1、Vol.42,No.3Journal of Inner Mongolia University of Science and Technology第42 卷第3期September,20232023年9 月内蒙古科技大学学报基于TRIZ理论的马铃薯联合收获机机架设计与分析蒙建国，杨国欣，王亮，迟明路?，吴航宇（1.内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头0 1 40 1 0;2.河南工学院智能工程学院，河南新乡453004;3.高峰机械设备有限公司，内蒙古乌兰察布012199)摘要：某大型马铃薯收获机的机架强度不足、焊接点易于断裂为提高机架可靠性，基于TRIZ理论对机架进行改进设计。首先，针对收
2、获机工作时所存在的机架焊接点断裂问题进行了总结，利用TRIZ理论中的“冲突解决原理”对机架前段的方管连接薄弱部分进行了改进升级；其次，运用ANSYS18.0软件对机架进行了强度分析；最后，在强度分析的基础上,对改进前后的机架进行了疲劳分析。结果表明：改进后的机架设计合理,疲劳寿命为1 1 0 6次，最小安全系数大于1，能满足机架的疲劳要求.该研究结果对大型块茎类收获机机架的改进设计提供了参考。关键词：马铃薯联合收获机；优化设计；TRIZ理论；疲劳分析中图分类号：S225.7+1文献标识码：A文章编号：2 0 9 5-2 2 9 5(2 0 2 3)0 3-0 2 1 0-0 5D0I:10.1
3、6559/ki.2095-2295.2023.03.002Design and analysis of potato combine harvesterframe based on TRIZ theoryMENG Jianguo,YANG Guoxin,WANG Liang,CHI Minglu,WU Hangyu3(1.Mechanical Engineering School,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China;2.Intelligent En-gineering School,He
4、nan Institute of Technology,Xinxiang 453004,China;3.Gaofeng Machinery Equipment Co.,Ltd,Ulanchap012199,China)Abstract:The frame of a large potato harvester has insufficient strength and the welding points on the frame are prone to fracture.Toimprove the reliability of the frame,this paper optimized
5、the frame design based on TRIZ theory.Firstly,this study summarized thefracture problem of the welding point of the frame of the harvester,and improved the weak part of the square tube connection in thefront section of the frame using the“conflict resolution of TRIZ theory.Secondly,the strength of t
6、he rack was analyzed using ANSYS18.O software.Finally,based on the strength analysis,the fatigue analysis of the frame before and after the improvement was carriedout.The results show that the improved frame design is reasonable and the fatigue life is 1 x1o times,the minimum safety factor isgreater
