立秆式搂膜机搂膜齿的设计与有限元分析

鲁 兵，王旭峰，3，胡 灿，张攀峰

(1.塔里木大学 机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300；2.新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室，新疆 阿拉尔 843300；3.中国农业大学 工学院，北京 100083)



立秆式搂膜机搂膜齿的设计与有限元分析

鲁 兵1，2，王旭峰1，2，3，胡 灿1，2，张攀峰1，2

(1.塔里木大学 机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300；2.新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室，新疆 阿拉尔 843300；3.中国农业大学 工学院，北京 100083)

为了解决新疆棉花秋收作业后的残膜回收难题，设计了适用于新疆棉花种植模式的立秆式搂膜机。介绍了整机的基本结构和工作原理，运用相关理论对关键部件搂膜齿进行受力分析，并利用ANSYS对3种不同形式的搂膜齿在作业过程中的总变形和等效应力进行有限元分析。结果表明：单个搂膜齿在搂膜作业时承受水平方向的土壤阻力约为28.8～43.2N，竖直方向的土壤支持力约为47.4N；弯齿形式的搂膜齿作业过程中的最大总变形和等效应力最小，分别为34.61mm和340.29MPa；直齿与斜齿形式的搂膜齿作业过程中的最大总变形和等效应力值相接近，分别为65.67、68.28mm和462.06、472.28MPa。研究结果可为搂膜式残膜回收机的设计与改进提供参考。

残膜回收机；搂膜齿；有限元分析；ANSYS

0 引言

新疆是我国优质棉花的主要生产基地，棉花种植规模庞大。地膜覆盖技术在新疆棉花种植中已推广使用多年[1]，虽然给棉农带来了显著的经济效益，但也造成了棉田土壤严重的白色污染[2]。农用地膜厚度薄、强度低及棉田棉花种植密度大是造成新疆棉田残膜污染治理困难的主要原因。

目前，机械化回收残膜是我国治理残膜污染的重要举措[3]。国内已有一些农机生产企业、科研单位及农业院校先后研制出弹齿式、伸缩齿杆齿式、链齿式、振动筛式及搂齿式残膜回收机[4-9]。直立棉杆影响残膜回收机械对残膜的回收，并且棉秆粉碎还田有助于改善棉田土壤，为此有些科研机构研制出秸秆粉碎还田及残膜回收联合作业机[10-11]。国外使用的农用地膜厚度较厚、抗拉强度大，采用结构比较简单的卷膜辊式残膜回收机即可实现残膜机械化回收。虽然残膜回收机械研制出的机型很多，但适用于新疆大面积残膜回收作业的机型却比较少。

为了适应新疆的棉花种植模式和大农业的作业需求，采用搂膜原理设计研发了立秆式搂膜机，并对其关键部件搂膜齿进行了相关的理论计算和有限元分析，为搂膜式残膜回收机的设计与改进提供参考。

1 整机结构及工作原理

1.1 整机结构

立秆式搂膜机主要由牵引装置、搂膜齿、脱膜拨杆、双摇杆驱动装置、双摇杆装置推动油缸、棉秆护板及机架等几部分组成，如图1所示。

1.脱膜拨杆 2.搂膜齿 3.棉秆护板

1.2 工作原理

拖拉机与立秆式搂膜机通过牵引装置连接在一起，通过拖拉机牵引机具沿棉花苗行向前行走进行残膜回收作业。作业过程中，通过对准棉花苗行使各行棉花植株在相邻的两棉秆护板之间保持直立状态，达到棉花植株与搂膜作业区域分开，消除棉秆对搂膜作业的影响。搂膜齿在机架重力和拖拉机牵引装置的压力作用下，始终与地面保持紧密接触并伸入地表浅层的土壤耕层。机具在拖拉机牵引前行过程中，搂膜齿对地表及浅层的土壤耕层进行残膜回收作业。残膜回收机作业一段时间后，搂膜齿前收集了大量残膜，通过拖拉机的牵引装置将立秆式搂膜机升起，大部分残膜在重力作用下自然下落堆积在一起，少部分挂在搂膜齿末端部位的残膜通过双摇杆装置带动双摇杆驱动装置；双摇杆驱动装置驱动布置由一系列脱膜拨杆的转轴旋转，将挂在搂膜齿末端部分的残膜拨下，实现对棉田地表及浅层土壤耕层残膜的回收。

2 搂膜齿的基本结构与受力分析

2.1 搂膜齿的基本结构

搂膜齿是立秆式搂膜机的主要工作部件，其基本结构对搂膜齿的受力变形和应力大小分布有直接影响，且与机具的使用寿命直接相关。搂膜齿主要由固定牵引部分、弹簧弯曲部分、圆弧部分及末端直线部分组成。目前，常见的搂膜齿主要有3种基本形式，其具体结构如图2所示。

