沈阳农业大学硕士学位论文
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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