高 雄，湯 巖，胡東陽(yáng)，王洪波

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

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D型單結(jié)繩打結(jié)器關(guān)鍵部件逆向設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

高 雄，湯 巖，胡東陽(yáng)，王洪波

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018)

農(nóng)牧業(yè)機(jī)械化標(biāo)志著農(nóng)牧業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)步，而飼草生產(chǎn)機(jī)械化是農(nóng)牧業(yè)機(jī)械化的重要組成部分，牧草收獲已從傳統(tǒng)人工收獲方式發(fā)展到今天的自動(dòng)撿拾壓捆機(jī)械收獲。打結(jié)器是壓捆機(jī)械的核心部件，以9YFQ-1.9型正牽引跨行式方捆壓捆機(jī)為例，分析其裝配的D型打結(jié)器的工作原理，運(yùn)用CATIA軟件對(duì)打結(jié)器架體逆向建模，借助ANSYS workbench14.5軟件對(duì)架體進(jìn)行有限元分析，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化。在考慮裝配尺寸和加工工藝的前提下，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對(duì)架體三維模型進(jìn)行修改，加厚了蝸桿軸孔壁，加寬了打結(jié)鉗支座，并在兩者之間增加加強(qiáng)肋。對(duì)優(yōu)化后的架體進(jìn)行故障狀態(tài)的有限元分析，結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)優(yōu)化達(dá)到了預(yù)期效果。

打結(jié)器；逆向工程；有限元分析；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引言

近幾年，我國(guó)畜牧業(yè)發(fā)展迅速，秸稈的飼料價(jià)值也越來(lái)越引起人們的重視[1]。在飼草與農(nóng)作物秸稈產(chǎn)業(yè)化的過(guò)程中，需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是收集和儲(chǔ)運(yùn)。國(guó)內(nèi)和國(guó)外生產(chǎn)實(shí)踐均證明，要實(shí)現(xiàn)飼草生產(chǎn)高效益可持續(xù)發(fā)展，必須滿足兩個(gè)方面：一是要大規(guī)模經(jīng)營(yíng)；二是要實(shí)現(xiàn)機(jī)械化加工生產(chǎn)[2]。徹底解決自動(dòng)捆扎技術(shù)，對(duì)農(nóng)牧業(yè)現(xiàn)代化起重要作用。

本文基于中國(guó)農(nóng)機(jī)院呼和浩特分院研制的9YFQ-1.9方草捆打捆機(jī)(見(jiàn)圖1)，結(jié)合小方捆捆草機(jī)的實(shí)際生產(chǎn)情況，分析打結(jié)器工作原理和各機(jī)構(gòu)的工作載荷，對(duì)打結(jié)器架體斷裂的問(wèn)題進(jìn)行研究，并在研究的基礎(chǔ)上對(duì)架體提出適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，為打結(jié)器國(guó)產(chǎn)化提供理論支持。

1 D型單結(jié)繩打結(jié)器工作原理和結(jié)構(gòu)分析

由內(nèi)蒙古華德牧草機(jī)械公司生產(chǎn)的9YFQ-1.9跨行式壓捆機(jī)的牽引方式為正牽引式，如圖1所示。該機(jī)主要由牽引梁、撿拾器、螺旋輸送器、喂入機(jī)構(gòu)、活塞、壓捆室、打捆機(jī)構(gòu)、草捆長(zhǎng)度和密度調(diào)節(jié)裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)等組成[3-4]。拖拉機(jī)的動(dòng)力通過(guò)傳動(dòng)軸、摩擦式安全離合器、齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和帶傳動(dòng)傳遞到各工作部件。打結(jié)器是打捆組件的核心工作部件，主要功能是將包絡(luò)草捆的捆繩打成牢固可靠的繩結(jié)。D型打結(jié)器主要由打結(jié)器架體、夾繩器、打結(jié)鉗嘴組件、小錐齒輪、驅(qū)動(dòng)夾繩盤的蝸輪、蝸桿和脫繩桿等組成，如圖2所示[2]。

圖1 9YFQ-1.9型跨行式方草捆壓捆機(jī)

1.蝸桿 2.驅(qū)動(dòng)夾繩器蝸輪 3.打結(jié)器架體 4.蝸桿軸小錐齒輪 5.齒盤 6.打結(jié)鉗軸小錐齒輪 7.脫繩桿 8.打結(jié)鉗嘴 9.夾繩器

2 打結(jié)器架體架構(gòu)分析及逆向建模

打結(jié)器架體上有5個(gè)軸孔，分別為打結(jié)器動(dòng)力主軸軸孔、割繩刀軸孔、打結(jié)嘴軸孔、蝸桿軸孔和夾繩盤軸孔。由于打結(jié)器本身結(jié)構(gòu)精密，各軸孔呈空間異面結(jié)構(gòu)，各機(jī)構(gòu)高度精準(zhǔn)配合，所以各個(gè)軸孔之間的角度也需要高度精確，才能夠使打結(jié)器可靠地完成打結(jié)動(dòng)作。

