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许智开题报告

河北科技大学

硕士研究生学位论文开题报告

课题名称：

基于秸秆打捆机的零部件的强度分析

研究生姓名：

许智

导师姓名：

于新奇

所在院、系：

机械工程学院

学科、专业：

化工机械

河北科技大学研究生学院

2013年月日

说明

一、硕士研究生开题报告各项内容，要客观实际，逐条认真填写。

表达要明确、严谨，外来语要同时用原文和中文表达。

第一次出现缩写词，须注出全称。

二、硕士研究生开题报告评议组由教授或具有硕士研究生指导教师资格的副教授组成，评议组成员一般不得少于五人。

每个评议组成员应有一位组长。

每个评议组可另有一位记录员，记录员应具有讲师以上（含讲师）职称，并应熟悉相应专业。

三、开题报告应对评议组成员所提出的问题及研究生的回答给出具体、准确的记录。

开题报告结束后，由评议组成员综合评议意见，写出具体评议结论。

并由专业负责人审核签字后，报研究生学院备案。

四、本报告中，研究生本人撰写的对课题和研究工作的分析及描述部分应不少于5000字。

第二页以后各栏空格不够时，可另行加页。

五、根据论文工作的最终研究结果，研究生所提交学位论文的题目可以在本开题报告的基础上有适当改动。

六、本开题报告一式三份，学生个人和导师留一份，学科留一份，交研究生学院学位办一份备案（除签字部分外必须按A4纸打印），研究生学院不负责查询。

姓名

性别

年龄

入学时间

开题时间

许智

男

25

2012.09

2013.11

课题来源

横向课题

报告时间

2013年月日

开题报告

评议组成员

姓名

职称

姓名

职称

评议组对课题及报告的评议：

评议组组长：

2012年11月9日

专业负责人意见：

专业负责人：

2012年11月9日

一、立论依据（所选课题的科学意义和应用前景，国内外研究现状分析，主要参考文献目录）：

1、课题研究的科学意义和应用前景

改革开放以来，随着我国经济的不断发展，对能源的需求量也日益上升。

然而，石化能源储存有限的现状，对我国的可持续发展造成巨大威胁。

根据国际能源机构的统计，在不久的将来，世界能源结构将从油、煤、气等为主的格局，向包括核能、风能、太阳能、生物质能等清洁能源扩展的多元格局转变。

据预测，进入21世纪，世界能源将有40%将来自生物质能。

同时，生物质能作为一种很好的可再生能源，不仅清洁环保，而且储量极大。

研究结果表明：

扣除用于还田、饲料、造纸等竞争性用途的秸秆外，2006年全国主要农作物秸秆可能源化利用资源量约为1.76亿t。

若完全能源化利用，相当于节约8800万吨标准煤，占当年全国可再生能源开发利用总量的53%。

与长期以来燃用固体燃料的习惯一致，作为煤的良好替代品，符合可持续发展的要求，实现了低品位燃料向高品味、低污染燃料的转变，可广泛用于各种小型热水锅炉、热风炉、家庭取暖炉或壁炉，不仅可解决城乡家庭的炊事取暖，也可用于小型发电供暖设施，为中小热电厂能源结构的调整提供技术支持。

然而，生物质发电在我国实施起来依旧比较缓慢，限制其快速发展的原因很多，农作物秸秆量大、分散、收储季节性强，储运成本成为秸秆能源规模化利用的瓶颈。

但主要因素还是秸秆燃料的供给、关键技术和配套设备的选型与研发。

秸秆打捆技术是将各类松散的农作物秸秆用机械加压的方法，使原来松散的秸秆通过压缩把生物质秸秆打成一定密度的形捆。

秸秆打捆后作为燃料具有加工简单、成本较低、便于储存和运输的优点，是降低秸秆商业化成本及规模化利用的关键。

目前，常规矿质能源紧缺的现状，对我国经济可持续化发展产生的压力越来越大。

而作为清洁、可再生能源的生物质成型燃料具有显著的综合效益，在缓解这一压力过程中，起着越来越重要的作用。

2003年以来，国家先后核准批复了河北晋州、山东单县和江苏如东3个秸秆发电示范项目，这标志着我国秸秆燃烧生物质发电产业的开始；国能、中节能、华电等大型电力集团和地方一些企业纷纷投资建设秸秆燃烧生物质发电项目。

