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屆畢業(yè)設(shè)計(jì)
分區(qū)式殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)
工程學(xué)院制
前 言
是一個(gè)棉花種植大省，隨著時(shí)間的積累，塑料殘膜對(duì)棉田地的污染越來越嚴(yán)重。解決殘膜
污染問題已成為當(dāng)下重中之重。為了提高殘膜的回收效率，并結(jié)合棉田地貌特點(diǎn)以及國內(nèi)外對(duì)
殘膜回收機(jī)械的研究現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一款分區(qū)式殘膜回收機(jī)械，該機(jī)械降低了收膜過程中殘膜的破損
程度，提高了殘膜回收的效率。
本文首先敘述了目前我國殘膜污染的現(xiàn)狀，闡述了本文選題的目的、意義及選題背景。通過對(duì)
國內(nèi)外殘膜回收機(jī)機(jī)械的研究比較，借鑒了現(xiàn)有殘膜回收機(jī)械的優(yōu)點(diǎn)，避免了以往殘膜回收機(jī)械的
不足。運(yùn)用了solidworks 和 cad 軟件對(duì)分區(qū)式殘膜回收機(jī)械進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)。重點(diǎn)研究了收膜裝置。其次，對(duì)牽引裝置的速度和收膜裝置進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過 origin 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了牽引速度在4.5km/h，滾齒長度為 80mm 的時(shí)候?yàn)樽罴呀M合，殘膜回收率可以達(dá)到 90%以上。最后總結(jié)了本論文的創(chuàng)新點(diǎn)和設(shè)計(jì)成果。
關(guān)鍵詞：殘膜回收；機(jī)構(gòu)；牽引速度；殘膜回收機(jī)
目 錄
1 緒論 1
1.1 課題研究的意義 1
1.2 國內(nèi)外殘膜回收機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀 1
1.3 國內(nèi)外殘膜回收機(jī)械存在的問題 2
1.4 研究的內(nèi)容和目標(biāo) 3
2 分區(qū)式殘膜回收機(jī)的框架設(shè)計(jì)與切膜裝置的研究 3
2.1 分區(qū)式殘膜回收機(jī)整體的框架研究 3
2.2 切膜裝置的研究 5
3 分區(qū)式殘膜回收機(jī)起膜裝置的設(shè)計(jì) 10
3.1 起膜裝置在收膜過程中的作用 10
3.2 起膜鏟的外形結(jié)構(gòu)及參數(shù)計(jì)算 10
3.3 土壤對(duì)起膜鏟鏟面的作用力 14
4 分區(qū)式殘膜回收機(jī)收膜裝置的設(shè)計(jì) 15
4.1 收膜裝置的作用 15
4.2 殘膜回收裝置的整體設(shè)計(jì) 15
4.3 集膜箱的設(shè)計(jì) 18
5 牽引速度與收膜輥軸的校核 18
5.1 牽引速度對(duì)回收率的影響 18
5.2 收膜輥軸的校核 18
總 結(jié) 22
致 謝 23
參考文獻(xiàn) 24
1緒論
1.1 課題研究的意義
1.1.1 地膜覆蓋技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的作用
（1）使有限的積溫升高，保護(hù)幼苗免受低溫凍害。
（2）有效地防治了害蟲的入侵，減少了雜草的生長，從而提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量。
（3）防止了水分的大量蒸發(fā)，保持了土壤中的充足水分，增強(qiáng)了農(nóng)作物的抗旱能力。
1.1.2 殘膜污染帶來的問題
（1）殘膜破壞了土壤的原有結(jié)構(gòu)和平衡
我國目前大部分地區(qū)使用的殘膜為聚乙烯（PE）和聚氯乙烯(PVC) 。由于殘膜回收不完整，造成了大量的殘膜碎片混入了土壤之中。
（2）殘膜降低了農(nóng)業(yè)機(jī)具的工作效率和工作質(zhì)量
地膜殘留量的 80%-90%都?xì)埩粼谔锏氐谋砻嬷?15 厘米深的土層內(nèi)。都塞農(nóng)具，造成播種不均，施肥不勻，殘膜纏繞農(nóng)具等嚴(yán)重的問題，影響了農(nóng)業(yè)機(jī)具工作的效率和連續(xù)性。
（3）殘膜減少了農(nóng)作物的畝產(chǎn)量
每公頃土地的地膜殘留量超過 189 千克時(shí)，玉米每公頃減產(chǎn)9420千克，產(chǎn)率達(dá)到 8.8%；蔬菜減產(chǎn) 9%-10%；棉花減產(chǎn) 5%-8%。
（4）殘膜影響了農(nóng)村的鄉(xiāng)土風(fēng)貌
（5）殘膜危害了牲畜的生命健康
1.1.3 殘膜污染的治理
（1）提高地膜的質(zhì)量，改變現(xiàn)在廣泛使用的地膜厚度。
（2）加大殘膜回收機(jī)械的研制與改良，使地膜回收工作更高效、更環(huán)保。
（3）加強(qiáng)對(duì)一些新的可降解地膜的研究與推廣利用，從而減少普通地膜的使用。
1.2 國內(nèi)外殘膜回收機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀
1.2.1 國外殘膜回收機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀
（1）英國和前蘇聯(lián)主要采用懸掛式回收機(jī)。
（2）以色列在殘膜回收方面的研究起步比較早，主要是利用收卷的方式來收膜，因?yàn)橐陨惺?
