新型小型水稻聯合收獲機儲糧裝置結構設計及強度分析＊

季惠，王文樂，祁繼柏，梁言

（江蘇食品藥品職業技術學院，江蘇 淮安 223003）

1 研究的背景和意義

淮安是江蘇省優質稻米的主要產區和享譽全國的商品糧產加銷基地。“淮安大米”每年可為農民增收3.5 億元以上，目前淮安大米從種植到生產已形成產業化，且廣泛采用小型水稻聯合收獲機[1]。目前此種小型水稻聯合收獲機在工作過程中需要將收割的糧食進行存儲，現有的收獲機儲糧裝置難以將糧食上的水分排出，容易出現糧食受潮腐敗變質，提高糧食后續的存儲時間，糧食之間的空隙容易占用儲糧裝置的內部空間，降低空間利用率。本文旨在研究一種對現有儲糧裝置的改進方案，并對新方案進行仿真分析。

2 糧食受潮腐敗變質的難點解決方案提出

為解決糧食受潮腐敗變質的問題，第一種方案是更換現有儲糧裝置的材料，但又要保證儲糧裝置的剛度和強度，而且材料還必須符合食品安全制度。經查閱文獻發現，防潮效果最好的材質是陶瓷類和玻璃類，但是在水稻實際的收獲過程中，水稻的密度大約為1500kg/m3，在儲糧裝置中所產生的重力約5000N[2]，但是在收割過程中可能產生意外的碰撞，陶瓷類和玻璃類不符合剛度和強度的要求。

因此提出第二種方案，改變現有儲糧裝置結構，并增添加熱箱，具體位置如下：通過儲存筒的頂部通過螺栓固定連接有進料斗，且儲存筒的底部通過螺栓固定連接有固定板，所述固定板的底部通過螺栓固定連接有出料管和加熱箱，所述出料管位于加熱箱的一側，所述加熱箱的一側內壁上通過螺栓固定連接有電加熱管，此收割機用儲糧裝置，可通過從下而上的熱空氣，可以將糧食進行加熱烘干，有效的將糧食上的水分加熱吹出，實現糧食的干燥，減少水分，保證存糧時的干燥，通過升降盤的升降，可以使升降盤在下降過程中將糧食壓實，并配合震動棒的震動可以使得糧食之間充分緊密，提高壓實的效果，進而提高儲存筒的存糧量，提高空間利用率。

3 新型收獲機用儲糧裝置設計方案

一種收割機用儲糧裝置，包括儲存筒1，儲存筒1 的頂部通過螺栓固定連接有進料斗2，且儲存筒1 的底部通過螺栓固定連接有固定板3，固定板3 的底部通過螺栓固定連接有出料管4 和加熱箱5，出料管4 位于加熱箱5 的一側，加熱箱5 的一側內壁上通過螺栓固定連接有電加熱管6，出料管4 的底部通過鉸鏈轉動連接有管蓋7，儲存筒1 的一側內壁上通過螺栓固定連接有固定桿8，固定桿8 的一端焊接有固定盤9，固定盤9 的底部通過螺栓固定連接有氣缸保護罩10，氣缸保護罩10 的內部底部通過螺栓固定連接有氣缸11，氣缸11 的一端通過伸縮桿連接有升降盤12，升降盤12 的一側外壁上套設有軟膠套13，升降盤12 的頂部開設有內孔14，內孔14 的一側內壁上通過轉軸轉動連接有轉板16，轉板16與內孔14 之間焊接有彈簧15，內孔14 的一側內壁上靠近轉板16 的上方位置處焊接有限位塊17，儲存筒1 的一側外壁上嵌入有第一過濾網18，儲存筒1 的內部底部中央位置處通過螺栓固定連接有風機箱19，風機箱19 的內部通過螺栓固定連接有風機20，且風機箱19 的頂部嵌入有第二過濾網22，儲存筒1的內部底部靠近風機箱19的一側位置處通過螺栓固定連接有震動棒21。

儲存筒1的一側外壁上靠近第一過濾網18的一側位置處開設有出氣孔；便于將儲存筒1 內的熱空氣排出。儲存筒1和固定板3 的底部靠近出料管4 的上方位置處均開設有出料孔；便于糧食的排出。設計方案如圖1 所示：

圖1 新型收獲機用儲糧裝置設計方案

工作原理：在使用時，將儲存筒1 通過固定板3 安裝固定在收割機上，將收割機上的下料處，糧食落入進料斗2 后落在升降盤12 上，內孔14 內的轉板16 受到糧食的重力作用下擠壓轉板16，轉板16 向下轉動，糧食穿過升降盤12 落在儲存筒1 內，實現糧食的村存儲，風機20 在工作時將外部空氣抽入加熱箱5，加熱箱5 內的電加熱管6 工作將進入空氣的加熱，熱空氣穿過第二過濾網22 后進入儲存筒1，熱空氣吹在糧食上，有效的將糧食上的水分加熱吹出，最后通過第一過濾網18 排出，實現糧食的干燥，減少水分，在存糧過程中，氣缸11 通過伸縮桿帶動升降盤12 升降，升降盤12 在下降過程中將糧食壓實，并配合震動棒21 的震動可以使得糧食之間充分緊密，提高壓實的效果，進而提高儲存筒1 的存糧量，提高空間利用率。

