山地烤煙苗期地膜回收機(jī)卷膜輥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

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(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530001)

0 引言

地膜覆蓋技術(shù)自20世紀(jì)70年代末引入我國以來，以其增溫、保墑、抑制雜草生長、增加作物產(chǎn)量等顯著特點(diǎn)[1]，深受廣大農(nóng)民的歡迎。然而地膜覆蓋栽培技術(shù)在帶來顯著經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也使土地遭到嚴(yán)重的殘膜污染[2]，地膜殘留在土壤里使土壤的滲透性能下降，影響土壤的物理性狀，造成作物減產(chǎn)，甚至危害人體健康[3,4]，因此地膜的回收迫在眉睫，地膜回收機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

國內(nèi)已有不少研究機(jī)構(gòu)對地膜回收機(jī)進(jìn)行研究，并取得了一定的研究成果，如新疆建設(shè)兵團(tuán)123團(tuán)修造廠生產(chǎn)的2JMSD-4.5型棉花揭膜機(jī)[5]，新疆兵團(tuán)農(nóng)機(jī)推廣站和134團(tuán)研發(fā)的CSM-130B型齒鏈?zhǔn)綉覓焓漳C(jī)[6]等。國外的索依爾和羅伯森[7],R.L帕里什[8]等對地膜回收機(jī)也有一定的研究。然而國內(nèi)外現(xiàn)有的地膜回收機(jī)體型較大，質(zhì)量偏重，均不適合在山區(qū)耕地中使用。

山地烤煙苗期地膜回收機(jī)既要控制其整體質(zhì)量在合理范圍內(nèi)，又要滿足機(jī)器在復(fù)雜工況下作業(yè)的強(qiáng)度要求，因此需要對機(jī)器各部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。卷膜輥是山地烤煙苗期地膜回收機(jī)的關(guān)鍵構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性對整機(jī)功能的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。本文通過ANSYS Workbench有限元分析平臺對卷膜輥結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，預(yù)測卷膜輥結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力、最大變形和共振頻率，分析結(jié)果作為卷膜輥設(shè)計(jì)的參考依據(jù)，縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率。

1 卷膜輥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 卷膜輥結(jié)構(gòu)

卷膜輥是用來完成卷膜作業(yè)部件，由卷膜圓盤、卷膜輥軸套，4根卷膜方管、卷膜輥中心軸和8根挑膜齒構(gòu)成。卷膜輥中心軸通過銷分別與卷膜輥軸套和萬向節(jié)固定。動力軸通過萬向節(jié)向卷膜輥傳遞動力。卷膜輥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 ANSYS Work-bench有限元結(jié)構(gòu)分析

2.1 建立有限元三維模型

使用SolidWorks建立卷膜輥三維模型，結(jié)構(gòu)如圖1所示，然后導(dǎo)出成為parasolid格式，再導(dǎo)入到ANSYS Workbench的DesignModeler中，將挑膜齒頂削成凸臺，以避免求解時(shí)失真出錯(cuò)，對模型的載荷作用區(qū)施加印記，以便于模型施加載荷，卷膜輥有限元三維模型如圖2所示。

2.2 定義材料

將卷膜輥材料定義為Q235，密度7 850 kg/m3,泊松比為0.3，屈服應(yīng)力值為235 MPa。

2.3 劃分網(wǎng)格

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果

卷膜輥由規(guī)則幾何體構(gòu)成，選擇的網(wǎng)格單元是六面體為主，六面體與四面體相結(jié)合的混合單元。利用混合單元既可以避免局部過渡產(chǎn)生的病態(tài)單元，又能獲得較好的網(wǎng)格質(zhì)量，大大提高計(jì)算的精度，節(jié)省計(jì)算時(shí)間。為控制網(wǎng)格質(zhì)量，將網(wǎng)格最大尺寸設(shè)定為0.002 m，劃分得到427935個(gè)節(jié)點(diǎn)，96776個(gè)單元。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

