白菜收获机的设计与研究
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毕业设计中文摘要白菜收获机的设计与研究摘 要近些年以来我国大型白菜农业种植收获方式由分散向多个基地逐步集中,耕作管理方式也由原来的基地粗放型逐渐转向精细型,在白菜种植收获过程中会经常用到拖拉机进行快速翻地、耕地、起垄等作业。但是,我国现代蔬菜种植生产收过程的机械化技术水平却依旧落后,同时国内对蔬菜种植生产与收获过程机械的深入研究也是非常少。现阶段我国白菜生产和收获的方式依旧是需要大量农业畜力和其他人工劳动作业,这就必然使得农业劳动力生产成本在我国白菜生产中占有较大的占用比重,影响经济效益。本文的目的是要针对现阶段白菜种植的实际情况,改良白菜收获机的个别机构,从而提高收获机的工作效率,减少成本。目前国内外对白菜收获机构的研究较少,所以本课题主要参照现有的甘蓝收获机和甜菜收获机来设计。本文设计希望能够通过研究白菜收获机的发展趋势,并结合当前国内典型的甘蓝收获机的装置结构进行研究展开。通过借鉴现有机型的设计优点改进设计出相关新机型的雏形,按照构想设计出一款能够实现一次性实现切根、拾取、升运等工作的机型。通过对比国内各机型的机构部件设计,综合其优点,以希望实现提高白菜收获效率的目标。该课题具体目标如下:通过减少人力辅助强度、同时减轻白菜破损程度,从而提高白菜收获质量。目前国内白菜收获机的作业效率已经满足了小型种植户的需求,但距离生产收获全自动化的要求依旧相差甚远。因此要想实现白菜大规模的收获,全自动机械化机型的发展势在必行。关键词:白菜收获机;结构设计;提升运输机构;柔性夹持装置;毕业设计英文摘要Design and research of Chinese cabbage harvesterAbstractIn recent years, the planting and harvesting methods of large-scale Chinese cabbage agriculture in China have been gradually centralized from scattered to multiple bases, and the cultivation and management methods have also been gradually transformed from extensive base to fine base. In the process of Chinese cabbage planting and harvesting, tractors are often used to carry out rapid land turning, plowing and ridging.However, the mechanization technology level of modern vegetable planting, production and harvesting process in China is still backward, and at the same time, the in-depth research on vegetable planting, production and harvesting process machinery is very few in China.At the present stage, the production and harvest of Chinese cabbage is still in need of a large number of agricultural livestock and other manual labor operations, which will inevitably make the cost of agricultural labor in the production of Chinese cabbage occupies a large proportion, affecting economic benefits.The purpose of this paper is to improve the individual mechanism of Chinese cabbage harvester according to the actual situation of Chinese cabbage planting at the present stage, so as to improve the working efficiency of Chinese cabbage harvester and reduce the cost.At present, there are few researches on Chinese cabbage harvesting institutions at home and