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塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計
1 課題的提出及意義
地膜覆蓋技術(shù)是我國北方廣泛推廣使用的一項農(nóng)業(yè)技術(shù)。地膜覆蓋技術(shù)對農(nóng)業(yè)推廣的作用可以概括為以下幾點(diǎn):
①提高地溫，使幼苗免受凍害；可提前播種，延長作物生長期，提高作物品質(zhì)與產(chǎn)量。
②滅除雜草，使作物少受雜草的侵害。
③防止水分蒸發(fā)，提高作物的抗旱能力。
④保持土壤結(jié)構(gòu)，使翻耕得到的土壤結(jié)構(gòu)免受自然力的破壞。
生產(chǎn)實踐證明，地膜覆蓋具有顯著的增產(chǎn)效果。一般可使玉米等作物增產(chǎn)%15%至20%，每公頃增收1500元左右。由于地膜覆蓋技術(shù)具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益，因而受到廣大農(nóng)民的認(rèn)可，近幾年在我國的推廣面積增長迅速，截至2003年，已達(dá)約500多萬公頃。墾區(qū)的棉花種植中，已全部實現(xiàn)地膜覆蓋植棉。同時，應(yīng)用地膜覆蓋技術(shù)的作物范圍也不斷擴(kuò)展，由以前的玉米、棉花等中耕作物發(fā)展到小麥、花生等密植作物?？梢哉f，地膜覆蓋技術(shù)為我國農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)村脫困，農(nóng)民增收發(fā)揮了重要作用。
然而，在地膜覆蓋技術(shù)應(yīng)用地區(qū)，隨著鋪膜年限的增加，地膜覆蓋技術(shù)的負(fù)面影響日趨明顯。由于技術(shù)上的原因，使用過的地膜難以回收，大部分殘膜被翻入土壤，逐年累積，造成地膜覆蓋區(qū)出現(xiàn)不同程度的“白色污染”。嚴(yán)重威脅著我國農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
究其原因，主要因為累計在耕層中的殘膜形成阻隔層，將改變土壤的物理結(jié)構(gòu)，阻礙土壤的水、肥、氣、熱循環(huán)，進(jìn)而影響作物正常的生長、發(fā)育。并且我國農(nóng)用地膜主要以難以降解的聚氯乙烯塑料薄膜為主，自然降解要200年左右。因而，殘膜對作物的影響是長期的。而且聚氯乙烯的毒害作用還會影響種子的發(fā)芽率，實驗資料顯示，經(jīng)多年地膜覆蓋的地塊由于廢膜的影響使的種子發(fā)芽率降至約80%。由于以上原因，最終將導(dǎo)致作物減產(chǎn)。一般連續(xù)3到5年地膜得不到有效回收，將導(dǎo)致玉米減產(chǎn)10%，棉花減產(chǎn)10%-15%。連續(xù)覆蓋年數(shù)越多，土壤耕層地膜殘留量也將會隨之而增大，作物減產(chǎn)幅度也越大。同時殘膜造成的“白色污染”也嚴(yán)重威脅著人畜的健康，并對田間的機(jī)械化作業(yè)質(zhì)量也有許多不利影響。
綜上所述，殘膜若長期得不到有效回收，將會造成我國農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的惡化。而且，我國地膜覆蓋面積如此之大，使得形勢變得更為嚴(yán)峻，迫使我們不得不盡快尋找解決辦法。就我國國情而言，研制一系列穩(wěn)定、可靠、性能優(yōu)良的地膜回收機(jī)是目前最有效、最經(jīng)濟(jì)的方法。
2 國內(nèi)外殘膜回收機(jī)現(xiàn)狀研究
2.1 國外殘膜回收機(jī)現(xiàn)狀
在國外，地膜回收問題也，直是困擾地膜覆蓋技術(shù)發(fā)展的一大難題。但地膜覆蓋種植技術(shù)應(yīng)用遠(yuǎn)沒有我國深入廣泛，而且國外一般采用綜合治理技術(shù)，殘膜危害遠(yuǎn)沒有我國嚴(yán)重。國外所采用的技術(shù)主要包括：
1、采用較厚、抗拉強(qiáng)度較大的塑料薄膜。國外采用的塑膜厚度一般在0.02-0.05mm之間，有利于機(jī)械收膜，且回收的地膜可以重復(fù)使用，可減少總的地膜用量，減小污染。
