开题报告-圆草捆包膜机设计

一、研究目的、意义和国内外研究现状及发展趋势1.1研究目的与意义目前，农作物秸杆资源和牧草资源的处理途径主要有就地焚烧、粉碎还田、工业原料、畜牧饲料等[1]。其中，大部分秸秤都被焚烧，不仅浪费了大量的资源，而且污染了环境，如果能充分利用秸秤资源作为畜牧业饲料资源，不仅能解决环境问题，而且能大力促进我国畜牧业的发展在畜牧业方面所利用的饲草和秸秤主要用作与制作饲料，而如何储存饲草和秸秤一直以来都是关键问题，我国在储存饲草和秸杆资源经历了三个阶段[2]。第一阶段，早期所利用的饲草和秸秤主要都采用是露天的储存方式，但是因为天气及缺少保护的原因，饲草和秸秤营养成份损失高达30%~50%，最后利用其作为饲料资源的量不到[3]。第二阶段，为更好地储存饲草和秸秤，青贮技术得到了大力发展，早期青贮都采用窖贮的方式，能够很好的提高储存时间，营养成份流失得到一定的控制，但是这种储存方式所需的劳动量很大，而且很容易出现密封不佳导致发酵失败，使其余的饲草和秸秤都腐烂[4]。第三阶段，为提高青贮发酵品质，秸杆打捆后包膜青贮的方法得到发展，其原理和窖藏相似，秸秤打捆后喷酒添加剂，用专用膜包裹起来，使其密封，当草捆内PH值降到4.2左右后，抑制微生物的生长，使秸秤能够长期保存，而且这种保存方式不会影响其他秸秤草捆[5]。同时也方便取用，运输方便。这种储存方式不仅能提高饲草和枯杆的利用率，同时也提高饲料的品质，为畜牧业的发展提供很好的饲料资源[6]。图1-1圆草捆包膜青贮因此，要想将饲草资源进一步的充分利用，首先要解决的问题就是如何有效提高饲草打捆及包膜的机械化程度，饲草资源的捆裹青贮不仅能解决饲草资源的综合利用，还可以促进我国畜牧业的大力发展，推动农业的可持续发展，保护生态环境，是成为农业大国的有力保障[7]。包膜是秸秤圆草捆青贮发酵的重要环节之一，是指将打捆机打好的高密度草捆(圆草捆)用包膜设备包裹起来密封后进行青贮发酵[8]。国外包膜机的研制较早，技术成熟，所生产的包膜设备都已成系列化发展，包膜直径范围可达0.5m~1.3m，如瑞典ELHO公司生产的Sideliner1650A型包膜机，可实现打捆包膜一体化，自动化程度非常高。但国外已研制的包膜机已趋向大型化，且机构复杂、成本较高，不适应中国包膜青贮的现状及实际需求[9]。近年来，国内高校及研究机构对包膜机的研究有了一定的进展，研制了小型固定式包膜机，包膜技术有了一定的发展，但是国内圆草捆打捆机所打草捆的直径主要为0.5m~1.2m、长度主要为0.75m~1.2m，此类包膜机都是针对小型圆草捆，且一类包膜设备只能针对一种直径和长度的圆草捆进行包膜，不能与国内的打捆机形成配套，而且固定式包膜机采用的是草捆自转与公转体的包膜方式，需要带动圆草捆公转，动力消耗大，这严重限制了我国包膜青贮技术的发展，因此圆草捆包膜设备的技术研究十分必要[10]。1.2国内外研究现状及发展趋势1.2.1国内研究发展现状我国包膜机的研制比较晚，圆草捆包膜机的发展相对滞后，目前国内研制的主要为包膜直径为0.5m的小型固定式包膜机[11]。我国圆草捆打捆机的发展已经比较成熟，目前最常使用的打捆机的打捆直径主要为0.5m~1m，但国内现有的包膜机却还没有达到相应的程度[12]。最近几年有关厂家已经开始研制、推广圆草捆包膜机上海世达尔公司生产的SWM0810型包膜机，该包膜机采用1.4马力的气油机驱动，包膜的圆草捆尺寸为500mmx700mm，外形尺寸为150cmx87cmx103cm，属于小型的包膜机，该机机型较小，所需动力很小，针对小型的圆草捆包膜质量高，且该机成本低，小型农户进行物料青贮发酵的常用设备，在我国需求量很大[13]。但该设备只能对小型的圆草捆包膜，作业效率较低，不适用于农场等大型场地的户外作业。