农用铺膜机设计.doc
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农用铺膜机设计.doc
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农用铺膜机设计
摘要:
根据农业发展需要,人力成本,工作效率,工作质量以及机械化程度的普及,本次设计的铺膜机可同时一次同步完成平地,开沟,展膜,铺膜,覆土等作业,保证铺膜的质量。
基本上能够满足当前的各种铺膜要求。
同时,本次设计的铺膜机结构简单,体积较小,成本低廉,效率高,实用性强。
关键词:
压膜;农用铺膜机;开沟犁;
DesignofAgriculturalPlasticFilmLayingMachine
Abstract:
Accordingtotheneedofagriculturaldevelopment,humanresourcecost,efficiency,qualityandlevelofMechanizationPopularization,thedesignofthefilmlayingmachineatthesametimeacompletesynchronizationflat,ditching,exhibitionoffilm,filmspreading,soilandotheroperations.Thedesignofthefilmlayingmachinehastheadvantagesofsimplestructure,smallvolume,lowcost,highefficiency,convenientuse,strongpracticability,convenientdisassemblyandtransportation,basicallycansatisfytherequirementsofcurrentvariousfilm.Useofdieseltraction,canbeafastandefficientcompletionofditching,exhibitionoffilm,film,film,coveringtheoperation,canensurethefilmquality.
Keywords:
Film;Agriculturalplasticfilmlayingmachine;Ditchingplow;
1前言
现今在我国很多地区,一些反季作物蔬菜等冬季保温种植广泛推广的一项技术是在耕整后的地面使用塑料薄膜覆盖。
耕整后采用地膜覆盖有提高土壤温度,减少土壤水分蒸发,防止杂草生长等好处。
地膜通常是黑色PE薄膜或透明,也有绿,银色薄膜,用于地面覆盖,以维持土壤结构,防止害虫侵袭作物和某些微生物引起的病害等,促进植物生长的功能。
当前,常用的铺膜机结构复杂,体积大,成本较高,如果用人工铺膜又会造成进度太慢,费工,劳动强度大,人力成本高。
这种情况的出现,就需要寻找一种低投资高效率易于普及的铺膜设备。
我国在20世纪70年代末才开始推广应用农用地膜,历史不长却发展很快。
如今,利用农用地膜进行促成栽培已成为农业生产中一项重要的栽培技术,收到了很好的社会和经济效益。
可以肯定,随着"一优二高"农业的不断深入发展,地膜的应用也总将会向着更广泛的方向发展。
国外农用地膜的应用比国内要早很多年,一些发达国家早在上世纪四五十年代就基本实现了农业机械化。
农业机械在发达国家的应用十分广泛,有大量的农业机械实施作业,早已脱离传统的手工耕种。
根据目前薄膜覆盖技术的使用现状,本次设计的铺膜机将有以下几个重点:
1)整机结构简单,成本低,效率高,适合各种地区使用的铺膜机。
2)铺膜机具有良好的工作状态,不易出故障,经久耐用。
