農業機械設備中減速器的設計分析

王秀娟

（山東高唐縣農機綜合服務中心，山東 聊城 252800）

農業機械在現代農業生產中扮演著重要角色，特別是在丘陵與山區等特殊地理環境中，傳統機械難以發揮作用。為了提高這些地區果園土壤管理的效率和質量，需要設計專門的微耕機，適應復雜地形的耕作需求。微耕機的核心組成部分之一就是其減速器，需要傳遞穩定的動力以驅動松土裝置。為此，本文聚焦于設計一個高效、穩定的微耕機減速器，讓微耕機的使用更加適應復雜地形條件，更加高效和可靠。

1 微耕機及減速器的總體結構

本文所述微耕機是一種為適應丘陵與山區特定地形條件下的低矮樹型果園土壤耕作而設計的農業機械。該機器的設計目標是提高地區果園的土壤管理效率與作業質量。機械在作業中利用內燃機作為動力源，通過一個特制的減速傳動系統向松土裝置傳送作用力。松土裝置配備的螺旋刀片通過旋轉切削來疏松土壤，從而為果樹提供適宜的生長條件[1]。

由于立式微耕機結構和作業要求的特殊性，其內部減速器的設計對于傳統微耕機來說有明顯的區別。減速器內部結構的創新之處在于其單擋工作機制，動力通過輸入軸進入后，首先經由一對精密計算尺寸與角度的圓錐齒輪進行初步減速，然后通過一系列呈等邊三角形布置的中間軸，最終將力傳遞至三個對稱布置的輸出軸，以保證動力的均勻轉移和穩定輸出。此減速器的設計不僅考慮了力的有效傳遞，也考慮到了機械的維護、操作的簡便性以及故障率的降低等。通過結構優化，微耕機更適合于在限制性空間下進行高效率的土壤耕作。

2 優化模型

2.1 設計變量選取

在設計齒輪時，需考慮眾多因素如模數、齒數、面寬和材料屬性等，這些因素共同決定了齒輪的結構復雜性及其受力性能。鑒于齒輪設計涉及多個結構參數，綜合考量可能會增加設計的復雜度[2]。同時，在執行結構參數優化過程中，有必要確保各個參數維持相互獨立性，以避免交互影響。本研究將聚焦于模數、齒數和寬度這三個核心參數，以便于分析其對齒輪結構與強度的影響。

在此設定的傳動系統中，包括了第一軸齒輪、中間軸齒輪、輸出軸齒輪以及主動錐形齒輪與從動錐形齒輪，其齒數分別使用z1、z2、z3、z4、z5表示?？紤]到第一軸齒輪、中間軸齒輪和輸出軸齒輪所涉及的嚙合傳動，這些齒輪具有相同的模數，因此統一表示為m1。對于主動錐形齒輪與從動錐形齒輪，其模數相同，記為m2。進一步，假定第一軸齒輪、中間軸齒輪以及輸出軸齒輪的齒寬比例系數相同，統一表示為φb1，而主動錐形齒輪和從動錐形齒輪的齒寬比例系數也相同，記為φb2。

依據以上設定，此齒輪系統的設計變量總數為9個，可以通過式（1）表示：

2.2 目標函數建立

在減速器中，傳動齒輪是一個重要的部件。所選用的材質將會導致其大小的變化，會對整個減速裝置的容積產生影響，進而對按容積比率增大的齒輪的質量產生一定的影響。所以，最大限度地減少傳動齒輪的數量是一個重要的目標。采用與其分度圓周直徑相同的圓筒表示其真實容積，并將其視為方程（2）中的目標函數。

在機械傳動系統中，減速器作為關鍵部件，其傳動平穩性對整個系統的性能影響深遠。傳動平穩性可以從多個角度進行評估和優化，其中，齒輪嚙合過程中的重合度是一個重要的影響因素。齒輪重合度，也常被稱為接觸比，是反映齒輪在嚙合過程中齒面接觸的幾何特征。具體而言，重合度是指同一時間內與之嚙合的齒數比值，這個參數直接關系到力的分布以及傳動過程中的穩定性。

