王科杰，羅 昕，胡 斌，陳 永，張 歡

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003)

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1MSF-3型殘膜回收機機架的設(shè)計與優(yōu)化

王科杰，羅 昕，胡 斌，陳 永，張 歡

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003)

1MSF-3型殘膜回收機的主要承載部件是寬幅可折疊式機架，其強度和剛度直接影響了殘膜回收機的正常作業(yè)。為此，首先利用SolidWorks軟件建立寬幅可折疊式機架三維參數(shù)化模型，并將模型導入ANSYS Workbench中進行靜態(tài)特性分析，獲得其在作業(yè)情況下的等效應力及等效位移云圖；其次，基于AWE環(huán)境下的Design Explorer模塊，采用DOE方法，以寬幅可折疊式機架中的各個梁橫截面尺寸作為設(shè)計變量，以應力和位移為限制條件，質(zhì)量作為優(yōu)化指標對機架進行多目標設(shè)計優(yōu)化。結(jié)果表明：優(yōu)化后機架質(zhì)量減少了10%，滿足力學性能要求；機具結(jié)構(gòu)的設(shè)計合理，為殘膜回收機的設(shè)計提供了理論支持。

寬幅可折疊式機架；殘膜回收機；有限元分析；輕量化

0 引言

地膜殘留在土壤里未得到及時回收，嚴重污染農(nóng)地生態(tài)環(huán)境，影響農(nóng)作物正常生長，殘膜回收機的研發(fā)與推廣有效解決了殘膜污染問題[1-2]。目前，中小型殘膜回收機的殘膜回收效率較低，滿足不了農(nóng)戶日益增長的需求，而寬幅式殘膜回收機的研制為提高殘膜回收的作業(yè)效率提供了技術(shù)支持。

殘膜回收機幅寬的增大使殘膜作業(yè)效率提高，然而隨著殘膜回收機幅寬增大，機具的質(zhì)量也會隨之增大，且所需提供的動力大幅升高，降低了機具的使用經(jīng)濟性。通過減小機具的質(zhì)量可減少其制造成本并降低動力輸出，提高了經(jīng)濟性。機架的輕量化則為殘膜回收機輕量化的主要方面。機架輕量化設(shè)計，在保證機架的強度和剛度設(shè)計要求情況下，通過尺寸優(yōu)化法對機架的結(jié)構(gòu)和尺寸進行重新設(shè)計，盡可能地減少機架的質(zhì)量[3-7]。

本文以1MSF-3型殘膜回收機的寬幅可折疊式機架為研究對象，利用尺寸優(yōu)化方法對機具中的機架進行輕量化設(shè)計與研究，通過SolidWorks軟件對機架進行建模，利用ANSYS Workbench軟件在AWE環(huán)境下對寬幅可折疊式機架進行輕量化設(shè)計。

1 殘膜回收機的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 殘膜回收機的結(jié)構(gòu)組成與主要技術(shù)參數(shù)

通過SolidWorks建立殘膜回收機三維模型[8]，如圖1所示。

1.卸膜裝置 2.摟膜裝置 3.護禾裝置 4.機架側(cè)梁 5.液壓缸 6.機架中梁 7.牽引架 8.連接梁 9.銷軸 10.行走輪 11.摟膜彈齒圖1 殘膜回收機結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of wide-folding plastic film residue collector

殘膜回收機由摟膜裝置、護禾裝置、卸膜裝置和寬幅可折疊式機架等組成。其中，9組護禾裝置和10組摟膜裝置均布在機架上，且護禾裝置與摟膜裝置相互交錯設(shè)置，摟膜裝置上安裝有摟膜彈齒和行走輪。1MSF-3型殘膜回收機的整機尺寸為6 990mm×1 790mm×1 015mm，作業(yè)速度為7.4km/h，配套動力為55～66kW。

