果园枝条就地还田机主要作业部件的设计分析—基于ANSYS Workbench

郑健星，刘俊峰，冯晓静，李建平

(河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071001)



果园枝条就地还田机主要作业部件的设计分析—基于ANSYS Workbench

郑健星，刘俊峰，冯晓静，李建平

(河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071001)

通过对现有果园修剪枝条的处理方式和当下的国家政策进行调查，总结枝条就地还田技术的发展意义。利用AIP软件建模，对3ZF-160型果园枝条就地处理机的刀筒结构尺寸进行设计，将刀筒模型导入ANSYS Workbench分析软件中，对刀筒进行模态分析，得到刀筒的前6阶固有频率和振型云图。结果表明：刀筒的结构设计合理，不会产生共振，能够为结构设计和整机优化提供参考。

果园；枝条就地还田机；刀筒；ANSYS Workbench；模态分析

0 引言

国家统计局数据显示，我国2013年果园种植面积是12 371 350hm2， 2014年种植面积为13 127 240hm2，同比增加了6%，且近10年均以不同的比率增长。修剪是树木种植中的必要工艺过程，每棵树每年剪枝量根据树龄差异来决定。低幼果树年修剪量约为750～1 500kg/hm2，盛果期苹果和梨的年修剪量约为1 500～2 250kg/hm2，桃一般3 750～6 000kg/hm2[1]。目前，农业部提倡标准化果园的建设，旧果园更新将会大大增加果园修剪枝条的数量。从以上数据可知，果园建设中将产生大量的果园绿色废弃物。合理地利用果园废弃物[2]不仅可以增加果农经济收入，提高果园经济效益，还可以减轻大量枝条对环境带来的压力。

本文旨在探索枝条就地还田技术的意义，并对果园枝条就地还田机械的主要工作部件进行设计分析。为果园枝条就地还田处理提供参考。

1 果园枝条就地还田处理发展意义

1.1 果园枝条现有的处理方式

之前，果园的一大部分修剪枝条仍然作为果农的直接燃料。随着近几年果园修剪枝条的综合利用处理方案的提出，修剪枝条的利用出现了几种不同的形式。

1)为发电厂提供原料。发电厂派出专门的工作人员到果园收购修剪的枝条，然后在发电厂进行直接燃烧发电处理。枝条直接燃烧处理之前，需要将枝条进行晾晒处理，降低枝条的含水率[3]。

2)制成食用菌基体。果园修剪枝条富含有机质元素，可作为优质食用菌培养基原料[4]。李鸣雷[5]等研究表明：用粉碎的苹果枝条作为原料栽培的香菇，菌丝萌发速度快、长势好且污染率低。

3) 转化成有机肥。果树枝条中富含氮、磷、钾等营养元素。修剪枝条粉碎后，通过厌氧发酵或有氧发酵，转化成有机肥施入园内；但发酵过程中需要特定的场所和人员对其发酵条件进行控制。

1.2 果园枝条就地还田处理的发展意义

1) 政策导向。2016年，河北省农业厅编写了到2018年首先完成化肥使用量不增长的《河北省化肥使用量零增长行动方案》。朱保成等在两会上提出“十三五”期间，应倡导大力推进绿色循环低碳农业进展。果园内将有机废物还田处理是政策导向，是促进农业可持续发展的新举措，为果园修剪枝条就地还田处理提供了政策指导。

2) 果园机械化发展需求。果园机械化也是农业机械化的一项重要评估指标[6]，果园枝条粉碎机械是果园机械装备中的重要部分，果园枝条粉碎机的发展影响农业机械化的进程。

