第一章 设计方法与实现

2.1 引言

韭菜收割机的设计过程从对韭菜收割的机械化转换，总结普通农业机械的运动模式和功能实现，到具体机构的设计构思和分析计算，产品模型的建立，工程分析和设计制造，一步一步完整走过，让整个设计路程圆满而成果丰硕。其中，数字化的设计方法和基于特征的参数化设计系统让设计过程高速而有效，对这个设计过程起到了关键性的作用。

韭菜收割机是在对常用的农业机械进行了初步探索下进行的，对农机的普遍机构进行了深入研究，并从中提取出农业机械通用的结构和使用的设计，将其精华注入到这款韭菜收割机中，力求使这款韭菜收割机能更加实用，更加合理，以弥补设计实践上的经验不足。在设计过程中，我们对部分机构进行了功能实现性的设计，机械设计分析和理论设计计算，从割刀的设计、皮带链条的设计选用到曲柄摇杆机构的急回特性应用，多方面设计研究让收割机模型更加合理。

2.2 设计内容

机械产品的设计是一个多因素、多环节、反复进行的复杂过程，它包括零部件的结构形状和尺寸位置关系的设定、材料选择、装配、工艺标准、加工制作等过程，而基于二维制图的机械设计步骤繁琐，没有直观的立体呈现，缺乏必要的形象实际的力学分析等工作，且效率低，质量无法保证。当CAD,连同CAE、CAM技术应用于现代机械设计时，这些传统的弊端一一解决，不仅提高了工作效率，而且将设计过程变得更加轻松，更加直观，更加实际和有效。这些基于特征的参数化系统在众多设计软件中体现，如Solidworks等，已成为现阶段必不可少的设计工具。

特征描述是三维造型设计的关键。Solidworks的特征设计让机械设计更加方便和高效，同时立体化设计让设计更加人性化和高度视觉美感。在对韭菜收割机进行机械设计时，主要依托Solidworks这款三维设计软件，通过它的CAD、CAE、CAM技术，进行基于参数化的模型构建，力学分析，动画仿真，模拟加工等工序。基于参数化的设计系统不仅提高了工作效率，而且将设计过程变得更加轻松，更加直观，更加实际和有效。

2.3 收割机运动实现

总体而言，这款收割机是以链轮链条传动为主，五条链条协调分布，将动力传递给各个运动机构，加之皮带传输收获的韭菜，并用皮带与农用手扶拖拉机进行连接，为收割机带来动力。

图2- 1 V带传动示意图

在与手扶拖拉机的连接中，采用了V型带传动，如图2- 1所示。带传动是一种挠性传动，具有结构简单、传动平稳、价格低廉和缓冲吸振等特点，在近代机械中应用广泛。其中，V型带因横截面呈等腰梯形，槽面摩擦可以提供更大的摩擦力，因而V型带允许的传动比大，结构紧凑，且大多数V型带已标准化。用V型带传动更能适应农用机械的要求，其低廉的价格使收割机成本降低，更适应广大农民的需求。

链条传动是农业机械中非常普遍的一种传动方式，它符合农业机械生产的要求。与带传送相比，链传送能保持准确的平均传送比，传送效率较高，且安装不需太过紧密，对轴上的径向压力较小，其较小的整体尺寸也能节省空间。此外，制造与安装精度要求较低，成本也低。图2- 2所示为链条传动模型。

图2- 2 链条传动模型

曲柄轴是本次设计的韭菜收割机中一个比较重要的部分，它将链条传来的动力经过曲柄上的曲柄传递给拉杆，并由拉杆带动铲刀的运动。曲柄轴在工作时做匀速转动，曲柄的循环转动巧妙的转换成了拉杆的线性运动，并带有曲柄摇杆的急回特性，让铲刀的运动更加有利于韭菜的切割。

割刀的设计及运动实现：为了更好地实现韭菜的切割，可以先了解了切割器的分类，切割器按照切割原理的不同分为有支撑和无支撑切割，经过查找文献可以得知：无支撑切割时，植物茎秆相当于悬臂梁，如果要想可靠的得以切割，那么要求茎秆的惯性力与反弹力应大于或等于切割的力，这种切割方式应尽可能的降低割刀的位置，并且还要有相当高的切割速度。据试验得，对于韭菜之类的细茎秆的植物切割速度应为35-40m/s。这就对机械设备提出了很高的要求，上面已介绍链传动在农业机械机械中被广泛应用，这款收割机也是如此，链传动不宜用于高速传动中。而对于茎秆细小且刚度较小的植物，取有支撑点的切割就显得尤为必要了，以小麦为例，试验得，在有支撑的切割中，0.3-0.6m/s的割刀速度，小麦被压扁和撕破，且阻力有大减小；>0.6m/s时，小麦茎秆被压扁和撕破的现象消失，阻力减少缓慢，当割刀速度大于0.8m/s时，应该就可以可靠切割了。所以此收割机模型选择了有支撑的切割器。

