D型单结绳打结器关键部件逆向设计与结构优化

高 雄，汤 岩，胡东阳，王洪波

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018)



D型单结绳打结器关键部件逆向设计与结构优化

高 雄，汤 岩，胡东阳，王洪波

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018)

农牧业机械化标志着农牧业现代化的进步，而饲草生产机械化是农牧业机械化的重要组成部分，牧草收获已从传统人工收获方式发展到今天的自动捡拾压捆机械收获。打结器是压捆机械的核心部件，以9YFQ-1.9型正牵引跨行式方捆压捆机为例，分析其装配的D型打结器的工作原理，运用CATIA软件对打结器架体逆向建模，借助ANSYS workbench14.5软件对架体进行有限元分析，并对其进行结构拓扑优化。在考虑装配尺寸和加工工艺的前提下，根据优化结果对架体三维模型进行修改，加厚了蜗杆轴孔壁，加宽了打结钳支座，并在两者之间增加加强肋。对优化后的架体进行故障状态的有限元分析，结果显示结构优化达到了预期效果。

打结器；逆向工程；有限元分析；结构优化

0 引言

近几年，我国畜牧业发展迅速，秸秆的饲料价值也越来越引起人们的重视[1]。在饲草与农作物秸秆产业化的过程中，需要解决的关键问题是收集和储运。国内和国外生产实践均证明，要实现饲草生产高效益可持续发展，必须满足两个方面：一是要大规模经营；二是要实现机械化加工生产[2]。彻底解决自动捆扎技术，对农牧业现代化起重要作用。

本文基于中国农机院呼和浩特分院研制的9YFQ-1.9方草捆打捆机(见图1)，结合小方捆捆草机的实际生产情况，分析打结器工作原理和各机构的工作载荷，对打结器架体断裂的问题进行研究，并在研究的基础上对架体提出适当的结构优化，为打结器国产化提供理论支持。

1 D型单结绳打结器工作原理和结构分析

由内蒙古华德牧草机械公司生产的9YFQ-1.9跨行式压捆机的牵引方式为正牵引式，如图1所示。该机主要由牵引梁、捡拾器、螺旋输送器、喂入机构、活塞、压捆室、打捆机构、草捆长度和密度调节装置、传动系统等组成[3-4]。拖拉机的动力通过传动轴、摩擦式安全离合器、齿轮传动、链传动和带传动传递到各工作部件。打结器是打捆组件的核心工作部件，主要功能是将包络草捆的捆绳打成牢固可靠的绳结。D型打结器主要由打结器架体、夹绳器、打结钳嘴组件、小锥齿轮、驱动夹绳盘的蜗轮、蜗杆和脱绳杆等组成，如图2所示[2]。

图1 9YFQ-1.9型跨行式方草捆压捆机

1.蜗杆 2.驱动夹绳器蜗轮 3.打结器架体 4.蜗杆轴小锥齿轮 5.齿盘 6.打结钳轴小锥齿轮 7.脱绳杆 8.打结钳嘴 9.夹绳器

2 打结器架体架构分析及逆向建模

打结器架体上有5个轴孔，分别为打结器动力主轴轴孔、割绳刀轴孔、打结嘴轴孔、蜗杆轴孔和夹绳盘轴孔。由于打结器本身结构精密，各轴孔呈空间异面结构，各机构高度精准配合，所以各个轴孔之间的角度也需要高度精确，才能够使打结器可靠地完成打结动作。

利用光学扫描仪对架体进行扫描，得到它的点云数据；再利用CATIA逆向模块，反求得到架体的三维模型，并对其误差分析[5-9]，如图3所示。点击Activate命令，激活动力轴孔端面，在激活的过程中尽量选取平整的点云；去除不平整的点云，点击特征曲面识别(Basic Surface Recognition)命令，选择平面类型生成平面；架体不规则的弯曲部分用过曲面拟合命令(Power fit)，最终建立打结器架体模型如图4所示。

图3 导入点云文件

图4 打结器架体模型

3 有限元分析与优化

结构静力分析是有限元分析方法常用的一个方面，其基本步骤为：几何建模(或导入外部几何数据)；材料赋予；网格设置与划分；边界条件的设定；后处理操作。

常用直径为2.7～2.9mm的牧草捆绳，单根绳的极限拉力为1 500N，但打结器工作时捆绳并不是处在最大拉力下。根据对打捆机工作时捆绳拉力的研究，当打结完成后草捆离开压捆室时，此时割绳刀未工作，捆绳所受的拉力最大，两根捆绳的最大张力约为1 320N[10]。因此，可以推出在打结过程中夹绳盘受到的最大拉力F绳=1 320N,方向垂直夹绳盘向下，夹绳盘直径为64.5mm，夹绳盘轴孔受到捆绳的弯矩作用，大小约为50N·m。

打结钳嘴在绕绳的过程中受到绳子的拉力，等效于绳子的最大拉力为1 320N。由于割绳是打结过程的最后一步，其他部件都完成打结动作静止，故割绳刀受力独立分析。

在正常工作状态下，打结器架体受力如图5所示。图5中，在架体A、B、C处，为架体固定点；在D处，架体受到蜗杆等效作用于孔壁的压力；在E处，受到夹绳盘的弯矩作用；在F处，受到夹蜗轮等效作用于孔壁的力；在G处，受到绳子等效的拉力。

