设计说明书--组合式棉杆拔杆机的设计.doc
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1、前 言棉花是新疆主要的经济作物之一,大部分棉秆采用粉碎还田方式处理,只有少部分进行再利用。主要因为一方面棉杆粉碎还田,可补充和更新土壤有机质等养分,保持土壤水分和改善土壤物理性状。 从国内外目前棉秆收获机械现状来看,国内有多家机构在积极探求新的棉秆收获机械型式,但大多机型适应性较差、机械故障率高,可靠性差,难以进行大面积推广,且对收获装置的工作参数也缺乏系统的专门研究,以致于收获效果不是很理想。棉秆机械化收获目前常采用的方式主要有剪切收获和提拔式收获两种。剪切收获,主要是利用割刀将棉秆从根部割断,此种收获方式不能实现棉秆的全部收获,造成资源浪费,另外由于棉秆根茎较硬不易腐烂、不易粉碎,在土壤里
2、留存时间较长,不利于后续整地作业和农作物生长。此外新疆棉花种植过程中地膜的使用,造成土壤白色污染日益严重。通过对残膜回收机田间作业情况进行调查,结果表明棉秆及棉根对残膜回收机的作用效果有着严重的影响。依据现有国内棉秆收获经验,为解决棉秆可靠拔取与输送问题,提出了一种新的拔取输送方式,提辊装置与拔秆齿辊相结合的组合方式。该装置主要包括机架、提辊装置、拔秆齿辊装置。主要工作过程是提辊装置进行土层浅层的翻搅,拔秆齿辊装置与提辊装置配合进行棉秆的拔取与输送。该方式一方面能有效拔取棉秆,降低功耗,加快茎秆向后输送。另一方面增加了棉秆收获机械的田间适应性。后悬挂加置了残膜回收装置,大大减少了田间白色污染。
3、关键词 :棉秆;拔秆收膜;高效目录1绪论11.1课题背景11.2研究的目的和意义11.3国内外棉花拔秆收膜机的发展状况12本课题需要重点研究的关键的问题及解决的思路62.1棉花种植情况62.2棉花阻力分析62.3机械设计遇到的问题73总体方案设计73.1设计任务73.2基本要求73.3注意事项73.4机构选型原则84组合式棉秆收获机的机构设计84.1 组合式棉秆收获机的基本结构如图4-1所示84.2组合棉秆收获机的工作原理94.3提辊装置的设计94.4拨禾轮的设计94.5传送装置的设计105组合式棉花拔秆机的设计计算与校核105.1电动机的选择105.2提辊装置拔棉秆的阻力分析115.3拨禾轮
4、运动轨迹分析135.4传送带的设计计算15总 结16致 谢17参考文献18 塔里木大学毕业设计 1 绪论1.1 课题背景农业生物质能产业的发展为农业提供了一个产品附加值高和市场潜力大的平台。棉花是新疆主要的经济作物之一,大部分棉秆采用粉碎还田方式处理,只有少部分进行再利用。棉花秸秆是棉花的主要副产品,也是工农业的重要生物资源,棉花秸秆收获装备对实现棉花秸秆的资源化和商品化至为关键,与此新疆棉花的种植还有地膜的使用,这就使的在棉花收获后会有棉秆收获和残膜收回问题。本项目拟针对现有拔秆式收获机械存在的问题进行分析,提出一种组合式棉秆拔取收获装置,进行样机设计及制造、田间试验并对该装置的作用机理进行
