迷你种植机设计【7张CAD图纸及说明书全套】【YC系列】
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闽南理工学院MINNAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY毕 业 设 计迷你种植机的设计系 别: 专 业: 班 级: 学 号: 学生姓名: 指导教师: 职称: 20154年 6月 10日教务处制MINNAN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGYGraduation Thesis(Project) of the College UndergraduateMini Planter DesignDepartment:Major:Grade:Students Name:Student No.:Tutor:June, 10毕业设计原创性声明本人郑重声明:所呈交的毕业设计是我在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以注明引用的内容外,本设计不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果,对本设计的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中作了明确说明,并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 日期: 年 月 日毕业设计版权使用授权书本设计作者完全了解学院有关保留、使用毕业设计的规定,同意学院保留并向国家有关部门或资料库送交毕业设计的纸质版和电子版,允许毕业设计进入学院图书馆被查阅和借阅,本人授权闽南理工学院可以将我的毕业设计的全部或者部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或者扫描等复制手段保存和汇编本毕业设计。 保密 在 年解密后适用本授权书;本设计属于: 不保密。(请在以上相应的方框内打“”)作者签名: 日期: 年 月 日指导教师签名: 日期: 年 月 日迷你种植机的设计摘 要种植机主要用于树木等大型植被的种植种植,本文通过设计出迷你种植机解决农民在种植过程中的劳力问题,方便人们的生活。本次设计的种植机采用液压传动,其主要机身、底盘、提升机构、螺旋种植器、液压系统等构成。本次设计首先,通过对国内外种植机现况、结构及原理进行分析,在此分析基础上提出了种植机的总体结构方案;接着,对各主要组成零部件进行了详细设计校核并验证了整机稳定性;然后,对其液压系统进行了设计,包括液压原理图拟定及元件的选择等;最后,通过AutoCAD制图软件绘制了种植机装配图及主要零部件图。通过本次设计,巩固了大学所学专业知识,如:机械原理、机械设计、材料力学、液压传动、公差与互换性理论、机械制图等;掌握了普通机械产品的设计方法并能够熟练使用AutoCAD制图软件,对今后的工作于生活具有极大意义。关键词:种植机,提升机构,螺旋轴,液压系统Mini Planter DesignABSTRACTPlanting machine is mainly used for large-scale planting planting trees and other vegetation, the paper design a mini-planting machine to solve the labor problems of farmers in the planting process, to facilitate peoples lives. The design of the planting machine with hydraulic drive, its main body, chassis, lifting mechanism, spiral planting, hydraulic systems and other accessories.The design is first, by carrying out of the current situation at home and abroad planting machine, structure and principles of analysis presented in this analysis of the overall structure of the program on the basis of planting machine; then, the major constituent parts of a detailed design verification and validation stability of the machine; then its hydraulic system has been designed, including hydraulic