图2 搂膜齿的具体结构示意图

2.2 搂膜齿的受力分析

搂膜齿的固定牵引部分通过螺栓连接在机架上，搂膜齿在搂膜作业过程中主要受力包括拖拉机的牵引力F1、机架自重及牵引装置对其的压力F2、土壤对搂膜齿的阻力Ff及土壤对搂膜齿的支持力FN。其中，拖拉机的牵引力F1与土壤对搂膜齿的阻力Ff和机架自重及牵引装置对搂膜齿的压力F2与土壤对搂膜齿的支持力FN分别大小相等方向相反。图2所示的3种不同形式的搂膜齿在作业过程中变形与受力具体情况如图3所示。

图3 不同形式的搂膜齿的变形及受力分析

土壤对搂膜齿的阻力Ff和支持力FN可分别由公式(1)和公式(2)进行计算[12]，即

Ff=Ktab

(1)

(2)

式中Ff—机具前进的土壤阻力(kN)；

Kt—土壤比阻(kPa)；

a—搂膜齿的入土深度(m)；

b—搂膜齿的直径(m)；

FN—土壤对搂膜齿的支持力(N)；

G—整个机具承受的重力(N)；

n—机具搂膜齿的数量。

查阅农业机械设计手册可知，不同土壤性质的土壤比阻大小不同。根据新疆土壤性质，取土壤比阻Kt=60kPa[13]，搂膜齿的入土工作深度a为0.04～0.06m，单个搂膜齿在土壤中的工作宽度b为0.012m，整个机具的总重力G为5117N，整个机具的弹齿数量n为108个。因此，单个搂膜齿承受的土壤阻力Ff为28.8～43.2N，单个搂膜齿承受的土壤支持力FN为47.4N。

3 搂膜齿有限元分析

3.1 搂膜齿三维模型建立

运用ANSYS Workbench对搂膜齿进行有限元分析，模拟分析搂膜齿在搂膜过程中的受力变形及等效应力分布情况。对搂膜齿进行有限元分析之前，必须先建立其有限元分析的三维模型，模型采用的材料为65#钢。根据图2，运用SolidWorks建立3种不同形式搂膜齿的有限元分析模型。3种形式搂膜齿的固定牵引部分、弹簧弯曲部分、圆弧部分及钢材直径均相同，区别在于3者的末端直线部分与地面夹角不同(即搂膜齿的初始入土角不同)，并且3种形式的搂膜齿在竖直方向的尺寸也相同。

3.2 搂膜齿模型网格划分及加载

将建立的搂膜齿三维模型导入ANSYS仿真分析软件，采用Terahedrons网格划分中的Patch Conforming方法对建立的有限元分析模型进行网格划分[14]。搂膜齿固定牵引部分采用固定约束，搂膜齿在搂膜作业过程中主要承受土壤阻力和土壤对搂膜齿的支持力，根据相关理论计算出单个搂膜齿承受的最大土壤阻力为43.2N，支持力为47.4N。结合上述情况，对3种形式的搂膜齿进行网格划分及施加载荷，具体情况如图4所示。

图4 不同形式搂膜齿的网格划分及载荷施加

3.3 搂膜齿有限元分析结果

通过对不同形式的搂膜齿进行总变形和等效应力的有限元分析可得：在相同载荷条件下，弯齿形式搂膜齿产生的总变形和等效应力值均为最小，直齿形式搂膜齿产生的总变形和等效应力均大于弯齿形式搂膜齿产生的对应值，斜齿形式搂膜齿产生的总变形和等效应力值均为最大，并且直齿和斜齿形式的搂膜齿产生的总变形和等效应力值相接近。由图5(a)和图5(b)可知，弯齿形式搂膜齿产生的最大总变形和等效应力分别为34.61mm和340.29MPa。由图5(c)和图5(e)可知，直齿和斜齿形式搂膜齿产生的最大总变形分别为65.67mm和68.28mm。由图5(d)和图5(f)可知，直齿和斜齿形式的搂膜齿产生的最大等效应力分别为462.06MPa和472.26MPa。3种形式的搂膜齿的最大总变形均出现在搂膜齿直线部分的末端，最大等效应力均出现在固定牵引部分。

图5 不同形式搂膜齿总变形及等效应力分布云图

4 结论

1)立秆式搂膜机进行4～6cm棉田耕层搂膜作业时，单个搂膜齿承受土壤水平方向的阻力约为28.8～43.2N，承受土壤竖直方向的土壤支持力约为47.4N。

2)通过有限元分析可得：相同载荷条件下，不同结构形式的搂膜齿受力总变形及等效应力值均不相同；弯齿形式搂膜齿的最大总变形和等效应力分别为34.608mm及340.29MPa，是3种形式搂膜齿中总变形和等效应力最小的；直齿形式和斜齿形式搂膜齿的最大总变形和等效应力值相接近，分别为65.67mm、68.28mm和462.06MPa、472.28MPa。

