自走式油菜收獲機關鍵部件的虛擬設計與仿真分析

冉云亮，王　勝，何玉靜，李　燕

(1.河南農業大學 機電工程學院，鄭州　450002；2.河南廣播電視大學,鄭州　450046)

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自走式油菜收獲機關鍵部件的虛擬設計與仿真分析

冉云亮1，王勝2，何玉靜1，李燕1

(1.河南農業大學 機電工程學院，鄭州450002；2.河南廣播電視大學,鄭州450046)

摘要：為了提高生產效率、減輕勞動強度，根據油菜的種植農藝要求，設計了一種自走式油菜聯合收獲機。通過割臺進行收割，經過可調輸送裝置進行輸送，然后進行脫粒清選，最后進行莖稈的粉碎，完成整個過程的收獲。為此，主要對行車部分的前后橋進行三維虛擬設計，并用有限元軟件SolidWorks Simulation進行仿真分析，可以得出前后橋的應力變化、位移變化以及安全系數的變化。

關鍵詞：油菜收獲機；自走式；虛擬設計；仿真分析

0引言

我國是油菜生產大國，油菜常年種植在0.07億hm2左右，產量1 200萬t，種植面積和產量均占世界的30%左右[1]。油菜已成為繼水稻、小麥、玉米、大豆之后的第五大優勢作物，生產區域主要集中在長江流域冬油菜區和北方的春菜產區。油菜收獲機是實現油菜采收現代化的重要標志，是農業先進生產力的標志之一，是發展現代化油菜種植、擴大油菜種植面積、降低人工勞動強度及增加農民收入的有效途徑，大力發展機械化生產與采收是現階段農業生產的現實選擇[2]。當前，我國油菜生產機械化水平較低，油菜收獲機在技術上沒有新的突破，傳統的收割機割臺損失大、含雜率高。因此，要實現油菜生產現代化，我國必須要借鑒西方國家先進的技術并加以改進創新。為此，設計了一種自走式油菜聯合收獲機，該機可一次性完成收割、輸送、脫粒、清選、集箱及莖稈粉碎等工作。同時，對其前后橋進行了仿真分析，旨在為整車的行車系統設計奠定基礎。

1總體方案設計

1.1總體結構

自走式油菜收獲機集收割、脫粒、清選、集箱于一體，設計主要針對駕駛室部分、行車部分、收割部分、脫離部分這4大部分來進行虛擬設計[3]。整車結構如圖1所示，整機傳動如圖2所示。

1.駕駛室部分　2.收割部分　3. 行車部分　4.脫離部分

1.2工作過程

工作時，油菜收獲機割臺上的撥禾輪將油菜撥向割臺，然后由割刀將其切斷，通過可調傾斜輸送帶和螺旋輸送器傳到脫離滾筒，經脫離滾筒脫粒后進入清選裝置，清選裝置有振動篩和風機等。經過清選后的油菜籽經過輸運裝置進入收集箱，脫離后的長莖稈經過后面的切碎裝置進行切碎拋灑。油菜收獲機的收獲過程可以概括為以下幾步：撥禾切割→輸送→脫?！暹x→集箱→莖稈粉碎。

2前后橋的虛擬設計和有限元分析

2.1行走部分前車橋設計

前車橋作為驅動橋，驅動橋輸入動力為液壓馬達，通過U型螺栓與車架鏈接，如圖3所示。

圖2　總機傳動圖

圖3　前車橋三維模型

2.1.1前車橋有限元分析

對前車橋的工作能力進行計算，使用有限元分析軟件對前車橋進行受力分析[4]，具體步驟如下:①對前車橋添加算例，添加靜應力模塊；②對受分析部件添加材料屬性，設置前車橋為灰鑄鐵材質；③對前車橋添加夾具，運用高級夾具命令；④對前車橋網格劃分(見圖4)；⑤運行，分別對前車橋進行應變分析如圖5所示，應變位移分析如圖6所示，安全系數變化分析如圖7所示，前車橋應力測試表如圖8所示。

圖4　前車橋網格劃分

圖5　前車橋應變

圖6　前車橋位移

圖7　前車橋安全系數的變化

圖8　前車橋應力測試表

2.1.2結論分析

2.2行走部分后車橋設計

安裝轉向輪的車橋叫轉向橋，油菜收獲機是后橋轉向。后車橋轉向靠液壓缸來驅動。功用：①通過轉向節使車輪可以偏轉一定角度以實現車輛的轉向；②承受一定的載荷；③應具有正確的定位角度與合適的轉向角。性能要求：強度、剛度大；定位角、轉向角正確；質量小。結構組成：主要由后梁(后軸)、轉向節、主銷和輪轂等4部分組成，如圖9所示。

