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残膜回收机三维设计,回收,三维设计
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摘 要随着塑料工业的快速发展，地膜覆盖栽培技术被广泛应用于田间生产活动中，其保温、 护根、 节水、 调节光照及增产等特点给农业生产带来了巨大的经济效益，目前，中国在地膜覆盖面积和使用量上均是世界第一，在我国东北、 西北地区覆膜技术应用尤为广泛。由于地膜的广泛使用所产生的白色污染已经严重影响了我们的生活环境、空气质量和土壤的质量。为了解决这个问题，我们特地设计了该新型残膜回收机。本设计的主要目的是根据目前国内孙存在的问题设计一种快速、高效的惨摸回收机器，该机器需要实现重复性作业，并且能够实现一次性完成打秸秆、拾残膜、，收集残膜、快速清理残膜和清理深埋在土壤中的残膜等工作。该设计主要由传动机构、秸秆清理机构、拾膜机构、输膜装置，收集装置和液压装置组成，变速箱的采用锥齿轮与之齿轮相结合，达到换向和减速的目的，秸秆清理结构有定刀和甩刀组成，拾膜机构通过利用凸轮轴来实现了拾膜齿的伸缩，保证了拾膜齿的耐久与强度，输膜装置包括刮膜滚和输膜滚，保证了所拾的薄膜能全部输送到收集箱中，收集箱采用液压装置，实现了快速取膜的目的。该设计经验证模拟分析，结构设计合理，成本低廉，作业效率高，具有很高的市场前景。该设计运用PROE软件进行三维建模和装配以及仿真分析的运行情况，通过试装配和仿真分析确定整机设计的合理性和安全性；以保证整机运行的可靠性，最终达到高效、安全、简单实用的目的。进而提高残膜回收机的工作效率，解决了残膜捡拾困难的问题，满足了农作业生产的需求。关键词：残膜；拾膜齿；输膜；凸轮；液压AbstractWith the rapid development of plastic industry, plastic mulching technique has been widely applied in the field of production activities, the insulation, mulch and water, adjusting the illumination and yield characteristics of agricultural production has brought enormous economic benefits, at present, China in the film coverage and usage were the first in the world, especially in technology the application of Northeast China, Northwest China film. Due to the widespread use of white pollution has been a serious impact on our living environment, air quality and soil quality. In order to solve this problem, we designed a new type of residual film recycling machine. The main purpose of this design is according to the current domestic sun design problems in a rapid and efficient recovery of the machine. Touch the machine, need to realize the repetitive work, and can realize the complete play, picking up plastic film, straw, plastic film, plastic film collecting and cleaning up quickly clean up buried deep in the soil in plastic film etc. The design consists of a gear box, straw cleaning mechanism, film picking mechanism, film conveying device, collection device and a hydraulic device, adopts gear bevel gear and gearbox combination, to achieve the purpose of deceleration and reversing, straw cleaning structure has a fixed knife and a knife, a film picking mechanism by using cam shaft the telescopic film picking teeth, ensure the durability and strength of pick tooth, the film conveying device comprises a scraping film roll and the film conveying roll, ensure the