abroad, so this topic mainly refers to the existing cabbage harvester and beet harvester to design.The paper aims to study the development trend of cabbage harvester and the device structure of typical cabbage harvester in China.By drawing on the design advantages of the existing models to improve the design of the relevant new models of the prototype, according to the plan to design a one-time implementation of root cutting, picking, lifting and other work of the model.By comparing the design of mechanism components of various models in China, and synthesizing their advantages, we hope to achieve the goal of improving the harvest efficiency of Chinese cabbage.The specific objectives of this project are as follows: to improve the harvest quality of Chinese cabbage by reducing the intensity of human assistance and reducing the degree of breakage of Chinese cabbage.At present, the operating efficiency of Chinese cabbage harvester has met the needs of small-scale farmers, but it is still far from the requirements of full automation of production and harvest.Therefore, if large-scale harvest of cabbage is to be realized, the development of fully automatic and mechanized models is imperative.Keywords: Chinese cabbage harvester;Structural design; Lifting transport mechanism;Flexible clamping device;目 录1 引言11.1 白菜收获机的应用前景11.2 白菜收获机的研究现状21.2.1 国外研究现状21.2.2 国内研究现状31.3 大白菜的物理特性52 技术任务书62.1 白菜收获机的结构与工作原理62.1.1 白菜收获机的组成62.1.2 白菜收获机基本工作原理62.2 白菜收获机的关键技术62.2.1 扶正机构62.2.2 提升运输机构73 设计计算说明书73.1 总体方案设计73.1.1 白菜收获机总体简介73.1.2 提升运输装置简介83.1.3 输送机构简介83.2 主要机构的设计93.2.1 切削机构的设计93.2.1.1 切削刀的工作情况93.2.1.2 切削刀的选用93.2.1.3 刀片的设计93.2.1.4 刀片的选材103.2.1.5 压刀板和刀杆的设计103.2.2 锁紧机构的设计103.2.2.1 锁紧机构工作原理分析103.2.2.2 斜楔的设计113.2.2.3 滑动块的设计123.2.2.4 导轨的设计133.2.3 防松装置的设计143.2.3.1 压块的设计143.2.3.2 开槽体和支架的设计153.2.3.3 防松柱销的设计153.2.3.4 螺纹空管的设计153.2.3.5 手柄的设计153.2.3.6 弹簧固定杆的设计163.2.3.7 弹簧的选材163.2.4 提升运输装置主要零部件的设计163.2.4.1 机架的设计163.2.4.2 夹持输送装置设计计算173.2.4.3 夹持张紧机构的设计213.2.4.4 夹持装置传动系统的设计243.2.4.5 夹持皮带轴的设计计算273.2.4.6 皮带轴强度校核293.2.4.7 端盖的设计323.2.4.8 支承轴的设计323.2.5 输送机构的设计333.2.5.1 输送机构的组成333.2.5.2 输送带速的确定343.2.5.3 张紧装置的设计343.2.5.4 滚筒的设计353.2.5.5 输送带的选取363.2.5.6 支承轴的设计363.2.5.7 滑架的设计383.2.5.8 机架的设计393.2.5.9 支撑板的设计394 使用说明书40结 论41参 考 文 献42致 谢44白菜收获机的设计与研究1 引言在我国,大白菜是种植范围最广泛的蔬菜之一,也是人们日常生活中不可缺少的蔬菜。