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1、. . . . 本科生設(shè)計(jì)說明書 題 目 棉地?fù)О沂綒埬せ厥諜C(jī)重要構(gòu)件的改進(jìn)優(yōu)化 系 別 機(jī)械設(shè)計(jì)制造與其自動(dòng)化 班 級(jí) 機(jī)制106班 姓 名 強(qiáng) 學(xué) 號(hào) 103731627 答辯時(shí)間

2、 2014 年 5 月 農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院 目 錄 1 緒論1 1.1 棉地殘膜污染的現(xiàn)狀 1 1.2 國外分殘膜回收機(jī)種類 2 1.3 國外地膜回收機(jī)具存在的問題 2 2 田間地膜的分布特點(diǎn) 3 2.1 殘膜總量與植棉時(shí)間的關(guān)系 3 2.2 殘膜的橫縱向分布特點(diǎn) 4 3 整機(jī)的設(shè)計(jì)容與方法 5 3.1 整機(jī)設(shè)計(jì)容 5 3.2 設(shè)計(jì)改進(jìn)方法7 4 四桿驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì) 7 4.1 近似直線、曲線相間運(yùn)動(dòng)的四桿機(jī)構(gòu)分析 8 4.2　摟膜連桿機(jī)構(gòu)的工作原理和結(jié)構(gòu) 8 4.3　機(jī)構(gòu)的優(yōu)化模型 10 4.4 COSMO

3、S Motion機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡模擬 11 4.5 四桿驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果與分析 12 4.6 四桿機(jī)構(gòu)桿位置分配算例與方案選擇 13 4.7　四桿驅(qū)動(dòng)部分結(jié)論 15 5 殘膜回收機(jī)起輸膜分析 15 5.1 起輸膜存在的問題與研究方法 15 5.2 收膜機(jī)構(gòu)的工作原理 15 5.3 殘膜回收機(jī)起膜過程分析 16 5.3.1 起膜部件 16 5.3.2 起膜部件的仿行運(yùn)動(dòng)分析 17 5.3.3 起膜運(yùn)動(dòng)分析 18 5.3.4 改進(jìn)收膜釘齒 21 5.4 起輸膜部分小結(jié) 23 6 結(jié)論 24 參考文獻(xiàn) 25 致 27 棉地?fù)О沂綒埬せ厥諜C(jī)驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)

4、 強(qiáng) 指導(dǎo)教師：史建新 摘要：摟耙式殘膜回收機(jī)在能完成預(yù)期性能的基礎(chǔ)上,主要對(duì)殘膜回收驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了深入設(shè)計(jì)研究。采用的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是主要為四桿驅(qū)動(dòng)，用它來實(shí)現(xiàn)類似直線和曲線相間的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線，可滿足一些特定的使用要求。在殘膜回收過程中要求摟耙具有各種間歇運(yùn)動(dòng)功能，且運(yùn)動(dòng)的類似軌跡與其地輪驅(qū)動(dòng)速度相匹配。實(shí)現(xiàn)殘膜回收功能。設(shè)計(jì)中主要采用了AutoCAD繪制工程圖，用Solid Works繪制三維效果圖，用COSMOS Motion機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡模擬仿真四桿驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡，應(yīng)用 MATLAB 軟件模擬起膜齒質(zhì)點(diǎn) M在挑膜瞬間的運(yùn)動(dòng)軌跡，來尋找

5、最佳入土角。最后得出能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)想功能的殘膜回收機(jī)。 關(guān)鍵詞：殘膜回收機(jī) 四桿驅(qū)動(dòng) 軌跡 Cotton round part of the design driven harrow type residual film recovery machine Authors:Zhao Qiang Teacher:shi jianxin Abstract：Basic rake type residual film recovery machine to complete the expected performance in energy

6、, mainly to the remnant membrane recycling drive mechanism in-depth design study. The driving mechanism is used mainly for four rod drive, use it to achieve a similar trajectory curve lines and curves and white, can meet the specific requirements of the use of. In the residual film recovery process

7、requires the rake with various intermittent motion function,and the motion track and wheel driven similar speed matching. The residual film recovery function. The autoCAD is used in the design of engineering drawing, using Solid Works to display 3D effect graph, with the trajectory of COSMOS Motion

8、simulation of four bar motion trajectory, the MATLAB software was used to simulate membrane tooth particle trajectories in M film picking moment, to find the best angle into the soil. The residual film recovery machine can realize the expected function. Key words:Residual film recovery machine Four

9、 rod drive Trajectory 27 / 30 1 緒論 隨著農(nóng)村農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整力度的加大,為了提高棉花產(chǎn)量、增加農(nóng)民收入,追求經(jīng)濟(jì)效益,地膜覆蓋種植技術(shù)得到大面積推廣。因此附帶而來的殘膜回收問題也越發(fā)引起人們的關(guān)注，并研究出了各式各樣的機(jī)器來完成殘膜的回收工作。 1.1 棉地殘膜污染的現(xiàn)狀 地膜種棉在推廣已有近 20 年的歷史，據(jù)調(diào)查種棉 3-5 年的土地，平均廢膜的殘留量在 ，8～10 年的土地,平均廢膜殘留，土地減產(chǎn)達(dá) 7％；種植 13 年以上的土地，平均廢膜殘留量 ，減產(chǎn)達(dá) 17%。統(tǒng)計(jì)變化趨勢如下圖 1-1 所示。 圖 1-1 地膜殘

