基于ProE造型下的马铃薯收获机的设计文档格式.doc
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第8章机架部分的设计 46
8.1设计地轮 46
8.2设计机架 46
8.3机构仿真的概述 47
8.4机构的部分运动仿真 48
8.5数控加工机架板 53
第9章结论 63
45
第1章绪论
1.1国外马铃薯收获机的发展简述
国际土豆收获机的机械化起步早、成长快、技术水平高。
在20世纪初,欧洲和美国的国家动物牵引挖掘机代替手锄挖土豆,随后由拖拉机牵引或悬挂。
在20的重链和投掷型马铃薯收获机端。
20世纪40年代初期,美国、前苏联便起先研制、推广应用土豆收获机器,50年代末便完成了机械化。
70~80年代,德、英、法、意大利、瑞士、波兰、匈牙利、日本和韩国亦相继实现了马铃薯作物生产机械化。
70年代主要是研制大功率自走式根块作物联合收获机,且以收获垄作种植为主。
美国在1948年之前用收获机来收土豆,而后人为地捡拾,直到1967年,开始使用联结收获机。
在第二十世纪80年代初,联合收割机和区域分割的收获土豆种植面积占85%,其中联合收割机已超过50%。
20世纪90年代,美国已基本完成了土豆收成机械化。
近年来,马铃薯联合仍然是欧洲的大型火电机组。
这些模型可用于大面积的土地,不适用于小地块。
有些国家和地区出产少许袖珍挖掘机械,像意大利的SP100机型为小型垄作收获机器。
在亚洲国家,更少的马铃薯收获机械的生产。
日本在1955年之前利用畜力开采犁,1955年~196年出产吊挂式和升运链式收获机,70年代着手引进美国、英国等发达国家的联合收获机,并研制适合日本国情的联结收获机。
从马铃薯收获机械发展农业机械化,发展比较缓慢,但在过去的50年中向更高层次发展。
在国外,马铃薯收获机,生产和使用挖掘机的比例呈下降趋势,与联合收割机获得了飞速的发展,形成一个联合收割机,或两个完全实现收获机械化采与一个固定的分离装置分离收获捡拾装载机的支撑体系,基本实现了马铃薯收获机械。
而且,国外马铃薯收获机械大多采用升运链条式联合作业,技术上已达到相当高的水平。
发展中国家基本上选用发掘犁和发掘机进行收成工作,发达国家的土豆作物收成已基本完成了机械化联结作业。
如德国,美国组合机床自动控制马铃薯分离和减少马铃薯作物的损害自己的窍门。
1.2国内马铃薯收获机的发展现状
近年来,国内市场上也涌现了少许此类机器,但大多数机型在适应性和质地可靠性方面依然不同程度地存在着一些不足,重要体现在两个方面,一是毁伤作物,因为如马铃薯等作物,皮质新鲜脆弱的收获,和破坏将严重影响其价格;
二是适应性差,由于各农艺性状不同,不同株行距,机器不能满足要求[2]。
因为入口农机具价钱较高,农夫难以承担,土豆收获机器还是要走国产化路线,并且还要依据中国国情,不应盲目照搬。
使用现有的模型,如手扶拖拉机、四轮拖拉机,通过对国外收获机原理的消化和吸收,开发了适合中国国情收割机[23]。
最近几年来,我国部分地区开始发展马铃薯和其他块茎作物收获机的研制,主要的方面还是进行微型化的挖掘机处理,少许机构如在河北研究所研制的4VM-1A型、4VM-2A型的土豆挖掘机[8],西安市农业机械有限公司出产的4U-1型土豆收获机[7]。
关于新产品的研制则重点适用于干旱和半干旱地区的土豆栽种,在华夏北部和小农场农夫利用收获土豆的机器,生产效率高,尤其是对收获丘陵上的马铃薯更能显示该机器的优越性[16]。
更有效的内蒙古呼和浩特新生产技术和设备4uldx-1500马铃薯收获机,该机具有两种类型的驱动链轮,可以实现高转速和低两种转移,适合在不同种植的土壤上工作。
而且该机型适用于湿润、干燥和半干燥的土壤上实现土薯分离和耕作功能。
华夏农业机械化科学研究院在吸取国际先进技术的基础上,优化计划了两种新型的土豆收获机:
第一,背负式4UL-1型马铃薯收获机;
第二,由拖拉机悬挂的4UW-120马铃薯挖掘机。
支持36.8~51.5kW拖拉机的马铃薯挖掘机和机制,一个独特的弧形马铃薯分离辊机构,从而克服了古代的机器抖动链式部分的高故障率、不平衡传输等致命弊端,劳动能够更为可靠[24]。
甘肃农业机械化技术推广站经过调整以及大量的研究,同时在结合全省的实际情况,开发出适合甘肃省马铃薯种植的农业机械[14]。
在1998年,在实验中出产的土豆栽种机和土豆挖掘机各1套,屡次进行了试验,并依据计划需求来改进机器。
2001年7月,经过甘肃省科学技术委员会的评估,两种模型都达到了国内先进水平,为甘肃地区的现代化马铃薯生产的实现提供了实用的机械模型[4]。
马铃薯收获机的发展趋势是从机器的工作单元式大跨度发展,为了降低劳动消耗,提高了可操作性,扩大使用范围和通过性能改善土壤的马铃薯,自动化的操作增强以及最佳作业速度选择范围的扩大。
此外,为了解决这个矛盾,提高机器的速度和降低由机器损坏而造成马铃薯的损伤,使块茎和土壤充分分离,同时以解决块茎和土块、茎、叶和杂草之间的矛盾。
随着中国社会和经济的发展,农业规模化经营,实现农业机械化,规模化生产的产业化,采用大、中等型的马铃薯收获机械将成为一种必然的发展趋势[1]。
1.3本课题的研究内容及方法
1.3.1研究内容
本课题的研究目的在于设计一种适合我国农村分散经营的生产体制,以普通的拖拉机为动力,结构简单,体积小,适合在小块地上工作的马铃薯收获机。
要求该机能够一次性实现挖掘和分离土署,提高工作效率,减少进地次数。
1.3.2研究方法
(1)首先通过查阅各种相关的资料,了解该课题在国外和国内的发展情况。
(2)对材料进行分析总结,找出现存马铃薯收获机的优缺点,然后在对马铃薯的特点和种植农艺的研究基础上,得出该课题的方向并拟定总体方案。
(3)综合考虑收获过程中的各个因素,得出一个适合该课题的方案。
然后进行
整体结构设计,并在此基础上再进行各主要部件尺寸和传动装置的初步设计。
(4)最后进行装配,进而得出各部分的精确尺寸与参数。
第2章马铃薯收获机整体结构的设计
2.1马铃薯收获机的整体结构
该马铃薯收获机主要由变速传动机构、挖掘机构、清选机构以及机架等组成。
其结构如图2-1所示。
4
3
2
1
1-机架2-变速传动机构3-挖掘机构4-清选机构
图2-1马铃薯收获机的结构简图
1、变速传动机构:
这一部分主要由减速器,皮带轮,皮带,传动轴等组成,工作时拖拉机后桥输出功率传递给减速器,减速器将力垂直变向后,传递给各个工作部件。
2、挖掘机构:
这一部分重点由挖掘铲和切土刀构成,挖掘铲和切土刀由优良的钢质原料制作而成,切土与发掘作业的实现主要靠拖拉机在行进过程中供应的牵引力。
3、清选机构:
这一部分采用震动和网状类似的清洁机制,16Mn钢作为传送带的主要材料,马铃薯与土壤、杂草等杂物分离是通过筛体条的上下震动、向后运动、和中间轮的抖动凸轮的运动,将马铃薯抛到后面的地上,从而达到土薯分离的目的。
4、机架:
该部分用于联结各个工作部件的主要材料,是用冷轧钢板折弯、焊接而成的。
2.2挖掘机的工作原理
该机由拖拉机提供动力,拖拉机提供行进和挖掘时所需的动力,拖拉机的动力输出轴提供动力传递给土壤和马铃薯的输送分离机构。
工作的时候,拖拉机在前面牵引,地轮在垄间滚动,挖掘铲将块茎和土壤翻起,土署在拖拉机的牵引下被送到分离带,筛履带的抖动将土壤和马铃薯分离,进而使土壤和夹杂物等被筛选出来,通过杆间隙漏掉杂物,这样在输送的过程中,便可实现从土壤中将块茎分离出来,马铃薯块茎会从机器的后面抛出,落在地上,从而达到分离的目的。
第3章确定传动比和选择减速器
3.1确定传动比
马铃薯收获机的拖拉机辅助动力的设计为18-25KW,的速度输出轴,通过减速齿轮和传动带后,假设的总传动比
