基于殘膜力學(xué)特性的彈齒拾膜接觸分析及實(shí)驗(yàn)

謝建華， 侯書(shū)林，張學(xué)軍 ， 張?zhí)镓?/p>

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械交通學(xué)院，烏魯木齊　830052；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京　100083)

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基于殘膜力學(xué)特性的彈齒拾膜接觸分析及實(shí)驗(yàn)

謝建華1， 侯書(shū)林2，張學(xué)軍1， 張?zhí)镓?

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械交通學(xué)院，烏魯木齊830052；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京100083)

摘要：由于地膜的厚度、破損程度對(duì)彈齒式拾膜機(jī)構(gòu)的拾膜率有重要影響，為提高拾膜率，必須了解殘膜力學(xué)性能。為此，從殘膜力學(xué)性能的分析出發(fā)，研究不同厚度的殘地膜的抗拉強(qiáng)度、延伸率等力學(xué)性能的變化及殘膜力學(xué)性能與彈齒撿拾機(jī)構(gòu)性能之間的關(guān)系，為拾膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。采用有限元法分析拾膜彈齒與地膜作用時(shí)的受力和變形情況，并采用高速攝影試驗(yàn)驗(yàn)證理論分析及仿真結(jié)果的正確性。

關(guān)鍵詞：殘膜回收；殘膜；彈齒；物理力學(xué)特性；有限元法

0引言

為了解決殘膜回收問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究者研制了大量殘膜回收機(jī)具[1-8]。由于缺乏殘膜力學(xué)特性的研究，目前對(duì)殘膜回收機(jī)具的研究多依賴經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致實(shí)際工作中出現(xiàn)撿拾機(jī)構(gòu)對(duì)地膜作用力過(guò)大或過(guò)小產(chǎn)生拾膜不可靠的現(xiàn)象。為此，針對(duì)地膜的力學(xué)性能進(jìn)行研究與測(cè)試，測(cè)試其厚度與抗拉強(qiáng)度及延伸率的關(guān)系，找到不同厚度殘地膜力學(xué)性能的變化趨勢(shì)，用以確定殘地膜在回收過(guò)程中能夠承受工作部件的作用力；并以此為基礎(chǔ)，利用有限元法和高速攝影技術(shù)，研究拾膜彈齒與地膜作用時(shí)彈齒與地膜的變形情況，為殘膜回收拾膜機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。

1殘膜物理力學(xué)性能測(cè)試

1.1實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)對(duì)象

由于地膜與殘膜回收機(jī)具設(shè)計(jì)主要相關(guān)的因素是其物理機(jī)械性能，按照GB/T 1040.3-2006中的第3部分(薄膜與薄片的實(shí)驗(yàn))的要求，對(duì)采集的地膜進(jìn)行物理機(jī)械性能研究[9]。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用裁紙刀、雙面膠、剪刀等工具將備測(cè)地膜制備成縱向、橫向拉伸試樣，試樣寬度為10mm、長(zhǎng)度為150mm(其中夾持部分內(nèi)兩條平行標(biāo)線間隔為100mm)，縱向、橫向拉伸試樣如圖1所示。直角撕裂試樣呈燕尾狀，長(zhǎng)度為100mm(夾持部分內(nèi)兩條平行標(biāo)線間隔60mm)，具體形狀如圖2所示。由于破損地膜程度不一，為了保證實(shí)驗(yàn)的可比性，選擇備測(cè)試樣時(shí)，以確保備測(cè)試樣無(wú)可見(jiàn)破損、邊緣光滑且無(wú)缺口。

圖1　地膜縱向、橫向拉伸試樣

圖2　地膜直角撕裂試樣

1.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程

農(nóng)用地膜作為塑料的一種，其典型的物理力學(xué)特性就是拉伸后的伸長(zhǎng)程度和拉伸負(fù)荷(最大拉伸載荷)，通常用延伸率表達(dá)地膜受拉后伸長(zhǎng)的程度。斷裂延伸率是地膜試樣在拉斷時(shí)的位移值與原長(zhǎng)的比值，以百分比表示，即

(1)

式中δb—斷裂伸長(zhǎng)率(%)；

L—地膜試樣斷裂時(shí)標(biāo)線之間的間距(mm)；

L0—地膜試樣初始的標(biāo)線間距(mm)。

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 1040.3-2006，采用INSTRON 3367雙立柱萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試各自的縱向拉伸、橫向拉伸及直角撕裂3種情況的極限拉伸載荷和拉伸位移，每種測(cè)試項(xiàng)目隨機(jī)選取10個(gè)試樣。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如圖3所示。