3)整机能够基本满足不同作物地膜覆盖的农艺要求。
4)结构上采用后置式,由动力机构牵引。
2总体方案的确定
2.1方案的设计
铺膜机的种类也已经很多,根据设计的要求,有下列2种方案,如下图:
1开沟器;2卷装膜轴;3压膜滚轮;4覆土器;5覆土挡板;6承重盘;7牵引环孔;8机框架;9平地板;10固定架;11膜轴滚轮轴固定架
图1铺膜机设计方案1
Fig.1Filmspreadingmachinedesignscheme1
此方案采用正八字的犁先进行开沟,经动力系统的拖动,覆膜辊转动,有压膜轮压入开沟处,再由倒八字覆土犁将开沟后的土归回原位[7]。
1连接叉;2机架;3挂膜家;4操作座;5压膜轮架;6压膜轮;7连杆;8覆犁犁;9可调节犁柱;10犁高调节手柄;11旋紧手柄;12刮土板
图2铺膜机设计方案2
Fig.2Filmspreadingmachinedesignscheme2
此方案也是由动力系统拖动,展膜辊转动铺膜,由压膜轮压入沟内,再由覆土犁覆土。
2.2方案的比较、选择
通过前后2个方案的比较:
方案1能够一次完成开沟,铺膜,覆土的整体工艺流程;方案2结构简单,重量轻,运输方便。
综合比较,方案1要优于方案2,,方案1比方案2能够完成全部的流程,且方案2存在重量轻,覆土可能不到位的缺点,故采用方案1的设计。
2.3工作方式的选定
铺膜机的工作环境必须在地面平整的土地上作业,故在开沟器的前端配置一块平地板,随着动力系统的牵引,将突起的地方刮平,以确保铺膜的平整。
开沟部件前端采用的是正八字布置,这种布置的对外翻土能力强,能形成较干净和成型的膜沟为覆土,埋膜准备疏松的土壤。
展膜辊在行进的过程中,会在牵引中自动滚动,将膜展开,不需要动力系统的辅助,节约能耗。
压膜轮固定在薄膜的两个边缘,但距边缘一端的内侧有一小段距离,待膜展平后,将膜压入先开好的沟内,确保下一步覆土能够将薄膜压住。
覆土器采取倒八字布置,这样布置可以将先开沟出来的泥土再次回位,压住薄膜,节省时间。
距覆土器内侧有一小段距离的地方分别布置两块挡土板,避免将土回位时,泥土滚到垄膜的中央。
配重块是为增加后部重量,避免泥土回位不到位,压膜不紧。
采用这样的配置工作,可以很好的完成铺膜工艺要求,并且能够适应小面积的铺膜,灵活性强,效率高。
2.4牵引方式
此次牵引方式采用机耕犁后置式牵引,此次设计的铺膜机不需要另行提供动力,只需由简单的机耕犁牵引即可。
机耕犁结构图:
1行走轮;2驱动轮;3犁架;4犁铧;5后浮轮;6回位弹簧;7后浮轮支架;8牵引杆;9丝母;10梨丝杆;11手摇把;12后扶手;13离合器;14变速箱;15变速杆;16主动皮带轮;17前扶手;18发动机;19从动皮带轮;20主动链轮;21从动链轮;22主动齿轮;23驱动齿轮;24回位弹簧
图3机耕犁结构简图
Fig.3TractorPlowstructurediagram
2.5动力的选择
由于铺膜机只需牵引,故采用功率较小的柴油机就可以满足动力需求,本次根据任务书要求,选择功率较小的175F单缸柴油机,即能满足动力要求。
其基本参数如下表:
:
表1175F柴油机技术规格
Table1Technicalspecificationsof175Fdieselengine
类型参数类型参数
缸径×行程(mm)75×75压缩比20-22
标定功率(kw)3.68标定转速(r/min)2600
冷却方式风冷净质量(kg)48
润滑方式离心飞溅起动方式手摇起动
2.6铺膜机结构
铺膜机整体是在一个大的机框架8,为了确保牢固性,在机框架的中间做一个机架中横撑12,在前横撑下面按种植用膜宽窄,做一个垂直安装的平土板固定架10,其下安装平土板9,做两个角形开沟器1,按正八字形安装在两侧直撑上。
