机械设计论文1

1农业机械设计发展现状

农业机械设计需要与自身应用环境相匹配，工作环境以及使用对象直接影响到农机设计的开发方向。目前，农业机械设计还停留在常规的农业机械设计模式，农机的设计方法和技术不能与当前的工作环境相适应，而且基于完整的理论体系的分析设计较少，大部分都是定性分析设计，必须借助其他相关领域的设计经验，采用类比的方法进行数据分析处理。农机零件的受力和变形是农业机械设计中的关键问题，它可以为农业机器的强度和刚性提供合理准确的设计计算数据。农机零件多为杆件和杂件，其构造形式复杂多样，种类繁多，机械零部件的应力、变形、位移等问题能够用“弹性方程”说明和求解。其本身的设计复杂程度较高，使得精确求解变得十分困难，在设计过程中容易出现计算偏差。因此，为了得到设计数据的近似精确值，必须寻找一种可行的求解方案，才能保证农业机械设计的质量[1]。实践证明，引入一些新的设计方法和技术，可以提升农机的科技水平，缩短设计周期，降低生产成本[2]。目前，有限元法被广泛应用于工程分析中，该算法采用变分法得到最优的结果。这种概念类似于把很多小范围内的一些简单的方程式结合在一起，然后用它来估算更大范围内的一些复杂的方程式。该方法得出的结果不是准确值，而是近似值。而有限元方法不但具有较高的精度，还具有较强的复杂适应性，它可以将实际复杂问题转变成多个简单问题，很容易计算出近似值。因此，它可以对农业机械设计中的复杂数据进行近似精确计算[3]。

2有限元法的核心思想

有限元法的核心思想是将一个连续的单位分解成若干个独立的单位，这些单位只由一个节点连接，并承担相应的节点负荷。利用所选择的函数关系，可以得到单位节点处的待求数量。因为若干个单位结构形式比较简洁，所以可以通过平衡或者能量形式来确定节点量之间的单元方程。再将各单元方程式按照变形协调的要求“组解”起来，形成整体的代数方程式，并将边值范围条件代入，再进行求解。在工程领域，它的应用范围涵盖了力、冲击、噪声、振动、摩擦、耐久性、刚性和重量等方面。它采用数学近似的方法来模拟实际的物理系统（几何和负载状态），同时可以用有限的未知量，来接近一个无限的未知量。在有限元计算中，由于所采用的软件不同以及建模过程中会发生变化因素，会带来不同的计算结果。在设计过程中，对于有限元分析的结果要进行谨慎处理，有关特定性问题，要通过模型实验的检验来判定结果，才能确认有限元计算的准确性[4]。所以，在农机设计过程中，要更好地运用有限元分析软件在农机产品设计中的功能，机械设计师们应该把准此方法的核心思想。

3有限元法的基本步骤

1）物体离散化。把一个工程结构离散成不同的单元，称为单元划分。在离散后的各单元间，采用各单元的节点进行连接。通常，单元的细分值越大，变形的描述就越准确，也就是与实际的变形程度相吻合，但计算量也会增加。2）对单元特性进行分析。对于位移模式的选择，通常采用有限元方法进行位移计算，并对其进行力学性能分析。通过分析各单元的材料性质、节点数目、尺寸、形态等因素，得出单元与节点之间的位移关系式，导出单元的刚度矩阵，并计算等效节点力。将表面力、体积力等效地传递给各节点，并以等效节点力代替对单元施加的作用力。3）单元组集及求解方程。通过对构件的受力状态和结构条件分析，将其与原有的构件进行连接，从而构成了刚度矩阵。当单元组集结束后，要进入方程求解阶段：采用有限元方法求解节点的位移，然后求出未知数值。与其他的机械方法相比，有限元法在农业机械设计中应用的优点是可以对复杂、非均质的农机工程构造进行分析，能够模拟不同的材料结构的关系和荷载，能够对农机结构进行动态分析，通过对多种方法的对比和分析，其结果可以用图形来表示，为农机工程方案的优化提供了依据[5]。