利用光學(xué)掃描儀對(duì)架體進(jìn)行掃描，得到它的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；再利用CATIA逆向模塊，反求得到架體的三維模型，并對(duì)其誤差分析[5-9]，如圖3所示。點(diǎn)擊Activate命令，激活動(dòng)力軸孔端面，在激活的過(guò)程中盡量選取平整的點(diǎn)云；去除不平整的點(diǎn)云，點(diǎn)擊特征曲面識(shí)別(Basic Surface Recognition)命令，選擇平面類型生成平面；架體不規(guī)則的彎曲部分用過(guò)曲面擬合命令(Power fit)，最終建立打結(jié)器架體模型如圖4所示。

圖3 導(dǎo)入點(diǎn)云文件

圖4 打結(jié)器架體模型

3 有限元分析與優(yōu)化

結(jié)構(gòu)靜力分析是有限元分析方法常用的一個(gè)方面，其基本步驟為：幾何建模(或?qū)胪獠繋缀螖?shù)據(jù))；材料賦予；網(wǎng)格設(shè)置與劃分；邊界條件的設(shè)定；后處理操作。

常用直徑為2.7～2.9mm的牧草捆繩，單根繩的極限拉力為1 500N，但打結(jié)器工作時(shí)捆繩并不是處在最大拉力下。根據(jù)對(duì)打捆機(jī)工作時(shí)捆繩拉力的研究，當(dāng)打結(jié)完成后草捆離開壓捆室時(shí)，此時(shí)割繩刀未工作，捆繩所受的拉力最大，兩根捆繩的最大張力約為1 320N[10]。因此，可以推出在打結(jié)過(guò)程中夾繩盤受到的最大拉力F繩=1 320N,方向垂直夾繩盤向下，夾繩盤直徑為64.5mm，夾繩盤軸孔受到捆繩的彎矩作用，大小約為50N·m。

打結(jié)鉗嘴在繞繩的過(guò)程中受到繩子的拉力，等效于繩子的最大拉力為1 320N。由于割繩是打結(jié)過(guò)程的最后一步，其他部件都完成打結(jié)動(dòng)作靜止，故割繩刀受力獨(dú)立分析。

在正常工作狀態(tài)下，打結(jié)器架體受力如圖5所示。圖5中，在架體A、B、C處，為架體固定點(diǎn)；在D處，架體受到蝸桿等效作用于孔壁的壓力；在E處，受到夾繩盤的彎矩作用；在F處，受到夾蝸輪等效作用于孔壁的力；在G處，受到繩子等效的拉力。

圖5 機(jī)架的受力圖

依據(jù)機(jī)架受到的上述邊界條件，對(duì)其建立有限元模型，并進(jìn)行力學(xué)分析，有限元模型如圖6所示。

對(duì)架體進(jìn)行力學(xué)分析后得到架體的應(yīng)力、應(yīng)變和總變形量，如圖7～圖9所示。

圖6 有限元模型

圖7 優(yōu)化前架體的等效應(yīng)力分布圖

圖8 優(yōu)化前架體的應(yīng)變圖

圖9 優(yōu)化前架體的變形量分布圖

蝸輪蝸桿因故障而無(wú)法傳動(dòng)時(shí)，架體受力如圖10所示。

圖10 傳動(dòng)故障時(shí)架體受力

圖10中，A、B、C為架體固定點(diǎn)。在D處，架體受到蝸桿等效的扭矩作用；在E處，架體受到打結(jié)鉗等效的扭矩作用。

對(duì)故障時(shí)的架體進(jìn)行有限元分析，得到應(yīng)力、應(yīng)變和總變形量，如圖11～圖13所示。

圖11 故障時(shí)架體應(yīng)力分布

圖12 故障時(shí)架體應(yīng)變分布

圖13 故障時(shí)架體總變形量分布

從分析結(jié)果可以看出：在打結(jié)器蝸輪蝸桿傳動(dòng)故障時(shí)，應(yīng)變區(qū)域集中在蝸桿軸孔腰部，與打結(jié)器架體實(shí)際斷裂部位相符合。

對(duì)優(yōu)化前架體三維模型進(jìn)行幾何整理和前處理，得到優(yōu)化前的有限元模型如圖14所示。定義材料為HT250，加載荷后進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，使其質(zhì)量減小45%。

正常工作載荷下，架體應(yīng)力和應(yīng)變均在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，因此定義加載載荷為打結(jié)器故障時(shí)的載荷。蝸輪蝸桿傳動(dòng)故障時(shí)使得蝸桿小錐齒輪無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)打結(jié)鉗小錐齒輪無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)；但齒盤持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而使得蝸桿小錐齒輪跳齒，與凸輪齒盤不嚙合。

