毕业设计论文分区式残膜回收机的设计全套图纸三维Word格式.docx

毕业设计论文分区式残膜回收机的设计全套图纸三维Word格式.docx

《毕业设计论文分区式残膜回收机的设计全套图纸三维Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计论文分区式残膜回收机的设计全套图纸三维Word格式.docx（30页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

1.1课题研究的意义1

1.2国内外残膜回收机械发展现状1

1.3国内外残膜回收机械存在的问题2

1.4研究的内容和目标3

2分区式残膜回收机的框架设计与切膜装置的研究3

2.1分区式残膜回收机整体的框架研究3

2.2切膜装置的研究5

3分区式残膜回收机起膜装置的设计10

3.1起膜装置在收膜过程中的作用10

3.2起膜铲的外形结构及参数计算10

3.3土壤对起膜铲铲面的作用力14

4分区式残膜回收机收膜装置的设计15

4.1收膜装置的作用15

4.2残膜回收装置的整体设计15

4.3集膜箱的设计18

5牵引速度与收膜辊轴的校核18

5.1牵引速度对回收率的影响18

5.2收膜辊轴的校核18

总结22

致谢23

参考文献24

1绪论

1.1课题研究的意义

1.1.1地膜覆盖技术在农业生产上的作用

（1）使有限的积温升高，保护幼苗免受低温冻害。

（2）有效地防治了害虫的入侵，减少了杂草的生长，从而提高了农作物的产量。

（3）防止了水分的大量蒸发，保持了土壤中的充足水分，增强了农作物的抗旱能力。

1.1.2残膜污染带来的问题

（1）残膜破坏了土壤的原有结构和平衡

我国目前大部分地区使用的残膜为聚乙烯（PE）和聚氯乙烯（PVC）

。

由于残膜回收不完整，造成了大量的残膜碎片混入了土壤之中。

（2）残膜降低了农业机具的工作效率和工作质量

地膜残留量的80%-90%都残留在田地的表面至15厘米深的土层内

都塞农具，造成播种不均，施肥不匀，残膜缠绕农具等严重的问题，影响了农业机具工作的效率和连续性。

（3）残膜减少了农作物的亩产量

每公顷土地的地膜残留量超过189千克时，玉米每公顷减产9420千克，产率达到8.8%；

蔬菜减产9%-10%；

棉花减产5%-8%

（4）残膜影响了农村的乡土风貌

（5）残膜危害了牲畜的生命健康

1.1.3残膜污染的治理

（1）提高地膜的质量，改变现在广泛使用的地膜厚度。

（2）加大残膜回收机械的研制与改良，使地膜回收工作更高效、更环保。

（3）加强对一些新的可降解地膜的研究与推广利用，从而减少普通地膜的使用。

1.2国内外残膜回收机械发展现状

1.2.1国外残膜回收机发展现状

（1）英国和前苏联主要采用悬挂式回收机。

（2）以色列在残膜回收方面的研究起步比较早，主要是利用收卷的方式来收膜，因为以色列使

用的地膜较厚，强度较大，覆盖时间段，所以地膜收净率非常高。

（3）美国主要采用卷膜式的残膜回收机械，利用卷膜滚将地膜从地表卷起。

（4）欧洲国家主要采用高强度，耐老化的地膜。

