摘要：为了解决倾斜输送器质量过重问题，建立了倾斜输送器有限元模型，利用有限元分析软件NX NASTRAN对倾斜输送槽进行静力学分析，计算了倾斜输送槽在水平弯曲和扭转工况下的应力分布及变形；选择Altair HyperOpt软件模块，对倾斜输送槽进行轻量化设计。结果表明，经过尺寸优化，倾斜输送槽的质量降幅为1233%，实现了轻量化设计目标。
关键词：联合收割机；倾斜输送槽；静力学；轻量化
中图分类号： S22531文献标志码： A
文章编号：1002-1302（201412-0410-04[HS][HT9SS]
收稿日期：2014-05-12
基金项目：江苏省泰州市科技支撑社会发展计划（编号：39；泰州职业技术学院博硕基金（编号：TYBS-14-1。
作者简介：[JP2]曹元军（1966—，男，江苏兴化人，博士，副教授、高级工程师，从事收获机械优化设计及理论研究。E-mail：cyj_08@163com。[HJ]
早期我国的谷物联合收割机是以引进德国、日本等国外机器和先进制造技术为基础，通过几代人的消化、吸收、仿制并逐步实现零部件和整机国产化而不断发展壮大起来[1-2]。目前，己形成了谷物联合收割机大中小型并重，牵引式、自走式和悬挂式共存[3-4]，农机研究院所和企业联合研制开发占主导地位的格局，部分谷物联合收割机产品己走出国门进入越南、印度等国际市场。为了提高谷物联合收割机工作时间利用率，采用快速挂接割台设计，加大收割机粮仓，改进卸粮装置，采用方便快捷的调节滚筒、风扇转速、凹板间隙机构，从而提高谷物联合收割机的生产率。联合收割机倾斜输送器由壳体和链耙2个部分组成，是连接割台和脱离机构，是输送茎秆的通道。该装置容易产生茎秆堵塞故障，是联合收割机在设计中需要重点考虑的内容之一。笔者以江苏宇成动力集团有限公司的谷缘牌全喂入稻麦联合收割机中的倾斜输送器为研究对象，对倾斜输送器结构进行设计和静力学分析。
1倾斜输送器结构
联合收割机工作时，稻麦等作物经割台上切割器切割后，通过割台喂入搅龙输送到倾斜输送槽，再进入滚筒喂入头，作物茎秆由喂入头上的螺旋叶片推送到收割机轴流脱粒室。随着滚筒的高速旋转，作物茎秆贴着凹板筛与凹板盖组成的圆筒内弧面作螺旋运动，并沿着滚筒轴线方向通过脱粒装置。作物茎秆在纵向轴流滚筒前半段的脱粒区域内，由于受到脱粒元件的冲击、梳刷，物料相互挤压、揉搓完成脱粒，经风机吹出的强劲风速配合振动筛，利用谷粒和夹杂物的空气动力特性的不同而进行清选，轴流式联合收割机收割作物时的工作原理见图1。
谷缘牌全喂入稻麦联合收割机中的倾斜输送器见图2，其中链耙由固定在套筒滚子链上的许多耙杆组成。倾斜输送器耙杆呈“L”形，其工作边缘做成波状齿形，以增加抓取谷物茎秆的能力。为使链条正常传动，在倾斜输送器下部从动轴上装有自动张紧装置，该装置支架固定在倾斜输送器壳体侧壁上，张紧弹簧通过调节螺母把输送器的从动轴自动张紧；调节螺母可改变弹簧的压紧程度，当割台工作时使链耙处于正常的张紧状态。为了能够适应谷物茎秆层厚度的变化，避免倾斜输送器堵塞，通过张紧弹簧使输送器从动轴可以上下浮动。当谷物茎秆层变厚时，从动轴被谷物茎秆层顶起，压缩弹簧起自动调节作用。倾斜输送器链耙的正常张紧度可在被动轴下方测量，按照设计规范耙杆与底板的间隙为15～20 mm。
11滚子链的选择设计
链条模型见图3。滚子链是标准件，主要的参数是链的节距P。
主动链轮的转速为n1=400 r/min；从动链轮的转速为 n2=400 r/min。则可以计算出传动比i=1。[JY]（1
经测试谷缘牌全喂入稻麦联合收割机中的倾斜输送器单排链消耗功率068 kW，根据单排链消耗功率和n1查机械手册链条节距：
[J（]p=15875 mm；[J][JY]（2
主动链轮的齿数初定：
[J（]1=17；[J][JY]（3
计算从动链轮齿数：
[J（]2=i×1=17；[J][JY]（4
初定中心距：
[J（]a0=21p；[J][JY]（5
链条节数Lp0=99，圆整为偶数100；
链条长度Lp=1587 5 m；[JY]（6
计算中心距：
[J（]a1=15875/2（60-17=6588 mm；[J][JY]（7