用的地膜較厚，強(qiáng)度較大，覆蓋時(shí)間段，所以地膜收凈率非常高。
（3）美國主要采用卷膜式的殘膜回收機(jī)械，利用卷膜滾將地膜從地表卷起。
（4）歐洲國家主要采用高強(qiáng)度，耐老化的地膜。另一方面他們積極研制可降解免收地膜。
1.2.2 國內(nèi)殘膜回收機(jī)發(fā)展?fàn)顩r
目前我國所使用過和理論研究度過的殘膜回收機(jī)按殘膜回收的時(shí)間劃分分為三類：
1.2.2.1 苗期殘膜回收機(jī)械
(1) CSM-130B 型齒鏈?zhǔn)綉覓焓漳C(jī)
(2) MSM-3 型苗期殘膜回收機(jī)
(3) 卷膜式棉花苗期殘膜回收機(jī)
(4) 棉花苗期地膜回收機(jī)
1.2.2.2 秋后殘膜回收機(jī)械
(1) 膜稈分離處理的機(jī)型
a.4SJ-1.6 殘膜回收與莖稈粉碎聯(lián)合作業(yè)機(jī) b.SMS-1500 型秸稈粉碎與殘膜回收機(jī)
c.棉稈集條與殘膜回收聯(lián)合作業(yè)機(jī) d.拋送式棉稈粉碎還田機(jī)
(2) 殘膜與秸稈不做處理的秋后殘膜回收機(jī)
a.1MC-70 型農(nóng)田殘膜回收起茬機(jī) b.4CM 系列殘膜回收整地機(jī)
c.彈齒式收膜機(jī) d.梳齒滾筒式殘膜回收機(jī)
1.2.2.3 春播前殘膜回收機(jī)械
(1) CMJ-5 型春秋兩用密排彈齒式殘膜回收機(jī)
(2) IMS-450 型彈齒摟膜機(jī)
(3) 夾持式殘膜回收機(jī)
(4) 4MQ-1.5 型吸氣式殘膜回收機(jī)
1.3 國內(nèi)外殘膜回收機(jī)械存在的問題
（1）作業(yè)功能單一，作業(yè)環(huán)節(jié)較長，殘膜回收率低，且回收后的殘膜潔凈度極差。
（2）機(jī)具作業(yè)速度較低，因而導(dǎo)致生產(chǎn)率底下，經(jīng)濟(jì)效益不明顯，且回收時(shí)間較長，機(jī)具作業(yè)適應(yīng)性和可靠性較差，難以發(fā)揮機(jī)具效率。
（3）對(duì)已耕松的農(nóng)田造成機(jī)械壓實(shí)，可改為播種前整地時(shí)使用殘膜回收機(jī)械。
（4）耕前的殘膜都較碎小，難以揀拾，目前國內(nèi)與其配套的絕大多數(shù)是中型輪式拖拉機(jī)，在動(dòng)力儲(chǔ)備方面均是較弱環(huán)節(jié)。
1.4研究的內(nèi)容和目標(biāo)
1.4.1 分區(qū)式殘膜回收機(jī)的工作原理
機(jī)具與拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛聯(lián)接，作業(yè)時(shí)拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)置于懸浮狀態(tài)，該分區(qū)式殘膜回收機(jī)上的四個(gè)邊架將該分區(qū)式殘膜回收機(jī)分為中間收膜部分和兩邊收膜部分。在四個(gè)邊架上裝有切膜盤，將在距離棉桿根部 20mm 處的薄膜切開，安裝在兩邊架之間的收膜裝置將切斷的兩壟之間的殘膜回收起來。對(duì)于收取邊膜的部分也是同樣在拖拉機(jī)的牽引下，切膜盤將薄膜在距離棉桿根部20mm 的地方切斷，然后起膜鏟將埋在土里的邊膜鏟于地表，通過邊膜引導(dǎo)裝置，將其與中間膜一起匯聚在收膜裝置上，通過收膜裝置將膜回收到收集箱里面，待拖拉機(jī)到達(dá)田間地頭的時(shí)候，液壓系統(tǒng)將分區(qū)式殘膜回收機(jī)提升起來進(jìn)行卸膜，完成一次收膜過程。
1.4.2 分區(qū)式殘膜回收機(jī)整體的框架
此分區(qū)式殘膜回收機(jī)的整體框架，采用可以調(diào)整位置的卡盤連接，目的是適應(yīng)不同的種植寬度，
做到一機(jī)多用，減少原材料的浪費(fèi)和降低同時(shí)也可以更好的滿足農(nóng)機(jī)為農(nóng)藝服務(wù)的要求。
1.4.3 切膜裝置的研究
考慮沙土地土質(zhì)松軟和地膜的物理特性，在切膜中不容易把膜切斷，使地膜發(fā)生拉長變形不利
于邊膜的回收，切膜圓盤的外邊緣設(shè)計(jì)成刀刃形式，減少切盤與地膜的接觸面積，增大了切割力,保證了地膜之間的徹底切斷。
1.4.4 起膜裝置的研究
因?yàn)榇朔謪^(qū)式殘膜回收機(jī)不僅要收取兩壟之間的地膜，還要收取壓在土里的邊膜。所以對(duì)于起
膜裝置的設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵問題，在實(shí)驗(yàn)過程中調(diào)整起膜鏟與地表之間的角度，在實(shí)驗(yàn)過程中找出能使埋于土地下面的邊膜盡可能多的裸露在地表，這樣就為后邊的收膜提供了一個(gè)良好的條件。
1.4.5 收膜裝置的研究