10、留量與棉花減產(chǎn)百分比 因此,為加快農(nóng)業(yè)機(jī)械化工作思路轉(zhuǎn)變的步伐,強(qiáng)化農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí),整治田間白色污染,使殘膜能夠有效的回收己成為我們當(dāng)前急待解決的問題。我國地膜覆蓋技術(shù)推廣面積很大,全國約在333.33萬以上,由于連年使用地膜又不能與時(shí)回收構(gòu)成了嚴(yán)重的白色污染。另外由于我國使用的大多數(shù)都是無機(jī)地膜,埋在土壤里不能很快分解,致使耕地質(zhì)量下降,土壤通透性變差嚴(yán)重影響農(nóng)作物根系的發(fā)育和對(duì)水分養(yǎng)分的吸收,而且給后續(xù)的整地工作帶來了很大的影響。提高機(jī)具作業(yè)效果的重要條件就是要求田間種植農(nóng)藝技術(shù)必須規(guī),通過幾年的調(diào)研和田間試驗(yàn)情況看,經(jīng)濟(jì)作物和菜地田間種植不規(guī)狀況尤為突出,這就給機(jī)械化殘膜回收帶

11、來很大的困難,也給殘膜回收機(jī)的推廣增加了難度。另外,殘膜回收機(jī)研制的技術(shù)難度很大,機(jī)具的成本高與與收膜有關(guān)的一些問題仍有待于進(jìn)一步解決。因此,采用機(jī)械化回收殘膜技術(shù)具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 1.2 國外分殘膜回收機(jī)種類 按照回收原理來分,現(xiàn)有國外殘膜回收機(jī)主要有機(jī)械式與氣吸式兩大類,其中機(jī)械式最為普遍,主要有斜齒、彈齒、伸縮扒齒與圓弧形彈齒等型式。 ①卷膜筒式地膜回收機(jī),如:研制的MSM一3型苗期殘膜回收機(jī)和東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的MS一2型玉米苗期收膜機(jī)等。苗期殘膜回收機(jī)在玉米、棉花等作物中耕作業(yè)時(shí)揭膜問收。此時(shí),由于地膜使用時(shí)間短,破損不嚴(yán)重,有利于收膜,殘膜收起后,同時(shí)進(jìn)行

12、中耕作業(yè)。兩種機(jī)具殘膜回收率均在85%以上,單機(jī)生產(chǎn)率在0.32,傷苗率在l%以下,配套動(dòng)力為18.38kw小四輪拖拉機(jī)。這2種機(jī)型均是利用輪上帶齒的卷膜輥將起膜鏟鏟起的殘膜挑起收集。其收膜工作部件不需動(dòng)力驅(qū)動(dòng),結(jié)構(gòu)簡單、使用調(diào)整方便、工作可靠、傷苗率低。該類地膜回收機(jī)的不足是必須依靠地膜強(qiáng)度才能將地膜從地表卷起收膜。工作多在地頭需要人工將地膜卷上卷膜輥和人工卸膜,因此收膜效率較低。 ②偏心彈齒式地膜回收機(jī),如1SM一II型,該機(jī)存在碎膜現(xiàn)象較為嚴(yán)重,膜與雜質(zhì)混收,卸膜需停機(jī)等缺點(diǎn)。 ③彈齒式地膜回收機(jī),如3JM一100型,該機(jī)與小四輪拖拉機(jī)配套,該類地膜回收機(jī)的特點(diǎn)是依靠固定在皮帶上的彈

13、齒撿膜,但彈齒式地膜回收機(jī)制造困難。需要解決的技術(shù)難題集中在將地膜與彈齒分離問題上。 ④氣吸式殘膜回收機(jī),如4MQ一1.5型,該機(jī)回收率較高一巨不傷苗,但需要用四輪拖拉機(jī)輸出動(dòng)力帶動(dòng)風(fēng)機(jī)與一些關(guān)鍵部件成本較高,農(nóng)民無法接受,不符合中國國情。 1.3 國外地膜回收機(jī)具存在的問題 殘膜回收機(jī)械存在的主要問題: (1)目前地膜回收機(jī)械的研究存在的主要問題集中體現(xiàn)在收膜時(shí)依靠地膜強(qiáng)度,將地膜從地表卷起收膜,適用于地膜還有較大強(qiáng)度條件下,才能實(shí)現(xiàn)收膜; (2)殘膜對(duì)工作部件有較強(qiáng)的吸附能力,易纏掛工作部件,從而使機(jī)器無常工作: (3)在作物生長期間回收殘膜,雖比較容易回一收,回收率較

14、高,但地膜利用效果會(huì)降低; (4)起膜鏟入土深度調(diào)節(jié)不方便,不能實(shí)現(xiàn)無級(jí)限深調(diào)節(jié); (5)卷膜輥的線速度與機(jī)具的前進(jìn)速度不同步,殘膜被卷起時(shí)卷膜輥外徑逐漸增大,而角速度不變所以線速度增大,使殘膜很容易拉斷,卸膜次數(shù)多,收膜效率較低; (6)秋后地表的秸稈、土壤與雜草較多,殘膜中混有較多雜物,收膜時(shí)無法將其有效與殘膜分離,造成了殘膜與雜質(zhì)混收的現(xiàn)象; (7)薄膜理在土壤里過深,在起膜的過程中不能完全起出,起膜率達(dá)不到預(yù)定的要求。 綜上所述,治理殘膜污染、保護(hù)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境將是地膜覆蓋種植技術(shù)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵所在。因此,研制一種性能可靠、效率高的回收機(jī)具,使殘膜能夠有效的回收已成為我們當(dāng)前急

15、待解決的問題。 2 田間地膜的分布特點(diǎn) 2.1 殘膜總量與植棉時(shí)間的關(guān)系 地膜分布情況調(diào)查地點(diǎn)選在128團(tuán)的棉田，對(duì)鋪膜時(shí)間為 10、20 年的兩類田地分別隨機(jī)的選取 5 個(gè)采樣點(diǎn)，將長寬深分別為 1m×1m×30cm 的土方作為研究對(duì)象。對(duì)所選樣方進(jìn)行處理，經(jīng)過除雜、清洗、烘干等程序處理，根據(jù)其殘膜面積大小，按照0～4，4～25，大于 25對(duì)殘膜進(jìn)行分類，使用精度為 0.0001g 的電子天平進(jìn)行承重，測定結(jié)果見表 2-1。 表 2-1 殘膜的田間分布 圖 2-1 殘膜的柱狀分布圖 從數(shù)據(jù)表2-1與柱狀分布圖2-1可以明顯看出該地區(qū)單

