闫涛大论文预答辩后2 - 图文

硕士学位论文

水稻纸膜覆盖插秧机改进设计与试验研究

研指专研所

究导业究在

教名方学

生： 闫 涛 师： 任文涛 教授 称： 农业机械化工程 向：农业机械生产系统分析与设计 院： 工程学院

2013年6月

DISSERTATION FOR MASTER’S DEGREE

Improved Design and Experimental Study on Rice Paper Mulch Transplanter

Candidate: Supervisor:Speciality:Research Field:College:

Yan Tao

Prof.Dr. Ren Wentao

Agricultural Mechanization Engineering

Design and Analysis on Agriculture Mechanical Production

System

College of Engineering

Shenyang Agricultural University

June，2013

独 创 性 声 明

本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行研究并取得的工作成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得沈阳农业大学或其它教育机构学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确说明并表示了谢意。

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关于论文使用授权的说明

本人完全了解沈阳农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意沈阳农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的内容。

(保密的学位论文在解密后应遵守此协议)

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中文目录

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沈阳农业大学硕士学位论文

目 录

摘 要 ................................................................................................................................................. 1 Abstract ............................................................................................................................................... 3 第一章 绪论 ................................................................................................................................... 4

1.1 课题研究背景及意义 .......................................................................................................... 5 1.2 水稻插秧种植机械化国内外现状 .................................................................................. 5 1.2.1 国内外水稻插秧种植机械化发展现状 ................................................................. 5 1.2.2 水稻育插机械研究状况.............................................................................................. 6 1.3 纸膜覆盖插秧技术国内外研究现状 ............................................................................. 7 1.3.1 纸膜覆盖技术国内外研究 ......................................................................................... 7 1.3.2 纸膜覆盖装备国内外研究现状 ............................................................................... 9 1.4 本文研究内容 ...................................................................................................................... 10 1.5 技术路线 ................................................................................................................................ 10 1.6 本章小结 ................................................................................................................................ 10

第二章 纸膜铺放机构总体改进设计及工作原理 ............................................. 12

2.1 纸膜铺放机构改进依据及总体改进设计 .................................................................. 12 2.1.1 铺放机构总体改进设计............................................................................................ 12 2.1.2 铺放机构总体改进依据............................................................................................ 15 2.2 铺放机构设计特点与工作过程 ..................................................................................... 17 2.2.1 铺放机构设计特点 ..................................................................................................... 17 2.2.2 铺放机构工作过程 ..................................................................................................... 18 2.3 本章小结 ................................................................................................................................ 19

第三章 主要零部件改进设计 .......................................................................................... 20

3.1 支撑系统改进设计 ............................................................................................................. 20 3.1.1 辊轮支撑臂改进设计 ................................................................................................ 20 3.1.2 纸膜挂载机构改进设计............................................................................................ 24 3.1.3 辊轮轴承使用特点与选择 ....................................................................................... 24 3.2 承膜板改进设计研究 ........................................................................................................ 25 3.2.1 承膜板改进设计 .......................................................................................................... 25 3.2.2 承膜板壅泥试验研究 ................................................................................................ 26 3.3 主要改进部件分析 ............................................................................................................. 28 3.3.1 辊轮支撑臂仿真分析 ................................................................................................ 28 3.3.2 纸膜挂载机构振动分析............................................................................................ 30

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中文目录

3.4 本章小结 ................................................................................................................................ 31

第四章 水稻纸膜覆盖插秧机田间试验研究 ......................................................... 32

4.1 试验材料与设备.................................................................................................................. 33 4.2 纸膜破损率与纸膜贴合率对比试验研究 .................................................................. 33 4.2.1 试验方案 ........................................................................................................................ 33 4.2.2 样机前进速度对纸膜破损率与贴合率影响对比研究 .................................. 34 4.2.3 压膜辊垂直载荷对纸膜破损率与贴合率影响对比研究 .............................. 38 4.3 纸膜滑移率试验研究 ........................................................................................................ 42 4.3.1 试验方案 ........................................................................................................................ 42 4.3.2 试验结果分析 ............................................................................................................... 43 4.4 插秧质量对比试验研究 ................................................................................................... 45 4.5 试验结果分析 ...................................................................................................................... 45 4.6 本章小结 ................................................................................................................................ 46

第五章 结论与展望 ................................................................................................................ 48 参考文献 ......................................................................................................................................... 49 致 谢 ............................................................................................................................................... 55 攻读硕士研究生期间发表的论文 .................................................................................. 56

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Contents

Astract ................................................................................................................................................. 1 English Astract ............................................................................................................................ 1 Chapter 1 Introduction ............................................................................................................... 4

1.1 The backgroud and significance of the research ............................................................ 5 1.2 Rice planting mechanization situation in our country and abroad ............................ 5 1.2.1 Planting mechanization developmengt in our country and abroad ................... 5 1.2.2 Rice inserted machinery research status ................................................................... 6 1.3 Status of mulching technology at home and abroad ..................................................... 7 1.3.1 Status of rice paper-mulching ...................................................................................... 7 1.3.2 The equipment of rice paper-mulching status ......................................................... 9 1.4 Research contents.................................................................................................................. 10 1.5 Technical route ....................................................................................................................... 10 1.6 Summary of this chapter ..................................................................................................... 10

Chapter 2 Paper film laying mechanism totality design ...................................... 12

2.1 Paper film laying mechanism totality design and working principle..................... 12 2.1.1 Paper film laying mechanism totality design ........................................................ 12 2.1.2 The reason of Paper film laying mechanism totality design ............................. 15 2.2 The piont of Paper film laying mechanism design and work process .................... 17 2.2.1 The piont of Paper film laying mechanism design .............................................. 17 2.2.2 Work process of paper film laying mechanism .................................................... 18 2.3 Summary of this chapter ..................................................................................................... 10

Chapter 3 Improving design of main parts .................................................................. 20

3.1 Improving design of support system ............................................................................... 20 3.1.1 Improving design of roller support arm .................................................................. 20 3.1.2 Improving design of paper film mounting mechanism ...................................... 24 3.1.3 Roller bearing characteristics and selection .......................................................... 24 3.2 Improving design of the film board ................................................................................. 25 3.2.1 Improving design of the film board ......................................................................... 25 3.2.2 Experimental study of mud jamming ...................................................................... 26 3.3 The analysis of main parts .................................................................................................. 28 3.3.1 Simulation analysis of roller support arm .............................................................. 28 3.3.2 Vibration analysis of film mounting mechanism ................................................. 30

III

英文目录

3.4 2.3 Summary of this chapter .............................................................................................. 31

Chapter 4 Field test of the rice paper-mulching transplanter ............................ 32

4.1 Materials and equipment ..................................................................................................... 33 4.2 Comparative study of The paper membrane breakage rate and paper film rate ... 33 4.2.1 Test methods ................................................................................................................... 33 4.2.2 Comparative study of speed for the paper breakage and paper film rate ...... 34 4.2.3 Comparative study of loading for the paper breakage and paper film rate ... 38 4.3 Experimental study on paper film slip rate .................................................................... 42 4.3.1 Test methods ................................................................................................................... 42 4.3.2 Analysis of test results ................................................................................................. 43 4.4 Comparative study of transplanter rice quality ............................................................ 45 4.5 Analysis of test results ......................................................................................................... 45 4.6 Summary of this chapter ..................................................................................................... 46

Chapter5 Conclusion and prospect ................................................................................... 48 References ....................................................................................................................................... 50 Acknowledgement ..................................................................................................................... 55 Publication during master study ......................................................................................... 56

IV

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摘 要

地膜覆盖技术的优点显而易见，对农作物增产起很大作用，但随着普通单体聚乙烯塑料膜的发展及广泛应用，其不容易被微生物降解带来了一系列包括对环境污染等副作用。针对塑料薄膜的缺点，应运而生出纸质地膜不但继承了塑料地膜的优点，有良好的保温、保水和控草效果，、在稻田中自然降解、不会残留，不造成环境破坏等优点。是一种生态友好型种植技术，可以有效地控制农药使用量，种植出无公害的有机稻米。人工铺设纸膜劳动强度大、劳动效率低还容易在铺设过程中踩出“脚窝”影响纸膜覆盖效果，设计机械作业水稻纸膜覆盖插秧机迫在眉睫。

水稻纸膜插秧机的研制就是解决了人工铺设纸膜所带来的问题。在研制和试验过程中，纸膜水稻插秧机出现了辊轮支撑臂刚度不足发生变形、承膜板壅泥严重、插秧机振动影响机架连接处寿命等问题。本文就是在设计完成的水稻纸膜覆盖插秧机的基础上，在研发和试验过程中发现设计的缺陷、改进不适应实际生产需求的结构、替换不能满足田间作业的零件，完善纸膜水稻插秧机的功能。

