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摘要 手扶式茶树修剪机是为丘陵山地茶园设计的一种轻小型、易操作的修剪机。在分析了整机结构和工作原理的基础上，应用UG软件对手扶式茶树修剪机进行虚拟样机创建，并对虚拟样机进行了干涉检查以及结构强度和刀片工作性能分析，保证了该修剪机的设计合理性和实物样机的制造质量。
关键词 茶树修剪机；手扶式；虚拟样机；UG
中图分类号 S224.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2016）32-0197-03
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）
Abstract 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.
Key words Tea plants pruning machine； Walking type； Virtual prototype； UG
茶樹是我國丘陵山区的主要经济作物，2013年，我国茶园面积达257.9万hm2，茶产量为193.0万t[1]，均名列世界第一。茶叶产业是劳动密集型产业，劳动力成本占生产成本的40%以上[2]，茶叶生产、加工过程的机械化程度不高，制约了茶叶生产的发展。茶树修剪是实现茶叶优质高产的一项重要技术措施[3]，如果采用人工修剪，每天仅能修剪茶园0.08～0.12 hm2，而一台修剪机每天则可修剪茶园0.43～0.63 hm2，且机剪的茶树蓬面平整度高[4]。目前，市场上现有的茶树修剪机主要是单人手提式茶树修剪机和双人抬式茶树修剪机2类。笔者在分析丘陵山区茶园特点和现有各种茶树修剪机现状的基础上，应用UG软件对手扶式茶树修剪机进行了虚拟样机设计，以期研制结构紧凑、轻便易用、修剪效果好的手扶式茶树修剪机，满足丘陵山区茶树机械化修剪要求。
1 虚拟样机技术
虚拟样机技术就是在制造第1台物理样机之前，设计师利用计算机技术建立机械系统的数字化模型，进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性，从而修改并得到最优设计方案的技术[5]。虚拟样机是一种计算机模型，它能够反映实际产品的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学的特性[6]。虚拟样机技术是一门综合多学科的技术，为研发机械产品提供了一种全新的设计方法。利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估，可以缩短开发周期、降低成本，改进产品设计质量[7]。提供虚拟样机分析的软件比较多，该研究选用UG软件。UG软件是一个集成化的CAD/CAE/CAM系统软件，可以对产品进行设计、工程分析、数控程序编制等，为虚拟产品开发提供了完整的解决方案[8]。
2 整机结构与工作原理
2.1 整机结构 手扶式茶树修剪机主要由机架、行走降速用变速箱、刀片、修剪驱动用变速箱、钢丝软轴、定位螺栓、方向调整用变速箱、带传动、汽油发动机、扶手、链传动构成，结构示意如图1所示。机架上承载了发动机、传动部件、修剪部件，机架下方安装车轮，后侧装有扶手。传动系统由3部分组成：行走降速用变速箱和链传动将发动机的动力传至后轮所在轴；带传动和方向调整用变速箱将发动机的动力分成两路，用以驱动左右两侧的刀片做修剪运动；钢丝软轴和修剪驱动用变速箱将修剪动力分别传给左右两侧的刀片。修剪驱动用变速箱外侧的两个凸耳与车架顶部的安装结构、定位螺栓组成刀片位置调节装置，用以调节刀片处于水平修剪位置或竖直修剪位置。刀片选用往复式齿条形状的刀片，结构紧凑、割幅大。
2.2 工作原理
