多功能全覆膜机上土机构的结构改进

张争虎，王 媛

（庆阳布谷鸟机械制造有限公司，甘肃正宁745300）

随着近年来农业机械的不断发展，市场上各类农业机械越来越多。但是由于农业机械工作环境的复杂性，新设计出的机械往往会出现很多问题。比较典型的是由于田间土块、杂草影响导致应力激增引起的构件破坏[1]。目前大多数企业的应对方法是通过大量实验确定问题所在，然后进行改进。这种方法往往成本高昂，并且费时费力。实验结果也只能得到定性分析，无法得到精确地定量分析结果[2]。因此，利用计算机技术对机器工作过程中的状态进行模拟是一种节省成本、方便有效的方法。通过对某一构件进行有限元模拟，就能够得到准确的优化参数[3-5]，有针对性的对机构进行改进。本文对一种多功能全覆膜机在田间作业中出现的轴断裂问题进行模拟分析，由于田间作业环境的影响，覆膜机下部机构工作时往往会受到土块、杂草的影响。当上土机构的链排之间夹入土块或杂草时，链轮对轴的作用力会突然增大，当这种现象反复出现，轴极易发生破坏。本文结合COMSOL Multiphysics 5.4 有限元软件对全覆膜机的上土从动轴进行建模，通过对有限元模型的计算结果进行分析，得出具体的破坏原因后对结构进行改进，从而避免轴的损坏。

1 机构介绍

本文所用实验机器为1MXLQ-120 型旋耕灭茬起垄全覆膜机（庆阳布谷鸟机械制造有限公司），该机器一次作业可完成全幅旋耕、灭茬、起垄、覆膜、覆土、镇压联合作业，对农田土地进行全膜覆盖。该机悬挂在四轮拖拉机后方，通过万向节与拖拉机动力输出轴连接，装好膜辊并在地上铺平压实地膜，结合动力输出离合同时缓慢落下机具，在机组前行时，通过万向节带动中间齿轮箱转动，中间齿轮箱通过侧减速箱带动旋耕刀轴转动、通过链条带动送土链排轴转动，旋耕刀轴旋耕起来的一部分土由送土链排输送给溜土板，同时整形轮在旋耕过的地面上压出垄沟和边沟，机组前行拖动地膜辊展膜辊转动展开地膜；溜土板通过导流板将土分流到膜面垄沟和边沟完成作业。其中，上土机构的主要结构如图1 所示。

2 有限元模型

为了得到轴的受力情况，采用COMSOL 结构力学中的转子动力学物理场来进行分析。材料属性设置为45 号钢，来自于COMSOL 内置材料库。

2.1 假设条件

一是作业过程中轴上所受力的大小服从随机正态分布，该假设并不能描述实际工作情况，仅为了模拟夹土、夹草等特殊情况带来的受力变化。

二是从动轴左右对称，可只对轴的一半进行分析以减少计算量。

三是重力对于轴的破坏影响不大，本模型中不予考虑。

2.2 有限元网格模型

在Solid Works 三维建模软件中建好模型后导入COMSOL 几何模块。采用自由四面体网格进行划分，通过多次划分发现当网格加密到一定程度后，继续加密并不能较大改善网格质量，但加大了运算成本。因此，采用常规的网格密度，划分结果包含5 779个单元、1 457 个网格顶点。模型如图2 所示。

数值模型：为了描述模型的形变与应力分布，必须构建模型的控制方程。该方程可由牛顿第二定律推出，其形式如式（1）所示。

式中，ρ 为密度，其值来自材料属性，为7 850 kg/m3；u为位移，单位为m；Fυ为体积力，即重力，本模型暂不考虑。S 为边界载荷，单位为N，为了模拟田间作业时的不确定性，载荷的大小通过随机正态分布的形式给出，其值如式（2）所示。

式中，平均值μn为10，标准差σn为10。

设置轴沿轴心匀速旋转，转速为200 rpm。链排作用于轴的力以边界载荷的形式给出，其值如上所述，并规定边界载荷的作用方向不随轴运动，这符合实际工作情况。

3 模拟结果

通过后处理模块可以得到整个模型的受力云图。由模拟云图3 可以看出，随着时间的变化，应力的大小与分布都不断发生变化，应变也同样在变化，应力与应变的分布具有相似性，并且二者最大值都位于链排链轮与轴的配合部分。而在田间作业中，正是这一部分容易发生断裂，这与有限元模型的计算结果相吻合。

为了详细表示轴内部的受力情况，在轴易断裂部分的横截面上取了4 个数值采样点，具体位置如图4 所示。

通过模拟计算结果可以得到各点上的应力值随时间的变化曲线，如图5 所示。从图5 中可以看出，从点4 到点1 应力逐渐减小，即从轴表面到内部应力越来越小。从时间分布上可以看出，随着轴的旋转，同一点上的应力做类似于周期性的变化，且因为输入载荷的不同，变化幅度有不同的起伏。说明造成轴内部应力变化的原因主要有两个：一是轴的旋转造成受力位置和受力方向的变化；二是夹土、夹草等意外情况带来的影响。而总体上该截面应力最大值接近于6.5×106N/m2，小于图3 所示整轴上的最大应力，也小于45 号钢的许用应力。说明轴在此处的断裂是由于类似于交变应力的内部应力变化导致的疲劳破坏[6]。

4 改进设计

为了减少上土作业过程中的应力变化，在保证实现机构功能的前提下，必须避免夹土、夹草情况的出现或限制轴的转动。由于田间作业时环境条件难以控制，本文采用的方法是将原安装于侧板上的轴承机构移除，而在链排链轮与从动轴之间加装轴承机构，通过轴承的转动来代替轴的转动。使得链排在运动的同时，轴不进行旋转，具体结构如图6 所示。该种结构可以有效避免轴受到方向不断变化的往复力，使轴所受力固定在一个方向上，降低了轴发生疲劳破坏的可能。在将新结构安装在全覆膜机上后，通过跟踪调查发现，轴的损坏率由原结构的50%缩短到1%（以1 年为统计周期，统计样本为100 台）。说明改进后的新型上土机构能够有效避免轴的疲劳破坏，旋耕灭茬起垄全覆膜机能够长期稳定作业。

5 结论

一是有限元模拟方法可以代替费时费力的人工试验，在有限元模拟软件的帮助下可以方便、快捷的进行受力分析，从而找出问题所在。该种方法可以大大减少企业的创新成本，为机器改进提供有力依据。

二是上土机构作业过程中，轴的旋转和链排夹土、夹草是造成轴内应力变化的主要原因，轴截面上最大应力接近6.5×106N/m2，低于45 号钢的许用应力。导致轴断裂的主要原因是应力大小与方向的不断变化引起的疲劳破坏。

三是移除原来安装在侧板与轴之间的轴承，在链排链轮与轴之间加装轴承，用轴承的转动代替轴的转动，从而避免轴受到往复变化的力。

四是通过跟踪调查发现改进后的上土机构能够有效避免轴的疲劳破坏，将轴的损坏率由50%降低到1%，提高了田间作业的可靠性，大大降低了企业的维修成本。