水稻联合收割机切流滚筒结构分析与优化

张浩天，唐 忠，李耀明，何俊增

(江苏大学 农业装备工程学院，江苏 镇江 212013)

0 引言

随着我国水稻品种改良及高产杂交稻的推广，切纵流组合式脱粒分离结构的初脱与复脱组合方式在适应高产水稻收获中的优势逐渐体现[1-2]，但现有切流滚筒与纵轴流滚筒在喂入交接口处常出现茎秆喂入不畅等问题，同时因切流滚筒凹板筛包角为80°～100°，茎秆在切流滚筒脱粒输送过程中仅占滚筒圆周的1/3左右，使得切流滚筒在脱粒过程中承受较大的偏心负载并产生较大的偏心振动[3]。

为解决切纵流结构交接处易堵塞的难题，迪尔公司[4]研发出一种具有输送和脱粒功能的切流式脱粒机构，通过在脱粒滚筒入口侧位置设置可调的凹板筛来减少堵塞；徐立章等[5]通过在切流滚筒和纵轴流滚筒之间设置强制喂入轮来提高物料喂入的顺畅性；赵国良等[6]设计了一种偏心式脱粒机构，将滚筒结构和筛网之间构造出具有大小可变化的间隙；徐立章等[7]对联合收割机田间收获时横轴流滚筒轴端振动进行测试，得出滚筒轴承座位置的振动频率为0.49～37.46Hz，轴承座位置振动幅值为0～3.5mm。改进切流滚筒结构是提高喂入顺畅性的一种重要方式，但现有切纵流交界口处仍存在喂入不畅等问题，切流滚筒在脱粒过程中承受较大的偏心负载，仍会产生较大的偏心振动[8-9]。

本文设计了一种具有偏心结构的切流滚筒结构，其脱粒元件在纵轴流滚筒喂入口处会收回滚筒内部，减少了脱粒元件对物料的回带作用，从而提高了切流滚筒喂入的顺畅性；同时，偏心结构产生的力矩平衡了部分物料对滚筒的阻力矩，减少了切流脱粒滚筒的振动。

1 切流滚筒结构与分析

1.1 切流滚筒结构

本文采用的切纵流脱粒分离装置结构如图1所示。图1(a)为切纵流联合收割机的切纵流脱粒装置，通过对图1(a)切流滚筒进行测绘并运用Pro/E进行三维建模，将切流滚筒结构建模如图1(b)所示。

(a) 切纵流组合结构

(b) 切流滚筒结构

切流滚筒凹板筛包角为100°，脱粒间隙为25mm，切流滚筒外径为500mm，切流滚筒设计转速为800r/min，切流滚筒工作时转速为760～800r/min，工作状态平均功耗约为15kW，峰值状态平均功耗约为25kW。

1.2 受载静力学分析

1)切流滚筒传动轴。传动轴主要承受脱粒过程中茎秆产生的等效阻力与扭矩作用，且扭矩与传动轴转矩近似相等[10]，因此可把传动轴近似为简支梁模型。计算得到正常工作状态下传动轴受力为398.14N，峰值状态下受力为698.1N。在ANSYS中建立传动轴工作状态下载荷与约束，结果如图2所示。其中，A、B表示载荷，C、D表示传动轴端约束。

(a) 正常状态

(b) 峰值状态

在ANSYS中，采用第三和第四强度理论对传动轴强度进行静力学分析。由传动轴的应力及应变分析可得：传动轴在工作状态和峰值状态下的总变形为0.001 6mm和0.002 9mm；变形由施加约束位置开始向中间逐渐变大，在轴中段出现最大值。传动轴在工作状态下整体应力为1.2MPa，在滑动轴承座约束临界处及两端幅盘安装位置处出现应力集中，最大值为10.63MPa；在峰值状态下整体应力为2.1MPa，在滑动轴承座约束临界处及两端幅盘安装位置处出现应力集中，最大值为18.64MPa。

2)脱粒杆齿。切流滚筒工作时，脱粒元件直接与水稻接触承受茎秆阻力。脱粒元件安装在幅盘上，因此在轴两端施加固定端约束。工作状态下每个钉齿受到的平均载荷为16.59N，峰值状态下每个钉齿受到的平均载荷为63.46N。脱粒元件在工作状态及峰值状态下的受载与约束状态如图3所示。其中，A表示约束，其余表示载荷。

(a) 正常状态

(b) 峰值状态

采用第三和第四强度理论对脱粒杆齿强度进行静力学分析后得知：脱粒元件在工作状态及峰值状态下的总变形为0.14mm和0.24mm，变形由脱粒元件两端开始向中间逐渐变大，在中间3个钉齿末端出现最大值；工作状态下钉齿上分布应力为1.91MPa，在齿杆上存在应力集中，最大为17.03MPa；峰值状态下，钉齿上分布应力为3.2MPa，在齿杆上存在应力集中且最大为29.87MPa。

