基于ANSYS的無人駕駛收割機脫谷離合電控結構疲勞分析

馮敏康龔智峰徐璟吳雄杰戴馮家林立杰徐紀洋李曉宇韋國運

(1.上海市嘉定區農機技術推廣站；上海 201800；2.上海市農業機械鑒定推廣站，上海 201600；3.上海聯適導航技術股份有限公司，上海 201702；4.華南農業大學工程學院，廣東 廣州 510642)

引言

2020年我國谷物產量達61674萬t，稻谷產量達21186萬t1]，糧食作物播種面積達116768千hm2[2]，是名副其實的世界第一糧食生產大國，而在此背景下我國的農業機械也得到了長足的發展。在我國收割機領域中，通過更換不同割臺來實現收割不同作物的谷物聯合收割機起步較早[3]。早期國內的谷物聯合收割機主要通過仿制國外機型來研發出適合國內作業環境的產品，隨著國家政策的調整，土地流轉速度加快，規模農業開始以合作社和大型農場的方式在我國推廣開來，聯合收割機開始朝著大型化、智能化、通用化的方向發展。與此同時，隨著我國人口政策的調整，在可預見的將來，農業人口將會越來越少，具有專業知識、高等學歷的專業農戶開始成為農業的實際經營生產者[4-7]，而這一部分人也對農業機械的智能化、自動化程度提出更高的要求，智能化大型聯合收割機的出現是必然的[8]。

在智能化大型聯合收割機的發展過程中，對現有的智能化程度比較低的收割機進行一定程度的智能化改裝，使其初步具備一定的智能化能力，能夠部分滿足用戶對智能化的需求，同時企業、科研機構通過這種方式進行積累經驗，這一過程是歷史的必然。截至2019年末，我國聯合收割機在冊數量為212.8萬臺，這部分收割機的機主也對智能化、電氣化有著強烈的需求[8]，因而市面上出現了許多針對存量市場進行一定程度的電氣化改裝，從而能實現收割機自動駕駛的產品。如，聯適導航推出的HR100無人收割機控制系統[9]，通過加裝GPS衛星天線、電動方向盤、電動推桿和角度傳感器等電子元器件，組成閉環控制系統，實現收割機的自動駕駛控制。

在對收割機存量市場的改裝中，對收割機上的脫谷離合、割臺離合、卸糧離合的控制一直是一大難點[10]。以脫谷離合為例，傳統收割機是通過離合拉桿來拉動離合張緊帶輪來實現對脫谷滾筒的控制，這部分傳動機構通常位于收割機駕駛和糧倉之間的空隙，改裝可以使用的空間不大，而這就對電氣化改裝提出了很大的挑戰。且目前對這部分存量市場改裝的理論基礎研究較少，大部分研究都集中在開發新的產品或者提出新的結構等方面，因而提出一種新的針對收割機脫谷離合的電控方式并運用Ansys對改造結構的使用壽命和疲勞形式進行理論上的分析很有必要。

1 脫谷離合電控結構的工作原理

收割機本身的脫谷離合傳動結構如圖1所示，其工作原理為駕駛員向前推動脫谷離合手柄，帶動手柄擺臂上的擺臂逆時針旋轉，手柄擺臂帶動彈簧固定板向上移動，同時彈簧被拉伸，帶動脫谷張緊輪與皮帶相接觸，皮帶進入張緊狀態，進而為脫谷糧筒提供動力。總體的傳動結構比較緊湊，并且比較典型，市面上常見收割機的脫谷離合也是類似的結構。

圖1 原車傳動結構

改裝后的電控結構如圖2所示，由螺栓固定板、帶螺栓圓環套、銷子、電動推桿和彈簧掛接板等組成。安裝時，先將收割機脫谷離合掛到分離檔上，同時將電動推桿調至伸出狀態。將原車的螺栓固定板和彈簧掛接板拆下，將電控結構按照圖2進行安裝，原車彈簧掛接在彈簧掛接板上，通過調節螺栓伸出長度使得彈簧被稍微拉緊。工作時，只需向電動推桿縮回，即可將彈簧拉伸，帶動脫谷皮帶張緊輪與皮帶接觸，從而實現電控的操作。電動推桿內有電位器，可以實時反饋電動推桿的工作狀態，確保電動推桿處于正確的工作位置，保障作業安全。同時在需要手動操作時，只需將電動推桿伸長到原有長度，即可通過離合推桿進行操作，可以方便快捷地進行自動和手動模式切換，以滿足用戶的不同使用需求。