宗庆姝[7]研究表明：果树枝条直接还田，可以提高土壤pH值，增加土壤有机质、全氮、速效磷等含量。

综上所述，果树修剪枝条地还田技术不仅适应我国农业可持续发展的需求，也解决了标准化果园实现全程机械化的问题。

2 果园枝条就地还田机的总体结构

现有枝条粉碎设备不完善[8]，不能满足果树枝条就地还田技术要求，因而设计一种适合果园修剪枝条就地还田技术的处理机。

2.1 就地还田还田机的结构与原理

果园枝条就地还田机结构如图1所示。拖拉机将动力由万向节传出，通过变速箱传递给大带轮，两带轮间通过V型带传递动力；刀轴在小带轮的带动下转动，使刀轴上的锤爪高速旋转；锤爪高速旋转，形成入口负压，捡拾地面枝条，这时锤爪旋转的产生惯性力和锤爪快速的刀口速度即可实现枝条粉碎的作业。枝条就地还田机的前方装有挡板，对枝条具有一定的梳理作用，还可以避免粉碎的枝条飞溅；地辊进一步地防止粉碎的枝条飞散。

1.悬挂装置 2.前挡片 3.锤爪 4.刀轴 5刀座 6.地辊 7.后插刀 8.带轮 9.变速箱

2.2 主要技术参数

作业幅宽/cm：160

枝条直径/cm：小于8

锤片数量/个：16

拖拉机输出转速/r·min-1：540

外形尺寸(长×宽×高)/mm：1 800×1 350×1 200

整机重量/kg：450

配套拖拉机/kW：47.8～58.8

3 主要工作部件的设计与分析

刀具是切削部分的主要工作部件，其类型、尺寸、材料等均是影响果树枝条切削效果的主要因素。

锤爪型粉碎机中高速旋转的锤爪产生负压[9]，捡拾地面的枝条，且锤爪本身就有一定的抓取能力；枝条进入机壳，在锤爪和定刀的共同作用下，实现枝条的粉碎[10]。

锤爪速度的主要影响因素是刀筒直径、锤爪尺寸和刀筒转速。所以，刀筒是影响锤爪的最大圆周速度的主要因素。本文根据粉碎质量对刀筒进行结构设计分析。

3.1 估算枝条就地还田机作业功率

参考现有的秸秆粉碎机和固定式枝条粉碎机的技术要求，初定枝条就地还田机的主轴转速为2 200r/min。

估算枝条还田的功率。枝条还田机的工作功率包括：粉碎枝条的功率Nf和空转功率Nk两部分。即

N=Nf+Nk

Nf=vmBL0

式中 vm—机组前进速度(m/s)；

B—机器作业幅宽(m)；

L0—单位切削力(N/mm)。

木材单位切削力为：6～17N/mm。

根据经验值，取机组前进速度为1.5m/s，选取单位切削力为12N/mm，计算可得枝条还田机的粉碎枝条的功率为28.8kW。所以，枝条还田机的总功率约为29.8kW。

