牛長河，王學(xué)農(nóng)，劉旋峰，蔣永新，張佳喜，帕合爾鼎·阿不來提

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，烏魯木齊　830091)

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基于有限元分析法的棉田殘膜回收機(jī)松土齒結(jié)構(gòu)改進(jìn)

牛長河，王學(xué)農(nóng)，劉旋峰，蔣永新，張佳喜，帕合爾鼎·阿不來提

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，烏魯木齊830091)

摘要：松土齒是殘膜回收機(jī)的重要工作部件之一。為此，針對以往殘膜回收機(jī)松土齒易變形的情況，在 SolidWorks Simulation中對松土齒結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，找出松土齒受力時(shí)超出許用應(yīng)力的區(qū)域，提出改進(jìn)意見。同時(shí)，對修改后的松土齒重新進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明：新的結(jié)構(gòu)在尺寸和質(zhì)量上沒有大幅提高，而安全系數(shù)大大提高。采用新結(jié)構(gòu)松土齒的殘膜回收機(jī)在實(shí)際使用中，松土齒未見變形現(xiàn)象，且降低了收膜滾筒的故障率。

關(guān)鍵詞：殘膜回收機(jī)；松土齒；有限元；結(jié)構(gòu)改進(jìn)

0引言

目前，新疆棉花覆膜植棉面積為153萬hm2，而采用機(jī)械回收殘膜的面積僅9.85萬hm2，占鋪膜面積的5.75%。每年有94.25%的殘膜得不到回收。據(jù)自治區(qū)有關(guān)部門在重點(diǎn)縣(市)開展的廢舊地膜污染調(diào)查顯示，棉花地平均殘留地膜量85.95kg/hm2。其中，最嚴(yán)重的一個(gè)點(diǎn)為399.75kg/hm2。殘膜在土壤中破壞了農(nóng)田的生態(tài)環(huán)境，形成阻隔帶(層)影響種子和根系的發(fā)育生長，阻礙作物對水分和養(yǎng)分的吸收，影響種子發(fā)芽、出苗，造成爛種、爛芽，使幼苗黃、瘦，甚至死亡，還影響農(nóng)機(jī)具作業(yè)質(zhì)量，堵塞溝渠。據(jù)新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)130團(tuán)調(diào)查，結(jié)果顯示：連續(xù)3～5年的殘膜污染的土壤，小麥減產(chǎn)2%～3%，玉米減產(chǎn)10%左右，棉花減產(chǎn)16%～23%。連續(xù)鋪膜年限越長，地膜殘留量越多，對作物產(chǎn)量的影響也越大,殘膜污染導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)作用越來越明顯，同時(shí)對棉花品質(zhì)的污染問題也逐漸凸顯。

1JSMA-1800/2200型棉秸稈粉碎及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)能有效地解決棉田耕前地表殘膜回收的問題。其工作原理：秸稈粉碎還田部件將作業(yè)幅寬上的棉稈粉碎拋送至機(jī)具后方，梳齒式松土齒將殘膜下的土層疏松，便于挑膜滾筒工作；挑膜齒從土壤下將殘膜挑起，輸送到脫膜位置，挑膜齒縮回到滾筒內(nèi)，脫膜滾筒從挑膜滾筒上將殘膜脫下，送到膜箱；膜箱裝滿后，由液壓缸將膜箱傾斜一定角度，完成卸膜。從機(jī)具使用情況來看，松土齒需入土40 mm,是工作阻力最大的部件，在土壤比阻較大的農(nóng)田，往往發(fā)生松土齒變形，導(dǎo)致挑膜齒與松土齒干涉，破壞挑膜齒組的結(jié)構(gòu)，影響機(jī)具的正常工作。

本文基于SolidWorks軟件建立了松土齒三維實(shí)體模型，用Simulation插件進(jìn)行有限元分析，提出改進(jìn)意見，并對改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，用理論分析的結(jié)果指導(dǎo)樣機(jī)加工，最終通過試驗(yàn)驗(yàn)證新結(jié)構(gòu)的可靠性。

1改進(jìn)前松土齒的分析

1.1結(jié)構(gòu)

早期設(shè)計(jì)的松土齒部件由連接板、橫梁、固結(jié)器及齒等組成，松土齒與挑膜齒呈交叉排列。為防止松土齒與挑膜齒發(fā)生干涉，松土齒的寬度尺寸要嚴(yán)格控制，不宜過寬，故采用厚度為14mm的扁鋼,材質(zhì)為Q235普通碳鋼，通過螺栓連接在固結(jié)器上，固結(jié)器可在橫梁上左右調(diào)整，如圖1所示。