减速器的传动比。
带传动的传动比要满足分离输送线速度为1.6m/s以上传动带驱动,然后:
201.5r/min
21.1rad/s
所以,链轮半径0.076m=76mm
3.2选择减速器
减速器是原动机和劳动机之间的单独的闭式传动装置,减速器是一种相对较精细的机器,用来减低转速和增大转矩以达到各类工作机器的需求。
减速器的踪影几乎在各类机器的传动体系中都能够看到,它的使用很是普遍。
在低转速大扭矩的传动配置中基本上都有减速器,把高速运行的能量,经过减速器输入轴上齿数少的齿轮啮合输出轴上齿数多的齿轮来达到减速的目标。
减速器的选用原则为:
(1)选择减速器,首先要满足工作条件。
就是齿轮速度,最大速度最大圆周,转向和环境温度等。
(2)应满足速度要求,根据机械的工作速度和原动机的选择驱动最近比速度的要求,在正常情况下,2级时两者的极限偏差为-4%~+4%,3级时为+5%。
(3)基于输入和输出的连接方式,然后选择轴端式风格。
(4)基于主机需要减速器的位置,安装接头,尺寸的限制,传输性能的要求,确定结构,减速器的类型,装配和安装。
(5)考虑到使用维修方便,选择合理的油口,油口的位置,冷却与润滑方式。
如图3-1为减速器的结构图:
图3-1减速器结构图
第4章传动系统的设计
对马铃薯挖掘机进行其传动系统的设计,是对其进行动力传动的布置,使其能满足使用要求[5]。
同时,对其进行链轮和带轮的设计。
其传动图如图4-1所示。
1、万向联轴器2、链轮3、减速器4、动力输出轴5、输送链驱动轴6、振动筛轴
图4-1传动图
4.1传动带的设计
马铃薯挖掘机的工作机[26],属于机械电机原动机的交流与较大的负载,工作不超过10小时/天,软起动方式。
挖掘机的工作功率为1.5KW。
则:
KW
式中:
----计算功率;
----工作情况系数,取。
----所需传递的额定功率。
(1)选择V带的带型[26]
由小带轮转速和计算功率,查表选择的带型为A型带。
(2)带轮基准直径的确定:
1)主动轮的初选基准直径
在V带带型的基础上,依据参考表确定小带轮的基准直径,应该使,所以选mm。
2)验算带速
m/s。
3)计算大带轮的基准直径
mm
根据图表知:
取为107mm
(3)对中心距进行确定,并且确定V带的基准长度为
初定中心距,
由
即:
因此可取mm
按照下面的公式计算相应的带长:
mm
根据查表得:
按照下面的公式计算实际中心距:
考虑制造误差,带长度误差,产生的弹性和张力补充带松弛,中心距变动范围为:
(4)主动轮包角的验算
按照下面的公式以及对包角的要求,要保证:
(5)确定带的根数
要使各根V带受力平均,带的根数不应过量,通常会少于10根[18]。
否则,带型应该选择较大的横截面面积,从而降低带的根数。
根据下面的公式得
取根。
----在包角等于,稳定的工作和具体长度的情况下,单根
带的许用功率值;
----当带长不等于试验规定的特定带长时的修正系数;
----当包角不等于时的修正系数;
----思考传动比的原因时,单根V带所传递功率的增量。
查表得:
(6)带的初拉力的确定
单根V带所需的最小初拉力按照下面的公式得出:
N
(7)计算带传动的压轴力
按照下面的公式得:
----单根带的初拉力;
----带的根数;
----小带轮的包角。
(8)V带的计算结果
V带规格:
A型,长1153mm
中心距:
392.4mm
V带根数:
4根
(9)带轮的形式
带轮的基准直径决定带轮的结构,当小带轮的参考直径为时,可采用固体实心式。
同样,大带轮的参考直径为,因此大带轮也采用固体实心式。
(10)带轮材料的选择
带轮常用的材料是铸铁,因为带速为m/s,从而带轮的材料选择HTl50[19]。
(11)计算带轮尺寸
小带轮轴孔直径:
连接小带轮和减速器,
取mm
由于mmmm
因此
小带轮直径:
mm
小带轮宽度:
mm
表4-1V带设计的计算列表
设计计算项目
结果
说明
工作情况系数
计算功率
选取V带型号
小带轮直径
大带轮直径
验算V带的速度V
初定中心距
初算V带所需的基准长度
选V带的基准长度
定V带公称长度
定中心距
包角
包角系数
1.2
1.8
A
80mm
107mm
1.13m/s
350mm
1068mm
1153mm
1120mm
392.4mm
175°
0.98
可选比表中大的值
参考实际机械结构
〉120,合适
大带轮轴孔直径:
大带轮和链轮主动轴的直径是一致的。
假定大带轮轴孔直径mm
大带轮的直径:
mm
大带轮的宽度:
mm
图4-2为带轮的三维图。
图4-2带轮的三维图
4.1.1设计带轮的三维图
最终草图
更改设置后的效果图
最终三维图
4.2链轮的设计
4.2.1链轮的设计目的
在两轴距离较远、工作要求可靠、工作条件差、低速重载及其他不宜使用齿轮传动的情况下,应该使用链条传动。
马铃薯挖掘机的分离机制应用链传动,尽管常常受到杂草、土块等影响,但相对来说影响不大。
如果要想通过链轮的线速度达到为1.6m/s以上,所以链轮设计的传动比要是1,这两个链轮的直径应该是一样的。
之前的计算已经算出链轮的直径r=76mm。
4.2.2链轮的设计
(1)选择链轮的齿数
已经知道链轮的线速度为1.6m/s,传动比为1。
经过查表[26]
取
(2)传动中心距的初步设定
按照公式(30~50)p
初步取
(3)链节数的确定
避免使用过渡链节,计算得出的链节数应为偶数。
因此节。
(4)链条节距p的确定
计算当量的单排链的计算功率
----工况系数,查表得=1.3;
----主动链轮齿数系数,查表得=1;
----多排链系数,单排链时=1;
----传递的功率。
依据主动链轮转速和当量的单排链的计算功率查表可以得到链条的型号,即所选的链号为10A。
经过查表知链节距p是15.875mm。
(5)验算链速
m/s
符合原假设。
(6)实际中心距的计算
mm
(7)链传动轴上的轴向力的计算
压轴力可近似取为:
N
则N
----有效圆周力;
----轴向力系数,水平传动时为=1.15。
(8)润滑方式
润滑对链传动非常关键,对高速、重载的链传动更是重要。
较好的润滑能够降低磨损,和缓打击,延续链条的使用寿命。
根据链条的型号和链条的转速,从而选取滴油润滑的方式。
4.2.3计算链轮尺寸
此链轮为滚子链轮。
链轮的主要尺寸和计算如下:
(1)分度圆直径
(2)齿顶圆直径
(3)齿根圆直径
(4)最大齿根距离
(5)最大轴凸缘直径
mm
故取mm
链轮的三维图
旋转后的预览图
抖动轮的三维实体
第5章链轮轴的设计与校核
5.1链轮主动轴的设计
链轮主动轴的设计步骤如下:
(1) 轴1与轴5部分:
两部分安装轴承,轴承选用角接触球轴承,宽度是24.75mm。
两轮侧壁和机架内壁的距离为20mm,因此这部分的轴长度设计为50mm。
(2) 轴2与轴4部分:
这两部分都装链轮。
由于链轮厚为75mm,所以这部分轴长度的设计为70mm。
(3) 轴3部分:
这部分通过计算得出长度是488mm。
(4) 轴6部分:
这部分安装轴承端盖,其长度是33mm。
(5) 轴7部分:
该部分装大带轮,其长度设计为70mm。
链轮主动轴的结构如图5-1所示:
图5-1链轮主动轴结构图
5.2链轮主动轴的校核
采用轴的应力计算图来校核,则采取集中载荷分别作用于皮带轮、链轮与轴承支撑的中点。
(1)作用在皮带轮上的力的大小
压轴力N
则N
N
(2)作用在链轮上的力的大小
压轴力N
则N
扭矩为:
N·
m
合成弯矩为:
由于轴材料为45号钢,所以许用应力为
按照弯扭组合的校核公式[13],
由于
