新型小型水稻聯(lián)合收獲機(jī)儲糧裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計及強度分析＊

季惠，王文樂，祁繼柏，梁言

（江蘇食品藥品職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

1 研究的背景和意義

淮安是江蘇省優(yōu)質(zhì)稻米的主要產(chǎn)區(qū)和享譽全國的商品糧產(chǎn)加銷基地。“淮安大米”每年可為農(nóng)民增收3.5 億元以上，目前淮安大米從種植到生產(chǎn)已形成產(chǎn)業(yè)化，且廣泛采用小型水稻聯(lián)合收獲機(jī)[1]。目前此種小型水稻聯(lián)合收獲機(jī)在工作過程中需要將收割的糧食進(jìn)行存儲，現(xiàn)有的收獲機(jī)儲糧裝置難以將糧食上的水分排出，容易出現(xiàn)糧食受潮腐敗變質(zhì)，提高糧食后續(xù)的存儲時間，糧食之間的空隙容易占用儲糧裝置的內(nèi)部空間，降低空間利用率。本文旨在研究一種對現(xiàn)有儲糧裝置的改進(jìn)方案，并對新方案進(jìn)行仿真分析。

2 糧食受潮腐敗變質(zhì)的難點解決方案提出

為解決糧食受潮腐敗變質(zhì)的問題，第一種方案是更換現(xiàn)有儲糧裝置的材料，但又要保證儲糧裝置的剛度和強度，而且材料還必須符合食品安全制度。經(jīng)查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，防潮效果最好的材質(zhì)是陶瓷類和玻璃類，但是在水稻實際的收獲過程中，水稻的密度大約為1500kg/m3，在儲糧裝置中所產(chǎn)生的重力約5000N[2]，但是在收割過程中可能產(chǎn)生意外的碰撞，陶瓷類和玻璃類不符合剛度和強度的要求。

因此提出第二種方案，改變現(xiàn)有儲糧裝置結(jié)構(gòu)，并增添加熱箱，具體位置如下：通過儲存筒的頂部通過螺栓固定連接有進(jìn)料斗，且儲存筒的底部通過螺栓固定連接有固定板，所述固定板的底部通過螺栓固定連接有出料管和加熱箱，所述出料管位于加熱箱的一側(cè)，所述加熱箱的一側(cè)內(nèi)壁上通過螺栓固定連接有電加熱管，此收割機(jī)用儲糧裝置，可通過從下而上的熱空氣，可以將糧食進(jìn)行加熱烘干，有效的將糧食上的水分加熱吹出，實現(xiàn)糧食的干燥，減少水分，保證存糧時的干燥，通過升降盤的升降，可以使升降盤在下降過程中將糧食壓實，并配合震動棒的震動可以使得糧食之間充分緊密，提高壓實的效果，進(jìn)而提高儲存筒的存糧量，提高空間利用率。

3 新型收獲機(jī)用儲糧裝置設(shè)計方案

一種收割機(jī)用儲糧裝置，包括儲存筒1，儲存筒1 的頂部通過螺栓固定連接有進(jìn)料斗2，且儲存筒1 的底部通過螺栓固定連接有固定板3，固定板3 的底部通過螺栓固定連接有出料管4 和加熱箱5，出料管4 位于加熱箱5 的一側(cè)，加熱箱5 的一側(cè)內(nèi)壁上通過螺栓固定連接有電加熱管6，出料管4 的底部通過鉸鏈轉(zhuǎn)動連接有管蓋7，儲存筒1 的一側(cè)內(nèi)壁上通過螺栓固定連接有固定桿8，固定桿8 的一端焊接有固定盤9，固定盤9 的底部通過螺栓固定連接有氣缸保護(hù)罩10，氣缸保護(hù)罩10 的內(nèi)部底部通過螺栓固定連接有氣缸11，氣缸11 的一端通過伸縮桿連接有升降盤12，升降盤12 的一側(cè)外壁上套設(shè)有軟膠套13，升降盤12 的頂部開設(shè)有內(nèi)孔14，內(nèi)孔14 的一側(cè)內(nèi)壁上通過轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動連接有轉(zhuǎn)板16，轉(zhuǎn)板16與內(nèi)孔14 之間焊接有彈簧15，內(nèi)孔14 的一側(cè)內(nèi)壁上靠近轉(zhuǎn)板16 的上方位置處焊接有限位塊17，儲存筒1 的一側(cè)外壁上嵌入有第一過濾網(wǎng)18，儲存筒1 的內(nèi)部底部中央位置處通過螺栓固定連接有風(fēng)機(jī)箱19，風(fēng)機(jī)箱19 的內(nèi)部通過螺栓固定連接有風(fēng)機(jī)20，且風(fēng)機(jī)箱19 的頂部嵌入有第二過濾網(wǎng)22，儲存筒1的內(nèi)部底部靠近風(fēng)機(jī)箱19的一側(cè)位置處通過螺栓固定連接有震動棒21。

