水稻收割机的割台轻量化设计及经济性分析

时间：2024-05-21

孙潇鹏　林建　刘灿灿　李哲宇

摘要：为实现再生稻的增产和节省农业经济成本，运用Pro ENGINEER 5.0、ANSYS Workbench 15.0等软件对割台进行三维建模和有限元分析，再通过结构优化和材料替换的方法，对水稻收割机的割台进行轻量化设计，旨在获得一种质量更輕的水稻收割机。该收割机可以减少割台损失，尽可能地减少收割造成的落粒和掉穗，增大再生稻的单位面积产量优势;与此同时，该收割机具有更好的燃油经济性。结果表明，经轻量化设计后的割台比原有的质量减少 49.872 kg，可节省燃油144～216 L/年，减少成本1 143～1 715元。此设计为农业机械的轻量化设计和经济性分析提供了理论依据和方法。

关键词：水稻收割机;割台;轻量化设计;有限元分析;减质量;ANSYS Workbench 15.0;经济性

中图分类号： S225.4 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2019）04-0182-05

水稻是我国第一大粮食作物，种植面积约3 000万hm2，约占世界水稻种植面积的21%，年产量近1.6亿t，占世界总产量的34%。水稻不仅是重要的粮食资源，而且水稻在生物化学和制药等方面都有着广泛的应用[1]。水稻在我国的种植面积分布广泛，其主要产地为福建、江西、江苏、安徽、湖北、湖南、浙江、四川和重庆等地，而这些地区多是山地和丘陵，水稻田多为梯田和小块田为主。地区作业环境气候差异很大，所以与小麦相比，水稻的大规模机械化收获更难实现，这就对水稻收割机械的适应性和可靠性提出了更高的要求[2]。农业被视为我国的立国之本和国家富强的基础，无论何时都必须重视粮食的生产、储备、投放能力。粮食的增产更需要农业机械化的支撑[3]，在国内中北部地势比较平坦的平原和盆地，已基本实现农业机械化。而在地势不平坦的南方，尤其在福建地区，因机器不能通过山地梯田而无法实现农业机械化[4]。随着农业机械的深入研究，市场上逐渐出现了适合南方山地丘陵地带的机械。对于水稻收割机械而言，轻量化设计不但可以让它更适应在南方的山地丘陵作业，而且可以减少割台对稻茬的机械损伤，从而达到增加单位面积产量的效果。与此同时，轻量化设计必然让农机本身具有更好的燃油经济性。这对提高国内南方山地、丘陵地带的农业种植机械化程度具有重要意义。

1 对水稻收割机割台系统的虚拟装配

对水稻收割机的割台进行虚拟建模过程中，所采用的建模对象是刚毅4L-0.9B收割机，它的实物见图1。虚拟装配应以实际生产产品及零部件的三维造型为基础，在不考虑现实环境的情况下，对水稻收割机的割台及其部件在Pro ENGINEER 5.0软件中进行建模，虚拟装配的过程是把现实误差进行最大的缩减，对偏差较大的数据进行改进和优化[5]。水稻收割机的割台虚拟装配包括各模块部件装配和整体的装配，主要包括扶禾装置、切割装置、输送装置[6]，然后将这几个部分装配得到割台整体的三维模型，最后对割台系统的三维模型进行干涉检查，保证每个部件不发生干涉。完成上述操作，装配体与实体模型见图2。

2 对水稻收割机的割台轻量化设计及有限元分析

2.1 对水稻收割机的割台初次轻量化设计方案

在新能源汽车领域，多采用铝制车身框架和复合材料车身的搭配，在软件仿真的过程中，减质量效果较好的属于铝合金6000系列材料[7]。在航空领域，由于复杂的太空环境要求支架具有非常高的尺寸稳定性，因此为提高结构刚度和减质量效果，须选取典型的结构进行轻量化研究。首先根据碳纤维复合材料的性能参数和边界条件建立有限元模型，并进行仿真分析。其次，由于碳纤维复合材料支架具有更优异的力学性能和更轻的质量特性，在突破复合材料支架成型技术的基础上完成了复合材料设备的研发和制造，碳纤维复合材料支架具有更优异的力学性能和更轻的质量[8]。简单的来说，轻量化主要是通过采用轻量化材料和制造工艺来完成。根据