3)滚筒辐盘。切流滚筒凹板筛包角为100°，在工作过程中同时有3排脱粒元件与茎秆接触，假设中间位置的脱粒元件承受总载荷的1/2，两侧的脱粒元件各承受总载荷的1/4，且载荷垂直作用于钉齿。通过计算得到，工作状态下辐盘切向受力为23.05N，径向受力为130.70N，峰值状态下辐盘切向受力为40.41N，径向受力为229.17N。建立切流滚筒辐盘受载与约束模型如图4所示。其中，A表示端幅盘，B表示钉齿，F表示作用于钉齿的载荷。

(a) 两端侧辐盘

(b) 中间辐盘

采用第三和第四强度理论对辐盘强度进行静力学分析后得知：在工作状态和峰值状态下，两端幅盘整体变形分别为0.002 5mm和0.004 4mm；在载荷作用处存在应力集中，且沿径向应力不断增加，在施加约束处达到最大，工作状态和峰值状态下的最大应力分别为4.19MPa和7.35MPa。

通过ANSYS仿真分析得知切流滚筒传动轴、脱粒杆齿、中间辐盘和端侧辐盘的强度均满足设计要求。

1.3 约束模态及振型分析

切流滚筒的模态分析采用自动划分网格方式[11-12]，在实际工况中，切流滚筒安装在滑动轴承座上，且有3排脱粒元件受到茎秆作用，因此在Workbench中传动轴两端施加圆柱面约束，在3排脱粒元件上施加载荷。其中，切流滚筒切向自由，限制轴向和径向自由度，切流滚筒工作状态受载与约束模型如图5所示。

图5 切流滚筒工作状态受载与约束模型

通过对切流滚筒在ANSYS软件中进行约束模态分析后，提取仿真结果的前6阶模态及振型，结果如表1所示。

表1 切流滚筒约束模态及振型

由表1可得：切流滚筒前6阶固有频率在14.51～164.71Hz之间，振型主要表现为扭转、弯曲及轴向窜动。随着约束模态阶次的增加，切流滚筒固有频率也不断增加，其中第2、3阶固有频率值接近，其振型也相似，4～6阶固有频率值接近，振型相似。

切流滚筒第1阶固有频率值为14.51Hz，对应转速为870.8r/min。由于切流滚筒设计转速为800r/min，工作状态转速为760～800 r/min，且工作转速频率与固有频率比值为0.8～1.2便会产生共振[13]，现有的切流脱粒滚筒转速位于共振区内，这与实际工况下出现振动情况相符。因此，提高切流脱粒滚筒的固有频率，避免发生共振，可保证切流滚筒的作业性能。

2 偏心切流滚筒设计

2.1 结构设计

由于切流滚筒在工作状态和峰值状态下的功耗分别为15kW及25kW，切流滚筒等效扭矩分别为179.06N·m和314.14N·m，取峰值载荷314.14N·m进行偏心设计与强度校核。设计切流滚筒传动轴材料选用45号调质钢，由于扭转切应力为脉动循环变应力，通过计算可得切流滚筒传动轴直径最小为38.2mm；依据脱粒元件的工作条件，其材料选取40Cr调质钢，设计偏心距为65mm，脱粒滚筒直径为360mm；脱粒元件长度为175mm，脱粒元件直径为13mm。偏心轴只起支撑作用而不传递动力，选取偏心轴的材料为45号调质钢，直径为35mm。依据切流滚筒、传动轴与支撑半轴的长度，计算可得偏心轴长度为609mm。

依据切流滚筒、传动轴与支撑半轴的长度，偏心轴长度为609.2mm，由于偏心轴产生的力矩可平衡切流滚筒脱粒过程中阻力矩，偏心轴与水平面的偏心角计算公式为

M=mg·e·cosθ

(1)

式中M—偏心平衡力矩；

m—偏心质量；

g—重力加速度；

e—偏心距；

θ—偏心角。

由式(1)计算可得：当设计的偏心切流滚筒传动轴直径为39mm、偏心角为40°、偏心距为65mm时，偏心切流滚筒工作状态下可以平衡7.2%的茎秆阻力矩，峰值状态下可以平衡4.8%的茎秆阻力矩。

为保证偏心切流滚筒旋转过程中不出现脱粒元件的死角，将脱粒元件I设计为Y型，相邻两齿杆夹角分别为80°和145°；脱粒元件II也采用Y型，相邻两齿杆夹角分别为100°和160°；脱粒元件I和II在偏心传动轴上均匀间隔分别布置10组，中心距为25mm；传动轴长度为600mm，偏心轴长度为330mm、直径为35mm，支撑轴长度为170mm、直径为35mm。脱粒元件I、II及偏心传动轴的装配结构如图6所示。