做膜轴滚轮轴固定架11,安装在机框架8两侧撑后下面,固定架11前直撑安装可以升降调解的卷装膜轴2,轴固定架11靠后面安装装有两压膜滚轮3的轴,做两个覆土器4,按倒八字形安装在两轮轴头后外侧。
做两个覆土挡板5安装在两滚轮3内侧和覆土器4相对。
在机框架8后半部上面安装一个承重盘6,为增加铺膜机重量,于机框架8前面伸出部分的头端钻牵引环孔7,系牵引所用。
整体结构简图如图4所示如下:
2.7铺膜机工作原理
由以上设计简图可以得知:
在机耕犁的牵引下,平土板9刮平土地表面,开沟器1向外翻土开沟,卷装膜轴2转动铺膜,压膜滚轮3滚动促进铺膜机前进,且镇压铺膜,将薄膜压入沟内,覆土器4将开沟器1翻起的泥土刮回,在覆土挡板5的配合下,将泥土整齐盖在地膜两边,铺膜机向前行进,随铺随压,一直可以到地的另一端。
并且,铺膜机可以随时跟换套在卷膜筒支撑轴上的薄膜,卷膜支承轴可以很方便的拆卸下来,并有紧固螺栓和紧固挡板左右固定卷膜筒,防止出现铺下的薄膜歪斜,或者是薄膜铺放偏向,保证了铺膜的平整性,也可以在薄膜歪斜的时候进行左右卷膜滚筒的调整,始终保证铺膜的一致平整性。
同时,铺膜机在行进过程中,由于卷膜滚筒的转动造成的偏移也可以进行调整。
这样,一套开沟铺膜,覆土镇压的工作程序可以一次完成,且效率高,工艺性好,劳动强度低。
图4铺膜机俯视图
Fig.4Filmspreadingmachineplanform
3工作参数的计算和选择
3.1耕作深度
通常耕作深度与铺膜机的结构参数R,运动参数V以及RW有关,耕深的大小既要保证铺膜机正常工作又要满足铺膜的工艺要求,还要综合考虑铺膜机结构,功率消耗和生产率等因素[8]。
如增大R,W不仅使结构变大,而且会增大功率消耗,减小V又会降低生产率。
根据旱耕耕深的设计以及通常铺膜机耕深的数值参考,取耕深为H=100㎜。
3.2耕幅
工作幅宽应根据铺膜机结构、机耕犁功率的大小、耕作比阻(),耕深h来综合确定。
175F柴油机标定功率=3.68Kw,若功率利用率η=0.8,则1000
=BH,当H=150㎜时,砂壤土:
1.2-1.4kg/。
一般铺膜机行进速度=0.6-1.2m/s,于是可以经过公式的变化以及化简,可以得到耕幅的计算公式为:
B=
(1)
将数据代入
(1)得:
B==2044㎜
考虑田间铺膜取铺膜宽度B=1000㎜。
3.3铺膜参数的选定
根据农艺要求,考虑当前农村作物种植比较分散,地块较小,采用机耕犁带动等特点,以及当前农村现状、技术条件,确定铺膜机为单行,膜边覆土厚度>50㎜,膜边覆土宽度>50㎜,适应地膜宽度为1000-1100㎜,卷膜筒承重≤100kg,卷膜支撑盘直径≤200mm,承重盘与机架≤150kg.
3.3.1薄膜承受拉力和阻力计算
由于采用的是由薄膜自身张力带动卷膜滚筒转动,故需要进行薄膜所受拉力、阻力的计算,以验证是否需要对卷膜滚筒施加动力。
薄膜所受阻力的方向为斜向下,角度θ大约为30℃-45℃,查材料力学可知,光滑的钢与钢的摩擦系数=0.05,故可知薄膜所受最大阻力为
(2)
可得
98N
由于薄膜事先需要固定一端,因此在运动过程中会受到拉力,要使卷膜滚筒滚动,必须要使拉力>,薄膜固定端在地面上,查材料力学可知,泥土与薄膜之间的摩擦系数=0.25,故拉力为
(3)
可得
=M9.80.25>
M≥25Kg
故在薄膜一端需要覆土质量M至少为25Kg,才可以保证薄膜不被拖动,实现卷膜滚筒的转动,而一般薄膜所能承受的平均拉力为150N,故薄膜强度也满足克服阻力,实现卷膜滚筒转动的要求。
3.4开沟器的设计
开沟部件是直接与土壤接触发生作用的部件,它为施肥播种创造适宜的沟带,其结构不仅决定种肥沟的形状,而且还会影响开沟器的入土性能、减少挂草、增大甩草的效果及整个铺膜机的阻力,进而影响工作效率。
