淺談聯(lián)合收割機(jī)割刀擺臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張 兵 王 飛

（鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 河南 鄭州 451152）

聯(lián)合收割機(jī)所擁有的眾多優(yōu)勢(shì)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起到了重要作用，在聯(lián)合收割機(jī)逐漸普及的背景下，對(duì)聯(lián)合收割機(jī)的性能進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，是有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的。現(xiàn)代的聯(lián)合收割機(jī)在向著多功能、自動(dòng)化方向發(fā)展的同時(shí)，作為為割刀“提供”動(dòng)力的割刀擺臂的研究也需要深入開展。一般而言，對(duì)聯(lián)合收割機(jī)的研究集中于怎樣更好的脫粒或者是清選，而對(duì)割刀擺臂的研究較少，但其實(shí)割刀擺臂對(duì)整個(gè)聯(lián)合收割機(jī)的工作性能的發(fā)揮具有重要意義，而怎樣實(shí)現(xiàn)聯(lián)合收割機(jī)的割刀擺臂結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化？ 這需要先對(duì)其優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。利用當(dāng)代的計(jì)算機(jī)技術(shù)——ANSYS 軟件，對(duì)割刀擺臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，更好的提升聯(lián)合收割機(jī)的工作性能，促進(jìn)聯(lián)合收割機(jī)的普及。

1.聯(lián)合收割機(jī)概述

聯(lián)合收割機(jī)主要用于作物成熟后的收割，一般在作物的收獲中主要使用的兩段收獲法和分段收獲法在不同方面都存在著一定的弊端，而聯(lián)合收割法作為當(dāng)前比較完善的一種方式，在作物收獲中發(fā)揮著較大作用，也成為了目前作物收獲最常使用的方法之一。聯(lián)合收割機(jī)則是采用聯(lián)合收割法的重要機(jī)械，能在作物成熟后，在田間一次性完成對(duì)相關(guān)的切割、脫粒和分離、清選一系列過程，對(duì)提高農(nóng)作物收獲的工作效率具有重大意義。此外，聯(lián)合收割機(jī)還表現(xiàn)出收獲作物的損失小和機(jī)械化程度高等優(yōu)勢(shì)，在使用聯(lián)合收割機(jī)時(shí)，采用機(jī)械化的方式進(jìn)行收割，可以有效節(jié)省相應(yīng)的人力，有利于改善農(nóng)民的勞作環(huán)境，并且其一次性完成所有作物收割的處理程序，從整體上來說，谷物的損失量較少。而在聯(lián)合收割機(jī)中割刀作為其中最為關(guān)鍵的零部件，對(duì)整個(gè)聯(lián)合收割機(jī)的工作效率形成了極大的影響。

2.聯(lián)合收割機(jī)割刀擺臂的重要作用

在聯(lián)合收割機(jī)中，其割刀擺臂是整個(gè)切割機(jī)構(gòu)中的重要零件，一般而言，割刀擺臂的上端和擺叉軸相連，而其下端是和切割器刀頭相連，并且從整個(gè)擺環(huán)機(jī)構(gòu)輸出的動(dòng)力需要經(jīng)由擺臂才能轉(zhuǎn)換成割刀往復(fù)運(yùn)動(dòng)的力量，才能實(shí)現(xiàn)割刀的驅(qū)動(dòng)，從而完成對(duì)作物的收割。所以對(duì)聯(lián)合收割機(jī)中的割刀擺臂進(jìn)行研究是非常有必要的，這對(duì)整個(gè)聯(lián)合收割機(jī)實(shí)現(xiàn)更高層次的發(fā)展具有重要意義。割刀主要是將位于割臺(tái)上的作物切割下來，針對(duì)不同作物的聯(lián)合收割機(jī)，其割刀有所不同，像是稻麥?zhǔn)崭顧C(jī)中安裝的是往復(fù)式的切割器，而油菜收割機(jī)中一般還需要安裝分行切割器。當(dāng)割刀的質(zhì)量有所不同時(shí)，其對(duì)割臺(tái)產(chǎn)生的沖擊力也會(huì)不同，若是沖擊力過大，長(zhǎng)久下來易于造成割臺(tái)的耗損過快，從而影響到整個(gè)收割機(jī)的使用。

