玉米起茬機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度及振動特性分析與試驗

張佳喜，楊 程，張 麗，蔣永新，王春耀

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.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；3.新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊830008）

0 引 言

2016年中國玉米播種面積達(dá)3.71×107hm2，新疆玉米種植面積達(dá)9×105hm2左右[1]。近年來地膜覆蓋栽培技術(shù)逐漸推廣應(yīng)用到玉米的栽培上，資料顯示，采用地膜覆蓋栽培技術(shù)后，玉米產(chǎn)量提高近30%，增產(chǎn)效果顯著，對新疆等西北干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)發(fā)展起到了巨大的作用。但多年使用的地膜沒有回收，農(nóng)田中的廢舊地膜越來越多，土地也逐年板結(jié)，在農(nóng)村道路及農(nóng)田周圍造成了“白色污染”，嚴(yán)重影響了新農(nóng)村的建設(shè)[2-7]。

目前，在棉花、小麥和蔬菜等作物的地膜回收方面已開展了大量的研究工作，而針對玉米、葵花及煙草等大根茬作物殘膜回收方面的研究僅有個例[8-11]，代表機(jī)型為甘肅省臨夏州農(nóng)機(jī)化技術(shù)推廣站文霞老師研制的IMC-70型玉米殘膜回收起茬機(jī)[12]，該機(jī)入土部件類似馬鈴薯收獲機(jī)鏟刀，通過前方的鏟刀入土，將根茬、地膜及土壤一起鏟起，隨后將鏟起的混合物送入篩筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)，只可將土壤篩出，玉米根茬及地膜無法分離，難于循環(huán)利用。

本文設(shè)計了一種雙圓盤起茬機(jī)構(gòu)，通過圓盤將玉米大根茬挖起，解決了大根茬對地膜回收影響。但在起茬機(jī)構(gòu)工作中，由于農(nóng)田地表復(fù)雜，引起的隨機(jī)激勵與圓盤刀等激勵產(chǎn)生的沖擊振動頻率接近起茬機(jī)構(gòu)固有頻率時，將引起共振加速[13-16]，增大機(jī)構(gòu)變形量，破壞機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性。本文通過研究機(jī)構(gòu)模態(tài)振型與振動之間的關(guān)系，分析其振動特性，獲得起茬機(jī)構(gòu)發(fā)生強(qiáng)度失效的模態(tài)振型位移與固有頻率的變化情況；同時測定機(jī)構(gòu)在田間工作時的受力情況，根據(jù)胡克定律在一定的比例極限范圍內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變成線性比例關(guān)系，對田間動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，驗證機(jī)構(gòu)是否設(shè)計合理。

1 玉米起茬機(jī)構(gòu)有限元建模與分析

1.1 玉米起茬機(jī)構(gòu)模型

起茬試驗機(jī)構(gòu)如圖1所示，由懸掛架、機(jī)架、圓盤立柱、斜拉桿及起茬圓盤組成，整體尺寸為1 400mm×832 mm×1 349 mm。拖拉機(jī)通過懸掛架與玉米起茬機(jī)構(gòu)相連，作業(yè)時，拖拉機(jī)的懸掛液壓油缸將起茬機(jī)構(gòu)下壓，雙圓盤入土將根茬起出。

1.2 有限元模型導(dǎo)入及處理

將簡化處理后的起茬機(jī)構(gòu)三維實體模型導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件中，機(jī)架主要結(jié)構(gòu)部件材料為普通碳鋼，圓盤的材料為65Mn，但其所占比重較小，因此，將起茬機(jī)構(gòu)的材料屬性設(shè)置為普通碳鋼，材料屬性設(shè)置為：泊松比=0.26、彈性模量E=200 GPa、密度=7 850 kg/m3、屈服強(qiáng)度235 MPa；圓盤的材料屬性設(shè)置為：泊松比=0.288、彈性模量E=211 GPa、密度=7 810 kg/m3、屈服強(qiáng)度784 MPa。并依照起茬機(jī)構(gòu)與拖拉機(jī)的掛接方式，將懸掛架的6個銷孔設(shè)為固定約束點。

