forceforradialresectionofsinglegrainearswas20.5,12.1,6.8N,respectively.Conclusion:The

importantphysicalandmechanicalparametersobtainedinthisstudycouldprovidetheoreticalbasisand

referenceforthedesignofkeycomponentsoffreshcornthresher.

Keywords:Freshcorn;Mechanicalthreshing;Grainbreakage;Moisturecontent;Thresher

鲜食玉米是指乳熟和蜡熟期收获的玉米,含水率在73%~75%食用最佳[1-2]。其品种多样、口感独

特、营养丰富,深受消费者的喜爱[3-8],发展前景十分广阔[9-11]。鲜食玉米在进行深加工时需要进行脱粒处

理,但是由于其含水率较高,传统的脱粒机会对鲜食玉米籽粒造成严重的破损。破损籽粒中糨糊状物质的

流出,不仅不利于籽粒的储藏,也为后续加工处理增加了难度[12-15]。

为了降低玉米脱粒机对籽粒造成的破损,通常以玉米果穗本身具有的特性为研究方向,利用试验机对

玉米果穗及籽粒进行了静态力学性能试验。例如,李心平等[16]研究表明,含水率高于25%后,玉米果穗的

抗压强度随含水率的增加而急剧减小。李科[17]研究表明,玉米籽粒与芯轴的切向剪切断裂力随含水率的

升高呈增大趋势,主要原因是随含水率的升高籽粒果柄韧性增大。袁月明等[18]研究表明,当含水量降低

时,籽粒受挤压时的破裂力增加而变形减小。张涛等[19]研究了含水率、受压位置与玉米籽粒压缩性能的

规律,发现玉米籽粒在裂变临界点和破裂点处的变形量随含水率增加而增加,力和变形能则与之相反。袁

海阔[20]进行了玉米脱粒降损增效机理与仿生关键技术研究,并确定果穗耐压特性、籽粒与棒芯的连接力

与含水率关系。上述研究主要对普通玉米做的相关力学特性试验,所选取的试验材料含水率较低,所取得

的试验规律并不具有普遍性,对鲜食玉米果穗这种高含水率谷物在进行力学特性研究时是否与前人的研

究具有相同的试验规律还需要进一步探索。

因此,本研究以鲜食玉米果穗为试验材料,对其进行相关物理力学特性分析,研究获得的重要物理力

学参数可为新型鲜食玉米脱粒机的夹持输送件及核心脱粒件的设计提供理论依据和参考。

1 材料与方法

1.1 试验设备

钢尺(量程30cm,精度0.1mm)用于测量果穗、棒芯的长度;PD-153游标卡尺(量程150mm,精度

0.02mm;宝工实业股份有限公司)用于测量果穗、棒芯的直径;记号笔用于标记果穗尺寸和分段记号;普

通切割刀具用于对果穗进行分段处理;101-1S电热鼓风干燥箱(上海跃进医疗器械有限公司)用于测量籽

粒的含水率;ACS-D21电子天平(量程6kg,精度0.2kg;上海三峰电子秤有限公司)用于测量样品盒、籽

粒的质量;YB-4500A多功能物料粉碎机(永康速峰工贸有限公司)用于粉碎首次烘干的籽粒,便于进行二

次烘干;UTM6104微机控制电子万能拉压型试验机(上海三思机械制造有限公司;最大试验力10kN)用

于测量鲜食玉米籽粒的相关力学特性;自制304钢环形脱粒刀具用于轴向剪切试验。

1.2 试验材料

试验选用的鲜食玉米为安徽科技学院自主选育的‘凤糯168’甜糯玉米果穗。

1.3 测定项目及分析方法

1.3.1 果穗表征参数测定 在前期工作基础上,以玉米果穗为研究对象对其进行形态参数的测试,包括

玉米果穗、芯及籽粒的表征参数。为使设计的脱粒机的核心部件参数更贴合实际情况,将鲜食玉米果穗的

几何特征近似的抽象成圆锥体(图1)。其表面积和体积可分别用式(1)、(2)表达:

S=

π

4

4L2 +(D -d)2 (1)

V=

πl

12

(D2 +Dd+d2) (2)

其中,S 为鲜食玉米果穗表面积(mm2);V 为鲜食玉米体积(mm3);L 为鲜食玉米长度(mm);D 为鲜食玉

96 安徽科技学院学报 2024年

米最大直径(mm);d为鲜食玉米最小直径(mm)。从试验田随机挑选30个玉米果穗,于2023年5月18日在

安徽科技学院实验室进行鲜食玉米果穗物理形态参数(果穗长、果穗大小端直径、棒芯大小端直径)的测

量,求取参数平均值,并将果穗单独装袋。试验现场如图2所示。

图1 鲜食玉米果穗简化几何模型

Fig.1 Simplifiedgeometricmodeloffreshcornfruitears

图2 物理形态参数的测试

Fig.2 Testingofthephysicalmorphologicalparameters

1.3.2 玉米籽粒含水率的测定 试验材料分3批进行采摘,考虑天气因素,每隔3~5天采摘1次。每次

采摘50个玉米果穗,从其中任选15个作为试验样本,剩余的果穗用作当天的力学试验。将前后采摘的三

批次验样本按照1~15、16~30、31~45编号后进行试验。本研究采用烘箱干燥法对样品玉米籽粒的含水

率进行测定[21-22],根据式(3)计算玉米籽粒的含水率:

Q=

m1 -m2

m1 -m0

×100% (3)

