殘膜回收機彈齒參數優化

魏　飛，張林海，陳曉敏，簡建明，侯書林

(1.南陽理工學院 機械與汽車工程學院，河南 南陽　473004；2.中國農業大學 工學院，北京　100083)

?

殘膜回收機彈齒參數優化

魏飛1，張林海1，陳曉敏2，簡建明2，侯書林2

(1.南陽理工學院 機械與汽車工程學院，河南 南陽473004；2.中國農業大學 工學院，北京100083)

摘要：針對殘地膜回收機彈齒應力效應問題，對彈齒長度L、截面直徑D、入土角θ、回轉角速度ω等4個參數進行虛擬正交試驗，建立相應的數學模型，考察各參數對彈齒應力的影響。正交試驗結果顯示：彈齒所受應力隨著L、ω的增大而增大，隨著D、θ的增大而減小；彈齒應力最小參數為L=180mm、D=10mm、θ=70°、ω=0.79(即π/4)rad/s，最大為L=280mm、D=3mm、θ=15°、ω=2.09(即2π/3)rad/s。彈齒截面直徑對臨界入土角影響較大，隨截面直徑的增大，臨界入土角明顯減小，即增大彈齒截面直徑有利于彈齒的順利入土。

關鍵詞：殘地膜；撿拾機構；彈齒；優化

0引言

目前，我國農業生產中廣泛運用地膜覆蓋栽培技術，致使田間地膜殘留量激增，嚴重污染農田與環境。因此，彈齒式收膜機憑借其簡單、耐用的優點得到了高度重視[1-3]。

撿膜彈齒是殘膜回收機主要工作部件。拾地膜過程中，彈齒長桿為主要受力部位，應考察其結構參數對應力結果的影響,包括彈齒的長度L、截面直徑D；此外，彈齒入土角θ、回轉角速度ω也是影響彈齒所受應力大小的重要參數。為此，本文針對彈齒的這4個參數進行虛擬正交試驗，建立相應的數學模型，以考察這些參數對彈齒受到應力的影響的重要程度；同時，通過方差分析法對試驗結果進行分析，以應力最小為目標進行優化設計，為彈齒的結構設計提供依據。

1彈齒撿拾機構工作原理

圖1為彈齒式拾膜部件結構示意圖[4]。其由地輪帶動彈齒輪運轉，彈齒沿滑道的運動，從而完成撿拾與卸膜的工作過程。

彈齒撿膜的工作過程是彈齒以一定角度進入土壤，將壟面的殘膜挑起，然后再將其挑離整個土面的過程[5-7]。

1.彈齒輪　2.滑道　3.彈齒　4.殘膜　5.土壤

2虛擬正交試驗設計

2.1因素水平表

本次虛擬正交試驗的目的在于尋求一組最優的彈齒長度L、彈齒截面直徑D、彈齒入土角θ、彈齒回轉角速度ω，使得彈齒入土作業過程中所受應力為最小。所以，將應力大小作為本次試驗的評價指標，以彈齒長度L、截面直徑D、入土角θ、回轉角速度ω為試驗因素，對每個因素取5個水平，最終確定該試驗所選取的因素水平表。在進行試驗時，保持所涉及的其他參數不變，如彈齒的其他結構尺寸、彈齒與彈齒軸的位置關系、土壤的參數等均保持不變。試驗確定的因素水平表如表1所示。

2.2試驗方案

本文所確定的因素水平表為四因素五水平正交試驗表，根據試驗所確定的因素水平數制定試驗方案，進行25次試驗計算，以得到所需試驗結果數據。

表1　因素水平表

2.3虛擬正交試驗結果及分析

2.3.1試驗結果

每組均考察彈齒從入土至出土的整個工作過程，由于角速度和入土角度的影響，每組的求解時間不一。根據每組彈齒的結構參數重新建立土壤模型，根據每組角速度和入土角計算得出每組的求解分析時間，輸出K文件信息并進行相應的修改，提交至LS-DYNA求解器進行求解，記錄分析過程中每組試驗的應力最大值。試驗1～25的分析過程中的應力最大值如表2所示。

表2　試驗結果數據

續表2

2.3.2顯著性檢驗

查得臨界值F0.05(4,8)=3.84、F0.01(4,8)=7.01，所以對于顯著性水平α=0.05，因素C(即入土角)對實驗結果有非常顯著的影響，因素A(即彈齒長度)對試驗結果有顯著影響，因素B和因素D(即彈齒截面直徑和彈齒回轉角速度)對試驗結果的影響較小，其置信度為95%。因素主次順序依次為入土角、彈齒長度、彈齒截面直徑和彈齒旋轉角速度。最后，將分析結果列于方差分析表,如表3所示。

表3　方差分析表

2.3.3優方案的確定

試驗指標是應力大小，其值越小越好。從試驗結果數據(表2)可以看出：優方案應取各因素最小K值所對應的水平，為A2B5C5D2，即彈齒長度L=180mm、彈齒截面直徑D=10mm、入土角θ=70°，彈齒回轉角速度ω=0.79(即π/4)rad/s。

