旋耕釘齒式耕層殘膜回收機起膜部件動力學分析

張攀峰，胡　燦，王旭峰，魯　兵，劉超吉

(1.塔里木大學 機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾　843300；2．新疆維吾爾自治區普通高等學校現代農業工程重點實驗室，新疆 阿拉爾　843300)

0　引言

自新疆引入地膜覆蓋技術以來，使棉花的種植規模進一步加大[1-2]，地膜覆蓋技術不僅具有保溫、保墑作用，還具有防治水分因蒸騰而流失等作用[3-4]；但是地膜覆蓋同時也給棉田帶來了嚴重的殘膜污染，嚴重影響了新疆農業的可持續發展。造成這種現象有以下兩點原因：①地膜在棉田中由于受到風化等作用使得殘膜的力學性能改變，不利于殘膜的回收；②由于國內對殘膜回收機的研究尚不深入，研制的多種殘膜回收機沒有取得理想的回收效果[5-6]。國內的許多專家(如中國農業大學候書林等)研制的彈齒式殘膜回收機殘膜回收率在75.64%～94.92%之間[7]，其他的專家也研制了較多類型的殘膜回收機[8-9]；但是這些機型大部分針對地表的殘膜回收沒有能對土壤耕層中的殘膜起回收左右，且由于耕層中的殘膜受土壤理化作用的影響，其性能已經發生改變[10-11]。耕層中的殘膜受到耕層土壤的擠壓等原因緊密地和土壤結合在一起造成了殘膜在起膜時不容易和土壤分離，現有的殘膜回收機很難取得較為理想的殘膜回收效果[12]。因此，設計出旋耕釘齒式殘膜回收機，為耕層殘膜的回收探索新的方法，并通過對釘齒起膜部件進行模態與動力學分析，以解決殘膜回收時的機械可靠性問題。

1　起膜結構與原理

1.1起膜機構

由于耕層中的殘膜較為細小且力學性能改變，存在于土壤中的狀態各異，因此設計了釘齒滾筒式起膜裝置。釘齒滾筒上焊接有桿座，桿座和桿齒利用螺栓聯接，便于拆卸與調整,如圖1所示。

圖1　釘齒滾筒

桿齒上焊接有釘齒用于鉤掛殘膜，達到起膜的效果。釘齒滾筒長度為2 000mm、直徑為500mm。1排有8個桿齒均勻分布滾筒的1周并與下一排桿齒相錯15°角,兩排桿齒之間相距50mm，總共有12排，總桿齒數是288個，每個桿齒焊接有釘齒8個。圖2為釘齒三維圖。

圖2　釘齒三維圖

1.2起膜原理

釘齒滾筒安裝在機架上，通過相應的傳動系統帶動釘齒滾筒旋轉。機架由拖拉機牽引，傳動系統動力由拖拉機尾后的動力輸出軸提供。當釘齒滾筒旋轉時，釘齒深入土壤中并與土壤中的殘膜接觸；在釘齒的繼續運動下，釘齒進一步鉤起殘膜，從而帶動殘膜，一起運動，隨著釘齒脫離土壤，達到起膜的效果。

2　釘齒的模態分析

模態分析技術是計算結構振動特性的數值技術，結構振動特性包含有固有頻率和振型。模態分析是基本的動力學分析，也是其他動力學分析的基礎。

2.1模型的導入與材料屬性的定義

將Pro/E軟件建立的釘齒的模型導入到ANSYS Workbench軟件中，并建立模型(單位mm)。為減少運算量、提高運算效率，以釘齒滾筒上的釘齒進行有限元分析，釘齒材料選用55SiMnVB合金鋼。其機械性能優良、疲勞強度高、彈性好，主要力學性能參數如下：彈性模量E=196GPa，密度ρ=7 860kg/m3，泊松比μ=0.3。

2.2網格的劃分

網格的疏密程度直接關系到計算結果的精度，但網格過密會增加計算機的計算時間和需要更多的存儲空間。網格劃分較好標準是求解結果不隨著網格密度的變化而變化。這里采用自動網格劃分，得到的節點數是1 228個網格劃分符合要求。同時，釘齒按照從低到高的位置分別編為1～8號釘齒。釘齒網格劃分如圖3所示。

圖3　釘齒網格劃分

2.3邊界條件與載荷的添加

由于運動時釘齒與釘齒滾筒上的釘座采用螺栓螺母聯接，因此可以設置釘齒的螺栓孔為固定約束。小釘齒在土壤中與釘齒接觸作用的過程中，其頂部直接接觸耕層殘膜，并受到殘膜的作用力，因此載荷作用在小釘齒的頂部。由于釘齒所受到的載荷與釘齒工作深度有關，所以釘齒所受載荷從頂部到底部一次減少。根據農業機械設計手冊，土壤阻力的計算如下：新疆的北疆地區大部分為輕壤、中壤土質，土壤阻比為40～60kPa；南疆地區大部分為沙壤、輕中壤土質，土壤阻比為30～50kPa。因此，參考土壤阻比計算公式，單根釘齒所受的土壤阻力F阻[13-14]為