schematics and other components of the preparation and selection; and finally, through AutoCAD drawing software to draw a planter assembly drawing and major components Fig.Through this design, the consolidation of the university is the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, material mechanics, hydraulic transmission, tolerance and interchangeability theory, mechanical drawing and the like; mastered the design of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD mapping software, the future work of great significance in life.Keywords: Planting machine, Lifting mechanism, The screw shaft, Hydraulic system目 录摘 要IABSTRACTII第1章 绪论11.1引言11.2国内外研究现状11.2.1国内研究现状11.2.2国外研究现状2第2章 总体方案设计42.1设计要求42.2 种植机的类型42.3方案选择42.3.1根据用途和作业条件选择42.3.2根据土质和所需洞穴大小选择52.3.3方案确定5第3章 各主要零部件的设计与选择63.1车体部分设计63.2底盘部分设计63.3提升装置设计73.3.1动臂设计73.3.2斗杆设计113.3.3连杆、摇臂参数的选择123.4螺旋种植装置的设计133.4.1螺旋直径133.4.2功率计算143.4.3 螺旋及螺旋方向的确定143.4.4 螺旋叶片类型及尺寸的确定153.4.5螺旋轴的设计163.4.6挖头设计193.5整机稳定性分析20第4章 液压系统设计224.1液压系统回路设计224.1.1液压系统基本回路选择224.1.2液压系统原理图244.2执行元件的选择254.2.1液压缸的选择254.2.2马达的选择254.3动力元件的选择284.3.1液压泵的选择284.3.2柴油发动机的选择294.4液压阀的选择304.5其他辅助元件的设计与选择314.5.1油箱设计324.5.2油管设计324.5.3蓄能器的选择33总 结34参考文献35致 谢3637闽南理工学院毕业设计第1章 绪论1.1引言从国家林业局公布的第六次全国森林资源调查结果来看,目前我国森林资源现状是:林业用地面活立木总蓄积量为124.9亿m3;森林蓄积量为112.7亿m3;除台湾省外,全国人工林面积为46666.7万m3;人工林蓄积为10.1 亿m3。从以上调查数字可以看出,全国森林覆盖率为16.55%,仅相当于世界森林覆盖率(27%)的61.3%;我国人均森林面积和人均森林蓄积分别相当于世界人均水平的1/5 和1/8,远远低于世界平均水平。我国在“十二五”规划中,把生态环境建设摆到了突出的战略位置。我国三北及长江流域防护林体系建设工程、退耕还林工程、积为26329.5万hm2;森林面积为15894.1万hm2;速生丰产用材林基地建设工程等六大林业重点工程的制定和实施,体现了党中央、国务院对我国生态环境建设的高度重视,受到社会各界广泛关注,农民群众普遍欢迎。近年来,人们越来越重视身边的生态环境,“植树造林,保护环境”已成为全民参与的一项大型义务活动。然而,人工造林效率低、速度慢且劳动强度大,而机械化造林则是大势所趋,不仅可以提高劳动效率、减轻劳动强度,还能保证造林质量、降低生产成本、提高经济效益1。1.2国内外研究现状1.2.1国内研究现状在国内,悬挂式种植机的生产和应用较为广泛,内蒙古赤峰田丰农林机械厂、山东大丰机械有限公司、哈尔滨林业福马机电设备公司及宁夏自治区农业机械研究所等10余家单位进行了研究、制造和销售。该类种植机通常具有较大的功率,机动性较强,能挖较大和较深的坑,大多应用于大面积植树造林,应用范围也比较广2。1) 内蒙赤峰田丰农林机械厂生产的3WH-60 型悬挂式种植机(如图1 所示),结构合理,使用方便灵活,易于操作,每小时可挖80-150 个坑。其可与多种型号36.8kW 以上拖拉机配合使用,用于大面积植树造林及工业种植。种植直径250600mm,深度0-1200mm,适用于平原、丘陵及沙地作业。2) 山东大丰机械厂生产的“大丰王”系列种植机WKJ-60/70(如图2 所示)可与18.4k-36.8kW 的多种拖拉机配合使用,种植直径400-800mm(可根据用户要求特别制作),深度650-800mm,转速248r/min,每小时可挖60 个坑。