齿盘式棉秆起拔机的设计.docx

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齿盘式棉秆起拔机的设计

前言

随着我国的棉花种植面积的扩大，拔棉杆的工作已经成为农村一项较重的劳动，为了降低劳动强度，农民对棉杆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杆起拔机。

该起拔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；棉杆起拔机

目录

1引言1

1.1设计的目的与意义1

1.2棉杆起拔机械的发展现状2

2棉杆起拔阻力的分析3

2.2影响棉杆拉拔阻力的因素及相关分析3

2.2拔棉杆机设计最大起拔力的确定5

3齿盘式棉杆起拔机的运动分析6

3.1齿盘式棉杆起拔机的工作原理5

3.2齿盘拔取棉杆的运动轨迹分析5

4机器的零部件初步设计6

4.1齿盘的结构设计6

4.2限深轮的设计7

4.3传动机构的设计7

4.4机具悬挂方式的选择8

5零部件的设计计算和校核9

5.1拖拉机的选取9

5.2传动锥齿轮的设计及校核9

5.3轴的设计及轴类零件的选取8

5.4机架的设计12

总结15

致谢16

参考文献17

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20万吨。

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。

棉杆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，棉花秸杆也可以收获后进行工业化利用。

第一，棉花秸杆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、制作一次性餐具等；第二，棉花秸杆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，棉花秸杆可用作无公害食用菌的培养基种植蘑菇；第四，棉花秸杆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，棉花秸杆收获回收利用具有重要意义【1】。

我国在20世纪60年代中期就开始了对棉花秸杆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，棉花秸杆收获机的研制又活跃起来。

近几年来，全国各地高等院校、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杆收获机械，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杆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，高效的棉花秸杆收获机械。

1.1设计的目的与意义

棉花是我国的重要经济作物，目前，全国棉花种植面积600万hm²,每年棉秆产量约为3000万吨。

按一吨棉秆相当于0.4m³林木用于制造纸浆量计算，若全部利用每年可节省林木资源12万m³，如此大的可再生资源如果实现循环综合利用，将产生巨大的经济效益。

发展棉花秸杆机械化收获技术，对实现农业剩余物综合利用，发展绿色农业意义重大。

棉花收获后，棉杆仍留在地里。

大量棉杆留在地里对耕作造成很大影响。

在未来种植作物前要及时将棉杆拔去，以便于进行松土播种等作业。

目前对于棉杆的处理方法以下有四种：

（1）将棉杆直接翻入土壤中；

（2）将棉杆粉碎还田，根部仍留在棉田内；（3）机械式拔棉杆；（4）人工拔杆。

将棉杆直接翻入土壤中，耕地时大量棉杆堆积，将极大地增加机械机具的牵引阻力。

棉杆粉碎还田目前应用最为广，，但是棉杆粉碎还田后，由于棉杆仍留在棉田内，播种时容易插入穴播器，造成播种孔阻塞，影响播种质量。

对棉秆收获机械化的要求虽然十分迫切，但由于棉秆主干粗细不一，枝杈多，长势特殊等原因，收获技术和收获机械仍不完善。

近年来，随着社会和科技的发展，棉秆已被广泛应用于能源、造纸及生物基材料等领域，尤其是棉杆木质成分含量高，可作为优质的可再生资源原料，棉杆收获技术与装备的研究备受关注。

因此，对棉杆收获过程的机理和特性进行探讨，提高棉杆收获效率成为一个重要的课题。

近几年已有多种机型问世，因此，设计的一种棉杆起拔机，这种棉杆起拔机的机械结构简单，工作可靠，对棉杆的损伤小，对解决现有的棉杆收获技术中存在的问题起关键性作用【2】。

1.2棉杆起拔机械的发展现状

1.2.1国内起拔机械现状

我国对棉杆收获机械的研究始于上世纪六十年代中期，犹豫存在棉杆枝杈繁多，主茎直径不同，种植情况差异等原因，收获机械和收获技术研究进展迟缓。

近年来。

国内外学者对棉杆收获机械的研究热情明显高涨，已有多种棉杆收获机械问世，同时对棉杆机械收获技术与结构的改进研究仍在进行中。

目前应用较广泛的棉杆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。

1）产切法

该方法利用双翼刀以一定角度深入土壤下约，由动力机带动产刀将棉根伊断，并将棉杆向上抬起，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型棉杆收获机。

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，为便于铲切提拔，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杆根部，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杆行距，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。

