基于虚拟样机技术的小型履带式甘蔗联合收割机的研究
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摘要
甘蔗是我国南方诸省一种主要的经济作物，特别在广西，制糖业更是其支柱产业。目前国内基本上沿用古老的手工作业进行收割，劳动强度大，生产效率低下。国外目前成熟的甘蔗收割机都是大型的机型，适用于开阔、平坦的地貌，而我国的甘蔗种植区大多为丘陵和坡地，难以应用大型的收割机械进行作业。为达到缩短研制周期、减少研制成本的目的，应用先进的设计技术进行适合于丘陵地带的小型甘蔗收获机械的研发具有非常现实的意义。本论文运用虚拟样机技术完成了以下工作：
1、采用模块化的设计思想，并结合自下而上、自上而下两种不同的设计方法，在可视化的三维造型软件Pro／E中，完成了小型履带式甘蔗联合收割机的整机建模，并且尝试了三种不同的整体布置方案，然后在动力学仿真软件ADAMS中，求出这三种布局方案的重心位置以及它们的极限倾翻角，找出了其中最合理的布局方案。
2、通过三维造型软件Pro／E和动力学仿真软件ADAMS联合建立起收割机的扶、砍、喂功能模块虚拟样机，并以此作为平台进行仿真试验，对收割机的螺旋扶蔗器转速、安装倾角与甘蔗扶起效果的关系进行了探讨，并得出了有价值的结果；通过虚拟样机的仿真试验，研究了收割机的切割器安装位置与扶蔗器转速、机器前进速度的关系，通过对仿真结果的处理，提出了三者之间的关系为线性关系，并给出了表达三者关系的回归经验公式；通过虚拟样机进行甘蔗物流的仿真，验证了小型甘蔗收割机整机模型在甘蔗物流方面的合理性。
3、用有限元分析软件ANSYS、动力学仿真软件ADAMS、三维
广西大学硕士学位论文基于虚拟样机技术的小型履带式甘蔗联合收割机的研究
造型软件ProlE联合建立了收割机台架两种不同方案的刚弹祸合虚拟
样机模型，并分别对两者进行了常模态分析和受迫振动分析，求出两
者的固有频率以及动态响应特性，对比后选定刚度较高的一种作为收
割机台架的最终方案。
总之，本文利用虚拟样机技术，对整机的建模、收割机的工作参
数和结构参数、收割机台架的动态特性进行了较为深入的研究，得出
了一些对今后的工作有参考价值的参数和结论。
The sugarcane is a kind of main economic crops in some provinces of the South of china, especially in Guangxi, the sugar industry is its pillar industry even more.In China,the farmer use the old craft homework to gather sugarcane at present, labour intensity is great, production efficiency is low. Present the sugarcane harvesters are all large-scale models abroad, suitable for widenning , smooth ground form , but in China,the large_scale models is not suitable.because in our country, sugarcane is planted on hills and hillside fields mostly.and is difficult to use large-scale machine to gather the sugarcane . In order to shorten the development cycle and reduce the cost of the development, use advanced designing technique to research and develop the small-scale sugarcane harvester which is suitable for hills and hillside is very realistic .Virtual prototype technology is a new technology in the field of design and manufacture. It makes the designer can carry on intact analysis to the whole system on design ph
ase in the concept .In this paper,we introduces the virtual prototype technology in the research and development of the small-scale track type sugarcane combined harvester, and have finished the following work:
1. Adopt module design philosophy, and use two kinds of different design methods ?from bottom to top and from top to bottom, and Pro/E , have finished the complete machine modeling of the small-scale track type sugarcane combined harvester, and at the same time, put forward three kinds of different scheme of the machine, then calculate the location of there CG and the max angle of resisted tumbles in dynamics emulation software ADAMS, also find out the most rational scheme among them.
2. Jointly use Pro/E and ADAMS to make a virtual protoype modeling of support , cut down , feed function module of the machine, and regard it as the platform and carry on the emulation test to research the relation among the roate speed of spiral support device, install angle, the result of sugarcane prop up.and get some valuable result ;in the same way,research the relation among
the location of the cutting device,the roate speed of spiral support device,the translating speed of the machine, through the treatment to emulation result, proposed that the relation among them is the linearity relations,and provide the return
experience formula which express the relation between three; through the simulation of the logistics of the sugarcane, verify the small-scale rationality in logistics of the sugarcane of complete machine model of sugarcane harvester.
