李印 秦緒政 王士帥

摘 要：為研制莖稈粉碎機(jī)前置穗莖兼收型自走式玉米聯(lián)合收獲機(jī)，保證割臺(tái)和莖稈粉碎機(jī)可以互不干擾的進(jìn)行工作，且能在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)以達(dá)到合適的離地高度；利用三維設(shè)計(jì)軟件的建模以及分析功能，設(shè)計(jì)莖稈粉碎機(jī)的懸掛裝置；通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真和應(yīng)力分析，獲得懸掛架受力最大位置的等效應(yīng)力、位移、安全系數(shù)分布云圖。結(jié)果表明，懸掛架設(shè)計(jì)合理，可以達(dá)到作業(yè)要求；最后通過(guò)樣機(jī)試制驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞：莖稈粉碎機(jī)；運(yùn)動(dòng)仿真；懸掛架；應(yīng)力分析

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，玉米是主要的糧食作物之一。2014年我國(guó)玉米年產(chǎn)量高達(dá)215 646 300 kg。按產(chǎn)糧和莖稈比 1∶1.2 計(jì)算，每年約產(chǎn)生258 775 600 kg玉米莖稈。目前，大部分自走式玉米聯(lián)合收獲機(jī)只收獲果穗，將莖稈還田，少量的玉米收獲機(jī)配置有莖稈回收裝置，但是大部分只完成莖稈切碎作業(yè)，后續(xù)的運(yùn)輸和打捆仍需要占用許多勞力和時(shí)間。因此，在現(xiàn)有玉米收獲機(jī)的基礎(chǔ)上研制了可以集摘穗與莖稈粉碎與打捆功能于一身的多功能玉米聯(lián)合收獲機(jī)。

1、莖稈粉碎機(jī)及懸掛架結(jié)構(gòu)和工作原理

莖稈粉碎機(jī)以前置懸掛安裝連接方式安裝在玉米聯(lián)合收獲機(jī)驅(qū)動(dòng)前輪與果穗收割臺(tái)之間，莖稈粉碎機(jī)下方設(shè)有頂出油缸，油缸通過(guò)懸掛架傳遞動(dòng)力，使莖稈粉碎機(jī)能夠在一定范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，達(dá)到最合適的離地高度。莖稈粉碎機(jī)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出輪傳遞來(lái)的動(dòng)力完成莖稈粉碎工作。割臺(tái)與莖稈粉碎機(jī)間有安全限位裝置，保證工作過(guò)程中的安全。

2、模型的建立

2.1 莖稈粉碎機(jī)模型的建立

建立莖稈粉碎機(jī)模型，由于懸掛架承重主要為莖稈粉碎機(jī)自重，為了得到莖稈粉碎的質(zhì)量，為每個(gè)零件添加材料，莖稈粉碎機(jī)殼以及輸送筒外殼均采用Q235A，刀軸以及絞籠軸采用45鋼，刀片采用65 Mn，其余零件使用軟件材料庫(kù)中的材料，電機(jī)、減速箱、皮帶輪以及齒輪選用灰鑄鐵。通過(guò)軟件分析功能得到莖稈粉碎機(jī)的質(zhì)量為712 kg。

2.2 懸掛架模型的建立

莖稈粉碎機(jī)通過(guò)懸掛裝置與玉米聯(lián)合收獲機(jī)配套使用。由于莖稈粉碎機(jī)要進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因而不能采用螺栓以及其他沒(méi)有自由度的連接方式。設(shè)計(jì)采用矩管焊接的方式，莖稈粉碎機(jī)殼表面呈凹凸不平狀，會(huì)使焊接更加容易。莖稈粉碎機(jī)與2根互相垂直的矩管焊接，整個(gè)機(jī)架與傳動(dòng)軸的軸套焊接。由于該機(jī)架還須要承載為減速器傳遞動(dòng)力的皮帶輪的小張緊輪的質(zhì)量，因此設(shè)計(jì)了懸掛支臂，用來(lái)焊接連接小張緊輪的鋼板，同時(shí)可以為懸掛臂分擔(dān)載荷。

