残膜回收机弹齿参数优化

魏　飞，张林海，陈晓敏，简建明，侯书林

(1.南阳理工学院 机械与汽车工程学院，河南 南阳　473004；2.中国农业大学 工学院，北京　100083)



残膜回收机弹齿参数优化

魏飞1，张林海1，陈晓敏2，简建明2，侯书林2

(1.南阳理工学院 机械与汽车工程学院，河南 南阳473004；2.中国农业大学 工学院，北京100083)

摘要：针对残地膜回收机弹齿应力效应问题，对弹齿长度L、截面直径D、入土角θ、回转角速度ω等4个参数进行虚拟正交试验，建立相应的数学模型，考察各参数对弹齿应力的影响。正交试验结果显示：弹齿所受应力随着L、ω的增大而增大，随着D、θ的增大而减小；弹齿应力最小参数为L=180mm、D=10mm、θ=70°、ω=0.79(即π/4)rad/s，最大为L=280mm、D=3mm、θ=15°、ω=2.09(即2π/3)rad/s。弹齿截面直径对临界入土角影响较大，随截面直径的增大，临界入土角明显减小，即增大弹齿截面直径有利于弹齿的顺利入土。

关键词：残地膜；捡拾机构；弹齿；优化

0引言

目前，我国农业生产中广泛运用地膜覆盖栽培技术，致使田间地膜残留量激增，严重污染农田与环境。因此，弹齿式收膜机凭借其简单、耐用的优点得到了高度重视[1-3]。

捡膜弹齿是残膜回收机主要工作部件。拾地膜过程中，弹齿长杆为主要受力部位，应考察其结构参数对应力结果的影响,包括弹齿的长度L、截面直径D；此外，弹齿入土角θ、回转角速度ω也是影响弹齿所受应力大小的重要参数。为此，本文针对弹齿的这4个参数进行虚拟正交试验，建立相应的数学模型，以考察这些参数对弹齿受到应力的影响的重要程度；同时，通过方差分析法对试验结果进行分析，以应力最小为目标进行优化设计，为弹齿的结构设计提供依据。

1弹齿捡拾机构工作原理

图1为弹齿式拾膜部件结构示意图[4]。其由地轮带动弹齿轮运转，弹齿沿滑道的运动，从而完成捡拾与卸膜的工作过程。

弹齿捡膜的工作过程是弹齿以一定角度进入土壤，将垄面的残膜挑起，然后再将其挑离整个土面的过程[5-7]。

1.弹齿轮　2.滑道　3.弹齿　4.残膜　5.土壤

2虚拟正交试验设计

2.1因素水平表

本次虚拟正交试验的目的在于寻求一组最优的弹齿长度L、弹齿截面直径D、弹齿入土角θ、弹齿回转角速度ω，使得弹齿入土作业过程中所受应力为最小。所以，将应力大小作为本次试验的评价指标，以弹齿长度L、截面直径D、入土角θ、回转角速度ω为试验因素，对每个因素取5个水平，最终确定该试验所选取的因素水平表。在进行试验时，保持所涉及的其他参数不变，如弹齿的其他结构尺寸、弹齿与弹齿轴的位置关系、土壤的参数等均保持不变。试验确定的因素水平表如表1所示。

2.2试验方案

本文所确定的因素水平表为四因素五水平正交试验表，根据试验所确定的因素水平数制定试验方案，进行25次试验计算，以得到所需试验结果数据。

表1　因素水平表

2.3虚拟正交试验结果及分析

2.3.1试验结果

每组均考察弹齿从入土至出土的整个工作过程，由于角速度和入土角度的影响，每组的求解时间不一。根据每组弹齿的结构参数重新建立土壤模型，根据每组角速度和入土角计算得出每组的求解分析时间，输出K文件信息并进行相应的修改，提交至LS-DYNA求解器进行求解，记录分析过程中每组试验的应力最大值。试验1～25的分析过程中的应力最大值如表2所示。

表2　试验结果数据

续表2

2.3.2显著性检验

查得临界值F0.05(4,8)=3.84、F0.01(4,8)=7.01，所以对于显著性水平α=0.05，因素C(即入土角)对实验结果有非常显著的影响，因素A(即弹齿长度)对试验结果有显著影响，因素B和因素D(即弹齿截面直径和弹齿回转角速度)对试验结果的影响较小，其置信度为95%。因素主次顺序依次为入土角、弹齿长度、弹齿截面直径和弹齿旋转角速度。最后，将分析结果列于方差分析表,如表3所示。

表3　方差分析表

2.3.3优方案的确定

试验指标是应力大小，其值越小越好。从试验结果数据(表2)可以看出：优方案应取各因素最小K值所对应的水平，为A2B5C5D2，即弹齿长度L=180mm、弹齿截面直径D=10mm、入土角θ=70°，弹齿回转角速度ω=0.79(即π/4)rad/s。

