第一章 绪论
1.1 选题背景及意义
1.1.1 课题研究背景
随着农业种植技术的不断发展、环境问题的层出不穷，给农作物生长过程中以及农作物产量方面带来了各种问题。因此，农业研究人员针对各种情况推出了新的种植方法。目前推出的一些农业种植方法不但提高了农作物的成活率，也提高了农作物的产量。云南省楚雄州为滇中典型的干旱地区[1]，同时也是烟苗产业地区。该地区的烟苗成活率、烟苗产量等方面深受环境气候的影响，许多农业科学研究人员一直致力于研究一种种植方法来解决楚雄环境气候问题对烟苗种植的影响。目前王希周等研究人员所提出的“小苗移栽，黑地膜覆盖栽培”种植技术在云南省内较为广泛的应用[2]。该种植技术在一定程度上有效的解决了楚雄州春旱气候所产生的问题和种植过程中烟苗的移栽问题。近几年，黑地膜覆盖栽培技术在农田中应用实践后显现出了其效果，有效的降低了在培育烟苗时的风险、防旱保墒，提高了烟苗移栽后的存活率，也确保了烟苗早生快长。除此之外，还有效的防止了害虫入侵，大幅度的提高了烟苗产量，烟农们的收入与之前相比较也有所提升。云南省楚雄州所在地理位置的气温气候属于亚热带季风气候，根据每年降水量的测试得知每年平均降水量大约在 690mm-1090mm 左右，因此该地区为干旱区[3]。这种干旱现象对于楚雄州来说是一种严重的气象灾害，其中干旱出现最频繁的季节是春季，因此每年都会存在不同程度、不同影响的春旱。从十年前开始，持续的干旱早已经对该地区的烟草种植造成了破坏[4]。在环境极其恶劣和干旱状态一直持续的情况下，农业科学研究人员敢于假设、努力钻研烤烟如何节水、抗旱的移栽技术，直到 2011 年开始得到了重大突破。
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1.2 国内外研究现状及发展趋势
通过阅读大量文献和互联网搜索的各类相关资料，目前市面上以及正在研究的项目中未查询到有集破膜、取土、碎土、覆土等功能于一身的农业机械产品的研发和应用。在雨水充足的土地上，也很少采用膜下小苗栽培技术，因此本文需要进行原创性的研究设计。本论文内容满足农业发展的需要，提高了农业机械的制造水平，促进农业生产的机械化、现代化，具有重要的意义。
至今为止国内外暂无同款机器，但在不同的领域内具有单功能机器的应用，用于烟苗覆膜栽培技术的几乎没有。
1.2.1 现有碎土机类型及发展现状
农业科学研究人员在不断研发新的农业种植技术，并不断的创新、改革、优化农业技术，在种植技术提高、进步的同时，农业机械化也要随之发展。现如今碎土机在我国的发展现状如下概述：
从目前我国市面上研发设计的碎土机来看，根据破碎方式的不同进行分类，破碎的方式有:挤压式、曲棍式、锤式破碎等[]，下面主要介绍几款不同方式破碎的碎土机。
（1）如图 1.1 所示，碎土方式为铣削破碎的碎土机。主要应用的领域有：高速公路、飞机跑道底基层、水利大坝以及大型建筑基础工程中的土壤、石灰的破碎。通过应用的领域可以看出在碎土过程中主要方式为铣削，铣削土块的刀具要耐磨、耐硬，因此碎土机破碎刀的刀头材料选择为硬质合金。铣削式碎土机工作原理是破碎刀在高速旋转的工作状态下对土块切削，同时还要达到强筛分的目的。目前市面上已有的这种破碎方式的机器 XTP-500 型土壤破碎机，该机器是由镇江振华路面机械有限公司所研发、销售的。这种破碎方式具有的优点是高效、功率大、连续作业等[9]。
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第二章 小型电动破膜覆土机建模
2.1 整机建模计算机辅助软件概述及介绍
2.1.1 三维实体建模概述
如今在整个市场的大环境下，市场间的竞争日益激烈。随着科技的发展，产品不断的进行更新换代来满足人们的各种需求以及适应环境的改变，提高和发展现代化研发设计技术[24]。因此目前对于机械产品设计的重心是如何实现快速的设计结构复杂化的机械产品。结构复杂的机械产品在设计过程中，它不单单只是设计一个简单的零件而已，从整体的角度来看，产品的设计过程中设计者需要不断的思考如何将众多的零件组成装配体，设计出符合要求的结构、外形。如今计算机的应用已经大众化、日常化，计算机辅助软件开发也随之成熟[25]。从最初的二维平面设计到目前三维空间立体设计的广泛应用，设计理念已经从根本上产生了改变。利用三维软卷所设计的产品更加的具有直观性，帮助设计者在设计、研发机械产品的结构过程中产生了极大的作用，设计者在产品设计过程中，更加容易设计出符合需求的产品，同时工作效率也得到了提升。
2.1.2 SolidWorks 软件介绍
对于众所周知的Solid Works三维建模软件是由SolidWorks本公司所进行研发的产品，用其公司名称来命名该软件[26]。Solid Works 是一款采用参数化建模的软件，设计者实际操作该软件时，通过产品形状和特点可以简单、精准的绘制出产品的三维数学模型。软件主要应用于 Windows 环境下，具有十分合理、人性化、简洁化的操作界面，同时也是一款以设计为主的 CAD/CAE/CAM 软件。该软件包含三大特点：功能强大、易学易用易操作、技术创新。正是因为以上三个特点使得该软件被广泛使用，深受设计者们喜欢。
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2.2 小型电动破膜覆土机的详细结构设计
