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-毕业设计（论文）-凸轮滚筒式残膜回收机的设计（全套图纸三维）16 届毕业设计凸轮滚筒式残膜回收机学生姓名 学 号 所属学院 机械电气化工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化班 级 16-1 指导老师 日 期 2016 .05 塔里木大学机械电气化工程学院制前 言地膜的大力推广使用明显提高了土壤的温度、保持了土壤水分、维持了土壤的结构、并且有效的防止了害虫对农作物的侵害，因此地膜的广泛使用得到了大面积农田的普及并极大地促进了我国农业经济的发展速度。但是由于地膜在土壤中的大量残留和无法有效的清除，形成的残膜很难降解，这给生态环境造成巨大污染并且严重的危害了农业的安全生产性和农业生态环境的污染。为了有效的解决残膜容易破碎、造成难以有效回收以及在作业过程中将秸秆与残膜相互缠扰而无法清除的问题，本次设计主要通过分析并结合理论对残膜回收机的收膜部件和清理装置，并结合国内外残膜回收技术的研究方法归纳以及经验总结的基础上，给与提出了依靠伸缩杆来实现自动刷膜的方法理论计出了伸缩杆式残膜回收机。关键词：捡拾；地膜；凸轮全套图纸加153893706-第 13 页目 录 1概述1 1.1意义2 1.2我国目前地膜的农用情况3 1.3国内残膜回收机状况42设计的基本结构、原理及其技术要求6 2.1凸轮滚筒式残膜回收机的技术关键6 2.2残膜回机收起膜尺上的载荷83轴的设计和校核9 3.1轴一的设计9 3.2轴二的设计10 3.3轴的校核114带轮的设计135特殊零件的设计16 5.1刷膜板的设计16结 论17致 谢18参考文献19工程概况本文主要对收集膜装置进行改造和设计，设计中主要利用凸轮，滚筒，起膜铲，刷模板等。拖拉机在行进过程中起膜齿铲起薄膜，再经过起膜尺，起膜尺在滚筒的旋转过程中会转起薄膜，薄膜再被刷模板刷到集膜箱中，从而达到回收薄膜的目的。改造过程中要用到一些工具和方法，例如钳子，螺丝螺母，扳子，电焊等。设计过程中采用的软件是SolidWorks软件和CAD软件。 1概述 1.1意义农用塑料薄膜主要是用在温室塑料大棚的聚氯乙烯和用于地膜的聚乙烯等,都是聚乙烯烃类有机化合物,在自然条件下是很难降解的,在土壤中可存在200400年10。大量的残膜留在土壤中,导致农业环境境受到严重的污染,破坏了农田的生态环境,不仅影响了农作物对水分的吸收,而且影响种子发芽率和出苗率,造成种子的腐烂,使棉花幼苗等变黄变瘦,甚至会死亡,还影响农机具在田间作业的质量问题等。现在,我国每年对地膜的使用量基本达到8090万吨,据调查得知,由于地膜在自然条件下风吹变质、人为的踩踏和地膜过薄,厚度不够等因素所造成强度较弱致使在秋后田间会产生比较多的碎膜,而这些破碎的残膜很难回收的,每年残存在田野、土壤中的塑料薄膜至少占了供应总量的10%,从目前情况看，累积碎膜的残存量达到百万吨左右。 根据调查测算,连续覆膜30亩的棉田,地表大约有大小碎片,折算以后的残膜有52.1kg/hm2,耕层30cm内有残膜56.6块/m2,折算有残膜57.9 kg/hm2,两者合计有残膜110 kg/hm2。据黑龙江省农恳局环保部门测定得知，地膜残留在土壤中的含量达到58.5 kg/hm2左右,可使玉米的产量下降11%23%,农作物中小麦的产量下降9.0%16.0%,大豆的减产量达到5.5%9.0%左右,蔬菜的年均产量会下降14.6%59.2%;另外在新疆大面积的覆膜，根据新疆生产兵团142团最近几年对棉花的残膜量测定得知,如果连续覆膜24年而不回收土壤中的残膜,如果种小麦减产5%10%,种玉米将会减产15%20%左右,种棉花则产量下降20%25%。