齿盘式棉花秸秆整株拔取收获机设计.docx

目 录摘 要IIAbstractIII1前言11.1引言11.2棉花秸秆收获理论和技术分析12棉柴拉拔阻力的分析22.1影响棉柴拉拔阻力的因素及相关分析22.2拔棉柴机设计最大起拔力的确定43齿盘式棉花秸秆收获机的运动分析43.1齿盘式棉花秸秆收获机的工作原理53.2齿盘拔取棉花秸秆的运动轨迹分析54机器的零部件初步设计64.1齿盘的结构设计64.2限深轮的设计74.3传动机构的设计74.4机具悬挂方式的选择75零部件的设计计算和校核75.1拖拉机的选取85.2传动锥齿轮的设计及校核85.3轴的设计及轴类零件的选取95.4 机架的设计14参考文献15致谢16摘 要 随着我国的棉花种植面积的扩大，拔棉柴的工作已经成为农村一项较重的劳动，为了降低劳动强度，农民对棉花秸秆收获机械的需求正日益迫切。针对目前拔棉柴机工作效率低、漏拔率高、拔断率高、易拥堵、适应性差的问题，本人研究设计了齿盘式棉花秸秆整株拔取收获机。该收获机采用齿盘夹持部件和水平拔取原理，通过力学和运动分析确定工作参数，试验表明，该机作业性能满足农艺要求。关键词：齿盘；整株拔取；棉花秸秆收获机 AbstractWith the expanding of cotton planting area in China, the cotton wood to pull a heavy labor, has become a rural farmers demand for cotton straw harvest machinery is becoming more and more urgent. In view of the present cotton wood pull machine has the function of low working efficiency, high leakage rate of pull, pull off rate is high, easy to congestion, poor adaptability problem, I do the research design, whole pull out zigzag disk cotton straw harvester. The harvesting machine adopts the zigzag disk clamping components and levels of extraction principle, working parameters determined by mechanics and motion analysis and tests show that the machine work performance meet the agronomic requirements.Keywords: zigzag disk; pull out as a whole; cotton stem harvester171 前言1.1 引言棉花是世界上最重要的粮食作物之一，中国是世界上首屈一指的棉花产区。据统计，国家统计局，2008年全国棉花种植576万hm 2的面积，棉花产量750万吨，棉花秸秆产量超过20万t。近年来，由于通过促进政策指导，全国棉花种植面积增加，从而产生大量的棉秆。棉花秸秆是一种用途非常广泛的宝贵资源，除了可以直接粉碎还田用作有机肥料外，棉花秸秆也可以收获后进行工业化利用。第一，棉花秸秆是一种很好的木材替代品，可用来生产人造纤维板等板材，用作建材、造纸等原料、制作一次性餐具等；第二，棉花秸秆具有较高的营养价值，经过微化处理后蛋白质含量可高达12，可作为牛、羊的上等饲料；第三，棉花秸秆可用作无公害食用菌的培养基种植蘑菇；第四，棉花秸秆可用作生物质发电厂的原料，采用生物质直燃发电技术发电，也经轧碎和高温热解等过程产生一氧化碳为主的生物质气体，作为新型能源。