弧形扎膜釘齒設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

王賢斐，張志元，趙永滿，薛帥康，李景彬

(1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆石河子，832003；2.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆石河子，832003)

0 引言

地膜覆蓋可有效減少土壤水分的蒸發(fā)，天旱保墑、雨后提墑，促進(jìn)作物對(duì)水分的吸收和生長(zhǎng)發(fā)育具有重要的意義[1-2]。自20世紀(jì)70年代以來，地膜覆蓋技術(shù)主要應(yīng)用于我國(guó)棉花、小麥、玉米等作物生產(chǎn)，不僅提高了作物品質(zhì)和產(chǎn)量，更有效地利用了國(guó)土資源和水資源[3-4]。截止到2017年底，我國(guó)當(dāng)年農(nóng)作物地膜覆蓋面積為18 657 khm2，總使用量已達(dá)到了1 437 kt，且使用地膜多為0.008～0.01 mm的聚乙烯薄膜，自然環(huán)境下降解時(shí)間為400～600年，而農(nóng)田地膜的回收率僅為60%，越來越多的殘膜滯留田間，造成耕層土壤的污染，嚴(yán)重阻礙了我國(guó)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展[5-7]。

機(jī)械化殘膜回收技術(shù)是解決農(nóng)田地膜污染的重要手段。近年來，為提高農(nóng)田殘膜回收機(jī)的作業(yè)效率，優(yōu)化改進(jìn)農(nóng)田殘膜回收機(jī)關(guān)鍵工作部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，國(guó)內(nèi)學(xué)者基于有限元軟件對(duì)殘膜回收機(jī)撿膜釘齒、碎土裝置等裝置進(jìn)行了研究：謝建華等[8]設(shè)計(jì)了一種釘齒滾扎式殘膜回收機(jī)撿拾機(jī)構(gòu)，對(duì)拾膜釘齒進(jìn)行了力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并利用Ansys軟件對(duì)弧形摟膜齒和釘齒的受力情況進(jìn)行了有限元仿真；張攀峰等為解決旋耕釘齒式耕層殘膜回收機(jī)釘齒起膜部件在工作過程中的受振動(dòng)影響，采用Pro/E和Ansys等軟件利用有限元仿真分析方法，對(duì)釘齒進(jìn)行模態(tài)分析和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，得到了釘齒的最小固定頻率、釘齒的總變形和最大等效應(yīng)力等參數(shù)；謝建華等[9]利用Ansys軟件對(duì)圓盤扎輥式殘膜回收機(jī)圓盤的碎土過程進(jìn)行有限元仿真分析，得到其在工作條件下圓盤碎土的應(yīng)力分布情況；牛長(zhǎng)河等利用SolidWorks軟件中Simulation模塊對(duì)棉田殘膜回收機(jī)松土齒的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。由此可見，有限元法已大規(guī)模的應(yīng)用于實(shí)際工程問題，已成為機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與可靠性仿真試驗(yàn)必備的技術(shù)手段。

本課題組針對(duì)耕層殘膜污染問題，設(shè)計(jì)了一種釘齒滾筒式殘膜回收裝置，并采用有限元分析軟件對(duì)釘齒撿膜部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，但田間試驗(yàn)結(jié)果表明該殘膜回收機(jī)的撿膜部件存在撿膜困難、釘齒纏膜等現(xiàn)象。因此，本文在前期研究基礎(chǔ)上提出一種弧形扎膜釘齒，采用理論分析、仿真試驗(yàn)和田間試驗(yàn)相結(jié)合的方法，重點(diǎn)開展弧形扎膜釘齒起膜部件的模態(tài)仿真與力學(xué)仿真研究，以期為殘膜回收機(jī)釘齒的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供技術(shù)參考。

1 弧形扎膜釘齒設(shè)計(jì)與工作過程分析

弧形扎膜釘齒是耕層殘膜回收機(jī)入土完成殘膜撿拾的關(guān)鍵部件，主要由齒座、齒身和齒尖組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中矩形齒座和弧形齒身是一體式設(shè)計(jì)，為方便更換磨損后的齒尖，齒身與齒尖采用M10螺紋副進(jìn)行固接。研究表明，農(nóng)田殘膜主要集中在 0～300 mm 的耕層中，且在0～120 mm耕層內(nèi)殘留地膜量約占總殘留量的60%～70%，且殘膜面積在4～25 cm2的殘膜約占總殘膜數(shù)量的70%[10]。由此確定弧形扎膜釘齒的總高度l=200 mm，其中齒身高度l1=140 mm，齒尖高度l2=60 mm，齒座幾何尺寸a×b=60 mm×100 mm，弧形扎膜釘齒的齒尖錐角α=15°。