大白菜和甘蓝同是属于绿色结球叶菜类蔬菜,在这种蔬菜的采收种植作业过程中,大约有40%的工作量将会消耗在蔬菜收获作业上。在收获该类菜蔬过程中,需要种植户用短刀等工具将白菜根部切断,然后再人工捡拾、剥叶、装车,这样不但劳动强度大,而且效率很低。随着目前白菜种植走向规模化、集约化,原来的人工收获白菜方式已经基本满足不了现阶段白菜种植面积扩大的现状。因此,发展机械化菜蔬收获高新技术具有重要的现实意义。基于以上的情况,为设计出符合白菜大规模种植户的要求,本文将参考国内已有的白菜或甘蓝收获机的机型,对其各个核心机构进行技术集成创新,不断改进,从而达到提高收获效率,降低成本的要求。1.1 白菜收获机的应用前景目前,在我国的农作物种植和生产的全过程中,机械化的耕作、移栽、灌溉和植保等技术正在不断进步,但整体上我国蔬菜的机械化生产水平相对较低,收获率的大小已经成为我国现代化蔬菜种植生产未来实现机械化的一个重大难题。大白菜收获机的应用与其他传统的收获方式相比最大的优势就是它的收获效率有大幅度的提升,同时也实现了农机和农艺的融合。白菜收获机核心部件的稳定性与可靠性将对白菜收获质量产生很大的影响。白菜收获机的研究方向便是其中通过对其核心机构的技术研究将收获过程中出现的主要问题分别在设计过程中加以利用并改进。白菜收获机的主要任务是在国内现有机型的基础之上对锁紧机构、提升运输机构等相关种植机构分别进行一定方面的优化改进。通过调试机械参数等技术措施,使得各部件之间能够稳定地进行机械协同作业,从而有效的保障大白菜收获效率,提高白菜收获机械的资源利用率和机械通用性。该机械后续可以进一步加强对机电一体化和智能技术的综合运用,实现自动对行、智能化和选择性自动收获等智能作业。可以说要实现自动化智能化机械生产,我们任重而道远。1.2 白菜收获机的研究现状1.2.1 国外研究现状在蔬菜收获机械的研制方面,欧美等国起步是比较早的。主要有以下几种:20世纪70年代,日本农业生物系研究机构成功研制出了一种悬挂式大白菜收获机,该机械可一次性完成收获、调配、装箱、运输等工作。同时其需要3至4名工作人员,完成大白菜的收获作业。由于机器体积庞大,所以其对小型种植户没有实用价值。因为甘蓝的外观、生理学特性和大白菜很接近,所以,甘蓝收获机械的基本设计和工作原理也就具有一定的指导和参照价值。以下介绍的是几种甘蓝收获机械:第一台大型甘蓝收获机是苏联在1931年研制成功的,该收获机的主要组成部件有:可左右方向拔取的部件、圆盘状锯齿式切割刀和一个横向刮板式输送器等部件。美国一家公司的 Shepardson 等人自主研发的新型甘蓝收获机主要采用双旋式圆盘切割结构,实现各种甘蓝的一次性拔取切割作业,该甘蓝收获机式利用圆盘切割结构来切除根部,其适用于各种结球叶菜品种,工作一次的收获切割率高达80%。美国Hachiya等建立了一套完全适用于当地甘蓝大规模收获的系统,该系统收获中途不会中断作业。该设计主要采用了一种旋转式双圆盘的拔取切割装置,后续还将配有集手工去叶和装箱为一体的收获机械,已于 2001年底正式投产并实现商业化(图1)。图1 甘蓝收获机系统2017年11月30日,日本的Yanmar和Osada Nouki在参考已有的传统卷心菜收获机技术的基础上,两人合作探究研发出一种新型白菜收获机(图2),其机体结构和传统卷心菜收获机类似,也是同样采用了圆盘式一体拔取切割输送装置,但是该白菜收获机械在切割输送过程中会对白菜叶子造成较大损伤,影响白菜的质量。图2 白菜收获机英国设计的通用型轮式蔬菜收获机同样也可以用来收获甘蓝,其主体部分搭载在机架上,并首次在机架上安装了拨禾轮和杆条式输送器,用这两个部件来替代原来只能收获块根的拨取器。该机械还用一个轮齿式圆盘代替原来的光面齿式圆盘,圆盘内部有一个大的球形保护罩,其会沿着地面滑行,以此来保证精确切割量和切割高度。拨禾轮用来把甘蓝拨送到切削机构,之后再由拨禾轮把它们拨送至杆条式输送器上完成收获。1.2.2 国内研究现状因为国内对现代化蔬菜收获机械的研究起步较晚,所以现阶段白菜收获机型较少,有以下几种:在20世纪80年代末,台湾大学成功自主研制出了一种悬挂履带式人工甘蓝收获机,该设备可一次性同时完成拔取、切割、切除外叶、装箱等多种工作,平均工作效率为0.04hm2/h,其综合工作效率比传统人工收获方式提高约2.5倍5。浙江大学研制的单行自走式甘蓝收获机(图3),适用于我国南方地区,其采用了可弹性浮动的拨轮配套铲式拔取装置,拔取效果不错且对甘蓝损伤较小5。图3 单行自走式甘蓝收获机甘肃农业大学自主研制出了4YB-1型甘蓝收获机,该设备主要采用一种螺旋圆锥式引拔收集机构将偏移的甘蓝进行扶正,然后向上引导,拔出甘蓝5。