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摘要： 为研制茎秆粉碎机前置穗茎兼收型自走式玉米联合收获机，保证割台和茎秆粉碎机可以互不干扰的进行工作，且能在一定范围内运动以达到合适的离地高度；利用三维设计软件的建模以及分析功能，设计茎秆粉碎机的悬挂装置；通过运动仿真和应力分析，获得悬挂架受力最大位置的等效应力、位移、安全系数分布云图。结果表明，悬挂架设计合理，可以达到作业要求；最后通过样机试制验证了该设计的可行性。
关键词： 茎秆粉碎机；运动仿真；悬挂架；应力分析；悬挂装置；有限元分析
中图分类号： S225.5+1 文献标志码： A
文章编号：1002-1302（2017）22-0239-05
我国是农业大国，玉米是主要的粮食作物之一。2014年我国玉米年产量高达215 646 300 kg[1]。按产粮和茎秆比 1 ∶ 1.2 计算，每年约产生258 775 600 kg玉米茎秆[2]。茎秆处理方式大多以焚烧为主，安全隐患严重，然而玉米茎秆具有多功能性，可用作燃料、饲料、肥料、生物基料、工业原料、新型能源等，与人民的生活息息相关[3-4]。
目前，大部分自走式玉米联合收获机只收获果穗，将茎秆还田，少量的玉米收获机配置有茎秆回收装置，但是大部分只完成茎秆切碎作业，后续的运输和打捆仍需要占用许多劳力和时间。因此，在现有玉米收获机的基础上研制了可以集摘穗与茎秆粉碎与打捆功能于一身的多功能玉米联合收获机。茎秆粉碎机粉碎摘穗后的秸秆同时被其输送到打捆机的入料口处，但是它如何与机架连接，如何保证它在运动范围内有合理的运动轨迹，满足收获要求，成了必须要研究的课题。使用三维设计软件对悬挂架进行设计，通过运动仿真将悬挂架在运动过程中受力最大的位置直接输出到有限元分析（简称FEA），得到悬挂架的应力应变云图，通过修改设计参数，得到最佳结构尺寸，为进一步的优化设计提供基础。
1 整机
整机布置方案如图1所示。
茎秆粉碎机前置，避免了玉米茎秆受驱动前轮碾压而清除不净、碎茎秆含土量高等问题，实现穗、茎兼收且能做到果 穗与碎茎秆分别通过输送装置进入各自收集仓，将果穗收集仓的果穗装入果穗运输车，将碎茎秆直接输送到打捆机的入料处。
悬挂装置是茎秆粉碎机的关键部件之一，它连接着茎秆粉碎机与玉米收获机的机架，是茎秆粉碎机的固定基础，并承载着输送筒、风扇、减速箱、皮带轮等附件的质量。该设计主要针对茎秆粉碎机与玉米收获机架的连接。
2 茎秆粉碎机及悬挂架结构和工作原理
茎秆粉碎机包括碎茎秆输送筒、粉碎机悬挂臂、粉碎机悬挂支臂等，具体见图2。
茎秆粉碎机以前置悬挂安装连接方式安装在玉米联合收获机驱动前轮与果穗收割台之间，茎秆粉碎机下方设有顶出油缸，油缸通过悬挂架传递动力，使茎秆粉碎机能够在一定范围内旋转，达到最合适的离地高度。茎秆粉碎机通过发动机动力输出轮传递来的动力完成茎秆粉碎工作。割台与茎秆粉碎机间有安全限位装置，保证工作过程中的安全。
[FK（W15][TPCDY2.tif]
3 模型的建立
3.1 茎秆粉碎机模型的建立
建立茎秆粉碎机模型如图3所示。由于悬挂架承重主要为茎秆粉碎机自重，为了得到茎秆粉碎機的质量，为每个零件添加材料，茎秆粉碎机壳以及输送筒外壳均采用Q235A，刀轴以及绞笼轴采用45钢，刀片采用65 Mn，添加的材料属性见表1。其余零件使用软件材料库中的材料，电机、减速箱、皮带轮以及齿轮选用灰铸铁。通过软件分析功能得到茎秆粉碎机的质量为712 kg。
