小型甘蔗收獲機分動箱結構改進與實驗

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 機械工程學院，南寧　530004)

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小型甘蔗收獲機分動箱結構改進與實驗

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 機械工程學院，南寧530004)

摘要：針對目前小型甘蔗收獲機分動箱結構不合理導致執行機構動力不足且工作性能較低的問題，對其結構進行了改進，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，增加加強筋和減震墊等。振動測試試驗結果表明：改進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。

關鍵詞：甘蔗收獲機；分動箱；振動測試

0引言

現代化農業生產關鍵在于機械化，我國甘蔗收獲機械化低于1%的局面必須打破。目前，國內甘蔗聯合收獲機的研制和推廣面對諸多挑戰[1～5]，其中執行機構動力不足、工作可靠性不高是廣大農民難以接受的主要問題。甘蔗收割機的三大主要動力系統(砍蔗剝葉系統、換向輸送系統、行走系統)均使用液壓傳動，由分動箱作為發動機和各執行系統的動力傳遞的橋梁，將發動機的動力合理地分配到各個執行機構，以滿足工作需求。否則，即使發動機提供的總動力足夠，執行機構亦會出現動力不足，時斷時續工作，甚至出現軸承內圈被壓壞、軸承滾珠脫落、傳動軸鍵槽崩裂失效等現象。所以，提高分動箱工作性能是解決甘蔗聯合收割機執行機構動力不足與可靠性低的關鍵，亟需對分動箱進行結構改進。

目前，國內外的專家和學者們對分動箱相關的零部件已展開了研究。1996年，土耳其中東工業機械學院的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的數字仿真，得出了齒輪所受的彎曲應力、擠壓應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系的結論。2005年,美國的亞拉巴馬州立大學機械工程學院的Yuan H．Guan和辛辛那提州立大學的Mingfeng Li等人利用數值分析的方法得出了系統的輸入軸誤差對系統的綜合振動噪聲有著顯著影響，而軸承的誤差對系統的振動噪聲影響較小的結論[9-15]。Y.A.Khulief[16]在2005年，對鉆床齒輪箱做了有限元模態分析和試驗模態分析，通過振動響應的分析，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價值。Zakrajsek[17]等人使用NASTRAN軟件對變速器齒輪箱的模態頻率和模態振型進行了提取，對比試驗模態的結果發現兩者誤差小于1%，說明了有限元的分析結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內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的齒輪箱進行了分析，通過改變箱體的厚度，對比有限元方法分析得到的應力結果，得出了箱體強度、剛度對齒輪箱工作性能的影響。2009年，廣西大學張濤[19]建立了甘蔗收割機分動箱的虛擬樣機模型，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部空間布局和幾何尺寸外形進行了優化。2010年，程街[20]等人利用有限元方法對齒輪箱結構進行了模態分析，研究了齒輪箱的模態振型對齒輪箱工作性能的影響，并對其進行了結構的優化，結果表明箱體的應力和振動都有所降低。

1小型甘蔗收獲機分動箱結構

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

1.發動機　2.分動箱　3.液壓泵固定座組　4.液壓泵組

甘蔗聯合收割機的分動箱主要由后箱體、前蓋板、齒輪、軸和軸承等部件構成，如圖2所示。它主要完成切割、剝葉、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分動箱結構改進

針對分動箱的故障分析可知：分動箱箱體前蓋板設計結構不合理，容易出現局部應力集中現象，而且蓋板在應力集中部位的強度也不能滿足要求，所以提出以下幾點改進方案：

1)將液壓泵固定座直接焊接在前蓋板上，再對其進行加工。這樣就很容易地滿足加工的基準統一原則，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，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生的應力更小，更有利于應力的均勻分布，降低應力集中的危害。所以，將動力輸出軸的輸出端改為內花鍵形式，裝配時只需將泵軸伸入花鍵軸內，免去了聯軸器裝置，既可以大大縮短液壓泵固定座的長度，達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，達到減小應力的目的。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境比較惡劣，所以需留有足夠的裕量來應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發動機橡膠減震墊來提高發動機的減振效果，削弱振動給傳動系統帶來的危害。

動力分配箱改進后前后物理樣機和裝配示意圖簡圖對比如圖3所示。

圖3　改進后箱體結構

對比改進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插式聯接不僅縮短了液壓泵固定座的長度，減小了箱蓋的受力，提高了聯接剛性，而且也有利于保證輸出軸與泵軸聯接的中心同軸。

改進前分動箱總裝圖

改進后分動箱總裝圖

3分動箱結構改進性能測試試驗

采用振動測試系統對改進前后的動力分配箱進行振動測試，對比改進前后的振動強度，分析改進后動力分配箱振動的改善效果。

3.1　試驗方案

為確定發動機不同轉速對動力分配箱振動的影響，選取發動機轉速1 700、1 900、2 100r/min這3個轉速下，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，數據線若干，如圖6所示。

圖5　箱體測點布置

圖6　試驗設備

3.3　試驗結果與分析

試驗通過振動測試儀到的改進前與改進后分動箱振動加速度數據，如圖7所示。將5次重復測量平均值整理如表1和表2所示。

(a)　改進前　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)　改進后

m/s2

表2　分動箱改進后振動加速度強度

為將改進前后的振動效果進行對比，將上表的6組數據繪成曲線圖如圖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。改進后的強度和剛度都有了較大的提高，最大應力比原來的減小了36.8%，最大變形也比原來的減小了18.5%，改進后箱體的振動強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　改進前后測點1峰峰值對比

圖9　改進前后測點1均方根對比

圖10　改進前后測點2峰峰值對比

圖11　改進前后測點2均方根對比

圖12　改進前后測點3峰峰值對比

圖13　改進前后測點3均方根對比

4結論

2)通過增加分動箱前蓋板的厚度4mm及增加加強筋等措施，分動箱的結構強度確實得到提高，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花鍵形式，增強分動箱結構緊湊性，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

文獻標識碼：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：國家自然科學基金項目(51465006)；廣西制造系統與先進制造技術重點試驗室項目 (14-045-15S01)；廣西大學科研基金項目(XBZ120838)；廣西大學“大學生創新創業訓練計劃”項目(20141059309062)； 廣西高校臨海機械裝備設計制造及控制重點實驗室課題(GXLH2014KF-04)；廣西大學實驗室建設與實驗教學改革項目(20140111)

收稿日期：2015-10-27