7、 than 1,which can meet the fatigue requirements of the frame.The result of this study provides a reference basis for the designof largetuberharvesters.Key words:potato harvester;optimal design;TRIZ theory;fatigue analysis马铃薯的产量较高，营养也较为丰富.它是继小麦，水稻，玉米之后的第四大农作物1 我国的马铃薯种植面积和产量均排世界第一，但是马铃薯机械化作业效率并不高，主要体现
8、在机架的可靠性无法保证,薯土分离不彻底等问题2-3 郭新峰等4 针对马铃薯收获机机架的作业可靠性方面存在问题，*基金项目：内蒙古自治区重点研发和成果转化计划资助项目（2 0 2 2 YFHH0122）.作者简介：蒙建国（1 9 8 4），男，内蒙古科技大学讲师，博士，研究方向为机械工程.通信作者：e-mail：m j g 1 0 1 1 6 3.c o m收稿日期：2 0 2 3-0 1-1 8211蒙建国，等：基于TRIZ理论的马铃薯联合收获机机架设计与分析对机架进行了模态分析与优化设计结果表明：机架固有频率超出了外部激振频率，避免了机架共振的发生，研究基于TRIZ理论进行机架的改进设计，结
9、合有限元软件，开展模拟分析根据实地考察了解现有马铃薯收获机机架存在焊接处易断裂等情况.首先，利用三维软件Solidworks对马铃薯联合收获机机架进行建模，并将机架导人到ANSYSWorkbench中进行应力与疲劳分析然后，通过分析应力、寿命等因素，选用TRIZ理论中的“矛盾冲突解决原理”，针对位于机架前方管连接处的结构进行改进设计，有效改善马铃薯收获机机架所存在的易断裂问题.1基于TRIZ理论机架改进设计1.1机架方管焊接部位的问题定义马铃薯联合收获机是集挖掘、分离、升运、收集的多功能机器，机架作为收获机最关键部位，承担着挖掘、筛选、收集、动力等重要部件的支撑功能，机架模型如图1 所示在收获
10、机作业时，机架会受到来自牵引装置、承载装置、地面等传递的载荷，这些载荷对机架的可靠性产生一定影响，从而出现机架断裂情况的发生，如图2 所示。因此，设计出结构合理、强度高的机架具有重要意义：654321.垂直提升梁；2.减速器支撑梁；3.墙板；4.侧方管；5.断裂处；6.连接方板；7.前方管。图1机架模型图断裂处图2机架焊接处开裂情况现场实拍图1.2机架结构的改进设计根据上述问题，采用TRIZ理论中的技术矛盾分析方法来进行改进设计.TRIZ理论是苏联专家阿奇舒勒等5 在对2 0 0 多万份发明专利进行了一系列的研究后,所发明的一项原理根据最新的矛盾矩阵表，采用48 个通用工程参数来描述矛盾改善的
11、内容和恶化的内容表格纵坐标代表改善的参数，横坐标代表恶化的参数，参数前的数字代表该参数的序号：横、纵坐标的交集所示的数字为40 个发明原理的序号，代表着解决这个矛盾的发明原理采用理论中的IF.THENBUT.格式来描述技术矛盾.IF提升机架的可靠性，THEN增大机架承受的最大压力或稳定性，BUT对机架的复杂性和数量等因素造成恶化影响6 根据上述分析，总结出矛盾矩阵如表1 所示。表1矛盾矩阵表恶化参数序号改善参数序号10(物质的数量)45（装置的复杂性）19(张力或拉力）35,10,12,517,5,2,121(结构的稳定性）1,4,35,1713,31,2,10在矛盾矩阵中找到改善参数和恶化参
12、数的相交单元后，对表1 中的各个原理进行剖析，熟悉每一个发明原理的详细描述结合实际情况与优化设计经验，通过对表1 中的发明原理筛选后，初步选取了1号发明原理（分割）和1 2 号发明原理（等势性）作为改进机架的设计原理，如表2 所示。利用2 个发明原理对机架改进设计的具体操作为：分割将前方管与侧方管的连接方式由横向改为纵向，增大焊接面积，有利于方管连接处的稳定性，并且在前方管中间加人加强梁，有利于应力的分布；等势性将2 个方管由纵向处于一高一低的相对位置改为于同一水平位置，使得整体结构更加稳定。表2发明原理细则序号发明原理TRIZ释义1分割提高物体的分割和分散程度改变工作条件，12等势性使物体不
13、需要被升高或降低由表2 可知，针对侧方管与前方管的焊接方式以及增设加强梁等措施进行机架改进设计，改进后2122023年9 月第42 卷第3期内蒙古科技大学学报的机架模型如图3所示，654321.垂直提升梁；2.减速器支撑梁；3.墙板；4.侧方管；5.加强梁；6.连接方板；7.前方管.图3改进后机架模型图2机架应力分布有限元分析2.1模型创建收获机机架作为一个焊接架，可以看作一个整体进行分析，利用三维制图软件Solidworks建立机架的立体模型为了提升有限元分析速度，在满足机架结构特征的前提下，将模型简化为：机架上的倒角简化为圆角；机架所用的材料设为是密度分布均匀；横梁以及墙板等处的工艺孔忽略