3. Jointly use ANSYS,Pro/E, ADAMS to set up two different virtual prototype of the harvester shelf ,which is coupling with flexibility and rigidity, and carry on the normal mode analysis and force vibration analysis, find out there natural frequency and there frequency response. After compared the result, select the high rigidity one as the final scheme of harvester shelf.
In a word, this text utilizes virtual prototype technology to research the complete machine modeling method,the working parameter and structure parameter of the harvester,and the dynamics characteristic of the harvester shelf deeply,and have got some parameter and conclusion which is worth for the research work in future.
1、采用模块化的设计思想，并结合自下而上、自上而下两种不同的设计方法，在可视化的三维造型软件Pro／E中，完成了小型履带式甘蔗联合收割机的整机建模，并且尝试了三种不同的整体布置方案，然后在动力学仿真软件ADAMS中，求出这三种布局方案的重心位置以及它们的极限倾翻角，找出了其中最合理的布局方案。
2、通过三维造型软件Pro／E和动力学仿真软件ADAMS联合建立起收割机的扶、砍、喂功能模块虚拟样机，并以此作为平台进行仿真试验，对收割机的螺旋扶蔗器转速、安装倾角与甘蔗扶起效果的关系进行了探讨，并得出了有价值的结果；通过虚拟样机的仿真试验，研究了收割机的切割器安装位置与扶蔗器转速、机器前进速度的关系，通过对仿真结果的处理，提出了三者之间的关系为线性关系，并给出了表达三者关系的回归经验公式；通过虚拟样机进行甘蔗物流的仿真，验证了小型甘蔗收割机整机模型在甘蔗物流方面的合理性。
3、用有限元分析软件ANSYS、动力学仿真软件ADAMS、三维
广西大学硕士学位论文基于虚拟样机技术的小型履带式甘蔗联合收割机的研究
造型软件ProlE联合建立了收割机台架两种不同方案的刚弹祸合虚拟
样机模型，并分别对两者进行了常模态分析和受迫振动分析，求出两
者的固有频率以及动态响应特性，对比后选定刚度较高的一种作为收
割机台架的最终方案。
总之，本文利用虚拟样机技术，对整机的建模、收割机的工作参
数和结构参数、收割机台架的动态特性进行了较为深入的研究，得出
了一些对今后的工作有参考价值的参数和结论。
The sugarcane is a kind of main economic crops in some provinces of the South of china, especially in Guangxi, the sugar industry is its pillar industry even more.In China,the farmer use the old craft homework to gather sugarcane at present, labour intensity is great, production efficiency is low. Present the sugarcane harvesters are all large-scale models abroad, suitable for widenning , smooth ground form , but in China,the large_scale models is not suitable.because in our country, sugarcane is planted on hills and hillside fields mostly.and is difficult to use large-scale machine to gather the sugarcane . In order to shorten the development cycle and reduce the cost of the development, use advanced designing technique to research and develop the small-scale sugarcane harvester which is suitable for hills and hillside is very realistic .Virtual prototype technology is a new technology in the field of design and manufacture. It makes the designer can carry on intact analysis to the whole system on design ph
ase in the concept .In this paper,we introduces the virtual prototype technology in the research and development of the small-scale track type sugarcane combined harvester, and have finished the following work:
1. Adopt module design philosophy, and use two kinds of different design methods ?from bottom to top and from top to bottom, and Pro/E , have finished the complete machine modeling of the small-scale track type sugarcane combined harvester, and at the same time, put forward three kinds of different scheme of the machine, then calculate the location of there CG and the max angle of resisted tumbles in dynamics emulation software ADAMS, also find out the most rational scheme among them.
2. Jointly use Pro/E and ADAMS to make a virtual protoype modeling of support , cut down , feed function module of the machine, and regard it as the platform and carry on the emulation test to research the relation among the roate speed of spiral support device, install angle, the result of sugarcane prop up.and get some valuable result ;in the same way,research the relation among
the location of the cutting device,the roate speed of spiral support device,the translating speed of the machine, through the treatment to emulation result, proposed that the relation among them is the linearity relations,and provide the return
experience formula which express the relation between three; through the simulation of the logistics of the sugarcane, verify the small-scale rationality in logistics of the sugarcane of complete machine model of sugarcane harvester.
3. Jointly use ANSYS,Pro/E, ADAMS to set up two different virtual prototype of the harvester shelf ,which is coupling with flexibility and rigidity, and carry on the normal mode analysis and force vibration analysis, find out there natural frequency and there frequency response. After compared the result, select the high rigidity one as the final scheme of harvester shelf.