16、位面積的殘膜含量，10 年連作平均值約 25，20 年連作約 31。從單位面積的殘膜增量上分析，前 10 年單位面積的殘膜累積量約為 6，近 10 年累積量為 25，從增長速度上看近 10 年為前 10 年的 4.2 倍。從殘膜面積的大小上分析，面積>25的殘膜多為當(dāng)年地膜，存留在表層，這部分約占總殘膜量的 23%左右，<4的殘膜由于長年耕作風(fēng)化破碎所形成，此部分約占總量的 27%，處于 4～25的殘膜含量是田間地膜的主要存在形態(tài)，這部分地膜約占到 50%左右。地膜不同的存在形態(tài)直接影響機(jī)具作業(yè)收膜機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和形狀，因此具有重要意義。 2.2 殘膜的橫縱向分布特點(diǎn) 棉花的種植模

17、式如圖2-2所示分別有（30+60+30+60）、（20+40+20+60）、（10+66+10+66+10+60)cm 三種種植模式，根據(jù)生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)對(duì)于機(jī)械化采棉的要求，棉花種植農(nóng)藝配置應(yīng)符合采棉機(jī)的機(jī)構(gòu)尺寸，因此第三種配置方式是目前推廣中的方式。不同的種植模式將影響到殘膜回收作業(yè)機(jī)具的橫向布置，根據(jù)上述要求，綜合考慮機(jī)具作業(yè)效率，本文所研究的殘膜回收機(jī)橫向作業(yè)寬度設(shè)定為1.5m。 圖 2-2 棉花的三種種植模式 隨著每年耕地整地作業(yè)，表層地膜逐漸被掩埋，從而使中層，底層殘膜量逐漸增多。根據(jù)上述分析，從數(shù)量上表層殘膜量最大，從回收難度上分析，表層殘膜，尤其是當(dāng)年所用殘膜

18、風(fēng)化程度小，面積較大，有相對(duì)較強(qiáng)的韌性，便于進(jìn)行機(jī)械化回收作業(yè)，因此對(duì)耕作表層 10cm 的殘膜進(jìn)行有效回收是機(jī)械化殘膜回收的關(guān)鍵。 3 整機(jī)的設(shè)計(jì)容與方法 3.1 整機(jī)設(shè)計(jì)容 目前國外殘膜回收機(jī)一個(gè)共同的特點(diǎn)是回收當(dāng)年使用過的地膜,而對(duì)往年遺留在田間的碎膜則不予考慮,造成農(nóng)田中殘膜量逐年增多,危害越來越嚴(yán)重。因此,研究一種摟耙式地膜回收機(jī),克服己有地膜回收機(jī)的缺點(diǎn)和不足,著重解決遺留碎膜和卷膜式造成的殘膜纏繞難以卸膜問題。同時(shí)對(duì)起膜機(jī)構(gòu)、集膜機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),使新型殘膜回收機(jī)的殘膜回收率達(dá)到新的水平,提高殘膜回收的工作效率,從而更好的有效控制“白色污染”,促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。為此加工設(shè)計(jì)

19、一種新型殘膜回收機(jī)——摟耙式殘膜回收機(jī)。其整體結(jié)構(gòu)如圖3-1所示： 1、 變速器 2、地輪驅(qū)動(dòng)部裝 3、四桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 4、V型多位連接架 5、 T型連接件 6、托膜板 7、摟耙 8、起膜鏟 9、限位支座 10、集桿器 11、牽引架 圖3—1 殘膜回收整機(jī)Solidworks圖 工作原理如圖3-1所示,機(jī)具作業(yè)時(shí)起膜撫摸齒把地里的殘膜起出,一部分殘膜被摟耙摟到托膜板上,一部分殘膜被摟耙摟到集膜箱里，這樣反復(fù)摟膜完成膜的收集。在輸送的過程中經(jīng)過托膜板上將膜土進(jìn)行有效的分離,最后經(jīng)過摟耙把雜質(zhì)較為純凈的殘膜落入集膜箱,在地頭等指定地點(diǎn)卸膜。 在參考國外現(xiàn)

20、有殘膜回收機(jī)械優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,把起膜、集膜、收膜機(jī)構(gòu)作為重點(diǎn)研究對(duì)象。針對(duì)現(xiàn)有機(jī)型的起膜、集膜、卸膜效果不理想的現(xiàn)狀,課題設(shè)計(jì)的新型殘膜回收機(jī)對(duì)起膜與集膜機(jī)構(gòu)作如下改進(jìn): ①借鑒早期的殘膜回收機(jī)的一些成熟技術(shù),將起膜部分改為起膜鏟來集膜,起膜扶膜鏟在機(jī)具前方對(duì)稱放置,起膜鏟后方帶有摟耙以便使被鏟起的殘膜順利的輸送到托膜板上,從而提高起膜回收率。 ②改變?cè)瓉淼钠鹉ょP只能在鏟臂上鉆孔調(diào)節(jié)深度,不能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)深的問題。如圖所示調(diào)深時(shí)只需調(diào)節(jié)限深螺母即可,不需要把機(jī)具抬起拆卸起膜鏟的方法進(jìn)行調(diào)深。 ③此次設(shè)計(jì)的殘膜收獲機(jī)是針對(duì)秋后棉桿還沒有收獲我們先把膜摟掉的思路，因?yàn)槲覀儼褮埬な斋@掉，后面的

