水稻收割機的割臺輕量化設計及經濟性分析

孫瀟鵬　林建　劉燦燦　李哲宇

摘要：為實現再生稻的增產和節省農業經濟成本，運用Pro ENGINEER 5.0、ANSYS Workbench 15.0等軟件對割臺進行三維建模和有限元分析，再通過結構優化和材料替換的方法，對水稻收割機的割臺進行輕量化設計，旨在獲得一種質量更輕的水稻收割機。該收割機可以減少割臺損失，盡可能地減少收割造成的落粒和掉穗，增大再生稻的單位面積產量優勢;與此同時，該收割機具有更好的燃油經濟性。結果表明，經輕量化設計后的割臺比原有的質量減少 49.872 kg，可節省燃油144～216 L/年，減少成本1 143～1 715元。此設計為農業機械的輕量化設計和經濟性分析提供了理論依據和方法。

關鍵詞：水稻收割機;割臺;輕量化設計;有限元分析;減質量;ANSYS Workbench 15.0;經濟性

中圖分類號： S225.4? 文獻標志碼： A? 文章編號：1002-1302（2019）04-0182-05

水稻是我國第一大糧食作物，種植面積約3 000萬hm2，約占世界水稻種植面積的21%，年產量近1.6億t，占世界總產量的34%。水稻不僅是重要的糧食資源，而且水稻在生物化學和制藥等方面都有著廣泛的應用[1]。水稻在我國的種植面積分布廣泛，其主要產地為福建、江西、江蘇、安徽、湖北、湖南、浙江、四川和重慶等地，而這些地區多是山地和丘陵，水稻田多為梯田和小塊田為主。地區作業環境氣候差異很大，所以與小麥相比，水稻的大規模機械化收獲更難實現，這就對水稻收割機械的適應性和可靠性提出了更高的要求[2]。農業被視為我國的立國之本和國家富強的基礎，無論何時都必須重視糧食的生產、儲備、投放能力。糧食的增產更需要農業機械化的支撐[3]，在國內中北部地勢比較平坦的平原和盆地，已基本實現農業機械化。而在地勢不平坦的南方，尤其在福建地區，因機器不能通過山地梯田而無法實現農業機械化[4]。隨著農業機械的深入研究，市場上逐漸出現了適合南方山地丘陵地帶的機械。對于水稻收割機械而言，輕量化設計不但可以讓它更適應在南方的山地丘陵作業，而且可以減少割臺對稻茬的機械損傷，從而達到增加單位面積產量的效果。與此同時，輕量化設計必然讓農機本身具有更好的燃油經濟性。這對提高國內南方山地、丘陵地帶的農業種植機械化程度具有重要意義。

1 對水稻收割機割臺系統的虛擬裝配

對水稻收割機的割臺進行虛擬建模過程中，所采用的建模對象是剛毅4L-0.9B收割機，它的實物見圖1。虛擬裝配應以實際生產產品及零部件的三維造型為基礎，在不考慮現實環境的情況下，對水稻收割機的割臺及其部件在Pro ENGINEER 5.0軟件中進行建模，虛擬裝配的過程是把現實誤差進行最大的縮減，對偏差較大的數據進行改進和優化[5]。水稻收割機的割臺虛擬裝配包括各模塊部件裝配和整體的裝配，主要包括扶禾裝置、切割裝置、輸送裝置[6]，然后將這幾個部分裝配得到割臺整體的三維模型，最后對割臺系統的三維模型進行干涉檢查，保證每個部件不發生干涉。完成上述操作，裝配體與實體模型見圖2。

2 對水稻收割機的割臺輕量化設計及有限元分析

2.1 對水稻收割機的割臺初次輕量化設計方案

在新能源汽車領域，多采用鋁制車身框架和復合材料車身的搭配，在軟件仿真的過程中，減質量效果較好的屬于鋁合金6000系列材料[7]。在航空領域，由于復雜的太空環境要求支架具有非常高的尺寸穩定性，因此為提高結構剛度和減質量效果，須選取典型的結構進行輕量化研究。首先根據碳纖維復合材料的性能參數和邊界條件建立有限元模型，并進行仿真分析。其次，由于碳纖維復合材料支架具有更優異的力學性能和更輕的質量特性，在突破復合材料支架成型技術的基礎上完成了復合材料設備的研發和制造，碳纖維復合材料支架具有更優異的力學性能和更輕的質量[8]。簡單的來說，輕量化主要是通過采用輕量化材料和制造工藝來完成。根據

