旋耕釘齒式耕層殘膜回收機(jī)起膜部件動(dòng)力學(xué)分析

張攀峰，胡　燦，王旭峰，魯　兵，劉超吉

(1.塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾　843300；2．新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)校現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 阿拉爾　843300)

0　引言

自新疆引入地膜覆蓋技術(shù)以來，使棉花的種植規(guī)模進(jìn)一步加大[1-2]，地膜覆蓋技術(shù)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(shí)也給棉田帶來了嚴(yán)重的殘膜污染，嚴(yán)重影響了新疆農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。造成這種現(xiàn)象有以下兩點(diǎn)原因：①地膜在棉田中由于受到風(fēng)化等作用使得殘膜的力學(xué)性能改變，不利于殘膜的回收；②由于國內(nèi)對殘膜回收機(jī)的研究尚不深入，研制的多種殘膜回收機(jī)沒有取得理想的回收效果[5-6]。國內(nèi)的許多專家(如中國農(nóng)業(yè)大學(xué)候書林等)研制的彈齒式殘膜回收機(jī)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(jī)[8-9]；但是這些機(jī)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(jīng)發(fā)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(jié)合在一起造成了殘膜在起膜時(shí)不容易和土壤分離，現(xiàn)有的殘膜回收機(jī)很難取得較為理想的殘膜回收效果[12]。因此，設(shè)計(jì)出旋耕釘齒式殘膜回收機(jī)，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(jìn)行模態(tài)與動(dòng)力學(xué)分析，以解決殘膜回收時(shí)的機(jī)械可靠性問題。

1　起膜結(jié)構(gòu)與原理

1.1起膜機(jī)構(gòu)

由于耕層中的殘膜較為細(xì)小且力學(xué)性能改變，存在于土壤中的狀態(tài)各異，因此設(shè)計(jì)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(lián)接，便于拆卸與調(diào)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(dá)到起膜的效果。釘齒滾筒長度為2 000mm、直徑為500mm。1排有8個(gè)桿齒均勻分布滾筒的1周并與下一排桿齒相錯(cuò)15°角,兩排桿齒之間相距50mm，總共有12排，總桿齒數(shù)是288個(gè)，每個(gè)桿齒焊接有釘齒8個(gè)。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(jī)架上，通過相應(yīng)的傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)釘齒滾筒旋轉(zhuǎn)。機(jī)架由拖拉機(jī)牽引，傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力由拖拉機(jī)尾后的動(dòng)力輸出軸提供。當(dāng)釘齒滾筒旋轉(zhuǎn)時(shí)，釘齒深入土壤中并與土壤中的殘膜接觸；在釘齒的繼續(xù)運(yùn)動(dòng)下，釘齒進(jìn)一步鉤起殘膜，從而帶動(dòng)殘膜，一起運(yùn)動(dòng)，隨著釘齒脫離土壤，達(dá)到起膜的效果。

2　釘齒的模態(tài)分析

模態(tài)分析技術(shù)是計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的數(shù)值技術(shù)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性包含有固有頻率和振型。模態(tài)分析是基本的動(dòng)力學(xué)分析，也是其他動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)。

2.1模型的導(dǎo)入與材料屬性的定義

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

2.2網(wǎng)格的劃分

網(wǎng)格的疏密程度直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的精度，但網(wǎng)格過密會(huì)增加計(jì)算機(jī)的計(jì)算時(shí)間和需要更多的存儲(chǔ)空間。網(wǎng)格劃分較好標(biāo)準(zhǔn)是求解結(jié)果不隨著網(wǎng)格密度的變化而變化。這里采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分，得到的節(jié)點(diǎn)數(shù)是1 228個(gè)網(wǎng)格劃分符合要求。同時(shí)，釘齒按照從低到高的位置分別編為1～8號釘齒。釘齒網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3　釘齒網(wǎng)格劃分