圖1 起茬機(jī)構(gòu)三維實體模型Fig.1 3-D solid model of stubble plucking device

1.3 起茬圓盤力學(xué)分析

起茬圓盤的工作效果直接影響后續(xù)的地膜回收，是玉米地膜回收裝置的關(guān)鍵部件，需要對其進(jìn)行受力分析。起茬圓盤是半入土的工作環(huán)境，與土壤直接接觸，受力較為復(fù)雜，本文利用ANSYS有限元分析軟件，對起茬圓盤開展受力分析，仿真其工作過程中應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)變情況，從而進(jìn)一步改進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計。

圓盤在工作過程中，隨著機(jī)具的前進(jìn)而旋轉(zhuǎn)，逐漸進(jìn)入土壤，圓盤入土的難易程度與垂直負(fù)荷、土壤條件、圓盤直徑均有關(guān)系，圓盤直徑越大，垂直負(fù)荷就越大。由于圓盤側(cè)向角度較小，為了簡化計算，將圓盤視作垂直進(jìn)行受力分析如圖2所示。

圖2 起茬圓盤受力分析Fig.2 Force analysis of stubble plucking disc

作用于圓盤上的力根據(jù)平衡條件有

式中MA為圓盤入土起茬做的功，J；r為圓盤回轉(zhuǎn)半徑，mm；土壤的切割阻力R垂直于圓盤瞬時入土點Q1和圓盤刃口入土最深點Q2，圓盤半徑225 mm，k1=0.8k，k2=0.6k，k3≈ 0.3k。

式中β為裝置中的雙圓盤傾角，大小均為6o。

0～20 cm深度土壤平均堅實度約為41 kPa，分析得出圓盤負(fù)荷平均值在2 560～6 160 N之間，最大值可達(dá)8 500 N，方向垂直于圓盤向外。

2 模態(tài)分析

模態(tài)試驗是基于外界激勵和系統(tǒng)響應(yīng)的動態(tài)測試，通過系統(tǒng)輸入的激振力和輸出的響應(yīng)數(shù)據(jù)經(jīng)信號處理與參數(shù)識別確定系統(tǒng)模態(tài)參數(shù)的試驗方法[17-19]，由于該方法能獲得結(jié)構(gòu)振動的固有特性，也成為判斷有限元模型準(zhǔn)確性的重要指標(biāo)[20-22]。在模態(tài)試驗中起茬圓盤結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)迫振動，通過對強(qiáng)迫振動的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理即可得到所需要的結(jié)果。

起茬機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性決定了其承受動態(tài)載荷工作的能力，對起茬機(jī)構(gòu)的模態(tài)分析可以得到固有振動特性。在結(jié)構(gòu)的動態(tài)分析中，各階模態(tài)所具有的權(quán)因子大小與該模態(tài)頻率的倒數(shù)成反比，即頻率越低，權(quán)重越大，低階模態(tài)特性基本對產(chǎn)品的動態(tài)性能有很大影響[23-25]，起茬機(jī)構(gòu)固有頻率集中在中、低頻段，提取起茬機(jī)構(gòu)的前六階模態(tài)[26-27]，如表1與圖3所示。

表1 前六階固有頻率Table 1 First six inherent frequency

由圖3可知，不同頻率下的起茬機(jī)構(gòu)的變形狀態(tài)不同，起茬機(jī)構(gòu)的六階模態(tài)分析的頻率在38～83 Hz之間；在三階模態(tài)頻率73.641 Hz時，圓盤變形量最??；在四階模態(tài)頻率79.955 Hz時，圓盤變形量最大，此時圓盤最大變形處變形量為0.607 88 m。

圖3 起茬機(jī)構(gòu)前六階模態(tài)振型Fig.3 First six orders vibration modes of stubble plucking device

