曹元軍 陸小明

摘要：為了解決傾斜輸送器質(zhì)量過重問題，建立了傾斜輸送器有限元模型，利用有限元分析軟件NX NASTRAN對(duì)傾斜輸送槽進(jìn)行靜力學(xué)分析，計(jì)算了傾斜輸送槽在水平彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力分布及變形；選擇Altair HyperOpt軟件模塊，對(duì)傾斜輸送槽進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，經(jīng)過尺寸優(yōu)化，傾斜輸送槽的質(zhì)量降幅為1233%，實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合收割機(jī)；傾斜輸送槽；靜力學(xué)；輕量化

中圖分類號(hào)： S22531文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（201412-0410-04[HS][HT9SS]

收稿日期：2014-05-12

基金項(xiàng)目：江蘇省泰州市科技支撐社會(huì)發(fā)展計(jì)劃（編號(hào)：39；泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院博碩基金（編號(hào)：TYBS-14-1。

作者簡介：[JP2]曹元軍（1966—，男，江蘇興化人，博士，副教授、高級(jí)工程師，從事收獲機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)及理論研究。E-mail：cyj_08@163com。[HJ]

早期我國的谷物聯(lián)合收割機(jī)是以引進(jìn)德國、日本等國外機(jī)器和先進(jìn)制造技術(shù)為基礎(chǔ)，通過幾代人的消化、吸收、仿制并逐步實(shí)現(xiàn)零部件和整機(jī)國產(chǎn)化而不斷發(fā)展壯大起來[1-2]。目前，己形成了谷物聯(lián)合收割機(jī)大中小型并重，牽引式、自走式和懸掛式共存[3-4]，農(nóng)機(jī)研究院所和企業(yè)聯(lián)合研制開發(fā)占主導(dǎo)地位的格局，部分谷物聯(lián)合收割機(jī)產(chǎn)品己走出國門進(jìn)入越南、印度等國際市場。為了提高谷物聯(lián)合收割機(jī)工作時(shí)間利用率，采用快速掛接割臺(tái)設(shè)計(jì)，加大收割機(jī)糧倉，改進(jìn)卸糧裝置，采用方便快捷的調(diào)節(jié)滾筒、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、凹板間隙機(jī)構(gòu)，從而提高谷物聯(lián)合收割機(jī)的生產(chǎn)率。聯(lián)合收割機(jī)傾斜輸送器由殼體和鏈耙2個(gè)部分組成，是連接割臺(tái)和脫離機(jī)構(gòu)，是輸送莖稈的通道。該裝置容易產(chǎn)生莖稈堵塞故障，是聯(lián)合收割機(jī)在設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容之一。筆者以江蘇宇成動(dòng)力集團(tuán)有限公司的谷緣牌全喂入稻麥聯(lián)合收割機(jī)中的傾斜輸送器為研究對(duì)象，對(duì)傾斜輸送器結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和靜力學(xué)分析。

1傾斜輸送器結(jié)構(gòu)

聯(lián)合收割機(jī)工作時(shí)，稻麥等作物經(jīng)割臺(tái)上切割器切割后，通過割臺(tái)喂入攪龍輸送到傾斜輸送槽，再進(jìn)入滾筒喂入頭，作物莖稈由喂入頭上的螺旋葉片推送到收割機(jī)軸流脫粒室。隨著滾筒的高速旋轉(zhuǎn)，作物莖稈貼著凹板篩與凹板蓋組成的圓筒內(nèi)弧面作螺旋運(yùn)動(dòng)，并沿著滾筒軸線方向通過脫粒裝置。作物莖稈在縱向軸流滾筒前半段的脫粒區(qū)域內(nèi)，由于受到脫粒元件的沖擊、梳刷，物料相互擠壓、揉搓完成脫粒，經(jīng)風(fēng)機(jī)吹出的強(qiáng)勁風(fēng)速配合振動(dòng)篩，利用谷粒和夾雜物的空氣動(dòng)力特性的不同而進(jìn)行清選，軸流式聯(lián)合收割機(jī)收割作物時(shí)的工作原理見圖1。

