基于Solidworks 起膜鏟設計及模糊評價

王海新，張學軍，2，張朝書，史增錄，鄢金山，靳　偉

(1.新疆農業大學 機械交通學院，烏魯木齊　830052；2. 新疆農業工程裝備創新設計實驗室重點實驗室，烏魯木齊　830052；3. 阿克蘇精準農機制造有限責任公司，新疆 阿克蘇　843013)

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基于Solidworks 起膜鏟設計及模糊評價

王海新1，張學軍1，2，張朝書3，史增錄1，鄢金山1，靳偉1

(1.新疆農業大學 機械交通學院，烏魯木齊830052；2. 新疆農業工程裝備創新設計實驗室重點實驗室，烏魯木齊830052；3. 阿克蘇精準農機制造有限責任公司，新疆 阿克蘇843013)

摘要：對釘刺式殘膜回收機中的起膜鏟進行了改進設計，并對起膜鏟刀進行了受力分析。本文所設計的鏟刀，是由14片鏟刀組成的起膜裝置。同時，對起膜鏟的參數進行了詳細分析，得出影響起膜鏟的主要參數和影響因素。最后，運用模糊分析法對起膜鏟進行了模糊綜合評定，通過詳細的分析計算，得出起膜鏟刀的綜合評定為81.89分。

關鍵詞：殘膜回收機；起膜鏟；模糊分析

0引言

地膜覆蓋種植應用于農業生產中，具有顯著地抗病蟲害、提升溫度及提高農產品產量等作用；但如不及時回收田間殘膜，將會影響農作物生長、農機具工作且造成環境污染，阻礙了農業生產的可持續發展。據農業部門調查，我國地膜的使用量為(80～90)萬t/年。由于我國生產地膜厚度為0.006～0.008mm，抗拉強度小，導致秋收后地膜被風化形成小塊碎膜難以回收[1-3]。截止目前，我國研制的殘膜回收機存在技術還不夠成熟、機具功能較單一、故障率較高及田間撿拾殘膜連續性較差等問題[4]，故設計了一種起膜鏟，能夠與撿拾裝置更好的配合，增大扎膜的機率，從而更好的提高撿膜率。

在回收殘膜的過程中，殘膜回收機起膜鏟的作用是：一是將耕層中的殘膜挑起，與撿拾裝置更好接觸，同時增加撿拾裝置挑膜幾率；二是將板結的土壤在托膜鏟的作用下，把耕層中的殘膜與土壤盡可能分離開；三是起膜鏟將會把根茬切斷，方便把殘膜回收。因此，起膜鏟在工作中主要受到土壤和根茬的阻力兩方面的影響。

1設計要求與參數

1.1　設計要求

設計起膜鏟時，應考慮到角度調節和深度調節，應適應工作需求，并能通過角度調節桿和深度調節桿來調節合適的角度和工作深度。其鏟的三維效果圖，如圖1所示。

1.支撐架　2.擋板型Ⅰ　3.鏟刀　4.擋板型Ⅱ

rendering and structure

根據深松鏟與挖掘部件的設計原理及起膜鏟的設計準則，從而確定起膜鏟的結構。起膜鏟一般由帶刃的鏟刀、鏟柄及支撐臂組成。起膜鏟的鏟刀與地面傾斜，方便起膜鏟入土。起膜鏟由鏟刀和鏟柄組成，其結構如圖2所示。

1.2　鏟形參數設計

本文中所設計的起膜鏟是三角形鏟，其主要的參數有：鏟寬B、鏟刃斜角γ和作業時的鏟面傾角β。

1)鏟寬B。本文設計的鏟刀是兩邊采用平面四鏟和中間采用三角鏟的組合形式，總體的鏟寬是根據撿拾機構作業的幅寬而設定的。 本設計將鏟寬設計為1 800mm，每個鏟刀之間的間距縫隙為15mm，便于碎土漏下。

圖2　鏟形參數和鏟刃的受力分析

2)鏟刃斜角γ。鏟刀斜角γ是為了將土壤和殘膜一起抬起，由受力分析可知，土壤在鏟刃上的滑切是克服摩擦力，則[5-7]

P0sin(90°-γ)>F

(1)

式中P0—作用在鏟刃上的阻力(N)；

F—土壤對鏟刃的摩擦力(N)。

由摩擦定律可知

F=Rtg φ

R=P0cos(90°-γ)

(2)

將式(2)帶入式(1)中并解之得

γ<90°-φ

(3)

其中，φ為土壤對鋼的摩擦角，一般為26°~36°。

為了保證鏟刃的順利作業，鏟刃斜角γ應該滿足90°-γ>φ。

3)鏟面傾角β。為了保證起膜鏟在工作時不擁堵的前提下，起膜鏟將土壤抬起一定高度，對撿拾裝置增大扎膜機率，其受力分析如圖3所示。

由圖3起膜鏟鏟起土壤及殘膜時所受力平衡方程可以確定鏟面入土角的理論值[8]，有

(4)

