牛长河，王学农，刘旋峰，蒋永新，张佳喜，帕合尔鼎·阿不来提

(新疆农业科学院 农业机械化研究所，乌鲁木齐　830091)



基于有限元分析法的棉田残膜回收机松土齿结构改进

牛长河，王学农，刘旋峰，蒋永新，张佳喜，帕合尔鼎·阿不来提

(新疆农业科学院 农业机械化研究所，乌鲁木齐830091)

摘要：松土齿是残膜回收机的重要工作部件之一。为此，针对以往残膜回收机松土齿易变形的情况，在 SolidWorks Simulation中对松土齿结构进行有限元分析，找出松土齿受力时超出许用应力的区域，提出改进意见。同时，对修改后的松土齿重新进行有限元分析，结果表明：新的结构在尺寸和质量上没有大幅提高，而安全系数大大提高。采用新结构松土齿的残膜回收机在实际使用中，松土齿未见变形现象，且降低了收膜滚筒的故障率。

关键词：残膜回收机；松土齿；有限元；结构改进

0引言

目前，新疆棉花覆膜植棉面积为153万hm2，而采用机械回收残膜的面积仅9.85万hm2，占铺膜面积的5.75%。每年有94.25%的残膜得不到回收。据自治区有关部门在重点县(市)开展的废旧地膜污染调查显示，棉花地平均残留地膜量85.95kg/hm2。其中，最严重的一个点为399.75kg/hm2。残膜在土壤中破坏了农田的生态环境，形成阻隔带(层)影响种子和根系的发育生长，阻碍作物对水分和养分的吸收，影响种子发芽、出苗，造成烂种、烂芽，使幼苗黄、瘦，甚至死亡，还影响农机具作业质量，堵塞沟渠。据新疆生产建设兵团130团调查，结果显示：连续3～5年的残膜污染的土壤，小麦减产2%～3%，玉米减产10%左右，棉花减产16%～23%。连续铺膜年限越长，地膜残留量越多，对作物产量的影响也越大,残膜污染导致农作物减产作用越来越明显，同时对棉花品质的污染问题也逐渐凸显。

1JSMA-1800/2200型棉秸秆粉碎及残膜回收联合作业机能有效地解决棉田耕前地表残膜回收的问题。其工作原理：秸秆粉碎还田部件将作业幅宽上的棉秆粉碎抛送至机具后方，梳齿式松土齿将残膜下的土层疏松，便于挑膜滚筒工作；挑膜齿从土壤下将残膜挑起，输送到脱膜位置，挑膜齿缩回到滚筒内，脱膜滚筒从挑膜滚筒上将残膜脱下，送到膜箱；膜箱装满后，由液压缸将膜箱倾斜一定角度，完成卸膜。从机具使用情况来看，松土齿需入土40 mm,是工作阻力最大的部件，在土壤比阻较大的农田，往往发生松土齿变形，导致挑膜齿与松土齿干涉，破坏挑膜齿组的结构，影响机具的正常工作。

本文基于SolidWorks软件建立了松土齿三维实体模型，用Simulation插件进行有限元分析，提出改进意见，并对改进后的结构进行分析，用理论分析的结果指导样机加工，最终通过试验验证新结构的可靠性。

1改进前松土齿的分析

1.1结构

早期设计的松土齿部件由连接板、横梁、固结器及齿等组成，松土齿与挑膜齿呈交叉排列。为防止松土齿与挑膜齿发生干涉，松土齿的宽度尺寸要严格控制，不宜过宽，故采用厚度为14mm的扁钢,材质为Q235普通碳钢，通过螺栓连接在固结器上，固结器可在横梁上左右调整，如图1所示。

1.连接板　2.固结器　3.松土齿　4.横梁

1.2载荷分析

机具作业时有典型的3种工况：一是机具正常作业，匀速行驶，也就是松土齿匀速向前松土，松土齿入土深度最大时受土壤阻力；二是机具起步时强制入土，松土齿受冲击载荷；三是拖拉机手误操作，机具转弯时没有将工作部件升起离开地面，松土齿承受侧向力。该侧向力的极限值发生在力的方向垂直于松土齿侧面。综合分析发现：只有松土齿受侧向力(A向)时,松土齿向左右两侧发生的变形会导致其与挑膜齿发生干涉，有限元模型施加载荷考虑变形最大的情况为第3种工况。机具工作时，松土齿入土深度为40mm，当发生误操作时松土齿所受侧向力为土壤对松土齿阻力F阻，受力简图如图2所示。