手扶式茶树修剪机在行进时，先启动汽油发动机，松开控制行走动力的离合器，此时，修剪机自动前行，修剪刀片处于不工作状态，通过扶手调整前轮的偏转角度，可控制修剪机的行进方向，修剪机的后轮有2个，轮间距与茶树行间距匹配。手扶式茶树修剪机在进行竖直修剪时，先拉住控制行走动力的离合器和制动器，使修剪机处于停止前进状态，再通过刀片位置调节装置将刀片调整至竖直方位，松开控制修剪动力的离合器，可动刀片来回往复运动，与固定刀片共同形成修剪动作，之后，松开控制行走动力的离合器和制动器，修剪机从两行茶树中间的过道行进时，即可修剪两行茶树处于过道一侧的枝条，形成平齐的竖直面。手扶式茶树修剪在进行水平修剪时，操作过程与进行竖直修剪时相似，只是需要将刀片调整至水平方位，即可修剪过道两侧的茶树成平齐的上表面。 3 虚拟样机的创建
3.1 各组成部件的三维建模
UG软件的三维建模一般通过草图绘制、拉伸（旋转、扫描）、布尔运算、特征操作等命令实现。手扶式茶树修剪机的组成部件较多，有些部件对修剪机的性能影响较大，如机架、刀片、修剪驱动用变速箱等，需要根据设计参数精确创建，以利于之后进行虚拟样机分析；另有一些部件对修剪机的性能影响不大，如汽油发动机、车轮等，则可以在保证几个外观尺寸精确的基础上进行适当近似创建。
该研究对机架、刀片、修剪驱动用变速箱的三维建模过程进行简述。创建机架时，首先创建机架中部的弯折U形结构，然后创建倾斜的扶手穿过的管，再创建2根倾斜的连接弯折U形结构与倾斜管的杆，最后创建机架上部用于承载方向调整用变速箱和修剪驱动用变速箱的结构。机架的三维模型如图2所示。在机架的三维建模过程中，采用草图绘制、拉伸等命令，不采用扫描命令，以利于所得各面平整，便于各部分结构的严格贴合。创建刀片时，由于刀片由结构尺寸相同的活动刀片和固定刀片2部分组成，可以先创建一侧的刀片，然后镜像得到另一侧刀片即可。刀片的三维模型如图3所示。在创建刀片刃口倾斜角度时，可以通过拔模命令实现。创建修剪驱动用变速箱时，主要通过多次的拉伸和布尔运算命令实现，变速箱的三维模型如图4所示。其中，修剪驱动用变速箱外壳上的孔和长凸耳上的孔被穿住时，刀片处于竖直方位；修剪驱动用变速箱外壳上的孔和短凸耳上的孔被穿住时，刀片处于水平方位，因此，这3个孔的位置设计要很精确。
3.2 整机的虚拟装配
UG软件的虚拟装配一般通过添加组件的方式逐一装配零部件，首次添加的零部件通过绝对原点命令将其定位到装配空间，后续添加的零部件通过装配约束来定义零部件之间的位置关系。在手扶式茶树修剪机的装配过程中，可以参考实际生产中的装配顺序，先添加机架，再依次添加扶手、车轮、发动机、变速箱、刀片等零部件，并通过一定的约束关系来完成虚拟装配。虚拟装配完成后，手扶式茶树修剪机的装配模型如图5所示。
4 虚拟样机分析
4.1 干涉检查
UG软件的装配干涉检查功能是对装配体中各零部件之间干涉情况的检查，直观地干涉位置，以便及时进行修改，保证设计结果的准确性。在装配建模环境下，应用分析工具中的简单干涉命令，选取可能存在相互干涉的2个零部件进行分析，如果存在干涉情况，则会以高亮的颜色显示出来。经干涉检查得知，手扶式茶树修剪机的结构尺寸设计合理，不存在干涉情况。
4.2 受力分析
UG软件的高级仿真功能可以对整个模型进行有限元分析，从而直观地显示其受力后的变形和应力等情况。手扶式茶树修剪机在修剪过程中，受到树枝的阻力，为了保证修剪机能节省材料且有足够的强度，预定满负荷工作时受到400 N阻力的情况下，进行修剪机的受力分析。为了分析过程的顺利进行，先对手扶式茶树修剪机的结构进行简化，保留机架、修剪驱动用变速箱、刀片等与受力分析有主要关系的零部件，并去除圆角等特征，然后在高级仿真环境下，设置零部件材料为钢，进行3D四面体网格划分，再设置机架中倾斜管的外圆柱面为固定约束面，设置刀片刃口表面为受到修剪阻力的面，最后进行解算得到分析结果。手扶式茶树修剪机在修剪过程中，主要承受修剪阻力部件的受力变形云图如图6所示。由分析结果可知，整机的受力强度足够，但是刀片不宜太长，否则会出现刀片刚度不足的情况。
4.3 运动分析
