【文章內(nèi)容簡介】 質(zhì)量為m1=100kg，兩輥軸間的距離a=180mm，移心軸的質(zhì)量約m2=20kg，摩擦系數(shù)u=。各個零件間的受力間如圖29所示。由公式： 單側(cè)壓力 故由公式1得經(jīng)計算得知：加強筋地膜的總拉力F=156N 移心軸產(chǎn)生的摩擦力=， 故卷膜裝置的轉(zhuǎn)速確定以移心軸的壓力確定，圖29 卷膜輥軸裝置各零件受力分布1 移心軸 2 輥軸移心軸為該機械的核心部件，該軸將加強筋地膜卷成筒，便于搬運及運輸。隨著加強筋地膜的增加，移心軸的直徑逐漸增加，對輥軸的壓力逐漸增大。加強筋地膜由于存在加強筋，使該地膜有加強筋的位置支撐該地膜的重量，為其他為則懸空，當壓力過大時容易發(fā)生側(cè)滑，使該地膜無法覆膜播種，影響棉花的生長。得知該壓力的大小可以有效的解決側(cè)滑問題。即： 速度恒定時公式 （1） （2） （3）式中 移心軸對輥軸的壓力移心的質(zhì)量單位長度加強筋地膜的質(zhì)量重力加速度加強筋地膜滾筒直徑分別為普通地膜和加強筋的質(zhì)量、長度由于移心軸轉(zhuǎn)動時隨時間增加其直徑逐漸增加，隨時間的推移直徑增加的越來越緩慢，故時間直徑的關(guān)系依靠試驗數(shù)據(jù)進行求得，具體數(shù)據(jù)間表22所示。表22移心軸的直徑與時間之間的關(guān)系時間t/min直徑D/mm時間t/min直徑D/mm130113135::::79根據(jù)表1的數(shù)據(jù)運用軟件OriginPro ，見圖210所示，該圖揭示了移心軸時間直徑的變化規(guī)律，起始階段移心軸的直徑增加較快，隨著時間的推移移心軸的直徑趨于固定值。圖210移心軸的直徑與時間變化曲線根據(jù)移心軸的直徑與時間變化曲線輸入到軟件OriginPro ，對離散點進行擬合。并自動生成該離散點數(shù)學(xué)公式。即： 公式 （4）根據(jù)公式（2）、（3）、（4）帶入公式（1）得出壓力與時間的變化公式，根據(jù)該公式可知加強筋地膜加工機械具體停機間隔時間，以保證加強筋地膜的質(zhì)量。即：壓力與時間的變化關(guān)系 公式 （5）加強筋地膜在運輸過程中側(cè)滑問題已嚴重影響加強筋地膜覆膜播種效率，加強筋地膜側(cè)滑如圖211所示，側(cè)滑導(dǎo)致覆膜播種機播種時打到加強筋時無法播種，嚴重影響棉花的生產(chǎn)率，同時使殘膜無法進行回收，增加了環(huán)境的污染。圖211 加強筋地膜側(cè)滑示現(xiàn)象公式（5）反應(yīng)了輥軸的壓力與時間的變化關(guān)系，由于該公式參數(shù)較多，不能直觀的分辨兩者之間的關(guān)系，故采用對該公式進行分析，直觀的顯示壓力與時間的變化關(guān)系。圖212 輥軸壓力與時間的變化關(guān)系由于加強筋地膜加工機械的生產(chǎn)相對較低，提高該機械的轉(zhuǎn)速可以有效的提高加強筋加工機械的生產(chǎn)率。由于存在最大的靜摩擦，故該機械工作時可持續(xù)提高輥軸的轉(zhuǎn)速，以保證該機械最大的生產(chǎn)效率，同時保證加強筋地膜的質(zhì)量，促進了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。即：壓力與離心力恒等公式 （6）將公式（2）、（3）、（4）帶入（6）得到在壓力與離心力相等時輥軸速度與時間的關(guān)系式，該公式揭示了加強筋地膜加工機械工作時提高電機轉(zhuǎn)速，間接地提高該機械的生產(chǎn)率。即： 公式 （7） 加強筋地膜加工機械傳動裝置設(shè)計加強筋地膜加工機械的機構(gòu)功率設(shè)計是該機械順利生產(chǎn)的關(guān)鍵，功率過大會導(dǎo)致加強筋地膜的收縮率增大，功率過小的動力會導(dǎo)致該機械動力不足，影響加強筋地膜的生產(chǎn)效率。