山地烤烟苗期地膜回收机卷膜辊结构设计*

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(1.贵州大学 机械工程学院，贵州 贵阳 550025；2.广西中烟工业有限责任公司，广西 南宁 530001)

0 引言

地膜覆盖技术自20世纪70年代末引入我国以来，以其增温、保墒、抑制杂草生长、增加作物产量等显著特点[1]，深受广大农民的欢迎。然而地膜覆盖栽培技术在带来显著经济效益的同时也使土地遭到严重的残膜污染[2]，地膜残留在土壤里使土壤的渗透性能下降，影响土壤的物理性状，造成作物减产，甚至危害人体健康[3,4]，因此地膜的回收迫在眉睫，地膜回收机应运而生。

国内已有不少研究机构对地膜回收机进行研究，并取得了一定的研究成果，如新疆建设兵团123团修造厂生产的2JMSD-4.5型棉花揭膜机[5]，新疆兵团农机推广站和134团研发的CSM-130B型齿链式悬挂收膜机[6]等。国外的索依尔和罗伯森[7],R.L帕里什[8]等对地膜回收机也有一定的研究。然而国内外现有的地膜回收机体型较大，质量偏重，均不适合在山区耕地中使用。

山地烤烟苗期地膜回收机既要控制其整体质量在合理范围内，又要满足机器在复杂工况下作业的强度要求，因此需要对机器各部件的结构进行合理设计。卷膜辊是山地烤烟苗期地膜回收机的关键构件，其结构设计的合理性对整机功能的实现至关重要。本文通过ANSYS Workbench有限元分析平台对卷膜辊结构进行受力分析，预测卷膜辊结构的最大应力、最大变形和共振频率，分析结果作为卷膜辊设计的参考依据，缩短设计周期，提高设计效率。

1 卷膜辊结构设计

图1 卷膜辊结构

卷膜辊是用来完成卷膜作业部件，由卷膜圆盘、卷膜辊轴套，4根卷膜方管、卷膜辊中心轴和8根挑膜齿构成。卷膜辊中心轴通过销分别与卷膜辊轴套和万向节固定。动力轴通过万向节向卷膜辊传递动力。卷膜辊结构如图1所示。

2 ANSYS Work-bench有限元结构分析

2.1 建立有限元三维模型

使用SolidWorks建立卷膜辊三维模型，结构如图1所示，然后导出成为parasolid格式，再导入到ANSYS Workbench的DesignModeler中，将挑膜齿顶削成凸台，以避免求解时失真出错，对模型的载荷作用区施加印记，以便于模型施加载荷，卷膜辊有限元三维模型如图2所示。

2.2 定义材料

将卷膜辊材料定义为Q235，密度7 850 kg/m3,泊松比为0.3，屈服应力值为235 MPa。

2.3 划分网格

图3 网格划分结果

卷膜辊由规则几何体构成，选择的网格单元是六面体为主，六面体与四面体相结合的混合单元。利用混合单元既可以避免局部过渡产生的病态单元，又能获得较好的网格质量，大大提高计算的精度，节省计算时间。为控制网格质量，将网格最大尺寸设定为0.002 m，划分得到427935个节点，96776个单元。网格划分结果如图3所示。

2.4 结构静力分析

静力是指结构受到静态荷载的作用[8]，惯性和阻尼可以忽略。在静态载荷作用下结构处于静力平衡状态，此时由于不考虑惯性作用，模型质的量结构影响可以忽略。在Workbench平台中，如果荷载周期远远大于结构自振周期(即缓慢加载)，则结构的惯性效应也可以忽略，这种情况简化为静力分析。

由经典力学理论可知，物体的静力学通用方程为：

[K]{x}={F}

式中：[K]是刚度矩阵；{x}是位移矢量；{F}是力矢量。

现以匀速作业工况为背景，对模型施加固定约束和载荷后即可对模型进行求解。求解得到卷膜辊在匀速作业工况下的应力云图如图4所示，变形云图如图5所示。

由图4、图5可知，卷膜辊在匀速作业工况下在各焊缝位置应力较大，最大应力位于挑膜齿与卷膜方管连接处为101.85 MPa，小于所有材料许用应力值，最大总变形位于挑膜齿顶为0.15937 mm，符合卷膜辊的刚度要求。在实际生产中焊接质量影响构件连接强度，故分析结果与实际情况会存在一定的差距，但分析结果可以为结构设计提供重要参考。

2.5 模态分析

模态分析是计算结构振动特性的数值技术，是最基本的动力学分析，也是其他动力学分析的基础，具有非常广泛的实用价值。结构振动特性包括固有频率和振型。模态分析结果可以帮助设计人员确定结构的固有频率和振型，使结构设计避免共振。模态分析遵循的平衡方程为：

[M]{x″}+[C]{x′}+[K]{x}={F(t)}

式中：[M]是质量矩阵；[C]是阻尼矩阵；[K]是刚度矩阵；{x}是位移矢量；{F(t)}是力矢量；{x′}是速度矢量；{x″}是加速度矢量。

给卷膜辊套筒处施加一固定约束，对其进行模态分析。得到前6阶模态值如图6所示，1阶变形云图如图7所示。

图6 6阶模态表 图7 1阶变形

由图6可知，卷膜辊的1阶振动频率为462.26 Hz,远大于卷膜辊的工作频率1.5 Hz，因此卷膜辊在工作过程中不会产生共振，该卷膜辊结构安全。由图7可知，当振动频率达到共振频率值时，卷膜方管出现一定幅度的摆动，方管中点位置变形较大，卷膜辊轴向两端卷膜圆盘变形较小，因此可以采用厚壁方钢管或增大方钢管尺寸来增加方钢管的刚度使卷膜辊整体刚度趋于平衡。

3 结论

本文通过ANSYS Workbench平台对山地烤烟苗期地膜回收机卷膜辊进行有限元结构静力分析和模态分析，分析结果表明在匀速作业工况下受最大应力为101.85 MPa，处于安全值范围内，最大变形量为0.159 37 mm，符合卷膜辊刚度要求，卷膜辊1阶共振频率为462.26 Hz，远大于卷膜辊的工作频率1.5 Hz，因此该卷膜辊结构安全合理。

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[2] 魏迎春，等.农用地膜对土壤的污染及其防治探讨[J].西藏农业科技，2010,32(1):39-41，48

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[4] 郭希敏.农用残膜污染现状及治理措施浅析[J].农业科技通讯，2010(9)108-109

[5] 汤爱民，等.2JMSD-4.5型揭膜机、回收滴灌带机[J].新疆农机化，2008(5)12，25

[6] 王能勇，等. CSM-130B型齿链式悬挂收膜机[J].新疆农机化，2000(3)38-39

[7] Sawyer,A.G.and R.L.Roberson.Plastic sheet take-up implement.U.S.Patent No.5236051.1993

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