玉米联合收获机输送槽的设计与分析

韩文平，王延耀，周家鹏，佟庆坦，张甜甜

(青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛　266109)



玉米联合收获机输送槽的设计与分析

韩文平，王延耀，周家鹏，佟庆坦，张甜甜

(青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛266109)

摘要：输送槽是玉米联合收获机的一个重要部件，是割台与剥皮机相连接的纽带。为此，介绍了4YZP-3型自走式玉米联合收获机输送槽的设计，通过对输送槽输送速度、受力等情况的分析确定其各项参数。同时，使用ADAMS软件对其运动情况进行分析，利用ANSYS Workbench软件分析其受力情况，并采用了输送槽折边的方式来增强壳体边缘强度。

关键词：玉米；输送槽；ADAMS；ANSYS Workbench

0引言

玉米是我国的主要粮食作物之一，根据国家统计局统计，2013年总播种面积为36 318khm2，总产量为21 848.9万t[1]，播种面积及产量均超过稻谷和小麦，为第一大粮食作物。为适应玉米种植面积的递增、农业产业结构的调整和农产品加工业的发展趋势，玉米联合收获机得到了广泛的推广。

玉米联合收获机由众多部件组成，每个部件之间相辅相成、相协调共同完成摘穗、输送、剥皮、果穗收集及茎秆粉碎还田等任务[2]。其中，输送槽是众多组成部件中的一个重要部件，是割台与剥皮机相连接的纽带。割台完成摘穗后，需要将玉米输送到剥皮机中进行剥皮处理，这一工作便需要由输送槽来完成。因此，输送槽输送果穗的质量决定了玉米联合收获机的后续工作能否高效率、高质量地完成。本文介绍了4YZP-3型自走式玉米联合收获机输送槽的设计，并分析了其运动及受力情况，为输送槽的设计提供了理论依据。

1总体方案的确定

1.1总体结构

玉米联合收获机输送部件主要分为螺旋式输送器、刮板式输送槽两种，螺旋式输送器主要输送籽粒，刮板式输送槽主要输送果穗[3]。4YZP-3型自走式玉米联合收获机定位于玉米果穗的收获，未设计脱粒功能，因而采用了刮板式输送槽，主要由输送槽壳体、传动链轮、输送装置及张紧装置等部分组成。其安装位置及总体结构如图1所示。

1.上挡板　2.张紧装置　3.输送槽壳体　4.刮板　5.传动链轮

输送槽喂入口固定在搅龙出口处，安装有主动传动轴，传动链轮安装在主动传动轴上；出料口固定在剥皮机上方，安装有张紧装置，从动轴安装在张紧装置上；两条传动链条之间固定有刮板，从动传动轴可随张紧装置移动，从而实现传动链条的张紧。

1.2工作原理

割台收获的玉米被搅龙集中收集，通过输送槽喂入口输送到输送槽中；刮板均匀固定在输送链条上，相邻两个刮板之间形成一个空槽，输送来的玉米果穗掉落在空槽内；输送链条带动刮板移动，当玉米果穗运输到出料口后，靠自身重力掉落到剥皮机中，从而完成输送工作。

2主要工作部件的设计分析

2.1输送槽壳体[4-5]

输送槽壳体的体积较大，考虑到整机的质量，在保证强度足够的前提下，尽量减小壳体的质量。其结构如图2所示。

1.加强板　2.壳体　3.中间板　4.下挡板

输送槽壳体的材料采用2mm厚钢板，不仅保证输送槽强度足够，还能减小输送槽的质量，也保证了合适的经济性。由于联合收获机总体长度、剥皮机高度等因素的限制，输送槽长度不能过长；再者，输送槽倾斜放置，玉米掉落对刮板产生瞬时冲击力，期望这个力小一点比较好。输送槽倾斜放置示意图及不计玉米掉落瞬间与刮板间的摩擦力时刮板的瞬时受力分析如图3所示。

(a)　　　　　　　　　　　　　　　(b)

Fig.3Sketch map of slant-set conveyer trough and force analysis of scraper

由图3(a)可得出：输送槽壳体长度L、输送槽壳体倾斜长度W、输送槽壳体倾斜高度H以及输送槽倾斜角度α之间的关系为

(1)

由图3(b)可得出：玉米对刮板的压力F、玉米的瞬时重力G以及输送槽倾斜角度α之间的关系为

F=Gsinα

(2)

剥皮机与搅笼出口的竖直高度h=2 000mm，水平距离l=2 300mm，瞬时重力G=288N，因此输送槽能完成输送的条件为

(3)