選取合理的功率的大小保證了該機械的動力輸出，對該機械各個部件的阻力計算是選取功率的關(guān)鍵。由于加強筋地膜加工機械的工作環(huán)境較差，故考慮鏈條傳動。根據(jù)該機械工作中所受的阻力大小，采用電動機進行動力輸出。圖214為加強筋地膜加工機械傳動方案，主動鏈輪為雙齒輪，同時為鏈輪Ⅰ、鏈輪Ⅱ、鏈輪Ⅲ進行動力傳輸，將鏈輪的傳動比誤差降到最小，保證鏈輪傳動同步進行，根據(jù)試際需要鏈輪Ⅰ采用鏈輪外側(cè)進行驅(qū)動，使旋轉(zhuǎn)方向滿足加工生產(chǎn)的需求，由于鏈輪Ⅰ受到的轉(zhuǎn)矩較小，鏈輪包角過小對動力傳輸無影響。圖214加強筋地膜加工機械傳動方案1鏈輪Ⅰ 2鏈輪Ⅱ3鏈輪Ⅲ 4鏈條 5雙齒輪、輸入功率的計算該機械的動力傳輸采用三相異步電動機（Y90L4,1440r/min）帶動，中間通過擺線針輪減速機（，傳動比I=71）減速后，將動力傳給鏈輪，~，如圖215所示。根據(jù)上述設(shè)計參數(shù)可對動力系統(tǒng)進行校核計算，在電機額定功率及工頻條件下（額定轉(zhuǎn)速）下，鏈輪轉(zhuǎn)矩N為： 式中 電機額定功率（） 電機額定轉(zhuǎn)速（1440rpm） 減速器減速比（71） 機械系統(tǒng)傳遞效率（0. 90）圖215動力傳輸裝置示意圖主動輥軸的抗轉(zhuǎn)矩為，選用三相異步電動機滿足該機械動力輸出，根據(jù)鏈傳動的受力分析，鏈號為，單排抗拉能力，節(jié)距為考慮鏈條最大拉力為緊邊拉力。緊邊拉力公式可求的鏈條拉力最大值。由公式 （圓周力；離心拉力；懸垂拉力） 故鏈條拉力最大值，滿足加工生產(chǎn)的需要。第3章 加強筋地膜加工裝置設(shè)計 加強筋地膜加工裝置的設(shè)計思路南疆地區(qū)地區(qū)風(fēng)沙災(zāi)害較多，特別在春季和夏季風(fēng)沙可達到級，地膜受風(fēng)沙作用破損嚴重，導(dǎo)致重新覆膜播種，增加了種植成本。目前地膜設(shè)有防風(fēng)隔斷阻止地膜受風(fēng)沙破損，該方法不但增加了勞動力，而且較小了地膜采光的面。而本文研制成功的加強筋地膜可有效提高抗風(fēng)沙能力，為批量生產(chǎn)加強筋地膜，本文研制成功了加強筋地膜加工機械，但該機械生產(chǎn)率為，無法滿足該地區(qū)的大量需求，而且該地膜在運輸過程中存在錯位的問題，可能導(dǎo)致無法覆膜播種，使嶄新加強筋地膜直接變成殘膜，嚴重浪費了資源。為了解決以上問題，本課題組研發(fā)成功了加強筋地膜加工裝置，與現(xiàn)有的棉花覆膜播種機配套使用，可有效地進行覆膜播種。本課題組研制成功加強筋地膜加工機械主要由五部分構(gòu)成，分別為機架、懸掛裝置、傳動裝置、展膜裝置、卷膜裝置。該機械存在加工過程中存在以下問題。1）操作繁瑣，消耗人力。加工時注意更換加強筋、更換地膜，注意機械故障，必須有兩人以上才能進行加工，輔助操作降低了該機械生產(chǎn)率的40%。2）浪費資源。該機械進行加工時，機械所消耗的電費、人工的費用，特別是該機械的制造成本過高。加強筋地膜加工機械存在諸多問題，但該機械也存在優(yōu)點。覆膜播種機運行時加強筋地膜由本身拉力使加工裝置運行，并且使普通地膜與加強筋進行粘合，完成了將普通地膜進行加筋。加強筋地膜加工裝置吸取加強筋地膜加工機械的優(yōu)點，使得加強筋地膜加工裝置生產(chǎn)率高，覆膜播種效率高。加強筋與普通地膜粘合時，其角度適合，展膜輥軸、加強筋安裝軸和普通地膜的輥軸的距離和角度固定。根據(jù)現(xiàn)有的棉花覆膜播種機的特點，中間覆膜播種機的機架空間較小，而兩邊覆膜播種機的機架空間較大，根據(jù)試際需求設(shè)計了兩種加強筋地膜加工裝置，便于根據(jù)覆膜播種機選擇不同的加工裝置。 