收膜裝置是分區(qū)式殘膜回收機(jī)的核心，此分區(qū)式殘膜回收機(jī)采用的是地輪帶動(dòng)橡膠輥的收膜裝置。在收膜作業(yè)的過程通過地輪行走，帶動(dòng)橡膠輥轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而將殘膜卷起，放入后面的收集箱。
2分區(qū)式殘膜回收機(jī)的框架設(shè)計(jì)與切膜裝置的研究
2.1 分區(qū)式殘膜回收機(jī)整體的框架研究
2.1.1 機(jī)架在殘膜回收作業(yè)過程中的作用
該分區(qū)式殘膜回收機(jī)的機(jī)架主要有兩個(gè)部分組成，一部分是牽引架，另一部分是支架。在工作
的工程中，牽引架與拖拉機(jī)采用三點(diǎn)懸掛式連接，這種懸掛的連接方式機(jī)動(dòng)性好，可以非常方便的將機(jī)具升起、降落，對(duì)殘膜的收取和卸膜工作有很大的益處。對(duì)于支架部分，一共有四條支架，內(nèi)邊架兩個(gè)，外邊架兩個(gè)。邊架與牽引架的連接是通過 U 型卡螺栓與螺母將支架與牽引架緊固接。在支架尾端上用U型卡螺栓和螺母安裝一個(gè)支撐架，用來安裝收膜膠輥，在收膜膠輥后面稍低位置在安裝一個(gè)收集箱，用來裝殘膜。同時(shí)也為后期的卸膜帶來了很大的方便。
圖2-1 分區(qū)式殘膜回收機(jī)的整體機(jī)構(gòu)示意圖
1.切膜盤 2.連接桿 3.機(jī)架 4.鏈接卡座 5.回收輥軸
6.鏈條 7.集膜箱 8.地輪 9.引導(dǎo)裝置 10.起膜鏟
圖2-2 分區(qū)式殘膜回收機(jī)的整體機(jī)構(gòu)示意圖
2.1.2 通過研究確定機(jī)架的參數(shù)
為了能夠更好的完成收膜工作，使分區(qū)式殘膜回收機(jī)在田間收膜的時(shí)候更穩(wěn)定，更高效。在理
論研究下最終確定了機(jī)架的相應(yīng)參數(shù)：
牽引架：50x80mm 的方鋼，長度為 1500mm
三點(diǎn)連接裝置：厚為 5mm，寬為 50mm 的鋼板
U 型卡：10mm 的 U 型螺栓
支架：50x50mm 的方鋼，長為 2000mm
螺栓：直徑為 10mm，長為 40mm
螺母：直徑為 10mm
2.2 切膜裝置的研究
2.2.1 切膜裝置的作用
為了能夠更簡單高效的完成收膜作業(yè)，本分區(qū)式殘膜回收機(jī)添加了圓盤式切膜裝置，在殘膜回收機(jī)工作的時(shí)候，先由切膜裝置以作物壟上膜為界限將殘膜切割成為中間膜和邊膜。這種分開的好處有兩點(diǎn)：一是可以縮短收膜的時(shí)間，因?yàn)橛眠@種分區(qū)式殘膜回收機(jī)不會(huì)受作物秸稈處理與否的影響，這樣就可以提前一段時(shí)間進(jìn)行收膜，也就減縮短了外力對(duì)殘膜破壞的時(shí)間，相比之下提高了殘膜的完整程度，對(duì)殘膜的回收大有益處。二是該切膜裝置把殘膜分開，跳過破損最嚴(yán)重的壟上膜，去除秸稈等外力對(duì)中間膜和邊膜的破壞，因此使殘膜回收率大大的提高。
2.2.2 切膜裝置的整體設(shè)計(jì)
（1）考慮到地區(qū)的土質(zhì)多為沙土地，這種土壤相對(duì)較疏松，所以在切膜的過程中采用圓盤式切刀，這種圓盤式切刀可以減少與塑料薄膜的接觸面積，從而加大了圓盤切刀對(duì)塑料薄膜的切割力。
（2）塑料薄膜這種物質(zhì)本身的性質(zhì)決定了塑料薄膜在有壓力、拉力的作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的形變，為了使塑料地膜能夠徹底的被切開，在理論研究下最終確定圓盤切刀的直徑為340mm，這個(gè)尺寸的圓盤切刀完全大于塑料薄膜的最大形變量，也就可以保證殘膜被徹底切斷，為后續(xù)工作提供了良好的條件。
（3）切膜機(jī)構(gòu)主要是有以下幾部分組成：切膜圓盤、軸承座、軸承、軸承端蓋、軸、鋼管、螺栓、螺母、彈簧。在切膜圓盤與軸承端蓋相對(duì)應(yīng)的地方打孔，然后將軸承座、軸承、軸承端蓋、軸、切膜圓盤在螺栓和螺母的緊固下組成一個(gè)圓盤機(jī)構(gòu)，然后將突出來的軸與鋼管在螺栓與螺母的緊固連接組成一個(gè)完整的切膜機(jī)構(gòu)。在切膜的過程中為了圓盤切刀不損失切割力，所以要求切膜圓盤要進(jìn)行純滾動(dòng)。圓盤切刀做純滾動(dòng)的另一個(gè)好處就是減少了塑料薄膜的纏繞和拖拉塑料薄膜，從而降低了對(duì)收膜機(jī)構(gòu)的影響。
（a） (b)
圖 2-3 分區(qū)式殘膜回收機(jī)切膜裝置
（4）圓盤切刀在切膜的過程中主要是切向力和徑向力對(duì)殘膜進(jìn)行作用，而起到關(guān)鍵性作用的是
徑向力，使殘膜達(dá)到最大形變，進(jìn)而產(chǎn)生斷裂。對(duì)于圓盤切刀的切向力和徑向力主要是由機(jī)架的重