1.連接板　2.固結(jié)器　3.松土齒　4.橫梁

1.2載荷分析

機(jī)具作業(yè)時(shí)有典型的3種工況：一是機(jī)具正常作業(yè)，勻速行駛，也就是松土齒勻速向前松土，松土齒入土深度最大時(shí)受土壤阻力；二是機(jī)具起步時(shí)強(qiáng)制入土，松土齒受沖擊載荷；三是拖拉機(jī)手誤操作，機(jī)具轉(zhuǎn)彎時(shí)沒有將工作部件升起離開地面，松土齒承受側(cè)向力。該側(cè)向力的極限值發(fā)生在力的方向垂直于松土齒側(cè)面。綜合分析發(fā)現(xiàn)：只有松土齒受側(cè)向力(A向)時(shí),松土齒向左右兩側(cè)發(fā)生的變形會(huì)導(dǎo)致其與挑膜齒發(fā)生干涉，有限元模型施加載荷考慮變形最大的情況為第3種工況。機(jī)具工作時(shí)，松土齒入土深度為40mm，當(dāng)發(fā)生誤操作時(shí)松土齒所受側(cè)向力為土壤對松土齒阻力F阻，受力簡圖如圖2所示。

圖2　松土齒受力極限圖

土壤阻力的計(jì)算。查農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)手冊可知：在新疆的北疆地區(qū)耕地多為輕壤、中壤土質(zhì)，土壤比阻為40～60kPa；南疆地區(qū)多為沙壤、輕中壤土質(zhì)，土壤比阻為30～50kPa。由此可見，在全疆耕地的最大土壤比阻為60kPa，可參考土壤比阻計(jì)算公式來算出單根松土齒所受的土壤阻力F阻，有

式中Kt—土壤比阻；

η—犁耕效率，一般取0.7；

a—單個(gè)入土部件耕深；

b—單鏵幅寬。

取土壤比阻Kt=60kPa，深度a=0.04m，寬度b=0.15m，計(jì)算出F阻=0.252kN。

1.3有限元分析

利用有限元分析軟件Simulation，對松土齒結(jié)構(gòu)的抗彎性能進(jìn)行分析。施加的條件是：材質(zhì)為Q235普通碳鋼，施加約束在橫梁兩側(cè)端板，約束條件為“固定”，對安裝在橫梁上的每一根松土齒的入土部分施加252N的側(cè)向力，進(jìn)行網(wǎng)格劃分、有限元運(yùn)行，可以得出應(yīng)力、位移、安全系數(shù)以及變形量圖解等。設(shè)計(jì)時(shí)，需要安全系數(shù)和最大變形量結(jié)果作為參考，圖解如圖3所示。

從有限元結(jié)果可以看出：最小安全系數(shù)為1.15，最大變形量為9.98mm,安全系數(shù)較小，變形量非常大；機(jī)具在實(shí)際作業(yè)中也發(fā)生了大量松土齒變形的情況，有限元分析結(jié)果與實(shí)際情況吻合。

安全系數(shù)圖解　　　　　　　　最大變形量圖解

2改進(jìn)后松土齒的分析

2.1結(jié)構(gòu)對比

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和具體尺寸要求，設(shè)計(jì)了兩種新型松土齒的結(jié)構(gòu)：一種采用鍛壓的方式，將鋼材模鍛成特殊形狀；另一種采用普通無縫圓管，壓制成截面為橢圓型，齒尖入土部件采用耐磨鑄鋼材料鑄造而成，圓管與齒尖焊接組成松土齒，如圖4所示。采用同樣有限元分析的方法對比兩種松土齒的抗彎強(qiáng)度，再綜合考慮制造成本和加工難易程度，確定最終方案。

鍛造松土齒結(jié)構(gòu)　　　　　　　組合松土齒結(jié)構(gòu)

運(yùn)行有限元分析，鍛造結(jié)構(gòu)松土齒安全系數(shù)和最大變形量圖解如圖5所示，組合結(jié)構(gòu)松土齒安全系數(shù)和最大變形量圖解如圖6所示。

安全系數(shù)圖解　　　　　　　　最大變形量圖解

安全系數(shù)圖解　　　　　　　　最大變形量圖解

對比分析結(jié)果如表1所示。

表1　3種松土齒結(jié)構(gòu)有限元分析對比

從圖表顯示可以看出：同樣施加252N的力，原松土齒結(jié)構(gòu)的型變量遠(yuǎn)大于其他兩種結(jié)構(gòu)，安全系數(shù)僅為1.15。在實(shí)際使用中，大量的松土齒發(fā)生變形，組合結(jié)構(gòu)的松土齒變形量最小，安全系數(shù)最高，其加工難度較鍛造結(jié)構(gòu)更容易。所以，新型殘膜回收機(jī)的松土齒重點(diǎn)考慮采用該結(jié)構(gòu)，對該結(jié)構(gòu)的松土齒進(jìn)一步進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證能否達(dá)到使用要求。