2、采用可降解、無毒害薄膜。如光解薄膜、生物降解薄膜及植物纖維膜。
3、推廣機(jī)械化回收地膜。
歐美、日本等發(fā)達(dá)國家從50年代開始對地膜覆蓋技術(shù)進(jìn)行研究和推廣，其中日本在此方面的研究、推廣成果最為顯著，雨歐美國家在覆蓋技術(shù)和覆蓋材料方面作了大量工作。在地膜回收機(jī)械研制方面，由于國外實際應(yīng)用的地膜厚度較大，回收時地膜還有較大的強(qiáng)度。因而國外的地膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)比較簡單，一般主要由起膜鏟和卷膜輥組成，殘膜成卷回收以便后處理或繼續(xù)使用。
1972年P(guān)arry開發(fā)了一種地膜回收機(jī)，該地膜回收機(jī)在工作時將地表面的覆蓋物卷在卷膜輥上。
1993年Sawyer開發(fā)了一種地膜回收機(jī)，該機(jī)包含可使卷膜輥線速度與回收機(jī)工作速度相匹配的裝置。
1995年Lavo開發(fā)了一種利用刷子將地膜上的土壤刷去的地膜回收機(jī)。
1995-1997年，Brooks開發(fā)了一種地膜回收機(jī)，其工作原理是利用機(jī)械振動來實現(xiàn)膜土分離，并將地膜撕成小片后處理成塑料球，以便回收。
1998年，R.L.Parish設(shè)計了一個裝置，該裝置能通過控制液壓馬達(dá)的流量來控制液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，以使地膜回收機(jī)卷膜輥線速度與回收機(jī)速度相匹配。
殘膜回收是世界各國都面臨的一個棘手問題。英國和前蘇聯(lián)采用懸掛式收膜機(jī)，工作時松土鏟將壓膜土耕松，然后將薄膜收卷到羊皮網(wǎng)或金屬網(wǎng)上。收下的膜清洗干凈卷好備用。日本對殘膜的回收處理相對好一些，主要原因一是日本覆蓋地膜的土壤主要是火山灰土，土壤疏松易揭膜。二是地膜較厚，強(qiáng)度大，覆蓋期相對較短，回收時可保持較大片塊。歐美等國家為解決殘膜造成的危害，一方面推廣使用高強(qiáng)度、耐老化地膜?另一方面積極開發(fā)研制新型地膜，如可降解地膜等，殘膜經(jīng)一定時期可自動分解，形成無害物質(zhì)混入土壤中，但因其價格偏高或存在其他問題，目前還沒能推廣應(yīng)用于大田作物，僅在經(jīng)濟(jì)價值較高的蔬菜等作物中應(yīng)用。以色列、法國等國家已研制和推廣可控光降解地膜，但此方法對于埋人土層內(nèi)的殘膜難以光降解，目前尚未得到普遍應(yīng)用[2]。
2.2 國內(nèi)殘膜回收機(jī)研究的現(xiàn)狀
按殘膜回收時間，國內(nèi)殘膜回收機(jī)分為苗期殘膜回收機(jī)和收獲后殘膜回收機(jī)等類型。
2.2.1苗期殘膜回收機(jī)
苗期揭膜是在澆頭水前揭去地膜，此時揭膜容易，且有利于中耕除草、施肥和灌，適用于灌溉條件較好的地區(qū)。但在頭水前揭膜應(yīng)注意兩個問題。一是揭膜后必須及時灌水，否則由于水分蒸發(fā)量大，易造成干旱，影響作物正常生長甚至導(dǎo)致作物枯萎。二是揭膜時必須配合人工除草或噴灑除草劑抑制雜草生長苗期殘膜回收機(jī)的代表機(jī)械有以下幾種。
①4TSM-4型懸掛式收膜機(jī)。該機(jī)是頭水前揭膜機(jī)的代表機(jī)型。其結(jié)構(gòu)簡單，使用調(diào)整方便，工作可靠，殘膜回收率較高[6]。
②MSM-3型苗期殘膜回收機(jī)。該機(jī)具是由農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)機(jī)化所研制。它與小型或中型輪式拖拉機(jī)配套使用，采用卷膜輥主動收集廢膜，裝卸靈活，使用可靠。
③CSM-130B型齒鏈?zhǔn)綉覓焓漳C(jī)。它由生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)機(jī)推廣站和134團(tuán)研制。該機(jī)與中型拖拉機(jī)配套使用，苗期作業(yè)時可同步將地膜揭起并打成卷。它采用的無心圓捆卷膜新穎實用。