圖2 電控傳動結構

2 整體結構的受力分析與有限元模型

2.1 受力分析

本文所設計的結構在工作時，主要受到的載荷是電機處于收縮時受到的彈簧拉力，拉力與電動推桿共線，方向與電動推桿伸出方向相反，同時根據胡克定律可以得知，當電動推桿縮回，即彈簧被拉出最大時，整個結構載荷最大。根據測量可以得出原車彈簧線徑為3mm，中徑為17mm，所使用的材料為65Mn，65Mn的切變模量為78500MPa[11]，有效圈數為15圈，則彈簧的彈性系數：

式中，G為彈簧的切變模量，78500MPa；d為彈簧線徑，3mm；D為彈簧中徑，17mm；Nc為彈簧的有效圈數，15圈。計算可得該彈簧的彈性系數為10.79N·mm-1。

根據測量得出彈簧在離合結合時被拉長了70mm，則由胡克定律F=K·Δl[13]可以得出彈簧的拉力為754.9N。

2.2 電控結構的有限元模型

由于Ansys Workbench自帶的建模模塊使用起來不太方便，所以本文通過Solid Works三維設計軟件進行建模，主要結構件建模如圖3所示。

圖3 主要結構三維模型

由于電動推桿的結構比較復雜，因而將電動推桿模型進行簡化，材料定義為6036-T6鋁合金，剩余部件均使用304不銹鋼材料。6036-T6鋁合金的彈性模量E=69GPa[14]，泊松比μ=0.33，密度ρ=2700kg·m-3；304不銹鋼的彈性模量E=190GPa，泊松比μ=0.29，密度ρ=8000kg·m-3[15]。

由于電控結構整體比較簡單，因此將整個裝配體導入到Ansys-Workbench中，使用幾何體尺寸調整法進行網格劃分，將單元尺寸定義為2mm，網格行為定義為柔軟，最終劃分結果為節點數663661個，單元數458143個，劃分好的單元如圖4所示。

圖4 網格劃分結果

3 有限元分析

3.1 有限元分析設置

在導入模型時，Ansys Workbench自動生成了接觸對，但是通過查看發現所有的接觸對都是綁定接觸，與實際情況不符合，因而將與銷軸相關的接觸對都定義為帶摩擦的接觸對。整個模型共有9個接觸對，其中綁定接觸對有3個，分別是螺栓與螺母之間的接觸，螺母下端面與螺栓固定板的接觸以及螺栓與螺栓固定板上通孔的接觸。

有限元分析步驟按照實際情況進行設置，第1步是離合屬于分離狀態，系統受力較小，可以忽略不計；第2步是離合屬于結合狀態，系統受力為754.9N。使用靜態結構分析工具中的靜力分析，找到系統的最大破壞位置，再使用疲勞計算工具進行分析。

3.2 靜力分析

由于彈簧的彈力是遵循胡克定律逐漸增大的，所以定義彈簧的力為一個線性的逐步增大的載荷，施加在彈簧掛接板的銷孔處，方向豎直向下，如圖5所示。

圖5 載荷設置

經過靜力分析之后，得到等效應力云圖如圖6所示。通過觀察發現，應力最大點出現在螺栓固定板與軸連接的圓孔下方，最大應力為56.6277MPa，主要是因為該點與手柄擺臂上的銷軸直接相連，受力最終傳導到點。應力最小點出現在電動推桿上，為2.1×10-8MPa，該位置基本上不參與整個力的傳導過程，因而基本不受力。

