王科杰，羅 昕，胡 斌，陳 永，張 歡

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003)

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1MSF-3型殘膜回收機(jī)機(jī)架的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

王科杰，羅 昕，胡 斌，陳 永，張 歡

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003)

1MSF-3型殘膜回收機(jī)的主要承載部件是寬幅可折疊式機(jī)架，其強(qiáng)度和剛度直接影響了殘膜回收機(jī)的正常作業(yè)。為此，首先利用SolidWorks軟件建立寬幅可折疊式機(jī)架三維參數(shù)化模型，并將模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中進(jìn)行靜態(tài)特性分析，獲得其在作業(yè)情況下的等效應(yīng)力及等效位移云圖；其次，基于AWE環(huán)境下的Design Explorer模塊，采用DOE方法，以寬幅可折疊式機(jī)架中的各個(gè)梁橫截面尺寸作為設(shè)計(jì)變量，以應(yīng)力和位移為限制條件，質(zhì)量作為優(yōu)化指標(biāo)對(duì)機(jī)架進(jìn)行多目標(biāo)設(shè)計(jì)優(yōu)化。結(jié)果表明：優(yōu)化后機(jī)架質(zhì)量減少了10%，滿足力學(xué)性能要求；機(jī)具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理，為殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論支持。

寬幅可折疊式機(jī)架；殘膜回收機(jī)；有限元分析；輕量化

0 引言

地膜殘留在土壤里未得到及時(shí)回收，嚴(yán)重污染農(nóng)地生態(tài)環(huán)境，影響農(nóng)作物正常生長(zhǎng)，殘膜回收機(jī)的研發(fā)與推廣有效解決了殘膜污染問(wèn)題[1-2]。目前，中小型殘膜回收機(jī)的殘膜回收效率較低，滿足不了農(nóng)戶日益增長(zhǎng)的需求，而寬幅式殘膜回收機(jī)的研制為提高殘膜回收的作業(yè)效率提供了技術(shù)支持。

殘膜回收機(jī)幅寬的增大使殘膜作業(yè)效率提高，然而隨著殘膜回收機(jī)幅寬增大，機(jī)具的質(zhì)量也會(huì)隨之增大，且所需提供的動(dòng)力大幅升高，降低了機(jī)具的使用經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)減小機(jī)具的質(zhì)量可減少其制造成本并降低動(dòng)力輸出，提高了經(jīng)濟(jì)性。機(jī)架的輕量化則為殘膜回收機(jī)輕量化的主要方面。機(jī)架輕量化設(shè)計(jì)，在保證機(jī)架的強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)要求情況下，通過(guò)尺寸優(yōu)化法對(duì)機(jī)架的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，盡可能地減少機(jī)架的質(zhì)量[3-7]。

本文以1MSF-3型殘膜回收機(jī)的寬幅可折疊式機(jī)架為研究對(duì)象，利用尺寸優(yōu)化方法對(duì)機(jī)具中的機(jī)架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)與研究，通過(guò)SolidWorks軟件對(duì)機(jī)架進(jìn)行建模，利用ANSYS Workbench軟件在AWE環(huán)境下對(duì)寬幅可折疊式機(jī)架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

1 殘膜回收機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 殘膜回收機(jī)的結(jié)構(gòu)組成與主要技術(shù)參數(shù)

通過(guò)SolidWorks建立殘膜回收機(jī)三維模型[8]，如圖1所示。

1.卸膜裝置 2.摟膜裝置 3.護(hù)禾裝置 4.機(jī)架側(cè)梁 5.液壓缸 6.機(jī)架中梁 7.牽引架 8.連接梁 9.銷軸 10.行走輪 11.摟膜彈齒圖1 殘膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of wide-folding plastic film residue collector

殘膜回收機(jī)由摟膜裝置、護(hù)禾裝置、卸膜裝置和寬幅可折疊式機(jī)架等組成。其中，9組護(hù)禾裝置和10組摟膜裝置均布在機(jī)架上，且護(hù)禾裝置與摟膜裝置相互交錯(cuò)設(shè)置，摟膜裝置上安裝有摟膜彈齒和行走輪。1MSF-3型殘膜回收機(jī)的整機(jī)尺寸為6 990mm×1 790mm×1 015mm，作業(yè)速度為7.4km/h，配套動(dòng)力為55～66kW。

