稻草还田机关键部件的研究

XXXX大学学士学位论文稻草还田机关键部件的研究学生姓名指导教师副教授所在院系工程学院所学专业机械设计制造及其自动化XXXX中国哈尔滨THEKEYPARTOFTHESTRAWMACHINESTUDENTNAMEXINSTRUCTORXXXXTHECOLLLEGEENGINEERINGBYMAJORMECHANICALDESIGN,MANUFACTURINGANDAUTOMATIONXXXXHARBINCHINA摘要随着现代农业的发展，在世界范围内农作物秸秆已成为了一种潜力巨大的可再生资源，中国作为农业大国，在国家相关政策推动下，粮食产量保持稳定增长，与此同时秸秆产量也大幅增加，近些年我国的秸秆年产量多达数亿吨。秸秆除了直接燃烧、饲用外还可用于秸秆还田、新能源研发、工业加工等领域，然而我国的秸秆资源有效利用率偏低，很大比例的秸秆被直接废弃与焚烧，既浪费了资源又引发了环境污染问题。将大量秸秆进行还田、加大其实施与推广力度是解决上述问题的有效途径，也有助于实现农业可持续发展，对发展循环农业意义重大。机械化秸秆还田技术具有显著的经济效益和社会效益。稻草还田是秸秆还田的一种，大量稻草被焚烧或者弃置，这不仅浪费了养分资源还造成环境污染。稻草还田，可促进水稻生长，增强水稻抗早、抗寒、抗病抗虫和抗倒伏能力，有利于增产增收。随着农村劳动力的转移，水稻生产中有机肥的施用大幅减少，如何维持土壤有机质，培肥地力，成为水稻可持续生产以及国家粮食安全的重要课题。实践表明机械化稻草切碎还田已成为解决过剩稻草充分利用的主要技术措施和重要手段。关键词秸秆还田稻草还田效益土壤肥力农业可持续发展ABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFMODERNAGRICULTURE,CROPSTALKSINTHEWORLDHASBECOMEAHUGEPOTENTIALOFRENEWABLERESOURCES,CHINAASALARGEAGRICULTURALCOUNTRY,UNDERTHERELEVANTNATIONALPOLICIESTOPROMOTEFOODPRODUCTIONTOMAINTAINSTABLEGROWTH,WHILESTRAWYIELDSHARPLYINCREASEINRECENTYEARSOFCHINASANNUALOUTPUTOFUPTOBILLIONSOFTONSOFSTRAWINADDITIONTOTHEDIRECTCOMBUSTIONOFSTRAW,FODDERCANALSOBEUSEDOUTSIDETHEFIELDOFSTRAW,NEWENERGYRESEARCHANDDEVELOPMENT,INDUSTRIALPROCESSING,BUTOURLOWEFFECTIVEUTILIZATIONOFSTRAWRESOURCES,ALARGEPROPORTIONOFTHESTRAWISDISCARDEDANDBURNEDDIRECTLYTOAWASTEOFRESOURCESHASLEDTOENVIRONMENTALPROBLEMSTHELARGENUMBEROFSTRAWTOFIELD,TOINCREASEITSEFFORTSTOPROMOTETHEIMPLEMENTATIONANDEFFECTIVEWAYTOSOLVETHESEPROBLEMS,BUTALSOHELPTOACHIEVESUSTAINABLEDEVELOPMENTOFAGRICULTURE,THEDEVELOPMENTOFCIRCULARAGRICULTUREISSIGNIFICANTSTRAWMECHANIZATIONTECHNOLOGYHASSIGNIFICANTECONOMICANDSOCIALBENEFITSSTRAWINCORPORATIONISASTRAW,ALARGESTRAWWASBURNEDORABANDONED,NOTONLYAWASTEOFNUTRIENTRESOURCESALSOCAUSEDENVIRONMENTALPOLLUTIONSTRAWINCORPORATION,CANPROMOTERICEGROWTH,ENHANCEDRESISTANCETORICEEARLY,COLD,DISEASEANDINSECTRESISTANCEANDLODGINGRESISTANCE,HELPINCREASEPRODUCTIONWITHTHETRANSFEROFRURALLABORFORCE,RICEPRODUCTIONOFORGANICFERTILIZERAPPLICATIONSIGNIFICANTLYREDUCED,HOWTOMAINTAINSOILORGANICMATTER,SOILFERTILITYANDBECOMESUSTAINABLERICEPRODUCTIONANDNATIONALFOODSECURITYANIMPORTANTISSUEPRACTICESHOWSTHATCHOPPEDSTRAWTOFIELDMECHANIZATIONHASBECOMESURPLUSSTRAWUTILIZEDTOSOLVETHEMAJORANDIMPORTANTMEANSOFTECHNICALMEASURESKEYWORDSSTRAWRICEEFFECTIVESOILFERTILITYAGRICULTURALSUSTAINABLEDEVELOPMENT目录摘要IABSTRACTI1前言111研究的目的与意义1111秸秆资源利用现状1112秸秆还田的意义11121改良土壤物理性状11122增强土壤肥力11123改善土壤蓄水性能11124调节土壤温度11125提高作物产量112机械化秸秆还田研究现状1121国内现状1122国外现状12稻草还田机的组成及工作原理121稻草还田机的分类及其特点122稻草还田机的结构1221还田机的传动系统1222还田机的机架部分13稻草还田机关键部件的设计131还田机刀具的设计1311侧切刃口曲线的设计1312正切刃口曲线的设计132埋草弯刀的受力分析14还田机刀具排列优化141刀片的合理密度142关键工作部件的设计与校核1421刀具排列及其动平衡校核14211刀具排列的要求14212刀具平衡方程的建立14213刀具的动平衡校核143主要工作部件的有限元分析1431刀具的有限元分析1结论1参考文献1致谢11前言11研究的目的与意义111秸秆资源利用现状农作物秸秆作为一种绿色的可再生资源，其种类多、分布广、产量大，已成为继煤、石油、天然气的第四大能源，全世界的秸秆年产量约为20亿吨，中国每年的秸秆产量为7亿吨左右，约占世界总产量的1/3，位居世界第一。现阶段秸秆资源主要用于直接燃烧、秸秆还田、秸秆饲料、秸秆肥料、秸秆乙醇、秸秆成型燃料、秸秆发电、菌类培养基、造纸、包装和建材等领域的工业原材料等，潜力十分巨大。尽管秸秆资源利用前景广阔，我国在秸秆资源的利用方面却面临突出的问题，即秸秆资源的有效利用率较低，很大比例的秸秆被废弃或直接在地里焚烧，在农村许多地区秸秆的有效利用率仅为1015左右，约85的秸秆资源被焚烧殆尽。不但造成了资源浪费而且具有一定危害1）秸秆焚烧不仅产生大量的温室气体CO2，而且产生的CO和SO2等有毒气体还会污染大气、破坏生态环境；2）秸秆焚烧的烟尘等会威胁交通安全，不利于各类交通方式的正常运营；3）秸秆在田间焚烧使耕地浅层土壤温度升高，不利于土壤中的有益菌与微生物的存活，近而降低土壤养分，影响农业生产；4）秸秆易燃，将其随意废弃可造成火灾的隐患。为解决大量秸秆焚烧废弃的问题，大幅提高秸秆资源的利用率，相关部门也颁布了相应的法律法规并采取了一系列监管措施。2012年农业部、财政部、国家发展和改革委员会共同颁发“十二五”农作物秸秆综合利用实施方案，提出了许多积极推动与促进农作物秸秆高效合理利用的方案和建议，以解决秸秆资源的浪费问题及其引发的环境污染问题。秸秆还田是解决上述问题的一项行之有效的措施，我国应加大秸秆还田的比例与投入力度，使过剩的秸秆通过适当处理最终还田，这样也符合发展循环农业的要求。112秸秆还田的意义秸秆还田实际上是使秸秆经历“从田间来、到田间去”的过程，与发展循环农业、走农业可持续发展之路的要求一致。秸秆还田既提高了秸秆的有效利用率又有助于解决大量秸秆废弃焚烧的问题，此外，秸秆还田还具有改良土壤物理性状、增强土壤肥力、改善土壤蓄水性能、调节土壤温度、提高作物产量等作用。1121改良土壤物理性状土壤的物理性状主要通过土壤容重和土壤孔隙度等来评价，二者主要反映了土壤的结构和紧实程度，对作物生长影响较大。现代农业耕作方式相比传统耕作方式有很大改变，伴随大型农机具的广泛应用以及农药、化肥等的大量使用，土壤结构发生了较大变化，导致土壤容重逐渐增大、土壤孔隙度逐步降低，直接影响了农作物根系的正常生长发育。