基于有限元分析法的棉田殘膜回收機松土齒結構改進

牛長河，王學農，劉旋峰，蔣永新，張佳喜，帕合爾鼎·阿不來提

(新疆農業科學院 農業機械化研究所，烏魯木齊　830091)

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基于有限元分析法的棉田殘膜回收機松土齒結構改進

牛長河，王學農，劉旋峰，蔣永新，張佳喜，帕合爾鼎·阿不來提

(新疆農業科學院 農業機械化研究所，烏魯木齊830091)

摘要：松土齒是殘膜回收機的重要工作部件之一。為此，針對以往殘膜回收機松土齒易變形的情況，在 SolidWorks Simulation中對松土齒結構進行有限元分析，找出松土齒受力時超出許用應力的區域，提出改進意見。同時，對修改后的松土齒重新進行有限元分析，結果表明：新的結構在尺寸和質量上沒有大幅提高，而安全系數大大提高。采用新結構松土齒的殘膜回收機在實際使用中，松土齒未見變形現象，且降低了收膜滾筒的故障率。

關鍵詞：殘膜回收機；松土齒；有限元；結構改進

0引言

目前，新疆棉花覆膜植棉面積為153萬hm2，而采用機械回收殘膜的面積僅9.85萬hm2，占鋪膜面積的5.75%。每年有94.25%的殘膜得不到回收。據自治區有關部門在重點縣(市)開展的廢舊地膜污染調查顯示，棉花地平均殘留地膜量85.95kg/hm2。其中，最嚴重的一個點為399.75kg/hm2。殘膜在土壤中破壞了農田的生態環境，形成阻隔帶(層)影響種子和根系的發育生長，阻礙作物對水分和養分的吸收，影響種子發芽、出苗，造成爛種、爛芽，使幼苗黃、瘦，甚至死亡，還影響農機具作業質量，堵塞溝渠。據新疆生產建設兵團130團調查，結果顯示：連續3～5年的殘膜污染的土壤，小麥減產2%～3%，玉米減產10%左右，棉花減產16%～23%。連續鋪膜年限越長，地膜殘留量越多，對作物產量的影響也越大,殘膜污染導致農作物減產作用越來越明顯，同時對棉花品質的污染問題也逐漸凸顯。

1JSMA-1800/2200型棉秸稈粉碎及殘膜回收聯合作業機能有效地解決棉田耕前地表殘膜回收的問題。其工作原理：秸稈粉碎還田部件將作業幅寬上的棉稈粉碎拋送至機具后方，梳齒式松土齒將殘膜下的土層疏松，便于挑膜滾筒工作；挑膜齒從土壤下將殘膜挑起，輸送到脫膜位置，挑膜齒縮回到滾筒內，脫膜滾筒從挑膜滾筒上將殘膜脫下，送到膜箱；膜箱裝滿后，由液壓缸將膜箱傾斜一定角度，完成卸膜。從機具使用情況來看，松土齒需入土40 mm,是工作阻力最大的部件，在土壤比阻較大的農田，往往發生松土齒變形，導致挑膜齒與松土齒干涉，破壞挑膜齒組的結構，影響機具的正常工作。

本文基于SolidWorks軟件建立了松土齒三維實體模型，用Simulation插件進行有限元分析，提出改進意見，并對改進后的結構進行分析，用理論分析的結果指導樣機加工，最終通過試驗驗證新結構的可靠性。

1改進前松土齒的分析

1.1結構

早期設計的松土齒部件由連接板、橫梁、固結器及齒等組成，松土齒與挑膜齒呈交叉排列。為防止松土齒與挑膜齒發生干涉，松土齒的寬度尺寸要嚴格控制，不宜過寬，故采用厚度為14mm的扁鋼,材質為Q235普通碳鋼，通過螺栓連接在固結器上，固結器可在橫梁上左右調整，如圖1所示。

1.連接板　2.固結器　3.松土齒　4.橫梁

1.2載荷分析

機具作業時有典型的3種工況：一是機具正常作業，勻速行駛，也就是松土齒勻速向前松土，松土齒入土深度最大時受土壤阻力；二是機具起步時強制入土，松土齒受沖擊載荷；三是拖拉機手誤操作，機具轉彎時沒有將工作部件升起離開地面，松土齒承受側向力。該側向力的極限值發生在力的方向垂直于松土齒側面。綜合分析發現：只有松土齒受側向力(A向)時,松土齒向左右兩側發生的變形會導致其與挑膜齒發生干涉，有限元模型施加載荷考慮變形最大的情況為第3種工況。機具工作時，松土齒入土深度為40mm，當發生誤操作時松土齒所受側向力為土壤對松土齒阻力F阻，受力簡圖如圖2所示。