film picked up all transported to the collection box, the collection box adopts a hydraulic device to achieve a rapid and objective film. The design is verified by simulation analysis, the structure design is reasonable, the cost is low, the work efficiency is high, and the market prospect is high. This design uses PROE software for three-dimensional modeling and assembly simulation and analysis operation, determined by trial assembly and simulation analysis of the rationality and safety of the machine design; to ensure the reliability of machine operation, and ultimately achieve efficient, safe, simple and practical purpose. Thus, the work efficiency of the residual film recycling machine is improved, the problem of the difficulty of picking up the residual film is solved, and the requirement of agricultural production is satisfied.Key Words: residual film; pick up film; film; cam目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 残膜回收机的目的和意义11.1.1 残膜回收机的目的11.1.2 残膜回收机的意义11.2 残膜回收机的背景21.3 文献综述41.3.1 残膜回收机的发展概况41.3.2 残膜回收机的分类41.3.3 残膜回收机的应用51.4 本领域存在的问题61.5 本课题主要研究内容6第2章 残膜回收机方案设计72.1 传动机构的设计72.2 秸秆清理机构82.3 脱膜装置设计92.4 整体装置工作原理设计122.5 本章小结14第3章 力学性能分析及计算153.1 凸轮轴参数计算153.2 齿轮变速器的概述163.3 齿轮传动的传动比计算163.3.1 选择齿轮材料及精度等级163.3.2 齿面接触疲劳强度设计计算163.3.3 按齿根弯曲疲劳强度设计193.3.4 几何尺寸计算及强度校核223.3.5 主要设计结论233.4 传动轴上的轴承寿命计算243.5 本章小结25第4章 Pro/Engineer三维建模264.1 Pro/Engineer软件简介264.2 Pro/Engineer绘制三维模型274.2.1 变速箱创建274.2.2 秸秆清理机构创建274.2.3 拾膜机构创建284.2.4 刮膜机构和输膜机构创建284.2.5 集膜机构创建294.3 本章小结29第5章 Pro/Engineer虚拟样机运动仿真分析305.1 Pro/Engineer 5.0运动仿真功能介绍305.2 5.2 虚拟样机运动仿真分析305.3 本章小结32结 论33致 谢34参考文献35附 录 136附 录 237不要删除行尾的分节符，此行不会被打印第 IV 页第1章 绪论1.1 残膜回收机的目的和意义1.1.1 残膜回收机的目的近年来，农业生产中大量使用塑料薄膜，由于大量非降解残膜不能回收，对农田产生严重白色污染，造成极大的社会危害【1】。而且早期的残膜回收主要是靠人工拣拾来实现。传统的人工收膜方式费时费力，要经过多道工序，劳动强度大、残膜回收率低。本课题的目的是在保证快速高效拾膜的基础上，设计一种新型的残膜回收机，该设计能够实现挑膜、拾膜、放膜和回收等多道工序一步作业的效果，减轻农民的工作量，保证他们的工作效率，实现一体化作业。1.1.2 残膜回收机的意义通过与人们手工拾膜相比，机械结构的回收残膜可一次完成多项作业，提高劳动生产率和残膜回收率；减少残膜对土壤结构、作物生长发育所造成的不良影响；提高作物单产水平，保护生态环境，增加农民收入。残膜回收机械化技术实施可实现良好的社会、环境、生态效益。 1.残膜回收机械化技术的实施具有较好的社会经济效益。（1）社会经济效益：回收残膜，可保证大豆生产增产、稳产。（2）农民增收效益：残膜回收后，集中整理打包，可销售作为再生资源。2.残膜回收机械化技术的实施具有明显的环境、生态效益。（1）可改善农业生产的环境，治理了农村覆膜种植带来的“白色污染”，与农村 小城镇建设的要求相协调。（2）回收了残膜，变废为宝，实现了资源的再利用。（3）通过覆膜和作物苗期里适时的揭膜，较好地适应了地区大豆生产干旱的特点，有利于大豆的稳产、高产。 （4）较好地解决了农作物残膜回收的技术问题，保护了农田土壤，实现地膜覆盖技术条件下土壤的良性循环，为更大范围推广使用覆膜栽培技术提供了广阔的空间，实现了农业生产环境友好，促进了农业的可持续发展。