经证实，秸秆还田可以改良土壤的物理性状，主要表现在可降低土壤的容重，增大土壤的孔隙度，增加土壤微粒的团聚体数量，不仅疏松了耕地土壤而且提高了土壤中水、气的通透性，对作物生长十分有益。试验表明相比未进行秸秆还田处理的对照组，秸秆还田处理的试验组土壤的容重降低了1937，土壤的孔隙度增加了2958。1122增强土壤肥力秸秆还田的另一个优点是可以提高土壤的肥力。土壤肥力即土壤向植物提供养分和水分等的能力，传统耕作方式下多年的耕作会使土壤的肥力逐渐降低。而农作物秸秆含有丰富的N、P、K、CA、MG、S等作物正常生长不可缺少的营养元素以及部分微量元素，秸秆还田后，秸秆经腐熟会增加土壤中有机质含量，具有培肥地力的作用。美国在中央大平原上连续8年进行秸秆还田，土壤中的有机质含量由最初的197上升至2，相比未秸秆还田的耕地，土壤中C、N、P、S的含量分别增加了47、37、14和45，验证了秸秆还田提高土壤肥力的明显效果，德国伯恩大学实验室和英国的洛桑实验室通过长年秸秆还田试验也得出了类似结论。1123改善土壤蓄水性能水是作物赖以生存的物质要素，土壤的蓄水、保水性能对农作物的生长发育至关重要。过度耕作会使耕地土壤板结变硬，一定程度上降低了土壤的渗水性能和保水能力。秸秆还田后随着土壤中团粒结构和团聚体数量的增加，土壤孔隙度也逐渐变大，可以提高其蓄水性能；此外在土壤中未完全分解的秸秆会形成一个隔离层，有助于减缓水分的蒸发，从而提高土壤蓄水保墒的能力。1124调节土壤温度土壤中一切生命活动都受到土壤温度的影响，农作物的正常生长、土壤中微生物和酶参与的理化反应以及土壤中各物质和能量的转化等均需要适宜的土壤温度环境。秸秆还田在一定程度上可以调节与稳定土壤温度，以秸秆覆盖还田为例，当春、夏、秋季气温较高时在土壤表层显现“降温效应”；当冬季气温较低时，则表现为“增温效应”，以此维持土壤温度在适宜的范围内保持稳定。研究表明冬季秸秆覆盖还田的麦田相比不经过秸秆还田处理的麦田，其耕作层的土壤温度可提高0525。1125提高作物产量秸秆还田有助于改良土壤物理性状、提高土壤肥力、改善其蓄水性能、调节土壤温度等，可为作物的正常生长与增产创造一定的有利条件。适量的秸秆还田可以提高作物的产量，郑建斌通过试验得出秸秆还田可使水稻产量显著提升97；12机械化秸秆还田研究现状121国内现状我国秸秆还田机械化的历史相对较短，20世纪70年代末，人们逐渐认识到了秸秆还田的重要性。为了节省作业时间、解放劳动力，提高秸秆还田作业效率，专家学者逐步意识到实现秸秆还田机械化是解决这一问题的行之有效的措施。最初主要通过引进与借鉴国外的相关领域的科研成果，在此基础上进行设计与改进，开发了早期的茎秆或根茬粉碎还田机和整秆还田机等秸秆还田机具。20世纪80年代，我国开始推行机械化秸秆还田，此时秸秆还田机具主要集中在秸秆粉碎、深埋、旋耕、耙压等方面；20世纪90年代，秸秆粉碎还田机械迅速发展，研制出了多种机型，大多用来粉碎玉米秆等硬质秸秆，并在全国多个省市得到了推广；2000年以后，秸秆还田机械逐步向着复合多功能作业的方向发展，研制出了许多联合作业机械，如大型整地机、联合收获机等，这些机械集成了秸秆还田的功能。经过30多年的发展，我国在机械化秸秆还田技术的研究上已取得了较多成果，先后研发了许多种类不同机型的秸秆还田机械装备，大致可分为整株秸秆还田机械、粉碎秸秆还田机械和联合作业秸秆还田机械等，以下仅列举部分具有代表性的机型并对其简要介绍。（1）整株秸秆还田机械秸秆整株还田主要是将收割后的玉米秸秆、水稻秸秆、麦秆等不经过切断粉碎处理直接掩埋在土壤中的一种还田方式，目前已研发出多种机型。图11为秸秆深埋还田机，其主要工作部件为前铧犁、后铧犁、分株刀、顺株轮、合墒器等，可以将整株秸秆梳顺后直接掩埋至土壤深层，再由镇压辊压实。1合墒器轴2机架3前铧犁立柱4分株刀立柱5分株V型铧犁立柱6软轴7悬挂置8镇压辊9前支撑轮10分株V型铧犁11分株刀12顺株轮13分土槽14前铧犁15后铧犁16后铧犁立柱17合墒器18后支撑轮图11秸秆深埋还田机河北农机化研究所研制的秸秆还田复式作业机如图12所示，拖拉机前的梳压装置用于将玉米秸秆梳顺，其动力由拖拉机后轮提供，拖拉机后的1LF330型深耕犁负责将整株玉米秸秆掩埋，该机具已被广泛应用。1梳压装置2四杆机构3前滑轮4后滑轮5提升臂6下拉杆7上拉杆8深耕犁图12秸秆还田复式作业机（2）粉碎秸秆还田机械将秸秆粉碎后还田有助于加快其在土壤中的分解腐熟，对土壤的改良效果较好。