2.3邊界條件與載荷的添加

由于運(yùn)動(dòng)時(shí)釘齒與釘齒滾筒上的釘座采用螺栓螺母聯(lián)接，因此可以設(shè)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(guān)，所以釘齒所受載荷從頂部到底部一次減少。根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，土壤阻力的計(jì)算如下：新疆的北疆地區(qū)大部分為輕壤、中壤土質(zhì)，土壤阻比為40～60kPa；南疆地區(qū)大部分為沙壤、輕中壤土質(zhì)，土壤阻比為30～50kPa。因此，參考土壤阻比計(jì)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，F(xiàn)t=50kPa，a=0.15m，b=0.03m。因此，F(xiàn)阻=Ktab=0.225kN。農(nóng)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(jì)。土壤與釘齒間的摩擦力Fr=fFy，f為土壤與釘齒的摩擦因數(shù)，本文中取f=0.3，F(xiàn)r=fFy=15N。由于工作農(nóng)田為旋耕后土地田間農(nóng)作物殘茬、土塊等不計(jì)，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(dòng)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(tài)。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(yùn)算精度較高等優(yōu)點(diǎn)。前6階模態(tài)振型圖如圖4所示。

圖4　釘齒前6階模態(tài)云圖

各階頻率值如表1所示。

2.5模態(tài)結(jié)果與分析

由表1可知：釘齒的1階模態(tài)頻率和2階模態(tài)頻率相差不大，且從模態(tài)云圖中可以看出其變形相差不大。從模態(tài)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(shí)應(yīng)在此方向上加強(qiáng)。由相關(guān)文獻(xiàn)可知：當(dāng)外部激勵(lì)頻率達(dá)到1階固有頻率的75%時(shí)，能夠引起共振[15]。由于釘齒的旋轉(zhuǎn)速度最高為120r/min，所產(chǎn)生的頻率遠(yuǎn)小于1階固有頻率，因此釘齒不會(huì)發(fā)生共振。

表1　釘齒前6階模態(tài)頻率

3　釘齒的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析是時(shí)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(shí)沿著旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)，因此對旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。

3.1材料屬性的定義

根據(jù)模態(tài)分析時(shí)的材料屬性定義，可直接按照模態(tài)分析時(shí)材料屬性定義來添加瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)材料屬性。

3.2網(wǎng)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(xì)密的網(wǎng)格，其網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為4 250個(gè)。

3.3邊界條件與載荷的添加

邊界條件可以參照模態(tài)分析是的邊界條件的添加。由于釘齒從開始接觸土壤到達(dá)到最大工作深度再到離開土壤，釘齒從開始接觸土壤到達(dá)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(dá)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(gè)釘齒所受最大載荷一次減小，當(dāng)釘齒轉(zhuǎn)速為120r/min時(shí)，釘齒從開始接觸土壤到達(dá)最大工作深度時(shí)所需要的時(shí)間為0.125s，因此設(shè)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(shí)間/s0．0250．0500．0750．1000．125149．1598．15147．15196．15245．15242．0384．06126．09168．12210．15

續(xù)表2

3.4結(jié)果與分析

圖5　釘齒總變形云圖

圖6　釘齒等效應(yīng)力云圖

圖7　釘齒彈性等效應(yīng)變云圖

圖8　釘齒安全系數(shù)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(nèi)，且在工作深度最大處的釘齒變形最大；釘齒最大等效應(yīng)力為183.53MPa，小于釘齒材料的需用應(yīng)力，滿足工作要求；釘齒的應(yīng)力主要分布在釘齒與齒桿的焊接處和與螺栓的聯(lián)接處最大；釘齒最大彈性應(yīng)變?yōu)?.21×10-4；釘齒的安全系數(shù)最大為15，在釘齒的焊接處和螺栓聯(lián)接處安全系數(shù)最小。

4　結(jié)論

1)通過對釘齒的模態(tài)分析可知：釘齒的最小固定頻率為278.59Hz，當(dāng)釘齒滾筒的工作轉(zhuǎn)速為120r/min時(shí)，所產(chǎn)生的激勵(lì)頻率小于釘齒的最小固定頻率，不會(huì)使釘齒發(fā)生共振。

2)通過對釘齒的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析可知：釘齒的最

大工作深度處變形最大，可以適當(dāng)增加此處釘齒的直徑。釘齒焊接處和釘齒螺栓聯(lián)接處應(yīng)力最大，在釘齒焊接時(shí)應(yīng)該保證焊接質(zhì)量，同時(shí)增加聯(lián)接螺栓的公稱直徑。

3)確定釘齒的安全系數(shù)。安全系數(shù)最大分布在釘齒焊接處和螺栓聯(lián)接處，因此要提高焊接要求和螺栓聯(lián)接強(qiáng)度，同時(shí)采取相應(yīng)的安全防護(hù)措施來避免因釘齒在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)斷裂而造成對工作人員的傷害。

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