī)的創(chuàng)建

3.1 各組成部件的三維建模 UG軟件的三維建模一般通過草圖繪制、拉伸(旋轉(zhuǎn)、掃描)、布爾運(yùn)算、特征操作等命令實(shí)現(xiàn)。手扶式茶樹修剪機(jī)的組成部件較多，有些部件對修剪機(jī)的性能影響較大，如機(jī)架、刀片、修剪驅(qū)動(dòng)用變速箱等，需要根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)精確創(chuàng)建，以利于之后進(jìn)行虛擬樣機(jī)分析；另有一些部件對修剪機(jī)的性能影響不大，如汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、車輪等，則可以在保證幾個(gè)外觀尺寸精確的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)近似創(chuàng)建。

該研究對機(jī)架、刀片、修剪驅(qū)動(dòng)用變速箱的三維建模過程進(jìn)行簡述。創(chuàng)建機(jī)架時(shí)，首先創(chuàng)建機(jī)架中部的彎折U形結(jié)構(gòu)，然后創(chuàng)建傾斜的扶手穿過的管，再創(chuàng)建2根傾斜的連接彎折U形結(jié)構(gòu)與傾斜管的桿，最后創(chuàng)建機(jī)架上部用于承載方向調(diào)整用變速箱和修剪驅(qū)動(dòng)用變速箱的結(jié)構(gòu)。機(jī)架的三維模型如圖2所示。在機(jī)架的三維建模過程中，采用草圖繪制、拉伸等命令，不采用掃描命令，以利于所得各面平整，便于各部分結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格貼合。創(chuàng)建刀片時(shí)，由于刀片由結(jié)構(gòu)尺寸相同的活動(dòng)刀片和固定刀片2部分組成，可以先創(chuàng)建一側(cè)的刀片，然后鏡像得到另一側(cè)刀片即可。刀片的三維模型如圖3所示。在創(chuàng)建刀片刃口傾斜角度時(shí)，可以通過拔模命令實(shí)現(xiàn)。創(chuàng)建修剪驅(qū)動(dòng)用變速箱時(shí)，主要通過多次的拉伸和布爾運(yùn)算命令實(shí)現(xiàn)，變速箱的三維模型如圖4所示。其中，修剪驅(qū)動(dòng)用變速箱外殼上的孔和長凸耳上的孔被穿住時(shí)，刀片處于豎直方位；修剪驅(qū)動(dòng)用變速箱外殼上的孔和短凸耳上的孔被穿住時(shí)，刀片處于水平方位，因此，這3個(gè)孔的位置設(shè)計(jì)要很精確。

圖2 機(jī)架的三維模型Fig.2 Three dimensional model of frame

圖3 刀片的三維模型Fig.3 Three dimensional model of blade

圖4 修剪驅(qū)動(dòng)用變速箱的三維模型Fig.4 Three dimensional model of gearbox for pruning drive

3.2 整機(jī)的虛擬裝配 UG軟件的虛擬裝配一般通過添加組件的方式逐一裝配零部件，首次添加的零部件通過絕對原點(diǎn)命令將其定位到裝配空間，后續(xù)添加的零部件通過裝配約束來定義零部件之間的位置關(guān)系。在手扶式茶樹修剪機(jī)的裝配過程中，可以參考實(shí)際生產(chǎn)中的裝配順序，先添加機(jī)架，再依次添加扶手、車輪、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、刀片等零部件，并通過一定的約束關(guān)系來完成虛擬裝配。虛擬裝配完成后，手扶式茶樹修剪機(jī)的裝配模型如圖5所示。

圖5 手扶式茶樹修剪機(jī)的裝配模型Fig.5 Assembly model of walking type tea plants pruning machine

4 虛擬樣機(jī)分析

4.1 干涉檢查 UG軟件的裝配干涉檢查功能是對裝配體中各零部件之間干涉情況的檢查，直觀地干涉位置，以便及時(shí)進(jìn)行修改，保證設(shè)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性。在裝配建模環(huán)境下，應(yīng)用分析工具中的簡單干涉命令，選取可能存在相互干涉的2個(gè)零部件進(jìn)行分析，如果存在干涉情況，則會(huì)以高亮的顏色顯示出來。經(jīng)干涉檢查得知，手扶式茶樹修剪機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)合理，不存在干涉情況。

4.2 受力分析 UG軟件的高級仿真功能可以對整個(gè)模型進(jìn)行有限元分析，從而直觀地顯示其受力后的變形和應(yīng)力等情況。手扶式茶樹修剪機(jī)在修剪過程中，受到樹枝的阻力，為了保證修剪機(jī)能節(jié)省材料且有足夠的強(qiáng)度，預(yù)定滿負(fù)荷工作時(shí)受到400 N阻力的情況下，進(jìn)行修剪機(jī)的受力分析。為了分析過程的順利進(jìn)行，先對手扶式茶樹修剪機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，保留機(jī)架、修剪驅(qū)動(dòng)用變速箱、刀片等與受力分析有主要關(guān)系的零部件，并去除圓角等特征，然后在高級仿真環(huán)境下，設(shè)置零部件材料為鋼，進(jìn)行3D四面體網(wǎng)格劃分，再設(shè)置機(jī)架中傾斜管的外圓柱面為固定約束面，設(shè)置刀片刃口表面為受到修剪阻力的面，最后進(jìn)行解算得到分析結(jié)果。手扶式茶樹修剪機(jī)在修剪過程中，主要承受修剪阻力部件的受力變形云圖如圖6所示。由分析結(jié)果可知，整機(jī)的受力強(qiáng)度足夠，但是刀片不宜太長，否則會(huì)出現(xiàn)刀片剛度不足的情況。

