玉米青贮机传动系统失效分析与改进设计

陈波 叶伟 余海川

摘要：基于玉米青贮机传动系统在试验中出现花键轴扭曲问题提出，分析出了玉米青贮机模型刀盘及波轮所受载荷力的特性并得出随时间变化的等效载荷公式，得出了花键轴所需承受的最大载荷与玉米青贮收获机工作行走速度的关系，最后，分析出过载的原因并提出了解决方案并加以验证，为解决玉米青贮机传动系统失效提供了一种方法。

关键词：玉米青贮机；三维模型；失效分析；改进设计

引言

随着现代畜牧业的发展，我国青贮饲收获机械的研发与设计不断涌现，而关键技术及零部件的研发起步较晚，国内的玉米收获机研发处于初级阶段，本文针对设计样机在试验过程中割台传动系统出现的花键轴扭曲故障而导致整机运行试验失败提出的问题。（如图1）

1.模型的构建

利用三维建模软件UG建立玉米青贮机割台转动系统简化模型（如图2、3）。

上图中的花键轴（如图4）的动力是由万向节传递的，正是此矩形花键轴发生过载扭曲现象，造成试验过程失败。

2.机构的数据模型建立

为了计算锯盘所受载荷的大小及分布的原理，试验过程中，测量出玉米种植的行距及株距。实测以种植的平均株距为160mm，行距为720mm计。根据玉米青贮机的基本参数可知，在运行过程中理想状态下可对5行植株进行收获（如图5、6）。

根据图6知，锯盘的受力为脉冲型的，假定玉米收获机的工作行走速度为V0，则植株1的沿着搅龙的速度可分解为竖直向下的速度VY，和水平向左的速度VX，则根据力的合成与分解原理即：

分析可得到，植株1、3、5同时到达直至秸秆被割断，植株2、4同时被切割，则锯盘的受到两个脉冲力的作用。假设玉米秸秆被锯盘截断需要随锯盘运动的位移为S，由余玄定理 ：

则

Θ：为刀盘转过的角度

W：为刀盘的角速度

R：为刀盘的半径

查阅资料知玉米秸秆的茎叶连接力、叶鞘的抗拉特性和茎秆、叶鞘的抗冲击特性结果，得到了玉米秸秆的固有力学特性：茎叶连接力为0.7～16N，叶鞘抗拉力为3～21N，茎秆抗冲击能量为20.3～42.8J。根据实际工作情况，取转速n=2400rad/s，工作行走速度V=2m/s，相对截断位移S=100mm进行比对。

若取茎秆的平均抗冲击能量为30J，则单个植株脉冲力可得：

脉冲力 = （其中锯盘的半径R>>S，则此时运动弧长L≈S）

由于波轮工作的复杂性，如图7所示，当波轮过载荷时齿轮与上下摩擦片打滑时传动轴承受的是最大扭矩，且其是根据碟簧上螺母的拧紧程度所决定的，故设波轮所受的最大静载荷为 。

代入工作参数可得：

脉冲的周期

脉冲间隔

脉冲力持续时间

可知脉冲力时间间隔、脉冲力持续时间都较短，由刀盘及波轮转速之比为30，可得波轮旋转一圈需0.075s，且随着工作行走速度的增加，会发生脉冲力的叠加。UG加载的函数中能确切表达的公式为：

F（t）= +

其中V0是工作行走速度，F为单个植株脉冲力300N，F0为波轮打滑的最大载荷，（由螺母决定，假定F0=1000N）。可将脉冲分段函数近视看作正弦函数图（如图8、9）。

3.关键部件的力学分析及仿真结果

在UG系统中动力学仿真模块定义连杆机构，选择有相对运动的部件，运动的部件整体定义为一个连杆，定义杆件间的运动副，并为其赋齿轮副的参数（如图10）。

由上图可知，随着玉米青贮饲料收获机工作行走速度的增大，单位时间内的脉冲次数也随之增加，且脉冲力也随之增加。

当玉米青贮饲料收获机工作行走速度为8m/s时，利用Ansys对矩形花键轴加载荷，得到切应力的云图及花键轴的总变形云图（如图14、15）。

由上图可以看出，矩形花键轴的最大变形量为2.2024mm，花键轴的最大扭转切应力分布在齿根的附近，这是由于矩形花键的侧面的应力集中所致，与实际工作中的过载情况符合，得到割台部件载荷过大，矩形花键轴发生扭转变形。

4.改进后的力学分析

试验中增加调节安全离合器，设置调节安全离合器的最大扭矩防止传动轴过载荷，根据玉米青贮饲料收获机的工作最大行走速度V=8m/s，将花键轴所受的最大载荷力矩1425500N·mm为安全离合器的最大离合扭矩，利用Ansys给矩形花键轴加载荷，得到切应力的云图及花键轴的应变云图（如图16、17）。

由上图可见，花键轴承受的最大切应力为834.36MPa，最大扭转距离为0.079286mm。安全离合器动作足以保证传动轴过载荷。

5.结束语

本文利用UG软件的model模块获得三维模型数据；并通过基于VR技术的虚拟装配平台对其模型的可装配性加以验证，得到精确合理的零部件三维模型。

进而简化割台部件传动系统的模型，应用理论力学、物理知识计算分析了刀盘所受的力可近视看作为正弦脉冲力并得出随时间变化的等效载荷公式；得出花键轴所需承受的最大载荷与玉米青贮收获机工作行走速度间的关系，分别得出不同速度花键轴所需承受的最大载荷图。

根据材料力学及花键轴的尺寸参数计算出花键轴的屈服强度，进行结果比较。最后，得出花键轴较容易过载的结论，并提出了加装超越离合器的方案，加以分析得到花键轴接近最大载荷时超越离合器的扭矩值。

加以验证，符合实际工作情况，解决了传动系统中的薄弱环节。

参考文献：

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作者简介：余海川，通信作者，新疆大学本科。