小型玉米剝皮機(jī)靜力學(xué)研究

李海山

(重慶市農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)推廣總站，重慶 401147)

0 引言

隨著我國養(yǎng)殖業(yè)快速發(fā)展及深加工技術(shù)迅速提升，玉米的需求量與日俱增[1]。然而我國受地理因素、科技水平、勞動(dòng)成本和工作效率等因素制約，玉米機(jī)械化收割率相對(duì)較低，仍有較大的提升空間[2-3]。我國的玉米種植存在分布范圍廣、地貌復(fù)雜、數(shù)量不均等特點(diǎn)，從而增加了玉米收割的難度[4-5]。在玉米收割作業(yè)中，玉米剝皮作業(yè)最為復(fù)雜。如何有效解決玉米剝皮困難、提升玉米收割效率和減小勞動(dòng)強(qiáng)度是亟待解決的問題?；诖耍袑W(xué)者針對(duì)鮮食玉米、甜玉米等設(shè)計(jì)了玉米剝皮機(jī)，解決了食用類玉米的剝皮難題[6-8]。李振武[9]提出了5YPJ-10型玉米剝皮機(jī)的設(shè)計(jì)與研制，在大型玉米剝皮機(jī)領(lǐng)域取得了突破。有學(xué)者提出了玉米剝皮機(jī)部件改進(jìn)設(shè)計(jì)及三維仿真應(yīng)用[10-11]。以上研究雖然取得了一定成果，但其作用對(duì)象、作用地域和分析方法仍有一定局限。

本文介紹一種由鐵輥和膠輥共同作業(yè)的小型玉米剝皮機(jī)，其具有玉米粒破損率低、價(jià)格便宜、適用范圍廣和效率較高等特點(diǎn)，可在中小型玉米種植戶中大范圍推廣。進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)仿真研究，揭示該型玉米剝皮機(jī)在作業(yè)過程中的形變及應(yīng)力特性，并提出建議。該項(xiàng)研究可為小型玉米剝皮機(jī)的應(yīng)用和推廣開辟新的途徑。

1 模型及工作原理

小型玉米剝皮機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由機(jī)架、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。工作過程中，首先通過電機(jī)帶動(dòng)帶輪和張緊輪轉(zhuǎn)動(dòng)；由帶輪軸上的齒輪與主動(dòng)鐵輥軸上的齒輪嚙合，帶動(dòng)主動(dòng)鐵輥轉(zhuǎn)動(dòng)；張緊輪帶動(dòng)張緊輪軸上的葉片旋轉(zhuǎn)，形成風(fēng)力；主動(dòng)鐵輥與從動(dòng)鐵輥間通過齒輪嚙合傳動(dòng)。兩膠輥關(guān)于兩鐵輥呈對(duì)稱安裝，如圖1所示。玉米由剝皮機(jī)的入料口進(jìn)入剝皮機(jī)內(nèi)，在鐵輥和膠輥的共同作用下完成剝皮動(dòng)作，玉米向左運(yùn)動(dòng)經(jīng)出料口送出，玉米皮分離后穿過鐵輥和膠輥間的間隙，在風(fēng)力作用下吹出剝皮機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)玉米剝皮作業(yè)。系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。該型玉米剝皮機(jī)通過采用鐵輥和膠輥共同作用，可有效降低剝皮作業(yè)過程中玉米的破損率。

1.膠輥 2.鐵輥 3.剝皮塊 4.傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 5.驅(qū)動(dòng)電機(jī)6.風(fēng)機(jī)箱

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)

2 模型建立

小型玉米剝皮機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要為鐵輥和膠輥，在工作過程中不僅承受傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所輸入的轉(zhuǎn)矩，同時(shí)承受玉米所施加的載荷，工作情況復(fù)雜。剝皮機(jī)的機(jī)架為板材與型鋼組焊接的復(fù)雜框架結(jié)構(gòu)，受帶輪主軸及鐵輥軸旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的激振力、系統(tǒng)的沖擊載荷及物料的不均勻等變載荷作用，機(jī)架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜。故針對(duì)該小型玉米剝皮機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)仿真研究。