21、工作就直接可以把秸稈打碎還田，這樣從經(jīng)濟(jì)性和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性看，都符合最佳設(shè)計(jì)。 ⑤解決之前許多收膜機(jī)一貫用的卷膜輥在卷膜過程中殘膜纏繞問題,我們打破常規(guī)， 采用了摟耙式齒形收膜機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)方便集膜和卸膜。 3.2 設(shè)計(jì)改進(jìn)方法 (1)先確定整體結(jié)構(gòu),即確定機(jī)器的外形與整體尺寸,再針對(duì)局部零件進(jìn)行攻關(guān)與改進(jìn)。 (2)通過調(diào)研,借鑒其它機(jī)械產(chǎn)品(包括土豆挖掘機(jī)等)與各型地膜回收機(jī)的優(yōu)點(diǎn),將合理先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到即將研制的摟耙式殘膜回收機(jī)上。 (3)集膜箱設(shè)計(jì)方法 ①確定集膜箱的形狀、容積; ②確定集膜箱的位置，考慮整機(jī)的重心。 (4)起膜集膜鏟設(shè)計(jì)方法如圖中所示 ①起膜集膜齒用

22、螺栓固定在機(jī)器橫梁上,以便于拆裝，并進(jìn)行膜齒入土深度的無級(jí)調(diào)解： ③分析起膜集膜齒的受力情況,確定起膜齒的材質(zhì); ④確定起膜集膜齒的入土角度a; ⑤確定起膜集膜齒的扶膜齒間距a,以便將鏟起的殘膜順利的輸送到托膜板上; ⑥確定齒與齒之間的距離b。 4 四桿驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì) 摟膜四桿機(jī)構(gòu)是殘膜回收機(jī)的主要工作裝置,它既可以作為殘膜輸送裝置將前置裝置已收集到的殘膜輸送到集膜箱,也可以用作殘膜收集裝置直接從農(nóng)田中(已耕地)撿拾殘膜。本著以摟膜齒的理想運(yùn)動(dòng)軌跡為最優(yōu)目標(biāo),建立連桿機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型,因其技術(shù)指標(biāo)與參數(shù)具有“模糊性”,所以運(yùn)用模糊優(yōu)化原理和方法對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行模糊優(yōu)化設(shè)計(jì),以得到更加符

23、合工作實(shí)際的最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果，從而進(jìn)一步提高機(jī)構(gòu)的綜合性能。 4.1 近似直線、曲線相間運(yùn)動(dòng)的四桿機(jī)構(gòu)分析 參考資料，得知Hoeken型機(jī)構(gòu)能夠符合所需的軌跡效果，提供的是搖桿機(jī)構(gòu)，這是一個(gè)直線度與近于勻速度的最佳組合，機(jī)構(gòu)可以由一個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)來完成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。它的幾何配置、尺寸和連桿軌跡如4-1圖所示。由于CP線的角度是給定的，并且，因此只有兩個(gè)構(gòu)件比需要確定其幾何條件，如。如果曲柄為驅(qū)動(dòng)構(gòu)件，角速度是常數(shù)，沿著桿件軌跡的直線部分的線速度將非常接近勻速，通過的曲柄角度為。通過把曲柄角度與整周角的比值作為構(gòu)件比的函數(shù)，經(jīng)優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)所需的軌跡。 圖4-1 Hoeken 型四桿

24、機(jī)構(gòu)示意圖 4.2　摟膜連桿機(jī)構(gòu)的工作原理和結(jié)構(gòu) 如圖4-2所示,該機(jī)構(gòu)由橫向排列的彈齒和四連桿機(jī)構(gòu)組成。工作時(shí),連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)摟耙齒往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng),可連續(xù)輸送和摟集殘膜。 圖4-2　摟膜連桿機(jī)構(gòu)簡圖 摟耙齒固定在連桿上,橫向排列間距取20～30mm。摟耙齒有足夠的彈性,可以適應(yīng)復(fù)雜的工作臺(tái)面(如分離篩篩面或耕地表面)。工作時(shí)在不斷變化的阻力作用下產(chǎn)生彈性振動(dòng),可以有效地避免殘膜纏繞和粘附在摟耙齒上。該四連桿機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu),可實(shí)現(xiàn)預(yù)期的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡。彈齒E點(diǎn)的軌跡是封閉的曲線,其運(yùn)動(dòng)方程為： （4-1） 為了使殘膜輸送有較高的

25、效率并且回程中不回帶殘膜,摟耙齒E點(diǎn)的理想運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)該是:工作行程弧線近似為直線,并且|MN|的距離最大。在回程中為了避免回帶殘膜,E點(diǎn)的軌跡在y軸方向應(yīng)滿足: （4-2） 其中 h= (1. 5～2. 0)t 式中 —彈齒E點(diǎn)的軌跡中E點(diǎn)和H點(diǎn)縱坐標(biāo)差值； 、—E點(diǎn)和H點(diǎn)縱坐標(biāo)值； t—被輸送殘膜的平均厚度。 但是,值越大消耗的無用功也越大,機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸亦增大,所以在滿足不回帶殘膜的條件下應(yīng)該取小值。 4.3　機(jī)構(gòu)的優(yōu)化模型 以實(shí)現(xiàn)E點(diǎn)的理

26、想運(yùn)動(dòng)軌跡為最優(yōu)化目標(biāo)建立目標(biāo)函數(shù) (4-3) 為簡化計(jì)算和數(shù)學(xué)模型,式(3)中的第1項(xiàng)是E點(diǎn)在x軸方向最大值和最小值之差的平方倒數(shù),相當(dāng)于|MN|的距離最大;第2項(xiàng)是E點(diǎn)在曲柄轉(zhuǎn)至與y軸重合位置時(shí)縱坐標(biāo)之差的平方,相當(dāng)于E點(diǎn)在y軸方向最大值和最小值差值最小。 如圖4-3所示,xE取得最大和最小值分別是曲柄和連桿共線時(shí)極限位置,當(dāng)時(shí)有 (4-4) 其中 當(dāng)時(shí)有 （4-5） 其中 當(dāng) 時(shí)