1.2 殘膜回收機(jī)的工作原理

工作過(guò)程中，拖拉機(jī)通過(guò)動(dòng)力輸出裝置牽引殘膜回收機(jī)運(yùn)動(dòng)，寬幅可折疊式機(jī)架呈展平狀態(tài)，護(hù)禾裝置順著棉稈精確對(duì)行，摟膜裝置通過(guò)行走輪實(shí)現(xiàn)上下對(duì)地自動(dòng)仿形，摟膜彈齒進(jìn)行收膜作業(yè)，護(hù)禾裝置上安裝有卸膜裝置，卸膜裝置將回收的殘膜自動(dòng)卸于打包帶區(qū)域。當(dāng)殘膜回收機(jī)完成地膜回收作業(yè)后，為便于殘膜回收機(jī)的運(yùn)輸，通過(guò)機(jī)架上的液壓缸驅(qū)動(dòng)將兩側(cè)的機(jī)架側(cè)梁對(duì)折，實(shí)現(xiàn)了在非工作狀態(tài)下機(jī)具幅寬的減小，滿足了道路交通運(yùn)輸要求。

1.3 寬幅可折疊式機(jī)架工作要求

保證機(jī)架應(yīng)力及變形在允許范圍內(nèi)，同時(shí)在滿足剛度及強(qiáng)度要求情況下，盡可能使機(jī)架輕量化。

2 機(jī)架結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)確定與載荷計(jì)算

2.1 寬幅可折疊式機(jī)架結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)確定

寬幅可折疊式機(jī)架由機(jī)架側(cè)梁、機(jī)架中梁、牽引架、液壓缸、連接梁及銷軸等構(gòu)成。其中，機(jī)架中梁兩側(cè)的機(jī)架側(cè)梁、液壓缸相互對(duì)稱設(shè)置，連接梁與連接梁之間通過(guò)銷軸鉸接。寬幅可折疊式機(jī)架主要承載部件的尺寸參數(shù)如表1所示。

2.2 寬幅可折疊式機(jī)架載荷計(jì)算

寬幅可折疊式機(jī)架的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)通過(guò)殘膜回收機(jī)的摟膜裝置、卸膜裝置、護(hù)禾裝置結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)及其所受作用載荷大小進(jìn)行確定，寬幅可折疊式機(jī)架上所受垂直方向載荷為護(hù)禾裝置和卸膜裝置的重力作用載荷，其水平方向載荷為摟膜裝置所受水平方向合力。

表1 寬幅可折疊式機(jī)架主要部件截面形狀和壁厚Table 1 Cross section shape and thickness of each main component for Wide-Folding frame mm

因此，首先通過(guò)SolidWorks軟件定義殘膜回收機(jī)各部件材料并測(cè)算出其質(zhì)量，獲得殘膜回收機(jī)各部件質(zhì)量大小，從而確定護(hù)禾裝置和卸膜裝置的重力作用載荷大小。經(jīng)計(jì)算得到以下參數(shù)：

GLi=545N,GHj=703N,G中梁=991N,G側(cè)梁=550N。

其中，GLi為第i組摟膜裝置所受的重力(N)；GHj為第j組護(hù)禾裝置所受垂直方向作用力(N)；G中梁為機(jī)架中梁所受的重力(N)；G側(cè)梁為機(jī)架側(cè)梁所受的重力(N)。其次，在殘膜回收機(jī)工作過(guò)程中，殘膜回收機(jī)平穩(wěn)作業(yè)，殘膜回收機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)視為靜態(tài)平衡，寬幅可折疊式機(jī)架處于平衡狀態(tài)，則通過(guò)機(jī)架受力平衡分析并計(jì)算出機(jī)架上各作用力，機(jī)架主要受力情況如圖2所示。

圖2 寬幅可折疊式機(jī)架受力圖Fig.2 The force analysis of wide-folding frame

在圖2中：第j組護(hù)禾裝置對(duì)機(jī)架的垂直作用力FHj與護(hù)禾裝置所受垂直方向作用力GHj平衡，有

FHj=GHj

(1)

行走輪是摟膜裝置的主要重力承載對(duì)象，土壤通過(guò)行走輪對(duì)摟膜裝置起支撐作用，摟膜裝置未對(duì)機(jī)架施加垂直方向作用，則摟膜裝置所受重力與土壤對(duì)行走輪的支撐力平衡。土壤對(duì)行走輪施加的水平摩擦力F輪i的計(jì)算公式為