20世纪90年代以来此类还田机械发展较快，在秸秆还田机械中所占比例较高，主要可分为两类，一类机具自身可以将秸秆粉碎，主要通过旋耕刀或在粉碎室中实现；另一类机具自身不具有秸秆粉碎功能，需要预先将秸秆粉碎，再由还田机具将其还田。秸秆粉碎（切碎）还田机的机型较多，常见机型如1JH系列、2JH系列、4JGPH、4QT系列秸秆切碎还田机，其结构与工作原理相近，图13为秸秆切碎还田机的结构简图，拖拉机的动力输出轴将动力传入，再由变速箱改变传动方向，最终动力传至切碎刀组的旋转轴上，切碎刀以高速旋转即可完成秸秆的切碎还田作业。1万向传动轴2变速箱3联轴器4粉碎机罩壳5切碎刀组6限深轮图13秸秆切碎还田机结构简图。（3）秸秆还田联合作业机械秸秆还田联合作业机械也是秸秆还田机械的一个主要发展方向，此类机械不仅具有秸秆还田功能，还可以将其它田间作业等进行功能集成，实现了一机多能，作业效率较高。图14为SGTN160型联合作业机，由黑龙江省勃农兴达机械公司改进设计而成，不仅适用于旱田还可以在水田中作业，通过旋耕刀（灭茬刀）将秸秆根茬粉碎，再将秸秆翻压在土壤中，该机具可一次性联合完成旋耕、灭茬、起垄作业。1悬挂架2传动轴3齿轮箱4灭茬刀辊5限深轮6机架7链轮箱8灭茬刀辊9机罩10起垄犁11镇压轮图14SGTN160型联合作业机甘肃农业大学与西北农林科技大学共同研制的快速腐熟秸秆还田机如图15所示，该联合作业机可同时完成药剂喷施与秸秆还田作业。拖拉机前部为机具的喷施系统，腐熟药剂喷洒在秸秆上可以加快其分解腐熟；拖拉机后为秸秆粉碎还田机，用于将秸秆粉碎还田，该机具一定程度上将直接还田和间接还田进行了结合。1喷药管路2调节阀3逆止回流阀4拖拉机5秸秆粉碎还田机6BPZ型自吸泵7药箱8喷头9喷杆图15快速腐熟秸秆还田机此外，自走式玉米联合收获机等机具也集成了秸秆还田功能，在完成收获作业的同时可将秸秆粉碎、掩埋。122国外现状国外发达国家开展机械化秸秆还田技术的研究起步相对较早，机械化秸秆还田技术发展至今已日趋完善，秸秆还田机械在发达国家被普遍应用，目前美国、日本和部分欧洲发达国家如英国、德国等在该技术领域已处于领先地位。20世纪初期，由于过度耕作使美国等发达国家的植被遭到了严重破坏，耕地土壤面临风蚀和水土流失的双重侵蚀，此后一批专家学者开始寻求解决上述问题的方法与对策；20世纪30年代，DULEY等提出了秸秆残茬覆盖还田可以防治耕地水土流失、培肥农田，自此秸秆还田技术得到了较大程度的实施与推广；20世纪50年代随着作物收获机械的迅速发展，秸秆还田机械也得到一定的发展，此后几十年中机械化秸秆还田技术以迅猛之势发展，取得了较多成果；20世纪60年代，美国万国公司研发了60系列秸秆切碎还田机具，并且初次尝试将其与收割机复合使用，秸秆收割后即被粉碎还田，提高了作业效率；20世纪70年代初，英国农业工程研究院研制了旋转式挖掘机，可以将秸秆根茬粉碎后深埋还田；20世纪80年代，英国在收获机上复合了犁耙式秸秆深埋还田机，同时期日本也开始将秸秆切碎装置安装在半喂入式联合收割机上，一次性作业即可完成秸秆收割与还田。20世纪90年代以后，许多欧美国家也大力发展秸秆还田机械，并相继取得了一定成果。德国肯勃公司在玉米收割机上增加秸秆粉碎还田装置，研发了早期的联合收割机；德国研发了大中型旋耕灭茬还田机；西班牙AGRIC公司着重研发立式秸秆粉碎还田机，与联合收割机或拖拉机配套作业，主要用于玉米秸秆、棉杆等硬质秸秆的粉碎还田；意大利OMARV公司开发了不同作业宽幅的秸秆根茬粉碎还田机，通过更换其主要工作部件，可以实现对不同种类的秸秆进行还田作业，适应性较强；法国在联合收割机上集成了茎秆切碎还田机，作业宽幅为24M；丹麦研发的SKT系列秸秆还田机，与小功率拖拉机配合使用，可满足中小规模秸秆还田作业的需求。A）JOHNDEEREHX秸秆粉碎还田机B）JOHNDEEREY210联合收获机图16秸秆还田机械图16为知名农机厂商约翰迪尔公司（JOHNDEERE）的两款较新的秸秆还田机械，图16A为JOHNDEEREHX秸秆粉碎还田机，通过重型旋转式刀具高速运转将秸秆粉碎还田，由拖拉机的动力输出轴提供动力，具有工作宽幅大、效率高等特点，该机型机架两侧可向上折起，以节省空间、便于运输。图16B为JOHNDEEREY210自走式玉米联合收获机，在执行玉米穗的摘取与收集作业的同时即可将玉米秸秆粉碎还田，目前大中型联合收获机械普遍集成了秸秆还田功能。2稻草还田机的组成及工作原理21稻草还田机的分类及其特点1按配套动力分类。