HN4GDL-132型甘蔗收割機輸送臂仿真及試驗驗證

李維興, 馬道鋒 ,徐 海,張增學 ,劉慶庭

(1.華南農業大學 南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室,廣州 510642;2.廣東交通職業技術學院,廣州 510650)

0 引言

目前,世界上主要的產糖大國主要集中采用切段式甘蔗收獲技術。在中國,甘蔗的機械化收獲仍處于起步階段[1-4]。由于中國的甘蔗種植區域地形復雜,當前甘蔗機械發展的重點是中小型甘蔗收割機。甘蔗段的輸送是甘蔗切段式收割機的一個重要工序,切段式甘蔗收割機收獲得到的甘蔗段都需要及時輸送到田間運輸車裝斗中。當前階段,主要有兩種方式將甘蔗段輸送至甘蔗運輸車上:一是將收獲后的甘蔗段先進行集中成堆,然后田間運輸車合集運輸,如科里亞的4GZ系列履帶式甘蔗聯合收割機;二是收割機實時用輸送臂把收獲后的甘蔗段送入伴隨的運輸車輛中,如華南農業大學研制的HN4GDL-91型切段式甘蔗聯合收割機[5-6]。

甘蔗物料能否順暢地輸送到指定的位置是甘蔗收割機性能好壞的一個重要評價指標。輸送設備持續順暢地工作才能保證收割機高效連續作業。在甘蔗輸送過程中刮板式輸送臂持續承載大量的甘蔗段,對輸送臂的承壓要求較高,目前國內切斷式甘蔗收割機大多模仿國外同類機型,存在輸送甘蔗段時輸送臂受力時強度、剛度不足等問題。為此,研制了HN4GDL-132型甘蔗收割機樣機,利用ANSYS仿真軟件進行輸送臂各組成部分的靜力學仿真,以期從理論上分析輸送臂強度、剛度不足的問題,為輸送臂的設計提供理論上的指導[7-8]。

1 輸送臂靜力學與振動模態仿真

1.1 HN4GDL-132型甘蔗收割機工作原理

HN4GDL-132型甘蔗收割機結構原理,如圖1所示。

1.甘蔗收獲整機 2.下折疊運動油缸 3.上折疊運動油缸

甘蔗段輸送裝置部分主要由輸送臂底部轉盤、輸送臂下上支撐架、運輸導軌、輸送臂伸縮液壓缸、輸送臂連接銷、折疊運動中心軸及頂部氣彈簧等組成。作業時,輸送臂底部轉盤將輸送臂轉動到與收割機一起行進的田間甘蔗運輸車的一側;甘蔗從收割機喂入口進入后,收割機先將甘蔗切段,再被風機排雜后,甘蔗段被拋送入甘蔗輸送臂的承料斗中;甘蔗段通過刮板的帶動沿著篩網向上運動,最后拋入田間運輸車裝斗內。其中,折疊輸送臂能通過液壓缸的伸縮長度來調整輸送臂下部與輸送臂上部之間的角度,以適應不同尺寸的甘蔗田間運輸車。對于輸送臂結構而言,只需對大臂、小臂、中間連接軸分別進行靜力學仿真,便可驗證其結構是否合理。

1.2 小臂靜力學分析

實際的工作狀態下,小臂位于水平位置時等效力臂最大,此時小臂所輸送的物料重力和其本身自重為該工作狀態下的靜力學載荷,計算得輸送臂輸送物料理論上的極限載荷大小為1 410N(重力加速度取10m/s2)。

在ANSYS操作窗口建立靜力學分析模塊,小臂采用45鋼材料。將SolidWorks建立的模型導入ANSYS,并對部件進行約束條件的確定、約束條件的添加和載荷的施加等。考慮到輸送臂結構工作狀態是軸孔處于靜止狀態,故約束該位置全部自由度,并在小臂工作面內施加垂直方向作用載荷,載荷大小為1 410N,同時施加重力作用,進行小臂結構網格劃分,如圖2所示。利用ANSYS Workbench對零部件進行應力分析時,把網格平均單元邊長尺寸控制在15mm之內,然后進行網格劃分,共有525 985個節點、316 159個單元。小臂結構應力分布云圖如圖3所示。