2.4 結(jié)構(gòu)靜力分析

靜力是指結(jié)構(gòu)受到靜態(tài)荷載的作用[8]，慣性和阻尼可以忽略。在靜態(tài)載荷作用下結(jié)構(gòu)處于靜力平衡狀態(tài)，此時(shí)由于不考慮慣性作用，模型質(zhì)的量結(jié)構(gòu)影響可以忽略。在Workbench平臺中，如果荷載周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)自振周期(即緩慢加載)，則結(jié)構(gòu)的慣性效應(yīng)也可以忽略，這種情況簡化為靜力分析。

由經(jīng)典力學(xué)理論可知，物體的靜力學(xué)通用方程為：

[K]{x}={F}

式中：[K]是剛度矩陣；{x}是位移矢量；{F}是力矢量。

現(xiàn)以勻速作業(yè)工況為背景，對模型施加固定約束和載荷后即可對模型進(jìn)行求解。求解得到卷膜輥在勻速作業(yè)工況下的應(yīng)力云圖如圖4所示，變形云圖如圖5所示。

由圖4、圖5可知，卷膜輥在勻速作業(yè)工況下在各焊縫位置應(yīng)力較大，最大應(yīng)力位于挑膜齒與卷膜方管連接處為101.85 MPa，小于所有材料許用應(yīng)力值，最大總變形位于挑膜齒頂為0.15937 mm，符合卷膜輥的剛度要求。在實(shí)際生產(chǎn)中焊接質(zhì)量影響構(gòu)件連接強(qiáng)度，故分析結(jié)果與實(shí)際情況會存在一定的差距，但分析結(jié)果可以為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要參考。

2.5 模態(tài)分析

模態(tài)分析是計(jì)算結(jié)構(gòu)振動特性的數(shù)值技術(shù)，是最基本的動力學(xué)分析，也是其他動力學(xué)分析的基礎(chǔ)，具有非常廣泛的實(shí)用價(jià)值。結(jié)構(gòu)振動特性包括固有頻率和振型。模態(tài)分析結(jié)果可以幫助設(shè)計(jì)人員確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免共振。模態(tài)分析遵循的平衡方程為：

[M]{x″}+[C]{x′}+[K]{x}={F(t)}

式中：[M]是質(zhì)量矩陣；[C]是阻尼矩陣；[K]是剛度矩陣；{x}是位移矢量；{F(t)}是力矢量；{x′}是速度矢量；{x″}是加速度矢量。

給卷膜輥套筒處施加一固定約束，對其進(jìn)行模態(tài)分析。得到前6階模態(tài)值如圖6所示，1階變形云圖如圖7所示。

圖6 6階模態(tài)表 圖7 1階變形

由圖6可知，卷膜輥的1階振動頻率為462.26 Hz,遠(yuǎn)大于卷膜輥的工作頻率1.5 Hz，因此卷膜輥在工作過程中不會產(chǎn)生共振，該卷膜輥結(jié)構(gòu)安全。由圖7可知，當(dāng)振動頻率達(dá)到共振頻率值時(shí)，卷膜方管出現(xiàn)一定幅度的擺動，方管中點(diǎn)位置變形較大，卷膜輥軸向兩端卷膜圓盤變形較小，因此可以采用厚壁方鋼管或增大方鋼管尺寸來增加方鋼管的剛度使卷膜輥整體剛度趨于平衡。

3 結(jié)論

本文通過ANSYS Workbench平臺對山地烤煙苗期地膜回收機(jī)卷膜輥進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)靜力分析和模態(tài)分析，分析結(jié)果表明在勻速作業(yè)工況下受最大應(yīng)力為101.85 MPa，處于安全值范圍內(nèi)，最大變形量為0.159 37 mm，符合卷膜輥剛度要求，卷膜輥1階共振頻率為462.26 Hz，遠(yuǎn)大于卷膜輥的工作頻率1.5 Hz，因此該卷膜輥結(jié)構(gòu)安全合理。

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[3] 曾祥斌.農(nóng)用殘膜污染現(xiàn)狀及治理措施[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2009(16)227，229

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