有与拖拉机配套的独立型秸秆粉碎还田机，有与联合收割机配套的粉碎抛散器，用来切碎抛出的茎秆，并均匀散布到田间。2按能完成的作业项目分类。有既能粉碎秸秆还田，又能旋耕灭茬的秸秆粉碎还田旋耕机；有仅能进行单项作业的秸秆粉碎还田机。3按结构形式分类。在卧式秸秆粉碎还田机和立式秸秆粉碎还田机。按秸秆切碎部件轴的位置分，秸秆切碎还田机可分为卧式切碎还田机和立式切碎还田机两种。卧式秸秆切碎还田机切碎部件在垂直面内做旋转运动，打击秸秆。大多属于无支承式打击切碎。多用于高粱、玉米、棉花等柔韧性差、脆性好的硬秸秆作物。该机在工作时由拖拉机动力输出轴传入动力，动力经由一对锥齿轮组成的变速箱，再经皮带传动带动甩刀轴作高速旋转对秸秆进行切割。拖拉机牵引机具前进时，秸秆喂入机壳，甩刀将其从根部切断，由于卧式机甩刀较密，在高速旋转时产生负压将秸秆吸入切碎壳内，后继的甩刀接着打击切碎秸秆。切碎后的秸秆被均匀地喷撒在地面上。立式秸秆切碎还田机切碎部件的轴垂直安置。切碎部件在水平内作旋转运动，切碎秸秆。一般都有动刀和定刀，属于有支承切割，多用于小麦、水稻等秸秆柔软韧性较好、脆性较差的软秸秆作物，也有用于棉花等硬秸秆作物的。该机由拖拉机动力输出轴传入动力，经安全离合器传递给变速箱，变速箱将水平传动改变为垂直增速传动，带动动刀盘作水平旋转，对秸秆进行切割。当拖拉牵引机具前进时，秸秆喂入机壳，在刀片较大的加速度和动能的作用下秸秆切断并打入机壳内。茎秆经过定刀片的重复剪切被切成碎节最后均匀地抛撒在田间。由上可知，卧式切碎机甩刀轴是简支梁结构、刚性好，转速可以较高一些，轴较长。刀片大都采用改进型，数量较多。立式切碎机轴较短，但属于悬臂梁，刚度较差，转速不能很高，对刀轴平衡要求较高。刀片采用直刀片，数量少，与轴连接简单。从传动机构来看，卧式机一般由动力输出轴输出动力，经一对锥齿轮再经皮带传动或链传动传给甩刀轴。而立式机一般由动力输出轴输出动力，经安全离合器和一对锥齿轮后直接传给甩刀轴。从生产成本来看，卧式机型传动机构较复杂、刀片数量较多，而立式机型要有安全离合器，故二者成本差不多或卧式机型稍高一些。当立式机采用双轴时要增加一到两级动力传动结构，也相对较为复杂，成本高于卧式机型。从使用场合来看，立式机多用于稻麦或草丛等较矮的作物。而卧式机可用于各种作物，以用于高秆、硬秆物见长。从甩刀的刀端线速度来看，卧式机在青饲料的收获切碎时，由于要有向上抛送的作用，线速度较高，为4555M/S。在切碎硬秸秆及秸秆根茬时线速度为3240M/S。立式机中当有定刀时，甩刀刀端线速度较低，切碎稻麦秸秆及草丛时线速度为2025M/S。在切碎硬秸秆时为。当无定刀时甩刀刀端线速度较高，一般为4045M/S。线速度越高对刀轴的平衡要求越高，为了降低制造成本立式机一般应安装定刀片。22稻草还田机的结构稻草还田机的主要包括转动系统、机架和刀具等。该机由拖拉机动力输出轴传入动力，经安全离合器传递给变速箱，变速箱将水平传动改变为垂直增速传动，带动动刀盘作水平旋转，对秸秆进行切割。当拖拉牵引机具前进时，秸秆喂入机壳，在刀片较大的加速度和动能的作用下秸秆切断并打入机壳内。茎秆经过定刀片的重复剪切被切成碎节最后均匀地抛撒在田间。221还田机的传动系统本机由于工作幅宽大于拖拉机后轮轮距，采用正配置，旋转刀筒设置在中部，后部配置挡草栅，整机两侧安装限深滑掌，梁上可安装松土铲。传动系统采用单侧传动形式（如图21）所示。埋草刀滚转速为220R/MIN，采用了单级一侧传动方案。变速箱由1个大锥齿轮与1个小锥齿轮啮合，经中间传动轴将动力传到边减速器，再传给埋草刀滚实现反转作业。在水稻秸秆较多时，适当加大切土节距，可降低埋草的功率消耗。1万向节2中央减速器3带安全销接盘4侧减速器5刀滚图21传动系统简图222还田机的机架部分由于该稻草还田与动力为100马力的拖拉机配套使用，针对埋草、碎土一体的要求设计而成，所以稻草还田机与拖拉机挂接采用悬挂式。由于工作幅宽大于拖拉机后轮轮距，采用正配置，旋转刀筒设置在中部，后部配置挡草栅，整机两侧安装限深滑掌，梁上可安装松土铲。变速箱由1个大锥齿轮与1个小锥齿轮啮合，经中间传动轴将动力传到边减速器，经边减速器传给埋草刀滚实现反转作业。整机结构，如图22所示。1档草栅2刀盘3埋草弯刀4切草刀5主轴6限位滑掌7边减速器8主减速器9悬挂架图22整体结构其主要由中央减速器、刀盘、切草刀、埋草弯刀、刀滚筒、限位滑掌、上传动轴和边减速器等组成。