相反，最差方案取各因素最大K值对应的水平，为A5B2C2D4，即弹齿长度L=280mm、弹齿截面直径D=3mm、入土角θ=15°，弹齿回转角速度ω=2.09(即2π/3)rad/s。

由试验结果数据中得到：方案中应力最大的为弹齿长度L=280mm，弹齿截面直径D=4mm，入土角θ=15°，弹齿回转角速度ω=1.57(即π/2)rad/s。

2.3.4结果趋势图及分析

根据试验结果数据ki值，绘制趋势图如图2所示。图2中，横坐标表示各因素的水平，按照水平的实际大小进行排列；纵坐标表示试验指标。从图2中也可以看出：当弹齿长度A2=180mm、截面直径B5=10mm、入土角C5=70°、角速度D2=0.79rad/s时，弹齿所受到的应力最小。即优方案为A2B5C5D2。从趋势图还可以看出，弹齿所受应力随着弹齿长度、角速度的增大而增大，随着截面直径、入土角的增大而减小。实际进行确定方案时，还应根据具体的拾膜要求及拾膜速率，来确定最终的结构参数和运动参数。

图2　试验方案因素与指标趋势图

2.3.5弹齿未入土的结果分析

在弹齿与土壤运动的过程中，当弹齿的入土角小到一定程度，弹齿就不能成功进入土壤，不能完成整个对土壤切削的过程。这是因为弹齿的初始入土角很小时，其对土壤的剪切力很小，当不能达到土壤的抗剪切力时，便不能将土壤切开进入土壤；而随着弹齿与土壤的继续接触，弹齿与土壤之间的夹角越来越小，弹齿对土壤的剪切力也越来越小，越来越小于土壤的抗剪切力，这就导致弹齿更不可能将土壤切开进入土壤，所以就会发生弹齿在整个过程中未能入土的情况，得到的结果如图3(a)所示。

图3(b)所示为弹齿未入土的情况中，选取弹齿齿根部(A、B单元)、弹齿弯曲变形较大部位(C、D单元)、弹齿齿尖部(E、F单元)，得到其应力变化曲线。由图3与前文弹齿应力分析图比较可以看出，弹齿不入土时其应力变化趋势与入土时不一样。由图3可知：弹齿齿根部仍然是在弹齿与土壤接触时应力值发生突增，但在接下来弹齿与土壤继续接触的过程中，其应力值没有突降的一个过程；相反，其应力值持续增大，最后在一个较大的应力值范围呈锯齿状波动。这是因为弹齿不能进入土壤，弹齿与土壤间的夹角也在变小，齿根部受到的弯矩也就在变大，所以相应应力值也就在变大。

图3　弹齿未入土结果

由图3(b)还可以看出：弹齿弯曲变形较大部位的应力值并没有在弹齿与土壤接触时发生突增。这是因为该部位在弹齿与土壤刚接触时，其变形量并不大；随着弹齿与土壤的继续接触，由于弹齿不能进入土壤，该部位的变形量在持续增加，所以该部位的应力值也就在持续增长。

由图3(b)可知：与其他两个部位相比，弹齿齿尖部受到的应力要小很多，其变化趋势也没有其他两个部位明显。这是因为弹齿不能进入土壤，齿尖部受到的土壤阻力相较其他部位受到的弯矩要小得多，所以其应力值要小很多。因为在弹齿与土壤继续接触的过程中，齿尖部与土壤间接触的状态不会发生明显变化，与初始接触状态相差不大，所以齿尖部的应力变化趋势也不很明显。

2.3.6弹齿未入土的结果分析

入土角对弹齿受到应力的大小有非常显著的影响：土角太小时，会发生弹齿不能切入土壤的状况，所以对弹齿能够进入土壤的临界入土角的分析具有十分重要的意义。

首先，根据残膜回收机实际工作状态时弹齿的结构尺寸确定弹齿其他几个参数取值为弹齿长度L为230mm，弹齿截面直径D为5mm，弹齿的旋转角速度ω为1.57(π/2)rad/s，针对弹齿的入土角进行单因素试验。单因素试验同样需要重新建立有限元模型，并定义好边界条件和载荷，设置好求解选项通过ANSYS/LS-DYNA进行求解。

正交试验的结果分析：在入土角为15°时，有些方案是没有入土的；而入土角为30°时，弹齿的入土效果比较好。所以，选择30°和15°分别作为单因素试验入土角的上下限取值。然后，针对得到的结果，通过二分法逼近的原理，以弹齿入不入土为判断指标，定义下一次试验的因素取值，周而复始，得到满足一定精度(此处取为1°)的结果近似值。试验过程及结果如图4所示。