其中,Q 为鲜食玉米籽粒的含水率;m0 为烘干空铁盒的质量(g);m1 为烘干前的试验玉米籽粒及铁盒的

质量(g);m2 为烘干后的试验玉米籽粒及铁盒的质量(g)。

1.3.3 果穗力学特性的测定 针对玉米果穗的力学特性,图3建立了玉米籽粒与玉米芯连接的力学模

型,近似模拟出对玉米籽粒造成挤压破坏的挤压力和实现玉米籽粒与玉米芯分离的轴向及径向剪切

力[23-25]。利用试验机(图4)研究对果穗籽粒造成挤压破坏的挤压力以及实现玉米籽粒和玉米芯分离的剪

切力。试验材料为当天采摘的未去苞叶的备用玉米,选取的果穗长为17~23cm,果穗呈长锥形,果穗平

均直径为48mm,各阶段籽粒含水率的平均值分别约为71.51%、64.96%、50.21%。每进行1种力学特

性试验,准备符合3个含水率水平条件的玉米各7穗,每种条件下重复进行7次试验为1组。具体试验步骤

如下:(1)径向挤压试验:将玉米果穗的中段置于圆盘型夹具的正下方,设置横梁下降速度为2mm/min,计算

机开始绘制玉米果穗压缩过程中的位移-力曲线图。若观察到曲线正处于上升阶段却突然出现较为明显

的波动点或者断崖式下跌的情况则迅速停止横梁运行,检查籽粒破损情况,记录试验数据。(2)轴向剪切

试验:利用切割刀具对玉米果穗进行分段,选取果穗中段并放在自制脱粒刀具正下方,试验机的各项运行

参数与挤压试验保持一致。若观察到位移-力图像中作用力曲线正处于上升阶段却突然出现较为明显的

平稳试验力不增长阶段,则迅速停止横梁运行,检查分段果穗第1、2排的脱粒情况,记录试验数据。(3)径

向剪切试验:手动剥除周围籽粒做成单籽粒果穗试样,将果穗试样用虎钳固定在载物台上,保持水平,试验

机的各项运行参数与挤压试验保持一致。试验开始时,使剪切夹具在设定参数下对籽粒施加剪切力,当籽

第38卷第2期 高朋飞,等:鲜食玉米果穗的物理力学特性 97

粒脱落后,即停止加载并输出相应的位移-力曲线图。

图3 果穗力学模型及籽粒受力图

Fig.3 Paniclemechanicalmodelandgrainstrengthdrawing

图4 不同含水率的力学特性

Fig.4 Mechanicalpropertiesofdifferentwatercontent

2 结果与分析

2.1 果穗三维物理形态参数试验结果

所测得的‘凤糯168’玉米果穗各分段形态参数的最小值、最大值、平均值,包括段长、大端穗直径、小

端穗直径、大端芯直径、小端芯直径、段行粒数等参数见表1。统计发现,果穗中段和末段长度之和约占果

穗总长度的73.3%,段行粒数之和约占果穗总行粒数的83.05%,表明该品种整个果穗的大部分籽粒生长

在中段和末段之内,对果穗中段和末端进行力学特性研究更具有代表性。

表1 ‘凤糯168’玉米果穗各分段形态参数

Table1 MorphologicalparametersofeachsectionofFengnuo168cornears

果穗分段 统计量

果穗段

长/mm

小端穗

直径/mm

大端穗

直径/mm

小端芯

直径/mm

大端芯

直径/mm

段行籽

粒数/个

首段(30%) 最小值

最大值

平均值

42.62

51.09

46.86

31.28

42.70

36.99

38.09

51.73

44.91

18.35

26.43

22.39

20.35

27.92

24.14

3.00

7.00

5.00

中段(50%) 最小值

最大值

平均值

72.55

83.01

77.78

38.63

59.35

48.99

40.63

58.24

49.44

21.09

30.78

25.94

23.63

32.54

28.09

10.00

18.00

14.00

末段(20%) 最小值

最大值

平均值

44.02

57.74

50.88

40.43

49.29

44.86

35.64

46.26

40.95

19.23

31.51

25.37

20.81

32.66

26.74

8.00

13.00

10.50

2.2 果穗籽粒含水率试验结果

对试验获得的数据进行整理并代入式(3),计算出不同时间段采摘的玉米籽粒的含水率(表2)。结果表

明,第1阶段采摘的果穗为乳白色时,其含水率平均值为71.51%;第2阶段采摘的果穗为浅紫红时,其含水

率平均值为64.96%;第3阶段采摘的果穗为深紫红时,其含水率平均值为50.21%。该项统计试验为鲜

食玉米果穗的力学特性研究提供了不同阶段含水率的试验材料,对后期研究含水率对果穗力学特性的影

响具有重要意义。

98 安徽科技学院学报 2024年

表2 玉米籽粒含水率的测定

Table2 Determinationofthewatercontentofmaizekernels

编号 第1阶段/% 第2阶段/% 第3阶段/%

1/16/31 71.38 63.84 47.58

2/17/32 71.25 65.01 51.32

3/18/33 73.53 67.25 50.97

4/19/34 70.27 65.00 48.25

5/20/35 72.38 64.59 54.54

6/21/36 71.04 66.51 45.75

7/22/37 71.55 63.37 51.00

8/23/38 72.41 62.86 50.15

9/24/39 69.53 64.23 48.97

10/25/40 74.57 64.54 52.18

11/26/41 69.87 63.82 46.51

12/27/42 70.61 67.59 47.89

13/28/43 72.32 65.63 51.54

14/29/44 71.57 64.15 52.85

15/30/45 70.32 65.98 53.65

平均值 71.51 64.96 50.21

注:玉米果穗的含水率误差在±2.00%,为方便表述,都取整数。

2.3 果穗物理力学特性试验结果

2.3.1 力学试验位移-力曲线图分析 第1阶段含水率测定平均值为71.51%的相关力学特性试验位移力曲线如图5所示。根据挤压试验位移-力曲线图可以看出,随着横梁位移不断增加,试验力逐渐增大。

果穗在受到挤压时,试验力出现了2次明显波动点,一次明显拐点。将其定义为从出现形变到发生爆浆的

3个临界点,包括籽粒变形、籽粒破损、籽粒爆浆。在大约30.5N时,籽粒出现形变;在大约83.5N时,籽

粒出现破损;在大约105.3N时,试验力的数值刚好达到屈服极限,籽粒爆浆。根据轴向剪切试验位移-力

曲线图可以看出,果穗在受到剪切的力大约在25.1N时,第1、2排籽粒被完全切除。随着棒芯直径增加,

304钢刀具直径由于不能扩缩,切削刀插入棒芯,剪切力在大约150N时呈指数增加。根据单籽粒径向剪

切试验位移-力曲线图可以看出,单籽粒果穗在受到径向剪切的力大约为22.1N时,试验力降低,籽粒处

于坠落状态,并未完全脱落。随后再次出现轻微增幅,最终下跌至0N,此时籽粒与棒芯彻底分离。出现

了试验力二次上升的现象,可能是由于果穗含水率较高,籽粒的果柄与棒芯连接韧性强,从而在最后籽粒

完全脱离时出现了缓冲。第2阶段含水率测定平均值为64.96%的相关力学试验位移-力曲线如图6所

示。根据挤压试验位移-力曲线图可以看出,随着横梁位移不断增加,试验力逐渐增大,果穗在受到挤压

时,试验力同样出现了3次波动点,分别对应的力约为431.3、645.1、952.5N。根据轴向剪切试验位移力曲线图可以看出,果穗在受到剪切时,初始剪切力增长缓慢,在60.1N左右时,第1、2排籽粒已被完全

切除。随着玉米棒芯直径的逐渐增大,切削刀切入棒芯,导致剪切力在135N左右时呈现陡坡式增长。根

据单籽粒径向剪切试验位移-力曲线图可以看出,单籽粒果穗在受到径向剪切力大约为12.7N时,试验力

降低,籽粒并未完全脱落。随后再次上升,但是增加的幅度不大,随后又下跌至0N,此时籽粒与棒芯彻底

分离。试验力短暂增加的原因同上,定义为缓冲现象。第3阶段含水率测定平均值为50.21%的相关力

学试验位移-力曲线图如图7所示。该含水率下的鲜食玉米果穗籽粒间已经开始出现了略微松动,此时的

籽粒处于颗粒饱满,糖类大多合成了淀粉。根据挤压试验位移-力曲线图可以看出,果穗整个形变过程中

虽然出现形变,但是试验力无明显波动,基本呈指数增长。有一个明显临界点大约在965.3N时达到屈服

极限,此时籽粒出现破裂。根据轴向剪切试验位移-力曲线图可以看出,果穗在受到剪切时,在225.7N左

右时,试验力出现拐点,第1、2排籽粒已被完全切除。随着玉米棒芯直径的逐渐增大,切削刀切入棒芯,导

致剪切力呈现陡坡式增长。根据单籽粒径向剪切试验位移-力曲线图可以看出,单籽粒果穗在受到径向切

削的力大约为6.6N时,试验力降低并持续下跌至0,籽粒与棒芯彻底分离。此时并没有出现试验力短暂

增加的现象,可能是由于随着含水率的降低,籽粒果柄与棒芯连接的韧性降低,脆性增加。

第38卷第2期 高朋飞,等:鲜食玉米果穗的物理力学特性 99

图5 第1阶段力学特性

Fig.5 Mechanicalpropertiesduringphase1

图6 第2阶段力学特性

Fig.6 Mechanicalpropertiesduringphase2

图7 第3阶段力学特性

Fig.7 Mechanicalpropertiesduringphase3

2.3.2 挤压、剪切试验结果 不同采摘期下对‘凤糯168’鲜食玉米果穗的力学试验结果如表3~4所示。

从表3可以看出,随着果穗含水率的减小,籽粒从发生形变到破损的试验力是不断增加的。在测试果穗含

水率为64.96%±2.00%时,其各项临界点的试验力出现了突变,成倍数增加。此时的籽粒破损率的平均

值约为644.5N。在测试含水率为50.21%±2.00%时,虽然果穗的籽粒出现了明显的形变,但是其位移力曲线图起初并没有出现较为明显的波动点,可能是因为随着含水率降低,此时的籽粒处于颗粒饱满,糖