圖2 小臂靜力學分析載荷及約束情況

圖3 小臂結構應力分布云圖

由圖3可知:結構應力較大區域為大臂與小臂連接位置,應力最大值為113MPa,而45鋼的許可應力為355MPa,此時得到小臂結構設計安全系數為3.14,滿足結構強度基本設計要求。小臂結構整體變形放大云圖如圖4所示。

圖 4小臂結構整體變形放大云圖

由圖4可知:小臂結構最大變形位置為結構端部中心位置,且整體變形趨勢為越靠近端部,整體變形量越大;當變形量小于4.63mm時符合彈性變形條件,圖上最大變形量在許可范圍內,因此輸送臂小臂滿足結構剛度要求。但從放大變形云圖可以看出:整體結構變形會引起兩側側板向內凹陷,后續對結構的優化可以考慮對側板和底部篩網進行強度優化,如增加加強筋結構等,從而改善結構的靜力學特性。

1.3 大臂的靜力學分析

大臂的靜力學分析與小臂的步驟基本相同, 提取大臂結構應力分布云圖和整體變形分布云圖,分別如圖5和圖6所示。由圖5可知:大臂應力較大部位依舊是結構的連接部位,應力最大值為225MPa,低于45號鋼材料的許用應力355MPa,結構的安全系數為355/225=1.58,滿足結構強度設計的要求。由圖6可知:大臂最大變形位置為與小臂連接的一端的端部,最大變形量為5.3mm左右,且整體變形趨勢特點為越靠近連接端,結構變形量越大;當變形量小于6.82mm時符合彈性變形條件,最大變形量在許可范圍內,因此輸送臂大臂的剛度滿足要求。

圖5 大臂應力分布云圖

圖6 大臂變形云圖

1.4 大臂與小臂連接中間連接軸靜力學分析

對連接軸進行靜力學分析,建立靜力學分析模塊。導入中間連接軸三維模型得到其有限元模型,采用等效力矩的方法約束中間軸載荷及邊界條件,最后提取中間連接軸應力分布云圖和其整體變形云圖分別如圖7和圖8所示。由圖7可知:應力最大位置發生在中間軸軸肩位置,最大應力值約為232MPa,低于材料許用應力355MPa,此時結構的安全系數為1.53,滿足設計時的強度結構的基本要求,但考慮軸的要求較高,而現在安全系數不是太高,可以考慮后續加強該部位結構設計或者用更好的材料[9]。由圖8可知:中間軸的端部是變形量最大位置,但變形量整體量級不大,最大值在0.088mm左右。經查閱資料及計算,當變形量小于0.14mm時符合彈性變形條件,最大變形量在許可范圍內,因此輸送臂中間連接軸的剛度滿足要求。

圖7 中間連接軸應力分布云圖

圖8 中間連接軸變形云圖

1.5 輸送臂的振動模態分析

由于輸送臂整體結構在外部振動條件下工作,所以對整體部件的動力學特性進行了分析,對輸送臂進行前4階模態分析,研究其振動特性。在低頻振動條件下工作輸送臂前4階模態振型示意圖如圖9所示。輸送臂機構的振動特性仿真結果如表1所示。

圖9 考慮結構在低頻振動條件下工作輸送臂前四階模態振型示意圖

圖9中,從左至右,從上至下,依次為1階振動、2階振動、3階振動、4階振動的模態振型。

表1 輸送臂機構的振動特性仿真結果

結合對比輸送臂實際工作狀態,輸送臂并不會發生共振現象,但從各模態振型及對應共振頻率可以看出:輸送臂的固有頻率較低,垂直方向的振動是要考慮的主要問題,后續可以考慮改善結構設計,進而改變1階共振頻率,避免共振的發生。最后,對輸送臂進行振動模態分析,分析其在振動情況下工作時結構的合理性。模態分析結論顯示:輸送臂的固有頻率較低,在作業中使用液壓驅動過程中可能會產生振動,后續可考慮對結構進行進一步優化,以提高其固有頻率[10]。