加強筋地膜加工裝置的設(shè)計由于加強筋地膜加工裝置吸取了加強筋地膜加工機械的優(yōu)點，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，直接安裝在覆膜播種機上，與覆膜播種機同時運行。加工裝置與覆膜播種機的結(jié)構(gòu)如圖31所示。覆膜播種時，先將加工裝置上的加強筋與普通地膜進行粘合，運行覆膜播種機，加強筋在普通地膜輥軸上粘合完成。通過展膜輥軸鋪設(shè)在種床上，由開溝裝置、回土裝置、穴播器完成覆膜播種。經(jīng)過該裝置的優(yōu)化設(shè)計，與覆膜播種機完美的結(jié)合，并且加工方便，便于維修。圖31 加強筋地膜復(fù)合播種機示意圖1牽引架 2加工裝置 3滴灌帶 4壓土輪 5覆土滾筒6穴播器 7展膜輥軸 8鎮(zhèn)壓輪拖拉機正后面的覆膜播種機的機架懸掛裝置要求結(jié)構(gòu)簡單。而本課題組設(shè)計成功的直接加筋的裝置不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且性能穩(wěn)定。該裝置如圖32所示，主要由安裝軸、擋板和支架組成。整體機械運行時，該裝置將加強筋直接粘合在普通地膜上，再將加強筋地膜進行覆膜，使加強筋地膜存在拉力，該拉力使地膜桿進行轉(zhuǎn)動，完成加強筋地膜的加工。圖32 直接加筋加工裝置示意圖1鎮(zhèn)壓輪 2加強筋地膜 3支架 4加強筋5擋板 6軸Ⅰ 7軸Ⅱ由于軸Ⅰ和軸Ⅱ安裝在一個機架上，所以機架要有一定的長度和強度，保證加強筋和普通地膜互相不影響。覆膜播種時普通地膜的直徑為之間，加強筋地膜的直徑為左右。為了減少更換加強筋的次數(shù)，加強筋的直徑需要增大，因此原來的支架應(yīng)加長，保證了該機械的正常運行。由于普通地膜和加強筋垂直放置，加強筋存在拉力，容易使普通地膜撕裂，故在支架前部放置一個可旋轉(zhuǎn)的軸，該軸有效的減少的加強筋的拉力，使該機械順利的進行覆膜播種。由于兩邊的覆膜播種機的機架空間較大，故設(shè)計時盡量較小加強筋的拉力，在原有的裝置上增設(shè)機架。如圖33所示，該裝置主要由軸、擋板、機架構(gòu)成。新增的機架安裝在普通地膜的前部。該裝置工作時，常規(guī)地膜與加強筋同時繞過展膜軸，使加強筋與普通地膜進行粘合，以覆土產(chǎn)生的拉力使該裝置運行，同時有效的防止地膜破損、收縮，使加強筋地膜完整的進行覆膜。圖33 展膜裝置示意圖1鎮(zhèn)壓輪 2加強筋地膜 3加強筋 4擋板 5軸Ⅰ6支架 7展膜軸 8軸Ⅱ新增的支架與原支架距離為，其高度約為，展膜軸的直徑約為。該裝置有效的利用覆膜播種機的空間，為覆膜播種提供的方便。設(shè)計時軸Ⅰ和軸Ⅱ進行偏心設(shè)置，可縮小加強筋與普通地膜粘合的時間，同時減小加強筋的拉力。展膜裝置的設(shè)計可有效的提高加強筋與普通地膜的粘合，該裝置的零件之間的角度直接影響加強筋的拉力，如圖34所示為各個零件的受力分布。圖34 角度分析示意圖1普通地膜 2加強筋 3展膜輥軸為普通地膜與輥軸的切點；為加強筋與展膜輥軸的切點；為加強筋地膜與輥軸的切點。點的位置直接影響粘合的程度，當點與點較近時，粘合的時間較短，導(dǎo)致加強筋與普通地膜無法全部粘合或粘合存在縫隙；當點與點較遠時，影響整機的機構(gòu)。故適當?shù)恼{(diào)節(jié)點的距離，使加強筋地膜收縮量小，覆膜播種率高。 受力如圖35所示。圖35 受力關(guān)系示意圖即： 公式中加強筋地膜的拉力 加強筋的拉力 普通地膜的拉力根據(jù)以上公式可以得出，越小時，加強筋地膜的拉力就越小。但越小時，導(dǎo)致粘合的時間過短，故適當?shù)慕嵌葘ιa(chǎn)試驗非常重要，經(jīng)試驗，當為和為最為適合。