齒盤式棉花秸稈整株拔取收獲機設(shè)計論文

目 錄 摘 要 . II Abstract . III 1 前言 .1 1.1 引言 .1 1.2 棉花秸稈收獲理論和技術(shù)分析 .1 2 棉柴拉拔阻力的分析 .2 2.1 影響棉柴拉拔阻力的因素及相關(guān)分析 .2 2.2 拔棉柴機 設(shè)計最大起拔力的確定 .4 3 齒盤式棉花秸稈收獲機的運動分析 .4 3.1 齒盤式棉花秸稈收獲機的工作原理 .4 3.2 齒盤拔取棉花秸稈的運動軌跡分析 .5 4 機器的零部件初步設(shè)計 .6 4.1 齒盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計 .6 4.2 限深輪的設(shè)計 .7 4.3 傳動機構(gòu)的設(shè)計 .7 4.4 機具懸掛方式的選擇 .7 5 零部件的設(shè)計計算和校核 .7 5.1 拖拉機的選取 .7 5.2 傳動錐齒輪的設(shè)計及校核 .8 5.3 軸的設(shè)計及軸類零件的選取 .9 5.4 機架的設(shè)計 . 13 參考文獻 . 15 致謝 . 16 II 摘 要 隨著我國的棉花種植面積的擴大，拔棉柴的工作已經(jīng)成為農(nóng)村一項較重的勞動，為了降低勞動強度，農(nóng)民對棉花秸稈收獲機械的需求正日益迫切。針對目前拔棉柴機工作效率低、漏拔率高、拔斷率高、易擁堵、適應(yīng)性差的問題，本人研究設(shè)計了齒盤式棉花秸稈整株拔取收獲機。該收獲機采用齒盤夾持部件和水平拔取原理，通過力學(xué)和運動分析確定工作參數(shù)，試驗表明，該機作業(yè)性能滿足農(nóng)藝要求。 關(guān)鍵詞： 齒盤；整株拔?。幻藁ń斩捠斋@機 III Abstract With 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 harvester 1 1 前言 1.1 引言 棉花是世界上最重要的糧食作物之一，中國是世界上首屈一指的棉花產(chǎn)區(qū)。據(jù)統(tǒng)計，國家統(tǒng)計局， 2008 年全國棉花種植 576 萬 hm 2 的面積，棉花產(chǎn)量 750 萬噸，棉花秸稈產(chǎn)量超過 20 萬 t。近年來，由于通過促進政策指導(dǎo)，全國棉花種植面積增加，從而產(chǎn)生大量的棉稈。 棉花秸稈是一種用途非常廣泛的寶貴資源，除了可以直接粉碎還田用作有機肥料外，棉花秸稈也可以收獲后進行工業(yè)化利用。第一，棉花秸稈是一種很好的木材替代品，可用來生產(chǎn)人造纖維板等板材，用作建材、造紙等原料、制作一次性餐具等；第二，棉花秸稈具有較高的營養(yǎng)價值，經(jīng)過微化處理后蛋白質(zhì)含量可高達 12，可作為牛、羊的上等飼料；第三，棉花秸稈可用作無公害食用菌的培養(yǎng)基種植蘑菇；第四，棉花秸稈可用作生物質(zhì)發(fā)電廠的原料，采用生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)發(fā)電，也經(jīng)軋碎和高溫?zé)峤獾冗^程產(chǎn)生一氧化碳為主的生物質(zhì)氣體，作為新型能源。因此，為了發(fā)展 綠色農(nóng)業(yè)，發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟，增加農(nóng)民收入，棉花秸稈收獲回收利用具有重要意義。 我國在 20 世紀(jì) 60 年代中期就開始了對棉花秸稈收獲機械的研制工作， 70 年代末80 年代初達到高潮，但由于種種原因，都未能形成定型產(chǎn)品生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。到了 20世紀(jì) 90 年代，棉花秸稈收獲機的研制又活躍起來。