馮敏康龔智峰徐璟吳雄杰戴馮家林立杰徐紀(jì)洋李曉宇韋國(guó)運(yùn)

(1.上海市嘉定區(qū)農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣站；上海 201800；2.上海市農(nóng)業(yè)機(jī)械鑒定推廣站，上海 201600；3.上海聯(lián)適導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司，上海 201702；4.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

引言

2020年我國(guó)谷物產(chǎn)量達(dá)61674萬(wàn)t，稻谷產(chǎn)量達(dá)21186萬(wàn)t1]，糧食作物播種面積達(dá)116768千hm2[2]，是名副其實(shí)的世界第一糧食生產(chǎn)大國(guó)，而在此背景下我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。在我國(guó)收割機(jī)領(lǐng)域中，通過(guò)更換不同割臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)收割不同作物的谷物聯(lián)合收割機(jī)起步較早[3]。早期國(guó)內(nèi)的谷物聯(lián)合收割機(jī)主要通過(guò)仿制國(guó)外機(jī)型來(lái)研發(fā)出適合國(guó)內(nèi)作業(yè)環(huán)境的產(chǎn)品，隨著國(guó)家政策的調(diào)整，土地流轉(zhuǎn)速度加快，規(guī)模農(nóng)業(yè)開(kāi)始以合作社和大型農(nóng)場(chǎng)的方式在我國(guó)推廣開(kāi)來(lái)，聯(lián)合收割機(jī)開(kāi)始朝著大型化、智能化、通用化的方向發(fā)展。與此同時(shí)，隨著我國(guó)人口政策的調(diào)整，在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，農(nóng)業(yè)人口將會(huì)越來(lái)越少，具有專業(yè)知識(shí)、高等學(xué)歷的專業(yè)農(nóng)戶開(kāi)始成為農(nóng)業(yè)的實(shí)際經(jīng)營(yíng)生產(chǎn)者[4-7]，而這一部分人也對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化、自動(dòng)化程度提出更高的要求，智能化大型聯(lián)合收割機(jī)的出現(xiàn)是必然的[8]。

在智能化大型聯(lián)合收割機(jī)的發(fā)展過(guò)程中，對(duì)現(xiàn)有的智能化程度比較低的收割機(jī)進(jìn)行一定程度的智能化改裝，使其初步具備一定的智能化能力，能夠部分滿足用戶對(duì)智能化的需求，同時(shí)企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)通過(guò)這種方式進(jìn)行積累經(jīng)驗(yàn)，這一過(guò)程是歷史的必然。截至2019年末，我國(guó)聯(lián)合收割機(jī)在冊(cè)數(shù)量為212.8萬(wàn)臺(tái)，這部分收割機(jī)的機(jī)主也對(duì)智能化、電氣化有著強(qiáng)烈的需求[8]，因而市面上出現(xiàn)了許多針對(duì)存量市場(chǎng)進(jìn)行一定程度的電氣化改裝，從而能實(shí)現(xiàn)收割機(jī)自動(dòng)駕駛的產(chǎn)品。如，聯(lián)適導(dǎo)航推出的HR100無(wú)人收割機(jī)控制系統(tǒng)[9]，通過(guò)加裝GPS衛(wèi)星天線、電動(dòng)方向盤(pán)、電動(dòng)推桿和角度傳感器等電子元器件，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)收割機(jī)的自動(dòng)駕駛控制。

在對(duì)收割機(jī)存量市場(chǎng)的改裝中，對(duì)收割機(jī)上的脫谷離合、割臺(tái)離合、卸糧離合的控制一直是一大難點(diǎn)[10]。以脫谷離合為例，傳統(tǒng)收割機(jī)是通過(guò)離合拉桿來(lái)拉動(dòng)離合張緊帶輪來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)脫谷滾筒的控制，這部分傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通常位于收割機(jī)駕駛和糧倉(cāng)之間的空隙，改裝可以使用的空間不大，而這就對(duì)電氣化改裝提出了很大的挑戰(zhàn)。且目前對(duì)這部分存量市場(chǎng)改裝的理論基礎(chǔ)研究較少，大部分研究都集中在開(kāi)發(fā)新的產(chǎn)品或者提出新的結(jié)構(gòu)等方面，因而提出一種新的針對(duì)收割機(jī)脫谷離合的電控方式并運(yùn)用Ansys對(duì)改造結(jié)構(gòu)的使用壽命和疲勞形式進(jìn)行理論上的分析很有必要。