力和切膜機(jī)構(gòu)的重力提供的。為了增加圓盤切刀的耐磨能力和切膜時(shí)的鋒利程度，減少切膜時(shí)和行走時(shí)的阻力，圓盤切刀的材料選擇為 3mm 厚的 65Mn 鋼板。
（5）在在兵團(tuán)的團(tuán)場里絕大多數(shù)采用機(jī)采棉的方式進(jìn)行收割，這種方式收獲的非常開，收取效率極高。機(jī)采棉過后地里剩下的部分棉桿大約 20—30cm。另一種收獲方式就是地方上的棉田大部分采用人工彩棉的方式進(jìn)行收取，這樣可以保證棉花的纖維長度，保證棉花的等級(jí)。這種彩棉只是把棉花摘取掉，棉桿完全沒有變化。這類棉桿大約 50—70cm之間。為了能夠更好的完成收膜工作，本殘膜回收機(jī)主要采用彈簧套管螺栓連接，這樣在不同的地里環(huán)境可以方便對(duì)切膜裝置的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到理想的收膜效果。
2.2.3 圓盤切刀在切膜過程的力學(xué)特征分析
為了能夠更好的利用圓盤切刀的切削性能，提高在切割過程中殘膜的切斷率，減少切割過程中
圓盤切刀的磨損，所以要對(duì)圓盤切刀進(jìn)行相應(yīng)的力學(xué)分析。
在切割的過程中的某一時(shí)刻圓盤邊緣 A 點(diǎn)的受力分析如圖所示：
圖 2-4 切膜過程中圓盤邊緣的受力圖
-圓盤切刀的角速度
R-圓盤切刀的半徑
-圓心到切點(diǎn)的方向與豎直方向的夾角
G-圓盤在 A 點(diǎn)的重力
F-摩擦力
-機(jī)架對(duì) A 點(diǎn)的壓力
-殘膜及外界對(duì) A 點(diǎn)支持力
對(duì)于圓盤切刀在切膜過程中最主要的是收兩個(gè)力的影響，一個(gè)是延切線方向的切力，另一個(gè)就是垂直殘膜的徑向力，因此將在 A點(diǎn)的所有力合成為切向力和徑向力如圖所示：
圖 2-5 切盤邊緣點(diǎn)延切線和徑向的合力圖
- 徑向力
-切向力
圓盤切刀在切割地膜的過程中，對(duì)于 A 點(diǎn)來說是圓盤切刀與地膜之間的相互作用，所以根據(jù)作用力與反作用力的關(guān)系可以得出殘膜在 A 點(diǎn)受力圖：
圖 2-6 殘膜在 A 點(diǎn)的受力圖
對(duì)于圓盤切刀在工作的過程中，作為工作對(duì)象的殘膜兩端分別有棉桿和土壤將其固定。切膜時(shí)
圓盤切刀的切向力（Ff ′）對(duì)殘膜進(jìn)行滑切，因此滑切力對(duì)殘膜的作用較小。對(duì)殘膜切割過程起到關(guān)鍵性作用的是徑向力（FN′），主要是通過徑向力是殘膜在徑向上產(chǎn)生最大的形變量（即斷裂）來是殘膜破整為零，因此完成了殘膜切割任務(wù)。
把地膜所受的切向力和徑向力延水平方向和豎直方向可以分解為 Fx 和 Fy，在切割的某一時(shí)刻，可以得到下面的關(guān)系式：
(2-1)
(2-2)
2.2.4 圓盤切刀的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
在收膜的過程中拖拉機(jī)牽引車的速度是一定的，又因?yàn)閳A盤切刀中心的六個(gè)自由度都被限制，所以圓盤切刀的中心與機(jī)架一樣做勻速直線運(yùn)動(dòng)，用 表示，圓盤切刀的半徑為 R。為了圓盤刀能夠更好完成收膜切膜工作，現(xiàn)對(duì)圓盤凄然道邊緣上任意一點(diǎn) P 遠(yuǎn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)方程、速度及加速度進(jìn)行分析。
取直角坐標(biāo)系 如圖所示，令 t=0 時(shí)，圓盤切刀邊緣點(diǎn) 在坐標(biāo)系原點(diǎn) 處，此時(shí)圓盤切刀的中心點(diǎn) 在 處設(shè)在某個(gè) t 時(shí)刻，圓盤切刀的邊緣點(diǎn) 和圓盤切刀的中心點(diǎn)的位置如圖所示：
圖 2-7 圓盤邊緣點(diǎn)在工作過程中的速度示意圖
由于圓盤切刀在切膜過程中做純滾動(dòng)，又因?yàn)閳A盤切刀的圓心以速度 做勻速直線運(yùn)動(dòng)所以有
下式：
（2-3）
建立運(yùn)動(dòng)方程 P 點(diǎn)的坐標(biāo)為：
（2-4）
（2-5）
上面（2-4）（2-5）式就是圓盤切刀邊緣點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的參數(shù)方程，也就是邊緣點(diǎn)的擺線，其運(yùn)動(dòng)
軌跡如上圖所示，P 點(diǎn)的速度 V 延擺線的切線方向?，F(xiàn)將 P 點(diǎn)的速度延水平方向投影的得 Vx，延豎直方向投影可得 Vy。
先對(duì)（2-4）（2-5）式分別對(duì)時(shí)間求一階導(dǎo)數(shù)可得：
（2-6）
由此可以得到速度 P 點(diǎn)的矢量方程：