图2　松土齿受力极限图

土壤阻力的计算。查农机设计手册可知：在新疆的北疆地区耕地多为轻壤、中壤土质，土壤比阻为40～60kPa；南疆地区多为沙壤、轻中壤土质，土壤比阻为30～50kPa。由此可见，在全疆耕地的最大土壤比阻为60kPa，可参考土壤比阻计算公式来算出单根松土齿所受的土壤阻力F阻，有

式中Kt—土壤比阻；

η—犁耕效率，一般取0.7；

a—单个入土部件耕深；

b—单铧幅宽。

取土壤比阻Kt=60kPa，深度a=0.04m，宽度b=0.15m，计算出F阻=0.252kN。

1.3有限元分析

利用有限元分析软件Simulation，对松土齿结构的抗弯性能进行分析。施加的条件是：材质为Q235普通碳钢，施加约束在横梁两侧端板，约束条件为“固定”，对安装在横梁上的每一根松土齿的入土部分施加252N的侧向力，进行网格划分、有限元运行，可以得出应力、位移、安全系数以及变形量图解等。设计时，需要安全系数和最大变形量结果作为参考，图解如图3所示。

从有限元结果可以看出：最小安全系数为1.15，最大变形量为9.98mm,安全系数较小，变形量非常大；机具在实际作业中也发生了大量松土齿变形的情况，有限元分析结果与实际情况吻合。

安全系数图解　　　　　　　　最大变形量图解

2改进后松土齿的分析

2.1结构对比

根据经验和具体尺寸要求，设计了两种新型松土齿的结构：一种采用锻压的方式，将钢材模锻成特殊形状；另一种采用普通无缝圆管，压制成截面为椭圆型，齿尖入土部件采用耐磨铸钢材料铸造而成，圆管与齿尖焊接组成松土齿，如图4所示。采用同样有限元分析的方法对比两种松土齿的抗弯强度，再综合考虑制造成本和加工难易程度，确定最终方案。

锻造松土齿结构　　　　　　　组合松土齿结构

运行有限元分析，锻造结构松土齿安全系数和最大变形量图解如图5所示，组合结构松土齿安全系数和最大变形量图解如图6所示。

安全系数图解　　　　　　　　最大变形量图解

安全系数图解　　　　　　　　最大变形量图解

对比分析结果如表1所示。

表1　3种松土齿结构有限元分析对比

从图表显示可以看出：同样施加252N的力，原松土齿结构的型变量远大于其他两种结构，安全系数仅为1.15。在实际使用中，大量的松土齿发生变形，组合结构的松土齿变形量最小，安全系数最高，其加工难度较锻造结构更容易。所以，新型残膜回收机的松土齿重点考虑采用该结构，对该结构的松土齿进一步进行有限元分析，验证能否达到使用要求。

2.2改进后松土齿的结构及受力分析

2.2.1松土齿结构分析

通过上述分析，拟采用组合式结构作为新型残膜回收机的松土齿部件。新松土齿由齿杆、齿尖、横梁及端板组成：齿杆采用40mm×4mm的冷拔无缝圆管，总长560mm；与横梁连接部分120mm长的圆柱段保证不变形，剩余段采用模具压制成外径52mm×25mm的椭圆形状，平滑过渡；齿尖采用耐磨铸钢材料铸造而成，将齿杆与齿尖焊接；横梁采用100mm×6mm的冷拔无缝圆管，加工41mm的圆孔与齿杆焊接，两端焊接端板，如图7所示。

齿秆结构　　　　　齿尖结构　　　　　　　横梁与端板结构

2.2.2松土齿受力分析

机具作业时，松土齿插入地面以下40mm，松土齿主要承受土壤阻力和土壤对机具的支撑力。其中，土壤阻力的方向与机具前进方向相反，支撑力方向与机具重力方向相反，竖直向上；整机按照2t计算，而机具作业时80%的力作用在松土齿上，所以施加在松土齿上机具重力的反作用力为16kN, 整机共计16根松土齿，每一根松土齿承受1kN的支撑力F支撑，受力分析如图8所示。

