立稈式摟膜機摟膜齒的設(shè)計與有限元分析

魯 兵，王旭峰，3，胡 燦，張攀峰

(1.塔里木大學(xué) 機械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

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立稈式摟膜機摟膜齒的設(shè)計與有限元分析

魯 兵1，2，王旭峰1，2，3，胡 燦1，2，張攀峰1，2

(1.塔里木大學(xué) 機械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，北京 100083)

為了解決新疆棉花秋收作業(yè)后的殘膜回收難題，設(shè)計了適用于新疆棉花種植模式的立稈式摟膜機。介紹了整機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，運用相關(guān)理論對關(guān)鍵部件摟膜齒進行受力分析，并利用ANSYS對3種不同形式的摟膜齒在作業(yè)過程中的總變形和等效應(yīng)力進行有限元分析。結(jié)果表明：單個摟膜齒在摟膜作業(yè)時承受水平方向的土壤阻力約為28.8～43.2N，豎直方向的土壤支持力約為47.4N；彎齒形式的摟膜齒作業(yè)過程中的最大總變形和等效應(yīng)力最小，分別為34.61mm和340.29MPa；直齒與斜齒形式的摟膜齒作業(yè)過程中的最大總變形和等效應(yīng)力值相接近，分別為65.67、68.28mm和462.06、472.28MPa。研究結(jié)果可為摟膜式殘膜回收機的設(shè)計與改進提供參考。

殘膜回收機；摟膜齒；有限元分析；ANSYS

0 引言

新疆是我國優(yōu)質(zhì)棉花的主要生產(chǎn)基地，棉花種植規(guī)模龐大。地膜覆蓋技術(shù)在新疆棉花種植中已推廣使用多年[1]，雖然給棉農(nóng)帶來了顯著的經(jīng)濟效益，但也造成了棉田土壤嚴重的白色污染[2]。農(nóng)用地膜厚度薄、強度低及棉田棉花種植密度大是造成新疆棉田殘膜污染治理困難的主要原因。

目前，機械化回收殘膜是我國治理殘膜污染的重要舉措[3]。國內(nèi)已有一些農(nóng)機生產(chǎn)企業(yè)、科研單位及農(nóng)業(yè)院校先后研制出彈齒式、伸縮齒桿齒式、鏈齒式、振動篩式及摟齒式殘膜回收機[4-9]。直立棉桿影響殘膜回收機械對殘膜的回收，并且棉稈粉碎還田有助于改善棉田土壤，為此有些科研機構(gòu)研制出秸稈粉碎還田及殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機[10-11]。國外使用的農(nóng)用地膜厚度較厚、抗拉強度大，采用結(jié)構(gòu)比較簡單的卷膜輥式殘膜回收機即可實現(xiàn)殘膜機械化回收。雖然殘膜回收機械研制出的機型很多，但適用于新疆大面積殘膜回收作業(yè)的機型卻比較少。

為了適應(yīng)新疆的棉花種植模式和大農(nóng)業(yè)的作業(yè)需求，采用摟膜原理設(shè)計研發(fā)了立稈式摟膜機，并對其關(guān)鍵部件摟膜齒進行了相關(guān)的理論計算和有限元分析，為摟膜式殘膜回收機的設(shè)計與改進提供參考。

1 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

立稈式摟膜機主要由牽引裝置、摟膜齒、脫膜撥桿、雙搖桿驅(qū)動裝置、雙搖桿裝置推動油缸、棉稈護板及機架等幾部分組成，如圖1所示。

1.脫膜撥桿 2.摟膜齒 3.棉稈護板

1.2 工作原理

拖拉機與立稈式摟膜機通過牽引裝置連接在一起，通過拖拉機牽引機具沿棉花苗行向前行走進行殘膜回收作業(yè)。作業(yè)過程中，通過對準(zhǔn)棉花苗行使各行棉花植株在相鄰的兩棉稈護板之間保持直立狀態(tài)，達到棉花植株與摟膜作業(yè)區(qū)域分開，消除棉稈對摟膜作業(yè)的影響。摟膜齒在機架重力和拖拉機牽引裝置的壓力作用下，始終與地面保持緊密接觸并伸入地表淺層的土壤耕層。機具在拖拉機牽引前行過程中，摟膜齒對地表及淺層的土壤耕層進行殘膜回收作業(yè)。殘膜回收機作業(yè)一段時間后，摟膜齒前收集了大量殘膜，通過拖拉機的牽引裝置將立稈式摟膜機升起，大部分殘膜在重力作用下自然下落堆積在一起，少部分掛在摟膜齒末端部位的殘膜通過雙搖桿裝置帶動雙搖桿驅(qū)動裝置；雙搖桿驅(qū)動裝置驅(qū)動布置由一系列脫膜撥桿的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，將掛在摟膜齒末端部分的殘膜撥下，實現(xiàn)對棉田地表及淺層土壤耕層殘膜的回收。

