残膜回收机拢膜装置受力及模态分析

于振华 ， 许光明 ， 王浩宇 ， 牛云鹏 ， 曹文龙

（吉林省农业机械研究院，吉林 长春 132022）

0 引言

玉米是我国主要种植的作物，我国玉米产量居世界第二位。东北是玉米的主产区，在吉林省的西部地区由于土壤沙化严重，气候干旱缺水，玉米的种植方式大多采用大垄双行膜下滴灌技术。膜下滴灌技术具有保水、保墒、节水、增产的效果，给广大农民带来经济效益。但是，地膜覆盖种植技术应用同时也产生“白色污染”问题。吉林省针对地膜污染制定了相关政策文件，通过两年的时间，实现推广使用标准地膜，完善地膜回收加工体系。目标是当季地膜回收率达到80%以上。

国内残膜回收机械的相关研究自20世纪90年代开始从未间断。新疆大学、新疆农机研究所研发的以4CM系列为代表弹齿式残膜回收机，SMS-1500型秸秆粉碎残膜回收一体机等机型是基于新疆大面种植棉花，设计应用也是针对覆膜种植的棉田。山西农机所、内蒙古农机推广站为主研制的适于玉米种植的是1MC系列，这种机型采用与新疆棉田不同的铲筛式结构，该机入土部件与马铃薯收获机的铲刀相似，通过前方的铲刀入土，将根茬、地膜及土壤一起铲起，随后将铲起的混合物送入滚筒筛内旋转，再将杂物筛出，地膜在螺旋叶片的推动下落入集膜箱。

与山西、内蒙古、河北等地区不同，东北地区的玉米种植方式为垄作。即将玉米种植在梯形的垄台上，地膜的两边压在垄台的两侧。采用现有1MC系列铲筛式残膜回收机只是将垄台上平面的地膜回收，垄台两侧的地膜仍然压在土壤下无法回收。因此，增加垄侧起膜装置是提高残膜回收率的关键[1-5]。

1 拢膜装置的结构及工作原理

1.1 拢膜装置的结构

铲筛式残膜回收机的拢膜机构如图1所示，由立梁、悬臂轴、拢膜圆盘组成。立梁与残膜回收机的机架前部相连，拢膜圆盘与机具前进方向成30°偏角、与地面成15°的倾角。在机具作业时，拢膜圆盘向前运动的同时，将垄台两侧的残膜和土壤不断地收拢、翻转至垄台上，从而实现垄侧残膜回收的问题。

1.2 拢膜圆盘的受力分析[6-7]

圆盘在工作过程中，随着机具的前进而旋转，逐渐进入土壤，圆盘入土的难易程度与垂直负荷、土壤条件、圆盘直径均有关系，圆盘直径越大，垂直负荷就越大。

图1 拢膜铲结构示意图

经过实验得出，入土深度H一定的条件下，垄侧起膜圆盘直径D越大，起膜和土壤的通过性越好。从公式D=K中看出圆盘的直径D与入土深度H成正比，式中β为圆盘与前进方向的偏角，K为经验系数通常取值为4～6。

测定机具应用地区土壤坚实度为41kPa，分析得出圆盘负荷平均值在 2 500N～6 000N之间，最大值可达8 500N，方向垂直于圆盘向外。

2 拢膜圆盘的静力分析

2.1 有限元分析模型的建立

运用Meshfree软件的无网格有限元技术对模型进行分析，观察拢膜圆盘在工作过程中的等效应力和等效应变。采用三维建模软件Solidworks对拢膜圆盘进行模型的建立，采用圆盘的厚度为8mm，立梁矩型管厚度为3mm。将模型的装配体文件导入到MeshFree分析软件中。在材料选项中，指定拢膜圆盘的材料为16Mn，其余零件材料为普通结构钢材料属性设置，弹性模量为200GPa、泊松比为0.288、密度7 890kg/m3、屈服强度为784MPa[8-9]。

2.2 边界条件的设定

MeshFree是一款无网格有限元分析软件，需要对装配体的各零件之间定义其接触的方式。本拢膜装置中各个零件都是用螺栓固定，为简化模型便于分析计算，将各零件之间的接触定义为焊接接触，限制所有自由度。如图2拢膜装置约束及载荷分布图所示，拢膜圆盘在作业过程中需要与残膜回收机机架相连，因此，设定边界条件为立梁的一面为固定。通过前面受力分析公式计算和实验测试，在圆盘与土壤的接触面上加载5kN的力，方向与前进方向相反。

图2 拢膜装置约束及载荷分布图

2.3 分析结果

经过有限元分析可知，拢膜圆盘作业条件下受土壤向外侧挤压力，变形量大的部位是圆盘的底部和立梁与悬臂梁的交接处。圆盘底部最大形变量约是4mm，立梁与悬臂梁交接处的最大形变量是0.7mm，如图3所示。通过应力云图可以看出，在立梁与悬臂梁的连接处所受的应力最大。应力的最大值为3.5×102N/mm2，但是由于立梁设计强度高形变量并不大，符合设计要求。圆盘受力云图如图4所示。

图3 拢膜装置工作状态形变量

3 拢膜装置的模态分析

模态分析反应的是外界激励和响应的动态测试，通过输入激振力和输出的响应数据经信号处理与参数识别确定系统模态参数的试验方法。模态分析可以求解出模型结构的固有振动特性。针对起膜铲的模态分析可知其固有振动特性，各阶模态的权因子大小与频率的倒数成反比，频率越低，权重越大。因此，低阶的模态特性对动态性能有很大的影响。

通过图5六阶模态云图可知，拢膜装置的二阶、三阶模态频率下振动幅度较大，一阶、六阶频率下振动较小。二阶模态下最大形变量为60mm位于拢膜圆盘的前后方向，三阶模态下最大形变量为68mm位于圆盘的顶部。拢膜装置的第六阶模态频率下形变量最小，其最大形变量为45mm。

4 结论

综上所述，拢膜圆盘作为残膜回收机提高垄侧残膜回收率的关键部件，设计时需考虑应力较大位置的设计强度。经模态振动分析，发现在激励下圆盘的前后方向弯曲变形量大，改进设计应适当加强圆盘的厚度和所用材料的强度。