圖6 主要承受修剪阻力部件的受力變形云圖Fig.6 Deformation cloud image of main bearing pruning resistance component

4.3 運(yùn)動(dòng)分析 UG軟件的運(yùn)動(dòng)仿真功能可以對整個(gè)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)分析，從而直觀地顯示其工作部件的運(yùn)動(dòng)情況。手扶式茶樹修剪機(jī)工作時(shí)，活動(dòng)刀片一邊隨著修剪機(jī)前行，一邊做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。預(yù)定修剪機(jī)的行進(jìn)速度為90 m/min、刀片運(yùn)動(dòng)速度為2 000次/min。在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析時(shí)，由于手扶式茶樹修剪機(jī)兩側(cè)的刀片是對稱布置的，故可以選其中一側(cè)進(jìn)行分析即可。另外，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)處于修剪機(jī)下方的長方體作為地面。在高級仿真環(huán)境下，定義地面作為固定連桿，定義修剪機(jī)機(jī)架、修剪驅(qū)動(dòng)用變速箱里的曲柄和連桿、刀片等作為連桿，并添加連桿之間的滑動(dòng)副或旋轉(zhuǎn)副，設(shè)置機(jī)架相對地面之間滑動(dòng)副的驅(qū)動(dòng)速度為15 000 mm/s，設(shè)置曲柄相對回轉(zhuǎn)軸之間旋轉(zhuǎn)副的驅(qū)動(dòng)速度為12 000°/s，最后進(jìn)行解算得到運(yùn)動(dòng)分析動(dòng)畫和指定的運(yùn)動(dòng)分析曲線。以時(shí)長1 min為例來看，修剪時(shí)刀片的速度加速度曲線如圖7所示。由分析結(jié)果可知，刀片運(yùn)動(dòng)基本平穩(wěn)，整機(jī)存在輕度的振動(dòng)。

圖7 修剪時(shí)刀片的速度加速度曲線Fig.7 The velocity acceleration curve of the cutting blade

5 結(jié)論

在我國，虛擬樣機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備設(shè)計(jì)開發(fā)中得到了越來越多的推廣應(yīng)用。通過對手扶式茶樹修剪機(jī)的結(jié)構(gòu)分析，在UG軟件中建立了修剪機(jī)的虛擬樣機(jī)模型，進(jìn)而對主要承受修剪阻力的零部件做了有限元分析，對修剪機(jī)作業(yè)時(shí)刀片的運(yùn)動(dòng)情況做了動(dòng)力學(xué)分析，結(jié)果表明，手扶式茶樹修剪機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸合適，使用性能良好，可以根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果制造實(shí)物樣機(jī)。

[1] 陳宗懋．中國茶產(chǎn)業(yè)的展望[J]．中國茶葉加工，2014(4)：1.

[2] 肖宏儒，秦廣明，宋志禹．茶園管理機(jī)械化發(fā)展戰(zhàn)略與重點(diǎn)[J]．湖北農(nóng)機(jī)化，2013(12):12-17.

[3] 余云珍．淺談茶樹的修剪技術(shù)[J]．中國茶葉，2007，29(4):29.

[4] 肖宏儒，張萌，李德權(quán)，等．我國茶葉生產(chǎn)機(jī)械化發(fā)展現(xiàn)狀及戰(zhàn)略分析[J]．茶葉科學(xué)技術(shù)，2008(2):21-23.

[5] 宋?。贏DAMS的虛擬樣機(jī)技術(shù)研究綜述[J]．濰坊學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，6(6):72-75.

[6] 王長春．基于ADAMS的虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2007(9):184-186.

[7] 易軍，安寧，劉小鵬．機(jī)電產(chǎn)品虛擬樣機(jī)技術(shù)研究與展望[J]．湖北工學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，19(3):116-118.

[8] 胡仁喜，劉昌麗．UG NX9.0 動(dòng)力學(xué)與有限元分析從入門到精通[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

Virtual Prototype Design and Analysis of Walking Type Tea Plants Pruning Machine Based on UG

DAI You-hua, DUAN Yuan-shuai

(Jiangsu Vocational College of Agriculture and Forestry, Jurong, Jiangsu 212400)

Walking type tea plants pruning machine is a light-small and easy to operate pruning machine, designed for hilly mountain tea garden. On the basis of the analysis of the whole structure and working principle, a virtual prototype of walking type tea plants pruning machine was created by UG software. Then the interference check of the virtual prototype was carried out, the structural strength and blade performance were analyzed. It ensured the design rationality of the pruning machine and the manufacturing quality of the physical prototype.

Tea plants pruning machine; Walking type; Virtual prototype; UG

戴有華(1980- )，男，江蘇江都人，講師，碩士，從事數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造、農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備研究。

2016-09-28

S 224.3

A

0517-6611(2016)32-0197-03