3.聯(lián)合收割機(jī)中割刀擺臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法

在針對(duì)聯(lián)合收割機(jī)的割刀擺臂優(yōu)化設(shè)計(jì)中，利用有限元分析軟件ANSYS 對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。這樣的方式擺脫了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用假設(shè)和簡(jiǎn)化計(jì)算等方法導(dǎo)出來的數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)的弊端，因?yàn)锳NSYS 軟件充分利用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，并且將有限元技術(shù)和優(yōu)化搜索技術(shù)結(jié)合起來，所以相關(guān)的數(shù)據(jù)會(huì)更加準(zhǔn)確，而這對(duì)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合收割機(jī)的割刀擺臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要作用。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方式可以設(shè)計(jì)出割刀擺臂的最佳結(jié)構(gòu)尺寸，利用當(dāng)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，有效縮短研制周期，在設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品上也表現(xiàn)出很高的精度。

利用ANSYS 軟件對(duì)聯(lián)合收割機(jī)的割刀擺臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)包含了以下幾個(gè)步驟：①建立相應(yīng)的數(shù)字化模型，將聯(lián)合收割機(jī)的割刀擺臂的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，形成相應(yīng)的系統(tǒng)化文件，為后續(xù)的模型分析、建立提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。②利用ANSYS 軟件，在其數(shù)據(jù)庫中建立與之前的系統(tǒng)化文件相對(duì)應(yīng)的參數(shù)。③進(jìn)入到OPT 中，指明相應(yīng)需要優(yōu)化的參數(shù)，并對(duì)優(yōu)化的方法進(jìn)行選擇。④對(duì)經(jīng)過設(shè)計(jì)序列的結(jié)果進(jìn)行查看，并對(duì)結(jié)果中出現(xiàn)的問題進(jìn)行不斷調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的設(shè)計(jì)。這樣一種利用虛擬技術(shù)的方式能有效的節(jié)省人力和物力資源，相關(guān)的設(shè)計(jì)結(jié)果也能更加科學(xué)、合理，較之傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法顯示出更多優(yōu)勢(shì)。

4.聯(lián)合收割機(jī)割刀擺臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

聯(lián)合收割機(jī)在向著自動(dòng)化的方向不斷前進(jìn)，某些企業(yè)也采用了先進(jìn)的電子傳感器對(duì)收獲的作物的質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，而面對(duì)市場(chǎng)中的對(duì)聯(lián)合收割機(jī)質(zhì)量、效率不斷提升的需求時(shí)，相關(guān)的研發(fā)人員也在不斷努力提升聯(lián)合收割機(jī)的性能，對(duì)其使用的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了改革，像是采用大功率發(fā)動(dòng)機(jī)等等。而在割刀擺臂方面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是從以下兩個(gè)方面展開的。

4.1 割刀擺臂的靜力分析設(shè)計(jì)

眾所周知，割刀擺臂的重量過大時(shí)，其在慣性作用下對(duì)割臺(tái)產(chǎn)生的力量也會(huì)相應(yīng)的增加，而這對(duì)割臺(tái)形成了損耗，所以在對(duì)割刀擺臂進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要盡可能的將割刀擺臂的重量降低，盡量減少其慣性作用力，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)割臺(tái)的保護(hù)，降低使用成本。而這就需要對(duì)割刀擺臂進(jìn)行靜力分析，再針對(duì)這個(gè)分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)割刀擺臂進(jìn)行靜力分析，主要是要確定擺臂的最大應(yīng)力和位移的情況，再對(duì)擺臂的尺寸和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其中，在優(yōu)化設(shè)計(jì)前需要注意的是要滿足擺臂相應(yīng)的強(qiáng)度和剛度需求，這樣才能制定出比較合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，才能使得擺臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)值。

