基于残膜力学特性的弹齿拾膜接触分析及实验

谢建华， 侯书林，张学军 ， 张田毓

(1.新疆农业大学 机械交通学院，乌鲁木齐　830052；2.中国农业大学 工学院，北京　100083)



基于残膜力学特性的弹齿拾膜接触分析及实验

谢建华1， 侯书林2，张学军1， 张田毓2

(1.新疆农业大学 机械交通学院，乌鲁木齐830052；2.中国农业大学 工学院，北京100083)

摘要：由于地膜的厚度、破损程度对弹齿式拾膜机构的拾膜率有重要影响，为提高拾膜率，必须了解残膜力学性能。为此，从残膜力学性能的分析出发，研究不同厚度的残地膜的抗拉强度、延伸率等力学性能的变化及残膜力学性能与弹齿捡拾机构性能之间的关系，为拾膜机构的设计提供理论依据。采用有限元法分析拾膜弹齿与地膜作用时的受力和变形情况，并采用高速摄影试验验证理论分析及仿真结果的正确性。

关键词：残膜回收；残膜；弹齿；物理力学特性；有限元法

0引言

为了解决残膜回收问题，国内外研究者研制了大量残膜回收机具[1-8]。由于缺乏残膜力学特性的研究，目前对残膜回收机具的研究多依赖经验数据，导致实际工作中出现捡拾机构对地膜作用力过大或过小产生拾膜不可靠的现象。为此，针对地膜的力学性能进行研究与测试，测试其厚度与抗拉强度及延伸率的关系，找到不同厚度残地膜力学性能的变化趋势，用以确定残地膜在回收过程中能够承受工作部件的作用力；并以此为基础，利用有限元法和高速摄影技术，研究拾膜弹齿与地膜作用时弹齿与地膜的变形情况，为残膜回收拾膜机构的设计提供理论和试验依据。

1残膜物理力学性能测试

1.1实验方法和实验对象

由于地膜与残膜回收机具设计主要相关的因素是其物理机械性能，按照GB/T 1040.3-2006中的第3部分(薄膜与薄片的实验)的要求，对采集的地膜进行物理机械性能研究[9]。

实验时，使用裁纸刀、双面胶、剪刀等工具将备测地膜制备成纵向、横向拉伸试样，试样宽度为10mm、长度为150mm(其中夹持部分内两条平行标线间隔为100mm)，纵向、横向拉伸试样如图1所示。直角撕裂试样呈燕尾状，长度为100mm(夹持部分内两条平行标线间隔60mm)，具体形状如图2所示。由于破损地膜程度不一，为了保证实验的可比性，选择备测试样时，以确保备测试样无可见破损、边缘光滑且无缺口。

图1　地膜纵向、横向拉伸试样

图2　地膜直角撕裂试样

1.2实验过程

农用地膜作为塑料的一种，其典型的物理力学特性就是拉伸后的伸长程度和拉伸负荷(最大拉伸载荷)，通常用延伸率表达地膜受拉后伸长的程度。断裂延伸率是地膜试样在拉断时的位移值与原长的比值，以百分比表示，即

(1)

式中δb—断裂伸长率(%)；

L—地膜试样断裂时标线之间的间距(mm)；

L0—地膜试样初始的标线间距(mm)。

根据国标GB/T 1040.3-2006，采用INSTRON 3367双立柱万能材料试验机测试各自的纵向拉伸、横向拉伸及直角撕裂3种情况的极限拉伸载荷和拉伸位移，每种测试项目随机选取10个试样。实验过程如图3所示。

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图3　试验过程

1.3实验结果及分析

厚度分别为0.006 mm和0.012 mm的残地膜的力学性能，如表1所示。

表1　残地膜力学性能测试结果

由表1可知：厚度相同的残地膜的拉伸负荷中，纵向和横向拉伸负荷相差不大；纵向和横向拉伸负荷均大于直角撕裂拉伸负荷，这与新地膜的力学特性一致。地膜的纵向、横向拉伸断裂延伸率大于直角撕裂断裂延伸率。