圖6 等效應力云圖

位移云圖如圖7所示，最大位移出現在彈簧連接板的最下端，位移量為0.91275mm，最小位移點則是螺栓固定板的圓孔處，沒有發生位移。最大位移出現的原因是螺栓固定板發生變形，導致整個結構沿X軸方向發生擺動，而彈簧連接板離螺栓固定板最遠，所以受到螺栓固定板應變影響而帶來的位移最大。

圖7 位移云圖

通過觀察圖8的應變云圖可以發現，螺栓固定板的應變雖然不是最大的，但是整體發生應變的部位較多，且應變量均遠高于平均值。而最大應變發生在彈簧連接板與銷子相連的孔的下方，應變量為2.988×10-4mm，這也會導致彈簧連接板最下端的位移加大，兩者綜合作用導致了彈簧連接板最下處的位移是最大的。在后續的設計中，可以對彈簧連接板和螺栓固定板通過添加加強筋等方式來加強整體結構，減小應變。

圖8 應變云圖

3.3 疲勞分析

運用Ansys自帶的疲勞工具進行疲勞分析，疲勞強度因子設置為1，恒定載荷類型為完全反向載荷，基于應力疲勞極限理論進行分析。首先進行壽命分析，分析的結果如圖9所示，除電動推桿外所設計的結構件均能達到100000次使用周期的壽命，且整體使用壽命比較一致，電動推桿所使用的結構在該應用場景中，可以滿足108次的使用周期。

在機械結構中，發生疲勞破壞一般都是從疲勞源開始發生，以疲勞源為中心向四周擴散，同時載荷本身的交變發生，會導致疲勞破壞擴張到影響整體結構的靜強度，靜強度不足時即發生整體結構斷裂或解體，而此時遠未達到結構的理論壽命極限，因而危害巨大[16]。疲勞源通常是難以準確預知的，由圖9可以看出，在帶螺栓電機頭與銷子的連接處最為薄弱，但與該設計的其余結構壽命差距不是特別大，因而該電控結構的整體壽命比較均勻一致，整體壽命均勻一致可以在一定程度上防止疲勞破壞的發生。

圖9 壽命云圖

由圖10安全系數運圖可以得出，所設計的結構安全系數最小值為1.7357，最大值為15，安全系數最小處是螺母與螺栓掛接板之間的位置，同時觀察到整個螺栓掛接板的安全系數均較低，可能是與螺栓掛接板受力有關，應對螺栓焊接版的加強筋焊接提出要求，焊縫質量決定了螺栓掛接板的安全系數，同時可以考慮再添加一個加強筋，以加強整體結構，提高安全系數。而其余的件安全系數均較大，可以進行適當的減厚，以降低生產成本和總體結構重量。

圖10 安全系數云圖

對疲勞敏感性進行仿真分析，因為在手動駕駛時可能由于駕駛員用力過度導致整體載荷過大，因而將最大設置為基本載荷的300%。圖11描述的是在基本載荷50%～300%的范圍內可以實現的循環壽命。由圖11可知，在50%～300%的載荷條件下，循環壽命并沒有發生顯著的變化，均為10000次，總體設計比較完善。

圖11 疲勞敏感性圖

4 總結

本文提出了一種新的脫谷離合電控結構，該結構整體比較緊湊，安裝方便，普適性強，可以輕易移植到其它機型上。同時利用Ansys Workbench對該電控結構進行靜力學分析，對設計進行優化以及校核，得出以下結論。

收割機電控結構最大應力點在螺栓固定板的開孔下方，在本文所設置的載荷下，最大值為56.726MPa；螺栓固定板由于是采用了鈑金加上焊接加強筋的方式進行制造，導致整體應變較大，可以通過增加加強筋或者加厚的方式來提高整體強度，進而降低彈簧掛接板的位移量，使整個結構更加穩定；整個結構在50%～300%載荷條件下循環壽命達到10000次，其破環源發生在帶螺栓電機頭的銷孔處，因而該孔的加工質量決定了整體的使用壽命，在生產工藝中應當對該孔提出合理的工藝要求；部分結構件的安全因子達到15，從經濟效益出發可以將這些結構件做得更薄一些或者更換強度更低、價格更便宜的材料進行加工生產。