图2 WKJ-60/70 种植机3) 哈尔滨林业福马机电设备公司生产的悬挂式种植机(如图3 所示)可与铁牛40.4kW 或18.4kW以上的具有动力输出和悬挂装置的拖拉机配套,种植直径为250-600mm,种植深度为0-800mm,种植效率为120 坑/h。4) 手提式种植机在我国刚刚崭露头角,适用于家庭或地形复杂地区的小面积植树造林,也可用于打桩和树木追肥种植。如哈尔滨林业福马机电设备公司生产的3WS-2.8 型手提式种植机(如图4 所示),采用051A-1型发动机,最大功率为2.8kW,转速为280-320r/min,种植尺寸(坑径深度)为320mm500mm,质量为17.6kg。该机主要应用于地形复杂的山地、丘陵区和沟壑区,在坡度35以下的荒山荒地、次生林地以及黄土高原的沟坡进行种植或整地。图4 3WS-2.8 型手提式种植机1.2.2国外研究现状相比之下,国外的研究状况要好一些。由日本生产的自走式高性能种植整地机采用柴油机作动力,行走脚与轮胎组合行走装置为全液压式,平时用轮胎行驶,坡地靠行走脚行走,适用于坡度高达56的陡坡林地作业。作业时,4 只脚可上下、左右移动,并能保证包括驾驶室在内的机器上半部始终呈水平状态。该机的液压臂端部可安装液压式割灌机或种植机,每天可挖植树坑300-400个,实现了一机多用。图5 日本生产的种植机英国生产的05H8300 型悬挂式种植机(如图6所示)和美国生产的悬挂式三钻头种植机(如图7所示)钻头之间的距离是可调节的(既行距可调),适用于平原地区的大面积植树造林,工作效率很高2。 图6 英国产05H8300 式种植机 图7 美国产悬挂式钻头种植机美国和加拿大生产的手提式种植机,发动机与钻头采用分离式,通过液压传动驱动钻头工作。美国生产的HYD-TB11H 型液压种植机(如图9 所示)质量为170kg,最大流量为22.7L/min,最大转速为141r/min,钻头最大扭矩349Nm。图9 美国产HYD-TB11H 型液压种植机第2章 总体方案设计2.1设计要求(1)目的要求设计可以更加方便种植(2)技术要求液压系统的设计要合理,动臂与支撑杆操作方便安全,螺旋轴的设计要合理。(3)工作要求每小时种植达到80-150个,便于移动。2.2 种植机的类型种植机的种类很多。如果按与配套动力的挂接方式对其进行分类,可分为悬挂式种植机;手提式种植机、牵引式种植机和自走式种植机3。按种植机上配置的钻头数量可分为单钻头、双钻头和多钻头掘坑机。种植机的钻头根据形状可分为螺旋式钻头螺旋带型钻头、叶片型钻头和螺旋齿式钻头等。对于悬挂式种植机,机器悬挂在拖拉机上主要用于地形平缓或拖拉机可以通行的地方,钻头的升降由拖拉机手通过拖拉机液压系统操纵,种植直径和深度都比较大,也可以多钻头同时作业。对于手提式种植机,机器与汽油发动机装配成整体,由单人或双人手提操作,质量较轻,适用于拖拉机不能通过的地形复杂的山地、丘陵和沟壑地区,种植直径和深度都比较小,也可用于果树的追肥及埋设桩柱。牵引式种植机的机器装在小车上,由拖拉机牵引,挂接方便,不受拖拉机结构限制,但结构复杂,机动性差。自走式种植机设计成整体自走式,种植机本身自带动力,通过性较好,技术含量和自动化程度较高,价格昂贵。后两种种植机由于局限性较大,在我国应用较少。单钻头种植机在我国应用比较普遍,多钻头种植机则比较少见。种植机的钻头形状多为螺旋式或螺旋带型。2.3方案选择2.3.1根据用途和作业条件选择如果用于山上、坡地种植小树苗,可以选用小型挖穴机,它的配套动力在4千瓦以下,开挖直径约30厘米,深度30-40厘米。目前国产小型种植机有以下机型可供选择3:中国农机研究院耕作所研制的与2.2-3.7千瓦手扶拖拉机配套的种植机,种植直径20-30厘米,深度20-40厘米,生产效率100-150个/小时。中国第一拖拉机股份公司生产的东方红-IW20/30挖穴机,汽油发动机功率3.7千瓦,机重23.5千克,使用时由2个人握住挖穴机的手柄即可操作。山东招远市日强农机有限公司生产的DT-ZB4型植树种植机,它采用二冲程3.7千瓦汽油机作动力,种植直径36厘米,种植深度60-120厘米,机重23千克,每1.2分钟可种植1个。如果用于小块地或城乡结合部植树,可以选用与小四轮拖拉机配套的中型种植机,其开挖直径约30-50厘米,坑深40-50厘米,例如南昌旋耕机厂生产的IW-60型种植机如果用于工程施工,则应选用大型种植机,它与40.4千瓦(55马力)以上轮式或履带式拖拉机配套,种植直径5060厘米,坑深70-100厘米,例如,云南省热带作物机械厂生产的种植机,它由东方红75型履带式拖拉机驱动,可以开挖底径60-80厘米、深70厘米的穴坑,生产率为90个/小时, 机重485千克。2.3.2根据土质和所需洞穴大小选择如果所需洞穴直径在30厘米、深度在40厘米以下,又是沙壤土,功率消耗较少,可以选用小型种植机;如果所需洞穴直径为40一60厘米、深60一70厘米,宜选用中型种植机;如果所需洞穴直径在70厘米、深在80厘米以上,又是粘重土壤或者有岩石,则应选用大型种植机。2.3.3方案确定综上述本次选用小型液压式种植机,结构形式如下图示:该种植机主要包含:车体、提升机构、油缸、马达、螺旋轴、液压系统等。