基于Solidworks的钢辊式牧草调制器优化设计与性能试验

王俊跃，包德胜，鲍志亮，孟玉刚，郭喜燕，高 磊

(中国农业机械化科学研究院呼和浩特分院有限公司，内蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

豆科类牧草如紫花苜蓿，含有丰富的蛋白质和矿物质，是一种种植广泛的优质牧草。由于收获期牧草茎秆和叶片的含水率有显著不同，茎、叶干燥速度不一致，若收割方式不当，会造成在收割至打捆期间牧草叶片大量脱落，营养物质随之流失[1-6]。

目前，为了加快牧草田间干燥速度，降低牧草营养物质损失，获得优质高产的青干草，使用牧草切割调制机是牧草收获必不可少的[7-11]。国内外学者针对旋转式牧草切割调制机进行了许多设计研究，但是以往的研究多以切割器和橡胶辊调制器为研究对象，而针对钢辊式调制器的研究鲜有报道[12-20]。本文设计一种钢辊式牧草调制器，对关键零部件进行静力学仿真分析，优化设计方案，提高牧草压扁率和安全可靠性。

1 调制器结构与工作原理

1.1 结构组成

钢辊式牧草调制器是牧草切割调制机的主要工作部件，主要由机架、间隙调节机构、调制钢辊和传动系统组成，其结构如图1所示。其中，上、下调制钢辊均由主轴、固定齿轮和辐条焊接而成，两个调制钢辊一上一下设置于机架内侧。上调制钢辊左右两端分别与间隙调节机构左右两端通过轴承铰接。下调制钢辊位于机架下方，其左右两端分别与机架左右两侧通过轴承铰接。上、下调制钢辊齿顶与齿根相互啮合。传动系统主要由液压马达、一级变速箱、二级变速箱、主动胶带轮、从动胶带轮、张紧轮、中间轴、万向节传动轴和普通V型带组成。

1.传动系统 2.机架 3.调制钢辊 4.间隙调节机构图1 钢辊式牧草调制器结构示意Fig.1 Structural diagram of steel roll hay modulato

1.2 工作原理

钢辊式牧草调制器与旋转式切割器配套使用，工作前，通过调节间隙调节机构，调整上、下调制钢辊啮合间隙，以满足饲草调制要求。工作时，拖拉机提供的动力依次传递给液压马达，驱动一级变速箱工作，通过普通V型带再将动力传递给二级变速箱，二级变速箱分别通过两个反向旋转的万向节传动轴将动力同时传递给上、下调制钢辊，实现上、下调制钢辊啮合作业，将前端连续切割喂入的牧草调制聚拢成一定幅宽的草条。

2 关键零部件受力分析与参数设定

2.1 调制钢辊受力分析

由于上、下调制钢辊结构相同，且工作过程中受力情况相似，故本文只对上调制钢辊进行研究分析。上、下调制钢辊分别在扭矩T的作用下工作，二者始终以同速反向匀速转动，上调制钢辊除受自身重力G外，还在啮合处始终有两根辐条受与之啮合的下调制钢辊辐条的压紧力Nτ，上调制钢辊瞬时受力分解如图2所示。

1.上调制钢辊 2.下调制钢辊图2 上调制钢辊瞬时受力分解Fig.2 Instantaneous force decomposition of upper modulated steel roller

2.2 调制钢辊参数设定

根据文献[21]，对调制钢辊相关参数进行设定。

2.2.1夹角和中心距

为了使牧草流畅喂入，并延长牧草在钢辊间的停留时间，提高牧草的压扁率，上、下调制钢辊轴心连线与水平方向需形成一定夹角，结合整机结构布局，设计此夹角θ=75°，两辊中心距O1O2=240 mm。

2.2.2间隙

由于调制器工作时调制钢辊以较高的速度回转，为了保证上、下两调制钢辊不致因碰撞发生损伤，调制钢辊之间最小间隙2 mm，根据牧草的调制要求，本装置上、下调制钢辊间隙d为3～5 mm。

2.2.3直径和线速度

调制钢辊直径过大或过小均影响牧草顺利通过两辊之间，根据推荐调制钢辊直径170～264 mm，调制钢辊线速度7～9 m/s，设计本调制钢辊直径D=260 mm，调制钢辊线速度v=9 m/s。

2.2.4压紧力

调制钢辊单位长度的压紧力由牧草种类和喂入量决定，对于带槽调制钢辊最小压紧力1 570 N/m，本调制钢辊工作幅宽2.5 m，考虑到牧草调制效果，减少牧草损失，故上、下调制钢辊对牧草压紧力取最小值3 925 N，即调制钢辊辐条所受法向压力Nτ=3 925 N。

2.2.5扭矩

根据不同的前进速度，每米幅宽的调制机组需要消耗功率3.68～5.44 kW。结合本调制器的结构特点，输入功率P=10 kW，故调制钢辊转速n和扭矩T分别为

3 调制钢辊三维建模与静力学分析

3.1 三维建模

利用Solidworks三维机械设计软件设计调制钢辊的三维模型，并根据理论分析与牧草调制工作需要，设计调制钢辊结构为5个固定齿轮等间距对称焊接在主轴上，14根辐条圆周均布置于固定齿轮卡槽内，并与之焊接，辐条长度2 500 mm，厚度5 mm，辐条外棱进行修圆处理，调制钢辊三维模型如图3所示。