本款收割机选择了平面机构作为切割器的支架。然后就是割刀形状的确定了，为了使机械得到高效的利用，利用双面刀来进行切割，如图2- 3所示。

图2- 3 双刃刀切割示意图

首先，将摇杆即中间的杆2旋转到极位，然后，在装配体环境下，生成新的零件（即至上而下的设计顺序），为了更好地设计我利用日常生活中模锻的方法，先做成一块大的铁皮作为原材料，再以此原材料的一个面为基准面做草图，切割出割刀的一个刀刃；最后就是将摇杆旋转到另一个极位，以同样的方法做出另一个刀刃。这样整个刀的形状就出来了，然后再利用Solidworks simulation做刀形状设计的优化。最后确定出刀最合理的外形，加工出刀刃。

拨禾器的作用顾名思义就是将韭菜苗扶正，以便收割。拨禾器采用类似于小麦收割的样式，采用条状的拨齿进行拨禾。拨禾齿在重力的作用下保持竖直，并在遇到地面或是收割机机体时进行轴向转动，以实现正常的转动。这种结构的拨禾器结构简单，重量相对较轻，制造成本低，应用于割晒机及中小型联合收割机上，在对拨禾齿进行细化和采用橡胶材料后，其对作物的打击作用已较小，比较适合韭菜的收割。它由拨板、辐条、拨禾齿、轴和轴承等组成。工作时，拨禾器相对侧板作回转运动，拨板则起到拨禾、扶禾切割和拨送禾秆的作用。

2.4 链条传动设计计算

链轮链条的使用已经标准化，接下来需要做的就是根据现实的需要，适当的选择标准件，使之符合力学和传动要求。链轮链条的选择关系到整个动力的传输，空间的设计，工件的受力以及发动机功率的选择，对整个韭菜收割机的设计起着比较重要的作用。

链轮链条的设计有一定的公式，经过查找，得到以下关键性的几个公式：

扭矩：  

功率： 

拉力（静）: N(不考虑离心力)

速度： 

分度圆直径： mm

功率： kW  (取、分别为：1.4，1.35)

拉力（动）：  N

离心力：  N

总拉力：  N

链接数： （取整得X）

中心距：  mm

在这款韭菜收割机中，共有五个链条，分别是链条1，链条2 ... 链条5，链条的节距统一选择为12.7mm,五条链的中心距分别计算得：133.35,196.85,539.75,146.05,69.85,根据公式，就能很容易的算出了这款收割机所需的链轮的齿数，并依据国家或国际标准进行设计绘图。

2.5 杆件急回特性

曲柄摇杆机构在机械中应用很广泛，曲柄等速转动情况下，摇杆往复摆动的平均速度一快一慢，机构的这种运动性质称为急回特性。急回特性是曲柄摇杆机构的重要特性之一。为缩短空行程时间，提高生产效率，通常要利用曲柄摇杆机构的急回特性。

如图2- 4所示为曲柄摇杆机构，由拉杆2、拉杆3、曲柄轴、侧板（未画出）组成的曲柄摇杆机构是此次设计的一组急回机构，他能够在铲刀铲韭菜时拥有一个迅速向前的速度，使韭菜的切割更加轻松完美，也符合相应的力学性能。

精简化，可得到如下图所示的示意图（为表示直观，将尺寸改动）：

图2- 4 曲柄摇杆机构

图3-4-1

图2- 5所示为曲柄摇杆结构简化图，简化图中各实际尺寸为：

由图2- 5，可以求得：

急回特性系数 > 1.05 ，有较明显的急回特性。

2.6 本章小结

本章主要通过对韭菜收割机研究过程中的设计方法和设计原理的简要介绍，将本次在研究韭菜收割机过程中遇到的诸多问题进行了阐述，让韭菜收割机的面目更加清晰。

本章从设计基本方法、链条传动设计计算、收割机运动的实现、杆件急回特性等四个方面对韭菜收割机的设计理念进行简单的介绍。在实际设计中，除了介绍的这些方面外，仍然还就很多问题进行了研讨，以力求让韭菜收割机更加合理，更加实用，在此不作赘述。