另一方面他们积极研制可降解免收地膜。

1.2.2国内残膜回收机发展状况

目前我国所使用过和理论研究度过的残膜回收机按残膜回收的时间划分分为三类：

1.2.2.1苗期残膜回收机械

（1）CSM-130B型齿链式悬挂收膜机

（2）MSM-3型苗期残膜回收机

（3）卷膜式棉花苗期残膜回收机

（4）棉花苗期地膜回收机

1.2.2.2秋后残膜回收机械

（1）膜秆分离处理的机型

a.4SJ-1.6残膜回收与茎秆粉碎联合作业机

b.SMS-1500型秸秆粉碎与残膜回收机

c.棉秆集条与残膜回收联合作业机

d.抛送式棉秆粉碎还田机

（2）残膜与秸秆不做处理的秋后残膜回收机

a.1MC-70型农田残膜回收起茬机

b.4CM系列残膜回收整地机

c.弹齿式收膜机

d.梳齿滚筒式残膜回收机

1.2.2.3春播前残膜回收机械

（1）CMJ-5型春秋两用密排弹齿式残膜回收机

（2）IMS-450型弹齿搂膜机

（3）夹持式残膜回收机

（4）4MQ-1.5型吸气式残膜回收机

1.3国内外残膜回收机械存在的问题

（1）作业功能单一，作业环节较长，残膜回收率低，且回收后的残膜洁净度极差。

（2）机具作业速度较低，因而导致生产率底下，经济效益不明显，且回收时间较长，机具作业适应性和可靠性较差，难以发挥机具效率。

（3）对已耕松的农田造成机械压实，可改为播种前整地时使用残膜回收机械。

（4）耕前的残膜都较碎小，难以拣拾，目前国内与其配套的绝大多数是中型轮式拖拉机，在动力储备方面均是较弱环节。

1.4研究的内容和目标

1.4.1分区式残膜回收机的工作原理

机具与拖拉机三点悬挂联接，作业时拖拉机液压系统置于悬浮状态，该分区式残膜回收机上的四个边架将该分区式残膜回收机分为中间收膜部分和两边收膜部分。

在四个边架上装有切膜盘，将在距离棉杆根部20mm处的薄膜切开，安装在两边架之间的收膜装置将切断的两垄之间的残膜回收起来。

对于收取边膜的部分也是同样在拖拉机的牵引下，切膜盘将薄膜在距离棉杆根部20mm的地方切断，然后起膜铲将埋在土里的边膜铲于地表，通过边膜引导装置，将其与中间膜一起汇聚在收膜装置上，通过收膜装置将膜回收到收集箱里面，待拖拉机到达田间地头的时候，液压系统将分区式残膜回收机提升起来进行卸膜，完成一次收膜过程。

1.4.2分区式残膜回收机整体的框架

此分区式残膜回收机的整体框架，采用可以调整位置的卡盘连接，目的是适应不同的种植宽度，

做到一机多用，减少原材料的浪费和降低同时也可以更好的满足农机为农艺服务的要求。

1.4.3切膜装置的研究

考虑沙土地土质松软和地膜的物理特性，在切膜中不容易把膜切断，使地膜发生拉长变形不利

于边膜的回收，切膜圆盘的外边缘设计成刀刃形式，减少切盘与地膜的接触面积，增大了切割力,保证了地膜之间的彻底切断。

1.4.4起膜装置的研究

因为此分区式残膜回收机不仅要收取两垄之间的地膜，还要收取压在土里的边膜。

所以对于起

膜装置的设计是一个关键问题，在实验过程中调整起膜铲与地表之间的角度，在实验过程中找出能使埋于土地下面的边膜尽可能多的裸露在地表，这样就为后边的收膜提供了一个良好的条件。