3.2 悬挂架模型的建立
3.2.1 悬挂架的设计
茎秆粉碎机通过悬挂装置与玉米联合收获机配套使用。由于茎秆粉碎机要进行回转运动，因而不能采用螺栓以及其他没有自由度的连接方式。设计采用矩管焊接的方式，茎秆粉碎机壳表面呈凹凸不平状，会使焊接更加容易。茎秆粉碎机与2根互相垂直的矩管焊接，整个机架与传动轴的轴套焊接（图3）。由于该机架还须要承载为减速器传递动力的皮带轮的小张紧轮的质量，因此设计了悬挂支臂，用来焊接连接小张紧轮的钢板，同时可以为悬挂臂分担载荷。
3.2.2 矩管挑选
材料采用矩形冷弯空心型钢，本设计选择尺寸为80 mm×40 mm×4 mm的矩管。在软件中添加悬挂架材料普通碳素钢Q235A[5]，添加的所有材料见表1。
3.3 装配后模型
分别建立好2个部分的模型后，将2个部分装配到一起，装配完成后为各个部分定位。以茎秆粉碎机离地面距离最小时[CM（25]的位置作为定位基准，此时，油缸达到伸缩极限，油缸伸入
推杆25 cm，刀片离地3 cm。固定尺寸为最低的刀片距离悬挂架最低面25.5 cm、固定油缸的轴距离地面66.0 cm。由以上尺寸可以推断出当茎秆粉碎机处于最低位置时固定油缸的轴与悬挂架最低面距离37.5 cm。利用该三维软件检验尺寸的功能调整好距离，之后将安装轴套的轴和固定油缸的轴固定，为下一步的仿真做好准备。装配好的模型如图3所示。
4 运动仿真
对一个运动的零件进行有限元分析，首先须要知道它的受力，由于悬挂架和与它相连接的零件的相互作用在运动过程中不断变化，因此悬挂架受到的外力在运动过程中也不断变化[6]。虽然运动是一个连续的过程，但在该三维软件运动仿真模拟计算中将运动过程离散成了一定数量的时间点，可以对零件在每一个时间点进行有限元分析，或者对一个特定的时间点进行有限元分析[7]。
4.1 仿真前的准备
4.1.1 创建连接
该三维软件可以自动将约束转换为标准连接，转换后的标准连接有铰链（旋转）运动、平移、球面圆槽运动。
4.1.2 定义外部载荷
在外部载荷的下拉菜单中右击重力按钮，为各个零部件定义重力，需要给定的是重力方向，这里的重力方向为X轴负方向，使用矢量分量定义重力，给定方向后软件会根据各个零件的材料计算出它们的重力。
由于导出机架后须要进行网格划分，所以仿真时去掉了张紧轮和板子，这样网格划分时只对悬挂架进行划分，使网格划分更加容易且精确；还去掉了变速箱和皮带轮，它们的重心位置在几何中心，添加外力比较方便且不会影响结果的精度。
4.1.3 驱动力的设定
茎秆粉碎机的升降运动是靠油缸的动力来完成的，因此应将油缸的运动设定为原动力。以速度作为驱动条件，根据油缸的伸缩行程编辑初始条件，根据推杆长度确定初始位置在4 cm处。最后在仿真播放器上设定时间，与速度配合后保证油缸伸缩行程为25 cm。
4.2 运动轨迹
在运动仿真前，设定跟踪轨迹。以茎秆粉碎机壳右下角一点为基准，得到运动轨迹（图4），可见茎秆粉碎机所做运动
是以轴套中心为圆心的圆周运动。
4.3 输出到有限元分析
4.3.1 选定时间点
从工具面板上打开输出图示器，可以看到模拟结果的数值和在图形区由曲线表示的变量的变化规律，曲线为悬挂架与茎秆粉碎机之间的力。输出图示器列出了该机械系统的所有连接，展开连接的节点，可以看到该连接上的力、力矩、加速度、速度、位置。悬挂架有多个连接，说明它有多个反作用力和反作用力矩。通过关联菜单命令搜索力的最大值，选定该时间点。