2 輸送臂結構應力測試試驗

2.1 試驗材料與儀器

試驗所用材料與儀器主要有132型收割機輸送臂、TST5916堅固型動態信號測試系統、TST3810應變適調器及角度儀等。

2.2 測試方法

根據輸送臂的應力分析結果對輸送臂進行應力試驗驗證。選定6個截面并對選定的截面上的側邊上點進行應力測試,將應變片黏貼在選定的幾個截面上的相應的位置,采用 1/4橋接線法測試應力的接線方式,接線方式及設置如圖10所示。導線接好以后,連接上動態測試系統,并對輸送臂施加相應的載荷之后,系統會高頻率地對應力數據進行采集,自動生成測試曲線。

將電阻應變片黏結在這些界面的測試點上,進行承載模擬輸送臂小臂裝載70kg的應力測試,測試現場如圖11所示。輸送臂在載荷的作用下會產生一定的變形,此時電阻的應變值會產生相應的變化,顯示出相應的應力變化。

1～6.應力測試點

圖11 測試現場

2.3 結果分析

輸送臂應力測試數據如圖12所示,測試結果如表2所示。

(a) 輸送臂應力測試點1數據

(b) 輸送臂應力測試點2數據

(c) 輸送臂應力測試點3數據

(f) 輸送臂應力測試點6數據

表2 輸送臂應力測試結果

試驗結果表明:小臂靠近中間連接軸測試處應力最大,其他兩測試位置應力較小且差別不大;大臂3個截面的測試點上中間處應力最小,與小臂連接處的應力最大,底座處的應力居于兩者之間,大臂測試應力最大值為147.58MPa,小于仿真值225MPa。所有的測試值都在仿真許可范圍內,測試值與靜力學分析時有一定的差距這個數值小于靜力學分析時的最大值。這是因為試驗時,考慮安全問題載重沒有達到理論分析時的141kg,同時還與貼片時實際是貼不到最大位置有關,只能在最大位置附近,但這些數值都在安全數值以內,滿足工作要求。

對比仿真結果得到結論如下:雖然實際測試值與靜力學分析時有一定的差距,但實際測量的數據在應力變化上與仿真分析是一致的,且所有的測試值都在仿真許可范圍內,證明仿真分析結果是可靠的[11-13]。

3 輸送臂結構優化

針對輸送臂小臂整體結構變形引起兩側側板向內凹陷的問題進行結構優化設計。在不影響蔗段輸送情況下,在小臂末端加上支撐橫梁,從而避免了小臂兩側板在輸送作業時兩側板向內側變形;在篩網的下方對角焊接槽鋼,增加篩網結構強度,有效減小篩網在作業時的變形量,改進小臂結構如圖13所示。通過ANSYS仿真得到小臂結構整體變形放大云圖(見圖14),最大變形量2.875mm小于原結構最大變形量4.24mm,改善了結構的靜力學特性。

4 結論

1)利用ANSYS仿真軟件對輸送臂進行了結構靜力學分析和振動模態分析,得到了輸送臂小臂、大臂和連接軸的應力、應變云圖。

2)小臂承受負載應力最大值為113.11MPa,最大變形量為4.24mm,大臂承受負載應力最大值為225.86MPa,最大變形量為5.30mm,連接軸承受負載應力最大值為232.38MPA,最大變形量為0.09mm。

3)采用應變片試驗對靜力學仿真結果進行驗證,兩者數值結果相對誤差為20%以內,變化趨勢一致。

4)對輸送臂小臂整體結構進行優化設計,通過ANSYS仿真得到小臂結構整體最大變形量為2.875mm,改善了小臂結構的靜力學特性[14]。