玉米莖稈粉碎機(jī)懸掛裝置設(shè)計(jì)

陳丹陽(yáng)+馬躍進(jìn)+郝建軍+趙建國(guó)+李建昌+楊欣+閆棠

摘要： 為研制莖稈粉碎機(jī)前置穗莖兼收型自走式玉米聯(lián)合收獲機(jī)，保證割臺(tái)和莖稈粉碎機(jī)可以互不干擾的進(jìn)行工作，且能在一定范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)以達(dá)到合適的離地高度；利用三維設(shè)計(jì)軟件的建模以及分析功能，設(shè)計(jì)莖稈粉碎機(jī)的懸掛裝置；通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真和應(yīng)力分析，獲得懸掛架受力最大位置的等效應(yīng)力、位移、安全系數(shù)分布云圖。結(jié)果表明，懸掛架設(shè)計(jì)合理，可以達(dá)到作業(yè)要求；最后通過(guò)樣機(jī)試制驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的可行性。

關(guān)鍵詞： 莖稈粉碎機(jī)；運(yùn)動(dòng)仿真；懸掛架；應(yīng)力分析；懸掛裝置；有限元分析

中圖分類號(hào)： S225.5+1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2017）22-0239-05

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，玉米是主要的糧食作物之一。2014年我國(guó)玉米年產(chǎn)量高達(dá)215 646 300 kg[1]。按產(chǎn)糧和莖稈比 1 ∶ 1.2 計(jì)算，每年約產(chǎn)生258 775 600 kg玉米莖稈[2]。莖稈處理方式大多以焚燒為主，安全隱患嚴(yán)重，然而玉米莖稈具有多功能性，可用作燃料、飼料、肥料、生物基料、工業(yè)原料、新型能源等，與人民的生活息息相關(guān)[3-4]。

目前，大部分自走式玉米聯(lián)合收獲機(jī)只收獲果穗，將莖稈還田，少量的玉米收獲機(jī)配置有莖稈回收裝置，但是大部分只完成莖稈切碎作業(yè)，后續(xù)的運(yùn)輸和打捆仍需要占用許多勞力和時(shí)間。因此，在現(xiàn)有玉米收獲機(jī)的基礎(chǔ)上研制了可以集摘穗與莖稈粉碎與打捆功能于一身的多功能玉米聯(lián)合收獲機(jī)。莖稈粉碎機(jī)粉碎摘穗后的秸稈同時(shí)被其輸送到打捆機(jī)的入料口處，但是它如何與機(jī)架連接，如何保證它在運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)有合理的運(yùn)動(dòng)軌跡，滿足收獲要求，成了必須要研究的課題。使用三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)懸掛架進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真將懸掛架在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受力最大的位置直接輸出到有限元分析（簡(jiǎn)稱FEA），得到懸掛架的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，通過(guò)修改設(shè)計(jì)參數(shù)，得到最佳結(jié)構(gòu)尺寸，為進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

1 整機(jī)

整機(jī)布置方案如圖1所示。

莖稈粉碎機(jī)前置，避免了玉米莖稈受驅(qū)動(dòng)前輪碾壓而清除不凈、碎莖稈含土量高等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)穗、莖兼收且能做到果 穗與碎莖稈分別通過(guò)輸送裝置進(jìn)入各自收集倉(cāng)，將果穗收集倉(cāng)的果穗裝入果穗運(yùn)輸車，將碎莖稈直接輸送到打捆機(jī)的入料處。

懸掛裝置是莖稈粉碎機(jī)的關(guān)鍵部件之一，它連接著莖稈粉碎機(jī)與玉米收獲機(jī)的機(jī)架，是莖稈粉碎機(jī)的固定基礎(chǔ)，并承載著輸送筒、風(fēng)扇、減速箱、皮帶輪等附件的質(zhì)量。該設(shè)計(jì)主要針對(duì)莖稈粉碎機(jī)與玉米收獲機(jī)架的連接。

2 莖稈粉碎機(jī)及懸掛架結(jié)構(gòu)和工作原理

莖稈粉碎機(jī)包括碎莖稈輸送筒、粉碎機(jī)懸掛臂、粉碎機(jī)懸掛支臂等，具體見圖2。

莖稈粉碎機(jī)以前置懸掛安裝連接方式安裝在玉米聯(lián)合收獲機(jī)驅(qū)動(dòng)前輪與果穗收割臺(tái)之間，莖稈粉碎機(jī)下方設(shè)有頂出油缸，油缸通過(guò)懸掛架傳遞動(dòng)力，使莖稈粉碎機(jī)能夠在一定范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)，達(dá)到最合適的離地高度。莖稈粉碎機(jī)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力輸出輪傳遞來(lái)的動(dòng)力完成莖稈粉碎工作。割臺(tái)與莖稈粉碎機(jī)間有安全限位裝置，保證工作過(guò)程中的安全。

