浅谈联合收割机割刀摆臂的结构优化设计

张 兵 王 飞

（郑州工业应用技术学院 河南 郑州 451152）

联合收割机所拥有的众多优势，对农业生产起到了重要作用，在联合收割机逐渐普及的背景下，对联合收割机的性能进行持续优化，是有利于农业生产的。现代的联合收割机在向着多功能、自动化方向发展的同时，作为为割刀“提供”动力的割刀摆臂的研究也需要深入开展。一般而言，对联合收割机的研究集中于怎样更好的脱粒或者是清选，而对割刀摆臂的研究较少，但其实割刀摆臂对整个联合收割机的工作性能的发挥具有重要意义，而怎样实现联合收割机的割刀摆臂结构的不断优化？ 这需要先对其优化结构进行设计。利用当代的计算机技术——ANSYS 软件，对割刀摆臂的结构进行优化设计，更好的提升联合收割机的工作性能，促进联合收割机的普及。

1.联合收割机概述

联合收割机主要用于作物成熟后的收割，一般在作物的收获中主要使用的两段收获法和分段收获法在不同方面都存在着一定的弊端，而联合收割法作为当前比较完善的一种方式，在作物收获中发挥着较大作用，也成为了目前作物收获最常使用的方法之一。联合收割机则是采用联合收割法的重要机械，能在作物成熟后，在田间一次性完成对相关的切割、脱粒和分离、清选一系列过程，对提高农作物收获的工作效率具有重大意义。此外，联合收割机还表现出收获作物的损失小和机械化程度高等优势，在使用联合收割机时，采用机械化的方式进行收割，可以有效节省相应的人力，有利于改善农民的劳作环境，并且其一次性完成所有作物收割的处理程序，从整体上来说，谷物的损失量较少。而在联合收割机中割刀作为其中最为关键的零部件，对整个联合收割机的工作效率形成了极大的影响。

2.联合收割机割刀摆臂的重要作用

在联合收割机中，其割刀摆臂是整个切割机构中的重要零件，一般而言，割刀摆臂的上端和摆叉轴相连，而其下端是和切割器刀头相连，并且从整个摆环机构输出的动力需要经由摆臂才能转换成割刀往复运动的力量，才能实现割刀的驱动，从而完成对作物的收割。所以对联合收割机中的割刀摆臂进行研究是非常有必要的，这对整个联合收割机实现更高层次的发展具有重要意义。割刀主要是将位于割台上的作物切割下来，针对不同作物的联合收割机，其割刀有所不同，像是稻麦收割机中安装的是往复式的切割器，而油菜收割机中一般还需要安装分行切割器。当割刀的质量有所不同时，其对割台产生的冲击力也会不同，若是冲击力过大，长久下来易于造成割台的耗损过快，从而影响到整个收割机的使用。

3.联合收割机中割刀摆臂结构优化设计的方法

在针对联合收割机的割刀摆臂优化设计中，利用有限元分析软件ANSYS 对其结构进行优化设计。这样的方式摆脱了传统的结构设计中采用假设和简化计算等方法导出来的数据不精准的弊端，因为ANSYS 软件充分利用了计算机技术，并且将有限元技术和优化搜索技术结合起来，所以相关的数据会更加准确，而这对实现联合收割机的割刀摆臂的结构优化具有重要作用。这种结构优化设计方式可以设计出割刀摆臂的最佳结构尺寸，利用当代计算机技术，有效缩短研制周期，在设计出的产品上也表现出很高的精度。

利用ANSYS 软件对联合收割机的割刀摆臂结构进行优化设计包含了以下几个步骤：①建立相应的数字化模型，将联合收割机的割刀摆臂的相关数据进行整理分析，形成相应的系统化文件，为后续的模型分析、建立提供基础数据。②利用ANSYS 软件，在其数据库中建立与之前的系统化文件相对应的参数。③进入到OPT 中，指明相应需要优化的参数，并对优化的方法进行选择。④对经过设计序列的结果进行查看，并对结果中出现的问题进行不断调整，最终实现最优化的设计。这样一种利用虚拟技术的方式能有效的节省人力和物力资源，相关的设计结果也能更加科学、合理，较之传统的结构优化设计方法显示出更多优势。