本文主要改进了辊轮支撑系统、承膜板结构，并对改进的主要结构进行分析。辊轮支撑臂原样机设计是各个辊轮分别安装在以弯曲成直角的钢板，没有很好的抗弯能力，在应力集中部位发生了严重变形，改进辊轮支撑臂不但要满足原有功能包括：挂载辊轮，承载辊轮及泥水对其的作用力，还要在受力时不会发生严重变形甚至断裂，简化结构，安装方便。为此设计了以方钢管为材料的将所有辊轮及承膜板挂载在同一辊轮支撑臂的支撑平台。通过SOLIDWORKS SimulationXpress对设计完成的辊轮支撑臂进行分析满足正常工作的同时在超出正常工作受力一定范围内不会发生变形。纸膜承膜板在整个纸膜铺放机构中起着承上启下的作用，不但与展膜板配合将纸膜展平还可将水田中不平的淤泥履平，原样机承膜板下沿设计成台阶状很容易在插秧机前进过程中堆积起淤泥影响铺插秧机作业，将承膜板下沿设计成圆弧过度就可以避免淤泥堆积，为研究淤泥堆积受不同半径的圆弧过度板和不同速度载荷影响进行试验研究。试验结果表明：圆弧过渡板半径可能不是影响试验指标的显著因素；影响试验指标壅泥量的最重要因素是承膜板的行进速度，其次是承膜板载荷。在插秧机行驶和作业过程中铺放机构中纸辊机架受到插秧机振动影响强烈，这是由于机架本身结构引起的，本文改进了机架尺寸、更换机架固定位置降低了机架振动的摆幅，减少了振动对固定点的影响。水田作业环境十分恶劣，水田作业有大量的泥沙会侵入轴承内部，并且泥水对轴承也有一定的腐蚀作用。轴承选取必须满足农业机械生产要求，原插秧机轴承没有良好的密封，泥沙进入轴承滚珠周围影响轴承正常工作降低轴承寿命，辊轮轴承必须选用有调心功能强并具有良好密封性的轴承。铺放机构辊轮转动较慢轴承选择带有密封圈的深沟球轴承可以满足要求。

在装配完成样机后主要对纸膜铺设质量和机组插秧质量进行试验研究。田间铺膜对

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中文摘要

比试验结果表明：样机铺设纸膜破损率都是随着前进速度增加而上升的，但在一定速度范围内改进前结果优于改进后，正常插秧机行驶速度下改进后纸膜贴合率指标均优于改进前，这是由于承膜板改进为圆弧过度不但大大减少了壅泥现象还将纸膜更平整的展开。在不同载荷条件下纸膜破损率与纸膜贴合率改进后也略优于改进前，说明改进后插秧机工作更稳定，适用性更强。改进后对样机进行纸膜滑移率试验结果表明，影响纸膜滑移率最显著为展膜辊与承膜板之间的加紧力，随着夹紧力上升，纸膜滑移率有上升趋势；其次是机械前进速度随着前进速度提高，纸膜滑移率也有上升趋势。展膜辊和压膜辊垂直距离影响小于前两个因素。

本文为了未来实现产品化设计提供了设计依据，为最终水稻纸膜插秧机问世打下基础。

关键词：铺膜插秧;改进;贴合率;破损率;滑移率

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Abstract

TheAdvantages of film covering technology is obvious, playing an important role in crop production, but with the development of a common single polyethylene plastic filmed and widely used, it is not easy to be microbial degradation brought a series of side effects. In view of the disadvantages of plastic film mulching, emerge as the times require paper not only inherits the advantages of plastic mulch film has good heat insulation, water conservation and weed control effect, the residual natural degradation, not even in paddy field. Artificial labor intensity of paper film, labor efficiency is low also easily in the process of laying on the \of paper mulching effect, design of mechanical operation of rice paper mulch transplanter imminent

Development of rice paper film transplanting machine is to solve the artificial paper film problems. In the development and testing process, paper film rice transplanter appeared problems of roller supporting the lack of rigidity of arm deformation, bearing diaphragm mud blocking and serious, connection of transplanting effect of machine vibration life. This paper is to cover the basic transplanter in rice paper film on the design is completed, found in the development and testing of process design defects, can not meet the demand of the improvement of production structure, can not meet the field operation of replacement parts, improve paper film rice transplanter function.

Roller support arm is machine design is all roller wheels are respectively installed on the bending rectangular plate, there is no good flexural capacity, at the stress concentration position of serious deformation, improve the roller support arm should not only meet the original functions include: Mount roller, roller bearing force of mud and water on the the, also not under stress of serious deformation or rupture, simple structure, convenient installation. This design of the square steel tube as material will all roller and bearing plate mounted on the same roller support arm support platform. Carries on the analysis to meet the normal work at the same time beyond the normal working stress is not within the scope of certain deformation by SOLIDWORKS SimulationXpress on the roller design support arm. Paper film bearing plate in the whole paper film shop played the role of connecting link mechanism, not only with the film spreading plate will paper film flattening can also be water field uneven sludge shoe flat, the original machine bearing film plate along the designed step-like easily in rice transplanter and advance the process of accumulation of silt Pu rice transplanter operations, will take the film plate along the designed into arc can avoid silt accumulation of silt accumulation, effects of the arc by different radius and different speed of transition plate

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英文摘要

load test. The test results show that: the arc transition plate radius may not influence the test index factors; the important factors affecting the test index of mud blocking quantity is a bearing plate speed, followed by the film plate load. In the transplanting machine running and operation process of laying mechanism in paper roll stand strongly influenced by transplanting machine vibration, which is induced by the frame structure, this paper improved the frame size, frame fixed position change reduces the vibration of a machine frame swing, reduces the influence of vibration on the fixed point. Paddy field working environment is very bad, the field working with large amounts of sediment will invade the internal bearings, and slurry also has certain effect on the bearing corrosion. Bearing selection must meet the requirements of agricultural machinery production, raw rice transplanter bearing no good sealing, silt into the bearing ball bearing work around reduce bearing life, roller bearing must be selected with a bearing self-aligning function and good sealing. Laying mechanism of roller wheel to rotate slower bearing selection can meet the requirements of a deep groove ball bearing sealing ring.

The film comparative test results show that: the paper film before and after the improvement of rice transplanter breakage rate is rising as speed increases, but at a certain speed range before the improvement result is better than the improved, the normal machine speed improved paper film rate index are better than before improvement, this is because the bearing improved membrane plate is in circular arc transition can not only reduce the mud blocking phenomenon will unfold the paper and film more smooth. In the paper the membrane damage under different loading conditions and the rate of paper film rate after improvement is also slightly better than before improvement, the improved rice transplanter work more stable, more applicable. After the improvement of the prototype of the paper film slip ratio test results show that the effect of slip rate, between paper film most significant film spreading roller and bearing plate pressing force, the clamping force rise, paper film slip rate is on the rise; second is speed machinery along with forward speed, paper film slip also has rise trend. Film spreading roller and roller vertical distance is less than the first two factors influence.

This paper provides the design basis for the future implementation of product design, as the ultimate rice transplanter published paper film foundation.

Keywords: Film planting;Improvement;Fitting rate;Broken rate;Slip rate

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第一章 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

水稻作为我国最重要的粮食作物之一，水稻插秧种植技术就来源于我国精耕细作的生产传统。但依靠人工插秧，不但工作环境较差，劳动强度很大，作业效率也非常低。当水稻插秧机的问世极大改善了这些不利状况，发展了生产力，提高作业劳动效率。有资料显示用插秧机插秧的增产效果为5%~10%，有关部门预计，如果我国插秧机械化水平每提高百分之一，水稻每年将增产3.75亿kg。水稻插秧机的普遍应用已使农业生产取得巨大飞跃，促进国民经济总体增长提高农民收入。

为了保护环境、生产有机稻米和节约水资源。近年来，出现了一种名为纸膜覆盖插秧的全新水稻种植技术，这项技术主要是利用秸秆及废旧纸张等生产出农用纸膜铺盖在水田表面，再将培育好的秧苗透过纸膜插在泥水中。纸膜会为秧苗营造一个能抑制杂草生长，减少水分蒸发，维持水田温度适于水稻生长的环境，纸膜在田间40天左右腐烂。传统的人工铺膜插秧作业，在插秧、铺膜的过程中，行走会留下“脚窝”造成纸膜局部悬空，无法使得纸膜与水田很好贴合。随着水稻生长，长时间的日晒，未紧密贴合于泥水的部分纸膜先于周围纸膜干燥。形成局部的张力破裂，影响其控草节水保温的作用发挥。为降低劳动强度、提高作业效率，充分利用纸膜覆盖插秧技术的优点。以插秧机作为平台，实现铺膜插秧同步机械化十分必要。