圖2　松土齒受力極限圖

土壤阻力的計算。查農機設計手冊可知：在新疆的北疆地區耕地多為輕壤、中壤土質，土壤比阻為40～60kPa；南疆地區多為沙壤、輕中壤土質，土壤比阻為30～50kPa。由此可見，在全疆耕地的最大土壤比阻為60kPa，可參考土壤比阻計算公式來算出單根松土齒所受的土壤阻力F阻，有

式中Kt—土壤比阻；

η—犁耕效率，一般取0.7；

a—單個入土部件耕深；

b—單鏵幅寬。

取土壤比阻Kt=60kPa，深度a=0.04m，寬度b=0.15m，計算出F阻=0.252kN。

1.3有限元分析

利用有限元分析軟件Simulation，對松土齒結構的抗彎性能進行分析。施加的條件是：材質為Q235普通碳鋼，施加約束在橫梁兩側端板，約束條件為“固定”，對安裝在橫梁上的每一根松土齒的入土部分施加252N的側向力，進行網格劃分、有限元運行，可以得出應力、位移、安全系數以及變形量圖解等。設計時，需要安全系數和最大變形量結果作為參考，圖解如圖3所示。

從有限元結果可以看出：最小安全系數為1.15，最大變形量為9.98mm,安全系數較小，變形量非常大；機具在實際作業中也發生了大量松土齒變形的情況，有限元分析結果與實際情況吻合。

安全系數圖解　　　　　　　　最大變形量圖解

2改進后松土齒的分析

2.1結構對比

根據經驗和具體尺寸要求，設計了兩種新型松土齒的結構：一種采用鍛壓的方式，將鋼材模鍛成特殊形狀；另一種采用普通無縫圓管，壓制成截面為橢圓型，齒尖入土部件采用耐磨鑄鋼材料鑄造而成，圓管與齒尖焊接組成松土齒，如圖4所示。采用同樣有限元分析的方法對比兩種松土齒的抗彎強度，再綜合考慮制造成本和加工難易程度，確定最終方案。

鍛造松土齒結構　　　　　　　組合松土齒結構

運行有限元分析，鍛造結構松土齒安全系數和最大變形量圖解如圖5所示，組合結構松土齒安全系數和最大變形量圖解如圖6所示。

安全系數圖解　　　　　　　　最大變形量圖解

安全系數圖解　　　　　　　　最大變形量圖解

對比分析結果如表1所示。

表1　3種松土齒結構有限元分析對比

從圖表顯示可以看出：同樣施加252N的力，原松土齒結構的型變量遠大于其他兩種結構，安全系數僅為1.15。在實際使用中，大量的松土齒發生變形，組合結構的松土齒變形量最小，安全系數最高，其加工難度較鍛造結構更容易。所以，新型殘膜回收機的松土齒重點考慮采用該結構，對該結構的松土齒進一步進行有限元分析，驗證能否達到使用要求。

2.2改進后松土齒的結構及受力分析

2.2.1松土齒結構分析

通過上述分析，擬采用組合式結構作為新型殘膜回收機的松土齒部件。新松土齒由齒桿、齒尖、橫梁及端板組成：齒桿采用40mm×4mm的冷拔無縫圓管，總長560mm；與橫梁連接部分120mm長的圓柱段保證不變形，剩余段采用模具壓制成外徑52mm×25mm的橢圓形狀，平滑過渡；齒尖采用耐磨鑄鋼材料鑄造而成，將齒桿與齒尖焊接；橫梁采用100mm×6mm的冷拔無縫圓管，加工41mm的圓孔與齒桿焊接，兩端焊接端板，如圖7所示。

齒稈結構　　　　　齒尖結構　　　　　　　橫梁與端板結構

2.2.2松土齒受力分析

機具作業時，松土齒插入地面以下40mm，松土齒主要承受土壤阻力和土壤對機具的支撐力。其中，土壤阻力的方向與機具前進方向相反，支撐力方向與機具重力方向相反，豎直向上；整機按照2t計算，而機具作業時80%的力作用在松土齒上，所以施加在松土齒上機具重力的反作用力為16kN, 整機共計16根松土齒，每一根松土齒承受1kN的支撐力F支撐，受力分析如圖8所示。

