李云全，毋高峰

(1.焦作師范高等?？茖W校 信息工程學院，河南 焦作 454000；2.焦作師范高等?？茖W校 理工學院，河南 焦作 454000)

殘膜回收機主要用于回收棉花產地的剩余殘膜，作業(yè)環(huán)境比較復雜.設計具有可靠性、通過性和隨地仿形能力的起膜機構，對彈齒式殘膜回收機的收膜效果起決定性的作用[1-2].

1 起膜機構的工作原理與結構

秸稈殘膜經歷了秋收和秸稈粉碎之后，風蝕老化和破損程度較為嚴重，膜面上會殘存少量的棉葉、棉鈴殼和土壤等雜物[3].起膜機構的主要作用是將棉桿根茬的側根切斷，將地膜從雜物下挑起一定的高度，將殘膜和雜物沿著挑膜齒邊刃線滑移的過程中分離一部分5～7cm內的土壤[4].

彈齒式殘膜回收機的起膜機構結構簡圖如圖1所示.起膜鏟與限深滑板焊接于浮動式四連桿機構上[5].工作時殘膜回收機由拖拉機帶動，起膜鏟在自身重力和入土角的共同作用下進入膜下的土壤中[6].起膜鏟的作業(yè)深度由四連桿機構和限深滑板共同調節(jié),同時能隨地面仿形，保持一個比較穩(wěn)定的入土深度.起膜鏟的刀刃為長條狀，刀刃的鋒刃線與機具的前進方向之間的夾角成鈍角，可以有效達到起膜鏟托起并積累更多的殘膜，防止回收殘膜時使殘膜進一步受損.

1.起膜鏟2.前立柱3.絞桿4.限深滑板5.后立柱圖1 起膜機構結構簡圖

2 起膜機構的主要參數與受力分析

2.1 起膜鏟入土角和入土隙角

入土角α是刀板底刃線與其在地平面上投影線的夾角.入土角直接影響起膜鏟起膜效果.起膜鏟齒面受力分析簡圖如圖2所示，并據此進行入土角的理論值分析[7].

圖2 起膜鏟齒面受力示意圖

受力平衡狀態(tài)時其平衡方程如(1)所示：

(1)

式中起膜鏟所受力分別是：F為所受工作阻力，單位N；N為回收物給予的反作用力，單位N；G為回收物的重力，單位N；T為回收物對上刃面的摩擦力，單位N；T=μN，μ是與土壤之間的摩擦因數[7].由(1)得

(2)

入土角過大或過小，都達不到殘膜回收效果.本文所設定起膜鏟入土角α取值范圍為10°～35°[8].

起膜鏟底面與地面之間的夾角γ為入土隙角，它的存在使起膜鏟具有入土的趨向.入土隙角在起膜鏟剛入土時稍大，后隨耕深增加逐漸減小，達到設定耕深時隙角等于零或稍大于零.當隙角開始減為負值時，起膜鏟的耕深開始變淺.本文設計的起膜機構在增加了四連桿仿機構具有隨地仿形的功能，入土隙角設定在2°～5°之間[9].

2.2 起膜鏟斜角

起膜鏟斜角可以由圖3所示的受力分析圖確定，為了使殘膜和根茬等雜物沿著刃口向后向上滑移，土壤阻力沿刃口的分力要大于鏟刃與土壤間的摩擦力，即：

Psin(90°-β)≥f

(3)

圖3 起膜鏟斜角受力示意圖

式中，P為作用在鏟刃上的阻力，N；f為鏟刃與土壤間的摩擦力，N，且F=N1tanδ，δ是土壤對鋼起膜鏟的摩擦角.由滑動摩擦力定律可知

(4)

由(3)和(4)兩式可得

β<90°-δ

(5)

正常情況下土壤對鋼起膜鏟的摩擦角δ為26.5°～35°[10]，由(5)可確定起膜鏟斜角β要小于55°.起膜鏟鏟刃越尖銳，在同樣情況下對殘膜的作用范圍越小.