相反，最差方案取各因素最大K值對應的水平，為A5B2C2D4，即彈齒長度L=280mm、彈齒截面直徑D=3mm、入土角θ=15°，彈齒回轉角速度ω=2.09(即2π/3)rad/s。

由試驗結果數據中得到：方案中應力最大的為彈齒長度L=280mm，彈齒截面直徑D=4mm，入土角θ=15°，彈齒回轉角速度ω=1.57(即π/2)rad/s。

2.3.4結果趨勢圖及分析

根據試驗結果數據ki值，繪制趨勢圖如圖2所示。圖2中，橫坐標表示各因素的水平，按照水平的實際大小進行排列；縱坐標表示試驗指標。從圖2中也可以看出：當彈齒長度A2=180mm、截面直徑B5=10mm、入土角C5=70°、角速度D2=0.79rad/s時，彈齒所受到的應力最小。即優方案為A2B5C5D2。從趨勢圖還可以看出，彈齒所受應力隨著彈齒長度、角速度的增大而增大，隨著截面直徑、入土角的增大而減小。實際進行確定方案時，還應根據具體的拾膜要求及拾膜速率，來確定最終的結構參數和運動參數。

圖2　試驗方案因素與指標趨勢圖

2.3.5彈齒未入土的結果分析

在彈齒與土壤運動的過程中，當彈齒的入土角小到一定程度，彈齒就不能成功進入土壤，不能完成整個對土壤切削的過程。這是因為彈齒的初始入土角很小時，其對土壤的剪切力很小，當不能達到土壤的抗剪切力時，便不能將土壤切開進入土壤；而隨著彈齒與土壤的繼續接觸，彈齒與土壤之間的夾角越來越小，彈齒對土壤的剪切力也越來越小，越來越小于土壤的抗剪切力，這就導致彈齒更不可能將土壤切開進入土壤，所以就會發生彈齒在整個過程中未能入土的情況，得到的結果如圖3(a)所示。

圖3(b)所示為彈齒未入土的情況中，選取彈齒齒根部(A、B單元)、彈齒彎曲變形較大部位(C、D單元)、彈齒齒尖部(E、F單元)，得到其應力變化曲線。由圖3與前文彈齒應力分析圖比較可以看出，彈齒不入土時其應力變化趨勢與入土時不一樣。由圖3可知：彈齒齒根部仍然是在彈齒與土壤接觸時應力值發生突增，但在接下來彈齒與土壤繼續接觸的過程中，其應力值沒有突降的一個過程；相反，其應力值持續增大，最后在一個較大的應力值范圍呈鋸齒狀波動。這是因為彈齒不能進入土壤，彈齒與土壤間的夾角也在變小，齒根部受到的彎矩也就在變大，所以相應應力值也就在變大。

圖3　彈齒未入土結果

由圖3(b)還可以看出：彈齒彎曲變形較大部位的應力值并沒有在彈齒與土壤接觸時發生突增。這是因為該部位在彈齒與土壤剛接觸時，其變形量并不大；隨著彈齒與土壤的繼續接觸，由于彈齒不能進入土壤，該部位的變形量在持續增加，所以該部位的應力值也就在持續增長。

由圖3(b)可知：與其他兩個部位相比，彈齒齒尖部受到的應力要小很多，其變化趨勢也沒有其他兩個部位明顯。這是因為彈齒不能進入土壤，齒尖部受到的土壤阻力相較其他部位受到的彎矩要小得多，所以其應力值要小很多。因為在彈齒與土壤繼續接觸的過程中，齒尖部與土壤間接觸的狀態不會發生明顯變化，與初始接觸狀態相差不大，所以齒尖部的應力變化趨勢也不很明顯。

2.3.6彈齒未入土的結果分析

入土角對彈齒受到應力的大小有非常顯著的影響：土角太小時，會發生彈齒不能切入土壤的狀況，所以對彈齒能夠進入土壤的臨界入土角的分析具有十分重要的意義。

首先，根據殘膜回收機實際工作狀態時彈齒的結構尺寸確定彈齒其他幾個參數取值為彈齒長度L為230mm，彈齒截面直徑D為5mm，彈齒的旋轉角速度ω為1.57(π/2)rad/s，針對彈齒的入土角進行單因素試驗。單因素試驗同樣需要重新建立有限元模型，并定義好邊界條件和載荷，設置好求解選項通過ANSYS/LS-DYNA進行求解。

正交試驗的結果分析：在入土角為15°時，有些方案是沒有入土的；而入土角為30°時，彈齒的入土效果比較好。所以，選擇30°和15°分別作為單因素試驗入土角的上下限取值。然后，針對得到的結果，通過二分法逼近的原理，以彈齒入不入土為判斷指標，定義下一次試驗的因素取值，周而復始，得到滿足一定精度(此處取為1°)的結果近似值。試驗過程及結果如圖4所示。