图4 4YB-1型甘蓝收获机哈尔滨市农业科学院成功自主研制出一种农用背负式小型大白菜收获机,该机采用了一对可斜置安装的小型切口弧形圆盘对白菜进行先切除根部后进行拔取的作业,利用切口圆盘上的弧面与地面接触以有效限制切削深度,这样切出的白菜根长度会显得相差较小5。1.3 大白菜的物理特性大白菜主要盛产于我国东部以及北方地区,大白菜的普遍栽培要求和种植农艺技术要求:垄距约5060cm,垄高1520cm,垄长约为20m,株距40cm16。图5 大白菜参数统计值查阅相关的统计数据资料,确定了大白菜主要菜叶外形参数:叶球展开长度B,球宽D,结球高度h,整株高度H,地下根深度l,根部直径d。相关数据见表1。表1 大白菜相关数据名称 代号 平均值展开度 B 750mm 球 宽 D 180mm260mm株 高 H 500mm结球高 h 330mm根部直径 d 40mm地下根深度 l 160mm单株净菜重 m 2.5kg2 技术任务书2.1 白菜收获机的结构与工作原理2.1.1 白菜收获机的组成白菜收获机基本结构组成包括夹持扶正机构、两对称的切削刀、锁紧提升机构、输送机构,还需配套采用拖拉机侧臂式悬挂,并以此为主要动力源,如图6所示。图6 白菜收获机工作示意图2.1.2 白菜收获机基本工作原理白菜收获机的基本工作原理为:在机架上安装的两个扶正轮通过与白菜接触,两个轮对白菜轴向产生两作用力将大白菜整个扶正,之后夹持输送装置将白菜夹持住,同时安装在机架底部的弧形切削刀在扶正机构的配合下将白菜根部切断,然后经过带式提升运输装置与带式输送机构将白菜运送到白菜集装箱。2.2 白菜收获机的关键技术2.2.1 扶正机构由于我国地理环境和种植农艺的差异,导致成熟的白菜大小各异且分布不是很整齐,大部分会发生左右偏移的情况。由于这种现象的出现,会间接的对白菜收获作业造成不小的影响。所以本课题采用了扶正夹持的装置,其不但可以把倾斜的白菜进行扶正,还可以根据白菜的外形大小自动调节夹持距离,从而实现高效率的夹持,且不会对白菜造成损伤,这会让切削刀在切割白菜根部时有一个良好的切割环境。2.2.2 提升运输机构白菜平均株重大约为2.5kg,利用传统的人工收获方式的话工作量较大,而且这样方式下的工作效率极低。收获时通常需要靠农户不断的弯腰切割白擦根部,这样很容易引起身体疾病。本课题主要采用提升运输机构来解决这个问题。工作时,带式提升运输机构将白菜提升运送到指定高度的输送带上。该机构主要是将白菜夹持固定在传送带,完成提升运送工作。3 设计计算说明书3.1 总体方案设计3.1.1 白菜收获机总体简介白菜收获机的收获工作过程:整个白菜收获机构侧挂在一台农用拖拉机上,扶正器将横向倾斜于两侧的白菜扶正,同时弧形切削刀会利用惯性把白菜的根部切断。之后通过带式提升机构将收获的白菜运送到指定的工作区,经人工分拣后,最后输送机构将白菜运送到装箱装置,完成收获。如图7所示。扶正器主要的工作是将白菜扶正并向一个方向收拢,其主要由许多导向杆组成。工作过程中提升运送机构和水平面成一个18的倾角,平行的两传送皮带将白菜夹紧并提升运送到一个输送带上,锁紧机构可以将提升机构的工作是所处的位置锁定。输送带采用水平式布置,这样方便白菜的装箱。图7 总体结构3.1.2 提升运输装置简介带式提升运输装置简图如图8所示。图8 提升运输装置简图原始数据:夹持输送带速:1.0m/s,带轮直径:250mm传动方案:外传动为V带传动,提升运送机构为平带传动3.1.3 输送机构简介本课题以农用机械较为常用的带式输送机为设计参考。该机构的基本工作原理为:在驱动滚筒和张紧滚筒上绕有一输送带,当工作时,安装的电机会带动驱动滚筒转动,驱动滚筒和输送带之间的产生的摩擦力会带动输送带进行工作,这样输送带就能把白菜输送到收集箱。为了在减轻输送带的磨损程度的同时提高工作效率,输送带采用水平式输送。输送机构简图如图9所示。图9 输送机构简图3.2 主要机构的设计3.2.1 切削机构的设计3.2.1.1 切削刀的工作情况在收获白菜的过程中,需要先将它的根部切断,然后经输送机构运送至收集装置。当然也有机械通过拔取将白菜拔出,但这种方式到所需的拔取力较大,通常会对白菜的一些脆弱部位造成一定程度的损伤,在拔出白菜后,其表面会附着大量泥土并带入机械中,影响寿命。所以本课题采用一边切断一边运送的收获方式。安装在机架底部的刀片与地面呈一定的倾角以0.8m/s的速度切割白菜,利用拖拉机的惯性将白菜割断。3.2.1.2 切削刀的选用切削刀大体上分为固定式切削刀和活动式切削刀。在白菜收获过程中活动式切削刀虽然收获白菜的效率较高,但由于它具有较复杂的结构且制造成本相对较高,导致在中小型收获机上通常不会运用该类刀具。所以本课题采用了固定式切削刀,该类刀具常见的结构有斜切刀和弧形切刀两种(如图10),A为斜切刀,B为弧形切刀;斜切刀虽然整体结构简单、加工方便,但其刚度较差,在作业过程中易产生翘曲。故选用弧形切刀。图10 斜切刀和弧形切刀3.2.1.3 刀片的设计刀片是固定在夹紧输送装置下方,工作时依靠拖拉机来提供一个均匀的切割速度,这样的话就要求刀片具备较高的强度。查阅相关资料知切断白菜所需切削力大约为200250N。