1.4.5收膜装置的研究

收膜装置是分区式残膜回收机的核心，此分区式残膜回收机采用的是地轮带动橡胶辊的收膜装置。

在收膜作业的过程通过地轮行走，带动橡胶辊转动，进而将残膜卷起，放入后面的收集箱。

2分区式残膜回收机的框架设计与切膜装置的研究

2.1分区式残膜回收机整体的框架研究

2.1.1机架在残膜回收作业过程中的作用

该分区式残膜回收机的机架主要有两个部分组成，一部分是牵引架，另一部分是支架。

在工作

的工程中，牵引架与拖拉机采用三点悬挂式连接，这种悬挂的连接方式机动性好，可以非常方便的将机具升起、降落，对残膜的收取和卸膜工作有很大的益处。

对于支架部分，一共有四条支架，内边架两个，外边架两个。

边架与牵引架的连接是通过U型卡螺栓与螺母将支架与牵引架紧固接。

在支架尾端上用U型卡螺栓和螺母安装一个支撑架，用来安装收膜胶辊，在收膜胶辊后面稍低位置在安装一个收集箱，用来装残膜。

同时也为后期的卸膜带来了很大的方便。

图2-1分区式残膜回收机的整体机构示意图

1.切膜盘2.连接杆3.机架4.链接卡座5.回收辊轴

6.链条7.集膜箱8.地轮9.引导装置10.起膜铲

图2-2分区式残膜回收机的整体机构示意图

2.1.2通过研究确定机架的参数

为了能够更好的完成收膜工作，使分区式残膜回收机在田间收膜的时候更稳定，更高效。

在理

论研究下最终确定了机架的相应参数：

牵引架：

50x80mm的方钢，长度为1500mm

三点连接装置：

厚为5mm，宽为50mm的钢板

U型卡：

10mm的U型螺栓

支架：

50x50mm的方钢，长为2000mm

螺栓：

直径为10mm，长为40mm

螺母：

直径为10mm

2.2切膜装置的研究

2.2.1切膜装置的作用

为了能够更简单高效的完成收膜作业，本分区式残膜回收机添加了圆盘式切膜装置，在残膜回收机工作的时候，先由切膜装置以作物垄上膜为界限将残膜切割成为中间膜和边膜。

这种分开的好处有两点：

一是可以缩短收膜的时间，因为用这种分区式残膜回收机不会受作物秸秆处理与否的影响，这样就可以提前一段时间进行收膜，也就减缩短了外力对残膜破坏的时间，相比之下提高了残膜的完整程度，对残膜的回收大有益处。

二是该切膜装置把残膜分开，跳过破损最严重的垄上膜，去除秸秆等外力对中间膜和边膜的破坏，因此使残膜回收率大大的提高。

2.2.2切膜装置的整体设计

（1）考虑到新疆地区的土质多为沙土地，这种土壤相对较疏松，所以在切膜的过程中采用圆盘式切刀，这种圆盘式切刀可以减少与塑料薄膜的接触面积，从而加大了圆盘切刀对塑料薄膜的切割力。

（2）塑料薄膜这种物质本身的性质决定了塑料薄膜在有压力、拉力的作用时，会产生相应的形变，为了使塑料地膜能够彻底的被切开，在理论研究下最终确定圆盘切刀的直径为340mm，这个尺寸的圆盘切刀完全大于塑料薄膜的最大形变量，也就可以保证残膜被彻底切断，为后续工作提供了良好的条件。

（3）切膜机构主要是有以下几部分组成：

切膜圆盘、轴承座、轴承、轴承端盖、轴、钢管、螺栓、螺母、弹簧。

在切膜圆盘与轴承端盖相对应的地方打孔，然后将轴承座、轴承、轴承端盖、轴、切膜圆盘在螺栓和螺母的紧固下组成一个圆盘机构，然后将突出来的轴与钢管在螺栓与螺母的紧固连接组成一个完整的切膜机构。