2.3 裝配后模型

分別建立好2個(gè)部分的模型后，將2個(gè)部分裝配到一起，裝配完成后為各個(gè)部分定位。以莖稈粉碎機(jī)離地面距離最小時(shí)[CM（25]的位置作為定位基準(zhǔn)，此時(shí)，油缸達(dá)到伸縮極限，油缸伸入推桿25 cm，刀片離地3 cm。固定尺寸為最低的刀片距離懸掛架最低面25.5 cm、固定油缸的軸距離地面66.0 cm。由以上尺寸可以推斷出當(dāng)莖稈粉碎機(jī)處于最低位置時(shí)固定油缸的軸與懸掛架最低面距離37.5 cm。利用該三維軟件檢驗(yàn)尺寸的功能調(diào)整好距離，之后將安裝軸套的軸和固定油缸的軸固定，為下一步的仿真做好準(zhǔn)備。

3、運(yùn)動(dòng)仿真

對(duì)一個(gè)運(yùn)動(dòng)的零件進(jìn)行有限元分析，首先須要知道它的受力，由于懸掛架和與它相連接的零件的相互作用在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷變化，因此懸掛架受到的外力在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中也不斷變化。雖然運(yùn)動(dòng)是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，但在該三維軟件運(yùn)動(dòng)仿真模擬計(jì)算中將運(yùn)動(dòng)過(guò)程離散成了一定數(shù)量的時(shí)間點(diǎn)，可以對(duì)零件在每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，或者對(duì)一個(gè)特定的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行有限元分析。

3.1 仿真前的準(zhǔn)備

3.1.1 創(chuàng)建連接

該三維軟件可以自動(dòng)將約束轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)連接，轉(zhuǎn)換后的標(biāo)準(zhǔn)連接有鉸鏈（旋轉(zhuǎn)）運(yùn)動(dòng)、平移、球面圓槽運(yùn)動(dòng)。

3.1.2 定義外部載荷

在外部載荷的下拉菜單中右擊重力按鈕，為各個(gè)零部件定義重力，需要給定的是重力方向，這里的重力方向?yàn)閄軸負(fù)方向，使用矢量分量定義重力，給定方向后軟件會(huì)根據(jù)各個(gè)零件的材料計(jì)算出它們的重力。

由于導(dǎo)出機(jī)架后須要進(jìn)行網(wǎng)格劃分，所以仿真時(shí)去掉了張緊輪和板子，這樣網(wǎng)格劃分時(shí)只對(duì)懸掛架進(jìn)行劃分，使網(wǎng)格劃分更加容易且精確；還去掉了變速箱和皮帶輪，它們的重心位置在幾何中心，添加外力比較方便且不會(huì)影響結(jié)果的精度。

3.1.3 驅(qū)動(dòng)力的設(shè)定

莖稈粉碎機(jī)的升降運(yùn)動(dòng)是靠油缸的動(dòng)力來(lái)完成的，因此應(yīng)將油缸的運(yùn)動(dòng)設(shè)定為原動(dòng)力。以速度作為驅(qū)動(dòng)條件，根據(jù)油缸的伸縮行程編輯初始條件，根據(jù)推桿長(zhǎng)度確定初始位置在4 cm處。最后在仿真播放器上設(shè)定時(shí)間，與速度配合后保證油缸伸縮行程為25 cm。

3.2 運(yùn)動(dòng)軌跡

在運(yùn)動(dòng)仿真前，設(shè)定跟蹤軌跡。以莖稈粉碎機(jī)殼右下角一點(diǎn)為基準(zhǔn)，得到運(yùn)動(dòng)軌跡，可見(jiàn)莖稈粉碎機(jī)所做運(yùn)動(dòng)是以軸套中心為圓心的圓周運(yùn)動(dòng)。

3.3 輸出到有限元分析

3.3.1 選定時(shí)間點(diǎn)

從工具面板上打開(kāi)輸出圖示器，可以看到模擬結(jié)果的數(shù)值和在圖形區(qū)由曲線表示的變量的變化規(guī)律，曲線為懸掛架與莖稈粉碎機(jī)之間的力。輸出圖示器列出了該機(jī)械系統(tǒng)的所有連接，展開(kāi)連接的節(jié)點(diǎn)，可以看到該連接上的力、力矩、加速度、速度、位置。懸掛架有多個(gè)連接，說(shuō)明它有多個(gè)反作用力和反作用力矩。通過(guò)關(guān)聯(lián)菜單命令搜索力的最大值，選定該時(shí)間點(diǎn)。

