自走式油菜收获机关键部件的虚拟设计与仿真分析

冉云亮，王　胜，何玉静，李　燕

(1.河南农业大学 机电工程学院，郑州　450002；2.河南广播电视大学,郑州　450046)



自走式油菜收获机关键部件的虚拟设计与仿真分析

冉云亮1，王胜2，何玉静1，李燕1

(1.河南农业大学 机电工程学院，郑州450002；2.河南广播电视大学,郑州450046)

摘要：为了提高生产效率、减轻劳动强度，根据油菜的种植农艺要求，设计了一种自走式油菜联合收获机。通过割台进行收割，经过可调输送装置进行输送，然后进行脱粒清选，最后进行茎秆的粉碎，完成整个过程的收获。为此，主要对行车部分的前后桥进行三维虚拟设计，并用有限元软件SolidWorks Simulation进行仿真分析，可以得出前后桥的应力变化、位移变化以及安全系数的变化。

关键词：油菜收获机；自走式；虚拟设计；仿真分析

0引言

我国是油菜生产大国，油菜常年种植在0.07亿hm2左右，产量1 200万t，种植面积和产量均占世界的30%左右[1]。油菜已成为继水稻、小麦、玉米、大豆之后的第五大优势作物，生产区域主要集中在长江流域冬油菜区和北方的春菜产区。油菜收获机是实现油菜采收现代化的重要标志，是农业先进生产力的标志之一，是发展现代化油菜种植、扩大油菜种植面积、降低人工劳动强度及增加农民收入的有效途径，大力发展机械化生产与采收是现阶段农业生产的现实选择[2]。当前，我国油菜生产机械化水平较低，油菜收获机在技术上没有新的突破，传统的收割机割台损失大、含杂率高。因此，要实现油菜生产现代化，我国必须要借鉴西方国家先进的技术并加以改进创新。为此，设计了一种自走式油菜联合收获机，该机可一次性完成收割、输送、脱粒、清选、集箱及茎秆粉碎等工作。同时，对其前后桥进行了仿真分析，旨在为整车的行车系统设计奠定基础。

1总体方案设计

1.1总体结构

自走式油菜收获机集收割、脱粒、清选、集箱于一体，设计主要针对驾驶室部分、行车部分、收割部分、脱离部分这4大部分来进行虚拟设计[3]。整车结构如图1所示，整机传动如图2所示。

1.驾驶室部分　2.收割部分　3. 行车部分　4.脱离部分

1.2工作过程

工作时，油菜收获机割台上的拨禾轮将油菜拨向割台，然后由割刀将其切断，通过可调倾斜输送带和螺旋输送器传到脱离滚筒，经脱离滚筒脱粒后进入清选装置，清选装置有振动筛和风机等。经过清选后的油菜籽经过输运装置进入收集箱，脱离后的长茎秆经过后面的切碎装置进行切碎抛洒。油菜收获机的收获过程可以概括为以下几步：拨禾切割→输送→脱粒→清选→集箱→茎秆粉碎。

2前后桥的虚拟设计和有限元分析

2.1行走部分前车桥设计

前车桥作为驱动桥，驱动桥输入动力为液压马达，通过U型螺栓与车架链接，如图3所示。

图2　总机传动图

图3　前车桥三维模型

2.1.1前车桥有限元分析

对前车桥的工作能力进行计算，使用有限元分析软件对前车桥进行受力分析[4]，具体步骤如下:①对前车桥添加算例，添加静应力模块；②对受分析部件添加材料属性，设置前车桥为灰铸铁材质；③对前车桥添加夹具，运用高级夹具命令；④对前车桥网格划分(见图4)；⑤运行，分别对前车桥进行应变分析如图5所示，应变位移分析如图6所示，安全系数变化分析如图7所示，前车桥应力测试表如图8所示。

图4　前车桥网格划分

图5　前车桥应变

图6　前车桥位移

图7　前车桥安全系数的变化

图8　前车桥应力测试表

2.1.2结论分析

2.2行走部分后车桥设计

安装转向轮的车桥叫转向桥，油菜收获机是后桥转向。后车桥转向靠液压缸来驱动。功用：①通过转向节使车轮可以偏转一定角度以实现车辆的转向；②承受一定的载荷；③应具有正确的定位角度与合适的转向角。性能要求：强度、刚度大；定位角、转向角正确；质量小。结构组成：主要由后梁(后轴)、转向节、主销和轮毂等4部分组成，如图9所示。