表1中，厚度为0.006mm的残地膜的平均拉伸载荷均小于0.012mm的残地膜。其中，纵向拉伸载荷减小37.59%，横向拉伸载荷减小38.68%，直角撕裂载荷减小29.60%，厚度为0.006mm的残地膜的断裂延伸率小于0.012mm残地膜的断裂延伸率。其中，纵向拉伸断裂延伸率减小20.35%，横向拉伸断裂延伸率减小26.27%，直角撕裂断裂延伸率减小35.09%。

与新地膜的力学性能相比[10]，残地膜纵向、横向拉伸负荷和横向拉伸断裂延伸率等力学特性发生明显变化。厚度为0.012mm的残地膜与相同厚度、未加耐候剂的新地膜相比，纵向、横向抗拉强度平均降低了40.43%以上，最小断裂伸长率减少了43.01%。这说明铺设时间对地膜力学性能影响显著。

2弹齿与被捡残膜间受力变形分析

2.1地膜拉伸的有限元解法

地膜在被捡拾过程中，其应力状态达到极限值后，迅速产生塑性变形。由于地膜属于非线性材料，其变形与时间有关。根据非线性弹性理论，应力与应变的关系为[11]

σ=E(ε)·ε

(2)

式中σ—材料的应力(MPa)；

ε—材料的应变。

应力、应变与作用力F存在关系为

∫VDTσdV-F=0

(3)

式中D—单元应力矩阵。

根据非线性弹性问题的迭代步骤，用非线性平衡方程表示，则

(4)

u—单元位移矩阵。

将式(2)改为增量形式，有

dσ=ET(ε)·dε

(5)

dψ=KT·du

(6)

根据牛顿—拉斐逊法，得到迭代公式为

(7)

ψn=∫VDTσndV-F

2.2残膜与弹齿有限元模型的建立

地膜材料为低密度聚乙烯，其密度0.92×103kg/mm3，弹性模量0.6 GPa，泊松比1.34。在定义残地膜材料属性时，输入厚度为0.008mm的残地膜力学性能试验得到的载荷与变形值，在ANSYS软件中得到地膜应力应变关系如图4所示。弹齿材料为55 Si2MnVB，密度为7 860 kg/mm3，弹性模量为1.96GPa，泊松比0.3。

图4　0.008mm残地膜材料特性

在进行有限元分析时，首先要根据分析对象的几何结构、分析类型以及所要求的精度等因素，选择合适的单元类型。由于弹齿结构属于实体，地膜属于壳体，因此弹齿选用solid178实体单元，地膜采用shell63壳单元。地膜节点数为40 004个，单元数为3 000个；弹齿节点数为142 572个，单元数为76 558个。

对弹齿捡拾地膜进行非线性分析时，在弹齿的旋转中心位置定义局部坐标系，在弹齿实际安装位置设定全约束。载荷定义在弹齿末端，考虑地膜厚度和不被拉断所能承受的力施加载荷，确定施加在弹齿末端的载荷大小为7N。地膜模型长度为300 mm，单根弹齿作用宽度为70mm，模型一端约束，另一端施加与作用在弹齿上相同大小的拉应力。

2.3残膜与弹齿捡拾受力变形情况分析

由图5可知：地膜靠近固定端出现变形，最大变形为23.39mm，最大应力为7.82MPa，最大应力出现在施力一端；弹齿最大变形出现在弹齿端部，最大变形量为27.01mm，最大应力出现在弹齿螺旋部分中部固定位置处，最大应力为160MPa，小于材料许用应力。

3高速摄像验证

弹齿式拾膜机构在捡拾地膜时，地膜在弹齿出土瞬间被挑起，并在升运过程中被拉伸。同时，弹齿也相应发生弹性位移，仅凭人的肉眼很难观察其变形情况。由于高速摄像机技术具有图像快速记录、实时目标捕获和即时回放等显著优点，近年来在农业装备研究中得到广泛应用[13-15]。