（2-7）
對(duì)速度 V 求絕對(duì)值可得：
（2-8）
由（2-8）說明速度的大小等于點(diǎn) P 至車輪最低點(diǎn)的距離和角速度的乘積，指向（或背向）車輪的最高點(diǎn)。
對(duì)分區(qū)式殘膜回收機(jī)圓盤切刀的邊緣點(diǎn) P 進(jìn)行加速度 a 的求解，將加速度 a 分別向水平方向和豎直方向進(jìn)行投影可得：
（2-9）
由加速度是速度對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)，是位移為時(shí)間的二階導(dǎo)數(shù)，因此可以得到：
（2-10）
（2-11）
加速度的大小為：
（2-12）
將（2-11）（2-12）式帶入（2-13）式可得：
（2-13）
即 P 點(diǎn)的加速度大小為 ，也就是圓盤切刀在收膜的過程中，邊緣點(diǎn) P 僅有法相加速度，方向指向圓盤中心 A。
3 分區(qū)式殘膜回收機(jī)起膜裝置的設(shè)計(jì)
3.1 起膜裝置在收膜過程中的作用
（1）起膜裝置在工作的過程中，起膜鏟伸入地膜下邊，將地膜拱起，將地膜從土壤下邊鏟于地表，同時(shí)可以把地膜與棉桿根部分開，這樣就為收膜裝置提供了方便的收膜條件。
（2）此起膜裝置不僅起到了將邊膜鏟于地表，它還可以起到松土的功能，這是由起膜鏟的結(jié)構(gòu)
決定的，起膜鏟的中間高，兩邊低。在工作的過程中，將壓在地膜上邊的硬土壤鏟起，使其松動(dòng)，
然后隨著牽引車的運(yùn)動(dòng)，起膜鏟上的土壤就會(huì)向兩邊滑落，使硬土塊成為疏松的碎土，因而產(chǎn)生了
松土的效果，這樣可以為后邊的收膜工作打下了良好的基礎(chǔ)。
（3）起膜結(jié)構(gòu)的核心部件就是中間高兩邊低的倒八字鏟，在將把地膜鏟于地表的同時(shí)，還可以鏟斷土壤里的雜草，棉桿根的功能，因?yàn)檎怯羞@些雜草等物質(zhì)的存在，常會(huì)使起膜機(jī)構(gòu)在起膜的過程中產(chǎn)生壅土現(xiàn)象，輕者影響地膜的回收效率，嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)阻礙分區(qū)式殘膜回收機(jī)的工作，由于八字鏟中間高兩邊低的特點(diǎn)，可以及時(shí)將鏟面上的土壤向兩邊滑落，這樣就減少了土壤的擁堵，解決了因壅土問題而造成分區(qū)式殘膜回收機(jī)不能正常工作的現(xiàn)象。
3.2 起膜鏟的外形結(jié)構(gòu)及參數(shù)計(jì)算
3.2.1 起膜鏟最佳起膜方式的確定
分區(qū)式殘膜回收機(jī)在回收殘膜的過程中，要想將埋在土壤里的邊膜從土壤中很好的回收起來，那么就需要將覆蓋在邊膜上的土壤全部鏟起，這樣在機(jī)具向前移動(dòng)的過程中，因?yàn)槠鹉ょP是中間高
,一邊到另一邊逐漸降低的形狀，所以覆蓋在殘膜上的土壤就會(huì)從塑料殘膜上滑落下去，這樣埋在土壤里的殘膜就可以裸露于地表了，這樣就為后續(xù)的收膜工作打下了基礎(chǔ)。切膜圓盤為了順利完成切膜工作，其與棉根部的距離是 20—30mm。這樣切膜裝置可以可以順利的完成切膜任務(wù)，但是從棉的主根部還會(huì)延伸出來一些須根，這些須根比較長，而且因?yàn)轫毟容^柔軟，向下扎土的能力較差，所以棉桿的須根會(huì)延橫向線外延伸生長。這樣好做須根就很與埋在土壤下邊的邊膜纏繞在一起，從而影響邊膜的回收工作。為了解決這一問題，起膜鏟還需要擔(dān)負(fù)起切斷須根的任務(wù)，為后邊的收膜裝置做好準(zhǔn)備工作。
3.2.2 起膜裝置的外形結(jié)構(gòu)分析
起膜鏟在結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)對(duì)把地膜鏟于地表和鏟斷地膜纏繞連接的須根都起著非常重要的作用，
起膜鏟設(shè)計(jì)的好壞直接影響到整個(gè)分區(qū)式殘膜回收機(jī)對(duì)邊膜的回收效果。通過對(duì)國內(nèi)外起膜鏟方面
的文獻(xiàn)查詢，發(fā)現(xiàn)對(duì)起膜鏟相關(guān)描述說明是比較少的，只有簡單的說明了一下收膜裝置的前方放有
起膜鏟，起膜鏟放置的大體位置為前面高后面低。分區(qū)式殘膜回收機(jī)的起膜鏟是機(jī)架的左右兩側(cè)各
