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1、10 届毕业论文伸缩拨齿滚筒收膜装置的有限元分析 学生姓名 学 号 所属学院 机械电气化工程学院 专 业 农业机械化及其自动化 班 级 10-1 指导教师 日 期 2010.6 塔里木大学教务处制目 录摘要.11 绪论21.1本课题研究的目的和意义21.2本课题的研究现状21.2.1国外残膜回收机具21.2.2机械化作业机具31.2.3国内地膜/残膜回收机具31.2.4苗期残膜回收机31.2.5联合作业残膜回收机和残膜回收机31.2.6春播前收膜41.3对课题所涉及的任务要求及实现预期目标的可行性分析42伸缩式滚筒残膜回收机零件的设计选择42.1芯轴42.2滚筒52.3拨齿52.4滚筒端盖52
2、.5液压缸的选择62.6轴承的选择63残膜回收装置的有限元分析63.1有限元分析的定义、特点及步骤63.1.1有限元分析定义63.1.2有限元分析的特点63.1.3有限元分析的步骤63.2残膜回收装置有限元分析的目的、意义及方法73.3芯轴的有限元分析73.3.1建立芯轴有限元模型73.3.2芯轴建模步骤：73.3.3芯轴网格划分83.3.4模型加载求解83.3.5 计算结果及分析103.3.6芯轴的分析结论103.4拨齿的有限元分析113.4.1建立拨齿有限元模型113.4.2拨齿建模方法：113.4.3模型加载求解113.5侧辐板有限元分析133.5.1建立侧辐板模型133.5.2载荷施加
3、及求解134残膜回收机滚筒综合分析144.1残膜回收机滚筒综合分析的意义144.2滚筒实体建模154.2.1建立滚筒壳有限元模型154.2.2 计算结果与分析165 结论17致 谢18参考文献19伸缩拨齿滚筒收膜装置的有限元分析刘川（塔里木大学机械电气化工程学院 新疆阿拉尔 843300）摘要:采用有限单元法，利用大型数值分析软件ANSYS，对伸缩拨齿滚筒收膜机芯轴、滚筒、拨齿进行了分析，成功地得到了芯轴、滚筒、拨齿的节点变形图和平均等效应力分布图，为厂方设计改造及扩大再生产提供了详实、可靠的依据。关键词：芯轴；滚筒；拨齿；有限元法；应力；结构静力分析Telescopic dial the t
4、ooth roller accept membrane device finite element analysisLiu Chuan(stitute of engineering machinery electrified ; Tarim university ; Xinjiang alar; 843300)Abstrac :Adopt a limited unit method, make use of large CAE number analysis software ANSYS, stir a Chi roller to accept film machine Xin stalk,
5、roller and stired Chi to carry on to the stretch and shrink analysis, successfully got Xin stalk, roller and stir the node of Chi to transform diagram peace on an equal footing the effect dint distribute diagram, is factory square design reformation and extension the reproduction provided a thorough