N輪i=GLi

(2)

F輪i=μN(yùn)輪i

(3)

式中 μ—土壤與行走輪之間的摩擦因數(shù)，取值為0.5；

GLi—摟膜裝置的重力；

N輪i—土壤對(duì)行走輪的支撐力。

在殘膜回收過(guò)程中，摟膜裝置水平方向載荷包括摟膜裝置中各摟膜彈齒所受水平阻力之和F彈齒及行走輪受到的水平摩擦力F輪i，摟膜裝置施加在機(jī)架上的作用力FLi(即為摟膜裝置所受水平方向阻力)與機(jī)架對(duì)摟膜裝置的牽引力為一對(duì)平衡力，其計(jì)算公式為

FLi=F輪i+F彈齒

(4)

機(jī)架除受到摟膜裝置對(duì)其施加的水平作用力FLi和護(hù)禾裝置對(duì)其垂直作用力FHj外，還受到懸掛裝置通過(guò)牽引架對(duì)機(jī)架的作用力。

在摟膜過(guò)程中，殘膜回收機(jī)摟膜工作穩(wěn)定地進(jìn)行依靠于機(jī)架能夠保持平穩(wěn)狀態(tài)，此時(shí)機(jī)架受力平衡，則牽引架所受的水平作用力應(yīng)與摟膜裝置對(duì)機(jī)架水平作用力FLi達(dá)到平衡，牽引架所受的垂直作用力與護(hù)禾裝置對(duì)機(jī)架垂直作用力FHj達(dá)到平衡。牽引架所受垂直方向外載由懸掛裝置對(duì)其施加向上的支撐力FZ1和支撐力FZ2構(gòu)成，所受水平方向外載由懸掛裝置對(duì)其施加的牽引力FQ1和牽引力FQ2構(gòu)成。計(jì)算公式為

(5)

FQ1=FQ2

(6)

Fx=0

(7)

(8)

FZ1=FZ2

(9)

Fy=0

(10)

將式(3)、式(5)、式(6)代入到式(4)中整理得

(11)

將式(1)、式(8)和式(9)代入到式(7)中整理得

(12)

2.3 寬幅可折疊式機(jī)架上的液壓缸參數(shù)設(shè)計(jì)

2.3.1 液壓缸載荷受力分析

圖3 液壓缸載荷受力簡(jiǎn)圖Fig.3 The force analysis of hydraulic cylinder

依據(jù)液壓缸受力平衡條件，將液壓缸所受拉力F拉(即為活塞桿拉力)分解為垂直方向拉力F拉y和水平方向拉力F拉x，則有

F拉y=F拉·sinθ

(13)

G=F拉y

(14)

(15)

將式(14)、式(15)代入到式(13)中整理得到

(16)

其中，θ為液壓缸與水平面的安裝角，θ=5°。經(jīng)代入值計(jì)算得出F拉=49 268N。

2.3.2 活塞桿和液壓缸筒參數(shù)尺寸

根據(jù)計(jì)算出得到的活塞桿拉力F拉，設(shè)計(jì)液壓缸中的活塞桿和液壓缸筒參數(shù)尺寸[9]。活塞桿受到拉力遠(yuǎn)大于所受彎曲變形力，則其公式為

σ桿=4F拉/(π·d2)

(17)

(18)

活塞桿作為長(zhǎng)桿件，為滿足其穩(wěn)定性要求，對(duì)活塞桿穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，其公式為

Fk=(1.02fd4/e2)×1011

(19)

其中，F(xiàn)k為活塞桿縱向彎曲破壞的臨界載荷(N)；f為末端系數(shù)，f=2；e為活塞桿在最大伸出時(shí)的活塞桿端支點(diǎn)和液壓缸安裝點(diǎn)間距(m),e=1 145mm，計(jì)算得Fk=95 642N，F(xiàn)k>F拉，活塞桿滿足穩(wěn)定性要求。

基于活塞桿的尺寸參數(shù)確定液壓缸筒尺寸參數(shù)[9]。液壓缸筒為無(wú)縫鋼管，初選液壓缸筒內(nèi)徑D為63mm，液壓缸筒壁厚δ為6mm，D/δ的比值為10.5，其計(jì)算公式為

P=4F拉/(π·D2)

(20)

Py=1.5P

(21)

(22)

(23)

