1MSF-3型残膜回收机机架的设计与优化

王科杰，罗 昕，胡 斌，陈 永，张 欢

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832003)



1MSF-3型残膜回收机机架的设计与优化

王科杰，罗 昕，胡 斌，陈 永，张 欢

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832003)

1MSF-3型残膜回收机的主要承载部件是宽幅可折叠式机架，其强度和刚度直接影响了残膜回收机的正常作业。为此，首先利用SolidWorks软件建立宽幅可折叠式机架三维参数化模型，并将模型导入ANSYS Workbench中进行静态特性分析，获得其在作业情况下的等效应力及等效位移云图；其次，基于AWE环境下的Design Explorer模块，采用DOE方法，以宽幅可折叠式机架中的各个梁横截面尺寸作为设计变量，以应力和位移为限制条件，质量作为优化指标对机架进行多目标设计优化。结果表明：优化后机架质量减少了10%，满足力学性能要求；机具结构的设计合理，为残膜回收机的设计提供了理论支持。

宽幅可折叠式机架；残膜回收机；有限元分析；轻量化

0 引言

地膜残留在土壤里未得到及时回收，严重污染农地生态环境，影响农作物正常生长，残膜回收机的研发与推广有效解决了残膜污染问题[1-2]。目前，中小型残膜回收机的残膜回收效率较低，满足不了农户日益增长的需求，而宽幅式残膜回收机的研制为提高残膜回收的作业效率提供了技术支持。

残膜回收机幅宽的增大使残膜作业效率提高，然而随着残膜回收机幅宽增大，机具的质量也会随之增大，且所需提供的动力大幅升高，降低了机具的使用经济性。通过减小机具的质量可减少其制造成本并降低动力输出，提高了经济性。机架的轻量化则为残膜回收机轻量化的主要方面。机架轻量化设计，在保证机架的强度和刚度设计要求情况下，通过尺寸优化法对机架的结构和尺寸进行重新设计，尽可能地减少机架的质量[3-7]。

本文以1MSF-3型残膜回收机的宽幅可折叠式机架为研究对象，利用尺寸优化方法对机具中的机架进行轻量化设计与研究，通过SolidWorks软件对机架进行建模，利用ANSYS Workbench软件在AWE环境下对宽幅可折叠式机架进行轻量化设计。

1 残膜回收机的结构与工作原理

1.1 残膜回收机的结构组成与主要技术参数

通过SolidWorks建立残膜回收机三维模型[8]，如图1所示。

1.卸膜装置 2.搂膜装置 3.护禾装置 4.机架侧梁 5.液压缸 6.机架中梁 7.牵引架 8.连接梁 9.销轴 10.行走轮 11.搂膜弹齿图1 残膜回收机结构图Fig.1 The structure of wide-folding plastic film residue collector

残膜回收机由搂膜装置、护禾装置、卸膜装置和宽幅可折叠式机架等组成。其中，9组护禾装置和10组搂膜装置均布在机架上，且护禾装置与搂膜装置相互交错设置，搂膜装置上安装有搂膜弹齿和行走轮。1MSF-3型残膜回收机的整机尺寸为6 990mm×1 790mm×1 015mm，作业速度为7.4km/h，配套动力为55～66kW。

1.2 残膜回收机的工作原理

工作过程中，拖拉机通过动力输出装置牵引残膜回收机运动，宽幅可折叠式机架呈展平状态，护禾装置顺着棉秆精确对行，搂膜装置通过行走轮实现上下对地自动仿形，搂膜弹齿进行收膜作业，护禾装置上安装有卸膜装置，卸膜装置将回收的残膜自动卸于打包带区域。当残膜回收机完成地膜回收作业后，为便于残膜回收机的运输，通过机架上的液压缸驱动将两侧的机架侧梁对折，实现了在非工作状态下机具幅宽的减小，满足了道路交通运输要求。