第3章 各主要零部件的设计与选择3.1车体部分设计种植机车体部分与同级别种植机类似,由发动机、液压泵、回转马达、控制阀、控制室、刚性平台等组成,车体部分与底盘部分通过回转支承连接,因此车体部分可以相对底盘部分360回转。车体部分的主要构成见均为液压及动力系统,该部分的设计在后面的液压系统设计中将详细进行说明,本节不再说明。3.2底盘部分设计考虑到移动的方便性,本次采用轮式底盘,采用整体式驱动桥,驱动轮用液压马达直接驱动。桥壳的静弯曲应力计算:桥壳犹如一空心横梁,两端经轮毂轴承支承于车轮上,在平板座处桥壳承受种植机的簧上质量,而沿左右轮胎中心线,地面给轮胎以反力/2(双胎时则沿双胎之中心),桥壳则承受此力与车轮重力之差值,即,计算简图如图3-1所示。图3-1桥壳静弯曲应力计算简图桥壳按静载荷计算时,在其两座之间的弯矩M为 式中:种植机满载静止与水平路面时驱动桥给地面的载荷,N; 车轮(包括轮毂、制动器等)的重力,N; 驱动车轮轮距,m; 驱动桥壳上两座中心距离,m.由弯矩图可见,桥壳的危险断面通常在座附近。通常由于远小于/2,且设计时不易准确预计,当无数据时可以忽略不计。而静弯曲应力则为式中:见弯矩公式; 危险断面处桥壳的垂向弯曲截面系数。见表31。表3-1 截面系数断面形状垂向及水平弯曲截面系数 扭转截面系数圆3.3提升装置设计3.3.1动臂设计由于铲斗容量0.11m3,根据国内外液压种植机有关设计标准,通过类比法,选出参数机重5吨。又根据经验公式计算法,参考表1-3机体尺寸和工作尺寸经验系数表,线尺寸参数:=m得出:最大种植半径=3.35=5.728m; 最大种植深度=2.05=3.505m; 最大卸载高度1.55=2.65m;据统计,最大种植半径值一般与+ + 的和值很接近。因此由要求,已定的和可按下列经验公式初选、: =K其中:=5.728m;1.8;经计算得出:=1.759m;= =1.81.759=3.166m在三角形CZF中,、和都可以根据经验初选出:其中:动臂的弯角,采用弯角能增加种植深度,但降低了卸载高度,但太小对结构的强度不利,一般取120140,取140;前面已算出为3.166m;动臂转折处的长度比,一般根据结构和液压缸铰点B的位置来考虑,初步设计取1.11.3,取1.2;因此根据公式:可以算出、图2-5 动臂实际尺寸llK l=ZCFarccos()经计算得出:ZC= =1.529m; ZF= =1.834m; =17.9如图25所示。动臂液压缸全伸与全缩时的力臂比K4按不同情况选取,专用反铲可取0.8;以反铲为主的通用机,0.81.1;斗容量1m3左右的通用机,则可取1。本设计中取1。的取值对特性参数、最大种植深度和最大挖高有影响。加大会使减小或使增大,这下符合反铲作业要求,因此基本用作反铲的小型机取60。本设计中取70。斗杆液压缸全缩时=最大(图26),常选()=160180. 本设计中取()170。取决于液压缸布置形式,动臂液压缸结构中这一夹角较图2-6 最大卸载高度时动臂机构计算简图小,可能为零。动臂单液压缸在动臂上的铰点一般置于动臂下翼加耳座上,B在Z的下面。初定BCZ=5,根据已知CZF=22.1 ,解得BCF=17.1。由图2-6得最大卸载高度的表达式为式(3-4)由图2-7得最大种植深度绝对值的表达式为将这两式相加,消去,并令,+-,得到:- -A)+-1=0又特性参数:图2-7 最大种植深度时动臂机构计算简图因此=)将上式代入式(3-6)则得到一元函数f()=0。式中和已根据经验公式计算法求出,经计算得出:=29.6;=73.5最后由式(3-5)求为:=0.638m(其中:=3.166m;=1.759m;=97.1;由于履带总高0.32=0.547,近似取=0.65m)然后,解下面的联立方程,可求和:=arcos()=arc() =arcos()=arc() 式(3-10)于是:= =x=经计算得出:1.63;0.67;=0.952m;1.52m;=1.61m得到的结果符合下列几何条件:+=2.36;|- =0.9613.3.2斗杆设计第一步计算斗杆种植阻力:斗杆种植过程中,切削行程较长,切土厚度在种植过程中视为常数,一般取斗杆在种植过程中总转角=5080,取65,在这转角过程中,铲斗被装满,这时半齿的实际行程为:其中:斗杆种植时的切削半径,;取1.7590.8032.562m斗杆种植时的切土厚度可按下式计算:斗杆种植阻力为:式中种植比阻力,由表010查得,20(III级土壤以下)土壤松散系数近似值取1.25。斗杆与铲斗和之间,为了满足开挖和最后卸载及运输状态的要求,铲斗的总转角往往要达到150180,0.866计算得:1.137m把、代入式3-12得2.48KN第二步确定斗杆液压缸的最大作用力臂。m其中:根据经验公式计算法得出13.96KN斗杆液压缸初始力臂与最大力臂之比是斗杆摆角的余弦函数。设,则由图27,取,求得:1.203m(其中斗杆摆角范围大致在105125,取105) =1.588m3.3.3连杆、摇臂参数的选择从几何可容性与结构布置的角度对铲斗机构的要求考虑,必须保证铲斗六连杆机构在全行程中任一瞬间时都不会被破坏,即保证、及四边形在任何瞬间皆成立。