4农业机械设计中应用有限元分析软件的案例

以“花溪玉田9YFG-2.2/2.2A型秸秆方草捆打捆机”的有限元设计案例为例，拖拉机的运转过程是从传动轴开始，经过摩擦离合器、飞轮、齿轮箱等传送设备将动力运转到机械的各个工作部分。在实际操作过程中，当农机运行时，碾碎设备会将地上的稻草捡拾并扔进喂入机构，随着机构内的螺旋输送机将两边的物料送至压捆室进料口；进料拔叉在运转过程中将物料运送到压缩室，在活塞的推动下，物料在压缩室中被逐步地压实；在草捆长度到达规定标准后，链条和离合挡位跳出，打捆离合器快速啮合，使打捆装置开始工作；针头固定架开始运作，然后将捆绳送入打结机构；在机械作业时，打结机构把两条捆绳打结；当针头离开时，捆绳就会被剪掉。随着后进入的物料的推进，捆好的草料渐渐向压缩室出口处移动，然后顺着放捆板掉落至地面[6-7]。笔者从模拟仿真、结构调整以及结构优化三方面进行了压缩装置的设计与分析，确保了该方案的有效性和实用性，最大程度减少了试验成本，保证了方草捆打捆机使用的稳定安全。且使用SolidWorks有限分析软件对压缩装置进行绘图以及三维建模，并对其结构进行分析和确认，能够在较短时间内找到并处理其结构的问题，进而改善其工作特性。

4.1运用SolidWorks有限元分析软件

在分析压缩装置的结构时，可以知道压缩活塞在机械中起着关键性作用。由于压缩活塞转速高，其惯性力和转速波动比较大，因此会导致压缩装置产生振动。设计师通过SolidWorks有限元分析软件可以绘制三维压缩活塞模型，从而直观地发现结构问题的不合理性，对其进行结构优化。在压缩活塞装置中，把移动摩擦式活塞更换成滚轮式活塞，使原来的移动摩擦力快速转换成滚动摩擦力，从而有效地改善了该活塞的工作性能，提高了农机的工作效率。SolidWorks技术的应用主要体现在计算机辅助绘图（CAD）、计算机辅助建模、工程分析以及结构优化三个方面[8]。

4.2方草捆打捆机结构分析

1）建立样机虚拟模型。按照有关规范和技术指标，建立三维压缩活塞模型。2）确定限制条件。要准确科学地建立模型，必须保证定义正确，约束条件适当，才能建立起合理的压缩活塞约束。3）定义载荷。利用MATLAB软件，将有关方程和力学公式引入机械结构中，对其进行动态的计算。利用机械滑块的数据，清晰地展示了机械工作的过程，取得了较好的结果。通过对系统软件的数据进行可视化处理，可以使有关人员对其计算结果进行合理的分析，从而确定方草捆打捆机的真实载荷量。4）添加材料。依据农机设计的有关规范和标准，设计师应选择适当的材料，并充分考虑其结构的数学建模，确定材料的密度、弹性模量以及泊松比。5）构建有限元模型。在进行实际的数值模拟计算前，必须先将其转换成对应的有限元模型，因为它能精确概括出有关的数学观念。在这个基础上，设计师要利用SolidWorks前处理功能，来建立压缩活塞的有限元模型。6）运行求解。SolidWorks软件内部含有模拟仿真程序，为使用者提供了多种不同的求解方法：一是CurrentLS求解，以实际的载荷设定为基础，进行对应的计算求解；二是FromLSFiles求解，通过读取载荷的信息数据，将其存储到特定的文件档案中，并将其加入对应的模式中，从而方便了后续的计算工作；三是PartialSolu求解，这种方法以局部求解为主导，效率较高，针对性较强；四是AdaptiveMesh求解，这种方法的特点是对网格进行精确分析和计算；五是Topologicopt求解，利用这种方法，可以确保拓扑结构在优化设计中达到最佳的设计结果。以上求解方法可以精确地对农机设计数据进行分析处理，从而得到贴合实际的计算结果。7）后处理。后处理机的功能是对最后的结果进行查询，在结构文档中常用的输出方式有两种：图形和数据列表。SolidWorks的模拟仿真程序中的后处理机模型包括两类，一类是基于时间过程的后处理模型，另一类则是通用后处理模型。通过应力等值线，不仅能够更加正确地描述与概括压缩活塞三维模型中的应力与变形状况，还能使工作人员迅速确定其内部的危险范围。此外，利用该图形窗口，可以生成该模型的多条应力等值线。最后，应针对后处理要求，对压缩活塞装置的工作特性进行优化与改进。在此阶段，应将压缩力作为动力，以达到对中间隔段应力状况的科学调控，防止由于压力过大出现严重变形等问题。另外，应强化中间隔断的结构设计，以保证压缩活塞装置的弹性程度符合我国农业机械设计零件的有关标准[9-10]。