圖1 弧形扎膜釘齒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of arc film binding nail teeth1.齒座 2.齒身 3.齒尖

弧形扎膜釘齒在田間工作過程中，齒尖和齒身入土，將耕層內(nèi)地膜扎在齒身并帶出土壤，完成撿膜作業(yè)。針對(duì)弧形扎膜釘齒在土壤中的運(yùn)動(dòng)形式，以齒尖o為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系o-xy，并進(jìn)行受力分析如圖2(a)所示，圖中v為機(jī)具前進(jìn)速度，km/h；F為機(jī)具牽引力，N；FN為土壤對(duì)弧形扎膜釘齒的阻力，N；Fn為耕層土壤對(duì)弧形扎膜釘齒的支持力，N；f為隨機(jī)具前進(jìn)土壤對(duì)弧形扎膜釘齒的阻力，N；mg為弧形扎膜釘齒的重力，N；β為弧形扎膜釘齒的入土角，rad。將弧形扎膜釘齒在土壤中所受的阻力分解為進(jìn)入土壤所受阻力和隨機(jī)具前進(jìn)所受的阻力的合力，如圖2(b)所示為弧形扎膜釘齒受土壤阻力的各分力示意圖，圖中α為弧形扎膜釘齒的齒尖錐角，rad；T為切向力，N；t為法向力，N；D為直徑，mm；L為長(zhǎng)度，mm。

作業(yè)時(shí)，工作部件全部入土瞬間，作用在起膜部件的摩擦力達(dá)到最大值，此時(shí)在水平方向根據(jù)受力平衡方程可得

F=f+FN×sinβ

(1)

(a)齒尖受力示意圖

新疆的北疆地區(qū)大部分為輕壤、中壤土質(zhì)，土壤比阻為40～60 kPa；南疆地區(qū)大部分為沙壤、輕中壤土質(zhì)，土壤比阻為30～50 kPa。因此，根據(jù)土壤比阻計(jì)算公式，弧形扎膜釘齒隨機(jī)具前進(jìn)所受的土壤阻力

f=Kt×h×D

(2)

式中：Kt——土壤比阻，kPa；

h——入土深度，mm；

D——實(shí)際工作幅寬，mm。

土壤對(duì)弧形扎膜釘齒阻力的合力分解圖如圖2(b)所示，則有

2×μ×t1

(3)

式中：μ——摩擦系數(shù)。

聯(lián)立式(2)、式(3)代入式(1)可得

(4)

由式(4)可知，弧形扎膜釘齒的入土阻力主要由機(jī)具牽引力F、弧形扎膜釘齒的齒尖錐角α和所受土壤的切、法向力及弧形扎膜釘齒的幾何尺寸有關(guān)，一般取β=10°～35°[11]。在直角△oAB中，AB可認(rèn)為弧形扎膜釘齒未折彎前的位置，則∠oBA=55°～80°，取弧形扎膜釘齒的折彎角度為60°。

根據(jù)弧形扎膜釘齒的安裝方式，其通過4個(gè)M12的螺栓與滾筒輻板緊固連接，則可認(rèn)為弧形扎膜釘齒在土壤中所受阻力的合力應(yīng)小于齒座與輻板間的靜摩擦力，即有

Fz≥FN+f×sinβ

(5)

式中：Fz——齒座與輻板間的總靜摩擦力，N。

通過機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查知M12螺栓的預(yù)緊力為18 000 N，查得鑄鐵與鋼間的摩擦系數(shù)μ=0.1～0.15，則Fz=7 200 N。

2 弧形扎膜釘齒模態(tài)分析

在SolidWorks軟件中建立弧形扎膜釘齒的三維模型，將其模型導(dǎo)入Ansys Workbench進(jìn)行材料屬性設(shè)置及仿真模型網(wǎng)格劃分，如表1、圖3所示。由于構(gòu)較簡(jiǎn)單，為了提高分析效率，利用軟件中自動(dòng)網(wǎng)格生成功能進(jìn)行劃分，網(wǎng)格大小為2 mm，共劃分47 477個(gè)網(wǎng)格，71 988個(gè)節(jié)點(diǎn)。