3 起茬機(jī)構(gòu)可靠性試驗

為了驗證雙圓盤起茬機(jī)構(gòu)在田間工作的可靠性，以工作深度為主要變量因素進(jìn)行田間試驗，通過動態(tài)應(yīng)變測試方法對雙圓盤起茬機(jī)構(gòu)進(jìn)行田間動應(yīng)力測試，分析雙圓盤在田間工作條件下的應(yīng)力狀態(tài)，為雙圓盤的起茬結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計提供必要的依據(jù)。

本次試驗主要達(dá)到以下目的：1）以固定角度圓盤的垂直軸線張開角為20o，兩圓盤水平軸線張開角為12o情況下，檢測起茬效果，包括入土情況、起茬情況及壅土的情況；2）掌握機(jī)構(gòu)的受力情況，測定圓盤不同情況下的受力情況，為設(shè)計改進(jìn)提供理論依據(jù)。

3.1 起茬試驗機(jī)構(gòu)

起茬機(jī)構(gòu)中的圓盤入土依靠起茬機(jī)構(gòu)的重力或施加配重難以控制，這樣必須施加外力，故采用懸掛架自帶液壓油缸的拖拉機(jī)。這樣試驗機(jī)構(gòu)可以做到準(zhǔn)確調(diào)整圓盤入土深度，為順利開展田間試驗奠定了基礎(chǔ)。

3.2 試驗條件及儀器設(shè)備

3.2.1 試驗地概況

試驗具體地點是塔城市喀拉哈巴克鄉(xiāng)先鋒村，距離塔城市約為15 km，試驗玉米品種為海河20，植株平均高度為3 m，試驗地土壤類型為草甸棕鈣土， 0～20 cm土層深度的土壤平均堅實度為41 kPa，土壤含水率為17.8%，土質(zhì)較為松軟。

3.2.2 試驗流程

為準(zhǔn)確測定圓盤機(jī)構(gòu)在田間的受力情況，制定試驗方案具體內(nèi)容：試驗流程方案制定—測點選定—貼片—設(shè)備連接—數(shù)據(jù)采集—數(shù)據(jù)分析。

3.2.3 試驗儀器設(shè)備

試驗采用東方紅554型拖拉機(jī)一臺（懸掛架帶有液壓油缸，可為圓盤入土施加外力），筆記本電腦一臺及16通道DH5922N動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)，電源采用24 V汽車電瓶。

3.2.4 測點布置

本次試驗對起茬機(jī)構(gòu)進(jìn)行田間測定，由于雙圓盤左右對稱，兩圓盤的受力僅方向有區(qū)別，因此只需針對一側(cè)圓盤進(jìn)行測試。同時，田間實測過程中由于試驗條件有限，無法實現(xiàn)圓盤部位的直接貼片數(shù)據(jù)采集。該文選擇與圓盤受力最相關(guān)的3根梁測試，共在試驗機(jī)構(gòu)上選擇7個測試點進(jìn)行應(yīng)力測試，如圖4所示：懸掛架側(cè)上梁設(shè)置測試點1，懸掛架后梁正中上面設(shè)置測試點2，側(cè)面設(shè)置測試點3，圓盤掛接橫梁的正上面設(shè)置測試點4，前面4個點均采用單軸應(yīng)變片；因立柱在工作中受到彎曲和扭轉(zhuǎn)復(fù)雜應(yīng)力作用，在圓盤連接立柱設(shè)置測試點5、6、7點采用三軸45°應(yīng)變花[28]。任選一處不受力或受力很小的地方，單獨設(shè)置一點貼一片電阻應(yīng)變片，作為溫度補(bǔ)償片。

圖4 測點布置圖Fig.4 Arrangement of measuring points

3.3 起茬機(jī)構(gòu)的田間頻譜分析

東華DH5922N動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)采集分析儀具有16個通道，根據(jù)試驗要求可以自主選擇所需要的通道。試驗過程中，采集系統(tǒng)把數(shù)據(jù)記錄在計算機(jī)硬盤上，試驗后采集到的數(shù)據(jù)按照通道轉(zhuǎn)換成通用的數(shù)據(jù)文本文件，方便采用其他軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理[29]。