图3 调制钢辊三维模型Fig.3 Three dimensional model of steel roller

3.2 静力学分析

利用Solidworks/Simulation中的静应力分析模块，对调制钢辊进行静应力仿真分析，静应力分析流程如图4所示[22]。

图4 静应力分析流程Fig.4 Flow chart of static stress analysis

调制钢辊材料均选用20优质碳素结构钢，扭矩设置为145 N·m，相邻两根啮合辐条所受法向压力设置为3 925 N，角速度设置为34 rad/s，引力方向为Y轴负向。通过运行求解，得到调制钢辊材料为20钢及辐条厚度5 mm时的应力分布(图5)、位移分布(图6)和安全系数分布(图7)。

图5 材料为20钢及辐条厚度5 mm时的应力分布Fig.5 Stress distribution when material is 20 steel and spoke thickness is 5 mm

图6 材料为20钢及辐条厚度5 mm时的位移分布Fig.6 Displacement distribution when material is 20 steel and spoke thickness is 5 mm

图7 材料为20钢及辐条厚度5 mm时的安全系数分布Fig.7 Safety coefficient distribution when material is 20 steel and spoke thickness is 5 mm

由图5～7可知，调制钢辊应力集中区域主要发生在啮合辐条与固定齿轮的连接处及啮合辐条在相邻固定齿轮的中央区域，最大应力值约364 MPa，远大于20钢的屈服极限245 MPa，最大合位移约7.82 mm，形变较大，且最小安全系数为0.7，远小于结构钢在静载荷下的最小安全系数推荐值1.4[23]。调制钢辊受应力作用会在应力集中区域发生塑性变形甚至断裂，需对其进一步优化设计。

3.3 优化设计

为了使调制钢辊在工作过程中产生较小的应力应变，以及具有较大的安全系数，需从材料选用、结构调整和热处理等方面进行优化设计。

考虑到本调制器的结构特点及成本分析，在其他参数不变的条件下，调制钢辊材料可改用45优质碳素结构钢或Q345低合金高强度结构钢，辐条厚度由5 mm改为6 mm或8 mm。分别利用Solidworks/Simulation中的静应力分析模块分别对多种参数组合下的调制钢辊进行静力学仿真分析。分析结果显示，调制钢辊材料选用45优质碳素结构钢且辐条厚度8 mm时，获得的应力应变分布和安全系数分布最理想。调制钢辊材料为45钢及辐条厚度8 mm时的应力分布、位移分布和安全系数分布如图8～10所示。

图8 材料为45钢及辐条厚度8 mm时的应力分布Fig.8 Stress distribution when material is 45 steel and spoke thickness is 8 mm

图9 材料为45钢及辐条厚度8 mm时的位移分布Fig.9 Displacement distribution when material is 45 steel and spoke thickness is 8 mm

图10 材料为45钢及辐条厚度8 mm时的安全系数分布Fig.10 Safety coefficient distribution when material is 45 steel and spoke thickness is 8 mm

由图8～10可知，调制钢辊在应力集中区域最大应力值约157 MPa，远小于45钢的屈服极限355 MPa，最大合位移约2.66 mm，形变较小，且最小安全系数约2.3，在结构钢安全系数推荐值范围内。

4 性能试验

2019年7月20日在呼和浩特市土左旗塔布赛乡塔布赛村苜蓿种植基地进行了钢辊式牧草调制器性能试验，试验依据文献[24]进行，主要试验指标是压扁率。田间调查结果如表1所示。

表1 田间调查结果Tab.1 Field survey result

本钢辊式牧草调制器与旋转式割台(工作幅宽5 m)配套工作，配套动力60 kW，机具前进速度10 km/h。试验田(80 m×25 m)内，在拖拉机牵引驱动下，紫花苜蓿经旋转式切割器和本钢辊式牧草调制器共同作用，切割调制聚拢形成5个长度80 m、宽度1.8 m的散状草条。使用钢卷尺(量程0～3 m)在每个草条任意区域内选取一个1 m×1 m的取样点，共选取5个取样点，分别标注取样序号为1、2、3、4和5。将5个取样区域内的苜蓿分别收集起来，然后使用托盘电子秤(量程0～3 kg，精确度0.1 g)分别称量，得到每个取样点实际收获苜蓿质量。再从上述5个取样点收集起来的苜蓿中将未被压扁的苜蓿分离出去，剩下的苜蓿(发生折弯压扁变形的)分别再次称量，得到每个取样点实际收获牧草中被压扁苜蓿质量。根据压扁率计算公式(1)，计算得到试验测定结果，如表2所示。

(1)

式中Yb——压扁率， %

gb——单位面积实际收获牧草中被压扁牧草质量，g/m2

gs——单位面积实际收获牧草质量，g/m2

根据各取样点实测数据分别计算每个样点的压扁率，试验测定结果如表2所示。

表2 试验测定结果Tab.2 Test result

试验测定结果与文献[24]比较，5个测试样点的压扁率均大于标准技术指标要求值90%，平均压扁率94%，调制效果良好。作业过程中未发现明显磕碰和异常响动，无故障发生，说明本钢辊式牧草调制器运行平稳，结构安全可靠。

5 结论

(1)设计了一种新钢辊式牧草调制器，调制器结构采用一对互相啮合的钢辊组合。

(2)应用Solidworks软件对本钢辊式牧草调制器进行三维建模，并应用Simulation模块对调制钢辊结构进行静力学仿真分析，经优化设计，得到调制钢辊材料选用45优质碳素结构钢且辐条厚度8 mm时所受应力应变较小，安全系数较高。

(3)田间试验结果表明，本钢辊式牧草调制器的压扁率94%符合技术指标要求，且结构设计合理，安全可靠。