表1 弧形扎膜釘齒材料屬性參數(shù)Tab.1 Material property parameters of arc film binding nail teeth

圖3 弧形扎膜釘齒網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh generation of arc shaped film binding nail teeth

弧形扎膜釘齒是耕層殘膜撿拾的關(guān)鍵部件，底部采用螺栓與滾筒輻板固接，因此設(shè)置弧形扎膜釘齒的齒座端面為固定約束，對(duì)弧形扎膜釘齒進(jìn)行前6階模態(tài)分析，結(jié)果如表2、圖4所示。

表2 弧形扎膜釘齒的固有頻率和變形量Tab.2 Natural frequency and deformation of arc-shaped nail teeth

1階模態(tài)振型圖

從表2可知，弧形扎膜釘齒的最小固有頻率為788.15 Hz，最小變形量為178.30 mm，均發(fā)生在1階；最大固有頻率為5 837.1 Hz，最大變形量為565.01 mm，均發(fā)生在6階；1階和2階固有頻率和變形量相近，3階和4階固有頻率和變形量相近，5階和6階固有頻率和變形量相近，且平均變形量介于14.60～18.50 mm之間。

由圖4可知弧形扎膜釘齒1階振型為繞Z軸沿X軸正方向擺動(dòng)，2階振型為繞Z軸沿Y軸正方向擺動(dòng)，3階振型為繞Z軸沿X軸正方向扭曲、擺動(dòng)，4階振型為繞Z軸沿Y軸正方向擺動(dòng)，5階振型為繞Z軸沿X軸負(fù)方向扭曲、正負(fù)方向擺動(dòng)，6階振型為繞Z軸沿X軸負(fù)方向扭曲、正負(fù)方向擺動(dòng)。由此可知弧形扎膜釘齒的振型主要是以繞Z軸沿X軸方向的擺動(dòng)為主，且最大變形量均發(fā)生在齒尖部位。

研究表明，外界施加周期性作用力的頻率和零件的1階固有頻率一致或者比較相近時(shí)，能夠使零件產(chǎn)生共振，但實(shí)際工程應(yīng)用中可認(rèn)為當(dāng)外界激勵(lì)頻率達(dá)到物體固有1階頻率的75%時(shí)，就易引起共振[12]。本文弧形扎膜釘齒撿拾滾筒的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)值為60～150 r/min，振動(dòng)頻率為1～2.5 Hz，遠(yuǎn)小于弧形扎膜釘齒的1階固有頻率的75%。因此，弧形扎膜釘齒在工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振。

3 弧形扎膜釘齒靜力學(xué)分析

當(dāng)弧形扎膜釘齒完全入土瞬間，受到土壤的阻力最大，此刻按照模態(tài)仿真方法對(duì)弧形扎膜釘齒進(jìn)行材料屬性設(shè)置及仿真模型網(wǎng)格劃分，按照理論分析結(jié)果對(duì)弧形扎膜釘齒進(jìn)行靜力學(xué)分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5(a)可知弧形扎膜釘齒的最大變形為6.705 8 mm，發(fā)生在齒尖部位；由圖5(b)、圖5(c)可知弧形扎膜釘齒在齒尖、齒尖根部與齒身頂部的結(jié)合處應(yīng)變及等效應(yīng)力較大，且最大應(yīng)變?yōu)?.889 2×10-3mm/mm，最大等效應(yīng)力為466.27 MPa，遠(yuǎn)小于珠光體球墨鑄鐵的最大屈服強(qiáng)度，表明其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足弧形扎膜釘齒的田間作業(yè)要求。

(a)位移云圖

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

為驗(yàn)證弧形扎膜釘齒的扎膜作業(yè)性能，設(shè)計(jì)加工完成了基于輻板式扎齒滾筒裝置的殘膜回收機(jī)，并于2021年5月在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師石河子市石河子鎮(zhèn)四宮村進(jìn)行田間試驗(yàn)，試驗(yàn)田為當(dāng)年鋪膜種植的棉田，土地平整，整體情況良好，土壤類型為壤土，試驗(yàn)面積約為1.25 hm2，機(jī)具配套動(dòng)力為天拖1204輪式拖拉機(jī)。