图1-2圆草捆包膜机塔里木大学李传峰等人研究的固定式圆草捆包膜机，该机采用1.5kW的电机驱动，包膜的圆草捆尺寸为520mmx700mm，外形尺寸1600mmx900mmx1000mm，包膜效率为60捆/h，作业时电机的动力被分为两个部分，一部分带动整个转台转动，转台便带着圆草捆进行公转，另一部分动力通过链传动传递到托辊，托辊带动圆草捆进行自转，两个运动形成包膜动作[14]。该机结构简单，动力损耗小，成本较低，适合国内小型用户。但是该机由于动力传递需求，机架重心高，自动化程度较低，机器本身要带动草捆公转，对草捆的固定要求高，包膜草捆尺寸单一[15]。图1-3圆草捆包膜机2018年，中国农业机械化科学研究院马赛等人研发了圆草捆包膜一体机，该机是在9YG-1.2型钢辊外卷式圆草捆机配合自主研发的9YC-1.25圆草捆包膜机的基础上通过自主创新、改进研发成型的。该机配套动力100~120马力，机器外形尺寸为6000mmx2960mmx2770mm，包膜草捆直径为1.25m，生产率为15~20捆/h，该机自动化程度较高，主要通过液压和电路板来实现控制，作业效率很高，工作稳定性较好，适合大规模作业。但是该机包膜设备是由国外引进后组合而成，成本较高，在国内较难推广[16]。1.2.1国外研究发展现状国外包膜机的起步较早且技术成熟，已研制的包膜机具有包膜效率高、可靠性高、包膜质量高、故障率低等优点四[17]。国外的包膜机从作业范围和结构方面，主要有以下几种:日本STAR公司生产的TSW2020细断型青贮玉米打捆包膜一体机，该机主要针对青贮玉米秸秤进行打捆包膜，打捆尺寸为1mx1.5m，打捆机与包膜机连城一体，打捆机打好捆之后圆草捆直接滚落在包膜机台架上进行包膜，适合于大型平原和农场。该机动力采用电机驱动，动力分为两部分，一部分动力直接传递到打捆机，另一部分动力经液压系统传递到包膜机进行驱动，该机的自动化程度和生产效率都很高，所需人力少，作业效率可达20吨/h，同时该机属于大型的打捆包膜一体机，所打草捆密实度非常高，包膜作业的质量非常好，能有效提高青贮发酵质量，减少物料腐烂情况[17]。瑞典ELHO公司生产的Sideliner1650A型包膜机，该机主要针对小型种植地区的枯秤进行包膜，主要针对尺寸为1mx1m的圆草捆。该机采用拖拉机三点悬挂式，动力直接采用拖拉机上的液压系统，通过液压管将拖拉机内部的动力输送到转臂和底部机架部分进行驱动，该机包膜平台可以转动，机架上有一个夹持装置，通过液压缸控制转动，包膜时转台翻转，夹持装置打开，拖拉机带动包膜机将打好捆的圆草捆放入夹持装置内，液压缸控制夹持装置将圆草捆夹紧，转台翻转，圆草捆便放置在转台上了，液压控制包膜机转动进行包膜。该机主要通过拖拉机悬挂，在田间进行小范围的作业，机器机构简单、重量轻、自动化程度高、操作简单，需要的人员很少，而作业效率较高[18]。图1-4圆草捆包膜机意大利司达特生产的EW10S型圆草捆包膜机，该机由拖拉机悬挂牵引，包膜尺寸较大，属于固定式包膜机，拉伸膜固定在机架上不绕草捆转动，草捆通过液压装置固定在转台上，转台在动力系统带动下进行公转，同时托辊带动圆草捆进行自转，拉伸膜便包在了草捆上，该机动力由拖拉机液压系统提供，与上述的包膜机不同，此类包膜机需要带动圆草捆进行公转，所需动力消耗大，适合于大型圆草捆的薄膜作业[19-20]。畜牧业发达的国家研制包膜时间很早，包膜设备发展十分成熟，包膜直径范围很大(0.5m~1.3m)，且在畜牧业快速发展情况的推动下，其包膜设备的技术发展很快，现在国外包膜机具高自动化、低故障率等优点，可适应不同物料、不同尺寸草捆的包膜，目前国外研制的包膜机主要向大型化和智能化等方向发展，但是国外此类包膜机得机构较复杂，设备过于大型化，引进的成本较高，不适合国内现阶段畜牧业发展的情况[21]。