残膜回收机弹齿参数优化

0 引言

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。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。


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。


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。


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。

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 = 3 mm、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。

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，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。

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 AN-SYS / 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。

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。

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（略）