果園枝條就地還田機主要作業部件的設計分析—基于ANSYS Workbench

鄭健星，劉俊峰，馮曉靜，李建平

(河北農業大學 機電工程學院，河北 保定 071001)

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果園枝條就地還田機主要作業部件的設計分析—基于ANSYS Workbench

鄭健星，劉俊峰，馮曉靜，李建平

(河北農業大學 機電工程學院，河北 保定 071001)

通過對現有果園修剪枝條的處理方式和當下的國家政策進行調查，總結枝條就地還田技術的發展意義。利用AIP軟件建模，對3ZF-160型果園枝條就地處理機的刀筒結構尺寸進行設計，將刀筒模型導入ANSYS Workbench分析軟件中，對刀筒進行模態分析，得到刀筒的前6階固有頻率和振型云圖。結果表明：刀筒的結構設計合理，不會產生共振，能夠為結構設計和整機優化提供參考。

果園；枝條就地還田機；刀筒；ANSYS Workbench；模態分析

0 引言

國家統計局數據顯示，我國2013年果園種植面積是12 371 350hm2， 2014年種植面積為13 127 240hm2，同比增加了6%，且近10年均以不同的比率增長。修剪是樹木種植中的必要工藝過程，每棵樹每年剪枝量根據樹齡差異來決定。低幼果樹年修剪量約為750～1 500kg/hm2，盛果期蘋果和梨的年修剪量約為1 500～2 250kg/hm2，桃一般3 750～6 000kg/hm2[1]。目前，農業部提倡標準化果園的建設，舊果園更新將會大大增加果園修剪枝條的數量。從以上數據可知，果園建設中將產生大量的果園綠色廢棄物。合理地利用果園廢棄物[2]不僅可以增加果農經濟收入，提高果園經濟效益，還可以減輕大量枝條對環境帶來的壓力。

本文旨在探索枝條就地還田技術的意義，并對果園枝條就地還田機械的主要工作部件進行設計分析。為果園枝條就地還田處理提供參考。

1 果園枝條就地還田處理發展意義

1.1 果園枝條現有的處理方式

之前，果園的一大部分修剪枝條仍然作為果農的直接燃料。隨著近幾年果園修剪枝條的綜合利用處理方案的提出，修剪枝條的利用出現了幾種不同的形式。

1)為發電廠提供原料。發電廠派出專門的工作人員到果園收購修剪的枝條，然后在發電廠進行直接燃燒發電處理。枝條直接燃燒處理之前，需要將枝條進行晾曬處理，降低枝條的含水率[3]。

2)制成食用菌基體。果園修剪枝條富含有機質元素，可作為優質食用菌培養基原料[4]。李鳴雷[5]等研究表明：用粉碎的蘋果枝條作為原料栽培的香菇，菌絲萌發速度快、長勢好且污染率低。

3) 轉化成有機肥。果樹枝條中富含氮、磷、鉀等營養元素。修剪枝條粉碎后，通過厭氧發酵或有氧發酵，轉化成有機肥施入園內；但發酵過程中需要特定的場所和人員對其發酵條件進行控制。

1.2 果園枝條就地還田處理的發展意義

1) 政策導向。2016年，河北省農業廳編寫了到2018年首先完成化肥使用量不增長的《河北省化肥使用量零增長行動方案》。朱保成等在兩會上提出“十三五”期間，應倡導大力推進綠色循環低碳農業進展。果園內將有機廢物還田處理是政策導向，是促進農業可持續發展的新舉措，為果園修剪枝條就地還田處理提供了政策指導。

2) 果園機械化發展需求。果園機械化也是農業機械化的一項重要評估指標[6]，果園枝條粉碎機械是果園機械裝備中的重要部分，果園枝條粉碎機的發展影響農業機械化的進程。