3.2 刀轴的结构设计

3.2.1 锤爪粉碎原理

锤爪通过将自身的动量传递给枝条，实现枝条的破碎。根据动量守恒定理，可得

其中，M为锤刀质量；mi为各破碎枝条的质量；va0为锤刀初始线速度；va1为锤刀与枝条作用后的线速度；vi为各破碎枝条的速度。

根据能量转化原理，增大系统的初始能量，对提高枝条粉碎效果有重要的作用。

3.2.2 刀筒的结构设计和强度校核

还田机锤爪末端速度一般在38～80m/s[11]。综合考虑，枝条就地还田机的作业目标为中碎，故取锤爪的最大线速度为56m/s。

由刀轴转速n的计算公式得

式中 va—切割速度(m/s)；

vm—机具前进速度(m/s)；

D—锤爪旋转直径(mm)。

可得锤爪旋转直径为400mm。结合钢管直径规格，选刀轴直径为146mm。

将刀轴设计为空心形式，可在满足强度要求的情况下降低空耗。

刀轴转矩的计算公式为

式中 P—刀轴的输出功率(kW)；

n—刀轴旋转速度(r/min)。

空心轴的强度校核公式为

式中 α—为内外径的比值；

D—刀轴外径。

选取刀轴材料为45钢，刀轴内径为130mm，经校核满足强度要求。

3.3 对刀筒进行模态分析

通过模态分析可以判断结构在固有频段范围的响应情况。

无阻尼模态分析的运动方程为

结构自由振动为正弦函数，则

x=sinwx

将其带入运动方程，可得

([K]-w2[M]){x}={0}

上述方程的特征值为wi2，wi为自振圆频率。

刀筒为高速旋转部件，在枝条还田机工作过程中，受到枝条给予的交变载荷，因此为无预应力模态分析。

3.3.1 对建立的模型导入软件

ANSYS Workbench 与AIP软件可实现无缝链接，AIP软件与ANSYS Workbench模态分析链接接口如图2所示。

图2 AIP软件与ANSYS Workbench模态分析链接接口

3.3.2 定义模型的材料

定义模型材料时，在ANSYS中分别添加45钢、HT250、轴承材料等材料。设置HT250的密度值为7.15g/cm3，弹性模量值为1.3E+05MPa,泊松比值为0.3。设置45钢的密度值为7.89g/cm3，弹性模量值为2.09E+05MPa,泊松比值为0.269。设置轴承材料的密度值为7.81×103kg/m3，弹性模量值为2.07E+05MPa,泊松比值为0.29。材料定义的主界面如图3所示。

图3 材料定义主界面

3.3.3 对模型进行网格划分

设定三维模型中各零件对应的材料，对模型进行网格划分。使用ANSYS Workbench中结构分析网格划分模块。网格划分方法有多种，本文采用结构划分[5]。设置关联中心为粗糙，平滑度设置为中等，过渡形式为快速。模型构成的网格如图4所示。

图4 模型形成的网格

3.3.4 在模型中添加载荷和约束

模态分析是结构设计的重要部分[12]。在分析刀筒的固有频率时不需要加载载荷,但需要在轴承座上施加固定约束。刀筒加上固定约束后如图5所示。

图5 模型添加约束

3.4 模型求解及分析结果

经过前几步对三维模型的预处理，在软件中设置前6阶模态；提取结果并与外界激励的频率进行比较分析，确定刀筒的结构合理性。对前6阶模态分析进行设置，设置界面如图6所示。

图6 前6阶总变形设置

刀筒的前6阶的模态振型图如图7所示，其前6阶频率如表1所示。

图7 刀筒装置前6阶振型云图

模态阶数模态频率/Hz165.833266.348367.250469.434569.570669.872

由表1知：刀筒的前6阶频率范围为65.833～69.872Hz，且频率值不断上升。由图7可知：刀筒和刀轴并没产生大的变形。

本文中设计的枝条就地还田机设置的工作刀轴的转速为2 200r/min，振动源频率为36.7Hz。振动源频率比刀轴的频率低，因此工作刀轴不会共振。

4 结论

1)通过对果园修剪枝条现有处理方式和政策的调查，总结枝条就地还田的发展意义。

2)综合分析枝条还田的作业要求和果园作业环境，对枝条还田机的总体结构和主要工作部件进行了设计。

3)对枝条还田机的主要工作部件进行模态分析，确定刀筒共振的频率范围。对刀筒进行模态分析，为刀筒的振动分析、诊断结构缺陷及优化刀筒的结构提供了依据。

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The Finite Element Analysis of Orchard Mower Suspension —Based on ANSYS Workbench

Zheng Jianxing, Liu Junfeng, Feng Xiaojing Li Jianping

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Agricultural University of Hebei, Baoding 071000, China)

According to the existing approach of pruning branches and the national policy, this paper summarizes the significance that branches are used in the field directly. The tube structure modeling of 3ZF-160 type orchard branches is obtained by AIP software, which was imported through ANSYS Workbench to build the model modal analysis, cutting tube modal frequencies and mode shapes cloud. The results showed that cutting tube with reasonable structure designing will not resonate. And it lays the foundation and provides a reference for the analysis of dynamic and subsequent optimal design.

orchard; orchard branches crusher; cutting tube ; ANSYS Workbench; finite element analysis

2016-05-10

国家苹果产业技术体系项目(CARS-28);国家公益性行业(农业)科研专项(201203016)

郑健星(1990-)，女，石家庄人，硕士研究生，(E-mail)zhjx0910@126.com。

刘俊峰(1956-)，男，河北保定人，教授，(E-mail)liujf@hebau.edu.cn。

S233.1

A

1003-188X(2017)04-0117-05