以上結論，現分別采用鋁合金（aluminum alloy）、銅合金（copper alloy）、鎂合金（magnesium alloy）、鈦合金（titanium alloy）這幾種材料，通過材料更替得到最佳輕量化設計方案[9]。

將以上材料分別用于割臺左擋板、割臺右擋板、割臺后擋板、割臺框架4個部分，利用ANSYS Workbench 15.0軟件進行材料的替換和分析。默認材料為結構鋼（structural steel），此時各部分質量分別為1.220 7、1.220 7、3.579 2、32.27 kg。進入ANSYS Workbench 15.0進行多種材料的選取。在“Model”中點擊“Geometry”，在“Details of ”“Geometry”中點擊“Properties”下的“Mass”選項，便可查看所選用材料的質量[10]。按照這個辦法對材料進行質量測定，材料的質量見表1。

根據提供材料的剛度和強度，再結合水稻收割機割臺所需的剛度和強度，材料安全系數為n=4.16>1，最大應力出現在水稻收割機割臺與送料裝置連接位置的邊緣。從材料角度考慮，鈦合金材料的減質量效果較好，但現多用于航空工業且價格昂貴，不予考慮。而銅合金、鎂合金也面臨跟鈦合金一樣的問題。以鋁合金材料為例，鋁合金7075的屈服強度是505 MPa，而常見的Q235結構鋼的屈服強度為235 MPa。比如，1 mm的Q235結構鋼被施加235 kg就能被壓扁，而鋁合金6061同等條件下至少需要400 kg。一般結構鋼和鋁合金的比重約為7.8 ∶ 2.7，這就是現在汽車行業，給汽車采用全鋁車身的原因。綜合考慮，最終采用鋁合金材料，這種材料常見且減質量效果明顯，材料強度要求也能達到割臺框架作業要求。由于割臺左擋板、割臺右擋板、割臺后擋板在割臺收割再生稻的作業中，對割臺擋板的強度需求低，且主要作用就是防止收割時水稻的外泄。經過材料的替換，水稻收割機割臺擋板從原有的總質量為1.220 7+1.220 7+3.579 2=6.020 6 kg，變為現有的質量為0.430 7+0.430 7+1.263=2.124 4 kg（表2），則割臺擋板的減質量為3.896 2 kg。水稻收割機的割臺框架質量由原來的32.270 0 kg變為11.387 0 kg，減質量為20.883 0 kg。

總減少質量為24.779 2 kg，現在需要水稻收割機的割臺總質量來測定初次輕量化設計后的減質量效果和比重。通過對該割臺每個部件進行稱量，最終得到該水稻收割機的割臺質量為103.247 9 kg（表2）。由于農業機械不會像航空、航海、汽車行業一樣對機械自身的精度極高，水稻收割機作為農業機械的一種，同樣面臨著這個問題。要求精度不高的機械，在做輕量化設計和研究時會提出更高的要求，因為機械本身減質量空間大，所以對于此次研究的水稻收割機而言，減質量效果計算可得：24.779 2 kg/103.247 9 kg×100%=24.00%[11]。

2.2 對割臺框架及割臺擋板有限元分析

ANSYS Workbench 15.0軟件的網格劃分，根據算法不同可分為協調分片算法（patch conforming）和獨立分片算法（patch independent）。割臺框架割臺擋板現采用的是鋁合金材料，因其形狀規則選用四面體法（patch conforming tetra）的網格劃分方式[12]。最小邊界長度為 0.157 41 mm，因為尺寸太小單元太多會占據大量內存，導致結果無法計算出來，所以在單元尺寸的選擇上，第1次采用自由網格劃分，如圖3所示。再對局部網格疏密程度進行調節，網格的相關度是在默認相關性中進行操作，數值越小網格越粗糙，反之，數值越大網格越精細。此時對割臺框架承載面數值選為10，進行網格劃分后得到63 386個節點（nodes），30 994個單元（elements）（圖4）[13]。

