基于Solidworks的鋼輥式牧草調(diào)制器優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)

王俊躍，包德勝，鮑志亮，孟玉剛，郭喜燕，高 磊

(中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院呼和浩特分院有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

豆科類牧草如紫花苜蓿，含有豐富的蛋白質(zhì)和礦物質(zhì)，是一種種植廣泛的優(yōu)質(zhì)牧草。由于收獲期牧草莖稈和葉片的含水率有顯著不同，莖、葉干燥速度不一致，若收割方式不當(dāng)，會(huì)造成在收割至打捆期間牧草葉片大量脫落，營養(yǎng)物質(zhì)隨之流失[1-6]。

目前，為了加快牧草田間干燥速度，降低牧草營養(yǎng)物質(zhì)損失，獲得優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的青干草，使用牧草切割調(diào)制機(jī)是牧草收獲必不可少的[7-11]。國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)旋轉(zhuǎn)式牧草切割調(diào)制機(jī)進(jìn)行了許多設(shè)計(jì)研究，但是以往的研究多以切割器和橡膠輥調(diào)制器為研究對(duì)象，而針對(duì)鋼輥式調(diào)制器的研究鮮有報(bào)道[12-20]。本文設(shè)計(jì)一種鋼輥式牧草調(diào)制器，對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高牧草壓扁率和安全可靠性。

1 調(diào)制器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

鋼輥式牧草調(diào)制器是牧草切割調(diào)制機(jī)的主要工作部件，主要由機(jī)架、間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、調(diào)制鋼輥和傳動(dòng)系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，上、下調(diào)制鋼輥均由主軸、固定齒輪和輻條焊接而成，兩個(gè)調(diào)制鋼輥一上一下設(shè)置于機(jī)架內(nèi)側(cè)。上調(diào)制鋼輥?zhàn)笥覂啥朔謩e與間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)左右兩端通過軸承鉸接。下調(diào)制鋼輥位于機(jī)架下方，其左右兩端分別與機(jī)架左右兩側(cè)通過軸承鉸接。上、下調(diào)制鋼輥齒頂與齒根相互嚙合。傳動(dòng)系統(tǒng)主要由液壓馬達(dá)、一級(jí)變速箱、二級(jí)變速箱、主動(dòng)膠帶輪、從動(dòng)膠帶輪、張緊輪、中間軸、萬向節(jié)傳動(dòng)軸和普通V型帶組成。

1.傳動(dòng)系統(tǒng) 2.機(jī)架 3.調(diào)制鋼輥 4.間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)圖1 鋼輥式牧草調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structural diagram of steel roll hay modulato

1.2 工作原理

鋼輥式牧草調(diào)制器與旋轉(zhuǎn)式切割器配套使用，工作前，通過調(diào)節(jié)間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，調(diào)整上、下調(diào)制鋼輥嚙合間隙，以滿足飼草調(diào)制要求。工作時(shí)，拖拉機(jī)提供的動(dòng)力依次傳遞給液壓馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)一級(jí)變速箱工作，通過普通V型帶再將動(dòng)力傳遞給二級(jí)變速箱，二級(jí)變速箱分別通過兩個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的萬向節(jié)傳動(dòng)軸將動(dòng)力同時(shí)傳遞給上、下調(diào)制鋼輥，實(shí)現(xiàn)上、下調(diào)制鋼輥嚙合作業(yè)，將前端連續(xù)切割喂入的牧草調(diào)制聚攏成一定幅寬的草條。

2 關(guān)鍵零部件受力分析與參數(shù)設(shè)定

2.1 調(diào)制鋼輥受力分析

由于上、下調(diào)制鋼輥結(jié)構(gòu)相同，且工作過程中受力情況相似，故本文只對(duì)上調(diào)制鋼輥進(jìn)行研究分析。上、下調(diào)制鋼輥分別在扭矩T的作用下工作，二者始終以同速反向勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，上調(diào)制鋼輥除受自身重力G外，還在嚙合處始終有兩根輻條受與之嚙合的下調(diào)制鋼輥輻條的壓緊力Nτ，上調(diào)制鋼輥瞬時(shí)受力分解如圖2所示。

1.上調(diào)制鋼輥 2.下調(diào)制鋼輥圖2 上調(diào)制鋼輥瞬時(shí)受力分解Fig.2 Instantaneous force decomposition of upper modulated steel roller

2.2 調(diào)制鋼輥參數(shù)設(shè)定

根據(jù)文獻(xiàn)[21]，對(duì)調(diào)制鋼輥相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

2.2.1夾角和中心距

為了使牧草流暢喂入，并延長牧草在鋼輥間的停留時(shí)間，提高牧草的壓扁率，上、下調(diào)制鋼輥軸心連線與水平方向需形成一定夾角，結(jié)合整機(jī)結(jié)構(gòu)布局，設(shè)計(jì)此夾角θ=75°，兩輥中心距O1O2=240 mm。