截止到2006年底，通过国家和地方发展改革委核准的秸秆发电项目已达50处，总装机容量超过150万kW，主要分布在山东、吉林、江苏、河南、黑龙江、辽宁和新疆等地。

经过几年的实践和探索，我国在秸秆收储运体系建设方面也积累较好的基础。

因此，生物质压缩打捆技术的开发与研究，与生物质发电项目的建立相适应，同国家可持续发展的政策相同步，符合我国的基本国情，具有很好的发展前景。

2.国内外研究现状

秸秆打捆技术早在19世纪六、七十年代就曾一度引起人们关注。

并先后研制了一些小型化、单一化的畜力打捆机械。

进入20世纪70年代以来，随着全球性石油危机的冲击和环保意识的提高，世界各国越来越认识到开发和高效转换生物质能的重要性，相应地投入一定的资金和技术力量研究开发生物质打捆技术及设备，为生物质成型和炭化技术提供技术基础。

秸秆压缩打捆型技术是生物质利用的一个重要方面，世界上许多国家都在这方面进行了深入的研究，技术己基本成熟，而且部分国家已实现了产业化，我国虽然在这方面的研究起步较晚，但是国家对生物质利用非常重视，尤其是最近几年科研经费投入大幅度增加，国内很多高校和研究院所、企业通过自我探索引进和吸收国外技术，目前成物质压缩打捆设备技术取得显著的进步。

2.1国外研究现状

在工业较为发达的西方国家，对农业机械化、自动化的重视程度较高，针对压缩打捆机械的研制也相对较早。

19世纪70年代，美国人Dederic研制成功世界上第一台稻草压缩打捆机械，20世纪三、四十年代，小型方捆压缩机逐渐发展起来。

在捡拾机构研制成功以后，捡拾压捆机得到了迅速的发展。

进入20世纪60年代，发展达到高峰时期，由拖拉机配套作业的农业机械逐渐取代畜力机械，走上历史的舞台，发展为具有独立功能的大型机械。

随着性能更为优秀的圆捆打捆机的问世，打捆机械的工作效率得到了较大的提高。

二十世纪七十年代以后，随着方形打捆机结构改进，更为先进的方形和圆形打捆机进入并行发展时期，先后形成大方捆、小方捆、圆方捆等多种类型的打捆机械。

到80年代形成了方捆机和圆捆机并行发展的局面，欧美等一些发达国家的农机公司已经开始致力于完善方捆机的系列化研究与生产。

在提高方捆机的生产率，发展多样化产品，扩大使用的范围，同时不断地采用新技术，新工艺来提高方捆机的可靠性和产品的使用性能，诸如，绳网打捆、双卷压室技术来提高机具生产率，螺旋线型卷压室技术增加草捆密度，减少绳网用量，降低作业戚本。