1.2.3国内外研究现状总结与发展趋势分析综上所述，我国包膜机研究起步较晚，总体发展水平还很低，已研发出了固定式包膜机，机型较为成熟，在一定程度上提高了草捆包膜青贮技术的发展，但由于我国研究包膜机起步较晚，目前已研发的包膜机总体还处于初步探索阶段，包膜机整体性的创新和局部创新相对较少，多数是以固定式包膜机为基础进行研制的，而且大部分都是中小型包膜机，只能针对，小型圆草捆进行包膜，而且固定式包膜机因为包膜过程中需要带着圆草捆进行公转，对草捆的固定要求较高，草捆尺寸不能太大，且动力消耗大，这就限制了我国包膜青贮的发展，无法与国内已成系列化生产的打捆机进行对接，限制了畜牧业的进一步发展。参考文献[1]宋育国.转臂式圆草捆包膜机试验[J].现代农业科技，2018(4):3.[2]方梁菲，郭军，张杰.一种饲草青贮方草捆自动包膜机:，CN108945563A[P].2018.[3]佚名.青贮圆草捆包膜机的设计[J].中国农机化学报，2017，38(8):5.[4]张海滨，刘希锋，吴昊，等.悬挂式青贮圆草捆包膜机的研究[J].农机化研究，2019(11):6.[5]刁爱国.一种全自动青贮圆草捆包膜机组:，CN205661700U[P].2016.[6]谢莹荣.一种青储圆草捆包膜机:，CN208979149U[P].2019.[7]袁鹰.青贮圆草捆包膜机:，CN108576889A[P].2018.[8]张海滨，刘希锋，吴昊，等.青贮秸秆圆草捆打捆机的设计与试验[J].农机化研究，2022，44(5):6.[9]周明贵，周小薇.提高肥料包膜质量的包膜机:，CN106748294A[P].2017.[10]刘松领.一种便于对入料进行精准定位的真空包膜机:，CN209956276U[P].2020.[11]李映君，郑军海，王桂从，等.一种新型全自动打捆包膜一体机夹膜装置:，CN209225460U[P].2019.[12]巨勇智，曹忠亮，赵爽，等.小型青储饲料粉碎，收集，包膜一体机:，CN207099766U[P].2018.[13]李映君，杨志康，王桂从，等.一种全自动青贮装备包膜机切膜装置及控制方法:，CN110697169A[P].2020.[14]范拥军，张福合.一种具有可调节结构的包膜机:，CN212951264U[P].2021.[15]田永强.一种自动包膜机的上膜装置:，CN211139825U[P].2020.[16]李荣争，李建良，李荣源，等.一种自动包膜机:，CN210634810U[P].2020.[17]张伟.一种包膜机辊筒调节装置:，CN210503405U[P].2020.[18]王文娜，糜志标，王芳.一种包膜机专用控制系统:，CN209182693U[P].2019.[19]RenDU，MengQK，ZhaoZX，etal.Designandexperimentalstudyofdiameteradjustableroundstrawwrapper[J].JournalofMachineDesign，2019.[20]YinJ，QibinWU，ChenY，etal.DesignofAutomaticManipulationandAlarmingDeviceofStraw-bundlingandBale-unloadingofMinitypeRoundBaler[J].TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery，2017.[21]Kavitha，R，Shridar，etal.Performanceevaluationofroundtypericestrawbalers[J].TheIndianJournalofAgriculturalSciences，2016，86(6):830-832.

