水草清理装置水下机构设计 的论文.doc

编号： 毕业设计说明书题 目： 水草清理装置水下机构 的设计 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2010年5 月24日桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸摘 要针对河道、水塘等水域具有航道窄、面积小，一般的大型水草收割机难以实现水草收割的现状，本文设计了一种结构紧凑，机构传动平稳，效率高，适合在中小尺度水域作业的小型水草收割机。论文概述了水草收割机的发展背景、研究现状及分类；完成了水草收割机水下部分的机构设计，主要包括清除机构和定位机构；阐述了前置往复式切割器和旋转式升降台的总体设计方案、工作原理、参数计算以及试验校核；同时，为了防止二次污染，本文还另外设计了水草回收装置，通过传送带将水草运回船体；按照任务要求完成了装置总装图与各主要零部件图的绘制；最后，通过solidworks软件的动画仿真验证了机构设计的合理性。结果表明：所设计的小型水草收割机具有结构合理、紧凑，适应性强，切割效率高等优点。这种新型的水草收割机可在水下实现切割，捡拾、传送一体化连续作业方式，能够达到清除泛滥的水草，净化水质的目的。总的来说，是一种较为理想的水草收获机具。关键词：小型水草收割机；水下机构设计；动画仿真abstractwaters such as rivers,ponds are generally with narrow waterway and small area,so general large aquatic weed harvesters can hardly harvest hydrophytes.to eliminate the current phenomenon, smaller aquatic weed harvester is designed in this paper.it has compact structure, smooth transmission and high efficiency ，at the same time ，it is suitable for working in the small and medium waters.this article summarizes the development background,research status and classification of the aquatic weed harvester.；the mechanism design of underwater part of the aquatic weed harvesters, including clear organization and positioning mechanism,is completed；the paper describes the overall design, working principle, parameter calculation and experimental check of front reciprocating cutter and rotating lift；meanwhile, in order to prevent secondary pollution, the paper also designs of the recovery agencies, the aquatic weeds will be shipped back to the hull through the conveyor belt；whats more,the study also finishes the work of the main device assembly parts drawing.finally, this papers simulation result proves the rationality of the design with the animation of the software solidworks.the results show that: the smaller aquatic weed harvester has many advantages of reasonable and compact structrue, high adaptability and high efficiency to harvesting.the new aquatic weed harvesters can realize continuous integration mode such as harvesting,collecting and transmiting under water.it can achieve the goal to clear the flood hydrophytes and to purify water quality. in all,it is an ideal