果園枝條就地還田機主要作業(yè)部件的設(shè)計分析—基于ANSYS Workbench

鄭健星，劉俊峰，馮曉靜，李建平

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，河北 保定 071001)

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果園枝條就地還田機主要作業(yè)部件的設(shè)計分析—基于ANSYS Workbench

鄭健星，劉俊峰，馮曉靜，李建平

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，河北 保定 071001)

通過對現(xiàn)有果園修剪枝條的處理方式和當(dāng)下的國家政策進行調(diào)查，總結(jié)枝條就地還田技術(shù)的發(fā)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(jié)構(gòu)尺寸進行設(shè)計，將刀筒模型導(dǎo)入ANSYS Workbench分析軟件中，對刀筒進行模態(tài)分析，得到刀筒的前6階固有頻率和振型云圖。結(jié)果表明：刀筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，不會產(chǎn)生共振，能夠為結(jié)構(gòu)設(shè)計和整機優(yōu)化提供參考。

果園；枝條就地還田機；刀筒；ANSYS Workbench；模態(tài)分析

0 引言

國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)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(jù)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(nóng)業(yè)部提倡標(biāo)準(zhǔn)化果園的建設(shè)，舊果園更新將會大大增加果園修剪枝條的數(shù)量。從以上數(shù)據(jù)可知，果園建設(shè)中將產(chǎn)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(nóng)經(jīng)濟收入，提高果園經(jīng)濟效益，還可以減輕大量枝條對環(huán)境帶來的壓力。

本文旨在探索枝條就地還田技術(shù)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(shè)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(fā)展意義

1.1 果園枝條現(xiàn)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(nóng)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(xiàn)了幾種不同的形式。

1)為發(fā)電廠提供原料。發(fā)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(fā)電廠進行直接燃燒發(fā)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(zhì)元素，可作為優(yōu)質(zhì)食用菌培養(yǎng)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(fā)速度快、長勢好且污染率低。

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

1.2 果園枝條就地還田處理的發(fā)展意義

1) 政策導(dǎo)向。2016年，河北省農(nóng)業(yè)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(yīng)倡導(dǎo)大力推進綠色循環(huán)低碳農(nóng)業(yè)進展。果園內(nèi)將有機廢物還田處理是政策導(dǎo)向，是促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)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(dǎo)。

2) 果園機械化發(fā)展需求。果園機械化也是農(nóng)業(yè)機械化的一項重要評估指標(biāo)[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(fā)展影響農(nóng)業(yè)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(zhì)、全氮、速效磷等含量。

綜上所述，果樹修剪枝條地還田技術(shù)不僅適應(yīng)我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需求，也解決了標(biāo)準(zhǔn)化果園實現(xiàn)全程機械化的問題。

2 果園枝條就地還田機的總體結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有枝條粉碎設(shè)備不完善[8]，不能滿足果樹枝條就地還田技術(shù)要求，因而設(shè)計一種適合果園修剪枝條就地還田技術(shù)的處理機。

2.1 就地還田還田機的結(jié)構(gòu)與原理

果園枝條就地還田機結(jié)構(gòu)如圖1所示。拖拉機將動力由萬向節(jié)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(zhuǎn)動，使刀軸上的錘爪高速旋轉(zhuǎn)；錘爪高速旋轉(zhuǎn)，形成入口負壓，撿拾地面枝條，這時錘爪旋轉(zhuǎn)的產(chǎn)生慣性力和錘爪快速的刀口速度即可實現(xiàn)枝條粉碎的作業(yè)。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(shù)參數(shù)

作業(yè)幅寬/cm：160

枝條直徑/cm：小于8

錘片數(shù)量/個：16

拖拉機輸出轉(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)的錘爪產(chǎn)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(xiàn)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(zhuǎn)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(jù)粉碎質(zhì)量對刀筒進行結(jié)構(gòu)設(shè)計分析。

3.1 估算枝條就地還田機作業(yè)功率

參考現(xiàn)有的秸稈粉碎機和固定式枝條粉碎機的技術(shù)要求，初定枝條就地還田機的主軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yè)幅寬(m)；

L0—單位切削力(N/mm)。

木材單位切削力為：6～17N/mm。

根據(jù)經(jīng)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(jié)構(gòu)設(shè)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(xiàn)枝條的破碎。根據(jù)動量守恒定理，可得

其中，M為錘刀質(zhì)量；mi為各破碎枝條的質(zhì)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(jù)能量轉(zhuǎn)化原理，增大系統(tǒng)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(jié)構(gòu)設(shè)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(yè)目標(biāo)為中碎，故取錘爪的最大線速度為56m/s。

由刀軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)直徑(mm)。

可得錘爪旋轉(zhuǎn)直徑為400mm。結(jié)合鋼管直徑規(guī)格，選刀軸直徑為146mm。

將刀軸設(shè)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(zhuǎn)矩的計算公式為

式中 P—刀軸的輸出功率(kW)；

n—刀軸旋轉(zhuǎn)速度(r/min)。

空心軸的強度校核公式為

式中 α—為內(nèi)外徑的比值；

D—刀軸外徑。

選取刀軸材料為45鋼，刀軸內(nèi)徑為130mm，經(jīng)校核滿足強度要求。

3.3 對刀筒進行模態(tài)分析

通過模態(tài)分析可以判斷結(jié)構(gòu)在固有頻段范圍的響應(yīng)情況。

無阻尼模態(tài)分析的運動方程為

結(jié)構(gòu)自由振動為正弦函數(shù)，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(zhuǎn)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(yù)應(yīng)力模態(tài)分析。

3.3.1 對建立的模型導(dǎo)入軟件

ANSYS Workbench 與AIP軟件可實現(xiàn)無縫鏈接，AIP軟件與ANSYS Workbench模態(tài)分析鏈接接口如圖2所示。

圖2 AIP軟件與ANSYS Workbench模態(tài)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(shè)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(shè)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(shè)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(wǎng)格劃分

設(shè)定三維模型中各零件對應(yīng)的材料，對模型進行網(wǎng)格劃分。使用ANSYS Workbench中結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格劃分模塊。網(wǎng)格劃分方法有多種，本文采用結(jié)構(gòu)劃分[5]。設(shè)置關(guān)聯(lián)中心為粗糙，平滑度設(shè)置為中等，過渡形式為快速。模型構(gòu)成的網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 模型形成的網(wǎng)格

3.3.4 在模型中添加載荷和約束

模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)果

經(jīng)過前幾步對三維模型的預(yù)處理，在軟件中設(shè)置前6階模態(tài)；提取結(jié)果并與外界激勵的頻率進行比較分析，確定刀筒的結(jié)構(gòu)合理性。對前6階模態(tài)分析進行設(shè)置，設(shè)置界面如圖6所示。

圖6 前6階總變形設(shè)置

刀筒的前6階的模態(tài)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(tài)階數(shù)模態(tài)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(chǎn)生大的變形。

本文中設(shè)計的枝條就地還田機設(shè)置的工作刀軸的轉(zhuǎn)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(jié)論

1)通過對果園修剪枝條現(xiàn)有處理方式和政策的調(diào)查，總結(jié)枝條就地還田的發(fā)展意義。

2)綜合分析枝條還田的作業(yè)要求和果園作業(yè)環(huán)境，對枝條還田機的總體結(jié)構(gòu)和主要工作部件進行了設(shè)計。

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

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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(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目(CARS-28);國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))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