1 脫谷離合電控結(jié)構(gòu)的工作原理

收割機(jī)本身的脫谷離合傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理為駕駛員向前推動(dòng)脫谷離合手柄，帶動(dòng)手柄擺臂上的擺臂逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，手柄擺臂帶動(dòng)彈簧固定板向上移動(dòng)，同時(shí)彈簧被拉伸，帶動(dòng)脫谷張緊輪與皮帶相接觸，皮帶進(jìn)入張緊狀態(tài)，進(jìn)而為脫谷糧筒提供動(dòng)力?？傮w的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)比較緊湊，并且比較典型，市面上常見(jiàn)收割機(jī)的脫谷離合也是類似的結(jié)構(gòu)。

圖1 原車(chē)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

改裝后的電控結(jié)構(gòu)如圖2所示，由螺栓固定板、帶螺栓圓環(huán)套、銷(xiāo)子、電動(dòng)推桿和彈簧掛接板等組成。安裝時(shí)，先將收割機(jī)脫谷離合掛到分離檔上，同時(shí)將電動(dòng)推桿調(diào)至伸出狀態(tài)。將原車(chē)的螺栓固定板和彈簧掛接板拆下，將電控結(jié)構(gòu)按照?qǐng)D2進(jìn)行安裝，原車(chē)彈簧掛接在彈簧掛接板上，通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓伸出長(zhǎng)度使得彈簧被稍微拉緊。工作時(shí)，只需向電動(dòng)推桿縮回，即可將彈簧拉伸，帶動(dòng)脫谷皮帶張緊輪與皮帶接觸，從而實(shí)現(xiàn)電控的操作。電動(dòng)推桿內(nèi)有電位器，可以實(shí)時(shí)反饋電動(dòng)推桿的工作狀態(tài)，確保電動(dòng)推桿處于正確的工作位置，保障作業(yè)安全。同時(shí)在需要手動(dòng)操作時(shí)，只需將電動(dòng)推桿伸長(zhǎng)到原有長(zhǎng)度，即可通過(guò)離合推桿進(jìn)行操作，可以方便快捷地進(jìn)行自動(dòng)和手動(dòng)模式切換，以滿足用戶的不同使用需求。

圖2 電控傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

2 整體結(jié)構(gòu)的受力分析與有限元模型

2.1 受力分析

本文所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在工作時(shí)，主要受到的載荷是電機(jī)處于收縮時(shí)受到的彈簧拉力，拉力與電動(dòng)推桿共線，方向與電動(dòng)推桿伸出方向相反，同時(shí)根據(jù)胡克定律可以得知，當(dāng)電動(dòng)推桿縮回，即彈簧被拉出最大時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)載荷最大。根據(jù)測(cè)量可以得出原車(chē)彈簧線徑為3mm，中徑為17mm，所使用的材料為65Mn，65Mn的切變模量為78500MPa[11]，有效圈數(shù)為15圈，則彈簧的彈性系數(shù)：

式中，G為彈簧的切變模量，78500MPa；d為彈簧線徑，3mm；D為彈簧中徑，17mm；Nc為彈簧的有效圈數(shù)，15圈。計(jì)算可得該彈簧的彈性系數(shù)為10.79N·mm-1。

根據(jù)測(cè)量得出彈簧在離合結(jié)合時(shí)被拉長(zhǎng)了70mm，則由胡克定律F=K·Δl[13]可以得出彈簧的拉力為754.9N。

2.2 電控結(jié)構(gòu)的有限元模型

由于Ansys Workbench自帶的建模模塊使用起來(lái)不太方便，所以本文通過(guò)Solid Works三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行建模，主要結(jié)構(gòu)件建模如圖3所示。

圖3 主要結(jié)構(gòu)三維模型

由于電動(dòng)推桿的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因而將電動(dòng)推桿模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，材料定義為6036-T6鋁合金，剩余部件均使用304不銹鋼材料。6036-T6鋁合金的彈性模量E=69GPa[14]，泊松比μ=0.33，密度ρ=2700kg·m-3；304不銹鋼的彈性模量E=190GPa，泊松比μ=0.29，密度ρ=8000kg·m-3[15]。