该课题是国家自然科学基金项目“水稻纸膜覆盖插秧机覆膜机理研究”的一部分，本论文是在纸膜覆盖插秧机铺盖插秧机初步设计完成基础上，进行的改进与优化。

1.2 水稻插秧种植机械化国内外现状

插秧作为目前我国水稻种植的主要手段，长久以来都是以人工水田插秧作业，这种插秧作业方式不但工作条件十分艰苦，劳动效率低下，对人体力消耗强烈。常规育秧人工插秧最熟练的农民每人每天最快只能插667m2的水田。水稻插秧机的问世后，即便最小型的插秧机（如东洋PF455S）每小时可插秧1334～2001m2，是人工插秧的20～30倍，高速插秧机每小时可插秧4669～6670m2，最高的可达每小时10000m2。并且夜间也可以作业，有效地改善了这种相对原始的作业方式。近年来，国内外水稻插秧机械研究和机械化水平不断提高，插秧机种植面积占整体种植比例也不断增加。 1.2.1 国内外水稻插秧种植机械化发展现状

水稻插秧种植方式主要集中在亚洲，研发生产中心也都位于亚洲，其中是以日本与

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第一章 绪论

韩国为代表。目前日本是世界水稻插秧机械化水平最高的地区。上世纪60年代,日本是在我国研究水稻插秧机基础上，结合对水稻栽培农艺的研究，注重农机与农艺相结合，将育苗到插秧的整个栽培过程考虑进去，解决了带土秧苗的插秧农艺问题，并首先提出并实现了流水线育秧作业，为插秧机的使用提供了配套的秧苗。将插秧机结构的优化，减低了插秧机的造价，水稻插秧机作业效率和可靠性的显著提高，使得日本的水稻种植机械化水平得以迅速进步，到70年代末，水稻机械化插秧种植面积已超过全国水稻种植面积的90%。80年代，日本全国总体上建成了统一的水稻栽培模式；育苗、插秧机械已实现了系列化、标准化，水稻种植机械化水平有了进一步提高，达到98%，居世界首位。韩国也基本实现全国范围的水稻插秧机械化。

水稻是我国主要的粮食作物之一。1996年水稻种植面积约3140.6万hm2，占全国谷物种植面积的34%，世界水稻种植面积的21.0%;稻谷总产19510.2万t，占全国粮食总产的43%，世界稻谷总产的35.7%，居世界第1位。稻谷平均单产6.212t/hm2，是我国粮食作物中单产最高的作物，高于世界稻谷平均单产近1倍，位居世界前列。由此可见，水稻在我国粮食生产中占有非常重要的地位，对世界水稻生产也有重大的影响，我国水稻种植机械化发展方向，具有深远的意义。相比之下，我国水稻种植机械化发展相对滞后，直至90年代，我国水稻机械化水平不足5%，在新的世纪来临之际，国家开始重视农业生产的投入，尤其是水稻种植机械化的投入，2008年，农业部加大力度发展水稻育插秧机械化，在水稻产区建设了100个水稻机械化示范县，带动全国水稻育、插秧机械化技术推广应用。各省市建立了370个省级示范县，建立6000机械化示范点个，地方财政投入资金8900万元补贴并开展配套项目，极大调动农民的积极性，水稻种植农民共投入资金2.9亿元。计划实施共涉及80多万农户，项目区新增插秧机1.9万台，机插秧面积2.64×

105hm2，节约成本增加效益总计达到2亿元，取得了显著成效，为机插秧的大面积普及推广奠定了坚实基础。2008年全国机插秧面积新增5.33×105hm2，机械化栽植水平比去年提升了2个多百分点，超过13%，其中机插秧水平达到10.3%，比上年提高1.7个百分点。全国新增机动插秧机近5万台，增长32%，保有量已达20万台。总体上看，水稻育、插秧机械化技术在水稻产区示范推广全面启动，进入了快速发展阶段。直至2012年水稻插秧机械化水平超过21%,正稳步提高向全国普及。 1.2.2 水稻育插机械研究状况

我国水稻插秧机械发展较早，1953年，原华东农业科学研究所将水稻插秧机的研究

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图 1-1 水稻插秧机械作业

Fig.1-1 The rice transplanting

machine working

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列为正式科研项目。当时水稻插秧机具在国内外都是一项空白,所以研究工作必须从头做起。1956年二月设计成一台单行供整体田间试验用的插秧机,命名为“南—100”。后又改进生产了“南—105”的等机型，1972年十月江苏省机械局组织清江拖拉机厂科研人员。设计成“钟山—2”型大小苗两用机动插秧机，当时这项技术处于世界领先水平。近年来,在国内插秧机市场需求下，引进和自主开发的产品发展很快已初步克服了品种单一的缺陷。国内插秧机行距为240和300，主要有步行式、乘坐式独轮乘坐式3种类型。

日本在水稻插秧机械研究与发展一直处于世界领先，1970年设计完成的2轮苗箱后倾浮筒式毯状苗手扶插秧机，是现代两行插秧机的原型。1972～1973年有11种型号的插秧机通过农机研究所的鉴定，具有插毯状苗、浮筒滑行、曲柄式插秧机构强制插秧特点的日本型插秧机被定型。而今，日本育插机械已发展成结构标准

图 1-2 水稻插秧机械

Fig.1-2 The rice transplanting machine

化、产品系列化和功能多样化的格局。乘坐式有3～10行，手扶步进式有1、2、4、6行，每种产品各具特色，适应于不同的环境条件和生产规模，满足不同用户的需要。使得日本全国实现了水稻插秧机械化。韩国在几十年的发展过程中，水稻种植基本也实现机械化，但生产产品型号较单一，没有形成系列化。现阶段，根据国外插秧机发展状况分析，在插秧机的结构上不会发生较大变化，主要是向着降低生产成本、提高作业效率、功能多样化几个方向发展。

1.3 纸膜覆盖插秧技术国内外研究现状

1.3.1 纸膜覆盖技术国内外研究

地膜覆盖技术的优点显而易见，对农作物增产起很大作用，但随着普通单体聚乙烯塑料膜的发展及广泛应用，由于其不容易被微生物降解带来了一系列的副作用。针对塑料薄膜的缺点，各国研究者对此不断探索孜孜不倦地寻求一种合适的解决方案。纸质地膜就是在此背景下研发而成。

纸膜不但继承了塑料地膜的优点有良好的保温、保水和控草效果。还会在稻田中自

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第一章 绪论

然降解，不会残留。日本是最先开发，并已投入应用农业纸膜的国家，目前已在日本各地区广泛推广。纸膜是由植物纤维制成覆膜后无需回收残膜，自然降解对环境没有影响，制造成本仅为传统塑料地膜造价的三分之一。新西兰Murray Cruikshank公司研发的纸地膜先后在欧美，澳洲获得21个国家专利。该纸膜由废旧纸张作为原料，可在使用后可在1到3个月内完全降解。有效的控草节水，促进农作物生长。纸膜覆盖技术在试验中证明，对西红柿、草莓、板栗等覆盖纸膜会减少75%的水分蒸

图 1-3 纸膜覆盖应用

Fig.1-3 Paper cover layer application

发。Robert等对燕麦进行了纸膜覆盖试验，结果表明纸膜与标准黑色塑料地膜的保水保温和增产效

果基本相同。Hiei K、Kumakura H等人对番茄和秋生菠菜进行了纸膜与其他地膜覆盖对比试验，结果表明纸膜在农作物生长过程会迅速提高地温，不会破坏土壤结构获得了良好的效果。Yang W.H.,Roh S.W等在2005年到2007年期间研究了纸膜插秧对控草，水稻生长状况的影响。纸膜覆盖技术优点突出，同样引起了国内学者的重视，并不断取得进展。1994年郭富常，尹立荣等人在多效农艺营养纸膜对番茄和黄瓜生育影响试验，多效农

