殘膜回收機(jī)彈齒參數(shù)優(yōu)化

魏　飛，張林海，陳曉敏，簡建明，侯書林

(1.南陽理工學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，河南 南陽　473004；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京　100083)

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殘膜回收機(jī)彈齒參數(shù)優(yōu)化

魏飛1，張林海1，陳曉敏2，簡建明2，侯書林2

(1.南陽理工學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，河南 南陽473004；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京100083)

摘要：針對殘地膜回收機(jī)彈齒應(yīng)力效應(yīng)問題，對彈齒長度L、截面直徑D、入土角θ、回轉(zhuǎn)角速度ω等4個(gè)參數(shù)進(jìn)行虛擬正交試驗(yàn)，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，考察各參數(shù)對彈齒應(yīng)力的影響。正交試驗(yàn)結(jié)果顯示：彈齒所受應(yīng)力隨著L、ω的增大而增大，隨著D、θ的增大而減?。粡楜X應(yīng)力最小參數(shù)為L=180mm、D=10mm、θ=70°、ω=0.79(即π/4)rad/s，最大為L=280mm、D=3mm、θ=15°、ω=2.09(即2π/3)rad/s。彈齒截面直徑對臨界入土角影響較大，隨截面直徑的增大，臨界入土角明顯減小，即增大彈齒截面直徑有利于彈齒的順利入土。

關(guān)鍵詞：殘地膜；撿拾機(jī)構(gòu)；彈齒；優(yōu)化

0引言

目前，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛運(yùn)用地膜覆蓋栽培技術(shù)，致使田間地膜殘留量激增，嚴(yán)重污染農(nóng)田與環(huán)境。因此，彈齒式收膜機(jī)憑借其簡單、耐用的優(yōu)點(diǎn)得到了高度重視[1-3]。

撿膜彈齒是殘膜回收機(jī)主要工作部件。拾地膜過程中，彈齒長桿為主要受力部位，應(yīng)考察其結(jié)構(gòu)參數(shù)對應(yīng)力結(jié)果的影響,包括彈齒的長度L、截面直徑D；此外，彈齒入土角θ、回轉(zhuǎn)角速度ω也是影響彈齒所受應(yīng)力大小的重要參數(shù)。為此，本文針對彈齒的這4個(gè)參數(shù)進(jìn)行虛擬正交試驗(yàn)，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，以考察這些參數(shù)對彈齒受到應(yīng)力的影響的重要程度；同時(shí)，通過方差分析法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，以應(yīng)力最小為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為彈齒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1彈齒撿拾機(jī)構(gòu)工作原理

圖1為彈齒式拾膜部件結(jié)構(gòu)示意圖[4]。其由地輪帶動彈齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)，彈齒沿滑道的運(yùn)動，從而完成撿拾與卸膜的工作過程。

彈齒撿膜的工作過程是彈齒以一定角度進(jìn)入土壤，將壟面的殘膜挑起，然后再將其挑離整個(gè)土面的過程[5-7]。

1.彈齒輪　2.滑道　3.彈齒　4.殘膜　5.土壤

2虛擬正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1因素水平表

本次虛擬正交試驗(yàn)的目的在于尋求一組最優(yōu)的彈齒長度L、彈齒截面直徑D、彈齒入土角θ、彈齒回轉(zhuǎn)角速度ω，使得彈齒入土作業(yè)過程中所受應(yīng)力為最小。所以，將應(yīng)力大小作為本次試驗(yàn)的評價(jià)指標(biāo)，以彈齒長度L、截面直徑D、入土角θ、回轉(zhuǎn)角速度ω為試驗(yàn)因素，對每個(gè)因素取5個(gè)水平，最終確定該試驗(yàn)所選取的因素水平表。在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，保持所涉及的其他參數(shù)不變，如彈齒的其他結(jié)構(gòu)尺寸、彈齒與彈齒軸的位置關(guān)系、土壤的參數(shù)等均保持不變。試驗(yàn)確定的因素水平表如表1所示。

2.2試驗(yàn)方案

本文所確定的因素水平表為四因素五水平正交試驗(yàn)表，根據(jù)試驗(yàn)所確定的因素水平數(shù)制定試驗(yàn)方案，進(jìn)行25次試驗(yàn)計(jì)算，以得到所需試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。

表1　因素水平表

2.3虛擬正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.3.1試驗(yàn)結(jié)果

每組均考察彈齒從入土至出土的整個(gè)工作過程，由于角速度和入土角度的影響，每組的求解時(shí)間不一。根據(jù)每組彈齒的結(jié)構(gòu)參數(shù)重新建立土壤模型，根據(jù)每組角速度和入土角計(jì)算得出每組的求解分析時(shí)間，輸出K文件信息并進(jìn)行相應(yīng)的修改，提交至LS-DYNA求解器進(jìn)行求解，記錄分析過程中每組試驗(yàn)的應(yīng)力最大值。試驗(yàn)1～25的分析過程中的應(yīng)力最大值如表2所示。

表2　試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

續(xù)表2

2.3.2顯著性檢驗(yàn)

查得臨界值F0.05(4,8)=3.84、F0.01(4,8)=7.01，所以對于顯著性水平α=0.05，因素C(即入土角)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有非常顯著的影響，因素A(即彈齒長度)對試驗(yàn)結(jié)果有顯著影響，因素B和因素D(即彈齒截面直徑和彈齒回轉(zhuǎn)角速度)對試驗(yàn)結(jié)果的影響較小，其置信度為95%。因素主次順序依次為入土角、彈齒長度、彈齒截面直徑和彈齒旋轉(zhuǎn)角速度。最后，將分析結(jié)果列于方差分析表,如表3所示。

表3　方差分析表

2.3.3優(yōu)方案的確定

試驗(yàn)指標(biāo)是應(yīng)力大小，其值越小越好。從試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)(表2)可以看出：優(yōu)方案應(yīng)取各因素最小K值所對應(yīng)的水平，為A2B5C5D2，即彈齒長度L=180mm、彈齒截面直徑D=10mm、入土角θ=70°，彈齒回轉(zhuǎn)角速度ω=0.79(即π/4)rad/s。

相反，最差方案取各因素最大K值對應(yīng)的水平，為A5B2C2D4，即彈齒長度L=280mm、彈齒截面直徑D=3mm、入土角θ=15°，彈齒回轉(zhuǎn)角速度ω=2.09(即2π/3)rad/s。

由試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)中得到：方案中應(yīng)力最大的為彈齒長度L=280mm，彈齒截面直徑D=4mm，入土角θ=15°，彈齒回轉(zhuǎn)角速度ω=1.57(即π/2)rad/s。

2.3.4結(jié)果趨勢圖及分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)ki值，繪制趨勢圖如圖2所示。圖2中，橫坐標(biāo)表示各因素的水平，按照水平的實(shí)際大小進(jìn)行排列；縱坐標(biāo)表示試驗(yàn)指標(biāo)。從圖2中也可以看出：當(dāng)彈齒長度A2=180mm、截面直徑B5=10mm、入土角C5=70°、角速度D2=0.79rad/s時(shí)，彈齒所受到的應(yīng)力最小。即優(yōu)方案為A2B5C5D2。從趨勢圖還可以看出，彈齒所受應(yīng)力隨著彈齒長度、角速度的增大而增大，隨著截面直徑、入土角的增大而減小。實(shí)際進(jìn)行確定方案時(shí)，還應(yīng)根據(jù)具體的拾膜要求及拾膜速率，來確定最終的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動參數(shù)。

圖2　試驗(yàn)方案因素與指標(biāo)趨勢圖

2.3.5彈齒未入土的結(jié)果分析

在彈齒與土壤運(yùn)動的過程中，當(dāng)彈齒的入土角小到一定程度，彈齒就不能成功進(jìn)入土壤，不能完成整個(gè)對土壤切削的過程。這是因?yàn)閺楜X的初始入土角很小時(shí)，其對土壤的剪切力很小，當(dāng)不能達(dá)到土壤的抗剪切力時(shí)，便不能將土壤切開進(jìn)入土壤；而隨著彈齒與土壤的繼續(xù)接觸，彈齒與土壤之間的夾角越來越小，彈齒對土壤的剪切力也越來越小，越來越小于土壤的抗剪切力，這就導(dǎo)致彈齒更不可能將土壤切開進(jìn)入土壤，所以就會發(fā)生彈齒在整個(gè)過程中未能入土的情況，得到的結(jié)果如圖3(a)所示。