2 摟膜齒的基本結(jié)構(gòu)與受力分析

2.1 摟膜齒的基本結(jié)構(gòu)

摟膜齒是立稈式摟膜機的主要工作部件，其基本結(jié)構(gòu)對摟膜齒的受力變形和應(yīng)力大小分布有直接影響，且與機具的使用壽命直接相關(guān)。摟膜齒主要由固定牽引部分、彈簧彎曲部分、圓弧部分及末端直線部分組成。目前，常見的摟膜齒主要有3種基本形式，其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 摟膜齒的具體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 摟膜齒的受力分析

摟膜齒的固定牽引部分通過螺栓連接在機架上，摟膜齒在摟膜作業(yè)過程中主要受力包括拖拉機的牽引力F1、機架自重及牽引裝置對其的壓力F2、土壤對摟膜齒的阻力Ff及土壤對摟膜齒的支持力FN。其中，拖拉機的牽引力F1與土壤對摟膜齒的阻力Ff和機架自重及牽引裝置對摟膜齒的壓力F2與土壤對摟膜齒的支持力FN分別大小相等方向相反。圖2所示的3種不同形式的摟膜齒在作業(yè)過程中變形與受力具體情況如圖3所示。

圖3 不同形式的摟膜齒的變形及受力分析

土壤對摟膜齒的阻力Ff和支持力FN可分別由公式(1)和公式(2)進行計算[12]，即

Ff=Ktab

(1)

(2)

式中Ff—機具前進的土壤阻力(kN)；

Kt—土壤比阻(kPa)；

a—摟膜齒的入土深度(m)；

b—摟膜齒的直徑(m)；

FN—土壤對摟膜齒的支持力(N)；

G—整個機具承受的重力(N)；

n—機具摟膜齒的數(shù)量。

查閱農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊可知，不同土壤性質(zhì)的土壤比阻大小不同。根據(jù)新疆土壤性質(zhì)，取土壤比阻Kt=60kPa[13]，摟膜齒的入土工作深度a為0.04～0.06m，單個摟膜齒在土壤中的工作寬度b為0.012m，整個機具的總重力G為5117N，整個機具的彈齒數(shù)量n為108個。因此，單個摟膜齒承受的土壤阻力Ff為28.8～43.2N，單個摟膜齒承受的土壤支持力FN為47.4N。

3 摟膜齒有限元分析

3.1 摟膜齒三維模型建立

運用ANSYS Workbench對摟膜齒進行有限元分析，模擬分析摟膜齒在摟膜過程中的受力變形及等效應(yīng)力分布情況。對摟膜齒進行有限元分析之前，必須先建立其有限元分析的三維模型，模型采用的材料為65#鋼。根據(jù)圖2，運用SolidWorks建立3種不同形式摟膜齒的有限元分析模型。3種形式摟膜齒的固定牽引部分、彈簧彎曲部分、圓弧部分及鋼材直徑均相同，區(qū)別在于3者的末端直線部分與地面夾角不同(即摟膜齒的初始入土角不同)，并且3種形式的摟膜齒在豎直方向的尺寸也相同。

3.2 摟膜齒模型網(wǎng)格劃分及加載

將建立的摟膜齒三維模型導(dǎo)入ANSYS仿真分析軟件，采用Terahedrons網(wǎng)格劃分中的Patch Conforming方法對建立的有限元分析模型進行網(wǎng)格劃分[14]。摟膜齒固定牽引部分采用固定約束，摟膜齒在摟膜作業(yè)過程中主要承受土壤阻力和土壤對摟膜齒的支持力，根據(jù)相關(guān)理論計算出單個摟膜齒承受的最大土壤阻力為43.2N，支持力為47.4N。結(jié)合上述情況，對3種形式的摟膜齒進行網(wǎng)格劃分及施加載荷，具體情況如圖4所示。