5结语

综上所述，笔者从农机设计的发展现状以及有限元法的核心思想和基本步骤分析入手，结合SolidWorks软件的功能，对压缩机械活塞装置进行了科学、合理的结构设计与分析，从而保证了农机产品的高品质和高效率。此外，在农机设计中，将尖端的技术思想与科学农机技术相结合，通过从模拟机的各方面参数入手，对农机的性能进行全面的检测，从而有效地减少农机的研发时间，降低农机的研制成本。

作者:言子涵 单位:南京工程学院

机械设计论文2

0引言

塔某抢险救援工程机械是一种应急救援工程机械设备，可实现救援现场的清理、推土、牵引等功能。其作业工况恶劣，行驶状况复杂，且换挡频繁，要求机动性能强，工作效率高。该产品装配一台前6后2型手自一体AT（AutomaticTransmission）变速箱，在满足机动性的同时，可根据不同的行驶状况选择不同的行驶挡位。考虑其设置的挡位数量，选用传统直线式或王字型机械换挡手柄则机械设计复杂，体积加大，不利于空间布置和后续车型的扩展[1-2]。而选用ZF（采埃孚）的电子换挡手柄，则可很好解决空间布置与挡位数量及后续扩展之间的矛盾。为更好的实现驾驶员的换挡意图和驾驶体验，本文对基于ZF电子换挡手柄的挡位预设功能进行了详细设计，并通过实车测试进行验证。

1总体设计

某抢险救援工程机械挡位预设系统结构示意图如图1所示，其由TCU（TransmissionControlUnit）模块、影响挡位设置的模式开关、制动等整机信号模块、ZF电子换挡手柄、车载显示器、变速箱本体上的挡位离合器和方向离合器等组成[3]。其中，TCU模块主要用于完成ZF电子换挡手柄及模式开关、制动等整机信号的采集，并根据挡位预设策略计算当前的预设挡位，实时发送挡位信号。车载显示主要用于完成变速箱预设挡位的显示，用于提示驾驶员。变速箱本体可根据TCU端口信号，结合对应的挡位离合器和方向离合器，完成预设挡位的结合。ZF电子换挡手柄有F、N、R三个位置，每个位置都可左（“-”）右（“+”）扳动，且可以自动复位，可通过此信号完成加减挡操作。

2关键设计

2.1挡位预设策略整体执行流程

该产品装配的为手自一体变速箱，可通过模式开关信号设置变速箱的工作模式，为充分考虑驾驶员的驾驶意图，需要针对手动和自动模式分别设计变速箱的挡位预设策略。挡位预设策略整体执行流程图如图2所示。整车上电后，软件初始化，挡位默认进入N挡。挡位预设策略开始执行，先通过整机信号（模式开关信号、制动信号、限位信号、车速、故障信号等）判断整机的工作模式是否处于手动模式，若满足则直接进入手动模式挡位预设处理模块；否则进入自动模式挡位预设处理模块。不同整机模式下的挡位预设完成后，预设挡位发送给车载显示器显示，用于提示驾驶员是否与驾驶员设置相同。若此时检测到换挡手柄仍处于N挡，则等待驾驶员下一步操作指令；否则进入正常换挡程序，根据预设挡位结合对应的挡位和方向离合器。