二、研究目标、设计（研究）方案及主要研究内容2.1研究目标根据本次课题要求，青贮圆草捆包膜机适于对青贮圆草捆、牧草圆草捆的包膜，可以在田间作业，也可以在场地作业。对圆草捆包膜机的研究具体目标有以下几点：（1）拟定参数：圆草捆直径300-500mm；圆草捆高度500-800mm；（2）对圆草捆包膜机的作业环境进行调研分析，并分析国内外圆草捆包膜机国内外发展现状；（3）对圆草捆包膜机的基本结构进行分析设计，并确立总体设计方案；（4）对圆草捆包膜机的关键部件进行分析设计，符合课题要求；（5）对圆草捆包膜机进行数模分析，分析其部件干涉问题，并优化结构设计。2.2设计（研究）方案2.2.1总体方案设计如图2-1所示，为本次课题设计的圆草捆包膜机方案简图。其由自转机构、公转机构、包膜机构、传动系统、机架，割膜机构组成。自转机构包含托辊机构和托举传动带构成。通过传动系统实现圆草捆的自转。公转机构包含公转支架，通过传动系统实现圆草捆的公转。包膜机构负责对圆草捆的拉伸膜的包膜动作。具体作业流程是，电机的动力被分为两个部分，一部分带动整个转台转动，转台便带着圆草捆进行公转，另一部分动力通过传动系统传递到托辊，托辊带动圆草捆进行自转，两个运动形成包膜动作。该机结构简单，动力损耗小，成本较低，适合国内小型用户。图2-1圆草捆包膜机方案简图2.2.2传动机构的选择圆草捆包膜机的驱动方式一般可以分为液压驱动、气压驱动和电气驱动(1) 液压驱动采用液压驱动系统可以在运行过程中实现大范围的无级调速，调速范围可达1～2000。操作控制方便、省力，易于实现自动控制、中远程距离控制、过载保护，除此之外，液压传动突出的优点还有单位质量输出功率大。因为液压传动的动力元件可采用很高的压力(一般可达32MPa，个别场合更高)，因此，在同等输出功率下具有体积小、质量小、运动惯性小、动态性能好的特点。在传动过程中，能量需经两次转换，传动效率偏低，而且由于振动介质的可压缩性和泄漏等因素的影响，不能严格保证定比传动。液压传动性能对温度比较敏感，不能在高温下工作，采用石油及液压油作传动介质时还需注意防火问题。(2) 气压驱动气压驱动系统的工作介质为压缩性大的气体。使得结构简单的蓄气瓶(罐)能储存较多气体能源。这种能源供应方式简单，非常适合用于空间要求严格和重量限制苛刻的场合，系统没有回收管路，可做到体积小、成本低、操作方便和容易保养；还适合于那些温度高或温度场变化较大的环境或对防火、防爆等有严格要求的场合。(3) 电气驱动电气驱动是利用各种电机产生的力或转矩，直接或经过减速机构去驱动负载，减少了由电能变为压力能的中间环节，直接获得要求的圆草捆包膜机运动。由于电气驱动具有易于控制，运动精度高，响应快，使用方便，信号的监测、传递和处理方便，成本低廉、驱动效率高、不污染环境等诸多优点，电气驱动己经成为最普遍，应用最多的驱动方式，20世纪90年代后生产的大多数机器采用这种驱动方式。由于圆草捆包膜机的驱动负载比较小，结构要求简单，系统的控制精度要求高，所以选择了电气驱动的方式。通过选用电气驱动方式，使得整个系统具有结构紧凑，成本低廉，操作方便等优点，适合于圆草捆包膜机。2.2.3自转机构设计自转机构包含托辊机构和托举传动带构成。通过传动系统实现圆草捆的自转动作。其通过两个托辊与多条拖转带将圆草捆定位在其设备轴心位置。托辊径向分布凸起的齿牙，用于增大与圆草捆的摩擦