利用數(shù)據(jù)采集儀，采集測量機(jī)構(gòu)設(shè)定部位的應(yīng)變信號做頻譜分析，根據(jù)時間-應(yīng)變歷程的變化對每個測點的振動響應(yīng)進(jìn)行快速傅里葉變換的頻譜分析，如圖5所示，測點位置的主要振動頻率為19.53 Hz，與圖3模態(tài)分析中最低的一階固有頻率38.176 Hz相差較大，不在同一頻率范圍內(nèi)，所以機(jī)構(gòu)設(shè)計安全不會產(chǎn)生共振現(xiàn)象發(fā)生。

圖5 不同測點的頻譜分析結(jié)果Fig.5 Spectrum analysis of different measurement points

3.4 不同入土深度的應(yīng)力變化情況

根據(jù)玉米根茬的生長特性，將圓盤入土深度調(diào)至為10、15、20 cm 3組分別進(jìn)行測試。如圖6所示，大田試驗環(huán)境較為復(fù)雜，環(huán)境中各種因素都會對原始信號產(chǎn)生一定的影響，造成后期的數(shù)據(jù)有一定的偏差，因此在試驗過程中要盡可能避免各種因素的影響，采用的導(dǎo)線必須要有金屬套管屏蔽。

圖6 田間性能試驗Fig.6 Field performance test

采用MATLAB數(shù)據(jù)處理軟件，對試驗產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理[30]。基于數(shù)學(xué)軟件MATLAB的MILLIKAN油滴試驗的數(shù)據(jù)處理與實際的數(shù)據(jù)分析中，選取起茬機(jī)構(gòu)進(jìn)入工況時間段對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對比準(zhǔn)備及駐車等階段非入土情況的數(shù)據(jù)，提高了分析的準(zhǔn)確度，圖7為起茬機(jī)構(gòu)一個工程周期的數(shù)據(jù)。

從不同入土深度圓盤應(yīng)變圖中可以看出，圓盤入土20 cm時，平均應(yīng)變?yōu)?61.22με，相比較入土15 cm平均應(yīng)變376.66με和入土10 cm的平均應(yīng)變 285.47με數(shù)值大很多，證明圓盤入土15～20 cm突破了材料強(qiáng)度的臨界點。

通過測試的應(yīng)變值計算得出不同通道的具體應(yīng)力值。其中通道1至4為單個應(yīng)變片，最大應(yīng)力按照式（5）進(jìn)行計算。

圖7 不同入土深度圓盤應(yīng)變圖Fig.7 Strain diagram for plucking disc with different depths

式中E為彈性模量，GPa；σ為應(yīng)力，MPa；ε為應(yīng)變，με。

通道5、6、7為連接圓盤立柱的應(yīng)變點，考慮到立柱上的受力較為復(fù)雜，采用應(yīng)變花測試，應(yīng)變花5、6、7的最大應(yīng)力按照式（6）、（7）、（8）進(jìn)行計算，依據(jù)本構(gòu)方程廣義胡克定律，則有

式中εx、εy、εz為應(yīng)變花 3 條坐標(biāo)軸的分應(yīng)變，με；E為彈性模量，GPa；ν為泊松比；G為切變模量，GPa；τxy、Τyz、τzx為應(yīng)變花3個坐標(biāo)平面的切應(yīng)力，MPa；δ為克羅內(nèi)克符號；θ為體應(yīng)變，με；γxy、γyz、γzx為應(yīng)變花3個坐標(biāo)平面的切應(yīng)變，με。

將試驗測點1、2、3、4的應(yīng)變數(shù)據(jù)代入式（5）計算，測點5、6、7應(yīng)變花3條坐標(biāo)軸的分應(yīng)變數(shù)據(jù)代入式（6）、（7）、（8）進(jìn)行計算，結(jié)果如表2所示。