27、 （4-6） 其中： 在中 當(dāng)時(shí) （4-7） 其中 在中 由此可見，。 圖4-3 機(jī)構(gòu)極限位置分析 4.4 COSMOS Motion機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡模擬 Solid Works 是參數(shù)化三維實(shí)體造型軟件,COSMOSMotion是該軟件的一個(gè)全功能運(yùn)動(dòng)仿真插件,它可以對(duì)復(fù)雜機(jī)構(gòu)進(jìn)行完整的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真,得到系統(tǒng)中各個(gè)零部件的運(yùn)動(dòng)情況,包括能量、動(dòng)量、位移、速度、加速度、作用力與反作用力等結(jié)果，并能以動(dòng)畫、圖表與曲線等形式輸出；還可將零部件在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)情況下的載荷情況直

28、接輸出到主流有限元軟件中，從而進(jìn)行正確的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)分析。 圖4-4 四桿驅(qū)動(dòng)COSMOS Motion運(yùn)動(dòng)軌跡模擬圖 用COSMOS Motion進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真過程簡單,手段快捷。COSMOS Motion 的機(jī)構(gòu)仿真一般步驟如圖4-4所示。在Solid Works裝配模塊下直接進(jìn)入COSMOS Motion仿真環(huán)境。仿真前要對(duì)仿真運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如力的單位、時(shí)間單位、重力加速度以與與動(dòng)畫有關(guān)的幀時(shí)間、幀時(shí)間間隔等。在這里，設(shè)置力的單位為 力的單位為N,時(shí)間單位為s，仿真畫面時(shí)間間隔為0.02s，幀數(shù)為100，可根據(jù)仿真精度要求適當(dāng)調(diào)節(jié)時(shí)間，來完成仿真模擬。 4.5

29、四桿驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果與分析 摟膜連桿機(jī)構(gòu)安裝在殘膜回收機(jī)后部,將分離篩篩面上殘膜摟入集膜箱。由前置的工作裝置將殘膜收集輸送到篩面上,殘膜摟凈率是被摟入集膜箱的殘膜量與篩面上殘膜總量的比率。在不同曲柄轉(zhuǎn)速下,殘膜摟凈率如圖4-5所示。 圖4-5　曲柄轉(zhuǎn)速與殘膜摟凈率關(guān)系圖曲線 試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)速在120～175 r/m in圍增加時(shí),殘膜摟凈率明顯提高。當(dāng)曲柄轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加時(shí),曲線趨于平緩,殘膜摟凈率逐漸達(dá)到極限。 4.6 四桿機(jī)構(gòu)桿位置分配算例與方案選擇 綜合四個(gè)四桿直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu),其條件列于表4-1中(“,”表示沒有數(shù)據(jù))。用所編制的可視化軟件綜合表4-

30、1中給定條件的機(jī)構(gòu),其綜合仿真圖見圖4-6。 表4-1 算例數(shù)據(jù)表 圖4-6 算例綜合結(jié)果仿真圖 在殘膜回收機(jī)中的四桿直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu),其可描述為:設(shè)計(jì)一個(gè)四桿機(jī)構(gòu),使其連桿平面上某一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡中至少有一段是直線段，來完成摟耙樓殘膜的軌跡。另一段時(shí)弧線段，來完成摟耙抬起來卸膜的過程。四桿直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)按其連桿曲線中直線段的多少分為單直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、雙直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與多直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。此次設(shè)計(jì)打破了以往求四桿機(jī)構(gòu)處于特殊位置時(shí)作直線運(yùn)動(dòng)的解、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)公式等求取四桿機(jī)構(gòu)的尺寸的傳統(tǒng)方法,采用COSMOS Motion運(yùn)動(dòng)軌跡模擬點(diǎn)附近的軌跡曲線來逼近直線的方法,

31、綜合出滿意的四桿直線導(dǎo)向機(jī)構(gòu)如4-7圖兩套方案，最終選擇a方案。 （a）方案 （b）方案 圖4-7四桿機(jī)構(gòu)兩套方案比較圖 4.7　四桿驅(qū)動(dòng)部分結(jié)論 (1)該機(jī)構(gòu)在輸送殘膜時(shí),殘膜摟凈率可達(dá)到84%以上,與其他裝置相比有較高的殘膜回收率。所以在滿足殘膜回收機(jī)總的殘膜回收率條件下,可以適當(dāng)降低曲柄轉(zhuǎn)速以減少磨損和機(jī)械振動(dòng)。 (2)運(yùn)用模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)原理,可以設(shè)計(jì)更加符合工作實(shí)際的最優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果,使機(jī)構(gòu)更加緊湊,減小了質(zhì)量以與連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的慣性力和機(jī)械振動(dòng)。 (3)合理選取和設(shè)計(jì)摟膜彈齒的

32、材料與結(jié)構(gòu),以保證彈齒有良好的彈性。模糊優(yōu)化設(shè)計(jì)連桿機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了預(yù)期運(yùn)動(dòng)軌跡,彈齒的工作行程、作用位置和角度都較好地滿足了工作要求,有效地避免了殘膜的纏繞。 5 殘膜回收機(jī)起輸膜分析 5.1 起輸膜存在的問題與研究方法 起膜齒對(duì)松軟土質(zhì)地膜撿拾能力較好，如果土質(zhì)較硬，地膜緊貼地面，起膜齒僅從地表劃過難以入土，這不僅影響殘膜收凈率，出現(xiàn)漏收現(xiàn)象，而且所收地膜破損嚴(yán)重。針對(duì)試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的上述問題，本章對(duì)新樣機(jī)增設(shè)起膜部件。通過建立起、輸膜作業(yè)過程的動(dòng)力學(xué)模型，應(yīng)用 MATLAB 軟件生成機(jī)具關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過分析軌跡與收膜作業(yè)間的相互關(guān)系，確定了機(jī)具相關(guān)關(guān)鍵作業(yè)參數(shù)。 5.2