因此所选的轴是合格的[13]。
上面式中A、D代表轴承,B、C代表左右俩个链轮,E代表带轮,计算的弯矩、扭矩图如图5-2所示[17]。
图5-2轴的弯矩扭矩图
第6章设计清选机构
6.1选择清选机构以及工作过程
让马铃薯的土薯分开,减少破损,是设置清洗机构的一个最重要目的。
因此,对于什么样的土壤马铃薯分离机制的选择是非常重要的,要考虑多种因素。
(1)确定机构形式
筛履带式马铃薯液压挖掘机的振动分离机构的设计,清洁机构为棒间隙的分离输送方式。
用可拆卸的螺钉联接分离器以及上面的等距离平行结构方式的杆栏。
这个机构结构简单,工作效率高,在有一定倾斜角的情况下也能正常工作,所以,工作部分的分离会应用到更广的方面。
然而,分离输送链由连续移动的不同类型的杆组成,工作面却由很多的杆间隙组成,不但在移动和破碎土壤的程度上起决定性作用,而且对分离输送机的耐久性也会有影响。
马铃薯挖掘机的分离钩杆和输送链杆的杆与杆之间是焊接的。
其特征在于,钩杆和杆链具有结构简单,成本低的优点,在土壤中的链杆,接触面积小,筛分度好,分离效果很好[10]。
链杆式分离器输送机由圆棒组成,链的两端焊接的是不锈钢棒,由此所形成的栅栏非常具有过滤与分离块茎的作用。
固定的驱动轴和从动轴驱动链轮与链杆的分离输送机,从而形成一个循环的链传动。
(2)工作过程
分离器和送至器组成链杆式分离输送机,其在工作的过程中,挖掘铲挖掘土壤的时候,块茎向上被输送到输送机中,输送机通过其间隙将土壤中的块茎筛出并且通过输送带输送到机器的后部,从而达到分离块茎的目的[20]。
运动的时候,位于前面的挖掘铲挖掘土壤中的块茎,挖掘铲将掘起的土薯分裂,之后输送到分离输送机。
此时分离输送杆向后方运动,同时其也在抖动,并且上下摇晃,进而使土壤变疏松,块茎被输送机输送到机器的后面,然后落到地面。
6.2确定分离输送带的线速度
土豆块茎的毁伤率重点受土豆挖掘机的震动分散输送带的线速度和抖动机能的分离率影响。
分离输送机的抖动和分离的效果,主要取决于它的速度。
即,分离输送机主要的设计参数为线速度。
通过运动学以及动力学的分析来解释分离输送器的抖动和抖动性能,并且以托球理论为基础对输送带的线速度进行分离测定[5]。
确定输送线速度,必须考虑其类型,运动特性(加速度),造成这些问题的长度和块茎。
输送机的使用寿命,与机器的尺寸、速度的大小以及重量有关。
分离输送带的线速度以及加速度的作用更高,其大小便可以更小,因此就会对块茎产生更大的损坏,耐久性也会随之降低。
依据块茎分离尺寸的大小、输送机长度之间的关系,因此它的选择必须是合适的。
当工作时,分离输送带的线速度应略大于机器前进时的速度,为确保超过土薯分离时的正常传输试验结果表明:
当分离输送带线速度大于2m/s,和土壤水分含量大于或等于20%,分离能力会下降。
如果机器前进时的速度为,分离输送带的线速度为,则有:
,的值一般取0.8~2.5。
机器运行的速度是,分离式输送机工运行的速度是,因此计算出的是。
在0.8到2.5的范围之间,因此该参数的选定符合要求。
第7章设计切土挖掘机构
7.1设计切土挖掘机构的要求
挖掘铲机构及切土刀机构组成马铃薯切土挖掘机的机构。
切割刀分开土壤,从而保证多余的土块不进入清选机构,挖掘铲将块茎挖出来并将块茎送到抖动分离装置,这样不但可以减少土壤进入到设备中,而且还能降低能源的消耗,此外还可以防止杂草缠到设备上。
由于土壤的条件以及湿度等条件的不同,挖掘铲的任务是比较困难的,因此选择挖掘铲是相当重要的[3]。
挖掘铲的要求为:
(1)把所有的土薯挖出来,并且确保挖干净;
(2)进入到机器中的土壤的量应该尽量的少;
(3)尽量让土壤松碎以及将挖出的土薯送到抖动分离装置;
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