李云全，毋高峰

(1.焦作師范高等?？茖W(xué)校 信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.焦作師范高等?？茖W(xué)校 理工學(xué)院，河南 焦作 454000)

殘膜回收機(jī)主要用于回收棉花產(chǎn)地的剩余殘膜，作業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜.設(shè)計(jì)具有可靠性、通過性和隨地仿形能力的起膜機(jī)構(gòu)，對彈齒式殘膜回收機(jī)的收膜效果起決定性的作用[1-2].

1 起膜機(jī)構(gòu)的工作原理與結(jié)構(gòu)

秸稈殘膜經(jīng)歷了秋收和秸稈粉碎之后，風(fēng)蝕老化和破損程度較為嚴(yán)重，膜面上會(huì)殘存少量的棉葉、棉鈴殼和土壤等雜物[3].起膜機(jī)構(gòu)的主要作用是將棉桿根茬的側(cè)根切斷，將地膜從雜物下挑起一定的高度，將殘膜和雜物沿著挑膜齒邊刃線滑移的過程中分離一部分5～7cm內(nèi)的土壤[4].

彈齒式殘膜回收機(jī)的起膜機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示.起膜鏟與限深滑板焊接于浮動(dòng)式四連桿機(jī)構(gòu)上[5].工作時(shí)殘膜回收機(jī)由拖拉機(jī)帶動(dòng)，起膜鏟在自身重力和入土角的共同作用下進(jìn)入膜下的土壤中[6].起膜鏟的作業(yè)深度由四連桿機(jī)構(gòu)和限深滑板共同調(diào)節(jié),同時(shí)能隨地面仿形，保持一個(gè)比較穩(wěn)定的入土深度.起膜鏟的刀刃為長條狀，刀刃的鋒刃線與機(jī)具的前進(jìn)方向之間的夾角成鈍角，可以有效達(dá)到起膜鏟托起并積累更多的殘膜，防止回收殘膜時(shí)使殘膜進(jìn)一步受損.

1.起膜鏟2.前立柱3.絞桿4.限深滑板5.后立柱圖1 起膜機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖

2 起膜機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)與受力分析

2.1 起膜鏟入土角和入土隙角

入土角α是刀板底刃線與其在地平面上投影線的夾角.入土角直接影響起膜鏟起膜效果.起膜鏟齒面受力分析簡圖如圖2所示，并據(jù)此進(jìn)行入土角的理論值分析[7].

圖2 起膜鏟齒面受力示意圖

受力平衡狀態(tài)時(shí)其平衡方程如(1)所示：

(1)

式中起膜鏟所受力分別是：F為所受工作阻力，單位N；N為回收物給予的反作用力，單位N；G為回收物的重力，單位N；T為回收物對上刃面的摩擦力，單位N；T=μN(yùn)，μ是與土壤之間的摩擦因數(shù)[7].由(1)得

(2)

入土角過大或過小，都達(dá)不到殘膜回收效果.本文所設(shè)定起膜鏟入土角α取值范圍為10°～35°[8].

起膜鏟底面與地面之間的夾角γ為入土隙角，它的存在使起膜鏟具有入土的趨向.入土隙角在起膜鏟剛?cè)胪習(xí)r稍大，后隨耕深增加逐漸減小，達(dá)到設(shè)定耕深時(shí)隙角等于零或稍大于零.當(dāng)隙角開始減為負(fù)值時(shí)，起膜鏟的耕深開始變淺.本文設(shè)計(jì)的起膜機(jī)構(gòu)在增加了四連桿仿機(jī)構(gòu)具有隨地仿形的功能，入土隙角設(shè)定在2°～5°之間[9].

2.2 起膜鏟斜角

起膜鏟斜角可以由圖3所示的受力分析圖確定，為了使殘膜和根茬等雜物沿著刃口向后向上滑移，土壤阻力沿刃口的分力要大于鏟刃與土壤間的摩擦力，即：

Psin(90°-β)≥f

(3)

圖3 起膜鏟斜角受力示意圖

式中，P為作用在鏟刃上的阻力，N；f為鏟刃與土壤間的摩擦力，N，且F=N1tanδ，δ是土壤對鋼起膜鏟的摩擦角.由滑動(dòng)摩擦力定律可知

(4)

由(3)和(4)兩式可得

β<90°-δ

(5)

正常情況下土壤對鋼起膜鏟的摩擦角δ為26.5°～35°[10]，由(5)可確定起膜鏟斜角β要小于55°.起膜鏟鏟刃越尖銳，在同樣情況下對殘膜的作用范圍越小.