理論與實踐均表明，當齒輪的重合度較大時，嚙合過程中同一時刻介入傳動的齒面數量增加，從而能夠更有效地分散傳動過程中產生的負載，并減少單個齒面上的載荷。這樣的效果有助于降低齒面的磨損速度，延長齒輪的使用壽命，同時也減少了因負載集中而導致的齒輪噪聲與振動，進而實現更為平順的傳動效果[3]。

在設計和優化減速器時，追求傳動系統的平穩性是一個重點目標。因此，在構建傳動系統的優化模型時，可以考慮將傳動齒輪的重合度負數最小化作為一個關鍵的次級目標函數，如式（3）所示。

式中，zi表示齒輪齒數；z'1表示主動錐齒輪當量齒數；z'2表示從動錐齒輪當量齒數；aai表示齒頂圓壓力角；a'i表示齒輪嚙合角。

3 減速器優化設計

3.1 減速器傳動方案

減速器采用尖端的復雜傳動鏈設計，旨在最大限度地提高傳動效率并降低故障率。該設計采用多軸傳動，包含輸入軸、第一軸、三根中間軸、三根輸出軸以及相應的齒輪。

輸入軸作為減速器的動力入口，與主動錐齒輪相連接。精確的配合是確保動力順暢傳遞至后續傳動部件的關鍵。主動錐齒輪作為傳動鏈的首個元件，通過嚙合作用將動力傳遞至從動錐齒輪。錐齒輪需具備高耐用性和精確的嚙合角度，以確保有效的力量傳遞并減少能量損失。從動錐齒輪接收動力后，將其傳遞至第一軸齒輪。錐齒輪的傳動比由齒數決定，因此必須根據所需的最終減速比進行設計，具體如下：

第一軸齒輪與第一軸精密相連，承擔著將力量從從動錐齒輪傳導至中間軸齒輪的職責。此環節進一步調整轉速并增加扭矩，為后續的動力傳輸提供堅實的基礎。中間軸齒輪發揮著重要的橋梁作用，將動力從第一軸齒輪穩妥地傳遞至輸出軸齒輪。減速器巧妙地配置了三根中間軸，這一設計顯著提升了系統的冗余性，確保在某一軸出現故障時，系統仍能維持基本的運轉功能[4]。

輸出軸齒輪作為減速器傳動鏈的最后環節，承擔著將經過減速的動力準確無誤地傳遞至輸出軸的使命，進而將動力傳遞至機械系統的下一部件。經過這一系列精密的傳動過程，減速器的輸出轉速和扭矩已完全滿足設計標準。

箱體作為減速器各部件的外殼，不僅有效保護內部零件免受外部環境的影響，還為各零件提供了穩固的配合基礎。在減速器設計中，三條對稱的傳動路徑的創新設計提供了多重傳輸路徑的可能性。這種設計理念使得在某一路徑發生故障時，設備仍能通過其他路徑保持運轉，從而提升整體可靠性[5]。

3.2 減速器箱體優化設計

3.2.1 建立減速器箱體參數化模型

首先，利用CATIA 軟件進行減速器箱體設計，根據預先測量得到的箱體結構尺寸，構建減速器箱體的三維模型。繼這一步驟之后，針對減速器下箱體也應當以相同的精確度建立其三維表征。在模型的創建過程中，為了提高有限元分析的效率和精度，應對箱體模型進行必要的簡化處理。這種簡化可以包括消除不影響分析的小尺寸特征或非關鍵細節。完成上下箱體各自的建模之后，接下來就是將這兩部分進行虛擬裝配以模擬實物的拼合狀態。裝配完成后，為了確保項目的進度和成果資料的安全，應該將整個減速器箱體模型及相應的裝配文件進行保存和導出[6-7]。最終，已裝配的減速器箱體模型應當呈現出清晰的三視圖，以便于進行進一步的分析和驗證。

3.2.2箱體參數優化設計

隨著模擬技術的迅速演進，有限元方法（Finite Element Analysis, FEA）得以穩步走向成熟。借助計算機輔助工程（Computer-Aided Engineering, CAE）的參數優化手段，有效縮短了產品開發周期并顯著減少了試驗費用。對于減速器的設計而言，必須優先考慮并使其滿足箱體剛性、結構強度、固有頻率及使用壽命等關鍵性能參數。通過精密的參數化優化設計，不僅確保了上述性能指標的滿足，還實現了減輕箱體質量的目標，彰顯了參數優化設計的核心價值所在。