在對(duì)割刀擺臂的靜力分析時(shí)，遵循利用ANSYS 軟件的基本流程。為了能更加直觀的對(duì)割刀擺臂進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在建立相應(yīng)的割刀擺臂模型時(shí)，省略了割刀的上端和下端的連接部分，再根據(jù)實(shí)物對(duì)擺臂模型設(shè)立相應(yīng)的參數(shù)，比如設(shè)立上端的空心圓柱體的厚度為10mm 等，繼續(xù)對(duì)下端的空心圓柱的厚度等其他參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，在對(duì)擺臂的材料類型進(jìn)行設(shè)定的基礎(chǔ)上完成對(duì)擺臂模型的其他參數(shù)的設(shè)計(jì)，最終得到如圖1 所示的割刀擺臂模型。

圖1 割刀擺臂模型

因?yàn)楦畹稊[臂的制造材料的不一樣，對(duì)割刀擺臂的重量是會(huì)有影響的，所以對(duì)選用的實(shí)物擺臂的材料的相關(guān)數(shù)據(jù)，比如彈性模量、強(qiáng)度極限等參數(shù)都要進(jìn)行記錄，再根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)，對(duì)整個(gè)擺臂的最大應(yīng)力進(jìn)行分析，對(duì)整個(gè)擺臂結(jié)構(gòu)上的強(qiáng)度和剛度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而能為擺臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持。對(duì)割刀擺臂的靜力分析——利用ANSYS 軟件設(shè)計(jì)的參數(shù)模型，在經(jīng)過計(jì)算機(jī)技術(shù)的精準(zhǔn)計(jì)算后，能為割刀擺臂提供較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，從而有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)割刀擺臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.2 割刀擺臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)之前對(duì)割刀擺臂的靜力分析模型，以及設(shè)立的相應(yīng)數(shù)值，可以建立割刀擺臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。在這其中，空心圓柱的厚度和下端空心圓柱的厚度分別為該數(shù)學(xué)模型的變量，F(xiàn)(X )為擺臂的體積，從而形成求最小值的函數(shù)Min F(X )，并在相應(yīng)的約束條件下求得擺臂重量的最小值，圖2 所示為在調(diào)整上下兩端空心圓柱的厚度時(shí)得到的F(X )的值，即擺臂的體積的變化曲線。

圖2 擺臂體積的變化折線圖

經(jīng)過調(diào)整上下兩端空心圓柱的厚度，對(duì)整個(gè)割刀擺臂的體積進(jìn)行了測(cè)量，隨著相應(yīng)的體積的變化建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析文件，利用ANSYS 軟件選用相應(yīng)的優(yōu)化方法，從而得到最優(yōu)的割刀擺臂的重量值，為割刀擺臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的參考數(shù)值，最終得到相應(yīng)的的最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果。在經(jīng)過科學(xué)的分析后得出的擺臂最佳重量，以及各參數(shù)的數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)割刀擺臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。減小后的割刀擺臂重量對(duì)割臺(tái)所產(chǎn)生的沖擊也就較小了，從而有效降低了割臺(tái)的振動(dòng)程度，減少了割臺(tái)的損耗，從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了對(duì)割刀擺臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5.結(jié)語

聯(lián)合收割機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要地位，使得相關(guān)設(shè)計(jì)人員必須對(duì)其不斷進(jìn)行研究，從而研制出更高效率、全自動(dòng)化的聯(lián)合收割機(jī)，而在收割機(jī)中進(jìn)行作物割取的割刀是整個(gè)收割機(jī)的重要部件，而其動(dòng)力是由割刀的擺臂轉(zhuǎn)化提供的，所以對(duì)割刀擺臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)也具有了重要意義。在對(duì)割刀擺臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，主要利用了網(wǎng)絡(luò)虛擬技術(shù)，利用計(jì)算機(jī)軟件建立相應(yīng)的參數(shù)模型，從而得到最優(yōu)擺臂結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)割刀擺臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，節(jié)省了人力，而重復(fù)的試驗(yàn)也沒有利用實(shí)物，在很大程度上節(jié)省了相關(guān)資源。