對水稻收割機割臺框架進行分析時，須要對割臺框架邊界條件進行設定，即對割臺框架施加載荷和約束，對其工作環境進行模擬。水稻收割機工作時，割臺機架主要受到撥禾輪和撥禾攪龍的重力及其力矩、空氣阻力和摩擦力的作用[14-15]。現對水稻收割機割臺在理想狀態下的受力情況做如下分析，在割臺框架中，重點受到撥禾輪和撥禾攪龍的重力作用，經過測量后，得到撥禾輪的質量為15.075 8 kg，撥禾攪龍的質量為31.748 0 kg。則二者密度為1 000 kg/m2。

在ANSYS Workbench軟件中，進行如下操作：對水稻收割機割臺框架2側施加約束;對水稻收割機割臺框架跟撥禾輪和撥禾攪龍接觸部分，施加載荷;進行應力和應變分析，得到應力云圖和應變云圖。（在進行上述操作的過程中，注意單位的統一和換算，例如0.1 MPa=1 kg/cm2）[16]。

對水稻收割機的割臺框架及割臺擋板進行網格劃分和邊界條件設置后，運用ANSYS Workbench 15.0對割臺框架進行靜力學分析[17]，得到應變云圖與應力云圖[10]。如圖5、圖6所示，即使撥禾攪龍的質量比撥禾輪的質量大，但是撥禾輪與割臺框架相連接處變形較大，而割臺擋板基本不受影響。通過觀察變形云圖可知，材料替換后施加跟原材料同樣的力，撥禾攪龍及撥禾輪對整個割臺框架的影響微乎其微，所以對割臺的工作性能不會造成破壞性的影響[4]。

2.3 對水稻收割機的割臺2次輕量化設計及分析

通過觀察割臺及其部分的質量分布（表3），筆者對割臺的輕量化設計進行進一步優化。主要步驟如下：通過對割臺攪龍的了解，對割臺攪龍進行嘗試性材料替換;對割臺框架及擋板進行結構優化;對割刀這種標準件進行小幅的結構優化。

割臺攪龍又稱為割臺螺旋推運器，它將谷物莖桿首先橫向輸送到割臺中部，并由螺旋推運器上的伸縮扒指將作物轉向送入傾斜輸送器中，然后由傾斜輸送器的輸送鏈耙把作物喂入脫粒滾筒進行脫粒。根據割臺攪龍的功能進行輕量化設計，對其進行材料替換，考慮到經濟性和適用性，對割臺攪龍采用鋁合金6061材質后，它的質量從31.748 0 kg下降至 11.203 0 kg（表3），即減少質量為20.545 kg，減質量效果非常明顯。再對割臺攪龍進行有限元分析，讓割臺攪龍在鋁合金6061材質下，分別對中部施加力，對固定割臺攪龍的2段進行約束，最后得到應變云圖（圖7）。數據表明，割臺在最大喂入量時，該割臺攪龍能夠正常工作。

然后對割臺框架進行結構優化， 將割臺框架主體的板厚度從2.5 mm減小到1.5 mm，將割臺支撐架從直徑為21.5 mm和16.0 mm的實心圓管改為外徑21.5 mm壁厚5.5 mm和外徑16.0 mm壁厚4.0 mm的空心圓管。割臺框架由原質量 32.27 kg 變為21.45 kg。優化后的割臺框架模型為最大應力值102.4 MPa，材料安全系數n=2.29>1。經過材料替換后，割臺框架經過結構優化和材料替換后的質量為7.568 kg，即減少質量為32.270-7.568=24.702 kg。與此同時，對割臺擋板也做了結構優化，也可減少一定的質量。在受力后基本不受影響的割臺左右擋板做了打孔處理，采用了蜜蜂筑巢時的六邊形蜂孔結構設計，沒有采用圓形孔，就是在讓割臺框架變輕的同時，防止收割時水稻從2側孔隙出來（圖8）。經測量， 割臺擋板的減少質量從 3.034 8 kg提升至 3.500 0 kg。

結構優化后的割臺擋板與割臺框架進行裝配，裝配見圖9。

因為該種割刀屬于往復式切割器，動刀片和定刀片是沒有本質區別的，且市面上的往復式切割器都是標準件，所以只對割刀進行結構優化，讓定刀片的2側輪廓形狀均為外凸的弧形，動刀片的2側輪廓形狀均為直線形，動刀片與定刀片的交叉切割，相比于之前的割刀接觸路徑長，切割流暢，切割效率高[18]（圖10）。割刀定刀組的質量由原來的6.125 kg減至5.000 kg，即割刀的減少質量為1.125 kg。

