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(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.廣西中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530001)

0 引言

地膜覆蓋技術(shù)自20世紀(jì)70年代末引入我國(guó)以來(lái)，以其增溫、保墑、抑制雜草生長(zhǎng)、增加作物產(chǎn)量等顯著特點(diǎn)[1]，深受廣大農(nóng)民的歡迎。然而地膜覆蓋栽培技術(shù)在帶來(lái)顯著經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也使土地遭到嚴(yán)重的殘膜污染[2]，地膜殘留在土壤里使土壤的滲透性能下降，影響土壤的物理性狀，造成作物減產(chǎn)，甚至危害人體健康[3,4]，因此地膜的回收迫在眉睫，地膜回收機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。

國(guó)內(nèi)已有不少研究機(jī)構(gòu)對(duì)地膜回收機(jī)進(jìn)行研究，并取得了一定的研究成果，如新疆建設(shè)兵團(tuán)123團(tuán)修造廠(chǎng)生產(chǎn)的2JMSD-4.5型棉花揭膜機(jī)[5]，新疆兵團(tuán)農(nóng)機(jī)推廣站和134團(tuán)研發(fā)的CSM-130B型齒鏈?zhǔn)綉覓焓漳C(jī)[6]等。國(guó)外的索依爾和羅伯森[7],R.L帕里什[8]等對(duì)地膜回收機(jī)也有一定的研究。然而國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的地膜回收機(jī)體型較大，質(zhì)量偏重，均不適合在山區(qū)耕地中使用。

山地烤煙苗期地膜回收機(jī)既要控制其整體質(zhì)量在合理范圍內(nèi)，又要滿(mǎn)足機(jī)器在復(fù)雜工況下作業(yè)的強(qiáng)度要求，因此需要對(duì)機(jī)器各部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。卷膜輥是山地烤煙苗期地膜回收機(jī)的關(guān)鍵構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性對(duì)整機(jī)功能的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。本文通過(guò)ANSYS Workbench有限元分析平臺(tái)對(duì)卷膜輥結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，預(yù)測(cè)卷膜輥結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力、最大變形和共振頻率，分析結(jié)果作為卷膜輥設(shè)計(jì)的參考依據(jù)，縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率。

1 卷膜輥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 卷膜輥結(jié)構(gòu)

卷膜輥是用來(lái)完成卷膜作業(yè)部件，由卷膜圓盤(pán)、卷膜輥軸套，4根卷膜方管、卷膜輥中心軸和8根挑膜齒構(gòu)成。卷膜輥中心軸通過(guò)銷(xiāo)分別與卷膜輥軸套和萬(wàn)向節(jié)固定。動(dòng)力軸通過(guò)萬(wàn)向節(jié)向卷膜輥傳遞動(dòng)力。卷膜輥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 ANSYS Work-bench有限元結(jié)構(gòu)分析

2.1 建立有限元三維模型

使用SolidWorks建立卷膜輥三維模型，結(jié)構(gòu)如圖1所示，然后導(dǎo)出成為parasolid格式，再導(dǎo)入到ANSYS Workbench的DesignModeler中，將挑膜齒頂削成凸臺(tái)，以避免求解時(shí)失真出錯(cuò)，對(duì)模型的載荷作用區(qū)施加印記，以便于模型施加載荷，卷膜輥有限元三維模型如圖2所示。

2.2 定義材料

將卷膜輥材料定義為Q235，密度7 850 kg/m3,泊松比為0.3，屈服應(yīng)力值為235 MPa。

2.3 劃分網(wǎng)格

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果

卷膜輥由規(guī)則幾何體構(gòu)成，選擇的網(wǎng)格單元是六面體為主，六面體與四面體相結(jié)合的混合單元。利用混合單元既可以避免局部過(guò)渡產(chǎn)生的病態(tài)單元，又能獲得較好的網(wǎng)格質(zhì)量，大大提高計(jì)算的精度，節(jié)省計(jì)算時(shí)間。為控制網(wǎng)格質(zhì)量，將網(wǎng)格最大尺寸設(shè)定為0.002 m，劃分得到427935個(gè)節(jié)點(diǎn)，96776個(gè)單元。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

