4U-1400型薯类收获机机架有限元分析

王昕，魏宏安，胡忠强，史明明，陆祥辉

(1.甘肃农业大学工学院，甘肃 兰州　730070； 2.浙江四方集团公司，浙江 金华　321000)



4U-1400型薯类收获机机架有限元分析

王昕1，魏宏安1，胡忠强2，史明明1，陆祥辉1

(1.甘肃农业大学工学院，甘肃 兰州730070； 2.浙江四方集团公司，浙江 金华321000)

摘要：根据4U-1400型薯类收获机机架的结构特征和受力情况，运用Solidworks软件进行三维建模，并以Solidworks simulation为平台分析其受力、应力分布、最大应力及其产生部位.结果表明：机架设计合理，最大应力值为223 Mpa,小于材料的屈服极限235 Mpa,应变、位移变化均符合要求，强度、刚度足够.

关键词：薯类收获机；机架；有限元分析

马铃薯种植较深，挖掘时机具阻力大[1]，所以要求其收获机械能够承载较大的负荷.机架作为收获机械最基本、最关键的骨架，它的刚度、强度对整机至关重要.4U-1400型薯类收获机为44～58.8 kW拖拉机半悬挂的中型薯类收获机，其机架结构和受力较复杂，用一般力学方法很难做出精确的分析[2].基于Solidworks simulation有限元法的结构分析和优化技术的广泛应用，能够精确分析应力、应变情况，精度较高，可有效缩短产品研制周期，降低开发成本，提高产品的质量和可靠性[3].本研究采用有限元分析法对该机机架进行静态载荷分析，对提高设计的合理性、精确性和科学性具有重要意义[2-5].

14U-1400型薯类收获机的整体结构

4U-1400型薯类收获机主要由挖掘装置、两级土薯分离装置、茎秆分离装置、装袋装置、牵引装置、机架、液压提升装置、传动系统、站台及地轮等装置组成.结构如图1所示.

1:挖掘装置;2、3:两级土薯分离装置；4：茎秆分离装置；5：行走装置；6：机架；7：站台；8：装袋装置；9：液压提升装置；10：传动装置；11：牵引装置.

图14U-1400型薯类收获机整机结构示意图

Fig.1Schematic diagram of 4U-1400 potato harvester

2机架结构和载荷分析

2.1机架结构分析

4U-1400型薯类收获机机架外形尺寸长×宽×高为3 833 mm×1 700 mm×1 430 mm，是由一系列横纵立梁焊接而成的整体结构，主要采用矩形空心钢等材料，结构如图2所示.机架受力大的部位有：(1)前横梁1，除了承受拖拉机的牵引力外，还承受挖掘铲垂直方向的作用力，采用80 mm×80 mm×5 mm的矩形空心钢；(2)横梁2，主要承受液压提升装置施加的压力，为了保证可靠性，采用80 mm×40 mm×4 mm的矩形空心钢；(3)纵梁3、纵梁4、纵梁5承受收获机和物料及辅助操作人员质量和拉力，采用100 mm×50 mm×5 mm的矩形空心钢.

1:前横梁；2：液压提升梁；3：纵梁3；4：纵梁4；5：纵梁5.

2.2机架载荷分析

将机架和其他各装置的质量(表1)以及工作时所承受物料和辅助操作人员的质量(表2)转化为机架承受的载荷[6]，主要分布：a.前横梁所承受的载荷分别为拖拉机牵引力和挖掘铲垂直方向的作用力；b.液压油缸悬挂梁承受液压提升装置对其施加的载荷；c.减速器支撑架上承受的载荷主要有链传动引起的有效圆周力、离心力引起的张力、松边垂度引起的张力几部分组成[7-10]； d.下纵梁承受整机自身重力及作业时物料和辅助操作人员附加重力.

根据表1、2数据，计算得出机架各部分承受主要载荷的情况(表3).

表1　4U-1400型薯类收获机各装置质量

表2　4U-1400型薯类收获机各装置物料附加质量

表3　4U-1400型薯类收获机各主要部分

2.3前横梁所受扭矩分析

当收获机作业时，挖掘铲部分以及整机其他部分对机架前横梁的扭矩作用是不可忽视的，以机具侧向为视角，其垂直受力如图3所示.本研究以前横梁的中心为支点，计算其所受的扭矩,则有：

M=F1d1+F2d2=1.4×104N·m

式中：M为前横梁所受的扭矩；F1为液压油缸对前横梁的作用力(7 560 N)；d1为液压油缸与前横梁的距离(0.7 m)；F2为操作人员以及薯块的重力(2 300 N)；d2为站台中心与前横梁的距离(4 m).

图3　垂直受力分析示意图

3机架的有限元分析

3.1创建算例

对模型每一次的分析都是一个算例.在此例中，创建一个名为机架的算例.

3.2添加应用材料

本机架材料采用Q235A矩形空心钢，用有限元软件可以分析出它的材料属性[6]，如表4.