6、 and dependable basis.Key words :Xin stalk; Roller; Stir Chi; Limited dollar method; In response to dint; The structure is quiet the dint be analytical1 绪论1.1本课题研究的目的和意义 我国种植棉花已经有很长的历史，棉花在我国生产面积基本稳定，是我国主要的经济作物之一，其种植地域主要分布在黄河、长江流域及新疆三个棉花产区。近几年，新疆棉花产区棉产量多次刷新全国棉花产量记录，棉花产量稳步提升。截止2008年，新疆棉产区的棉花种植面积已经达到24
7、00多万亩，棉花总产量达到275万吨。新疆棉花产区在我国占有重要地位，新疆棉产区86个县市中就有63个县市常年种植棉花，而在南疆地区，有60%以上的农业收入来自于棉花产业。在新疆，棉花已经成为新疆的重要经济作物，给新疆的发展建设做出了重要贡献【1】。深受新疆广大农民欢迎的地膜栽培技术自七十年代末引入新疆棉产区，其作用是起到增温、保墒、抑制杂草生长、促进作物早熟和增产。但是，被誉为农业“白色革命”的地膜覆盖栽培技术带来显著经济效益的同时，也带来了严重的环境污染。由于常年使用地膜而又不能完全回收，年复一年的积累在土壤中，使得土壤结构和土壤质量严重破坏和污染【2】。根据2006年自治区农业厅环境监测
8、站专项检测结果显示，新疆棉产区地膜种植总面积为3000万亩，而全疆棉产区地膜用量为11.6万吨，棉田土壤中地膜的残留量为每亩5.73kg。通过以上检测数据可知，新疆棉产区棉田中的地膜残留量比较多。然而，新疆面产区的棉花主要种植在各个团场，棉田中的地膜残留量过多直接影响到团场的自然生态环境和团场的经济收入【3】。为减少棉田土壤中地膜的残留量，减少残膜对环境的污染，增加团场职工经济收入，为子孙后代留下一个健康的生活环境，所以必须减少棉田中的残膜含量。在开展本课题研究之前，我们必须对地膜有所了解，有所认识。只有了解了残膜的特性，就可以有针对性的解决问题。第一，我们应该了解残膜具有的特性：残膜在播种、
9、田间管理、收获、自然风化等因素影响下，地膜的破损比较严重。但是被土壤掩盖的地膜基本比较完整，破损不是很严重。在进行残膜回收时，经过松土后拉起地膜需要17.84N的力，而没有经过松土拉起地膜需要29.4-35.28N的力。秋收时残破的残膜仍有一定的延伸性，一般地膜的延伸率为30%左右，捡拾起来的地膜在静电机器摩擦力的作用下非常容易缠绕在旋转部件和工作部件上，不宜脱落【4】。第二，我们应该知道残膜造成的影响：污染农田周围环境；污染影响土壤质量，影响农作物生长发育，降低作物产量；影响农业机械的作业质量。田地中的残膜一般残留在田地的0-20cm的浅耕层，在农业机械进行农田作业时，残膜容易缠绕在犁铧等器
10、械上，大量的残膜还会堵塞中耕施肥机或者播种器造成施肥或播种的不均匀【5】。从以上数据信息可以发现，田地中所残留的残膜产生的不良影响正在日益加深，对环境的污染也在日益加深。减少田地中的地膜残留量，保护田地的生态环境将是地膜覆盖种植持续发展的重要任务。纵观我国当代农业机械化水平，残膜回收机械的应用技术不是很先进，其主要原因有二，一是我国残膜回收机械的技术性能还不够完善，真正能够应用于实际的残膜回收机型很少，而且作业性能可靠性较差，如现在新疆生产建设兵团正在使用的钉齿滚筒残膜回收机，他的使用性能就不是很好，而且在工作的过程中必须要借助人力才能完成作业，同时还造成了在借助人力脱膜时使部分残膜再次落到田
11、地中，造成了残膜的二次堆积。二是我国相关部门还没有出台关于“大力推行农田残膜回收工作”的相关法律和政策，没有一种强硬的手段使人们自主的开展农田残膜回收【6】。1.2本课题的研究现状1.2.1国外残膜回收机具在农业机械科研领域，国外的农业机械应用技术是比较先进的，但是在残膜回收机械的运用上，国外目前应用较多的是半机械化作业的残膜回收机械，DuboisAgrinovation生产的Mulch Lifter 1800 Challenger；Plastic mulch lifter, RobertMarvel Plastic Mulch LCC生产的Model98Mulch Lifter；美国Kenn