以上结论，现分别采用铝合金（aluminum alloy）、铜合金（copper alloy）、镁合金（magnesium alloy）、钛合金（titanium alloy）这几种材料，通过材料更替得到最佳轻量化设计方案[9]。

将以上材料分别用于割台左挡板、割台右挡板、割台后挡板、割台框架4个部分，利用ANSYS Workbench 15.0软件进行材料的替换和分析。默认材料为结构钢（structural steel），此时各部分质量分别为1.220 7、1.220 7、3.579 2、32.27 kg。进入ANSYS Workbench 15.0进行多种材料的选取。在“Model”中点击“Geometry”，在“Details of ”“Geometry”中点击“Properties”下的“Mass”选项，便可查看所选用材料的质量[10]。按照这个办法对材料进行质量测定，材料的质量见表1。

根据提供材料的刚度和强度，再结合水稻收割机割台所需的刚度和强度，材料安全系数为n=4.16>1，最大应力出现在水稻收割机割台与送料装置连接位置的边缘。从材料角度考虑，钛合金材料的减质量效果较好，但现多用于航空工业且价格昂贵，不予考虑。而铜合金、镁合金也面临跟钛合金一样的问题。以铝合金材料为例，铝合金7075的屈服强度是505 MPa，而常见的Q235结构钢的屈服强度为235 MPa。比如，1 mm的Q235结构钢被施加235 kg就能被压扁，而铝合金6061同等条件下至少需要400 kg。一般结构钢和铝合金的比重约为7.8 ∶ 2.7，这就是现在汽车行业，给汽车采用全铝车身的原因。综合考虑，最终采用铝合金材料，这种材料常见且减质量效果明显，材料强度要求也能达到割台框架作业要求。由于割台左挡板、割台右挡板、割台后挡板在割台收割再生稻的作业中，对割台挡板的强度需求低，且主要作用就是防止收割时水稻的外泄。经过材料的替换，水稻收割机割台挡板从原有的总质量为1.220 7+1.220 7+3.579 2=6.020 6 kg，变为现有的质量为0.430 7+0.430 7+1.263=2.124 4 kg（表2），则割台挡板的减质量为3.896 2 kg。水稻收割机的割台框架质量由原来的32.270 0 kg变为11.387 0 kg，减质量为20.883 0 kg。

总减少质量为24.779 2 kg，现在需要水稻收割机的割台总质量来测定初次轻量化设计后的减质量效果和比重。通过对该割台每个部件进行称量，最终得到该水稻收割机的割台质量为103.247 9 kg（表2）。由于农业机械不会像航空、航海、汽车行业一样对机械自身的精度极高，水稻收割机作为农业机械的一种，同样面临着这个问题。要求精度不高的机械，在做轻量化设计和研究时会提出更高的要求，因为机械本身减质量空间大，所以对于此次研究的水稻收割机而言，减质量效果计算可得：24.779 2 kg/103.247 9 kg×100%=24.00%[11]。

2.2 对割台框架及割台挡板有限元分析

ANSYS Workbench 15.0软件的网格划分，根据算法不同可分为协调分片算法（patch conforming）和独立分片算法（patch independent）。割台框架割台挡板现采用的是铝合金材料，因其形状规则选用四面体法（patch conforming tetra）的网格划分方式[12]。最小边界长度为 0.157 41 mm，因为尺寸太小单元太多会占据大量内存，导致结果无法计算出来，所以在单元尺寸的选择上，第1次采用自由网格划分，如图3所示。再对局部网格疏密程度进行调节，网格的相关度是在默认相关性中进行操作，数值越小网格越粗糙，反之，数值越大网格越精细。此时对割台框架承载面数值选为10，进行网格划分后得到63 386个节点（nodes），30 994个单元（elements）（图4）[13]。

对水稻收割机割台框架进行分析时，须要对割台框架边界条件进行设定，即对割台框架施加载荷和约束，对其工作环境进行模拟。水稻收割机工作时，割台机架主要受到拨禾轮和拨禾搅龙的重力及其力矩、空气阻力和摩擦力的作用[14-15]。现对水稻收割机割台在理想状态下的受力情况做如下分析，在割台框架中，重点受到拨禾轮和拨禾搅龙的重力作用，经过测量后，得到拨禾轮的质量为15.075 8 kg，拨禾搅龙的质量为31.748 0 kg。则二者密度为1 000 kg/m2。