在切膜的过程中为了圆盘切刀不损失切割力，所以要求切膜圆盘要进行纯滚动。

圆盘切刀做纯滚动的另一个好处就是减少了塑料薄膜的缠绕和拖拉塑料薄膜，从而降低了对收膜机构的影响。

（a）（b）

图2-3分区式残膜回收机切膜装置

（4）圆盘切刀在切膜的过程中主要是切向力和径向力对残膜进行作用，而起到关键性作用的是

径向力，使残膜达到最大形变，进而产生断裂。

对于圆盘切刀的切向力和径向力主要是由机架的重

力和切膜机构的重力提供的。

为了增加圆盘切刀的耐磨能力和切膜时的锋利程度，减少切膜时和行走时的阻力，圆盘切刀的材料选择为3mm厚的65Mn钢板。

（5）在新疆在兵团的团场里绝大多数采用机采棉的方式进行收割，这种方式收获的非常开，收取效率极高。

机采棉过后地里剩下的部分棉杆大约20—30cm。

另一种收获方式就是地方上的棉田大部分采用人工彩棉的方式进行收取，这样可以保证棉花的纤维长度，保证棉花的等级。

这种彩棉只是把棉花摘取掉，棉杆完全没有变化。

这类棉杆大约50—70cm之间。

为了能够更好的完成收膜工作，本残膜回收机主要采用弹簧套管螺栓连接，这样在不同的地里环境可以方便对切膜装置的调节，从而达到理想的收膜效果。

2.2.3圆盘切刀在切膜过程的力学特征分析

为了能够更好的利用圆盘切刀的切削性能，提高在切割过程中残膜的切断率，减少切割过程中

圆盘切刀的磨损，所以要对圆盘切刀进行相应的力学分析。

在切割的过程中的某一时刻圆盘边缘A点的受力分析如图所示：

图2-4切膜过程中圆盘边缘的受力图

-圆盘切刀的角速度

R-圆盘切刀的半径

-圆心到切点的方向与竖直方向的夹角

G-圆盘在A点的重力

F-摩擦力

-机架对A点的压力

-残膜及外界对A点支持力

对于圆盘切刀在切膜过程中最主要的是收两个力的影响，一个是延切线方向的切力，另一个就是垂直残膜的径向力，因此将在A点的所有力合成为切向力和径向力如图所示：

图2-5切盘边缘点延切线和径向的合力图

-径向力

-切向力

圆盘切刀在切割地膜的过程中，对于A点来说是圆盘切刀与地膜之间的相互作用，所以根据作用力与反作用力的关系可以得出残膜在A点受力图：

图2-6残膜在A点的受力图

对于圆盘切刀在工作的过程中，作为工作对象的残膜两端分别有棉杆和土壤将其固定。

切膜时

圆盘切刀的切向力（Ff´

）对残膜进行滑切，因此滑切力对残膜的作用较小。

对残膜切割过程起到关键性作用的是径向力（FN´

），主要是通过径向力是残膜在径向上产生最大的形变量（即断裂）来是残膜破整为零，因此完成了残膜切割任务。

把地膜所受的切向力和径向力延水平方向和竖直方向可以分解为Fx和Fy，在切割的某一时刻，可以得到下面的关系式：

（2-1）

（2-2）

2.2.4圆盘切刀的运动学分析

在收膜的过程中拖拉机牵引车的速度是一定的，又因为圆盘切刀中心的六个自由度都被限制，所以圆盘切刀的中心与机架一样做匀速直线运动，用

表示，圆盘切刀的半径为R。

为了圆盘刀能够更好完成收膜切膜工作，现对圆盘凄然道边缘上任意一点P远动轨迹、运动方程、速度及加速度进行分析。

取直角坐标系

如图所示，令t=0时，圆盘切刀边缘点

在坐标系原点

处，此时圆盘切刀的中心点

在

处设在某个t时刻，圆盘切刀的边缘点

和圆盘切刀的中心点的位置如图所示：

图2-7圆盘边缘点在工作过程中的速度示意图

由于圆盘切刀在切膜过程中做纯滚动，又因为圆盘切刀的圆心以速度

做匀速直线运动所以有

下式：

（2-3）

建立运动方程P点的坐标为：

（2-4）

（2-5）

上面（2-4）（2-5）式就是圆盘切刀边缘点运动轨迹的参数方程，也就是边缘点的摆线，其运动

轨迹如上图所示，P点的速度V延摆线的切线方向。

现将P点的速度延水平方向投影的得Vx，延竖直方向投影可得Vy。

先对（2-4）（2-5）式分别对时间求一阶导数可得：

（2-6）

由此可以得到速度P点的矢量方程：

（2-7）

对速度V求绝对值可得：

（2-8）