UG软件的运动仿真功能可以对整个模型进行运动学或动力学分析，从而直观地显示其工作部件的运动情况。手扶式茶树修剪机工作时，活动刀片一边随着修剪机前行，一边做直线往复运动。预定修剪机的行进速度为90 m/min、刀片运动速度为2 000次/min。在进行运动分析时，由于手扶式茶树修剪机两侧的刀片是对称布置的，故可以选其中一侧进行分析即可。另外，需要创建一个处于修剪机下方的长方体作为地面。在高级仿真环境下，定义地面作为固定连杆，定义修剪机机架、修剪驱动用变速箱里的曲柄和连杆、刀片等作为连杆，并添加连杆之间的滑动副或旋转副，设置机架相对地面之间滑动副的驱动速度为15 000 mm/s，设置曲柄相对回转轴之间旋转副的驱动速度为12 000°/s，最后进行解算得到运动分析动画和指定的运动分析曲线。以时长1 min为例来看，修剪时刀片的速度加速度曲线如图7所示。由分析结果可知，刀片运动基本平稳，整机存在轻度的振动。
5 结论
在我国，虚拟样机技术在农业机械装备设计开发中得到了越来越多的推广应用。通过对手扶式茶树修剪机的结构分析，在UG软件中建立了修剪机的虚拟样机模型，进而对主要承受修剪阻力的零部件做了有限元分析，对修剪机作业时刀片的运动情况做了动力学分析，结果表明，手扶式茶树修剪机的结构尺寸合适，使用性能良好，可以根据设计结果制造实物样机。
参考文献
[1] 陈宗懋.中国茶产业的展望[J].中国茶叶加工，2014（4）：1.
[2] 肖宏儒，秦广明，宋志禹.茶园管理机械化发展战略与重点[J].湖北农机化，2013（12）：12-17.
[3] 余云珍.浅谈茶树的修剪技术[J].中国茶叶，2007，29（4）：29.
[4] 肖宏儒，张萌，李德权，等.我国茶叶生产机械化发展现状及战略分析[J].茶叶科学技术，2008（2）：21-23.
[5] 宋健.基于ADAMS的虚拟样机技术研究综述[J].潍坊学院学报，2006，6（6）：72-75.
[6] 王长春.基于ADAMS的虚拟样机技术及其在农业机械上的应用[J].农机化研究，2007（9）：184-186.
[7] 易军，安宁，刘小鹏.机电产品虚拟样机技术研究与展望[J].湖北工学院学报，2004，19（3）：116-118.
[8] 胡仁喜，刘昌丽.UG NX9.0 动力学与有限元分析从入门到精通[M].北京：機械工业出版社，2014.
关键词 茶树修剪机；手扶式；虚拟样机；UG
中图分类号 S224.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2016）32-0197-03
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）
Abstract 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.
Key words Tea plants pruning machine； Walking type； Virtual prototype； UG
茶樹是我國丘陵山区的主要经济作物，2013年，我国茶园面积达257.9万hm2，茶产量为193.0万t[1]，均名列世界第一。茶叶产业是劳动密集型产业，劳动力成本占生产成本的40%以上[2]，茶叶生产、加工过程的机械化程度不高，制约了茶叶生产的发展。茶树修剪是实现茶叶优质高产的一项重要技术措施[3]，如果采用人工修剪，每天仅能修剪茶园0.08～0.12 hm2，而一台修剪机每天则可修剪茶园0.43～0.63 hm2，且机剪的茶树蓬面平整度高[4]。目前，市场上现有的茶树修剪机主要是单人手提式茶树修剪机和双人抬式茶树修剪机2类。笔者在分析丘陵山区茶园特点和现有各种茶树修剪机现状的基础上，应用UG软件对手扶式茶树修剪机进行了虚拟样机设计，以期研制结构紧凑、轻便易用、修剪效果好的手扶式茶树修剪机，满足丘陵山区茶树机械化修剪要求。
1 虚拟样机技术