在ANSYS Workbench软件中，进行如下操作：对水稻收割机割台框架2侧施加约束;对水稻收割机割台框架跟拨禾轮和拨禾搅龙接触部分，施加载荷;进行应力和应变分析，得到应力云图和应变云图。（在进行上述操作的过程中，注意单位的统一和换算，例如0.1 MPa=1 kg/cm2）[16]。

对水稻收割机的割台框架及割台挡板进行网格划分和边界条件设置后，运用ANSYS Workbench 15.0对割台框架进行静力学分析[17]，得到应变云图与应力云图[10]。如图5、图6所示，即使拨禾搅龙的质量比拨禾轮的质量大，但是拨禾轮与割台框架相连接处变形较大，而割台挡板基本不受影响。通过观察变形云图可知，材料替换后施加跟原材料同样的力，拨禾搅龙及拨禾轮对整个割台框架的影响微乎其微，所以对割台的工作性能不会造成破坏性的影响[4]。

2.3 对水稻收割机的割台2次轻量化设计及分析

通过观察割台及其部分的质量分布（表3），笔者对割台的轻量化设计进行进一步优化。主要步骤如下：通过对割台搅龙的了解，对割台搅龙进行尝试性材料替换;对割台框架及挡板进行结构优化;对割刀这种标准件进行小幅的结构优化。

割台搅龙又称为割台螺旋推运器，它将谷物茎杆首先横向输送到割台中部，并由螺旋推运器上的伸缩扒指将作物转向送入倾斜输送器中，然后由傾斜输送器的输送链耙把作物喂入脱粒滚筒进行脱粒。根据割台搅龙的功能进行轻量化设计，对其进行材料替换，考虑到经济性和适用性，对割台搅龙采用铝合金6061材质后，它的质量从31.748 0 kg下降至 11.203 0 kg（表3），即减少质量为20.545 kg，减质量效果非常明显。再对割台搅龙进行有限元分析，让割台搅龙在铝合金6061材质下，分别对中部施加力，对固定割台搅龙的2段进行约束，最后得到应变云图（图7）。数据表明，割台在最大喂入量时，该割台搅龙能够正常工作。

然后对割台框架进行结构优化，将割台框架主体的板厚度从2.5 mm减小到1.5 mm，将割台支撑架从直径为21.5 mm和16.0 mm的实心圆管改为外径21.5 mm壁厚5.5 mm和外径16.0 mm壁厚4.0 mm的空心圆管。割台框架由原质量 32.27 kg 变为21.45 kg。优化后的割台框架模型为最大应力值102.4 MPa，材料安全系数n=2.29>1。经过材料替换后，割台框架经过结构优化和材料替换后的质量为7.568 kg，即减少质量为32.270-7.568=24.702 kg。与此同时，对割台挡板也做了结构优化，也可减少一定的质量。在受力后基本不受影响的割台左右挡板做了打孔处理，采用了蜜蜂筑巢时的六边形蜂孔结构设计，没有采用圆形孔，就是在让割台框架变轻的同时，防止收割时水稻从2侧孔隙出来（图8）。经测量，割台挡板的减少质量从 3.034 8 kg提升至 3.500 0 kg。

结构优化后的割台挡板与割台框架进行装配，装配见图9。

因为该种割刀属于往复式切割器，动刀片和定刀片是没有本质区别的，且市面上的往复式切割器都是标准件，所以只对割刀进行结构优化，让定刀片的2侧轮廓形状均为外凸的弧形，动刀片的2侧轮廓形状均为直线形，动刀片与定刀片的交叉切割，相比于之前的割刀接触路径长，切割流畅，切割效率高[18]（图10）。割刀定刀组的质量由原来的6.125 kg减至5.000 kg，即割刀的减少质量为1.125 kg。

综上所述，经过材料替换和结构优化的轻量化设计，割台的减少质量为割台框架减少质量24.702 kg+割台搅龙减少质量20.545 kg+割台挡板减少质量3.500 kg+割刀的减少质量1.125 kg=49.872 kg。

重新测定减质量比为49.872 0 kg/103.247 9 kg×100%≈48.3%，即割台的原有质量为103.247 9 kg，经过2次轻量化设计，割台比原有的质量减少了49.872 kg，约占原有质量的483%，现在的质量为53.375 9 kg，达到预期的减质量效果。

