玉米莖稈粉碎機懸掛裝置設計

陳丹陽+馬躍進+郝建軍+趙建國+李建昌+楊欣+閆棠

摘要： 為研制莖稈粉碎機前置穗莖兼收型自走式玉米聯合收獲機，保證割臺和莖稈粉碎機可以互不干擾的進行工作，且能在一定范圍內運動以達到合適的離地高度；利用三維設計軟件的建模以及分析功能，設計莖稈粉碎機的懸掛裝置；通過運動仿真和應力分析，獲得懸掛架受力最大位置的等效應力、位移、安全系數分布云圖。結果表明，懸掛架設計合理，可以達到作業要求；最后通過樣機試制驗證了該設計的可行性。

關鍵詞： 莖稈粉碎機；運動仿真；懸掛架；應力分析；懸掛裝置；有限元分析

中圖分類號： S225.5+1 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）22-0239-05

我國是農業大國，玉米是主要的糧食作物之一。2014年我國玉米年產量高達215 646 300 kg[1]。按產糧和莖稈比 1 ∶ 1.2 計算，每年約產生258 775 600 kg玉米莖稈[2]。莖稈處理方式大多以焚燒為主，安全隱患嚴重，然而玉米莖稈具有多功能性，可用作燃料、飼料、肥料、生物基料、工業原料、新型能源等，與人民的生活息息相關[3-4]。

目前，大部分自走式玉米聯合收獲機只收獲果穗，將莖稈還田，少量的玉米收獲機配置有莖稈回收裝置，但是大部分只完成莖稈切碎作業，后續的運輸和打捆仍需要占用許多勞力和時間。因此，在現有玉米收獲機的基礎上研制了可以集摘穗與莖稈粉碎與打捆功能于一身的多功能玉米聯合收獲機。莖稈粉碎機粉碎摘穗后的秸稈同時被其輸送到打捆機的入料口處，但是它如何與機架連接，如何保證它在運動范圍內有合理的運動軌跡，滿足收獲要求，成了必須要研究的課題。使用三維設計軟件對懸掛架進行設計，通過運動仿真將懸掛架在運動過程中受力最大的位置直接輸出到有限元分析（簡稱FEA），得到懸掛架的應力應變云圖，通過修改設計參數，得到最佳結構尺寸，為進一步的優化設計提供基礎。

1 整機

整機布置方案如圖1所示。

莖稈粉碎機前置，避免了玉米莖稈受驅動前輪碾壓而清除不凈、碎莖稈含土量高等問題，實現穗、莖兼收且能做到果 穗與碎莖稈分別通過輸送裝置進入各自收集倉，將果穗收集倉的果穗裝入果穗運輸車，將碎莖稈直接輸送到打捆機的入料處。

懸掛裝置是莖稈粉碎機的關鍵部件之一，它連接著莖稈粉碎機與玉米收獲機的機架，是莖稈粉碎機的固定基礎，并承載著輸送筒、風扇、減速箱、皮帶輪等附件的質量。該設計主要針對莖稈粉碎機與玉米收獲機架的連接。

2 莖稈粉碎機及懸掛架結構和工作原理

莖稈粉碎機包括碎莖稈輸送筒、粉碎機懸掛臂、粉碎機懸掛支臂等，具體見圖2。

莖稈粉碎機以前置懸掛安裝連接方式安裝在玉米聯合收獲機驅動前輪與果穗收割臺之間，莖稈粉碎機下方設有頂出油缸，油缸通過懸掛架傳遞動力，使莖稈粉碎機能夠在一定范圍內旋轉，達到最合適的離地高度。莖稈粉碎機通過發動機動力輸出輪傳遞來的動力完成莖稈粉碎工作。割臺與莖稈粉碎機間有安全限位裝置，保證工作過程中的安全。

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3 模型的建立

3.1 莖稈粉碎機模型的建立

建立莖稈粉碎機模型如圖3所示。由于懸掛架承重主要為莖稈粉碎機自重，為了得到莖稈粉碎機的質量，為每個零件添加材料，莖稈粉碎機殼以及輸送筒外殼均采用Q235A，刀軸以及絞籠軸采用45鋼，刀片采用65 Mn，添加的材料屬性見表1。其余零件使用軟件材料庫中的材料，電機、減速箱、皮帶輪以及齒輪選用灰鑄鐵。通過軟件分析功能得到莖稈粉碎機的質量為712 kg。

3.2 懸掛架模型的建立

3.2.1 懸掛架的設計

莖稈粉碎機通過懸掛裝置與玉米聯合收獲機配套使用。由于莖稈粉碎機要進行回轉運動，因而不能采用螺栓以及其他沒有自由度的連接方式。設計采用矩管焊接的方式，莖稈粉碎機殼表面呈凹凸不平狀，會使焊接更加容易。莖稈粉碎機與2根互相垂直的矩管焊接，整個機架與傳動軸的軸套焊接（圖3）。由于該機架還須要承載為減速器傳遞動力的皮帶輪的小張緊輪的質量，因此設計了懸掛支臂，用來焊接連接小張緊輪的鋼板，同時可以為懸掛臂分擔載荷。

3.2.2 矩管挑選

材料采用矩形冷彎空心型鋼，本設計選擇尺寸為80 mm×40 mm×4 mm的矩管。在軟件中添加懸掛架材料普通碳素鋼Q235A[5]，添加的所有材料見表1。

3.3 裝配后模型

分別建立好2個部分的模型后，將2個部分裝配到一起，裝配完成后為各個部分定位。以莖稈粉碎機離地面距離最小時[CM（25]的位置作為定位基準，此時，油缸達到伸縮極限，油缸伸入

推桿25 cm，刀片離地3 cm。固定尺寸為最低的刀片距離懸掛架最低面25.5 cm、固定油缸的軸距離地面66.0 cm。由以上尺寸可以推斷出當莖稈粉碎機處于最低位置時固定油缸的軸與懸掛架最低面距離37.5 cm。利用該三維軟件檢驗尺寸的功能調整好距離，之后將安裝軸套的軸和固定油缸的軸固定，為下一步的仿真做好準備。裝配好的模型如圖3所示。

4 運動仿真

對一個運動的零件進行有限元分析，首先須要知道它的受力，由于懸掛架和與它相連接的零件的相互作用在運動過程中不斷變化，因此懸掛架受到的外力在運動過程中也不斷變化[6]。雖然運動是一個連續的過程，但在該三維軟件運動仿真模擬計算中將運動過程離散成了一定數量的時間點，可以對零件在每一個時間點進行有限元分析，或者對一個特定的時間點進行有限元分析[7]。

4.1 仿真前的準備

4.1.1 創建連接

該三維軟件可以自動將約束轉換為標準連接，轉換后的標準連接有鉸鏈（旋轉）運動、平移、球面圓槽運動。

4.1.2 定義外部載荷endprint