2.2改進(jìn)后松土齒的結(jié)構(gòu)及受力分析

2.2.1松土齒結(jié)構(gòu)分析

通過上述分析，擬采用組合式結(jié)構(gòu)作為新型殘膜回收機(jī)的松土齒部件。新松土齒由齒桿、齒尖、橫梁及端板組成：齒桿采用40mm×4mm的冷拔無縫圓管，總長560mm；與橫梁連接部分120mm長的圓柱段保證不變形，剩余段采用模具壓制成外徑52mm×25mm的橢圓形狀，平滑過渡；齒尖采用耐磨鑄鋼材料鑄造而成，將齒桿與齒尖焊接；橫梁采用100mm×6mm的冷拔無縫圓管，加工41mm的圓孔與齒桿焊接，兩端焊接端板，如圖7所示。

齒稈結(jié)構(gòu)　　　　　齒尖結(jié)構(gòu)　　　　　　　橫梁與端板結(jié)構(gòu)

2.2.2松土齒受力分析

機(jī)具作業(yè)時(shí)，松土齒插入地面以下40mm，松土齒主要承受土壤阻力和土壤對機(jī)具的支撐力。其中，土壤阻力的方向與機(jī)具前進(jìn)方向相反，支撐力方向與機(jī)具重力方向相反，豎直向上；整機(jī)按照2t計(jì)算，而機(jī)具作業(yè)時(shí)80%的力作用在松土齒上，所以施加在松土齒上機(jī)具重力的反作用力為16kN, 整機(jī)共計(jì)16根松土齒，每一根松土齒承受1kN的支撐力F支撐，受力分析如圖8所示。

圖8　松土齒受力分析

同樣采用土壤比阻計(jì)算公式來算出單根松土齒所受的土壤阻力，有

式中Kt—土壤比阻；

η—犁耕效率，一般取0.7；

a—單個(gè)入土部件耕深；

b—單鏵幅寬。

取耕深0.04m，幅寬0.025m，土壤比阻60kPa，計(jì)算出F阻=0.042kN。

2.2.3松土齒及橫梁的可靠性分析

建立新松土齒結(jié)構(gòu)的裝配體三維模型，將上述分析得出的F阻與F支撐施加在模型上，建立有限元分析算例。運(yùn)行該算例，計(jì)算出最小安全系數(shù)為6.14，如圖9所示。其安全系數(shù)較大，可以滿足正常工況下的松土作業(yè)，同時(shí)在較為惡劣的土壤條件下，也能保證機(jī)具的正常作業(yè)。

圖9　組合結(jié)構(gòu)松土齒安全系數(shù)

3結(jié)論

由于農(nóng)作物生長周期較長，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)從設(shè)計(jì)到田間試驗(yàn)往往需要一年的時(shí)間，如果某個(gè)部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，會(huì)導(dǎo)致整機(jī)無法正常工作，延長產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。為此，將設(shè)計(jì)的產(chǎn)品用有限元法進(jìn)行受力分析，可大大提高設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可靠性，降低產(chǎn)品的廢品率。2014年，采用新型松土齒結(jié)構(gòu)的殘膜回收機(jī)在南北疆不同土壤的工作條件下作業(yè)，松土效果較好，有效地保護(hù)了挑膜滾筒，松土齒未發(fā)生變形與斷裂等現(xiàn)象。

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The Ripper Tooth Structural Improvements of Cotton Fields Plastic Film Recycling Machine Based on the Finite Element Method

Niu Changhe, Wang Xuenong , Liu Xuanfen, Jiang Yongxin, Zhang Jiaxi, Pahaerding

Abstract：Ripper tooth is one of the most important working part of plastic film recycling machine, for the problem of ripper tooth easy-deformed, put ripper tooth into Solidworks Simulation and use finite element analysis, through analysis and calculating result, find out the area beyond the allowable stress when ripper tooth force, put forward improvements. Using finite element analysis again for improved ripper tooth, the new structure does not substantially increase the size and weight,but greatly improve the safety factor. In actual use of new structure ripper tooth of plastic film recycling machine,ripper tooth have no deformation, while reducing the failure rate of the recycle film drum.

Key words：plastic film recycling machine; ripper tooth; finite element; structure improvement

文章編號：1003-188X(2016)03-0033-04

中圖分類號：S223.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：牛長河(1982-),男，烏魯木齊人，助理研究員，碩士， (E-mail) 15999133007@139.com。通訊作者：帕合爾鼎·阿不來提(1969-)，男(維吾爾族)，烏魯木齊人，高級工程師，碩士，(E-mail)22939164@qq.com。

基金項(xiàng)目：新疆維吾爾自治區(qū)科技計(jì)劃項(xiàng)目(201354101)

收稿日期：2014-11-08