12、co Manufacturing, Inc.公司开发的PS610型等，这几种型号的残膜回收机的工作原理基本一致【7】。比如美国Kennco Manufacturing, Inc.公司开发的PS610型残膜回收机，其由机架、地轮、地轮窃膜刀、起膜铲和切断圆盘等组成。机器工作时，由拖拉机作为牵引力，地轮切刀先将地膜两边影响起膜的杂草和根茎等切断，然后由起膜铲将地膜掀起，并且将地膜上的土等杂物抖落，最后由切断圆盘将地膜由中部切开，以便于人工捡拾。该机型主要用于作物收获后的地膜回收，其工作幅宽可以根据地膜宽度进行调整，成本低，结构简单。在国外已经得到了推广应用。从其工作原理可以看出，该型残膜回收机只是
13、将地膜挑起，并不能完成机械捡拾地膜，只能靠人工将挑起的地膜捡拾起来，其工作效率先对比较低。1.2.2机械化作业机具在半自动起膜机基础上，以色列、英国、美国、前苏联和日本等国都先后开发了全机械化残膜回收机具，如图1-1所示。图1-1 机械化残膜回收机该残膜回收机由残膜回收辊、机架、切割圆盘、起膜铲、地轮等部件构成。机器在工作时，由拖拉机提供牵引力，切割圆盘将超出幅宽的地膜切断，然后由后面的起膜铲把覆盖在地膜两侧的土松起。残膜在残膜回收辊的转动作用下将地膜卷起【8】。该机型一次可以完成两行或两行以上的收膜作业，工作效率比半机械化残膜回收机高很多，但是也存在很多问题：该型残膜回收辊两个相对的圆锥轴，
14、因此在开始卷膜和残膜断裂后都要人工进行重新卷膜，影响了机器的工作效率；在进行残膜回收时，要求残膜要有一定的强度，否则在收膜过程中，随着地膜上的杂土杂物的增加积累会导致地膜断裂，造成工作中断，影响工作效率；根据该机型的工作原理可知，该机型只能对大块的残膜精心回收，而对于小块的残膜却不能进行捡拾。除了上面介绍的这种机型外，还有采用弹齿式的残膜回收机，其工作原理是由弹齿把残膜与杂质一同卷起，并送向后置的残膜收集箱，其特点是可以将小块的、不成条的残膜一起回收，但是在机器回收残膜的同时也将秸秆等杂质一起回收了，降低了残膜的回收质量，而且增加了动力的消耗，浪费机械能。1.2.3国内地膜/残膜回收机具 随着
15、我国田地残膜问题的日益严重，我国针对残膜回收问题也采取了许多措施。按照工作时机分，主要包括主要包括苗期地膜/残膜、秋后地膜/残膜回收以及春播前残膜回收等。传统的人工收膜方式，费时费力，要经过用镐头起茬、用扒子搂膜搂茬、集垄、清除等多道工序，劳动强度大，且残膜的回收率偏低，一般在60%左右。而用机械进行残膜回收则可以一次完成上述多项作业，其工作效率可大幅度提高，并且可以降低作业成本【9】。1.2.4苗期残膜回收机苗期地膜比较完整，老化较轻，膜上土层积累少，所以被许多人看作是地膜回收的最佳时机。该机型主要包括新疆农八师134团和兵团农机技术推广站共同研制的CSM-130残膜回收机、新疆农科院农机化
16、研究所研制的MSM-1残膜回收机以及新疆红旗机械厂研制的4MSM-3型残膜回收机10。工作原理：残膜回收机具在拖拉机的牵引下前进，起膜导轨将地表上的地膜向上挑起，起膜轮上的起膜杆齿顺势插入地膜，并在导轨的配合下向上向后输送，当转到卸膜位置时，由卸膜叶轮的叶板将地膜从起膜杆齿上搂下输送到卷膜辊，卷膜辊在地轮带动下将整幅地膜平整地卷到卷膜辊上。优点：直接将地膜揭起并打成卷，不会造成二次污染，结构简单，工作效率高。缺点：当作物的株冠比较大时，经常因为枝冠封垄而限制机器的作业速度的提高。1.2.5联合作业残膜回收机和残膜回收机上一小节已经介绍了苗期残膜回收机回收残膜时存在的一些问题，特别是现在新疆产棉