表2 圓盤不同入土深度應(yīng)變應(yīng)力變化Table 2 Strain and stress changes for disc with different depths

通過動態(tài)測試分析系統(tǒng)得出所有測試點的試驗數(shù)據(jù)，測試得到的應(yīng)變最大值的絕對值應(yīng)力最大值σmax，應(yīng)力平均值。從動態(tài)信號測試與分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出生成EXCEL表以后，從表2中的最大應(yīng)變絕對值變化情況可以看出，入土深度分別為20、15、10 cm時應(yīng)變變化規(guī)律與應(yīng)力變化為正相關(guān)關(guān)系。測點4是固定雙圓盤立柱的橫梁，其承受一對圓盤的受力及扭矩，理論上是機(jī)架應(yīng)力應(yīng)變最大的測試點。

田間實測時，最大應(yīng)變測試點的確為測點4，其應(yīng)變最大值為 1 054.07με，由于普通碳鋼的彈性模量E=200～220 GPa，按式（5）計算得出測試點4處的最大應(yīng)力σ為227.94MPa，小于普通炭鋼的屈服強(qiáng)度235MPa。雖然最大應(yīng)力符合在彈性塑性變形范圍以內(nèi)，但是與屈服強(qiáng)度已經(jīng)很接近，深度在20 cm時已接近極限工況，為此需要在機(jī)構(gòu)的薄弱點進(jìn)行機(jī)構(gòu)改進(jìn)。此外，圓盤連接立柱上測點5、6、7應(yīng)變花測得的3條坐標(biāo)軸分應(yīng)變數(shù)據(jù)，通過式（6）～（8）分析計算得出應(yīng)力最大值為104.44 MPa，小于普通材料的屈服強(qiáng)度235 MPa，且合應(yīng)變方向為機(jī)具鉛垂力的方向，表明機(jī)架橫梁和圓盤連接的立柱工藝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求；同時根據(jù)模態(tài)分析變形比例可估算出圓盤的應(yīng)變最大值約為2 094.8με，應(yīng)力值約為419 MPa，小于彈簧鋼屈服強(qiáng)度784 MPa，表明圓盤材料選用合理，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。此時，在圓盤入土深度15 cm，裝置前進(jìn)速度3.07 km/h，圓盤立柱間距8 cm時，玉米根茬的有效起茬率達(dá)到了96%，能夠較好的完成玉米地的起茬工作，田間試驗效果如圖8所示。

圖8 圓盤起茬裝置田間作業(yè)效果Fig.8 Disc stubble plucking device field test operation results

4 結(jié)論

1）在起茬機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度測試中，測點1～4中最大應(yīng)變測試點出現(xiàn)在4處，應(yīng)變最大值為為1 054.07με，試點4處的應(yīng)力為227.94 MPa，瞬間出現(xiàn)的最大應(yīng)力在材料彈性塑性變形范圍以內(nèi)，與有限元分析結(jié)果大致吻合，小于普通炭鋼的屈服強(qiáng)度；另外，圓盤連接的立柱梁上的貼片應(yīng)變花5～7應(yīng)力最大值為104.44 MPa，小于普通材料的屈服強(qiáng)度235 MPa；根據(jù)模態(tài)分析中建立的模型數(shù)據(jù)得到的起茬圓盤最大應(yīng)力值為419 MPa，小于彈簧鋼的屈服強(qiáng)度784 MPa。

2）通過三維軟件建立了起茬裝置的參數(shù)化模型，采用ANSYS求解出機(jī)架的前6階模態(tài)頻率和振型，并通過模態(tài)試驗與理論計算的對比，分析起茬裝置固有頻率與外部激振頻率之間的關(guān)系，模態(tài)最低第1階頻率38.176Hz與田間試驗實測振動頻率19.53 Hz相差較大，說明在起茬工作時，可以有效避免共振的產(chǎn)生。

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