基于计算机仿真的甘蔗收割机变速器齿轮受力研究

张沛朋，陈永翔

（济源职业技术学院成教中心，河南济源454650）

基于计算机仿真的甘蔗收割机变速器齿轮受力研究

张沛朋，陈永翔

（济源职业技术学院成教中心，河南济源454650）

计算机仿真是机械设计与分析的重要技术之一，以变速器齿轮为研究对象，基于计算机齿轮的受力分布进行仿真分析.分析结果表明：工作过程中，变速器齿轮轮齿满足齿轮最大应力设计要求，使用过程中不会出现轮齿断裂等缺陷；齿轮啮合过程中，轮齿在进入啮合与退出啮合过程中轮齿单面受力，导致齿轮应力最大；通过计算机仿真分析有利于节约设计成本，同时也为设备设计提供参考.

计算机仿真；变速器齿轮；应力

0 引言

随着计算机技术的不断发展，计算机技术应用于各行各业，尤其是计算机仿真技术，极大地提高了机械制造的整体水平[1，2].农业机械化是中国农业发展的一个必然趋势，在国家大力推动下，农业机械化发展迅速，结合高速发展的计算机技术，通过计算机仿真为农业机械化设计提供重要的参考，同时也节约农业机械化设计成本[3].随着中国经济的快速发展，收获机械是甘蔗生产机械化的难点，同时也是制约中国甘蔗生产机械化的瓶颈[4，5].甘蔗耕种收割机械化程度低导致中国甘蔗生产成本居高不下，在世界蔗糖业的竞争力受到巨大冲击，甘蔗收割机械化已成为中国甘蔗生产迫切需要解决的问题[6，7].笔者以农业机械设备轮式甘蔗收割机为研究对象，基于计算机仿真技术着重对甘蔗收割过程中收割机变速器齿轮的受力分布进行研究，分析结果为国内农业机械化设备中的甘蔗收割机的设计及分析提供理论指导.

1 分析对象及主要参数

图1 甘蔗收割机结构示意图

以收割机为研究对象.轮式甘蔗收割机主要由断尾装置、扶蔗装置、压倒机构、砍蔗装置、喂入机构、蔗叶分离装置、输出机构以及各种附件等组成，甘蔗收割机的基本结构示意图如图1所示.

齿轮是机械工程中应用最广泛的零件之一，具有传动效率高、传动比准确、使用寿命长等优点，在使用过程中主要负责传递动力，因而从零件失效的机理分析，齿轮也是最容易出故障的零件之一[8].近几年在国家和地方等大力扶持下，农业机械设备甘蔗收割机发展日益迅速，国内外学者主要研究了甘蔗收割机的扶蔗装置、砍蔗装置、蔗叶分离装置，几乎没有对甘蔗收割机变速器齿轮传动系统进行研究，笔者将针对轮式甘蔗收割机变速器齿轮传动系统进行分析.

甘蔗收割机变速器齿轮传动系统中，齿轮的主要参数如表1所示.

表1 齿轮参数

2 齿轮的建模与数值分析

2.1 齿轮的三维建模

建立正确的三维几何模型是有限元分析的基础，根据表1中齿轮参数，利用SolidWorks建立创建有效的三维齿轮模型，并进行了装配.

在SolidWorks软件中，利用方程式驱动的曲线画出渐开线，然后画出主动、被动齿轮，之后进行装配.SolidWorks中实现直齿轮的装配很容易，需要添加以下约束：a.轴线对齐；b.相邻齿面相切；c.端面对齐或偏距.

装配完成后，对装配三维模型进行全局干涉验算，干涉体积应为零，即齿轮模型之间没有发生干涉，如图2所示.

2.2 齿轮的应力分析

将SolidWorks中建立的齿轮模型转化为中性格式，利用ANSYS对甘蔗收割机变速器齿轮应力进行分析.为了获得较高的计算精度，采用六面体网格对齿轮进行网格划分；同时考虑到齿根应力较大，在齿根处对网格进行了加密处理，最终网格模型分别如图3所示.

图2 齿轮装配图

图3 轮齿网格

根据实际工况，齿轮边界条件主动齿轮输入力矩为100 000 N.mm，两齿轮可绕Z轴转动并约束其他自由度.

3 分析结果与讨论

3.1 啮合理论

齿轮在传递动力时，啮合过程如图4所示，假设主动齿轮逆时针方向转动，根据主动齿轮与被动齿轮齿数可求得传动比i=42/20=2.1，可以知道齿轮在啮合过程中，存在2.1个轮齿相啮合.

通过图4可以看出，两齿轮在A点开始啮合，被动齿轮随着主动齿轮的转动而转动，同时输出动力，带动甘蔗收割机主要部件工作；当轮齿运转到B点时，两轮齿开始分离，退出啮合.