3 割台轻量化设计方案的经济适用性

割台的轻量化设计方案经过实施并验证后，笔者所在课题组只是对轻量化设计方案给予技术层面的肯定，但究其轻量化的方案是否有实际意义，是否需要巨大的成本代价？是否能够给受众带来经济实惠，这些疑问让笔者所在课题组应对该轻量化方案进行评估，建立相应的评价体系。轻量化的评价应从以下3个方面考虑：制造成本的改变、使用成本的改变、对社会环境的贡献。其受益群体分别为制造商、购买者、人民大众（图11）。在轻量化设计中，对经过轻量化设计后的样机的成本构成和经济性、适用性进行分析，轻量化设计不但对制造商和用户带来了好处，而且对社会资源的节约和减少温室气体的排放从而对环境的保护也有很大的益处。

产品成本和利润的关系，对制造商来讲，减少成本相当于增加利润，即KE=KS+KP，其中KE为销售价格，KS为制造成本，KP为产品的利润。对于叉车的使用者，减少使用成本即水稻收割机的运营成本便可以增加利润，如公式KA=KB+KC+KP，其中KA为使用水稻收割机的收入，KB为运营成本，KC为水稻收割机采购价格，Kp为实现的利润。

通过以上分析得出，割台的轻量化是可以改变车辆的制造成本和使用成本，用KPS表示制造成本减少给制造商带来的利润，用KPB表示使用成本给用户带来的好处，所谓的评价体系就是在综合考虑轻量化方案给不同群体带来的利益大小。但是考虑到轻量化设计给制造商带来的利润时，也应考虑到制造企业轻量化设计时的成本，包括人员成本、试制费及试验耗损等平均到批量生产每台产品中的费用，用C表示。

轻量化设计方案的评估公式为K=a（KPS-C）+bKPB。

式中：K表示轻量化收益，元;a、b表示比列因子，a+b=1，与制造企业的关注度有关，通常分别取0.7、0.3。

根据各材料的价格，给割台采用铝合金7075或铝合金6061材质，按照铝合金最低的价格，现在割台除去工艺成本，仅材料成本为53.375 9×18≈960.8元。但是从轻量化设计后，水稻收割机的燃油经济性提高和再生稻单位面积产量增加。材料成本的提升，可以节省使用费和增加再生稻产量所带来的巨大收益。在满足欧Ⅳ的标准条件下，100 km油耗Y和车辆自身总量X放入关系为Y=0.003 0X+3.343 4[19]。研究数据表明，若质量降低10%，燃油效率可提高6%～8%，其油耗将减少10%，排放量减少5%～6%[20]。该收割机的油耗是18 L/hm2，生产率为0.04～0.08 hm2/小时，经过换算，优化前水稻收割机的油耗为0.72～1.44 L/h，优化后为0.52～1.24 L/h，可节约燃油约0.2 L/h，假设在收割季，收割机工作12 h/d，收割再生稻的头季稻大概需要30～45 d，第2季稻也按相同时间计算，则可节省燃油144～216 L/年，约 1 143～1 715元。不但降低了自身油耗，而且减少了对环境的污染，值得提倡[21]。

4 结论

根据再生稻种植条件，为降低割台损失和对再生稻稻茬碾压率而考虑装置的尺寸，初步确定轻量化的收割机割台设计方案[22]。对水稻收割机割台进行结构优化和材料替换后，对割台的简化模型进行有限元分析，目的是为了模拟割台在收割时的受力状况，最终得到应力云图和应变云图，可以通过图型颜色深浅的变化，判断模型的受力程度和变形程度，查看设计的新割台是否满足相应条件下的工作强度。它的轻量化设计让该水稻收割机更适应于收割再生稻，可以增大再生稻的单位面积产量优势，为农民带来更好的经济收益。与此同时，该水稻收割机的燃油经济性更好，对环境的污染小，农民使用成本减少。综上所述，经过割台的轻量化设计后，该水稻收割机既能给农民赚到更多的钱也能给农民省下很多钱。不足之处在于，对收割机整机的轻量化设计还没有提出较为可行的方案，须要今后继续跟相关领域的专家学者进行研究和探讨。

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