谷緣牌全喂入稻麥聯(lián)合收割機(jī)中的傾斜輸送器見圖2，其中鏈耙由固定在套筒滾子鏈上的許多耙桿組成。傾斜輸送器耙桿呈“L”形，其工作邊緣做成波狀齒形，以增加抓取谷物莖稈的能力。為使鏈條正常傳動(dòng)，在傾斜輸送器下部從動(dòng)軸上裝有自動(dòng)張緊裝置，該裝置支架固定在傾斜輸送器殼體側(cè)壁上，張緊彈簧通過調(diào)節(jié)螺母把輸送器的從動(dòng)軸自動(dòng)張緊；調(diào)節(jié)螺母可改變彈簧的壓緊程度，當(dāng)割臺(tái)工作時(shí)使鏈耙處于正常的張緊狀態(tài)。為了能夠適應(yīng)谷物莖稈層厚度的變化，避免傾斜輸送器堵塞，通過張緊彈簧使輸送器從動(dòng)軸可以上下浮動(dòng)。當(dāng)谷物莖稈層變厚時(shí)，從動(dòng)軸被谷物莖稈層頂起，壓縮彈簧起自動(dòng)調(diào)節(jié)作用。傾斜輸送器鏈耙的正常張緊度可在被動(dòng)軸下方測量，按照設(shè)計(jì)規(guī)范耙桿與底板的間隙為15～20 mm。

11滾子鏈的選擇設(shè)計(jì)

鏈條模型見圖3。滾子鏈?zhǔn)菢?biāo)準(zhǔn)件，主要的參數(shù)是鏈的節(jié)距P。

主動(dòng)鏈輪的轉(zhuǎn)速為n1=400 r/min；從動(dòng)鏈輪的轉(zhuǎn)速為 n2=400 r/min。則可以計(jì)算出傳動(dòng)比i=1。[JY]（1

經(jīng)測試谷緣牌全喂入稻麥聯(lián)合收割機(jī)中的傾斜輸送器單排鏈消耗功率068 kW，根據(jù)單排鏈消耗功率和n1查機(jī)械手冊鏈條節(jié)距：

[J（]p=15875 mm；[J][JY]（2

主動(dòng)鏈輪的齒數(shù)初定：

[J（]1=17；[J][JY]（3

計(jì)算從動(dòng)鏈輪齒數(shù)：

[J（]2=i×1=17；[J][JY]（4

初定中心距：

[J（]a0=21p；[J][JY]（5

鏈條節(jié)數(shù)Lp0=99，圓整為偶數(shù)100；

鏈條長度Lp=1587 5 m；[JY]（6

計(jì)算中心距：

[J（]a1=15875/2（60-17=6588 mm；[J][JY]（7

實(shí)際中心距取a=658 mm；[JY]（8

鏈條速度V=1n1p/60×1 000=190 m/s。[JY]（9

12主動(dòng)鏈輪的選擇設(shè)計(jì)

主動(dòng)鏈輪、從動(dòng)鏈輪模型見圖4。主動(dòng)鏈輪根據(jù)機(jī)械制造手冊選擇。

[F（W11][TPCYJ1tif；S+3mm][F]

[F（W8][TPCYJ2tif][F]

[F（W8][TPCYJ3tif；S+3mm][F]

主動(dòng)鏈輪的分度圓：

[J（]d=p/sin（180/z=8639mm；[J][JY]（10

式中：p為鏈條節(jié)距，z為鏈輪齒數(shù)。

[F（W10][TPCYJ4tif][F]

齒頂圓的直徑：

[J（]da=93 mm；[J][JY]（11

齒根圓的直徑：

[J（]di=7629 mm。[J][JY]（12

其他鏈輪尺寸相關(guān)數(shù)據(jù)由機(jī)械制造手冊查得。從動(dòng)鏈輪根據(jù)機(jī)械制造手冊選擇，其尺寸與主動(dòng)鏈輪尺寸相同。

