玉米根茬收获机整机的结构设计与优化

目前摆在人类面前有两大危机，即能源危机和环境危机。这使得寻找新能源和保护环境成为了社会极为迫切要解决的问题。秸秆是具有可再生性的清洁能源，目前秸秆直燃发电技术在国外发达国家已经得到了广泛应用。根茬作为秸秆中重要的一部分，我国每年玉米根茬的年产量可达0.42亿吨。单就吉林省而言，玉米根茬的年产量约为500万吨。若充分利用，可转化发电约50亿度。可见其经济效益是十分可观的。本工作基于玉米根茬形态特性和土壤粘附特性，参照以往相似机器的脱土机构，设计出一台适合玉米根茬收集并脱土的机械系统——玉米根茬收获机。玉米根系比较发达，植株通过根系固土保持站立，必然裹挟大量的土壤。在玉米根茬主根系的部位，其裹挟土壤更为坚实，是脱土的最大难点。针对玉米根茬复合体脱土难的问题，应用美国Autodesk公司的三维机械设计软件Inventor设计出脱土工作部件，包括拾茬器、一级拨茬轮、碾辊栅板去土机构、二级拨茬轮。在根土复合体通过工作部件时，使其受到冲击、碾压和揉搓，利用根茬和土块之间所产生的剪切力实现去土。研究工作首先对土壤和玉米根茬根土复合体的形态特征做了细致的了解。对根土复合体的脱土原理进行了分析。对三种脱土方式——冲击、碾压和揉搓下的根土分离特性进行了研究。为改善整机的通过性，设计了专用的牵引部件。它既能实现牵引功能，同时也能实现半悬挂功能。考虑到具体工况条件，对所设计好的结构进行了静力学分析，得到整个牵引部件的应力最为集中的地方是牵引架和固定板之间的焊接位置。通过对结构要素的修改，消除了应力集中现象。同时，对牵引部件结构进行优化后的总质量减少了15.1％。根据玉米根茬根土复合体的形状尺寸，所设计的主要工作部件以旋转部件为主。上面有类似手指一样的拨指、碾辊指和拾茬刀。工作部件在旋转的过程中，不断用拨指、碾辊指和拾茬刀拨动，拋扔根土复合体。使根土复合体受到冲击、碾压和揉搓，破坏根土复合体的内部结构，使其松散，使得土壤脱落。所设计的机架是用来固定玉米根茬收获机各个零部件位置。确保主要工作部件的相互位置关系，使玉米根茬根土复合体能够顺畅输送，工作参数稳定。机架采用矩形空心型钢焊接而成。通过对设计好的机架模型进行模态分析，得到频率范围在250Hz～720Hz中的8阶固有频率。找到了机架最为薄弱的部位，并进行了优化设计。为机器设计了5个挡板，它们可辅助主要工作部件输送根土复合体。同时，挡板在与复合体碰撞时，还会借助于冲击作用破坏复合体的内部结构，利于工作部件对根土复合体的脱土工作。