由（2-8）说明速度的大小等于点P至车轮最低点的距离和角速度的乘积，指向（或背向）车轮的最高点。

对分区式残膜回收机圆盘切刀的边缘点P进行加速度a的求解，将加速度a分别向水平方向和竖直方向进行投影可得：

（2-9）

由加速度是速度对时间的一阶导数，是位移为时间的二阶导数，因此可以得到：

（2-10）

（2-11）

加速度的大小为：

（2-12）

将（2-11）（2-12）式带入（2-13）式可得：

（2-13）

即P点的加速度大小为

，也就是圆盘切刀在收膜的过程中，边缘点P仅有法相加速度，方向指向圆盘中心A。

3分区式残膜回收机起膜装置的设计

3.1起膜装置在收膜过程中的作用

（1）起膜装置在工作的过程中，起膜铲伸入地膜下边，将地膜拱起，将地膜从土壤下边铲于地表，同时可以把地膜与棉杆根部分开，这样就为收膜装置提供了方便的收膜条件。

（2）此起膜装置不仅起到了将边膜铲于地表，它还可以起到松土的功能，这是由起膜铲的结构

决定的，起膜铲的中间高，两边低。

在工作的过程中，将压在地膜上边的硬土壤铲起，使其松动，

然后随着牵引车的运动，起膜铲上的土壤就会向两边滑落，使硬土块成为疏松的碎土，因而产生了

松土的效果，这样可以为后边的收膜工作打下了良好的基础。

（3）起膜结构的核心部件就是中间高两边低的倒八字铲，在将把地膜铲于地表的同时，还可以铲断土壤里的杂草，棉杆根的功能，因为正是有这些杂草等物质的存在，常会使起膜机构在起膜的过程中产生壅土现象，轻者影响地膜的回收效率，严重的时候会阻碍分区式残膜回收机的工作，由于八字铲中间高两边低的特点，可以及时将铲面上的土壤向两边滑落，这样就减少了土壤的拥堵，解决了因壅土问题而造成分区式残膜回收机不能正常工作的现象。

3.2起膜铲的外形结构及参数计算

3.2.1起膜铲最佳起膜方式的确定

分区式残膜回收机在回收残膜的过程中，要想将埋在土壤里的边膜从土壤中很好的回收起来，那么就需要将覆盖在边膜上的土壤全部铲起，这样在机具向前移动的过程中，因为起膜铲是中间高

一边到另一边逐渐降低的形状，所以覆盖在残膜上的土壤就会从塑料残膜上滑落下去，这样埋在土壤里的残膜就可以裸露于地表了，这样就为后续的收膜工作打下了基础。

切膜圆盘为了顺利完成切膜工作，其与棉根部的距离是20—30mm。

这样切膜装置可以可以顺利的完成切膜任务，但是从棉的主根部还会延伸出来一些须根，这些须根比较长，而且因为须根比较柔软，向下扎土的能力较差，所以棉杆的须根会延横向线外延伸生长。

这样好做须根就很与埋在土壤下边的边膜缠绕在一起，从而影响边膜的回收工作。

为了解决这一问题，起膜铲还需要担负起切断须根的任务，为后边的收膜装置做好准备工作。

3.2.2起膜装置的外形结构分析

起膜铲在结构上的设计对把地膜铲于地表和铲断地膜缠绕连接的须根都起着非常重要的作用，

起膜铲设计的好坏直接影响到整个分区式残膜回收机对边膜的回收效果。

通过对国内外起膜铲方面

的文献查询，发现对起膜铲相关描述说明是比较少的，只有简单的说明了一下收膜装置的前方放有

起膜铲，起膜铲放置的大体位置为前面高后面低。

分区式残膜回收机的起膜铲是机架的左右两侧各

放一把，对称放置。

在拖拉机的牵引下，分区式残膜回收机的起膜铲随着运动而进入边膜的下面，一方面铲断与边膜缠绕的棉杆根部的须根，另一方面就是将边膜从地下铲于地表，为了能够更好的分析研究分区式残膜回收机的起膜装置，把起膜机构设计成了分体的机构，这个起膜机构主要是由圆柱形的力臂和梯形的铲板组成。

因为分区式残膜回收机在起膜之前，是先要由切膜装置将边膜与棉杆根部距离2-3cm的地方切开，所以此起膜装置主要是处理一些没有被彻底切开的须根和把边膜铲于地表，对于主根系，起膜铲是不用处理的，且起膜铲与主根系是有距离的。

这种切割方式可以延长起膜铲的寿命，如果选用上磨刃的切割方式进行切割，就会大大的缩短起膜铲的使用时间，上磨刃的切割方式会使起膜铲在很短的时间内就被磨钝，这样一来就不能有效的切除须根的缠绕为了保证缠绕在边膜上的须根顺利被滑切，起膜铲铲板的放置与分区式残膜回收机行进的方向所成夹角不大于