17、区大多采用滴灌接水技术，限制了以上机型不能够在苗期进行残膜回收，而只能在秋收后进行残膜回收。其主要工作机型包括以下两种联合作业残膜回收机和残膜回收机：联合作业残膜回收机是为了提高残膜回收机的工作效率，将残膜回收和其他的农田作业相结合。设计制造出了如新疆农业科学院研制的棉秸秆切碎及残膜回收联合作业机、东北农业大学研制的收膜整地多功能作业机、新疆和硕县农机局开发的QMB- 1500型后置式起膜拔棉秆机等机型【11】。作业特点：将残膜回收与秸秆还田及整地等农田作业有机的结合在一起，提高了工作效率，提高了农业机具的有效利用率，降低了劳动成本，省工省时；由于选择在秋收后进行残膜回收，田间没有农作物的影响
18、，地膜的回收比较容易且残膜回收质量高。但是当秸秆切碎机和残膜回收机联合作业时，由于秸秆切碎机先将秸秆切碎然后再进行残膜回收，所以，增加了后续残膜回收的难度。当整地机和残膜回收机联合作业时，由于此时地膜已经经历了使用，收获及秸秆处理过程中长时间的碾压和踩踏，使得地膜的撕裂和段条，因此该机型的残膜回收率只有87%左右。1.2.6春播前收膜 春播前收膜就是利用春播前土壤开始疏松，便于残膜从土壤中分离出来的特点进行残膜回收。而这时，田间大多数的残膜已经在秋收后收回，地表残留的残膜比较少，大多数的残膜是被掩埋在土壤20cm以内的小块残膜，回收起来难度比较大。当前开发的机型主要包括两种：搂耙式，将田间的残
19、膜搂起来，当积累到一定量后将其堆放在一起，以便于收集。该型号的残膜回收机结构简单，动力消耗少，但捡拾效果差；气吸/气吹式，在田间用挑膜轮将残膜挑起来，然后利用风机作用将残膜吸入集膜箱，其工作可靠性高、结构简单、小片残膜回收效果好，其缺点就是只能吸收地表的残膜，对于混杂土壤的残膜很难用机器将残膜和土壤有效分离。所以根据材料介绍，只能清除地表2-3mm的残膜。1.3对课题所涉及的任务要求及实现预期目标的可行性分析伸缩拨齿滚筒残膜回收机主要由机架、联接架、拨齿、液压、滚筒、悬挂架等部分组成。机械化收膜主要是起膜、挑膜、扎膜、脱膜等工艺环节。根据现有伸缩拨齿滚筒残膜回收机机具结构特点和气受力特点，对其
20、主要工作部件：滚筒、芯轴、拨齿等利用ANSYS有限元分析软件进行有限元分析。通过对伸缩拨齿滚筒残膜回收机主要工作部件的有限元分析进一步完善机具，使其能够更好的满足工作要求。2 伸缩式滚筒残膜回收机零件的设计选择经过多次的讨论和研究，确定伸缩拨齿滚筒残膜回收机的总体结构，包括机架、轴承座、滚筒、拨齿、芯盘、芯轴、轴间套、液压缸、液压连接杆、拨叉、联筒器、轴等装置。残膜回收的关键问题在于残膜缠满钉齿之后采用什么样的方法使残膜不需人力而自动从钉齿上脱落。脱膜的方法有轴向与径向两种方式，我国现在一部分残膜回收机的残膜回收方式采用径向收缩，根据残膜在土壤里的特性本课题采用轴向收缩方式，适应于秋收后，春播
21、前的残膜回收。工作原理：该机器牵引力选用东方红-170型拖拉机，其悬挂装置为后置三点悬挂，牵引销直径为26mm，牵引叉高度为399mm。当钉齿上扎满了残膜或将满时，残膜回收机所处在地头位置，拖拉机起动液压装置使液压缸开始工作，当液压缸的拉力通过液压连接杆、联筒器使拉力处在滚筒上时，滚筒有一轴向的拉力，当拉力大于残膜缠绕在钉齿上的摩擦力和滚筒与芯轴之间的摩擦力时滚筒开始做轴向运动。由于钉齿只做左右摆动，当滚筒轴向移动一定位移(156mm)时滚筒外沿只有15mm的锥形钉齿因为钉齿的锥面直径小于10mm，从而使残膜自动从钉齿上脱落。如图2-1伸缩拨齿滚筒残膜回收机组装图图2-1 伸缩拨齿滚筒残膜回收