农田连续覆膜的时间越长,碎膜的残留量将会越多,则对农作物的产量影响将会越大。残留的地膜对农田生态环境的污染后果是非常严重的,如果不及时的治理,我们赖以生存和发展的土壤将不会再有更好的丰收,我们的子孙后代将会面对一场很大的灾难。综上所述，如果残膜长期得不到有效的回收和治理，将会造成我国农业生态环境的严重恶化。而且,我国地膜覆盖面积是如此之大，使得形势将会变得越来越严峻，使我们不得不尽快寻找新的解决办法。就我国国情而言，研制较稳定、可靠、性能比较完善的残膜回收机势在必行。国外残膜回收机现状在国外，地膜回收问题也一直是影响农业技术发展的一大难题。但在国外地膜覆盖种植技术的应用范围远远没有我国的深入广泛，而且他们一般都采用的是综合式治理技术，残膜对农田的危害和对农业生态环境的危害却没有我国的严重。国外采用的技术主要包括： （1）在稳定、可靠、性能方面的考虑，一般采用较厚，抗拉强度比较大的塑料薄膜。国外采用的塑膜厚度一般在0.03-0.06mm之间，这样有利于机械收膜，而且回收以后的地膜可以重复使用，可减少地膜的使用量，减小残膜对环境的污染。 （2）采用可以降解、没有毒害的薄膜。例如光解薄膜、生物降解薄膜及植物纤维等地膜。 （3）大力推广农业机械化回收地膜。美国、日本等一些发达国家很早从60年代就已经开始对地膜覆盖技术进行研制和并推广使用，其中日本在这方面的研制和推广成果最为突出的，美国等国家在残膜覆盖和地膜材料组成方面也作了比较多的环节。在残膜回收机械研制方面，由于国外实际应用的地膜厚度较大，地膜在回收时使用地膜的强度比较大。因而国外的地膜回收机都采用结构相对比较简单，主要是开沟器和滚筒等组成的，残膜成卷回收是为了减少对生态环境的污染和地膜进行二次使用。1972年Parry开发了一种残膜回收机，该地膜回收机在工作时能够把地表面的覆盖物全部卷在卷膜轮子上便于回收。1993年Sawyer研究了一种残膜回收机，该机构包含可使卷膜轮的线速度与回收机的作业速度相适应的装配机构。1995-1997年，Brooks开发了一种残膜回收机，该机构的主要是利用机械振动原理来实现地膜与土壤分离的，而且可以将地膜撕碎成小片以后处理成塑料球，便于回收利用。残膜的回收已经是全世界全国所面对的一个比较棘手的问题。英国研制并大力推广使用悬挂式残膜回收机已经很长时间了，该机械工作时松土铲将土撬起或者翻松，然后将地膜翻卷传送到金属网上。将收集起来的地膜清洗干净以便再次使用并减小对环境的污染。欧美等一些比较大的国家为了解决残留在土壤中的地膜对生态环境造成的危害，大力推广使用厚度较大，不易被风化的地膜，另外大力研制各种新型有机材料的地膜。1.2我国目前地膜的农用情况我们国家从20世纪60年代就开始使用地膜,将地膜种植的技术应用于蔬菜和水果类等农作物的生产,20世纪70年代在棉花等经济作物上已经大力推广使用,在最近几年小麦和玉米等农作物也大面积使用地膜，提高农业生产和经济效益。根据目前情况,我国的新疆、宁夏、陕西、黑龙江等寒冷地带和干旱半干旱地区,地膜覆盖技术已逐渐推广应用于多种农作物。我国对残膜回收有手工回收和机械化收膜，手工收膜时，不仅劳动强度大，地膜捡拾不够干净，费工收膜的效率较低，这样长年累月的残膜堆积会给农业生态环境带来严重的污染。相反，机械化收膜会克服人工收膜的这些不足，因此，研制并大力推广使用农业机械化残膜回收对我国生态环境的保护和可持续发展具有十分重要的意义。国内残膜回收机研究的现状根据残膜回收的时间先后顺序，我国的残膜回收机大致分为苗期残膜回收机和收获以后的残膜回收机。