1.2 残膜回收机的背景 残膜污染治理的方式主要包括人工捡拾和机械化回收；人工清理虽然投入的经济成本低，但是对于大面积的作业地块来说劳动强度高、耗时长、效果不明显；而机械化回收与此相反，虽然一次投入的成本高，但是能够长期使用，为残膜污染问题提供了一个耗时短且效率高的治理手段【10】。20世纪50年代，地膜覆盖种植技术传及到了欧洲、美国及日本等国家，正因为能促进作物早熟而达到増产的奇效，才使得这种种植模式在全球其他国家逐渐地流行起来。到了60年代，现代化发展程度较高的发达国家开始提出走可持续和环保的路线，对难以治理的残膜回收问题引起了高度重视，并将研究残膜机械化回收问题作为治理污染的首要任务，全身也地投入到了残膜回收机械的研制工作中【13】。前苏联和英国研制的残膜回收机是由拖拉机进行悬挂的，作业时拖拉机将动力提供给残膜拾取的关键机构。首先利用疏松萨将土壤翻开，达到松土的目的，便于后续残膜拾取工作的进展，收集到的残膜被卷好并放入集膜装置上，再经过清洗、瞭干等简单步骤将其收卷好等待下次使用。对于拥有火山灰土的日本来说，特殊的耕地土壤性质使残膜回收工作显得更加容易，利用其自身疏松的先天优势，收膜工作相比其他国家也容易的多；其次日本所用的地膜较厚，抗拉强度大，能够在回收前后保持结构完整，有利于残膜的回收。以色列从很早就投入到了残膜回收机的研究工作中。与日本相同，其使用较厚、抗拉强度大的地膜，并且由于它的覆膜时间很短，只要给苗期作物提供充足的水分和有利的湿度，保证其正常的发芽，出苗后就可以收膜。因此，残膜在农田滞留的周期不长，较厚且强度高的特性极利于收集前后保持完整，以便回收再次使用。A.V.I公司对机具的拾膜机构进行了研究，利用液压马法来带动机构完成相应的工作，提高了当时机械化作业的水平。欧美国家寻求问题的根源，认为最开始将强度大、抗老化的地膜进行普及，可有效地避免破碎而造成污染，厚膜通常可保持23年，形状完整的膜通过机具进行收卷，再清洗保存备用。此外，还研究出一种生物降解薄膜，由其破损的碎片通过一段时间分解成无害物进入农田。国外使用的膜通常为0.020.05mm，而回收机具的关键部件由起膜装置和卷膜装置构成，在机具工作时，由于不断收膜使得卷筒直径变大，所以怎样保持卷筒线速度与机具的行走速度同步是主要的研究目标【14】。我国于上世纪八千年代开始对残膜回收机进行研究，至于农田采用的膜相比国外的厚度薄、强度低、易破损，送是因为我国自然条件和种植方式的不同，导致机具关键部件的结构形式也有所不同。 当今国内的残膜回收化具因拾膜原理的不同而导致捡拾机构的不同，与之相对应的作业环境也有所差异，其结构形式主要有弹齿式、伸缩杆式、齿链式、气力式、卷掩式及萨式等；由于农艺耕作的几个阶段，主要有苗期、秋收后和播前的回收等，而后两者相比前者的机具比较复杂，现今由国内制造的残膜回收机具多达一百多种，最具代表性的有下面几种： 悬挂型残膜回收机由新疆兵团农推站及农八师134团联合设计，它采用齿链式的拾膜方式，关键工作部件是由起膜装置、脱膜装置和集膜装置均成，主要针，对农作物灌头水前的残膜回收，工作期间，通过拖拉机提供动力，起膜装置的齿链在作物间距内对残膜进行拾取，并且利用无也圆捆将其打卷完成收膜，这种拾膜机构使得卸膜工作也极为方便。新疆农科院农机化研究所研制出了MSM-3型苗期残膜回收机，整机由起膜轮、送膜轮、卷膜裙、收边膜机构等组成，主要针对有灌概条件的地区，由于苗期捡拾的残膜覆膜期短，所能够保持较好的完整性，给收膜工作带来了便捷。工作时，通过小型拖拉机提供动力，利用起膜机构护起耕层中的薄膜，扎在起膜轮齿上的膜被顺其向上运，伴随卷膜辕的滚动将薄膜卷好，再通过简单的清理保存至下次使用。内蒙古研制出了1MC-70型地膜回收起巻机，它所针对的工作环境相对复杂，土壤、残膜、根在相互混杂在一起増加了机械捡拾难度。机具由起膜护、输送带以及瀑筒构成，不同的是这种机型増加了一个筛选的环节，工作时将护起含有残膜的混合杂质经输送带一同抛入滚筒中，随着滚筒的旋转进行筛止，接着收集被分离的残膜和根蕃，完成工作。SMJ-2型地膜回收集条机由新疆农八师134团设计，它悬挂在小型拖拉机上，主要针对浅层地表上的残膜收集作业，由送土护、限深调节地轮、搂齿盘构成。工作时，利用松土护将作物断根翻护起来，同时土壤也变得松软，浅层的残膜和根荘一同暴露在地表上，随后搂齿盘将残膜以及根巷搂集成堆，并间歇地摆放在地面上等待处理【18】。新疆农业大学机械交通学院杨宛章教授研制出了4MQ-1.5型气吸式残膜回收机，它针对播前的残膜回作业，由行走轮、拾膜弹齿、风机、输送风道以及集膜装置等组成。由于是在春播前，大部分残膜集中在耕地表面，王壤对残膜的粘附性不是很强，所以工作时拾膜弹齿仅将浅层的残膜挑起，经过机具前置的筒状风机将其吹入风道，最后被吹送的残膜落到集膜装置里，结束回收工作【5】。1.3 文献综述农业机械化的发展程度象征着农业现代化水平的高低，同时也体现出一个国家制造业的发展程度，它不断促使着传统农业逐渐向现代农业转变。所以，发展农业机械化是满足农业现代化的必要条件，只能借助在机械化发展的道路上达到不断改进、完善及创新，这是研发和制造新型农业机械产品的有力保障。目前机械化回收是治理残膜污染的主要手段，开展土壤残膜机械化回收和研制性能可靠的残膜回收机己成为现今治理污染的首要任务。 1.3.1 残膜回收机的发展概况随着科技的发展，农业生产正在向着自动化方向发展，为了满足人们工作的需求，解决农民在生产过程中所遇到的问题，我们开始研究一些自动化和一体化设备，减轻他们的工作负担，提升他们的工作效率，针对当前的残膜所造成的白色污染以及残膜对土壤结构的影响，每年农民都必须对旧的残膜进行清理回收，这个大大增加了他们的工作效率，为了解决这个问题，我们开始设计各种各样的残膜回收装置。