④MS-2型玉米苗期收膜機(jī)。它由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制研制。該機(jī)型殘膜回收率在85%以上，單機(jī)生產(chǎn)率在0.3hm2/h，傷苗率在1%以下，配套動力為18.38kw小四輪拖拉機(jī)。[5]
2.2.2收獲后殘膜回收機(jī)
在干旱地區(qū)或采用膜下滴灌地區(qū)不宜苗期揭膜，需要在作物收獲后回收殘膜。由于機(jī)械或人為作用，秋后地膜破損比較嚴(yán)重，地膜上有1～5cm的土層，造成膜下土壤板結(jié)，易造成撿拾機(jī)構(gòu)的損壞，同時棉稈阻礙殘膜的撿拾，這些都加大了收貨后機(jī)械回收殘膜的難度。目前已見于文獻(xiàn)的有、甘肅、陜西、山西、內(nèi)蒙古及中國農(nóng)業(yè)大學(xué)和東北農(nóng)業(yè)大學(xué)等有關(guān)單位研制的收獲后殘膜回收機(jī)。其收膜工藝都是膜邊松土、起膜鏟將地表殘膜推起、挑膜齒挑起殘膜，最后，脫(卸)膜機(jī)構(gòu)將被挑起的殘膜卸下并送入集膜部件。其中挑膜、脫膜和集膜部件是影響收膜效果的核心機(jī)構(gòu)。
目前國內(nèi)收膜機(jī)收膜部件的結(jié)構(gòu)形式主要有以下幾種：
1)伸縮桿齒式撿拾滾筒(圖1)該種收膜機(jī)構(gòu)工作可靠，殘膜收凈率高，但該機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價偏高。如甘肅省農(nóng)機(jī)推廣站研制的1FMJ-850型殘膜回收機(jī)[7]，殘膜收凈率90%，生產(chǎn)率在0.3hm2/h，配套動力為13.2kw小四輪拖拉機(jī)。由理論計算[8]，滾筒的最低轉(zhuǎn)速不得小于71.5r/min，并經(jīng)試驗驗證，以120r/min為宜。
1.伸縮齒2.滾筒3.偏心滾筒4.拾起的殘膜5.土壤
圖1伸縮桿齒撿拾機(jī)構(gòu)示意圖
2)彈齒式拾膜部件(圖2)由地輪帶動收膜彈齒工作，結(jié)構(gòu)簡單，殘膜收凈率高。機(jī)構(gòu)中需要一個控制收膜彈齒工作位置的曲線軌跡滑道便于脫膜，因而給制造帶來一定的困難，同時，該種收膜部件也無法實現(xiàn)殘膜與雜草的分離。如東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的QS-2型秋后殘膜回收機(jī)，殘膜收凈率90%，生產(chǎn)率在0.3hm2/h，配套動力為13.2kw小四輪拖拉機(jī)。根據(jù)理論計算與試驗驗證[9]，在考慮殘膜拉伸率及地輪下陷和滑移的情況下，挑膜彈齒與行走地輪間的最佳速比應(yīng)為1.64左右為宜。該速比剛好將挑起的殘膜拉緊，不易被推起的土壤壓住，且收起的殘膜較干凈。
1.彈齒輪2.滑道3.彈齒4.殘膜5.土壤
圖2彈齒式拾膜部件示意圖
3)鏟式起茬收膜部件(圖3)其在起茬的同時將殘膜一起鏟起經(jīng)輸送帶送入鼠籠式旋轉(zhuǎn)滾筒進(jìn)行土茬分離，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，收凈率高，但其對土壤的性能有一定的要求，且收起的殘膜與作物的根茬混合在一起，會給殘膜的再生利用帶來困難。如內(nèi)蒙古商都牧機(jī)廠研制的1MC-70型地膜回收起茬機(jī)[10]，殘膜與根茬收凈率90%，生產(chǎn)率在0.2～0.3hm2/h，配套動力為11.03kw小四輪拖拉機(jī)，起茬起膜深度8～10cm，機(jī)組作業(yè)速度3～4km/h。
1.土壤2.起膜鏟3.殘膜4.輸送帶5.滾筒
圖3鏟式起膜部件示意圖