machine of harvesting aquatic weeds.key words：small aquatic weed harvester；underwater mechanism design；animated simulation目 录引言11绪论11.1 课题研究背景11.2 水草收割机的发展过程21.3 水草收割机分类及特点21.3.1 根据切割器工作方式划分21.3.2 根据切割器在船体的安装位置分31.3.3 根据作业方式分31.3.4 根据作业对象划分31.4 水下机构的典型特点31.5 课题研究的目的及意义42 水下机构的方案选择及总体结构设计52.1 水下机构的方案选择52.2 机构总体设计53 清除机构的设计63.1 切割器概述63.2 往复式切割器的构造及类型73.2.1 往复式切割器的构造73.2.2 往复式切割器的类型103.3 往复式切割器的驱动机构及原理103.3.1 驱动机构的选择103.3.2 驱动机构的工作原理113.3.3 驱动机构的设计113.4 往复式切割器的调整134 定位机构的设计134.1 定位机构的组成134.2 定位机构的工作原理144.3 链传动的设计144.3.1 链传动简介144.3.2 链传动的选择及设计校核154.4 轴的结构设计174.4.1 轴的应用与分类174.4.2 轴的材料及结构184.4.3 轴3的设计与校核204.4.4 轴3上轴承的选择及校核235 水草回收机构的设计255.1 水草回收装置的构造255.2 回收装置的工作原理265.3 带传动的机构设计265.3.1 带传动简介265.3.2 带传动的参数选择275.3.3 带传动的设计计算285.3.4 带轮的结构设计305.4轴的结构设计315.5 轴上轴承的设计与校核346 结论36谢 辞37参考文献38 桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第38 页 共38页引言水草在养殖、生态和景观三方面有重要的价值体现，正是因为水草有如此多的作用，吸引了人们去种植。由于种植量大，同时缺乏相应的管理措施，导致人工种植的水草一度发展到疯狂的状态。为了保持水域的生态平衡，维持水质的清澈，需要在景观水域中大量种植水草，但是在每年59月的高温时段，水草生长非常迅速，必须及时进行收割清理，否则会对水质造成二次污染。目前，水草治理方法主要有化学清除法和物理收割法两种。化学清除法会引起水质污染与恶化，破坏水域的生态环境，并对其他生物的生存造成很大影响。所以，人们大都采用更为环保的人工收割和机械收割的物理方法来治理水草。但由于人工收割效率低下，往往打捞的速度跟不上水草生长的速度，因而机械收割就成为理想的水草治理方式。目前，市场上的水草收割机产品有wh1800型河道清草机、sgy一25型水草收割机、gc2230型河道割草保洁船、gc200o型小型河道割草作业机械、9gscc 14型水生植物收割机船队和lw5000多功能水草收割船等，但这些产品外型大，长度都大于8 m，需要多人及辅助机械协同作业，适用于大型水域水草的收割。而景观水域的设计通常都采用自然造型，有各种不同的曲线，且水面较为狭小，不利于大型机械作业。现在，这些水域中的水草的收割都由人工完成，劳动强度大，效率低。而且往往在水草疯长时，人工收割跟不上生长速度，一部分水草因未及时收割而腐烂水中，造成水质恶化。在大型的水草收割船t一般有23人进行操作。但随着水草收割机的小型化，它的收割和集草都要在同一条船上进行，由于窄间有限，最多只能由一人操控，若都是手动操作的话，会不太方便，所以应该提高水草收割机的自动化程度，特别是遥控式的水草收割机不仅能进一步减小船体的尺寸，增大储草空间，而且安全。所以智能化的小型水草收割机的需求量会越来越大，小型轻便、美观环保的水草收割机将是一个重要的发展方向。本文主要对小型水草收割机的水下部分进行结构设计。1 绪论1.1 课题研究背景目前，国内外对水草收割机的研究没有系统的、科学的分类。市场上所有水草收割机几乎都是大型机械，满足大型湖泊水草的收割与修理，但不适合小型河道和湖泊等小水面水域中水草的收割。小型化和智能化是水草收割机的重要发展方向。1.2 水草收割机的发展过程国外关于水草收割机的研制比较早，荷兰等国早在50年代就开始使用专门的水利机械进行河道的清淤除草作业。荷兰的ihc co konljn机械厂1958年研制出h系列两栖式挖泥船共6种机型，随后又相继开发出m 系列、s系列和fb系列等多种清淤机械：荷兰的herder公司也开始研制各种机型的河道除草机。起初他们一般是把切割器安装在液压挖掘机或农用拖拉机上，把沟渠、河道内的蒲草、杂草切割后捞起放于岸边，其整机需停在岸边或沿岸边行驶进行作业，这就是陆用割草机。由于陆用割草机的使用范围有较大限制河道、沟渠旁常揎有树木，无法停机，远离岸边的水草又无法切割到，因此研制一种能在河道中航行的水中割草机应运而生。60年代英国的rolbe公司开发出oibeaux系列水中割草机，英国的john wider(工程)公司也开发出自己的系列产品3o多年来，这些产品至今还在世界各地广泛使用。