李印 秦緒政 王士帥

摘 要：為研制莖稈粉碎機前置穗莖兼收型自走式玉米聯合收獲機，保證割臺和莖稈粉碎機可以互不干擾的進行工作，且能在一定范圍內運動以達到合適的離地高度；利用三維設計軟件的建模以及分析功能，設計莖稈粉碎機的懸掛裝置；通過運動仿真和應力分析，獲得懸掛架受力最大位置的等效應力、位移、安全系數分布云圖。結果表明，懸掛架設計合理，可以達到作業(yè)要求；最后通過樣機試制驗證了該設計的可行性。

關鍵詞：莖稈粉碎機；運動仿真；懸掛架；應力分析

我國是農業(yè)大國，玉米是主要的糧食作物之一。2014年我國玉米年產量高達215 646 300 kg。按產糧和莖稈比 1∶1.2 計算，每年約產生258 775 600 kg玉米莖稈。目前，大部分自走式玉米聯合收獲機只收獲果穗，將莖稈還田，少量的玉米收獲機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)的運輸和打捆仍需要占用許多勞力和時間。因此，在現有玉米收獲機的基礎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合收獲機。

1、莖稈粉碎機及懸掛架結構和工作原理

莖稈粉碎機以前置懸掛安裝連接方式安裝在玉米聯合收獲機驅動前輪與果穗收割臺之間，莖稈粉碎機下方設有頂出油缸，油缸通過懸掛架傳遞動力，使莖稈粉碎機能夠在一定范圍內旋轉，達到最合適的離地高度。莖稈粉碎機通過發(fā)動機動力輸出輪傳遞來的動力完成莖稈粉碎工作。割臺與莖稈粉碎機間有安全限位裝置，保證工作過程中的安全。

2、模型的建立

2.1 莖稈粉碎機模型的建立

建立莖稈粉碎機模型，由于懸掛架承重主要為莖稈粉碎機自重，為了得到莖稈粉碎的質量，為每個零件添加材料，莖稈粉碎機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，其余零件使用軟件材料庫中的材料，電機、減速箱、皮帶輪以及齒輪選用灰鑄鐵。通過軟件分析功能得到莖稈粉碎機的質量為712 kg。

2.2 懸掛架模型的建立

莖稈粉碎機通過懸掛裝置與玉米聯合收獲機配套使用。由于莖稈粉碎機要進行回轉運動，因而不能采用螺栓以及其他沒有自由度的連接方式。設計采用矩管焊接的方式，莖稈粉碎機殼表面呈凹凸不平狀，會使焊接更加容易。莖稈粉碎機與2根互相垂直的矩管焊接，整個機架與傳動軸的軸套焊接。由于該機架還須要承載為減速器傳遞動力的皮帶輪的小張緊輪的質量，因此設計了懸掛支臂，用來焊接連接小張緊輪的鋼板，同時可以為懸掛臂分擔載荷。

2.3 裝配后模型

分別建立好2個部分的模型后，將2個部分裝配到一起，裝配完成后為各個部分定位。以莖稈粉碎機離地面距離最小時[CM（25]的位置作為定位基準，此時，油缸達到伸縮極限，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莖稈粉碎機處于最低位置時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尺寸的功能調整好距離，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備。

3、運動仿真

對一個運動的零件進行有限元分析，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動過程中不斷變化，因此懸掛架受到的外力在運動過程中也不斷變化。雖然運動是一個連續(xù)的過程，但在該三維軟件運動仿真模擬計算中將運動過程離散成了一定數量的時間點，可以對零件在每一個時間點進行有限元分析，或者對一個特定的時間點進行有限元分析。

3.1 仿真前的準備

3.1.1 創(chuàng)建連接

該三維軟件可以自動將約束轉換為標準連接，轉換后的標準連接有鉸鏈（旋轉）運動、平移、球面圓槽運動。

3.1.2 定義外部載荷

在外部載荷的下拉菜單中右擊重力按鈕，為各個零部件定義重力，需要給定的是重力方向，這里的重力方向為X軸負方向，使用矢量分量定義重力，給定方向后軟件會根據各個零件的材料計算出它們的重力。