4)輪齒式收膜部件(圖4)該種收膜機(jī)構(gòu)采用苗期收膜機(jī)的收膜部件，靠收膜輪與地面的摩擦力轉(zhuǎn)動收膜，結(jié)構(gòu)簡單，收起的殘膜比較干凈，便于殘膜的再生利用，特別適宜撿拾玉米、高粱等有硬根茬地的秋后殘膜回收，對于破損不嚴(yán)重的殘膜收凈率比較高，具有很大的應(yīng)用前景，對于厚度在0.008mm以上的標(biāo)準(zhǔn)地膜，該機(jī)構(gòu)是一種比較理想的殘膜回收機(jī)構(gòu)。如東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的小型殘膜回收機(jī)，采用該收膜部件，在地膜破損不嚴(yán)重的情況下，殘膜收凈率90%左右，生產(chǎn)率在0.2～0.3hm2/h，配套動力為11.03kw小四輪拖拉機(jī)。
1.輪2.拾膜齒3.殘膜4.土壤
圖4輪齒式收膜部件示意圖
5)齒鏈?zhǔn)绞漳げ考?圖5)其結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，加工制造方便，既可用于苗期收膜，也可用于秋后收膜，該結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是由于其整個結(jié)構(gòu)可以向縱向設(shè)置，可以前置，有利于整地復(fù)式作業(yè)[11]。如2011年由石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院王吉奎副教授設(shè)計的SMS－1500型秸稈粉碎與殘膜回收機(jī)。就是新型后置鏈齒殘膜回收機(jī)。該機(jī)作業(yè)效率高能耗小在作業(yè)速度為5～5.5km/h時殘膜回收率大于90％。后置鏈齒耙式殘膜回收裝置可將殘膜自下而上成片揭起殘膜破碎小收起的殘膜含雜少大容積殘膜箱可減少卸膜次數(shù)提高作業(yè)效率回收后的殘膜便于集中堆放[12]。
1.齒鏈彈齒2.控制滑道3.殘膜4.膜箱及托膜齒5.土壤
圖5齒鏈彈齒式收膜部件示意圖
由于技術(shù)及國情的原因，可降解地膜短時期內(nèi)還難以在農(nóng)業(yè)中大面積推廣，而今后相當(dāng)長一段時間內(nèi)，農(nóng)業(yè)上仍然使用著大量的塑料地膜，根據(jù)我國目前的科技水平和經(jīng)濟(jì)條件，采用機(jī)械化清除殘膜是比較現(xiàn)實的，同時考慮到提高機(jī)具的使用效率，降低作業(yè)成本，減少機(jī)具的下地次數(shù)，應(yīng)大力研制發(fā)展耕整地與收膜聯(lián)合作業(yè)的機(jī)具。
另一方面殘膜回收機(jī)的推廣使用還有賴于殘膜的再生利用。由于回收殘膜在短期內(nèi)沒有直接的經(jīng)濟(jì)效益，所以殘膜回收機(jī)械難以被人們接受。因此，發(fā)展殘膜回收機(jī)械除了要和常規(guī)作業(yè)結(jié)合起來發(fā)展殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī)，研制生產(chǎn)性能可靠、結(jié)構(gòu)簡單的機(jī)具之外，應(yīng)狠抓殘膜的再生利用，用農(nóng)民銷售殘膜得到的效益來推動殘膜回收機(jī)具的使用和發(fā)展。只有這樣，才能帶動殘膜回收機(jī)械的發(fā)展，形成地膜使用、殘膜回收和殘膜再生中利用的良性循環(huán)。
總之，研制發(fā)展殘膜回收機(jī)既具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益，又具有巨大的社會效益。
3 設(shè)計方案的選擇
綜合國內(nèi)殘膜回收機(jī)的現(xiàn)況發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的用于作物收獲后進(jìn)行地膜回收的機(jī)械中，以伸縮扒桿式為主要代表通過在墾區(qū)部分地區(qū)的實際使用，證明其結(jié)構(gòu)合理，性能比較穩(wěn)定。但其在實踐中暴露出以下問題急需決。
起膜鏟阻力較大，影響回收機(jī)動力性能及收膜效率。因此本課題將通過實驗計算找出最佳鏟形設(shè)計方案，以圖減小牽引阻力。
伸縮扒指式殘膜回收機(jī)撿拾比較干凈。但是，由于邊摸被壓在土壤下面，起膜鏟鏟起的時候，由于棉花秸稈的影響，扒指不能有效的勾起邊膜。仍然達(dá)不到殘膜回收最大化的要求。所以我們考慮將邊膜與中膜分別回收。要想將邊膜與中膜分別回收，則用刀片將邊膜與中膜切開，如圖6所示（箭頭位置為刀片位置）。中膜由伸縮扒指機(jī)構(gòu)回收，邊膜則用扎膜滾扎回收。
