玉米聯(lián)合收獲機(jī)輸送槽的設(shè)計(jì)與分析

韓文平，王延耀，周家鵬，佟慶坦，張?zhí)鹛?/p>

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島　266109)

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玉米聯(lián)合收獲機(jī)輸送槽的設(shè)計(jì)與分析

韓文平，王延耀，周家鵬，佟慶坦，張?zhí)鹛?/p>

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島266109)

摘要：輸送槽是玉米聯(lián)合收獲機(jī)的一個(gè)重要部件，是割臺與剝皮機(jī)相連接的紐帶。為此，介紹了4YZP-3型自走式玉米聯(lián)合收獲機(jī)輸送槽的設(shè)計(jì)，通過對輸送槽輸送速度、受力等情況的分析確定其各項(xiàng)參數(shù)。同時(shí)，使用ADAMS軟件對其運(yùn)動情況進(jìn)行分析，利用ANSYS Workbench軟件分析其受力情況，并采用了輸送槽折邊的方式來增強(qiáng)殼體邊緣強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：玉米；輸送槽；ADAMS；ANSYS Workbench

0引言

玉米是我國的主要糧食作物之一，根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，2013年總播種面積為36 318khm2，總產(chǎn)量為21 848.9萬t[1]，播種面積及產(chǎn)量均超過稻谷和小麥，為第一大糧食作物。為適應(yīng)玉米種植面積的遞增、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)的發(fā)展趨勢，玉米聯(lián)合收獲機(jī)得到了廣泛的推廣。

玉米聯(lián)合收獲機(jī)由眾多部件組成，每個(gè)部件之間相輔相成、相協(xié)調(diào)共同完成摘穗、輸送、剝皮、果穗收集及莖稈粉碎還田等任務(wù)[2]。其中，輸送槽是眾多組成部件中的一個(gè)重要部件，是割臺與剝皮機(jī)相連接的紐帶。割臺完成摘穗后，需要將玉米輸送到剝皮機(jī)中進(jìn)行剝皮處理，這一工作便需要由輸送槽來完成。因此，輸送槽輸送果穗的質(zhì)量決定了玉米聯(lián)合收獲機(jī)的后續(xù)工作能否高效率、高質(zhì)量地完成。本文介紹了4YZP-3型自走式玉米聯(lián)合收獲機(jī)輸送槽的設(shè)計(jì)，并分析了其運(yùn)動及受力情況，為輸送槽的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1總體方案的確定

1.1總體結(jié)構(gòu)

玉米聯(lián)合收獲機(jī)輸送部件主要分為螺旋式輸送器、刮板式輸送槽兩種，螺旋式輸送器主要輸送籽粒，刮板式輸送槽主要輸送果穗[3]。4YZP-3型自走式玉米聯(lián)合收獲機(jī)定位于玉米果穗的收獲，未設(shè)計(jì)脫粒功能，因而采用了刮板式輸送槽，主要由輸送槽殼體、傳動鏈輪、輸送裝置及張緊裝置等部分組成。其安裝位置及總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.上擋板　2.張緊裝置　3.輸送槽殼體　4.刮板　5.傳動鏈輪

輸送槽喂入口固定在攪龍出口處，安裝有主動傳動軸，傳動鏈輪安裝在主動傳動軸上；出料口固定在剝皮機(jī)上方，安裝有張緊裝置，從動軸安裝在張緊裝置上；兩條傳動鏈條之間固定有刮板，從動傳動軸可隨張緊裝置移動，從而實(shí)現(xiàn)傳動鏈條的張緊。

1.2工作原理

割臺收獲的玉米被攪龍集中收集，通過輸送槽喂入口輸送到輸送槽中；刮板均勻固定在輸送鏈條上，相鄰兩個(gè)刮板之間形成一個(gè)空槽，輸送來的玉米果穗掉落在空槽內(nèi)；輸送鏈條帶動刮板移動，當(dāng)玉米果穗運(yùn)輸?shù)匠隽峡诤螅孔陨碇亓Φ袈涞絼兤C(jī)中，從而完成輸送工作。