近幾年來，全國各地高等院校、科研院所和企業(yè)在過去 30 多年研究的基礎(chǔ)上研制了各種棉花秸稈收獲機械，按其工作部件的收獲原理可分為挖掘式和提拔式；按工作部件結(jié)構(gòu)，提拔式包括鏈夾式、齒盤式等。由于國內(nèi)主要棉花種植區(qū)的種植農(nóng)藝要求和模式不同，棉花品種和土壤條件差異較大，所以上述各種棉花秸稈收獲機械多數(shù)沒有大面積推廣應(yīng)用，大多數(shù)地區(qū)還是人工收獲，勞動強度大，生產(chǎn)效率低。農(nóng)民急需經(jīng)濟實用，高效的棉花秸稈收獲機械。 1.2 棉花秸稈收獲理論和技術(shù)分析 棉根屬直根系，分為主根和側(cè)根，側(cè)根又生長支根。大部分的根系分布在耕作層內(nèi)，在土壤養(yǎng)分、水分和土質(zhì)合適的情況下，根系生長相當(dāng)發(fā)達。棉花 秸稈機械化收獲作業(yè)的目的就是通過工作部件完成棉根與土壤的分離。 挖掘式棉花秸稈收獲機的工作原理就是通過使用各種結(jié)構(gòu)型式的挖掘部件切斷棉花秸稈根系，將棉花秸稈從土壤中挖出。這類收獲機的優(yōu)點是能夠有效地將棉花秸稈從土壤中挖出，缺點是由于工作部件要克服棉根切斷阻力、土壤耕作阻力和摩擦力等，機具功率消耗大，而且棉根殘留多。 2 提拔式棉花秸稈收獲機的工作原理就是通過使用各種結(jié)構(gòu)型式的提拔部件將棉花秸稈從土壤中拔出。根據(jù)提拔部件的結(jié)構(gòu)型式不同可分為垂直拔出和傾斜（近水平）拔出。棉花秸稈在拉拔過程中，根系要發(fā)生斷裂，土壤要 產(chǎn)生變形，還要克服根系與土壤的黏著力和摩擦力等，這些阻力綜合為拉拔阻力。研究表明棉柴的拉拔阻力隨棉柴拉拔時的位移而變化，在松軟的土壤中，棉柴從拉拔開始至阻力基本解除所對應(yīng)的位移可達 140mm；拉拔阻力與棉柴根部直徑成正比；土壤越黏重，土壤含水量越小，土壤堅實度也就越高，拉拔阻力也增大。提拔式棉花秸稈收獲機的優(yōu)點是機具消耗功率小，缺點是由于受到棉花生長狀況、土壤含水量和堅實度等因素的影響，容易出現(xiàn)拔斷和拔不出等現(xiàn)象。在這類收獲機中，齒盤式棉花秸稈收獲機因具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、使用操作方便等優(yōu)點受到農(nóng)民歡迎 。 2 棉柴拉拔阻力的分析 2.1 影響棉柴拉拔阻力的因素及相關(guān)分析 根據(jù)山西省運城市農(nóng)機科研所高級工程師李有田多年的田間試驗和實時測量，影響棉柴拉拔阻力的因素主要有以下幾點： 1、棉花的根系分布情況； 2、土壤情況和棉花生長情況； 3、棉柴根部直徑與起拔力成正相關(guān)直線回歸關(guān)系； 4、土壤含水量和堅實度。 棉稈直徑（ mm）左 12.9 右 14.5；土壤含水量（ %） 左 12 右 16； 土壤堅實度（ kg/）左 16.7 右 11.7 圖 1 棉柴拉拔阻力 位移曲線 阻力上升階段 當(dāng)垂直向上逐漸施力拔起棉柴時，其根部開始克服阻力而向上移動，阻力也逐漸增大。在不同的土壤，不同的土壤含水量和土壤壓實度的條件下，曲線的斜率是不同的，粘重土壤，土壤水分含量小，土壤堅實度較高的曲線斜率越大，而在高水含量的土壤，土壤松軟，曲線比較平緩，位移與抗拔力變化較小。 3 阻力下降階段在干硬的土壤中生長的植物，當(dāng)抗拔力達到最大，主根和側(cè)根幾乎同時被拉斷，因此抗拔力明顯下降，少量的根和根的抗拉強度和土壤分離表明只有很小的阻力。而在松軟、含水量較大土壤生長的植株在拉拔過程中，主根和側(cè)根逐漸在較細的部位被拉斷，所以 阻力的下降比較緩慢，其相應(yīng)的位移過程也就較長。對松軟的土壤從拉拔開始至阻力基本解除對應(yīng)的位移可達 14mm。 