圖6
4 起膜鏟性能改進(jìn)研究
4.1 起膜鏟在收膜機(jī)中的作用
地膜在土壤中的存在狀態(tài)由圖7所示，地膜兩邊有土壤壓邊，根茬穿過地膜，根茬周圍亦有一定量的土壤壓膜，以使地膜中保持密閉狀態(tài)。在地膜回收機(jī)收膜過程中，起膜鏟的作用是：其一要將地膜兩邊的壓膜土耕松，并盡可能地將地膜與土壤分離；其二起膜鏟將根茬切斷，以方便撿膜器收膜。實踐證明，現(xiàn)有起膜鏟基本能完成松土起膜的作用，因此，本課題將從分析起膜鏟在工作過程中所受阻力的角度來進(jìn)行改進(jìn)研究。而起膜鏟所受阻力主要來自兩方面的影響——土壤和根茬，作物根茬對起膜鏟的阻力影響比較復(fù)雜，受作物種類，根茬腐爛程度等的影響，測試難度較大，目前研究條件尚不成熟，因此課題不對其進(jìn)行研究，課題主要研究土壤阻力對起膜鏟設(shè)計的影響。
圖7
4.2 起膜鏟實驗設(shè)計
實驗的目的是為了建立起膜鏟幾何參數(shù)與其所受土壤阻力之間的函數(shù)關(guān)系，以指導(dǎo)起膜鏟的設(shè)計。要得到起膜鏟幾何參數(shù)與其所受土壤阻力之間的函數(shù)關(guān)系，可以在實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上作回歸分析。本實驗采用“一次回歸正交實驗設(shè)計方法”來安排實驗，這樣可以主動地把實驗安排、數(shù)據(jù)處理和回歸方程精度統(tǒng)一起來加以考慮，也就是可以根據(jù)實驗?zāi)康暮蛿?shù)據(jù)分析來選擇實驗點(diǎn)，不僅減小了實驗次數(shù)，而且使數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析具有較好的性質(zhì)，以方便數(shù)據(jù)處理?！耙淮位貧w正交實驗設(shè)計方法”是應(yīng)用廣泛的正交實驗設(shè)計方法的發(fā)展，為專門以回歸分析為目的實驗提供了有力工具。
實驗因素的確定
因素的選取及其變化范圍。實驗因索的選擇遵循如下兩個原則：
1.只選取影響起膜鏟受力的主要幾何參數(shù)。
2.力圖將實驗次數(shù)降低到最少。
根據(jù)一次回歸實驗設(shè)計方法，實驗設(shè)計如下：
影響起膜鏟受力的因素可以分為兩類，起膜鏟的幾何參數(shù)和起膜鏟的工作參數(shù)。起膜鏟幾何形狀參數(shù)有：刃角δ、切土角α、翼張角β、刃長L，如圖8所示。
其中隙角e變化范圍很小，因此不作為實驗因素研究。
圖8 起膜鏟幾何參數(shù)
切土角α是鏟刃上表面與水平基面的夾角，其變化將影響起膜鏟的碎土能力，并使土壤產(chǎn)生側(cè)移，一般切土角α越大阻力越大，而起膜鏟要使膜土分離必須要有一定大小的切土角α，切士角α對阻力的影響規(guī)律對課題具有一定的意義，因此將切土角α設(shè)定為實驗因素，翼張角且影響起膜鏟的滑切性能，也是影響起膜鏟阻力的主要因數(shù)之一，因而實驗將翼張角β作為實驗因素。刃長L對起膜鏟阻力影響是顯然的，但鑒于在其他因素不變的條件下，刃長L對阻力的影響是線性的，因而實驗不將刃長，設(shè)計為實驗因素。在實驗中為了消除速度變化對實驗結(jié)果的影響，將起膜鏟工作速度v作為一個實驗因素。
綜上分析，實驗設(shè)定三個因素：切土角α、翼張β、工作速度v。根據(jù)組合回實驗設(shè)計的要求，應(yīng)分別給出三因素的變化范圍，根據(jù)實際情況并為了便于實驗制備，設(shè)定各因素的變化范圍為：
切土角α（z1） 15°-60°。
翼張角β（z2） 30-90°
工作速度v（z3） 0.8m/s-1.6m/s
因此由實驗數(shù)據(jù)可計算得各因素的變化區(qū)間為：
切土角α（△1）：45° 翼張角β（△2） 工作速度v（△3）：0.8m/s
5 殘膜回收機(jī)齒的載荷分析
5.1 整體分析