图4　参数取值5mm单因素试验过程及结果图

由试验结果得知：当弹齿长度L=230mm、弹齿截面直径D=5mm、弹齿的旋转角速度ω=1.57(π/2)rad/s时，弹齿的临界入土角为21°±1°。

在进行正交试验的过程中还发现：弹齿的截面直径也对弹齿的入土起到关键的作用。当直径比较大的时候，弹齿会更容易进入土壤。所以，针对弹齿不同的截面直径，考察其临界入土角的大致范围。选取弹齿截面直径为3mm和8mm，分别对其进行单因素试验，试验的过程和步骤同上文所述。由此得到截面直径取3mm时，弹齿长度L=230mm、弹齿截面直径D=3mm，弹齿的旋转角速度ω=1.57(π/2)rad/s时，弹齿的临界入土角为27°±1°。本次试验的试验过程及结果如图5所示。

图5　参数取3mm单因素试验过程及结果图

同样考察直径取为8mm、其他参数不变时的弹齿入土角的大致范围，得到的结果为弹齿的临界入土角为15°±1°。

由结果可知：弹齿的截面直径对临界入土角的影响较大，直径相差2mm便可以造成临界入土角相差6°左右。随着弹齿截面直径的增大，相应临界入土角减小，即增大弹齿截面直径有利于弹齿的顺利入土。通过本次单因素试验结果，得到在弹齿截面直径不同尺寸条件下的临界入土角大小，可为弹齿结构设计及装配角度提供指导。

3结论

1)弹齿所受应力随着L、ω的增大而增大，随着D、的增大而减小。因此，在实际设计中，还应根据具体的拾膜要求、拾膜速率，来确定最终的结构参数和运动参数。

2)弹齿上应力处于最小值的参数取值为：L=180mm，D=10mm，θ=70°，ω=0.79(即π/4)rad/s；应力处于最大值的参数取值为：L=280mm，D=3mm，θ=15°，ω=2.09(即2π/3)rad/s。

3)在L=230mm，ω=1.57(即π/2)rad/s条件下，当弹齿截面直径D分别等于3、5、8mm时，弹齿的临界入土角θ分别为27°±1°、21°±1°和15°±1°。

参考文献：

[1]那明君，董欣，侯书林，等．残膜回收机主要工作部件的研究[J]．农业工程学报，1999，15(2)：112-115.

[2]Berglund，Rake．Impact of plastic mulch and poultry manure on plant establishment in organic strawberry production[J]．Journal of Plant Nutri-tion,2006，29：103-112.

[3]曹肆林，王序检，刘云，等．残膜回收机械化技术的专利分析研究[J].中国农机化，2009(4):48-50.

[4]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，2002，18(3)：186-190.

[5]吕贻忠，李保国．土壤学[M]．北京：中国农业出版社，2005.

[6]何涛，杨竞，金鑫，等．ANSYS 10.0/LS-DYNA非线性有限元分析实例指导教程[M]．北京:机械工业出版社，2007.

[7]马爱丽．基于LS-DYNA果园螺旋开沟机模拟试验研究及其优化设计[D]．武汉:华中农业大学，2008.

Abstract ID:1003-188X(2016)02-0167-EA

Parameteres Optimization of Film Recycling Machine Tine

Wei Fei1, Zhang Linhai1, Chen Xiaomin2, Jian Jianming2, Hou Shulin2

(1.College of Mechanical and Automotive Engineering，Nanyang Institute of Technology,Nanyang 473004, China; 2.College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083,China)

Abstract：For solving the stress effects problems of the Plastic film recycling machine tine , through corresponding mathematical model,simulation virtual experiments are tried to study four parameters(tine length, cross-sectional diameter, buried angle, the rotational angular velocity ) of Tine stress affected. Orthogonal experiment results showed that, tine the stress increases with L,ω is increasing,with increasing D,θ decreases.Tine stress minimum parameters for L=180mm, D=10mm, θ = 70 °, ω=0.79 (i.e.π/4)rad/s, a maximum of L=280mm, D=3mm, θ =15°, ω=2.09 (i.e. 2π/3) rad/s.Tine sectional diameter greater impact on the critical angle buried, along with an increase in cross-sectional diameter, buried the critical angle significantly reduced, which increases cross-sectional diameter of the spring-tine conducive to the smooth shells buried.

Key words：residue mulch ; pickup mechanism; spring-tine; optimization

文章编号：1003-188X(2016)02-0167-04

中图分类号：S223.5

文献标识码：A

作者简介：魏飞(1968-),男，河南南阳人，讲师，(E-mail)weifei196801@126.com。通讯作者：张林海(1976-)，男，河南南阳人，讲师，博士，(E-mail)zhlinhai2005@163.com。

基金项目：国家“863计划”项目(2012AA10A503-4)

收稿日期：2015-01-21