4 新型收獲機用儲糧裝置模型構建

利用Solidworks 軟件對儲糧裝置進行建模，然后進行簡化模型（simplified model），簡化模型也可以稱之為模型簡化，簡單來說是指去掉模型中不顯著的項，通過減少項數使模型更容易使用，或者是指減少模型的復雜度，使模型更容易計算。簡化模型有著廣泛的應用，特別是在大系統理論中，大系統是指結構上和維數上都具有某種復雜性的系統，所以對模型簡化是十分必要的。而通過簡化模型，將儲糧裝置的模型去除一些在后續仿真分析中的不顯著的影響因素，將主要的仿真分析放在儲糧裝置模型中在上下震動時取主要作用的部分，也即是在儲糧裝置上下震動模型中儲糧裝置承受來自上下震動的主要受力和加速度部分，進行模型簡化可以將更好的運算能力用在對問題至關重要的關鍵點上，提高仿真分析的精細程度。

5 新型收獲機用儲糧裝置仿真分析

從結構上改進儲糧裝置以后，還要再判定新型儲糧裝置在力學性能上是否達標。我所利用的是Ansys 軟件進行有限元分析，此軟件功能強大，可以模擬各種復雜的模型和工況，其為了體現設計仿真一體化的解決方案，在無縫集成界面做了創造性的改變，將仿真界面，仿真流程無縫融入到Ansys的設計過程中[3]。Ansys 的仿真向導，包含以下顧問向導：算例顧問、性能顧問、約束和載荷顧問、連接顧問、結果顧問[4]。在應用到Ansys 的仿真分析的功能時，需要對不同的材料力學參數，例如材料的彈性模量或泊松比，另外還需要對零件或者模型的固定方式進行設置，最后加載網格和進行不同的網格劃分，并將部分不合格的網格進行修正，以便計算準確，網格劃分采用四面體單元，為節省計算時間，同時保證計算精度，網格劃分對容易產生應力集中區域專門進行細化處理，網格劃分情況如圖所示，共包含366198 個節點數，單元數量為169837，所畫網格情況如圖所示：

圖2 新型收獲機用儲糧裝置三維模型

圖3 網格劃分結果

在進行有限元分析的過程之前，需要對不同的邊界條件進行分別分析，所謂邊界條件是指在求解的區域內的邊界上的所求階段變量或者導數隨時間和地點的一種變化規律，而不同的邊界條件的施加也會對不同的實驗造成不同的實驗結果，所以一個正確的邊界條件的施加是十分重要的，一方面影響實驗的能都順利進行，另一方面也會對實驗結果再次不同的偏差。經過前期的文獻資料的查詢和比照分析，儲糧裝置一般采用通過螺釘的方式與車身進行連接和加固，所以邊界條件的設定應該在儲糧裝置模型的底部。

由于每個谷粒的大小相對于整個儲糧裝置的體積可以忽略不計，數量巨大的谷粒群可以近似看做無窮多個谷粒分子，因此可采用近似將谷粒看做流體方式，以此來對儲量裝置內部施加液體壓力，來測算谷粒對儲糧裝置所產生力的作用。單加液體壓力情況下，儲量裝置內部壓力如圖所示，從云圖中可以看出最大壓力在裝置底部，最小壓力在頂部。

圖4 儲量裝置內部壓力云圖

在此次的有限元分析之前，設定材料的參數在 Ansys 這個軟件中也有著必須的流程和要求。不同的材料，對應著不通道材料參數，例如使用性能，為了保證機械零件、設備、結構件能夠正常的運行和使用，主要由力學性能：強度、硬度、剛度、塑性、韌性等，物理性能：密度、熔點、導熱性、熱膨脹性等，化學性能：耐腐蝕性等。

在上下震動的工況中，儲糧裝置的變形量同時也是儲糧裝置的內壁的相對侵入量，這一部分的形變直接關系到儲糧裝置的使用壽命，本論文中主要對影響儲糧裝置的最大應力和最大變形量進行了仿真分析，下面是實驗組別對水稻收獲機儲糧裝置遭到上下震動時的儲糧裝置內壁侵入量的不同數據。經過仿真分析后的最大應力和儲糧裝置的變形量如圖5圖6 所示。

圖5 結構鋼儲糧裝置上下震動時最大應力

圖6 結構鋼儲糧裝置上下震動時變形量

經過數據可以發現，在相同的小型聯合收獲機對儲糧裝置進行上下震動時，采用新型結構設計的儲糧裝置侵入量相對更小。在儲糧裝置的侵入量減小的同時，新型儲糧裝置的耐撞性相比原有的儲糧裝置的耐撞性更好，這不僅實現糧食的干燥，減少水分，保證存糧時的干燥，還提高了儲糧設備的震動耐撞性能。

6 結論

與現有技術相比，本次設計的儲糧裝置的有益效果是：該收割機用儲糧裝置，通過從下而上的熱空氣，可以將糧食進行加熱烘干，有效的將糧食上的水分加熱吹出，實現糧食的干燥，減少水分，保證存糧時的干燥，通過升降盤的升降，可以使升降盤在下降過程中將糧食壓實，并配合震動棒的震動可以使得糧食之間充分緊密，提高壓實的效果，進而提高儲存筒的存糧量，提高空間利用率。并且進行了力學驗證和強度分析，可實現量產應用。