在對殘膜回收機(jī)進(jìn)行零件強(qiáng)度和剛度計算時，首先要確定作用在零件上載荷的大小，只有如此才能更合理地確定零件的結(jié)構(gòu)與尺寸；另外，載荷也是對殘膜回收機(jī)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行動力計算的重要依據(jù)，選擇動力機(jī)的類型和容量都要考慮載荷的大小和特性；為了更進(jìn)一步提高機(jī)械的可靠性，在設(shè)計階段必須合理確定其載荷狀態(tài)特性。因此，確定作用在殘膜回收機(jī)撿膜桿齒上的載荷是設(shè)計殘膜回收機(jī)的一項基本工作。確定殘膜回收機(jī)撿膜桿齒上的載荷有很大的困難，設(shè)計人員一般根據(jù)自己的設(shè)計經(jīng)驗來假設(shè)一個最大值，以此作為設(shè)計依據(jù)。這一做法是不規(guī)范的，有時與實際情況也相距甚遠(yuǎn)，所設(shè)計的機(jī)器粗大而笨重。本文通過對作用在殘膜回收機(jī)撿膜桿齒上的載荷種類、變化規(guī)律等的深入分析，并結(jié)合計算機(jī)模擬方法來分析撿膜桿齒上的載荷，以求在一定程度上確定作用在殘膜回收機(jī)撿膜桿齒上的載荷。
5.2 殘膜回收機(jī)撿膜桿齒上的載荷
作用在撿膜桿齒上的載荷：一是周期載荷，撿膜滾筒回轉(zhuǎn) 1 周，由桿齒周期性地入土、出土?xí)r土壤阻力所產(chǎn)生的載荷，以及撿膜桿齒挑膜出土所產(chǎn)生的載荷；二是沖擊載荷，即撿膜桿齒入土及出土后遇到棉根、棉稈阻力所產(chǎn)生的載荷；三是隨機(jī)載荷，即土壤內(nèi)或表面的石塊所產(chǎn)生的載荷。殘膜收機(jī)在一個工作周期中所受載荷情況如圖 9 所示。
B1 、B2 為撿膜桿齒端點(diǎn)的入土和出土點(diǎn)，右邊和左邊的β/2分別為入土角和出土角，γ為挑膜角。
圖8 殘膜回收機(jī)撿膜齒工作情況示意圖
撿膜桿齒上的周期載荷
1 土壤載荷
確定作用在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的載荷復(fù)雜程度很高。不同的地塊有不同的地形、土壤、田間持水量，同一地塊因季節(jié)不同田間土壤的溫、濕度以及硬度也不同。盡管如此，鑒于土壤耕作機(jī)械載荷的重要性，農(nóng)業(yè)科技人員做過很多相關(guān)的研究，這些研究成果主要集中在鏵式犁工作載荷的解析表達(dá)式的建立方面，另有少量的經(jīng)驗公式。對比分析這些研究結(jié)果，本文根據(jù)撿膜桿齒的工作特點(diǎn)，引用文獻(xiàn)[1]給出的公式，結(jié)合試驗實測數(shù)據(jù)，得到撿膜桿齒入土運(yùn)動過程中土壤載荷計算式為
式中k1-k7為試驗回歸系數(shù)，k1=1.15，k2=1.12，k3=1.12，k4=0.055，k5=0.78，k6=0.065，k7=0.64；
b——撿膜齒直徑；
l——齒長度；
Z——撿膜齒入土深度；
α——切削角
CI——土壤的圓錐指數(shù)；
γ——土壤容重；
β——剪切速率因子；
g——重力加速度；
v——撿膜齒運(yùn)動速度。
與一般耕作機(jī)械不同，撿膜桿齒上的周期載荷不但來自于土壤中，還來自于土表以上。
2 撿膜桿齒上的沖擊載荷
在殘膜回收機(jī)撿膜桿齒出、入土撿膜過程中，會不斷遇到棉稈及其根系，因其作用時間短而強(qiáng)度高，本文將其視為沖擊載荷。棉稈及其根系對撿膜桿齒產(chǎn)生的沖擊主要表現(xiàn)形式：一是撿膜桿齒將棉稈拔起；二是撿膜桿齒將棉稈及其根系折彎并滑過；三是撿膜桿齒將棉稈及其根系折斷破壞。
3 撿膜桿齒上的隨機(jī)載荷
最大隨機(jī)載荷的推算
農(nóng)業(yè)機(jī)械（特別是農(nóng)田作業(yè)機(jī)械）的作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，載荷的種類多，載荷大小變化大，有很多不確定因素。桿齒碰石塊是殘膜回收機(jī)撿膜作業(yè)中常發(fā)生的事，載荷大小與作用時間都有隨機(jī)的特點(diǎn)。棉田中的石塊大小差異很大，產(chǎn)生的沖擊力也不同。經(jīng)試驗測定，作用在撿膜桿齒上的沖擊載荷一般在20～50000N，甚至更大，易將撿膜桿齒折斷。小石塊對撿膜桿齒只產(chǎn)生沖擊作用，而大石塊對撿膜桿齒的影響較大。