圖4　參數取值5mm單因素試驗過程及結果圖

由試驗結果得知：當彈齒長度L=230mm、彈齒截面直徑D=5mm、彈齒的旋轉角速度ω=1.57(π/2)rad/s時，彈齒的臨界入土角為21°±1°。

在進行正交試驗的過程中還發現：彈齒的截面直徑也對彈齒的入土起到關鍵的作用。當直徑比較大的時候，彈齒會更容易進入土壤。所以，針對彈齒不同的截面直徑，考察其臨界入土角的大致范圍。選取彈齒截面直徑為3mm和8mm，分別對其進行單因素試驗，試驗的過程和步驟同上文所述。由此得到截面直徑取3mm時，彈齒長度L=230mm、彈齒截面直徑D=3mm，彈齒的旋轉角速度ω=1.57(π/2)rad/s時，彈齒的臨界入土角為27°±1°。本次試驗的試驗過程及結果如圖5所示。

圖5　參數取3mm單因素試驗過程及結果圖

同樣考察直徑取為8mm、其他參數不變時的彈齒入土角的大致范圍，得到的結果為彈齒的臨界入土角為15°±1°。

由結果可知：彈齒的截面直徑對臨界入土角的影響較大，直徑相差2mm便可以造成臨界入土角相差6°左右。隨著彈齒截面直徑的增大，相應臨界入土角減小，即增大彈齒截面直徑有利于彈齒的順利入土。通過本次單因素試驗結果，得到在彈齒截面直徑不同尺寸條件下的臨界入土角大小，可為彈齒結構設計及裝配角度提供指導。

3結論

1)彈齒所受應力隨著L、ω的增大而增大，隨著D、的增大而減小。因此，在實際設計中，還應根據具體的拾膜要求、拾膜速率，來確定最終的結構參數和運動參數。

2)彈齒上應力處于最小值的參數取值為：L=180mm，D=10mm，θ=70°，ω=0.79(即π/4)rad/s；應力處于最大值的參數取值為：L=280mm，D=3mm，θ=15°，ω=2.09(即2π/3)rad/s。

3)在L=230mm，ω=1.57(即π/2)rad/s條件下，當彈齒截面直徑D分別等于3、5、8mm時，彈齒的臨界入土角θ分別為27°±1°、21°±1°和15°±1°。

參考文獻：

[1]那明君，董欣，侯書林，等．殘膜回收機主要工作部件的研究[J]．農業工程學報，1999，15(2)：112-115.

[2]Berglund，Rake．Impact of plastic mulch and poultry manure on plant establishment in organic strawberry production[J]．Journal of Plant Nutri-tion,2006，29：103-112.

[3]曹肆林，王序檢，劉云，等．殘膜回收機械化技術的專利分析研究[J].中國農機化，2009(4):48-50.

[4]侯書林，胡三媛，孔建銘，等．國內殘膜回收機研究的現狀[J]．農業工程學報，2002，18(3)：186-190.

[5]呂貽忠，李保國．土壤學[M]．北京：中國農業出版社，2005.

[6]何濤，楊競，金鑫，等．ANSYS 10.0/LS-DYNA非線性有限元分析實例指導教程[M]．北京:機械工業出版社，2007.

[7]馬愛麗．基于LS-DYNA果園螺旋開溝機模擬試驗研究及其優化設計[D]．武漢:華中農業大學，2008.

Abstract ID:1003-188X(2016)02-0167-EA

Parameteres Optimization of Film Recycling Machine Tine

Wei Fei1, Zhang Linhai1, Chen Xiaomin2, Jian Jianming2, Hou Shulin2

(1.College of Mechanical and Automotive Engineering，Nanyang Institute of Technology,Nanyang 473004, China; 2.College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083,China)

Abstract：For solving the stress effects problems of the Plastic film recycling machine tine , through corresponding mathematical model,simulation virtual experiments are tried to study four parameters(tine length, cross-sectional diameter, buried angle, the rotational angular velocity ) of Tine stress affected. Orthogonal experiment results showed that, tine the stress increases with L,ω is increasing,with increasing D,θ decreases.Tine stress minimum parameters for L=180mm, D=10mm, θ = 70 °, ω=0.79 (i.e.π/4)rad/s, a maximum of L=280mm, D=3mm, θ =15°, ω=2.09 (i.e. 2π/3) rad/s.Tine sectional diameter greater impact on the critical angle buried, along with an increase in cross-sectional diameter, buried the critical angle significantly reduced, which increases cross-sectional diameter of the spring-tine conducive to the smooth shells buried.

Key words：residue mulch ; pickup mechanism; spring-tine; optimization

文章編號：1003-188X(2016)02-0167-04

中圖分類號：S223.5

文獻標識碼：A

作者簡介：魏飛(1968-),男，河南南陽人，講師，(E-mail)weifei196801@126.com。通訊作者：張林海(1976-)，男，河南南陽人，講師，博士，(E-mail)zhlinhai2005@163.com。

基金項目：國家“863計劃”項目(2012AA10A503-4)

收稿日期：2015-01-21