类大多合成了淀粉,粘弹性和硬度增加。在大约960.4N时出现突变,籽粒达到屈服极限,开始破裂。因

为没有出现爆浆现象,故将其定义为破损临界点。从表4可以看出,利用自制的环形脱粒刀具结合试验机

对果穗进行棒芯与籽粒的分离过程中,随着果穗含水率的减小,轴向剪切力逐渐增加。在含水率为

50.21%±2.00%时,试验力的平均值从60.8N突变为224.1N。结合试验机对果穗进行棒芯与单籽粒

分离的过程中,随着果穗含水率的减小,径向剪切力逐渐减小。含水率均值在 71.51%±2.00%、

64.96%±2.00%时,均出现试验力二次上升的现象,是由于果穗含水率较高,籽粒的果柄与棒芯连接韧性

强,从而在最后籽粒完全脱离时出现缓冲现象。而含水率均值在50.21%±2.00%时,无缓冲现象。原因是

随着含水率的降低,籽粒果柄与棒芯连接的韧性降低,脆性增加。

表3 鲜食玉米果穗挤压试验

Table3 Earextrusiontestforfreshcorn

试验样品号 含水率平均值/% 形变临界点/N 平均值/N 破损临界点/N 平均值/N 籽粒爆浆临界点/N 平均值/N

1 28.5 83.5 105.3

2 34.3 80.1 98.5

3 37.2 87.3 108.9

4 71.51±2.00 30.5 30.4 79.4 81.7 103.2 104.7

5 29.8 85.5 97.5

6 23.6 75.0 106.2

7 29.2 81.2 113.3

100 安徽科技学院学报 2024年

续表3

Table3 Continued

试验样品号 含水率平均值/% 形变临界点/N 平均值/N 破损临界点/N 平均值/N 籽粒爆浆临界点/N 平均值/N

8 431.3 645.1 962.5

9 452.5 635.5 943.1

10 410.5 675.3 897.4

11 64.96±2.00 426.7 431.6 650.5 644.5 952.5 950.2

12 445.4 623.4 977.6

13 433.2 643.2 931.3

14 421.8 638.4 986.7

15 954.3

16 998.6

17 983.8

18 50.21±2.00 不明显 943.2 960.4 未发生爆浆

19 950.1

20 937.5

21 955.4

表4 鲜食玉米籽粒剪切试验结果

Table4 Resultsofgraincuttingtestforfreshcorn

试验样品号 含水率平均值/%

籽粒剪切试验

轴向剪切试验

轴向剪切临界点/N 平均值/N

径向剪切试验

径向剪切临界点/N 平均值/N

1 25.1 19.8

2 24.3 20.1

3 29.5 23.2

4 71.51±2.00 25.5 25.3 22.1 20.5

5 21.2 21.2

6 24.8 17.9

7 26.4 19.4

8 60.1 12.5

9 63.5 11.3

10 61.2 12.7

11 64.96±2.00 58.3 60.8 13.4 12.1

12 60.5 10.9

13 59.4 12.1

14 62.9 11.9

15 225.7 7.3

16 223.4 6.1

17 230.5 6.7

18 50.21±2.00 221.2 224.1 5.8 6.8

19 219.7 7.6

20 227.6 6.8

21 220.3 7.0

3 结论

根据对‘凤糯168’玉米果穗形态参数的测试与统计,玉米果穗中段和末段长度之和约占果穗总长度

的73.3%,段行粒数之和约占果穗总行粒数的83.05%。结果表明,该品种整个果穗的大部分籽粒生长在

中段和末段之内,即对果穗中段和末端进行力学特性研究更具有代表性。

含水率试验统计发现,不同采摘期采摘的果穗颜色分别为乳白色、浅紫红、深紫红;其含水率的平均值结

果分别为71.51%±2.00%、64.96%±2.00%、50.21%±2.00%。该项统计试验为鲜食玉米果穗的力学特性

研究提供了不同阶段含水率的试验材料,对后期研究含水率的大小对果穗力学特性的影响具有重要意义。

挤压试验结果表明,随着试验机的圆盘型夹具对不同采摘期的果穗匀速施加压力,果穗的籽粒从形变

第38卷第2期 高朋飞,等:鲜食玉米果穗的物理力学特性 101

到破损分为3个阶段,即籽粒的形变、破损、爆浆阶段。3个阶段中的破损临界点所对应的挤压试验力的

平均值分别为81.7、644.5、960.4N。轴向剪切试验结果表明,不同含水率下鲜食玉米果穗所受到的切削

力的平均值大约为25.3、60.8、224.1N,第1、2排籽粒被完全切除。随着棒芯直径增加,304钢刀具直径

由于不能扩缩,切削刀插入棒芯,剪切力在大约150N时呈指数增加;由于自制刀具的不足,故以1、2排籽

粒被完全切除的数据为准,减少试验数据误差。径向剪切试验结果表明,随着果穗含水率的减小,径向剪

切力逐渐减小;不同含水率下单籽粒果穗被径向切除的试验力的平均值分别为20.5、12.1、6.8N;且含水

率均值在71.51%±2.00%、64.96%±2.00%时,均出现了试验力二次上升的现象,可能是由于果穗含水

率较高,籽粒的果柄与棒芯连接韧性强,从而在最后籽粒完全脱离时出现了缓冲现象。而含水率均值在

50.21%±2.00%时,无缓冲现象,可能原因是随着含水率的降低,籽粒果柄与棒芯连接的韧性降低,脆性

增加。

参考文献:

[1] 李紫琪,古艳婷,郭燕枝,等.我国鲜食玉米标准体系及营养标准研究[J].食品安全质量检测学报,2022,13(18):

5964-5973.

[2] 王娟紫,乔勇进,王春芳,等.鲜食糯玉米采后生理与保鲜技术的研究进展[J].食品与发酵工业,2023,49(16):

356-361.

[3] 马菲菲,袁梦婷,王春光,等.银杏玉米肽复合饮料的研制[J].安徽科技学院学报,2022,36(1):73-78.

[4] CHENJJ,ZHANGH,BIANYL,etal.Constructionofremotesensingmodeloffreshcornbiomassbasedonneuralnetwork[J].ComputIntellNeurosci,2022,2022:2844563.

[5] 蒋皖倩,李友心,洪自强,等.基于相关性、主成分、聚类、灰色关联度对甜玉米品种的农艺性状综合评价[J].安徽科

技学院学报,2023,37(2):39-45.

[6] 何松,程昕昕.超甜玉米乳熟期主营养成分动态分析[J].安徽科技学院学报,2015,29(6):30-34.

[7] LIYL,ZHONGK,WANGX,etal.Sensoryevaluationandmodelpredictionofvacuum-packedfreshcornduring

long-termstorage[J].Foods,2023,12(3):478.

[8] ZHANGL,YUJQ,ZHANGQ,etal.Designandexperimentalstudyofbionicreversepickingheaderforfresh

corn[J].Agriculture,2022,13(1):93.

[9] 张范良.鲜食玉米收获机的结构原理与果穗保护技术研究[J].农机使用与维修,2021(2):33-34.

[10] 陈少青,王红伟,郑鄢燕,等.鲜食玉米采后保鲜技术研究进展[J].食品安全质量检测学报,2023,14(16):133-142.

[11] 杨金砖.鲜食玉米智能化收获技术发展现状与展望[J].农机使用与维修,2023(3):40-43.

[12] 赵旭志,吴瑶瑶.鲜食玉米收获机关键部件设计[J].农业工程,2023,13(3):97-101.

[13] 周福君,和嘉雨,王天元,等.切削式鲜食玉米柔性脱粒装置设计与试验[J].农机化研究,2022,44(8):151-158.

[14] 张莉,林诚育,侯国珍,等.高含水率玉米仿生脱粒元件设计与试验[J].农机化研究,2021,43(2):126-131.

[15] 方会敏,牛萌萌,史嵩,等.机械收获方式及籽粒含水率对玉米收获质量的影响[J].农业工程学报,2019,35(18):

11-18.

[16] 李心平,熊师,耿令新,等.含水率对玉米果穗抗压特性的影响[J].农业工程学报,2018,34(2):25-31.

[17] 李科.纵轴流玉米籽粒直收脱粒装置的设计与试验研究[D].泰安:山东农业大学,2021.

[18] 袁月明,栾玉振.玉米籽粒力学性质的试验研究[J].吉林农业大学学报,1996,18(4):75-78.

[19] 张涛,梁涛,李平,等.玉米种子基本物性及机械损伤规律研究[J].种子,2021,40(11):46-53.