14、7 ，设定机架材料为Q235结构钢，该材料强度高，塑性和韧性较好，具体材料参数如表3所示，表3Q235结构钢材料属性属性数值泊松比0.3弹性模量/CPa210屈服极限/MPa235密度/(kg m3)78502.2网格划分将Solidworks中简化的机架模型保存为x_t格式并导人到有限元分析软件ANSYSWorkbench中。设定机架材料为Q235结构钢，网格尺寸设定为20 mm.2.3机架载荷计算在马铃薯联合收获机作业时，根据各装置重量、土薯等物料质量、外界施加载荷等因素，作用在机架上主要有前方管牵引载荷、减速器支撑梁的载荷、垂直提升梁上的载荷最后通过计算后具体外部载荷力施加到相应部件上得
15、出机架的具体受力情况在Solidworks中赋予马铃薯联合收获机Q235结构刚材料之后，可得该收获机各个模块的质量，如表4所示.表4马铃薯联合收获机各装置质量挖掘一级分二级分提升纵向输装置机架装置离装置离装置装置送装置质量/kg8819070219180521按照挖掘铲满负荷工作条件来进行计算，作业幅宽为1.4m，挖掘铲有效工作长度为2 6 0 mm，挖掘深度为2 50 mm，人土面积为作业幅宽乘以挖掘深度，计算得0.35m.马铃薯与泥土混合的密度为1400kgm-3,得出在挖掘铲上的物料质量为160kg.根据试验统计一级分离6 0%7 0%的土壤，二级分离30%40%的土壤，且最后含杂率不大
16、于5%为根据8 ，得出机架各个位置物料的质量，如表5所示。表5马铃薯联合收获机各装置质量物料质量挖掘一级分二级分提升纵向输装置装置离装置离装置装置送装置质量/kg160964326162.3.1计算前方管牵引载荷F在作业时，前方管牵引载荷F，计算如下式9 F,=Fm+F,;(1)Fm=Cu;(2)F,=RS.(3)式（1）中：F为前方管牵引载荷,N;F为收获机前进所需作用载荷，N;F，为挖掘铲起土壤所需作用载荷,N.式(2）中：G为整机重力,N;u为土壤与轮胎的摩擦因数式(3）中:R为土壤比阻,Nm；S为人土面积,m.为0.1 5,R为1 8 0 0 0 Nm,计算可以得：F,=6 541.2
17、 N.2.3.2计算减速器支撑梁载荷F3在收获机作业时，由于后续的动力都是经过减速器输出，所以支撑梁会受到很大的载荷压力：而链传动中紧边载荷大于松边载荷，所以载荷压力主要是由紧边载荷所引起，计算如下式：F,=Fel+Fal+Fa;(4)F,=F2kicos.(5)213蒙建国，等：基于TRIZ理论的马铃薯联合收获机机架设计与分析式（4）中：F2为减速箱链传动紧边载荷,N;Fe为第1组链传动有效圆周力，N;F。为第1 组链传动离心力引起的拉力，N；Fm 为第1 组链传动悬垂拉力，N.式（5）中：F，为减速器支撑梁载荷，N;k,为载荷修正系数；为减速箱输出轴传动链与垂直方向夹角，基于GB/T348
18、083，下同，依据载荷修正系数计算方法,k，为1.2,计算可得：F3=4100N.2.3.3计算垂直提升梁上的载荷F4垂直提升梁将动力传动给提升装置和纵向输送装置，该梁主要承载着链传动中紧边的载荷F4，计算如下式：F4=(F2+Fe2+Fn)k2.(6)式(6）中：F4为垂直提升装置梁载荷,N;F为第2组链传动有效圆周力，N;F为第2 组链传动离心力引起的拉力，N；F为第2 组链传动悬垂拉力，N；k为载荷修正系数.k为1.1,计算可得:F4=2700N.根据马铃薯收获机实际工作特点，对机架两侧底部施加固定约束，近似于对行走轮区域施加约束.通过计算，收获机工作时前方管牵引载荷6541.2N，减速
19、器支撑梁上的载荷41 0 0 N，垂直提升梁上的载荷2 7 0 0 N，均作用于机架的相应部位.求解得到优化前的应力云图如图4所示。EqvivalentStressUnit:Mpa45.280Max37.73430.18722.64115.0947.5480.002Min图4改进前机架应力云图2.4结果分析机架材料为Q235结构刚，屈服强度为235Mpa，机架的许用应力计算如下式：(7)n式(7）中：为许用应力,Mpa;。为屈服强度，Mpa;n为机架的安全系数.n为1.5,计算得=1 1 7.5Mpa.机架的最大应力值max满足：0 maxo.机架作业时的最大应力远远小于许用应力，低于材料的屈