根据膜下烟苗栽培种植技术的调查以及研究，烟苗在黑膜下成长到一定程度时，需要进下如下工序：破膜→取土→碎土→覆土这四道工序，烟苗种植密集，需不断重复进行这几道工序，需要大量劳动力的同时效率低，种植成本也在不断的提升。为解决以上问题，实现农业机械化从短期来看既可以减少劳动力又可以提高效率，长远来看烟农们的种植烟苗成本可减少。本章主要研究破膜、取土、碎土、覆土功能集一身的小型电动破膜覆土机，该机器主要的工序有，破膜、取土、碎土、覆土。
2.2.1 整机结构及主要技术参数
研发设计的小型电动破膜覆土机整体装配图，如图 2.1 所示，该机器整体采用半自动化人工作业模式，最终实现在破膜的同时进行自动覆土，该机器是由小功率电动机驱动后轮使机器向前自动行走。作业时，一个电动机驱动取土轮盘进行取土，随后土壤进入到碎土辊齿上。破膜覆土系统则通过另一个电机控制工作。
在进行论文前期工作时，阅读了相关种植烟苗的技术方法、种植环境、烟苗农田的普遍种植规模、烟苗垄宽等问题，我们可以确定小型电动破膜覆土机的外形尺寸，以及前后轮距的宽度。整机工作时行进速度较慢，同时电动机需带动链传动工作，因此在电动机选型时选择转速较低的电动机。根据小型电动覆土机的工作量，一天工作 12 个小时的工况下，进行电池型号的选择、容量的选择。
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3.1 有限元分析方法理论概述 ............................... 27
3.2 ABAQUS 软件介绍 ..................................... 33
3.3 基于 ABAQUS 对电动破膜覆土机车身架的静力学分析 ........ 34
第四章 取土碎土系统力学分析 ......................................... 53
4.1 取土抓切削土壤过程的研究分析 ........................... 53
4.1.1 取土抓切削土壤受力模型 ............................ 53
4.1.2 建立有限元分析 ..................................... 54
第五章 结论与展望 ................................. 69
5.1 结论 ....................................... 69
5.2 展望 ....................................... 70
第四章 取土碎土系统力学分析
4.1 取土抓切削土壤过程的研究分析
4.1.1 取土抓切削土壤受力模型
取土抓与切削的土体作用符合朗肯被动土压理论，即取土抓前方的土体将受到被动土压力的作用[30]。 现本文将基于朗肯被动土压理论，以 Mckyes-Ali 建立的耕作刀具切削阻力模型为基础，考虑破膜覆土机取土抓在切削土体时的垂直推进力作用及摩擦力影响，建立取土抓切削土体的受力模型。
在 6 把取土抓切削土壤的过程中，当一个取土抓切削土壤后，土体上就形成了一个新的表面，这样后一个取土抓会随着整机的直线速度继续对新的表面进行切削。因此，在仿真计算一个取土抓切图土壤后，下一个取土抓与新的土体表面发生接触，需要有限元软件重新进行接触分析判断。在简化模型中虽然只有 1 个取土抓切削，但是从第 2 圈起取土抓也与新的表面接触，因此并没有降低模拟结果的准确性[31]。
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第五章 结论与展望
5.1 结论
在云南省大力支持发展烟草行业的情况下，烟草的种植方法以及烟草的成活率成为了该行业的关键之一。在不能改善烟苗所处的种植环境情况下，为了提高烟苗的成活率，目前云南省正在大力推广烤烟膜下种植技术。本文所研发的小型电动破膜覆土机正是专门针对此种植技术中所产生的繁琐种植工序、人工作业效率低等问题所研发设计的一款机器，使其提高工作效率、减少人工以及把复杂的工序实现农业机械自动化。本文主要内容是关于破膜覆土机的结构研发设计以及关键部件的研究分析，在研发过程中主要通过查找大量的文献资料以及目前现有的类似功能机器作为参考，使其在关键部件结构设计以及整机整体布局上有一个比较具体的思路以及初步的设计方案。在设计的过程中既要参考已有类似功能的机器也要针对本研发设计的机器实际情况来构建出其具体的功能如何设计以及其功能的实现。
本文在研发设计以实现功能性为出发点，在对于各系统结构设计后，首要及关键性问题是结构设计是否能达到我们的设计要求，在实际工作环境中是否可以正常运转。因此，利用计算机辅助软件进行模拟仿真得到数据结果。本论文整体的工作内容，总结：
（1）由于目前市面上以及正在研究的项目中都没有集破膜、碎土、覆土等功能于一身的机器，因此分别调研了具有破膜功能的机器、碎土功能的机器、覆土功能的机器，它们目前国内外的发展现状并进行了介绍，以及本论文课题的研究意义和内容。
（2）利用三维软件（SolidWorks）对研发设计的小型电动破膜覆土机进行三维建模，展示出整机的整体结构以及关键部件的结构，说明本文所研究的机器整体布局、各关键部件之间连接以及如何实现该功能的运动动作；本对整机的各项技术参数进行详细说明；对本文建模软件进行简单介绍。
参考文献（略）