因此,开沟器的设计要满足强度,结构合理的要求。
3.4.1开沟器的结构
图5开沟犁刀的结构简图
Fig.5Ditchingplowstructure
开沟犁刀主要由主体板、犁刀、螺钉组成。
3.4.2开沟器的工作原理
开沟犁刀与铺膜机前端平土板两侧相连,经机耕犁牵引前进,犁刀入土100mm,在犁刀入土50mm处,其作用可疏松种行,可切断杂草根系,使杂草向两侧分流,不至堆积,随机耕犁不断前行,杂草由主刀杆滑移至顶,然后落下,始终保持一个恒定状态。
3.4.3开沟器载荷的确定
犁刀与铺膜机相连,平均耕深a=100mm,耕宽为b=100mm,土壤质地为黏土,土质均匀,犁耕比阻为k=6-8
由犁耕牵引阻力的简易经验公式:
P=kab
(2)
代入公式
(2)可得:
牵引阻力P=8×10×10=800N
3.4.4犁刀的材料属性
表2犁刀材料属性
Table2Coultermaterialproperties
号数零件名称个数材料质量(kg)体积()
1犁刀14.450.00058
2螺钉1145#钢0.051.17956e-005
3螺钉2145#钢0.051.17956e-005
4主体板1合金钢51.48342e-006
3.5覆土器的设计
传统的覆土器有双圆盘覆土器和八字形覆土器。
本次设计的铺膜机,由于是在平地上开沟后,又把开出来的泥土,刮回沟里的设计,因此,不需要设计一款很复杂的覆土器,只需要设计能够将开出来的泥土,刮回沟里的装置。
对于此次的铺膜机,覆土器采用一块凹形钢板,45#钢制作,让开沟出来的泥土,由于铺膜机的前行,会按着覆土器表面的形状运动,以致最后又回到开出
沟里,起到覆土的效果。
如图6所示:
图6覆土器
Fig.6Acoveringdevice
3.6覆土挡板的设计
由于铺膜机的运动,泥土在覆土器的作用下,会具有惯性。
为了避免泥土滚到铺了膜的垄面中间,在接近垄面的表面,设置一块覆土挡板,是很有必要的,可以保证铺膜的质量,减少二次劳动,节约时间。
针对本次覆土器的设计,覆土挡板采用一块长方形的钢板,45#钢制作,与覆土器前端平行置于机框架后梁上,覆土挡板也确定了膜面的最小宽度。
在覆土挡板的阻挡下,泥土不会由于惯性而滚落到垄面上,还是依然会回到沟里,起到辅助覆土的效果。
如图7所示:
图7覆土挡板
Fig.7Soilcoveringbaffle
3.8压膜滚轮的设计
压膜车轮在铺膜机中起行走、压膜入沟的作用,故当开沟后,压膜轮沿沟槽运动并将卷膜滚筒铺下的膜,压入沟内,使覆土器覆的土能够将膜压实。
为了避免车轮将膜压坏,故在压膜车轮的外圈,套上一个滚轮橡胶圈。
压膜车轮也是通过轴承与轴连接,压膜轮要行走,故也要采用滚子轴承。
可采用下图图9所示结构:
图8卷膜支撑架
Fig.8Filmrollsupportplate
3.7卷装膜支撑架的设计
卷膜支撑架主要支撑卷膜轴,轴放在支架上,套上薄膜筒,方便薄膜的安装,结构如下图图8:
图9车轮盘
Fig.9Discwheel
4轴的设计与计算
4.1车轮轴的计算
轴的设计主要是:
各轴段径向尺寸的确定;各轴段轴向长度的确定;其他尺寸的确定。
轴的材料选用调制钢40Cr,这种钢经调质后用于制造承受中等负荷及中等速度工作的机械零件[14]。
参考机械设计表15-3,可以得到:
的值,可以取=100,同时可得,轴的最小直径:
(3)
由车轮盘最大直径d=4800mm,最大承重m=200kg,铺膜机最大行驶速度v=1.2m/s,且车轮盘与车轮轴的角速度一致,即转速n也一致。
可以推知:
(4)
(5)
(6)
(7)式中:
为车轮角速度,rad/s;
为轴的转动速度,rad/s;
n为轴的转速,r/min;