电子计算机，液压技术使机具的性能更加先进，操作更为方便。

近年以来，随着农机产品种类的增加，以及来自各方面的竞争压力，各个生产企业都着手进行新产品的开发，希望通过对产品的优化改进，占有更大的市场，以保持公司的竞争力。

由此，秸秆压缩打捆机械向着大型化、智能化、高自动化方向发展。

在美国，相对于其他可再生能源来说，对生物质能比较偏重。

由此也促进了打捆机械的发展。

早在1958年的时候，罗托-巴勒已经研制出圆捆打捆机，并由美国的艾利斯-查默斯公司负责生产。

该打捆机投入使用之后，打出的秸秆捆直径为36-56厘米，长91厘米，每个秸秆捆的重量18-45公斤，直到现在，这种打捆机在有些地方仍在使用。

由纽荷兰公司生产的BR6000系列的圆捆打捆机，能够适应不同的作业环境条件，对于秸秆捆体积和密度的不同要求，都能够卷压出令人满意的秸秆捆。

目前，生物质能占美国能源供给量的3%甚至以上，成为其国内最大的可再生能量来源，美国生物质能技术研究与开发委员会还设定长期建设生物质能源系统的目标。

为了更省时省力，提高作业效率，科研人员不断进行潜心研究，对打捆机的结构不断进行改进和优化。

20世纪70年代后期，由于出现世界能源危机，石油价格上涨。

欧美许多国家开始重新重视压缩打捆设备的研究。

目前，国际上生产打捆机的企业很多，其中比较著名的品牌有纽荷兰、约翰迪尔、克拉斯等。

这些公司生产的打捆机品种齐全，生产的产品经过不断改进，能满足不同使用环境下不同机械化水平的需要，并且可以通过计算机进行精确控制，在操作人员的舒适性等方面也进行了很大的改进。

例如，德国克拉斯公司生产的打捆机在欧洲居领先地位，其生产的ROLLANT系列圆捆打捆机，性能可靠，可以对牧草和秸秆进行打捆，总是能塑造成完美的捆包。

在该领域，美国、德国、法国、意大利、日本等发达国家，依托其先进科学技术，不断开发新产品，在同行业的竞争中始终处于较为领先的地位。

目前，圆捆打捆机经过不断的改进，在打捆机运行过程中，牵引设备的速度一般为12-13km/h，作业宽度为2～2.5m,打捆截面尺寸在0.4～0.5m，成型密度在100-180kg/m3，最大打捆数超过每小时40捆。

草捆直径已经可以达到60～120厘米，市场上甚至出现了直径为150～180厘米的大型圆捆打捆机，生产效率显著提高，但是秸秆捆密度低还是一个非常值得关注的问题。

此外，秸秆捆在储存运输过程中占用空间较大的问题也亟待解决，仍然需要进行优化和改进，所以有必要对玉米秸秆打捆机进行研究。

2.2国内研究现状

秸秆发电技术在我国仍处于起步阶段，与秸秆发电技术相配套的农业机械设备的研发同样缺乏经验。

我国在50年代末期开始秸秆打捆技术的研发，并投入生产了畜力固定式捆草机。

60年代初，在引进、实验国外小方捆捡拾打捆机的基础上，生产研制了小方捆无绳压缩打捆机，目前保有量约450台。

但该类型产品生产出的草捆质量缺乏稳定性，机具部件的性能和可靠性相对较低。

与从国外进口的同类产品相比，在动力消耗、草捆密度、成捆率、捆绳用量以及制造成本上都有一定的差距。

从而直接导致打捆机在我国广大农区推广滞后。

80年代后期，我国开始牧草收获机械的生产，但适于秸秆捡拾打捆的机型仍处于停滞阶段。

1997年，北京市农业机械研究所承担了“秸秆捡拾打捆机和立式搅拌机引进国产化项目”，在分析了芬兰JUNKKARY公司的圆捆打捆机后,对其进行了国产化设计。

进入21世纪，在我国加入WTO以后，国外打捆机对于我国企业冲击很大，科研人员开始对打捆机结构设计、工作性能等方面进行研究。

随着国内秸秆发电仙姑的不断跟进，针对麦秸、稻草等生物质能，国内一些科研机构在卧式牧草打捆机的设计基础上改进设计，采用与原曲柄连杆机构不同的液压机构。

但是，由于缺乏深入的理论研究，在关键技术环节并未取得根本性的突破，目前，研究的秸秆打捆机由于配套动力大，工作稳定性差，成捆尺寸不稳定等原因，尚不能达到秸秆发电技术的要求。

同时，国家农业机械化科学研究院在借鉴国外纽荷兰公式设备的基础上，研发了9YDF-130型大方捆打捆机可进行玉米秸秆的打捆，但由于技术的限制，尚且不能达到自动化，且价格较高；对于玉米秸秆打方捆，尤其是适应北方高强度玉米秸秆的打捆机，国内还无此类成型生产设备，严重制约了玉米秸秆的工业化利用。