前进速度15M/S工作部件为刀体。其特点是1刀轴是简支梁结构、刚性好，转速可以较高一些，轴较长，刀片数量较多。2动力输出轴输出动力，经过一系列齿轮传动传给刀轴可用于各种作物，以用于高秆、硬秆物见长。3稻草还田机关键部件的设计31还田机刀具的设计整株稻草还田机埋草弯刀的形状应尽量做到外形简单，容易制造，并尽可能减少工作阻力。根据试验，在旱耕时，具有直线刃口的直角刀片，外形简单，既能满足耕作要求，又具有较小的切削阻力。在水耕时，由于直线刃口刀片容易缠草，造成刀滚堵塞，因此必须采用曲线刃口来解决问题。在切削土壤过程中埋草弯刀的曲线刃口先由距回转轴较近的侧切刃切削，然后逐渐转移到距回转轴较远的侧切刃切削，最后由正切刃切削。弯刀从正斜面切开土块，切出沟底将秸秆向外推移。埋草弯刀按其空间运动轨迹，由点切土壤逐步转变为线切土壤，充分利用拖拉机的有效功率，达到秸秆整株还田机的设计要求。采用反转作业，土壤被埋草弯刀切开的同时，秸秆的根部也从土壤中切出。但由于秸秆的质量小、抛起高度低、在空中运动时间短，而切碎的土块抛起高度高、在空中运动时间长，这样就将落下的秸秆覆盖。图23为一种具有曲线刃口弯刀的工作情况。假设旋转刀片在P点的作用力为F（沿着轨迹切线），被刀片切割的草茎及土壤的反作用力为F，FF。过P点作刃口曲线的切线MM，若F与切线MM之间的夹角为，则使草茎沿刃口曲线向其端点运动的力为FCOS。当此力大于草茎及土壤对刀片的粘着力时，草茎就会滑动脱落刀片。角是刃口曲线与旋转刀片径向延长线的夹角。此角随刃口曲线曲率的变化而变化。若要使FCOS值逐渐增大，角就要逐步减少，也就是要使角逐步增大。这样，便可使未被切断的草茎向刀片外端部滑动，即为滑切角。图23弯刀片的工作情况由上述分析可知，弯刀片刃口曲线不缠草的条件是1）弯刀片在工作过程中，侧切刃应先从离刀滚回转中心较近处开始切削土壤。2）刃口曲线上，从刀柄基部到侧刃刀的端点，角应有所变化。311侧切刃口曲线的设计用草茎沿刃口曲线滑动的观点分析，满足条件的刃口曲线是螺线。在极坐标中，可用极径R和极角表示刃口曲线的微分方程。如图24。图24极坐标曲线DRCTG（1）如果是F（）的函数，则TFD（2）根据上式可得到两类与F（）有关的螺线方程式，其条件如下（1）F（）NN常数，这时曲线为等角螺线，其方程式是NCTGRE（3）式中NR为0时R的值。由等角螺线构成的刃口曲线由于滑切角是常数，脱草性能不理想，因此在草茎较多的田里不宜采用这种刃口曲线。（2）F（）NKN和K是常数，0F（）2。将F（）NK带入式（2）得NDRCTGD（4）若令SIN，则OSKT，将其代入式（4）积分；1TR（5）INITCK（6）式中C是积分常数，令则方程（6）可改写为11SINKKRT（7）当0时，N，则1SIKNC（8）将C代入式（7）得11INNR（9）方程式（9）就是弯刀片侧切刃口曲线的理论设计式。根据对其各参数的不同处理，便能得到不同形状的刃口曲线。刃口曲线滑切角可依变量为10、20、30而线性变化。的增长的线性速率可根据所选定的常数K来确定。如选择角每增加180，角增加10，则108K；如果角是90，增加10，则19K。侧刃的起始半径0R可由下式求得，如图25。2MAX2MAX220RSR22AXAXS220MAXMAXRSR（10）图25起始半径的确定式中最大设计耕深，MMS进给量，MMMAXR刀片端点最大切削半径MM。在满足耕深要求和结构许可的条件下，取值MAXR为370MM。A为200MM，S为150MM，则0可取247MM。角的变化直接影响滑切角，增大，值也增加。但又受刀片长度的限制，所以MAX取用45，以保证滑切角大于刃口与茎秆或土壤间的摩擦角。312正切刃口曲线的设计正切刃的作用是从正面切开土块，切出沟底并切断侧切刃没有切断的草茎，或将其向外推移。为保证刀片切深一致，减少沟底横向不平度，要求正切刃曲线的侧面投影落在刀片最大直径所形成的圆柱面上，为圆弧的一部分（图26的1、2段），其俯视图投影为一根与侧切刃相交的斜线（图26的1、2段）。为减少冲击，正切刃与侧切刃的交角应大于90。所以，正切刃为一斜置平面与圆柱面相贯线的一部分，此曲线在展开的圆柱面上是一正弦曲线，其参数方程为MAXSINRTZTG（11）式中正切刃口面与圆柱面母线的交角。图26正切刃把参数方程变成直角坐标方程得MAXASINRZTG（12）为了简化正切刃滑切角的计算，以上述展开面作正切削面，正弦曲线上的斜率即为滑切角的正切。