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农学硕士论文:谷物联合收获打捆复式作业机振动分析与压缩装置结构优化

添加时间:2018-01-11 20:47:09   浏览:次   作者: www.dxlwwang.com
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第一章 绪 论

 
1.1 研究目的与意义
秸秆是当今世界上四大能源之一,全世界年秸秆生产量约为 20 亿吨[1]。我国秸秆资源非常的丰富,农作物秸秆年产量约为 7 亿吨,约占全世界秸秆总产量的 30%。农作物秸秆作为天然多功能资源,越来越受到国家的重视[2]。我国秸秆的综合利用很广,秸秆通过生物发酵,可以作为牲畜的饲料;在工业应用上,秸秆除了作为造纸材料、包装材料等,还可以作为纺织和工业原料;作物秸秆经翻压还田后,不但可以优化土壤结构和农田的生态环境,还可以提高农作物产量;秸秆资源自身热量储备,可以直接用来直燃发电、发酵制沼气以及热解液化制成生物燃油。目前我国秸秆综合利用率仅为 33%,有些地方采用焚烧的方式将其处理掉,田间燃烧秸秆产生的烟雾会长期留在空气中,严重影响空气质量。由于秸秆比较松散,搬运非常不方便,而秸秆通过压缩打捆后密度增加,秸秆体积减小,降低了秸秆的搬运成本[3-4]。目前,国内外用于收获农作物秸秆的大多是牵引式打捆机,主要包括秸秆捡拾喂入装置、输送装置、压缩打捆装置、打结装置等,可自动完成秸秆的捡拾,喂入,输送,压缩打捆,打结等工作步骤[5]。而复式作业机可一次性完成谷物的收获和打捆工序,在谷物收获的同时对秸秆进行打捆,不但可以提高机器的工作效率,而且避免了打捆机的二次下地。由于复式作业机结构复杂,工作部件和传动部件较多,在恶劣的工作环境下工作时,整机振动和噪音非常明显,对整机可靠性和驾驶员舒适性有非常大的影响[6]。国内谷物联合收获打捆复式作业机正处于初期发展阶段,企业多侧重于复式作业机的功能,而对复式作业机整机振动研究较少,因此由复式作业机各工作部件等激振源引起并传递至压缩装置的振动无法得到有效减弱,甚至相互叠加,易使整机出现共振现象,进而严重影响整机的稳定性[7]。由于现阶段谷物联合收获打捆复式作业机的研发尚处于初期发展阶段,对其振动和噪音这一方面的研究较少,特别是对压缩装置振动特性的研究鲜有报道,因此联合收获打捆复式作业机的振动和噪声问题,特别是对压缩装置振动特性的研究成为目前迫切需要解决的难题。
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1.2 国内外研究现状
 
1.2.1 国外方草捆压捆机发展状况
目前对方草捆压捆机的分类方法有很多,通过动力方式区分可以分为自走式和牵引式,牵引式压捆机的动力是由牵引的拖拉机提供,自走式压捆机动力一般由压捆机直接提供[8]。Heard Adrian Paul 等[9]设计了一种可将物料自动粉碎、抛洒的牵引式压捆机;Robb John 等[10-11]设计了一种秸秆以流线形运动的牵引式压捆机。对于自走式压捆机,Andrew Kenneth Anderson 等将自走式方草捆压捆机与秸秆粉粹装置结合设计了一种新型压捆机,该作业机同样也可以作为牵引式使用,实现了一机多用。自走式相对于牵引式而言,其突出的优点是:作业转弯半径小,田间适应性好。现有小方捆截面尺寸(高×宽)主要有以下几种:31cm ×41cm(12 英寸×14 英寸)、36cm × 46cm(14 英寸×18 英寸)和 41cm×46cm(16 英×18英寸)三种[12],草捆长度在 30cm~130cm 之间可调。大方捆的截面尺寸(高×宽)主要有:80cm×90cm(31 英寸×35 英寸)、120cm×90cm(47 英寸×35 英寸)和130cm×120cm(51 英寸×47 英寸)这三类,其草捆长度在 100cm~300cm 之间可调。1870年,世界上第一台固定式压捆机问世[13],后来经过对其不断改进优化,该压捆机在多个国家得到了广泛的推广应用。1930 年,世界上第一台牵引式压捆机问世,1930 年后有工程师尝试把打结装置直接添加到压捆机上,以实现自动打结的功能,1940 年开始,牵引式捡拾压捆机在很多国家得到广泛应用[14-15]。20 世纪三十年代,方草捆压捆机的快速发展使得活塞式压捆机的作业效率和整机可靠性有了明显提高,在 1945 年之后,牵引式压捆机因其整体性能较好,因此得到了快速的发展[16]。
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第二章 联合收获打捆复式作业机喂入与压缩装置设计分析
 