式中Kt—土壤比阻；

F阻—土壤阻力(kN)；

a—工作深度(m)；

b—工作幅寬(m)。

本文中，Ft=50kPa，a=0.15m，b=0.03m。因此，F阻=Ktab=0.225kN。農田采用的殘膜厚度在0.005～0.008之間，且殘膜的面積較小，因此殘膜的阻力很小，可以忽略不計。土壤與釘齒間的摩擦力Fr=fFy，f為土壤與釘齒的摩擦因數，本文中取f=0.3，Fr=fFy=15N。由于工作農田為旋耕后土地田間農作物殘茬、土塊等不計，水平方向上的合力為

Fx=F阻+Fr=240N

所以釘齒所受合力為

2.4求解

由振動理論可知，共振主要由固有頻率較小的頻率所引起的，因此主要分析前6階模態。ANSYS Workbench提供了多種求解方法，如Subspace法、Block Lanczos法及Reduced法等。本文中取Block Lanczos法，具有適用于矩陣特征值求解、起收斂速度快、運算精度較高等優點。前6階模態振型圖如圖4所示。

圖4　釘齒前6階模態云圖

各階頻率值如表1所示。

2.5模態結果與分析

由表1可知：釘齒的1階模態頻率和2階模態頻率相差不大，且從模態云圖中可以看出其變形相差不大。從模態云圖中可以看出：釘齒的變形方向是沿著釘齒排列的方向變形較大，因此在釘齒焊接時應在此方向上加強。由相關文獻可知：當外部激勵頻率達到1階固有頻率的75%時，能夠引起共振[15]。由于釘齒的旋轉速度最高為120r/min，所產生的頻率遠小于1階固有頻率，因此釘齒不會發生共振。

表1　釘齒前6階模態頻率

3　釘齒的瞬態動力學分析

瞬態動力學分析是時域分析，是分析釘齒在土壤中隨著工作深度的變化引起載荷的變化對釘齒的影響的工程分析。釘齒在工作時沿著旋轉方向運動，因此對旋轉方向進行瞬態動力學分析。

3.1材料屬性的定義

根據模態分析時的材料屬性定義，可直接按照模態分析時材料屬性定義來添加瞬態動力學材料屬性。

3.2網格的劃分

這里采用Hex Dominant法，并將Relevance Center改為Fine，可以得到較為細密的網格，其網格節點數為4 250個。

3.3邊界條件與載荷的添加

邊界條件可以參照模態分析是的邊界條件的添加。由于釘齒從開始接觸土壤到達到最大工作深度再到離開土壤，釘齒從開始接觸土壤到達最大工作深度與從最大工作深度到離開土壤過程中釘齒所受載荷是對稱過程，因此只分析釘齒從開始接觸土壤到達最大工作深度中載荷的變化。由于釘齒在最大工作深度的載荷F合=245.15N，每個釘齒所受最大載荷一次減小，當釘齒轉速為120r/min時，釘齒從開始接觸土壤到達最大工作深度時所需要的時間為0.125s，因此設置Step End Time為0.125s，并在Tabular Data中輸入釘齒載荷值。對各釘齒施加載荷值如表2所示。

表2各釘齒施加載荷值

Table 2Load value of each nail tooth N

釘號時間/s0．0250．0500．0750．1000．125149．1598．15147．15196．15245．15242．0384．06126．09168．12210．15

續表2

3.4結果與分析

圖5　釘齒總變形云圖

圖6　釘齒等效應力云圖

圖7　釘齒彈性等效應變云圖

圖8　釘齒安全系數云圖

從云圖中可以看出：釘齒總變形為0.913 31mm，在釘齒的最大彈性變化范圍內，且在工作深度最大處的釘齒變形最大；釘齒最大等效應力為183.53MPa，小于釘齒材料的需用應力，滿足工作要求；釘齒的應力主要分布在釘齒與齒桿的焊接處和與螺栓的聯接處最大；釘齒最大彈性應變為9.21×10-4；釘齒的安全系數最大為15，在釘齒的焊接處和螺栓聯接處安全系數最小。

4　結論

1)通過對釘齒的模態分析可知：釘齒的最小固定頻率為278.59Hz，當釘齒滾筒的工作轉速為120r/min時，所產生的激勵頻率小于釘齒的最小固定頻率，不會使釘齒發生共振。

2)通過對釘齒的瞬態動力學分析可知：釘齒的最

大工作深度處變形最大，可以適當增加此處釘齒的直徑。釘齒焊接處和釘齒螺栓聯接處應力最大，在釘齒焊接時應該保證焊接質量，同時增加聯接螺栓的公稱直徑。

3)確定釘齒的安全系數。安全系數最大分布在釘齒焊接處和螺栓聯接處，因此要提高焊接要求和螺栓聯接強度，同時采取相應的安全防護措施來避免因釘齒在轉動時斷裂而造成對工作人員的傷害。

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ID:1003-188X(2018)04-0014-EA