第二章 第二章 计算机辅助设计

3.1 引言

Solidworks是CAD家族中重要的一员, 是本科阶段进行机械设计的有力助手,它同其他产品一样，将设计过程变得非常简洁快速,并且形象而又系统的将整个设计过程全程体现，在此次设计过程中起到了非常重要的作用。

基于solidworks的数字化设计的流程如图3- 1所示。

图3- 1 数字化设计流程图

本章主要介绍上述流程中的CAD，即计算机辅助设计部分，在接下来的章节中陆续介绍CAE和CAM部分的设计说明。

3.2 基于特征的三维CAD模型造型

零件是整个机械产品的基础，零件的模型构建关系到整个机械的结构与性能。在零件设计过程中，基于特征的三维CAD设计在solidworks中充分体现，让零件的设计更加高效。

首先在零件构建过程中，按照机械设计理念和软件的使用规范，分析零件特征组成、特征之间的关系、特征的构造顺序及其构造方法等。先将各个草图按照初步设定的设计需要大体绘制出来，然后形成参数化特征，在各个特征的基础上逐渐形成了零件雏形。

在零件构建过程中，遵从先基础件后附加件，先大件后小件的基本步骤进行零件造型。正如建造高楼时先建造出大楼的墙体，然后安装配套设备，再进行装修一样，这样的零件造型可以让产品的设计更加直观，有条理，让同步进行的装配体的构建更加合理有序。

零件的构造不是一簇而就的，在经过了装配和力学分析，动画模拟后，能够也必定会发现很多问题，如装配干涉、受力不均、功能性障碍等问题。根据这些问题，需要又再次研究，并进一步改进零件的造型，使之更加合理。

比如在侧板的模型构建过程中，先将总体的框架勾勒了出来，然后，在安装过程中为了与其他零件配合,对多处进行了细化和修改。在A处，改善了与传输带的相配结构，让韭菜使传输更顺畅。在B处改善了后板的孔结构，以便使收割机与手扶拖拉机更好配合，保证强度要求。在C处，对两个孔进行了距离的调整，以使与之配合的铲刀夹受力更均匀合理。等等这些改动还很多，韭菜收割机就是在不断的改善中进行完善的。

在设计顺序方面，首先设计了收割机的主体部分，即收割机的支架部分，这是整个机械的基础部分，也是设计的开端。其中，根据各方面的设计结果确定了各个杆件、轴的在侧板上的对应位置。然后，建立各个杆件的零件模型，皮带和链条的零件模型。这些都是在一定的理论计算的基础上参照相应标准进行的参数化设计，虽然部分模型建立较复杂，但设计内容较少，相对简单。接着，将设计好的割刀模型、与割刀相关的支撑板及连杆等、拨禾器等进行建模。下一步就是对运动实现相关的机构进行设计建模，主要是对支撑架（即侧板）的修改和完善。最后，在结合装配体进行标准件的建模和各个零件尺寸形状的进一步修改和确定。

3.3 装配体设计

任何机器都是由若干零部件组成。按规定的技术要求，将零部件进行配合和连接，使之成为半成品或成品的工艺过程称为装配。

在零件造型的过程中，同步进行了装配体的构建，这样一来可以有条不紊的将整个装配体无缺无漏的构建，二来又能在装配过程中及时发现零件的可能存在的不合理要素，从而返回零件中进行修改。而且从总体到细化也符合一般产品设计的设计思路，因为构建零件时是从主要的基础的零件开始，再到细小处零件的。从零件到装配体,首先要分析零件的组成、零件之间的装配关系、装配顺序及其装配方法。然后再插入基础零件（根据需要，由于侧板与其他零件的装配关系较多，在此将侧板作为基础零件），再组装其他零件或子装配。装配中还需要确立装配约束，确定装配约束是确定基准件和其它组成件的定位及相互约束关系，主要由装配特征、约束关系和装配设计管理树组成。装配体中需要建立各种配合关系，如重合、平行、同心、距离、相切、对称、等距等，这让各个零件有序的结合在一起，根据设计需要实现特定的运动或装配形式。