根据铲斗六连杆机构的要求,借助电子计算机选出可行的方案:0.27m;0.156m;0.195m;0.312m;0.3m3.4螺旋种植装置的设计已知数据1)输送高度H=0.8m;2)土壤松散密度r=2t/m3(所查土壤的实体密度实=2.62.8t/m3)3)转速n0=300r/m(此是所要求的钻头转速)4)物料填充系数=0.6(经验数据垂直螺旋种植机的填充系数0.5,由2中知港口使用的垂直螺旋卸船机=0.70.8,故估算=0.6)3.4.1螺旋直径根据1螺旋能力公式Q=vs*r (1)-填充系数v-物料的平均提升速度,m/ss-螺旋螺旋断面积,m2 r-物料的松散密度当物料在垂直螺旋部分每转上升距离为1/2螺距,则输送能力的计算公式为所需螺旋种植机的螺旋直径D,取决于其所挖土壤的粘性。对没有强烈粘性的物料,可按下面公式11计算:DK式中: - 种植量542.6(t/h);- 螺旋直径(m);-物料的堆积密度2(t/m);- 螺旋输送机倾角系数1.0; - 物料在输送槽体中的填充系数为0.6 - 物料的综合特性系数;根据连续种植机械设计手册查表,=40, K=0.0537将K值代入(3)式得D K=619.6mm。要求取值一定大于上式所求之值,圆整的D=620。同时螺距s=D=620mm如果种植的粘性较大,则应该用料块的许用粒度来校验所求得的螺旋叶片直径。对于未分选物料 D(8-10)d (mm) (4)对于分选物料 D(4-6)dk (mm) (5)两式中: d - 物料的平均块度 dk- 物料的最大块度从以上三个公式(3)(4)(5)求得的两个螺旋叶片直径中选取较大者,并将其圆整为与其相近规格的标准螺旋直径作为该输送机的螺旋叶片直径。3.4.2功率计算 垂直螺旋种植铲的轴功率计算公式 其中:Q螺旋能力 Q=542.6t/h螺旋种植效率绝对速度与水平线间夹角螺旋叶片螺旋角,推荐土壤与螺旋表面之间的摩擦角()则可相应地土壤与外壳间摩擦系数,由3中,知摩擦角,由此查中表15-24。可得, 由3式,3.4.3 螺旋及螺旋方向的确定螺旋可以是右旋或左旋的,单线、双线或三线的,一般情况下是单线的,在本次设计采用单线。螺旋种植铲中土壤的方向决定于螺旋叶片的左右旋向与其转动方向。确定物料输送方向方法较多,这里主要有两种:一种是左,右手辨别法:首先判定螺旋叶片盘旋方向是左旋还是右旋,右旋用左手,四指所握方向是轴旋转方向,则大拇指所指方向为土壤输送方向:若是左手使用右手,四指所握方向是轴旋方向,则大拇指所指方向为土壤输送方向。另以方法是认定轴的一头对着自己,若轴旋方向同于叶片在轴上盘绕的方向,则土壤朝着自己方向运动;若轴转动方向异于叶片子轴上盘旋方向,则土壤朝着自己反方向运动。3.4.4 螺旋叶片类型及尺寸的确定螺旋种植铲的叶片有实体型、带式、叶片型及齿形四种。据实际情况宜采用带氏螺旋,这也是常用的形式。按设计的直径、螺旋和厚度通过带钢材连续冷轧而制成整体螺旋叶片,安装在给定尺寸管轴上组成螺旋体;(2)分段式螺旋叶片是将叶片制成等螺距的单片,然后将每个单片彼此对焊在一起构成螺旋体。制成的螺旋体在转动过程中应具有一定的刚度,与机壳保持一定的间距。由于分段式螺旋叶片不需要大型专用设备,可以按需要制成需要制成异形的、大直径的、加厚的、要求淬火的及特殊材质的叶片。分段式实体型螺旋叶片通常是将薄钢板经下料后用模具冷压或热压制成。所以本次设计中采用分段式螺旋叶片。其下料尺寸如下图12所示:则L= =2043 mmL=798 mmd螺旋轴直径(由后面计算得为160mm)D螺旋叶片直径(取620mm)S螺距(取620mm)L螺旋叶片料坯外孔弧长度L螺旋叶片料坯内孔弧长度R/r=L/L 即r=L/L.R b=R-r R=r+b 则 r=L+b/L-1所需螺旋个数 X=L/S=6200/620=10(这里的L是根据滚筒的长度来算的)根据具体设计用5mm钢板来切割出圆环。可根据公式求出圆心角a,a=(2R-L)/2Rx360=5.83.4.5螺旋轴的设计1)选材及热处理一般情况下选45号钢,调质或正火;也可用35、40、50号钢,不重要或受力较小的轴可选用Q235、Q275。高速重载下,可选合金钢,可对轴颈表面淬火。(低碳钢的可渗碳-淬火)但对应力集中敏感,应在结构设计中充分注意。球墨铸铁吸振性好,对应力集中不敏感、耐磨。具体材料与机构性能详见表7,选择45号钢11,调质处理,该轴硬度为170HB-217HB,弯曲应力=590 Map ,=295 Map ,=255 Map ,=140 MPa ,=55 MPa2)轴的结构设计由于本螺旋种植铲的种植深度是500mm,了提高轴的刚度和抗弯强度,因此空心轴根据实际生产经验,查表初步选择160*40的钢管,即外径为160毫米,壁厚为40毫米。3)轴的校核虽然土壤在轴四周被均匀输送,螺旋轴在旋转时,由于自身的重力和焊在其上面的螺旋叶片的重力,此轴不仅受扭矩还受弯矩,所以在此需要校核其扭矩及弯矩的强度和刚度。