22、机组装图2.1芯轴根据设计和安装的要求芯轴的尺寸如下：轴总长：1587mm，根据安装要求芯轴分为三部分组成，A段轴长25mm，轴径34mm，与自行车飞轮连接；B段轴长80mm，轴径35mm；C段轴长1377mm，轴径36mm。其中A段与B段分别和A段、B段相同。如图2-2芯轴芯轴的材料：芯轴的材料主要是碳刚和合金刚。由于碳刚比合金刚价格便宜，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，所以本设计采用45号钢作为芯轴的材料，调质处理。图2-2 芯轴2.2滚筒 滚筒是伸缩拨齿滚筒式残膜回收机的重要部分之一，滚筒直径为400mm，长1000mm，厚度为3mm
23、。材料：由于心部强度要求不高，所以选用Q235 A级2.3拨齿拨齿是工作的主要部件，拨齿不仅要扎进土壤中还得考虑到地面的复杂情况，拨齿在工作时容易变形，所以拨齿材料必须有一定的弹性。材料：根据拨齿工作环境的复杂，所以材料选择65Mn钢。如图2-3拨齿图2-3 拨齿2.4滚筒端盖滚筒端盖分为两侧，滚筒端盖所承受的径向力不大，承受的轴向拉力比较大，所以端盖的壁厚设计的比较厚，为20mm。如图2-4滚筒端盖材料：由于心部强度要求不高，所以选用Q235 A级。图2-4 滚筒端盖2.5液压缸的选择根据安装的技术要求液压缸选择了LB轴向地脚型液压缸，缸径32mm。2.6轴承的选择根据轴受力和轴径的不同，应
24、该选择不同型号的轴承，本设计轴所承受轴向和径向力，轴径为30mm。即选用的轴承有：圆锥滚子轴承 30206 GB/T276-94。3残膜回收装置的有限元分析3.1有限元分析的定义、特点及步骤3.1.1有限元分析定义利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是
25、近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一
26、种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。3.1.2有限元分析的特点有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz法分片函数”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh Ritz法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似
27、方法的原因之一。3.1.3有限元分析的步骤对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为：第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小（网络越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式
28、表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵）。为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。 对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻
29、单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、选代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。简言之，有限元分析可分成三个阶段，前处理、处理和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。3.2残膜回收装置有限元分析的目的、意义及方法残膜回收装置是伸缩拨齿残膜回收机的核心部件，收膜效果的好坏直接影响到后期的其他田间作业和环境问题；收膜装