图3- 2 韭菜收割机装配模型

装配体的构建过程中出现了很多问题，这是设计过程中不可避免的，如静态干涉、动态干涉等，静态干涉检查是指在特定装配结构形式下，检查装配体的各个零部件之间的相对位置关系是否存在干涉；而动态干涉检查是在运动过程中是否存在零部件之间的运动干涉。通过干涉检查可以发现所设计的零件在装配体中不正确的结构部分，然后根据装配体的结构和零部件的干涉情况修改零件的原设计模型。在出现问题后，首先分析问题出现的原因，然后规划出合理的优化方案，并将修改转入到零件图中体现。这样在问题不断出现中，在零件结构不断的改进中，韭菜收割机的装配体模型就慢慢建立起来了，如图3- 2所示为本团队设计开发的韭菜收割机装配图。

3.4 工程图设计

人们常常把工程图样称为“工程界的语言”。在进行机械设计时，工程图的生成是必不可少的。在日常生活中，人们大部分是通过语言和文字来交流思想的，但在工程上仅靠语言来描述是很困难的。例如，端盖是一个简单的零件，可以试着用语言来描述它的形状和大小，即使表达得很清楚，听的人也不一定能完全正确理解。因此，在工程上常常将物体按一定的投影方法和技术规定表达在图纸上，用以表达机件的结构形状、大小及制造、检验中所必需的技术要求。本款韭菜收割机的设计就是向着制造而去的，所以，工程图是必须存在的。

在绘制工程图时，运用solidworks的工程图编辑模块，很方便地将工程图绘制成型。首先，对各个零件进行了包括材料在内的属性设置，然后采用A4工程图纸，并对其进行了模版的设计改动，以更适应设计和使用。接着，将总装配体导入工程图，精心挑选视图并合理安排视图位置，导入编号和必要的尺寸，添加公差、粗糙度、明细栏及书写注释等，如图3- 3所示为收割机装配体收割部分的工程图。

图3- 3 收割机装配体工程图

3.5 运动仿真

随着计算机应用技术的发展, 计算机仿真已成为现代极为重要的科研手段, 在可行性论证、工程设计和寻求最佳方案等方面发挥着重要作用。目前, 运动仿真已经向三维实体化发展, Solidworks 就是基于Windows 平台的三维实体造型软件, 具有强大的特征建立能力和装配控制功能。借助于这项功能，工程师们可以在计算机上建立机械系统的虚拟模型，伴之以三维可视化处理，模拟其在现实环境下系统的运动和动力特性，并根据仿真的结果来精化和优化系统的设计。计算机运动仿真技术已经越来越成为人们代替或部分代替样机制作、工艺试验，以获取所需数据结果并最终完成对产品的性能测试及验证的有力技术手

在这款韭菜收割机模型中，用solidworks建立了一个运动算例，并将动力安装在手扶拖拉机上，通过皮带将动力传送到传动轴，然后通过传动轴将轴向的转动传到齿轮，用链条将动力传送到整个收割机。所以，在运动仿真时将马达装在了手扶拖拉机的飞轮上，通过一系列的配合和结构关系实现了收割机的运动仿真。其中，通过经验和计算，在此确定飞轮的转速为100转/分，并通过仿真验证了其合理行。

通过运动仿真，初步验证了韭菜收割机的运动合理性，并在细节上进行了一定的休整，使运动更加合理化，实用化和人性化。

3.6 本章小结

本章通过对基于特征的零件造型、装配体的构建、生成工程图和运动仿真的简单介绍，再现了韭菜收割机的Solidworks建模和仿真过程。在建模和仿真过程中，就出现的一系列的问题，在此进行了研讨和分析，并将合理的整改方案落实到了各个零件或者装配体中，让收割机更加完善。Solidworks辅助设计是进行机械设计的有利帮手，在高效简化和系统规范的设计过程中，这款韭菜收割机的设计工作更加卓有成效。

第三章 第三章 计算机辅助工程分析

4.1 引言

计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）就是以工程和科学问题为背景，建立计算模型并进行计算机仿真分析。在现代工程设计中, 通常利用有限元分析的原理来进行计算机仿真模拟, 以代替传统的现场测试方法。

有限元法是分析工程设计的可靠数学方法, 它将整个系统离散为有限个元素, 并利用能量最低原理与泛函数值定理将其转换成一组线性联立方程组, 处理过程简单明了, 适宜于对线性问题与非线性问题的处理。在Solidworks中采用simulation有限元分析插件对已建立的三维实体模型进行有限元分析。

4.2 曲轴力学模型的选择与建立

曲轴是我们整个机器重要的旋转机件，它与连杆1、连杆2以及机架共同组成曲柄四杆机构，如图4- 1所示为曲轴三维模型。曲轴的刚度与变形量对机器的正常运转有着至关重要的影响，经过分析可得，当曲轴与连杆1重合时，剪刀做切割运动，曲轴受力最大，下面根据实际工作参数介绍曲轴的受力情况，载荷受力示意图如图4- 2所示。

