基于Solidworks起膜铲设计及模糊评价
2022-06-09
摘要：对钉刺式残膜回收机中的起膜铲进行了改进设计，并对起膜铲刀进行了受力分析。本文所设计的铲刀，是由14片铲刀组成的起膜装置。同时，对起膜铲的参数进行了详细分析，得出影响起膜铲的主要参数和影响因素。最后，运用模糊分析法对起膜铲进行了模糊综合评定，通过详细的分析计算，得出起膜铲刀的综合评定为81.89分。
关键词：残膜回收机；起膜铲；模糊分析
0引言
地膜覆盖种植应用于农业生产中，具有显著地抗病虫害、提升温度及提高农产品产量等作用；但如不及时回收田间残膜，将会影响农作物生长、农机具工作且造成环境污染，阻碍了农业生产的可持续发展。据农业部门调查，我国地膜的使用量为（80~90)万t/年。由于我国生产地膜厚度为0.006~0.008mm，抗拉强度小，导致秋收后地膜被风化形成小块碎膜难以回收[1_3]。截止目前，我国研制的残膜回收机存在技术还不够成熟、机具功能较单一、故障率较高及田间捡拾残膜连续性较差等问题[4]，故设计了一种起膜铲，能够与捡拾装置更好的配合，增大扎膜的机率，从而更好的提高捡膜率。
在回收残膜的过程中，残膜回收机起膜铲的作用是:一是将耕层中的残膜挑起，与捡拾装置更好接触，同时增加捡拾装置挑膜几率;二是将板结的土壤在托膜铲的作用下，把耕层中的残膜与土壤尽可能分离开；三是起膜铲将会把根茬切断，方便把残膜回收。因此，起膜铲在工作中主要受到土壤和根茬的阻力两方面的影响。
1设计要求与参数
1.1设计要求
设计起膜铲时，应考虑到角度调节和深度调节，应适应工作需求，并能通过角度调节杆和深度调节杆来调节合适的角度和工作深度。其铲的三维效果图，如图1所示。
1.支撑架2.挡板型I3.铲刀4.挡板型n图1残膜回收机起膜铲三维效果图及结构图根据深松铲与挖掘部件的设计原理及起膜铲的设计准则，从而确定起膜铲的结构。起膜铲一般由带刃的铲刀、铲柄及支撑臂组成。起膜铲的铲刀与地面倾斜，方便起膜铲入土。起膜铲由铲刀和铲柄组成，其结构如图2所示。
1.2铲形参数设计
本文中所设计的起膜铲是三角形铲，其主要的参数有:铲宽B、铲刃斜角y和作业时的铲面倾角;S。
1)铲宽B。本文设计的铲刀是两边采用平面四铲和中间采用三角铲的组合形式，总体的铲宽是根据捡拾机构作业的幅宽而设定的。本设计将铲宽设计为55
1)800mm，每个铲刀之间的间距缝隙为15mm，便于碎其中，T=pN，p是起膜铲与土块之间的摩擦因土漏下数。
图2铲形参数和铲刃的受力分析
Fig.2Thespadeparametersandstressanalysisofblade
2)铲刃斜角y。铲刀斜角y是为了将土壤和残膜一起抬起，由受力分析可知，土壤在铲刃上的滑切是克服摩擦力，则[5_7]
由式（1)可得
(5=arctg(F-f^G/uF+G)(5)
如果;8大于式（4)中的计算结果，起膜铲铲土就会拥堵，并导致阻力增大。
P0sin(90°-y)>F(1)
式中P0—作用在铲刃上的阻力（N)；
F—土壤对铲刃的摩擦力（N)。
由摩擦定律可知
F=Rtgp
R=PqC〇s(90°-y)(2)
将式(2)带入式（1)中并解之得
y<90°-p(3)
其中，为土壤对钢的摩擦角，一般为26°~36°。为了保证铲刃的顺利作业，铲刃斜角y应该满足90°-y>屮。
3)铲面倾角8。为了保证起膜铲在工作时不拥堵的前提下，起膜铲将土壤抬起一定高度，对捡拾装置增大扎膜机率，其受力分析如图3所示。
由图3起膜铲铲起土壤及残膜时所受力平衡方程可以确定铲面入土角的理论值[8]
4)
Fcosf3-T-Gsinf3=0In-Gcos^-Fsin/3=0式中F—起膜铲所受到工作阻力（N);
N—起膜铲所铲残膜及土块的反作用力（N);
G—所铲残膜及土块所受到的重力（N);
T一起膜铲对所铲残膜及土块所受到的摩擦力
(N)