与此同时，为了实现多元化作业，在残膜回收的同时能够进行平地和施肥等多项工作，实现一机多作，降低了成本；二是往自走式残膜回收机方向发展，关键工作部件可采用液压驱动的方式，配置了电子监视设备，实现残膜污染的一机专收作业【10】。1.3.2 残膜回收机的分类 当今国内的残膜回收化具因拾膜原理的不同而导致捡拾机构的不同，与之相对应的作业环境也有所差异，其结构形式主要有弹齿式、伸缩杆式、齿链式、气力式、卷掩式及萨式等；由于农艺耕作的几个阶段，主要有苗期、秋收后和播前的回收等，而后两者相比前者的机具比较复杂，现今由国内制造的残膜回收机具多达一百多种，最具代表性的有下面几种： 悬挂型残膜回收机由新疆兵团农推站及农八师134团联合设计，它采用齿链式的拾膜方式，关键工作部件是由起膜装置、脱膜装置和集膜装置均成，主要针，对农作物灌头水前的残膜回收，工作期间，通过拖拉机提供动力，起膜装置的齿链在作物间距内对残膜进行拾取，并且利用无也圆捆将其打卷完成收膜，这种拾膜机构使得卸膜工作也极为方便。新疆农科院农机化研究所研制出了MSM-3型苗期残膜回收机，整机由起膜轮、送膜轮、卷膜裙、收边膜机构等组成，主要针对有灌概条件的地区，由于苗期捡拾的残膜覆膜期短，所能够保持较好的完整性，给收膜工作带来了便捷。工作时，通过小型拖拉机提供动力，利用起膜机构护起耕层中的薄膜，扎在起膜轮齿上的膜被顺其向上运，伴随卷膜辕的滚动将薄膜卷好，再通过简单的清理保存至下次使用。内蒙古研制出了1MC-70型地膜回收起巻机，它所针对的工作环境相对复杂，土壤、残膜、根在相互混杂在一起増加了机械捡拾难度。机具由起膜护、输送带以及瀑筒构成，不同的是这种机型増加了一个筛选的环节，工作时将护起含有残膜的混合杂质经输送带一同抛入滚筒中，随着滚筒的旋转进行筛止，接着收集被分离的残膜和根蕃，完成工作。SMJ-2型地膜回收集条机由新疆农八师134团设计，它悬挂在小型拖拉机上，主要针对浅层地表上的残膜收集作业，由送土护、限深调节地轮、搂齿盘构成。工作时，利用松土护将作物断根翻护起来，同时土壤也变得松软，浅层的残膜和根荘一同暴露在地表上，随后搂齿盘将残膜以及根巷搂集成堆，并间歇地摆放在地面上等待处理【18】。新疆农业大学机械交通学院杨宛章教授研制出了4MQ-1.5型气吸式残膜回收机，它针对播前的残膜回作业，由行走轮、拾膜弹齿、风机、输送风道以及集膜装置等组成。由于是在春播前，大部分残膜集中在耕地表面，王壤对残膜的粘附性不是很强，所以工作时拾膜弹齿仅将浅层的残膜挑起，经过机具前置的筒状风机将其吹入风道，最后被吹送的残膜落到集膜装置里，结束回收工作【5】。1.3.3 残膜回收机的应用残膜回收机在当今农业快速发展的时代能够起着很大的作用，由于塑料薄膜在农作物的生长过程中起着决定的作用，它能够保证土壤的水分和营养元素不被流失。然而由于薄膜的材料性质所导致的问题也成为农民非常头疼的事情，薄膜每年都要重新去更换，残膜的捡拾便成为农民生活中必不可少的工作。在我国的东北和西北地区，塑料薄膜的使用非常频繁，目前我国现有的残膜回收机主要应用在这些地方，并且成为了农民必须的机械化工具之一。下面是残膜回收机的具体应用：。1.4 本领域存在的问题陶瓷残膜污染已变成能引起全世界重视的问题。通过不断地探索和钻研，我国已制造出各种各样的机型，但是大多数残膜回收机具仍处于研究的初期，还不能满足农业生产需求。从残膜污染治理的现状进行分析，仍面临以下几个问题：（1）我国采用农用地膜很薄，抗拉强度低，而且与土壤、稻杆、根巷相互缠绕在一起，使用机械回收技术难度很大。（2）残膜的易吸附特性使其缠绕在机具的工作部位上，造成卡堵现象。如不及时清理，会增加机具的工作负担，影响其工作效率以及残膜回收率【19】。（3）主要工作部件的性能难以提高，尤其是残膜收集装置、输送装置、膜止分离装置还需近一步的改进与完善。（4）机械化回收的理论分析较为欠缺，残膜回收机关键部件的设计思路和手段还有待拓宽和提高，由于作业季节与试验条件影响着实践研究，所以解决问题的关键始终未取得突破性的进展。 客观的研究及归納，国内有关土壤残膜回收机的研究主要围绕在回收机具功能、可靠性、适应性、经济效益、残膜回收与农艺之间矛盾等方面进行展开，研究方法主要是拾膜联合整地，能实现拾膜过程联合翻地的功能，但其机具可靠性方面研究不足，多数研究是局部的、个案的，有关残膜回收机存在问题的研究文献较少，特别是多功能开发方面的研究缺乏，而针对残膜回收机的开发与创新方面的研究在农业机械化发展方面有重要的意义，需要深入的探索。1.5 本课题主要研究内容 （1）对残膜机传动机构、拾膜机构、输膜机构、集膜机构等设计； （2）解决如何能够把残膜收净率达到85%以上以及脱膜装置如何能够快速脱膜，残留少的难题； （3）对现有方案进行对比分析，对本设计的机构进行优化分析； （4）对发动机的选择、拾膜齿的参数计算、齿轮的模数计算和轴承的寿命计算等； （5）绘制残膜回收的3D装配图，并制作运动仿真。（6）绘制总装配图、非标零件图和撰写毕业论文。第2章 残膜回收机方案设计2.1 传动机构的设计根据对目前国内市场的调研和相关残膜回收装置的了解，我们初步设定了两种传动机构，第一种是电动机驱动，利用减速器去实现大扭矩作业，减速器直接通过带轮机构与拾膜滚筒相连接。该装置结构简单，使用方便；但使用工作效率低，寿命低，切易损坏。减速器直接通过带轮机构与拾膜滚筒相连接。