故障時(shí)，凸輪齒盤形變較小，蝸桿軸孔和打結(jié)鉗軸孔受到各自軸的扭矩作用，如圖15所示。

圖14 優(yōu)化前的有限元模型

圖15 蝸輪蝸桿故障時(shí)受力圖

架體應(yīng)變圖如圖16所示。由圖16可知：應(yīng)變集中在軸孔處，在此分析的基礎(chǔ)上，在結(jié)果中添加Shape optimization工具進(jìn)行形狀拓?fù)鋬?yōu)化，結(jié)果如圖17所示。

圖16 架體應(yīng)變圖

圖17 架體形狀拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

按照優(yōu)化結(jié)果，考慮到打結(jié)器結(jié)構(gòu)中裝配的尺寸[11]，修改架體三維模型如圖18所示。在尺寸允許范圍內(nèi)，加長(zhǎng)了蝸桿軸孔軸向長(zhǎng)度(圖18中A)，在打結(jié)鉗軸孔支架與蝸桿軸支座之間添加加強(qiáng)肋(圖18中B和C)，同時(shí)加寬了安裝支座(圖中D)。

對(duì)優(yōu)化后的架體模型進(jìn)行故障載荷分析，如圖19所示。優(yōu)化前后的應(yīng)變對(duì)比如表1所示。從分析結(jié)果中可以看出：優(yōu)化后的模型較優(yōu)化前模型的應(yīng)變區(qū)域更分散，且變形量更小。這表明，優(yōu)化后的架體應(yīng)變足以應(yīng)對(duì)故障載荷引起的形變，在安全裝置介入工作之前架體不會(huì)斷裂，由此得出優(yōu)化達(dá)到預(yù)期效果。

圖 18 修改后的架體模型

圖 19 修改后架體的應(yīng)變分布圖

優(yōu)化前正常工作時(shí)故障時(shí)優(yōu)化后正常工作時(shí)故障時(shí)Minimum03．2243e-01104．4714e-013Maximum3．8868e-0031．2267e-0043．1888e-0059．2146e-007

4 結(jié)論

1)在CATIA軟件中完成了對(duì)打結(jié)器架體的逆向建模，通過(guò)反復(fù)對(duì)比后使得模型誤差最小，從而確定架體上5個(gè)軸孔之間的空間關(guān)系。在ANSYS中對(duì)架體模型進(jìn)行兩種狀態(tài)的結(jié)構(gòu)靜力分析，得到應(yīng)變集中區(qū)域主要在蝸桿軸孔處，最大應(yīng)變?yōu)?.8868e-00m/m～1.2267e-004m/m，顯示架體在此處易斷裂，與實(shí)際工作中斷裂部位相符。

2)建立架體優(yōu)化前的粗模型，施加故障載荷進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，定義質(zhì)量減少45%。結(jié)果顯示：架體蝸桿軸孔部位需要優(yōu)化，在考慮實(shí)際裝配的情況下，加長(zhǎng)了蝸桿軸孔軸向長(zhǎng)度，在打結(jié)鉗軸孔支架與蝸桿軸支座之間添加加強(qiáng)肋。優(yōu)化后的架體有限元分析顯示，這些改進(jìn)達(dá)到優(yōu)化效果。

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Reversal Design and Structure Optimization of the Key Part of D-type Twine Single-knotter

Gao Xiong, Tang Yan, Hu Dongyang， Wang Hongbo

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018 ，China )

Agricultural mechanization is an important symbol of modernization of farming and animal husbandry,forage production mechanization is an important part of mechanization of farming and animal husbandry.Forage harvesting has developed from the traditional manual harvesting to modern automatic collecting briquetting machine harvest,the knotter is the core component of collecting baling machine.Based on 9YFQ- 1.9 inter-bank conveyor bales grass machine, analyzes its principle of type D knot, using CATIA software to implement the frame body reverse modeling, The finite element analysis by using ANSYS software was carried out on the body,and carries on the structural topology optimization.Under the premise of considering the mounting dimensions and processing technology, according to the result of optimization make the 3d model some change , thickening of worm shaft hole wall, and widen the bearing assembly , then increase the strengthening rib between them. The finite element analysis was carried out on the optimized frame body, the results show that the optimization effect.

knotter; reverse engineering; finite element analysis; structure optimization

2016-01-11

“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD08 B10-01)

高 雄(1957-)，男，呼和浩特人，副教授，碩士生導(dǎo)師,(E-mail)gao0927cn@aliyun.com。

王洪波(1978-)，男，呼和浩特人，副教授,(E-mail)wanghb@imau.edu.cn。

S817.11+9

A

1003-188X(2017)02-0027-05