因此，为了发展绿色农业，发展农村经济，增加农民收入，棉花秸秆收获回收利用具有重要意义。我国在20世纪60年代中期就开始了对棉花秸秆收获机械的研制工作，70年代末80年代初达到高潮，但由于种种原因，都未能形成定型产品生产和推广应用。到了20世纪90年代，棉花秸秆收获机的研制又活跃起来。近几年来，全国各地高等院校、科研院所和企业在过去30多年研究的基础上研制了各种棉花秸秆收获机械，按其工作部件的收获原理可分为挖掘式和提拔式；按工作部件结构，提拔式包括链夹式、齿盘式等。由于国内主要棉花种植区的种植农艺要求和模式不同，棉花品种和土壤条件差异较大，所以上述各种棉花秸秆收获机械多数没有大面积推广应用，大多数地区还是人工收获，劳动强度大，生产效率低。农民急需经济实用，高效的棉花秸秆收获机械。1.2 棉花秸秆收获理论和技术分析棉根属直根系，分为主根和侧根，侧根又生长支根。大部分的根系分布在耕作层内，在土壤养分、水分和土质合适的情况下，根系生长相当发达。棉花秸秆机械化收获作业的目的就是通过工作部件完成棉根与土壤的分离。挖掘式棉花秸秆收获机的工作原理就是通过使用各种结构型式的挖掘部件切断棉花秸秆根系，将棉花秸秆从土壤中挖出。这类收获机的优点是能够有效地将棉花秸秆从土壤中挖出，缺点是由于工作部件要克服棉根切断阻力、土壤耕作阻力和摩擦力等，机具功率消耗大，而且棉根残留多。提拔式棉花秸秆收获机的工作原理就是通过使用各种结构型式的提拔部件将棉花秸秆从土壤中拔出。根据提拔部件的结构型式不同可分为垂直拔出和倾斜（近水平）拔出。棉花秸秆在拉拔过程中，根系要发生断裂，土壤要产生变形，还要克服根系与土壤的黏着力和摩擦力等，这些阻力综合为拉拔阻力。研究表明棉柴的拉拔阻力随棉柴拉拔时的位移而变化，在松软的土壤中，棉柴从拉拔开始至阻力基本解除所对应的位移可达140mm；拉拔阻力与棉柴根部直径成正比；土壤越黏重，土壤含水量越小，土壤坚实度也就越高，拉拔阻力也增大。提拔式棉花秸秆收获机的优点是机具消耗功率小，缺点是由于受到棉花生长状况、土壤含水量和坚实度等因素的影响，容易出现拔断和拔不出等现象。在这类收获机中，齿盘式棉花秸秆收获机因具有结构简单、制造成本低、使用操作方便等优点受到农民欢迎。2 棉柴拉拔阻力的分析2.1 影响棉柴拉拔阻力的因素及相关分析根据山西省运城市农机科研所高级工程师李有田多年的田间试验和实时测量，影响棉柴拉拔阻力的因素主要有以下几点：1、棉花的根系分布情况；2、土壤情况和棉花生长情况；3、棉柴根部直径与起拔力成正相关直线回归关系；4、土壤含水量和坚实度。棉秆直径（mm）左12.9 右14.5；土壤含水量（%）左12 右16；土壤坚实度（kg/cm2）左16.7 右11.7图1 棉柴拉拔阻力位移曲线阻力上升阶段 当垂直向上逐渐施力拔起棉柴时，其根部开始克服阻力而向上移动，阻力也逐渐增大。在不同的土壤，不同的土壤含水量和土壤压实度的条件下，曲线的斜率是不同的，粘重土壤，土壤水分含量小，土壤坚实度较高的曲线斜率越大，而在高水含量的土壤，土壤松软，曲线比较平缓，位移与抗拔力变化较小。阻力下降阶段在干硬的土壤中生长的植物，当抗拔力达到最大，主根和侧根几乎同时被拉断，因此抗拔力明显下降，少量的根和根的抗拉强度和土壤分离表明只有很小的阻力。而在松软、含水量较大土壤生长的植株在拉拔过程中，主根和侧根逐渐在较细的部位被拉断，所以阻力的下降比较缓慢，其相应的位移过程也就较长。对松软的土壤从拉拔开始至阻力基本解除对应的位移可达14mm。根据2004年11月在永济市东安头大队五队随机进行的棉柴起拔力与根部直径实测资料（见表1），绘制D-P散点图。