2主要工作部件的設(shè)計(jì)分析

2.1輸送槽殼體[4-5]

輸送槽殼體的體積較大，考慮到整機(jī)的質(zhì)量，在保證強(qiáng)度足夠的前提下，盡量減小殼體的質(zhì)量。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.加強(qiáng)板　2.殼體　3.中間板　4.下?lián)醢?/p>

輸送槽殼體的材料采用2mm厚鋼板，不僅保證輸送槽強(qiáng)度足夠，還能減小輸送槽的質(zhì)量，也保證了合適的經(jīng)濟(jì)性。由于聯(lián)合收獲機(jī)總體長度、剝皮機(jī)高度等因素的限制，輸送槽長度不能過長；再者，輸送槽傾斜放置，玉米掉落對刮板產(chǎn)生瞬時(shí)沖擊力，期望這個(gè)力小一點(diǎn)比較好。輸送槽傾斜放置示意圖及不計(jì)玉米掉落瞬間與刮板間的摩擦力時(shí)刮板的瞬時(shí)受力分析如圖3所示。

(a)　　　　　　　　　　　　　　　(b)

Fig.3Sketch map of slant-set conveyer trough and force analysis of scraper

由圖3(a)可得出：輸送槽殼體長度L、輸送槽殼體傾斜長度W、輸送槽殼體傾斜高度H以及輸送槽傾斜角度α之間的關(guān)系為

(1)

由圖3(b)可得出：玉米對刮板的壓力F、玉米的瞬時(shí)重力G以及輸送槽傾斜角度α之間的關(guān)系為

F=Gsinα

(2)

剝皮機(jī)與攪籠出口的豎直高度h=2 000mm，水平距離l=2 300mm，瞬時(shí)重力G=288N，因此輸送槽能完成輸送的條件為

(3)

取G=50N、H=h=2 000mm，由式(1)～式(3)得出殼體長度L、殼體傾斜長度W、刮板受到的壓力F以及傾斜角度α之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4　長度L、傾斜長度W、壓力F及傾斜角α之間的關(guān)系

另外，殼體邊緣容易受沖擊卷曲變形，且容易傷及玉米果穗。因此，為加強(qiáng)殼體邊緣的強(qiáng)度及保護(hù)玉米果穗，殼體兩邊采用折邊的型式，折邊長度為20mm。根據(jù)力的作用，相同的作用力，受力面積越小，受到的壓力越大，未折邊前輸送槽邊緣受力面非常狹小，因而物體掉落上會受到相當(dāng)大的壓力；力的作用是相互的，輸送槽邊緣也同樣受到相當(dāng)大的壓力，當(dāng)壓力超過殼體的屈服強(qiáng)度，輸送槽邊緣即會彎曲變形。邊緣折邊后，其受力面積增大，能承受的力也相應(yīng)增大，起到加強(qiáng)輸送槽的作用。出料口端沒有玉米掉落沖擊，因而彎折1次；喂入口端由于受到玉米掉落沖擊，因而彎折2次，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.2輸送裝置

輸送裝置是輸送槽的關(guān)鍵部件，傳動方式主要有鏈傳動與帶傳動兩種。帶傳動依靠帶與帶輪接觸面間的摩擦力作用傳遞動力，結(jié)構(gòu)比較簡單，傳動比不準(zhǔn)確，且效率低、壽命較短、容易打滑。鏈傳動依靠鏈條與鏈輪輪齒之間的嚙合傳遞動力，與帶傳動相比，傳遞功率大、效率高、平均傳動比準(zhǔn)確，無打滑現(xiàn)象，工作可靠；并且，在相同情況下，傳動尺寸較帶傳動小很多[6]。綜合鏈傳動與帶傳動的特點(diǎn)及輸送槽的工作場合，應(yīng)選取鏈傳動的方式。輸送裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。