虚拟样机技术就是在制造第1台物理样机之前，设计师利用计算机技术建立机械系统的数字化模型，进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性，从而修改并得到最优设计方案的技术[5]。虚拟样机是一种计算机模型，它能够反映实际产品的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学的特性[6]。虚拟样机技术是一门综合多学科的技术，为研发机械产品提供了一种全新的设计方法。利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估，可以缩短开发周期、降低成本，改进产品设计质量[7]。提供虚拟样机分析的软件比较多，该研究选用UG软件。UG软件是一个集成化的CAD/CAE/CAM系统软件，可以对产品进行设计、工程分析、数控程序编制等，为虚拟产品开发提供了完整的解决方案[8]。
2 整机结构与工作原理
2.1 整机结构 手扶式茶树修剪机主要由机架、行走降速用变速箱、刀片、修剪驱动用变速箱、钢丝软轴、定位螺栓、方向调整用变速箱、带传动、汽油发动机、扶手、链传动构成，结构示意如图1所示。机架上承载了发动机、传动部件、修剪部件，机架下方安装车轮，后侧装有扶手。传动系统由3部分组成：行走降速用变速箱和链传动将发动机的动力传至后轮所在轴；带传动和方向调整用变速箱将发动机的动力分成两路，用以驱动左右两侧的刀片做修剪运动；钢丝软轴和修剪驱动用变速箱将修剪动力分别传给左右两侧的刀片。修剪驱动用变速箱外侧的两个凸耳与车架顶部的安装结构、定位螺栓组成刀片位置调节装置，用以调节刀片处于水平修剪位置或竖直修剪位置。刀片选用往复式齿条形状的刀片，结构紧凑、割幅大。
2.2 工作原理
手扶式茶树修剪机在行进时，先启动汽油发动机，松开控制行走动力的离合器，此时，修剪机自动前行，修剪刀片处于不工作状态，通过扶手调整前轮的偏转角度，可控制修剪机的行进方向，修剪机的后轮有2个，轮间距与茶树行间距匹配。手扶式茶树修剪机在进行竖直修剪时，先拉住控制行走动力的离合器和制动器，使修剪机处于停止前进状态，再通过刀片位置调节装置将刀片调整至竖直方位，松开控制修剪动力的离合器，可动刀片来回往复运动，与固定刀片共同形成修剪动作，之后，松开控制行走动力的离合器和制动器，修剪机从两行茶树中间的过道行进时，即可修剪两行茶树处于过道一侧的枝条，形成平齐的竖直面。手扶式茶树修剪在进行水平修剪时，操作过程与进行竖直修剪时相似，只是需要将刀片调整至水平方位，即可修剪过道两侧的茶树成平齐的上表面。 3 虚拟样机的创建
3.1 各组成部件的三维建模
UG软件的三维建模一般通过草图绘制、拉伸（旋转、扫描）、布尔运算、特征操作等命令实现。手扶式茶树修剪机的组成部件较多，有些部件对修剪机的性能影响较大，如机架、刀片、修剪驱动用变速箱等，需要根据设计参数精确创建，以利于之后进行虚拟样机分析；另有一些部件对修剪机的性能影响不大，如汽油发动机、车轮等，则可以在保证几个外观尺寸精确的基础上进行适当近似创建。
该研究对机架、刀片、修剪驱动用变速箱的三维建模过程进行简述。创建机架时，首先创建机架中部的弯折U形结构，然后创建倾斜的扶手穿过的管，再创建2根倾斜的连接弯折U形结构与倾斜管的杆，最后创建机架上部用于承载方向调整用变速箱和修剪驱动用变速箱的结构。机架的三维模型如图2所示。在机架的三维建模过程中，采用草图绘制、拉伸等命令，不采用扫描命令，以利于所得各面平整，便于各部分结构的严格贴合。创建刀片时，由于刀片由结构尺寸相同的活动刀片和固定刀片2部分组成，可以先创建一侧的刀片，然后镜像得到另一侧刀片即可。刀片的三维模型如图3所示。在创建刀片刃口倾斜角度时，可以通过拔模命令实现。创建修剪驱动用变速箱时，主要通过多次的拉伸和布尔运算命令实现，变速箱的三维模型如图4所示。其中，修剪驱动用变速箱外壳上的孔和长凸耳上的孔被穿住时，刀片处于竖直方位；修剪驱动用变速箱外壳上的孔和短凸耳上的孔被穿住时，刀片处于水平方位，因此，这3个孔的位置设计要很精确。
3.2 整机的虚拟装配
