淺談聯(lián)合收割機割刀擺臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

張 兵 王 飛

（鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學院 河南 鄭州 451152）

聯(lián)合收割機所擁有的眾多優(yōu)勢，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起到了重要作用，在聯(lián)合收割機逐漸普及的背景下，對聯(lián)合收割機的性能進行持續(xù)優(yōu)化，是有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的。現(xiàn)代的聯(lián)合收割機在向著多功能、自動化方向發(fā)展的同時，作為為割刀“提供”動力的割刀擺臂的研究也需要深入開展。一般而言，對聯(lián)合收割機的研究集中于怎樣更好的脫?；蛘呤乔暹x，而對割刀擺臂的研究較少，但其實割刀擺臂對整個聯(lián)合收割機的工作性能的發(fā)揮具有重要意義，而怎樣實現(xiàn)聯(lián)合收割機的割刀擺臂結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化？ 這需要先對其優(yōu)化結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。利用當代的計算機技術(shù)——ANSYS 軟件，對割刀擺臂的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，更好的提升聯(lián)合收割機的工作性能，促進聯(lián)合收割機的普及。

1.聯(lián)合收割機概述

聯(lián)合收割機主要用于作物成熟后的收割，一般在作物的收獲中主要使用的兩段收獲法和分段收獲法在不同方面都存在著一定的弊端，而聯(lián)合收割法作為當前比較完善的一種方式，在作物收獲中發(fā)揮著較大作用，也成為了目前作物收獲最常使用的方法之一。聯(lián)合收割機則是采用聯(lián)合收割法的重要機械，能在作物成熟后，在田間一次性完成對相關(guān)的切割、脫粒和分離、清選一系列過程，對提高農(nóng)作物收獲的工作效率具有重大意義。此外，聯(lián)合收割機還表現(xiàn)出收獲作物的損失小和機械化程度高等優(yōu)勢，在使用聯(lián)合收割機時，采用機械化的方式進行收割，可以有效節(jié)省相應(yīng)的人力，有利于改善農(nóng)民的勞作環(huán)境，并且其一次性完成所有作物收割的處理程序，從整體上來說，谷物的損失量較少。而在聯(lián)合收割機中割刀作為其中最為關(guān)鍵的零部件，對整個聯(lián)合收割機的工作效率形成了極大的影響。

2.聯(lián)合收割機割刀擺臂的重要作用

在聯(lián)合收割機中，其割刀擺臂是整個切割機構(gòu)中的重要零件，一般而言，割刀擺臂的上端和擺叉軸相連，而其下端是和切割器刀頭相連，并且從整個擺環(huán)機構(gòu)輸出的動力需要經(jīng)由擺臂才能轉(zhuǎn)換成割刀往復(fù)運動的力量，才能實現(xiàn)割刀的驅(qū)動，從而完成對作物的收割。所以對聯(lián)合收割機中的割刀擺臂進行研究是非常有必要的，這對整個聯(lián)合收割機實現(xiàn)更高層次的發(fā)展具有重要意義。割刀主要是將位于割臺上的作物切割下來，針對不同作物的聯(lián)合收割機，其割刀有所不同，像是稻麥收割機中安裝的是往復(fù)式的切割器，而油菜收割機中一般還需要安裝分行切割器。當割刀的質(zhì)量有所不同時，其對割臺產(chǎn)生的沖擊力也會不同，若是沖擊力過大，長久下來易于造成割臺的耗損過快，從而影響到整個收割機的使用。

3.聯(lián)合收割機中割刀擺臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的方法

在針對聯(lián)合收割機的割刀擺臂優(yōu)化設(shè)計中，利用有限元分析軟件ANSYS 對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。這樣的方式擺脫了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中采用假設(shè)和簡化計算等方法導(dǎo)出來的數(shù)據(jù)不精準的弊端，因為ANSYS 軟件充分利用了計算機技術(shù)，并且將有限元技術(shù)和優(yōu)化搜索技術(shù)結(jié)合起來，所以相關(guān)的數(shù)據(jù)會更加準確，而這對實現(xiàn)聯(lián)合收割機的割刀擺臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要作用。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方式可以設(shè)計出割刀擺臂的最佳結(jié)構(gòu)尺寸，利用當代計算機技術(shù)，有效縮短研制周期，在設(shè)計出的產(chǎn)品上也表現(xiàn)出很高的精度。

利用ANSYS 軟件對聯(lián)合收割機的割刀擺臂結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計包含了以下幾個步驟：①建立相應(yīng)的數(shù)字化模型，將聯(lián)合收割機的割刀擺臂的相關(guān)數(shù)據(jù)進行整理分析，形成相應(yīng)的系統(tǒng)化文件，為后續(xù)的模型分析、建立提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。②利用ANSYS 軟件，在其數(shù)據(jù)庫中建立與之前的系統(tǒng)化文件相對應(yīng)的參數(shù)。③進入到OPT 中，指明相應(yīng)需要優(yōu)化的參數(shù)，并對優(yōu)化的方法進行選擇。④對經(jīng)過設(shè)計序列的結(jié)果進行查看，并對結(jié)果中出現(xiàn)的問題進行不斷調(diào)整，最終實現(xiàn)最優(yōu)化的設(shè)計。這樣一種利用虛擬技術(shù)的方式能有效的節(jié)省人力和物力資源，相關(guān)的設(shè)計結(jié)果也能更加科學、合理，較之傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法顯示出更多優(yōu)勢。