具体内容以下详细说明。苗期残膜回收机目前配合人工除草的残膜回收机的代表机械有以下几种：4TSM-4型悬挂式收膜机。该机是头水前揭膜机的代表机型。其结构简单，使用调整方便，工作可靠，残膜回收率较高6。MSM-3型苗期残膜回收机。该机具是由新疆农业科学院农机化所研制。它与小型或中型轮式拖拉机配套使用。CSM-130B型齿链式悬挂收膜机。它由新疆生产建设兵团农机推广站和134团研制。该机与中型拖拉机配套使用，苗期作业时可同步将地膜揭起并打成卷。它采用的无心圆捆卷膜新颖实用。MS-2型玉米苗期收膜机。它是由我国农业大学师生研制出的最好的玉米残膜回收机。该机型残膜回收率在85%以上，单机生产率在0.3hm²/h，伤苗率在1%以下，配套动力为18.38kW小四轮拖拉机。 1.3国内残膜回收机状况目前我国残膜回收机的主要收膜部件的结构形式有以下几种： （1)伸缩杆齿式捡拾滚筒(图1-1)该种收膜机构简单容易加工制造，造价相对偏低该机械对残膜的回收比较干净，如新疆145团农机推广站研并推广使用的2HMJ-3200残膜回收机7，此机械的收净率大约为80%，生产效率在0.5hm²/h左右，和该残膜回收机配套的小四轮拖拉机的输出动力大约为13.2kW。根据以上材料得知8，滚筒的转动时的最小速度应该大于71.5r/min，经过多次的实验和计算，120r/min是最佳的转速。1.伸缩齿 2.滚筒 3.偏心滚筒 4.拾起的残膜 5.土壤图1-1 伸缩杆齿捡拾机构示意图（2) 弹齿式拾膜部件(图1-2)由地轮和地面间的摩擦转动，并且地轮带动齿轮转动，该机械的结构复杂，造价相对偏高，对地膜回收比较干净。例如在黑龙江地区研制并推广使用的QS-2型残膜回收机，对地膜的收净率达到80%左右，这也是惊人的数据，生产率能够达到0.8hm²/h的效率，和该机械配套的小型四轮车的输出动力为13.2kW左右。根据多次的实验和计算得知9，在考虑残膜拉伸中的断裂情况和地轮下陷时地膜的滑移情况，残膜回收机的拔指弹齿与行走地轮之间的最适合的速度比应该为1.64左右。该速比不仅刚好把地膜挑起并拉紧，使土壤将地膜压紧，回收后的地膜干净便于二次使用，对减小污染和提高经济效益具有重要的意义。1.弹齿轮 2.滑道 3.弹齿 4.残膜 5.土壤图1-2 弹齿式拾膜部件示意图另一方面残膜回收机的推广使用还有赖于残膜的再生利用。由于回收残膜在短期内没有直接的经济效益，因此残膜回收机械是很难被农民接受使用的。因此，发展残膜回收机械除了要和常规作业结合起来发展残膜回收联合作业机，研制出结构简单，便于加工制造，造价较低之外，应考虑残膜的回收利用和对生态环境的污染问题，用农民销售地膜而得知的生产效率来推动残膜回收机具的推广使用和发展。只有这样，才能带动残膜回收机械的进一步发展，形成地膜使用、残膜回收和残膜再生中利用的在生态环境和提高农业经济发展的效益。总之，研制发展残膜回收机不但有明显的经济效益，而且具有巨大的生态效益，为可持续发展有很大的推动。 2设计的基本结构、原理及其技术要求 2.1凸轮滚筒式残膜回收机的技术关键主要收获的农作物：该残膜回收机主要用于清除棉花、玉米、高粱等覆膜农作物收获后地表所遗留的下来的地膜；配套的机械：该机械的配套动力以18.4-22.0kW（25-30马力）的中小型四轮拖拉机，在新疆地区若是多台机械连用时用大中型四轮拖拉机；主要结构：该机主要结构包括悬挂机构传动总成由传动箱箱、机架、起膜铲、滚筒、刷模板，凸轮滚筒，和集膜箱等重要部件组成，如图2-2所示:图2-1凸轮滚筒式残膜回收机机构示意图工作原理：该机在工作时采用凸轮滚筒的伸缩原理，动力由万向联轴器带动带轮再带动滚筒，滚筒将进行逆时针旋转。