1.2 殘膜回收機的工作原理

工作過程中，拖拉機通過動力輸出裝置牽引殘膜回收機運動，寬幅可折疊式機架呈展平狀態(tài)，護禾裝置順著棉稈精確對行，摟膜裝置通過行走輪實現(xiàn)上下對地自動仿形，摟膜彈齒進行收膜作業(yè)，護禾裝置上安裝有卸膜裝置，卸膜裝置將回收的殘膜自動卸于打包帶區(qū)域。當殘膜回收機完成地膜回收作業(yè)后，為便于殘膜回收機的運輸，通過機架上的液壓缸驅(qū)動將兩側(cè)的機架側(cè)梁對折，實現(xiàn)了在非工作狀態(tài)下機具幅寬的減小，滿足了道路交通運輸要求。

1.3 寬幅可折疊式機架工作要求

保證機架應力及變形在允許范圍內(nèi)，同時在滿足剛度及強度要求情況下，盡可能使機架輕量化。

2 機架結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)確定與載荷計算

2.1 寬幅可折疊式機架結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)確定

寬幅可折疊式機架由機架側(cè)梁、機架中梁、牽引架、液壓缸、連接梁及銷軸等構(gòu)成。其中，機架中梁兩側(cè)的機架側(cè)梁、液壓缸相互對稱設(shè)置，連接梁與連接梁之間通過銷軸鉸接。寬幅可折疊式機架主要承載部件的尺寸參數(shù)如表1所示。

2.2 寬幅可折疊式機架載荷計算

寬幅可折疊式機架的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計通過殘膜回收機的摟膜裝置、卸膜裝置、護禾裝置結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)及其所受作用載荷大小進行確定，寬幅可折疊式機架上所受垂直方向載荷為護禾裝置和卸膜裝置的重力作用載荷，其水平方向載荷為摟膜裝置所受水平方向合力。

表1 寬幅可折疊式機架主要部件截面形狀和壁厚Table 1 Cross section shape and thickness of each main component for Wide-Folding frame mm

因此，首先通過SolidWorks軟件定義殘膜回收機各部件材料并測算出其質(zhì)量，獲得殘膜回收機各部件質(zhì)量大小，從而確定護禾裝置和卸膜裝置的重力作用載荷大小。經(jīng)計算得到以下參數(shù)：

GLi=545N,GHj=703N,G中梁=991N,G側(cè)梁=550N。

其中，GLi為第i組摟膜裝置所受的重力(N)；GHj為第j組護禾裝置所受垂直方向作用力(N)；G中梁為機架中梁所受的重力(N)；G側(cè)梁為機架側(cè)梁所受的重力(N)。其次，在殘膜回收機工作過程中，殘膜回收機平穩(wěn)作業(yè)，殘膜回收機的運動狀態(tài)視為靜態(tài)平衡，寬幅可折疊式機架處于平衡狀態(tài)，則通過機架受力平衡分析并計算出機架上各作用力，機架主要受力情況如圖2所示。

圖2 寬幅可折疊式機架受力圖Fig.2 The force analysis of wide-folding frame

在圖2中：第j組護禾裝置對機架的垂直作用力FHj與護禾裝置所受垂直方向作用力GHj平衡，有

FHj=GHj

(1)

行走輪是摟膜裝置的主要重力承載對象，土壤通過行走輪對摟膜裝置起支撐作用，摟膜裝置未對機架施加垂直方向作用，則摟膜裝置所受重力與土壤對行走輪的支撐力平衡。土壤對行走輪施加的水平摩擦力F輪i的計算公式為

N輪i=GLi

(2)

F輪i=μN輪i

(3)

式中 μ—土壤與行走輪之間的摩擦因數(shù)，取值為0.5；

GLi—摟膜裝置的重力；

N輪i—土壤對行走輪的支撐力。

在殘膜回收過程中，摟膜裝置水平方向載荷包括摟膜裝置中各摟膜彈齒所受水平阻力之和F彈齒及行走輪受到的水平摩擦力F輪i，摟膜裝置施加在機架上的作用力FLi(即為摟膜裝置所受水平方向阻力)與機架對摟膜裝置的牽引力為一對平衡力，其計算公式為

FLi=F輪i+F彈齒

(4)