[20] 袁海阔.玉米脱粒降损增效机理与仿生关键技术研究[D].长春:吉林大学,2022.

[21] 安晓飞,代均益,罗长海,等.基于介电特性的联合收获机小麦含水率检测装置研究[J].农业机械学报,2022,

53(Z1):185-190.

[22] 廉孟茹,张淑娟,任锐,等.基于高光谱技术的鲜食水果玉米含水率无损检测[J].食品与机械,2021,37(9):127-132.

[23] 官晓东.鲜食玉米果穗收获正压除杂装置设计与试验[D].哈尔滨:东北农业大学,2020.

[24] 马俊.玉米果穗物理力学性质分析及脱粒过程仿真研究[D].长春:吉林大学,2015.

[25] 余吉洋.玉米果穗物理力学性质的测试研究[D].长春:吉林大学,2014.

(责任编辑:顾文亮)

102 安徽科技学院学报 2024年

安徽科技学院学报,2024,38(2):103-109

JournalofAnhuiScienceandTechnologyUniversity

收稿日期:2023-07-25

基金项目:中央引导地方科技发展专项资金项目(202007d08050022);安徽省高校自然科学研究项目(2022AH040238);安徽省自然科

学基金面上项目(2308085ME178);安徽省粮食机械乡村振兴协同技术服务中心项目(GXXT-2022-077);滁州市科技计划项

目(2022ZN014,2022ZN016);安徽科技学院科研发展基金(FZ220235)。

作者简介:李绍玲(1981-),女,安徽滁州人,硕士研究生,主要从事液力变矩器仿真研究,E-mail:1421972846@qq.com。

通信作者:张春燕,副教授,E-mail:464958178@qq.com。

基于CFD的双导轮液力变矩器流场模拟与试验研究

李绍玲1, 张春燕1* , 刘登水2

(1.安徽科技学院 机械工程学院,安徽 凤阳 233100;

2.华泰液力变矩器股份有限公司,安徽 蚌埠 233000)

摘 要:目的:针对双导轮液力变矩器两个导轮依次空转的仿真难点,提出一种导轮无叶片处理的CFD数

值模拟方法,以便正确获取双导轮液力变矩器内部流场。方法:借助Solidworks对自行设计的双导轮液

力变矩器进行流道模型抽取,采用导轮无叶片法模拟导轮变相点后的空转工况,利用 ANSYSMeshing进

行网格划分,得到3种全流道网格模型。运用 ANSYSFluent进行CFD数值计算,模拟转速比i=0.6中

速工况下的流场特征。在液力变矩器试验台上进行样机的台架试验,得到其原始特性曲线。结果:CFD

数值模拟能够准确预测双导轮液力变矩器的原始特性,仿真结果与试验结果较为吻合。泵轮与涡轮入口

到出口的速度与压力变化趋势相反,两个导轮的速度与压力变化相对较小。结论:采用CFD数值计算并

结合导轮空转无叶片法能够较好地预测双导轮液力变矩器的流场特性,为进一步优化设计提供理论参考。

关键词:双导轮液力变矩器;计算流体力学;数值模拟;导轮无叶片法

中图分类号:TH137 文献标志码:A 文章编号:1673-8772(2024)02-0103-07

开放科学(资源服务)标识码(OSID): DOI:10.19608/j.cnki.1673-8772.2024.0214

Fieldsimulationandexperimentstudyfordoublestators

hydraulictorqueconverterbasedonCFD

LIShaoling

1, ZHANGChunyan1* , LIUDengshui2

(1.CollegeofMechanicalEngineering,AnhuiScienceandTechnologyUniversity,Fengyang233100,China;

2.HuataiHydraulicTorqueConverterCo.,Ltd.,Bengbu233000,China)

Abstract:Objective:Aimingatthedifficultyofsimulationofdoublestatorsidlinginsequence,aCFD

numericalsimulationmethodforthebladelesstreatmentofthedoublestatorswasproposedinorderto

obtaintheinternalflowfieldofthedoublestatorshydraulictorqueconverter.Methods:Theflow

channelmodelofself-designeddoublestatorshydraulictorqueconverterwasextractedbySolidworks

software,tosimulatetheidlingconditionofthetwostators,abladelessmethodwasapplied,ANSYS

Meshingsoftwarewasutilizedandthreekindsoffullchannelgridmodelswereobtained.Theflowfield

characteristicsundermediumspeedconditionwithaspeedrationof0.6wassimulatedbyCFDnumerical

calculationusingANSYSFluentsoftware.Testoftheprototypewascarriedoutonthetestplatformof

thetorqueconverter,anditsoriginalcharacteristiccurve wasobtained.Results:CFD numerical

simulationcanaccuratelypredicttheoriginalcharacteristicsofthedoublestatorshydraulictorque

converter,simulationresultswereingoodagreementwithtestresults.Thevariationtrendofvelocity

andpressureforpumpandturbinefromtheinlettotheoutletisopposite,whilevelocityandpressureof

twostatorschangedrelativelysmall.Conclusion:Theflowfieldcharacteristicsofdoublestatorstorque

convertercanbeaccuratelypredictedbyCFDnumericalcalculationcombinedwiththeidlingbladeless

method,whichprovidesatheoreticalreferenceforfurtheroptimizationdesign.

Keywords:Doublestatorshydraulictorqueconverter;Computationalfluid dynamics;Numerical

simulation;Statorsbladelessmethod

液力变矩器主要由泵轮、涡轮和导轮组成,工作油液在泵轮处获得能量,冲击涡轮叶片并带动涡轮旋

转,液体经涡轮后流入导轮实现变矩,依此循环[1]。与常规的单导轮液力变矩器不同,双导轮液力变矩器

有两个导轮,在不同的转速比下,导轮Ⅰ和Ⅱ会依次空转,空转对应的转速比称为变相点[2]。双导轮液力

变矩器主要应用在叉车和装载机等工程机械上[3]。研究表明,双导轮液力变矩器可以有效提升叉车效率、

减少变速箱的档位、缩短传动系统的轴向尺寸[4]。但由于其工作机理不明,目前国产双导轮液力变矩器还

处于仿制阶段,研发水平较低,与国外同系列产品性能存在不小的差距,已成为工程机械行业卡脖子的技

术难题。

要弄清双导轮液力变矩器的工作机理,就必须要明晰其内部流场特征。液力变矩器内部流场呈现三

维、瞬态、粘性、湍流的特点[5-6],直接测量或者观测耗时长、成本高、难度大[7-8]。计算流体力学(ComputationalFluidDynamics,CFD)数值模拟可以获取流场的特征,并实现流场的可视化,目前已经成为研究流

体机械的重要手段[9-10]。近年来CFD数值模拟开始应用于液力变矩器的流场研究,CFD流场模拟可以缩

短液力变矩器的设计周期,同时能够准确预测产品性能[11-13]。

由于双导轮液力变矩器的运转状态不同于常规的单导轮液力变矩器,特别是2个导轮的依次空转给

CFD流场数值模拟带来很大的困难,因此国内外鲜有对双导轮液力变矩器流场CFD数值模拟的报道,对

其流场特征和工作机理缺乏深入研究。针对上述问题,本研究基于CFD数值模拟并结合样机台架试验,

解决导轮空转这一仿真难点,分析双导轮液力变矩器内部流场特征,从仿真计算与试验两个方面验证

CFD流场模拟的正确性,为优化设计和产品升级改进提供理论依据。

1 CFD数值计算

1.1 控制方程

忽略液力变矩器工作油液流动中的传热问题,控制方程包括质量守恒方程和动量守恒方程,以张量形

式分别表示为式(1)~(2):

?ui

?xi

=0 (1)

ρ

?ui

?t

+ρuj

?ui

?xj

=-

?P

?xi

+μ

?2ui

?xixj

+ρfi (2)

其中,ui、uj 表示速度分量;xi、xj 表示坐标分量;t表示时间;ρ表示工作油液密度;P 表示压强;μ表示动

力粘度;fi 表示重力。

1.2 湍流模型

采用k-ε两方程模型[14]。k和ε的方程如式(3)~(4)所示:

104 安徽科技学院学报 2024年

ρ

?k

?t

+ρuj

?k

?xj

=

?