2.2.2間隙

由于調(diào)制器工作時(shí)調(diào)制鋼輥以較高的速度回轉(zhuǎn)，為了保證上、下兩調(diào)制鋼輥不致因碰撞發(fā)生損傷，調(diào)制鋼輥之間最小間隙2 mm，根據(jù)牧草的調(diào)制要求，本裝置上、下調(diào)制鋼輥間隙d為3～5 mm。

2.2.3直徑和線速度

調(diào)制鋼輥直徑過大或過小均影響牧草順利通過兩輥之間，根據(jù)推薦調(diào)制鋼輥直徑170～264 mm，調(diào)制鋼輥線速度7～9 m/s，設(shè)計(jì)本調(diào)制鋼輥直徑D=260 mm，調(diào)制鋼輥線速度v=9 m/s。

2.2.4壓緊力

調(diào)制鋼輥單位長度的壓緊力由牧草種類和喂入量決定，對(duì)于帶槽調(diào)制鋼輥?zhàn)钚壕o力1 570 N/m，本調(diào)制鋼輥工作幅寬2.5 m，考慮到牧草調(diào)制效果，減少牧草損失，故上、下調(diào)制鋼輥對(duì)牧草壓緊力取最小值3 925 N，即調(diào)制鋼輥輻條所受法向壓力Nτ=3 925 N。

2.2.5扭矩

根據(jù)不同的前進(jìn)速度，每米幅寬的調(diào)制機(jī)組需要消耗功率3.68～5.44 kW。結(jié)合本調(diào)制器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，輸入功率P=10 kW，故調(diào)制鋼輥轉(zhuǎn)速n和扭矩T分別為

3 調(diào)制鋼輥三維建模與靜力學(xué)分析

3.1 三維建模

利用Solidworks三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)調(diào)制鋼輥的三維模型，并根據(jù)理論分析與牧草調(diào)制工作需要，設(shè)計(jì)調(diào)制鋼輥結(jié)構(gòu)為5個(gè)固定齒輪等間距對(duì)稱焊接在主軸上，14根輻條圓周均布置于固定齒輪卡槽內(nèi)，并與之焊接，輻條長度2 500 mm，厚度5 mm，輻條外棱進(jìn)行修圓處理，調(diào)制鋼輥三維模型如圖3所示。

圖3 調(diào)制鋼輥三維模型Fig.3 Three dimensional model of steel roller

3.2 靜力學(xué)分析

利用Solidworks/Simulation中的靜應(yīng)力分析模塊，對(duì)調(diào)制鋼輥進(jìn)行靜應(yīng)力仿真分析，靜應(yīng)力分析流程如圖4所示[22]。

圖4 靜應(yīng)力分析流程Fig.4 Flow chart of static stress analysis

調(diào)制鋼輥材料均選用20優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，扭矩設(shè)置為145 N·m，相鄰兩根嚙合輻條所受法向壓力設(shè)置為3 925 N，角速度設(shè)置為34 rad/s，引力方向?yàn)閅軸負(fù)向。通過運(yùn)行求解，得到調(diào)制鋼輥材料為20鋼及輻條厚度5 mm時(shí)的應(yīng)力分布(圖5)、位移分布(圖6)和安全系數(shù)分布(圖7)。

圖5 材料為20鋼及輻條厚度5 mm時(shí)的應(yīng)力分布Fig.5 Stress distribution when material is 20 steel and spoke thickness is 5 mm

圖6 材料為20鋼及輻條厚度5 mm時(shí)的位移分布Fig.6 Displacement distribution when material is 20 steel and spoke thickness is 5 mm

圖7 材料為20鋼及輻條厚度5 mm時(shí)的安全系數(shù)分布Fig.7 Safety coefficient distribution when material is 20 steel and spoke thickness is 5 mm

由圖5～7可知，調(diào)制鋼輥應(yīng)力集中區(qū)域主要發(fā)生在嚙合輻條與固定齒輪的連接處及嚙合輻條在相鄰固定齒輪的中央?yún)^(qū)域，最大應(yīng)力值約364 MPa，遠(yuǎn)大于20鋼的屈服極限245 MPa，最大合位移約7.82 mm，形變較大，且最小安全系數(shù)為0.7，遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)鋼在靜載荷下的最小安全系數(shù)推薦值1.4[23]。調(diào)制鋼輥受應(yīng)力作用會(huì)在應(yīng)力集中區(qū)域發(fā)生塑性變形甚至斷裂，需對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了使調(diào)制鋼輥在工作過程中產(chǎn)生較小的應(yīng)力應(yīng)變，以及具有較大的安全系數(shù)，需從材料選用、結(jié)構(gòu)調(diào)整和熱處理等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