5、研究,研究棉秆生物特性参数、土壤物理特性、两种装置动力学参数对于收获作业质量的影响机理,构建该装置收获作业数学模型,综合分析影响机械收获效果的多因素关系。本研究将为棉秆收获技术与装备的研发提供理论基础和新方法1。1.2 研究的目的和意义棉花秸秆是棉花的主要副产品,也是工农业的重要生物资源,棉花秸秆收获装备对实现棉花秸秆的资源化和商品化至为关键。我国农业生物质能资源主要包括农作物秸秆、畜禽粪便、农产品加工副产品和能源作物等,其中农作物秸秆和能源作物秸秆有着非常广泛的用途。棉秆可用于生产人造纤维、刨花板、吸音板等板材和造纸;还可通过生物质能的转化技术,将棉秆转化成木炭、可燃气体或电力;另外,棉秆还
6、具有很高的营养价值,可作为很好的畜类动物饲料2。由此可见,棉秆资源丰富,是一种利用价值很高的农业生物质能。棉秆机械化收获目前常采用的方式主要有剪切收获和提拔式收获两种。剪切收获,主要是利用割刀将棉秆从根部割断,此种收获方式不能实现棉秆的全部收获,造成资源浪费,另外由于棉秆根茎较硬不易腐烂、不易粉碎,在土壤里留存时间较长,不利于后续整地作业和农作物生长。此外新疆棉花种植过程中地膜的使用,造成土壤白色污染日益严重。通过对残膜回收机田间作业情况进行调查,结果表明棉秆及棉根对残膜回收机的作用效果有着严重的影响。拔秆式收获,具备不留根茬、作业成本低,有助于残膜回收等优点3。因而无论是进行棉秆收获还是秸秆
7、还田,棉秆收获机采用拔秆式收获方法不仅提高了棉秆的利用率,也将大大提高残膜收净率。通过对比各种棉秆收获装置优缺点及田间适应性,提出一种有提辊装置与拔秆齿辊装置相结合的拔秆装置,有效的解决了拔秆效率和田间适应性,拔秆彻底,无残留,也将大大提高残膜收回率,提高了田间作业效率,节约大量劳动力4。1.3国内外棉花拔秆收膜机的发展状况国外棉轩收获技术研究进展及其代表机型简述1)棉轩刨挖技术这种技术釆用对称倾斜双圆盘对棉轩进行刨挖,与双圆盘开沟器的作业原理相同,代表机型为美国的Dave和Orthman棉秆挖刨机,如图1-1,1-2所示。其中机型根据需要可调整其收获棉秆的行数,其参数有2、4、6、8行四种,
8、对不同湿度棉杆有较强的适应性。而Orthman机型的圆盘角度和高度是可调的,拔軒机构设计为可折叠式,采用平行四杆仿形,并在其后面安装切碎装置,实现棉秆的起拔与切碎还田4。图1-1 Dave Koenig 拔棉秆机图 1-2 Orthman 拔棉秆机2) 棉秆拔取技术这种技术采用45倾角安装橡胶轮胎对辑起拔。代表机型有澳大利亚生产的Muti拔棉杆机以及美国生产的AMADAS棉秆拔取切碎收获机,如图所1-3,1-4示。这两种机型能将棉秆连根拔起并切碎,机具行走速度快,有较高的稳定性且设有传动安全防护措施。但该技术对种植行距要求较高,适用于标准化规模化种植。图 1-3 Muti 拔棉秆机图 1-4
9、AMADAS 高速棉秆切碎收获机国外棉秆拔取收获机械基本上以对辊式起拔装置为主,以一组间隙可调、相对滚动的胶辊为拔秆部件,对行收获,棉秆拔出直接切断还田。起拔装置是棉秆拔秆收获机械中最关键的部件,起拔性能的好坏,直接影响整机的工作性能。一般起拔装置有齿盘式、锄铲式、夹持式、对辊式、提辊式及齿辊式几种类型。由于受胶辊结构尺寸的限制,对于国内棉秆的收获并不适应。 目前应用较广泛的棉轩收获机械所采用的收获原理和方法大致可以分为:产切法、滚切法、提拔法三种5。国内棉轩收获技术研究进展及其代表机型简述1)产切法该方法利用“V”型双翼刀以一定角度深入土壤下约80mm,由动力机带动产刀将棉根伊断,并将棉秆向