宗慶姝[7]研究表明：果樹枝條直接還田，可以提高土壤pH值，增加土壤有機質、全氮、速效磷等含量。

綜上所述，果樹修剪枝條地還田技術不僅適應我國農業可持續發展的需求，也解決了標準化果園實現全程機械化的問題。

2 果園枝條就地還田機的總體結構

現有枝條粉碎設備不完善[8]，不能滿足果樹枝條就地還田技術要求，因而設計一種適合果園修剪枝條就地還田技術的處理機。

2.1 就地還田還田機的結構與原理

果園枝條就地還田機結構如圖1所示。拖拉機將動力由萬向節傳出，通過變速箱傳遞給大帶輪，兩帶輪間通過V型帶傳遞動力；刀軸在小帶輪的帶動下轉動，使刀軸上的錘爪高速旋轉；錘爪高速旋轉，形成入口負壓，撿拾地面枝條，這時錘爪旋轉的產生慣性力和錘爪快速的刀口速度即可實現枝條粉碎的作業。枝條就地還田機的前方裝有擋板，對枝條具有一定的梳理作用，還可以避免粉碎的枝條飛濺；地輥進一步地防止粉碎的枝條飛散。

1.懸掛裝置 2.前擋片 3.錘爪 4.刀軸 5刀座 6.地輥 7.后插刀 8.帶輪 9.變速箱

2.2 主要技術參數

作業幅寬/cm：160

枝條直徑/cm：小于8

錘片數量/個：16

拖拉機輸出轉速/r·min-1：540

外形尺寸(長×寬×高)/mm：1 800×1 350×1 200

整機重量/kg：450

配套拖拉機/kW：47.8～58.8

3 主要工作部件的設計與分析

刀具是切削部分的主要工作部件，其類型、尺寸、材料等均是影響果樹枝條切削效果的主要因素。

錘爪型粉碎機中高速旋轉的錘爪產生負壓[9]，撿拾地面的枝條，且錘爪本身就有一定的抓取能力；枝條進入機殼，在錘爪和定刀的共同作用下，實現枝條的粉碎[10]。

錘爪速度的主要影響因素是刀筒直徑、錘爪尺寸和刀筒轉速。所以，刀筒是影響錘爪的最大圓周速度的主要因素。本文根據粉碎質量對刀筒進行結構設計分析。

3.1 估算枝條就地還田機作業功率

參考現有的秸稈粉碎機和固定式枝條粉碎機的技術要求，初定枝條就地還田機的主軸轉速為2 200r/min。

估算枝條還田的功率。枝條還田機的工作功率包括：粉碎枝條的功率Nf和空轉功率Nk兩部分。即

N=Nf+Nk

Nf=vmBL0

式中 vm—機組前進速度(m/s)；

B—機器作業幅寬(m)；

L0—單位切削力(N/mm)。

木材單位切削力為：6～17N/mm。

根據經驗值，取機組前進速度為1.5m/s，選取單位切削力為12N/mm，計算可得枝條還田機的粉碎枝條的功率為28.8kW。所以，枝條還田機的總功率約為29.8kW。

