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齿盘式棉花秸秆整株拔取收获机设计.docx
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1、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
2、,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
3、 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,
4、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.Key
5、words: 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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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=P
12、N=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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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
18、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
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