由于導出機架后須要進行網格劃分，所以仿真時去掉了張緊輪和板子，這樣網格劃分時只對懸掛架進行劃分，使網格劃分更加容易且精確；還去掉了變速箱和皮帶輪，它們的重心位置在幾何中心，添加外力比較方便且不會影響結果的精度。

3.1.3 驅動力的設定

莖稈粉碎機的升降運動是靠油缸的動力來完成的，因此應將油缸的運動設定為原動力。以速度作為驅動條件，根據油缸的伸縮行程編輯初始條件，根據推桿長度確定初始位置在4 cm處。最后在仿真播放器上設定時間，與速度配合后保證油缸伸縮行程為25 cm。

3.2 運動軌跡

在運動仿真前，設定跟蹤軌跡。以莖稈粉碎機殼右下角一點為基準，得到運動軌跡，可見莖稈粉碎機所做運動是以軸套中心為圓心的圓周運動。

3.3 輸出到有限元分析

3.3.1 選定時間點

從工具面板上打開輸出圖示器，可以看到模擬結果的數值和在圖形區(qū)由曲線表示的變量的變化規(guī)律，曲線為懸掛架與莖稈粉碎機之間的力。輸出圖示器列出了該機械系統(tǒng)的所有連接，展開連接的節(jié)點，可以看到該連接上的力、力矩、加速度、速度、位置。懸掛架有多個連接，說明它有多個反作用力和反作用力矩。通過關聯菜單命令搜索力的最大值，選定該時間點。

3.3.2 選擇載荷承載面

在“運動仿真”工具面板上，單擊“輸出到有限元分析”命令，從圖形窗口選擇懸掛架，之后彈出選擇承載面的對話框，為每一個運動選擇承載面。選擇完所有面單擊確定后就完成了運動仿真輸出到有限元分析，進入到應力分析環(huán)境。

4、應力分析

4.1 分析前的準備

4.1.1 網格劃分

在分析系統(tǒng)中，被處理的模型被劃分成有限個小的單元結構，稱為網格化。網格的劃分形式直接影響結果精度，網格的數量越多，越接近模型的原始形狀，計算表達就越精確。該三維軟件提供了網格設置功能，各個設置參數，得到65 744個節(jié)點，33 008個元素。

4.1.2 輸入運動載荷

通過創(chuàng)建分析完成運動載荷的輸入，此時各個力和力矩會在懸掛架上顯示。對于每個承載面，有1個遠程力和力矩，都是矢量。遠程力是運動仿真向力學[CM（25]分析進行工況參數傳遞用的一個概念，由于施加力的成員并不在這個分析的范圍內，故而稱之為“遠處”。

4.2結構改進

安全系數越大越安全，但是安全系數并不是越大越好，“過于安全”會造成材料的浪費。根據以上分析結果進行懸掛架設計參數的改進，減小鋼材的尺寸，節(jié)省材料的同時降低懸掛架的質量。重新選擇矩管的尺寸，因為該設計過于安全，所以選擇與之前相差較大的尺寸60 mm×30 mm×3 mm。

另外，從應力、位移、安全系數的分布云圖中分析，沒有焊接張緊輪的懸掛支臂基本不受力且沒有變形，故而改進結構時將其去掉，簡化了懸掛架的結構。對改進后的懸掛架用同樣的方法進行有限元分析，得出優(yōu)化后的等效應力以及安全系數分布云圖。

5、結論

利用三維軟件的分析功能，對設計的懸掛架進行運動仿真，得出受力最大位置，之后將該位置的運動載荷直接輸入到FEA進行應力分析。使用這種方法，應力分析網格劃分時僅對導出的懸掛架進行劃分。分析時不必建立等效模型，可以保留原始模型的主要零件，仿真時更接近實際工作情況，分析時結果更加精確。通過對強度和剛度的分析，更改了懸掛架的設計參數，并改進了懸掛架的結構。

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（作者單位：山東五征集團有限公司）