2.3 起膜鏟受力分析[11-12]

起膜鏟在機(jī)具勻速常規(guī)作業(yè)時(shí)主要承受土壤的阻力和土壤對其的側(cè)向壓力.綜合分析發(fā)現(xiàn)，起膜鏟在受側(cè)向力時(shí)，會(huì)向左右兩側(cè)發(fā)生變形，當(dāng)力的方向垂直于起膜鏟側(cè)面時(shí)起膜鏟受到側(cè)向力最大，嚴(yán)重導(dǎo)致起膜鏟與挑膜齒發(fā)生干涉.定義起膜鏟所受側(cè)向力為F阻，如(6) ：

(6)

式中，Kt為土壤比阻；H為起膜鏟犁耕效率，一般取0.7；a為單個(gè)入土部件耕深；b為幅寬.

我國耕地最大的土壤比阻為60kPa，根據(jù)前文可知耕深為0.05m，取Kt=60KPa，a=0.05m，寬度取中間值b=0.032m，計(jì)算出F阻=67.2N.

起膜鏟所受水平阻力如(7)：

(7)

本文取ρ=2.65g/cm3，g=9.8N/kg，B=10mm，T=50mm，ξf=1.可知起膜鏟水平阻力約為1.6×10-7N.

因本文所設(shè)計(jì)起膜裝置為鏟型，后附有限深板控制深度，在此不考慮起膜鏟所受垂直壓力.

3 起膜鏟的力學(xué)仿真驗(yàn)證

3.1 起膜鏟靜強(qiáng)度校核

在確定起膜機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)后，根據(jù)相關(guān)參數(shù)使用ANSYS軟件對起膜鏟仿真分析.起膜鏟材料選擇65Mn碳素結(jié)構(gòu)鋼，此種鋼剛度較強(qiáng)，具有一定的韌性和可塑性，使用壽命較長，耐磨性較好.

對起膜鏟網(wǎng)格劃分后施加約束和載荷.使用夾具將起膜鏟的尾端固定，使起膜鏟的尾端不發(fā)生位移.對起膜鏟施加水平阻力1.6×10-7N.每一根起膜鏟的入土部分施加67.2N的側(cè)向力,均勻加載到起膜鏟上.

由起膜鏟的應(yīng)力仿真分析可知，尾端所受的應(yīng)力較大，發(fā)生在尾端與立柱的焊合處，最大應(yīng)力數(shù)值為13.729MPa，而起膜鏟的屈服應(yīng)力為430MPa，計(jì)算得出其安全系數(shù)為31.3，滿足強(qiáng)度要求.由起膜鏟的仿真位移圖可以看出模型最大位移在起膜鏟的齒尖上，最大位移值為0.179mm；最小位移值則在起膜鏟末端.

3.2 起膜鏟模態(tài)分析

模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)性能的基礎(chǔ)，能夠在設(shè)計(jì)初期降低共振的風(fēng)險(xiǎn)，提高動(dòng)力學(xué)性能等.起膜鏟在靜態(tài)工況下的強(qiáng)度和剛度均表現(xiàn)優(yōu)良，但考慮實(shí)際作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，外部載荷的大小和方向呈周期或非周期性變化，若與起膜鏟的固頻相近，會(huì)產(chǎn)生共振，共振會(huì)加速結(jié)構(gòu)疲勞，縮短使用壽命.需要將結(jié)構(gòu)的固有頻率避開外部激勵(lì)范圍，以避免共振.本文借助有限元數(shù)值分析方法對起膜鏟模態(tài)求解，求解后得到前六階模態(tài)頻率和振型(表1).

表1 起膜鏟前6階模態(tài)分析

通過對起膜鏟工作環(huán)境和機(jī)理特征的分析，其受到的外激勵(lì)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、機(jī)具行走顛簸等產(chǎn)生，其中發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)激勵(lì)大小在50Hz左右；機(jī)具行走顛簸激勵(lì)大小在30Hz左右[7].結(jié)合模態(tài)分析結(jié)果對比，起膜鏟的前六階頻率在109～2 284Hz之間，整體頻值較高，與外部激勵(lì)明顯錯(cuò)開，有效降低了共振的風(fēng)險(xiǎn).模態(tài)頻率與模態(tài)振型結(jié)果為后續(xù)起膜鏟的維護(hù)、設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支持與方法支撐.

4 小結(jié)

本文依據(jù)起膜鏟結(jié)構(gòu)原理和工作阻力，通過分析起膜鏟關(guān)鍵參數(shù)、受力，得出起膜鏟安全系數(shù)為31.3，能滿足機(jī)器的工作要求.在利用Ansys軟件對其進(jìn)行模態(tài)仿真分析中得出：起膜鏟最大應(yīng)力13.729MPa，最大位移為0.179mm，所得數(shù)據(jù)在安全范圍內(nèi)；前6階固有頻率范圍在109～2 284Hz之間，不在所受外界激振頻率范圍內(nèi)，作業(yè)過程中不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象.