?xj

(μ+

μt

σk

)

?k

?xi

?

?

??

?

?

??

+μt

?ui

?xj

(

?ui

?xj

+

?uj

?xi

)-ρε (3)

ρ

?ε

?t

+ρui

?ε

?xi

=

?

?xi

(μ+

μt

στ

)

?ε

?xi

?

?

??

?

?

??

+

c1ε

kμt

?ui

?xj

(

?ui

?xj

+

?uj

?xi

)-c2ρ

ε2

k

(4)

其中,k表示湍流动能;ε表示湍流耗散率;μt 表示湍流粘度;ui、uj、xi、xj 表示速度分量与坐标分量的时

均值,c1、c2、σk、στ 为系数,其取值分别为1.44、1.92、1.0、1.3。

1.3 变相点求解

如何模拟导轮空转是双导轮液力变矩器CFD数值模拟的技术难点。才委等[15]、马文星等[16]采用转

矩零点判断双涡轮和双泵轮液力变矩器的空转状态,该方法可以推广到双导轮液力变矩器中。导轮在变

相点后处于空转状态,其转矩为零,可以得到空转变相点的位置。由于空转后,导轮叶片对工作油液的流

动几乎没有阻碍,因此在CFD模拟时,可以将流道模型中导轮的叶片去除,再进行网格划分和仿真计算,

将此方法定义为导轮无叶片法。

双导轮液力变矩器存在2个变相点,正确求解2个变相点的位置是保证CFD数值模拟结果正确的先

决条件。FLUENT的CFD-POST能够显示导轮的转矩,导轮Ⅰ和Ⅱ转矩为零的点分别是两导轮各自变

相点对应的工况。经数值仿真求解,可求出第一变相点对应的转速比为0.58,第二变相点对应的转速比

为0.89。

1.4 流道模型与网格划分

在Solidworks软件环境下,对自行设计的双导轮液力变矩器三维模型进行布尔操作后抽取流道。各

工作轮的流道模型如图1所示。采用导轮无叶片法得到3种相对应的全流道模型,如图2所示。

图1 各工作叶轮的流道模型

Fig.1 Channelmodelofeachimpeller

图2 全流道模型

Fig.2 Fullchannelmodel

在 ANSYSmeshing软件环境中导入x_t格式的流道模型,对流道模型进行总体和局部尺寸设置,使

用captureproximity和capturecurvature提高网格质量,并对叶片壁面附近的边界层进行加密[17]。各网

格模型的网格质量均大于0.9,网格质量较高。3种工况的全流道网格模型如图3所示。对网格密度进行

网格无关性验证,从而保证CFD仿真计算的可靠性。图3(a)的网格模型的网格数为7509336,节点数为

1601427。

1.5 仿真设置

运用 ANSYFluent仿真分析模块,对双导轮液力变矩器进行全流道稳态CFD数值计算,计算设置如

第38卷第2期 李绍玲,等:基于CFD的双导轮液力变矩器流场模拟与试验研究 105

表1所示。

图3 全流道网格模型

Fig.3 Fullgridchannelmodel

表1 CFD仿真设置

Table1 CFDsimulationsettings

设置项目 求解设置

计算类型 稳态计算

湍流模型 k-ε

速度压力耦合 SIMPLE

空间离散格式 二阶迎风

工作油液密度 870kg/m3

工作油液动力粘度 0.0258Pa·s

边界条件 各工作轮速度入口,压力出口,边界面采用混合平面法

泵轮转速 1700r/min

转速比 0~0.95之间共13种工况

2 流场CFD模拟分析

选择转速比i=0.6的中速工况,该转速比位于第一变相点之后,此时导轮Ⅰ空转,导轮Ⅱ固定不动,

对该工况下各工作轮的流场进行CFD模拟分析。

2.1 泵轮流场分析

图4为泵轮流场中的压力与速度分布。可以看出,泵轮入口处的压力和速度较低,工作油液在流经泵

轮过程中,压力和速度不断增加,到出口处达到最大,压力与速度从入口到出口呈递增分布[18]。这是因为

泵轮是液力变矩器的动力输入元件,借助自身的高速旋转,将机械能转化为工作油液的压力能和动能,所

以出口处的压力和速度均高于入口。

图4 泵轮流场分布

Fig.4 Flowfielddistributionofpressureandvelocityforpumps

2.2 涡轮流场分析

图5为涡轮流场中的压力与速度分布。可以看出,泵轮流出的高速高压油液冲击涡轮叶片,导致涡轮

入口处速度压力较高,涡轮在冲击作用下旋转,将压力能转化为机械能。工作油液在流经涡轮叶片过程

中,速度与压力不断下降,在出口处压力和速度均较低。此外,由于涡轮叶片的扭曲,在涡轮出口区域出现

了一定的负压。

106 安徽科技学院学报 2024年

图5 涡轮流场分布

Fig.5 Flowfielddistributionofpressureandvelocityforturbines

2.3 两导轮流场分析

图6为两导轮中的压力与速度分布。从图中可以看出,由于该工况位于第一变相点后,导轮Ⅰ的叶片

从流道中去除,导轮Ⅱ的叶片保留。此时导轮Ⅰ处于空转状态,对于油液没有明显阻力,因此压力和速度

基本没有变化。当工作油液流入导轮Ⅱ时,会对叶片有一定的冲击,所以有局部的高压。但由于导轮Ⅱ处

于静止状态,只是改变工作油液的方向,没有能量的转换,因此整体来说,两导轮流场中的压力和速度变化

相对较小。

图6 两导轮流场分布

Fig.6 Flowfielddistributionofpressureandvelocityfordoublestators

3 试验验证

3.1 台架试验

CFD数值模拟正确与否需要通过台架试验验证,同时台架试验也是液力变矩器改进设计和质量检验

的重要手段[19]。本研究的台架试验和样机试制是在华泰液力变矩器股份有限公司进行的。图7是液力

变矩器试验台示意图,图8是液力变矩器试验台现场图。依据国家标准GB/T7680—2005《液力变矩器 性

能试验方法》,进行牵引工况下的外特性静态特性试验[1]。试验过程中保持泵轮的转速为1700r/min,工作

油液采用6号液力传动油,使用传感器检测泵轮的转速和扭矩nB、TB、涡轮的转速和扭矩nT、TT、进口和

出口压力P1、P2。

3.2 试验数据与原始特性曲线

试验所得的原始特性数据如表2所示。绘制原始特性曲线并与CFD数值模拟结果进行对照,如图9

所示。变矩工况下的最高效率和高效区宽度是衡量液力变矩器性能的主要指标[20]。从图9的原始特性

第38卷第2期 李绍玲,等:基于CFD的双导轮液力变矩器流场模拟与试验研究 107

曲线可以得出,本次自行设计的双导轮液力变矩器的最高效率ηmax=0.88,高效区宽度d12=1.78,起动变

距比K0=3.10,具有良好的综合性能。图9中的效率曲线CFD仿真值与试验值最大误差为3.6%,变距

比最大误差为3.0%,能容系数最大误差为4.9%,误差均在5%以下,原始特性曲线的CFD模拟结果和试

验结果较为吻合。同时,效率曲线在转速比i=0.60和i=0.90处各出现1个跃阶,这是由于变相引起效

率明显提升所致,与CFD数值模拟计算所得的2个变相点的位置非常接近。可见本研究对双导轮液力变

矩器的CFD数值模拟是正确有效的,可以为流场分析与机理研究提供参考。

图7 液力变矩器试验台示意图

Fig.7 Schematicdiagramoftestbedofhydraulictorqueconverter

注:1为电动机;2、6、8为凸缘联轴器;3、7为扭矩转速传感器;4、10为万向联轴器;5为液力变矩器;9为轴承座;11为测功机;12为

控制器;13为液压系统;14为信号采集系统;15为计算机。

图8 液力变矩器试验台现场图

Fig.8 Photosoftestbedofhydraulictorqueconverter

表2 牵引工况定转速试验原始特性数据

Table2 Originalcharacteristicdataofconstantspeedfortractionconditions

序号 nB/(r/min) nT/(r/min) MB/(N·m) MT/(N·m) i k η MBg/(N·m)