1.制动鼓　2.轮毂　3、4.轮毂轴承　5.转向球头销　6.油封

2.2.1后轴的设计

后轴如图10所示。工字形断面：提高抗弯强度。两端加粗：提高抗扭强度。两端成拳形：安装主销。中部下凹：降低发动机位置，降低车重心，扩展驾驶员视野，减小万向传动装置的夹角。中部有弹簧座：支承钢板弹簧。

图10　后轴

2.2.2转向节的设计

转向节如图11所示。转向节由上下耳、转向节轴组成。两耳的销孔与主销配合，为减小摩擦，销孔中压入青铜衬套。下耳与拳部之间有推力轴承，上耳与拳部之间有调整垫片。左上耳装有转向节臂，下耳装有转向梯形臂。轮毂通过两个圆锥滚子轴承支承在转向节轴上。

图11　转向节

2.2.3后车桥的有限元分析

油菜联合收获机后车桥如图12所示。为了验证后车桥的可靠性，对后车桥分别进行静态分析 ，应用SolidWorks Simulation对后车桥进行有限元分析[6]。①对后桥添加算例，添加静应力模块；②对受分析部件添加材料属性，设置后车桥为灰铸铁材质；③对后车桥添加夹具，运用高级夹具命令；④对后车桥网格划分(见图13)；⑤运行，分别对后车桥进行应力分析如图14所示，应变位移分析如图15所示，安全系数分析如图16所示。

图12　后车桥三维模型

图13　后车桥网格划分

图14　静态应力变化

图15　后车桥应变位移

图16　后车架安全系数变化

2.2.4结论分析

3结语

基于SolidWorks软件对整机进行了虚拟设计，并对前后桥进行了有限元分析，得到了前后车桥的应力分布图和变形图以及安全系数的分布图。从分析结果可以看出：前后车桥的受力分布情况大致相同，最大应力主要集中在车桥与板簧交接的位置，最大位移主要集中在车轮轴处以及转向轴销孔处。因此，可以采用局部表面处理的办法提高强度，优化结构。

参考文献：

[1]谭小力,郭蔼光,李殿荣.油菜应用的研究进展 [J].中国农学通报，2002,18(3)：77-78,98.

[2]吴福良.多功能油菜联合收获机的现状及发展方向[J].农业装备与车辆工程，2007(4)：3-5.

[3]周开勤.机械零件设计手册[K].北京：高等教育出版社,2001.

[4]石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社,2008.

[5]黄薇,黄志超,周大路.汽车后桥有限元疲劳寿命分析[J].机械设计与制造，2007(4):21-22.

[6]朱茂桃,陈昆山. 农用运输车后桥壳体的结构强度分析[J].农业机械学报, 2001,32(2):21-23.

[7]李晓艳,朱思洪.基于ANSYS的大功率拖拉机车架的有限元分析[J].拖拉机与农用运输车, 2012,39(2):26-29.

[8]邹彩虹，周雪花.自走式谷物联合收割机后桥的有限元分析[J].河南农业大学学报，2011,45(6)：692-695.

Abstract ID:1003-188X(2016)01-0119-EA

Virtual Design and Simulation Analysis of Self-propelled Harvester Key Components of Rapeseed

Ran Yunliang1, Wang Sheng2, He Yujing1, Li Yan1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002，China; 2.Henan Radio & TV University, Zhengzhou 450046, China)

Abstract：In order to improve production efficiency, reduce labor intensity, we design a self-propelled rape combine harvester which is based on rape planting agronomic requirements. The stalk is cutted by the cutting station, and conveyed to an adjustable, threshing and cleaning equipment. Finally, the harvest process is completed after crushing the stalk. This paper is focused on the design of the front and rear bridge of the carriageway, and using the three-dimensional virtual designing and simulating. Through using finite element software SolidWorks Simulation , you can see the changes of stress, displacement and safety axles of the front and rear.

Key words：rape harvesting machine; self-propelled; virtual design; simulation analysis

文章编号：1003-188X(2016)01-0119-04

中图分类号：S225.92

文献标识码：A

作者简介：冉云亮(1988-)，男，郑州中牟人，硕士研究生，(E-mail)ranyl2008@126.com。通讯作者：李燕(1954-)，女，北京人，教授，硕士生导师，(E-mail)liyanliullzhi@sinacorn。

基金项目：公益性行业(农业)科研专项(201303011-4)

收稿日期：2014-12-31