由于電控結(jié)構(gòu)整體比較簡(jiǎn)單，因此將整個(gè)裝配體導(dǎo)入到Ansys-Workbench中，使用幾何體尺寸調(diào)整法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將單元尺寸定義為2mm，網(wǎng)格行為定義為柔軟，最終劃分結(jié)果為節(jié)點(diǎn)數(shù)663661個(gè)，單元數(shù)458143個(gè)，劃分好的單元如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分結(jié)果

3 有限元分析

3.1 有限元分析設(shè)置

在導(dǎo)入模型時(shí)，Ansys Workbench自動(dòng)生成了接觸對(duì)，但是通過(guò)查看發(fā)現(xiàn)所有的接觸對(duì)都是綁定接觸，與實(shí)際情況不符合，因而將與銷(xiāo)軸相關(guān)的接觸對(duì)都定義為帶摩擦的接觸對(duì)。整個(gè)模型共有9個(gè)接觸對(duì)，其中綁定接觸對(duì)有3個(gè)，分別是螺栓與螺母之間的接觸，螺母下端面與螺栓固定板的接觸以及螺栓與螺栓固定板上通孔的接觸。

有限元分析步驟按照實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，第1步是離合屬于分離狀態(tài)，系統(tǒng)受力較小，可以忽略不計(jì)；第2步是離合屬于結(jié)合狀態(tài)，系統(tǒng)受力為754.9N。使用靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析工具中的靜力分析，找到系統(tǒng)的最大破壞位置，再使用疲勞計(jì)算工具進(jìn)行分析。

3.2 靜力分析

由于彈簧的彈力是遵循胡克定律逐漸增大的，所以定義彈簧的力為一個(gè)線性的逐步增大的載荷，施加在彈簧掛接板的銷(xiāo)孔處，方向豎直向下，如圖5所示。

圖5 載荷設(shè)置

經(jīng)過(guò)靜力分析之后，得到等效應(yīng)力云圖如圖6所示。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力最大點(diǎn)出現(xiàn)在螺栓固定板與軸連接的圓孔下方，最大應(yīng)力為56.6277MPa，主要是因?yàn)樵擖c(diǎn)與手柄擺臂上的銷(xiāo)軸直接相連，受力最終傳導(dǎo)到點(diǎn)。應(yīng)力最小點(diǎn)出現(xiàn)在電動(dòng)推桿上，為2.1×10-8MPa，該位置基本上不參與整個(gè)力的傳導(dǎo)過(guò)程，因而基本不受力。

圖6 等效應(yīng)力云圖

位移云圖如圖7所示，最大位移出現(xiàn)在彈簧連接板的最下端，位移量為0.91275mm，最小位移點(diǎn)則是螺栓固定板的圓孔處，沒(méi)有發(fā)生位移。最大位移出現(xiàn)的原因是螺栓固定板發(fā)生變形，導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)沿X軸方向發(fā)生擺動(dòng)，而彈簧連接板離螺栓固定板最遠(yuǎn)，所以受到螺栓固定板應(yīng)變影響而帶來(lái)的位移最大。

圖7 位移云圖

通過(guò)觀察圖8的應(yīng)變?cè)茍D可以發(fā)現(xiàn)，螺栓固定板的應(yīng)變雖然不是最大的，但是整體發(fā)生應(yīng)變的部位較多，且應(yīng)變量均遠(yuǎn)高于平均值。而最大應(yīng)變發(fā)生在彈簧連接板與銷(xiāo)子相連的孔的下方，應(yīng)變量為2.988×10-4mm，這也會(huì)導(dǎo)致彈簧連接板最下端的位移加大，兩者綜合作用導(dǎo)致了彈簧連接板最下處的位移是最大的。在后續(xù)的設(shè)計(jì)中，可以對(duì)彈簧連接板和螺栓固定板通過(guò)添加加強(qiáng)筋等方式來(lái)加強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)，減小應(yīng)變。