4.3.2 选择载荷承载面
在“运动仿真”工具面板上，单击“输出到有限元分析”命令，从图形窗口选择悬挂架，之后弹出选择承载面的对话框，为每一个运动选择承载面。选择完所有面单击确定后就完成了运动仿真输出到有限元分析，进入到应力分析环境。
5 应力分析
5.1 分析前的准备
5.1.1 网格划分
在分析系统中，被处理的模型被划分成有限个小的单元结构，称为网格化。网格的划分形式直接影响结果精度，网格的数量越多，越接近模型的原始形状，计算表达就越精确。该三维软件提供了网格设置功能，各个设置参数如图5所示，结果见图6，得到65 744个节点，33 008个元素。
5.1.2 输入运动载荷
通过创建分析完成运动载荷的输入，此时各个力和力矩会在悬挂架上显示（图7）。对于每个承载面，有1个远程力和力矩，都是矢量。远程力是运动仿真向力学[CM（25]分析进行工况参数传递用的一个概念，由于施加力的成员
并不在这个分析的范围内，故而称之为“远处”。
5.2 应力分析的结果
5.3 结构改进
安全系数越大越安全，但是安全系数并不是越大越好，“过于安全”会造成材料的浪费。根据以上分析结果进行悬挂架设计参数的改进，减小钢材的尺寸，节省材料的同时降低悬挂架的质量。重新选择矩管的尺寸，因为该设计过于安全，所以选择与之前相差较大的尺寸60 mm×30 mm×3 mm。
另外，从应力、位移、安全系数3个分布云图中分析，没有焊接张紧轮的悬挂支臂基本不受力且没有变形，故而改进结构时将其去掉，简化了悬挂架的结构。
对改进后的悬挂架用同样的方法进行有限元分析，得出
优化后的等效应力以及安全系数分布云图。由图11、图12可以得出，应力最大值为57.08 MPa，安全系数最小值为 363，在安全范围内。位移最大值为0.012 62 cm，在与轴套相 连的矩管上，该矩管长度为133 cm，位移变形在安全范围内。
6 样机试制
根据设计参数，委托厂家进行样机试制，用生产后的悬挂架将茎秆粉碎机连接到山东奥泰机械厂生产的玉米联合收获机上，图13为生产完成后的样机。将该样机进行田间试验，配套拖拉机动力为92 kW，工作时刀片離地面约5 cm（在设计的运动范围内），保证留茬高度在9～12 cm，工作幅宽为 16.5 cm。试验结果表明，该设计能够满足茎秆粉碎机工作过程中的运动范围，且保证与割台互不干涉地进行工作，该机组作业顺畅，悬挂架没有发生变形。
7 结论
利用三维软件的分析功能，对设计的悬挂架进行运动仿真，得出受力最大位置，之后将该位置的运动载荷直接输入到FEA进行应力分析。使用这种方法，应力分析网格划分时仅对导出的悬挂架进行划分。分析时不必建立等效模型，可以保留原始模型的主要零件，仿真时更接近实际工作情况，分析时结果更加精确。通过对强度和刚度的分析，更改了悬挂架
的设计参数，并改进了悬挂架的结构。结果表明，该悬挂架的质量减少了20 kg且能够满足作业要求，节省了材料，节约了成本，降低了整机的质量，减少了能量消耗。通过样机试制，验证了该设计的合理性。在分析中没有考虑碎秆轴的转速及切割茎秆的力，只考虑了重力作用，因此结果会比实际情况偏小。但是，加载的外力均比实际情况偏大一些，综合来看，结果应该比较接近实际工况，分析结果将为实际设计提供参考和依据，并为下一步的分析奠定基础。
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