表1 东安头大队所测棉柴根部直径D与起拔力P依次表求回归方程 p=a+bD式中 N实测点数 N=58； L离散值； D根部直径（mm）：P起拔力（kg）； B回归系数：a常数，最小起拔力（kg）D=663.4 D=DN=11.4(mm)P=3424 P=PN=59(kg)D2=7867 P2=227804 DP=41278.5由此可以计算：LDD=D2-D2N=279.1 LPP=P2-P2N=25770LDP=DP-D-PN=2207 图2 D-P散点回归直线图b=LDPLDD=2207279.1=7.9 a=P-bD=59-7.911.4=-31回归方程式为 P=7.9D-31为了检验回归方程与D-P散点图的相关程度，可用下式求相关系数r r=LDPLDDLPP=2207279.125770=0.82根据相关系数的检验，棉花根系直径D和棉秆拉力P高度相关。这表明，生长在土壤的物理状态和棉更均匀，直径和根在拉力棉杆之间的关系是线性回归。近年来所测棉柴的回归系数b的范围是在28之间，a在+2031之间。2.2 拔棉柴机设计最大起拔力的确定根据苏丹国一棵棉株从同一穴中好几棵棉株中拔出来最大起拔力为1000N。喀土穆大学的Tawfig FDemian研究，一棵单独的棉柴起拔力为1210N。我国拔棉柴季节一般在11月中下旬，这时的土壤含水量主要由10月、11月的降雨量所控制。以2004年在永济市东安头大队所测数据为依据，因为棉柴直径、棉柴起拔力均是连续性变异，所以其分布为正态分布。如我们要求拔起95%的棉柴，则在95%的范围内的最大起拔力为Pmax。Pmax=P+t0.05Sp=59+2.0042110=1010(N)式中 Sp起拔力标准差，根据计算SP=21。 t0.05分布值，由设计手册查得2.0043 齿盘式棉花秸秆收获机的运动分析3.1 齿盘式棉花秸秆收获机的工作原理齿盘式棉花秸秆收获机主要由齿盘、机架、限深轮和动力传动部件构成。如图3所示。图3 齿盘式棉花秸秆收获机结构示意图1、 机架 2、限深轮 3、动力传动部件 4、齿盘其工作原理为：拖拉机带动机器向前运动，限深轮旋转通过动力传动部件带动齿盘旋转，齿盘上的三角刃槽钳住棉花秸秆，在拖拉机的前进推力与齿盘的旋转拉拔力双重作用下，将棉花秸秆从土壤中拔出。3.2 齿盘拔取棉花秸秆的运动轨迹分析以左齿盘为例，分析其运动状况。齿盘工作时，齿盘一面旋转，一面随拖拉机前进，因此齿盘上所夹持的棉花秸秆的绝对运动是齿盘旋转和拖拉机前进两种运动的合成，其运动轨迹是摆线。建立坐标系（如图4所示）。图4 齿盘夹持棉秆点的运动X轴正方向与拖拉机前进方向一致，Y轴正向为右。设拖拉机前进速度为Vm(m/s)，齿盘旋转角速度为(rad/s)，齿盘转速为n(r/s)，齿盘夹持棉秆点的半径为R(m)，分析齿盘夹持棉秆点开始时位于齿盘正前方位置与X轴正向重合，则齿盘夹持棉秆点的运动方程为：X=Rcost+VmtY=Rsint式中t代表时间，单位为s。上式表示了齿盘夹持棉秆点的绝对运动，其运动轨迹随着R、Vm的不同而具有不同的形状和特性。将上式对时间求导数，可求得齿盘夹持棉秆点在X轴和Y轴方向上的分速度。4 机器的零部件初步设计4.1 齿盘的结构设计根据齿盘式棉花秸秆收获机拔取棉花秸秆的运动分析，齿盘是夹持棉花秸秆的重要部分，齿盘的主要参数有齿形夹角和齿盘半径，根据棉花品种的不同，棉花秸秆根部离地10cm处的直径在1525cm之间，齿形夹角过大，不利于将棉花秸秆钳住拔出，齿形夹角过小则容易将棉花秸秆夹断，根据有关研究，齿形夹角确定为30角。齿盘半径过大则结构强度弱，过小则影响夹持工作长度，设计齿盘直径为500cm（如图5）。图5 齿盘结构示意图齿盘厚度为2cm，材料选用HT350，正火处理消除内应力，去除毛刺飞边，锐角倒钝，经过计算，强度满足拉拔需求。4.2 限深轮的设计限深轮是驱动齿盘旋转的动力所在，限深轮直径过小，传动力矩小，影响齿盘正常工作，设计限深轮直径为500mm，并在轮外缘焊有高度为10mm的齿板，防止限深轮工作时打滑（如图6）。图6 限深轮结构示意图4.3 传动机构的设计限深轮驱动齿盘旋转采用锥齿轮传动，强度高，工作可靠。