新型小型水稻联合收获机储粮装置结构设计及强度分析

66
10.16638/ki.1671-7988.2021.011.022
新型小型水稻联合收获机储粮装置结构设计
及强度分析*
季惠，王文乐，祁继柏，梁言
（江苏食品药品职业技术学院，江苏 淮安 223003）
摘 要：现有的收获机储粮装置难以将粮食上的水分排出，容易出现粮食受潮腐败变质，这直接影响到淮安优质稻米的生产和储存。

提高粮食后续的存储时间，粮食之间的空隙容易占用储粮装置的内部空间，提高小型水稻联合收获机储粮装置空间利用率的研究势在必行。

文章不仅设计出一款新型带通风效果和粮食烘干效果的储粮装置，还对该储粮装置进行了铸造件材料的选取以及力学和最大变形量验证，确保新型小型水稻联合收获机储粮装置结构设计及强度分析均达到使用标准，可实现量产应用，为今后的储粮装置研究提供一定的理论基础。

关键词：水稻收获机；储粮装置；设计；强度
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2021)11-66-04
Structural Design and Strength Analysis of Grain Storage Unit of
New Type Small Rice Combine Harvester *
Ji Hui, Wang Wenle, Qi Jibo, Liang Yan
( Jiangsu Food & Pharmaceutical Science College, Jiangsu Huaian 223003 )
Abstract: The existing harvester grain storage device is difficult to remove the moisture from the grain, and the grain is easy to be spoiled by moisture, which directly affects the production and storage of high-quality rice in Huaian. It is imperative to improve the space utilization rate of the grain storage device of the small rice harvester by increasing the subsequent storage time of grain and the interstice between grains can easily occupy the internal space of the grain storage device. This paper designed a new type not only with the ventilation effect and the effect of grain drying grain storage device, also on the storage device selection of casting material and mechanics and maximum deformation test, to ensure that new small rice combine grain storage device structure design and strength analysis are achieved using standard, which can realize mass production application, for future research on grain storage devices provide certain theoretical basis. Keywords: Rice harvester; Grain storage plant; Design; Intensity
CLC NO.: TH122 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2021)11-66-04
1 研究的背景和意义
淮安是江苏省优质稻米的主要产区和享誉全国的商品粮产加销基地。

“淮安大米”每年可为农民增收3.5亿元以上，目前淮安大米从种植到生产已形成产业化，且广泛采用小型
作者简介：季惠（1985-），女，研究生，讲师，机电学院教务办主任，就职于江苏食品药品职业技术学院，研究方向：车辆工程。

基金项目：江苏省高职院校青年教师企业实践培训项目（编号：2020QYSJ021）；江苏食品药品职业技术学院横向课题小型水稻联合收获机主要零部件研究及优化（编号：JSSP2020083）；江苏食品药品职业技术学院校级科研基金（编号：JSSPCY2021004）。

季惠 等：新型小型水稻联合收获机储粮装置结构设计及强度分析
67
水稻联合收获机[1]。

目前此种小型水稻联合收获机在工作过程中需要将收割的粮食进行存储，现有的收获机储粮装置难以将粮食上的水分排出，容易出现粮食受潮腐败变质，提高粮食后续的存储时间，粮食之间的空隙容易占用储粮装置的内部空间，降低空间利用率。

本文旨在研究一种对现有储粮装置的改进方案，并对新方案进行仿真分析。

2 粮食受潮腐败变质的难点解决方案提出
为解决粮食受潮腐败变质的问题，第一种方案是更换现有储粮装置的材料，但又要保证储粮装置的刚度和强度，而且材料还必须符合食品安全制度。

经查阅文献发现，防潮效果最好的材质是陶瓷类和玻璃类，但是在水稻实际的收获过程中，水稻的密度大约为1500kg/m 3，在储粮装置中所产生的重力约5000N [2]，但是在收割过程中可能产生意外的碰撞，陶瓷类和玻璃类不符合刚度和强度的要求。

因此提出第二种方案，改变现有储粮装置结构，并增添加热箱，具体位置如下：通过储存筒的顶部通过螺栓固定连接有进料斗，且储存筒的底部通过螺栓固定连接有固定板，所述固定板的底部通过螺栓固定连接有出料管和加热箱，所述出料管位于加热箱的一侧，所述加热箱的一侧内壁上通过螺栓固定连接有电加热管，此收割机用储粮装置，可通过从下而上的热空气，可以将粮食进行加热烘干，有效的将粮食上的水分加热吹出，实现粮食的干燥，减少水分，保证存粮时的干燥，通过升降盘的升降，可以使升降盘在下降过程中将粮食压实，并配合震动棒的震动可以使得粮食之间充分紧密，提高压实的效果，进而提高储存筒的存粮量，提高空间利用率。