30、置的种类选用和材料选用直接决定整机的大小、质量和工作性能。影响收膜装置性能的因素很多，除了收膜装置的结构参数和运动参数等一些确定因素外，还有土壤类型、土壤粘度、土壤湿度等一些不确定因素，因此，收膜装置是一个工作在不确定环境中的多输入与多输出的复杂非线性系统12。传统的收膜装置分析建立在经验的基础上，而凭经验很难对收膜装置这样复杂的非线性系统进行完整与全面地分析。有限元分析法是随着有限元理论研究的逐步深入和计算机技术的飞速发展，得到了广泛的应用。残膜回收机的设计与制造要满足一定的性能指标原则，才能有效地完成残膜回收任务。有限元分析的最终目的是要再现实际工程系统的力学行为特征，或者说分析模型必须是
31、实际物理原型的准确表示。广义地讲，有限元模型包括所有的节点、单元、材料属性、实常数、边界条件以及其他表现物理模型的特征；狭义地讲，建立有限元模型指用节点和单元表示空间域的过程13。ANSYS使用的模型分为实体模型和有限元模型两大类。实体模型用于在里面填充节点和单元，也可以在几何边界上施加载荷和约束实体；有限元模型由节点和网格构成，专门供有限元分析使用。实体模型并不参与有限元分析，所有施加在实体模型上的载荷和约束最终要传递到有限元模型的节点和单元上。在ANSYS分析系统中，建立有限元模型一般指生成实体模型，并通过划分单元得到节点的过程。建模和网格划分是ANSYS分析中用户最需斟酌且工作量最大的部
32、分，需要用户对分析对象的工作状态有比较充分的了解，同时对分析的目的也要非常明确。合理的有限元模型对提高计算效率和保证分析精度有着至关重要的作用。滚筒各零件材料特性列表如表1。表1 滚筒各零件的材料特性滚筒零件 材料 弹性模量/MPa 泊松比 密度Kg.m-3 滚筒壳 Q235A 212 0.28 7800 轮毂 ZG275-485 206 0.34 7800 胀套 Q235A 212 0.28 7800 侧辐板 Q235A 212 0.28 78003.3芯轴的有限元分析3.3.1建立芯轴有限元模型课题中使用有限元分析软件ANSYS100对芯轴进行结构静力分析。实体建模过程中，以自底向上建模方
33、式为主，结合自顶而下方式。首先建立基本面素。然后绕中心线旋转面素生成体。最后利用布尔运算中的体相减生成阶梯轴。对一些不影响结果的特征(如倒角等)，建模时应对模型做一些必要的简化。单元类型采用Solid92单元，此单元为三维实体10节点四面体单元，是带有中节点的二次单元。芯轴的材料为45号钢，经调质处理，可知材料的机械性能为：b=650MPa;s=360MPa;-1=270MPa;-1=155MPa;E=2.15105MPa。在材料属性中分别输入材料的弹性模量(2.15e11) 、泊松比(03)以及密度(7800kg/m3)。3.3.2芯轴建模步骤：Finish/clear/filname,Xi
34、n stalk/prep7/title, 3D diagram of stalkCyl4,0,0,18,-1586.54 (建立圆柱轴)Cyl4,0,0,17,0,18,0,-25 (建立A段轴)Wpoff,0,0,-25 (平移工作平面)Cyl4,0,0,17.5,0,18,0,-80 （建立B段轴）Wpoff,0,0,-1456.54 （平移工作平面）Cyl4,0,0,17.5,0,18,0,-80 （建立B段轴）Wpoff,0,0,-80 （平移工作平面）Cyl4,0,0,17,0,18,0,-25 （建立A段轴）Main Menu: Preprocessor-Modeling-Oper