减速箱的结构见图如图2-1所示图2-1 减速器传动简图结合第一种方案的优缺点，我们结合实际工作情况对我们的设计结构进行了优化，由于该残膜回收机的设计是通过四轮拖拉机驱动，四轮拖拉机的输出轴是沿水平方向的旋转运动，我们所设计的机器在工作过程中需要垂直于水平方向旋转，为此我们设计了换向变速箱，该变速箱由锥齿轮和直齿轮配合而成，同时采用花键轴作为输入轴，可以承受一定的载荷，传动上安全可靠。利用锥齿轮和直齿轮实现减速的目的，使得输出轴输出满足要求的扭矩，达到理想的效果，不会因为负载太大而导致拾膜机构被卡死，机器损坏。为了是拾膜的效果更加明显，我们的减速箱采用双轴输出，保证了拾膜工作的协调一致性。具体工作原理图如下：见图2-2所示。图2-2 减速箱结构简图2.2 秸秆清理机构通过对实地工作环境的考察，我们发现很多地膜上面有秸秆残留，这严重影响了地膜的捡拾效率，很多时候需要人们提前对秸秆进行人工清理之后才可以利用残膜回收机去拾膜，这大大增加了工作量，降低了工作效率。为了解决这个问题，我们在拾膜之前进行秸秆的处理工作，在拾膜机构前面增加了秸秆清理机构，该机构根据环境的需求去选用。具体结构见图2-3。图2-3 秸秆清理机构简图2.3 脱膜装置设计脱膜机构是本设计的核心部分，针对该机构的设计，我们综合查阅资料，设计了三种方案，分别如下：方案一：弹齿式拾膜脱膜机构，该机构主要由推板、松土器和拾膜轮三部分组成。如图 2-4所示。拾膜轮为拾膜部件，在拾膜轮上装有弹齿，护板将每根齿用隔开，保证他们之间不发生碰撞，在拾膜轮上设定有特定的轨道，弹齿的运动轨迹由拾膜轮的滑道控制。同时在每根齿上安装一块推板，帮助弹齿脱膜，防止把残膜带回，并将捡起的残膜推进集膜箱内。该机构在过程中，弹齿通过拾膜轮的下方入土，将地面上的残膜向上方挑起，并暂时存放在弹齿上，转至运动至上方后送入集膜箱内。之后弹齿以水平状态从护板的间隙中自动抽出来，与此同时，弹齿上方的推板由护板间隙处从箱体外部向箱内运动，在运动过程中将已捡起的残膜收集到集中箱内; 同时清除护板间隙中可能存留的残膜，防止弹齿在返程的过程中将残膜带回，降低拾膜率。集膜箱装满后，到指定的地方将集装箱的下盖打开，卸掉里面的残膜，一般作业 25m 左右卸一次。通过上面的结构分析发现，该机构存在以下缺点：(1) 拾膜轮上的曲线轨迹的滑道设计要求高，制造困难，生产成本高。(2) 刮膜和送膜结构复杂，在工作过程中容易损坏，结构不可靠。(3) 工作效率高，结构简单，且不符合我国农机国情。图2-4 弹齿式脱膜机构简图方案二：耙齿式拾膜机脱膜机构，该机构主要由机架、牵引架、拾膜机构和脱膜装置四部分组成。拾膜机的机架与脱膜机构连接，脱膜机构由脱膜连接架、脱膜杆、 脱膜刮板及液压装置构成。脱膜刮板为折叠的折弯平板，脱膜刮板通过脱膜杆的轴向安装孔安装在脱膜杆上，并且大小相同，满足机械原理中的平行四边形结构。脱膜杆一共有 4 排。液压装置的一边与脱膜机构相连接，另一边与整体机架铰接，工作的时候，液压缸进油，是的脱模机构能够工作。作业时，将收膜机中央拉杆的连接孔与牵引机悬挂装置中央拉杆的后端孔通过销轴联接起来，可以用来调节机器在工作时的机具前后的高度，方便拆装及下田工作，满足人们的工作需求。该机构的设计原理如图 2-5所示。通过以上的结构分析发现，该设计结构简单、作业方便，适用于秋后的田间作物未收割时节，捡拾率高，但该机构还存在以下缺点：(1) 牵引架所承受的载荷比较大，容易损坏。(2) 但其脱膜困难，土质的适应性差。(3) 对机器所拾的残膜处理困难，需要人工去手动实现，大大增加了工作量。图2-5 耙齿式脱膜机构简图方案三：齿链式脱膜机构，该机构主要由起膜铲、机架、输膜轮、脱膜轮和集膜箱等组成，如图2-6所示。输膜轮通过角接触球轴承安装在机架上面，起膜铲通过螺钉固装在机架前方、位于输膜轮的后下方，输膜轮齿的转动轨迹与起膜铲的前端面存在一定的间隙，轨迹吻合。脱膜轮通过轴承安装在机架顶端，集膜箱通过螺钉和插销安装在机架后端，集膜箱的开口与脱膜叶轮正下方箱结合，可以保证所收集的残膜完全落入到集装箱里。通过以上机构原理分析，我们发现该设计具有结构简单，成本低廉，等优点，但是它任然存在以下缺点：(1) 拾膜装置不够完善，对于碎膜和深埋在土里的残膜，无法收集。(2) 集膜箱固定焊接在机架上，收集的残膜需要人工清理。(3) 脱膜叶片缠膜现象严重，导致工作一段时间后需要人工清理，降低了工作效率。图2-6 齿链式脱膜机构简图综合以上结构方案的对比分析和优缺点分析，我们发现，本设计要在保证以上优点保留的条件下，设计出能够避免以上缺点的新型残膜回收机。该机构需要包含秸秆打碎处理、挑膜、拾膜、刮膜、送膜、收集等多项功能，并且集膜箱能够通过机械方式自动清理，减少人们的工作量，提高工作效率。本课题所设计的新型残膜回收机，主要由机架、打秸机构、挖膜机构、拾膜机构、刮膜机构、输膜机构、收集箱和液压装置等组成，如图2-7所示，传动机构通过带轮将扭矩和动力传递到拾膜机构上，挖膜机构固定在机架的正下方，主要用来挖出两边埋在土里的残膜，刮膜机构通过轴承与机架相连，输膜滚通过轴承固定在机架上，集膜箱通过一端通过轴承与机架相连，一端与固定在机架上的液压装置相连接。拾膜机构包括固定凸轮轴和伸缩拾膜齿，拾膜齿在拾膜的时候达到最大长度，可以保证拾净大多数残膜，转动至最高出的时候，拾膜齿自动收回，是的刮膜刷能够刮除拾膜齿上的残膜，通过利用惯性将残膜通过输膜滚传送到集膜箱里，当集膜箱收集满的时候，可以快速通过液压装置将集膜箱里的残膜清理掉。综合以上结构分析，该设计结构合理，功能齐全，在保证拾膜干净的条件下，集合多工功能于一体，提高了工作效率，节约了成本。