旋耕钉齿式耕层残膜回收机起膜部件动力学分析

张攀峰，胡　灿，王旭峰，鲁　兵，刘超吉

(1.塔里木大学 机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔　843300；2．新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室，新疆 阿拉尔　843300)

0　引言

自新疆引入地膜覆盖技术以来，使棉花的种植规模进一步加大[1-2]，地膜覆盖技术不仅具有保温、保墒作用，还具有防治水分因蒸腾而流失等作用[3-4]；但是地膜覆盖同时也给棉田带来了严重的残膜污染，严重影响了新疆农业的可持续发展。造成这种现象有以下两点原因：①地膜在棉田中由于受到风化等作用使得残膜的力学性能改变，不利于残膜的回收；②由于国内对残膜回收机的研究尚不深入，研制的多种残膜回收机没有取得理想的回收效果[5-6]。国内的许多专家(如中国农业大学候书林等)研制的弹齿式残膜回收机残膜回收率在75.64%～94.92%之间[7]，其他的专家也研制了较多类型的残膜回收机[8-9]；但是这些机型大部分针对地表的残膜回收没有能对土壤耕层中的残膜起回收左右，且由于耕层中的残膜受土壤理化作用的影响，其性能已经发生改变[10-11]。耕层中的残膜受到耕层土壤的挤压等原因紧密地和土壤结合在一起造成了残膜在起膜时不容易和土壤分离，现有的残膜回收机很难取得较为理想的残膜回收效果[12]。因此，设计出旋耕钉齿式残膜回收机，为耕层残膜的回收探索新的方法，并通过对钉齿起膜部件进行模态与动力学分析，以解决残膜回收时的机械可靠性问题。

1　起膜结构与原理

1.1起膜机构

由于耕层中的残膜较为细小且力学性能改变，存在于土壤中的状态各异，因此设计了钉齿滚筒式起膜装置。钉齿滚筒上焊接有杆座，杆座和杆齿利用螺栓联接，便于拆卸与调整,如图1所示。

图1　钉齿滚筒

杆齿上焊接有钉齿用于钩挂残膜，达到起膜的效果。钉齿滚筒长度为2 000mm、直径为500mm。1排有8个杆齿均匀分布滚筒的1周并与下一排杆齿相错15°角,两排杆齿之间相距50mm，总共有12排，总杆齿数是288个，每个杆齿焊接有钉齿8个。图2为钉齿三维图。

图2　钉齿三维图

1.2起膜原理

钉齿滚筒安装在机架上，通过相应的传动系统带动钉齿滚筒旋转。机架由拖拉机牵引，传动系统动力由拖拉机尾后的动力输出轴提供。当钉齿滚筒旋转时，钉齿深入土壤中并与土壤中的残膜接触；在钉齿的继续运动下，钉齿进一步钩起残膜，从而带动残膜，一起运动，随着钉齿脱离土壤，达到起膜的效果。

2　钉齿的模态分析

模态分析技术是计算结构振动特性的数值技术，结构振动特性包含有固有频率和振型。模态分析是基本的动力学分析，也是其他动力学分析的基础。

2.1模型的导入与材料属性的定义

将Pro/E软件建立的钉齿的模型导入到ANSYS Workbench软件中，并建立模型(单位mm)。为减少运算量、提高运算效率，以钉齿滚筒上的钉齿进行有限元分析，钉齿材料选用55SiMnVB合金钢。其机械性能优良、疲劳强度高、弹性好，主要力学性能参数如下：弹性模量E=196GPa，密度ρ=7 860kg/m3，泊松比μ=0.3。

2.2网格的划分

网格的疏密程度直接关系到计算结果的精度，但网格过密会增加计算机的计算时间和需要更多的存储空间。网格划分较好标准是求解结果不随着网格密度的变化而变化。这里采用自动网格划分，得到的节点数是1 228个网格划分符合要求。同时，钉齿按照从低到高的位置分别编为1～8号钉齿。钉齿网格划分如图3所示。

图3　钉齿网格划分

2.3边界条件与载荷的添加

由于运动时钉齿与钉齿滚筒上的钉座采用螺栓螺母联接，因此可以设置钉齿的螺栓孔为固定约束。小钉齿在土壤中与钉齿接触作用的过程中，其顶部直接接触耕层残膜，并受到残膜的作用力，因此载荷作用在小钉齿的顶部。由于钉齿所受到的载荷与钉齿工作深度有关，所以钉齿所受载荷从顶部到底部一次减少。根据农业机械设计手册，土壤阻力的计算如下：新疆的北疆地区大部分为轻壤、中壤土质，土壤阻比为40～60kPa；南疆地区大部分为沙壤、轻中壤土质，土壤阻比为30～50kPa。因此，参考土壤阻比计算公式，单根钉齿所受的土壤阻力F阻[13-14]为