2.2手动模式预设挡位设计

变速箱进入手动模式后，在N挡下驾驶员操作换挡手柄进行加挡或减挡，可进行预设挡位，预设的挡位为车辆的起步挡位。通过设置不同的起步挡位，可在提升车辆工作效率同时，更好的反映驾驶员的驾驶意图[4]。手动模式预设挡位控制流程图如图3所示。整车进入手动模式后，则可进行手动模式下的挡位预设操作。首先进行换挡手柄位置的判断，若手柄不处于N挡，则整机按照上次下电时记忆的预设挡位或上次预设挡位进行起步换挡，并进入正常的手动换挡控制程序，响应前进或后退位置的手柄加减挡操作；否则，进行是否检测到手柄加减挡信号判断。手柄处于N挡时，当检测到加挡信号[手柄往右扳动（“+”）]时，预设挡位在原来起步挡位的基础上加1挡，最大可增加到GearOfMmax；当检测到减挡信号[手柄往左扳动（“+”）]时，预设挡位在原来起步挡位的基础上减1挡，最小可减小到1挡。实时监控手柄位置，若手柄仍处于N挡，则可继续手动模式下的预设挡位操作；若手柄不处于N挡，则进入正常的手动换挡操作，按预设挡位进行起步换挡。

2.3自动模式预设挡位设计

变速箱进入自动模式后，在N挡下驾驶员操作换挡手柄进行加挡或减挡，也可进行预设挡位。预设的挡位为车辆在自动模式下最大的行驶挡位，通过设置不同的最大行驶挡位，可在提升车辆机动性能同时，更好的保证行驶的安全性[5]。自动模式预设挡位控制流程图如图4所示。整车进入自动模式后，则可进行自动模式下的挡位预设操作。首先进行换挡手柄位置的判断，若手柄不处于N挡，则整机按照默认最大挡位GearOfMmax或上次预设的最大挡位进行自动换挡；否则，进行是否检测到手柄加减挡信号判断；手柄处于N挡时，当检测到加挡信号[手柄往右扳动（“+”）]时，自动行驶的最大挡位在原来预设挡位的基础上加1挡，最大可增加到GearOfMmax；当检测到减挡信号[手柄往左扳动（“+”）]时，自动行驶的最大挡位在在原来预设挡位的基础上减1挡，最小可减小到1挡。实时监控手柄位置，若手柄仍处于N挡，则可继续自动模式下的预设挡位操作；若手柄不处于N挡，则进入正常的自动换挡操作，按预设的最大行驶挡位进行自动换挡。在自动行驶过程中，实时监测手柄位置，若手柄未回N挡，也可响应手柄加减挡信号。同样当检测到加挡信号时，自动行驶的最大挡位在原来预设挡位的基础上加1挡，最大可增加到GearOfMmax；当检测到减挡信号时，自动行驶的最大挡位在在原来预设挡位的基础上减1挡，最小可减小到1挡。在自动行驶过程中，若手柄回N挡，整机再次自动行驶时，整机按上次预设的最大挡位进行换挡，直到下次检测到手柄加减挡信号才对整机最大行驶挡位进行调整。

3实车测试验证

按照上述设计，对某抢险救援车在手动和自动模式下的预设挡位系统进行实车测试，并借用DEWE-43型采集设备对车辆的请求挡位和方向，实际挡位与方向，输出转速等信息进行采集，来验证整个挡位预设系统设计的合理性。手动模式下，手柄处于N挡时，手柄加挡2次后手柄切换到F时的实车测试曲线如图5所示。由图5可知：手柄处于N挡时，当前的挡位为0（空挡），经过加挡操作后请求方向和挡位为2，手柄执行F挡操作后，实际挡位和方向为2，输出转速有数值，车辆处于行驶状态，符合设计要求。手动模式下，手柄处于N挡时，手柄加挡3次后手柄切换到F时的实车测试曲线如图6所示。由图6可知：手柄处于N挡时，当前的挡位为0（空挡），经过加挡操作后请求方向和挡位为3，手柄执行F挡操作后，实际挡位和方向为3，输出转速有数值，车辆处于行驶状态，符合设计要求。自动模式下，手柄处于N挡时，调整手柄设置最大的行驶挡位为5，在行驶过程中，手柄加挡到6挡，实车的测试曲线如图7所示：由图7可知：手柄处于N挡时，设置自动模式最大行驶挡位为5挡，更改油门踏板开度，车辆最大行驶挡位仍为5挡；此时操作手柄加挡，最大行驶挡位提高到6挡，更改油门踏板开度，车辆的最大行驶挡位提高到6挡，符合设计要求。

4结论

本文选用ZF（采埃孚）的电子换挡手柄，在解决抢险救援工程机械驾驶室空间因传统直线式或王字型机械换挡手柄体积大布局不合理的同时，可满足车辆挡位数量及后续车型扩展的问题。针对此手柄操作方式提出了一种挡位预设的方法和系统，实车测试验证表明：此挡位预设系统降低了对操作手柄硬件需求，操作灵活，在变速箱的不同操作模式下，都能很好的反映驾驶员操作意图。

