插秧機行走系統(tǒng)可靠性分析研究

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州 545005）

插秧機行走系統(tǒng)由左變速箱、右變速箱、錐齒輪箱、插秧箱、擺動外殼左連接管、擺動外殼右連接管和連接框架組成。本文從強度分析、交變負荷試驗和田間可靠性試驗3個方面，對行走系統(tǒng)進行了分析研究，驗證行走系統(tǒng)是否滿足整機可靠性要求。

1 插秧機構(gòu)成概述

插秧機是以系統(tǒng)工程原理實現(xiàn)秧苗機插。

插秧機通常由動力總成、行走系統(tǒng)、分插機構(gòu)、進料箱、送秧機構(gòu)、液壓升降系統(tǒng)以及栽秧臺和滑動導(dǎo)軌等組成。

動力總成將動力分別傳遞給行走系統(tǒng)、分插機構(gòu)和送秧機構(gòu)，通過這3個系統(tǒng)機構(gòu)的相互配合作用，實現(xiàn)秧苗的連續(xù)機插；

行走系統(tǒng)由左變數(shù)箱、右速箱、錐齒輪箱、插秧箱、擺動外殼左連接管、擺動外殼右連接管和連接框架組成，負責支承、安裝動力總成以及分插機構(gòu)、進料箱、栽秧臺和預(yù)備秧架等零部件，并接受發(fā)動機的動力，使插秧機產(chǎn)生前行運動，實現(xiàn)秧苗的連續(xù)機插。

分插機構(gòu)由曲柄臂、擺臂、插秧臂、插秧爪和推出桿等組成，負責實現(xiàn)秧苗的插植，安裝于插秧臂上的插秧爪和推出桿，在曲柄臂的驅(qū)動下做回旋往復(fù)運動，插秧爪運轉(zhuǎn)至秧苗所在位置時，進行取秧，在插秧爪運轉(zhuǎn)至田面最低位置時，推出桿將秧苗彈出插入秧田，并瞬間回位，從而完成一次取秧、插秧過程；

進料箱由橫向進給螺桿、橫向傳送桿、傳送臂和傳送桿套等組成，推動栽秧臺左右移動，負責實現(xiàn)秧苗橫向送秧；

送秧機構(gòu)由上送秧輪軸組件、下送秧輪軸組件和聯(lián)動桿組成，與橫向傳動桿配合定時縱向轉(zhuǎn)動，保證插秧準確；

液壓升降系統(tǒng)負責實現(xiàn)機體的上升和下降；同時，通過調(diào)整栽秧臺和浮舟分別與滑動導(dǎo)軌和機體的相對位置高度，可實現(xiàn)不同的秧苗抓取量和插秧深度，從而適應(yīng)不同地區(qū)的農(nóng)藝要求。

2 行走系統(tǒng)強度分析

根據(jù)插秧機的實際使用條件，行走系統(tǒng)設(shè)計要求安全系數(shù)不小于2.0，即應(yīng)力不大于120 MPa。通過適當?shù)暮喕?，在ANSYS有限元分析軟件中，建立插秧底機盤結(jié)構(gòu)幾何模型，以插秧機向后為X軸正向，向上為Y軸正向，向左為Z軸正向。如圖1所示。

圖1 行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)幾何模型

2.1 單元選取與網(wǎng)格劃分

為能適當?shù)睾喕Ｐ秃洼^真實地反映插秧機行走系統(tǒng)的力學特性，對變速箱殼體部分（3 mm）、變速箱內(nèi)外部加強筋（6 mm）、擺動外殼左右連接管（2.5 mm）、連接框架（2.5 mm）和方向盤框架（3 mm）等采用板殼單元shell 63；變速箱其余部分、錐齒輪箱和插秧箱等，采用實體單元Solid45或Solid92；

為較真實反映發(fā)動機部件凈質(zhì)量、預(yù)備秧架上秧苗凈質(zhì)量和載秧臺秧苗凈質(zhì)量對行走系統(tǒng)傳力的影響，采用集中質(zhì)量單元Mass21，而這些集中質(zhì)量與行走系統(tǒng)的連接簡化為Beam4梁單元或剛性梁。

為較真實反映行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與相鄰部件的力傳遞關(guān)系，對連接部位的局部結(jié)構(gòu)也真實建模。網(wǎng)格劃分后的模型如2圖所示，結(jié)構(gòu)有限元模型共具有238 264個節(jié)點，390 566個單元。

圖2 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分模型圖

行走系統(tǒng)各部件通過緊固螺栓連接，為模擬螺栓連接采用螺栓預(yù)緊力單元PREST 179，并在兩部件接觸面間采用面—面接觸副。擺動外殼與變速箱之間，通過深溝滾動球軸承連接。

為較真實反映它們之間的連接關(guān)系，簡化軸承建模。建立與軸承剛度相等的空心圓柱實體模型（擺動部分軸承等效彈性模量E=0.4837E5 MPa，錐齒輪外殼部分6303-2LS、6205/P6和6004/P6深溝球軸承的等效彈性模量分別為0.4578E5 MPa，0.5132E5 MPa和0.5545E5 MPa）代替原軸承，并在軸承與變速箱以及軸承與左右擺動外殼間建立面—面接觸副。