在拖拉机行进过程中，起膜铲将挑起薄膜，再由旋转的起膜尺缠住，经脱膜盘的高速旋转下，缠在滚筒上的残膜集于集膜箱中实现残膜回收的功能。凸轮滚筒机构的工作原理：如图(2-3)所示，凸轮滚筒机构工作时，万向轴带动带轮，带轮带动滚筒，凸轮固定不动，滚筒中的起膜尺将随着凸轮的的轮廓运动，在凸轮最高点时起膜尺将伸入土壤缠住薄膜，在最低点时起膜尺上的薄膜将被刷膜板收集，从而达到回收薄膜的目的。图2-2凸轮滚筒的工作原理图 2.2残膜回机收起膜尺上的载荷作用在起膜齿的载荷：一是周期载荷，捡膜滚筒回转 1 周，由起膜尺周期性地入土、出土时土壤阻力所产生的载荷，以及捡膜杆齿挑膜出土所产生的载荷；二是冲击载荷，即捡膜杆入土及出土后遇到棉根、棉秆阻力所产生的载荷；三是随机载荷，即土壤内或表面的石块所产生的载荷。残膜收机在一个工作周期中所受载荷情况。B1 、B2 为捡膜杆齿端点的入土和出土点，右边和左边的/2分别为入土角和出土角，为挑膜角。(1) 土壤载荷根据农业机械学中铧式犁的性能和土壤的特点对比分析建立模型，这些研究结果，根据该机械拔指的工作特点，引用文献1给出的公式，结合试验实测数据，得到捡膜杆齿入土运动过程中土壤载荷计算式为: 式中k1-k7为试验回归系数，k1=1.15，k2=1.12，k3=1.12，k4=0.055，k5=0.78，k6=0.065，k7=0.64； b起膜齿的直径； l起膜齿长度； Z起膜齿入土深度； 切削角； CI土壤的圆锥指数；土壤容重； 剪切速率因子； g重力加速度； v起膜齿运动速度。与一般耕作机械不同，拔指上的周期载荷不但来自于土壤中，还来自于土表以上。(2) 起膜尺的冲击载荷在残膜回收机捡膜杆齿出、入土捡膜过程中，会不断遇到棉秆及其根系，因其作用时间短而强度高，本文将其视为冲击载荷。棉秆及其根系对捡膜杆齿产生的冲击主要表现形式：一是捡膜杆齿将棉秆拔起；二是捡膜杆齿将棉秆及其根系折弯并滑过；三是捡膜杆齿将棉秆及其根系折断破坏。(3) 起膜尺的随机载荷起膜尺遇到石块是回收机最轻易发生的事情，碰撞的大小不仅和地面有关系，还和回收机的载荷有关系，即以概率 106所对应的载荷为最大载荷。设被试对象有 K 种典型工况，第i 种工况作业时间为Ti ，平均幅值变化率(频率权)为Fi，在这种工况下，每次载荷循环载荷幅值大于等于 SA的概率为Pi(SA)，在合成累积频次扩展到 106次时，i工况下载荷循环总频次为Ki×106。第 i 工况经Ki×106次循环，其幅值大于等于 SA的次数为： （4-1） 式中 Nai最小幅值；Nai特性参数；bi形状参数。在合成累积频次扩展到106次时，所有k中工况发生的幅值大于等于SA的总次数为起膜尺遇石块冲击产生的变形根据相对运动原理假设石块是运动的，具有速度 v ，沿水平方向撞击弹性体捡膜杆齿，根据能量守恒定律，在冲击过程中，冲击能量(Em)转化为弹性体的变形能（ U ），杆齿碰到石块弯曲时的力学模型为 (4-2)式中：E材料的弹性模量； I惯性矩， d齿长度及直径； km石块的计算质量，m为石块的质量，k是石块在土壤中运动的阻力系数。 3轴的设计和校核 3.1轴一的设计表4-1轴的常用材料及主要力学性能材料及热处理毛坯直径mm硬度HBS强度极限/MPa屈服强度/MPa弯曲疲劳极限/MPa应用说明45正火100149 -187520270250有较好的塑性和适当的强度，可做一般曲轴、转轴等选取轴的材料为45碳素钢，正火处理。根据滚筒的转动速度得输出为, 3)求作用在轴上的力 已知轴的直径为=60。