孫榆歡， 張 鵬

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

地膜覆蓋種植能夠有效減少水分蒸發(fā)，提高土壤水分利用率，促進(jìn)農(nóng)作物對(duì)水分的吸收，提高農(nóng)作物生長(zhǎng)品質(zhì)。地膜覆蓋能保持土壤適宜的濕度和溫度，有利于肥料的分解，提高土地肥力，達(dá)到水肥協(xié)同的目的[1-2]。近年來(lái)，隨著地膜生產(chǎn)技術(shù)的快速發(fā)展及在干旱地區(qū)玉米馬鈴薯等農(nóng)作物的大面積推廣使用，以及機(jī)械化殘膜回收技術(shù)的不成熟，大量地膜被遺棄田間，殘膜在土壤中以微塑料等形式積累，降低了土壤的透水性和通氣性，破壞土壤機(jī)構(gòu)，影響作物生長(zhǎng)，同時(shí)造成嚴(yán)重的白色污染[3]。面對(duì)嚴(yán)峻形勢(shì)的白色污染，加快農(nóng)膜殘留污染問(wèn)題治理，對(duì)我國(guó)生態(tài)文明建設(shè)和農(nóng)業(yè)綠色高質(zhì)量發(fā)展具有重大意義。摟耙式地膜撿拾機(jī)可一次完成覆膜種植小麥、玉米、馬鈴薯等地的起膜、撿膜、集膜、堆膜等工序，配套動(dòng)力廣泛，安裝使用方便，是殘膜回收、解決地表白色污染的理想農(nóng)機(jī)具。本文設(shè)計(jì)的摟膜齒為摟耙式地膜撿拾機(jī)關(guān)鍵部件，為確保在工作時(shí)摟膜齒能夠滿足要求，通過(guò)Solid Works完成三維建模，利用ANSYS Workbench進(jìn)行靜力學(xué)分析。

1 摟耙式地膜撿拾機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

摟耙式地膜撿拾機(jī)主要由機(jī)架、動(dòng)力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、起膜機(jī)構(gòu)、撿膜機(jī)構(gòu)、撥膜機(jī)構(gòu)、集膜機(jī)構(gòu)等部件組成。機(jī)架用于安裝其他工作部件，實(shí)現(xiàn)與拖拉機(jī)三點(diǎn)掛接，是機(jī)組的主體結(jié)構(gòu)。摟耙式地膜撿拾機(jī)如圖1所示。

圖1 摟耙式地膜撿拾機(jī)

摟耙式摟膜齒是地膜撿拾機(jī)中最主要的工作部件，它的結(jié)構(gòu)直接影響地膜撿拾機(jī)的作業(yè)效果。摟耙式摟膜齒可將地膜撿拾機(jī)前面部件漏掉的殘膜進(jìn)行再次收集，將膜摟起，集放成堆，有利于集中回收離田。本文設(shè)計(jì)的摟耙式地膜撿拾機(jī)工作部件主要由1根熱軋鋼板所制的橫梁和24根直徑為6 mm 的Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼所制的摟膜齒組成，其摟膜齒的形狀為半圓弧狀，間距為40 mm密排布置。用直徑為10 mm的螺栓將摟膜齒與固定板聯(lián)接，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝卸方便。摟耙式摟膜齒如圖2所示。

工作時(shí)，拖拉機(jī)通過(guò)機(jī)架牽引摟膜齒，其入土深度為30～50 mm。在摟集殘膜過(guò)程中，土壤、雜質(zhì)以及殘膜聚集于摟膜齒的上方空間。在此過(guò)程中，大部分土壤通過(guò)摟膜齒的間隙撒落于地面。當(dāng)?shù)啬な占揭欢ǔ潭葧r(shí)，通過(guò)拖拉機(jī)的液壓裝置自卸殘膜，將殘膜集放于集膜箱中。

圖2 摟耙式摟膜齒

2 摟膜齒ANSYS有限元分析

2.1 靜力學(xué)分析目的

在摟耙式地膜撿拾機(jī)工作過(guò)程中，土壤的阻力將使摟膜齒產(chǎn)生一定的應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)變。所產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)敉ㄟ^(guò)一般的方法計(jì)算，則過(guò)程十分復(fù)雜而結(jié)果難以準(zhǔn)確。目前，ANSYS靜力學(xué)分析可較好地解決這類問(wèn)題[4-5]。本文將運(yùn)用ANSYS有限元靜力學(xué)分析法對(duì)摟耙式摟膜齒進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析以進(jìn)行優(yōu)化及加工。