图 1-4 新型覆盖膜

Fig.1-4 New cover layer

艺营养纸膜在能保证温度的设施栽培中，可对植物生长发育起到明显的促进作用（郭富常，1995）。1995年李蕾等研究纸膜和塑膜覆盖植棉效果，显示纸膜与塑膜虽然在当时条件下还有一定差距，但纸膜前景广阔。1999年黑龙江省农业科学院牡丹江农业科学研究所梁嘉陵进行北方稻田“垄作覆纸膜”高产优化栽培技术体系的研究，试验表明，北方稻田“垄作覆纸膜”具有抑制杂草、节水增温、促进水稻生长发育、提高产量的作用（梁嘉陵，1999）。2000年梁永超，胡锋等在水稻覆膜旱作领域进行研究，提出要发展可降解地膜、营养纸膜和残茬覆盖等替代技术，采用纸膜是解决地膜所造成的白色污染的希望所在（梁永超，2000）。2010上海嘉龙纸业有限公司“复合纸膜再生利用技术研究及产业化”通过验收，建成我国研发生产纸膜的基地。以任文涛教授为首的科研团队对纸膜覆盖水稻种植进行了深入的研究。该课题组从2002年开始先后对纸膜覆盖种植技术控草效果，纸膜覆盖技术对水稻棵间蒸发量的影响以及纸膜覆盖水稻乳芽技术进行研究。试验表明：与无纸膜覆盖种植相比较在乳芽直播条件下，纸膜覆盖种植节水33%。在盘育苗插秧的条件下，纸膜覆盖种植比无纸膜覆盖种植节水26.3%。纸膜覆盖种植还可以有效地控草，在乳芽直播条件下结合插秧工艺,纸膜覆盖可减少水稗97.2%、稻稗

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77.9%、三菱草50.6%。在盘育苗插秧条件下，纸膜覆盖种植可减少水稗87.5%、稻稗83.8%、三菱草91.5%。

1.3.2 纸膜覆盖装备国内外研究现状

1993年日本三菱公司研制出铺纸膜插秧机，现正处于推广应用阶段，1994年日本上野秀人着手研制再生纸水稻直播技术，主要是在纸膜上按照行距30cm，株距15cm，用打孔器打出直接2.5cm圆孔，并将种植黏贴与圆孔周围，后将纸膜铺于稻田。

在国内铺膜主要还靠人力，有一些研究团体进行铺膜机械的研究，其中以黑龙江水田机械化研究所研制的纸膜敷设装置（魏中文，2007）和沈阳农业大学任文涛教授带领下对纸膜与泥水物理机械特性进行试验研究、纸膜覆盖插秧机覆盖机构的设计与试验研究、水稻纸膜覆盖插秧机铺放机构的设计研究，按部就班的一步步深入研究纸膜覆盖技术与

图1-6人工铺膜作业 Fig.1-6 Film laying menbrance

operation

图1-5铺膜机作业 Fig.1-5 Film laying operation

水稻插秧机技术有机结合并取得很大成果。主要成果有：（1）纸膜抗拉强度与泥浆含水率呈二次函数关系，与水深同样成二次函数关系（车庄，2011）。

（2）确定了水稻纸膜插秧机的设计特点与工作原理，通过设计机理模型试验得出纸膜破损率与覆膜严实率与行进速度、水层深度、压纸辊直径等的影响关系（于潇泽，2011）。（3）首次将铺膜机构与插秧机有机地结合起来使得插秧、铺膜同步进行工作原理如图1-7设计完成，对样机进行田间试验得实际生产中纸膜破损率与纸膜贴合率同机械行进速度与压膜辊载荷关系，为之后改进设计提供基础（王振海，2012）。我国

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1纸膜卷2纸膜导板3承膜板板

4展膜辊5压膜辊6水田 图1-7 纸膜铺放机构简图

Fig.1-7 Paper film laying mechanism sketch

第一章 绪论

农机研究者们为了在铺膜过程中提高劳动效率，减少劳动强度，更好的与农艺结合；为研究出适合复杂水田作业条件优秀的纸膜覆膜机械而努力。

1.4 本文研究内容

本文基于前人对水稻纸膜覆盖插秧机的机理和设计，发现现存的部分设计缺陷和实际插秧覆膜作业中出现的问题，提出改进方案，优化结构，增加水稻纸膜插秧机田间作业工作稳定性和连续性。其重点是在优化关键部件的强度、刚度等力学性能并对水稻纸膜覆盖插秧机运行过程中出现“壅泥”现象和行进过程中振动带来作业不稳定等问题进行研究设计。完成改进样机，田间与原样机进行对比试验分析，选择最优方案。

主要研究内容：

（1） 研究原水稻纸膜覆盖插秧机样机田间作业试验时易发生问题，分析产生问题的主

要原因，提出改进方案，使新设计样机避免同样问题存在。

（2） 就关键零部件的设计缺陷进行优化改进，对不满足工作要求的零部件进行重新设

计满足实际生产的要求。

（3） 完成理论设计并制成样机，与高速插秧机装配整合为一体，真正地使水稻纸膜覆

盖插秧机实现稳定、流畅、持续地完成插秧铺膜协同作业。

（4） 在田间试验过程中对比水稻纸膜覆盖插秧机新旧样机插秧过程中的铺膜与插秧

质量，研究如何更加完善水稻纸膜覆盖插秧机，以便使其能够为产品化设计提供依据，早日投入农业生产。

1.5 技术路线

本文的研究技术路线如图1-8所示：

1.6 本章小结

本章主要介绍论文研究的背景及意义，分析了国内外水稻机械化水平与装备研制状况、水稻纸膜覆盖技术研究现状，阐述了本文的主要研究内容，划定了本文的主要技术路线 。

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查阅相关文献料 研究原样机结构 水稻插秧机械与熟悉机械结构与工作原理 纸膜覆盖技术现状 研究出现故障与问题 确定改进方向 试验对比结构优化设计选择 完成新样机装配 与原样机试验结果对比研究 结论与展望 图1-8 技术路线 Fig.1-8 Technical route

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第二章 纸膜铺放机构总体改进设计及工作原理

第二章 纸膜铺放机构总体改进设计及工作原理

2.1 纸膜铺放机构改进依据及总体改进设计

水稻纸膜覆盖插秧机是以久保田NSD—8型水稻插秧机为设计平台，加以铺放膜机构组成一套插秧铺膜同步完成的水稻种植机械。铺放膜机构主要包括压膜辊、展膜辊、纸辊支架、展膜板和仿形轮等构成，是水稻纸膜覆盖插秧技术机械化应用的核心部分。它与插秧机平台共同完成了水田铺膜后，插秧机透过纸膜插入水田的工作。在实际工作中出现了一系列的问题需要改进。如图2-1所示。 2.1.1 铺放机构总体改进设计

1纸膜卷及悬挂装置 2 铺膜机构 3 断膜机构

图2-1水稻纸膜覆盖插秧机铺放机构三维模型

Fig.2-1 3-D modle of the whole machine

1纸辊及纸辊支撑架 2仿形轮 3 承膜板 4展膜辊 5压膜辊 6辊轮支撑臂

图2-2 总体改进简图

Fig.2-2 The overall improvement in sketch

总体改进设计如图2-2，2-3所示。与原样机对比如图2-4所示，同样以久保田八行插秧机作为设计平台，替换掉原插秧机的分体浮板，两侧浮板位置安装上承膜板3和展膜辊4，中间浮板位置安装仿形轮2。将纸辊支架1结构简化，减少震动。将承膜板3

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改进成圆弧过渡，减少壅泥，将承膜板3、展膜辊4、压膜辊5各自支撑臂整合成一体的辊轮支撑臂6。将压膜辊5和展膜辊4的滚动轴 承改进成密封更好的轴承。其他结构基本与原样机保持一致。装配过程更加细致。零件加工精度更高。

本设计创新点在于承膜板可以完全取代原分体浮板功能，不会带来大量淤泥影响整机工作，辊轮支撑臂更好的强度和结构，整机工作更加稳定。

用Solidworks对水稻

1插秧机体 2压膜辊 3仿形轮 4中间纸辊 5展膜辊 6支撑臂

图2-3 总体改进简图

Fig.2-3 The overall improvement in sketch

纸膜覆盖插秧机各个零件进行三维图形绘制，并将各个零件装配成水稻纸膜插秧机进行装配完成整机建模如图2-5所示。

装配完成水稻纸膜插秧机如图2-6。

1 水田面 2 断膜机构 3 铺膜机构4纸膜卷及悬挂装置

图2-4 纸膜铺放机构结构简图 Fig.2-4 The whole structure diagram

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第二章 纸膜铺放机构总体改进设计及工作原理

图2-5 整机建模 Fig.3-18 Machine modeling

图2-6 整机实物图 Fig.2-6 The photo of machine

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2.1.2 铺放机构总体改进依据

为了验证水稻纸膜覆盖插秧机的工作质量和生产能力是否能满足农艺要求，保证设计可靠性和作业稳定性。根据水稻插秧技术要求，进行田间试验。主要验证水稻纸膜覆盖插秧机的结构可靠性和田间适用性，考察插秧机的作业质量和整体性能是否达到水稻插秧技术要求。发现实现中出现的问题和故障以便为改进提供依据。