機架除受到摟膜裝置對其施加的水平作用力FLi和護禾裝置對其垂直作用力FHj外，還受到懸掛裝置通過牽引架對機架的作用力。

在摟膜過程中，殘膜回收機摟膜工作穩(wěn)定地進行依靠于機架能夠保持平穩(wěn)狀態(tài)，此時機架受力平衡，則牽引架所受的水平作用力應與摟膜裝置對機架水平作用力FLi達到平衡，牽引架所受的垂直作用力與護禾裝置對機架垂直作用力FHj達到平衡。牽引架所受垂直方向外載由懸掛裝置對其施加向上的支撐力FZ1和支撐力FZ2構(gòu)成，所受水平方向外載由懸掛裝置對其施加的牽引力FQ1和牽引力FQ2構(gòu)成。計算公式為

(5)

FQ1=FQ2

(6)

Fx=0

(7)

(8)

FZ1=FZ2

(9)

Fy=0

(10)

將式(3)、式(5)、式(6)代入到式(4)中整理得

(11)

將式(1)、式(8)和式(9)代入到式(7)中整理得

(12)

2.3 寬幅可折疊式機架上的液壓缸參數(shù)設(shè)計

2.3.1 液壓缸載荷受力分析

圖3 液壓缸載荷受力簡圖Fig.3 The force analysis of hydraulic cylinder

依據(jù)液壓缸受力平衡條件，將液壓缸所受拉力F拉(即為活塞桿拉力)分解為垂直方向拉力F拉y和水平方向拉力F拉x，則有

F拉y=F拉·sinθ

(13)

G=F拉y

(14)

(15)

將式(14)、式(15)代入到式(13)中整理得到

(16)

其中，θ為液壓缸與水平面的安裝角，θ=5°。經(jīng)代入值計算得出F拉=49 268N。

2.3.2 活塞桿和液壓缸筒參數(shù)尺寸

根據(jù)計算出得到的活塞桿拉力F拉，設(shè)計液壓缸中的活塞桿和液壓缸筒參數(shù)尺寸[9]?；钊麠U受到拉力遠大于所受彎曲變形力，則其公式為

σ桿=4F拉/(π·d2)

(17)

(18)

活塞桿作為長桿件，為滿足其穩(wěn)定性要求，對活塞桿穩(wěn)定性進行計算，其公式為

Fk=(1.02fd4/e2)×1011

(19)

其中，F(xiàn)k為活塞桿縱向彎曲破壞的臨界載荷(N)；f為末端系數(shù)，f=2；e為活塞桿在最大伸出時的活塞桿端支點和液壓缸安裝點間距(m),e=1 145mm，計算得Fk=95 642N，F(xiàn)k>F拉，活塞桿滿足穩(wěn)定性要求。

基于活塞桿的尺寸參數(shù)確定液壓缸筒尺寸參數(shù)[9]。液壓缸筒為無縫鋼管，初選液壓缸筒內(nèi)徑D為63mm，液壓缸筒壁厚δ為6mm，D/δ的比值為10.5，其計算公式為

P=4F拉/(π·D2)

(20)

Py=1.5P

(21)

(22)

(23)