放一把，對(duì)稱放置。在拖拉機(jī)的牽引下，分區(qū)式殘膜回收機(jī)的起膜鏟隨著運(yùn)動(dòng)而進(jìn)入邊膜的下面，一方面鏟斷與邊膜纏繞的棉桿根部的須根，另一方面就是將邊膜從地下鏟于地表，為了能夠更好的分析研究分區(qū)式殘膜回收機(jī)的起膜裝置，把起膜機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成了分體的機(jī)構(gòu)，這個(gè)起膜機(jī)構(gòu)主要是由圓柱形的力臂和梯形的鏟板組成。因?yàn)榉謪^(qū)式殘膜回收機(jī)在起膜之前，是先要由切膜裝置將邊膜與棉桿根部距離 2-3cm 的地方切開，所以此起膜裝置主要是處理一些沒有被徹底切開的須根和把邊膜鏟于地表，對(duì)于主根系，起膜鏟是不用處理的，且起膜鏟與主根系是有距離的。這種切割方式可以延長起膜鏟的壽命，如果選用上磨刃的切割方式進(jìn)行切割，就會(huì)大大的縮短起膜鏟的使用時(shí)間，上磨刃的切割方式會(huì)使起膜鏟在很短的時(shí)間內(nèi)就被磨鈍，這樣一來就不能有效的切除須根的纏繞為了保證纏繞在邊膜上的須根順利被滑切，起膜鏟鏟板的放置與分區(qū)式殘膜回收機(jī)行進(jìn)的方向所成夾角不大于。根據(jù)以上分析，本課題把分區(qū)式殘膜回收機(jī)的起膜鏟設(shè)計(jì)成倒八字鏟。
圖 3-1 起膜裝置
圖 3-2 起膜鏟
3.2.3 起膜鏟中主要參數(shù)的研究
（1） 對(duì)起膜鏟鏟板刀刃長度（l）,收膜過程中的推土角（γ）和如圖角（λ）的研究確定。
圖 3-3 起膜鏟對(duì)須根的作用力示意圖
起膜裝置的鏟板作用在須根上的正壓力 N 為：
（3-1）
式中：P—代表起膜過程中，鏟板沿著殘膜回收機(jī)收膜方向?qū)毟淖饔昧Α?
須根在沿著鏟板刃口方向所受的力為：
（3-2）
阻止須根滑動(dòng)作用的摩擦力為：
（3-3）
式中：—起膜鏟鏟板刃口與須根之間的摩擦角。
在起膜機(jī)構(gòu)工作的過程中，要想使須根能夠沿著刃口的方向順利滑動(dòng)，那么就必須滿足的條件
是 F>T 。
通過(3-1) (3-2) (3-3)式可得：
（3-4）
設(shè)最小鏟板底刃長 l 按下面式子計(jì)算：
（3-5）
入土角λ可以按照下面公式計(jì)算：
( 3-6 )
在棉田地里，通過實(shí)地測量，邊膜入土深度大約在 50～80mm 之間，棉桿須根大約在 40mm 的
深度處對(duì)邊膜纏繞較多，對(duì)于從棉桿根部到邊膜的最邊緣的橫向距離大約在 80～120mm 之間，所以通過（3-5）可以得出最小的邊緣底刃為 150～200mm 之間，為了防止圓柱鏟臂在收膜的過程中產(chǎn)生壅土揭膜現(xiàn)象，所以將邊刃延長 30～50mm,所以根據(jù)公式（3-6）可以得出起膜鏟的鏟刃入土角度在 ～ 之間。
(2) 起膜裝置的鏟板的其他參數(shù)的研究確定
為了能夠降低起膜裝置對(duì)牽引車的阻力，就必須減小起膜鏟的鏟板沿收膜方向入土的投影面積。 起土角η和頂角φ的幾何關(guān)系如下：
（3-7）
（3-8）
在研究的過程中，入土角λ是必不可少的，同時(shí)也是可以確定的，因此起土角η則有下列計(jì)算公式
（3-9）
（3-10）
3.2.4 起膜鏟鏟臂的確定
起膜鏟的鏟臂用直徑為 30mm 的圓鋼做成，該鏟臂在與鏟板的結(jié)合處彎了一個(gè)弧度，這樣做的
目的是為了減小鏟臂在工作過程中所受的阻力，起膜裝置采用套裝的方式連接在一起的，在圓柱鏟臂的地方要把鏟臂加工一個(gè)與起土角η大小相等的角度，目的就是使起膜作業(yè)達(dá)到一個(gè)良好的效果。此外起膜鏟臂是通過套筒的方式在螺栓的緊固作用下與機(jī)架連接在一起的，這樣方便調(diào)節(jié)起膜鏟的高度，也可以使該起膜裝置適合于不同的地形。
3.3 土壤對(duì)起膜鏟鏟面的作用力
對(duì)于起膜鏟在進(jìn)入土壤的過程中，此時(shí)起膜鏟的鏟面于土壤之間就會(huì)發(fā)生相互擠壓的作用，在
鏟面的作用下，土壤就會(huì)發(fā)生剪切變形，所以根據(jù)力學(xué)的相關(guān)理論可知，起膜鏟鏟面主要受兩種力的作用。
（1）土壤對(duì)起膜鏟鏟面的摩擦力：
（3-11）
（2）法向的正壓力 N
圖 3-3 土壤對(duì)鏟板的作用力
將法向壓力 N 和摩擦力向工作方向（即水平方向）投影可得
(3-12)
N 的確定：通過查取相關(guān)資料和試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)入土壤的深度達(dá)到 400～500mm 之間時(shí)，這時(shí)大多數(shù)土壤的正應(yīng)力水平會(huì)接近一個(gè)查常量。δ0=90kn/m2,所以對(duì)于不同內(nèi)度，不同土壤狀況的正應(yīng)力，只需要用一個(gè)土壤狀況相關(guān)的系數(shù)ζ來調(diào)整，對(duì)于不同的土質(zhì)ζ的值不同，ζ可查相關(guān)資料取值?？傻玫讲煌寥浪艿恼龖?yīng)力為δ=ζδ0。設(shè)在起膜鏟在工作的過程中鏟板的有效面積為ω，在二面楔角時(shí)的有關(guān)受力分析時(shí)，可以得出土壤摩擦系數(shù) f=tanβ，對(duì)有效面積ω，即可認(rèn)為是起膜鏟的鏟板面積，所以：
