殘膜回收機攏膜裝置受力及模態(tài)分析

于振華 ， 許光明 ， 王浩宇 ， 牛云鵬 ， 曹文龍

（吉林省農(nóng)業(yè)機械研究院，吉林 長春 132022）

0 引言

玉米是我國主要種植的作物，我國玉米產(chǎn)量居世界第二位。東北是玉米的主產(chǎn)區(qū)，在吉林省的西部地區(qū)由于土壤沙化嚴重，氣候干旱缺水，玉米的種植方式大多采用大壟雙行膜下滴灌技術(shù)。膜下滴灌技術(shù)具有保水、保墑、節(jié)水、增產(chǎn)的效果，給廣大農(nóng)民帶來經(jīng)濟效益。但是，地膜覆蓋種植技術(shù)應(yīng)用同時也產(chǎn)生“白色污染”問題。吉林省針對地膜污染制定了相關(guān)政策文件，通過兩年的時間，實現(xiàn)推廣使用標(biāo)準(zhǔn)地膜，完善地膜回收加工體系。目標(biāo)是當(dāng)季地膜回收率達到80%以上。

國內(nèi)殘膜回收機械的相關(guān)研究自20世紀(jì)90年代開始從未間斷。新疆大學(xué)、新疆農(nóng)機研究所研發(fā)的以4CM系列為代表彈齒式殘膜回收機，SMS-1500型秸稈粉碎殘膜回收一體機等機型是基于新疆大面種植棉花，設(shè)計應(yīng)用也是針對覆膜種植的棉田。山西農(nóng)機所、內(nèi)蒙古農(nóng)機推廣站為主研制的適于玉米種植的是1MC系列，這種機型采用與新疆棉田不同的鏟篩式結(jié)構(gòu)，該機入土部件與馬鈴薯收獲機的鏟刀相似，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滾筒篩內(nèi)旋轉(zhuǎn)，再將雜物篩出，地膜在螺旋葉片的推動下落入集膜箱。

與山西、內(nèi)蒙古、河北等地區(qū)不同，東北地區(qū)的玉米種植方式為壟作。即將玉米種植在梯形的壟臺上，地膜的兩邊壓在壟臺的兩側(cè)。采用現(xiàn)有1MC系列鏟篩式殘膜回收機只是將壟臺上平面的地膜回收，壟臺兩側(cè)的地膜仍然壓在土壤下無法回收。因此，增加壟側(cè)起膜裝置是提高殘膜回收率的關(guān)鍵[1-5]。

1 攏膜裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 攏膜裝置的結(jié)構(gòu)

鏟篩式殘膜回收機的攏膜機構(gòu)如圖1所示，由立梁、懸臂軸、攏膜圓盤組成。立梁與殘膜回收機的機架前部相連，攏膜圓盤與機具前進方向成30°偏角、與地面成15°的傾角。在機具作業(yè)時，攏膜圓盤向前運動的同時，將壟臺兩側(cè)的殘膜和土壤不斷地收攏、翻轉(zhuǎn)至壟臺上，從而實現(xiàn)壟側(cè)殘膜回收的問題。

1.2 攏膜圓盤的受力分析[6-7]

圓盤在工作過程中，隨著機具的前進而旋轉(zhuǎn)，逐漸進入土壤，圓盤入土的難易程度與垂直負荷、土壤條件、圓盤直徑均有關(guān)系，圓盤直徑越大，垂直負荷就越大。

圖1 攏膜鏟結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)過實驗得出，入土深度H一定的條件下，壟側(cè)起膜圓盤直徑D越大，起膜和土壤的通過性越好。從公式D=K中看出圓盤的直徑D與入土深度H成正比，式中β為圓盤與前進方向的偏角，K為經(jīng)驗系數(shù)通常取值為4～6。

測定機具應(yīng)用地區(qū)土壤堅實度為41kPa，分析得出圓盤負荷平均值在 2 500N～6 000N之間，最大值可達8 500N，方向垂直于圓盤向外。

2 攏膜圓盤的靜力分析

2.1 有限元分析模型的建立

運用Meshfree軟件的無網(wǎng)格有限元技術(shù)對模型進行分析，觀察攏膜圓盤在工作過程中的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變。采用三維建模軟件Solidworks對攏膜圓盤進行模型的建立，采用圓盤的厚度為8mm，立梁矩型管厚度為3mm。將模型的裝配體文件導(dǎo)入到MeshFree分析軟件中。在材料選項中，指定攏膜圓盤的材料為16Mn，其余零件材料為普通結(jié)構(gòu)鋼材料屬性設(shè)置，彈性模量為200GPa、泊松比為0.288、密度7 890kg/m3、屈服強度為784MPa[8-9]。

2.2 邊界條件的設(shè)定

MeshFree是一款無網(wǎng)格有限元分析軟件，需要對裝配體的各零件之間定義其接觸的方式。本攏膜裝置中各個零件都是用螺栓固定，為簡化模型便于分析計算，將各零件之間的接觸定義為焊接接觸，限制所有自由度。如圖2攏膜裝置約束及載荷分布圖所示，攏膜圓盤在作業(yè)過程中需要與殘膜回收機機架相連，因此，設(shè)定邊界條件為立梁的一面為固定。通過前面受力分析公式計算和實驗測試，在圓盤與土壤的接觸面上加載5kN的力，方向與前進方向相反。

圖2 攏膜裝置約束及載荷分布圖

2.3 分析結(jié)果

經(jīng)過有限元分析可知，攏膜圓盤作業(yè)條件下受土壤向外側(cè)擠壓力，變形量大的部位是圓盤的底部和立梁與懸臂梁的交接處。圓盤底部最大形變量約是4mm，立梁與懸臂梁交接處的最大形變量是0.7mm，如圖3所示。通過應(yīng)力云圖可以看出，在立梁與懸臂梁的連接處所受的應(yīng)力最大。應(yīng)力的最大值為3.5×102N/mm2，但是由于立梁設(shè)計強度高形變量并不大，符合設(shè)計要求。圓盤受力云圖如圖4所示。

圖3 攏膜裝置工作狀態(tài)形變量

3 攏膜裝置的模態(tài)分析

模態(tài)分析反應(yīng)的是外界激勵和響應(yīng)的動態(tài)測試，通過輸入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。模態(tài)分析可以求解出模型結(jié)構(gòu)的固有振動特性。針對起膜鏟的模態(tài)分析可知其固有振動特性，各階模態(tài)的權(quán)因子大小與頻率的倒數(shù)成反比，頻率越低，權(quán)重越大。因此，低階的模態(tài)特性對動態(tài)性能有很大的影響。

通過圖5六階模態(tài)云圖可知，攏膜裝置的二階、三階模態(tài)頻率下振動幅度較大，一階、六階頻率下振動較小。二階模態(tài)下最大形變量為60mm位于攏膜圓盤的前后方向，三階模態(tài)下最大形變量為68mm位于圓盤的頂部。攏膜裝置的第六階模態(tài)頻率下形變量最小，其最大形變量為45mm。

4 結(jié)論

綜上所述，攏膜圓盤作為殘膜回收機提高壟側(cè)殘膜回收率的關(guān)鍵部件，設(shè)計時需考慮應(yīng)力較大位置的設(shè)計強度。經(jīng)模態(tài)振動分析，發(fā)現(xiàn)在激勵下圓盤的前后方向彎曲變形量大，改進設(shè)計應(yīng)適當(dāng)加強圓盤的厚度和所用材料的強度。