将式（12）微分得MAXMAXAXCOSCOSRRDDZDTGTG则MAXCSDXTGZR（14）以1AXAX90XR及2MINAX90XR代入式（14）的正切刃点1、2处滑切角的正切1MAXSINTGTR2INTT式中MAXR和IN为决定正切刃沿圆周方向的最大和最小位置角而角又与AX、MIR及正切刃宽度B等有关，由图知AXMINAXCOSRRTG（15）将式（15）代入上式得AXINAX1MSRTB（16）AXINAX2COSRTGR（17）由式（16）及（17）知，正切刃的滑切角与刀滚最大半径MAXR、极限位置角MINR、MAXR及正切刃宽幅B有关。增大MAXR，值也增加，但刀滚半径过大，导致扭矩增加并使机器结构庞大。改变极限位置角的数值对角也有影响，在保证正切刃易脱草的条件下，MINR和AX值应尽量取得小些。通过对粉茬机、旋耕机等机具的观察分析，本弯刀（MINRAX）的取为10，角取为20。减小宽幅B也可增加角，但B的选择除考虑上述因素外，还应与刀片配置、工作质量等因素结合起来考虑。增加B值可减少总耕幅内的刀片数，加大了相邻刀片的间距，有利于克服刀滚的堵塞。但B过大，机器的进程受到限制，否则土块太大，碎土质量变差。弯刀片的B值取为100MM。为了简化设计，弯刀片的正切刃是用圆弧与侧切刃连接起来，正切刃的实际起点并不处在以MAXR为半径所形成的圆柱面上。根据分析可制作如图的刀片32埋草弯刀的受力分析机器作业时，旋转的埋草弯刀对土壤进行切削、破碎及抛掷，土壤反作用于埋草弯刀上，从而形成了土壤阻力，如图27所示。由于在整个切削土壤的过程中，耕深由小到大变化，切削的土壤面先是由小到大，然后又由大到小，埋草弯刀的位置不断变化，所以，土壤阻力的大小、方向及作用点在整个切削过程中都在变化。埋草弯刀入土时，土壤沿轴向对埋草刀左右的力几乎相等，所以埋草刀沿轴向，即垂直于XOZ平面，所受的力很小，可忽略不计。为了便于分析，将阻力沿X、Z两坐标轴分解成XF、Z两个分力，则有XZF（1）2Z（2）将F沿作用点Q的法线、切线方向分解成两个分力，即法向力FN、切向力F，则NF（3）2（4）切向力F对刀轴的旋转中心产生一阻力矩M，其大小为R（5）式中R埋草弯刀回转半径，MM。图27埋草弯刀受力4还田机刀具排列优化41刀片的合理密度刀片的合理密度由刀片总数与刀片在转轴上分布长度的比值来确定，不同形状的刀片取值范围不同。刀片的排列条件为增加机具的寿命，减少振动，提高机具的动力性能和经济性能，稻草还田机刀片排列需以下条件（1）空载旋转时，刀轴受力均匀，刀片产生的离心力为零，即径向力必须平衡。（2）轴向相邻刀片间距，以不产生实际漏切割带为原则。（3）轴向相邻两刀片径向夹角要尽量大。（4）相继打击秸秆的刀片轴向距离越大越好，以免干扰和堵塞。（5）所有刀片沿刀轴周向尽量呈等角分布，以使工作平衡，刀轴负荷均匀。（6）尽量保持每次一组刀片打击秸秆。（7）制造及装配要方便。（8）功率消耗尽量小。42关键工作部件的设计与校核421刀具排列及其动平衡校核秸秆还田机在工作过程中的振动给机具的正常工作带来了很大危害，不但影响机具的工作性能，而且降低了机具零部件的使用寿命。由机具作业情况可知，机具产生的振动主要来源于机架上安放的刀辊。因此，在机具设计过程中对刀辊进行动平衡校核具有重要的意义。4211刀具排列的要求刀辊为秸秆粉碎还田机的关键工作部件，其上刀具的合理排列与机具的工作效果及机具的振动关系密切。秸秆碎还田机刀具排列应满足以下条件机具的工作性能的要求刀具排列以不产生漏割为基础，相继打击秸秆的刀具轴向间距越大越好，径向相邻两刀具夹角应尽量大些，以免干扰和阻塞。降低机具的磨损，提高其稳定性刀具排列从整体上看，要求轴向分布均匀，径向上呈等角分布，以便使机具空载旋转时刀轴负荷均匀，刀具产生的离心力为零。提高机具的经济性能结构简单，制造、装配方便，功率消耗要尽量小，经济实用。4212刀具平衡方程的建立机具工作时，离心力引起的振动是通过轴承支点传递给整机的。刀轴通常为均质回转轴，其上离心合力可近似为零，因此振动产生的原因主要是由刀具及其附件产生的离心力对刀轴支点的矩造成的。分析可知，要使刀轴轴承动反力为零，刀辊不产生振动，则必使刀具产生的惯性离心力系主矢为零，且其对于X、Y轴的矩也等于零。动平衡分析时，将刀辊理想化为刀轴部分质量分布均匀，且无制造、安装误差，仅从刀具排列方面对其进行动平衡计算。