根據(jù) 2004 年 11 月在永濟市東安頭大隊五隊隨機進行的棉柴起拔力與根部直徑實測資料（見表 1），繪制 D-P 散點圖。 表 1 東安頭大隊所測棉柴根部直徑 D 與起拔力 P 依次表 求回歸方程 式中 N 實測點數(shù) N=58； L 離散值； D 根部直徑（ mm）： P 起拔力（ kg）； B 回歸系數(shù)： a 常數(shù)，最小起拔力（ kg） 由此可以計算： 4 圖 2 D-P 散點回歸直線圖 回歸方程式為 為了檢驗回歸方程與 D-P 散點圖的相關(guān)程度，可用下式求相關(guān)系數(shù) r 根據(jù)相關(guān)系數(shù)的檢驗，棉花根系直徑 D 和棉稈拉力 P 高度相關(guān)。這表明，生長在土壤的物理狀態(tài)和棉更均勻，直徑和根在拉力棉桿之間的關(guān)系是線性回歸。 近年來所測棉柴的回歸系數(shù) b 的范圍是在 28 之間， a 在 +2031 之間。 2.2 拔棉柴機設(shè)計最大起拔力的確定 根據(jù)蘇丹國一棵棉株從同一穴中好幾棵棉株中拔出來最大起拔力為 1000N。喀土穆大學(xué)的 Tawfig F Demian 研究，一棵單獨的棉柴起拔力為 1210N。 我國拔棉柴季節(jié)一般在 11 月中下旬，這時的土壤含水量主要由 10 月、 11 月的降雨量所控制。以 2004 年在永濟市東安頭大隊所測數(shù)據(jù)為依據(jù)，因為棉柴直徑、棉柴起拔力均是連續(xù)性變異，所以其分布為正態(tài)分布。如我們要求拔起 95%的棉柴，則在 95%的范圍內(nèi)的最大起拔力為。 式中 起拔力標(biāo)準(zhǔn)差，根據(jù)計算。 分布值，由設(shè)計手冊查得 2.004 3 齒盤式棉花秸稈收獲機的運動分析 3.1 齒盤式棉花秸稈收獲機的工作原理 5 齒盤式棉花秸稈收獲機主要由齒盤、機架、 限深輪和動力傳動部件構(gòu)成。如圖 3所示。 圖 3 齒盤式棉花秸稈收獲機結(jié)構(gòu)示意圖 1、 機架 2、限深輪 3、動力傳動部件 4、齒盤 其工作原理為：拖拉機帶動機器向前運動，限深輪旋轉(zhuǎn)通過動力傳動部件帶動齒盤旋轉(zhuǎn)，齒盤上的三角刃槽鉗住棉花秸稈，在拖拉機的前進推力與齒盤的旋轉(zhuǎn)拉拔力雙重作用下，將棉花秸稈從土壤中拔出。 3.2 齒盤拔取棉花秸稈的運動軌跡分析 以左齒盤為例，分析其運動狀況。齒盤工作時，齒盤一面旋轉(zhuǎn)，一面隨拖拉機前進，因此齒盤上所夾持的棉花秸稈的絕對運動是齒盤旋轉(zhuǎn)和拖拉機前進兩種運動的合成，其運動軌跡是擺線。建立坐標(biāo)系（如圖 4 所示）。 圖 4 齒盤夾持棉稈點的運動 6 X 軸正方向與拖拉機前進方向一致， Y 軸正向為右。設(shè)拖拉機前進速度為，齒盤旋轉(zhuǎn)角速度為，齒盤轉(zhuǎn)速為，齒盤夾持棉稈點的半徑為，分析齒盤夾持棉稈點開始時位于齒盤正前方位置與 X 軸正向重合，則齒盤夾持棉稈點的運動方程為： 式中 t 代表時間，單位為 s。 上式表示了齒盤夾持棉稈點的絕對運動，其運動軌跡隨著的不同而具有不同的形狀和特性。將上式對時間求導(dǎo)數(shù)，可求得齒盤夾持棉稈點在 X 軸和 Y 軸方向上的分速度。 4 機器的零部件初步設(shè)計 4.1 齒盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)齒盤式棉花秸稈收獲機拔取棉花秸稈的運動分析，齒盤是夾持棉花秸稈的重要部分，齒盤的主要參數(shù)有齒形夾角和齒盤半徑，根據(jù)棉花品種的不同，棉花秸稈根部離地 10cm處的直徑在 1525cm之間，齒形夾角過大，不利于將棉花秸稈鉗住拔出，齒形夾角過小則容易將棉花秸稈夾斷，根據(jù)有關(guān)研究，齒形夾角確定為 30 角。齒盤半徑過大則結(jié)構(gòu)強度弱，過小則影響夾持工作長度，設(shè)計齒盤直徑為 500cm（如圖 5）。 