（1）在水稻纸膜覆盖插秧机作业行进过程中，由于水田高低起伏不平整承膜板会将较高部位泥水向前推移，随着作业时间增加，泥土积压愈来愈多不能清理造成泥水阻力成倍上升，机械前进不畅，使得承膜板连接臂受力突增，长时间使用会引起承膜板支撑臂变形，减少机械使用寿命。想要解决这个问题必须要降低泥水阻力，减少壅泥量。研究泥水阻力必须从泥水和机械两个角度考虑；泥水方面由于因素过多,运用普通的力学方法来计算泥水对形状比较复杂的机械的阻力,常难以下手。英国偷敦大学博士Payne企图通过筒单楔子和某一标准此例的薄板条来研究，日本的森田升在研究犁的重量和重心位置对耕作的影响时,对牵引力与重力和阻力的关系作了某些假设,但简化过多,都因且缺乏依据,远不能反映实际情况。对泥水阻力实际测得看似是一种简单易行的方法，美国哈佛大学教授等,Telischi曾在面积一定的试验区进行田间测试，但实际情况由于多种因素变化差异大，自然条件无法控制，以失败告终。用先进的设备测试泥水各项土壤指标可以推断出泥水阻力，但需要大量设备和各种水田泥土田间测试，不能从根本上解决泥土阻力问题。水田耕整机大拖板起着支承机具部分

图2-7 连接臂变形图

Fig.2-7 Map of broken components

重量和保持机具稳定平衡的作用，与承膜板结构与功能类似。汤楚宙水田耕整机大拖板运行阻力的研究中，提出机械在行进时受泥土阻力与载荷、水平牵引点、前进速度和水平重心位置有关。运行阻力与载荷近似呈直线关系,可以用摩擦定律公式2-1来描述：

R?f?P (2-1)

式中R——承膜板运行阻力，N；

P——承膜板的载荷，N；

f——承膜板运行阻力系数； f值将随拖板的形状、速度、土壤条件

等的差异而不同,公式虽然采用摩擦定律的形式,但它不单是描述一个表面滑动摩擦,

1压膜辊支撑臂2压膜辊连接臂3压膜辊4水田

图2-8 支撑臂受力图

Fig.2-8 The support arm force diagram

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第二章 纸膜铺放机构总体改进设计及工作原理

因为承膜存在着下陷、推泥阻力、推水阻力,故f是一个综合系数,可称为“拖板运行阻力系数”（汤楚宙，1998）。所以设计必须从承膜板结构形状入手，调整最佳作业速度，测试土壤条件，才能达到降低泥水阻力、提高作业效率，从而增加使用寿命为目的。

（2）水稻纸膜覆盖插秧机在水田作业时，承膜板连接臂、展膜辊连接臂和压膜辊连接臂将机架与承膜板、展膜板与压膜辊通过各自支撑臂连接，如图2-4，在工作过程中连接臂受到各自连接部件重力、前进时泥水阻力以及地面对部件的反作用力。在实际作业过程中，由于设计时只考虑到水稻插秧机平台称重问题和未考虑到行进过程壅泥带来的额外阻力所以承膜板展膜板连接臂在受到大量壅泥阻碍发生了弯曲变形，使得整个铺放机构受到损坏。压膜辊连接臂受力分析，如图2-8。

由理论力学平衡公式(2-2)：

?F?0?F?0 (2-2) ?M?0M?0由?，

xyoO?G?l?Fn?l?R?cos??R?sin??0

由?Fx?0，F?R?cos??0，带入公式2-3压膜辊连接臂受力为2-5：

F?f?Pcos? (2-3)

式中，G——压膜辊重力，N；

R——泥水阻力，N；

Fn——泥水对压膜辊反作用力，N；

为防止辊轮及承膜板连接臂再次发生变形现象，必须选择适当的材料与结构，加强连接臂的刚度和强度，增加使用寿命。

（3）实验结果表明插秧质量各项指标表现良好，但伤秧率和漂秧率略高。这可能是育苗期时间，温度光照等气候条件不足使秧苗比较娇嫩，易拉伤折断不适用于机械插秧作业。作为试验准备，育秧过程是在温室中完成的，进行了包括浸种、催芽、播种、生长管理的过程，是插秧作业的基础。要培育出优良秧苗必须把握育苗时间和秧苗生长情况，薛艳凤在水稻机插秧试验示范中有关技术问题初探中提出机插秧苗适宜的指标是秧龄15～20d,3叶左右,苗高15～20 cm（薛艳凤，2001）。在播种前对培育用营养土施加肥料也会得到满意的效果。施加壮秧剂在短期(15～18d)内对秧苗生长是有利的,易形成健壮秧（沈建辉2003）。但小规模试验用秧苗，现代育苗在很多国家已经实现秧盘育秧流水作业，较完备的播种育秧流水线主要包括秧盘供送、铺底土、压实、播种(撒播、

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条播、精播)、覆表土、淋洒水、取秧盘等关键工序，不但作业效率大大提高，产量和质量都可以保证，但试验用少量秧苗不可能实现现代技术成熟的育秧流水线作业，作为农业设计者深入了解相关农艺知识十分必要，育苗过程也在不断研究和探索中。

（4）农业机械的振动是指机械系统中的位移、速度和加速度的震荡现象。对农业机械的正常工作损害程度非常严重，机具有时会在整体高频率高幅度振动下工作，不但产生噪音还对驾驶员正常工作造成影响。主要零件也极易因疲劳而发生脆性断裂，影响机具的性能和使用寿命。水稻纸膜覆盖插秧机也同样遇到相同的问题。原样机设计过程中考虑插秧机平台原有功能部件位置，将铺放机构的机架和连接部件设计较复杂且尽量避让插秧机平台。使得这些部件选择材料尺寸较长，强度、刚度也较小。在试验作业过程时，随着插秧机振动纸辊支架也随之振动。这是源于设计是纸辊支架为绕过八行插秧机机架设计尺寸较长，但连接部位去相对薄弱且是只有一个固定点的悬臂，遇到机械振动作业很不稳定。为改善这种状况，可以采用振动的隔离，采用阻振、减振等措施，控制振动的响应将纸辊连接架设计靠近八行插秧机机架加以抗阻缓冲装置；加强薄弱部位的强度使用多点固定避免较长悬臂或改变原固定点从而控制振动造成的破坏。从根本解决振动问题还要通过对插秧机的动力部件（如柴油发动机引起的振动控制过程）的进行研究，分析振动控制的具体方案，为类似振动的控制提供合理的方法。

（5）水稻纸膜覆盖插秧机在工作过程中，纸膜正常输送是铺放膜机构最核心的功能之一，直接影响纸膜是否能顺利地铺放到位。纸膜输送是否顺畅取决于纸辊、展膜辊、压膜辊协同配合转动流畅。这三个辊轮由三对滚动轴承支撑，轴承地位就尤为突出。原样机铺放机构轴承选取转动不灵活，需要经常添加润滑油如图2-9。设计时未考虑到由于插秧机主要用在水田作业，泥沙容易进入轴承内部、环境的腐蚀也没有可靠的密封结构保护，以致降低了轴承的使用寿命造成轴承失效。带座外球面轴承同时该种轴承两面带有密封圈，能有效地避免泥沙等杂物侵入。在生产过程中已注入润滑剂，在允许的润滑期内，不须添加任何润滑剂。同时也应选用性能良好，安装简单有密封效果的轴承座，使得辊轮轴承可以在一个相对洁净的环境工作。

图2-9 辊轮轴承

Fig.2-9 Roller bearing

2.2 铺放机构设计特点与工作过程

2.2.1 铺放机构设计特点

水稻纸膜覆盖插秧机作为一种农业机械，不但要求满足农业生产农艺要求，还要考虑到使用者使用操作过程中可能遇到问题以及铺放机构与水稻插秧机兼容性的问题。由

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第二章 纸膜铺放机构总体改进设计及工作原理

此水稻纸膜覆盖插秧机设计有以下几个特点：

（1）我国水稻种植与日本相似，对日本水稻种植机械引进较多，选用久保田八行插秧机也是基于这样的考虑，为了纸膜覆盖插秧技术能够大面积推广，实用性是其存在的关键。插秧机平台适用于农业生产，铺放机构同样需要针对水稻插秧作业的特点进行设计，本文设计铺放机构位于原插秧机分体浮板位置，不但完成了分体浮板的工作要求，还将铺膜放膜功能整合进去，不会影响插秧机的正常工作。铺放机构与插秧机架固定，随着液压升降。在工作是下降到工作位置，当停止插秧作业时，随机架上升，十分便于道路运输。后续还可以将设计原理应用与其他类型插秧机中，为实现标准化、系列化、全地形化水稻纸膜插秧机打下基础。