作者:赵裕聪 单位:江苏汇智高端工程机械创新中心有限公司

机械设计论文3

润滑脂，通常用于机械摩擦部位，起降低机械摩擦、防止机械磨损的作用。润滑脂的工作原理是稠化剂将油保持在需要润滑的位置，当有负载时，稠化剂将油释放出来起润滑作用。在静止状态时，它能保持自己的形状黏附在金属上不滑落，而在机械中受到运动部件的剪切作用时，它能流动并进行润滑，降低运动表面间摩擦和磨损；剪切作用停止后，它又能恢复一定的稠度。进而广泛应用于机械部件的润滑[1-2]。某型机械输送缸位于水箱和料斗之间，内壁采用镀铬工艺，光滑耐磨。输送缸有两根，在工作时，它们内部的活塞呈相反方向在输送缸内动作。S摆阀配合活塞动作，将混凝土从料斗中吸入输送缸，再通过S摆阀送到输送管，进而送至施工作业面。活塞与输送缸之间的润滑方式都采用自动润滑，每工作一次，润滑系统自动加注润滑脂。所用润滑脂为锂基润滑脂，为透明粉色膏状，而该设备在开展整机试验过程中，运行48h内便出现大量发黑润滑脂，为找到发黑发生的原因，故设计本试验。

1试验部分

1.1试验设计

1.1.1润滑脂使用环境分析通过试验现场走访，对润滑脂的使用环境进行分析获得如下信息：（1）润滑脂在役仅48h，不涉及到期需更换问题；（2）用于砼活塞与输送缸之间的润滑；（3）工作时内部最高温度可达80℃。通过使用环境分析，抽提出可能导致润滑脂发黑的影响因素：（1）润滑脂内是否进入机械杂质；（2）润滑脂是否发生高温氧化变质；（3）是否发生零件磨损。

1.1.2试验项目设计针对抽提出的可能导致变色的影响因素进行试验项目设计[3-4]：（1）全新润滑脂、发黑润滑脂机械杂质对比测试；（2）新润滑脂、发黑润滑脂红外光谱对比分析；（3）新润滑脂、发黑润滑脂酸值对比分析；（4）全新润滑脂、发黑润滑脂内金属元素对比分析。

1.2试验设备傅立叶变换红外光谱仪：Spectrum2型研究级，美国PE公司；全谱直读等离子体发射光谱仪：SPECTROBLUE垂直观测型，德国斯派克公司；微孔玻璃坩埚、回流冷凝管等。

2结果与讨论

2.1机械杂质试验

取全新润滑脂与发黑润滑脂按《GB/T513-1977（2004）润滑脂机械杂质测定法（酸分解法）》开展机械杂质测试，测试结果见表1。全新润滑脂无机械杂质，发黑润滑脂机械杂质含量为0.138%。机械杂质是以悬浮或沉淀状态存在于润滑脂中，不溶于汽油或苯及规定溶剂的可以过滤出来的物质。机械杂质的来源是油品在贮运、使用过程中从外界掉入的灰尘、铁屑、泥沙等物质，这些物质会增大设备的腐蚀，破坏油膜增加磨损和积炭等。因此，轻质油品绝对不允许有机械杂质存在。重质油品一般限制在0.005%~0.1%之间[5-6]。本次测试采用酸分解法，测定润滑脂中不溶于盐酸、石油醚(汽油或苯)、乙醇-苯混合液及蒸馏水的机械杂质的含量。所测主要对象是尘土、砂粒等硅化物类磨损性杂质。水箱中发黑润滑脂内含0.138%机械杂质，结合使用环境主要为尘土及泵送对象混凝土中砂粒等硅化物，虽然含量超过了0.1%，但根据使用工况难以避免。同时这些机械杂质并不会直接导致润滑脂发黑或变质，只是会影响润滑效果及使用寿命。