圖3(b)所示為彈齒未入土的情況中，選取彈齒齒根部(A、B單元)、彈齒彎曲變形較大部位(C、D單元)、彈齒齒尖部(E、F單元)，得到其應(yīng)力變化曲線。由圖3與前文彈齒應(yīng)力分析圖比較可以看出，彈齒不入土?xí)r其應(yīng)力變化趨勢與入土?xí)r不一樣。由圖3可知：彈齒齒根部仍然是在彈齒與土壤接觸時(shí)應(yīng)力值發(fā)生突增，但在接下來彈齒與土壤繼續(xù)接觸的過程中，其應(yīng)力值沒有突降的一個(gè)過程；相反，其應(yīng)力值持續(xù)增大，最后在一個(gè)較大的應(yīng)力值范圍呈鋸齒狀波動。這是因?yàn)閺楜X不能進(jìn)入土壤，彈齒與土壤間的夾角也在變小，齒根部受到的彎矩也就在變大，所以相應(yīng)應(yīng)力值也就在變大。

圖3　彈齒未入土結(jié)果

由圖3(b)還可以看出：彈齒彎曲變形較大部位的應(yīng)力值并沒有在彈齒與土壤接觸時(shí)發(fā)生突增。這是因?yàn)樵摬课辉趶楜X與土壤剛接觸時(shí)，其變形量并不大；隨著彈齒與土壤的繼續(xù)接觸，由于彈齒不能進(jìn)入土壤，該部位的變形量在持續(xù)增加，所以該部位的應(yīng)力值也就在持續(xù)增長。

由圖3(b)可知：與其他兩個(gè)部位相比，彈齒齒尖部受到的應(yīng)力要小很多，其變化趨勢也沒有其他兩個(gè)部位明顯。這是因?yàn)閺楜X不能進(jìn)入土壤，齒尖部受到的土壤阻力相較其他部位受到的彎矩要小得多，所以其應(yīng)力值要小很多。因?yàn)樵趶楜X與土壤繼續(xù)接觸的過程中，齒尖部與土壤間接觸的狀態(tài)不會發(fā)生明顯變化，與初始接觸狀態(tài)相差不大，所以齒尖部的應(yīng)力變化趨勢也不很明顯。

2.3.6彈齒未入土的結(jié)果分析

入土角對彈齒受到應(yīng)力的大小有非常顯著的影響：土角太小時(shí)，會發(fā)生彈齒不能切入土壤的狀況，所以對彈齒能夠進(jìn)入土壤的臨界入土角的分析具有十分重要的意義。

首先，根據(jù)殘膜回收機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)時(shí)彈齒的結(jié)構(gòu)尺寸確定彈齒其他幾個(gè)參數(shù)取值為彈齒長度L為230mm，彈齒截面直徑D為5mm，彈齒的旋轉(zhuǎn)角速度ω為1.57(π/2)rad/s，針對彈齒的入土角進(jìn)行單因素試驗(yàn)。單因素試驗(yàn)同樣需要重新建立有限元模型，并定義好邊界條件和載荷，設(shè)置好求解選項(xiàng)通過ANSYS/LS-DYNA進(jìn)行求解。

正交試驗(yàn)的結(jié)果分析：在入土角為15°時(shí)，有些方案是沒有入土的；而入土角為30°時(shí)，彈齒的入土效果比較好。所以，選擇30°和15°分別作為單因素試驗(yàn)入土角的上下限取值。然后，針對得到的結(jié)果，通過二分法逼近的原理，以彈齒入不入土為判斷指標(biāo)，定義下一次試驗(yàn)的因素取值，周而復(fù)始，得到滿足一定精度(此處取為1°)的結(jié)果近似值。試驗(yàn)過程及結(jié)果如圖4所示。

圖4　參數(shù)取值5mm單因素試驗(yàn)過程及結(jié)果圖

由試驗(yàn)結(jié)果得知：當(dāng)彈齒長度L=230mm、彈齒截面直徑D=5mm、彈齒的旋轉(zhuǎn)角速度ω=1.57(π/2)rad/s時(shí)，彈齒的臨界入土角為21°±1°。

