季惠，王文樂(lè)，祁繼柏，梁言

（江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

1 研究的背景和意義

淮安是江蘇省優(yōu)質(zhì)稻米的主要產(chǎn)區(qū)和享譽(yù)全國(guó)的商品糧產(chǎn)加銷(xiāo)基地?！盎窗泊竺住泵磕昕蔀檗r(nóng)民增收3.5 億元以上，目前淮安大米從種植到生產(chǎn)已形成產(chǎn)業(yè)化，且廣泛采用小型水稻聯(lián)合收獲機(jī)[1]。目前此種小型水稻聯(lián)合收獲機(jī)在工作過(guò)程中需要將收割的糧食進(jìn)行存儲(chǔ)，現(xiàn)有的收獲機(jī)儲(chǔ)糧裝置難以將糧食上的水分排出，容易出現(xiàn)糧食受潮腐敗變質(zhì)，提高糧食后續(xù)的存儲(chǔ)時(shí)間，糧食之間的空隙容易占用儲(chǔ)糧裝置的內(nèi)部空間，降低空間利用率。本文旨在研究一種對(duì)現(xiàn)有儲(chǔ)糧裝置的改進(jìn)方案，并對(duì)新方案進(jìn)行仿真分析。

2 糧食受潮腐敗變質(zhì)的難點(diǎn)解決方案提出

為解決糧食受潮腐敗變質(zhì)的問(wèn)題，第一種方案是更換現(xiàn)有儲(chǔ)糧裝置的材料，但又要保證儲(chǔ)糧裝置的剛度和強(qiáng)度，而且材料還必須符合食品安全制度。經(jīng)查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，防潮效果最好的材質(zhì)是陶瓷類和玻璃類，但是在水稻實(shí)際的收獲過(guò)程中，水稻的密度大約為1500kg/m3，在儲(chǔ)糧裝置中所產(chǎn)生的重力約5000N[2]，但是在收割過(guò)程中可能產(chǎn)生意外的碰撞，陶瓷類和玻璃類不符合剛度和強(qiáng)度的要求。

因此提出第二種方案，改變現(xiàn)有儲(chǔ)糧裝置結(jié)構(gòu)，并增添加熱箱，具體位置如下：通過(guò)儲(chǔ)存筒的頂部通過(guò)螺栓固定連接有進(jìn)料斗，且儲(chǔ)存筒的底部通過(guò)螺栓固定連接有固定板，所述固定板的底部通過(guò)螺栓固定連接有出料管和加熱箱，所述出料管位于加熱箱的一側(cè)，所述加熱箱的一側(cè)內(nèi)壁上通過(guò)螺栓固定連接有電加熱管，此收割機(jī)用儲(chǔ)糧裝置，可通過(guò)從下而上的熱空氣，可以將糧食進(jìn)行加熱烘干，有效的將糧食上的水分加熱吹出，實(shí)現(xiàn)糧食的干燥，減少水分，保證存糧時(shí)的干燥，通過(guò)升降盤(pán)的升降，可以使升降盤(pán)在下降過(guò)程中將糧食壓實(shí)，并配合震動(dòng)棒的震動(dòng)可以使得糧食之間充分緊密，提高壓實(shí)的效果，進(jìn)而提高儲(chǔ)存筒的存糧量，提高空間利用率。