由于所选的螺旋叶片螺距S=620,种植深度为500m,该螺旋叶片的导程P=620mm,据L=nS可知有10个螺距。 4)估算轴的直径轴的直径计算式19:空心轴 d = =90.5300mm式中:d 轴的直径;P 轴传递的额定功率(Kw);n 轴的转速(r/min); 按而定的系数126103,见机械设计手册; 空心轴的内径与外径之比,取=0.5;根据轴的扭转强度条件公式 式中:-扭转切应力,单位为(MPa);T-轴所受的扭矩,单位为(N.m);-轴的抗扭截面系数();-轴的许用转应力2545()见机械设计手册; =43。27MPa所以轴径160mm符合设计需要。表4 轴的材料参数表轴的材料Q235-A20Q275 354540Cr等高强度钢15-2520-3525-4535-55A149-126135-112126-103112-97注:表中所给出的值是考虑了弯曲影响而降低了的许用扭转剪应力。在下列情况下取较大值,A取较小值;弯矩较小或只受扭矩作用,载荷较平稳,无轴向载荷或只有较小的轴向载荷,减速器的低速轴,轴单向旋转。反之,取较小值,A取较大值。在计算减速器中间轴的危险截面处(安装小齿轮处)的直径时,若轴的材料为45号钢,可取A=130-165。螺旋轴直径为160,壁厚为40mm,空心轴。轴的疲劳强度校核由扭矩T形成的扭转剪应力为=T/WT WT抗扭截面系数(WT=(1-)/16), =d/D根据已知P、n可得出:M=95499549=24.403 N.m 对于直径为d的圆轴弯曲应力为=M/W,扭转切应力=T/WT=T/2W将和代入式【3】中则轴的弯扭强度条件为:= 其中T= 通常由弯矩所产生的弯曲应力是对称循环变应力,而由扭矩所产生的扭转切应力则不是对称循环变应力。为了考虑两者循环特性不同的影响,引入折合系数,则计算应力为式中的弯曲应力为对称循环变应力,当为静应力时取,当为脉动循环变应力时,若为对称循环变应力时取;在本文中,取=0.3;根据设计计算的需要求出已知量,方便后序计算:空心 : 抗弯截面系数 抗扭截面系数 极惯性系数 式中:-抗扭截面系数;-抗弯截面系数;-轴截面的极惯性矩;-空心轴内径与外径之比;根据上面公式求得:T= 221.56N.m =48000所以= =由于螺旋轴叶片均匀分布在螺旋轴上,因此它们的自重为均布载荷,螺旋轴可简化为均布载荷作用下的简支梁,如图11所示图11 螺旋轴的受力分布图则螺旋轴的弯矩【6】为 = 将已知数值代入(19)式得出= 50MPa查表【3】可知轴材料为45钢的=590 MPa的=55 MPa由于5055即 满足弯曲扭转强度要求。3.4.6挖头设计挖头种植时,切土、螺旋提升和抛土过程虽然简单,但其力学摸型及计算十分复杂,而且结果定量的指导性很差。当挖头为螺旋式、叶片内径(即中心管)D=80ram、叶片外径800mm、坑深1000mm时,宜采用单头式,左旋,导程为600lnm,外径切土入土角d外=12.5,内径切土入土角d内=64,平均入土角d均=38.25,抛土半径12001500mm,此时十分有利于原土回填。试验表明,能够完全满足工作要求。试验也证明采用单头比双头易于入土,尤其在坚硬土壤情况下更能显出其优越性,本次挖头设计如下所示: 图12 挖头设计简图3.5整机稳定性分析种植机的稳定性根据工况的不同可以分为作业稳定性、自身稳定性、行走稳定性。本文以作业稳定性作为稳定性计算。种植机在种植过程中有两种失稳状态即种植失稳和卸载失稳状态。本文主要以种植失稳状态作为校核。种植机的失稳状态有以下三种工况:(1)斗杆垂直于地面,斗齿尖离地面以下0.5m,用铲斗种植,切向阻力垂直地面,法向阻力指向机体,此时倾覆边缘在履带前端(如图4-1)。测出各个零件的质量和重心的位置,并测出各个零件的重心到履带前端的距离。采用平衡法计算许用稳定系数:n= (4-1)式中 底盘和上车总重;、分别表示铲斗、斗杆、副动臂、主动臂的重量,=3570N,=5740N,=6870N,= 9490N。各个工作机构相对于履带前端的距离,其中=3675mm,=4047mm,=2837mm,=500mm,=3000mm,=500mm,=2832mm。切向种植阻力=22000N,法向种植阻力=9240N。将以上数据代入公式 (5-1)中得:n=1.8n=1所以该工况种植机稳定性符合要求。(2)在最大种植深度时斗杆及铲斗处于垂直位置,用铲斗液压缸种植,此时种植阻力有使整机抬起的趋势,倾覆边缘在履带的后端(图4-2)。测出各个零件的质量和重心的位置,并测出各个零件的重心到履带后端的距离。采用平衡法计算许用稳定系数:n= (4-2)式中 、意义同(4-1),种植最大深度,H=4702mm,=5699mm,=5270mm,=4926mm,=3873mm,=800mm,=5102mm。将以上数据代入(4-2)得:n=2.1n=1所以该工况稳定性符合要求。(3)在停机面上最大种植半径处用铲斗液压缸种植,种植阻力有使整机后倾覆的趋势,倾覆边缘在履带的后端(图4-3)。测出各个零件的质量和重心的位置,并测出各个零件的重心到履带后端的距离。