圆周力： （4-3）径向力： （4-4）法向力： （4-5） 4）初步确定最小直径没有特殊要求，选轴材料为45钢，调制处理，HBS为：217255 （4-6） 轴的结构设计拟定装配方案轴上由左到右顺序为轴端固定段-轴承段-滚筒，连接段根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度为了满足轴向定位要求，1轴段右端需制出一轴肩，故取d1=40，左端用轴端挡圈定位，按轴端直径取挡圈直径D=70。轴承与轴配合的轴孔长L1=20，为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上，而不压在轴的断面上，故12段的长度应比L1略短一些，现取L1=60，同理设计后面各段的长度。 3.2轴二的设计1）输入高速轴的， 2)求作用在齿轮上的力因为已知低速级小齿轮分度圆直径为 圆周力： 径向力： 法向力： 3）初步确定最小直径没有特殊要求，选轴材料为45钢，调制处理，HBS为：217255 4）轴的结构设计拟定装配方案轴上由左到右顺序为图4-1 轴的结构示意图 5）根据轴上是最小直径，轴头与V带轮相连，V带轮为非标准件，所以需要轴承确定最小径，轴承同时承受径向力和轴向力的作用，故选用单列滚子轴承。查手册图67可知选用30206型参数如下为：轴承d=50 D=80 T=17.25 B=19 C=15。6) 轴上零件的周向定位齿轮，V带轮均采用平键连接，按d=50，查得截面b×h=10×10,长为40配合为同样V带轮与轴的连接选用平键b×h=10×10长。 3.3轴的校核已知：，圆周力： 径向力： 取折合系数，代入上式得计算危险截面处轴 的直径轴材料为45号钢，调质处理，查得 ，查的许用弯曲应力 ， 考虑到键槽对轴的削弱，将d值加大4，故取该轴径为50，轴一为低速轴，合适，安全。已知：，圆周力： 径向力： 作用在轴左端带轮上外力: 垂直面的支承反力水平面的支承反力F力在支点产生的反力 外力F作用方向与带传动的布置有关，在尚未确定具体布置前，可按最不利情况考虑。绘垂直面的弯矩图绘水平面的弯矩图F力产生的弯矩 4带轮的设计1）已知：发动机转速,经换向器后输出功率,2）确定计算功率查得工作情况系数, 故 3）选窄V带型号根据、选用B型带。4） 求大小带轮基准直径、并演算带速Va)初选小带轮的基准直径，应不小于75，现取 （5-1）b)验算带速计算带的速度 （5-2） 因为，故带速适合。 5） 初步选取中心距 （5-3）取符合带长 对A型带选取， 则实际中心距 则 中心距的变化范围是。 6）验算小带轮包角 由式 所以符合要求。 7）计算带的根数 （5-5） 令， 查表得 传动比 查表得 由 查表13-7得 查表得 由以上结果可得 取2根带。 8）求作用在带轮上的压力 得 q=0.17kg/m,单根的拉力为： 作用在轴上的压力 9）带轮结构设计 小带轮毂孔径 小带轮基准直径 ， 故小带轮采用实心式，大带轮采用腹板式。 a）小带轮 其中： b）大带轮 由于大带轮与轴二连接，故应先估算轴二的直径。 轴的估算如下：初选材料为45号钢，调质，由于轴既传递转矩又承受弯矩，得 取，且， 则大带轮的参数如下： 5特殊零件的设计 5.1刷膜板的设计橡胶是具有可逆形变的高弹性聚合物材料，在室温下富有弹性，在很小的外力作用下能产生较大形变，除去外力后能很快恢复原状。刷膜板将采用表面光滑的橡胶板，不仅富有弹性，而且不沾膜，能达到很好的脱膜效果，结构设计如图5-2所示在本次设计中，刷模板采用橡胶板，不仅弹性大，容易发生塑性变形，在生产时用比较光滑的橡胶板，不沾膜，达到易卸膜的效果。