3 新型收獲機(jī)用儲(chǔ)糧裝置設(shè)計(jì)方案

一種收割機(jī)用儲(chǔ)糧裝置，包括儲(chǔ)存筒1，儲(chǔ)存筒1 的頂部通過(guò)螺栓固定連接有進(jìn)料斗2，且儲(chǔ)存筒1 的底部通過(guò)螺栓固定連接有固定板3，固定板3 的底部通過(guò)螺栓固定連接有出料管4 和加熱箱5，出料管4 位于加熱箱5 的一側(cè)，加熱箱5 的一側(cè)內(nèi)壁上通過(guò)螺栓固定連接有電加熱管6，出料管4 的底部通過(guò)鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)連接有管蓋7，儲(chǔ)存筒1 的一側(cè)內(nèi)壁上通過(guò)螺栓固定連接有固定桿8，固定桿8 的一端焊接有固定盤(pán)9，固定盤(pán)9 的底部通過(guò)螺栓固定連接有氣缸保護(hù)罩10，氣缸保護(hù)罩10 的內(nèi)部底部通過(guò)螺栓固定連接有氣缸11，氣缸11 的一端通過(guò)伸縮桿連接有升降盤(pán)12，升降盤(pán)12 的一側(cè)外壁上套設(shè)有軟膠套13，升降盤(pán)12 的頂部開(kāi)設(shè)有內(nèi)孔14，內(nèi)孔14 的一側(cè)內(nèi)壁上通過(guò)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)連接有轉(zhuǎn)板16，轉(zhuǎn)板16與內(nèi)孔14 之間焊接有彈簧15，內(nèi)孔14 的一側(cè)內(nèi)壁上靠近轉(zhuǎn)板16 的上方位置處焊接有限位塊17，儲(chǔ)存筒1 的一側(cè)外壁上嵌入有第一過(guò)濾網(wǎng)18，儲(chǔ)存筒1 的內(nèi)部底部中央位置處通過(guò)螺栓固定連接有風(fēng)機(jī)箱19，風(fēng)機(jī)箱19 的內(nèi)部通過(guò)螺栓固定連接有風(fēng)機(jī)20，且風(fēng)機(jī)箱19 的頂部嵌入有第二過(guò)濾網(wǎng)22，儲(chǔ)存筒1的內(nèi)部底部靠近風(fēng)機(jī)箱19的一側(cè)位置處通過(guò)螺栓固定連接有震動(dòng)棒21。

儲(chǔ)存筒1的一側(cè)外壁上靠近第一過(guò)濾網(wǎng)18的一側(cè)位置處開(kāi)設(shè)有出氣孔；便于將儲(chǔ)存筒1 內(nèi)的熱空氣排出。儲(chǔ)存筒1和固定板3 的底部靠近出料管4 的上方位置處均開(kāi)設(shè)有出料孔；便于糧食的排出。設(shè)計(jì)方案如圖1 所示：

圖1 新型收獲機(jī)用儲(chǔ)糧裝置設(shè)計(jì)方案

工作原理：在使用時(shí)，將儲(chǔ)存筒1 通過(guò)固定板3 安裝固定在收割機(jī)上，將收割機(jī)上的下料處，糧食落入進(jìn)料斗2 后落在升降盤(pán)12 上，內(nèi)孔14 內(nèi)的轉(zhuǎn)板16 受到糧食的重力作用下擠壓轉(zhuǎn)板16，轉(zhuǎn)板16 向下轉(zhuǎn)動(dòng)，糧食穿過(guò)升降盤(pán)12 落在儲(chǔ)存筒1 內(nèi)，實(shí)現(xiàn)糧食的村存儲(chǔ)，風(fēng)機(jī)20 在工作時(shí)將外部空氣抽入加熱箱5，加熱箱5 內(nèi)的電加熱管6 工作將進(jìn)入空氣的加熱，熱空氣穿過(guò)第二過(guò)濾網(wǎng)22 后進(jìn)入儲(chǔ)存筒1，熱空氣吹在糧食上，有效的將糧食上的水分加熱吹出，最后通過(guò)第一過(guò)濾網(wǎng)18 排出，實(shí)現(xiàn)糧食的干燥，減少水分，在存糧過(guò)程中，氣缸11 通過(guò)伸縮桿帶動(dòng)升降盤(pán)12 升降，升降盤(pán)12 在下降過(guò)程中將糧食壓實(shí)，并配合震動(dòng)棒21 的震動(dòng)可以使得糧食之間充分緊密，提高壓實(shí)的效果，進(jìn)而提高儲(chǔ)存筒1 的存糧量，提高空間利用率。