圖8　松土齒受力分析

同樣采用土壤比阻計算公式來算出單根松土齒所受的土壤阻力，有

式中Kt—土壤比阻；

η—犁耕效率，一般取0.7；

a—單個入土部件耕深；

b—單鏵幅寬。

取耕深0.04m，幅寬0.025m，土壤比阻60kPa，計算出F阻=0.042kN。

2.2.3松土齒及橫梁的可靠性分析

建立新松土齒結構的裝配體三維模型，將上述分析得出的F阻與F支撐施加在模型上，建立有限元分析算例。運行該算例，計算出最小安全系數為6.14，如圖9所示。其安全系數較大，可以滿足正常工況下的松土作業，同時在較為惡劣的土壤條件下，也能保證機具的正常作業。

圖9　組合結構松土齒安全系數

3結論

由于農作物生長周期較長，導致農業機械產品的開發從設計到田間試驗往往需要一年的時間，如果某個部件的結構設計不合理，會導致整機無法正常工作，延長產品的產業化進程。為此，將設計的產品用有限元法進行受力分析，可大大提高設計產品的可靠性，降低產品的廢品率。2014年，采用新型松土齒結構的殘膜回收機在南北疆不同土壤的工作條件下作業，松土效果較好，有效地保護了挑膜滾筒，松土齒未發生變形與斷裂等現象。

參考文獻：

[1]侯書林,胡三媛,孔建銘,等.國內殘膜回收機研究的現狀[J].農業工程學報,2002(3):186-190.

[2]王鵬.新疆兵團殘膜回收機械與政策機制現狀的分析研究[D].石河子：石河子大學,2013.

[3]常立榮,裴澤蓮,曹磊.殘膜回收機研究發展初探[J].農業科技與裝備,2013(2):37-38.

[4]胡凱,王吉奎,李斌,等.棉稈粉碎還田與殘膜回收聯合作業機研制與試驗[J].農業工程學報,2013(19):24-32.

[5]李明洋,馬少輝.我國殘膜回收機研究現狀及建議[J].農機化研究,2014,36(6):242-245，252.

[6]張昭.深松機關鍵部件有限元分析及優化設計[D].楊凌：西北農林科技大學,2012.

[7]張宏.下插式土壤淺松機的研究與關鍵部件的有限元分析[D].楊凌：西北農林科技大學,2012.

[8]陳坤.后掠式弧形深松鏟柄的結構優化研究[D].長春：吉林農業大學,2012.

[9]鄭彥波.推土機松土器有限元與動力學分析及結構優化[D].太原：太原科技大學,2013.

[10]石振.推土機松土器疲勞特性研究[D].長春：吉林大學,2013.

[11]呂振邦.多功能深松機及其關鍵部件的設計與試驗研究[D].長春：吉林大學,2013.

[12]肖藝.推土機后工作裝置動力學及有限元分析[D].長春：吉林大學,2009.

[13]中國農業機械化科學研究院編.農業機械設計手冊[K].北京：機械工業出版社, 1988.

The Ripper Tooth Structural Improvements of Cotton Fields Plastic Film Recycling Machine Based on the Finite Element Method

Niu Changhe, Wang Xuenong , Liu Xuanfen, Jiang Yongxin, Zhang Jiaxi, Pahaerding

Abstract：Ripper tooth is one of the most important working part of plastic film recycling machine, for the problem of ripper tooth easy-deformed, put ripper tooth into Solidworks Simulation and use finite element analysis, through analysis and calculating result, find out the area beyond the allowable stress when ripper tooth force, put forward improvements. Using finite element analysis again for improved ripper tooth, the new structure does not substantially increase the size and weight,but greatly improve the safety factor. In actual use of new structure ripper tooth of plastic film recycling machine,ripper tooth have no deformation, while reducing the failure rate of the recycle film drum.

Key words：plastic film recycling machine; ripper tooth; finite element; structure improvement

文章編號：1003-188X(2016)03-0033-04

中圖分類號：S223.5

文獻標識碼：A

作者簡介：牛長河(1982-),男，烏魯木齊人，助理研究員，碩士， (E-mail) 15999133007@139.com。通訊作者：帕合爾鼎·阿不來提(1969-)，男(維吾爾族)，烏魯木齊人，高級工程師，碩士，(E-mail)22939164@qq.com。

基金項目：新疆維吾爾自治區科技計劃項目(201354101)

收稿日期：2014-11-08