儲存筒1的一側(cè)外壁上靠近第一過濾網(wǎng)18的一側(cè)位置處開設(shè)有出氣孔；便于將儲存筒1 內(nèi)的熱空氣排出。儲存筒1和固定板3 的底部靠近出料管4 的上方位置處均開設(shè)有出料孔；便于糧食的排出。設(shè)計方案如圖1 所示：

圖1 新型收獲機(jī)用儲糧裝置設(shè)計方案

工作原理：在使用時，將儲存筒1 通過固定板3 安裝固定在收割機(jī)上，將收割機(jī)上的下料處，糧食落入進(jìn)料斗2 后落在升降盤12 上，內(nèi)孔14 內(nèi)的轉(zhuǎn)板16 受到糧食的重力作用下擠壓轉(zhuǎn)板16，轉(zhuǎn)板16 向下轉(zhuǎn)動，糧食穿過升降盤12 落在儲存筒1 內(nèi)，實現(xiàn)糧食的村存儲，風(fēng)機(jī)20 在工作時將外部空氣抽入加熱箱5，加熱箱5 內(nèi)的電加熱管6 工作將進(jìn)入空氣的加熱，熱空氣穿過第二過濾網(wǎng)22 后進(jìn)入儲存筒1，熱空氣吹在糧食上，有效的將糧食上的水分加熱吹出，最后通過第一過濾網(wǎng)18 排出，實現(xiàn)糧食的干燥，減少水分，在存糧過程中，氣缸11 通過伸縮桿帶動升降盤12 升降，升降盤12 在下降過程中將糧食壓實，并配合震動棒21 的震動可以使得糧食之間充分緊密，提高壓實的效果，進(jìn)而提高儲存筒1 的存糧量，提高空間利用率。

4 新型收獲機(jī)用儲糧裝置模型構(gòu)建

利用Solidworks 軟件對儲糧裝置進(jìn)行建模，然后進(jìn)行簡化模型（simplified model），簡化模型也可以稱之為模型簡化，簡單來說是指去掉模型中不顯著的項，通過減少項數(shù)使模型更容易使用，或者是指減少模型的復(fù)雜度，使模型更容易計算。簡化模型有著廣泛的應(yīng)用，特別是在大系統(tǒng)理論中，大系統(tǒng)是指結(jié)構(gòu)上和維數(shù)上都具有某種復(fù)雜性的系統(tǒng)，所以對模型簡化是十分必要的。而通過簡化模型，將儲糧裝置的模型去除一些在后續(xù)仿真分析中的不顯著的影響因素，將主要的仿真分析放在儲糧裝置模型中在上下震動時取主要作用的部分，也即是在儲糧裝置上下震動模型中儲糧裝置承受來自上下震動的主要受力和加速度部分，進(jìn)行模型簡化可以將更好的運算能力用在對問題至關(guān)重要的關(guān)鍵點上，提高仿真分析的精細(xì)程度。

5 新型收獲機(jī)用儲糧裝置仿真分析

從結(jié)構(gòu)上改進(jìn)儲糧裝置以后，還要再判定新型儲糧裝置在力學(xué)性能上是否達(dá)標(biāo)。我所利用的是Ansys 軟件進(jìn)行有限元分析，此軟件功能強大，可以模擬各種復(fù)雜的模型和工況，其為了體現(xiàn)設(shè)計仿真一體化的解決方案，在無縫集成界面做了創(chuàng)造性的改變，將仿真界面，仿真流程無縫融入到Ansys的設(shè)計過程中[3]。Ansys 的仿真向?qū)?，包含以下顧問向?qū)В核憷檰?、性能顧問、約束和載荷顧問、連接顧問、結(jié)果顧問[4]。在應(yīng)用到Ansys 的仿真分析的功能時，需要對不同的材料力學(xué)參數(shù)，例如材料的彈性模量或泊松比，另外還需要對零件或者模型的固定方式進(jìn)行設(shè)置，最后加載網(wǎng)格和進(jìn)行不同的網(wǎng)格劃分，并將部分不合格的網(wǎng)格進(jìn)行修正，以便計算準(zhǔn)確，網(wǎng)格劃分采用四面體單元，為節(jié)省計算時間，同時保證計算精度，網(wǎng)格劃分對容易產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域?qū)ｉT進(jìn)行細(xì)化處理，網(wǎng)格劃分情況如圖所示，共包含366198 個節(jié)點數(shù)，單元數(shù)量為169837，所畫網(wǎng)格情況如圖所示：