实际中心距取a=658 mm；[JY]（8
链条速度V=1n1p/60×1 000=190 m/s。[JY]（9
12主动链轮的选择设计
主动链轮、从动链轮模型见图4。主动链轮根据机械制造手册选择。
[F（W11][TPCYJ1tif；S+3mm][F]
[F（W8][TPCYJ2tif][F]
[F（W8][TPCYJ3tif；S+3mm][F]
主动链轮的分度圆：
[J（]d=p/sin（180/z=8639mm；[J][JY]（10
式中：p为链条节距，z为链轮齿数。
[F（W10][TPCYJ4tif][F]
齿顶圆的直径：
[J（]da=93 mm；[J][JY]（11
齿根圆的直径：
[J（]di=7629 mm。[J][JY]（12
其他链轮尺寸相关数据由机械制造手册查得。从动链轮根据机械制造手册选择，其尺寸与主动链轮尺寸相同。
13链耙的设计
倾斜输送器链耙齿板的齿高一般为40 mm，板厚 35 mm。在设计中考虑到链耙速度与割台的输送速度相匹配，取4 m/s。为了适应作物茎秆层厚度的变化，兼顾倾斜输送器链条的合适张紧度，从动轴设计有10～30 mm上下浮动量，以防止作物茎秆堵塞。
在设计中链耙式输送器传送距离不太长，输送槽底板的倾角为35°，以利于链耙对作物茎秆的抓取和输送。链耙齿顶与输送槽底板的间隙为15 mm，在输送槽中部，允许齿顶由于链耙的重量而与输送槽底板接触。为了避免作物茎秆堵塞时易造成机件损伤，在倾斜输送器主动链轮轴上装有允许最大扭矩为100 N·m的安全离合器（图5。
[F（W9][TPCYJ5tif][F]
14输送槽设计
输送槽设计属于倾斜输送器壳体设计，输送槽由方管、蒙板、角钢、链轮轴等组成（图6。考虑到链耙齿顶与输送槽底板的间隙为15 mm，对底板尺寸进行设计时取板厚为 35 mm，方管壁厚为3 mm。
[F（W9][TPCYJ6tif][F]
2输送槽静力学分析
21单元类型选择
倾斜输送槽在UG中的有限元模型导入NX NASTRAN中进行有限元网格划分。倾斜输送槽钢管属于薄壁结构，其厚度为3mm，故选择solid单元进行网格划分，网格大小为 15 mm。倾斜输送槽使用的钢管、角钢、钢板为Q235，泊松比03，弹性模量2068×105 MPa，材料密度7 850 kg/m3。
22网格划分
根据倾斜输送槽的结构及受力情况，有限元模型采用3D四面体网格划分，节点数187 970，单元数94 430（图7。
23载荷条件
取正常收割状态，即大油门收割状态，由于第1脱粒滚筒与倾斜输送槽相连接，当第1脱粒滚筒转速n1=400 r/min时，倾斜输送槽平均功耗输送器单排链消耗功率068 kW，6只螺栓固定链耙链轮轴支座均布孔直径为140 mm。
24边界条件
倾斜输送槽的边界约束根据其与割台、脱粒滚筒装配状态确定。倾斜输送槽上部与割台通过7只螺栓连接，下部与割台通过4只螺栓连接；与脱粒滚筒连接则通过倾斜输送槽左右侧12只螺栓固定。
25解算方案
解算方案采用多约束SESTATIC101，迭代求解器选用兰索士法（Lanczos method，实数过滤器为1×10-15，使用环境变量为UGII NX NASTRAN VERSION，得到仿真结果。
在x方向变化变形位移比较大，通过动画功能观察其变形过程后，查看其最大位移值为4312 mm，位于节点号为 187 886（图8。在y方向变化变形位移，其大位移值范围为4286 mm（图9。在z方向变化变形位移，其最大位移值为为1148 mm，位于节点号为187 387（图10。
综上分析由于x轴方向变化值范围最大，故取x方向变化变形位移为静力学变形位移首选值。结合倾斜输送槽需要优化设计的要求及该x方向变化变形位移值大小，可以初步确定模型最大变形位移的约束条件。
该倾斜输送槽单元节点的冯氏应力（Von-Mises分布云图见图11，最大应力位于与割台连接的支座孔 14 147 号单元，其值为37814 MPa，受外载荷后最大应力没有达到模型材料屈服极限强度的60%[5]，结果表明，倾斜输送槽模型的强度在正常收割工况下，边界约束和载荷条件满足需要。此外，结合倾斜输送槽轻量化设计的要求，根据仿真结果，可初步确定倾斜输送槽模型变形最大应力的约束条件，即可确定应力变化的极限值。因此，依据有限元仿真取得的最大应力值和最大位移值，作为倾斜输送槽结构静力学分析的优化设置参数。