2.2傅里叶变换红外光谱分析

红外光谱可以对油液中有机物的基团结构进行分析。且润滑脂绝大部分成分及污染物都有明确的红外特征，通过比较新、旧润滑脂红外吸收峰的位置与峰高，可定性及定量监测基础油与添加剂组分是否发生了变化[7]。取全新润滑脂与发黑润滑脂按《ASTME1252-1998（2013）e1获取定性分析用红外线光谱的通用技术的标准实施规程》开展傅里叶红外光谱分析，扫描次数3，扫描速度0.2，分辨率2，检测器LiTa03，分光器KBr，光源MIR。结果如图1所示。油品在使用过程中,由于氧化作用,所产生的氧化物主要表现为含有羰基(C=O)的醛、酮、酸、脂类化合物。故红外分析中通过监控羰基来测量油液的氧化程度。羰基在红外光谱上主要出现在1720cm-1处特征峰，由于羰基有很强的吸收，在谱图中都是最强峰或与最强峰相当[8-9]。图1中并未出现该波数附近的特征峰，故发黑润滑脂并未发生氧化变质。酸值是评定润滑脂质量的主要理化指标，酸值的变化在一定程度上反应润滑脂的氧化程度和腐蚀性，对判定润滑脂能否使用有重要意义[10-11]。新油的酸值较低，在使用过程中，由于氧化而生成酸性物质，并不断积累，从而酸值会逐渐增加。酸值测定的方法主要有两种，分别为指示剂法和电位滴定法[12-13]。本文按照《SH/T0329-1992（2004）润滑脂游离碱和游离有机酸测定法》开展试验，分别取全新润滑脂和发黑润滑脂适量，测试两种的酸值，试验结果见表2。

2.4金属多元素测试

主要的润滑油发射光谱分析方法有等离子体原子发射光谱法(ICPAES)和转盘电极原子发射光谱法(RDEAES)两种[14]。通过发射光谱分析技术能够得到Fe、Al、Ca、Ba、Zn、Mg、P、Cu、Na、K、Mg等20多种元素浓度数据。这些元素的主要来源有磨损金属、添加剂和污染三个方面[15]。取全新润滑脂与发黑润滑脂开展金属多元素分析（ICP法），试验方法依据《IP501用灰化法溶解法和感应耦合等离子发射光谱法测定残渣燃油中铝硅钒镍铁钠钙锌磷》，试验结果见表3。从元素检测结果来看，使用后铁含量大幅增加，判断使用过程中发生了金属表面的磨损。锌含量和磷含量大幅减少，润滑脂中添加剂发生损耗。润滑脂中铁元素的增加会导致润滑脂颜色变黑。由于该脂在役时间仅为48h，无法确定铁元素增加是由于最初跑合导致的，还是后期的磨损导致的。如果为初期跑合原因，后期不再增加，脂的颜色变深，属于正常情况，不影响使用。如果继续定期检测铁元素，发现它是增加的，说明是机械磨损导致。如果是后者，可能是润滑脂的极压抗磨性能不足或添加剂损耗所致，则需要选择性能更优的润滑脂。

3结论

（1）经金属多元素分析试验，某型机械输送缸润滑脂发黑主要原因为铁元素增加，判断使用过程中发生了金属表面的磨损。由于润滑脂在役时间仅48h，建议继续定期检测铁元素，以明确是初期跑合原因还是后期磨损导致。若为初期跑合原因，后期不再增加，则不影响使用；若为后期磨损，则可能是润滑脂极压抗磨性能不足或添加剂损耗所致，则需要选择性能更优的润滑脂。（2）红外光谱测试结果显示，谱图未出现羰基特征峰，说明发黑润滑脂并未发生氧化变质。

参考文献

[1]石顺友,林秀转,张广辽,等.工程机械用润滑脂行业标准浅析[J].润滑油,2021,36(1):52-57.

[2]杨其明,严新平,贺石中,等.油液监测分析现场实用技术[M].北京:机械工业出版社,2006.[3]刘泊天,高鸿,张静静.润滑油脂的评价检验[J].理化检验物理分册,2018,54:332-335.

[4]毛美娟,朱子新,王峰.机械装备油液监控技术与应用[M].北京:国防工业出版社,2006．

[5]胡立荣,赵珊珊,吴志坚.2种抗化学品密封脂的性能[J].化学推进剂与高分子材料,2015,13(3):49-52.

作者:何婷 方伟 单位:湖南三一工业职业技术学院