4.聯(lián)合收割機割刀擺臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

聯(lián)合收割機在向著自動化的方向不斷前進，某些企業(yè)也采用了先進的電子傳感器對收獲的作物的質(zhì)量進行監(jiān)控，而面對市場中的對聯(lián)合收割機質(zhì)量、效率不斷提升的需求時，相關(guān)的研發(fā)人員也在不斷努力提升聯(lián)合收割機的性能，對其使用的相關(guān)技術(shù)進行了改革，像是采用大功率發(fā)動機等等。而在割刀擺臂方面的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計主要是從以下兩個方面展開的。

4.1 割刀擺臂的靜力分析設(shè)計

眾所周知，割刀擺臂的重量過大時，其在慣性作用下對割臺產(chǎn)生的力量也會相應(yīng)的增加，而這對割臺形成了損耗，所以在對割刀擺臂進行優(yōu)化設(shè)計時，需要盡可能的將割刀擺臂的重量降低，盡量減少其慣性作用力，從而實現(xiàn)對割臺的保護，降低使用成本。而這就需要對割刀擺臂進行靜力分析，再針對這個分析結(jié)果進行優(yōu)化設(shè)計。對割刀擺臂進行靜力分析，主要是要確定擺臂的最大應(yīng)力和位移的情況，再對擺臂的尺寸和結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，其中，在優(yōu)化設(shè)計前需要注意的是要滿足擺臂相應(yīng)的強度和剛度需求，這樣才能制定出比較合理的優(yōu)化設(shè)計方案，才能使得擺臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)最優(yōu)值。

在對割刀擺臂的靜力分析時，遵循利用ANSYS 軟件的基本流程。為了能更加直觀的對割刀擺臂進行優(yōu)化設(shè)計，在建立相應(yīng)的割刀擺臂模型時，省略了割刀的上端和下端的連接部分，再根據(jù)實物對擺臂模型設(shè)立相應(yīng)的參數(shù)，比如設(shè)立上端的空心圓柱體的厚度為10mm 等，繼續(xù)對下端的空心圓柱的厚度等其他參數(shù)進行設(shè)置，在對擺臂的材料類型進行設(shè)定的基礎(chǔ)上完成對擺臂模型的其他參數(shù)的設(shè)計，最終得到如圖1 所示的割刀擺臂模型。

圖1 割刀擺臂模型

因為割刀擺臂的制造材料的不一樣，對割刀擺臂的重量是會有影響的，所以對選用的實物擺臂的材料的相關(guān)數(shù)據(jù)，比如彈性模量、強度極限等參數(shù)都要進行記錄，再根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)，對整個擺臂的最大應(yīng)力進行分析，對整個擺臂結(jié)構(gòu)上的強度和剛度數(shù)據(jù)進行分析，從而能為擺臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持。對割刀擺臂的靜力分析——利用ANSYS 軟件設(shè)計的參數(shù)模型，在經(jīng)過計算機技術(shù)的精準計算后，能為割刀擺臂提供較為準確的數(shù)據(jù)，從而有利于實現(xiàn)對割刀擺臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

4.2 割刀擺臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)之前對割刀擺臂的靜力分析模型，以及設(shè)立的相應(yīng)數(shù)值，可以建立割刀擺臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學模型。在這其中，空心圓柱的厚度和下端空心圓柱的厚度分別為該數(shù)學模型的變量，F(xiàn)(X )為擺臂的體積，從而形成求最小值的函數(shù)Min F(X )，并在相應(yīng)的約束條件下求得擺臂重量的最小值，圖2 所示為在調(diào)整上下兩端空心圓柱的厚度時得到的F(X )的值，即擺臂的體積的變化曲線。

圖2 擺臂體積的變化折線圖

經(jīng)過調(diào)整上下兩端空心圓柱的厚度，對整個割刀擺臂的體積進行了測量，隨著相應(yīng)的體積的變化建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析文件，利用ANSYS 軟件選用相應(yīng)的優(yōu)化方法，從而得到最優(yōu)的割刀擺臂的重量值，為割刀擺臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供相應(yīng)的參考數(shù)值，最終得到相應(yīng)的的最優(yōu)設(shè)計結(jié)果。在經(jīng)過科學的分析后得出的擺臂最佳重量，以及各參數(shù)的數(shù)值，從而實現(xiàn)割刀擺臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。減小后的割刀擺臂重量對割臺所產(chǎn)生的沖擊也就較小了，從而有效降低了割臺的振動程度，減少了割臺的損耗，從結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)了對割刀擺臂的優(yōu)化設(shè)計。

5.結(jié)語

聯(lián)合收割機在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要地位，使得相關(guān)設(shè)計人員必須對其不斷進行研究，從而研制出更高效率、全自動化的聯(lián)合收割機，而在收割機中進行作物割取的割刀是整個收割機的重要部件，而其動力是由割刀的擺臂轉(zhuǎn)化提供的，所以對割刀擺臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計也具有了重要意義。在對割刀擺臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中，主要利用了網(wǎng)絡(luò)虛擬技術(shù)，利用計算機軟件建立相應(yīng)的參數(shù)模型，從而得到最優(yōu)擺臂結(jié)構(gòu)參數(shù)，實現(xiàn)對割刀擺臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，節(jié)省了人力，而重復(fù)的試驗也沒有利用實物，在很大程度上節(jié)省了相關(guān)資源。