1.3 宽幅可折叠式机架工作要求

保证机架应力及变形在允许范围内，同时在满足刚度及强度要求情况下，尽可能使机架轻量化。

2 机架结构尺寸参数确定与载荷计算

2.1 宽幅可折叠式机架结构尺寸参数确定

宽幅可折叠式机架由机架侧梁、机架中梁、牵引架、液压缸、连接梁及销轴等构成。其中，机架中梁两侧的机架侧梁、液压缸相互对称设置，连接梁与连接梁之间通过销轴铰接。宽幅可折叠式机架主要承载部件的尺寸参数如表1所示。

2.2 宽幅可折叠式机架载荷计算

宽幅可折叠式机架的结构参数设计通过残膜回收机的搂膜装置、卸膜装置、护禾装置结构尺寸参数及其所受作用载荷大小进行确定，宽幅可折叠式机架上所受垂直方向载荷为护禾装置和卸膜装置的重力作用载荷，其水平方向载荷为搂膜装置所受水平方向合力。

表1 宽幅可折叠式机架主要部件截面形状和壁厚Table 1 Cross section shape and thickness of each main component for Wide-Folding frame mm

因此，首先通过SolidWorks软件定义残膜回收机各部件材料并测算出其质量，获得残膜回收机各部件质量大小，从而确定护禾装置和卸膜装置的重力作用载荷大小。经计算得到以下参数：

GLi=545N,GHj=703N,G中梁=991N,G侧梁=550N。

其中，GLi为第i组搂膜装置所受的重力(N)；GHj为第j组护禾装置所受垂直方向作用力(N)；G中梁为机架中梁所受的重力(N)；G侧梁为机架侧梁所受的重力(N)。其次，在残膜回收机工作过程中，残膜回收机平稳作业，残膜回收机的运动状态视为静态平衡，宽幅可折叠式机架处于平衡状态，则通过机架受力平衡分析并计算出机架上各作用力，机架主要受力情况如图2所示。

图2 宽幅可折叠式机架受力图Fig.2 The force analysis of wide-folding frame

在图2中：第j组护禾装置对机架的垂直作用力FHj与护禾装置所受垂直方向作用力GHj平衡，有

FHj=GHj

(1)

行走轮是搂膜装置的主要重力承载对象，土壤通过行走轮对搂膜装置起支撑作用，搂膜装置未对机架施加垂直方向作用，则搂膜装置所受重力与土壤对行走轮的支撑力平衡。土壤对行走轮施加的水平摩擦力F轮i的计算公式为

N轮i=GLi

(2)

F轮i=μN轮i

(3)

式中 μ—土壤与行走轮之间的摩擦因数，取值为0.5；

GLi—搂膜装置的重力；

N轮i—土壤对行走轮的支撑力。

在残膜回收过程中，搂膜装置水平方向载荷包括搂膜装置中各搂膜弹齿所受水平阻力之和F弹齿及行走轮受到的水平摩擦力F轮i，搂膜装置施加在机架上的作用力FLi(即为搂膜装置所受水平方向阻力)与机架对搂膜装置的牵引力为一对平衡力，其计算公式为

FLi=F轮i+F弹齿

(4)

机架除受到搂膜装置对其施加的水平作用力FLi和护禾装置对其垂直作用力FHj外，还受到悬挂装置通过牵引架对机架的作用力。

在搂膜过程中，残膜回收机搂膜工作稳定地进行依靠于机架能够保持平稳状态，此时机架受力平衡，则牵引架所受的水平作用力应与搂膜装置对机架水平作用力FLi达到平衡，牵引架所受的垂直作用力与护禾装置对机架垂直作用力FHj达到平衡。牵引架所受垂直方向外载由悬挂装置对其施加向上的支撑力FZ1和支撑力FZ2构成，所受水平方向外载由悬挂装置对其施加的牵引力FQ1和牵引力FQ2构成。计算公式为

(5)

FQ1=FQ2

(6)

Fx=0

(7)

(8)

FZ1=FZ2

(9)

Fy=0

(10)

将式(3)、式(5)、式(6)代入到式(4)中整理得

(11)