如图41所示，对于每把刀而言，都是一个不平衡的转子，但从刀具的整体排列而言，如果所有刀具引起的不平衡量在刀轴轴端相互抵消，刀辊趋于平衡，由此可将秸秆粉碎还田机刀辊上每把刀产生的不平衡力向刀轴端面平移，使其在两个校正面上的主矩、主矢均为零，整个刀辊处于平衡状态。分析可得刀具动平衡方程，利用该式可对刀具进行平衡校核。图411142312COSCOSCOSCOSIIIIAXFSFSFSFSFINNN11142312SINSINSISIAYFSFSFSFSFINNNFS11COS2132COSCOSCOSIIIBXFFSFSF11INNS21321SINSINSISBYFFSFSFS11NIN式中、各刀具在A、B两平衡面上的等效力单位NAXFYBXYFI把刀具与刀轴周向角AF刀具及刀座结合体产生的离心力单位NS刀轴两端第一把刀之间的距离单位M第I把刀离B面的距离。I4213刀具的动平衡校核刀具排列对机具工作性能影响极大。通过现有资料的分析研究，结合本机的实际需要，确定刀具排列。刀具排列首先应满足静平衡，因此在刀具的排列中，使刀具排列的轴向间距和轴向间角均相等；在满足刀具排列以不产生漏割为原则的基础上，相继打击秸秆的刀具轴向间距越大越好；径向相邻两刀具夹角应尽量大些以免干扰和阻塞；此外，刀具的排列应符合作物的栽培模式。在上述条件下，利用1、2式建立刀具排列平衡方程求解，得刀具排列图42。在实际工作中，由于刀辊两侧的工作量远大于刀辊中部，因而设计中刀辊中部的刀具间距被增大。通过建立动平衡方程可验证刀辊是否平衡。但对于结构复杂的机构，运用该种方法，运算极其复杂；对于质心难以确定的机构而言，运用该种方法甚至无法得到结果，但利用UG的运动学及动力学的方法可解决这一问题。校核中，先建立刀辊的装配模型，通过对刀辊运动仿真，输出刀辊两端轴承受力结果图来校核刀辊的动平衡性。由最后结果可知，设计刀辊能满足动平衡要求。图4243主要工作部件的有限元分析431刀具的有限元分析刀具的性能直接影响机具的性能与寿命。金属的疲劳断裂主要由于局部应力集中引起的，机械零件存在局部应力集中，在循环载荷作用下，会引起疲劳微裂纹萌生和扩展，从而导致裂纹发生。因此，对部件进行相应的应力分析，分析工作部件在作业时的应力分布情况，对部件结构、尺寸的设计、校核十分重要。1刀具有限元计算结果。通过UG建立起刀具的实体模型，对其进行有限元分析。已知粉碎单株秸秆时所需剪切强度的大小为65199MPA，可得刀具切割单株秸秆所受力的大小。以刀具切割根部时的冲击载荷为所受力，根据刀具刀刃受力位置的不同分为两种情况进行分析切割单株秸秆时，切割点在切割中部；切割单株秸秆时，切割点在刀刃左侧。针对上述两种状况，对刀具施加约束并在刀刃上施加载荷进行求解运算，结果如图43所示。图432刀具切割强度的校核。由图44可知,刀具所受应力最大值为根据刀具选用的27MAX106485MN材料确定其许用应力为。可得,即该机刀具所受的最281062NMAX大应力远小于材料的许用应力,刀具有足够的稳定性和强度。此外,在实际工作中可根据有限元计算确定的危险部位,定期进行检查,确保没有裂纹产生。图44经分析，12个刀盘轴间距180MM，每个刀盘2刀向左2刀向右，相邻刀定位转角45时，刀具排列效果较好根据分析刀滚总装图如图结论经过以上部分的设计与分析，本设计基本符合题目要求，所设计刀具采取反转作业，刀具的设计能够达到要求，减少挂草，防止缠草，避免由秸秆缠绕引起刀滚堵塞，能够提高工作效率。然而，在设计中依旧存在诸多不足需要改正，如进一步对刀具刃口曲线的优化，和复杂刃口曲线在生产加工时是否适合实际情况等等。通过这次设计，也发现了自身诸多不足，对绘图软件使用的不熟练，和在设计分析时暴露出的数学功底不扎实等等，都使我暗下决心，即使离开学校了，在将来的工作生活中也不能懈怠，还要继续努力学习，掌握应有的技能，做到对无论对学术还是生活都精益求精。参考文献1尹大庆，韩永俊，赵艳忠。秸秆还田的研究现状J农机化研究，2003年4月2吴守一等。切割装置J农业机械学，1987年11月3涂建平，徐雪红，夏忠义。秸秆还田机刀片及刀片优化排列的研究J农机化研究，2003年4月4河北省农机化所。论秸秆还田机刀片的设计J农牧与食品机械，1992年第1期5毛罕平，陈翠英。秸秆还田机工作机理与参数分析J农业工程学报，1995年12月6丁为民，王耀华，彭嵩植。反转旋耕刀正切面分析及参数选择J农业机械学报。2004年12月7夏俊芳，许绮川