13鏈耙的設(shè)計(jì)

傾斜輸送器鏈耙齒板的齒高一般為40 mm，板厚 35 mm。在設(shè)計(jì)中考慮到鏈耙速度與割臺(tái)的輸送速度相匹配，取4 m/s。為了適應(yīng)作物莖稈層厚度的變化，兼顧傾斜輸送器鏈條的合適張緊度，從動(dòng)軸設(shè)計(jì)有10～30 mm上下浮動(dòng)量，以防止作物莖稈堵塞。

在設(shè)計(jì)中鏈耙式輸送器傳送距離不太長，輸送槽底板的傾角為35°，以利于鏈耙對(duì)作物莖稈的抓取和輸送。鏈耙齒頂與輸送槽底板的間隙為15 mm，在輸送槽中部，允許齒頂由于鏈耙的重量而與輸送槽底板接觸。為了避免作物莖稈堵塞時(shí)易造成機(jī)件損傷，在傾斜輸送器主動(dòng)鏈輪軸上裝有允許最大扭矩為100 N·m的安全離合器（圖5。

[F（W9][TPCYJ5tif][F]

14輸送槽設(shè)計(jì)

輸送槽設(shè)計(jì)屬于傾斜輸送器殼體設(shè)計(jì)，輸送槽由方管、蒙板、角鋼、鏈輪軸等組成（圖6?？紤]到鏈耙齒頂與輸送槽底板的間隙為15 mm，對(duì)底板尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)取板厚為 35 mm，方管壁厚為3 mm。

[F（W9][TPCYJ6tif][F]

2輸送槽靜力學(xué)分析

21單元類型選擇

傾斜輸送槽在UG中的有限元模型導(dǎo)入NX NASTRAN中進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。傾斜輸送槽鋼管屬于薄壁結(jié)構(gòu)，其厚度為3mm，故選擇solid單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為 15 mm。傾斜輸送槽使用的鋼管、角鋼、鋼板為Q235，泊松比03，彈性模量2068×105 MPa，材料密度7 850 kg/m3。

22網(wǎng)格劃分

根據(jù)傾斜輸送槽的結(jié)構(gòu)及受力情況，有限元模型采用3D四面體網(wǎng)格劃分，節(jié)點(diǎn)數(shù)187 970，單元數(shù)94 430（圖7。

23載荷條件

取正常收割狀態(tài)，即大油門收割狀態(tài)，由于第1脫粒滾筒與傾斜輸送槽相連接，當(dāng)?shù)?脫粒滾筒轉(zhuǎn)速n1=400 r/min時(shí)，傾斜輸送槽平均功耗輸送器單排鏈消耗功率068 kW，6只螺栓固定鏈耙鏈輪軸支座均布孔直徑為140 mm。

24邊界條件

傾斜輸送槽的邊界約束根據(jù)其與割臺(tái)、脫粒滾筒裝配狀態(tài)確定。傾斜輸送槽上部與割臺(tái)通過7只螺栓連接，下部與割臺(tái)通過4只螺栓連接；與脫粒滾筒連接則通過傾斜輸送槽左右側(cè)12只螺栓固定。

25解算方案

解算方案采用多約束SESTATIC101，迭代求解器選用蘭索士法（Lanczos method，實(shí)數(shù)過濾器為1×10-15，使用環(huán)境變量為UGII NX NASTRAN VERSION，得到仿真結(jié)果。

在x方向變化變形位移比較大，通過動(dòng)畫功能觀察其變形過程后，查看其最大位移值為4312 mm，位于節(jié)點(diǎn)號(hào)為 187 886（圖8。在y方向變化變形位移，其大位移值范圍為4286 mm（圖9。在z方向變化變形位移，其最大位移值為為1148 mm，位于節(jié)點(diǎn)號(hào)為187 387（圖10。