将式(1)、式(8)和式(9)代入到式(7)中整理得

(12)

2.3 宽幅可折叠式机架上的液压缸参数设计

2.3.1 液压缸载荷受力分析

图3 液压缸载荷受力简图Fig.3 The force analysis of hydraulic cylinder

依据液压缸受力平衡条件，将液压缸所受拉力F拉(即为活塞杆拉力)分解为垂直方向拉力F拉y和水平方向拉力F拉x，则有

F拉y=F拉·sinθ

(13)

G=F拉y

(14)

(15)

将式(14)、式(15)代入到式(13)中整理得到

(16)

其中，θ为液压缸与水平面的安装角，θ=5°。经代入值计算得出F拉=49 268N。

2.3.2 活塞杆和液压缸筒参数尺寸

根据计算出得到的活塞杆拉力F拉，设计液压缸中的活塞杆和液压缸筒参数尺寸[9]。活塞杆受到拉力远大于所受弯曲变形力，则其公式为

σ杆=4F拉/(π·d2)

(17)

(18)

活塞杆作为长杆件，为满足其稳定性要求，对活塞杆稳定性进行计算，其公式为

Fk=(1.02fd4/e2)×1011

(19)

其中，Fk为活塞杆纵向弯曲破坏的临界载荷(N)；f为末端系数，f=2；e为活塞杆在最大伸出时的活塞杆端支点和液压缸安装点间距(m),e=1 145mm，计算得Fk=95 642N，Fk>F拉，活塞杆满足稳定性要求。

基于活塞杆的尺寸参数确定液压缸筒尺寸参数[9]。液压缸筒为无缝钢管，初选液压缸筒内径D为63mm，液压缸筒壁厚δ为6mm，D/δ的比值为10.5，其计算公式为

P=4F拉/(π·D2)

(20)

Py=1.5P

(21)

(22)

(23)

式中 P—工作压力(MPa)；

Py—试验压力(MPa)；

C—计入壁厚公差及腐蚀的附加厚度，通常圆整到标准厚度值，C取值1.7mm；

ψ—强度系数，无缝钢管系数取1；

σb—液压缸筒材料的抗拉强度(MPa)，液压缸筒材料选用45钢，取值为600MPa；

n—安全系数，n=3.5～5，一般取n=5；

3 宽幅可折叠式机架的有限元分析

3.1 建立有限元模型

在SolidWorks软件中对宽幅可折叠式机架三维模型机架侧梁的截面尺寸中的宽度DSh1和 机架侧梁的壁厚DSv2设定为参数，将其模型导入ANSYS Workbench，首先定义其材料属性。宽幅可折叠式机架上的液压缸筒和活塞杆材料采用45钢，弹性模量为210GPa，泊松比为0.269，材料密度为7 850kg/m3，屈服强度为355MPa。宽幅可折叠式机架上的机架中梁、机架侧梁、牵引架、连接梁、销轴等构件材料均采用通用的普通碳素结构钢Q235，弹性模量为206GPa，泊松比为0.28，材料密度为7 850kg/m3，屈服强度为235MPa，取安全系数为1.4，许用屈服强度为167.86MPa。然后，对机架进行网格划分，网格尺寸控制参数设定为30mm，共划分107 507个单元和212 658个节点[10-11]。

3.2 施加约束及载荷

残膜回收机工作过程中，机架呈平展状态，机架侧梁、机架中梁和牵引架为承受对象。约束条件：限制机架中梁底面的平动自由度UX、UY、UZ和两个方向上的旋转自由度ROTY、ROTZ；释放液压缸、机架侧梁与机架中梁的交接处绕销轴轴心的旋转自由度ROTX，对机架进行应力与位移计算[12-13]；将机架所受简化为等效载荷施加到宽幅式机架的各个受力相应部位；在机架上均布施加水平方向作用力FLi和垂直方向作用力FHj，在牵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 结果分析