當(dāng)前，世界政治多極化和經(jīng)濟(jì)全球化的進(jìn)程加快，西方敵對(duì)勢(shì)力極力通過(guò)多種途徑對(duì)我國(guó)進(jìn)行意識(shí)形態(tài)領(lǐng)域的滲透。國(guó)內(nèi)，隨著改革開(kāi)放進(jìn)一步深入和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們的行為習(xí)慣、思維方式和價(jià)值觀念都發(fā)生重大變化；國(guó)內(nèi)各種敵對(duì)勢(shì)力利用各種機(jī)會(huì)和場(chǎng)合抹黑黨和政府，制造和散布各種反動(dòng)言論。這些復(fù)雜、多變的趨勢(shì)和形勢(shì)，給一些中小學(xué)思想政治課教師造成迷惑。

圖3　試驗(yàn)過(guò)程

1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

厚度分別為0.006 mm和0.012 mm的殘地膜的力學(xué)性能，如表1所示。

表1　殘地膜力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

由表1可知：厚度相同的殘地膜的拉伸負(fù)荷中，縱向和橫向拉伸負(fù)荷相差不大；縱向和橫向拉伸負(fù)荷均大于直角撕裂拉伸負(fù)荷，這與新地膜的力學(xué)特性一致。地膜的縱向、橫向拉伸斷裂延伸率大于直角撕裂斷裂延伸率。

表1中，厚度為0.006mm的殘地膜的平均拉伸載荷均小于0.012mm的殘地膜。其中，縱向拉伸載荷減小37.59%，橫向拉伸載荷減小38.68%，直角撕裂載荷減小29.60%，厚度為0.006mm的殘地膜的斷裂延伸率小于0.012mm殘地膜的斷裂延伸率。其中，縱向拉伸斷裂延伸率減小20.35%，橫向拉伸斷裂延伸率減小26.27%，直角撕裂斷裂延伸率減小35.09%。

與新地膜的力學(xué)性能相比[10]，殘地膜縱向、橫向拉伸負(fù)荷和橫向拉伸斷裂延伸率等力學(xué)特性發(fā)生明顯變化。厚度為0.012mm的殘地膜與相同厚度、未加耐候劑的新地膜相比，縱向、橫向抗拉強(qiáng)度平均降低了40.43%以上，最小斷裂伸長(zhǎng)率減少了43.01%。這說(shuō)明鋪設(shè)時(shí)間對(duì)地膜力學(xué)性能影響顯著。

2彈齒與被撿殘膜間受力變形分析

2.1地膜拉伸的有限元解法

地膜在被撿拾過(guò)程中，其應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到極限值后，迅速產(chǎn)生塑性變形。由于地膜屬于非線性材料，其變形與時(shí)間有關(guān)。根據(jù)非線性彈性理論，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為[11]

σ=E(ε)·ε

(2)

式中σ—材料的應(yīng)力(MPa)；

ε—材料的應(yīng)變。

應(yīng)力、應(yīng)變與作用力F存在關(guān)系為

∫VDTσdV-F=0

(3)

式中D—單元應(yīng)力矩陣。

根據(jù)非線性彈性問(wèn)題的迭代步驟，用非線性平衡方程表示，則

(4)

u—單元位移矩陣。

將式(2)改為增量形式，有

dσ=ET(ε)·dε

(5)

dψ=KT·du

(6)

根據(jù)牛頓—拉斐遜法，得到迭代公式為

(7)

ψn=∫VDTσndV-F

2.2殘膜與彈齒有限元模型的建立

地膜材料為低密度聚乙烯，其密度0.92×103kg/mm3，彈性模量0.6 GPa，泊松比1.34。在定義殘地膜材料屬性時(shí)，輸入厚度為0.008mm的殘地膜力學(xué)性能試驗(yàn)得到的載荷與變形值，在ANSYS軟件中得到地膜應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖4所示。彈齒材料為55 Si2MnVB，密度為7 860 kg/mm3，彈性模量為1.96GPa，泊松比0.3。

圖4　0.008mm殘地膜材料特性

在進(jìn)行有限元分析時(shí)，首先要根據(jù)分析對(duì)象的幾何結(jié)構(gòu)、分析類型以及所要求的精度等因素，選擇合適的單元類型。由于彈齒結(jié)構(gòu)屬于實(shí)體，地膜屬于殼體，因此彈齒選用solid178實(shí)體單元，地膜采用shell63殼單元。地膜節(jié)點(diǎn)數(shù)為40 004個(gè)，單元數(shù)為3 000個(gè)；彈齒節(jié)點(diǎn)數(shù)為142 572個(gè)，單元數(shù)為76 558個(gè)。