式中 P—工作壓力(MPa)；

Py—試驗(yàn)壓力(MPa)；

C—計(jì)入壁厚公差及腐蝕的附加厚度，通常圓整到標(biāo)準(zhǔn)厚度值，C取值1.7mm；

ψ—強(qiáng)度系數(shù)，無(wú)縫鋼管系數(shù)取1；

σb—液壓缸筒材料的抗拉強(qiáng)度(MPa)，液壓缸筒材料選用45鋼，取值為600MPa；

n—安全系數(shù)，n=3.5～5，一般取n=5；

3 寬幅可折疊式機(jī)架的有限元分析

3.1 建立有限元模型

在SolidWorks軟件中對(duì)寬幅可折疊式機(jī)架三維模型機(jī)架側(cè)梁的截面尺寸中的寬度DSh1和 機(jī)架側(cè)梁的壁厚DSv2設(shè)定為參數(shù)，將其模型導(dǎo)入ANSYS Workbench，首先定義其材料屬性。寬幅可折疊式機(jī)架上的液壓缸筒和活塞桿材料采用45鋼，彈性模量為210GPa，泊松比為0.269，材料密度為7 850kg/m3，屈服強(qiáng)度為355MPa。寬幅可折疊式機(jī)架上的機(jī)架中梁、機(jī)架側(cè)梁、牽引架、連接梁、銷軸等構(gòu)件材料均采用通用的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235，彈性模量為206GPa，泊松比為0.28，材料密度為7 850kg/m3，屈服強(qiáng)度為235MPa，取安全系數(shù)為1.4，許用屈服強(qiáng)度為167.86MPa。然后，對(duì)機(jī)架進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸控制參數(shù)設(shè)定為30mm，共劃分107 507個(gè)單元和212 658個(gè)節(jié)點(diǎn)[10-11]。

3.2 施加約束及載荷

殘膜回收機(jī)工作過(guò)程中，機(jī)架呈平展?fàn)顟B(tài)，機(jī)架側(cè)梁、機(jī)架中梁和牽引架為承受對(duì)象。約束條件：限制機(jī)架中梁底面的平動(dòng)自由度UX、UY、UZ和兩個(gè)方向上的旋轉(zhuǎn)自由度ROTY、ROTZ；釋放液壓缸、機(jī)架側(cè)梁與機(jī)架中梁的交接處繞銷軸軸心的旋轉(zhuǎn)自由度ROTX，對(duì)機(jī)架進(jìn)行應(yīng)力與位移計(jì)算[12-13]；將機(jī)架所受簡(jiǎn)化為等效載荷施加到寬幅式機(jī)架的各個(gè)受力相應(yīng)部位；在機(jī)架上均布施加水平方向作用力FLi和垂直方向作用力FHj，在牽引架均布施加水平方向作用力FQ1和垂直方向作用力FZ1。

3.3 結(jié)果分析

經(jīng)求解計(jì)算，獲得位移云圖如圖4(a)所示,位移發(fā)生最大變形處發(fā)生在側(cè)梁的端部,最大位移為3.62mm，許用撓度為10mm。機(jī)架應(yīng)力如圖4(b)所示。機(jī)架的最大受力處位于連接梁與機(jī)架側(cè)梁的連接處及牽引架與機(jī)架中梁的連接處，最大應(yīng)力值為106.51MPa，小于許用屈服強(qiáng)度為167.86MPa。因此，剛度和強(qiáng)度皆滿足設(shè)計(jì)要求。

(a) 位移云圖

(b) 應(yīng)力云圖圖4 位移及應(yīng)力云圖Fig.4 The equivalent stress and total deformation contours clouds

4 寬幅可折疊式機(jī)架優(yōu)化設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

4.1 響應(yīng)面設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)機(jī)架的輕量化又達(dá)到機(jī)架工作性能要求，以機(jī)架側(cè)梁的寬度和機(jī)架側(cè)梁的壁厚為輸入?yún)?shù)，剛度和強(qiáng)度為輸出參數(shù)，得到機(jī)架側(cè)梁的寬度和機(jī)架側(cè)梁的壁厚與強(qiáng)度、剛度及質(zhì)量的響應(yīng)曲面云圖[14]，如圖5所示。

