多功能全覆膜機上土機構的結構改進

張爭虎，王 媛

（慶陽布谷鳥機械制造有限公司，甘肅正寧745300）

隨著近年來農業機械的不斷發展，市場上各類農業機械越來越多。但是由于農業機械工作環境的復雜性，新設計出的機械往往會出現很多問題。比較典型的是由于田間土塊、雜草影響導致應力激增引起的構件破壞[1]。目前大多數企業的應對方法是通過大量實驗確定問題所在，然后進行改進。這種方法往往成本高昂，并且費時費力。實驗結果也只能得到定性分析，無法得到精確地定量分析結果[2]。因此，利用計算機技術對機器工作過程中的狀態進行模擬是一種節省成本、方便有效的方法。通過對某一構件進行有限元模擬，就能夠得到準確的優化參數[3-5]，有針對性的對機構進行改進。本文對一種多功能全覆膜機在田間作業中出現的軸斷裂問題進行模擬分析，由于田間作業環境的影響，覆膜機下部機構工作時往往會受到土塊、雜草的影響。當上土機構的鏈排之間夾入土塊或雜草時，鏈輪對軸的作用力會突然增大，當這種現象反復出現，軸極易發生破壞。本文結合COMSOL Multiphysics 5.4 有限元軟件對全覆膜機的上土從動軸進行建模，通過對有限元模型的計算結果進行分析，得出具體的破壞原因后對結構進行改進，從而避免軸的損壞。

1 機構介紹

本文所用實驗機器為1MXLQ-120 型旋耕滅茬起壟全覆膜機（慶陽布谷鳥機械制造有限公司），該機器一次作業可完成全幅旋耕、滅茬、起壟、覆膜、覆土、鎮壓聯合作業，對農田土地進行全膜覆蓋。該機懸掛在四輪拖拉機后方，通過萬向節與拖拉機動力輸出軸連接，裝好膜輥并在地上鋪平壓實地膜，結合動力輸出離合同時緩慢落下機具，在機組前行時，通過萬向節帶動中間齒輪箱轉動，中間齒輪箱通過側減速箱帶動旋耕刀軸轉動、通過鏈條帶動送土鏈排軸轉動，旋耕刀軸旋耕起來的一部分土由送土鏈排輸送給溜土板，同時整形輪在旋耕過的地面上壓出壟溝和邊溝，機組前行拖動地膜輥展膜輥轉動展開地膜；溜土板通過導流板將土分流到膜面壟溝和邊溝完成作業。其中，上土機構的主要結構如圖1 所示。

2 有限元模型

為了得到軸的受力情況，采用COMSOL 結構力學中的轉子動力學物理場來進行分析。材料屬性設置為45 號鋼，來自于COMSOL 內置材料庫。

2.1 假設條件

一是作業過程中軸上所受力的大小服從隨機正態分布，該假設并不能描述實際工作情況，僅為了模擬夾土、夾草等特殊情況帶來的受力變化。

二是從動軸左右對稱，可只對軸的一半進行分析以減少計算量。

三是重力對于軸的破壞影響不大，本模型中不予考慮。

2.2 有限元網格模型

在Solid Works 三維建模軟件中建好模型后導入COMSOL 幾何模塊。采用自由四面體網格進行劃分，通過多次劃分發現當網格加密到一定程度后，繼續加密并不能較大改善網格質量，但加大了運算成本。因此，采用常規的網格密度，劃分結果包含5 779個單元、1 457 個網格頂點。模型如圖2 所示。

數值模型：為了描述模型的形變與應力分布，必須構建模型的控制方程。該方程可由牛頓第二定律推出，其形式如式（1）所示。

式中，ρ 為密度，其值來自材料屬性，為7 850 kg/m3；u為位移，單位為m；Fυ為體積力，即重力，本模型暫不考慮。S 為邊界載荷，單位為N，為了模擬田間作業時的不確定性，載荷的大小通過隨機正態分布的形式給出，其值如式（2）所示。

式中，平均值μn為10，標準差σn為10。

設置軸沿軸心勻速旋轉，轉速為200 rpm。鏈排作用于軸的力以邊界載荷的形式給出，其值如上所述，并規定邊界載荷的作用方向不隨軸運動，這符合實際工作情況。

3 模擬結果

通過后處理模塊可以得到整個模型的受力云圖。由模擬云圖3 可以看出，隨著時間的變化，應力的大小與分布都不斷發生變化，應變也同樣在變化，應力與應變的分布具有相似性，并且二者最大值都位于鏈排鏈輪與軸的配合部分。而在田間作業中，正是這一部分容易發生斷裂，這與有限元模型的計算結果相吻合。

為了詳細表示軸內部的受力情況，在軸易斷裂部分的橫截面上取了4 個數值采樣點，具體位置如圖4 所示。

通過模擬計算結果可以得到各點上的應力值隨時間的變化曲線，如圖5 所示。從圖5 中可以看出，從點4 到點1 應力逐漸減小，即從軸表面到內部應力越來越小。從時間分布上可以看出，隨著軸的旋轉，同一點上的應力做類似于周期性的變化，且因為輸入載荷的不同，變化幅度有不同的起伏。說明造成軸內部應力變化的原因主要有兩個：一是軸的旋轉造成受力位置和受力方向的變化；二是夾土、夾草等意外情況帶來的影響。而總體上該截面應力最大值接近于6.5×106N/m2，小于圖3 所示整軸上的最大應力，也小于45 號鋼的許用應力。說明軸在此處的斷裂是由于類似于交變應力的內部應力變化導致的疲勞破壞[6]。

4 改進設計

為了減少上土作業過程中的應力變化，在保證實現機構功能的前提下，必須避免夾土、夾草情況的出現或限制軸的轉動。由于田間作業時環境條件難以控制，本文采用的方法是將原安裝于側板上的軸承機構移除，而在鏈排鏈輪與從動軸之間加裝軸承機構，通過軸承的轉動來代替軸的轉動。使得鏈排在運動的同時，軸不進行旋轉，具體結構如圖6 所示。該種結構可以有效避免軸受到方向不斷變化的往復力，使軸所受力固定在一個方向上，降低了軸發生疲勞破壞的可能。在將新結構安裝在全覆膜機上后，通過跟蹤調查發現，軸的損壞率由原結構的50%縮短到1%（以1 年為統計周期，統計樣本為100 臺）。說明改進后的新型上土機構能夠有效避免軸的疲勞破壞，旋耕滅茬起壟全覆膜機能夠長期穩定作業。

5 結論

一是有限元模擬方法可以代替費時費力的人工試驗，在有限元模擬軟件的幫助下可以方便、快捷的進行受力分析，從而找出問題所在。該種方法可以大大減少企業的創新成本，為機器改進提供有力依據。

二是上土機構作業過程中，軸的旋轉和鏈排夾土、夾草是造成軸內應力變化的主要原因，軸截面上最大應力接近6.5×106N/m2，低于45 號鋼的許用應力。導致軸斷裂的主要原因是應力大小與方向的不斷變化引起的疲勞破壞。

三是移除原來安裝在側板與軸之間的軸承，在鏈排鏈輪與軸之間加裝軸承，用軸承的轉動代替軸的轉動，從而避免軸受到往復變化的力。

四是通過跟蹤調查發現改進后的上土機構能夠有效避免軸的疲勞破壞，將軸的損壞率由50%降低到1%，提高了田間作業的可靠性，大大降低了企業的維修成本。