3.2 刀軸的結構設計

3.2.1 錘爪粉碎原理

錘爪通過將自身的動量傳遞給枝條，實現枝條的破碎。根據動量守恒定理，可得

其中，M為錘刀質量；mi為各破碎枝條的質量；va0為錘刀初始線速度；va1為錘刀與枝條作用后的線速度；vi為各破碎枝條的速度。

根據能量轉化原理，增大系統的初始能量，對提高枝條粉碎效果有重要的作用。

3.2.2 刀筒的結構設計和強度校核

還田機錘爪末端速度一般在38～80m/s[11]。綜合考慮，枝條就地還田機的作業目標為中碎，故取錘爪的最大線速度為56m/s。

由刀軸轉速n的計算公式得

式中 va—切割速度(m/s)；

vm—機具前進速度(m/s)；

D—錘爪旋轉直徑(mm)。

可得錘爪旋轉直徑為400mm。結合鋼管直徑規格，選刀軸直徑為146mm。

將刀軸設計為空心形式，可在滿足強度要求的情況下降低空耗。

刀軸轉矩的計算公式為

式中 P—刀軸的輸出功率(kW)；

n—刀軸旋轉速度(r/min)。

空心軸的強度校核公式為

式中 α—為內外徑的比值；

D—刀軸外徑。

選取刀軸材料為45鋼，刀軸內徑為130mm，經校核滿足強度要求。

3.3 對刀筒進行模態分析

通過模態分析可以判斷結構在固有頻段范圍的響應情況。

無阻尼模態分析的運動方程為

結構自由振動為正弦函數，則

x=sinwx

將其帶入運動方程，可得

([K]-w2[M]){x}={0}

上述方程的特征值為wi2，wi為自振圓頻率。

刀筒為高速旋轉部件，在枝條還田機工作過程中，受到枝條給予的交變載荷，因此為無預應力模態分析。

3.3.1 對建立的模型導入軟件

ANSYS Workbench 與AIP軟件可實現無縫鏈接，AIP軟件與ANSYS Workbench模態分析鏈接接口如圖2所示。

圖2 AIP軟件與ANSYS Workbench模態分析鏈接接口

3.3.2 定義模型的材料

定義模型材料時，在ANSYS中分別添加45鋼、HT250、軸承材料等材料。設置HT250的密度值為7.15g/cm3，彈性模量值為1.3E+05MPa,泊松比值為0.3。設置45鋼的密度值為7.89g/cm3，彈性模量值為2.09E+05MPa,泊松比值為0.269。設置軸承材料的密度值為7.81×103kg/m3，彈性模量值為2.07E+05MPa,泊松比值為0.29。材料定義的主界面如圖3所示。

圖3 材料定義主界面

3.3.3 對模型進行網格劃分

設定三維模型中各零件對應的材料，對模型進行網格劃分。使用ANSYS Workbench中結構分析網格劃分模塊。網格劃分方法有多種，本文采用結構劃分[5]。設置關聯中心為粗糙，平滑度設置為中等，過渡形式為快速。模型構成的網格如圖4所示。

圖4 模型形成的網格

3.3.4 在模型中添加載荷和約束

模態分析是結構設計的重要部分[12]。在分析刀筒的固有頻率時不需要加載載荷,但需要在軸承座上施加固定約束。刀筒加上固定約束后如圖5所示。

圖5 模型添加約束

3.4 模型求解及分析結果

經過前幾步對三維模型的預處理，在軟件中設置前6階模態；提取結果并與外界激勵的頻率進行比較分析，確定刀筒的結構合理性。對前6階模態分析進行設置，設置界面如圖6所示。

圖6 前6階總變形設置

刀筒的前6階的模態振型圖如圖7所示，其前6階頻率如表1所示。

圖7 刀筒裝置前6階振型云圖

模態階數模態頻率/Hz165.833266.348367.250469.434569.570669.872

由表1知：刀筒的前6階頻率范圍為65.833～69.872Hz，且頻率值不斷上升。由圖7可知：刀筒和刀軸并沒產生大的變形。

本文中設計的枝條就地還田機設置的工作刀軸的轉速為2 200r/min，振動源頻率為36.7Hz。振動源頻率比刀軸的頻率低，因此工作刀軸不會共振。

4 結論

1)通過對果園修剪枝條現有處理方式和政策的調查，總結枝條就地還田的發展意義。

2)綜合分析枝條還田的作業要求和果園作業環境，對枝條還田機的總體結構和主要工作部件進行了設計。

3)對枝條還田機的主要工作部件進行模態分析，確定刀筒共振的頻率范圍。對刀筒進行模態分析，為刀筒的振動分析、診斷結構缺陷及優化刀筒的結構提供了依據。

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The Finite Element Analysis of Orchard Mower Suspension —Based on ANSYS Workbench

Zheng Jianxing, Liu Junfeng, Feng Xiaojing Li Jianping

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Agricultural University of Hebei, Baoding 071000, China)

According to the existing approach of pruning branches and the national policy, this paper summarizes the significance that branches are used in the field directly. The tube structure modeling of 3ZF-160 type orchard branches is obtained by AIP software, which was imported through ANSYS Workbench to build the model modal analysis, cutting tube modal frequencies and mode shapes cloud. The results showed that cutting tube with reasonable structure designing will not resonate. And it lays the foundation and provides a reference for the analysis of dynamic and subsequent optimal design.

orchard; orchard branches crusher; cutting tube ; ANSYS Workbench; finite element analysis

2016-05-10

國家蘋果產業技術體系項目(CARS-28);國家公益性行業(農業)科研專項(201203016)

鄭健星(1990-)，女，石家莊人，碩士研究生，(E-mail)zhjx0910@126.com。

劉俊峰(1956-)，男，河北保定人，教授，(E-mail)liujf@hebau.edu.cn。

S233.1

A

1003-188X(2017)04-0117-05