该技术的典型机型为4MBQX-1.5型棉花拔杆清膜旋耕机。

3）提拔法

该方法利用夹持装置夹持棉杆，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，可将棉杆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。

a）齿盘式

齿盘式在国内应用较为普遍，其起拔机构是一对对碾齿盘，常用齿形有梯形、银齿形、矩形等。

这类机具通常并排安装两齿盘，在两齿盘间隙处装有扶禾装置。

机具作业时，两齿盘通过锥齿轮传动反向旋转，齿盘与扶未装置配合，将棉杆夹持紧，借助行进速度将棉杆拔起并抛送到机具后面，代表机型4MG-2型齿盘式拔棉杆机。

b）对辊式

对辊式是利用一对按一定角度配置安装的圆辑反向旋转，棉杆进入两親间隙形成夹持点，从而夹持棉杆并将其从地表拔出。

随着机具在田间行走，棉杆根部被两对反方向旋转对辑夹持住，随着圆辑的滚动向前，棉杆被拔起并抛向后方。

这种方法较适合行距较宽的种植模式，且机具动力消耗较大，不适宜大面积推广。

c）圆盘式

圆盘式结构利用一对具有夹角的圆盘，夹持点在两盘轴向横截面上，两盘保留一定间隙，保证能够顺利夹持棉杆。

在工作时，机具沿棉杆方向前进，两盘将棉杆根部夹紧，随着两盘的滚动，棉杆被拔起抛至后方。

1.2.2国外起拔机械现状

1）棉杆刨挖技术

这种技术釆用对称倾斜双圆盘对棉杆进行刨挖，与双圆盘开沟器的作业原理相同，代表机型为美国的DaveKoening和Orthman棉杆挖刨机，这两种机型根据需要可调整其收获棉杆的行数，其参数有2、4、6、8行四种，对不同湿度棉杆有较强的适应性。

而机型的圆盘角度和高度是可调的，拔杆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，实现棉杆的起拔与切碎还田.

2）棉杆拔取技术

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棉杆拔取切碎收获机。

这两种机型能将棉杆连根拔起并切碎，机具行走速度快，有较高稳定性且设有传动安全防护措施，适用于大规模化标准化种植。

2棉杆起拔阻力的分析

2.1影响棉杆拉拔阻力的因素及相关分析

根据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、棉杆根部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。

棉杆直径（mm）左12.9右14.5；土壤含水量（%）左12右16；

土壤坚实度（kg/）左16.7右11.7

图2.1棉杆拉拔阻力—位移曲线

阻力上升阶段当垂直向上逐渐施力拔起棉杆时，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【3】。

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）；

由此可以计算：

（2.1）

（2.2）

由此可以计算：

（2.3）

（2.4）

（2.5）

∵

（2-6）

∴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,

（2-7）

根据相关系数的检验，棉花根系直径D和棉杆拉力P高度相关。

这表明，生长在高水分的棉杆物理状态更均匀，直径和根在拉力棉杆之间的关系是线性回归。

近年来所测棉杆的回归系数b的范围是在2~8之间，a在+20~31之间【4】。

2.2拔棉杆机设计最大起拔力的确定

我国拔棉杆季节一般在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。

以所测数据为依据，因为棉杆直径、棉杆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。

（2-8）

式中——起拔力标准差，根据计算=21。

——分布值，由设计手册查得2.001【5】。

3齿盘式拔棉秆机的工作原理及运动分析

3.1齿盘式棉杆起拔机的工作原理

齿盘式棉杆起拔机主要由齿盘、机架、限深轮和动力传动部件构成。

如下图所示。

图3.1齿盘式棉花秸秆收获机结构示意图

1、齿盘2、限深轮3、动力传动部件4、扶禾器5、机架

工作原理：

采用地轮传动方式，通过限深轮、锥齿轮来驱动拔秆齿盘实现拔杆作业。

工作时拖拉机带动起拔机向前运动，棉杆通过扶禾器引入装置进入齿盘上的三角刃槽中，限深轮通过动力传动部件带动齿盘旋转，齿盘上的三角刃槽把棉花秸杆钳住，在拖拉机的前推力与齿盘的旋转拉拔力双重作用下将棉花秸杆从土壤中拔出。

这种方式依靠限深轮与地面之间的摩擦力来实现动力传递，属于被动传动，这种结构具有结构简单，成本低的特点，具有较强的适应性。

3.2齿盘拔取棉杆的运