In a word, this text utilizes virtual prototype technology to research the complete machine modeling method,the working parameter and structure parameter of the harvester,and the dynamics characteristic of the harvester shelf deeply,and have got some parameter and conclusion which is worth for the research work in future.
引文
[1] 向家伟，小型甘蔗收获机砍蔗机构实验研究及虚拟设计，广西大学硕士论文，2003．5
[2] 邓劲莲，小型甘蔗联合收割机扶蔗装置虚拟设计及仿真，广西大学硕士论文，2003．1
[3] 李尚平，丘陵地区甘蔗收获机械开发的有关思考，广西农机学会第五次代表大会暨学术研讨会
[4] 丁启朔，甘蔗收获技术的发展与思考，农机化研究，2001(2)，5—7
[5] 梁占武，陇农一号甘蔗收获机的研制和试验，热带农业作物机械化，1995(2)
[6] Sugar Cane Havesting in Thailand，曼谷，泰国丁家骏委员会
[7] Borpit Tangwongkit. Deevlopment of Walk-type Sugar Cane Harvester[z] Thailand:Kasetsart Uni. 1995
[8] Borpit Tangwongkit. Deevlopment of Warell-type Sugar Cane Harvester[z] Thailand:Kasetsart Uni. 1995
[9] Borpit Tangwongkit Machine System for Sargur Cane Field in Thailand[z]Thailand:iasetsart Uni. 1999.3
[10] A.I.T. Evaluation of Austoft Sugarcane Harvester in Thailand[R] 1992
[11] 潘海寿，复杂机械的虚拟样机技术，南京理工大学硕士论文，2001．12
[12] 王国强编，虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践，西北工业大学出版社2002年．第一版
[13] 郑建荣编，ADAMS-虚拟样机技术入门与提高，机械工业出版社，2002年．第一版
[14] ADAMS User Guide,Mechanical Dynamics Inc
[15] 杜中华，用PRO／E和ADAMS联合建立复杂机械系统的仿真模型，机械2002年第29卷增刊
[16] 杜中华，PROE和ADAMS建立的虚拟样机机构尺寸优化，机电工程技术，2002
年第31卷第四期
[17] 丁国富，液压挖掘机虚拟样机的实现方法和技术研究，浙江大学硕士论文，2001
[18] 郝云堂，虚拟样机技术及其在ADAMS中的实践，机械设计与制造，2003年第三期
[19] 黄浩东、陈宗基，虚拟原型技术及控制工程中的虚拟原型机，北京航空航天大学学报，vol．25 No．3 1999
[20] 周祖德，快速制造与虚拟制造，中国机械工程，Vol．10 No．8 1999
[21] Ron McCoy, Virtual Prototyping:the Practical Solution,inventor Digest,May/June 1998
[22] H.-J.Bullingrer, J.Warschat,D.Fischer:Rapid product development-an overview Computers in Industry,42(2000),pp.99-108
[23] 李瑞、涛方湄、张文明，虚拟样机技术的概念及应用，金属矿山，2000．7
[24] 赵雯、王维平、朱一凡，武器系统虚拟样机技术研究，国防科技大学学报，Vol．21．No．1 1999
[25] 宫民、张宇宏：SBD技术及其在自动飞行系统设计中的应用，北京航空航天大学学报，Vol．25 No．3 1999
[26] 徐燕申、陈永亮，基于虚拟样机的模块化制造系统快速设计技术，第一届国际机械工程学术会议论文集，ICME2000
[27] Michael J.Ryken,Judy M.Vance:Applying virtual reality techniques to the interactive stress analysis of tractor lift arm
[28] 黄洪钟、丁国富、王金诺，基于虚拟现实技术的原型设计机理研究，机械工程学报，vol．35 No．5 1999
[29] Michael Weyrich, paul Drews: An interactive environment for virtual manufacturing:the virtual workbench, Computers in Industry,38(1999),pp.5-15