4.联合收割机割刀摆臂结构优化设计

联合收割机在向着自动化的方向不断前进，某些企业也采用了先进的电子传感器对收获的作物的质量进行监控，而面对市场中的对联合收割机质量、效率不断提升的需求时，相关的研发人员也在不断努力提升联合收割机的性能，对其使用的相关技术进行了改革，像是采用大功率发动机等等。而在割刀摆臂方面的结构优化设计主要是从以下两个方面展开的。

4.1 割刀摆臂的静力分析设计

众所周知，割刀摆臂的重量过大时，其在惯性作用下对割台产生的力量也会相应的增加，而这对割台形成了损耗，所以在对割刀摆臂进行优化设计时，需要尽可能的将割刀摆臂的重量降低，尽量减少其惯性作用力，从而实现对割台的保护，降低使用成本。而这就需要对割刀摆臂进行静力分析，再针对这个分析结果进行优化设计。对割刀摆臂进行静力分析，主要是要确定摆臂的最大应力和位移的情况，再对摆臂的尺寸和结构进行优化设计，其中，在优化设计前需要注意的是要满足摆臂相应的强度和刚度需求，这样才能制定出比较合理的优化设计方案，才能使得摆臂的结构设计实现最优值。

在对割刀摆臂的静力分析时，遵循利用ANSYS 软件的基本流程。为了能更加直观的对割刀摆臂进行优化设计，在建立相应的割刀摆臂模型时，省略了割刀的上端和下端的连接部分，再根据实物对摆臂模型设立相应的参数，比如设立上端的空心圆柱体的厚度为10mm 等，继续对下端的空心圆柱的厚度等其他参数进行设置，在对摆臂的材料类型进行设定的基础上完成对摆臂模型的其他参数的设计，最终得到如图1 所示的割刀摆臂模型。

图1 割刀摆臂模型

因为割刀摆臂的制造材料的不一样，对割刀摆臂的重量是会有影响的，所以对选用的实物摆臂的材料的相关数据，比如弹性模量、强度极限等参数都要进行记录，再根据相应的参数，对整个摆臂的最大应力进行分析，对整个摆臂结构上的强度和刚度数据进行分析，从而能为摆臂结构的优化设计提供相应的数据支持。对割刀摆臂的静力分析——利用ANSYS 软件设计的参数模型，在经过计算机技术的精准计算后，能为割刀摆臂提供较为准确的数据，从而有利于实现对割刀摆臂结构的优化设计。

4.2 割刀摆臂的结构优化设计

根据之前对割刀摆臂的静力分析模型，以及设立的相应数值，可以建立割刀摆臂结构优化设计的数学模型。在这其中，空心圆柱的厚度和下端空心圆柱的厚度分别为该数学模型的变量，F(X )为摆臂的体积，从而形成求最小值的函数Min F(X )，并在相应的约束条件下求得摆臂重量的最小值，图2 所示为在调整上下两端空心圆柱的厚度时得到的F(X )的值，即摆臂的体积的变化曲线。

图2 摆臂体积的变化折线图

经过调整上下两端空心圆柱的厚度，对整个割刀摆臂的体积进行了测量，随着相应的体积的变化建立相应的数据分析文件，利用ANSYS 软件选用相应的优化方法，从而得到最优的割刀摆臂的重量值，为割刀摆臂的结构优化设计提供相应的参考数值，最终得到相应的的最优设计结果。在经过科学的分析后得出的摆臂最佳重量，以及各参数的数值，从而实现割刀摆臂的结构优化设计。减小后的割刀摆臂重量对割台所产生的冲击也就较小了，从而有效降低了割台的振动程度，减少了割台的损耗，从结构上实现了对割刀摆臂的优化设计。

5.结语

联合收割机在农业生产中的重要地位，使得相关设计人员必须对其不断进行研究，从而研制出更高效率、全自动化的联合收割机，而在收割机中进行作物割取的割刀是整个收割机的重要部件，而其动力是由割刀的摆臂转化提供的，所以对割刀摆臂结构的优化设计也具有了重要意义。在对割刀摆臂的结构优化设计中，主要利用了网络虚拟技术，利用计算机软件建立相应的参数模型，从而得到最优摆臂结构参数，实现对割刀摆臂结构的优化设计，节省了人力，而重复的试验也没有利用实物，在很大程度上节省了相关资源。