式中F—起膜鏟所受到工作阻力(N)；

N—起膜鏟所鏟殘膜及土塊的反作用力(N)；

G—所鏟殘膜及土塊所受到的重力(N)；

T—起膜鏟對所鏟殘膜及土塊所受到的摩擦力(N)。

其中，T=μN,μ是起膜鏟與土塊之間的摩擦因數。

由式(1)可得

β=arctg(F-μG/μF+G)

(5)

如果β大于式(4)中的計算結果，起膜鏟鏟土就會擁堵，并導致阻力增大。

圖3　起膜鏟鏟面受力分析示意圖

2鏟的阻力計算

起膜鏟的牽引阻力受土壤、入土深度、鏟的形狀及鏟的傾斜角度等因素的影響。

起膜鏟的作業阻力不僅是由于鏟起來的土壤沿鏟面移動而產生的，而且也由于切割土壤產生的力。假如不考慮土壤沿鏟面移動速度變化的影響，鏟的總阻力可用式(6)表示[9-10]，有

R=P+P1=Slρtg(α+φ)+Ks

(6)

式中P—機具作業時鏟起土壤越過鏟面所需的力；

P1—鏟刀鏟土所需的力；

S—土壤鏟切面積；

L—鏟的長度；

ρ—土壤密度；

K—土壤比阻。

3起膜鏟總體性能的模糊評價

影響起膜鏟總體性能的主要因素有牽引阻力、作業質量、工作效率、經濟性、穩定性及可靠性，在這些因素中每個因素并不是同時達到最好(或最壞)，并且每個性能指標的好與壞沒有固定值，且具有的模糊性。所以，本文評價起膜鏟的總體性能采用的是模糊綜合評價的方法對起膜鏟總體性能進行評價。各因素對備擇集的隸屬度如表1所示。

表1　各因素對備擇集的隸屬度

1)建立因素集。根據影響起膜鏟性能的主要因素建立因素集[11-13]為

U={u1,u2,u3,u4,u5,u6,u7}={牽引阻力，作業質量，工作效率，經濟性，穩定性，可靠性}

其中,ui(i=1,2,…，7)為影響起膜鏟中體性能的各個因素。

2)建立備擇集。對于起膜鏟總體性能的綜合評價，等級分為優秀(90~100)、良好(80~90)、中等(70~80)、一般(60~70)、差(0~60)這5個級別，建立備擇集，即

V={v1,v2,v3,v4,v5}

其中，vj(j=1,2,3,4,5)為評價可能出現的結果。

3)單因素模糊評價。模糊綜合評價的目的，是充分考慮所有影響因素的基礎上，在備擇集中找出最好的評價結果。

由表1可得到評價矩陣為

4)建立權重集。因為各個因素的重要程度是不一樣的，對重要的因素應特別看重，對不太重要的因素，也要考慮到。為了反映各個因素的重要程度，對各個因素賦予一個相應的權數wi,可得到權重集。則

W={w1,w2,w3,w4,w5,w6,w7}={0.15,0.2,0.15,0.1,0.1,0.1,0.2}

5)模糊綜合評價。由于模糊加權平均算子M(⊕，·)能夠依據權重的大小對各影響因素均衡兼顧。因此，采用M(⊕，·)對起膜鏟綜合評定[15]，即可得到

B=W·R=[0.15,0.2,0.15,0.1,0.1,0.1,0.2]·

[0.07,0.425,0.375,0.13,0]

由專家按級別評分得到評分集C，最終可得到綜合評價值。

W=B·CT=[0.07,0.425,0.375,0.13,0]·[100,89,77,63,0]T=81.89

4結論

1)本文研究了起膜鏟的設計結構、工作原理及鏟的各個影響參數，分析了起膜鏟的工作阻力。

2)采用定性與定量分析結合，對起膜鏟總體性能進行了模糊綜合評價，評價結果為81.89，說明起膜鏟總體性能良好。

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Abstract ID:1003-188X(2016)11-0055-EA Based on Solidworks Film Shovel Design and Fuzzy Evaluation

Wang Haixin1，Zhang Xuejun1,2，Zhang Chaoshu3,Shi Zenglu1，Yan Jinshan1，Jin Wei1

Abstract：In this paper, the stud type residual film recycling machine shovel in the membrane was improved design, stress analysis of membrane shovel knife; In this paper, the design of the shovel, is made up of 14 pieces of the shovel up membrane device. At the same time, the detailed analysis of the film on the parameters of the shovel, indicates that the main parameters affecting the membrane shovel and influencing factors. Finally, the fuzzy analysis method of the membrane shovel has carried on the fuzzy comprehensive evaluation, through detailed analysis and calculation, it is concluded that the membrane of the overall evaluation of the shovel is 81.89.

Key words：the residual film recycling machine；the membrane shovel; the fuzzy analysis

中圖分類號：S223.5

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0055-03

作者簡介：王海新(1989-),男，山東臨沂人，碩士研究生，(E-mail) wanghaixin_123@163.com。通訊作者：張學軍(1966-)，男，烏魯木齊人，教授，博士，碩士生導師，(E-mail)zhxjau@sina.com。

基金項目：國家農業科技成果轉化資金項目(2013G4109001)

收稿日期：2015-08-12