近年来，随着我国对“三农”生产的重视，机械化水平逐步提高，但是要使秸秆打捆机发展到成熟的阶段，我们还有很长的一段路要走，这些都是由我国的农业生产的现状决定的，这对于将来秸秆打捆机的推广也是一个重要的问题。

但是，就近期的情况来看，压缩式秸秆打捆机在秸秆收获中起着举足轻重的作用。

目前秸秆压缩打捆设备主要有活塞冲压式成型机、螺旋挤压式成型机和压辊式颗粒成型机，现在多处于研究开发阶段。

目前，国内外生产的打捆机机型根据产出捆样的不同，主要有圆捆打捆机，方捆打捆机，小方捆打捆机等几种。

1）圆捆打捆机

圆捆打捆机主要用于捡拾捆扎天然牧草和农作物秸秆，因没有打结器而结构相对简单。

该型打捆机作业时，属于间歇打捆方式，即打捆时停止捡拾，同时采用滚筒旋转式打捆。

圆捆机根据动力可以有带式、链辊式等形式。

国内外应用的大型圆捆打捆机以长胶带式为主，国内应用的小型圆捆打捆机以钢辊式为主。

链辊式圆捆打捆机主要由：

牵引传动系统、捡拾器、喂入轮、成型链以及布绳机构等几部分组成。

工作时，由喂入轮送入成型室的秸秆、干草物料，沿着转动的成型链辊上升，当上升至一定的高度后，靠自重回落，形成草芯，并依附转动链辊以一定的速度回转。

随着物料的增加，回转草芯逐渐增大，待物料充满成型室后，成型辊逐渐对草捆加压，从而形成芯部疏松、外部紧密的圆捆。

现在一种固定式电机拖动玉米秸秆打捆机进入人们的研究方向，它结合了长胶带和钢辊的优点，打捆主动力采用变频调速三相交流电机，调整方便，可满足不同湿度、压缩率的打捆要求。

放线部分采用直流伺服电机，自动完成包膜放线等功能电动推杆完成解锁和卸载工作。

采用触摸屏和PLC组成的控制系统，可方便直观地完成参数输入、系统监视和故障诊断等任务，提高了本机的适应性和工作能力。

相比方捆机，圆捆打捆机结构紧凑，从连续成捆与间歇活塞压捆方式上看，圆捆机工作效率较高、消耗动力少、容易缠膜，便于草捆贮存；但是，由于圆捆靠物料输送带或链辊卷压成型，所以草捆容易形成内松外紧、密度不均的草捆，并且草捆密度一般比方草捆密度低；圆草捆存储也较方草捆浪费空间，增加了储运成本。

但小型圆捆机加工圆草捆密度低，在装运和储存码垛时不方便，且捡拾宽度较小（80cm左右），喂入量小导致作业效率低。

当拖拉机行走过快或是在大型联合收割机（割幅在4m以上）收割过的田间进行打捆作业时，喂入量过大会经常出现堵塞和断绳现象，所以作为我国自行生产的小型圆捆打捆机，尚且不能大面积的推广。

2）方捆打捆机

目前我国国产的方捆机产品有两种情况，一种是完全国产化的产品，价格较低廉，另一种是采用进口打结器，因批量小，价格较高。

方捆打捆机由于所打方草捆的密度相对圆捆机的大、运输方便而受到用户的欢迎，同时由于机器作业效率高（打捆时连续作业，采用活塞往复式压缩，其效率为3一4捆/min）、牧草损失率小，而广泛应用于牧草和秸秆的捡拾打捆。