4.2 試驗(yàn)方法

按照中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部發(fā)布的DG/T 149—2021《殘膜回收機(jī)》規(guī)定的方法進(jìn)行樣機(jī)田間性能試驗(yàn)。本試驗(yàn)采用隨機(jī)法交錯(cuò)選取3個(gè)測(cè)區(qū)，每個(gè)測(cè)區(qū)寬度為10 m，長(zhǎng)度為60 m。分別在每個(gè)測(cè)區(qū)內(nèi)按5點(diǎn)法選取5個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)按1×1 m選取，按0～100 mm取出作業(yè)前的殘膜；待機(jī)具作業(yè)后，在作業(yè)前的5個(gè)測(cè)點(diǎn)附近但不重疊的區(qū)域再取5個(gè)測(cè)點(diǎn)，作為作業(yè)后的5個(gè)測(cè)點(diǎn)并取出作業(yè)后的殘膜。將各測(cè)點(diǎn)取出的殘膜洗凈晾干后稱其質(zhì)量，求其平均值。則殘膜撿拾率

(6)

式中：m0——作業(yè)后測(cè)點(diǎn)的殘膜質(zhì)量，g；

m——作業(yè)前測(cè)點(diǎn)的殘膜質(zhì)量，g。

作業(yè)后將集膜箱內(nèi)的殘膜與弧形扎膜釘齒上纏繞的殘膜進(jìn)行收集，分別洗凈晾干后稱其質(zhì)量。則脫膜率

(7)

式中：m1——測(cè)區(qū)內(nèi)纏繞在機(jī)器上殘膜的質(zhì)量，g；

m2——測(cè)區(qū)內(nèi)集膜箱內(nèi)殘膜的質(zhì)量，g。

4.3 結(jié)果與分析

為驗(yàn)證弧形扎膜釘齒的起膜作業(yè)性能，將加工試制完成的殘膜回收機(jī)進(jìn)行田間試驗(yàn)，采用的工作參數(shù)組合為：作業(yè)深度為100.0 mm，機(jī)具前進(jìn)速度為4.5 km/h，弧形扎膜釘齒滾筒轉(zhuǎn)速為46.0 r/min。為保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，共計(jì)重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，試驗(yàn)過程如圖6所示。

表3 田間試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of field test

由表3可知，殘膜回收機(jī)的殘膜撿拾率均值為58.53%，脫膜率均值為98.14%，表明弧形扎膜釘齒的扎膜效果較好，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。

(a)樣機(jī)試驗(yàn)

由圖6可知，在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)個(gè)別齒尖出現(xiàn)變形情況，未發(fā)現(xiàn)弧形扎膜釘齒斷裂等破壞性狀況發(fā)生，分析其產(chǎn)生原因是新疆農(nóng)田中有石塊等硬質(zhì)雜質(zhì)與齒尖碰撞造成齒尖變形，結(jié)果表明仍需對(duì)齒尖進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化或進(jìn)行熱處理等，使其力學(xué)性能有效提升。試驗(yàn)結(jié)果表明田間試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

5 結(jié)論

1)本文設(shè)計(jì)了一種可撿拾耕層殘膜的弧形扎膜釘齒，采用理論分析的方法得到了弧形扎膜釘齒結(jié)構(gòu)參數(shù)和機(jī)具牽引力對(duì)其在土壤中運(yùn)動(dòng)時(shí)受力情況影響關(guān)系。

2)對(duì)弧形扎膜釘齒進(jìn)行模態(tài)分析，獲得弧形扎膜釘齒的前6階固有頻率，對(duì)固有頻率云圖及振型進(jìn)行了分析。由于1階固有頻率為788.15 Hz，遠(yuǎn)大于外界激勵(lì)，可知弧形扎膜釘齒不會(huì)發(fā)生共振，其設(shè)計(jì)滿足工作要求。

3)通過對(duì)弧形扎膜釘齒受力理論分析結(jié)果，對(duì)弧形扎膜釘齒進(jìn)行了靜力學(xué)分析，得到了整體形變?cè)茍D、應(yīng)變?cè)茍D和應(yīng)力云圖?？芍⌒卧め旪X的最大變形為6.705 8 mm，最大應(yīng)變?yōu)?.889 2×10-3mm/mm，最大等效應(yīng)力為466.27 MPa，仿真結(jié)果表明弧形扎膜釘齒的強(qiáng)度滿足實(shí)際工作需求。

4)通過田間試驗(yàn)結(jié)果表明殘膜回收機(jī)的殘膜撿拾率均值為58.53%，脫膜率均值為98.14%，弧形扎膜釘齒的設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，可有效完成對(duì)農(nóng)田殘膜的撿拾作業(yè)，且驗(yàn)證了仿真結(jié)果的合理性。