1.制動鼓　2.輪轂　3、4.輪轂軸承　5.轉向球頭銷　6.油封

2.2.1后軸的設計

后軸如圖10所示。工字形斷面：提高抗彎強度。兩端加粗：提高抗扭強度。兩端成拳形：安裝主銷。中部下凹：降低發動機位置，降低車重心，擴展駕駛員視野，減小萬向傳動裝置的夾角。中部有彈簧座：支承鋼板彈簧。

圖10　后軸

2.2.2轉向節的設計

轉向節如圖11所示。轉向節由上下耳、轉向節軸組成。兩耳的銷孔與主銷配合，為減小摩擦，銷孔中壓入青銅襯套。下耳與拳部之間有推力軸承，上耳與拳部之間有調整墊片。左上耳裝有轉向節臂，下耳裝有轉向梯形臂。輪轂通過兩個圓錐滾子軸承支承在轉向節軸上。

圖11　轉向節

2.2.3后車橋的有限元分析

油菜聯合收獲機后車橋如圖12所示。為了驗證后車橋的可靠性，對后車橋分別進行靜態分析 ，應用SolidWorks Simulation對后車橋進行有限元分析[6]。①對后橋添加算例，添加靜應力模塊；②對受分析部件添加材料屬性，設置后車橋為灰鑄鐵材質；③對后車橋添加夾具，運用高級夾具命令；④對后車橋網格劃分(見圖13)；⑤運行，分別對后車橋進行應力分析如圖14所示，應變位移分析如圖15所示，安全系數分析如圖16所示。

圖12　后車橋三維模型

圖13　后車橋網格劃分

圖14　靜態應力變化

圖15　后車橋應變位移

圖16　后車架安全系數變化

2.2.4結論分析

3結語

基于SolidWorks軟件對整機進行了虛擬設計，并對前后橋進行了有限元分析，得到了前后車橋的應力分布圖和變形圖以及安全系數的分布圖。從分析結果可以看出：前后車橋的受力分布情況大致相同，最大應力主要集中在車橋與板簧交接的位置，最大位移主要集中在車輪軸處以及轉向軸銷孔處。因此，可以采用局部表面處理的辦法提高強度，優化結構。

參考文獻：

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[2]吳福良.多功能油菜聯合收獲機的現狀及發展方向[J].農業裝備與車輛工程，2007(4)：3-5.

[3]周開勤.機械零件設計手冊[K].北京：高等教育出版社,2001.

[4]石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析實例詳解[M].北京：機械工業出版社,2008.

[5]黃薇,黃志超,周大路.汽車后橋有限元疲勞壽命分析[J].機械設計與制造，2007(4):21-22.

[6]朱茂桃,陳昆山. 農用運輸車后橋殼體的結構強度分析[J].農業機械學報, 2001,32(2):21-23.

[7]李曉艷,朱思洪.基于ANSYS的大功率拖拉機車架的有限元分析[J].拖拉機與農用運輸車, 2012,39(2):26-29.

[8]鄒彩虹，周雪花.自走式谷物聯合收割機后橋的有限元分析[J].河南農業大學學報，2011,45(6)：692-695.

Abstract ID:1003-188X(2016)01-0119-EA

Virtual Design and Simulation Analysis of Self-propelled Harvester Key Components of Rapeseed

Ran Yunliang1, Wang Sheng2, He Yujing1, Li Yan1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002，China; 2.Henan Radio & TV University, Zhengzhou 450046, China)

Abstract：In order to improve production efficiency, reduce labor intensity, we design a self-propelled rape combine harvester which is based on rape planting agronomic requirements. The stalk is cutted by the cutting station, and conveyed to an adjustable, threshing and cleaning equipment. Finally, the harvest process is completed after crushing the stalk. This paper is focused on the design of the front and rear bridge of the carriageway, and using the three-dimensional virtual designing and simulating. Through using finite element software SolidWorks Simulation , you can see the changes of stress, displacement and safety axles of the front and rear.

Key words：rape harvesting machine; self-propelled; virtual design; simulation analysis

文章編號：1003-188X(2016)01-0119-04

中圖分類號：S225.92

文獻標識碼：A

作者簡介：冉云亮(1988-)，男，鄭州中牟人，碩士研究生，(E-mail)ranyl2008@126.com。通訊作者：李燕(1954-)，女，北京人，教授，碩士生導師，(E-mail)liyanliullzhi@sinacorn。

基金項目：公益性行業(農業)科研專項(201303011-4)

收稿日期：2014-12-31