在殘膜回收機(jī)撿膜桿齒所受載荷中，最大載荷極少出現(xiàn)，但它會引起零部件較大的塑性變形，對疲勞強(qiáng)度有較大影響。在實際產(chǎn)生中，常發(fā)生撿膜桿齒彎曲變形。撿膜桿齒一旦彎曲變形，會對殘膜回收機(jī)產(chǎn)生直接影響，大的變形會使殘膜回收滾筒卡死，甚至損壞其他工作部件。由于設(shè)備條件的限制，現(xiàn)場實測的結(jié)構(gòu)工作載荷的樣本記錄有限，很可能漏測不常出現(xiàn)的最大載荷，而最大載荷的出現(xiàn)又具有隨機(jī)性，故最大載荷的確定需要借助于統(tǒng)計推斷來實現(xiàn)。一般認(rèn)為，106次循環(huán)能包括那些在惡劣工況下發(fā)生的極值載荷，現(xiàn)行最大載荷的確定方法都是依據(jù) Conover 等人提
出的概率準(zhǔn)則，即以概率 106所對應(yīng)的載荷為最大載荷。設(shè)被試對象有 K 種典型工況，第i 種工況作業(yè)時間為Ti ，平均幅值變化率(頻率權(quán))為Fi，在這種工況下，每次載荷循環(huán)載荷幅值大于等于 SA的概率為Pi(SA)，在合成累積頻次擴(kuò)展到 106次時，i 工況下載荷循環(huán)總頻次為Ki× 106。第 i 工況經(jīng)Ki×106次循環(huán)，其幅值大于等于 SA的次數(shù)為
式中 Noi——最小幅值；
Nai——特性參數(shù)；
bi——形狀參數(shù)。
在合成累積頻次擴(kuò)展到106次時，所有k中工況發(fā)生的幅值大于等于SA的總次數(shù)為
2.3.2 撿膜桿齒遇石塊沖擊產(chǎn)生的變形根據(jù)相對運(yùn)動原理，在此假設(shè)石塊是運(yùn)動的，具有速度 v ，沿水平方向撞擊彈性體撿膜桿齒，根據(jù)能量守恒定律，在沖擊過程中，沖擊能量(Em)轉(zhuǎn)化為彈性體的變形能（ U ），桿齒碰到石塊彎曲時的力學(xué)模型為
式中 E——材料的彈性模量；
I——慣性矩，
I、d——齒長度及直徑；
km——石塊的計算質(zhì)量，m為石塊的質(zhì)量，k是石塊在土壤中運(yùn)動的阻力系數(shù)。
由上式可知，桿齒上所受沖擊載荷的大小主要取決于桿齒的運(yùn)動速度及所遇石塊的計算質(zhì)量。鑒于此種情況時有發(fā)生，建議設(shè)計者在選用撿膜桿齒時采用脆性材料。當(dāng)高速運(yùn)動的撿膜桿齒遇大石塊時，撿膜桿齒折斷，以保殘膜回收機(jī)主要部件不損壞，不中斷殘膜回收作業(yè)。
6 特殊部件的安裝說明
6.1 桿齒在曲軸上的安裝
因為桿齒要在曲軸上轉(zhuǎn)動，不能用常規(guī)的安裝方法。所以需要單獨(dú)設(shè)計出一個連接件用于連接曲軸與桿齒，分兩部分，用螺栓連接。連接件如圖9所示。
圖9 曲軸與桿齒連接件
6.2 刀盤的安裝
應(yīng)為刀盤要安裝在軸上，并在軸上轉(zhuǎn)動。但是軸向需要固定，軸的內(nèi)側(cè)通過刀盤的設(shè)計出軸肩突起來固定，外側(cè)的使用軸上安裝的螺栓。如圖10所示。
圖10 刀盤的固定
7 軸的校核計算
7.1 軸1的校核計算
7.1.1彎矩受力計算
軸上的扭矩
=609421
作用在齒輪上的圓周力 Ft
作用在齒輪上的徑向力Fr
作用在齒輪上的軸向力Fa
7.1.2計算作用于軸上的支反力，彎矩
求垂直面的支承反力
求水平面的支承反力
繪垂直面的彎矩圖
繪水平面的彎矩圖
合成彎矩
本章從撿膜器的運(yùn)動學(xué)分析出發(fā)，對撿膜器從性能角度和撿膜齒強(qiáng)度提出了撿膜器最優(yōu)化設(shè)計模型，其中有一些數(shù)據(jù)的取值與整個機(jī)器的設(shè)計都有很大關(guān)系，因此每次更改殘膜回收機(jī)的設(shè)計時都必須重新進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計，同時優(yōu)化設(shè)計時有些數(shù)據(jù)的取值采用經(jīng)驗值，因此在獲得更好的經(jīng)驗值是也要重新進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計。在最優(yōu)化設(shè)計中，選定的最優(yōu)化約束條件未必完善，可以根據(jù)收膜試驗的問題提出特殊約束，從其他角度優(yōu)化撿膜裝置的設(shè)計。