1 1701.30 0.00 278.73 864.06 0.00 3.10 0.00 96.30

2 1701.71 186.70 286.80 780.10 0.11 2.72 0.30 99.04

3 1701.72 342.14 293.49 689.70 0.20 2.35 0.47 101.35

4 1701.60 510.80 294.99 581.13 0.30 1.97 0.59 101.88

5 1701.61 706.48 288.10 489.77 0.42 1.70 0.71 99.50

6 1701.50 866.38 278.94 412.83 0.51 1.48 0.75 96.35

7 1701.52 934.10 273.86 380.59 0.55 1.39 0.76 94.54

8 1701.10 1009.70 268.65 356.93 0.59 1.33 0.79 92.84

9 1702.75 1112.10 259.91 322.29 0.65 1.24 0.82 89.65

10 1701.62 1278.20 245.45 268.56 0.75 1.09 0.82 84.77

11 1703.48 1349.00 206.07 212.25 0.79 1.03 0.82 71.02

12 1700.03 1524.40 102.88 101.85 0.90 0.99 0.89 35.60

13 1701.20 1604.10 64.89 65.54 0.94 1.01 0.95 22.42

108 安徽科技学院学报 2024年

图9 原始特性曲线

Fig.9 Originalcharacteristiccurve

4 结论

本研究对自行设计的双导轮液力变矩器进行了CFD全流道稳态数值模拟,通过导轮无叶片法较好地

解决了变相后导轮空转的仿真难题。在液力变矩器试验台上进行了样机原始特性试验,试验结果与CFD

数值模拟较为吻合,从而验证了本研究CFD数值模拟的正确性。以中速工况转速比i=0.6为例,研究了

各工作轮内部的流场特征,泵轮的压力与速度从入口到出口呈现带状递增趋势,涡轮的压力与速度从入口

到出口逐步递减,出口局部区域出现负压,导轮的速度与压力变化相对较小。本研究方法可以为双导轮液

力变矩器的机理研究和优化设计提供一定的理论参考。

参考文献:

[1] 徐礼超,侯学明.基于典型工况的装载机发动机与液力变矩器匹配[J].农业工程学报,2015,31(7):80-84.

[2] 冯志永.双导轮综合式液力变矩器过热的分析及改进[J].工程机械,1998,29(4):35-36.

[3] 吴仲辉.双导轮型液力变矩器在叉车上的应用[J].起重运输机械,2017(10):127-130.

[4] 袁正,王永国.叉车用双导轮液力变矩器的动力性研究[J].智能制造,2018(9):56-58.

[5] 李晋,闫清东,王玉岭,等.液力变矩器泵轮内流场非定常流动现象研究[J].机械工程学报,2016,52(14):188-195.

[6] 闫清东,宋泽民,魏巍,等.液力变矩器导轮叶片表面压力测量与分析[J].机械工程学报,2019,55(10):115-121.

[7] 柴博森,王广义,朱国仁,等.制动工况下液力变矩器大涡模拟流场仿真及可视化试验验证[J].华南理工大学学报

(自然科学版),2022,50(3):95-105.

[8] 才委,马文星,刘春宝,等.液力变矩器泵轮内部流动PIV测试与分析[J].江苏大学学报(自然科学版),2014,35(3):274-278.

[9] 严鹏,吴光强,谢硕.液力变矩器泵轮流场数值分析[J].汽车工程,2004,26(2):183-186.

[10] 朱永隆,王海.基于FLUENT小型生物质锅炉换热器分析与研究[J].安徽科技学院学报,2022,36(1):86-95.

[11] 吴光强,王立军.基于CFD的液力变矩器等效参数性能预测模型[J].同济大学学报(自然科学版),2013,41(1):121-127.

[12] 田华,葛安林,马文星.液力变矩器的内流场数值分析[J].农业机械学报,2005,36(4):139-141.

[13] 刘春宝,李静,徐志轩,等.液力变矩器热流动尺度解析模拟与特性精确预测[J].机械工程学报,2018,54(18):146-153.

[14] 褚亚旭.基于CFD的液力变矩器设计方法的理论与实验研究[D].长春:吉林大学,2006.

[15] 才委,褚亚旭,马文星.双涡轮液力变矩器第一涡轮空转特性分析[J].哈尔滨工程大学学报,2011,32(7):948-952.

[16] 马文星,冀龙飞,许文,等.连续可变能容双泵轮液力变矩器的设计及分析[J].华南理工大学学报(自然科学版),

2016,44(3):36-43.

[17] 谢清乐,李奇敏.导叶可调式液力变矩器的内流场数值分析[J].计算机仿真,2013,30(8):135-138.

[18] 刘春宝,朱喜林,马文星.轿车液力变矩器扁平率研究[J].农业机械学报,2010,41(10):23-27.

[19] 索雪峰,焦生杰,张泽宇,等.基于ANSYS-CFX的液力变矩器流场性能计算与试验研究[J].机械设计,2018,35(10):8-14.

[20] 吴光强,陈曙光,王欢.液力变矩器叶栅角度参数优化及算法[J].同济大学学报(自然科学版),2009,37(6):810-813.

(责任编辑:顾文亮)

第38卷第2期 李绍玲,等:基于CFD的双导轮液力变矩器流场模拟与试验研究 109

安徽科技学院学报,2024,38(2):110-116

JournalofAnhuiScienceandTechnologyUniversity

收稿日期:2022-08-23

基金项目:国家级大学生创新创业训练计划项目(202310879004);安徽省高校自然科学研究项目(KJ2020A0071);安徽科技学院横向

项目(881270,881207)。

作者简介:彭正(1989—),男,安徽宿州人,硕士,助教,主要从事非标自动化产线及农业机械装备研究,E-mail:pengzh@ahstu.edu.cn。

基于 Ansys的移动式秸秆颗粒机车架

稳定性的有限元分析

彭 正, 姜春霞, 张立勇, 夏显明

(安徽科技学院 机械工程学院,安徽 凤阳 233100)

摘 要:目的:以移动式秸秆颗粒机车架为研究对象开展降低车架变形和共振的验证研究。方法:以移动

式秸秆颗粒机车架作为静力学、模态分析对象,基于 Ansys的有限元分析,验证车架的应力变形和稳定

性。结果:基于车架的应力云图以及变形云图车架最大应力及共振动变形的变形量,验证了移动式秸秆颗

粒机车架能有效保证其稳定性,满足使用要求。结论:通过模态分析,证实原设计数据的合理性,本方法为

分析设备机构的变形及共振等共性问题提供了理论参考和优化的基础。

关键词:秸秆颗粒机;Ansys;变形;共振;有限元分析

中图分类号:S225.8 文献标志码:A 文章编号:1673-8772(2024)02-0110-07

开放科学(资源服务)标识码(OSID): DOI:10.19608/j.cnki.1673-8772.2024.0215

Finiteelementanalysisofstabilityofmobilestraw

pelletlocomotiveframebasedonAnsys

PENGZheng, JIANGChunxia, ZHANGLiyong, XIAXianming

(CollegeofMechanicalEngineering,AnhuiScienceandTechnologyUniversity,Fengyang233100,China)

Abstract:Objective:Toinvestigatethedeformationandresonancereductionofmobilestrawparticle

locomotiveframe.Methods:Takingmobilestrawparticlelocomotiveframeasstaticandmodalanalysis

object,thestressdeformationandstabilityoftheframewereverifiedbyfiniteelementanalysisbasedon

Ansys.Results:Basedonthestressnephogramanddeformationnephogramoftheframe,themaximum

stressoftheframeandthedeformationofthecommonvibrationdeformationwereverifiedthatthe

movablestrawgranulelocomotiveframecouldeffectivelyguaranteeitsstabilityandmeettheapplication

requirements.Conclusion:Through modalanalysis,therationalityoftheoriginaldesigndata was

confirmed.Thedesignverificationmethodofmobileparticlelocomotiveframeinvolvedinthispaper

providedatheoreticalreferenceand optirnalbasisforanalyzingthecommon problemssuch as

deformationandresonanceoftheequipment.

