殘膜回收機攏膜裝置受力及模態分析

于振華 ， 許光明 ， 王浩宇 ， 牛云鵬 ， 曹文龍

（吉林省農業機械研究院，吉林 長春 132022）

0 引言

玉米是我國主要種植的作物，我國玉米產量居世界第二位。東北是玉米的主產區，在吉林省的西部地區由于土壤沙化嚴重，氣候干旱缺水，玉米的種植方式大多采用大壟雙行膜下滴灌技術。膜下滴灌技術具有保水、保墑、節水、增產的效果，給廣大農民帶來經濟效益。但是，地膜覆蓋種植技術應用同時也產生“白色污染”問題。吉林省針對地膜污染制定了相關政策文件，通過兩年的時間，實現推廣使用標準地膜，完善地膜回收加工體系。目標是當季地膜回收率達到80%以上。

國內殘膜回收機械的相關研究自20世紀90年代開始從未間斷。新疆大學、新疆農機研究所研發的以4CM系列為代表彈齒式殘膜回收機，SMS-1500型秸稈粉碎殘膜回收一體機等機型是基于新疆大面種植棉花，設計應用也是針對覆膜種植的棉田。山西農機所、內蒙古農機推廣站為主研制的適于玉米種植的是1MC系列，這種機型采用與新疆棉田不同的鏟篩式結構，該機入土部件與馬鈴薯收獲機的鏟刀相似，通過前方的鏟刀入土，將根茬、地膜及土壤一起鏟起，隨后將鏟起的混合物送入滾筒篩內旋轉，再將雜物篩出，地膜在螺旋葉片的推動下落入集膜箱。

與山西、內蒙古、河北等地區不同，東北地區的玉米種植方式為壟作。即將玉米種植在梯形的壟臺上，地膜的兩邊壓在壟臺的兩側。采用現有1MC系列鏟篩式殘膜回收機只是將壟臺上平面的地膜回收，壟臺兩側的地膜仍然壓在土壤下無法回收。因此，增加壟側起膜裝置是提高殘膜回收率的關鍵[1-5]。

1 攏膜裝置的結構及工作原理

1.1 攏膜裝置的結構

鏟篩式殘膜回收機的攏膜機構如圖1所示，由立梁、懸臂軸、攏膜圓盤組成。立梁與殘膜回收機的機架前部相連，攏膜圓盤與機具前進方向成30°偏角、與地面成15°的傾角。在機具作業時，攏膜圓盤向前運動的同時，將壟臺兩側的殘膜和土壤不斷地收攏、翻轉至壟臺上，從而實現壟側殘膜回收的問題。

1.2 攏膜圓盤的受力分析[6-7]

圓盤在工作過程中，隨著機具的前進而旋轉，逐漸進入土壤，圓盤入土的難易程度與垂直負荷、土壤條件、圓盤直徑均有關系，圓盤直徑越大，垂直負荷就越大。

圖1 攏膜鏟結構示意圖

經過實驗得出，入土深度H一定的條件下，壟側起膜圓盤直徑D越大，起膜和土壤的通過性越好。從公式D=K中看出圓盤的直徑D與入土深度H成正比，式中β為圓盤與前進方向的偏角，K為經驗系數通常取值為4～6。

測定機具應用地區土壤堅實度為41kPa，分析得出圓盤負荷平均值在 2 500N～6 000N之間，最大值可達8 500N，方向垂直于圓盤向外。

2 攏膜圓盤的靜力分析

2.1 有限元分析模型的建立

運用Meshfree軟件的無網格有限元技術對模型進行分析，觀察攏膜圓盤在工作過程中的等效應力和等效應變。采用三維建模軟件Solidworks對攏膜圓盤進行模型的建立，采用圓盤的厚度為8mm，立梁矩型管厚度為3mm。將模型的裝配體文件導入到MeshFree分析軟件中。在材料選項中，指定攏膜圓盤的材料為16Mn，其余零件材料為普通結構鋼材料屬性設置，彈性模量為200GPa、泊松比為0.288、密度7 890kg/m3、屈服強度為784MPa[8-9]。

2.2 邊界條件的設定

MeshFree是一款無網格有限元分析軟件，需要對裝配體的各零件之間定義其接觸的方式。本攏膜裝置中各個零件都是用螺栓固定，為簡化模型便于分析計算，將各零件之間的接觸定義為焊接接觸，限制所有自由度。如圖2攏膜裝置約束及載荷分布圖所示，攏膜圓盤在作業過程中需要與殘膜回收機機架相連，因此，設定邊界條件為立梁的一面為固定。通過前面受力分析公式計算和實驗測試，在圓盤與土壤的接觸面上加載5kN的力，方向與前進方向相反。

圖2 攏膜裝置約束及載荷分布圖

2.3 分析結果

經過有限元分析可知，攏膜圓盤作業條件下受土壤向外側擠壓力，變形量大的部位是圓盤的底部和立梁與懸臂梁的交接處。圓盤底部最大形變量約是4mm，立梁與懸臂梁交接處的最大形變量是0.7mm，如圖3所示。通過應力云圖可以看出，在立梁與懸臂梁的連接處所受的應力最大。應力的最大值為3.5×102N/mm2，但是由于立梁設計強度高形變量并不大，符合設計要求。圓盤受力云圖如圖4所示。

圖3 攏膜裝置工作狀態形變量

3 攏膜裝置的模態分析

模態分析反應的是外界激勵和響應的動態測試，通過輸入激振力和輸出的響應數據經信號處理與參數識別確定系統模態參數的試驗方法。模態分析可以求解出模型結構的固有振動特性。針對起膜鏟的模態分析可知其固有振動特性，各階模態的權因子大小與頻率的倒數成反比，頻率越低，權重越大。因此，低階的模態特性對動態性能有很大的影響。

通過圖5六階模態云圖可知，攏膜裝置的二階、三階模態頻率下振動幅度較大，一階、六階頻率下振動較小。二階模態下最大形變量為60mm位于攏膜圓盤的前后方向，三階模態下最大形變量為68mm位于圓盤的頂部。攏膜裝置的第六階模態頻率下形變量最小，其最大形變量為45mm。

4 結論

綜上所述，攏膜圓盤作為殘膜回收機提高壟側殘膜回收率的關鍵部件，設計時需考慮應力較大位置的設計強度。經模態振動分析，發現在激勵下圓盤的前后方向彎曲變形量大，改進設計應適當加強圓盤的厚度和所用材料的強度。