UG软件的虚拟装配一般通过添加组件的方式逐一装配零部件，首次添加的零部件通过绝对原点命令将其定位到装配空间，后续添加的零部件通过装配约束来定义零部件之间的位置关系。在手扶式茶树修剪机的装配过程中，可以参考实际生产中的装配顺序，先添加机架，再依次添加扶手、车轮、发动机、变速箱、刀片等零部件，并通过一定的约束关系来完成虚拟装配。虚拟装配完成后，手扶式茶树修剪机的装配模型如图5所示。
4 虚拟样机分析
4.1 干涉检查
UG软件的装配干涉检查功能是对装配体中各零部件之间干涉情况的检查，直观地干涉位置，以便及时进行修改，保证设计结果的准确性。在装配建模环境下，应用分析工具中的简单干涉命令，选取可能存在相互干涉的2个零部件进行分析，如果存在干涉情况，则会以高亮的颜色显示出来。经干涉检查得知，手扶式茶树修剪机的结构尺寸设计合理，不存在干涉情况。
4.2 受力分析
UG软件的高级仿真功能可以对整个模型进行有限元分析，从而直观地显示其受力后的变形和应力等情况。手扶式茶树修剪机在修剪过程中，受到树枝的阻力，为了保证修剪机能节省材料且有足够的强度，预定满负荷工作时受到400 N阻力的情况下，进行修剪机的受力分析。为了分析过程的顺利进行，先对手扶式茶树修剪机的结构进行简化，保留机架、修剪驱动用变速箱、刀片等与受力分析有主要关系的零部件，并去除圆角等特征，然后在高级仿真环境下，设置零部件材料为钢，进行3D四面体网格划分，再设置机架中倾斜管的外圆柱面为固定约束面，设置刀片刃口表面为受到修剪阻力的面，最后进行解算得到分析结果。手扶式茶树修剪机在修剪过程中，主要承受修剪阻力部件的受力变形云图如图6所示。由分析结果可知，整机的受力强度足够，但是刀片不宜太长，否则会出现刀片刚度不足的情况。
4.3 运动分析
UG软件的运动仿真功能可以对整个模型进行运动学或动力学分析，从而直观地显示其工作部件的运动情况。手扶式茶树修剪机工作时，活动刀片一边随着修剪机前行，一边做直线往复运动。预定修剪机的行进速度为90 m/min、刀片运动速度为2 000次/min。在进行运动分析时，由于手扶式茶树修剪机两侧的刀片是对称布置的，故可以选其中一侧进行分析即可。另外，需要创建一个处于修剪机下方的长方体作为地面。在高级仿真环境下，定义地面作为固定连杆，定义修剪机机架、修剪驱动用变速箱里的曲柄和连杆、刀片等作为连杆，并添加连杆之间的滑动副或旋转副，设置机架相对地面之间滑动副的驱动速度为15 000 mm/s，设置曲柄相对回转轴之间旋转副的驱动速度为12 000°/s，最后进行解算得到运动分析动画和指定的运动分析曲线。以时长1 min为例来看，修剪时刀片的速度加速度曲线如图7所示。由分析结果可知，刀片运动基本平稳，整机存在轻度的振动。
5 结论
在我国，虚拟样机技术在农业机械装备设计开发中得到了越来越多的推广应用。通过对手扶式茶树修剪机的结构分析，在UG软件中建立了修剪机的虚拟样机模型，进而对主要承受修剪阻力的零部件做了有限元分析，对修剪机作业时刀片的运动情况做了动力学分析，结果表明，手扶式茶树修剪机的结构尺寸合适，使用性能良好，可以根据设计结果制造实物样机。
参考文献
[1] 陈宗懋.中国茶产业的展望[J].中国茶叶加工，2014（4）：1.
[2] 肖宏儒，秦广明，宋志禹.茶园管理机械化发展战略与重点[J].湖北农机化，2013（12）：12-17.
[3] 余云珍.浅谈茶树的修剪技术[J].中国茶叶，2007，29（4）：29.
[4] 肖宏儒，张萌，李德权，等.我国茶叶生产机械化发展现状及战略分析[J].茶叶科学技术，2008（2）：21-23.
[5] 宋健.基于ADAMS的虚拟样机技术研究综述[J].潍坊学院学报，2006，6（6）：72-75.
[6] 王长春.基于ADAMS的虚拟样机技术及其在农业机械上的应用[J].农机化研究，2007（9）：184-186.
[7] 易军，安宁，刘小鹏.机电产品虚拟样机技术研究与展望[J].湖北工学院学报，2004，19（3）：116-118.
[8] 胡仁喜，刘昌丽.UG NX9.0 动力学与有限元分析从入门到精通[M].北京：機械工业出版社，2014.