33、 收膜機(jī)構(gòu)的工作原理 殘膜回收機(jī)新樣機(jī)的收膜機(jī)構(gòu)有兩部分組成，分別為起膜集膜機(jī)構(gòu)和摟膜機(jī)構(gòu)。起膜集膜機(jī)構(gòu)主要由起膜齒、限位裝置、托膜板組成（圖 5-1），摟膜機(jī)構(gòu)由摟膜耙、橫向連接桿、V型多位連接架等組成（圖5-2），工作時(shí)機(jī)具由拖拉機(jī)牽引前進(jìn)，起膜齒入土將地膜鏟起并提升到一定高度，輸送到托膜板上，進(jìn)過摟膜機(jī)構(gòu)軌跡運(yùn)動(dòng)，完成挑膜和輸膜，最終殘膜被帶進(jìn)回收箱，摟膜機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度與機(jī)具起膜速度相匹配，從而確保殘膜回收作業(yè)的連續(xù)性。 1.起膜齒 2.限位裝置 3.T型托板 4.托膜板 5、集膜箱 圖 5-1 起膜集膜機(jī)構(gòu)與受力分析圖

34、 1、摟膜耙 2、螺栓M8X30 3、橫向連接桿 4、T型連接件 5、U型卡 6、V型多位連接架 圖5-2 摟膜機(jī)構(gòu)圖 5.3 殘膜回收機(jī)起膜過程分析 5.3.1 起膜部件 起膜部件的主要參數(shù)包括起膜角 α，起膜齒長 L以與排布方式等（圖 5-3）。起膜部件主要由可調(diào)的起膜桿齒組組成，根據(jù)鋪膜植棉特點(diǎn)，膜寬圍呈現(xiàn)中間略高的地形狀況，此外由于地膜兩邊覆土相對(duì)緊實(shí)，為達(dá)到較好起膜效果，采取齒間寬度平均為b=9mm排布方式。起膜部件兩邊安裝有調(diào)整裝置，可實(shí)現(xiàn) 45°圍起膜角的調(diào)整，單位最小調(diào)整量為5°。 1、起膜齒 2、限位裝置

35、 3、螺母M8 4、螺母M6 5、T型托板 6、螺栓M8X60 圖 5-3 起膜齒機(jī)構(gòu)圖 5.3.2 起膜部件的仿行運(yùn)動(dòng)分析 機(jī)具田間作業(yè)，為保證作業(yè)效果應(yīng)具有良好的仿行性和安全通過性。如圖5-1，做受力分析得： （5-1） (5-2) (5-3) (5-4) 上述式（5-1）、（5-2）中、—支持力，G—重力，F(xiàn)—牽

36、引力，—總的牽引阻力，α—起膜角，γ—摟耙齒與水平夾角，、、—機(jī)架結(jié)構(gòu)尺寸，、、分別為對(duì)應(yīng)作用力關(guān)于0點(diǎn)的力矩。作業(yè)時(shí)，假設(shè)機(jī)具勻速直線運(yùn)動(dòng)，起膜齒與地面接觸仿行收膜，當(dāng)?shù)孛嫔邥r(shí) γ減小減小，，增大摟耙齒保持平衡；當(dāng)?shù)孛娼档蜁r(shí)，γ 角增大 增大，，相應(yīng)減小。當(dāng)摟耙齒受到激增阻力，即 瞬時(shí)增大，此時(shí) γ 保持不變，增大，摟耙齒繞0點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使機(jī)具順利通過障礙。 5.3.3 起膜運(yùn)動(dòng)分析 起膜是將貼于地表的地膜在起膜齒作用下成片鏟起的過程，起膜齒的入土能力，以與地膜與土壤的分離程度都直接影響后續(xù)作業(yè)。這與起膜角 α，機(jī)具前進(jìn)速度 ，摟耙齒速ω 以與釘齒間距a密切相關(guān)。

37、 圖 5-4 起膜齒受力分析 圖5-4為起膜齒入土后受力分析圖，其中f是起膜齒刃口土壤剪切阻力，是作用在起膜齒上的法向載荷，為表面摩擦力，是金屬與土壤間的表面摩擦系數(shù)，F(xiàn)是水平牽引力，是起膜角，是支持力。起膜齒沿前進(jìn)方向的平衡方程為： （5-5） 秋后地膜緊貼地表，或與土壤混于一起，土壤含水量若適中，則收膜時(shí)膜土分離容易，地膜便于成片收起；如果含水量較少，則膜土板結(jié)為一體不易分離（圖 5-5），這就需要起膜齒具有良好的入土和碎土性能，既可將地膜鏟離地面便于鏈齒耙撿拾，又可與土壤分離，降低地膜含雜率。 圖5

38、-5 起膜齒起膜性能分析 此處將地膜與土垡作為一個(gè)整體分析，其中 為土垡斷裂面上的法向力，為土壤摩擦系數(shù)，為剪切面傾角，為使土垡運(yùn)動(dòng)加速的力。 （5-6） （5-7） 結(jié)合式子（5-5）、（5-6）、（5-7）化簡得： （5-8） 土垡運(yùn)動(dòng)加速力 Fa的確定，土垡和地膜在起膜齒的作用下沿圖5-4 所示剪切面的方向加速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)牛頓第二定律得： （5-9） m 表示被加速土垡與地膜的質(zhì)量，v 表示土垡的最終