綜上所述，經過材料替換和結構優化的輕量化設計，割臺的減少質量為割臺框架減少質量24.702 kg+割臺攪龍減少質量20.545 kg+割臺擋板減少質量3.500 kg+割刀的減少質量1.125 kg=49.872 kg。

重新測定減質量比為49.872 0 kg/103.247 9 kg×100%≈48.3%，即割臺的原有質量為103.247 9 kg，經過2次輕量化設計，割臺比原有的質量減少了49.872 kg，約占原有質量的483%，現在的質量為53.375 9 kg，達到預期的減質量效果。

3 割臺輕量化設計方案的經濟適用性

割臺的輕量化設計方案經過實施并驗證后，筆者所在課題組只是對輕量化設計方案給予技術層面的肯定，但究其輕量化的方案是否有實際意義，是否需要巨大的成本代價？是否能夠給受眾帶來經濟實惠，這些疑問讓筆者所在課題組應對該輕量化方案進行評估，建立相應的評價體系。輕量化的評價應從以下3個方面考慮：制造成本的改變、使用成本的改變、對社會環境的貢獻。其受益群體分別為制造商、購買者、人民大眾（圖11）。在輕量化設計中，對經過輕量化設計后的樣機的成本構成和經濟性、適用性進行分析，輕量化設計不但對制造商和用戶帶來了好處，而且對社會資源的節約和減少溫室氣體的排放從而對環境的保護也有很大的益處。

產品成本和利潤的關系，對制造商來講，減少成本相當于增加利潤，即KE=KS+KP，其中KE為銷售價格，KS為制造成本，KP為產品的利潤。對于叉車的使用者，減少使用成本即水稻收割機的運營成本便可以增加利潤，如公式KA=KB+KC+KP，其中KA為使用水稻收割機的收入，KB為運營成本，KC為水稻收割機采購價格，Kp為實現的利潤。

通過以上分析得出，割臺的輕量化是可以改變車輛的制造成本和使用成本，用KPS表示制造成本減少給制造商帶來的利潤，用KPB表示使用成本給用戶帶來的好處，所謂的評價體系就是在綜合考慮輕量化方案給不同群體帶來的利益大小。但是考慮到輕量化設計給制造商帶來的利潤時，也應考慮到制造企業輕量化設計時的成本，包括人員成本、試制費及試驗耗損等平均到批量生產每臺產品中的費用，用C表示。

輕量化設計方案的評估公式為K=a（KPS-C）+bKPB。

式中：K表示輕量化收益，元;a、b表示比列因子，a+b=1，與制造企業的關注度有關，通常分別取0.7、0.3。

根據各材料的價格，給割臺采用鋁合金7075或鋁合金6061材質，按照鋁合金最低的價格，現在割臺除去工藝成本，僅材料成本為53.375 9×18≈960.8元。但是從輕量化設計后，水稻收割機的燃油經濟性提高和再生稻單位面積產量增加。材料成本的提升，可以節省使用費和增加再生稻產量所帶來的巨大收益。在滿足歐Ⅳ的標準條件下，100 km油耗Y和車輛自身總量X放入關系為Y=0.003 0X+3.343 4[19]。研究數據表明，若質量降低10%，燃油效率可提高6%～8%，其油耗將減少10%，排放量減少5%～6%[20]。該收割機的油耗是18 L/hm2，生產率為0.04～0.08 hm2/小時，經過換算，優化前水稻收割機的油耗為0.72～1.44 L/h，優化后為0.52～1.24 L/h，可節約燃油約0.2 L/h，假設在收割季，收割機工作12 h/d，收割再生稻的頭季稻大概需要30～45 d，第2季稻也按相同時間計算，則可節省燃油144～216 L/年，約 1 143～1 715元。不但降低了自身油耗，而且減少了對環境的污染，值得提倡[21]。