圖8 應(yīng)變?cè)茍D

3.3 疲勞分析

運(yùn)用Ansys自帶的疲勞工具進(jìn)行疲勞分析，疲勞強(qiáng)度因子設(shè)置為1，恒定載荷類型為完全反向載荷，基于應(yīng)力疲勞極限理論進(jìn)行分析。首先進(jìn)行壽命分析，分析的結(jié)果如圖9所示，除電動(dòng)推桿外所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)件均能達(dá)到100000次使用周期的壽命，且整體使用壽命比較一致，電動(dòng)推桿所使用的結(jié)構(gòu)在該應(yīng)用場(chǎng)景中，可以滿足108次的使用周期。

在機(jī)械結(jié)構(gòu)中，發(fā)生疲勞破壞一般都是從疲勞源開(kāi)始發(fā)生，以疲勞源為中心向四周擴(kuò)散，同時(shí)載荷本身的交變發(fā)生，會(huì)導(dǎo)致疲勞破壞擴(kuò)張到影響整體結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度，靜強(qiáng)度不足時(shí)即發(fā)生整體結(jié)構(gòu)斷裂或解體，而此時(shí)遠(yuǎn)未達(dá)到結(jié)構(gòu)的理論壽命極限，因而危害巨大[16]。疲勞源通常是難以準(zhǔn)確預(yù)知的，由圖9可以看出，在帶螺栓電機(jī)頭與銷(xiāo)子的連接處最為薄弱，但與該設(shè)計(jì)的其余結(jié)構(gòu)壽命差距不是特別大，因而該電控結(jié)構(gòu)的整體壽命比較均勻一致，整體壽命均勻一致可以在一定程度上防止疲勞破壞的發(fā)生。

圖9 壽命云圖

由圖10安全系數(shù)運(yùn)圖可以得出，所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)最小值為1.7357，最大值為15，安全系數(shù)最小處是螺母與螺栓掛接板之間的位置，同時(shí)觀察到整個(gè)螺栓掛接板的安全系數(shù)均較低，可能是與螺栓掛接板受力有關(guān)，應(yīng)對(duì)螺栓焊接版的加強(qiáng)筋焊接提出要求，焊縫質(zhì)量決定了螺栓掛接板的安全系數(shù)，同時(shí)可以考慮再添加一個(gè)加強(qiáng)筋，以加強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)，提高安全系數(shù)。而其余的件安全系數(shù)均較大，可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏p厚，以降低生產(chǎn)成本和總體結(jié)構(gòu)重量。

圖10 安全系數(shù)云圖

對(duì)疲勞敏感性進(jìn)行仿真分析，因?yàn)樵谑謩?dòng)駕駛時(shí)可能由于駕駛員用力過(guò)度導(dǎo)致整體載荷過(guò)大，因而將最大設(shè)置為基本載荷的300%。圖11描述的是在基本載荷50%～300%的范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)的循環(huán)壽命。由圖11可知，在50%～300%的載荷條件下，循環(huán)壽命并沒(méi)有發(fā)生顯著的變化，均為10000次，總體設(shè)計(jì)比較完善。

圖11 疲勞敏感性圖

4 總結(jié)

本文提出了一種新的脫谷離合電控結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)整體比較緊湊，安裝方便，普適性強(qiáng)，可以輕易移植到其它機(jī)型上。同時(shí)利用Ansys Workbench對(duì)該電控結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化以及校核，得出以下結(jié)論。

收割機(jī)電控結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力點(diǎn)在螺栓固定板的開(kāi)孔下方，在本文所設(shè)置的載荷下，最大值為56.726MPa；螺栓固定板由于是采用了鈑金加上焊接加強(qiáng)筋的方式進(jìn)行制造，導(dǎo)致整體應(yīng)變較大，可以通過(guò)增加加強(qiáng)筋或者加厚的方式來(lái)提高整體強(qiáng)度，進(jìn)而降低彈簧掛接板的位移量，使整個(gè)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定；整個(gè)結(jié)構(gòu)在50%～300%載荷條件下循環(huán)壽命達(dá)到10000次，其破環(huán)源發(fā)生在帶螺栓電機(jī)頭的銷(xiāo)孔處，因而該孔的加工質(zhì)量決定了整體的使用壽命，在生產(chǎn)工藝中應(yīng)當(dāng)對(duì)該孔提出合理的工藝要求；部分結(jié)構(gòu)件的安全因子達(dá)到15，從經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)可以將這些結(jié)構(gòu)件做得更薄一些或者更換強(qiáng)度更低、價(jià)格更便宜的材料進(jìn)行加工生產(chǎn)。