圖 5 齒盤結(jié)構(gòu)示意圖 齒盤厚度為 2cm，材料選用 HT350，正火處理消除內(nèi)應(yīng)力，去除毛刺飛邊，銳角倒鈍，經(jīng)過計算，強度滿足拉拔需求。 7 4.2 限深輪的設(shè)計 限深輪是驅(qū)動齒盤旋轉(zhuǎn)的動力所在，限深輪直徑過小，傳動力矩小，影響齒盤正常工作，設(shè)計限深輪直徑為 500mm，并在輪外緣焊有高度為 10mm 的齒板，防止限深輪工作時打滑（如圖 6）。 圖 6 限深輪結(jié)構(gòu)示意圖 4.3 傳動機構(gòu)的設(shè)計 限深輪驅(qū)動齒盤旋轉(zhuǎn)采用錐齒輪傳動，強度高，工作可靠。根據(jù)前述齒盤式棉花秸稈收獲機的運動分析，當(dāng)，齒盤的旋轉(zhuǎn)拉拔力的前進方向分力與拖拉機前進推動力方向一致，有利于將棉花秸稈從土壤中拔出，設(shè)計傳動機構(gòu)的傳動比為。 4.4 機具懸掛方式的選擇 根據(jù)前述齒盤式棉花秸稈收獲機的運動分析，當(dāng)時，在齒盤的旋轉(zhuǎn)拉拔力與拖拉機前進推動力的作用下，將棉花秸稈從土壤中向前拔出，為了使齒盤對棉花秸稈的旋轉(zhuǎn)拉拔順暢，防止棉花秸稈在齒盤前堆積過多影響作業(yè)，收獲機與拖拉機的連接采用前懸掛的方式。 5 零部件的設(shè)計計算和校核 5.1 拖拉機的選取 8 棉花的一般都是兩行平行種植，行距在 60cm左右，所以齒盤式棉花秸稈收獲機整機寬度設(shè)計在 1m左右。所以據(jù)此查閱拖拉機手冊選擇了東風(fēng) DF-12 型手扶拖拉機。該拖拉機詳細參數(shù)如下表： 表 2 東風(fēng) DF-12 型手扶拖拉機參數(shù) 5.2 傳動錐齒輪的設(shè)計及校核 機器傳動部分選用一對傳動比為的漸開線直齒圓錐齒輪，基本參數(shù)如下：， ,。由于是農(nóng)機齒輪，取精度為 10。查機械設(shè)計手冊得： 使用系數(shù) 動載系數(shù) 齒向載荷分布系數(shù) 齒形系數(shù) 應(yīng)力校正系數(shù) （小輪） 應(yīng)力校正系數(shù) （大輪） 齒輪材料選用 HT350 硬度為 197269HBS 查得 對于開式齒輪，只需要按彎曲強度進行初步計算即可： 嚙合關(guān)系如圖所示： 9 圖 7 直齒圓錐齒輪嚙合示意圖 經(jīng)過計算得此對直齒圓錐齒輪滿足傳動需求。 5.3 軸的設(shè)計及軸類零件的選取 齒盤軸材料選用 HT350，軸系零件裝配如下圖： 10 圖 8 齒盤軸及軸上零件裝配示意圖 齒盤式棉花秸稈收獲機工作時，齒盤的三角刃槽夾取棉花秸稈旋轉(zhuǎn)并且在拖拉機的前進推力下向前運動，這個過程中，齒盤軸的受力主要是徑向力，所以軸承的選取比較關(guān)鍵。考慮到大部分的受力都是徑向力，故選擇深溝球軸承。這里根據(jù)階梯軸直徑的不同選擇了兩款深溝球軸承， 6005 和 6008。參數(shù)如下： 型號： 105 108 品牌： HRT HRT 內(nèi)圈： 6005 6008 外圈： 6005 6008 內(nèi)徑： 25.000 mm 40.000 mm 外徑： 47.000 mm 68.000 mm 厚度： 12.000 mm 15.000 mm 段為裝配 6005 軸承，根據(jù)軸的直徑設(shè)計公式： 故設(shè)計為 25mm； 軸肩處與軸承座沉孔平面平齊，以此實現(xiàn)軸承的軸向定位，定位軸肩的高度 h 一般取為。 軸肩 h 取 2mm； 11 段裝配齒輪，中間開有的 A 型鍵槽，鍵槽長度為 20mm，有裝配鍵的軸段直徑一般增大 3%5%。 故設(shè)計為 30mm； 考慮到機器的裝配協(xié)調(diào)性，跨度設(shè)計為 256mm； 段裝配 6008 軸承，直徑為 40mm； 軸肩處同樣與軸承座沉孔平面平齊，以此實現(xiàn)軸承軸向定位，軸肩 h 為 4mm； 直徑為 30mm，軸端正中心開有 M10、深 10mm的螺紋孔，以此裝配齒盤的連接板； 整根軸的長度為 433mm。 