2铲的阻力计算
起膜铲的牵引阻力受土壤、入土深度、铲的形状及铲的倾斜角度等因素的影响。
起膜铲的作业阻力不仅是由于铲起来的土壤沿铲面移动而产生的，而且也由于切割土壤产生的力。假如不考虑土壤沿铲面移动速度变化的影响，铲的总阻力可用式(6)表示[9-10]
R=P+Pj=SIptg(a+(p)+Ks(6)
式中P—机具作业时铲起土壤越过铲面所需的力；
Pt—铲刀铲土所需的力；
S—土壤铲切面积；i一铲的长度；p—土壤密度；
K一土壤比阻。
3起膜铲总体性能的模糊评价
影响起膜铲总体性能的主要因素有牵引阻力、作业质量、工作效率、经济性、稳定性及可靠性，在这些因素中每个因素并不是同时达到最好（或最坏），并且每个性能指标的好与坏没有固定值，且具有的模糊性。所以，本文评价起膜铲的总体性能采用的是模糊综合评价的方法对起膜铲总体性能进行评价。各因素对备择集的隶属度如表1所示。
表1各因素对备择集的隶属度因素评价
U00.30.50.20
U0.10.40.40.10
U0.20.40.20.20
U400.60.30.10
U50.10.30.50.10
U0.10.50.30.10
00.50.40.10
1)建立因素集。根据影响起膜铲性能的主要因素建立因素集[11-13]为
={牵引阻力，作业质量，工作效率，经济性，稳定性，可靠性}
其中，U,(i=1，2,…，7)为影响起膜铲中体性能的各个因素。
2)建立备择集。对于起膜铲总体性能的综合评价，等级分为优秀（90~100)、良好（80~90)、中等（70~80)、一般（60~70)、差（0~60)这5个级别，建立备择集，即
V={Vj,，2,,3?，5}
其中(j=1，2，3，4，5)为评价可能出现的结果。
3)单因素模糊评价。模糊综合评价的目的，是充分考虑所有影响因素的基础上，在备择集中找出最好的评价结果。
由表1可得到评价矩阵为
00.30.50.20
0.10.40.40.10
0.20.40.20.20
00.60.30.10
0.10.30.50.10
0.10.50.30.10
00.50.40.10-
=R
4)建立权重集。因为各个因素的重要程度是不一样的，对重要的因素应特别看重，对不太重要的因素，也要考虑到。为了反映各个因素的重要程度，对各个因素赋予一个相应的权数wi，可得到权重集。则
W={w1,w2，w3，w4，w5，w6，wl}={0.15,0.2，
通常wi应满足归一性和非负条件[14]:Zwi=1，
i=1
Wi為0(i=1，2,…，l)可以看作是各个因素对重要的隶
属度。
5)模糊综合评价。由于模糊加权平均算子M(十)能够依据权重的大小对各影响因素均衡兼顾。因此，采用M(十）对起膜铲综合评定[15]，即可得到B=W-R=[0.15,0.2,0.15,0.1，0.1，0.1，0.2]
00.30.50.20
0.10.40.40.10
0.20.40.20.20
00.60.30.10
0.10.30.50.10
0.10.50.30.10
00.50.40.10-
[0.07,0.425,0.375,0.13,0]
由专家按级别评分得到评分集C，最终可得到综合评价值。
W=B CT=[0.07,0.425,0.375,0.13,0]?[100,89,77,63,0]T=81.89
4结论
1)本文研究了起膜铲的设计结构、工作原理及铲的各个影响参数，分析了起膜铲的工作阻力。
2)采用定性与定量分析结合，对起膜铲总体性能进行了模糊综合评价，评价结果为81.89,说明起膜铲总体性能良好。
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0.15,0.1,0.1,0.1,0.2}
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