[FK（W15][TPCDY2.tif]

3 模型的建立

3.1 莖稈粉碎機(jī)模型的建立

建立莖稈粉碎機(jī)模型如圖3所示。由于懸掛架承重主要為莖稈粉碎機(jī)自重，為了得到莖稈粉碎機(jī)的質(zhì)量，為每個(gè)零件添加材料，莖稈粉碎機(jī)殼以及輸送筒外殼均采用Q235A，刀軸以及絞籠軸采用45鋼，刀片采用65 Mn，添加的材料屬性見表1。其余零件使用軟件材料庫(kù)中的材料，電機(jī)、減速箱、皮帶輪以及齒輪選用灰鑄鐵。通過(guò)軟件分析功能得到莖稈粉碎機(jī)的質(zhì)量為712 kg。

3.2 懸掛架模型的建立

3.2.1 懸掛架的設(shè)計(jì)

莖稈粉碎機(jī)通過(guò)懸掛裝置與玉米聯(lián)合收獲機(jī)配套使用。由于莖稈粉碎機(jī)要進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因而不能采用螺栓以及其他沒(méi)有自由度的連接方式。設(shè)計(jì)采用矩管焊接的方式，莖稈粉碎機(jī)殼表面呈凹凸不平狀，會(huì)使焊接更加容易。莖稈粉碎機(jī)與2根互相垂直的矩管焊接，整個(gè)機(jī)架與傳動(dòng)軸的軸套焊接（圖3）。由于該機(jī)架還須要承載為減速器傳遞動(dòng)力的皮帶輪的小張緊輪的質(zhì)量，因此設(shè)計(jì)了懸掛支臂，用來(lái)焊接連接小張緊輪的鋼板，同時(shí)可以為懸掛臂分擔(dān)載荷。

3.2.2 矩管挑選

材料采用矩形冷彎空心型鋼，本設(shè)計(jì)選擇尺寸為80 mm×40 mm×4 mm的矩管。在軟件中添加懸掛架材料普通碳素鋼Q235A[5]，添加的所有材料見表1。

3.3 裝配后模型

分別建立好2個(gè)部分的模型后，將2個(gè)部分裝配到一起，裝配完成后為各個(gè)部分定位。以莖稈粉碎機(jī)離地面距離最小時(shí)[CM（25]的位置作為定位基準(zhǔn)，此時(shí)，油缸達(dá)到伸縮極限，油缸伸入

推桿25 cm，刀片離地3 cm。固定尺寸為最低的刀片距離懸掛架最低面25.5 cm、固定油缸的軸距離地面66.0 cm。由以上尺寸可以推斷出當(dāng)莖稈粉碎機(jī)處于最低位置時(shí)固定油缸的軸與懸掛架最低面距離37.5 cm。利用該三維軟件檢驗(yàn)尺寸的功能調(diào)整好距離，之后將安裝軸套的軸和固定油缸的軸固定，為下一步的仿真做好準(zhǔn)備。裝配好的模型如圖3所示。

4 運(yùn)動(dòng)仿真

對(duì)一個(gè)運(yùn)動(dòng)的零件進(jìn)行有限元分析，首先須要知道它的受力，由于懸掛架和與它相連接的零件的相互作用在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷變化，因此懸掛架受到的外力在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中也不斷變化[6]。雖然運(yùn)動(dòng)是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，但在該三維軟件運(yùn)動(dòng)仿真模擬計(jì)算中將運(yùn)動(dòng)過(guò)程離散成了一定數(shù)量的時(shí)間點(diǎn)，可以對(duì)零件在每一個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行有限元分析，或者對(duì)一個(gè)特定的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行有限元分析[7]。

4.1 仿真前的準(zhǔn)備

4.1.1 創(chuàng)建連接

該三維軟件可以自動(dòng)將約束轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)連接，轉(zhuǎn)換后的標(biāo)準(zhǔn)連接有鉸鏈（旋轉(zhuǎn)）運(yùn)動(dòng)、平移、球面圓槽運(yùn)動(dòng)。

4.1.2 定義外部載荷endprint