綜上分析由于x軸方向變化值范圍最大，故取x方向變化變形位移為靜力學(xué)變形位移首選值。結(jié)合傾斜輸送槽需要優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求及該x方向變化變形位移值大小，可以初步確定模型最大變形位移的約束條件。

該傾斜輸送槽單元節(jié)點(diǎn)的馮氏應(yīng)力（Von-Mises分布云圖見圖11，最大應(yīng)力位于與割臺(tái)連接的支座孔 14 147 號(hào)單元，其值為37814 MPa，受外載荷后最大應(yīng)力沒有達(dá)到模型材料屈服極限強(qiáng)度的60%[5]，結(jié)果表明，傾斜輸送槽模型的強(qiáng)度在正常收割工況下，邊界約束和載荷條件滿足需要。此外，結(jié)合傾斜輸送槽輕量化設(shè)計(jì)的要求，根據(jù)仿真結(jié)果，可初步確定傾斜輸送槽模型變形最大應(yīng)力的約束條件，即可確定應(yīng)力變化的極限值。因此，依據(jù)有限元仿真取得的最大應(yīng)力值和最大位移值，作為傾斜輸送槽結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析的優(yōu)化設(shè)置參數(shù)。

3傾斜輸送槽輕量化設(shè)計(jì)

31 優(yōu)化方程的建立

[JP2]為了減輕傾斜輸送槽的質(zhì)量，在結(jié)合傾斜輸送槽靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)其尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。Altair HyperOpt采用局部逼近算法求解優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)，當(dāng)選定的約束條件數(shù)超過設(shè)計(jì)變量參數(shù)時(shí)，Altair HyperOpt采用可行方向方法構(gòu)建相似模型，使用的傾斜輸送槽輕量化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型如下[6]：

[J（]F（X=f（x1，x2，…，xn。[J][JY]（13

式中：x1，x2，…，xn為設(shè)計(jì)變量。

在滿足剛度和強(qiáng)度等力學(xué)性能的條件下，尋求傾斜輸送槽質(zhì)量最小的設(shè)計(jì)尺寸分布方案，選擇整個(gè)傾斜輸送槽的質(zhì)量M（X作為尺寸輕量化目標(biāo)函數(shù)：

[J（]M（X=V（x1，x2，…，xn·ρ。[J][JY]（14

式中：V（x1，x2，…，xn為傾斜輸送槽各個(gè)組成零件的體積，x1，x2，…，xn為設(shè)計(jì)變量，ρ為材料密度。

32優(yōu)化結(jié)果分析

在Altair HyperOpt中設(shè)置好參數(shù)后，進(jìn)行尺寸參數(shù)優(yōu)化計(jì)算，各變量的優(yōu)化結(jié)果如表1所示。

由表1可知，彎曲工況下傾斜輸送槽的最大位移量為 2151 mm，扭曲工況下的最大應(yīng)力值為6374 MPa，沒有超過規(guī)定值。經(jīng)Altair HyperOpt輕量化優(yōu)化，傾斜輸送槽質(zhì)量由原來的7476 kg減少至6454 kg，質(zhì)量降幅為1367%。優(yōu)化后應(yīng)力分布見圖12，從中可觀察到應(yīng)力分布比較均勻，應(yīng)力集中導(dǎo)致的變形相對(duì)優(yōu)化前較小。

[F（W11][HT6H][J]表1變量優(yōu)化值前后對(duì)比[HTSS][STB]

[HJ5][BG（！][BHDFG12，W13，W8。2W]變量名稱優(yōu)化前優(yōu)化后

[BHDG12，W13Q，W8。2W]傾斜輸送槽總體積（mm3954×106824 ×106

[BHDW]傾斜輸送槽總質(zhì)量（kg74766454

最大位移（彎曲（mm43122151

最大應(yīng)力（扭曲（MPa378146374

4根縱梁（方管（mm325

安裝用橫梁（角鋼（mm538

結(jié)構(gòu)板（mm540

立柱（方管（mm326[HJ][BG）F][F）]