4 結論

根據再生稻種植條件，為降低割臺損失和對再生稻稻茬碾壓率而考慮裝置的尺寸，初步確定輕量化的收割機割臺設計方案[22]。對水稻收割機割臺進行結構優化和材料替換后，對割臺的簡化模型進行有限元分析，目的是為了模擬割臺在收割時的受力狀況，最終得到應力云圖和應變云圖，可以通過圖型顏色深淺的變化，判斷模型的受力程度和變形程度，查看設計的新割臺是否滿足相應條件下的工作強度。它的輕量化設計讓該水稻收割機更適應于收割再生稻，可以增大再生稻的單位面積產量優勢，為農民帶來更好的經濟收益。與此同時，該水稻收割機的燃油經濟性更好，對環境的污染小，農民使用成本減少。綜上所述，經過割臺的輕量化設計后，該水稻收割機既能給農民賺到更多的錢也能給農民省下很多錢。不足之處在于，對收割機整機的輕量化設計還沒有提出較為可行的方案，須要今后繼續跟相關領域的專家學者進行研究和探討。

參考文獻：

[1]王玉霞，秦洪彬. 水稻收割機械化的現狀及發展趨勢[J]. 中國新技術新產品，2009（18）：231.

[2]王 飆，劉 峰，李云伍. 我國水稻收割機的發展現狀及發展方向[J]. 農機化研究，2013，35（10）：226-229.

[3]羅錫文. 對廣東農機化未來十年發展的思考[J]. 現代農業裝備，2014（6）：9-13.

[4]潘遠香. 小型半喂入水稻聯合收割機割臺系統設計研究[D]. 貴陽：貴州大學，2014.

[5]何焯亮，王 濤，林世坤，等. 經濟類甘蔗小型收割機設計[J]. 食品與機械，2014，30（5）：158-160.

[6]胡 霞. 農業機械應用技術[M]. 北京：機械工業出版社，2012：173-222.

[7]肖 勇，丁玉梅，秦 柳，等. 新能源汽車輕量化的關鍵技術[J]. 塑料，2016，45（2）：98-100.

[8]周云郊. 鋼鋁混合材料車身結構輕量化設計關鍵問題與應用研究[D]. 廣州：華南理工大學，2011.

[9]胡朝輝. 面向汽車輕量化設計的關鍵技術研究[D]. 長沙：湖南大學，2010.

[10]CAE應用聯盟組. ANSYS Workbench 15.0有限元分析從入門到精通[M]. 北京：機械工業出版社，2014：133-149.

[11]徐 聰，徐國艷，張立玲. 發動機罩的結構輕量化設計[J]. 機械設計與制造，2016（7）：193-196.

[12]CAE應用聯盟組，劉 浩. ANSYS 15.0有限元分析從入門到精通[M]. 北京：機械工業出版社，2014：57-72.

[13]王勖成. 有限單元法[M]. 北京：清華大學出版社，2003：163-167.

[14]陳恒峰，郭 輝，呂全貴，等. 聯合收割機通用型液壓割臺的設計與仿真[J]. 江蘇農業科學，2017，45（19）：246-250.

[15]伍文杰，吳崇友. 油菜聯合收割機割臺研究現狀[J]. 江蘇農業科學，2018，46（7）：5-11.

[16]李青林. 4LYZ-2型油菜聯合收割機割臺框架的有限元法動力學分析[D]. 鎮江：江蘇大學，2004.

[17]吳艷英，尹 健. 基于ANSYS Workbench的自走式山地微型水稻聯合收割機結構的有限元分析[J]. 現代機械，2014（3）：47-50.

[18]王 龍. 便攜式小麥收割機的設計[D]. 蘭州：蘭州交通大學，2015.

[19]郭玉琴，朱新峰，楊 艷，等. 汽車輕量化材料及制造工藝研究現狀[J]. 鍛壓技術，2015，40（3）：1-6.

[20]張 彥，來新民，朱 平，等. 基于抗凹性的轎車零件的輕量化設計及耐撞性分析[J]. 機械設計與研究，2004，20（5）：74-76.

[21]高永強. 平衡重式叉車輕量化設計和經濟性驗證[D]. 大連：大連理工大學，2015.

[22]盧 康，張國忠，彭少兵，等. 雙割臺雙滾筒全履帶式再生稻收割機的設計與性能試驗[J]. 華中農業大學學報，2017，36（5）：108-114.劉岳開，高宏力，張 潔. 基于開源項目的蘋果采摘系統設計及視覺算法改進[J]. 江蘇農業科學，2019，47（4）：187-192.