第4章 加工機械部件有限元分析 有限元法隨著電子計算機的快速發(fā)展，有限元法在各個領(lǐng)域得到了應(yīng)用，有限元是利用數(shù)值分析的方法，對所求的模型利用數(shù)學(xué)法進行有限次的迭代，得到近似試際條件下的解。有限元分析的應(yīng)用已成為分析模型的高效的、可靠性的手段。本章運用ANSYS軟件對加強筋地膜加工機械部件進行應(yīng)力、應(yīng)變的有限元分析，及對主要部件進行優(yōu)化。有限元法是將連續(xù)的模型分割成有限個單元后進行數(shù)學(xué)模擬分析，分割成的單元僅在頂角處相互連接，稱連接點為節(jié)點。真試的彈性模型內(nèi)部相互連接，而離散化是組合體內(nèi)部除節(jié)點無任何連接，節(jié)點之間的連接滿足模型的變形條件，即不存在裂縫，也不存在重疊現(xiàn)象。當模型受外力作用時并產(chǎn)生了彈性變形，那么組成模型內(nèi)部的單元也發(fā)生彈性變形，因此模型內(nèi)部的連接處的節(jié)點產(chǎn)生不同大小的位移，這樣的位移稱為節(jié)點位移。在有限元分析中，未知量通常有：節(jié)點位移、應(yīng)力、應(yīng)變等。假設(shè)模型單元根據(jù)塊的近似方法，函數(shù)可以近似表示位移的分布規(guī)律，如力學(xué)模型中的變分原理等，模擬節(jié)點力與位移之間的力學(xué)特征之間的關(guān)系。得到以節(jié)點位移為變量的代數(shù)方程，從而求得節(jié)點位移分量。然后利用數(shù)值分析中的插值函數(shù)確定單元集合體上的函數(shù)。有限元法求解問題時，設(shè)置的步驟較多，其中主要設(shè)計步驟為：1）連續(xù)體離散化。首先，根據(jù)連續(xù)體的形狀特征，選擇能完整描述連續(xù)體的單元。常見的單元類型有：桿單元、梁單元、三角形單元等。其次，對單元進行劃分，劃分完成后，計算機自動將全部的節(jié)點和單元按順序進行編號，每個單元所受的載荷均按靜力學(xué)等效原理加載到節(jié)點上，并根據(jù)試際情況約束模型上方的節(jié)點，進行位移約束。2）單元分析。單元分析就是將各個單元節(jié)點和節(jié)點力之間建立數(shù)學(xué)分析式?，F(xiàn)以三角形單元為例說明單元分析的全過程。如圖41 所示，三角形的三個節(jié)點分別為、。在二維平面問題分析中，每個節(jié)點有兩個位移分量、和兩個節(jié)點力分量Fx，F(xiàn)y。三角形單元共有六個節(jié)點位移分量可用矩陣{a}e表示：圖41 三節(jié)點三角形單元分析示意圖同樣，作用于三角形單元節(jié)處的六個節(jié)點力用列陣{F}e表示：應(yīng)用彈性力學(xué)理論和虛功原理可以得出節(jié)點位移與節(jié)點力之間的關(guān)系： （41）3）整體分析。整體分析是對各個單元組成的整體模型進行分析。目的建立一個線性方程組，揭示了外力與節(jié)點位移的變化規(guī)律，從而得到節(jié)點位移的變化量。利用公式（41）可得節(jié)點力平衡和節(jié)點變形協(xié)調(diào)條件建立整個連續(xù)模型的節(jié)點力和節(jié)點位移的關(guān)系式。即： 式中： 整體剛度矩陣； 全部節(jié)點位移列陣； 全部節(jié)點載荷列陣。這個矩陣方程中，矩陣為未知量，對該線性方程組求解可以得出各個節(jié)點位移。再將節(jié)點位移代入相應(yīng)的方程可以求出單位應(yīng)力分量。 優(yōu)化設(shè)計方法對于設(shè)計集體來說，對任何產(chǎn)品的設(shè)計總是希望做出最優(yōu)的方案，使其擁有最好的使用性能和消耗最少的材料與最低的制造成本，獲得最佳的經(jīng)濟效益和社會效益。優(yōu)