玉米青貯機傳動系統(tǒng)失效分析與改進設計

陳波 葉偉 余海川

摘要：基于玉米青貯機傳動系統(tǒng)在試驗中出現(xiàn)花鍵軸扭曲問題提出，分析出了玉米青貯機模型刀盤及波輪所受載荷力的特性并得出隨時間變化的等效載荷公式，得出了花鍵軸所需承受的最大載荷與玉米青貯收獲機工作行走速度的關系，最后，分析出過載的原因并提出了解決方案并加以驗證，為解決玉米青貯機傳動系統(tǒng)失效提供了一種方法。

關鍵詞：玉米青貯機；三維模型；失效分析；改進設計

引言

隨著現(xiàn)代畜牧業(yè)的發(fā)展，我國青貯飼收獲機械的研發(fā)與設計不斷涌現(xiàn)，而關鍵技術及零部件的研發(fā)起步較晚，國內的玉米收獲機研發(fā)處于初級階段，本文針對設計樣機在試驗過程中割臺傳動系統(tǒng)出現(xiàn)的花鍵軸扭曲故障而導致整機運行試驗失敗提出的問題。（如圖1）

1.模型的構建

利用三維建模軟件UG建立玉米青貯機割臺轉動系統(tǒng)簡化模型（如圖2、3）。

上圖中的花鍵軸（如圖4）的動力是由萬向節(jié)傳遞的，正是此矩形花鍵軸發(fā)生過載扭曲現(xiàn)象，造成試驗過程失敗。

2.機構的數(shù)據(jù)模型建立

為了計算鋸盤所受載荷的大小及分布的原理，試驗過程中，測量出玉米種植的行距及株距。實測以種植的平均株距為160mm，行距為720mm計。根據(jù)玉米青貯機的基本參數(shù)可知，在運行過程中理想狀態(tài)下可對5行植株進行收獲（如圖5、6）。

根據(jù)圖6知，鋸盤的受力為脈沖型的，假定玉米收獲機的工作行走速度為V0，則植株1的沿著攪龍的速度可分解為豎直向下的速度VY，和水平向左的速度VX，則根據(jù)力的合成與分解原理即：

分析可得到，植株1、3、5同時到達直至秸稈被割斷，植株2、4同時被切割，則鋸盤的受到兩個脈沖力的作用。假設玉米秸稈被鋸盤截斷需要隨鋸盤運動的位移為S，由余玄定理 ：

則

Θ：為刀盤轉過的角度

W：為刀盤的角速度

R：為刀盤的半徑

查閱資料知玉米秸稈的莖葉連接力、葉鞘的抗拉特性和莖稈、葉鞘的抗沖擊特性結果，得到了玉米秸稈的固有力學特性：莖葉連接力為0.7～16N，葉鞘抗拉力為3～21N，莖稈抗沖擊能量為20.3～42.8J。根據(jù)實際工作情況，取轉速n=2400rad/s，工作行走速度V=2m/s，相對截斷位移S=100mm進行比對。

若取莖稈的平均抗沖擊能量為30J，則單個植株脈沖力可得：

脈沖力 = （其中鋸盤的半徑R>>S，則此時運動弧長L≈S）

由于波輪工作的復雜性，如圖7所示，當波輪過載荷時齒輪與上下摩擦片打滑時傳動軸承受的是最大扭矩，且其是根據(jù)碟簧上螺母的擰緊程度所決定的，故設波輪所受的最大靜載荷為 。

代入工作參數(shù)可得：

脈沖的周期

脈沖間隔

脈沖力持續(xù)時間

可知脈沖力時間間隔、脈沖力持續(xù)時間都較短，由刀盤及波輪轉速之比為30，可得波輪旋轉一圈需0.075s，且隨著工作行走速度的增加，會發(fā)生脈沖力的疊加。UG加載的函數(shù)中能確切表達的公式為：

F（t）= +

其中V0是工作行走速度，F(xiàn)為單個植株脈沖力300N，F(xiàn)0為波輪打滑的最大載荷，（由螺母決定，假定F0=1000N）?？蓪⒚}沖分段函數(shù)近視看作正弦函數(shù)圖（如圖8、9）。

3.關鍵部件的力學分析及仿真結果

在UG系統(tǒng)中動力學仿真模塊定義連桿機構，選擇有相對運動的部件，運動的部件整體定義為一個連桿，定義桿件間的運動副，并為其賦齒輪副的參數(shù)（如圖10）。

由上圖可知，隨著玉米青貯飼料收獲機工作行走速度的增大，單位時間內的脈沖次數(shù)也隨之增加，且脈沖力也隨之增加。

當玉米青貯飼料收獲機工作行走速度為8m/s時，利用Ansys對矩形花鍵軸加載荷，得到切應力的云圖及花鍵軸的總變形云圖（如圖14、15）。

由上圖可以看出，矩形花鍵軸的最大變形量為2.2024mm，花鍵軸的最大扭轉切應力分布在齒根的附近，這是由于矩形花鍵的側面的應力集中所致，與實際工作中的過載情況符合，得到割臺部件載荷過大，矩形花鍵軸發(fā)生扭轉變形。

4.改進后的力學分析

試驗中增加調節(jié)安全離合器，設置調節(jié)安全離合器的最大扭矩防止傳動軸過載荷，根據(jù)玉米青貯飼料收獲機的工作最大行走速度V=8m/s，將花鍵軸所受的最大載荷力矩1425500N·mm為安全離合器的最大離合扭矩，利用Ansys給矩形花鍵軸加載荷，得到切應力的云圖及花鍵軸的應變云圖（如圖16、17）。

由上圖可見，花鍵軸承受的最大切應力為834.36MPa，最大扭轉距離為0.079286mm。安全離合器動作足以保證傳動軸過載荷。

5.結束語

本文利用UG軟件的model模塊獲得三維模型數(shù)據(jù)；并通過基于VR技術的虛擬裝配平臺對其模型的可裝配性加以驗證，得到精確合理的零部件三維模型。

進而簡化割臺部件傳動系統(tǒng)的模型，應用理論力學、物理知識計算分析了刀盤所受的力可近視看作為正弦脈沖力并得出隨時間變化的等效載荷公式；得出花鍵軸所需承受的最大載荷與玉米青貯收獲機工作行走速度間的關系，分別得出不同速度花鍵軸所需承受的最大載荷圖。

根據(jù)材料力學及花鍵軸的尺寸參數(shù)計算出花鍵軸的屈服強度，進行結果比較。最后，得出花鍵軸較容易過載的結論，并提出了加裝超越離合器的方案，加以分析得到花鍵軸接近最大載荷時超越離合器的扭矩值。

加以驗證，符合實際工作情況，解決了傳動系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。

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作者簡介：余海川，通信作者，新疆大學本科。