（3-13）
—起土鏟鏟面面積；
—土壤狀況相關(guān)系數(shù)；
—土壤正應(yīng)力；
—土壤摩擦系數(shù)；
—土壤摩擦角；
—起膜鏟的起土角；
利用此公式在工作的過程中就可以對(duì)起膜鏟鏟面進(jìn)行牽引阻力的計(jì)算。
4 分區(qū)式殘膜回收機(jī)收膜裝置的設(shè)計(jì)
4.1 收膜裝置的作用
收膜裝置是采用地輪通過鏈條帶動(dòng)膠輥轉(zhuǎn)動(dòng)收膜，這樣在分區(qū)式殘膜回收機(jī)前進(jìn)的過程中，收膜裝置的膠輥就會(huì)在地輪的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣地表上的殘膜就會(huì)被收集到后面的集裝箱。分區(qū)式殘膜回收機(jī)的收膜裝置分為兩個(gè)部分，一部分是地輪帶動(dòng)膠輥裝置，另一部分是后面的集裝箱部分。在這過程中，中間殘膜裸露于地表，所以在收膜的過程中，不需要進(jìn)行特殊處理，兩邊邊膜因?yàn)閴涸谕晾锏?，所以這需要起膜鏟先將邊膜鏟于地表之后，然后通過人工輔助，將地膜的中間和兩邊部分通過膜的引導(dǎo)裝置匯聚到一起放到膠輥上，再通過拖拉機(jī)帶動(dòng)機(jī)械前進(jìn)，用地輪帶動(dòng)膠輥轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到收膜的目的。所以，對(duì)于分區(qū)式殘膜回收機(jī)在作業(yè)的過程中，起關(guān)鍵作用的就是收膜裝置。
4.2 殘膜回收裝置的整體設(shè)計(jì)
分區(qū)式殘膜回收機(jī)的收膜裝置主要包括引導(dǎo)裝置、橡膠輥、鏈輪、轉(zhuǎn)動(dòng)軸，支撐架等幾部分組成。
4.2.1引導(dǎo)裝置的設(shè)計(jì)
收膜裝置在工作的過程中，它是通過連接架與整個(gè)機(jī)架連接在一起的，機(jī)架向前運(yùn)動(dòng)的過程中，
則收膜裝置也就隨著開始收膜。在收膜過程中，我們知道因?yàn)榻斩挘迼U茬等原因會(huì)破壞地膜的完整，而此分區(qū)式殘膜回收機(jī)則需要盡量保持殘膜的完整型，負(fù)責(zé)會(huì)給回收帶來諸多的不變，因此我這起膜鏟后面到橡膠輥之間設(shè)計(jì)了一個(gè)引導(dǎo)裝置，通過引導(dǎo)裝置將邊膜匯聚到中間，這樣一方面可以讓邊膜匯聚成一股不至于斷掉，另一方面也方便橡膠輥的回收
圖 4-1 引導(dǎo)裝置
4.2.2 收膜裝置的設(shè)計(jì)
收膜裝置由橡膠輥，齒輪，鏈輪，支撐架，軸，主要零件是兩個(gè)直徑為174mm，長為800mm的橡膠輥，兩個(gè)橡膠輥通過地輪帶動(dòng)鏈輪，進(jìn)而帶動(dòng)齒輪配合轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到收膜的目的。
圖 4-2 收膜輥
圖 4-3 收膜裝置
4.2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本機(jī)型設(shè)計(jì)的小型地膜回收機(jī)與機(jī)組配套使用的拖拉機(jī)功率為22.1kw，考慮到地膜回收機(jī)需要?jiǎng)恿χС?。故本文設(shè)計(jì)了如圖 4-3 所示的動(dòng)力傳輸系統(tǒng)，該動(dòng)力傳輸系統(tǒng)主要是通過地輪與地面之間的摩擦力將動(dòng)力傳輸?shù)芥渹鲃?dòng)系統(tǒng)，再經(jīng)過鏈輪、齒輪傳輸?shù)绞漳ぱb置的夾膜輥軸，帶動(dòng)夾膜輥轉(zhuǎn)動(dòng)，時(shí)期完成回收作業(yè)。
圖 4-4分區(qū)式殘膜回收機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖
4.3 集膜箱的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)的集膜箱主要功用是盛放從收膜輥中出來的地膜，其設(shè)計(jì)要求為：具有足夠大的盛放容積，本文設(shè)計(jì)了一種上大下小抽屜式的集膜箱，其主要包括集膜箱壁、抽板和螺栓等組成，如圖 4-3 所示。它利用厚度為 3mm 的鋼板焊接而成，長度×寬度×高度=890mm×440mm×300mm，利用 4個(gè)20的螺栓固定于機(jī)架的尾部。當(dāng)收集的地膜放滿集膜箱時(shí)，靠人工拉動(dòng)集箱底部的抽板進(jìn)行卸膜。
圖 4-5 集膜箱
5 牽引速度與收膜輥軸的校核
5.1 牽引速度對(duì)回收率的影響
結(jié)合農(nóng)業(yè)機(jī)械在完成拾膜作業(yè)的實(shí)際要求來確定牽引速度： 要求回收率的最小值要