式中 P—工作壓力(MPa)；

Py—試驗壓力(MPa)；

C—計入壁厚公差及腐蝕的附加厚度，通常圓整到標準厚度值，C取值1.7mm；

ψ—強度系數(shù)，無縫鋼管系數(shù)取1；

σb—液壓缸筒材料的抗拉強度(MPa)，液壓缸筒材料選用45鋼，取值為600MPa；

n—安全系數(shù)，n=3.5～5，一般取n=5；

3 寬幅可折疊式機架的有限元分析

3.1 建立有限元模型

在SolidWorks軟件中對寬幅可折疊式機架三維模型機架側(cè)梁的截面尺寸中的寬度DSh1和 機架側(cè)梁的壁厚DSv2設(shè)定為參數(shù)，將其模型導入ANSYS Workbench，首先定義其材料屬性。寬幅可折疊式機架上的液壓缸筒和活塞桿材料采用45鋼，彈性模量為210GPa，泊松比為0.269，材料密度為7 850kg/m3，屈服強度為355MPa。寬幅可折疊式機架上的機架中梁、機架側(cè)梁、牽引架、連接梁、銷軸等構(gòu)件材料均采用通用的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235，彈性模量為206GPa，泊松比為0.28，材料密度為7 850kg/m3，屈服強度為235MPa，取安全系數(shù)為1.4，許用屈服強度為167.86MPa。然后，對機架進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸控制參數(shù)設(shè)定為30mm，共劃分107 507個單元和212 658個節(jié)點[10-11]。

3.2 施加約束及載荷

殘膜回收機工作過程中，機架呈平展狀態(tài)，機架側(cè)梁、機架中梁和牽引架為承受對象。約束條件：限制機架中梁底面的平動自由度UX、UY、UZ和兩個方向上的旋轉(zhuǎn)自由度ROTY、ROTZ；釋放液壓缸、機架側(cè)梁與機架中梁的交接處繞銷軸軸心的旋轉(zhuǎn)自由度ROTX，對機架進行應力與位移計算[12-13]；將機架所受簡化為等效載荷施加到寬幅式機架的各個受力相應部位；在機架上均布施加水平方向作用力FLi和垂直方向作用力FHj，在牽引架均布施加水平方向作用力FQ1和垂直方向作用力FZ1。

3.3 結(jié)果分析

經(jīng)求解計算，獲得位移云圖如圖4(a)所示,位移發(fā)生最大變形處發(fā)生在側(cè)梁的端部,最大位移為3.62mm，許用撓度為10mm。機架應力如圖4(b)所示。機架的最大受力處位于連接梁與機架側(cè)梁的連接處及牽引架與機架中梁的連接處，最大應力值為106.51MPa，小于許用屈服強度為167.86MPa。因此，剛度和強度皆滿足設(shè)計要求。

(a) 位移云圖

(b) 應力云圖圖4 位移及應力云圖Fig.4 The equivalent stress and total deformation contours clouds

4 寬幅可折疊式機架優(yōu)化設(shè)計及驗證

4.1 響應面設(shè)計

為實現(xiàn)機架的輕量化又達到機架工作性能要求，以機架側(cè)梁的寬度和機架側(cè)梁的壁厚為輸入?yún)?shù)，剛度和強度為輸出參數(shù)，得到機架側(cè)梁的寬度和機架側(cè)梁的壁厚與強度、剛度及質(zhì)量的響應曲面云圖[14]，如圖5所示。

根據(jù)輸入與輸出參數(shù)響應曲面可知：折疊機架的強度、剛度與其質(zhì)量呈制約關(guān)系，隨著機架側(cè)梁的寬度和機架側(cè)梁的壁厚與強度的減小，折疊機架的質(zhì)量減小，但折疊機架的強度和剛度會隨著增大；折疊機架的質(zhì)量與其強度、剛度不能同時減小，則以折疊機架的質(zhì)量的減小為優(yōu)先優(yōu)化目的進行優(yōu)化設(shè)計。

(a) 機架側(cè)梁的寬度和壁厚對折疊機架強度的響應曲面

(b) 機架側(cè)梁的寬度和壁厚對折疊機架剛度的響應曲面

(c) 機架側(cè)梁的寬度和壁厚對折疊機架質(zhì)量的響應曲面圖5 機架側(cè)梁的寬度和壁厚對折疊機架強度、剛度及質(zhì)量的響應Fig.5 Response surface of frame side beam’s height and thickness to the intensity, stiffness and mass of folding frame