(a) 脱粒元件I (b) 脱粒杆齿II (c) 偏心传动轴

在脱粒滚筒脱粒元件I和II上设计有滚筒推板，滚筒推板总数为6个，在右幅盘、左幅盘上均匀分布，滚筒推板长度为730mm、高度为60mm，距切流脱粒滚筒旋转中心为175mm。偏心切流脱粒元件及滚筒推板装配结构如图7所示。

(a) 偏心切流脱粒元件

(b) 滚筒推板结构

所设计的切流滚筒凹板筛中心与切流滚筒旋转中心在水平方向相距50mm、在竖直方向相距20mm，形成脱粒间隙为10～60mm。将脱粒元件I、II和偏心传动轴、滚筒推板结构装配成偏心切流滚筒结构[14]，结果如图8所示。

图8 偏心切流滚筒总装配结构

2.2 受载静力学分析

由于偏心切流滚筒工作过程中脱粒元件直接与物料接触，承受物料阻力时只有伸出的3排脱粒元件承受阻力，故在整个偏心切流滚筒分析中，只在3排钉齿上施加载荷。经计算，工作状态下每根杆齿上所受的载荷为36.19N，峰值状态下每个钉齿所受载荷为63.46N；整个偏心切流滚筒绕中心轴旋转，故在其两端施加切向自由的圆柱面约束。偏心切流滚筒受载及约束模型如图9所示。

(a) 受载整体模型

(b) 受载方向

通过在ANSYS中对偏心切流滚筒进行静力学仿真分析，结果如图10所示。

图10 偏心切流滚筒静力学仿真结果

由仿真结果知：偏心切流滚筒在工作状态下的总变形为2.46mm，总形变数值由中心轴向外部逐渐增大，最大形变出现在与物料接触的钉齿末端。依据第三强度理论校核，整个偏心切流滚筒上分布应力为99.3MPa。在工作状态下，按照第四强度理论校核，整个偏心切流滚筒上分布应力为86.4MPa。经ANSYS分析得知，所设计的偏心切流滚筒结构强度满足要求。

2.3 约束模态及振型分析

偏心切流滚筒的网格划分采用自动划分方式，在实际工作中，传动轴两端靠滑动轴承支撑，偏心切流滚筒直接安装在滑动轴承座上；因此需要在传动轴两端施加圆柱面约束。其中，切向自由，限制轴向和径向自由度，具体施加约束状态如图11所示。其中，A、B为圆柱面约束。

图11 偏心切流滚筒约束模态模型

通过对偏心切流滚筒进行约束模态分析，可得偏心切流滚筒第1～6阶模态振型，其第1阶模态振型如图12所示。由模态仿真可得偏心切流滚筒前6阶模态及振型结果如表2所示。

由表2可得:偏心切流滚筒前6阶固有频率在25.59～100Hz之间，振型主要表现为弯曲、扭转、轴向窜动；随着阶次的增加，固有频率的值也不断增加；3～5阶固有频率值接近，其振型也相似。

图12 偏心切流滚筒第1阶模态振型

表2 模态分析结果

由此可见，偏心切流滚筒的转速频率12.67～13.33Hz小于偏心切流滚筒的第1阶固有频率25.59Hz。同时，偏心切流滚筒在将物料喂入到纵轴流滚筒时，因偏心轴的作用脱粒杆齿收回脱粒滚筒内，减少了对茎秆的回带作用。

3 结论

1)通过对原有切流滚筒结构进行静力学和模态分析得知:切流滚前6阶固有频率在14.51～164.71Hz之间，振型主要表现为扭转、弯曲、轴向窜动。切流滚筒的1阶固有频率值为14.5Hz，对应转速为870.8r/min；切流滚筒工作转速为760～800r/min，则原切流脱粒滚筒的转速位于共振区内。

2)对切流滚筒结构进行了偏心结构设计，传动轴直径为39mm、偏心距为65mm、偏心角为40°、偏心轴直径为35mm、长度为609mm、脱粒元件直径和长度分别为13mm和175mm，因切流滚筒重心偏移产生的力矩平衡了7.2%的物料产生的阻力矩，同时提高了切纵流脱粒结构在交界口处喂入的顺畅性。

3)对设计的偏心切流滚筒结构进行静力学和模

态分析得知:脱粒元件最大总变形为0.017mm，整体应力小于3.9MPa，在施加约束处存在应力集中，最大为34.2MPa；滚筒推板最大总变形约为2.1mm，整体应力小于62MPa，设计强度均满足设计要求，且避开了脱粒过程中滚筒的共振区。