由于齒盤軸在機器工作時是處于豎直狀態(tài)旋轉(zhuǎn)，且上下兩端跟軸承都是以基孔制過盈配合，所以即使跨度再大，受到的彎矩扭矩也極小，無需進行強度和剛度校核，在此進行齒盤軸上鍵連接強度校核和軸承壽命計算： 傳遞到軸系部件上的轉(zhuǎn)矩： 校核鍵連接的強度： 式中： 工作面的擠壓應(yīng)力， MPa； 傳遞的轉(zhuǎn)矩， N mm； d 軸的直徑， mm； l 鍵的工作長度， mm， A 型， L、 b 為鍵的公稱長度，鍵寬； k 鍵與轂槽的接觸高度， mm， k=h/2； 許用擠壓應(yīng)力， MPa，查閱機械設(shè)計手冊知，靜連接，材料為鋼，有輕微沖擊，。 所以： ；校核通過。 校核軸承壽命： 22 1 1 2 8 0 . 2 9 1 . 6 2 4 3 . 3 1 6 6 9 . 5 7raF X F Y F N 式中： F 當(dāng)量動載荷， N ； 12 22 ar FF 、 軸承的徑向載荷和軸向載荷，2 2 21 2 8 0 . 2 9 , 2 4 3 . 3raF R N F N YX、 動載荷徑向系數(shù)和動載荷軸向系數(shù)，由 0 . 3 7 , 1 , 1 . 6arF e X YF 1066311 0 1 0 1 . 0 4 3 3 0 0 5278616 0 6 0 4 2 2 1 . 5 1 6 6 9 . 5 7ThPfCLhn f F 式中： hL 軸承的基本額定壽命， h ； hL 軸承的預(yù)期壽命，三年三班，每年按 300 天計， 5 8 3 0 0 2 2 4 0 0 0hLh ； C 軸承的基本額定動載荷，查設(shè)計手冊 4 3 .3rC kN ； Pf 載荷系數(shù)，中等沖擊， 8.12.1Pf ，取 5.1Pf ； ，校核通過。 限深輪軸及其軸類零件裝配關(guān)系圖如下： 圖 9 限深輪軸及其軸上零件裝配示意圖 限深輪軸的設(shè)計原則與上述齒盤軸一致，故在此省略計算步驟，可參考齒盤軸設(shè)計步驟。 段為裝配較小的圓錐齒輪，故直徑設(shè)計為 30mm； 軸肩處實現(xiàn)小齒輪的軸向定位， h=2mm； 段為光軸，其上無零件裝配，跨度為 250mm，直徑為 34mm； 段裝配 6008 軸承，直徑為 40mm， 軸肩處與軸承座沉孔平面平齊，以此實現(xiàn)軸承軸向定位， h=3mm； 直徑為 34mm； 13 中間開有的 A 型鍵槽，鍵槽長度為 90mm，裝配有限深輪，限深輪右端面開有直徑為 10mm的通孔，以裝配開口銷固定限深輪的軸向移動， 直徑設(shè)計為 30mm； 整根軸的長度為 510mm。 軸上零件的校核過程同上述，經(jīng)計算滿足工作需求。 考慮到段跨度較大且中間無支撐這里需要計算此段軸的彎曲形變： 這里段可以看做中間受豎直向下力的簡支梁， F 等于段軸自重； 查閱機械設(shè)計手冊得 HT350 的密度為，求得。 撓曲線微分方程及端截面轉(zhuǎn)角為： 圖 10 軸段受力簡圖 計算得，幾乎為零，所以段 250mm的跨度所產(chǎn)生的彎曲變形對機器工作影響可忽略不計。 5.4 機架的設(shè)計 機架部分選用空心方鋼，壁厚為 10mm，機架簡圖如下： 14 圖 11 機架結(jié)構(gòu)簡圖 機架連接部分采用焊接工藝，是左右對稱型的，左右兩邊是內(nèi)孔直徑為 38mm的圓筒，設(shè)置有直徑為 40mm的沉孔以此實現(xiàn)軸承的軸向定位。機架正前方設(shè)計有的連接板以連接拖拉機懸掛部分。機架主體高度為 760mm，以適應(yīng)東風(fēng) DF-12 型拖拉機；主體長度為 1080mm，適應(yīng)棉田寬度；裝配好零部件后，正前方向齒盤中心距為 60m