4 新型收獲機(jī)用儲(chǔ)糧裝置模型構(gòu)建

利用Solidworks 軟件對(duì)儲(chǔ)糧裝置進(jìn)行建模，然后進(jìn)行簡(jiǎn)化模型（simplified model），簡(jiǎn)化模型也可以稱之為模型簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)是指去掉模型中不顯著的項(xiàng)，通過(guò)減少項(xiàng)數(shù)使模型更容易使用，或者是指減少模型的復(fù)雜度，使模型更容易計(jì)算。簡(jiǎn)化模型有著廣泛的應(yīng)用，特別是在大系統(tǒng)理論中，大系統(tǒng)是指結(jié)構(gòu)上和維數(shù)上都具有某種復(fù)雜性的系統(tǒng)，所以對(duì)模型簡(jiǎn)化是十分必要的。而通過(guò)簡(jiǎn)化模型，將儲(chǔ)糧裝置的模型去除一些在后續(xù)仿真分析中的不顯著的影響因素，將主要的仿真分析放在儲(chǔ)糧裝置模型中在上下震動(dòng)時(shí)取主要作用的部分，也即是在儲(chǔ)糧裝置上下震動(dòng)模型中儲(chǔ)糧裝置承受來(lái)自上下震動(dòng)的主要受力和加速度部分，進(jìn)行模型簡(jiǎn)化可以將更好的運(yùn)算能力用在對(duì)問(wèn)題至關(guān)重要的關(guān)鍵點(diǎn)上，提高仿真分析的精細(xì)程度。

5 新型收獲機(jī)用儲(chǔ)糧裝置仿真分析

從結(jié)構(gòu)上改進(jìn)儲(chǔ)糧裝置以后，還要再判定新型儲(chǔ)糧裝置在力學(xué)性能上是否達(dá)標(biāo)。我所利用的是Ansys 軟件進(jìn)行有限元分析，此軟件功能強(qiáng)大，可以模擬各種復(fù)雜的模型和工況，其為了體現(xiàn)設(shè)計(jì)仿真一體化的解決方案，在無(wú)縫集成界面做了創(chuàng)造性的改變，將仿真界面，仿真流程無(wú)縫融入到Ansys的設(shè)計(jì)過(guò)程中[3]。Ansys 的仿真向?qū)В韵骂檰?wèn)向?qū)В核憷檰?wèn)、性能顧問(wèn)、約束和載荷顧問(wèn)、連接顧問(wèn)、結(jié)果顧問(wèn)[4]。在應(yīng)用到Ansys 的仿真分析的功能時(shí)，需要對(duì)不同的材料力學(xué)參數(shù)，例如材料的彈性模量或泊松比，另外還需要對(duì)零件或者模型的固定方式進(jìn)行設(shè)置，最后加載網(wǎng)格和進(jìn)行不同的網(wǎng)格劃分，并將部分不合格的網(wǎng)格進(jìn)行修正，以便計(jì)算準(zhǔn)確，網(wǎng)格劃分采用四面體單元，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，同時(shí)保證計(jì)算精度，網(wǎng)格劃分對(duì)容易產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域?qū)ｉT(mén)進(jìn)行細(xì)化處理，網(wǎng)格劃分情況如圖所示，共包含366198 個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)，單元數(shù)量為169837，所畫(huà)網(wǎng)格情況如圖所示：

圖2 新型收獲機(jī)用儲(chǔ)糧裝置三維模型

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果

在進(jìn)行有限元分析的過(guò)程之前，需要對(duì)不同的邊界條件進(jìn)行分別分析，所謂邊界條件是指在求解的區(qū)域內(nèi)的邊界上的所求階段變量或者導(dǎo)數(shù)隨時(shí)間和地點(diǎn)的一種變化規(guī)律，而不同的邊界條件的施加也會(huì)對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)造成不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所以一個(gè)正確的邊界條件的施加是十分重要的，一方面影響實(shí)驗(yàn)的能都順利進(jìn)行，另一方面也會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果再次不同的偏差。經(jīng)過(guò)前期的文獻(xiàn)資料的查詢和比照分析，儲(chǔ)糧裝置一般采用通過(guò)螺釘?shù)姆绞脚c車(chē)身進(jìn)行連接和加固，所以邊界條件的設(shè)定應(yīng)該在儲(chǔ)糧裝置模型的底部。