由于切削时刀片不会产生较多的热量,所以不需要考虑切削热量对刀片的影响。为了满足刀片可以切到每个白菜这一要求,这里选取刀片直径为150mm,刀片的厚度为5mm。该刀片的结构如图11。3.2.1.4 刀片的选材在收获白菜的过程中,刀片通常不是连续的进行切割,所以刀片会受到白菜对其的一个作用力,同时考虑到刀片会与地面产生摩擦。故本机构选择综合机械性能比较优良的中碳钢40Gr,其表面经高频淬火使其硬度达到HRC5560。图11 刀片3.2.1.5 压刀板和刀杆的设计压刀板是用来实现刀片的固定和刀杆的连接,将压刀板和刀片之间的接触面积扩大,这样会让刀片更加牢固,从而保证机构的稳定性和刚度。刀杆用来固定刀片在该机构的安放位置和安装角度。为了延长切削机构的使用寿命,选用板状刀杆。选材均为30碳素结构钢。3.2.2 锁紧机构的设计3.2.2.1 锁紧机构工作原理分析白菜收获机在收获过程中提升运输装置需要处在位置1处,为了增强其工作的稳定性,需安装一锁紧机构,其工作位置如图12所示。位置1可满足白菜收获时的要求。图12 位置示意图结合上图可知:锁紧机构(图13)工作时需要把位置1进行固定,这就要求锁紧机构和提升机构之间贴合严密。机构中的斜楔块可以在导轨来回运动,工作时,将夹持输送机构固定在位置1处,除遇维修,否则该机构不会放下。把锁紧机构和提升机构的接触面做成倾斜表面,从而消除因装配、制造而导致的误差,增强了工作的稳定性。因为农用机械在进行收获作业时,常常会产生因振动而使锁紧机构松动的情况,所以采用防松装置,该装置是利用弹簧的推力将类似圆锥柱体的零件贴近斜体,以达到防松的目的,提高白菜收获机在作业时的安全性。图13 锁紧机构结构示意图3.2.2.2 斜楔的设计(1)自锁条件按照技术设计要求斜楔应满足特定的自锁条件:斜楔的升角应小于斜楔面与基面两处摩擦角之和,即。(2)斜楔升角的选取表2 斜楔锁紧机构计算数值变量斜楔升角 5 6 7 8行程比 0.087 0.105 0.123 0.140理想增力比 11.430 9.514 8.144 7.115采用手动斜楔锁紧机构,锁紧机构中的斜楔是主要的工作零件,其材料的性能将影响锁紧机构的工作性能。查阅相关资料知:钢材之间的摩擦系数=0.10.15,相对应的升角=1117。本机构采用手动加紧,根据经验:斜楔升角一般为68,这里取=7。(3)斜楔的选材因为斜楔在工作过程中会受到一定大小的冲击力,故选择综合机械性能较好的中碳钢45钢。3.2.2.3 滑动块的设计(1)滑动块的作用斜楔和导轨通过滑动块连在一起。因为该锁紧机构通过手动进行锁紧,所以就要求滑动块质量要轻一点,这样可减轻斜楔的重量,从而减小所需要施加的推力。滑动块可以使用标准化生产的零件。表3 热轧工字钢各项性能型号 20a 20b尺寸 mm h 200 200 b 100 102 d 7.0 9.0 t 11.4 11.4 r 9.0 9.0 R1 4.5 4.5横截面积 cm2 35.578 39.578理论重量 Kg/m 27.929 31.069(2)滑动块的选材查阅工字钢相关参数后,选取型号为20a的工字钢作为铸造滑动块的材料。为了使其滑动平滑,要将其圆角打磨成高精度的平面,这样会减少在滑动过程中受到的摩擦力;同时打磨平面可以增大滑动块与导轨之间的接触面,从而达到工作要求。其横截面如14所示。图14 滑动块横截面图3.2.2.4 导轨的设计(1)导轨的作用导轨用来限定滑动块的滑动方向,保证其只有一个运动方向。因为白菜收获机为属于农用机械,所以不需要精度较高的导轨。导轨要求结构简单且轻便:主要采用两块板固定形成导轨,使滑动块能在两板间运动。其截面如图15所示。图15 导轨截面图(2)导轨的选材在工作过程中,导轨通常会发生磨损,这就要求导轨的耐磨性要高。在机械制造生产中通常用铸铁来制造导轨,这里选用HT-350。3.2.3 防松装置的设计由于农业机械在作业过程中会产生机械振动,会引起锁紧机构的松动,影响白菜收获机的安全性。所以本课题采用以下的防松机构,如图16所示。图16 防松机构工作原理:施加一个力把1压下,1会沿着2的通槽移动到2的底部,这时候将1旋转90松开,1会卡死在2底部的槽中,弹簧将1所受的力转移到4上面,然后4会向下运动挡住斜楔机构,使其不会运动。当完成工作后,把1向下压一定距离,然后再旋转90后松手。1会在弹簧的作用下上升,再将1向上拉,通过5将4从斜楔机构中拔出,完成工作。3.2.3.1 压块的设计(1)压块的作用主要作用是向弹簧施压带动弹簧运动,同时在一定的位置固定弹簧,需要具有一定的强度。(2)压块的选材在开槽体上制有螺纹,要用焊接的方式来减轻由压杆的转动引起的螺纹松动的现象。压块上有两个用于定位的键,其要求有一定的强度。所以选择强度较高的Q-255,其常用来承受中等载荷,符合压块设计要求。3.2.3.2 开槽体和支架的设计(1)开槽体和支架的作用两者主要是用来限制压块的滑动距离,让压块满足位置要求。(2)开槽体和支架的选材开槽体和支架都没有较高的设计要求,所以选材用铸铁。