根据以上分析，本课题把分区式残膜回收机的起膜铲设计成倒八字铲。

图3-1起膜装置

图3-2起膜铲

3.2.3起膜铲中主要参数的研究

（1）对起膜铲铲板刀刃长度（l）,收膜过程中的推土角（γ）和如图角（λ）的研究确定。

图3-3起膜铲对须根的作用力示意图

起膜装置的铲板作用在须根上的正压力N为：

（3-1）

式中：

P—代表起膜过程中，铲板沿着残膜回收机收膜方向对须根的作用力。

须根在沿着铲板刃口方向所受的力为：

（3-2）

阻止须根滑动作用的摩擦力为：

（3-3）

—起膜铲铲板刃口与须根之间的摩擦角。

在起膜机构工作的过程中，要想使须根能够沿着刃口的方向顺利滑动，那么就必须满足的条件

是F>

T。

通过（3-1）（3-2）（3-3）式可得：

（3-4）

设最小铲板底刃长l按下面式子计算：

（3-5）

入土角λ可以按照下面公式计算：

（3-6）

在棉田地里，通过实地测量，边膜入土深度大约在50～80mm之间，棉杆须根大约在40mm的

深度处对边膜缠绕较多，对于从棉杆根部到边膜的最边缘的横向距离大约在80～120mm之间，所以通过（3-5）可以得出最小的边缘底刃为150～200mm之间，为了防止圆柱铲臂在收膜的过程中产生壅土揭膜现象，所以将边刃延长30～50mm,所以根据公式（3-6）可以得出起膜铲的铲刃入土角度在

～

之间。

（2）起膜装置的铲板的其他参数的研究确定

为了能够降低起膜装置对牵引车的阻力，就必须减小起膜铲的铲板沿收膜方向入土的投影面积。

起土角η和顶角φ的几何关系如下：

（3-7）

（3-8）

在研究的过程中，入土角λ是必不可少的，同时也是可以确定的，因此起土角η则有下列计算公式

（3-9）

（3-10）

3.2.4起膜铲铲臂的确定

起膜铲的铲臂用直径为30mm的圆钢做成，该铲臂在与铲板的结合处弯了一个弧度，这样做的

目的是为了减小铲臂在工作过程中所受的阻力，起膜装置采用套装的方式连接在一起的，在圆柱铲臂的地方要把铲臂加工一个与起土角η大小相等的角度，目的就是使起膜作业达到一个良好的效果。

此外起膜铲臂是通过套筒的方式在螺栓的紧固作用下与机架连接在一起的，这样方便调节起膜铲的高度，也可以使该起膜装置适合于不同的地形。

3.3土壤对起膜铲铲面的作用力

对于起膜铲在进入土壤的过程中，此时起膜铲的铲面于土壤之间就会发生相互挤压的作用，在

铲面的作用下，土壤就会发生剪切变形，所以根据力学的相关理论可知，起膜铲铲面主要受两种力的作用。

（1）土壤对起膜铲铲面的摩擦力：

（3-11）

（2）法向的正压力N

图3-3土壤对铲板的作用力

将法向压力N和摩擦力向工作方向（即水平方向）投影可得

（3-12）

N的确定：

通过查取相关资料和试验研究发现，在进入土壤的深度达到400～500mm之间时，这时大多数土壤的正应力水平会接近一个查常量。

δ0=90kn/m2,所以对于不同内度，不同土壤状况的正应力，只需要用一个土壤状况相关的系数ζ来调整，对于不同的土质ζ的值不同，ζ可查相关资料取值。

可得到不同土壤所受的正应力为δ=ζδ0。

设在起膜铲在工作的过程中铲板的有效面积为ω，在二面楔角时的有关受力分析时，可以得出土壤摩擦系数f=tanβ，对有效面积ω，即可认为是起膜铲的铲板面积，所以：

（3-13）

—起土铲铲面面积；

—土壤状况相关系数；

—土壤正应力；

—土壤摩擦系数；

—土壤摩擦角；

—起膜铲的起土角；

利用此公式在工作的过程中就可以对起膜铲铲面进行牵引阻力的计算。

4分区式残膜回收机收膜装置的设计

4.1收膜装置的作用

收膜装置是采用地轮通过链条带动胶辊转动