3倾斜输送槽轻量化设计
31 优化方程的建立
[JP2]为了减轻倾斜输送槽的质量，在结合倾斜输送槽静力学分析的基础上，对其尺寸进行优化设计。Altair HyperOpt采用局部逼近算法求解优化设计的数据，当选定的约束条件数超过设计变量参数时，Altair HyperOpt采用可行方向方法构建相似模型，使用的倾斜输送槽轻量化设计数学模型如下[6]：
[J（]F（X=f（x1，x2，…，xn。[J][JY]（13
式中：x1，x2，…，xn为设计变量。
在满足刚度和强度等力学性能的条件下，寻求倾斜输送槽质量最小的设计尺寸分布方案，选择整个倾斜输送槽的质量M（X作为尺寸轻量化目标函数：
[J（]M（X=V（x1，x2，…，xn·ρ。[J][JY]（14
式中：V（x1，x2，…，xn为倾斜输送槽各个组成零件的体积，x1，x2，…，xn为设计变量，ρ为材料密度。
32优化结果分析
在Altair HyperOpt中设置好参数后，进行尺寸参数优化计算，各变量的优化结果如表1所示。
由表1可知，弯曲工况下倾斜输送槽的最大位移量为 2151 mm，扭曲工况下的最大应力值为6374 MPa，没有超过规定值。经Altair HyperOpt轻量化优化，倾斜输送槽质量由原来的7476 kg减少至6454 kg，质量降幅为1367%。优化后应力分布见图12，从中可观察到应力分布比较均匀，应力集中导致的变形相对优化前较小。
[F（W11][HT6H][J]表1变量优化值前后对比[HTSS][STB]
[HJ5][BG（！][BHDFG12，W13，W8。2W]变量名称优化前优化后
[BHDG12，W13Q，W8。2W]倾斜输送槽总体积（mm3954×106824 ×106
[BHDW]倾斜输送槽总质量（kg74766454
最大位移（弯曲（mm43122151
最大应力（扭曲（MPa378146374
4根纵梁（方管（mm325
安装用横梁（角钢（mm538
结构板（mm540
立柱（方管（mm326[HJ][BG）F][F）]
33轻量化方案的提出
倾斜输送槽整体刚度较大，倾斜输送槽强度富裕较多，对于倾斜输送槽结构有必要进行轻量优化，以减轻重量，降低制造材料成本。此外，在收割工况下，使用螺栓固定链耙链轮轴支座的倾斜输送槽大轴孔处易发生裂纹，经Altair HyperOpt初步优化，倾斜输送槽扭曲工况下的最大应力值为 6374 MPa，安全系数较高。因此，为了进一步使得设计的倾斜输送槽符合收割机作业要求，还需要对倾斜输送槽进行结构改进。
（1根据初步优化结果并结合实际作业情况，在倾斜输送槽受力较小处选用厚度更薄的结构板，结构板由原来的 5 mm 改为4 mm等。
（2针对固定链耙链轮轴支座的倾斜输送槽大轴孔处出现应力集中的现象，在左右外侧板处增加加强筋厚度为2 mm（图13。
经过改进再次对倾斜输送槽Altair HyperOpt轻量化优化，弯曲工况和扭曲工况的应力值分别为10345、12452 MPa，弯曲工况的x方向的最大位移值为328 mm，质量降幅为1233%。对比表1结果，倾斜输送槽已达到轻量化设计目的，结构改进方案比较合理，但后续还需要田间收割试验来验证倾斜输送槽结构改进效果。
[F（W9][TPCYJ7tif][F]
[F（W12][TPCYJ8tif][F]
[F（W12][TPCYJ9tif][F]
[F（W11][TPCYJ10tif][F]
4结论
在对倾斜输送槽结构静力学分析的基础上，得到如下结论：
（1对倾斜输送槽建立了有限元模型，并对其结构进行了静[CM（25]力学分析。
（2对倾斜输送槽进行了轻量化设计，其质量[CM]
[F（W13][TPCYJ11tif][F]
[F（W12][TPCYJ12tif][F]
[F（W9][TPCYJ13tif][F]
降幅为1233%，实现了轻量化设计目标。
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