39、速度，t 表示土垡與地膜的加速時(shí)間。根據(jù)起膜齒起膜寬度 B=d×9（d 為起膜齒直徑），起膜齒入土深度 h 以與機(jī)具的水平運(yùn)動(dòng)速度 ，可以確定在t時(shí)間起膜齒作用土垡的體積為： （5-10） 設(shè)土壤容重為c，重力加速度為g ，則： （5-11） 根據(jù)圖 5-5 中、、的相互關(guān)系得： （5-12）

40、 （5-12） 由式子（5-12）、（5-13）得： （5-14） （5-15） 當(dāng) t =0時(shí)， ；所以 （5-16） 將（5-11）（5-12）（5-14）（5-16）式代入（5-9）得 （5-17） 將（5-17）式代入（5-8）

41、式得： （5-18） 上式中 f=k·9d（k 為單位刃口的阻力）、土壤容重 c、重力加速度 g、、、G與土壤摩擦角θ都為已知量。將（5-18）式代入（5-4）式，結(jié)合式子（5-14）、（5-15）、（5-17）分析得，當(dāng)起膜角α 減小時(shí) N1增大，起膜齒入土能力增強(qiáng)，起膜效果好；v1減小，F(xiàn)a減小，前進(jìn)阻力減小，機(jī)具消耗功率降低；增大，膜土分離效率提高。結(jié)合機(jī)具本身結(jié)構(gòu)將α的取值設(shè)定于20°到 35°之間，取起膜齒長 =700mm，d=20mm。改變定位銷孔位置與起膜齒長度能夠調(diào)整α值。 起膜部件作業(yè)效果可由地膜在單位時(shí)間被提升的高度來反映，越大說明起膜與膜土分離效果越好。

42、 （5-19） -相鄰排釘齒間距（圖 5-5），-釘齒長，R-鏈齒耙回轉(zhuǎn)鏈輪半徑，ω-鏈齒耙角速度。當(dāng)α確定，提高 ，增大，減小ω都可以提高 。但 過大，前進(jìn)阻力增大，入土性能減弱，地膜受到的拉扯作用力增大，地膜易撕裂；過大，ω過小都會(huì)影響地膜輸送效率，產(chǎn)生擁堵。因此機(jī)具各作業(yè)參數(shù)應(yīng)適度選取。 5.3.4 改進(jìn)收膜釘齒 試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，平頭直齒入土與碎土能力較差，地膜輸送時(shí)出現(xiàn)落膜現(xiàn)象，為提高鏈齒耙釘齒的拾膜和輸送能力，課題組將樣機(jī)的平頭直齒改為尖頭弧形齒（圖 5-6）。 圖 5-6 兩種摟膜齒對(duì)比

43、 視殘膜 M 為質(zhì)量 m 的質(zhì)點(diǎn)，摟膜齒作用于質(zhì)點(diǎn) M 上，建立坐標(biāo)，M 受到重力G、摩擦力 f 以與支持力 N（圖 5-7）,其運(yùn)動(dòng)微分方程為： 圖 5-7 起膜齒挑膜性能分析 （5-24） 對(duì)t一次積分得： (5-25) 挑膜起始條件為：t=0時(shí)，殘膜 M 的初速度 =0, =0，解式（5-25）得： （5-26） 對(duì) t 二次積分得： （5-27） 當(dāng) t=0 時(shí)，殘膜 M 的初

44、始位置為 =0，Yy=-2/3，其中 Nx，Ny為 N 在 X、Y方向上的分量，N=mg·+ma,f=(mg·+ma)·（a 是質(zhì)點(diǎn) M 的加速度），μ 是金屬和地膜間摩擦系數(shù)，為起膜齒長度，是起膜角。代入初始條件求得挑膜時(shí)質(zhì)點(diǎn) M的運(yùn)動(dòng)軌跡： （5-28） 圖 5-7 所示挑膜過程中，地膜與鏈齒耙釘齒接觸瞬間的相對(duì)速度為 2.85～5.36 m/s，由于地膜質(zhì)量很輕，設(shè)定其接觸時(shí)間為 0.1s，因此可得a[28.5,53.6] ()。取 a=30，=0.4，=0.7m，g=10，=45°，為鏈齒耙釘齒與水平面的夾角，從圖5-8可以看出，當(dāng)=時(shí)，鏈齒耙釘齒為直齒,當(dāng)（,）時(shí)，釘齒

45、為弧形齒。取 ={，，}，應(yīng)用 MATLAB 軟件模擬質(zhì)點(diǎn) M在挑膜瞬間的運(yùn)動(dòng)軌跡（圖5-8）： 圖 5-8 不同角時(shí)的挑膜運(yùn)動(dòng)軌跡 模擬軌跡的獨(dú)立圖和綜合比較圖可以看出，當(dāng)=時(shí)，殘膜質(zhì)點(diǎn) M 相對(duì)于拾膜齒向右下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)說明，在挑膜瞬間，直桿釘齒不具備挑膜能力；當(dāng)=時(shí)，質(zhì)點(diǎn)向左下方運(yùn)動(dòng)，挑膜效果有所改善，但依然不能按照鏈齒耙挑膜運(yùn)動(dòng)的左上方行進(jìn)；當(dāng)=時(shí)，從軌跡可以看出質(zhì)點(diǎn)按照鏈齒耙預(yù)定的運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)，挑膜效果非常好。從實(shí)際的田間實(shí)驗(yàn)效果看，由于地膜本身成帶狀，質(zhì)輕，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的吸附和掛連作用，因此直齒也可以實(shí)現(xiàn)一定的挑膜作用，結(jié)合上述分析與田間試驗(yàn)效果，可取=作為鏈齒耙釘齒彎曲的