圖2 新型收獲機(jī)用儲糧裝置三維模型

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果

在進(jìn)行有限元分析的過程之前，需要對不同的邊界條件進(jìn)行分別分析，所謂邊界條件是指在求解的區(qū)域內(nèi)的邊界上的所求階段變量或者導(dǎo)數(shù)隨時間和地點的一種變化規(guī)律，而不同的邊界條件的施加也會對不同的實驗造成不同的實驗結(jié)果，所以一個正確的邊界條件的施加是十分重要的，一方面影響實驗的能都順利進(jìn)行，另一方面也會對實驗結(jié)果再次不同的偏差。經(jīng)過前期的文獻(xiàn)資料的查詢和比照分析，儲糧裝置一般采用通過螺釘?shù)姆绞脚c車身進(jìn)行連接和加固，所以邊界條件的設(shè)定應(yīng)該在儲糧裝置模型的底部。

由于每個谷粒的大小相對于整個儲糧裝置的體積可以忽略不計，數(shù)量巨大的谷粒群可以近似看做無窮多個谷粒分子，因此可采用近似將谷粒看做流體方式，以此來對儲量裝置內(nèi)部施加液體壓力，來測算谷粒對儲糧裝置所產(chǎn)生力的作用。單加液體壓力情況下，儲量裝置內(nèi)部壓力如圖所示，從云圖中可以看出最大壓力在裝置底部，最小壓力在頂部。

圖4 儲量裝置內(nèi)部壓力云圖

在此次的有限元分析之前，設(shè)定材料的參數(shù)在 Ansys 這個軟件中也有著必須的流程和要求。不同的材料，對應(yīng)著不通道材料參數(shù)，例如使用性能，為了保證機(jī)械零件、設(shè)備、結(jié)構(gòu)件能夠正常的運行和使用，主要由力學(xué)性能：強度、硬度、剛度、塑性、韌性等，物理性能：密度、熔點、導(dǎo)熱性、熱膨脹性等，化學(xué)性能：耐腐蝕性等。

在上下震動的工況中，儲糧裝置的變形量同時也是儲糧裝置的內(nèi)壁的相對侵入量，這一部分的形變直接關(guān)系到儲糧裝置的使用壽命，本論文中主要對影響儲糧裝置的最大應(yīng)力和最大變形量進(jìn)行了仿真分析，下面是實驗組別對水稻收獲機(jī)儲糧裝置遭到上下震動時的儲糧裝置內(nèi)壁侵入量的不同數(shù)據(jù)。經(jīng)過仿真分析后的最大應(yīng)力和儲糧裝置的變形量如圖5圖6 所示。

圖5 結(jié)構(gòu)鋼儲糧裝置上下震動時最大應(yīng)力

圖6 結(jié)構(gòu)鋼儲糧裝置上下震動時變形量

經(jīng)過數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在相同的小型聯(lián)合收獲機(jī)對儲糧裝置進(jìn)行上下震動時，采用新型結(jié)構(gòu)設(shè)計的儲糧裝置侵入量相對更小。在儲糧裝置的侵入量減小的同時，新型儲糧裝置的耐撞性相比原有的儲糧裝置的耐撞性更好，這不僅實現(xiàn)糧食的干燥，減少水分，保證存糧時的干燥，還提高了儲糧設(shè)備的震動耐撞性能。

6 結(jié)論

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本次設(shè)計的儲糧裝置的有益效果是：該收割機(jī)用儲糧裝置，通過從下而上的熱空氣，可以將糧食進(jìn)行加熱烘干，有效的將糧食上的水分加熱吹出，實現(xiàn)糧食的干燥，減少水分，保證存糧時的干燥，通過升降盤的升降，可以使升降盤在下降過程中將糧食壓實，并配合震動棒的震動可以使得糧食之間充分緊密，提高壓實的效果，進(jìn)而提高儲存筒的存糧量，提高空間利用率。并且進(jìn)行了力學(xué)驗證和強度分析，可實現(xiàn)量產(chǎn)應(yīng)用。