图8　松土齿受力分析

同样采用土壤比阻计算公式来算出单根松土齿所受的土壤阻力，有

式中Kt—土壤比阻；

η—犁耕效率，一般取0.7；

a—单个入土部件耕深；

b—单铧幅宽。

取耕深0.04m，幅宽0.025m，土壤比阻60kPa，计算出F阻=0.042kN。

2.2.3松土齿及横梁的可靠性分析

建立新松土齿结构的装配体三维模型，将上述分析得出的F阻与F支撑施加在模型上，建立有限元分析算例。运行该算例，计算出最小安全系数为6.14，如图9所示。其安全系数较大，可以满足正常工况下的松土作业，同时在较为恶劣的土壤条件下，也能保证机具的正常作业。

图9　组合结构松土齿安全系数

3结论

由于农作物生长周期较长，导致农业机械产品的开发从设计到田间试验往往需要一年的时间，如果某个部件的结构设计不合理，会导致整机无法正常工作，延长产品的产业化进程。为此，将设计的产品用有限元法进行受力分析，可大大提高设计产品的可靠性，降低产品的废品率。2014年，采用新型松土齿结构的残膜回收机在南北疆不同土壤的工作条件下作业，松土效果较好，有效地保护了挑膜滚筒，松土齿未发生变形与断裂等现象。

参考文献：

[1]侯书林,胡三媛,孔建铭,等.国内残膜回收机研究的现状[J].农业工程学报,2002(3):186-190.

[2]王鹏.新疆兵团残膜回收机械与政策机制现状的分析研究[D].石河子：石河子大学,2013.

[3]常立荣,裴泽莲,曹磊.残膜回收机研究发展初探[J].农业科技与装备,2013(2):37-38.

[4]胡凯,王吉奎,李斌,等.棉秆粉碎还田与残膜回收联合作业机研制与试验[J].农业工程学报,2013(19):24-32.

[5]李明洋,马少辉.我国残膜回收机研究现状及建议[J].农机化研究,2014,36(6):242-245，252.

[6]张昭.深松机关键部件有限元分析及优化设计[D].杨凌：西北农林科技大学,2012.

[7]张宏.下插式土壤浅松机的研究与关键部件的有限元分析[D].杨凌：西北农林科技大学,2012.

[8]陈坤.后掠式弧形深松铲柄的结构优化研究[D].长春：吉林农业大学,2012.

[9]郑彦波.推土机松土器有限元与动力学分析及结构优化[D].太原：太原科技大学,2013.

[10]石振.推土机松土器疲劳特性研究[D].长春：吉林大学,2013.

[11]吕振邦.多功能深松机及其关键部件的设计与试验研究[D].长春：吉林大学,2013.

[12]肖艺.推土机后工作装置动力学及有限元分析[D].长春：吉林大学,2009.

[13]中国农业机械化科学研究院编.农业机械设计手册[K].北京：机械工业出版社, 1988.

The Ripper Tooth Structural Improvements of Cotton Fields Plastic Film Recycling Machine Based on the Finite Element Method

Niu Changhe, Wang Xuenong , Liu Xuanfen, Jiang Yongxin, Zhang Jiaxi, Pahaerding

Abstract：Ripper tooth is one of the most important working part of plastic film recycling machine, for the problem of ripper tooth easy-deformed, put ripper tooth into Solidworks Simulation and use finite element analysis, through analysis and calculating result, find out the area beyond the allowable stress when ripper tooth force, put forward improvements. Using finite element analysis again for improved ripper tooth, the new structure does not substantially increase the size and weight,but greatly improve the safety factor. In actual use of new structure ripper tooth of plastic film recycling machine,ripper tooth have no deformation, while reducing the failure rate of the recycle film drum.

Key words：plastic film recycling machine; ripper tooth; finite element; structure improvement

文章编号：1003-188X(2016)03-0033-04

中图分类号：S223.5

文献标识码：A

作者简介：牛长河(1982-),男，乌鲁木齐人，助理研究员，硕士， (E-mail) 15999133007@139.com。通讯作者：帕合尔鼎·阿不来提(1969-)，男(维吾尔族)，乌鲁木齐人，高级工程师，硕士，(E-mail)22939164@qq.com。

基金项目：新疆维吾尔自治区科技计划项目(201354101)

收稿日期：2014-11-08