3.3 構建減速器箱體的參數化幾何模型

在對減速器箱體進行優化設計時，控制各個組成部分的壁厚是至關重要的。為此，可以采用先進的有限元建模軟件HyperMesh，對減速器模型執行中面提取操作，以構建一套高度參數化的減速器幾何模型。此后，根據特定的設計需求，可以對箱體的不同區域指定相應的壁厚數值，將這些數值定義為優化過程中的設計變量。這樣的參數化模型為后續的優化設計提供了必要的靈活性和精確控制，以確保減速器箱體在滿足結構穩定性和耐用性要求的同時，盡可能地減輕重量[8]。

3.4 箱體設計參數的優化

在執行參數化優化過程中，一個完善的方案必須考慮目標函數、設計變量以及約束條件這三個核心組成部分。通過將參數化的有限元方法（FEM）模型整合到HyperStudy 軟件中，可以構建一個專門為優化減速器箱體設計的數學模型。在這個模型中，可將箱體各部分的厚度定義為設計變量，在本研究中共有11 個獨立變量。為確保這些設計變量的精確控制與合理性，它們的取值范圍都被限定在一個具有預定義上界和下界的區間內。這樣，通過在指定的界限內調整變量的值，可以對設計方案進行精細的優化，同時避免超出結構或功能允許的限制。

4 優化設計結果

4.1 編程及求解

本研究采用非劣排序遺傳算法（NSGA-II）對減速器設計進行了多目標優化。在模型輸入參數方面，設定了輸入功率為4.0 kW、輸入轉速為3 600 r/min。齒輪材料選用20CrMnTi，通過滲碳和淬火工藝處理后，齒面硬度達到了58 HRC～63 HRC。針對設計調整，優化了兩個關鍵疲勞極限參數，即齒面接觸疲勞極限（σHlim）和齒根彎曲疲勞極限（σFlim），分別設定為1 500 N/mm2和460 N/mm2。齒輪加工精度達到了7級磨削精度。在算法執行過程中，配置了100 個個體的種群規模，并設定了10 次迭代的最大代數，確保算法執行時間和資源使用均在合理范圍內。在遺傳操作方面，交叉概率設為0.9，以保持種群多樣性和算法探索能力；變異概率設為0.1，用于引入新的遺傳變異，防止算法早熟收斂。經過10 次迭代優化后，成功識別出了一系列Pareto最優解。

在實施NSGA-II 遺傳算法優化后，結果表明，在保持齒輪嚙合效率接近不變的前提下，選取的一個最優解的總體積相較于原有的經驗設計方案有顯著降低，具體來說，減少了20.3%。鑒于齒輪的重量與其體積成正相關性，并且所有齒輪均采用鐵質材料，這一體積縮減同樣意味著齒輪總重量的減少。這一下降比例與體積減少的比例一致，表明在不犧牲齒輪機械傳動可靠性的同時，優化結果使得齒輪裝置更緊湊，減速器整體更輕便。

4.2 減速器箱體的可靠性驗證

經過使用HyperStudy 優化軟件的迭代程序，本研究獲得了一組經過優化、符合預設目標與約束條件的減速器箱體的尺寸參數。為對這些參數進行效果驗證，本研究將其輸入到HyperMesh 有限元分析軟件中進行了深入的數值模擬。此項模擬旨在評估優化后的減速器箱體設計在應力強度、結構剛性以及固有振動模態頻率方面的性能表現。

模擬結果表明，優化后的減速器箱體在強度和剛度方面均滿足設計要求，并且模態分析結果顯示其固有頻率與設計準則一致，從而驗證了優化設計的準確性和可靠性。

5 結語

本研究在傳統農業機械設計的基礎上，對微耕機及其減速器進行了創新設計。通過分析設計各個部件，并利用先進的仿真技術與算法，實現了結構參數的優化設計。優化結果顯示，新的減速器箱體結構在強度和剛度上得到了充分驗證，能夠適應更為復雜的作業環境。同時，改進的減速器結構也為機械維護和操作帶來了便利，減少了可能發生的故障。綜上所述，本研究成果預計能夠顯著提高果園土壤耕作的效率與質量，對于山地農業機械設計領域具有積極的理論和實際應用價值[9-10]。