(a)　出料口端截面圖　　　　　(b)　喂入口端截面圖

1.從動軸2.刮板3.傳動鏈條4.中間板5.主動軸6.傳動鏈輪

圖6輸送裝置結(jié)構(gòu)圖

Fig.6Structural of delivery mechanism

輸送裝置由主動軸、從動軸、傳動鏈輪、輸送鏈條、中間板及刮板等組成。傳動鏈輪與兩條輸送鏈條之間均勻固定著刮板，相鄰刮板之間的距離為300mm，與槽壁以及中間板形成空槽，用以輸送玉米果穗。輸送裝置在輸送玉米果穗時(shí)，要充分保證玉米收獲量與輸送速度相匹配：輸送速度過慢，會導(dǎo)致收獲的玉米果穗壅積，掉落率增加；輸送速度過快，不僅功耗會增加，能量白白浪費(fèi)，且玉米果穗會與刮板劇烈碰撞，容易出現(xiàn)玉米果穗損傷等問題，會增加果穗掉落率。

2.3張緊裝置[7-8]

輸送槽采用了鏈傳動的方式，為了避免鏈條松弛時(shí)產(chǎn)生嚙合不良及鏈條震動現(xiàn)象，也為了便于鏈條的裝卸，在輸送槽輸出口處安裝張緊裝置，其結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

輸送槽兩端各裝有1個(gè)張緊裝置，成對稱布置，傳動軸固定在兩個(gè)滑動板上，通過調(diào)整滑動板而帶動傳動軸，從而調(diào)整傳動鏈條松弛度。底板焊接在輸送槽殼體上，滑動板可以在滑槽內(nèi)滑動，兩個(gè)固定螺母分別焊接在底板連接塊及滑動板連接塊上，調(diào)節(jié)螺桿連接底板與滑動板，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺桿來調(diào)整滑動板的位置，從而起到張緊的作用。當(dāng)鏈條調(diào)整到合適松緊度后，通過可動螺母鎖緊調(diào)節(jié)螺桿，以防止鏈條在工作過程中松動。

1.底板　2.滑動板　3.滑動板連接塊　4.底板連接塊　5.調(diào)節(jié)螺桿

工作過程中，張緊裝置的可靠性及保證傳動軸同軸度尤為重要，這就要求張緊時(shí)輸送槽兩側(cè)的螺桿需同步旋轉(zhuǎn)，每次的調(diào)節(jié)量要相一致，而且調(diào)節(jié)螺桿應(yīng)能自鎖，在工作過程中不能出現(xiàn)松動的情況。輸送槽在震動的環(huán)境下工作，單螺母鎖緊可靠性不能保證，雙螺母鎖緊簡潔方便、可靠性高，因而采用雙螺母鎖緊的防松方法。當(dāng)調(diào)節(jié)螺桿調(diào)整到合適的位置后，先擰緊可動薄螺母，再擰緊可動標(biāo)準(zhǔn)螺母，2個(gè)螺母與螺桿組成螺紋副，其螺牙側(cè)面軸線方向上受到的壓力方向相反；當(dāng)一個(gè)方向的壓力減小時(shí)，另一個(gè)方向的壓力必定增大，反之亦然。就保證了螺牙上受到的總壓力不變，也即總阻力矩不變，從而確保了自鎖的可靠性。

3靜力學(xué)與運(yùn)動學(xué)分析

3.1運(yùn)動學(xué)分析

輸送槽要高效率、高質(zhì)量地完成輸送工作，其輸送速度至關(guān)重要，不能過快，也不能過慢。輸送速度即為鏈傳動的線速度，計(jì)算公式為[9]

(4)

采用13個(gè)齒的小鏈輪，節(jié)距p=15.875mm，主動軸轉(zhuǎn)速n=285r/min，計(jì)算得v=0.98m/s，此時(shí)的輸送速度可以很好的滿足輸送的需求。測得剝皮機(jī)頂端與剝皮輥的高度為500mm，利用ADAMS軟件虛擬仿真分析，繪制出玉米果穗以0.98m/s拋出后掉落到剝皮機(jī)中的位移、速度曲線，如圖8所示。