（2）水稻纸膜覆盖插秧机的最终使用者不是研究者而是农户，为此设计水稻纸膜插秧机必须考虑到操作的简单、维护方便、造价低廉等问题。水稻纸膜覆盖插秧机设计为一机多用、生产效率高、综合利用降低成本。在恶劣的水田作业环境，有较高的使用可靠性，较长的使用寿命，可连续作业。插秧机水田中作业，水田对金属尤其是钢铁材料有较强的锈蚀能力，要考虑到部件材料的耐磨性、防腐蚀性等，在复杂多变的地形下本就减震不足的农业机械抗震动能力必须加强，还要有良好的操作性能和必要的安全防护设施。

（3）农机必须与农艺相结合，插秧机的农艺要求就是纸膜覆盖插秧机的设计要求，铺放机构是物理机械，可能会对插秧时柔嫩的秧苗造成伤害，设计时要考虑铺放机构是否会影响分插机构的正常工作。纸膜相对金属部件来说也是相对容易被破坏的，如果工作过程纸膜断裂，可能会出现漏铺现象，严重的可能会是纸膜在辊间绞在一起，使机械损坏。设计是要保证纸膜的顺畅地传输，秧苗顺利地透过纸膜插入水田。 2.2.2 铺放机构工作过程

在水稻纸膜覆盖插秧机运输进入水田前，插秧机插秧台处液压系统支承机架处于最高位置。进入水田后将秧苗放入进插秧台上，将纸膜安装于插秧台两侧纸膜支撑架上和铰接在中间位置纸膜架上的锥台形支撑轴上。导出部分纸膜穿过两侧的纸膜支撑架贴合于纸膜过渡板上，将纸膜放在承膜板和展膜辊之间。调节展膜辊支架，确保展膜辊将纸膜夹紧。拉出纸膜，将两侧纸膜铺于分体式压膜辊的下方，调节压膜辊使其与下沿与水田相切纸膜完全贴合水田，将中间纸膜依次穿过中间的托纸板、展膜辊、仿形辊。这时驾驶员操作升降手柄将整个插植机构放下，调整至作业位置。

水稻纸膜覆盖插秧机工作原理如图2-10。工

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1纸膜卷 2托纸板 3切纸刀 4纸膜 5压膜辊

6展膜辊 7圆弧过渡板 8水田

图2-10 工作原理图

Fig.2-10 Work mechanism figure

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作时，纸膜辊1的纸膜向下拉出铺设在的圆弧纸膜过渡板7上。在展膜辊6和承膜板2的夹加紧后，纸膜在托纸板2上滑动。纸膜带动展膜辊6不断地旋转。展膜辊6和承膜板2的夹持力保证了纸膜不会在机车前进垂直方向上的窜动及水平方向打滑。此后接触水田后纸膜被压膜辊5压实，紧贴泥面。随着插秧机的前进，展膜辊不断向地面输送纸膜，经过压膜辊滚动并压实纸膜。由此纸膜被平整稳定地铺放在水田中。随后，分插机构在铺好的纸膜上完成插秧。

2.3 本章小结

本章介绍了改进后纸膜水稻插秧机的整体设计，阐述了设计的依据。指出水稻纸膜

插秧机的设计特点，描述了纸膜水稻插秧机的整机工作过程。并对设计完成的各部分零件进行建模装配和样机整机装配。

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第三章 主要零部件改进设计

第三章 主要零部件改进设计

根据纸膜覆盖插秧机的技术要求、试验发现的问题与缺陷对水稻纸膜覆盖插秧机做以下改进：

（1）展膜辊支撑臂压膜辊支撑臂设计为悬臂梁结构，实际生产时，插秧机必须先降下机架使得秧爪插秧时接触泥水，压膜辊于水面相切，由于水田地面条件复杂，且地面阻尼较高。悬臂受到地面向上的径向力和压膜辊运动时的扭矩合成扭矩大于选取材料（120×30×3mm钢板）的极限承受扭矩，从而发生变形。为使压膜辊支撑臂不会在工作使用是变形弯曲甚至断裂，必须要加强压膜辊支撑臂的抗扭刚度。使其受到相同载荷是不会超过压膜辊支撑臂的最大抗弯刚度。工作是更加稳定，使用寿命更长。

（2）加强振动稳定性，简化纸辊机架结构、优化尺寸、更改固定位置。使机械运转时不会由于振动是纸辊机架发生摆动。

（3）压膜辊轴承设计为开放式滚珠是轴承及非密封性轴承座。在试验工作中，泥水会进入轴承，影响轴承正常转动，需要不断清理泥浆加注润滑油，这将增加人力劳动降低劳动效率，且严重损耗轴承寿命。改用质量较好的封闭式轴承和轴承座。

（4）原铺膜机构样机设计，承膜板直角台阶设计会带来严重的壅泥现象，承膜板后部不必要设计成方管结，因为承膜板并未完全进入泥水中并未受到扭转载荷，所以设计为流线型的过度较为适宜。

3.1 支撑系统改进设计

3.1.1 辊轮支撑臂改进设计

若使压膜辊支撑臂不会在工作使用是变形弯曲甚至断裂，必须要加强压膜辊支撑臂的抗扭刚度。使其受到相同载荷是不会超过压膜辊支撑臂的最大抗扭刚度。工作时更加稳定，使用寿命更长。这样设计原先使用的钢板就无法满足要求，必须更换抗扭强度更高的材料和结构。

设计要求如下：

（1）满足原有功能包括：承受挂载辊轮，承载辊轮及泥水对其的作用力

（2）再受力是不会发生严重变形甚至断裂。

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图3-1 辊轮支撑臂实物图

Fig.3-1 Roller support arm real diagram

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（3）简化结构，安装方便

如图3-1和3-2，压膜辊1、展膜辊3、承膜板4都统一挂载与纸辊支撑臂4上，这样不但满足功能要求而且拆卸安装也十分方便。

图3-3 变形处改进计算模型

Fig.3-3 The improved calculation model of deformation

1辊轮支撑臂 2 压膜辊 3 展膜辊

4承膜板

图3-2 辊轮支撑臂建模

Fig.3-2 The model of Roller support arm

型钢在相同截面面积下有较高的截面惯性和较大的刚度，使其结构具有更高的抗弯抗扭性能，所以在原样机支撑臂变形严重处改用方管型钢，变形位置计算模型如图3-3。

由型钢力学性能公式： 抗弯强度3-1：

3pl (3-1) 22dbl——为试件长度，m； d——为试件厚度，m；

?bb?式中，p——为试件最大集中载荷，N;

b——为试件宽度，m；

抗扭强度公式3-2：

Tb?Mb (3-2) Wp式中，Mb——为扭转力矩，N×m；

Wp——为试件截面断面系数；

(3-3) 短边个点且应力最大值公式3-4：

方型钢长边最大切应力公式3-3：

?max?Tahb2?1????max (3-4)

式中，a——是一截面边长比值有关的系数;

21

第三章 主要零部件改进设计

b——截面短边长，m；

h——截面长边长，m； T——试件所受扭矩，m；

?——长短边长有关见表3-1,；

杆件两端选对扭转角公式3-5：

TlTl (3-5) ?G?hb3GIt表3-1 矩形截面杆扭转系数表

Tab.3-1 Rectangular cross-section torsion coefficient table

h/b

1.0 0.208 0.141 1.000

1.2 0.219 0.166 0.930

1.5 0.231 0.196 0.858

2.0 0.246 0.229 0.796

2.5 0.258 0.249 0.767

3.0 0.267 0.263 0.753

4.0 0.282 0.281 0.745

6.0 0.299 0.299 0.743

8.0 0.307 0.307 0.743

10.0 0.333 0.333 0.743

??式中，GIt=G?hb3也称为杆件的抗扭刚度。?也是与hb有关的系数，见表3-1。

?

?

?

支撑臂受力分析如图3-4： 求出辊轮支撑臂中心扭矩公式3-6：

?F?0?F?0 (3-6) ?M?0由?M?0得

xyoo挂载臂中心扭矩为

M?f2cos?2?f1cos?1?(f2?f1)cos? 式中，?——辊轮承膜板切入泥水受力角； f1——泥水对承膜板阻力；

1辊轮支撑臂2压膜辊3展膜辊4承膜板 5 水田

图3-4 辊轮支撑臂受力图

Fig.3-4 Roller support arm force diagram

e

f2——泥水对压膜辊阻力。

泥水阻力计算公式3-7：

在土壤条件不同情况下，会有不同的土壤参数n会影响泥水阻力， 当n=1时 f?当n=0.5时， f?0.86W4/33sADsAD2/3

086W3/233/4 (3-7)

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W2当n=0时， f?

sAD式中，W——辊轮载荷,N;

f——行走阻力，N；

n，s——土壤参数；

D——辊轮直径，cm；

A——压纸宽度，cm；

?0.85W14/30.85W24/3??n=1时带入，M???3sAD2/3?3sAD2/3??COS?