考慮到本調(diào)制器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及成本分析，在其他參數(shù)不變的條件下，調(diào)制鋼輥材料可改用45優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼或Q345低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，輻條厚度由5 mm改為6 mm或8 mm。分別利用Solidworks/Simulation中的靜應(yīng)力分析模塊分別對(duì)多種參數(shù)組合下的調(diào)制鋼輥進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析。分析結(jié)果顯示，調(diào)制鋼輥材料選用45優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼且輻條厚度8 mm時(shí)，獲得的應(yīng)力應(yīng)變分布和安全系數(shù)分布最理想。調(diào)制鋼輥材料為45鋼及輻條厚度8 mm時(shí)的應(yīng)力分布、位移分布和安全系數(shù)分布如圖8～10所示。

圖8 材料為45鋼及輻條厚度8 mm時(shí)的應(yīng)力分布Fig.8 Stress distribution when material is 45 steel and spoke thickness is 8 mm

圖9 材料為45鋼及輻條厚度8 mm時(shí)的位移分布Fig.9 Displacement distribution when material is 45 steel and spoke thickness is 8 mm

圖10 材料為45鋼及輻條厚度8 mm時(shí)的安全系數(shù)分布Fig.10 Safety coefficient distribution when material is 45 steel and spoke thickness is 8 mm

由圖8～10可知，調(diào)制鋼輥在應(yīng)力集中區(qū)域最大應(yīng)力值約157 MPa，遠(yuǎn)小于45鋼的屈服極限355 MPa，最大合位移約2.66 mm，形變較小，且最小安全系數(shù)約2.3，在結(jié)構(gòu)鋼安全系數(shù)推薦值范圍內(nèi)。

4 性能試驗(yàn)

2019年7月20日在呼和浩特市土左旗塔布賽鄉(xiāng)塔布賽村苜蓿種植基地進(jìn)行了鋼輥式牧草調(diào)制器性能試驗(yàn)，試驗(yàn)依據(jù)文獻(xiàn)[24]進(jìn)行，主要試驗(yàn)指標(biāo)是壓扁率。田間調(diào)查結(jié)果如表1所示。

表1 田間調(diào)查結(jié)果Tab.1 Field survey result

本鋼輥式牧草調(diào)制器與旋轉(zhuǎn)式割臺(tái)(工作幅寬5 m)配套工作，配套動(dòng)力60 kW，機(jī)具前進(jìn)速度10 km/h。試驗(yàn)田(80 m×25 m)內(nèi)，在拖拉機(jī)牽引驅(qū)動(dòng)下，紫花苜蓿經(jīng)旋轉(zhuǎn)式切割器和本鋼輥式牧草調(diào)制器共同作用，切割調(diào)制聚攏形成5個(gè)長度80 m、寬度1.8 m的散狀草條。使用鋼卷尺(量程0～3 m)在每個(gè)草條任意區(qū)域內(nèi)選取一個(gè)1 m×1 m的取樣點(diǎn)，共選取5個(gè)取樣點(diǎn)，分別標(biāo)注取樣序號(hào)為1、2、3、4和5。將5個(gè)取樣區(qū)域內(nèi)的苜蓿分別收集起來，然后使用托盤電子秤(量程0～3 kg，精確度0.1 g)分別稱量，得到每個(gè)取樣點(diǎn)實(shí)際收獲苜蓿質(zhì)量。再從上述5個(gè)取樣點(diǎn)收集起來的苜蓿中將未被壓扁的苜蓿分離出去，剩下的苜蓿(發(fā)生折彎壓扁變形的)分別再次稱量，得到每個(gè)取樣點(diǎn)實(shí)際收獲牧草中被壓扁苜蓿質(zhì)量。根據(jù)壓扁率計(jì)算公式(1)，計(jì)算得到試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果，如表2所示。

(1)

式中Yb——壓扁率， %

gb——單位面積實(shí)際收獲牧草中被壓扁牧草質(zhì)量，g/m2

gs——單位面積實(shí)際收獲牧草質(zhì)量，g/m2

根據(jù)各取樣點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分別計(jì)算每個(gè)樣點(diǎn)的壓扁率，試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果Tab.2 Test result

試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果與文獻(xiàn)[24]比較，5個(gè)測(cè)試樣點(diǎn)的壓扁率均大于標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)要求值90%，平均壓扁率94%，調(diào)制效果良好。作業(yè)過程中未發(fā)現(xiàn)明顯磕碰和異常響動(dòng)，無故障發(fā)生，說明本鋼輥式牧草調(diào)制器運(yùn)行平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)安全可靠。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種新鋼輥式牧草調(diào)制器，調(diào)制器結(jié)構(gòu)采用一對(duì)互相嚙合的鋼輥組合。

(2)應(yīng)用Solidworks軟件對(duì)本鋼輥式牧草調(diào)制器進(jìn)行三維建模，并應(yīng)用Simulation模塊對(duì)調(diào)制鋼輥結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到調(diào)制鋼輥材料選用45優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼且輻條厚度8 mm時(shí)所受應(yīng)力應(yīng)變較小，安全系數(shù)較高。

(3)田間試驗(yàn)結(jié)果表明，本鋼輥式牧草調(diào)制器的壓扁率94%符合技術(shù)指標(biāo)要求，且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，安全可靠。