圖8　位移、速度曲線

從圖8中可以看出：玉米從拋出到與剝皮輥接觸所經(jīng)歷的時(shí)間大約為0.4s，接觸時(shí)的水平位移為293mm，剝皮機(jī)長度為600mm，玉米剛好掉落至剝皮機(jī)中間部位，掉落位置比較理想；接觸時(shí)的瞬時(shí)合速度為3 256mm/s，角度為與逆時(shí)針偏離豎直方向23°，比較理想。

3.2殼體的優(yōu)化分析[10-11]

輸送槽傳動軸轉(zhuǎn)動對殼體產(chǎn)生力的作用，殼體材料為Q235鋼，當(dāng)受到的力達(dá)到殼體的屈服強(qiáng)度后，殼體會發(fā)生變形，傳動軸發(fā)生偏移，同軸度不能保證，輸送槽出現(xiàn)傳動問題，因而要保證傳動軸軸孔處強(qiáng)度足夠。出料口處傳動軸固定在張緊裝置上，強(qiáng)度足夠；喂入口處傳動軸直接固定在殼體上，殼體受力較大，故只需分析喂入口處殼體的受力即可。

利用ANSYS Workbench軟件對喂入口處殼體進(jìn)行分析。添加的材料為Q235，其密度為7.85×103kg/m3，彈性模量為2.1×1011Pa， 泊松比為0.33；對殼體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共產(chǎn)生15 713個(gè)節(jié)點(diǎn)，7 685個(gè)網(wǎng)格；添加邊界條件為力矩T，則

(5)

其中，傳動軸輸出功率P=30kW，傳動軸轉(zhuǎn)速n=285r/min，由此可計(jì)算出傳動軸轉(zhuǎn)矩T=1 005N·m。

后處理計(jì)算出如圖9所示應(yīng)力云圖。由圖 9可以看出：殼體受到的最大應(yīng)力為211.04MPa，Q235鋼的屈服極限為235MPa，最大應(yīng)力較為接近殼體的屈服極限，為安全起見，在殼體兩邊加上直徑為240mm、厚度為2mm的加強(qiáng)板。

圖9　軸孔應(yīng)力云圖

4結(jié)論

輸送槽工作質(zhì)量的好壞直接影響到聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)質(zhì)量及工作效率。本文通過理論計(jì)算，結(jié)合虛擬仿真以及有限元分析，設(shè)計(jì)了匹配4YZP-3型自走式玉米聯(lián)合收獲機(jī)的輸送槽。設(shè)計(jì)的輸送槽具有結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、投資成本低、運(yùn)輸效率高及作業(yè)損失小等優(yōu)點(diǎn)，能很好地滿足收獲機(jī)的輸送需求。

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Design and Analysis of Conveyer Trough on Corn Harvester

Han Wenping, Wang Yanyao, Zhou Jiapeng, Tong Qingtan, Zhang Tiantian

(College of Electricmechanical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

Abstract：The conveyer trough is an important part of corn harvester, which is a link of connected header and peeling machine.This paper introduces the design and analysis of conveyer trough on the 4YZP-3 self-propelled corn combine harvester.The parameters are determined by analyzing its conveying velocity and force condition.Analyze its movement condition by using the ADAMS, while using the ANSYS Workbench to analyze its force situation. In order to enhance the strength of the shell edge, adopting with a way of folding conveyer trough edge.

Key words：corn; conveyer trough; ADAMS; ANSYS Workbench

文章編號：1003-188X(2016)05-0127-05

中圖分類號：S225.5+1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：韓文平(1988-)，男，山東萊陽人，碩士研究生，(E-mail)hwpjinan@163.com。通訊作者：王延耀(1957-)，男，山東青州人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)wyy57@126.com。

基金項(xiàng)目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203028.9)

收稿日期：2015-04-22