图4- 1 曲轴三维模型

设P0为发动机的输出功率，η为传递效率。则根据功率方程：

P有用= P0*（1-η）

设ω为曲轴的转动角速度。则曲轴的转动力矩M1：

M1= P有用/ω

设曲轴半径r，切向力大小为：

Fτ= M1/r

设连杆到曲轴轴线的距离为d，切向力为F，根据曲轴的轴线矩平衡：

F1*d+F2*d+F3*d+F4*d=M1

设曲柄与连杆的夹角为β，曲轴所受的径向力的大小为：

Fr=F1/tanβ

图4- 2 局部载荷受力示意图

曲轴材质选择了合金钢，使用的失效准则为最大von Mises 应力，主要参数如表4- 1所示。

表4- 1 材料参数表

属性名称	数值	单位	数值类型
弹性模量	2.1e+011	N/m^2	恒定
泊松比	0.28	NA	恒定
抗剪模量	7.9e+010	N/m^2	恒定
质量密度	7700	kg/m^3	恒定
张力强度	7.2383e+008	N/m^2	恒定
屈服强度	6.2042e+008	N/m^2	恒定

4.3 载荷添加及网格划分

当曲轴受力最大时，即当曲轴与连杆1重合时，由曲轴力学模型的分析可得：Fτ=300N，Fr1 =300N，Fr2=300N，Fr3 =300N，Fr4=300N，F1=F2=F3=F4=0。

单击simulation选项卡中“运行”的下拉菜单“生成网格”。选择合适的网格大小，如需要在局部几何形状变化较大的地方进行网格的细化，可以手动进行控制。

表4- 2所示为网格划分信息，图4- 3 网格划分模型所示为在该信息设置下的网格模型。

表4- 2 网格划分信息

网格类型:	实体网格
所用网格器:	标准网格
光滑表面:	打开
雅可比检查:	4 Points
单元大小:	6.0406 mm
公差:	0.30203 mm
品质:	高
单元数:	7909
节数:	14210

图4- 3 网格划分模型

4.4 运行分析与实验结果

² 应力分析

此应力分析为von Mises应力分析，von Mises （米塞斯）是一种屈服准则，它的物理描述：在一定的变形条件下，当材料的单位体积形状改变的弹性位能又称弹性形变能达到某一常数时，材料就屈服。其值通常称为等效应力即von Mises 等效应力，它遵循材料力学的第四强度理论（形状改变比能理论），认为形状改变比能是引起屈服的主要因素。当然，也可以“编辑定义”更改为第一应力或法向应力等其他类型，不过对于一般材料（非脆性）在外力作用下产生塑性变形，以流动形式破坏时，von Mises更符合实际。图4- 4所示为曲轴模型的应力图，表4- 1所示为应力的最大最小值及其位置。

图4- 4 曲柄轴应力图

表4- 3 最大最小应力及位置

名称	类型	最小	位置	最大	位置
应力1	VON:von Mises 应力	0.0398324 N/mm^2 (MPa) 节: 14040	(-0.0811959 mm, 688.5 mm, 4.99986 mm)	454.666 N/mm^2 (MPa) 节: 13146	(-20.4769 mm, 644.818 mm, 0.535916 mm)

² 位移分析

由于此结构为简支梁模型，而且图表分析可得，构件中间发生弯曲变形最严重，最大位移在图中红色区域，其值为5.08mm，所得结果与预测相符合。

图4- 5曲柄轴应变位移力图

表4- 4 最大最小应变及位置

名称	类型	最小	位置	最大	位置
位移1	URES:合位移	0 mm 节: 1	(-1.5 mm, -47.5 mm, 5.80948 mm)	5.0839 mm 节: 10271	(-52.9781 mm, 291.016 mm, 8.92551 mm)

² 安全系数

该结果显示的是安全系数（FOS），该系数是材料的屈服强度与实际应力的对比值。准则为最大von Mises 应力，当等效应力达到材料的屈服强度时，材料开始屈服，即安全系数等于1.0时表示该位置的材料刚开始屈服。由图4- 6可看出，该零件的最小安全系数为1.4，所以该零件安全。

图4- 6曲柄轴安全系数分析图

第一章 4.6本章小结

经过模拟零件工作的载荷环境，从零件的应力、应变、位移变形云图和安全系数等的综合分析可知，该零件所选材料及其结构设计较为合理，既满足工作强度和刚度的要求，又符合经济性原则。