對(duì)彈齒撿拾地膜進(jìn)行非線性分析時(shí)，在彈齒的旋轉(zhuǎn)中心位置定義局部坐標(biāo)系，在彈齒實(shí)際安裝位置設(shè)定全約束。載荷定義在彈齒末端，考慮地膜厚度和不被拉斷所能承受的力施加載荷，確定施加在彈齒末端的載荷大小為7N。地膜模型長(zhǎng)度為300 mm，單根彈齒作用寬度為70mm，模型一端約束，另一端施加與作用在彈齒上相同大小的拉應(yīng)力。

2.3殘膜與彈齒撿拾受力變形情況分析

由圖5可知：地膜靠近固定端出現(xiàn)變形，最大變形為23.39mm，最大應(yīng)力為7.82MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在施力一端；彈齒最大變形出現(xiàn)在彈齒端部，最大變形量為27.01mm，最大應(yīng)力出現(xiàn)在彈齒螺旋部分中部固定位置處，最大應(yīng)力為160MPa，小于材料許用應(yīng)力。

3高速攝像驗(yàn)證

彈齒式拾膜機(jī)構(gòu)在撿拾地膜時(shí)，地膜在彈齒出土瞬間被挑起，并在升運(yùn)過(guò)程中被拉伸。同時(shí)，彈齒也相應(yīng)發(fā)生彈性位移，僅憑人的肉眼很難觀察其變形情況。由于高速攝像機(jī)技術(shù)具有圖像快速記錄、實(shí)時(shí)目標(biāo)捕獲和即時(shí)回放等顯著優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在農(nóng)業(yè)裝備研究中得到廣泛應(yīng)用[13-15]。

圖5　地膜與彈齒受力變形情況

3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)方法

利用試驗(yàn)臺(tái)和高速攝像分析系統(tǒng)對(duì)拾膜機(jī)構(gòu)撿拾地膜時(shí)地膜與彈齒的變形情況進(jìn)行分析，如圖6所示。試驗(yàn)所用高速攝像機(jī)型號(hào)為Phantom v5.1，分辨率為1 024×1 024像素，SR-CMOS傳感器拍攝速度選500幀，最小曝光時(shí)間2μs，影像輸出格式可以選擇AVI、TIFF、BMP等，采用Version606圖像分析軟件分析高速攝像機(jī)采集的影像。

圖6　高速攝像試驗(yàn)系統(tǒng)

3.2測(cè)定參數(shù)的確定

為了測(cè)定撿拾地膜時(shí)地膜與彈齒的變形情況，選擇在地膜被挑起后、向上升運(yùn)過(guò)程中彈齒偏離正常位置的距離和地膜被拉伸的長(zhǎng)度做為測(cè)定參數(shù)。

由于高速攝像拍攝的圖片是在線跟蹤拍攝，每幅圖片的視覺(jué)是確定的，且各圖片的像素坐標(biāo)一致，因此取某一標(biāo)準(zhǔn)尺寸Lb(Lb為圖7中芯軸軸心到彈齒軸軸心的距離)為參考對(duì)象。根據(jù)參考對(duì)象的像素?cái)?shù)L、參考對(duì)象的標(biāo)準(zhǔn)尺寸與像素長(zhǎng)度的比值(記為k)，即

(8)

為求出彈齒末端和地膜的變形，需要把像素單位轉(zhuǎn)換為實(shí)際尺寸。在分析時(shí)選取圖片中彈齒芯軸軸承座中心(小黑點(diǎn))為像素坐標(biāo)原點(diǎn)，通過(guò)彈齒末端運(yùn)動(dòng)位置求出彈齒末端距離原點(diǎn)的像素距離LO，則彈齒末端與坐標(biāo)原點(diǎn)的實(shí)際距離為k×LO。同理，可得彈齒撿拾地膜時(shí)的偏離正常位置的距離LT和地膜拉伸量LM。

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

取厚度為0.008mm聚乙烯農(nóng)用地膜，按照壟寬30cm、壟高10cm、邊膜壓入壟高下2/3～3/4處的農(nóng)藝要求鋪設(shè)。實(shí)驗(yàn)初始條件及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖7　實(shí)驗(yàn)標(biāo)定和測(cè)定參數(shù)

項(xiàng)目臺(tái)車速度ν/m·s-1速比i地膜拉伸角度θ/(°)θ形成時(shí)間t/sLT/mmLM/mmΔLM/mm工況10.50.8200.35830.40210.9631.96工況20.70.5200.21420.34158.318.51