图5 机架的受力图

依据机架受到的上述边界条件，对其建立有限元模型，并进行力学分析，有限元模型如图6所示。

对架体进行力学分析后得到架体的应力、应变和总变形量，如图7～图9所示。

图6 有限元模型

图7 优化前架体的等效应力分布图

图8 优化前架体的应变图

图9 优化前架体的变形量分布图

蜗轮蜗杆因故障而无法传动时，架体受力如图10所示。

图10 传动故障时架体受力

图10中，A、B、C为架体固定点。在D处，架体受到蜗杆等效的扭矩作用；在E处，架体受到打结钳等效的扭矩作用。

对故障时的架体进行有限元分析，得到应力、应变和总变形量，如图11～图13所示。

图11 故障时架体应力分布

图12 故障时架体应变分布

图13 故障时架体总变形量分布

从分析结果可以看出：在打结器蜗轮蜗杆传动故障时，应变区域集中在蜗杆轴孔腰部，与打结器架体实际断裂部位相符合。

对优化前架体三维模型进行几何整理和前处理，得到优化前的有限元模型如图14所示。定义材料为HT250，加载荷后进行拓扑优化，使其质量减小45%。

正常工作载荷下，架体应力和应变均在设计范围内，因此定义加载载荷为打结器故障时的载荷。蜗轮蜗杆传动故障时使得蜗杆小锥齿轮无法转动，同时打结钳小锥齿轮无法转动；但齿盘持续转动，进而使得蜗杆小锥齿轮跳齿，与凸轮齿盘不啮合。

故障时，凸轮齿盘形变较小，蜗杆轴孔和打结钳轴孔受到各自轴的扭矩作用，如图15所示。

图14 优化前的有限元模型

图15 蜗轮蜗杆故障时受力图

架体应变图如图16所示。由图16可知：应变集中在轴孔处，在此分析的基础上，在结果中添加Shape optimization工具进行形状拓扑优化，结果如图17所示。

图16 架体应变图

图17 架体形状拓扑优化结果

按照优化结果，考虑到打结器结构中装配的尺寸[11]，修改架体三维模型如图18所示。在尺寸允许范围内，加长了蜗杆轴孔轴向长度(图18中A)，在打结钳轴孔支架与蜗杆轴支座之间添加加强肋(图18中B和C)，同时加宽了安装支座(图中D)。

对优化后的架体模型进行故障载荷分析，如图19所示。优化前后的应变对比如表1所示。从分析结果中可以看出：优化后的模型较优化前模型的应变区域更分散，且变形量更小。这表明，优化后的架体应变足以应对故障载荷引起的形变，在安全装置介入工作之前架体不会断裂，由此得出优化达到预期效果。

图 18 修改后的架体模型

图 19 修改后架体的应变分布图

优化前正常工作时故障时优化后正常工作时故障时Minimum03．2243e-01104．4714e-013Maximum3．8868e-0031．2267e-0043．1888e-0059．2146e-007

4 结论

1)在CATIA软件中完成了对打结器架体的逆向建模，通过反复对比后使得模型误差最小，从而确定架体上5个轴孔之间的空间关系。在ANSYS中对架体模型进行两种状态的结构静力分析，得到应变集中区域主要在蜗杆轴孔处，最大应变为3.8868e-00m/m～1.2267e-004m/m，显示架体在此处易断裂，与实际工作中断裂部位相符。

2)建立架体优化前的粗模型，施加故障载荷进行结构拓扑优化，定义质量减少45%。结果显示：架体蜗杆轴孔部位需要优化，在考虑实际装配的情况下，加长了蜗杆轴孔轴向长度，在打结钳轴孔支架与蜗杆轴支座之间添加加强肋。优化后的架体有限元分析显示，这些改进达到优化效果。

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Reversal Design and Structure Optimization of the Key Part of D-type Twine Single-knotter

Gao Xiong, Tang Yan, Hu Dongyang， Wang Hongbo

(College of Mechanical and Electrical Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018 ，China )

Agricultural mechanization is an important symbol of modernization of farming and animal husbandry,forage production mechanization is an important part of mechanization of farming and animal husbandry.Forage harvesting has developed from the traditional manual harvesting to modern automatic collecting briquetting machine harvest,the knotter is the core component of collecting baling machine.Based on 9YFQ- 1.9 inter-bank conveyor bales grass machine, analyzes its principle of type D knot, using CATIA software to implement the frame body reverse modeling, The finite element analysis by using ANSYS software was carried out on the body,and carries on the structural topology optimization.Under the premise of considering the mounting dimensions and processing technology, according to the result of optimization make the 3d model some change , thickening of worm shaft hole wall, and widen the bearing assembly , then increase the strengthening rib between them. The finite element analysis was carried out on the optimized frame body, the results show that the optimization effect.

knotter; reverse engineering; finite element analysis; structure optimization

2016-01-11

“十二五”农村领域国家科技支撑计划项目(2014BAD08 B10-01)

高 雄(1957-)，男，呼和浩特人，副教授，硕士生导师,(E-mail)gao0927cn@aliyun.com。

王洪波(1978-)，男，呼和浩特人，副教授,(E-mail)wanghb@imau.edu.cn。

S817.11+9

A

1003-188X(2017)02-0027-05