根据前述齿盘式棉花秸秆收获机的运动分析，当1，齿盘的旋转拉拔力的前进方向分力与拖拉机前进推动力方向一致，有利于将棉花秸秆从土壤中拔出，设计传动机构的传动比为=0.8。4.4 机具悬挂方式的选择根据前述齿盘式棉花秸秆收获机的运动分析，当1时，在齿盘的旋转拉拔力与拖拉机前进推动力的作用下，将棉花秸秆从土壤中向前拔出，为了使齿盘对棉花秸秆的旋转拉拔顺畅，防止棉花秸秆在齿盘前堆积过多影响作业，收获机与拖拉机的连接采用前悬挂的方式。5 零部件的设计计算和校核5.1 拖拉机的选取棉花的一般都是两行平行种植，行距在60cm左右，所以齿盘式棉花秸秆收获机整机宽度设计在1m左右。所以据此查阅拖拉机手册选择了东风DF-12型手扶拖拉机。该拖拉机详细参数如下表： 表2 东风DF-12型手扶拖拉机参数5.2 传动锥齿轮的设计及校核机器传动部分选用一对传动比为=0.8的渐开线直齿圆锥齿轮，基本参数如下：Z1=21，Z2=17，m=5，ha*=1,c*=0.2。由于是农机齿轮，取精度为10。查机械设计手册得：使用系数 KA=1.25动载系数 KV=1.3 KH=KF=1齿向载荷分布系数 K=1.5齿形系数 YFa=2.97 应力校正系数 YSa=1.52 （小轮） YFa=2.76 应力校正系数 YSa=1.55 （大轮）齿轮材料选用HT350 硬度为197269HBS 查得B=350MPa对于开式齿轮，只需要按弯曲强度进行初步计算即可：d1=503T1KAKFu2+1YFFlim4Z1m34KT1R(1-0.5R)2Z12u2+1YFaYSaFR=0.7 b=RR T=95.5105P1n1啮合关系如图所示：图7 直齿圆锥齿轮啮合示意图经过计算得此对直齿圆锥齿轮满足传动需求。 5.3 轴的设计及轴类零件的选取 齿盘轴材料选用HT350，轴系零件装配如下图：图8 齿盘轴及轴上零件装配示意图齿盘式棉花秸秆收获机工作时，齿盘的三角刃槽夹取棉花秸秆旋转并且在拖拉机的前进推力下向前运动，这个过程中，齿盘轴的受力主要是径向力，所以轴承的选取比较关键。考虑到大部分的受力都是径向力，故选择深沟球轴承。这里根据阶梯轴直径的不同选择了两款深沟球轴承，6005和6008。参数如下：型号：105 108品牌：HRT HRT内圈：6005 6008外圈：6005 6008内径：25.000 mm 40.000 mm外径：47.000 mm 68.000 mm 厚度：12.000 mm 15.000 mm d1段为装配6005轴承，根据轴的直径设计公式：d39.55106P0.2n=C3Pn故d1设计为25mm；轴肩处与轴承座沉孔平面平齐，以此实现轴承的轴向定位，定位轴肩的高度h一般取为h=(0.070.1)d。轴肩h取2mm；d2段装配齿轮，中间开有bh=104的A型键槽，键槽长度为20mm，有装配键的轴段直径一般增大3%5%。故d2设计为30mm；考虑到机器的装配协调性，跨度设计为256mm；d3段装配6008轴承，直径为40mm；轴肩处同样与轴承座沉孔平面平齐，以此实现轴承轴向定位，轴肩h为4mm；d4直径为30mm，轴端正中心开有M10、深10mm的螺纹孔，以此装配齿盘的连接板；整根轴的长度为433mm。由于齿盘轴在机器工作时是处于竖直状态旋转，且上下两端跟轴承都是以基孔制过盈配合，所以即使跨度再大，受到的弯矩扭矩也极小，无需进行强度和刚度校核，在此进行齿盘轴上键连接强度校核和轴承寿命计算：传递到轴系部件上的转矩：T1=9.55106P1n1=9.551068.820=4.202106N.mm校核键连接的强度：p=2T1kldp式中：p工作面的挤压应力，MPa；T1传递的转矩，Nmm；d轴的直径，mm；l键的工作长度，mm，A型，l=L-b，L、b为键的公称长度，键宽；k键与毂槽的接触高度，mm，k=h/2；p许用挤压应力，MPa，查阅机械设计手册知，静连接，材料为钢，有轻微冲击，p=100120MPa。所以：p=2T1kld=95.6MPaLh，校核通过。 