46、設(shè)計(jì)角度。 5.4 起輸膜部分小結(jié) 通過對(duì)新型殘膜回收機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)以與對(duì)起、輸膜作業(yè)過程的分析，可以得出： （1）起膜齒與地面接觸作業(yè)，具有良好的仿行性，遇到激增阻力時(shí)，能夠保證機(jī)具安全通過。 （2）起膜齒使起膜效果顯著提高，將a設(shè)定在～之間，可降低前進(jìn)阻力，增強(qiáng)膜土分離效果，減少擁堵。 （3）改進(jìn)后，摟齒耙釘齒與地面接觸良好,避免了干涉的發(fā)生;釘齒結(jié)構(gòu)角時(shí)具有良好的挑膜和輸膜能力。 （4）提高機(jī)具作業(yè)速度可提高膜土分離能力改善地膜輸送性能，速度過快則收膜率降低，地膜破損嚴(yán)重，因此機(jī)具作業(yè)速度設(shè)定為 1.5m/s 可以達(dá)到較好的收膜效果。 6 結(jié)論

47、 從整機(jī)看,摟耙式殘膜回收機(jī)在試驗(yàn)中依然存在很多需要改進(jìn)的方面，如： 第一，對(duì)于地況良好的田地，作業(yè)可靠性較高，當(dāng)田間石塊較多，地表過硬時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)起膜困難，石塊堆積，起膜齒打彎等問題； 第二，摟膜階段，地膜輸送是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在此階段一方面要保證殘膜的輸送，同時(shí)隨著摟膜齒的抬起，經(jīng)帶孔的托膜板實(shí)現(xiàn)雜物與地膜的分離，因此增設(shè)并合理利用四桿驅(qū)動(dòng)裝置，促進(jìn)雜物的分離； 第三，脫膜階段，摟耙高速摟膜會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的氣流，地膜會(huì)在氣流的作用下到處亂飛，當(dāng)然，該氣流對(duì)于脫膜作業(yè)是否有益尚無論證，因此對(duì)該氣流的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析，適當(dāng)?shù)脑黾诱髡郑蛊浒l(fā)揮有利于脫膜作業(yè)的一面，這對(duì)于殘膜回收機(jī)的改進(jìn)

48、有著重要意義； 第四，在功能實(shí)現(xiàn)的前提下，對(duì)機(jī)具各機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使其可靠性更高，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，降低加工成本，同時(shí)一種新機(jī)具的產(chǎn)生還需要大量生產(chǎn)實(shí)踐的論證。 第五，殘膜回收機(jī)摟膜連桿機(jī)構(gòu)由摟耙齒和四連桿機(jī)構(gòu)組成,摟耙齒固定在連桿上輸送和收集殘膜。分析摟耙齒的運(yùn)動(dòng)并以摟耙齒的運(yùn)動(dòng)軌跡最優(yōu)為目標(biāo),在已知機(jī)架和摟膜耙的結(jié)構(gòu)尺寸的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)計(jì)算出連桿和搖桿的最佳尺寸以與各桿之間的位置關(guān)系。 第六，最后，殘膜回收作業(yè)在我國難度較大的一個(gè)關(guān)鍵原因是田間所使用的地膜太薄，根據(jù)2002 年制定的、現(xiàn)行國家聚乙烯吹塑農(nóng)用地面覆蓋薄膜標(biāo)準(zhǔn)（GB13735－2002），地膜厚度最低標(biāo)準(zhǔn)為 0.008mm，加

49、之標(biāo)準(zhǔn)中允許的偏差值，厚度在 0.005mm 甚至 0.004mm 的地膜也能合格流通。提高地膜厚度是改善收膜作業(yè)難度的關(guān)鍵因素，2012 年 12 月國家出臺(tái)了地膜新標(biāo)準(zhǔn)，將其厚度提高到 0.01mm，這使殘膜回收看到了新的希望。 因此解決“白色污染”是迫在眉睫的工作，從摟耙式殘膜回收作業(yè)本身講，適合于秋后棉花秸稈未回收之前先把殘膜回收，后續(xù)棉農(nóng)就直接可以把廉價(jià)的秸稈粉碎還田，不會(huì)受到殘膜的干擾，符合現(xiàn)代機(jī)具設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的理論，但用四桿驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)殘膜回收的這種摟耙式殘膜回收機(jī)技術(shù)很多方面還不成熟，還待研究改進(jìn)。 參考文獻(xiàn) [1]

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55、獻(xiàn)收集、理論分析、試驗(yàn)研究以與最后論文的撰寫，史老師都給予了耐心細(xì)致的指導(dǎo)和幫助。在四年的本生學(xué)習(xí)過程中、專業(yè)課的學(xué)習(xí)過程中，各位老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，銳意創(chuàng)新的科學(xué)研究精神、深厚的學(xué)術(shù)造詣以與謙虛、的工作態(tài)度，使我受益匪淺，也讓我明白了一個(gè)道理：要做學(xué)問，先學(xué)做人。在此論文完成之際，謹(jǐn)向一直對(duì)我辛勤培育、教育以與關(guān)心的史老師表示衷心的感和敬意。同時(shí)，感農(nóng)大給了我這樣一個(gè)平臺(tái)，讓我能夠?qū)W習(xí)深造。 在本課題的研究與試驗(yàn)中得到郭政、蔡建、旭等設(shè)計(jì)同組同學(xué)的熱情幫助，同時(shí)對(duì)其他一直關(guān)心和幫助我的同學(xué)朋友們?cè)诖艘徊⒈硎靖小? 最后，特別要感我的父母，他們辛勤的付出和默默的支持是我完成學(xué)業(yè)和 繼續(xù)前進(jìn)不竭的動(dòng)力。 再次向三年來與我一路同行的伙伴致以誠摯的意！