10、上抬起,再由输送装置将其收集成堆。由于刀入土作业,其前行过程中由前次作业所带起的土壤及作物根巷若不能及时掉落并与辛产刀分离,下次作业时伊刀前端就会大量壅土,不但增加了伊刀工作阻力,致使作业效率低下,也增加了机具的功耗。该方法存在动力消耗大、残留棉根较多、铺放不整齐等缺点。该方法的典型机型为4MC-4型綿花稻秆收获机,由新疆农业科学院农业机械化研究所研制生产,其机械结构如图1-5所示。该机具作业幅宽为1.8m,作业速度为7km/h12km/h,一次可收获4行棉秆,铲秆率为96%,集堆率为90%。一次可收获4行棉秆,铲秆率为96%,集堆率为90%。集堆率为90%6。图1-5 4MC-4型棉秆收获机
11、田间作业2)滚切法该方法基于旋耕原理,采用旋转刀棍作为收获部件进行作业。为便于纟产切提拔,在水平刀棍上等角度安装三组刀片。机组在田间作业时,随着机组前行,刀辊逆向旋转切入棉秆根部,刀片将棉根产断,并将其拔起。刀棍为通轴刨刀,在整个作业过程中机具无需考虑棉秆行距,且土壤被刀辅不断翻动,棉根被产断,不会发生壅土现象。该方法同样消耗动力较大,但工作效率较高,对不同棉杆的行距适应性较强,主要适应于直径较细小,高度不超过1m的密植棉杆7。该技术的典型机型为4M BOX-1.5型棉花拔秆清膜旋耕机,由新疆昌吉州农牧业机械技术推广站研制生产,其机械结构如图1-6所示。该机可一次性收获4行棉秆,不受株距、行距
12、限制,兼具清除回收地膜的功能,作业速度1.4M/s,棉禾干净拔率高达99%8。1.机架 2.主动轴 3.边侧板 4.滚轮带齿拔秆波轮5.边侧板入土开沟器 6.滚刀起拔器 7.搂把器机架 8.拉筋 9.搂把器拉杆 10.压簧杠杆锁死机构 11.搂把器弹齿图1-6棉花拔轩清膜旋耕机结构示意图3) 提拔法该方法利用夹持装置夹持棉秆,在机组田间行进速度配合下,拉动起拔机构产生向上的提拔力,将棉根从土壤中拔出。大部分机械设计有捡拾喂入部分,或设计有输送机械,可将棉秆直接收集或铺放在地面上。这类机具的工作原理、设计结构相对复杂,制造成本较高,同时对棉花种植的株距、行距、机具在田间的行进速度与夹持装置的配合
13、要求也很高。但该方法动力消耗较少,拔净率较高,残留棉根较少。提拔式的棉秆收获机按照夹持机构的形状和结构可分为辑式、链杆式与夹式。辑式起拔机构分圆锥辑、半回柱辑、圆柱辑及圆柱圆锥综合無等;链杆式起拔机构分为单链杆式、双链杆式、链爪式及齿盘链杆式等;夹式起拔机构分为钳夹式、平动夹式及盘夹式。在国内对于棉花秸秆机械化收获技术和装备的研究主要是借鉴国外技术集中于对拔取收获技术和装备进行研究,但因季节变化问题,品种问题,不同地域问题,土壤坚实度,温度及湿度等对该方式的棉秆收获机械有很大的影响,造成收获机械适应性差,可靠性不高。虽然拔秆式收获具备很多优点,但目前国内棉秆拔秆式收获装备技术落后,对机械收获动
14、力学特性和作业质量产生机理不明晰,使得我国棉秆收获机械难以大面积推广应用9。因此,本项目提出棉秆组合式拨秆收获装置的研制,一方面为棉秆高效收获技术与装备的研发提供一种解决思路及理论基础。另一方面也有助于提升棉秆收获效率、降低劳动强度、提高棉秆资源化利用水平,长远来看,对于恢复和稳定我国新疆棉花生产具有长远的战略意义。2 本课题需要重点研究的关键的问题及解决的思路2.1棉花种植情况 新疆是国家重要的商品棉生产基地,经过九五、十五、十一五计划的发展,新疆棉花已基本形成了300万吨的生产能力。根据新疆农科院的资料,在土壤肥沃,光照充足的地区,棉花合理密植,每亩株数以15000株左右为宜。对于机采棉,