通過分析插秧機的工況，得出行走系統(tǒng)在田間作業(yè)調(diào)頭時的工況為最危險工況（田間作業(yè)到田頭遇到田埂、斜坡左轉(zhuǎn)調(diào)頭，左輪一輪著地扭動轉(zhuǎn)彎）。

載荷：向下1 g，左右0.3 g（g為重力加速度），扶手向右加載30 N。

行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)載荷為發(fā)動機部件、預(yù)備秧架秧苗和載秧臺上秧苗3個集中質(zhì)量的慣性力，集中質(zhì)量的值分別為39 kg、170 kg和32 kg。

約束：左輪軸與車輪中心交點三向約束，左輪軸約束撤去，兩扶手Y向約束。

圖3為插秧機行走系統(tǒng)在田間作業(yè)調(diào)頭工況載荷作用下的應(yīng)力云圖。從圖中可看出，在此工況下，插秧機行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大部分應(yīng)力小于120 MPa。大應(yīng)力主要發(fā)生在連接框架的角點，擺動外殼左連接管以及扭矩板。在此工況下，擺動外殼左連接管出現(xiàn)了大面積的大應(yīng)力，很容易被破壞。

圖3 全局應(yīng)力云圖

2.2 左變速箱

圖4為左變速箱內(nèi)外部的應(yīng)力云圖。忽略建模導(dǎo)致的在實體單元與板殼單元連接部位的應(yīng)力集中點，由圖可看出大部分應(yīng)力均小于180 MPa，基本可以滿足使用要求，最大應(yīng)力為170.731 MPa，發(fā)生在左變速箱左端面與左橋面過渡連接處，該處應(yīng)適當加強以提高安全系數(shù)。

圖4 左變速箱應(yīng)力云圖

2.3 右變速箱

圖5為右變速箱內(nèi)外部的應(yīng)力云圖。忽略建模導(dǎo)致的在實體單元與板殼單元連接部位的應(yīng)力集中，由圖可看出，大部分應(yīng)力均小于120 MPa，最大應(yīng)力為88.787 MPa，發(fā)生在右變速箱與左變速箱連接的螺栓孔附近。

圖5 右變速箱應(yīng)力云圖

2.4 錐齒輪箱

錐齒輪箱包含錐齒輪外殼和錐齒輪蓋。圖6為錐齒輪外殼及錐齒輪輪蓋應(yīng)力云圖。錐齒輪外殼大部分應(yīng)力小于120 MPa，可以滿足使用。

圖6 錐齒輪外殼及錐齒輪輪蓋應(yīng)力云圖

2.5 插秧箱

圖7為插秧箱應(yīng)力云圖。其中大部分應(yīng)力均小于90 MPa，可以滿足使用。大應(yīng)力主要發(fā)生在與插秧箱上端法蘭盤的螺孔附近，最大應(yīng)力為89.974 MPa。

圖7 插秧箱應(yīng)力云圖

2.6 擺動外殼左連接管

圖8為擺動外殼左連接管應(yīng)力云圖和X方向的應(yīng)力分量云圖。由于右輪離地向左側(cè)傾，右變速箱右半部分和擺動外殼右連接管應(yīng)力均很小，故只給出左擺動外殼連接管的應(yīng)力分布。從圖8（a）中可看出其應(yīng)力最大達到253 MPa，連接方管兩端與法蘭連接部位應(yīng)力過大，已經(jīng)不能滿足使用要求；圖8（b）為X方向的應(yīng)力分量云圖，可以看出連接管在該工況載荷作用下，受到的拉力和壓力過大，且此時方管發(fā)生了扭轉(zhuǎn)。

圖8 擺動外殼左連接管應(yīng)力云圖及其X應(yīng)力分量云圖

2.7 連接框架

圖9為連接框架應(yīng)力云圖及其X應(yīng)力分量云圖。由圖可看出，大部分應(yīng)力小于120 MPa，最大應(yīng)力為185.31 MPa，發(fā)生在連接框架前端的角點上。圖（b）為其X方向應(yīng)力分量云圖，由圖可看出連接框架上部受到拉力，而下部受到壓力，且拉壓力的最大值均發(fā)生在連接框架前端的角點上。

圖9 連接框架應(yīng)力云圖及其X應(yīng)力分量云圖

通過對行走系統(tǒng)零部件的強度分析，除去人為因素的非正規(guī)操作，行走系統(tǒng)各零部件能夠滿足安全系數(shù)不小于2.0的要求。

3 過程驗證

3.1 交變負荷試驗

預(yù)備秧架和栽秧臺上分別加載總質(zhì)量為39 kg和170 kg等物體（固定），兩側(cè)車輪中心加載力矩（N·m）按20—70—150—70—20循環(huán)加載，每檔力矩值試驗運行時間為10 min，累計完成400 h交變負荷試驗。

3.2 田間可靠性試驗

預(yù)備秧架和栽秧臺上分別加載總質(zhì)量為39 kg和170 kg等物體（固定），1/2油門開度進行50 hm2田間可靠性試驗。

3.3 驗證結(jié)論

插秧機行走系統(tǒng)通過400 h交變負荷試驗和50 hm2田間可靠性試驗。

4 結(jié)束語

通過對行走系統(tǒng)進行強度分析，以及進行400 h交變負荷試驗和50 hm2田間可靠性試驗，驗證了插秧機行走系統(tǒng)，能夠滿足整機的可靠性要求。

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[3]周龍保.內(nèi)燃機學[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999.

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