图5　地膜与弹齿受力变形情况

3.1实验设备与实验方法

利用试验台和高速摄像分析系统对拾膜机构捡拾地膜时地膜与弹齿的变形情况进行分析，如图6所示。试验所用高速摄像机型号为Phantom v5.1，分辨率为1 024×1 024像素，SR-CMOS传感器拍摄速度选500帧，最小曝光时间2μs，影像输出格式可以选择AVI、TIFF、BMP等，采用Version606图像分析软件分析高速摄像机采集的影像。

图6　高速摄像试验系统

3.2测定参数的确定

为了测定捡拾地膜时地膜与弹齿的变形情况，选择在地膜被挑起后、向上升运过程中弹齿偏离正常位置的距离和地膜被拉伸的长度做为测定参数。

由于高速摄像拍摄的图片是在线跟踪拍摄，每幅图片的视觉是确定的，且各图片的像素坐标一致，因此取某一标准尺寸Lb(Lb为图7中芯轴轴心到弹齿轴轴心的距离)为参考对象。根据参考对象的像素数L、参考对象的标准尺寸与像素长度的比值(记为k)，即

(8)

为求出弹齿末端和地膜的变形，需要把像素单位转换为实际尺寸。在分析时选取图片中弹齿芯轴轴承座中心(小黑点)为像素坐标原点，通过弹齿末端运动位置求出弹齿末端距离原点的像素距离LO，则弹齿末端与坐标原点的实际距离为k×LO。同理，可得弹齿捡拾地膜时的偏离正常位置的距离LT和地膜拉伸量LM。

3.3实验结果及分析

取厚度为0.008mm聚乙烯农用地膜，按照垄宽30cm、垄高10cm、边膜压入垄高下2/3～3/4处的农艺要求铺设。实验初始条件及实验结果如表2所示。

图7　实验标定和测定参数

项目台车速度ν/m·s-1速比i地膜拉伸角度θ/(°)θ形成时间t/sLT/mmLM/mmΔLM/mm工况10.50.8200.35830.40210.9631.96工况20.70.5200.21420.34158.318.51

高速摄影测定的地膜与弹齿的变形量与仿真结果一致：工况1时，弹齿末端被向后拉30.40mm，地膜变形31.96mm；工况2时，弹齿末端被向后拉20.34 mm，地膜变形8.51mm。弹齿拾膜过程如图8所示。

图8(a)为弹齿在工况1下的拾膜过程；图8(b)为弹齿在工况2下的拾膜过程，相邻两幅图片时间间隔为0.2s。由图8可以看出:当弹齿轴线速度与机具行进速度的比值为0.8时，弹齿能够捡拾上地膜，并且在向上运输过程中不会滑落;当弹齿轴线速度与机具行进速度的比值为0.5时，弹齿能够挑起地膜，但在升运过程中地膜会滑落。出现这种现象的主要原因是:弹齿轴与机具行进速度的比值较大时，弹齿挑起地膜后快速向上升运，使地膜在弹齿上保持较大正压力，能够克服由于自重原因导致下滑;而弹齿轴与机具行进速比较小时，被挑起的地膜对弹齿的正压力较小，不足以克服自重下滑导致升运过程中脱落。

(a)　　　　　　　 (b)　　　　　　 　(c)

(d) 　　　　　　　 (e)　　　　　　　　 (f)

(a)　　　　　　　 (b)　　　　　　　　 (c)

(d) 　　　　　　　 (e)　　　　　　　　(f)

4结论

1)通过对残地膜的力学性能进行测试与分析，得出0.006mm残地膜比0.012mm的残地膜纵向拉伸载荷减小37.59%，横向拉伸载荷减小38.68%，直角撕裂载荷减小29.60%；纵向拉伸断裂延伸率减小20.35%，横向拉伸断裂延伸率减小26.27%，直角撕裂断裂延伸率减小35.09%。与厚度相同的新地膜的力学性能相比，残地膜纵向、横向拉伸负荷和断裂伸长率等力学特性发生明显变化。厚度为0.012mm的残地膜(不加耐候剂)纵向、横向抗拉强度至少降低40.43%，最小断裂伸长率减少43.01%。残膜的力学性能测试说明地膜厚度和铺设时间对地膜力学性能影响显著。