[30] 刘继红：从虚拟世界钟获得现实效益，中国机电工程，2000．2
[31] 李瑞涛，基于虚拟样机的立式行星磨动力学计算及仿真研究，北京科技大学博士论文，2001
[32] 宋培林，虚拟模型：机械工程的一门新兴技术，仿真互动论坛，2002．5．25
[33] 李军、邢俊文、覃文洁，ADAMS实例教程，北京理工大学出版社，2002年第一版
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[36] 高瞻，虚拟环境中产品装配定位求解及应用研究，浙江大学硕士学位论文，2001．2
[37] 韦有双，虚拟现实与系统仿真，1999．4
[38] 卢继平等，虚拟制造技术(二)，计算机辅助设计与制造，1998．6
[39] 卢继平等，虚拟制造技术，计算机辅助设计与制造，1998．5
[40] 詹荣开、王宏伟、贺汉根，虚拟现实技术在武器对抗仿真中的应用研究，计算机仿真．Vol．18 No．2 Mar2001
[41] 周前详，虚拟现实技术在航天工效学中的应用进展，计算机仿真，Vol．18 No2 Mar．2001
[42] 谢甘第，虚拟现实技术及其在制造业中的应用，机电一体化，200年第5期
[43] (德)施普尔．克劳舍，虚拟产品开发技术，机械工业出版社，2000年5月
[44] 虚拟设计，刘宏增、黄靖远，机械工业出版社，2000年5月
[45] 基于虚拟样机技术开发的丘陵地带小型甘蔗联合收割机项目展示材料，广西大学机械工程学院，2002
[46] 李尚平、邓劲莲等，丘陵地带小型甘蔗联合收割机研究开发项目建议书，2002
[47] 拖拉机设计与计算，上海科学技术文献出版社，1980年第一版
[48] 彭海涛编，Pro／ENGINEER2000i基础教程，人民邮电出版社2001年第一版
[49] 邓小军编，Pro／ENGINEER零件设计初级指南2001中文版，北京大学出版社 2002年12月
[50] 刘宏增、黄靖远，虚拟设计，机械工业出版社1999，第一版
[51] 林清安编，Pro／ENGINEER零件装配与产品设计，清华大学出版社，2003，第一版
[52] 邓小军编，Pro／ENGINEER零件设计高级指南2001中文版，北京大学出版社2002年12月
[53] 张沛欣等编，Pro／ENGINEER2001高级攻略，人民邮电出版社，2002，第一版
[54] 张光裕、许纯新，工程机械底盘设计，机械工业出版社，1988年，第一版
[55] Road Map to ADAMS/View Documentation, Mechanical Dynamics Inc
[56] 杜中华，Pro／E和ADAMS传递过程中曲线丢失问题的处理方法，机械工程师，2001，11
[57] 杜中华，借助PRO／E在ADAMS中添加不规则曲面间碰撞力的解决方案，机械，2002第29卷第4期
[58] Using ADAMS/PostProcessor, Mechanical Dynamics Inc
[59] 汪荣鑫著，数理统计，西安交通大学出版社
[60] 杨棣、唐恒龄、廖伯瑜编，机床动力学(1)，机械工业出版社，1983年，第一版
[61] 杨檫、唐恒龄、廖伯瑜编，机床动力学(2)，机械工业出版社，1983年，第一版
[62] 孟祥伟，耕整机扶手架振动机理及减振措施的虚拟研究，广西大学硕士论文，2002
[63] 仲昕、杨汝清，刚弹耦合建模在汽车转向摆振问题的应用，机械设计与研究，16卷4期，2002．12
[64] 程海涛、王成国，考虑车体柔性的货车动力学仿真，铁道学报，第22卷第6期，2000．12
[65] 刘延柱等，多刚体系统动力学，高等教育出版社，1989
[66] 詹文章，汽车独立悬架多体系统动力学仿真及转向轮高速摆振研究，吉林工业大学博士论文，2000．11
[67] ADAMS/Flex, Mechanical Dynamics Inc
[68] ADAMS/Vibration, Mechanical Dynamics Inc
[69] ADAMS Vibration Training Guide, Mechanical Dynamics Inc
[70] 左鹤声编，机械阻抗方法与应用，机械工业出版社，1987
[71] (德)P．C．米勒、W．O．席伦著，曾子平、向豪英译，线性振动，天津大学出版社，1989
[72] 李论，柔性机器人与机构动力学仿真的研究，北京工业大学硕士论文
[73] 大久保信行[日]，尹传家译，机械模态分析，上海交通大学出版社，1989
[74] 徐绍鑫，随机振动，高等教育出版社，1990
[2] 邓劲莲，小型甘蔗联合收割机扶蔗装置虚拟设计及仿真，广西大学硕士论文，2003．1
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[68] ADAMS/Vibration, Mechanical Dynamics Inc
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