2.4 結(jié)構(gòu)靜力分析

靜力是指結(jié)構(gòu)受到靜態(tài)荷載的作用[8]，慣性和阻尼可以忽略。在靜態(tài)載荷作用下結(jié)構(gòu)處于靜力平衡狀態(tài)，此時(shí)由于不考慮慣性作用，模型質(zhì)的量結(jié)構(gòu)影響可以忽略。在Workbench平臺(tái)中，如果荷載周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)自振周期(即緩慢加載)，則結(jié)構(gòu)的慣性效應(yīng)也可以忽略，這種情況簡(jiǎn)化為靜力分析。

由經(jīng)典力學(xué)理論可知，物體的靜力學(xué)通用方程為：

[K]{x}={F}

式中：[K]是剛度矩陣；{x}是位移矢量；{F}是力矢量。

現(xiàn)以勻速作業(yè)工況為背景，對(duì)模型施加固定約束和載荷后即可對(duì)模型進(jìn)行求解。求解得到卷膜輥在勻速作業(yè)工況下的應(yīng)力云圖如圖4所示，變形云圖如圖5所示。

由圖4、圖5可知，卷膜輥在勻速作業(yè)工況下在各焊縫位置應(yīng)力較大，最大應(yīng)力位于挑膜齒與卷膜方管連接處為101.85 MPa，小于所有材料許用應(yīng)力值，最大總變形位于挑膜齒頂為0.15937 mm，符合卷膜輥的剛度要求。在實(shí)際生產(chǎn)中焊接質(zhì)量影響構(gòu)件連接強(qiáng)度，故分析結(jié)果與實(shí)際情況會(huì)存在一定的差距，但分析結(jié)果可以為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要參考。

2.5 模態(tài)分析

模態(tài)分析是計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的數(shù)值技術(shù)，是最基本的動(dòng)力學(xué)分析，也是其他動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，具有非常廣泛的實(shí)用價(jià)值。結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性包括固有頻率和振型。模態(tài)分析結(jié)果可以幫助設(shè)計(jì)人員確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)避免共振。模態(tài)分析遵循的平衡方程為：

[M]{x″}+[C]{x′}+[K]{x}={F(t)}

式中：[M]是質(zhì)量矩陣；[C]是阻尼矩陣；[K]是剛度矩陣；{x}是位移矢量；{F(t)}是力矢量；{x′}是速度矢量；{x″}是加速度矢量。

給卷膜輥套筒處施加一固定約束，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析。得到前6階模態(tài)值如圖6所示，1階變形云圖如圖7所示。

圖6 6階模態(tài)表 圖7 1階變形

由圖6可知，卷膜輥的1階振動(dòng)頻率為462.26 Hz,遠(yuǎn)大于卷膜輥的工作頻率1.5 Hz，因此卷膜輥在工作過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生共振，該卷膜輥結(jié)構(gòu)安全。由圖7可知，當(dāng)振動(dòng)頻率達(dá)到共振頻率值時(shí)，卷膜方管出現(xiàn)一定幅度的擺動(dòng)，方管中點(diǎn)位置變形較大，卷膜輥軸向兩端卷膜圓盤(pán)變形較小，因此可以采用厚壁方鋼管或增大方鋼管尺寸來(lái)增加方鋼管的剛度使卷膜輥整體剛度趨于平衡。

3 結(jié)論

本文通過(guò)ANSYS Workbench平臺(tái)對(duì)山地烤煙苗期地膜回收機(jī)卷膜輥進(jìn)行有限元結(jié)構(gòu)靜力分析和模態(tài)分析，分析結(jié)果表明在勻速作業(yè)工況下受最大應(yīng)力為101.85 MPa，處于安全值范圍內(nèi)，最大變形量為0.159 37 mm，符合卷膜輥剛度要求，卷膜輥1階共振頻率為462.26 Hz，遠(yuǎn)大于卷膜輥的工作頻率1.5 Hz，因此該卷膜輥結(jié)構(gòu)安全合理。

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