7.1.3校核軸的強(qiáng)度
由軸的扭距、彎距圖可知，存在危險截面，因此在該處計算應(yīng)力
（因扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力不是對稱循環(huán)應(yīng)力，故引入折合系數(shù)α）取
抗彎截面系數(shù)
截面上的彎曲應(yīng)力
截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力
軸的彎扭強(qiáng)度條件為
查表15-1得
MPa
所以
符合彎扭強(qiáng)度條件。
7.2 軸2的校核計算
（1）1軸上的圓周力，徑向力，軸向力
求垂直面的支承反力
求水平面的支承反力
繪垂直面的彎矩圖
繪水平面的彎矩圖
合成彎矩
校核軸的強(qiáng)度
由軸的扭距、彎距圖可知，齒輪軸的輪齒處存在危險截面，因此在該處計算應(yīng)力
（因扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力不是對稱循環(huán)應(yīng)力，故引入折合系數(shù)α）取
抗彎截面系數(shù)
截面上的彎曲應(yīng)力
截面上的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力
軸的彎扭強(qiáng)度條件為
查表15-1得
MPa
所以
符合彎扭強(qiáng)度條件。
8 裝配質(zhì)量
（1）整機(jī)零部件完整，無缺件，安裝方便；
（2）運(yùn)動件操作靈活，無有卡死、磕碰現(xiàn)象；
（3）非運(yùn)動件無明顯偏移、翹曲等現(xiàn)象；
（4）緊固件緊固可靠；
（5）滾筒、扒指、鏈輪安裝牢固、可靠。
（6）扒指/曲軸的安裝必須潤滑
.
9 總結(jié)
課題在對收膜模式進(jìn)行理論研究和動力學(xué)分析的基礎(chǔ)上對現(xiàn)有伸縮扒指式殘膜回收機(jī)提出了改進(jìn)方案，并按照任務(wù)書上的要求將邊摸和中膜分別回收。工作量很大，但是在做此設(shè)計，讓我熟練掌握了cad制圖，并重溫了大學(xué)四年來所學(xué)的一些知識。
10 致謝
本次設(shè)計能順利完成，首先要感謝馬少輝老師的悉心指導(dǎo)，從選題到設(shè)計的完成的整個過程中，遇到了很多問題，馬少輝老師都能及時給予細(xì)心及準(zhǔn)確的指導(dǎo)，在設(shè)計思路出現(xiàn)混淆或錯誤時，用淺顯易懂的知識深度剖析，使我的設(shè)計思路清晰明朗，以免在設(shè)計過程中迷失方向，出現(xiàn)大的偏差。在整個設(shè)計過程中，老師都能一如既往的表現(xiàn)出高度負(fù)責(zé)的工作態(tài)度和精益求精的工作作風(fēng)，這些都是我所應(yīng)該學(xué)習(xí)的。在此，對馬少輝老師表示誠摯的感謝！
感謝母校為我提供了學(xué)習(xí)機(jī)會，使我的知識水平和認(rèn)知能力得以提高，同時為我們提供了良好的學(xué)習(xí)條件，在設(shè)計過程中難免會遇到課程中沒有學(xué)習(xí)到的知識點(diǎn)，這時，到塔里木大學(xué)圖書館便能找到想要的資料。
感謝老師四年來對我的精心栽培，感謝學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)和老師們給予的幫助與關(guān)懷，感謝與我共同學(xué)習(xí)和生活了多年的同學(xué)們對我的關(guān)心與支持！
大學(xué)四年已接近尾聲，大學(xué)生活中的每一個細(xì)節(jié)都使我終生難忘，以“艱苦奮斗、自強(qiáng)不息”這八個字我將銘記于心，在以后的人生道路中將躬身踐行。
最后，祝愿母校日益昌盛，祝愿老師們、同學(xué)們身體健康、事事順利！
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