取G=50N、H=h=2 000mm，由式(1)～式(3)得出壳体长度L、壳体倾斜长度W、刮板受到的压力F以及倾斜角度α之间的关系如图4所示。

图4　长度L、倾斜长度W、压力F及倾斜角α之间的关系

另外，壳体边缘容易受冲击卷曲变形，且容易伤及玉米果穗。因此，为加强壳体边缘的强度及保护玉米果穗，壳体两边采用折边的型式，折边长度为20mm。根据力的作用，相同的作用力，受力面积越小，受到的压力越大，未折边前输送槽边缘受力面非常狭小，因而物体掉落上会受到相当大的压力；力的作用是相互的，输送槽边缘也同样受到相当大的压力，当压力超过壳体的屈服强度，输送槽边缘即会弯曲变形。边缘折边后，其受力面积增大，能承受的力也相应增大，起到加强输送槽的作用。出料口端没有玉米掉落冲击，因而弯折1次；喂入口端由于受到玉米掉落冲击，因而弯折2次，结构如图5所示。

2.2输送装置

输送装置是输送槽的关键部件，传动方式主要有链传动与带传动两种。带传动依靠带与带轮接触面间的摩擦力作用传递动力，结构比较简单，传动比不准确，且效率低、寿命较短、容易打滑。链传动依靠链条与链轮轮齿之间的啮合传递动力，与带传动相比，传递功率大、效率高、平均传动比准确，无打滑现象，工作可靠；并且，在相同情况下，传动尺寸较带传动小很多[6]。综合链传动与带传动的特点及输送槽的工作场合，应选取链传动的方式。输送装置的结构图如图6所示。

(a)　出料口端截面图　　　　　(b)　喂入口端截面图

1.从动轴2.刮板3.传动链条4.中间板5.主动轴6.传动链轮

图6输送装置结构图

Fig.6Structural of delivery mechanism

输送装置由主动轴、从动轴、传动链轮、输送链条、中间板及刮板等组成。传动链轮与两条输送链条之间均匀固定着刮板，相邻刮板之间的距离为300mm，与槽壁以及中间板形成空槽，用以输送玉米果穗。输送装置在输送玉米果穗时，要充分保证玉米收获量与输送速度相匹配：输送速度过慢，会导致收获的玉米果穗壅积，掉落率增加；输送速度过快，不仅功耗会增加，能量白白浪费，且玉米果穗会与刮板剧烈碰撞，容易出现玉米果穗损伤等问题，会增加果穗掉落率。

2.3张紧装置[7-8]

输送槽采用了链传动的方式，为了避免链条松弛时产生啮合不良及链条震动现象，也为了便于链条的装卸，在输送槽输出口处安装张紧装置，其结构图如图7所示。

输送槽两端各装有1个张紧装置，成对称布置，传动轴固定在两个滑动板上，通过调整滑动板而带动传动轴，从而调整传动链条松弛度。底板焊接在输送槽壳体上，滑动板可以在滑槽内滑动，两个固定螺母分别焊接在底板连接块及滑动板连接块上，调节螺杆连接底板与滑动板，通过旋转调节螺杆来调整滑动板的位置，从而起到张紧的作用。当链条调整到合适松紧度后，通过可动螺母锁紧调节螺杆，以防止链条在工作过程中松动。

1.底板　2.滑动板　3.滑动板连接块　4.底板连接块　5.调节螺杆

工作过程中，张紧装置的可靠性及保证传动轴同轴度尤为重要，这就要求张紧时输送槽两侧的螺杆需同步旋转，每次的调节量要相一致，而且调节螺杆应能自锁，在工作过程中不能出现松动的情况。输送槽在震动的环境下工作，单螺母锁紧可靠性不能保证，双螺母锁紧简洁方便、可靠性高，因而采用双螺母锁紧的防松方法。当调节螺杆调整到合适的位置后，先拧紧可动薄螺母，再拧紧可动标准螺母，2个螺母与螺杆组成螺纹副，其螺牙侧面轴线方向上受到的压力方向相反；当一个方向的压力减小时，另一个方向的压力必定增大，反之亦然。就保证了螺牙上受到的总压力不变，也即总阻力矩不变，从而确保了自锁的可靠性。

3静力学与运动学分析

3.1运动学分析

输送槽要高效率、高质量地完成输送工作，其输送速度至关重要，不能过快，也不能过慢。输送速度即为链传动的线速度，计算公式为[9]

(4)

采用13个齿的小链轮，节距p=15.875mm，主动轴转速n=285r/min，计算得v=0.98m/s，此时的输送速度可以很好的满足输送的需求。测得剥皮机顶端与剥皮辊的高度为500mm，利用ADAMS软件虚拟仿真分析，绘制出玉米果穗以0.98m/s抛出后掉落到剥皮机中的位移、速度曲线，如图8所示。