Keywords:Strawpelletmachine;Ansys;Metamorphosis;Resonance;Finiteelementanalysis

秸秆是小麦、水稻等农作物的重要组成部分,也是其除收获部分外最重要的农业资源[1]。秸秆如果能

够被及时且合理地处理,一方面可以作为重要的生物燃料资源和饲料,从而产生经济效益避免浪费,另一

方面也能够防止因燃烧或者直接还田所带来的环境问题[2]。目前中国秸秆利用主要是采用秸秆粉碎后进

行压缩成型的方式,其粉碎技术与矿石类物料加工原理相似[3],目前以固定式为主,首先要在田间收集,再

运输至加工地进行加工,期间需要大量的场地存储。由于此时秸秆未经压缩,运输效率极低,大大增加了

处理的成本[4]。

为了解决这个问题,中国开始研制以移动式秸秆粉碎成型设备为代表的移动式秸秆固化成型设备。

目前这种设备在中国还是刚刚开始发展,技术不够成熟,自动化程度相对较低,操作难度大,设备运行过程

中不可监控,产品质量不稳定[5]。为提升农作物秸秆利用率,秸秆成型技术变得更加迫切[6]。而现有的秸

秆处理方法多以粉碎为前道工艺,因此秸秆粉碎机对秸秆的再利用影响较大[7]。秸秆固化装置是秸秆成

型技术核心,主要由粉碎机构、颗粒成型机构、料斗等组成,部分大型设备还需增设负压吸风装置[8]。作为

这些机构的安装基体,车架承受着这些机构的重量,以及其工作时产生的力与力矩。为保证车架能够长时

间的正常工作,避免发生共振与应力变形现象,需要保证车架有足够的强度、硬度,以及合理范围内共振与

变形现象[9]。

由此,为降低共振强度与变形量,蒋亚军等[10]通过在车架上增加拱门结构减轻了共振作用效果,并进

行有限元模态试验与分析。徐立章等[11]为验证有限元分析的准确性与可靠性,通过计算车架的自由模态

法,得出振动与模态的规律。周明刚等[12]对拖拉机车架进行试验研究分析,得出在基于响应的基础上,车

架固有频率低于发动机工作频率。在装备自动化方面,鲍官培等[13]设计一种可实现装备作业过程全自动

控制,还可对作业过程中的典型故障进行预警,且具有远程监测的功能。在软件分析方面,Ssomad等[14]

使用SolidWorks软件,通过应力和位移模态分析优化一种新型收割机模型,模拟结果对其设计工作有很

大的帮助。Adam利用离散元(DEM)模型建立和优化综合土壤模型,并将其结果用于有限元(FEM)模型

进行瞬态分析。实验应力测量结果与模型模拟结果吻合较好,此方法可用于耕作机械的设计和优化[15]。

谷润润等[16]使用 Ansys对秸秆粉碎机的关键部件进行模态分析,较为全面地解析设备动态特性,为提高

秸秆装备设计质量、缩短设计周期提供了参考。窦谈[17]对稻草秸秆粉碎机的机构装配体进行模态分析,

确定机构共振情况,保证了机器工作时的稳定性和安全性。孙浩博等[18]使用 Ansysworkbench对枸杞采

摘机进行模态分析,验证采摘机振动频率与机架最低频率之间的关系,确定了设备作业过程中的稳定性。

郑国强等[19]对谷子割台结构进行优化后,避开了外部主要激励频率范围,谷子收获机在工作时可以有效

避免共振。高建军等[20]对联合收割机进行优化设计,优化后的机架避开了发动机的激励频率,改善了联

合收割机的工作稳定性。

针对共振与变形等问题,本研究利用有限元静力分析和模态分析的方法验证秸秆颗粒机车架的相关

参数。即通过运用 Ansys对移动式秸秆颗粒机车架进行有限元静力分析,得到车架在满载粉碎秸秆载荷

的作用下的应力云图以及最大应力点。通过对应力与变形进行分析,得出移动式秸秆颗粒机车架能有效

保证其稳定性,满足使用要求。

1 车架参数

1.1 设计依据

本研究对象为移动式颗粒机车架,其结构如图1(a)所示,最大负重5.5t,图1(b)为车架三维模型,该

车架前端需要承受总质量约1.3t的粉碎风送机构所产生的向下的拉力和总质量0.4t水箱所产生的向

下的压力,中间部分需要受到颗粒成型机构质量约为1.3t所产生的重力,后端需要承受质量约为2.4t

的料斗和物料所产生的重力。移动式颗粒机的总质量为5.5t,整机的作用幅宽为1800mm,设计轮距为

2100mm,非承载式车身,配备600/55-22.5轮胎。

第38卷第2期 彭 正,等:基于 Ansys的移动式秸秆颗粒机车架稳定性的有限元分析 111

图1 设备结构示意图

Fig.1 Schematicdiagramofequipmentstructure

1.2 车架结构

该车架长为5200mm,宽为1280mm,高为730mm,车架采用Q235材料,主要是由标准的槽钢、角

钢和钢板焊接而成,在捡拾支架与纵梁焊接处需要钢板筋板进行加固,以解决强度变形的问题,总质量为

1000kg,结构参数如图2所示。

图2 车架结构参数图

Fig.2 Framestructureparameterdiagram

1.3 车架有限元模型建立

根据图2车架结构参数,运用 Ansys对车架建模,将车架的三维零件图保存成“STP”“X-T”等格式,

通过 WORKBENCH 进入,图3为有限元模型。

模态分析是有限元分析的重要环节,对图3所示的模型,首先进行网格划分,而网格划分的质量对分

析的结果有着直接影响,且移动式秸秆颗粒机车架的结构较为复杂,为保证其计算精度,现将图3有限元

模型进行节点数为463912、单元数为166820的网格划分,划分后网格如图4所示。

112 安徽科技学院学报 2024年

图3 有限元模型

Fig.3 Finiteelementmodel

图4 车架网格划分图

Fig.4 Framegriddivisiondiagram

2 受力分析

2.1 理论分析

在有限元分析中,应力是其重要的分析因素之一,现根据所划分的网格,验证网格划分的合理性,理论

受力分析如下。网格挠度如式(1)所示:

w =

μqa4b

120kEI

cos

π

a

xcos

π

b

y (1)

其中,w 为挠度(mm);μ 为卸载系数;q为均布载荷值(N);a 为单元长度(mm);b为单元宽度(mm);k

为特征值;E 为材料弹性模量(Pa);I为截面惯性矩(mm4);x 为横向变量(mm);y 为纵向变量(mm)。

车架尺寸、最大载荷和选取的材料特性等如表1所示。

表1 车架的主要参数

Table1 Mainparametersofframe

参数

车架

(长×宽×高)/mm3

车架质量/

kg

Q235材料弹性

模量/GPa

横截面惯性

力矩/mm4 特征值

均布载荷

大小/N

卸载

系数

屈服强

度/MPa

数值 5200×1280×730 1000 200 2.6×109 25.5 3000 0.84 235

由式(1)可知,当x=y=0时,出现最大挠度,结合表1数据可计算出最大挠度w 约为3.89×10-6 mm,

而传统的车架挠度为1.31×10-3 mm,可知所设计的车架优于传统的车架挠度,有利于使用的平稳性和

承载性。

2.2 力学仿真分析

采用 Ansys对该车架进行静力学分析,由材料力学得出任意点等效应力,如式(2)所示:

σe =

1

2

σ1 -σ2 2 + σ2 -σ3 2 + σ3 -σ1 2 ≤ σ (2)