经查资料后,选定HT-150,符合设计要求。3.2.3.3 防松柱销的设计(1)柱销的作用在柱销下压时,柱销与斜楔体的斜面接触,以此来推动柱销运动。(2)柱销的选材柱销和斜楔体之间是点接触,这就需要柱销有较高的强度和硬度。故选择40Gr,其表面还需要经淬火处理,以增强其硬度。3.2.3.4 螺纹空管的设计(1)螺纹空管的作用主要用来连接压块和手柄,将施加给手柄的力传递给弹簧。(2)螺纹空管的选材螺纹空管表面要切制内螺纹,所以壁厚要大。故选取冷拔无缝钢(YB231-64),参数为:外径为38mm、壁厚为8mm、理论重量为5.92Kg/m,其满足设计要求。3.2.3.5 手柄的设计(1)手柄的作用将操作者所施加的力传递到整个机构。(2)手柄的选材手柄不是重要零件,选用HT-150。3.2.3.6 弹簧固定杆的设计(1)弹簧固定杆的作用主要用来固定弹簧的位置以及将柱销拔取的功能。(2)弹簧固定杆的选材弹簧固定杆一端有螺纹,另一端焊接,最好选用低碳钢。这里选取焊接性能好的20钢。3.2.3.7 弹簧的选材弹簧钢通常有碳素弹簧钢丝、65Mn、60Si2Mn、50GrVA等。65Mn虽然有过热敏感性和回火脆性,容易产生淬火裂纹,但其淬透性强,脱碳倾向小,故选取65Mn弹簧钢。3.2.4 提升运输装置主要零部件的设计3.2.4.1 机架的设计白菜收获机作业时,提升运输机构和地面之间的夹角成18。所要提升的高度约为0.5m,对应提升运输机构长约为1.6m,机架也是需要1.6m左右。因为传递距离较长,如果单纯采用平带传递的话,白菜会在向上输送过程中由于带的向内凹陷而掉落。故在中间部分等距布置三个张紧轮,确保将白菜提起。结构如图17所示。图17 提升运输机构简图初定机架长约为1.6m,所以单根平带长约为3.2m,查阅机械设计手册知平带带长有3150mm、3550mm、4000mm。选定长为3550mm的平带。根据设计要求,查阅机械设计手册确定带轮直径D1=D2=250mm。故:2R+2L=3550 L(机架长度)=1383mm见图18:图18机架结构示意图机架采用矩形横截面的结构钢焊接而成,顶部敞开,竖直安装的平带夹紧白菜将其运送到指定的高度,具体结构见装配图。3.2.4.2 夹持输送装置设计计算夹持输送装置主要是由两平带传动装置构成,其可以将大白菜夹紧并运送到输送机构,也可以根据白菜的尺寸大小调整皮带的夹持距离。(1)输送带带速计算皮带的带速大小和牵引车运动的速度有关,拟定牵引车速度v机=0.8m/s。查阅连续输送机械手册知带式输送机构与地面最大倾角不能超过18,本设计取倾角=18,所以,夹持输送带的速度为:v=v机/cos=0.8/cos180.84m/s(2)夹持输送带张力计算夹持输送装置结构轮廓如图19所示,输送机与水平面的夹角=18,线载荷q0=q带,q1=q带+q物,上面的轮为驱动轮。图19 夹持装置轮廓图其中,q物=GaN/m,G为每个白菜的质量,取G=25N,a为两白菜之间的距离,取a=430mm。所以,q物=58.14N/m;其中,q带=11B(1.25i+1+2)其中,B输送带宽度,取B=100mm; i输送带的衬层数,取i=3; 1输送带上橡胶层厚度,取1=3mm; 2输送带下橡胶层厚度,取2=2mm;所以,q带=9.63N/m;由上图可得:驱动轮绕出端的张力S1等于绕出张力S出S1=S出(31)S2=S1+W0(32)其中, W0=q0(0L-H)=1.69N(33) S3=cS2=1.04(S1+1.35)(34) S入=S4=S3+W1=1.04S2+W1(35) W1 =L1q1(0cos+sin)=25.74N(36)又由欧拉公式得:S入S出e2.6(37)其中,=0.3,=180;联立式(35)和式(37)解得:S入=S1=50.83N, S出=S4=17.63N所以,得牵引力F牵=S出-S入=33.2N(38)其中,S1驱动轮绕出端的张力,N; S2从动轮绕入端的张力,N; S3从动轮绕出端的张力,N; S4驱动轮绕入端的张力,N; W0直线12段的阻力,N; W1直线34段的阻力,N; L输送机的水平投影长度,取L=0.77m; L1输送机的中心距,取L1=0.8m; H输送机的垂直投影高度,取H=0.5m; 输送机与水平线的夹角,=18; c张力增大系数,取c=1.04(滚动轴承); 0阻力系数,取0=0.5;(3)夹持输送带驱动功率计算查阅机械设计手册得:传动效率=0.92,功率备用系数k=1.2,所以得驱动功率P为:P=k(S出-S入)v1000=0.0364kw(39)(4)夹持输送带的参数设计 1.带轮直径根据设计的需要,选取两直径相同的带轮,查阅机械设计手册选取标准值D1=D2=250mm。2.输送带的选取查阅机械设计手册,结合具体的设计,选取:3层,宽度为140mm的软橡胶带。3.中心距aa=(1.52)(D1+D2)且1.5(D1+D2)a5(D1+D2)(310)参考现有的白菜收获机的机型,取中心距a=1380mm。4.