2.2 摟膜齒有限元模型建立及前處理

ANSYS有限元靜力學(xué)分析中建立模型主要包括建立標(biāo)題、設(shè)定分析作業(yè)名稱、建立作業(yè)實(shí)體模型、定義材料屬性、施加工作載荷和劃分有限元網(wǎng)格[6]。摟耙式摟膜齒有限元靜力學(xué)分析模型的建立過(guò)程如下，在Solid Works環(huán)境中建立摟耙式摟膜齒三維模型，將其保存成igs格式，再將摟耙式摟膜齒三維模型調(diào)入ANSYS Workbench程序，通過(guò)Static Structural模塊進(jìn)行分析[7]。三維模型如圖3所示。

圖3 ANSYS中的三維模型

2.3 網(wǎng)格劃分

選擇摟耙式摟膜齒有限元靜力學(xué)分析模型劃分網(wǎng)格，其屬性如下。材料選擇Q235，摟膜齒直徑為6 mm，彈性模量為2.06×105N/mm2，泊松比為0.3，許用應(yīng)力為235 MPa，密度為7 800 kg/m3。根據(jù)摟膜齒形狀及受力分析，摟膜齒模型分析中采用solid45單元分析[8]。網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 摟膜齒網(wǎng)格劃分

2.4 施加約束和載荷

分析摟耙式摟膜齒入土后的受力，可知其所受的力主要為土壤對(duì)摟膜齒的切削阻力Ft、摩擦力F和垂直入土的阻力Fy[9]。在地膜撿拾機(jī)工作時(shí)，其所承受的載荷是動(dòng)態(tài)的，而摟膜齒變形后的載荷值卻趨于穩(wěn)定，對(duì)初始載荷進(jìn)行20次迭代修正，可得到摟膜齒入土端載荷的變化曲線[10]。摟膜齒入土端節(jié)點(diǎn)變化曲線如圖5所示。

圖5 摟膜齒入土端節(jié)點(diǎn)變化曲線

由圖5可知，經(jīng)3次迭代，其絕大部分節(jié)點(diǎn)載荷呈規(guī)律性變化。4 513節(jié)點(diǎn)首先到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，繼而是處在強(qiáng)度較高位置的節(jié)點(diǎn)和離4 513節(jié)點(diǎn)比較近的點(diǎn)逐漸呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)；圍繞處在強(qiáng)度較高位置的節(jié)點(diǎn)，穩(wěn)定狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)擴(kuò)散開(kāi)來(lái)，最終達(dá)到整個(gè)節(jié)點(diǎn)的平衡[11]。若忽略摩擦力，則試驗(yàn)測(cè)得摟膜齒平衡態(tài)入土端節(jié)點(diǎn)豎直力和水平力載荷分別約為120 N和150 N，即垂直入土的阻力Fy≈120 N，土壤對(duì)摟膜齒的切削阻力Ft≈150 N。因?yàn)榈啬焓皺C(jī)設(shè)計(jì)有24根摟膜齒，故分配到每個(gè)摟膜齒上的載荷Fy1≈5 N，F(xiàn)t1≈6.24 N。根據(jù)靜力等效原則，每個(gè)單元所承受的載荷都轉(zhuǎn)移到單元網(wǎng)格上，同時(shí)施加固定約束于摟膜齒的前端[12]。在ANSYS系統(tǒng)中，建立三維坐標(biāo)系，給整個(gè)摟膜齒施加約束及載荷，施加的約束和載荷如圖6所示。

圖6 摟膜齒有限元模型施加約束和載荷圖

3 有限元分析結(jié)果

經(jīng)過(guò) ANSYS有限元靜力學(xué)程序求解后，得到施加載荷后摟膜齒X軸方向的位移變形云圖[13-14]如圖7所示。施加載荷后摟膜齒Y軸方向的位移變形云圖如圖8所示。

圖7 摟膜齒X軸方向位移變形云圖

圖8 摟膜齒Y軸方向位移變形云圖

分析摟膜齒位移變形云圖可知，在Y軸方向摟膜齒位移約為0.3 404 mm，對(duì)整個(gè)摟膜齒而言，該變形量很小，可忽略不計(jì)；在X軸方向摟膜齒位移量為5.623 mm。施加載荷后摟膜齒X軸方向應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖9 摟膜齒X軸方向應(yīng)力云圖

施加載荷后摟膜齒Y軸方向應(yīng)力云圖如圖10所示。

圖10 摟膜齒Y軸方向應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

分析摟耙式摟膜齒應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D可知，Y軸方向摟膜齒應(yīng)力主要分布于摟膜齒整個(gè)齒部，在摟膜齒前端拐點(diǎn)處出現(xiàn)最大應(yīng)力，為32.284 MPa；X軸方向摟膜齒應(yīng)力也主要分布于摟膜齒整個(gè)齒部，在摟膜齒前端拐點(diǎn)處出現(xiàn)最大應(yīng)力，為50.934 MPa；摟膜齒的屈服極限強(qiáng)度為[σx]=235 MPa，Y軸方向和X軸方向應(yīng)力均小于其屈服極限強(qiáng)度，摟耙式地膜撿拾機(jī)摟膜齒強(qiáng)度能夠滿足工作要求。