2.1 幾何模型建立

在三維建模軟件中，建立小型玉米剝皮機(jī)的三維模型，如圖1所示。將建立好的三維模型保存為.x_t文件并導(dǎo)入Workbench中。在分析前，需要對(duì)模型進(jìn)行預(yù)處理，具體的建模處理思路如下。根據(jù)分析要求，將防護(hù)罩、進(jìn)料口、出料口、螺栓等與分析無關(guān)的結(jié)構(gòu)直接刪除，進(jìn)一步簡化模型。通過在鐵輥軸上施加轉(zhuǎn)矩代替電機(jī)輸入。小型玉米剝皮機(jī)的機(jī)架、鐵輥、齒輪等部分選用的材料為結(jié)構(gòu)鋼，其彈性模量E=2×105MPa、泊松比μ=0.3、密度7 850 kg/m3。膠輥選用的材料為橡膠，其彈性模量E=7.8 MPa、泊松比μ=0.47、密度ρ=1 000 kg/m3。

2.2 約束及載荷

在Workbench中，調(diào)用Static Structural模塊對(duì)小型玉米剝皮機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)分析。首先通過Engineering Data菜單定義結(jié)構(gòu)鋼和橡膠的材料屬性，然后在Geometry菜單中導(dǎo)入模型，進(jìn)一步在Model菜單中定義零件的材質(zhì)及零件間的接觸關(guān)系。借助Mesh菜單對(duì)剝皮機(jī)的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示，網(wǎng)格的大小與計(jì)算精度和計(jì)算時(shí)長密切相關(guān)。在Static Structural菜單下定義系統(tǒng)重力加速度，并為兩鐵輥施加轉(zhuǎn)速如圖3所示，兩鐵輥轉(zhuǎn)速為350 r/min，即36.6 rad/s，兩鐵輥反向旋轉(zhuǎn)。由于鐵輥和膠輥在工作過程中受到玉米的壓力、摩擦力及其反作用力影響，故對(duì)鐵輥和膠輥施加載荷如圖4所示。引入Total Deformation菜單及Equivalent Stress菜單作為分析對(duì)象，并完成模型求解。

圖2 網(wǎng)格劃分

圖4 施加載荷

3 仿真結(jié)果

通過靜力學(xué)仿真分析得到小型玉米剝皮機(jī)在工作過程中的變形情況及等效應(yīng)力情況如圖5～6所示。根據(jù)變形分析可知：剝皮機(jī)在工作過程中膠輥受玉米作用產(chǎn)生變形，最大變形為1 cm，且出現(xiàn)在膠輥中部，離軸支座越近變形越??；而鐵輥和機(jī)架幾乎不發(fā)生變形。進(jìn)一步地，根據(jù)等效應(yīng)力分析可知，系統(tǒng)最大應(yīng)力出現(xiàn)在鐵輥的軸上，最大應(yīng)力為10.4 MPa，而結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度為235 MPa，故最大應(yīng)力在強(qiáng)度允許范圍內(nèi)；其余部件所受應(yīng)力較小且皆在允許范圍內(nèi)。因此，根據(jù)靜力學(xué)分析可知，該型玉米剝皮機(jī)在工作過程中所受應(yīng)力及形變均較小，效果較為理想。同時(shí)，為進(jìn)一步減小膠輥的變形量，可考慮將膠輥更換為鐵輥，通過在鐵棍上鑲嵌橡膠的剝皮塊代替膠輥，這樣既可以保證玉米在剝皮過程中顆粒度破損率較低，同時(shí)也滿足變形小的要求。

圖5 變形分析

圖6 等效應(yīng)力分析

4 結(jié)論

針對(duì)小型玉米剝皮機(jī)完成了靜力學(xué)分析。在該系統(tǒng)參數(shù)下，小型玉米剝皮機(jī)最大形變發(fā)生在膠輥中部，最大形變量為1 cm。最大應(yīng)力出現(xiàn)在鐵輥軸上，且最大應(yīng)力為10.4 MPa，在強(qiáng)度允許范圍內(nèi)。該型玉米剝皮機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、效率較高、玉米粒破損率低、價(jià)格便宜、適用范圍廣，具有較好的應(yīng)用前景。同時(shí)，為減小膠輥形變量可采用鐵輥代替膠輥，通過在鐵棍上鑲嵌橡膠剝皮塊以保證玉米籽的完好率。