3.2 齿轮应力分析

在啮合过程中，齿轮的受力直接影响着齿轮的使用寿命，进而影响甘蔗收割机的使用寿命.分析齿轮的受力分布对甘蔗收割机的研究位于十分重要的地位，利用ANSYS分析齿轮的受力分布，分析结果如图5所示.

图4 齿轮啮合

图5（a）为齿轮传递动力过程中的应力分布云图，可以看出由图5（a）可以看出，齿轮在刚刚啮入与准备退出啮合时齿轮应力最大，应力大小为171.37 MPa，满足齿轮材料应力要求，使用过程中不会出现齿根断裂破坏现象；图5（b）为啮合轮齿放大图，从图5（b）可以看出，相啮合的中间轮齿受力较小；传递动力过程中，齿根及齿根周围存在应力分布，应力大小为40 MPa.

图6为传递过程中主动齿轮轮齿应力分布云图，从图6可以明显看出齿轮啮合过程中齿轮受力分布.刚开始啮合时，齿轮在分度圆处单面啮合，该啮合状态为轮齿上一条直线啮合，在该啮合区轮齿应力最大，大小为171.37MPa；在齿轮退出啮合时，由于也是单面啮合，轮齿应力较大；中间轮齿双面啮合传递动力，齿轮受力沿轮齿中线呈对称分布，应力较小.在传递动力过程中，啮合轮齿向齿轮中心延伸，存在应力分布，应力较小.

图5 啮合齿轮应力云图

4 结论

通过计算机分析技术，对建立的仿真模型进行计算，分析了轮式甘蔗收割机变速器齿轮在收割甘蔗时的应力分布，得出以下结论：

1）在收割甘蔗时，甘蔗收割机传动齿轮轮齿最大应力满足齿轮设计要求，在使用过程中不会出现因齿根应力过大而导致轮齿断裂等现象；

2）甘蔗收割机工作时，齿轮啮合过程中，轮齿进入啮合与退出啮合过程中轮齿单面受力，应力最大，中间轮齿受力相对较小.

通过计算机仿真分析，不仅可以验证设计的准确性，同时也为节约设计成本提供了重要的参考.

[1]王春晓，张长.基于UG/ISV的数控铣床数字化加工仿真设计[J].现代电子技术，2015，38（3）：125-127.

[2]吴应东.六自由度工业机器人结构设计与运动仿真[J].现代电子技术，2014，37（2）：74-76.

[3]宋星秀，曲毅，王炳和.合成孔径雷达成像Matlab仿真研究[J].现代电子技术，2014，37（22）：17-19.

[4]梁伟，王斌武.甘蔗收割机发展现状与前景展望[J].农业装备技术，2006，05：32-33.

[5]叶红.甘蔗收割机：农机市场的蓝海[J].当代农机，2013，07：34-36.

[6]TAKUYUKIY，KATSUAKIS，KOKII，et al.Application of a Sugarcane Harvester for Harvesting of Willow Trees Aimed at Short RotationForestry：anExperimentalCaseStudyinJapan[J].CroatianJournalofForestEngineering，2012，33（1）:5-14.

[7]郑丁科，区颖刚.甘蔗收割机柔性夹持输送装置驱动马达负载的分析[J].农机化研究，2014，09：47-51.

[8]李光辉，王铁，张瑞亮.柴油发动机传动机构齿轮应力分析[J].农业装备与车辆工程，2008，04：42-45.

（责任编辑 李健飞）

Transmission Gear Stress Research on Wheeled Sugarcane Harvester Based on the Computer Simulation

ZHANG Pei-peng，CHEN Yong-xiang
（Centre of Adult Education，Henan Vocational Institute of Technology，Jiyuan，Henan 450046，China）

The computer simulation is one of the important technologies of modern agricultural machinery design and analysis.Taking the transmission gears of wheeled sugarcane harvester as a research object，this paper makes a simulated analysis of the stress distribution of drive gear in the process of sugarcane harvest.The results show that in the working process of the sugarcane harvester，the transmission gear tooth meets the demand of maximum stress of gear design.The defects such as tooth fracture do not appear；the tooth single stress in the process of gear meshing and exit，which can lead to the biggest stress，appears in tooth.The computer simulation analysis can be beneficial to saving the cost of design，and also provide the reference to agricultural machinery design.

computer simulation；transmission gear；stress

TP391.9

：A

：1673-1972（2015）06-0067-03

2015-06-29

河南省社会发展领域科技攻关项目（112102310377）

张沛朋（1983-），男，河南开封人，讲师，主要从事计算机应用研究.