在進(jìn)行正交試驗(yàn)的過程中還發(fā)現(xiàn)：彈齒的截面直徑也對彈齒的入土起到關(guān)鍵的作用。當(dāng)直徑比較大的時(shí)候，彈齒會更容易進(jìn)入土壤。所以，針對彈齒不同的截面直徑，考察其臨界入土角的大致范圍。選取彈齒截面直徑為3mm和8mm，分別對其進(jìn)行單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)的過程和步驟同上文所述。由此得到截面直徑取3mm時(shí)，彈齒長度L=230mm、彈齒截面直徑D=3mm，彈齒的旋轉(zhuǎn)角速度ω=1.57(π/2)rad/s時(shí)，彈齒的臨界入土角為27°±1°。本次試驗(yàn)的試驗(yàn)過程及結(jié)果如圖5所示。

圖5　參數(shù)取3mm單因素試驗(yàn)過程及結(jié)果圖

同樣考察直徑取為8mm、其他參數(shù)不變時(shí)的彈齒入土角的大致范圍，得到的結(jié)果為彈齒的臨界入土角為15°±1°。

由結(jié)果可知：彈齒的截面直徑對臨界入土角的影響較大，直徑相差2mm便可以造成臨界入土角相差6°左右。隨著彈齒截面直徑的增大，相應(yīng)臨界入土角減小，即增大彈齒截面直徑有利于彈齒的順利入土。通過本次單因素試驗(yàn)結(jié)果，得到在彈齒截面直徑不同尺寸條件下的臨界入土角大小，可為彈齒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及裝配角度提供指導(dǎo)。

3結(jié)論

1)彈齒所受應(yīng)力隨著L、ω的增大而增大，隨著D、的增大而減小。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，還應(yīng)根據(jù)具體的拾膜要求、拾膜速率，來確定最終的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動參數(shù)。

2)彈齒上應(yīng)力處于最小值的參數(shù)取值為：L=180mm，D=10mm，θ=70°，ω=0.79(即π/4)rad/s；應(yīng)力處于最大值的參數(shù)取值為：L=280mm，D=3mm，θ=15°，ω=2.09(即2π/3)rad/s。

3)在L=230mm，ω=1.57(即π/2)rad/s條件下，當(dāng)彈齒截面直徑D分別等于3、5、8mm時(shí)，彈齒的臨界入土角θ分別為27°±1°、21°±1°和15°±1°。

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Abstract ID:1003-188X(2016)02-0167-EA

Parameteres Optimization of Film Recycling Machine Tine

Wei Fei1, Zhang Linhai1, Chen Xiaomin2, Jian Jianming2, Hou Shulin2

(1.College of Mechanical and Automotive Engineering，Nanyang Institute of Technology,Nanyang 473004, China; 2.College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083,China)

Abstract：For solving the stress effects problems of the Plastic film recycling machine tine , through corresponding mathematical model,simulation virtual experiments are tried to study four parameters(tine length, cross-sectional diameter, buried angle, the rotational angular velocity ) of Tine stress affected. Orthogonal experiment results showed that, tine the stress increases with L,ω is increasing,with increasing D,θ decreases.Tine stress minimum parameters for L=180mm, D=10mm, θ = 70 °, ω=0.79 (i.e.π/4)rad/s, a maximum of L=280mm, D=3mm, θ =15°, ω=2.09 (i.e. 2π/3) rad/s.Tine sectional diameter greater impact on the critical angle buried, along with an increase in cross-sectional diameter, buried the critical angle significantly reduced, which increases cross-sectional diameter of the spring-tine conducive to the smooth shells buried.

Key words：residue mulch ; pickup mechanism; spring-tine; optimization

文章編號：1003-188X(2016)02-0167-04

中圖分類號：S223.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：魏飛(1968-),男，河南南陽人，講師，(E-mail)weifei196801@126.com。通訊作者：張林海(1976-)，男，河南南陽人，講師，博士，(E-mail)zhlinhai2005@163.com。

基金項(xiàng)目：國家“863計(jì)劃”項(xiàng)目(2012AA10A503-4)

收稿日期：2015-01-21