图8　位移、速度曲线

从图8中可以看出：玉米从抛出到与剥皮辊接触所经历的时间大约为0.4s，接触时的水平位移为293mm，剥皮机长度为600mm，玉米刚好掉落至剥皮机中间部位，掉落位置比较理想；接触时的瞬时合速度为3 256mm/s，角度为与逆时针偏离竖直方向23°，比较理想。

3.2壳体的优化分析[10-11]

输送槽传动轴转动对壳体产生力的作用，壳体材料为Q235钢，当受到的力达到壳体的屈服强度后，壳体会发生变形，传动轴发生偏移，同轴度不能保证，输送槽出现传动问题，因而要保证传动轴轴孔处强度足够。出料口处传动轴固定在张紧装置上，强度足够；喂入口处传动轴直接固定在壳体上，壳体受力较大，故只需分析喂入口处壳体的受力即可。

利用ANSYS Workbench软件对喂入口处壳体进行分析。添加的材料为Q235，其密度为7.85×103kg/m3，弹性模量为2.1×1011Pa， 泊松比为0.33；对壳体进行网格划分，共产生15 713个节点，7 685个网格；添加边界条件为力矩T，则

(5)

其中，传动轴输出功率P=30kW，传动轴转速n=285r/min，由此可计算出传动轴转矩T=1 005N·m。

后处理计算出如图9所示应力云图。由图 9可以看出：壳体受到的最大应力为211.04MPa，Q235钢的屈服极限为235MPa，最大应力较为接近壳体的屈服极限，为安全起见，在壳体两边加上直径为240mm、厚度为2mm的加强板。

图9　轴孔应力云图

4结论

输送槽工作质量的好坏直接影响到联合收获机的作业质量及工作效率。本文通过理论计算，结合虚拟仿真以及有限元分析，设计了匹配4YZP-3型自走式玉米联合收获机的输送槽。设计的输送槽具有结构简单、性能可靠、投资成本低、运输效率高及作业损失小等优点，能很好地满足收获机的输送需求。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家统计局.中国统计年鉴2014[M].北京：中国统计出版社,2014.

[2]徐志莹.我国玉米收获机械发展现状[J].农业科技与装备,2010(10):83-85.

[3]田荣钢,林君堂,王海龙，等.玉米收获机输送清选系统的研究设计[J].农机化研究,2012，34(6):93-96.

[4]卞士卢,尹桥良,代文学.4L-140型联合收割机输送槽堵塞的原因分析与相应对策[J].农业机械,2014(10):86.

[5]李军榜,马艳明.联合收割机输送装置的工作原理和参数计算[J].农机市场,2008(7):64-65.

[6]李程辉.链传动与带传动相关问题讨论[J].科技致富向导,2013(26):168.

[7]余汪洋.链式输送机的张紧装置[J].起重运输机械,2002(6):4-8.

[8]陈晓东.双螺母防松振动性能分析与研究[J].价值工程,2011(24):37.

[9]杨可桢,程光蕴,李仲生.机械设计基础(5版)[M].北京：高等教育出版社,2006.

[10]周万春,王启佳,孙维，等.基于ANSYS Workbench的刮板输送机中部槽优化设计[J].煤矿机械,2012,33(4):8-9.

[11]张强,梁义维,刘青康.基于ANSYS的刮板输送机中部槽轨座故障诊断[J].机械工程与自动化,2010(5):119-120.

Design and Analysis of Conveyer Trough on Corn Harvester

Han Wenping, Wang Yanyao, Zhou Jiapeng, Tong Qingtan, Zhang Tiantian

(College of Electricmechanical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

Abstract：The conveyer trough is an important part of corn harvester, which is a link of connected header and peeling machine.This paper introduces the design and analysis of conveyer trough on the 4YZP-3 self-propelled corn combine harvester.The parameters are determined by analyzing its conveying velocity and force condition.Analyze its movement condition by using the ADAMS, while using the ANSYS Workbench to analyze its force situation. In order to enhance the strength of the shell edge, adopting with a way of folding conveyer trough edge.

Key words：corn; conveyer trough; ADAMS; ANSYS Workbench

文章编号：1003-188X(2016)05-0127-05

中图分类号：S225.5+1

文献标识码：A

作者简介：韩文平(1988-)，男，山东莱阳人，硕士研究生，(E-mail)hwpjinan@163.com。通讯作者：王延耀(1957-)，男，山东青州人，教授，硕士生导师，(E-mail)wyy57@126.com。

基金项目：公益性行业(农业)科研专项(201203028.9)

收稿日期：2015-04-22