35、ate-subtract-Volumes + （布尔运算生成阶梯轴）以上命令生成芯轴模型，如图3-1芯轴三维模型。图3-1 芯轴三维模型3.3.3芯轴网格划分模型网格图的划分对其计算结果有着较大的影响。网格划分得越小，越规则，其计算精度越高，但由于受计算机容量的限制，模型网格不可能划分的太小。为此，可以将所关心的部位网格画细一些，形成较小的单元，而不关心的局部网格划分大一些。对于ANSYS分析软件，一般具有手动划分网格和程序自动划分网格两种形式。程序自动划分网格后，可以根据设计要求，手动调整局部网格的疏密程度。网格划分后所生成的单元集合要与原模型的形状保持一致。用程序自动划分网格的形式对芯轴进
36、行网格划分，根据轴的周长和直径来合理设置，单击结构(Structure)I网格(Mess)，设定最大元素网格尺寸(Maximum Element Size)和最小元素网格尺寸(Minimum Element Size)，就可将整体划分网格，再通过检测网格精度后，网格就设定完毕。本次设计网络网格划分尺寸为10mm，分单元数为96971，节点数为113791。如图3-2芯轴网格划分。图3-2 芯轴网格划分3.3.4模型加载求解已知伸缩拨齿滚筒残膜回收机在工作时，55匹马力拖拉机作为牵引力完全可以满足工作要求，机器工作时行驶速度不宜过大，行驶速度保持在5-6km/h为宜，故所选拖拉机型号为东方红-1
37、70。机器工作时选用低档位，该档位柴油机2000r/min时的理论速度为5.73km/h,符合工作要求,机器重量M=180kg。计算时，把芯轴当作置于轴承支座上的梁，芯轴上零件传来的力，通常作为集中力，其作用点取为零件轮廓宽度的中点。芯轴上的扭矩从轮毂宽度的中点算起。对芯轴有限元分析结果进行后处理，按照在ANSYS中的正常步骤，即可得到该芯轴的应力布局图和应变布局图，如下组图3-3-图3-6所示。图3-3 芯轴应变分布云图图3-4 芯轴应变分布云图图3-5 芯轴应力分布云图图3-6 芯轴应力分布云图3.3.5 计算结果及分析从滚筒芯轴的应力分布，应变分布云图及由计算结果可知，在载荷作用下，滚筒
38、芯轴上的最大等效应力37.63MPa，最大位移为0.0309mm。用解析法可求的芯轴应力大小为36.48MPa，轴的最大位移为0.0237mm,说明有限元计算结果是符合实际的，有关滚筒轴的设计计算可参看文献【14】。(1) 刚度分析(2) 刚度分析是指芯轴受载后产生变形而不影响其正常工作，即满足： 式中：Y轴的许用变性值。Y=0.0002L=7930.0002=0.1586mm显然芯轴的刚度完全满足要求。（2） 强度分析 滚筒芯轴应力分布图可见，滚筒芯轴上的最大应力集中分布在芯轴与轴承的接触轴肩处，此处应力满足： 式中：FOS是安全系数； 最大米赛斯等效应力； 材料的许用应力； 材料的屈服强度
39、，=650MPa;S芯轴的设计安全系数，一般取3-4。则由此可见，芯轴的强度完全满足要求，并且存在结构进一步优化的余地。根据强度计算理论可知，芯轴上的应力式中芯轴上的合成弯矩；Z芯轴的断面系数。对于圆形截面，如除了芯轴的直径外的其他结构尺寸不变，并且载荷恒定，则不会变，而Z跟轴的直径成三次方的比例关系，即如轴径d减少一半，轴上的应力将增加为原来的8倍。这种关系在对轴径进行优化时应该考虑进去，具体优化尺寸可根据实际需要确定，一般优化后的轴的安全系数以6-7为宜。3.3.6芯轴的分析结论 （1）用有限元分析软件ANSYS100对伸缩拨齿滚筒芯轴进行了结构静力分析，成功地得到了芯轴的节点变形图和应力
40、分布。 （2）从滚筒芯轴应力分布剖面图可以看出，滚筒芯轴上的应力分布主要在芯轴表面部位，芯轴中心区域的应力分布相对较小。显然，如芯轴表面加工质量不高，将影响轴的使用寿命，从而对轴的表面应进行精加工，提高表面质量系数，以提高轴的疲劳强度。 （3）载荷作用下芯轴的变形比较小，而且芯轴的强度也完全满足需要，说明芯轴的结构尺寸具有优化的余地。3.4拨齿的有限元分析3.4.1建立拨齿有限元模型拨齿是残膜回收过程中的主要部件之一，拨齿的结构特点和强度直接影响残膜回收的质量和脱膜的质量。拨齿和芯盘连接，在脱膜时，芯盘收到液压装置的轴向拉力，迫使拨齿做径向运动，在这个过程中，假使拨齿的强度不够高，就会使拨齿发