图2-7 新型脱膜机构简图2.4 整体装置工作原理设计本课题所设计的新型残膜回收机，主要由机架、减速箱、打秸机构、挖膜机构、拾膜机构、刮膜机构、输膜机构、收集箱和液压装置等组成，如图2-7所示，减速箱通过螺钉固定在机架上、减速箱的输出轴通过万向结传动到带轮上，最后通过带轮机构将扭矩力传递到打秸机构和拾膜机构上，挖膜机构固定在机架的正下方，主要用来挖出两边埋在土里的残膜，刮膜机构通过轴承与机架相连，输膜轮通过轴承固定在机架上，集膜箱通过一端通过轴承与机架相连，一端与固定在机架上的液压装置相连接。拾膜机构包括固定凸轮轴和伸缩拾膜齿，拾膜齿在拾膜的时候达到最大长度，可以保证拾净大多数残膜，转动至最高出的时候，拾膜齿自动收回，使得刮膜刷能够刮除拾膜齿上的残膜，通过利用惯性将残膜通过输膜滚传送到集膜箱里，当集膜箱收集满的时候，可以快速通过液压装置将集膜箱里的残膜清理掉。综合以上结构分析，该设计结构合理，功能齐全，在保证拾膜干净的条件下，集合多工功能于一体，提高了工作效率，节约了成本。如图2-8所示，是本设计的机构原理图，下面对机构的结构原理进行分析和描述，并简述其工作方法。图2-7 整体机构简图1-机架； 2-输入轴； 3-变速箱；4-带轮1； 5-皮带1； 6-拨叉杆；7-皮带2； 8-甩刀； 9-行走轮；10-拾膜齿； 11-刮膜齿； 12-刮膜轮；13-输膜轮； 14-集膜箱； 15-液压缸1；16-连杆1； 17-挑膜齿； 18-凸轮轴；19-链轮； 20-弹簧； 21-连杆2；22-挖膜刀； 23-液压缸2； 24-打秸轮；25-定刀；工作原理：变速箱 (3) 通过螺钉固定在机架 (1) 上，输入轴 (2) 与变速箱 (3) 连接在一起，带轮(4)通过万向节与输出轴固定在一起，动力通过皮带2(7)将力传给拾膜滚筒上，拾膜滚筒与凸轮轴(20)相连接，变速箱(3)上的拨叉杆(6)主要用来控制输出动力。液压缸2(23)固定在机架上，连杆2一端与行走轮轴铰接，一端通过活塞杆与也液压缸2(23)连接，在工作的时候，液压缸2 (23)通过连杆2(21)带动机架下落，保证与土壤接触，同时拨叉杆(6)向左滑动，滑移齿轮向左滑动，呈啮合状态，保证石墨工作顺利进行。工作完成以后，液压缸2 (23)通过连杆2(21)带动机架脱离地面，保证机构能够安全脱离地面，同时拨叉杆(6)向右滑动，滑移齿轮向右滑动，齿轮呈分开状态。打秸轮(24)通过轴承固定在机架(1)上，定刀(25)固定在打秸轮(24)上，甩刀 (8) 通过固定销与定刀(25)铰接，用来清除地膜上的秸秆；行走轮(9)安装在轴的两端，挖膜刀(22)通过螺钉固定在机架(2)上，主要用来挖出深埋在土里的残膜，皮带1(5)将动力传递到打秸轮(24)上。拾膜齿(10)通过弹簧(20)与凸轮轴(18)相接触，凸轮轴(18)通过轴承固定在机架(2)上。刮膜齿(22)通过螺钉固定在刮膜轮上，输膜轮通过轴承固定在机架上，集膜箱通过轴承固定在机架上，连杆1 一端与集膜箱的轴端铰接，另一端通过液压杆与液压缸1相连接，液压缸1固定在机架上，用来实现集膜箱的自动卸膜功能。挑膜齿通过螺钉固定在机架上。拾膜过程中，挖膜刀将埋在地里的残膜挖出以后，拾膜齿和挑膜吃交替工作，确保拾膜干净，拾膜齿在拾膜的时候达到最大长度，可以保证拾净大多数残膜，转动至最高出的时候，拾膜齿自动收回，使得刮膜刷能够刮除拾膜齿上的残膜，通过利用惯性将残膜通过输膜滚传送到集膜箱里，当集膜箱收集满的时候，可以快速通过液压装置将集膜箱里的残膜清理掉。2.5 本章小结通过以上结构对比分析和优化，最终我们设计出了新型残膜回收机，该设计结构简单，性能齐全、操作使用方便，安全系数高。该结构主要由变速机构、打秸秆机构，拾膜机构。刮膜机构、输膜机构、集膜机构和液压装置组成。变速机构将扭矩分别通过带轮传给打秸秆机构和拾膜机构，输膜机构、集膜机构和液压装置相互配合工作，能够实现快速高效的拾膜效果。在一定程度上大大减轻了农民捡拾残膜的难题，推动了科技的进步。第3章 力学性能分析及计算3.1 凸轮轴参数计算凸轮：机械的回转或滑动件（如轮或轮的突出部分）,它把运动传递给紧靠其边缘移动的滚轮或在槽面上自由运动的针杆，或者它从这样的滚轮和针杆中承受力。凸轮是一个具有曲线轮廓或凹槽的构件一般按外形可分为三类： 盘形凸轮：凸轮为绕固定轴线转动且有变化直径的盘形构件； 移动凸轮：凸轮相对机架作直线移动； 圆柱凸轮：凸轮是圆柱体，可以看成是将移动凸轮卷成一圆柱体。从第二章的结构分析选择可以看出，我们所选择的是圆柱凸轮。由图3-1已知： 根据实际研究发现：残膜的深度一般不会超过 因此，综合设计结构分析，凸轮的长轴和短轴相差值不应超过 通过对弹簧强度的计算和实际试验分析，我们设差值为； 经分析计算 取值 设弹簧的最大压缩量为，拾膜齿的最短深处长度为； 拾膜齿在拾膜的时候伸出长度 经过上面计算知：弹簧的压缩量为，通过选型知弹簧的劲度系数 弹力: 经过实际分析，拾膜齿进入土壤55mm时，在惯性的作用下，土壤的最大阻力 经过选型，弹簧选用初始长度为，劲度系数为的压力型弹簧。3.2 齿轮变速器的概述齿轮变速器一般用于低转速大扭矩的传动设备，把输入的扭矩转化成大的适合工作的扭矩，普通的减速机也会有几对相同原理齿轮达到理想的减速效果，大小齿轮的齿数之比，就是传动比。根据设计要求：所设计的残膜回收机结构紧凑、体积小、成本低。本装置选择直齿轮传动，采用二级齿轮减速机构。齿轮减变速器是利用各级齿轮传动来达到降速的目的.减速器就是由各级齿轮副组成的.比如用小齿轮带动大齿轮就能达到一定的减速的目的,再采用多级这样的结构,就可以大大降低转速。