经求解计算，获得位移云图如图4(a)所示,位移发生最大变形处发生在侧梁的端部,最大位移为3.62mm，许用挠度为10mm。机架应力如图4(b)所示。机架的最大受力处位于连接梁与机架侧梁的连接处及牵引架与机架中梁的连接处，最大应力值为106.51MPa，小于许用屈服强度为167.86MPa。因此，刚度和强度皆满足设计要求。

(a) 位移云图

(b) 应力云图图4 位移及应力云图Fig.4 The equivalent stress and total deformation contours clouds

4 宽幅可折叠式机架优化设计及验证

4.1 响应面设计

为实现机架的轻量化又达到机架工作性能要求，以机架侧梁的宽度和机架侧梁的壁厚为输入参数，刚度和强度为输出参数，得到机架侧梁的宽度和机架侧梁的壁厚与强度、刚度及质量的响应曲面云图[14]，如图5所示。

根据输入与输出参数响应曲面可知：折叠机架的强度、刚度与其质量呈制约关系，随着机架侧梁的宽度和机架侧梁的壁厚与强度的减小，折叠机架的质量减小，但折叠机架的强度和刚度会随着增大；折叠机架的质量与其强度、刚度不能同时减小，则以折叠机架的质量的减小为优先优化目的进行优化设计。

(a) 机架侧梁的宽度和壁厚对折叠机架强度的响应曲面

(b) 机架侧梁的宽度和壁厚对折叠机架刚度的响应曲面

(c) 机架侧梁的宽度和壁厚对折叠机架质量的响应曲面图5 机架侧梁的宽度和壁厚对折叠机架强度、刚度及质量的响应Fig.5 Response surface of frame side beam’s height and thickness to the intensity, stiffness and mass of folding frame

4.2 优化设计

由于不能同时实现质量、强度和刚度最小化，因此以机架质量为优化目标，实现机架轻量化优化设计[15-18]。因机架上的两端侧梁最易发生变形，因此以机架侧梁作为优化对象，机架侧梁的横截面尺寸DSh1×DSh2为100mm×100mm，机架侧梁的壁厚DSv2为6mm。在优化设计过程中，为便于计算模型简化及准确分析，以侧梁的横截面宽度DSh1及其壁厚DSv2作为设计变量，参数DSh1最初值为100mm，设定85～115mm为变动范围；参数DSv2最初值为6mm，设定4～8mm为变动范围，根据需要优化的参数数目，利用中心组合设计方法计算得到各个设计点的运算结果，各个设计点求解结果如表2所示。

表2 设计点求解结果Table 2 Solved result at resign point

据设计点求解及分析得最优结果如表3所示。

表3 变量优化前后值Table 3 Values of the variables before and after optimization

由表3可知：此时机架最大位移为4.77mm，最大应力值为121.57MPa，机架变形量小且未超过许用强度，优化后的机架质量由229.74kg减轻至206.79kg，降幅达到10%，满足残膜回收机的工作要求。

4.3 样机的田间试验

2015年10月16-18日，在新疆昌吉五家渠共青团农场进行了1MSF-3型残膜回收机的反复试验。试验表明：残膜回收作业正常，机架侧梁、机架中梁与连接梁的焊接位置均未出现裂纹或脱落现象，机架呈平展状态且未发生横向及纵向变形等情况，较好地满足了残膜回收机的作业要求。

5 结论

1)利用有限元力学分析软件ANSYS Workbench软件对1MSF-3型残膜回收机的机架进行静力学分析，并对机架进行轻量化设计，其质量减轻了10%，实现了机架的轻量化要求。

2)经田间试验机架变形量与有限元分析结果较相吻合，验证了有限元模型的准确性。

3)本文的结构轻量化研究与试验为宽幅式残膜回收机机架的研究提供了一定的参考依据。

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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

新疆生产建设兵团重大科技专项(2014AA002)；农业部行业专项(201503105)

王科杰(1988-)，男，江西上饶人，硕士研究生， (E-mail)1421243560@qq.com。

罗 昕(1969-),女,四川隆昌人,教授,硕士生导师，(E-mail)1187169629@qq.com。

S223.5

A

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