秦志文，賴　曉，張　彪，羅春周，郭文峰

(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州　545007 ；2.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧　530004)

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小型甘蔗收獲機(jī)分動箱結(jié)構(gòu)改進(jìn)與實驗

秦志文1，賴曉2，張彪2，羅春周2，郭文峰2

(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州545007 ；2.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南寧530004)

摘要：針對目前小型甘蔗收獲機(jī)分動箱結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)動力不足且工作性能較低的問題，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，主要措施為液壓泵與前蓋板合為一體，傳動軸改為花鍵連接，增加加強(qiáng)筋和減震墊等。振動測試試驗結(jié)果表明：改進(jìn)后的分動箱各個測點的振動加速度均方根值降低3%~30%，振動加速度峰峰值降低15%~32%，分動箱的剛度增大，工作可靠性得到提高。

關(guān)鍵詞：甘蔗收獲機(jī)；分動箱；振動測試

0引言

現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)鍵在于機(jī)械化，我國甘蔗收獲機(jī)械化低于1%的局面必須打破。目前，國內(nèi)甘蔗聯(lián)合收獲機(jī)的研制和推廣面對諸多挑戰(zhàn)[1～5]，其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)動力不足、工作可靠性不高是廣大農(nóng)民難以接受的主要問題。甘蔗收割機(jī)的三大主要動力系統(tǒng)(砍蔗剝?nèi)~系統(tǒng)、換向輸送系統(tǒng)、行走系統(tǒng))均使用液壓傳動，由分動箱作為發(fā)動機(jī)和各執(zhí)行系統(tǒng)的動力傳遞的橋梁，將發(fā)動機(jī)的動力合理地分配到各個執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以滿足工作需求。否則，即使發(fā)動機(jī)提供的總動力足夠，執(zhí)行機(jī)構(gòu)亦會出現(xiàn)動力不足，時斷時續(xù)工作，甚至出現(xiàn)軸承內(nèi)圈被壓壞、軸承滾珠脫落、傳動軸鍵槽崩裂失效等現(xiàn)象。所以，提高分動箱工作性能是解決甘蔗聯(lián)合收割機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動力不足與可靠性低的關(guān)鍵，亟需對分動箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。

目前，國內(nèi)外的專家和學(xué)者們對分動箱相關(guān)的零部件已展開了研究。1996年，土耳其中東工業(yè)機(jī)械學(xué)院的M．Celik[6-8]對兩種不同的齒形、3對齒和整體、摩擦狀況及輸入軸的情況做了系統(tǒng)的數(shù)字仿真，得出了齒輪所受的彎曲應(yīng)力、擠壓應(yīng)力及邊界條件對齒輪的傳遞動力的過程有著很大影響及傳動誤差和齒輪傳遞過程中的噪聲有很大關(guān)系的結(jié)論。2005年,美國的亞拉巴馬州立大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的Yuan H．Guan和辛辛那提州立大學(xué)的Mingfeng Li等人利用數(shù)值分析的方法得出了系統(tǒng)的輸入軸誤差對系統(tǒng)的綜合振動噪聲有著顯著影響，而軸承的誤差對系統(tǒng)的振動噪聲影響較小的結(jié)論[9-15]。Y.A.Khulief[16]在2005年，對鉆床齒輪箱做了有限元模態(tài)分析和試驗?zāi)B(tài)分析，通過振動響應(yīng)的分析，找出了引起鉆床齒輪箱振動的主要原因，為后期對起床振動方面的研究具有很高的指導(dǎo)價值。Zakrajsek[17]等人使用NASTRAN軟件對變速器齒輪箱的模態(tài)頻率和模態(tài)振型進(jìn)行了提取，對比試驗?zāi)B(tài)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者誤差小于1%，說明了有限元的分析結(jié)果具有很高的可信度。我國的許多專家對齒輪箱性能方面的相關(guān)內(nèi)容也都做了大量的研究和探索。1993年，柯金和[18]等人用有限元手段對某水泥磨機(jī)的齒輪箱進(jìn)行了分析，通過改變箱體的厚度，對比有限元方法分析得到的應(yīng)力結(jié)果，得出了箱體強(qiáng)度、剛度對齒輪箱工作性能的影響。2009年，廣西大學(xué)張濤[19]建立了甘蔗收割機(jī)分動箱的虛擬樣機(jī)模型，分析了分動箱的齒形齒寬對其噪聲的影響，并研究了分動箱的熱損失形式，基于熱源損失的形式對分動箱的內(nèi)部空間布局和幾何尺寸外形進(jìn)行了優(yōu)化。2010年，程街[20]等人利用有限元方法對齒輪箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模態(tài)分析，研究了齒輪箱的模態(tài)振型對齒輪箱工作性能的影響，并對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，結(jié)果表明箱體的應(yīng)力和振動都有所降低。