其中,σe 为等效应力(Pa);σ1、σ2、σ3 为3个法相应力(Pa);[σ]为许用应力(Pa)。

结合该车架的工作方式,对其受力进行仿真分析,应力分析云图如图5所示,变形云图如图6所示,应

变分布云图分析结果如图7所示。由应力分析云图可知,最大应力为77MPa,出现在板簧后支撑处位置。

型材一般采用 Q235材料,屈服强度为235MPa强度合格。

图5 应力分析云图

Fig.5 Stressanalysiscloudimage

第38卷第2期 彭 正,等:基于 Ansys的移动式秸秆颗粒机车架稳定性的有限元分析 113

由变形云图可知,最大变形小于1mm,与整体尺寸相比变形很小,在允许范围内。最大变形出现在

车架尾部,其主要原因是悬臂结构导致的。

图6 变形云图

Fig.6 Deformationcloudimage

图7 应变分布云图

Fig.7 Straindistributioncloudmap

由应变分布云图可知,变形值范围为3.8~7.6mm,与整体尺寸相比变形很小,在允许应变范围内,

由此断定合格。

3 有限元分析

3.1 模态理论研究

通过对车架的应力仿真分析可以得出车架在最大应力时是否超过材料的屈服强度,且可以验证车架

最大变形量是否在允许范围之内。而对车架的共振分析,是通过对频率的响应,进行有限元分析,以避免

共振,从而出现疲劳损坏情况。频率的计算如式(3)所示:

f=

1

2π

k

m

(3)

其中,f 为频率 Hz ;m 为等效质量 kg ;k为刚度系数。

综上,得出前六阶振动频率值如表2所示。由表2可知,在汽车设计中,车架的变形量计算是基于共

振频率的。共振频率是指在特定条件下,物体振动达到最大振幅的频率。在汽车行驶过程中,车架会受到

各种力的作用,如路面冲击力、空气阻力等,当这些力的频率与车架的共振频率相近时,车架会发生较大的

振动,从而导致车架的变形。设计的移动式秸秆颗粒机是受到外部拖拉机的牵引,行驶中的路面激励,一般

在20Hz以下,拖拉机的车速低于40km/h。在前六阶振动频率计算中,随着振动阶级的增加,共振频率逐

渐递增。这意味着车架在不同速度下的共振频率也会有所不同。根据研究,当车速低于40km/h时,车架的

共振频率主要分布在43.113Hz附近。因此,在设计车架时,需要考虑到这一范围内的共振效应对车架变

形的影响。

通过前六阶振动频率计算,可以全面验证当车速低于40km/h时,车架的变形量计算设计依据是合

理的。这是因为在这个速度范围内,车架的共振频率主要集中在43.113Hz附近,而这个频率范围与实际

行驶过程中的车速分布相吻合。因此,在这个速度范围内,车架的变形量计算可以很好地反映实际情况,

为汽车设计提供了可靠的依据。

114 安徽科技学院学报 2024年

表2 各阶振动频率值

Table2 Vibrationfrequencyvaluesateachrank

阶级 1 2 3 4 5 6

频率/Hz 43.113 44.612 71.34 96.066 120.4 136.74

3.2 模态分析

结合车架结构,对车架进行动态分析,通过各阶频率、振型进行有限元模态化分析,结果如图8所示。

通过模态分析结果可知,当固有频率从43Hz上升到136Hz时,其共振变形量、出现部位及振动方向如

表3所示。由图8和表3可知,车架的最大变形量集中在面板的中部,YZ表面沿 Y轴方向振动变形和中

间支腿的最下端XY表面沿X轴方向振动变形,最大值分别为9.9和9.4mm。

图8 各阶振型图

Fig.8 Vibrationpatternsofeachrank

表3 模态分析结果

Table3 Modalanalysisresults

阶级 变形量/mm 出现部位 振动方向

1 2.6 车架尾部 XZ表面沿X轴方向振动

2 2.7 车架尾部 YZ表面沿 Y轴方向振动

3 3.1 车架尾部 YZ表面沿 Y轴方向扭动

4 17.0 面板边缘 YZ表面沿 Y轴方向振动

5 9.9 面板中部 YZ表面沿 Y轴方向振动

6 9.4 中间支腿 XY表面沿X轴方向振动

第38卷第2期 彭 正,等:基于 Ansys的移动式秸秆颗粒机车架稳定性的有限元分析 115

4 结论

国内目前对移动式秸秆固化成型设备的研究较少,没有现成设备的设计经验可以参考,需要根据工艺

进行重新研发和设计,所以研发成本和难度较大。本研究基于有限元分析,对新型移动式秸秆颗粒成型设

备的车架进行分析验证,当车架的固有频率为43~136Hz,频率较高,颗粒机在车辆规定车速范围内,不

会出现共振;前3阶的共振动变形最高只有3.1mm,相对车架整体尺寸,即使出现变形,通过模态分析,

车架在工作时振动也不会影响车架而导致损坏。表明移动式秸秆颗粒机车架能有效地减轻因应力过大造

成的共振和变形损坏等问题,为后期移动式颗粒机的加工和制造,以及将来进一步的设计和优化奠定了

基础。

参考文献:

[1] 彭正.移动式智能秸秆固化成型处理关键技术及设备研究[D].凤阳:安徽科技学院,2020.

[2] ADSULMG,SINGHVIMS,GAIKAIWARISA,etal.Developmentofbiocatalystsforproductionofcommodity

chemicalsfromlignocellulosicbiomass[J].BioresourTechnol,2011,102(6):4304-4312.

[3] 付敏,陈效庆,高泽飞,等.秸秆粉体利用技术及秸秆微粉碎研究现状与展望[J].中国农机化学报,2023,44(7):

91-100.

[4] 李云,李洪涛,纪运广.生物质成型燃料制备预处理技术应用现状[J].湖北农机化,2019(22):168-169.

[5] 刘晓娟,殷卫峰.国内外生物质能开发利用的研究进展[J].洁净煤技术,2008,14(4):7-9.

[6] 刘金翰.浅析机电一体化在农业机械化方面的发展[J].南方农机,2019,50(3):63.

[7] 谢婉莹,马少辉,赵丽.秸秆粉碎设备的研究现状与技术分析[J].新疆农机化,2023(5):14-17,24.

[8] 董云哲,耿欣,李君兴,等.秸秆饲料化加工机械现状与展望[J].农业与技术,2022,42(24):28-31.

[9] 张玉华,王恩束,王珩,等.半转叶片推进器叶片结构设计与模态分析[J].安徽工业大学学报(自然科学版),2009,

26(1):69-72,85.

[10] 蒋亚军,廖宜涛,秦川,等.4SY-2.9型油菜割晒机机架振动分析及改进[J].农业工程学报,2017,33(9):53-60.

[11] 徐立章,李洋,李耀明,等.谷物联合收获机清选技术与装置研究进展[J].农业机械学报,2019,50(10):1-16.

[12] 周明刚,张露,陈源,等.基于灵敏度分析的船式拖拉机机架结构优化设计[J].农业工程学报,2016,32(12):54-60.

[13] 鲍官培,黄丹丹,郑凤菊,等.秸秆打捆机自动控制与故障诊断系统研究与试验[J].安徽科技学院学报,2021,35(3):

1-6.

[14] SSOMADM AHA,HUDZARIRM,NOORDIN M NA,etal.Finiteelementanalysisforstressdistributionof

handtoolharvester[J].ProcediaEng,2013,68:219-224.

[15] KEŠNERA,CHOTĚBORSK'YR,LINDAM,etal.Stressdistributiononasoiltillagemachineframesegmentwith

achiselshanksimulatedusingdiscreteelementandfiniteelementmethodsandvalidatebyexperiment[J].Biosyst

Eng,2021,209:125-138.

[16] 谷润润,李利芳,李学志,等.秸秆粉碎机关键部件设计及模态分析[J].现代制造技术与装备,2021,57(8):91-93.

[17] 窦谈.稻草秸秆粉碎机的设计与试验研究[D].哈尔滨:东北林业大学,2022.

[18] 孙浩博,胡明明,胡忠强,等.枸杞采摘机机架有限元分析[J].林业机械与木工设备,2021,49(7):30-35.

[19] 郑国强,李耀明,姬魁洲,等.谷子联合收获机割台机架的振动分析与结构优化[J].农机化研究,2024,46(1):

41-45,53.

[20] 高建军,刘志扬,顾伟,等.谷物联合收割机底盘机架模态分析与优化[J].机械设计与研究,2023,39(3):199-205.

(责任编辑:顾文亮)

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