41、生弯曲变形甚至断裂，并且，在拨齿下降，如图进行扎膜的瞬间，还会受到收膜滚筒转动时产生的冲力，也会使拨齿发生弯曲变形或者断裂。所以对拨齿进行有限元分析有利于我们选择更加合适的结构和材料设计拨齿，最终使得设计的拨齿满足工作要求。3.4.2拨齿建模方法：定义单元类型及材料属性：单元类型采用Solid45单元，拨齿的材料为具有一定弹性的65Mn钢。在材料属性中分别输入材料的弹性模量(2.15e11) 、泊松比(03)以及密度(7800kg/m3)。拨齿几何尺寸：总高度195mm,其中柱体高180mm，锥面高15mm，柱体直径10mm。建模方法：将坐标系设为总体柱坐标系（1） 创建关键点（ 0,0,0，
42、）： Main Menu : Preprocessor-Modeling-Create-Keypoints-In Active CS.（2） 建立直径为10mm的圆面： Main Menu : Preprocessor-Modeling-Create-Areas-Circle-Solid Circle,输入X=0,Y=0,Radius=5,单击OK。（3） 拉伸圆面成为圆柱体： Main Menu : Preprocessor-Modeling-Operate-Extrude-Areas-Along Normal+选取圆面，点击OK，在打开的创建对话框内输入厚度180，单击OK。（4）创建圆锥
43、体：移动工作面到圆柱顶面，圆锥体高度为15mm，底面半径为5mm。（5） 连接所有体： Main Menu : Preprocessor-Modeling-Operate-Booleans-Add-Volumes。拾取Pick All。以上方法建立了拨齿有限元模型，如图3-7拨齿有限元模型。图3-7 拨齿有限元模型3.4.3模型加载求解对模型进行网格划分的方法在本文芯轴模型网格划分中已经介绍了，但是还要强调的是网格的划分直接影响后面的求解，网格划分得越小，越规则，其计算精度越高，但由于受计算机容量的限制，模型网格不可能划分的太小。为此，可以将所关心的部位网格画细一些，形成较小的单元，而不关心的
44、局部网格划分大一些。网格划分后所生成的单元集合要与原模型的形状保持一致。拨齿的受力情况比较复杂，拨齿不但受到机器重力的作用，拨齿在扎进土壤中时和滚筒转动时，都会使拨齿受到外力的作用，从而影响到拨齿的结果形态。所以在对拨齿进行有限元分析时应把以上因素考虑在内，然后再进行加载求解。在对拨齿进行施加载荷的时候，我们应该考虑两种外力：自身受到的重力，即1800N。在机器工作时受到的冲力。对拨齿所受的力进行求解如下：拖拉机行驶速度：V拖=5.73km/h;滚筒组外缘周长：C=1821mm;滚筒质量:m=180kg每个芯盘上等距排列12个拨齿，两两拨齿顶部距离为152mm由得 (式1) （式2）求得F=3032Nm经过加载求解，得到了拨齿的应力应变图，如图3-8-图3-10图3-8 拨齿的应力分布云图图3-9 拨齿的应变分布云图图3-10 拨齿应变分布云图通过对拨齿进行有限元分析得出的应力应变分布云图，发现拨齿在收到外载力时，应力、应变变化比较大，可以看出有明显的位移和形变。通过以上分析，可以得出结论: (1)通过对拨齿的有限元分析，可以清楚的得出应力、应变分布规律，为进一步优化拨齿结构提供了理论依据。(2)拨齿在进行扎膜或者脱膜受到外载荷的作用时，自身收到的影响比较大，尤其是在拨齿顶部，应变非常明显，易在拨齿顶部发生弯曲变形，