12???0.85W14/30.85W24/3????COS??32/32/3?3?sAD2?T?sAD1?max?=<[?]，[?]为材料许用切应力。 22ahbahb材料尺寸确定用优化设计方法，方管用料情况可以用截面面积 S?4l1(l1?l2)表示；工作最大切应力?max?43l1(l1?l2)E;材料许用许用切应力为3[?]。l1方管外长；l2为方管内边长；E为材料弹性模量。

设计变量为x1=l1，x2=l2目标函数为minF（X）=x12-x22 约束条件为

g1(X)=x2>0 g2(X)=x1-x2>0

43g3(X)= [?]-l1(l1?l2)E>0

3用matlab解二维约束非线性规划求最优解将目标函数写成标准形式：

minF(x1,x2)??0?0s.t.?11?x1,x2???02??1?0?0??x1??x??1???2?

1??x1????0???0??x2??1??x1????0??0??x2??

输入命令H=[1 -1,-1 2];

A=[10;0-1];b=[0;0];Aeq=[];beq=[];VLB=[0;0];V

UB=[];

[x,z]=quadprog(H,A,b,Aeq,beq,VLB,VUB) X=20.6667 21.3333

fval=-8.2222 exitflag= 1

图3-5 原样机纸辊支撑架

Fig.3-5 The original machine paper roller

support frame

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第三章 主要零部件改进设计

3.1.2 纸膜挂载机构改进设计

纸辊支架位于铺放机构的最上部，是将纸膜与插秧机固定在一起的机构，其特点是装卸方便，纸膜传输舒畅，它的关键部件是锥台形纸辊支架，由滚珠轴承、螺纹杆、锥台形纸托构成如图3-5所示，但原样机采用结构跨度较大固定点只有一个且较单薄，振动时摆幅很大影响作业稳定，对固定点会因为疲劳发生断裂降低使用寿命

纸膜挂载机构将纸膜安装在铺放机构最上部的锥形轮上，使得纸膜可以平稳的传输纸膜，设计要求如下：

（1）机架设计简洁，跨度小不能在受迫振动下摆幅过大，影响工作稳定。

（2）纸膜安装拆卸方便，且工作时固定纸膜不会脱落，纸膜输送流畅。

（3）与插秧机机架连接位置疲劳极限高，使用寿命与整机寿命差距不能过大。

要尽量避免原样机出现问题的同时还要保证工作稳定性，图3-6所示。 3.1.3 辊轮轴承使用特点与选择

辊轮轴承安装在压膜辊和展膜辊两侧对两辊轮辅助辊轮转动，支撑水田对辊轮的作用力，工作时辊轮轴承距离泥水很近，泥水很容易侵入到轴承内部，随着轴承转动会磨损和侵蚀轴承滚珠降低轴承寿命。辊轮轴承主要由以下使用特点：

（1）辊轮轴承在压膜辊、展膜辊转动时起支撑作用，辊轮轴较长作业时受地面作用力较大有较大的弹性变形和变形挠度，受到轴向作用较小。

（2）作业环境十分恶劣，水田作业有大量的泥沙会侵入轴承内部，并且泥水对轴承也有一定的腐蚀作用。

（3）试验样机加工和安装精度不足，孔与轴的同轴度差。 （4）辊轮转速较小

由于以上特点，辊轮轴承必须选用有调心功能强并且具有良好密封性的轴承。对转速较缓慢轴承选择带有密封圈的深沟球轴承可以满足要求。

轴承寿命是载荷增大而降低，载荷与寿命关系公式3-8：

?

1纸辊 2 插秧机机架 3 纸辊支架

图3-6 改进后纸膜支架

Fig.3-6 The improved paper membrane

support

?C?L10??? (3-8)

?P?式中：?——寿命指数，球轴承?=3； P——当量载荷；

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C——基本额定载荷；

以小时作为寿命单位，改写上式的公式3-9：

L10h106?C???? (3-9) 60n?P?60nLl (3-10) 610?求的额定动载荷动载荷公式3-10

C?P?求的C选择轴承为带有密封盖的深沟球轴承。内径d=20mm，外径D=42mm，型号为6204RS

3.2 承膜板改进设计研究

3.2.1 承膜板改进设计

承膜板是水稻纸膜插秧机与水田直接接触的两个部件之一（另一为压膜辊），作用十分重要，不但要在上表面与展膜辊协同展平纸膜，还有在插秧机行进过程中，泥水表面有高低不平的现象发生，置于压膜辊前方的展膜辊就会为后续的工作履平淤泥，否则会出现淤泥堆积，影响正常的插秧机作业。水稻纸膜插秧机是以八行插秧机作为平台，所以必须按照插秧机原有的空间位置进行改造设计，展膜板设计为贯通八行插秧机

1承膜板 2 展膜辊 3 纸膜 4 压膜辊

图3-7 改进前承膜板简图 Fig.3-7 Paper platform figure

会受到中间机架的限制，所以设计成类似分体浮板的三个不连续展膜辊如图3-7所示。

a 改进前壅泥示意图 b 改进后壅泥示意图 1改进前承膜板2淤泥 3改进后承膜板 4 淤泥

图3-9 改进前后壅泥示意图

Fig.3-9 Before and after the improvement of mud

blocking and schematic diagram

图3-8 承膜板改进后模型 Fig.3-8 Paper platform figure

承膜板连接与辊轮支撑臂上与泥水相切，

在插秧机工作时，随着插秧机前进承膜板会把淤泥向前推移堆积。为减少作业阻力，降

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第三章 主要零部件改进设计

低运行中壅泥量，增加机械寿命。设计要求如下：

（1） 可以配合展膜辊夹持并展开展开纸膜，使纸膜顺畅导入水田。

（2） 在插秧机行进过程中，不会大量堆积淤泥，减少淤泥对其他部件的额外载荷，

履平泥水表面，为后续纸膜铺设提高良好的作业环境。 （3） 满足强度要求和抗腐蚀能力。

根据设计要求将原承膜板阶梯型过渡改为圆弧形过度，将原样机承膜板承膜架方管结构改为叶片式如图3-8所示。

两种先后设计的承膜板壅泥量截然不同，原样机壅泥量远大于改进后的承膜板，两种承膜板壅泥如图3-9所示。 3.2.2 承膜板壅泥试验研究

为研究机械前进速度、承膜板载荷、承膜板圆弧过度半径与壅泥量的关系设计以下实验：

（1）材料与设备 本试验将2mm×500mm×200mm厚钢板弯成半径分别为1m、1.5m、2m圆弧，作为试验对象。烧杯、电子天平、烘干箱。

在沈阳农业大学农机试验楼一楼土槽中，挖出6m×1m×0.1m试验地。将适量水倒入土槽中，浸泡12小时后

进行翻耕，平整以模拟水田环境。试验地水深为30mm，脚泥深度为200mm。

（2）试验方案

在试验过程中，三种半径圆弧铁板作为承膜板工作模型，在牵引力作用下以不同 速度或载重向前行进，直至土槽的终点。将三种铁板从土槽中推到终点的淤泥采集出来，烘干后比较。

试验因素：圆弧板前进速度、圆弧板半径、圆弧板载荷，每个因素取两个水平，如表。

试验指标：每行进2m采集一次淤泥行进完成后，将淤泥分别装入烧杯后烘干称重。淤泥干重用?表示，单位g。每组试验3次重复，每个重复3次采集试验 表3-2。

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a 淤泥干重称量 b 不同半径承膜板

图3-10 试验图片 Fig.3-10 Test images

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表3-2 壅泥试验因素水平表

Tab.3-2 Mud accumulating actors in the table

水平 1 2 3

半径（m）

1 1.5 2

因素 速度（m/s）

0.5 0.75 1

载荷（N）

10 15 20

（3）实验方案试验结果分析，表3-3。

表3-3 壅泥试验极差分析表

Tab.3-3 Mud accumulating Range analysis table

因素 试验号

1 2 3 4 5 6 7 8 9 K1 K2 K3 k1 k2 k3 R 主次顺序 优水平 最优组合

A

半径（m）

(1)1 (1)1 (1)1 (2)1.5 (2)1.5 (2) 1.5 (3)2 (3)2 (3)2 91.36 101.47 95.87 30.45 33.82 31.96 3.37

B

速度（m/s）

(1)0.5 (2)0.75 (3)1 (1)0.5 (2)0.75 (3)1 (1)0.5 (2)0.75 (3)1 81.93 89.2 117.57 27.31 29.73 39.19 11.87

空列（3）

1 2 3 2 3 1 3 1 2 105.57 95.24 87.89 35.19 31.75 29.30 5.89

B;C;空列；A A1;B1;C3 A2B2C1

C 载荷 (1)10 (2)15 (3)20 (3)20 (1)10 (2)15 (2)15 (3)20 (1)10 79.83 97.5 111.37 26.61 32.5 37.12 10.51