3 新型收获机用储粮装置设计方案
一种收割机用储粮装置，包括储存筒1，储存筒1的顶部通过螺栓固定连接有进料斗2，且储存筒1的底部通过螺栓固定连接有固定板3，固定板3的底部通过螺栓固定连接有出料管4和加热箱5，出料管4位于加热箱5的一侧，加热箱5的一侧内壁上通过螺栓固定连接有电加热管6，出料管4的底部通过铰链转动连接有管盖7，储存筒1的一侧内壁上通过螺栓固定连接有固定杆8，固定杆8的一端焊接有固定盘9，固定盘9的底部通过螺栓固定连接有气缸保护罩10，气缸保护罩10的内部底部通过螺栓固定连接有气缸11，气缸11的一端通过伸缩杆连接有升降盘12，升降盘12的一侧外壁上套设有软胶套13，升降盘12的顶部开设有内孔14，内孔14的一侧内壁上通过转轴转动连接有转板16，转板16与内孔14之间焊接有弹簧15，内孔14的一侧内壁上靠近转板16的上方位置处焊接有限位块17，储存筒1的一侧外壁上嵌入有第一过滤网18，储存筒1的内部底部中央位置处通
过螺栓固定连接有风机箱19，风机箱19的内部通过螺栓固定连接有风机20，且风机箱19的顶部嵌入有第二过滤网22，储存筒1的内部底部靠近风机箱19的一侧位置处通过螺栓固定连接有震动棒21。

储存筒1的一侧外壁上靠近第一过滤网18的一侧位置处开设有出气孔；便于将储存筒1内的热空气排出。

储存筒1和固定板3的底部靠近出料管4的上方位置处均开设有出料孔；便于粮食的排出。

设计方案如图1所示：
图1 新型收获机用储粮装置设计方案
工作原理：在使用时，将储存筒1通过固定板3安装固定在收割机上，将收割机上的下料处，粮食落入进料斗2后落在升降盘12上，内孔14内的转板16受到粮食的重力作用下挤压转板16，转板16向下转动，粮食穿过升降盘12落在储存筒1内，实现粮食的村存储，风机20在工作时将外部空气抽入加热箱5，加热箱5内的电加热管6工作将进入空气的加热，热空气穿过第二过滤网22后进入储存筒1，热空气吹在粮食上，有效的将粮食上的水分加热吹出，最后通过第一过滤网18排出，实现粮食的干燥，减少水分，在存粮过程中，气缸11通过伸缩杆带动升降盘12升降，升降盘12在下降过程中将粮食压实，并配合震动棒21的震动可以使得粮食之间充分紧密，提高压实的效果，进而提高储存筒1的存粮量，提高空间利用率。

4 新型收获机用储粮装置模型构建
利用Solidworks 软件对储粮装置进行建模，然后进行简化模型（simplified model ），简化模型也可以称之为模型简化，简单来说是指去掉模型中不显著的项，通过减少项数使模型更容易使用，或者是指减少模型的复杂度，使模型更容易计算。

简化模型有着广泛的应用，特别是在大系统理论中，大系统是指结构上和维数上都具有某种复杂性的系统，所以对
模型简化是十分必要的。

而通过简化模型，将储粮装置的模型去除一些在后续仿真分析中的不显著的影响因素，将主要的仿真分析放在储粮装置模型中在上下震动时取主要作用的部分，也即是在储粮装置上下震动模型中储粮装置承受来自
汽车实用技术
68 上下震动的主要受力和加速度部分，进行模型简化可以将更好的运算能力用在对问题至关重要的关键点上，提高仿真分析的精细程度。

5 新型收获机用储粮装置仿真分析
从结构上改进储粮装置以后，还要再判定新型储粮装置在力学性能上是否达标。

我所利用的是Ansys 软件进行有限元分析，此软件功能强大，可以模拟各种复杂的模型和工况，其为了体现设计仿真一体化的解决方案，在无缝集成界面做了创造性的改变，将仿真界面，仿真流程无缝融入到Ansys 的设计过程中[3]。

Ansys 的仿真向导，包含以下顾问向导：算例顾问、性能顾问、约束和载荷顾问、连接顾问、结果顾问[4]。

在应用到Ansys 的仿真分析的功能时，需要对不同的材料力学参数，例如材料的弹性模量或泊松比，另外还需要对零件或者模型的固定方式进行设置，最后加载网格和进行不同的网格划分，并将部分不合格的网格进行修正，以便计算准确，网格划分采用四面体单元，为节省计算时间，同时保证计算精度，网格划分对容易产生应力集中区域专门进行细化处理，网格划分情况如图所示，共包含366198个节点数，单元数量为169837，所画网格情况如图所示：
图2 新型收获机用储粮装置三维模型 图3 网格划分结果
在进行有限元分析的过程之前，需要对不同的边界条件进行分别分析，所谓边界条件是指在求解的区域内的边界上的所求阶段变量或者导数随时间和地点的一种变化规律，而不同的边界条件的施加也会对不同的实验造成不同的实验结果，所以一个正确的边界条件的施加是十分重要的，一方面影响实验的能都顺利进行，另一方面也会对实验结果再次不同的偏差。