高于 75%，同時(shí)牽引速度不能太慢，否則會(huì)嚴(yán)重影響殘膜回收機(jī)的作業(yè)效率。因此其在雙因素試驗(yàn)過程中的范圍為2.5km/h—5.5km/h 之間。
5.2 收膜輥軸的校核
模型信息
材料屬性
載荷和夾具
算例結(jié)果
由分析得出最大應(yīng)力值在鍵槽處，最大應(yīng)力值為150.33 MPa，材料的屈服強(qiáng)度為320MPa，設(shè)計(jì)強(qiáng)度足夠，固膠輥軸滿足設(shè)計(jì)條件。
總 結(jié)
此次設(shè)計(jì)的任務(wù)是完成分區(qū)式殘膜回收機(jī)的設(shè)計(jì)。這是我們?cè)诖髮W(xué)期間所進(jìn)行的一次非常全面的設(shè)計(jì)，為自己在大學(xué)四年所學(xué)習(xí)知識(shí)的全面總結(jié)和鞏固，使我們初步了解和掌握做設(shè)計(jì)的基本步驟、基本方法，通過本環(huán)節(jié)把我們?cè)诖髮W(xué)期間所學(xué)課程中所獲得的理論知識(shí)在設(shè)計(jì)實(shí)踐中加以綜合運(yùn)用，把大學(xué)四年來所學(xué)的知識(shí)貫穿起來，使理論知識(shí)和生產(chǎn)實(shí)踐密切的結(jié)合起來，為我將來的實(shí)際工作打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
這是一個(gè)非常全面而系統(tǒng)的設(shè)計(jì)題目，非常鍛煉人。從方案的論證到最終的設(shè)計(jì)，涉及的領(lǐng)域包括：機(jī)械制圖，機(jī)械原理，工程材料，機(jī)械設(shè)計(jì)等等。通過設(shè)計(jì)實(shí)踐，提高我計(jì)算、制圖能力；使我們能熟練地應(yīng)用有關(guān)參考資料、計(jì)算圖表、手冊(cè)、圖集、規(guī)范，熟悉有關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)械方面知識(shí)得到系統(tǒng)的鞏固和提升。在進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的同時(shí)，我還學(xué)到了許多新的知識(shí)，如Solidworks，CAD2007的使用和WORD、POWERPOINT等軟件的應(yīng)用。
我深刻的認(rèn)識(shí)到，要想成為一名合格的工程設(shè)計(jì)人員只是掌握本專業(yè)的知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，應(yīng)該具有更加淵博的知識(shí)，如應(yīng)該對(duì)計(jì)算機(jī)應(yīng)用，農(nóng)產(chǎn)品的特性，農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀等各個(gè)方面能力進(jìn)行加強(qiáng)。
在設(shè)計(jì)過程中也曾遇到很多的問題，但通過查閱相關(guān)的書籍、手冊(cè)以及老師的精心指導(dǎo)，都得到了解決，設(shè)計(jì)過程基本順利完成。
致 謝
畢業(yè)在即，四年的大學(xué)生活已接近尾聲，經(jīng)過三個(gè)多月的努力，在馬少輝老師的悉心指導(dǎo)下，設(shè)計(jì)任務(wù)基本完成了。在撰寫論文期間，我要衷心的感謝我的指導(dǎo)老師馬少輝，從設(shè)計(jì)的選題、實(shí)施到撰寫、修改和定稿，馬老師均傾注了大量的心血。導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)、熱忱鼓勵(lì)不僅使我樹立了深遠(yuǎn)的學(xué)術(shù)目標(biāo)、掌握了基本的研究方法，還使我明白了許多待人接物與為人處事的道理。還有，導(dǎo)師淵博的專業(yè)知識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作作風(fēng)，誨人不倦的高尚師德，嚴(yán)以律己、寬以待人的崇高風(fēng)范，樸實(shí)無華、平易近人的人格魅力將使我終生受益。同時(shí)我還要感謝大學(xué)期間各位任課老師在學(xué)習(xí)上給予我的指導(dǎo)和幫助，感謝他們四年來的辛勤栽培，他們的關(guān)懷和熏陶讓我在這四年里收獲頗豐。
最后，也感謝和我一起學(xué)習(xí)的同窗朋友，他們給了我無數(shù)的關(guān)心和鼓勵(lì)，也讓我的大學(xué)生活充滿了溫暖和歡樂，感謝他們的陪伴與幫助，愿我們以后的人生都可以充實(shí)、多彩與快樂！
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