圖4 不同形式摟膜齒的網(wǎng)格劃分及載荷施加

3.3 摟膜齒有限元分析結(jié)果

通過對不同形式的摟膜齒進行總變形和等效應(yīng)力的有限元分析可得：在相同載荷條件下，彎齒形式摟膜齒產(chǎn)生的總變形和等效應(yīng)力值均為最小，直齒形式摟膜齒產(chǎn)生的總變形和等效應(yīng)力均大于彎齒形式摟膜齒產(chǎn)生的對應(yīng)值，斜齒形式摟膜齒產(chǎn)生的總變形和等效應(yīng)力值均為最大，并且直齒和斜齒形式的摟膜齒產(chǎn)生的總變形和等效應(yīng)力值相接近。由圖5(a)和圖5(b)可知，彎齒形式摟膜齒產(chǎn)生的最大總變形和等效應(yīng)力分別為34.61mm和340.29MPa。由圖5(c)和圖5(e)可知，直齒和斜齒形式摟膜齒產(chǎn)生的最大總變形分別為65.67mm和68.28mm。由圖5(d)和圖5(f)可知，直齒和斜齒形式的摟膜齒產(chǎn)生的最大等效應(yīng)力分別為462.06MPa和472.26MPa。3種形式的摟膜齒的最大總變形均出現(xiàn)在摟膜齒直線部分的末端，最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在固定牽引部分。

圖5 不同形式摟膜齒總變形及等效應(yīng)力分布云圖

4 結(jié)論

1)立稈式摟膜機進行4～6cm棉田耕層摟膜作業(yè)時，單個摟膜齒承受土壤水平方向的阻力約為28.8～43.2N，承受土壤豎直方向的土壤支持力約為47.4N。

2)通過有限元分析可得：相同載荷條件下，不同結(jié)構(gòu)形式的摟膜齒受力總變形及等效應(yīng)力值均不相同；彎齒形式摟膜齒的最大總變形和等效應(yīng)力分別為34.608mm及340.29MPa，是3種形式摟膜齒中總變形和等效應(yīng)力最小的；直齒形式和斜齒形式摟膜齒的最大總變形和等效應(yīng)力值相接近，分別為65.67mm、68.28mm和462.06MPa、472.28MPa。

3)上述3種形式的摟膜齒，作業(yè)時彎齒形式摟膜齒的入土角最小，斜齒形式摟膜齒的入土角最大，直齒形式摟膜齒的入土角居于二者中間。因此，彎齒形式摟膜齒的入土性能最好，直齒形式摟膜齒入土能力次之，斜齒形式摟膜齒的入土能力最差；但斜齒形式摟膜齒和直齒形式摟膜齒的自卸膜性能良好，彎齒形式摟膜齒需借助脫膜撥桿的輔助完成卸膜作業(yè)。

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Design and Finite Element Analysis of Cuddle Plastic Film Tooth for Plastic Film Residue Collector Used on Vertical Cotton Stem

Lu Bing1,2, Wang Xufeng1,2,3, Hu Can1,2, Zhang Panfeng1,2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Tarim University, Alar 843300, China; 2.The Key Laboratory of Colleges & Universities under the Department of Education of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Alar 843300, China; 3.College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

In order to solve the problem of plastic film residue collection after Xinjiang cotton harvesting, a plastic film residue collector used on vertical cotton stem that was suitable for cotton cultivation mode of Xinjiang was designed. The whole structure and working mechanism of the machine were introduced, the key operation components of machine(cuddle plastic film tooth) were forces analysis by related theory, the total deformation and equivalent stress of three different forms cuddle plastic film tooth were analyzed during the operation process by ANSYS. Experiment results showed that the horizontal soil resistance of single cuddle plastic film tooth was from 28.8 to 43.2N and the vertical soil support force of single cuddle plastic film tooth was 47.4N during the operation process. The maximum deformation and equivalent stress of cuddle plastic film tooth with curve tooth were 34.61mm and 340.29MPa, while the plastic film tooth with straight tooth were 65.67mm and 462.06MPa, and the plastic film tooth with helical tooth were 68.28mm and 472.28MPa. The research results can provide reference of plastic film residue collector with cuddle film’s designed and improved.

plastic film residue collector; cuddle plastic film tooth; finite element analysis; ANSYS

2016-08-17

國家自然科學(xué)基金項目(11562019)；國家星火計劃項目(2015GA891005)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201503105)

魯 兵(1991-)，男，湖北黃岡人，碩士研究生，(E-mail) 1170027843@qq.com。

王旭峰(1974-)，男，甘肅天水人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)wxfwyq@126.com。

S223.5

A

1003-188X(2017)10-0063-04