采用平衡法计算许用稳定系数:n= (4-3)式中 、意义同(4-1),=8948mm,=7509mm,=5698mm,=3430mm,=800mm,=8620mm。将以上数据代入(4-3)得:n=1.7n=1所以该工况稳定性符合要求。第4章 液压系统设计4.1液压系统回路设计4.1.1液压系统基本回路选择基本回路是由一个或几个液压元件组成、能够完成特定的单一功能的典型回路,它是液压系统的组成单元。液压种植机器人液压系统中基本回路有限压回路、卸荷回路、缓冲回路、节流回路、行走回路、合流回路、再生回路、闭锁回路、操纵回路等。(1)限压回路限压回路用来限制压力,使其不超过某一调定值。限压的目的有两个:一是限制系统的最大压力,使系统和元件不因过载而损坏,通常用安全阀来实现,安全阀设置在主油泵出油口附近;二是根据工作需要,使系统中某部分压力保持定值或不超过某值,通常用溢流阀实现,溢流阀可使系统根据调定压力工作,多余的流量通过此阀流回油箱,因此溢流阀是常开的。液压种植机器人执行元件的进油和回油路上常成对地并联有限压阀,限制液压缸、液压马达在闭锁状态下的最大闭锁压力,超过此压力时限压阀打开、卸载保护了液压元件和管路免受损坏,这种限压阀(图 2-1)实际上起了卸荷阀的作用。1- 换向阀 2- 限压阀 3- 油缸图2-1 限压回路(2)缓冲回路液压种植机器人满斗回转时由于上车转动惯量很大,在启动、制动和突然换向时会引起很大的液压冲击,尤其是回转过程中遇到障碍突然停车。液压冲击会使整个液压系统和元件产生振动和噪音,甚至破坏。图 2-2 为液压种植机器人中比较普遍采用的几种缓冲回路。1- 换向阀 2.3- 缓冲阀 4.5.6.7- 单向阀图2-2 缓冲回路(3)节流回路节流调速是利用节流阀的可变通流截面改变流量而实现调速的目的,通常用于定量系统中改变执行元件的流量。这种调速方式结构简单,能够获得稳定的低速,缺点是功率损失大,效率低,温升大,系统易发热,作业速度受负载变化的影响较大。根据节流阀的安装位置,节流调速有进油节流调速和回油节流调速两种1- 齿轮泵 2- 溢流阀 3- 节流阀 4- 换向阀 5- 油缸图2-3 节流回路(4)锁紧回路图2-6 闭锁回路 图2-7 再生回路大臂操纵阀在中位时油缸口闭锁,由于滑阀的密封性不好会产生泄露,大臂在重力作用下会产生下沉,特别是种植机器人在进行起重作业时要求停留在一定的位置上保持不下降,因此设置了大臂支持阀组。如图 2-6 所示,二位二通阀在弹簧力的作用下处于关闭位置,此时大臂油缸下腔压力油通过阀芯内钻孔通向插装阀上端,将插装阀压紧在阀座上,阻止油缸下腔的油从 B 至 A,起闭锁支撑作用。4.1.2液压系统原理图对上述选定的各基本回路进行组合得到种植机液压系统原理图如下:图2-7 种植机液压系统原理图4.2执行元件的选择4.2.1液压缸的选择各个工作液压缸缸径根据液压缸推力决定,假定液压泵到液压缸的压力损失p1=25 bar,液压缸回油背压p2=10 bar,液压缸的大小腔作用面积之比为A=1.46 Ao ( A为大腔作用面积,Ao为小腔作用面积)。根据公式:(1)大臂液压缸已知大臂液压缸工作负载:,取系列值63 mm由以上计算及表3.3可得,大臂油缸缸径为63mm,活塞杆直径d为35mm,额定工作压力为160 bar。(2)二臂液压缸已知二臂液压缸工作负载:,取系列值50mm由以上计算及表3.3可得,二臂油缸缸径为50mm,活塞杆直径d为28mm,额定工作压力为160 bar。(3)螺旋轴转动液压缸已知螺旋轴转动液压缸工作负载:,取系列值40mm由以上计算及表3.3可得,螺旋轴转动油缸缸径为40mm,活塞杆直径d为22mm,额定工作压力为160 bar。4.2.2马达的选择(1)回转马达选择及计算(a)平台的回转力矩一般小于制动力矩,根据公式:=制动力矩启动力矩=7937.00526 操作重量 单位t u-摩擦系数 平履带取0.25取 =0.6=0.6=4762.203156取c=1=4762.203156由原始数据回转台转速回转台由回转马达带动一对内啮合齿轮驱动大齿 小齿 =所以:=66.35(b)计算扭矩 =861.25 -启动力矩 -马达扭矩查液压种植机器人 36页 表4-1选M5x180液压马达 主要参数 压力额定=32.4Mpa 最大=39.2Mpa=1680 =928所以流量:=11.943(2)行走马达选择及计算(a)驱动轮转速V-种植机器人行走速度-履带板节长Z-驱动轮齿数代入=52.91 =29.395(b)驱动轮扭矩=+ 为要求爬坡能力 为要求牵引力代入=52945N=6062.20选择双速液压马达齿轮箱GFT17 输出扭矩 9000液压马达选择排量=28,=8马达转速:=代入数据=27174.576=27.174576=64.2=52840.452=52.840452(3)螺旋轴马达选择查液压种植机器人 36页 表4-1选M5x180液压马达 主要参数 压力额定=32.4Mpa 最大=39.2Mpa=1680 =928所以流量:=11.9434.3动力元件的选择4.3.1液压泵的选择(1)液压泵的工作压力的确定+-是执行元件的最高工作压力,对于本系统的最高工作压力是销锁油缸的入口压力-是从液压泵出口液压缸之间的管路损失。