20、服强度，但由于应力集中区域循环次数过多，容易引发裂纹，进而导致机架发生疲劳破坏，因此，有必要对机架进行疲劳分析。3机架疲劳有限元分析3.1参数设置机架作业时最大应力小于许用应力，但是由于载荷的循环次数过多，属于高周疲劳问题，因此可以用应力-寿命曲线来进行疲劳分析如图5所示为IgE与lgN的关系：9.59.08.58.001234561gN图5Q235应力-寿命曲线在Fatigue Tool中选择Life，Sa f e t y Fa c t o r,Damage，Fa t i g u e Se n s i t i v i t y 疲劳强度因子设置为0.8,载荷为FullyReversed,疲劳敏
21、感性最小50%，最大1 50%.3.2载荷施加机架承受振动分离筛的周期性振动载荷，振动筛处链轮传动对机架的载荷F，计算如下式：Fs=(Fe3+Fe+Fg)k3.(8)式（8）中：Fs为振动筛对机架的载荷,N;Fe为第3组链传动有效圆周力，N；F为第3组链传动离心力引起的拉力，N;F为第3组链传动悬垂拉力，N；k3为载荷修正系数。ks为1.1,计算可得：Fs=3940N.振动筛偏心轮的转速为n=210r/min，频率为3.5Hz,根据实际情况将F1,F3,F4,F，施加在机架有限元模型上，进行疲劳计算。3.3计算结果分析输入材料特性之后，改进前的机架寿命及安全系数如图6，7 所示图6 中Life
22、等值线表明机架由于疲劳作用直到失效的循环次数，通常规定循环次数大于1 1 0 次为无限寿命由图6 可知最大寿命为1 1 0 次，但机架存在寿命小于1 1 0 次部位安全等值线表明在特定使用寿命下材料的安全系数，图7 中最小安全系数为0.8 8 59 1，系数小214第42 卷第3期2023年9 月内蒙古科技大学学报于1,这意味着在设计寿命内可能会发生疲劳破坏。最小安全系数所在位置与最大应力位置相同，发生在前方管与侧方管焊接处，表明该处可能是最早出现疲劳破坏的位置改进后的机架寿命及安全系数情况如图8,9 所示从图8 中可以看出，机架的疲劳寿命均匀，达到1 1 0 次，则称其为无限寿命.从图9 中
23、可得，机架整体的安全系数在1.56 9 1 5之间，最小安全系数仍大于1，说明机架在正常工作条件下不会发生破坏。LifeType:Life1.0000e+6Max8.9025e+57.922.5e+56.2813e+55.5919e+54.9782e+5Min图6优化前寿命SafeFactorType:Safe Factor15.00000Max10.000000.88591Min0.00000图7优化前安全系数LifeType:Life1e+61e+6图：优化后寿命SafeFactorType:SafeFactor15.000Max10.0001.569Min0.000图9优化后安全系数4结
24、论1)建立了马铃薯联合收获机机架模型，求解出了机架最大应力位置与实际情况中发生断裂的位置相符最大应力为45.2 8 0 MPa，小于材料屈服强度，静强度满足使用要求。2)结合静应力分析的结果与机架材料的应力-寿命曲线，计算机架的疲劳寿命得出改进前的机架最小安全系数小于1，发生位置在前方管与侧方管焊接处改进后机架最小安全系数大于1，并且机架整体疲劳寿命均匀，达到1 1 0 次，称其为无限寿命表明改进后的机架满足疲劳寿命要求，3)运用静力学分析与疲劳分析，验证了改进后的机架满足疲劳寿命要求，该研究结果可为块茎类收获机机架的改进设计提供参考.参考文献：1徐宁，张洪亮，张荣华，等.中国马铃薯种植业现状
25、与展望.中国马铃薯，2 0 2 1,35（0 1）：8 1.2卓会敏，付三泽，刘恒，等.我国马铃薯产业标准现状分析及建议.安徽农业科学，2 0 1 9,47（2 1）：2 48.3姜伟，刁培松，张华.中国马铃薯生产及机械化收获现状J.农业装备与车辆工程,2 0 2 1,59（0 4）：1 8.4郭新峰，王卫兵，郭世鲁，等.马铃薯收获机机架的模态分析与试验研究.机械设计与制造,2 0 1 8（0 7）：154.5ILEVBAREI M,PROBERT D,PHAAL R.A review ofTRIZ,and its benefits and challenges in practiceJ.Technovation,2013,33(s2-3):30.6白裕,冀强,高旭杰.基于 TRIZ理论的六足机器人优化设计与研究门.内蒙古工业大学学报（自然科学版）,2 0 2 0,39(0 3）：32.7史业钊，高耀东.橡胶旁承结构设计.内蒙古科技大学学报,2 0 2 2,41(0 1):9 9.8连文香.4U-1400FD型马铃薯联合收获机分级装袋装置及机架的研究与设计D.兰州：甘肃农业大学，2010.9濮良贵，纪名刚.机械设计M.北京：高等教育出版社,2 0 0 6.（责任编辑：王晓枫）