根據(jù)輸入與輸出參數(shù)響應(yīng)曲面可知：折疊機(jī)架的強(qiáng)度、剛度與其質(zhì)量呈制約關(guān)系，隨著機(jī)架側(cè)梁的寬度和機(jī)架側(cè)梁的壁厚與強(qiáng)度的減小，折疊機(jī)架的質(zhì)量減小，但折疊機(jī)架的強(qiáng)度和剛度會(huì)隨著增大；折疊機(jī)架的質(zhì)量與其強(qiáng)度、剛度不能同時(shí)減小，則以折疊機(jī)架的質(zhì)量的減小為優(yōu)先優(yōu)化目的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(a) 機(jī)架側(cè)梁的寬度和壁厚對(duì)折疊機(jī)架強(qiáng)度的響應(yīng)曲面

(b) 機(jī)架側(cè)梁的寬度和壁厚對(duì)折疊機(jī)架剛度的響應(yīng)曲面

(c) 機(jī)架側(cè)梁的寬度和壁厚對(duì)折疊機(jī)架質(zhì)量的響應(yīng)曲面圖5 機(jī)架側(cè)梁的寬度和壁厚對(duì)折疊機(jī)架強(qiáng)度、剛度及質(zhì)量的響應(yīng)Fig.5 Response surface of frame side beam’s height and thickness to the intensity, stiffness and mass of folding frame

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于不能同時(shí)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、強(qiáng)度和剛度最小化，因此以機(jī)架質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)機(jī)架輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)[15-18]。因機(jī)架上的兩端側(cè)梁最易發(fā)生變形，因此以機(jī)架側(cè)梁作為優(yōu)化對(duì)象，機(jī)架側(cè)梁的橫截面尺寸DSh1×DSh2為100mm×100mm，機(jī)架側(cè)梁的壁厚DSv2為6mm。在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，為便于計(jì)算模型簡(jiǎn)化及準(zhǔn)確分析，以側(cè)梁的橫截面寬度DSh1及其壁厚DSv2作為設(shè)計(jì)變量，參數(shù)DSh1最初值為100mm，設(shè)定85～115mm為變動(dòng)范圍；參數(shù)DSv2最初值為6mm，設(shè)定4～8mm為變動(dòng)范圍，根據(jù)需要優(yōu)化的參數(shù)數(shù)目，利用中心組合設(shè)計(jì)方法計(jì)算得到各個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)的運(yùn)算結(jié)果，各個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)求解結(jié)果如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)點(diǎn)求解結(jié)果Table 2 Solved result at resign point

據(jù)設(shè)計(jì)點(diǎn)求解及分析得最優(yōu)結(jié)果如表3所示。

表3 變量?jī)?yōu)化前后值Table 3 Values of the variables before and after optimization

由表3可知：此時(shí)機(jī)架最大位移為4.77mm，最大應(yīng)力值為121.57MPa，機(jī)架變形量小且未超過(guò)許用強(qiáng)度，優(yōu)化后的機(jī)架質(zhì)量由229.74kg減輕至206.79kg，降幅達(dá)到10%，滿足殘膜回收機(jī)的工作要求。

4.3 樣機(jī)的田間試驗(yàn)

2015年10月16-18日，在新疆昌吉五家渠共青團(tuán)農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行了1MSF-3型殘膜回收機(jī)的反復(fù)試驗(yàn)。試驗(yàn)表明：殘膜回收作業(yè)正常，機(jī)架側(cè)梁、機(jī)架中梁與連接梁的焊接位置均未出現(xiàn)裂紋或脫落現(xiàn)象，機(jī)架呈平展?fàn)顟B(tài)且未發(fā)生橫向及縱向變形等情況，較好地滿足了殘膜回收機(jī)的作業(yè)要求。

5 結(jié)論

1)利用有限元力學(xué)分析軟件ANSYS Workbench軟件對(duì)1MSF-3型殘膜回收機(jī)的機(jī)架進(jìn)行靜力學(xué)分析，并對(duì)機(jī)架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，其質(zhì)量減輕了10%，實(shí)現(xiàn)了機(jī)架的輕量化要求。

2)經(jīng)田間試驗(yàn)機(jī)架變形量與有限元分析結(jié)果較相吻合，驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。

3)本文的結(jié)構(gòu)輕量化研究與試驗(yàn)為寬幅式殘膜回收機(jī)機(jī)架的研究提供了一定的參考依據(jù)。

[1] 侯書(shū)林，胡三媛，孔建銘，等.國(guó)內(nèi)殘膜回收機(jī)研究的現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2002，18(3)：186-190.