P为功率,kW;
d为车轮盘直径,mm;
v为运行速度,m/s
经过公式变换可以得到:
(8)
(9)
代入数据可得:
故可以取轴的最小直径d=40mm
4.2车轮轴的设计
根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等要求确定各段直径和长度,合理地确定轴的结构形式和尺寸。
轴的结构设计不合理,会影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性,还会增加轴的制造成本和轴上零件装配的困难[12]。
轴的结构主要取决于以下因素:
轴在机器中的安装位置及形式;轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以及和轴联结的方法;载荷性质、大小、方向及分布情况;轴的加工工艺等。
图10车轮轴
Fig.10Rollfilmaxis
L1段与机架侧面采用孔式垫圈连接,取L1=55mm,L2与支撑膜盘通过轴承连接,取L2=110mm,L2径向直径取45mm,L3轴肩也通过轴承与支撑膜盘连接取径向直径为52mm,L3=1200mm,由于轴是对称分布的,故,L4=110mm,L5=55mm.
轴的总长可以确定L=1530mm。
4.3轴的抗弯、抗扭系数计算
由于轴采用的是实心轴,且端面都为圆面,参考机械设[11]表15-4,可以得到公式:
(10)
(11)
式中:
W为抗弯截面系数,;
为抗扭截面系数,;
d为截面直径,mm,
在L1段:
640
=0.2×=12800
在L2段:
=0.1×=8518.4
=0.2×=17036.8
在L3段:
=0.1×=14060.8
=0.2×=28121.6
L4段与L2段对称,L5与L1段对称,故L4段与L2段的抗弯、抗扭系数相同,L5与L1段的抗弯、抗扭系数相同。
4.4轴的受力分析及弯扭矩
作出轴的计算简图(即力学模型)
轴所受的载荷是从轴上零件传来[19]。
计算时,常将轴上的分布载荷简化为集中力,其作用点取为载荷分布段的中点。
图11轴的力学模型
Fig.11Themechanicalmodelofshaft
根据上述简图,分别按水平和垂直面计算各力产生的弯矩,并按计算结果作出水平面上的弯矩图和垂直面上的弯矩图。
轴的弯矩、扭矩图如图12、图13所示。
总弯矩计算公式:
(12)
得到:
7.24N·m
图12轴的弯矩图
Fig.12Shaftbendingmomentdigram
轴的扭矩图
图13轴的扭矩图
Fig.Shafttorquedigram
4.5轴的强度计算
从轴的结构图上可以知道,轴的中心面的应力最大,但应力不是很集中,轴与轴承采用过盈配合,而此处的轴直径最大,所以L3处截面不必校核。
但L1处有车轮盘转动,需要计算,此处为危险截面[18]。
抗弯截面系数:
W=6400
抗扭截面系数:
=12800
轴上压力;
(13)
而且,弯曲应力为对称循环应力,且为静应力,故取0.3,对于此轴为圆轴,弯曲应力,扭转切应力,又计算应力公式:
(14)
则代入数据,可得:
弯矩M=705600
扭矩T=19600
弯曲应力=110.25
扭转切应力=1.53
轴的材料为40Cr,调质处理,由机械设计[11]表15—1查得735,355,200,故满足强度要求。
4.6轴的疲劳强度校核
截面上由于轴肩形成的理论应力集中系数及,查机械设计附表3-2查取,又
=0.125,==1.125,经查值可以得到
1.46,1.22
又由机械设计附图3-1可得轴的材料敏感系数为
=0
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