3）小方捆打捆机

一般小方捆打捆机为侧牵引居多，较少采用正牵引方式。

物料通过捡拾器后，搅龙横向喂入或者拨叉横向喂入打捆室，侧牵引方式草条宽度及整齐度不受拖拉机轮距限制，物料捡拾干净，并且捡拾机构离地高保证了捡拾物料的清洁。

不足之处在于侧牵引方式转弯半径较大，对捡拾地块有一定要求。

小方捆打捆机一般采用单打结系统，捆包截面尺寸一般为0.36m*0.46m，表1-1为几种小方捆机的主要技术参数的比较。

虽然小方捆打捆机的主要性能指标，最终要受草捆产品的密度、成捆率等受很多因素的影响，但在实际应用中，国内小方捆打捆机与国外产品还存在一定差距，表现在最终产品草捆密度、成捆率都较之国外先进产品低，其主要原因为打捆设备设计理论不完善，设备自动化程度不高，表现在草捆密度调节不能精确控制，捆与捆之间的差异大、可靠性差。

总之，国内小方捆打捆机与国外产品相比，草捆产品的密度较低、均匀性较差，并且打捆机产品质量可靠性与国外产品还有一定差距，而日前国内大型打捆机的研究与开发尚处于起步阶段。

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二、研究内容，预期目标或成果（具体说明课题研究内容，要重点解决的关键问题和本课题所要达到的目标或要取得的成果）：

1.研究内容

1）秸秆打捆成型传动机构分析。

根据机械传动基本原理，对秸秆的捡拾粉碎、输送、压缩和打结过程进行分析，从而确立秸秆打捆各过程的传动关系。

2）秸秆捡拾粉碎机构分析与设计。

对秸秆捡拾粉碎过程进行运动分析，设计捡拾粉碎机构，力求有较好的捡拾粉碎效果。

3）碎料输送和压缩机构等主要构件的结构参数优化。

通过参数优化和试验研究，寻求秸秆输送和压缩成型稳定工作的参数范围，获得秸秆成型所要求的最佳结构参数。

4）打结机构分析与选择。

对秸秆打结机构进行动作分析，选择打结效果好、效率高的打结器。

5）秸秆打捆成型设备的设计。

采用先进的三维造型软件Solidworks或UG（Unigraphics）设计主要零部件，并进行虚拟装配，优化零部件结构。

2、本课题要重点解决的关键问题：

1）秸秆打捆过程各键部件的传动关系

秸秆打捆关键部件的传动关系是进行打捆设备设计的基础，因此对其工作原理和影响参数的定量研究能够显著推进这一领域的技术进步。

2）秸秆捡拾粉碎机构设计

秸秆捡拾粉碎机构是秸秆打捆环节的第一步，秸秆粉碎捡拾机构应确保捡拾秸秆干净、残留物少，同时将捡拾到的秸秆粉碎，以保证秸秆能够顺利输送。

拟采用Y形甩刀滚筒式结构，实现捡拾和粉碎同时进行。

3）碎料输送机构设计

秸秆的碎料输送是秸秆打捆环节的第二步，应保证将捡拾到的秸秆能全部输送到压缩室。

碎料输送拟采用绞龙与离心抛送机组合机构，以保证输送效果。

4）压缩机构与密度控制机构设计

该机构是将输送来的物料压缩成要求的密度，拟采用曲柄滑块机构带动压板将碎料压缩。

5）打结机构选取

该机构是将压缩成型的秸秆打结成捆。

该机构应保证打结迅速可靠。

三、拟采用的研究方法、技术路线、试验方案、可行性分析及研究进度安排：

1、研究方法、技术路线及试验方案：

本课题拟采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的研究方法。

理论分析：

根据秸秆打捆要求实现的功能，理论分析秸秆打捆关键环节的运动状况，建立秸秆打捆成型各机构的对应关系。

数值模拟：

对秸秆拾取粉碎装置、碎料输送装置和碎料压板等部件进行计算机仿真分析，寻求最佳设计参数和结构形式，得到主要零部件参数对秸秆打捆性能和生产能力的影响规律，获取秸秆打捆成型稳定工作的参数范围。

试验研究：

采用根据结构参数优化结果，进行试验，检验各机构的运动状况和工作效果，以此对结构进一步改进。

采用理论分析和试验相结合的方法，研究结构参数对秸秆打捆性能和生产能力的