式中Kt—土壤比阻；

F阻—土壤阻力(kN)；

a—工作深度(m)；

b—工作幅宽(m)。

本文中，Ft=50kPa，a=0.15m，b=0.03m。因此，F阻=Ktab=0.225kN。农田采用的残膜厚度在0.005～0.008之间，且残膜的面积较小，因此残膜的阻力很小，可以忽略不计。土壤与钉齿间的摩擦力Fr=fFy，f为土壤与钉齿的摩擦因数，本文中取f=0.3，Fr=fFy=15N。由于工作农田为旋耕后土地田间农作物残茬、土块等不计，水平方向上的合力为

Fx=F阻+Fr=240N

所以钉齿所受合力为

2.4求解

由振动理论可知，共振主要由固有频率较小的频率所引起的，因此主要分析前6阶模态。ANSYS Workbench提供了多种求解方法，如Subspace法、Block Lanczos法及Reduced法等。本文中取Block Lanczos法，具有适用于矩阵特征值求解、起收敛速度快、运算精度较高等优点。前6阶模态振型图如图4所示。

图4　钉齿前6阶模态云图

各阶频率值如表1所示。

2.5模态结果与分析

由表1可知：钉齿的1阶模态频率和2阶模态频率相差不大，且从模态云图中可以看出其变形相差不大。从模态云图中可以看出：钉齿的变形方向是沿着钉齿排列的方向变形较大，因此在钉齿焊接时应在此方向上加强。由相关文献可知：当外部激励频率达到1阶固有频率的75%时，能够引起共振[15]。由于钉齿的旋转速度最高为120r/min，所产生的频率远小于1阶固有频率，因此钉齿不会发生共振。

表1　钉齿前6阶模态频率

3　钉齿的瞬态动力学分析

瞬态动力学分析是时域分析，是分析钉齿在土壤中随着工作深度的变化引起载荷的变化对钉齿的影响的工程分析。钉齿在工作时沿着旋转方向运动，因此对旋转方向进行瞬态动力学分析。

3.1材料属性的定义

根据模态分析时的材料属性定义，可直接按照模态分析时材料属性定义来添加瞬态动力学材料属性。

3.2网格的划分

这里采用Hex Dominant法，并将Relevance Center改为Fine，可以得到较为细密的网格，其网格节点数为4 250个。

3.3边界条件与载荷的添加

边界条件可以参照模态分析是的边界条件的添加。由于钉齿从开始接触土壤到达到最大工作深度再到离开土壤，钉齿从开始接触土壤到达最大工作深度与从最大工作深度到离开土壤过程中钉齿所受载荷是对称过程，因此只分析钉齿从开始接触土壤到达最大工作深度中载荷的变化。由于钉齿在最大工作深度的载荷F合=245.15N，每个钉齿所受最大载荷一次减小，当钉齿转速为120r/min时，钉齿从开始接触土壤到达最大工作深度时所需要的时间为0.125s，因此设置Step End Time为0.125s，并在Tabular Data中输入钉齿载荷值。对各钉齿施加载荷值如表2所示。

表2各钉齿施加载荷值

Table 2Load value of each nail tooth N

钉号时间/s0．0250．0500．0750．1000．125149．1598．15147．15196．15245．15242．0384．06126．09168．12210．15

续表2

3.4结果与分析

图5　钉齿总变形云图

图6　钉齿等效应力云图

图7　钉齿弹性等效应变云图

图8　钉齿安全系数云图

从云图中可以看出：钉齿总变形为0.913 31mm，在钉齿的最大弹性变化范围内，且在工作深度最大处的钉齿变形最大；钉齿最大等效应力为183.53MPa，小于钉齿材料的需用应力，满足工作要求；钉齿的应力主要分布在钉齿与齿杆的焊接处和与螺栓的联接处最大；钉齿最大弹性应变为9.21×10-4；钉齿的安全系数最大为15，在钉齿的焊接处和螺栓联接处安全系数最小。

4　结论

1)通过对钉齿的模态分析可知：钉齿的最小固定频率为278.59Hz，当钉齿滚筒的工作转速为120r/min时，所产生的激励频率小于钉齿的最小固定频率，不会使钉齿发生共振。

2)通过对钉齿的瞬态动力学分析可知：钉齿的最

大工作深度处变形最大，可以适当增加此处钉齿的直径。钉齿焊接处和钉齿螺栓联接处应力最大，在钉齿焊接时应该保证焊接质量，同时增加联接螺栓的公称直径。

3)确定钉齿的安全系数。安全系数最大分布在钉齿焊接处和螺栓联接处，因此要提高焊接要求和螺栓联接强度，同时采取相应的安全防护措施来避免因钉齿在转动时断裂而造成对工作人员的伤害。

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1.2.6 Transwell实验检测过表达miR-454-3p对SW480细胞侵袭能力的影响 将以无血清细胞培养液稀释的Matrigel基质胶包被transwell小室基底膜的上室表面,加入100 μL无血清培养基稀释的各组细胞悬液,在小室下层孔板中加入含10%血清的完全培养液，置于37℃孵箱培养培养24 h后取出培养小室的,湿棉签轻轻拭去上层小室内的基质胶和细胞，4%多聚甲醛固定后行结晶紫染色，晾干后，显微镜下选5个视野计数穿出细胞数目。

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ID:1003-188X(2018)04-0014-EA