1小型甘蔗收獲機(jī)分動箱結(jié)構(gòu)

小型甘蔗收獲機(jī)分動箱的設(shè)計采用的是單輸入、多輸出的方案，即分動箱的動力輸入軸直接與發(fā)動機(jī)飛輪連接，將動力和扭矩通過齒輪傳動分別傳遞到三大液壓泵中，再通過液壓系統(tǒng)將液壓能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能具體分配到各執(zhí)行部件，完成一系列的動力分配過程，如圖1所示。這樣設(shè)計既降低了成本，也使得動力分配系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加緊湊，很好地滿足了使用的要求。

1.發(fā)動機(jī)　2.分動箱　3.液壓泵固定座組　4.液壓泵組

甘蔗聯(lián)合收割機(jī)的分動箱主要由后箱體、前蓋板、齒輪、軸和軸承等部件構(gòu)成，如圖2所示。它主要完成切割、剝?nèi)~、輸送、行走等功能所需動力的分配工作。

圖2　分動箱實物圖

2分動箱結(jié)構(gòu)改進(jìn)

針對分動箱的故障分析可知：分動箱箱體前蓋板設(shè)計結(jié)構(gòu)不合理，容易出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，而且蓋板在應(yīng)力集中部位的強(qiáng)度也不能滿足要求，所以提出以下幾點改進(jìn)方案：

1)將液壓泵固定座直接焊接在前蓋板上，再對其進(jìn)行加工。這樣就很容易地滿足加工的基準(zhǔn)統(tǒng)一原則，減小了加工誤差，也避免了因為連接螺栓的螺紋間隙而引起的裝配誤差的出現(xiàn)，很好地保證泵軸和動力輸出軸的對中性。

2)傳動軸在傳遞相同的扭矩時，花鍵連接要比平鍵連接產(chǎn)生的應(yīng)力更小，更有利于應(yīng)力的均勻分布，降低應(yīng)力集中的危害。所以，將動力輸出軸的輸出端改為內(nèi)花鍵形式，裝配時只需將泵軸伸入花鍵軸內(nèi)，免去了聯(lián)軸器裝置，既可以大大縮短液壓泵固定座的長度，達(dá)到減小蓋板承受的傾覆力矩的效果，也很容易滿足動力輸出軸和泵軸的對中性，保證裝配精度，提高傳遞的可靠性。

3)通過增加分動箱前蓋板的厚度，達(dá)到減小應(yīng)力的目的。所以，決定對箱蓋加厚4mm；同時也在蓋板薄弱的地方增加加強(qiáng)筋，減小蓋板的變形，提高分動箱的傳遞效率；最后，考慮到分動箱工作環(huán)境比較惡劣，所以需留有足夠的裕量來應(yīng)對各種不同的工作狀況。

4)為了減小動力分配箱的振動，將原來用廢棄輪胎膠制成的減震墊換成專業(yè)發(fā)動機(jī)橡膠減震墊來提高發(fā)動機(jī)的減振效果，削弱振動給傳動系統(tǒng)帶來的危害。

動力分配箱改進(jìn)后前后物理樣機(jī)和裝配示意圖簡圖對比如圖3所示。

圖3　改進(jìn)后箱體結(jié)構(gòu)

對比改進(jìn)前后分動箱裝配圖可以看出(見圖4)：動力輸出軸和泵軸采用內(nèi)插式聯(lián)接不僅縮短了液壓泵固定座的長度，減小了箱蓋的受力，提高了聯(lián)接剛性，而且也有利于保證輸出軸與泵軸聯(lián)接的中心同軸。

改進(jìn)前分動箱總裝圖

改進(jìn)后分動箱總裝圖

3分動箱結(jié)構(gòu)改進(jìn)性能測試試驗

采用振動測試系統(tǒng)對改進(jìn)前后的動力分配箱進(jìn)行振動測試，對比改進(jìn)前后的振動強(qiáng)度，分析改進(jìn)后動力分配箱振動的改善效果。