3.3.2 選擇載荷承載面

在“運(yùn)動(dòng)仿真”工具面板上，單擊“輸出到有限元分析”命令，從圖形窗口選擇懸掛架，之后彈出選擇承載面的對(duì)話框，為每一個(gè)運(yùn)動(dòng)選擇承載面。選擇完所有面單擊確定后就完成了運(yùn)動(dòng)仿真輸出到有限元分析，進(jìn)入到應(yīng)力分析環(huán)境。

4、應(yīng)力分析

4.1 分析前的準(zhǔn)備

4.1.1 網(wǎng)格劃分

在分析系統(tǒng)中，被處理的模型被劃分成有限個(gè)小的單元結(jié)構(gòu)，稱為網(wǎng)格化。網(wǎng)格的劃分形式直接影響結(jié)果精度，網(wǎng)格的數(shù)量越多，越接近模型的原始形狀，計(jì)算表達(dá)就越精確。該三維軟件提供了網(wǎng)格設(shè)置功能，各個(gè)設(shè)置參數(shù)，得到65 744個(gè)節(jié)點(diǎn)，33 008個(gè)元素。

4.1.2 輸入運(yùn)動(dòng)載荷

通過(guò)創(chuàng)建分析完成運(yùn)動(dòng)載荷的輸入，此時(shí)各個(gè)力和力矩會(huì)在懸掛架上顯示。對(duì)于每個(gè)承載面，有1個(gè)遠(yuǎn)程力和力矩，都是矢量。遠(yuǎn)程力是運(yùn)動(dòng)仿真向力學(xué)[CM（25]分析進(jìn)行工況參數(shù)傳遞用的一個(gè)概念，由于施加力的成員并不在這個(gè)分析的范圍內(nèi)，故而稱之為“遠(yuǎn)處”。

4.2結(jié)構(gòu)改進(jìn)

安全系數(shù)越大越安全，但是安全系數(shù)并不是越大越好，“過(guò)于安全”會(huì)造成材料的浪費(fèi)。根據(jù)以上分析結(jié)果進(jìn)行懸掛架設(shè)計(jì)參數(shù)的改進(jìn)，減小鋼材的尺寸，節(jié)省材料的同時(shí)降低懸掛架的質(zhì)量。重新選擇矩管的尺寸，因?yàn)樵撛O(shè)計(jì)過(guò)于安全，所以選擇與之前相差較大的尺寸60 mm×30 mm×3 mm。

另外，從應(yīng)力、位移、安全系數(shù)的分布云圖中分析，沒(méi)有焊接張緊輪的懸掛支臂基本不受力且沒(méi)有變形，故而改進(jìn)結(jié)構(gòu)時(shí)將其去掉，簡(jiǎn)化了懸掛架的結(jié)構(gòu)。對(duì)改進(jìn)后的懸掛架用同樣的方法進(jìn)行有限元分析，得出優(yōu)化后的等效應(yīng)力以及安全系數(shù)分布云圖。

5、結(jié)論

利用三維軟件的分析功能，對(duì)設(shè)計(jì)的懸掛架進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得出受力最大位置，之后將該位置的運(yùn)動(dòng)載荷直接輸入到FEA進(jìn)行應(yīng)力分析。使用這種方法，應(yīng)力分析網(wǎng)格劃分時(shí)僅對(duì)導(dǎo)出的懸掛架進(jìn)行劃分。分析時(shí)不必建立等效模型，可以保留原始模型的主要零件，仿真時(shí)更接近實(shí)際工作情況，分析時(shí)結(jié)果更加精確。通過(guò)對(duì)強(qiáng)度和剛度的分析，更改了懸掛架的設(shè)計(jì)參數(shù)，并改進(jìn)了懸掛架的結(jié)構(gòu)。

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（作者單位：山東五征集團(tuán)有限公司）