限深轮轴及其轴类零件装配关系图如下：图9 限深轮轴及其轴上零件装配示意图限深轮轴的设计原则与上述齿盘轴一致，故在此省略计算步骤，可参考齿盘轴设计步骤。d1段为装配较小的圆锥齿轮，故直径设计为30mm；轴肩处实现小齿轮的轴向定位，h=2mm；d2段为光轴，其上无零件装配，跨度为250mm，直径为34mm； d3段装配6008轴承，直径为40mm，轴肩处与轴承座沉孔平面平齐，以此实现轴承轴向定位，h=3mm；d4直径为34mm；d5中间开有bh=104的A型键槽，键槽长度为90mm，装配有限深轮，限深轮右端面开有直径为10mm的通孔，以装配开口销固定限深轮的轴向移动，直径设计为30mm；整根轴的长度为510mm。轴上零件的校核过程同上述，经计算满足工作需求。考虑到d2段跨度较大且中间无支撑这里需要计算此段轴的弯曲形变：这里d2段可以看做中间受竖直向下力的简支梁，F等于d2段轴自重；F=gr2ld2查阅机械设计手册得HT350的密度为7.35g/cm3，求得F=283N。挠曲线微分方程及端截面转角为：=-Fx48EI3l2-4x2(0xl2) A=-B=-Fl216EI图10 d2轴段受力简图计算得，A几乎为零，所以d2段250mm的跨度所产生的弯曲变形对机器工作影响可忽略不计。5.4 机架的设计机架部分选用空心方钢，壁厚为10mm，机架简图如下：图11 机架结构简图机架连接部分采用焊接工艺，是左右对称型的，左右两边是内孔直径为38mm的圆筒，设置有直径为40mm的沉孔以此实现轴承的轴向定位。机架正前方设计有30010020的连接板以连接拖拉机悬挂部分。机架主体高度为760mm，以适应东风DF-12型拖拉机；主体长度为1080mm，适应棉田宽度；装配好零部件后，正前方向齿盘中心距为60mm，适应棉花种植行距；估算整机重量约为300kg，满足工作中平稳前行的要求。参考文献1 张凤元.我国棉柴收获机械的研制历史及现状 J.山东农机，2009，（4）：4-5.2 沈茂，张国忠，周勇，周明.我国棉柴收获机械技术现状综述 J.农机化研究，2009，（5）：1-5.3 李有田.关于棉柴的拉拔阻力的实验分析 J.农机推广与安全，2005，（6）：15-18.4 贾健.拔棉柴机的设计研究 J.山西农业大学学报，2005，（3）：268-269.5 中国农业机械化科学研究所研究院主编.农业机械设计手册 M.北京：中国农业科学技术出版社，2007:235-237.6 新编农业机械学/耿端阳主编.北京：国防工业出版社，2011.127 机械设计（第九版）/濮良贵，纪名刚主编；西北工业大学机械原理及机械零件教研室编著.9 版.北京：高等教育出版社，2013.58 机械设计手册（第五版）/成大先主编；化学工业出版社,2009.1致谢首先要感谢的是我的指导老师李老师，每次我的设计上碰到了问题，她总是热心帮助我，虽然老师工作很忙，但她从来都是牺牲休息时间为我指导，没有她的帮助，设计不可能顺利完成。在这设计的这学期来，无论是在学习上还是在生活上，都得到了老师无微不至的关怀。我能经常与她交流设计中遇到的问题，得到她的言传身教，受益无穷。老师严谨求实的治学态度、宽厚待人的品格让我学到的不仅是如何做学问，还有如何做人。老师永远是我学习的榜样。然后非常感谢教过我的老师们这四年来授予我的全面系统化的专业知识，让我无论是在学习上还是在将来的工作中都受用无穷。感谢同窗学友等的全力帮助。感谢培养了我四年的母校，感谢辛勤耕耘的所有的老师，感谢你们无私的帮助，还有我所有的同学，我祝愿所有的老师和同学身体健康，工作和学习一切顺利！1. 基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究2. 基于单片机的嵌入式Web服务器的研究 3. 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