3.1　試驗方案

為確定發(fā)動機(jī)不同轉(zhuǎn)速對動力分配箱振動的影響，選取發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1 700、1 900、2 100r/min這3個轉(zhuǎn)速下，分別測量動力分配箱3個方向(水平、垂直、軸向)的振動加速度，動力分配箱測點布置如圖5所示。

3.2　試驗設(shè)備

東華振動測試儀1臺，PCI加速度傳感器3個，筆記本電腦1臺，數(shù)據(jù)線若干，如圖6所示。

圖5　箱體測點布置

圖6　試驗設(shè)備

3.3　試驗結(jié)果與分析

試驗通過振動測試儀到的改進(jìn)前與改進(jìn)后分動箱振動加速度數(shù)據(jù)，如圖7所示。將5次重復(fù)測量平均值整理如表1和表2所示。

(a)　改進(jìn)前　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)　改進(jìn)后

m/s2

表2　分動箱改進(jìn)后振動加速度強(qiáng)度

為將改進(jìn)前后的振動效果進(jìn)行對比，將上表的6組數(shù)據(jù)繪成曲線圖如圖8~圖13所示。

對比表格和曲線圖可以看出：改進(jìn)后的動力分配箱3個測振點的振動加速度的峰峰值和有效值都要比改進(jìn)前明顯降低。振動加速度均方根值降低3%~30%，振動加速度峰峰值降低15%~32%。這說明了動力分配箱的振動強(qiáng)度得到了一定的改善，更有利于提高箱體的工作可靠性。改進(jìn)后的強(qiáng)度和剛度都有了較大的提高，最大應(yīng)力比原來的減小了36.8%，最大變形也比原來的減小了18.5%，改進(jìn)后箱體的振動強(qiáng)度也有一定程度的減小，更有利于提高動力分配箱的工作可靠性。

圖8　改進(jìn)前后測點1峰峰值對比

圖9　改進(jìn)前后測點1均方根對比

圖10　改進(jìn)前后測點2峰峰值對比

圖11　改進(jìn)前后測點2均方根對比

圖12　改進(jìn)前后測點3峰峰值對比

圖13　改進(jìn)前后測點3均方根對比

4結(jié)論

2)通過增加分動箱前蓋板的厚度4mm及增加加強(qiáng)筋等措施，分動箱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度確實得到提高，振動加速度均方根值降低3%~30%，分動箱工作可靠性得到提高。

2)通過將動力輸出軸的輸出端改為內(nèi)花鍵形式，增強(qiáng)分動箱結(jié)構(gòu)緊湊性，振動加速度峰峰值降低15%~32%，減少了分動箱零部件失效受損的可能性。

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Structure Improvement and Experiment of Transfer Case of the Small Type Sugarcane Harvester

Qin Zhiwen1， Lai Xiao2，Zhang Biao2，Luo Chunzhou2，Guo Wenfeng2

(1.SGMW，Liuzhou 545007，China ；2.Guangxi University，Nanning 530004，China)

Abstract：Aiming at the small sugarcane harvester transfer casesunreasonable structure which led to executer underpower and low performance, the paper propose some structure improvement : jointing the hydraulic pump and the front cover together, changing the drive shaft with spline connection, adding reinforcement and shock absorption pad. A vibration test is carried out thereafter and the results shows that: rootmeansquare (RMS) of vibration acceleration of the improved transfer case is reduced by 3 % to 30% of all measuring points, and the vibration acceleration peak value of 15% to 32%.This proves that the rigidity and work reliability of the transfer case is increased.

Key words：sugarcane harvester； transfer case； vibration test

中圖分類號：S225.5+3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0198-06

作者簡介：秦志文(1976-)，男，廣西博白人，工程師。通訊作者：賴曉(1979-)，女，廣西北流人，講師，博士，(E-mail)dawnlx1979@126.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51465006)；廣西制造系統(tǒng)與先進(jìn)制造技術(shù)重點試驗室項目 (14-045-15S01)；廣西大學(xué)科研基金項目(XBZ120838)；廣西大學(xué)“大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃”項目(20141059309062)； 廣西高校臨海機(jī)械裝備設(shè)計制造及控制重點實驗室課題(GXLH2014KF-04)；廣西大學(xué)實驗室建設(shè)與實驗教學(xué)改革項目(20140111)

收稿日期：2015-10-27