经过前期的文献资料的查询和比照分析，储粮装置一般采用通过螺钉的方式与车身进行连接和加固，所以边界条件的设定应该在储粮装置模型的底部。

由于每个谷粒的大小相对于整个储粮装置的体积可以忽略不计，数量巨大的谷粒群可以近似看做无穷多个谷粒分子，因此可采用近似将谷粒看做流体方式，以此来对储量装置内部施加液体压力，来测算谷粒对储粮装置所产生力的作用。

单加液体压力情况下，储量装置内部压力如图所示，从云图中可以看出最大压力在装置底部，最小压力在顶部。

图4 储量装置内部压力云图
在此次的有限元分析之前，设定材料的参数在 Ansys 这个软件中也有着必须的流程和要求。

不同的材料，对应着不通道材料参数，例如使用性能，为了保证机械零件、设备、结构件能够正常的运行和使用，主要由力学性能：强度、硬度、刚度、塑性、韧性等，物理性能：密度、熔点、导热性、热膨胀性等，化学性能：耐腐蚀性等。

在上下震动的工况中，储粮装置的变形量同时也是储粮装置的内壁的相对侵入量，这一部分的形变直接关系到储粮装置的使用寿命，本论文中主要对影响储粮装置的最大应力和最大变形量进行了仿真分析，下面是实验组别对水稻收获机储粮装置遭到上下震动时的储粮装置内壁侵入量的不同数据。

经过仿真分析后的最大应力和储粮装置的变形量如图5图6所示。

图5 结构钢储粮装置上下震动时最大应力
图6 结构钢储粮装置上下震动时变形量
经过数据可以发现，在相同的小型联合收获机对储粮装置进行上下震动时，采用新型结构设计的储粮装置侵入量相对更小。

（下转第81页）
陈康文 等：某驾驶室模态与刚度性能分析
81
足使用要求。

5 结论
根据CAE 方法建立驾驶室有限元模型，对其进行自由模态分析，得到其前三阶固有频率分别为31.4Hz 、37.9Hz 和42.1Hz ，处于外界激振频率范围之外，因此能够满足振动特性要求。

通过加载对其进行扭转刚度分析，其扭转刚度为0.637MNm 2/rad ，车身开口最大变形量为1.269mm ，扭转变形曲线无突变，因此符合设计要求。

参考文献
[1] 周艳华,史佩,宋岩.基于Hypermesh 和Workbench 的伺服冲床主传
动连杆结构优化设计[J].机械设计与制造,2016(3):232-234.
[2] 张恩来,侯亮,蔡惠坤.基于Hypermesh 的液压破碎锤工作装置模
态分析[J].中国工程机械学报,2015,13(5):422-428.
[3] 汪洋.基于模态频率响应的某重型车驾驶室疲劳寿命研究[D].合
肥:合肥工业大学,2014.
[4] 游永忠.某轻型载货车储气罐支架振动断裂分析与优化[J].机械设
计与研究,36(1):190-195.
[5] 邓志强,彭卓凯,黄振邦.基于Nastran 的防护板动力学分析[J].机械
强度,2014,36(6):944-948.
[6] 周鑫,张冰蔚.基于Nastran 的汽车前照灯振动性能分析[J].江苏科
技大学学报(自然科学版),2017,31(1):55-60.
（上接第68页）
在储粮装置的侵入量减小的同时，新型储粮装置的耐撞性相比原有的储粮装置的耐撞性更好，这不仅实现粮食的干燥，减少水分，保证存粮时的干燥，还提高了储粮设备的震动耐撞性能。

6 结论
与现有技术相比，本次设计的储粮装置的有益效果是：该收割机用储粮装置，通过从下而上的热空气，可以将粮食进行加热烘干，有效的将粮食上的水分加热吹出，实现粮食的干燥，减少水分，保证存粮时的干燥，通过升降盘的升降，可以使升降盘在下降过程中将粮食压实，并配合震动棒的震动可以使得粮食之间充分紧密，提高压实的效果，进而提高
储存筒的存粮量，提高空间利用率。

并且进行了力学验证和强度分析，可实现量产应用。

参考文献
[1] 谢方平,王修善,任述光,刘大为,李旭,陈立永.4LZ-0.8型小型水稻
联合收割机的设计[J].湖南农业大学学报(自然科学版),2015,41 (04):435-439.
[2] 王家胜,王东伟,尚书旗,王延耀,蒯杰.4LZZ-1.0型小区稻麦联合收
割机的研制及试验[J].农业工程学报,2016,32(18):19-25. [3] 刘莉.某不锈钢车水箱安装框架强度分析与结构优化[J].中国高新
技术企业,2016(30):30-31.
[4] 程超,付君,唐心龙,陈志,任露泉.水稻收获机械抖动板加热脱附试
验研究[J].农业机械学报,2019,50(06):110-118.。