2)采用非线性有限元法对拾膜过程中地膜与弹齿的接触情况进行了分析:膜的变形靠近固定端，最大变形为23.39mm，最大应力出现在施力一端，最大应力7.82MPa;弹齿最大变形出现在弹齿端部，最大变形量为27.01mm，最大应力出现在弹齿固定位置处，最大应力为160MPa。

3)利用高速摄像系统对拾膜机构进行了实验，测试了地膜与弹齿的接触变形情况。实验结果表明地膜在被捡拾过程中的变形量影响弹齿拾膜率，且变形量与弹齿末端速度及机具行进速度有关。

参考文献：

[1]侯书林,胡三媛,孔建铭,等.国内残膜回收机研究的现状[J].农业工程学报,2002,18(3):186-190.

[2]陈发,史建新,王学农,等.弧型齿残膜捡拾滚筒捡膜的机理[J].农业机械学报,2006,37(6):36-41.

[3]白圣男,张惠友,杨晓丽,等.弹齿式收膜机的弹齿预选轨迹方程的建立[J].东北农业大学学报,2007,38(6):832-834.

[4]胡凯,王吉奎,李斌,等.棉秆粉碎还田与残膜回收联合作业机研制与试验[J].农业工程学报,2013,29(19):24-31.

[5]薛文瑾,王春耀,朱振中,等.卷膜式棉花苗期残膜回收机的设计[J].农业机械学报,2005,36(3):148 -149, 147.

[6]谢建华,侯书林,付宇,等.残膜回收机弹齿式拾膜机构运动分析与试验[J].农业机械学报,2013,44(S1):94-99.

[7]陈发,史建新,赵海军,等.固定凸轮残膜捡拾机构的优化设计[J].农业机械学报,2005,36(12):43-46.

[8]杨丽,刘佳,张东兴,等.棉花苗期地膜回收机设计与试验[J].农业机械学报,2010,41(增刊):73-77.

[9]中华人民共和国国家技术监督局.GB/T 1040.3-2006,塑料拉伸性能的测定(3):薄膜和薄片的试验条件[S].北京:中国标准出版社,2006.

[10]中华人民共和国国家技术监督局.GB 13735-92,聚乙烯吹塑农用地面覆盖薄膜[S].北京:中国标准出版社,1992.

[12]郭乙木,陶伟明,庄茁.线性与非线性有限元及其用[M].北京:机械工业出版社,2005.

[13]李心平,马福丽,高连兴.玉米种子脱粒过程高速摄影观察分析[J].农业机械学报,2009,40 (11):46-49.

[13]李成松,坎杂,谭洪洋,等.加工番茄果秧分离装置运动过程分析[J].农业机械学报,2012,43(4):66-69.

[14]牟向伟,区颖刚,刘庆庭,等.甘蔗叶鞘剥离过程弹性齿运动分析与试验[J].农业机械学报,2014, 45(2):122-129.

Contact Analysis and Experiment of Spring-tooth Collecting Plastic Films Based on Mechanical Properties of Plastic Film Collector

Xie Jianhua1, Hou Shulin2, Zhang XueJun1, Zhang Tianyu2

Abstract：Because the degree of damage and of films have important impacts on the received rate of plastic film, the physical and mechanical properties of plastic film should be found out for improving the received rate of plastic film. As a starting point for analyzing the physical and mechanical properties of film, the changes of the mechanical properties of Plastic films of different thickness are researched, and the relationship between the physical and mechanical properties of film and the performance of the spring-tooth mechanism for picking up plastic film are researched too. The researches provided a theoretical basis for the design of the spring-tooth mechanism for picking up plastic film. The force and deform of the spring-tooth and film is analyzed by the finite element method, and the results of theoretical analysis the accuracy of the simulation are verified by the high-speed photography test.

Key words：plastic film recycling; plastic film; spring-tooth; mechanical properties; finite element method

文章编号：1003-188X(2016)01-0177-05

中图分类号：S223.5

文献标识码：A

作者简介：谢建华(1975- )，女，四川安岳人，副教授，博士，(E-mail)xjh199032@163.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51465057)；国家高技术研究发展计划项目(2012AA10A503-4)

收稿日期：2014-12-28