表4　Q235A空心钢材料属性

3.3约束处理

约束处理的目的是为装配体添加约束，从而使该模型不存在任何刚体运动形式.而此环节很容易产生较大误差，通常这些误差来自于过约束模型[9].本例需要对机架进行约束以免刚体运动的有以下两处：首先在横梁处加固定几何体的约束，也就限制了6个自由度，3个平移自由度和3个转动自由度.其次，地轮行走装置除了从动运动支撑机架外，在工作过程中约束了机架的上下和左右运动.

3.4施加载荷

将表3中计算得出的载荷值施加到机架的相应部位.

3.5划分网格

网格划分类型为实体网格，所用的网格器是基于曲率的网格，最大的单元大小为145.428 mm,最小单元大小为29.085 5 mm.网格为高品质划分，总节点数为172 036个，单元总数为88 573个.施加载荷及约束条件后的网格划分图如图4所示.

图4　机架添加约束、施加载荷、网格划分图

3.6运行分析

运行分析后，可得机架的最大应力值出现在减速器支撑梁上，数值为223 MPa,明显小于材料的屈服力.除了机架的前横梁、液压悬挂梁和减速箱支撑架附近应力比较大以外，其余部分均小于140 MPa.就应变而言，由于分析时约束了前横梁移动，所以在前横梁处没有出现最大应变，最大应变出现在减速器支撑架上，但其应变在许可范围.就位移变形而言，由图解可知，最大的位移变形出现在液压悬挂梁以及减速器支撑架的部分.分析得出，本机静态载荷的安全系数为1.7，符合安全标准.应力、应变、及位移图解见图5～7.

图5　4U-1400型薯类收获机机架应力图

图6　4U-1400型薯类收获机机架应变图

图7　4U-1400型薯类收获机机架位移图

4结论

本研究以solidworks simulation为平台，对4U-1400型薯类收获机机架进行有限元分析，得出其应力、应变、及位移图解.有限元分析表明，机架最大应力位于减速器支撑梁上，为223 MPa,小于材料

屈服极限235 Mpa，机架结构设计合理，选材适当，应变、位移、安全系数均满足要求.

参考文献

[1]李彦晶，魏宏安，孙广辉，等.4U-1400FD型马铃薯联合收获机挖掘铲的参数优化[J].甘肃农业大学学报，2011,46(5)：132-136

[2]连文香，魏宏安，邵世禄,等.4U-1400FD型马铃薯联合收获机机架有限元分析[J].甘肃农业大学学报，2010,45(5)：129-133

[3]蒋晨.基于有限元技术的板材加工机械优化设计与分析[D].南京：东南大学,2005

[4]吕金庆，魏国静，范志安，等．4U-2B型马铃薯收获机的设计[J]．农机化研究，2007(9)：87-88

[5]赵武云，张锋伟，吴建民，等．免耕播种机防堵装置用切刀静强度的有限元分析[J]．机械研究与应用，2005，18(3)：82-84

[6]孙倩，李永华，张罡,等.304/Q235内衬式复合管焊接接头耐点蚀性研究[J].热加工工艺，2013,42(5)：213-215

[7]黄圣杰，王俊祥．Proe2001基础及应用教程[M]．北京：电子工业出版社，2002

[8]王彦军，魏宏安,张得俭，等．4M-2型马铃薯联合收获机传动系统的研制[J]．甘肃农业大学学报，2007，42(6)：138-142

[9]濮良贵,纪名刚.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2006:173-175

[10]美国DS SolidWorks公司.Solidworks Simulation基础教程[M].北京:机械工业出版社,2012

(责任编辑赵晓倩)

Element analysis of 4U-1400 potato combine

harvester frame

WANG Xin1,WEI Hong-an1,HU Zhong-qiang2,SHI Ming-ming1,LU Xiang-hui1

(1.College of Engineering,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China;

2.Zhejiang Sifang Group Corp,Jinhua 321000,Chian)

Abstract：According to the structure feature and it’s load cases of the 4U-1400 combine harvester frame,the three-dimensional model of the frame was established by the Solidworks software.And stress,stress distribution,strain and maximum stress and producing site were analyzed using the Solidworks simulation.The results showed that the maximum stress was 23 Mpa which was less than the yield limit 235 Mpa.The strain and displacement of the frame were reasonable to meet the strength and stiffness requirement.

Key words：potato harvester；frame；FEA

收稿日期：2014-03-25；修回日期：2014-04-17

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAD06B03).

通信作者：魏宏安，男,教授，研究方向为农业工程技术与装备.E-mail：weiha@gsau.edu.cn

中图分类号：S 225.7+1

文献标志码：A

文章编号：1003-4315(2015)01-0171-04

第一作者：王昕(1989-)，女，硕士研究生，研究方向为农业工程技术与装备.E-mail：15193181589@163.com