2.3 起膜鏟受力分析[11-12]

起膜鏟在機具勻速常規(guī)作業(yè)時主要承受土壤的阻力和土壤對其的側向壓力.綜合分析發(fā)現(xiàn)，起膜鏟在受側向力時，會向左右兩側發(fā)生變形，當力的方向垂直于起膜鏟側面時起膜鏟受到側向力最大，嚴重導致起膜鏟與挑膜齒發(fā)生干涉.定義起膜鏟所受側向力為F阻，如(6) ：

(6)

式中，Kt為土壤比阻；H為起膜鏟犁耕效率，一般取0.7；a為單個入土部件耕深；b為幅寬.

我國耕地最大的土壤比阻為60kPa，根據前文可知耕深為0.05m，取Kt=60KPa，a=0.05m，寬度取中間值b=0.032m，計算出F阻=67.2N.

起膜鏟所受水平阻力如(7)：

(7)

本文取ρ=2.65g/cm3，g=9.8N/kg，B=10mm，T=50mm，ξf=1.可知起膜鏟水平阻力約為1.6×10-7N.

因本文所設計起膜裝置為鏟型，后附有限深板控制深度，在此不考慮起膜鏟所受垂直壓力.

3 起膜鏟的力學仿真驗證

3.1 起膜鏟靜強度校核

在確定起膜機構的主要參數后，根據相關參數使用ANSYS軟件對起膜鏟仿真分析.起膜鏟材料選擇65Mn碳素結構鋼，此種鋼剛度較強，具有一定的韌性和可塑性，使用壽命較長，耐磨性較好.

對起膜鏟網格劃分后施加約束和載荷.使用夾具將起膜鏟的尾端固定，使起膜鏟的尾端不發(fā)生位移.對起膜鏟施加水平阻力1.6×10-7N.每一根起膜鏟的入土部分施加67.2N的側向力,均勻加載到起膜鏟上.

由起膜鏟的應力仿真分析可知，尾端所受的應力較大，發(fā)生在尾端與立柱的焊合處，最大應力數值為13.729MPa，而起膜鏟的屈服應力為430MPa，計算得出其安全系數為31.3，滿足強度要求.由起膜鏟的仿真位移圖可以看出模型最大位移在起膜鏟的齒尖上，最大位移值為0.179mm；最小位移值則在起膜鏟末端.

3.2 起膜鏟模態(tài)分析

模態(tài)分析是動力學性能的基礎，能夠在設計初期降低共振的風險，提高動力學性能等.起膜鏟在靜態(tài)工況下的強度和剛度均表現(xiàn)優(yōu)良，但考慮實際作業(yè)環(huán)境復雜，外部載荷的大小和方向呈周期或非周期性變化，若與起膜鏟的固頻相近，會產生共振，共振會加速結構疲勞，縮短使用壽命.需要將結構的固有頻率避開外部激勵范圍，以避免共振.本文借助有限元數值分析方法對起膜鏟模態(tài)求解，求解后得到前六階模態(tài)頻率和振型(表1).

表1 起膜鏟前6階模態(tài)分析

通過對起膜鏟工作環(huán)境和機理特征的分析，其受到的外激勵主要由發(fā)動機振動、機具行走顛簸等產生，其中發(fā)動機振動激勵大小在50Hz左右；機具行走顛簸激勵大小在30Hz左右[7].結合模態(tài)分析結果對比，起膜鏟的前六階頻率在109～2 284Hz之間，整體頻值較高，與外部激勵明顯錯開，有效降低了共振的風險.模態(tài)頻率與模態(tài)振型結果為后續(xù)起膜鏟的維護、設計提供了數據支持與方法支撐.

4 小結

本文依據起膜鏟結構原理和工作阻力，通過分析起膜鏟關鍵參數、受力，得出起膜鏟安全系數為31.3，能滿足機器的工作要求.在利用Ansys軟件對其進行模態(tài)仿真分析中得出：起膜鏟最大應力13.729MPa，最大位移為0.179mm，所得數據在安全范圍內；前6階固有頻率范圍在109～2 284Hz之間，不在所受外界激振頻率范圍內，作業(yè)過程中不會產生共振現(xiàn)象.