[2] 董合干，劉彤，李勇冠，等.新疆棉田地膜殘留對(duì)棉花產(chǎn)量及土壤理化性質(zhì)的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(8)：91-99.

[3] Schubert E, Klassen M, Zerner I, et al. Lightweight structures produced by laser beam joining for future applications in automobile and aerospace industry[J].Journal of Materials Processing Technology, 2001,115(1): 2-8.

[4] Asanafi N, Langstedt G. A new lightweight metal composite-metal panel for applications in the automotive and other industries[J].Thin-Walled Structures, 2000,4(36): 289-310.

[5] Joseph C, Benedy K. Light metals in automotive applications[J].Light Metal Age,2000,58(10): 34-35.

[6] 龍江啟，蘭鳳崇，陳吉清. 車身輕量化與鋼鋁一體化結(jié)構(gòu)新技術(shù)的研究進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44(6)：27-35.

[7] 葉輝，胡平，申國(guó)哲，等. 基于靈敏度和碰撞仿真的汽車車身輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41(10)：18-22，27.

[8] 辛文彤，李志尊.SolidWorks 2012中文版從入門(mén)到精通[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[9] 聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[K].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[10] 鄭敏，羅昕，胡斌.3MDZK-12型棉花打頂機(jī)機(jī)架的力學(xué)分析與優(yōu)化[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(10)：50-53.

[11] 馬華永，王衛(wèi)兵，馮靜安，等.基于ANSYS的茬地免耕播種機(jī)機(jī)架有限元分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014(4)：33-37.

[12] 林家祥，田偉，石學(xué)堂，等.翻拋機(jī)機(jī)架的力學(xué)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2013，36(11)：156-163.

[13] 張強(qiáng)，王春耀，陳發(fā)，等.3 DDF-8型棉花打頂機(jī)機(jī)架的有限元強(qiáng)度分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2011，33(3)：47-49.

[14] 許進(jìn)鋒.ANSYS Workbench15.0完全自學(xué)一本通[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[15] 張娜娜，趙勻，劉宏新.高速水稻插秧機(jī)車架的輕量化設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012(3)：55-59.

[16] 陳龍，王錦文，薛念文，等.農(nóng)用三輪車運(yùn)輸車車架強(qiáng)度分析及節(jié)才研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1999，15(2)：134-138.

[17] 韓紅陽(yáng)，陳樹(shù)人，邵景世，等. 機(jī)動(dòng)式噴桿噴霧機(jī)機(jī)架的輕量化設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(3):47-53.

[18] 申士林，張仲鵬，陳榮，等. 一種新型起重機(jī)吊臂的輕量化設(shè)計(jì)與研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012(6):42-43.

Design and Optimization of 1MSF-3-type Plastic Film Residue Collecting Machine Frame

Wang Kejie , Luo Xin , Hu Bin,Cheng Yong, Zhang Huan

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Shihezi University, Shihezi 832003, China)

1MSF-3-type collector of used plastic film on farm machine is the main bearing parts of wide-folding frame.The strength and rigidity of wide-folding frame directly affects the normal operation of the residual film retrieving machine.Therefore, based on using SolidWorks to establish 3D parametric model for wide-folding rack.At the same time, the model is imported into ANSYS Workbench to static characteristic analysis and to get equivalence- stress and equality-displacement cloud atlas under the working condition. According to the result of finite element analysis of wide-folding frame suggests that meets the design requirements of strength and stiffness. And then, found on the Design Explorer modules of ANSYS Workbench Environment, DOE (Design of experiment) method is used. With section size of each beam of wide-folding frame as Design variables, regarding the stress and displacement as constraints, moreover, taking its quality for an indicator, to accomplish multi-objective optimization Design for the rack. The results show that not only quality of frame is decreased by 10% after optimization but also mechanical properties are good, meanwhile, the manufacturing cost is saved and the requirement of residual film recycling machine work is satisfied.

wide-folding frame; plastic film residue collecting machine; finite element analysis; lightweight

2016-03-07

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)重大科技專項(xiàng)(2014AA002)；農(nóng)業(yè)部行業(yè)專項(xiàng)(201503105)

王科杰(1988-)，男，江西上饒人，碩士研究生， (E-mail)1421243560@qq.com。

羅 昕(1969-),女,四川隆昌人,教授,碩士生導(dǎo)師，(E-mail)1187169629@qq.com。

S223.5

A

1003-188X(2017)03-0144-06