由于每個(gè)谷粒的大小相對(duì)于整個(gè)儲(chǔ)糧裝置的體積可以忽略不計(jì)，數(shù)量巨大的谷粒群可以近似看做無(wú)窮多個(gè)谷粒分子，因此可采用近似將谷?？醋隽黧w方式，以此來(lái)對(duì)儲(chǔ)量裝置內(nèi)部施加液體壓力，來(lái)測(cè)算谷粒對(duì)儲(chǔ)糧裝置所產(chǎn)生力的作用。單加液體壓力情況下，儲(chǔ)量裝置內(nèi)部壓力如圖所示，從云圖中可以看出最大壓力在裝置底部，最小壓力在頂部。

圖4 儲(chǔ)量裝置內(nèi)部壓力云圖

在此次的有限元分析之前，設(shè)定材料的參數(shù)在 Ansys 這個(gè)軟件中也有著必須的流程和要求。不同的材料，對(duì)應(yīng)著不通道材料參數(shù)，例如使用性能，為了保證機(jī)械零件、設(shè)備、結(jié)構(gòu)件能夠正常的運(yùn)行和使用，主要由力學(xué)性能：強(qiáng)度、硬度、剛度、塑性、韌性等，物理性能：密度、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱性、熱膨脹性等，化學(xué)性能：耐腐蝕性等。

在上下震動(dòng)的工況中，儲(chǔ)糧裝置的變形量同時(shí)也是儲(chǔ)糧裝置的內(nèi)壁的相對(duì)侵入量，這一部分的形變直接關(guān)系到儲(chǔ)糧裝置的使用壽命，本論文中主要對(duì)影響儲(chǔ)糧裝置的最大應(yīng)力和最大變形量進(jìn)行了仿真分析，下面是實(shí)驗(yàn)組別對(duì)水稻收獲機(jī)儲(chǔ)糧裝置遭到上下震動(dòng)時(shí)的儲(chǔ)糧裝置內(nèi)壁侵入量的不同數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)仿真分析后的最大應(yīng)力和儲(chǔ)糧裝置的變形量如圖5圖6 所示。

圖5 結(jié)構(gòu)鋼儲(chǔ)糧裝置上下震動(dòng)時(shí)最大應(yīng)力

圖6 結(jié)構(gòu)鋼儲(chǔ)糧裝置上下震動(dòng)時(shí)變形量

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在相同的小型聯(lián)合收獲機(jī)對(duì)儲(chǔ)糧裝置進(jìn)行上下震動(dòng)時(shí)，采用新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的儲(chǔ)糧裝置侵入量相對(duì)更小。在儲(chǔ)糧裝置的侵入量減小的同時(shí)，新型儲(chǔ)糧裝置的耐撞性相比原有的儲(chǔ)糧裝置的耐撞性更好，這不僅實(shí)現(xiàn)糧食的干燥，減少水分，保證存糧時(shí)的干燥，還提高了儲(chǔ)糧設(shè)備的震動(dòng)耐撞性能。

6 結(jié)論

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本次設(shè)計(jì)的儲(chǔ)糧裝置的有益效果是：該收割機(jī)用儲(chǔ)糧裝置，通過(guò)從下而上的熱空氣，可以將糧食進(jìn)行加熱烘干，有效的將糧食上的水分加熱吹出，實(shí)現(xiàn)糧食的干燥，減少水分，保證存糧時(shí)的干燥，通過(guò)升降盤(pán)的升降，可以使升降盤(pán)在下降過(guò)程中將糧食壓實(shí)，并配合震動(dòng)棒的震動(dòng)可以使得糧食之間充分緊密，提高壓實(shí)的效果，進(jìn)而提高儲(chǔ)存筒的存糧量，提高空間利用率。并且進(jìn)行了力學(xué)驗(yàn)證和強(qiáng)度分析，可實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)應(yīng)用。