15、可以采用10cm,66cm的株距和行距。对于地膜覆盖,可以采用20cm,60cm的株距和行距。本课题所采用的是3米的宽幅,每次收获4行,符合新疆大部分地区,保证棉秆收获高效进行10。 2.2棉花阻力分析棉秆起拔阻力是棉杆收获研究的重要技术参数,也是棉秆收获机械设计的重要理论依据。棉花根系属直根系,分为主根和侧根,在土壤养分、水分和土质合适的情况下,根系生长非常发达。棉秆起拔过程中,根系发生断裂,土壤产生变形,同时根系与土壤间还存在點着力和摩擦力,这些因素综合形成起拔阻力。农业生产实践经验表明,在相同的起拔条件下,与垂直方向成一夹角、沿倾斜方向起拔棉秆所需的起拔力小于沿垂直方向上的起拔力。山西省
16、运城市农机科研所沈新民曾对棉秆的起拔阻力进行了测定,分析了土壤情况、棉秆生长情况等因素对拔取力的影响,得出土质的不同、土壤干基含水率及土壤坚实度对棉秆起拔阻力影响较大。棉秆在田间的生长、起拔示意如图2-1所示。由图2-1可知,起拔机构对棉秆进行起拔时,起拔力F与地面形成夹角其为水平起拔力与垂直起拔力的合力。沿不同方向起拔时,棉秆根系断裂过程、土壤变形过程以及根系与土壤间的粘着力均存在差异,使所需起拔力的大小有所不同。针对不同土壤条件、不同起拔角度下的棉秆起拔力F进行测量,可以分析上述因素的影响,为棉秆起拔机械的合理设计提供依据11。1.棉秆主茎 2.起拔装置图2-1 起拔力测量原理122.3机
17、械设计遇到的问题 1)提辊装置、拔秆齿辊装置组合设计。该装置主要包括机架、提辊装置、拔秆齿辊装置。主要工作过程是提辊装置进行土层浅层的翻搅,拔秆齿辊装置与提辊装置配合进行棉秆的拔取与输送。该方式一方面能有效拔取棉秆,降低功耗,加快茎秆向后输送。 2)该组合装置如何能高效率,低功耗工作。本项目通过对茎秆在提辊及拔秆齿辊装置共同作用下的运动规律进行分析,建立茎秆的运动学方程,结合高速摄影,分析影响拔取及输送的主要因素,以整机消耗功率最小为目标函数,以喂入量、组合装置的结构参数及运行参数为约束条件对各参数进行优化,在ADAMS软件中对棉秆、样机的提拔输送装置进行建模,以优化参数对茎秆的运动进行仿真试
18、验,并对茎秆的轨迹进行模拟分析,以寻求最佳拔取输送参数值。为设计性能优良的棉秆收获机提供理论依据。3 总体方案设计3.1设计任务1)相关外文资料翻译和查找搜集相关技术资料 2)撰写任务书和开题报告; 3)根据给定的技术参数,确定机器的执行机构,设计机器整体结构; 4)撰写设计说明书;5)绘制总装图、部装图和零件图。3.2基本要求1)结构简单,制造容易;2)操作、维护方便、安全。3.3注意事项1)在设计开始前,应认真研究题目,明确设计要求,阅读参考资料,了解它们大体内容,以便需要时查阅;2)对设计方案及结构,设计小组应进行讨论对比,以明确优劣正误,取长补短,改进设计;3)设计草图完成后,应交指导
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