33輕量化方案的提出

傾斜輸送槽整體剛度較大，傾斜輸送槽強(qiáng)度富裕較多，對(duì)于傾斜輸送槽結(jié)構(gòu)有必要進(jìn)行輕量優(yōu)化，以減輕重量，降低制造材料成本。此外，在收割工況下，使用螺栓固定鏈耙鏈輪軸支座的傾斜輸送槽大軸孔處易發(fā)生裂紋，經(jīng)Altair HyperOpt初步優(yōu)化，傾斜輸送槽扭曲工況下的最大應(yīng)力值為 6374 MPa，安全系數(shù)較高。因此，為了進(jìn)一步使得設(shè)計(jì)的傾斜輸送槽符合收割機(jī)作業(yè)要求，還需要對(duì)傾斜輸送槽進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

（1根據(jù)初步優(yōu)化結(jié)果并結(jié)合實(shí)際作業(yè)情況，在傾斜輸送槽受力較小處選用厚度更薄的結(jié)構(gòu)板，結(jié)構(gòu)板由原來的 5 mm 改為4 mm等。

（2針對(duì)固定鏈耙鏈輪軸支座的傾斜輸送槽大軸孔處出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，在左右外側(cè)板處增加加強(qiáng)筋厚度為2 mm（圖13。

經(jīng)過改進(jìn)再次對(duì)傾斜輸送槽Altair HyperOpt輕量化優(yōu)化，彎曲工況和扭曲工況的應(yīng)力值分別為10345、12452 MPa，彎曲工況的x方向的最大位移值為328 mm，質(zhì)量降幅為1233%。對(duì)比表1結(jié)果，傾斜輸送槽已達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)目的，結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案比較合理，但后續(xù)還需要田間收割試驗(yàn)來驗(yàn)證傾斜輸送槽結(jié)構(gòu)改進(jìn)效果。

[F（W9][TPCYJ7tif][F]

[F（W12][TPCYJ8tif][F]

[F（W12][TPCYJ9tif][F]

[F（W11][TPCYJ10tif][F]

4結(jié)論

在對(duì)傾斜輸送槽結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，得到如下結(jié)論：

（1對(duì)傾斜輸送槽建立了有限元模型，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜[CM（25]力學(xué)分析。

（2對(duì)傾斜輸送槽進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)，其質(zhì)量[CM]

[F（W13][TPCYJ11tif][F]

[F（W12][TPCYJ12tif][F]

[F（W9][TPCYJ13tif][F]

降幅為1233%，實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)。

[HS22][HT85H]參考文獻(xiàn)：[HT8SS][HJ175mm]

[1][（#]王玲，李慧琴，李燕，等 自走式谷物聯(lián)合收割機(jī)車架的有限元分析[J] 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（11：385-387

[2]李耀明，孫朋朋，龐靖，等 聯(lián)合收獲機(jī)底盤機(jī)架有限元模態(tài)分析與試驗(yàn)[J] 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（3：38-46

[3]季欣宇，李耀明，徐立章，等 聯(lián)合收割機(jī)載荷測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J] 農(nóng)機(jī)化研究，2013（5：131-134

[4]陳樹人，韓紅陽，盧強(qiáng) 4L-20型聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)模態(tài)分析[J] 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43（增刊：90-94

[5]施欲亮，朱平，沈利冰，等 汽車前縱梁的拼焊板輕量化設(shè)計(jì)研究[J] 中國機(jī)械工程，2008，19（3：374-377

[6]李洪波，周維林 重型汽車車架輕量化設(shè)計(jì)[J] 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，24（12：110-113，122[HJ][FL]

[HT5”SS〗江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)2014年第42卷第12期

[SQ5]

[HT6F]王坤，白紅武，王富國，等 基于SaaS模式的江蘇省農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯管理系統(tǒng)研究[J] 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，42（12）：414-418

doi：1015889/jissn1002-1302201412139[HT9]