2.1 复式作业机结构和工作原理
谷物联合收获打捆复式作业机如图 2.1 所示,该作业机突破了传统的联合收割机与打捆机的简单对接,将喂入装置、压缩装置、打结器布置在整机的左侧,将飞轮和变速箱配置在整机的右侧,使得该复式作业机重量分布更加均匀,提高了整机的田间通过性。复式作业机工作流程主要包括:茎杆切割、谷物输送、秸秆喂入及秸秆压缩打捆等,切割是利用割台割刀对稻麦进行切割,通过输送槽和脱粒分离装置进行谷物输送,秸秆通过下喂入装置由上至下进入到压缩室,打捆装置对输送来的秸秆进行压缩打捆,谷物联合收获打捆复式作业机结构如图 2.2 所示。复式作业机在田间作业时,切割器将拨禾轮聚拢的谷物切割并由输送装置输送至脱粒分离装置,谷物经脱粒滚筒脱粒分离后,下喂入装置中的曲柄连杆拨叉机构不断将脱粒滚筒出草口排出的秸秆输送到压缩装置中,压缩装置将秸秆压缩,并不断将草捆向前推移,当草捆长度达到一定值时,打结器自动打结,如此循环工作,草捆向后不断移动,直至滑落到田间,谷物联合收获打捆复式作业机作业流程如图 2.3 所示。
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2.2 传动系统设计与分析
发动机输出转速为 2200r/min,输出功率为 73.5kw,考虑到打捆装置所需功率并根据单根普通 V 带的基本额定功率表[30],发动机输出带轮与中间轴输入带轮间采用 4 根 C 型带连接,中间轴输入带轮通过 V 带与减速箱输入带轮连接,减速箱为三级减速传动装置,如图 2.4 所示。减速箱输出轴与压缩装置输入轴通过万向联轴器连接,同时压缩装置输入端链轮通过链传动与换向齿轮机构连接将动力传递至打捆装置的另一侧,换向齿轮机构输出端链轮通过链条带动拨叉机构输入链轮传动。喂入装置设计为下喂入式的进草方式,喂入装置一端位于脱粒装置的出草口处,并与脱粒装置相切,喂入装置结构示意图如图 2.5 所示,秸秆由下至上的喂入方式不仅可以保证秸秆的顺畅输送,还可以提高喂入装置与地面之间的距离,保证整机的田间通过性。
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第三章 联合收获打捆复式作业机整机振动分析.......23
3.1 复式作业机产生振动的主要原因......23
3.2 振动测试系统介绍........24
3.3 振动试验.............25
3.3.1 试验方案和测点布置....25
3.3.2 试验过程.............27
3.4 振动试验结果与分析....28
3.4.1 时域信号分析.....28
3.4.2 频域信号分析.....31
3.5 本章小结.............33
第四章 压缩装置模态分析与结构优化............34
4.1 压缩装置理论模态分析..........34
4.2 压缩装置试验模态分析..........38
4.3 压缩装置结构参数优化..........46
4.4 本章小结............49
第五章 联合收获打捆复式作业机田间试验....50
5.1 试验条件............50
5.2 试验指标和方法...........51
5.3 试验结果分析....53
5.4 本章小结............54
 
第五章 联合收获打捆复式作业机田间试验
 
为考核下喂入装置、压缩装置设计与参数匹配是否符合设计要求,整机作业性能是否可靠,本章将对样机进行田间试验研究,以草捆成捆率、规则草捆率、抗捆率、草捆密度及纯工作小时生产率为试验评价指标。
 
5.1 试验条件
 
5.1.1 试验目的
本试验的目的是为测定谷物联合收获打捆复式作业机的作业性能,考核下喂入装置、压缩装置设计与参数匹配是否符合设计要求。根据方捆打捆机试验要求[70],选取一块长势均匀的水稻田进行田间试验,试验地点选在南通市通州区新雁村,试验地比较平坦,试验条件符合试验要求,试验田如图 5.1 所示。在田间试验时选取地势较为平坦、水稻长势相对均匀的田块,试验时待复式作业机稳定运行一段时间后,随后使复式作业机以 1m/s 的作业速度连续作业 1小时。谷物联合收获打捆复式作业机作业质量试验结果如表 5.3 所示,以规则草捆率为评价指标,评价下喂入装置,压缩装置在田间收获时对草捆成捆质量的影响。以成捆率、规则草捆率、抗捆率、草捆密度、纯工作小时生产率为指标,综合评价整机作业性能。
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总结
 
我国作为一个农业大国,具有丰富的秸秆资源,但秸秆综合使用率较低,如何提高秸秆的综合使用率问题日益突出。本文在现有沃得 DC50C 轮式联合收割机的结构基础上,对谷物联合收获打捆复式作业机进行了结构匹配设计,该作业机可边收获边打捆,具有田间通过性好、转弯半径小、工作效率高等优点。同时以该复式作业机为研究对象,分析了作业机产生振动的主要因素,并在不同工况下对作业机振动水平及外部激振源进行试验分析。继而对压缩装置进行有限元分析、模态试验及结构优化,最后对复式作业机整机进行田间性能试验,现将完成的工作总结如下:
(1)对复式作业机传动系统、喂入装置及压缩装置等核心工作部件进行设计计算,该机总体配置使得整机质量分布均匀并提高了田间通过性,喂入装置采用曲柄连杆拨叉机构,压缩装置采用对心式曲柄滑块机构,喂入装置及压缩装置运动频率均设计为 93r/min,拨叉末端运动轨迹表明秸秆能够顺畅输送,压缩装置能够保证草捆质量达到设计要求,该复式作业机相比于传统牵引式打捆机,田间通过性好、转弯半径小、工作效率高。
(2)以谷物联合收获打捆复式作业机为研究对象,在分析了整机振动产生主要因素的基础上,在发动机运转且整机静止空载、发动机运转且整机空载和田间正常作业 3 种状态 5 种不同工况下,对整机多个工作部件的振动水平进行了分析,得出了 7 个测点时域信号和频域信号的变化规律,对压缩装置频域特性的分析结果表明,压缩装置与发动机及振动筛存在共振的内在可能。
(3)通过 solidworks 软件对复式作业机的压缩装置进行参数化建模,并通过 workbench 软件经属性定义、网格划分后对压缩装置进行模态分析,求解出压缩装置前 6 阶固有频率及对应振型。而后根据压缩装置的结构特点,利用激振力锤、三向加速度传感器、动态信号数据采集仪对压缩装置进行模态试验,将模态试验与有限元仿真两者结果对比分析,验证了压缩装置有限元计算的准确性。
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参考文献(略)

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