4.2 優(yōu)化設(shè)計

由于不能同時實現(xiàn)質(zhì)量、強度和剛度最小化，因此以機架質(zhì)量為優(yōu)化目標，實現(xiàn)機架輕量化優(yōu)化設(shè)計[15-18]。因機架上的兩端側(cè)梁最易發(fā)生變形，因此以機架側(cè)梁作為優(yōu)化對象，機架側(cè)梁的橫截面尺寸DSh1×DSh2為100mm×100mm，機架側(cè)梁的壁厚DSv2為6mm。在優(yōu)化設(shè)計過程中，為便于計算模型簡化及準確分析，以側(cè)梁的橫截面寬度DSh1及其壁厚DSv2作為設(shè)計變量，參數(shù)DSh1最初值為100mm，設(shè)定85～115mm為變動范圍；參數(shù)DSv2最初值為6mm，設(shè)定4～8mm為變動范圍，根據(jù)需要優(yōu)化的參數(shù)數(shù)目，利用中心組合設(shè)計方法計算得到各個設(shè)計點的運算結(jié)果，各個設(shè)計點求解結(jié)果如表2所示。

表2 設(shè)計點求解結(jié)果Table 2 Solved result at resign point

據(jù)設(shè)計點求解及分析得最優(yōu)結(jié)果如表3所示。

表3 變量優(yōu)化前后值Table 3 Values of the variables before and after optimization

由表3可知：此時機架最大位移為4.77mm，最大應力值為121.57MPa，機架變形量小且未超過許用強度，優(yōu)化后的機架質(zhì)量由229.74kg減輕至206.79kg，降幅達到10%，滿足殘膜回收機的工作要求。

4.3 樣機的田間試驗

2015年10月16-18日，在新疆昌吉五家渠共青團農(nóng)場進行了1MSF-3型殘膜回收機的反復試驗。試驗表明：殘膜回收作業(yè)正常，機架側(cè)梁、機架中梁與連接梁的焊接位置均未出現(xiàn)裂紋或脫落現(xiàn)象，機架呈平展狀態(tài)且未發(fā)生橫向及縱向變形等情況，較好地滿足了殘膜回收機的作業(yè)要求。

5 結(jié)論

1)利用有限元力學分析軟件ANSYS Workbench軟件對1MSF-3型殘膜回收機的機架進行靜力學分析，并對機架進行輕量化設(shè)計，其質(zhì)量減輕了10%，實現(xiàn)了機架的輕量化要求。

2)經(jīng)田間試驗機架變形量與有限元分析結(jié)果較相吻合，驗證了有限元模型的準確性。

3)本文的結(jié)構(gòu)輕量化研究與試驗為寬幅式殘膜回收機機架的研究提供了一定的參考依據(jù)。

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Design and Optimization of 1MSF-3-type Plastic Film Residue Collecting Machine Frame

Wang Kejie , Luo Xin , Hu Bin,Cheng Yong, Zhang Huan

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Shihezi University, Shihezi 832003, China)

1MSF-3-type collector of used plastic film on farm machine is the main bearing parts of wide-folding frame.The strength and rigidity of wide-folding frame directly affects the normal operation of the residual film retrieving machine.Therefore, based on using SolidWorks to establish 3D parametric model for wide-folding rack.At the same time, the model is imported into ANSYS Workbench to static characteristic analysis and to get equivalence- stress and equality-displacement cloud atlas under the working condition. According to the result of finite element analysis of wide-folding frame suggests that meets the design requirements of strength and stiffness. And then, found on the Design Explorer modules of ANSYS Workbench Environment, DOE (Design of experiment) method is used. With section size of each beam of wide-folding frame as Design variables, regarding the stress and displacement as constraints, moreover, taking its quality for an indicator, to accomplish multi-objective optimization Design for the rack. The results show that not only quality of frame is decreased by 10% after optimization but also mechanical properties are good, meanwhile, the manufacturing cost is saved and the requirement of residual film recycling machine work is satisfied.

wide-folding frame; plastic film residue collecting machine; finite element analysis; lightweight

2016-03-07

新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團重大科技專項(2014AA002)；農(nóng)業(yè)部行業(yè)專項(201503105)

王科杰(1988-)，男，江西上饒人，碩士研究生， (E-mail)1421243560@qq.com。

羅 昕(1969-),女,四川隆昌人,教授,碩士生導師，(E-mail)1187169629@qq.com。

S223.5

A

1003-188X(2017)03-0144-06