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残膜回收机起膜铲的受力模态分析

2020/3/12    来源:e-works    作者:于振华      
关键字:残膜回收机  起膜铲  受力模态分析  
本文针对铲筛式残膜回收机的起膜铲进行有限元受力分析,得出工作载荷下起膜铲的受力和变形情况。并且考虑到田间地面不平引产生的振动频率接近起膜铲固有频率时引起共振,影响整机结构动态特性与可靠性,对起膜铲进行了六阶模态分析。为起膜铲的设计改进提供参考。
0.引言
 
       地膜覆盖栽培技术广泛应用于田间生产中,其调节光照、保温、节水、护根及增产等特征给农业生产带来了空前巨大的经济效益。这种先进的栽培技术给现代农业生产带来了极大便利的同时,也造成一定程度的环境污染。我国使用地膜的主要成分是聚乙烯等烃类化合物,在土壤中能够长期存在且不易分解,残留地膜对土壤的结构和作物的生长带来极大影响,被称为农田的“白色污染”。
 
       吉林省中西部地区气候干燥多严寒,是覆膜技术的推广使用区,也是受残膜污染影响最大的区域,残膜造成严重的白色污染污染周边环境,滞留田间污染土地影响作物生长。
 
       为解决残留地膜回收问题,国内一些相关科研机构已经作出大量的研究和实验工作。比较成熟的机型有挑膜弹齿式、耙齿式、抖动链式和铲筛式残膜回收机。这些残膜回收机在棉花和经济作物的残膜回收取得很好的效果。而针对吉林省玉米种植的残膜回收机研究较少,并且适用机型受限。
 
       由于玉米根茬的影响,残膜回收机的形式仅限于铲筛式较为理想。铲筛式残膜回收机是利用起膜铲刀在铲土起膜的同时将玉米根茬铲起,以消除根茬以及气生根对残膜的固持。
 
       残膜回收机在工作的过程中,由于农田地表复杂极易引起机具共振进而导致起膜铲的变形量加大。本文通过对起膜铲的静载荷和模态分析,计算出起膜铲的固有频率及振动特性。为样机设计改提供理论指导,验证样机设计的合理性。
 
1.起膜铲的结构及工作原理
 
       1.1 起膜铲的结构
 
       铲筛式残膜回收机的起膜铲,主要由支臂、铲刀、限深板、固定管组成。整个起膜铲部件通过螺栓与机架连接,在起膜铲底部设置限深板以防止铲刀在工作载荷的作用下扎入土壤。如图1所示:

起膜铲结构示意图

图1 起膜铲结构示意图
 
       1.2 起膜铲的受力分析
 
       起膜铲通过螺栓固定在机架上,其作业过程中的主要载荷有土壤对起膜铲的阻力Ff和土壤对起膜铲的支持力FN。其中起膜铲的阻力Ff与拖拉机的牵引力,土壤对起膜铲的支持力与机具的自重分别是大小相等方向相反的相互作用力。
 
       经查设计手册可知,土壤对起膜铲的阻力Ff和支持力FN分别由以下公式求得:
 
Ff=Ktab
 
FN=G
 
       其中,Ff——土壤阻力
 
       Kt——土壤比阻
 
       a——起膜铲入土深度
 
       b——起膜铲入土宽度
 
       FN——土壤支持力
 
       G——机具自身重力
 
       根据设计手册数据可知,土壤的比阻Kt取60Kpa,起膜铲的入土深度为0.03m,起膜铲的入土宽度为1m,整机重力为15000N。因此,起膜铲的土壤阻力为1.8KN,土壤的支持力为15KN。
 
2.起膜铲的静载荷分析
 
       2.1 有限元分析模型的建立
 
       运用无网格有限元技术对模型进行分析,观察起膜铲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对起膜铲进行模型的建立,铲刀的厚度为5mm,两侧支臂的厚度为15mm。将模型的装配体文件导入到MeshFree分析软件中。在材料选项中,指定起膜铲刀的材料为16Mn其余零件材料为普通结构钢材料属性设为,弹性模量为200GPa、泊松比为0.288、密度7890kg/m3、屈服强度为784MPa。
 
       2.2 约束及加载
 
       MeshFree分析软件采用无网格有限元分析技术,省略了网格划分工作需要对装配体中各零件间的接触进行定义。由于各零件间均为固定连接,设定各个零件间接触均为焊接限制所为自由度。边界条件中的约束设置起膜铲与机架相连接的四个螺栓孔为固定约束,限制其三个平移自由度。起膜铲在作业过程中受的土壤阻力为1.8KN,因此在起膜铲刀与土壤的接触面上加载1.8KN的力,方向与前进方向相反。如图所示:

起膜铲无网格分析的边界及载荷条件

图2 起膜铲无网格分析的边界及载荷条件
 
       2.3 分析结果
 
       通过有限元受力分析,可知起膜铲刀在作业条件下整体向下的变形比较大。变形量大的位置主要是铲刀两侧拢膜侧铲的尖角位置变形量为4.067mm。起膜铲支臂的变形量最小,支臂的最大变形量不超过1mm。根据分析结果云图可知,工作过程中铲刀与土壤接触部分和底部的限深板受力较大,铲刀在长期工作载荷下极易磨损。起膜铲两侧支臂的变形较小,设计尺寸数值较为合适如图3所示。工作状态下的等效应力如图4所示,最大应力出现在支臂的顶端和限深板与铲刀的连接处为183MPa。

起膜铲工作载荷下变形量

图3 起膜铲工作载荷下变形量

起膜铲工作载荷的等效应力

图4 起膜铲工作载荷的等效应力
 
3.起膜铲的模态分析
 
       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。
 
       由图5可知,起膜铲在二阶模态35.3Hz时变形量最小,其最大变形量为1.31mm。在三阶53.4Hz、四阶65.7Hz、五阶73.7Hz模态时铲刀表面都有明显的弯曲变形,其最大变形量分别是2.27mm,2.64mm,1.91mm。

起膜铲六阶模态振动

图5 起膜铲六阶模态振动
 
4.结论
 
       残膜回收机起膜铲在作业深度为3CM,入土宽度为1m,整机重力为15000N时,土壤阻力为1.8KN,土壤的支持力为15KN。
 
       通过有限元分析,起膜铲在工作载荷条件下最大等效应力为183MPa出现在支臂的顶端,最大变形量为4.067mm出现在拢膜铲侧铲两个尖角处。
 
       六阶模态分析中得到二阶模态振动变形量最小,最大变形量为1.31mm。三阶模态振动变形最大,最大变形量为2.64mm。
 
       综上所述,起膜铲做为残膜回收机的关键部件在工作载荷下极易磨损,需加强两侧拢膜部位结构。经振动分析发现振动激励下铲刀中间部位弯曲变形量最大,设计改进应加强此处或改变固有频率。
责任编辑:程玥
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