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

高 雄，湯 巖，胡東陽，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)

?

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

高 雄，湯 巖，胡東陽，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軟件對打結(jié)器架體逆向建模，借助ANSYS workbench14.5軟件對架體進(jìn)行有限元分析，并對其進(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，我國畜牧業(yè)發(fā)展迅速，秸稈的飼料價值也越來越引起人們的重視[1]。在飼草與農(nóng)作物秸稈產(chǎn)業(yè)化的過程中，需要解決的關(guān)鍵問題是收集和儲運(yùn)。國內(nèi)和國外生產(chǎn)實踐均證明，要實現(xiàn)飼草生產(chǎn)高效益可持續(xù)發(fā)展，必須滿足兩個方面：一是要大規(guī)模經(jīng)營；二是要實現(xiàn)機(jī)械化加工生產(chǎn)[2]。徹底解決自動捆扎技術(shù)，對農(nóng)牧業(yè)現(xiàn)代化起重要作用。

本文基于中國農(nóng)機(jī)院呼和浩特分院研制的9YFQ-1.9方草捆打捆機(jī)(見圖1)，結(jié)合小方捆捆草機(jī)的實際生產(chǎn)情況，分析打結(jié)器工作原理和各機(jī)構(gòu)的工作載荷，對打結(jié)器架體斷裂的問題進(jìn)行研究，并在研究的基礎(chǔ)上對架體提出適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，為打結(jié)器國產(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)、草捆長度和密度調(diào)節(jié)裝置、傳動系統(tǒng)等組成[3-4]。拖拉機(jī)的動力通過傳動軸、摩擦式安全離合器、齒輪傳動、鏈傳動和帶傳動傳遞到各工作部件。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個軸孔，分別為打結(jié)器動力主軸軸孔、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)動作。

利用光學(xué)掃描儀對架體進(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，并對其誤差分析[5-9]，如圖3所示。點(diǎn)擊Activate命令，激活動力軸孔端面，在激活的過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)器工作時捆繩并不是處在最大拉力下。根據(jù)對打捆機(jī)工作時捆繩拉力的研究，當(dāng)打結(jié)完成后草捆離開壓捆室時，此時割繩刀未工作，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)過程的最后一步，其他部件都完成打結(jié)動作靜止，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法傳動時，架體受力如圖10所示。

圖10 傳動故障時架體受力

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。

對故障時的架體進(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 故障時架體應(yīng)力分布

圖12 故障時架體應(yīng)變分布

圖13 故障時架體總變形量分布

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

對優(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)計范圍內(nèi)，因此定義加載載荷為打結(jié)器故障時的載荷。蝸輪蝸桿傳動故障時使得蝸桿小錐齒輪無法轉(zhuǎn)動，同時打結(jié)鉗小錐齒輪無法轉(zhuǎn)動；但齒盤持續(xù)轉(zhuǎn)動，進(jìn)而使得蝸桿小錐齒輪跳齒，與凸輪齒盤不嚙合。

故障時，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)，加長了蝸桿軸孔軸向長度(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)，同時加寬了安裝支座(圖中D)。

對優(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)對故障載荷引起的形變，在安全裝置介入工作之前架體不會斷裂，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)化前正常工作時故障時優(yōu)化后正常工作時故障時Minimum03．2243e-01104．4714e-013Maximum3．8868e-0031．2267e-0043．1888e-0059．2146e-007

4 結(jié)論

1)在CATIA軟件中完成了對打結(jié)器架體的逆向建模，通過反復(fù)對比后使得模型誤差最小，從而確定架體上5個軸孔之間的空間關(guān)系。在ANSYS中對架體模型進(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，在考慮實際裝配的情況下，加長了蝸桿軸孔軸向長度，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。

[1] 韓魯佳,劉向陽,李道娥,等. 我國秸稈飼料資源開發(fā)利用的研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,1997(S1):127-131.

[2] 楊世昆，蘇正范.飼草生產(chǎn)機(jī)械與設(shè)備[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2009：166-274.

[3] 楊保成，楊海鵬．9YKS-1.5型根茬收割方草捆壓捆機(jī)的研制[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2009,31(8)：160-162.

[4] 萬其號，布庫，張國瑞.方草捆撿拾壓捆機(jī)打結(jié)器控制系統(tǒng)運(yùn)動分析[J] .農(nóng)機(jī)化研究，2009,31(9):39-41.

[5] 李慧，何進(jìn).基于逆向數(shù)據(jù)的強(qiáng)制脫扣型方草壓捆機(jī)打結(jié)器[D].長春：吉林大學(xué)，2013.

[6] 史建新，蘇剛.逆向工程在方草捆打捆機(jī)打結(jié)器設(shè)計中的運(yùn)用[J].農(nóng)機(jī)化研究，2006(7):69-112.

[7] 李慧，李洪文，何進(jìn)，等.方草壓捆機(jī)D型打結(jié)器驅(qū)動齒盤重建與優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010(5):9-12.

[8] 張國瑞，于占泉.方草捆撿拾壓捆機(jī)打結(jié)器架體的反求工程設(shè)計[J].農(nóng)村牧區(qū)機(jī)械化，2010(3):19-20.

[9] 王振華，張俊國.9YFQ_1_9型方草捆撿拾壓捆機(jī)撿拾器的參數(shù)分析[J].草業(yè)科學(xué)，2006(6):15-26.

[10] 王春光,楊明韶,高煥文.打捆機(jī)草捆后捆繩張力的測試研究[J].內(nèi)蒙古農(nóng)牧學(xué)院學(xué)報，1998(3):78-82.

[11] 于新奇，寧鵬輝，高慧琴,等.環(huán)模式秸稈壓塊機(jī)的結(jié)構(gòu)分析[J].可再生能源，2011,29(6):150-152.

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)域國家科技支撐計劃項目(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