高速攝影測(cè)定的地膜與彈齒的變形量與仿真結(jié)果一致：工況1時(shí)，彈齒末端被向后拉30.40mm，地膜變形31.96mm；工況2時(shí)，彈齒末端被向后拉20.34 mm，地膜變形8.51mm。彈齒拾膜過(guò)程如圖8所示。

圖8(a)為彈齒在工況1下的拾膜過(guò)程；圖8(b)為彈齒在工況2下的拾膜過(guò)程，相鄰兩幅圖片時(shí)間間隔為0.2s。由圖8可以看出:當(dāng)彈齒軸線速度與機(jī)具行進(jìn)速度的比值為0.8時(shí)，彈齒能夠撿拾上地膜，并且在向上運(yùn)輸過(guò)程中不會(huì)滑落;當(dāng)彈齒軸線速度與機(jī)具行進(jìn)速度的比值為0.5時(shí)，彈齒能夠挑起地膜，但在升運(yùn)過(guò)程中地膜會(huì)滑落。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因是:彈齒軸與機(jī)具行進(jìn)速度的比值較大時(shí)，彈齒挑起地膜后快速向上升運(yùn)，使地膜在彈齒上保持較大正壓力，能夠克服由于自重原因?qū)е孪禄?而彈齒軸與機(jī)具行進(jìn)速比較小時(shí)，被挑起的地膜對(duì)彈齒的正壓力較小，不足以克服自重下滑導(dǎo)致升運(yùn)過(guò)程中脫落。

(a)　　　　　　　 (b)　　　　　　 　(c)

(d) 　　　　　　　 (e)　　　　　　　　 (f)

(a)　　　　　　　 (b)　　　　　　　　 (c)

(d) 　　　　　　　 (e)　　　　　　　　(f)

4結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)殘地膜的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試與分析，得出0.006mm殘地膜比0.012mm的殘地膜縱向拉伸載荷減小37.59%，橫向拉伸載荷減小38.68%，直角撕裂載荷減小29.60%；縱向拉伸斷裂延伸率減小20.35%，橫向拉伸斷裂延伸率減小26.27%，直角撕裂斷裂延伸率減小35.09%。與厚度相同的新地膜的力學(xué)性能相比，殘地膜縱向、橫向拉伸負(fù)荷和斷裂伸長(zhǎng)率等力學(xué)特性發(fā)生明顯變化。厚度為0.012mm的殘地膜(不加耐候劑)縱向、橫向抗拉強(qiáng)度至少降低40.43%，最小斷裂伸長(zhǎng)率減少43.01%。殘膜的力學(xué)性能測(cè)試說(shuō)明地膜厚度和鋪設(shè)時(shí)間對(duì)地膜力學(xué)性能影響顯著。

2)采用非線性有限元法對(duì)拾膜過(guò)程中地膜與彈齒的接觸情況進(jìn)行了分析:膜的變形靠近固定端，最大變形為23.39mm，最大應(yīng)力出現(xiàn)在施力一端，最大應(yīng)力7.82MPa;彈齒最大變形出現(xiàn)在彈齒端部，最大變形量為27.01mm，最大應(yīng)力出現(xiàn)在彈齒固定位置處，最大應(yīng)力為160MPa。

3)利用高速攝像系統(tǒng)對(duì)拾膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了地膜與彈齒的接觸變形情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明地膜在被撿拾過(guò)程中的變形量影響彈齒拾膜率，且變形量與彈齒末端速度及機(jī)具行進(jìn)速度有關(guān)。

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Contact Analysis and Experiment of Spring-tooth Collecting Plastic Films Based on Mechanical Properties of Plastic Film Collector

Xie Jianhua1, Hou Shulin2, Zhang XueJun1, Zhang Tianyu2

Abstract：Because the degree of damage and of films have important impacts on the received rate of plastic film, the physical and mechanical properties of plastic film should be found out for improving the received rate of plastic film. As a starting point for analyzing the physical and mechanical properties of film, the changes of the mechanical properties of Plastic films of different thickness are researched, and the relationship between the physical and mechanical properties of film and the performance of the spring-tooth mechanism for picking up plastic film are researched too. The researches provided a theoretical basis for the design of the spring-tooth mechanism for picking up plastic film. The force and deform of the spring-tooth and film is analyzed by the finite element method, and the results of theoretical analysis the accuracy of the simulation are verified by the high-speed photography test.

Key words：plastic film recycling; plastic film; spring-tooth; mechanical properties; finite element method

文章編號(hào)：1003-188X(2016)01-0177-05

中圖分類號(hào)：S223.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：謝建華(1975- )，女，四川安岳人，副教授，博士，(E-mail)xjh199032@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51465057)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA10A503-4)

收稿日期：2014-12-28