试验指标 淤泥干 重/g 23.33 28.20 39.83 33.77 23.23 44.47 24.83 37.77 33.27

从极差结果分析：

（1）A因素极差值小于空列极差值不可靠说明A因素可能不是影响试验的指标；

（2）影响试验指标壅泥量的最重要因素是模型承膜板的行进速度，其次是模型承膜板载荷。其中最优水平是个因素的第1水平，机械行进速度越大载荷越大，壅泥量越多如图3-11。

图3-11 承膜板前进速度影响壅泥干重估算趋势

Fig.3-11 Speed effects obstruct mud of trend

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第三章 主要零部件改进设计

（3）试验中壅泥干重最少的是5号试验。 方差分析，如表3-4：

表3-4 试验方差分析表 Tab.3-4 Analysis of variance table

源 径 速度 载荷 误差 总计

平方和 17.10 236.43 166.59 52.59 9733.57

df 2 2 2 2 9

均方 8.55 118.22 83.30 26.29

F 0.33 4.49 3.168

Sig. 0.755 0.182 0.24

极差分析直观，简单易懂但不能估计试验过程中的误差，包括试验干扰因素、试验仪器设备、操作人员的误差。不能分开因素作用的效果和误差作用的效果。从方差分析结果等处，因素承膜板行进速度平方和是236.43，F值为4.49，显著性指标为0.182小于0.25；因素承膜板载荷平方和为166.59，F值为3.168，显著性指标为0.24小于0.25；承膜板圆弧半径因素平方和为17.1，F值为0.33，显著性指标为0.755大于0.25。因素承膜板载荷和因素承膜板前进速度在置信度为75%时显著而承膜板圆弧过度半径不显著。

3.3 主要改进部件分析

3.3.1 辊轮支撑臂仿真分析

在插秧机工作中，原样机各个辊轮支撑臂（压膜辊支撑臂、展膜辊支撑臂、承膜板支撑臂）发生了均由于强度、刚度不足发生了变形，且分离的各个辊轮支撑臂安装维修十分不便，将辊轮支撑臂整合到一个辊轮支撑平台是本次改进的特点之一。为检验改进后辊轮支撑臂的性能，分析辊轮应力集中和主要变形位置，对支撑臂进行solidworksSimulationXpress分析。

1挂载受力位置2固定位置 图3-12 辊轮支撑臂建模 Fig.3-12 The model of support arm

方法如下:对辊轮支撑臂进行建模如图3-12：运行SimulationXpress，选择零件中孔进行

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固定；对三个挂载辊轮位置分别加载200N、50N、300N，500N、50N、700N两组载荷，选择材料为普通钢材。分析结果如图3-13,3-14,3-15,3-16，所示。

图3-13 辊轮支撑臂应力分析图

Fig.3-7 Roller wheel support analysis diagram

stress arm 图3-14 辊轮支撑臂应力分析图 Fig.3-6 Roller wheel support analysis

diagram stress arm

图3-15 辊轮支撑臂变形位移分析图 Fig.3-8 Roller wheel support analysis diagram

displacement arm

图3-16 辊轮支撑臂变形位移分析图 Fig.3-9 Roller wheel support analysis diagram

displacement arm

由分析结果可以辊轮支撑臂的应力集中位置在固定位置和挂载辊轮梁之间的连接位置，最大位移位置处于辊轮支撑臂挂载梁的后侧。正常工作载荷时受力分别为200N、50N、30N，最大应力为22.6×106N/m2插秧机正常工作载荷作用下，支撑臂最大应力不会超过材料的屈服极限，当受力为500N、50N、700N，最大应力为58.23×106N/m2也不会超过材料的最大切应力。两种受力情况辊轮支撑臂的最大位移分别为0.132mm和0.33mm未超过梁的最大挠度，不会破坏构件。使用更可靠安全性更高，使用寿命提高明显。

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第三章 主要零部件改进设计

3.3.2 纸膜挂载机构振动分析

插秧机振动影响最大的就是纸膜支撑机构，纸膜挂载架安装在八行插秧机行进部位而非插秧功能部位。行进过程中挂载架可以近似看成一端固定一端自由的杆如图3-17。

取杆的轴向作为x轴，各个界面的轴向位移边上为u（x，t）。杆的微元dx在自由振动中受力P。

设杆单位体积的质量为m，杆长为l，截面积为A，材料的弹性模量为E。设任意截面处，纵向应变力为ε（x），纵向张力表示为P（x）。则由材料力学得公式3-11和公式3-12：

?u?(x)? (3-11)

?xP(x)?AE??AE

图3-17 纸膜支架振动分析图

Fig.3-17 Analysis of the vibration bracket paper film

?u (3-12) ?x而在x+dx截面处的张力则为3-13：

??u?2u??PP?dx?AE??2dx? (3-13) ???x??x?x?列出杆的微元dx的运动方程得公式3-14：

?2u?2u?Adx2?AE2dx (3-14)

?t?x?2u1?2u整理得2?2?2，式中，c2?E/?。采用分离变量法得3-15：

?xc?tU(t)?Asin?t?Bcos?t?? (3-15)

X(x)?Csinx?Dcosxcc式中，?——杆固有频率；Hz A,B,C,D——积分常数；

振动函数X（x）与固有频率的系数由各种边界条件确定。一端固定一端自由的杆的边界条件方程为：

X(0)?0dX(l)?0dx；

由此得：

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D=0 ??Ccosl?0cc ?cosl?0c 杆的固有频率为3-16：

?i?2i?1??2lE?,i?0,1,2，? (3-16)

相应的振动函数为3-17：

?2i?1?x?Xi(x)?sin???,i?0,1,2，? (3-17)

l??2纸膜支撑架在插秧机发动机震动下受迫振动，振动频率与振动带来应变符合正太分布，综合盈利均值?L，标准差?L；支撑架结构为方钢，强度值?S由可靠性系数公式3-18：

Z??S??l?2L (3-18)

式中Z——零件可靠性系数；

由公式得出，零件可靠性与振动引发应力变化有关，应力变化由振动函数决定，检测发动机振动可以用现代测试技术中通过传感器连接零件工作，处理信号后输入电脑，通过基于Labview检测软件输出结果。

3.4 本章小结

本章介绍了主要水稻纸膜插秧机主要零部件的改进设计，将压膜辊、展膜辊及承膜板的分体连接臂整合为一体式支持臂，经过仿真分析得出满足工作要求，且在超过正常工作一定范围内载荷仍不会发生变形。重新选取滚轮轴承针。将承膜板改进为圆弧过度形式，经过试验分析极大改善了淤泥堆积，工作更加稳定。

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第四章 水稻纸膜覆盖插秧机田间试验研究

第四章 水稻纸膜覆盖插秧机田间试验研究

4.1试验材料与设备

试验主要目的是在实际田间生产作业过程中，与原样机对比分析是否有效地避免了原样机出现的各种问题，在满足要求的基础上检验新样机的工作质量能否满足水稻插秧与纸膜覆盖技术的农业技术要求，进一步发现生产过程中的问题，考察铺放机构的工作稳定性与零件可靠性。具体要求：

（1）验证田间作业质量是否达到农业技术要求； （2）对比前后样机作业，新样机是否优于原有样机； （3）发现生产中新的问题，找到解决方案；

（4）试验内容包括：插秧作业时进行单因素和正交试验回归分析对比前后两种样机优劣。

水稻插秧机田间试验不能紧紧依靠插秧机本身的性能，还要有适宜的水田作为试验地点以及品质优良的水稻秧苗作为试验基础。本试验的主要试验内容： （1） 选择优良稻种，采用秧盘育苗方式在大棚中培育秧苗。

（2） 在水稻试验基地水田中进行水稻纸膜覆盖插秧作业研究纸膜破损率和纸膜贴合

率，测出各因素水平。

（3） 对各因素水平进行单因素试验分析。

（4） 回归分析后对比改进前后试验结果，得出结论。

（5） 研究改进后样机的纸膜滑移率，进行正交试验分析，研究影响纸膜滑移率的主要

因素。

试验材料：本试验采用永丰余生物科技有限公司出品的农业纸膜，规格为100m×80cm×0.1mm纸膜和100m×50cm×0.1mm纸膜若干卷。本试验采用沈农265稻种，在沈阳农业大学园艺学院温室大棚条件下，用浸种剂进行浸种72h，大棚中自然催芽48h（平均温度25°C，平均湿度60%），露白后播种于装满营养土（按比例添加壮秧剂）

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图4-1 秧苗生长情况

Fig.4-1 The growth of seedling

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/h0rg.html