管路复杂,进口有调速阀,则取=1Mpa。(2)确定液压泵的流量多液压缸同时工作时,而且系统使用蓄能器铺助动力源时,则液压泵输出流量公式应为其中 K-系统泄露系数,取K=1.2Tt-液压系统工作周期Vi-每个液压缸的工作周期中的总耗油z-液压缸的个数销锁油缸的最大流量 (5.3)=60.101=60加料门油缸的最大流量=60.140.0031=26根据以上可知: =60大泵流量:=80%=48小泵流量:=20%=12大泵排量:=37小泵排量:=8.1 =0.9L/s按照泵的排量 和、的值来选择液压泵(3)选择液压泵的规格根据以上求的泵的排量、和、的值,按系统中给定的液压泵的形式,按照HAWS公司V30D系列变量轴向柱塞泵的选型表3.10,可以选定V30D-45型变量轴向柱塞泵。该变量轴向柱塞泵的技术参数如表3.11 。4.3.2柴油发动机的选择液压缸在整个循环运动中,系统的压力和流量都是变化的。所需功率变化较大,为满足整个工作循环的需要,需按大功率段来确定发动机的功率。从液压原理图可以看出,快速运动时系统的压力和流量都较大,这时,大小泵同时参加工作,小泵排油压力和流量均较大。此时,大小泵同时参与工作小泵排油除保证锁紧力外,还通过顺序阀将压力油供给加料门油缸。前面的计算已知,小泵供油压力为=4 MPa,考虑大泵到销锁油缸路损失,大泵供油压力应为=4Mpa 取泵的总效率=0.85,泵的总驱动功率为: P=22.9KW 可以选用的发动机为常柴集团生产的4L68型号的柴油机。该柴油机具有动力强劲、经济省油、耐久可靠、境污染小等特点。其主要技术参数如表3.12所示。4.4液压阀的选择选择液压阀主要根据阀的工作压力和通过阀的流量。本系统工作压力在18Mpa左右,所以液压阀都选用中、高压阀。(1)根据液压阀额定压力来选择选择的液压阀应使系统压力适当低于产品标明的额定值。对液压阀流量的选择,可以按照产品标明的公称流量为依据,根据产品有关流量曲线来确定。(2)液压阀的安装方式的选择是指液压阀与系统的管路或其他阀的进出油口的连接方式,一般有三种,螺纹连接方式,板式连接方式,法兰连接方式。安装方式的选择要根据液压阀的规格大小,以及系统的简繁及布置特点来确定。(3)液压阀的控制方式的选择液压阀的控制方式一般有四种,有手动控制,机械控制,液压控制,电气控制。根据系统的操纵需要和电气系统的配置能力进行选择。(4)液压阀的结构形式的选择液压阀的结构方式分为:管式结构,板式结构。一般按照系统的工作需要来确定液压阀的结构形式,根据以上的要求来选择液压控制阀,所选的液压阀能满足工作的需要。所以本液压系统所选的液压阀有中、高压阀。具体规格型号和名称见表4.2表4.2 液压控制阀序号代 号名称及规格材料数量1Q11F-16P-25不锈钢截止阀成品22DBDW10B-1-50X/10UG24NZ5L电磁溢流阀成品13S20P1.0S型单向阀成品14S10P1.0S型单向阀成品15XJF-32/10蓄能器截止阀成品16DRV16-1-10/2单向节流阀成品19S6A1.0/2S型单向阀成品110ZDR6DP2-30/7.5YM叠加式减压阀成品111Z1S6P-1-30/叠加式单向阀成品1124WE10J3X/CG24NZ5L电磁换向阀成品113ZDR10DP2-30/7.5YM叠加式减压阀成品114Z2FS16-30/S2叠加式双单向节流阀成品2154WEH16Y50/OF6AG24NETS2Z5L/B08电液换向阀成品116Z2FS16-30/S2叠加式双单向节流阀成品217DR20-5-5X/10YM先导式减压阀成品218DR20-5-5X/10Y先导式减压阀成品1194WEH16E50/6AG24NETS2Z5L/B08电液换向阀成品1204WE10E3X/CG24NZ5L电磁换向阀成品121DB20-2-5X/315溢流阀成品222S20P1.0/单向阀成品123Z2FS10-20/叠加式双单向节流阀成品124溢流阀成品125QJH6WL高压球阀DN6成品3选用主操作阀采用川崎KMX15R/B450,最大流量270L/min,能实现大臂提升合流、二臂大小腔合流、二臂再生回路、行走直线、大臂提升优先、回转优先、二臂闭锁等功能。4.5其他辅助元件的设计与选择4.5.1油箱设计按公式 2 204页公式5-2确定油箱容积 V-油箱的有效容积-液压泵的流量-经验系数 取=1.5=0.162油箱外形选择1:1:1,长宽高均取600mm=0.2164.5.2油管设计(1)油缸用油管根据5 238页 公式(9-16) 式中-油管内径m-管中流量-管中流速代入数据得=0.01908m=19mm=0.027mm所以选择的钢(2)液压泵用压油管代入数据=0.03028m所以选择的钢管回油箱用油管回油管取1=0.045656m所以选取4.5.3蓄能器的选择根据蓄能器在液压系统中的功用,确定类型和主要参数。在本液压系
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