3.3 齿轮传动的传动比计算式中：i41为输入轴锥齿轮对中间轴锥齿轮的传动比；Z1为齿轮1的齿数；Z2为齿轮2的齿数；为齿轮3的齿数；Z4为齿轮4的齿数根据设计需求以及逃生器齿轮的强度要求，取齿轮4的齿数为83，传动比，；3.3.1 选择齿轮材料及精度等级（1）根据工作条件选取齿轮齿面硬度为材料牌号热处理方法硬度（HBS）小齿轮40Cr调质280大齿轮45调质240（2）查阅机械设计第九版表10-6 带式输送机为一般工作机器，精度等级范围，取9级.3.3.2 齿面接触疲劳强度设计计算 （1）初步计算小齿轮分度圆直径 确定公式中各参数数值: 1）小齿轮扭矩 2）试选; 3）查阅机械设计第九版P206 表10-7 圆柱齿轮的齿宽系数; 4）表10-2 使用系数; 5）表10-3 齿间载荷分配系数; 6）查图10-20查得区域系数; 7）表10-5 弹性系数; 8）初选螺旋角 压力角 9）选小齿轮齿数，则大齿轮齿数为 取 10）计算接触疲劳强度重合度系数 11）由式10-23可得螺旋角系数 12）计算接触疲劳许用应力查图10-25d查得小齿轮和大齿轮的接触疲劳极限分别为， 计算应力循环次数 查图10-23查得接触疲劳寿命系数，取失效概率为1%、安全系数 取和中较小者为该齿轮副的解除疲劳许用应力即初步计算小齿轮分度圆直径 （2）调整小齿轮分度圆直径： 1）计算实际载荷系数前的数据准备 圆周速度 齿宽 2）计算实际载荷系数 查表10-2查得使用系数 根据、8级精度，由图10-8查得动载系数 齿轮的圆周力 查表10-3查得齿间载荷分配系数 查表10-4 通过插值法得8级精度小齿轮相对支撑非对称布置时，得齿向载荷分布系数 由此，得到实际载荷系 3）由实际载荷系数算得分度圆直径 相应齿轮模数 3.3.3 按齿根弯曲疲劳强度设计（1） 初算模数 1）确定公式中各参数数值 试选 由公式10-18，计算弯曲疲劳强度重合度系数 由式（10-19），可得弯曲疲劳强度的螺旋角系数 计算 齿形系数 根据图10-17查得齿形系数， 根据图10-18查得应力修正系数，根据图10-24c查得小齿轮和大齿轮的齿根弯曲疲劳极限分别为， 根据图10-22查得弯曲疲劳寿命系数， 取弯曲疲劳安全系数 因为大齿轮的大于小齿轮的，所以取 2）试算模数 (2) 调整齿轮模数 1）计算实际载荷系数前的数据准备 圆周速度 齿宽 宽高比 2）计算实际载荷系数 根据,8级精度，由图10-8查得动载系数 由 查表10-3得齿间载荷分配系数 由表10-4用插值法查得,结合查图10-13，得 则载荷系数为 3）由式（10-13），可得按实际载荷系数算得的齿轮模数 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数。从满足弯曲疲劳强度出发，对于传递动力的齿轮，模数，则从标准中就近取；为了同时满足接触疲劳强度，须按接触疲劳强度算得的分度圆直径来计算小齿轮的齿数，取，则，取，与互为质数。3.3.4 几何尺寸计算及强度校核（1） 计算中心距 考虑模数从1.48mm增大圆整至2mm,为此将中心距减小圆整为147mm。（2） 按圆整后的中心距修正螺旋角 （3）计算小、大齿轮的分度圆直径 (4) 计算齿轮宽度 取 。 （5）齿面接触疲劳强度校核 满足齿面接触疲劳强度条件。（6）齿根弯曲疲劳强度校核查机械设计基础图10-17得：，查机械设计基础图10-18得：， 齿根弯曲疲劳强度满足要求，并且小齿轮抵抗弯曲疲劳破坏的能力大于大齿轮。3.3.5 主要设计结论 齿数模数压力角,螺旋,变位系数,中心距,齿宽，。小齿轮选用Cr40（调质），大齿轮选用45钢（调质）。齿轮按8级精度设计。将几何尺寸汇于表：序号名称符号计算公式及参数选择1端面模数2螺旋角3分度圆直径4齿顶高5齿根高6全齿高7顶隙8齿顶圆直径9齿根圆直径10中心距3.4 传动轴上的轴承寿命计算通过轴的强度设计原理，传动轴的最小直径显然是安装轴承处的直径，为了使所选的轴与轴承吻合，故需选择轴承的内径和类型查手册（GB292-83）取轴承为角接触球轴承，内径为35mm，类型为7206C，DB轴承代号 30621636567206C预期寿命：传动轴上 故取 径向载荷： 查表13-5取 已知，故传动轴上的轴承7206C在有效期限内安全。3.5 本章小结通过以上对凸轮和齿轮的参数计算和轴承的寿命计算，综合设计了变速箱的传动比和凸轮轴的尺寸，经过分析计算该设计结构合理，我们所选用的齿轮参数和轴承的参数均符合使用要求，在今后的实验过程中，我们还会对部分轴累和盘类零件进行强度和疲劳测试，再结合理论力学和材料力学进行理论计算分析，确保各个核心零件的强度能够达到使用要求，满足设计的需要。第4章 Pro/Engineer三维建模4.1 Pro/Engineer软件简介Pro/E（Pro/Engineer操作软件）是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation，简称PTC）的重要产品。在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。Pro/E第一个提出了参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决牲的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有模块。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用到单机上。Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。应用Pro/ENGINEER 野火版5.0强大的三维建模功能，通过理论计算分析各个零件尺寸，绘制出如图所示三维模型，其中大部分零部件采用拉伸、旋转、扫描等命令绘制，装置中各零部件均是按产品设计需求所绘制，考虑到产品的加工及组装过程，该三维模型图更加人性化。通过Pro/ENGINEER 三维建模，该装置得以更加具体的展现在我们面前。图4-1 Pro/Engineer 5.0初始界面4.2 Pro/Engineer绘制三维模型应用Pro/ENGINEER野火版5.0强大的三维建模功能，通过设计所得的零件尺寸，各螺钉螺栓均采用标准件，通过Pro/ENGINEER的建模，该装置得以更直观的展现。建模之前，首先对 Pro/Engineer的建模环境进行相应设置，设置系统长度单位为毫米，力的单位为牛顿，时间的单位为秒，重量的单位为千克，材料选择为STEEL。对于销、立柱等这些较简单的部件，只需应用拉伸、剪切、旋转等操作就可以构建成功。而对于运动部分的复杂零件，则除了使用拉伸、剪切、旋转等简单操作外，还需要应用到扫描、阵列、等高级操作以及倒角、倒圆等修饰性操作。4.2.1 变速箱创建该变速箱由锥齿轮和直齿轮配合而成，同时采用花键轴作为输入轴，可以承受一定的载荷，传动上安全可靠。利用锥齿轮和直齿轮实现减速的目的，使得输出轴输出满足要求的扭矩，达到理想的效果，不会因为负载太大而导致拾膜机构被卡死，机器损坏。三维效果图如图4-2所示：图4-2 变速箱三维模型4.2.2 秸秆清理机构创建 秸秆清理机构有定刀、甩刀和打秸轮组成，由于很多残膜地里有秸秆存在，这个会导致拾膜机构在拾膜的时候严重影响效率和拾膜的质量，为此我们在拾膜之前对存在秸秆的残膜地进行处理。三维效果图如图4-3所示：图4-3 秸秆清理机构三维模型4.2.3 拾膜机构创建拾膜机构主要由拾膜齿、弹簧、拾膜滚筒、凸轮轴、挑膜齿等零件组成，挑膜齿和拾膜齿相互配合工作，工作轨迹相吻合，在凸轮轴的作用下，拾膜齿能够在最长的时候进行拾膜，运动180以后，在弹簧的作用下收回，达到刮膜干净的目的。三维效果图如图4-4所示：图4-4 拾膜机构三维模型4.2.4 刮膜机构和输膜机构创建刮膜机构和输膜机构在整个设计中，起着至关重要的作用，刮膜机构有刮膜齿和刮膜轮组成，输膜机构由输膜叶片和输膜轮组成，拾膜机构所捡拾的残膜需要通过刮膜机构的处理，才能确保拾膜干净，输膜机构是将刮膜机构的残膜完整的输送到集膜箱里。三维效果图如图4-5所示：图4-5 刮膜机构和输膜机构三维模型4.2.5 集膜机构创建 集膜机构主要由集膜箱、液压缸、活塞杆、连杆和轴等组成，该机构结构简单，设计巧妙，在很大的程度上解决了人工清理集膜箱残膜的费力和费时等问题，液压装置的应用设计设计实现了半自动化，满足了科技的发展。三维效果图如图4-6所示：图4-6 集膜机构三维模型4.3 本章小结通过应用Pro/ENGINEER野火版5.0强大的三维建模软件进行了零件的设计和绘制，之后我用它的装配功能对我做设计的零件进行了装配，之后利用机构分析功能对装配体零件进行了仿真分析。我们通过对各个机构的原理进行分析应用，绘制了结构简图等三维模型，在这个过程中我学习到了设计的思路和利用三维软件实现自己设计的方法，这对我以后的工作也是非常有用的。 第5章 Pro/Engineer虚拟样机运动仿真分析5.1 Pro/Engineer 5.0运动仿真功能介绍使用软件对设计模型进行仿真和分析，能够模拟真实环境中的工作状况，并对其进行分析和判断，以尽早发现设计缺陷和潜在的失败可能，提前进行改善和修正，从而减少后期修改而付出的昂贵代价，减少设计的周期。Pro/Engineer(PROE)是集CAD/CAM/CAE于一体的大型设计软件，其中CAE常用的模块有Mechanism Design eXtension (MDX)和Pro/MECHANICA(Pro/M)。MDX用于运动分析，与Pro/E完全集成，无需单独安装，操作简便易于使用，但功能不是很强。Pro/M包含Motion（运动分析）、Structure（结构分析）、Thermal（热力学分析）三部分，功能强大，但在易用性、可操作性方面欠佳，需要单独安装。集成模式（Integrated mode）集成模式运行于Pro/Engineer平台之上，操作及界面与Pro/Engineer相同，能够直接使用Pro/Engineer的参数进行分析及优化。5.2 5.2 虚拟样机运动仿真分析按照各个机构的传动关系，在整机装配过程中，对运动件使用约束定义约束集，其中包括“销钉”连接、“滑动杆”连接、“槽”连接和“圆柱”连接，其他固定零件，采用“基于所选参照的自动约束”进行固定装配，其中包括“配对”、“对齐”和“缺省”，完成整机装配后，在Pro/Engineer环境中点击下拉式菜单“应用程序”“机构”即可进入运动仿真界面，如图5-1（运动仿真界面）。图5-1 集膜机构三维模型 定义连接副依次添加“定义凸轮从动机构连接”、“定义齿轮副连接”、“定义带传动”（实际为链传动，由于链传动和带传动均为同向传动，因此可由带传动替代链传动），为整机运动仿真做前期机构连接准备。 添加“伺服电动机” 点选减速电机链轮的“销钉”旋转轴作为驱动图元，切换到“轮廓”选项卡，更改“规范”类型中的“位置”为“速度”，输入“模”类型中的A值500，点击“确定”，完成“伺服电动机
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