所需要的带长L开口传动的带长L=2a+2(D1+D2)+(D2-D1)24a3545.4mm(311)结合具体设计,取L=3550mm。5.包角11=180-D2-D1a57.3=180150(312)6.挠曲次数uu=1000mvLumax=(610)次/s(313)其中,m带轮数,取m=2;代入数据得:u=0.473次/sumax7.带厚=1.2n(314)其中,n带的层数;代入数据得:=3.6mm8.带的截面积AA=100KAPP0KK=492mm2(315)其中,KA工况系数,查表得:KA=1.0; P0胶带单位截面所能传递的基本额定功率,查表知P0=0.04kw/cm2; K包角修正系数,查表知K=1.0; K传动不知系数,查表知K=0.8;9.带宽bb=A=4923.6=137mm(316)结合具体设计,并查机械设计手册取带宽b=140mm。10.作用在轴上的力FrFr=20Asin12=1771.2N(317)其中,0带的预紧应力,取0=1.8MPa(5)带轮结构设计根据带轮的直径大小,查阅机械设计手册:为了防止带滑落,将轮缘表面制有中凸度,取中凸度为0.8mm;带轮选用四孔板轮,四个孔的直径取40mm,轮毂长为115mm,轮毂孔的直径取32mm,轮毂内、外圈之间的壁厚取16mm,轮缘厚度为12mm,轮缘与轮辐、轮缘与轮辐均由1:25的锥度过渡连接,轮缘边上留有4mm的凸缘,防止输送带滑落。3.2.4.3 夹持张紧机构的设计(1)弹簧的设计计算1.弹簧的作用在该机构中,一边用3个等距排列的弹簧,这些弹簧用来调节皮带对大白菜的夹紧力。在输送过程中,弹簧根据大白菜不同的尺寸进行伸缩,确保大白菜稳定的向上输送,并且可以配合切削刀,切割大白菜根部,完成收获的前期作业。2.弹簧的设计计算根据工作需要,该弹簧设计成圆柱螺旋压缩式弹簧。工作时,弹簧的最小载荷为白菜未进入皮带时其所受的力,由于张紧力的作用,皮带施加在弹簧上的力为268N;最大载荷是皮带张紧力和白菜对弹簧施加的压力之和,为473N;工作行程为5mm,两端采用固定支承。弹簧的极限载荷查阅机械设计手册得:弹簧的最大载荷Fmax0.8F3(318)其中,F3极限载荷,N所以,F3Fmax0.8=591N弹簧的选材及许用应力该弹簧受力循环次数N=103105,所以选用II类弹簧,选材为C级碳素弹簧钢丝,初定弹簧丝的直径d=3.5mm。查阅机械设计手册知:=0.45B, B=1650MPa所以,=0.45B=742.5Mpa弹簧丝直径d根据设计要求,初定弹簧丝的直径d=3.5mm。设弹簧的平均直径D2=16mm,旋绕比C=D2d=4.6,查表得:曲度系数K1=1.33,所以弹簧得直径为:d=1.6F3K1C=1.65911.334.6742.5=3.53mm(319)故取标准值d=3.5mm;弹簧外径D=D2+d=19.5mm(320)弹簧得有效工作圈数n查阅机械设计手册得:切变模量G=8104MPa,弹簧的工作圈数:n=Gmaxd48F3D23=80000103.5485911637(圈)(321)因弹簧工作频繁,每端有一圈死圈,所以,弹簧的总圈数为:n总=n+2=9(圈)载荷与变形的验算分别计算在最大载荷Fmax和最小载荷Fmin作用下弹簧的变形量max和minmax=8FmaxD23nGd4=84731637800003.54=9.03mm(322)min=8FminD23nGd4=82681637800003.54=5.12mm(323)弹簧的实际工作行程0为:0=max-min=9.03-5.12=3.91mm(324)查阅机械设计手册得:弹簧的极限工作应力lim为:lim=1.25=1.25742.5=928.13MPa(325)极限载荷Flim为:Flim=d2lim8K1C=3.143.52928.1381.334.6=729.4N(326)其对应得变形量lim为:lim=8FlimD23nGd4=8729.41637800003.54=13.94mm(327)弹簧其余的几何尺寸弹簧的最小节距Pmin=d+maxn+min=3.5+107+0.13.5=5.28mm(328)min=0.1d(329)弹簧的螺旋升角为:=arctantD2=arctan5.283.1416=6(330)弹簧的钢丝间距为:=t-d=5.28-3.5=1.78mm(331)弹簧的自由长度H0,要求弹簧的两端磨平、并紧H0=np+(n总-n-0.5)d=75.28+(9-7-0.5)3.5=42.21mm(332)弹簧的长度L为:L=D2n总cos=3.14169cos6=454.9mm(333)弹簧的稳定性bb=H0D2=42.2116=2.645.3(334)所以,满足稳定性的要求弹簧如图20所示图20 弹簧(2)张紧轮的设计根据设计的需要,张紧轮(图21)的外径D=30mm,内径d=10mm,宽h=80mm。选材为塑料。图21 张紧轮3.2.4.4 夹持装置传动系统的设计(1)V带传动的设计该装置外传动采用V带传动,两皮带的旋转方向相反,为了让两个轴的旋转方向相反,需将皮带扭成8字形,如图22所示:图22 V带传动图1.