3)上述3种形式的搂膜齿，作业时弯齿形式搂膜齿的入土角最小，斜齿形式搂膜齿的入土角最大，直齿形式搂膜齿的入土角居于二者中间。因此，弯齿形式搂膜齿的入土性能最好，直齿形式搂膜齿入土能力次之，斜齿形式搂膜齿的入土能力最差；但斜齿形式搂膜齿和直齿形式搂膜齿的自卸膜性能良好，弯齿形式搂膜齿需借助脱膜拨杆的辅助完成卸膜作业。

[1] 严昌荣，王序俭，何文清，等．新疆石河子地区棉田土壤中地膜残留研究[J]．生态学报，2008，28(7)：3470-3474．

[2] 蒋永新，刘晨，郭兆峰，等．新疆棉田残膜机械化回收技术现状分析及建议[J]．农机化研究，2014,36(6)：246-248．

[3] 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(10)：24-32．

[4] 侯书林，张淑敏，孔建铭，等．弹齿式收膜机的主要结构设计[J]．中国农业大学学报，2004，9(2)：18-22．

[5] 谢建华，刘鸿智，巩怀仁，等．行星架式伸缩杆齿拾膜机构的改进设计及试验[J]．农机化研究，2016,38(5)：122-126．

[6] 吕钊钦，张磊，张广玲，等．链条导轨式地膜回收机的设计与试验[J]．农业工程学报，2015，31(9)：48-54．

[7] 马少辉，张学军，任文涛．振动筛式残膜回收机的理论设计与试验研究[J]．农机化研究，2008(1)：132-134．

[8] 王学农，史建新，郭俊先，等．悬挂式棉秆粉碎还田搂膜机搂膜机构的设计与试验研究[J]．农业工程学报，2008，24(1)：135-140．

[9] 任萍，胡斌，罗昕．1MSF-2型立秆式地膜回收机的研制[J]．农机化研究，2016,38(9)：136-140．

[10] 王吉奎，付威，王卫兵，等．SMS-1500型秸秆粉碎与残膜回收机的设计[J]．农业工程学报，2011，27(7)：168-172．

[11] 何义川，王序俭，王吉亮，等．棉花秋收后残膜回收与茎秆粉碎联合作业机设计[J]．西北农业学报，2013，22(8)：199-204．

[12] 中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册(上册)[K].北京：中国农业科学技术出版社，2007.

[13] 牛长河，王学农，刘旋峰，等．基于有限元分析方法的棉田残膜回收机松土齿结构改进[J]．农机化研究，2016,38(3)：33-36．

[14] 黄志新，刘成柱．ANSYS Workbench 14.0超级学习手册[K]．北京：人民邮电出版社，2015．Abstract ID:1003-188X(2017)10-0063-EA

Design and Finite Element Analysis of Cuddle Plastic Film Tooth for Plastic Film Residue Collector Used on Vertical Cotton Stem

Lu Bing1,2, Wang Xufeng1,2,3, Hu Can1,2, Zhang Panfeng1,2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Tarim University, Alar 843300, China; 2.The Key Laboratory of Colleges & Universities under the Department of Education of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Alar 843300, China; 3.College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

In order to solve the problem of plastic film residue collection after Xinjiang cotton harvesting, a plastic film residue collector used on vertical cotton stem that was suitable for cotton cultivation mode of Xinjiang was designed. The whole structure and working mechanism of the machine were introduced, the key operation components of machine(cuddle plastic film tooth) were forces analysis by related theory, the total deformation and equivalent stress of three different forms cuddle plastic film tooth were analyzed during the operation process by ANSYS. Experiment results showed that the horizontal soil resistance of single cuddle plastic film tooth was from 28.8 to 43.2N and the vertical soil support force of single cuddle plastic film tooth was 47.4N during the operation process. The maximum deformation and equivalent stress of cuddle plastic film tooth with curve tooth were 34.61mm and 340.29MPa, while the plastic film tooth with straight tooth were 65.67mm and 462.06MPa, and the plastic film tooth with helical tooth were 68.28mm and 472.28MPa. The research results can provide reference of plastic film residue collector with cuddle film’s designed and improved.

plastic film residue collector; cuddle plastic film tooth; finite element analysis; ANSYS

2016-08-17

国家自然科学基金项目(11562019)；国家星火计划项目(2015GA891005)；公益性行业(农业)科研专项(201503105)

鲁 兵(1991-)，男，湖北黄冈人，硕士研究生，(E-mail) 1170027843@qq.com。

王旭峰(1974-)，男，甘肃天水人，教授，硕士生导师，(E-mail)wxfwyq@126.com。

S223.5

A

1003-188X(2017)10-0063-04