功率PdPd=KAP=1.20.0364=0.04368kw(335)P传递的功率,kw;KA工况系数,查表取KA=1.2;2.传送带的带型选用普通V带,带型为A,节宽bp=11mm,顶宽b=13mm,高度h=8mm,楔角=40。选用单根带。3.传动比ii=n1n2=dp1dp2=24.7224.72=1(两轴的转速相同,目的是传递运动)(336)n1,n2带轮的转速,r/min;dp1小带轮的节圆直径,mm;dp2大带轮的节圆直径,mm;4.带轮的选材选用灰铸铁HT200,查阅机械设计手册知两带轮的结构为实心轮。5.小带轮的基准直径d1查阅机械设计手册,取标准直径d1=75mm6.大带轮的基准直径d2d2=d1i=75mm(337)7.带速vv=d1n1601000=3.147524.72601000=0.097m/s(338)8.轴间距a0查阅机械设计手册知:a0=400mm9.皮带的基准长度L初步计算皮带的基准长度为:Ld0=2a0+2(d1+d2)+(d1+d2)24a0=1049.7mm(339)查阅机械设计手册选取基准长度L=1000mm10.实际的轴间距aaa0+L-Ld02=400+1000-1049.72=375.15mm(340)安装时最小的轴间距amin=a-0.015L=360.15mm(341)张紧或补偿伸长所需要的最大轴间距amax=a+0.03L=405.15mm(342)11.小带轮的包角11=180-d1-d2a57.3=180(343)12.单根V带的预紧力F0F0=5002.5Ka-1Pdzv+mv2=5002.51-10.0436810.097+0.10.0972=337.73N(344)其中,mV带每米的质量,查阅机械设计手册知m=0.1kg/m; Ka小带轮的包角修正系数,查阅机械设计手册取Ka=1;13.作用在轴上的力FrFr=2F0zsin12=675.47N(345)(2)带轮的参数两个带轮的尺寸相同,如表4所示:表4 带轮尺寸名称及代号 标准值 顶宽b 13mm 节宽bp 11mm 基准线上的槽深ha 2.75mm 基准线至槽底面的距离hf 8.7mm 第一槽对称面至端面的最小距离f 10mm 第一槽对称面至第二槽对称面距离e 15mm 轴径至槽底面的距离 6mm 带轮宽B 20mm 外径D0 80.5mm 轮槽角 343.2.4.5 夹持皮带轴的设计计算(1)轴的计算1.主动轴功率P、转速n、转矩T由前面的计算得:P=0.0364kw、n=24.72r/min、所以,转矩T=9550000Pn146062.3Nmm(346)2.皮带作用在轴上的力Fr Fr=1000pv=10000.03640.84=433.33N(347)3.轴的最小直径dmin在设计轴时,通常根据轴所受的扭矩来计算轴的强度。则轴的扭转强度条件为:T=TWT9550000Pn0.2d3T(348)其中:T扭转切应力,MPa; T轴所受的扭矩,Nmm; WT轴的抗扭截面系数,mm3; n轴的转速,r/min; P轴传递的功率,kw; d计算截面处轴的直径,mm; T许用扭转切应力,MPa;由上式得轴的直径d39550000P0.2Tn=395500000.2T3Pn=A03Pn(349)其中A0=395500000.2T查阅机械设计手册知:对于轴截面上开有键槽的情况,应以增大轴径的方式来减小键槽对轴强度的削弱。当轴的直径d100mm时,有一个键槽,轴径应增大5%7%;有两个键槽,轴径应增大10%15%。然后将轴径圆整成标准直径,这样便可作为承受扭矩作用的轴的最小直径dmin。该轴的选材为45钢,进行调质处理。查表,取A0=112,故:dmin=A03Pn=11230.036424.72=12.74mm(350)轴的最小直径处安装V带轮,取该处的直径为28mm。4.轴径的确定初算出轴的最小直径,然后依据各段所装零件的参数,依次确定各段的轴径。从安装V带轮处依次到轴的另一端的轴径分别为:轴段1安装V带轮,轴径为28mm,轴段2装有6007型深沟球轴承,轴径为35mm,轴段3安装平带轮,轴径为39mm,轴段4的轴径为43mm,轴段5的轴径为39mm,轴段6装有6007型深沟球轴承,轴径为35mm。5.各轴段的长度轴段1安装V带轮,取40mm,轴段2的长度大致为6007型深沟球轴承的宽度,取18mm,轴段3安装平带轮,取158mm,轴段4取15mm,轴段5取12m,轴段6取20mm。6.轴上零件的定位为了方便拆装,平带轮与轴之间采用间隙配合H6/g5,与之配合的轴承内圈的轴径取r4。平带轮和轴之间的定位采用A型平键链接,尺寸为128140,并在轮毂的两端各装一个挡圈,以防带轮左右窜动。V带轮和轴之间采用A型平带联接,尺寸为8736。7.皮带轴的工作图,如图23所示。图23 皮带轴工作图3.2.4.6 皮带轴强度校核(1)轴的受力简图,如图24所
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