国内也有一些相关企业及研究机构进入该领域，并且取得了一定的研究成果，如宁波农业机械研究所、桂林象山农机厂、绍兴县农林管理总部联合研究的wh1800型河道清草机，北京市水利局联合数家单位共同开发的的sgy-2.5型水草收割机，上海电器集团现代化装备有限公司新液压长研究开发的gc2230型号河道割草保洁船以及gc2000型小型河道割草作业机械。经历半个世纪的发展历程，水草收割机的设计，由开始的岸边切割水草作业，水中水草作业，水中收割水草作业，到现在的水中切割、收获、后续处理一体化作业模式，功能日益完善，而且经过长时间的摸索和经验积累，其工作模式也发生了很大的改变。其主要是朝着小型化、自动化方向发展。1.3 水草收割机分类及特点水草收割机由动力装置、切割器、动力推进器、送草装置、集草箱、船体等组成。所以在对现有的水草收割机进行归纳比较的基础上，根据水草收割机的作业方式、工作情况、结构特点等，总结出水草收割机的分类方式。因为本次主要设计水下机构，所以下面将从切割器、作业方式、作业对象方面进行介绍。1.3.1 根据切割器工作方式划分（1）往复式。切割器的主要构造为两把刀片，并且至少有一把作往复直线运动，与另一刀片形成相对切割。该种结构的优点是可以选择合适的刀具参数来适应不同的环境。整个切割器是一个整体，只需一个动力端即可，容易实现同步工作；缺点是对刀具材料和刀具安装精度要求高，维修不方便。（2）旋转式。这种切割器的主要构造为旋转轴的中心固定三四个刀片，工作的时候，刀片绕轴旋转，不断切割水草。这种刀具的主要优点是多把刀具组装而成，便于维修，缺点是滚刀的传动轴必须安装成偏心的形式，并且必须在水中工作，因此，对滚刀的动力传输以及密封的要求比较高。1.3.2 根据切割器在船体的安装位置分（1）前置式（图1-1-a）。切割器安装在船体的前端。优点是能够实现割收一体化，水草的漏收率低，缺点是动力输入端的传动路线长，不适合刚性轴的工作。（2）后置式（图1-1-i）。切割器安装在船体的后端，优点是船体行进过程中，拖动切割器行走，遇到韧性较大的水草，可以依靠惯性将其拉起，不至于沉头。缺点是工作时，水草无法及时回收，容易造成二次污染。（3）侧置式（图1-1-b）。切割器安装在船体一侧，优点是只有一个动力输入端，动力集中，适用于水草密集的河道。缺点是切割时，必须有无水草区域，便于船体行走。1.3.3 根据作业方式分（1）割收连续式（图1-1-h）。主要应用于前置式。优点是切除水草的同时，将水草回收，防止二次污染。缺点是需要两个动力输入端，动力要求高，结构较为复杂。（2）割收分开式（图1-1-i）。应用于侧置式和后置式的情况。优点是结构简单，功率要求低。缺点是割收分开作业，大大降低了工作效率，并且容易造成二次污染。1.3.4 根据作业对象划分（1）近海水草式。主要收集近海水域的藻类水草。要求功率大，船体大，排水量大，不需要将水草收集起来，可以将水草沉入水底，船体必须配备适当的救生设备，而且船体的防腐要求很高，适合于大型水生植物收割机的连续作业。（2）内河水草式。主要用来收割内陆江河、湖泊等浅水域的水草。水草的生长情况比较复杂，同时考虑到环境保护的问题，必须将水草及时收集打捞，因此，必须在船体上配备适当的收集装置，机构比较复杂。1.4 水下机构的典型特点 （1）往复切割。大部分产品都采用往复式切割器，并且安装的位置都是在船体的前部，比较少的情况是采用旋转式的切割器，这样有利于避免缠绕等问题的产生。（2）功耗大。在所有的水草收割机中，由于是多机械辅助工作，所以需要的功率消耗较大(都在13kw以上)，最大的功率接近100 kw。 （3）割深可调。水草收割机的割深都在o17 m之间可调，割幅比较大(2 m左右)。（4）维修不便。大型船体不利于整机搬运以及维修。图1-1 国内外水草收割机的典型设计a多功能小型水草收割船；b水草切割机；c水草切割装置；d水草收获系统；e水草收割机；f水草收割装置；gscy一25碰水中割草机；hwhl800河道清机；i水生植物收割装置；j9gscc14h水生植物收割机；kgc2230型河道割草保船1.5 课题研究的目的及意义研发一种适合在河道、池塘等中小尺度水域作业的小型水草收割机。目前市场上的水草收割机一般是大型机械，在大的湖波水域可以进行切割，但不适于在小型水域的作业。所研制的小型水草收割机，可以有效取代在中小水域的人工收割，有效减轻了劳动轻度，大大调高了切割效率，符合水草收割机小型化与智能化的发展方向。2 水下机构的方案选择及总体结构设计2.1 水下机构的方案选择（1）水下清除机构即切割装置。根据工作方式分为旋转式和往复式，根据安装位置分为前置、后置、侧置三种方式。但由于旋转式机构传动机构必须置于水下，切割效率较低，而往复式驱动机构可以置于水上，并且可以选择合适的刀具参数来适应不同的环境，因此选择往复式。从安装位置方面看，后置式和侧置式都不能实现割收一体化，所以为了避免二次污染的问题，选择前置式。综上所述，选择前置往复式切割。（2）定位装置可以用来调整切割深度。机械定位的方式很多，如超声波定位、通过传感器定位以及机械定位等。综合结构复杂度，制造成本等多方面因素，可见机械式定位是比较理想的定位方式。机械定位可以用传动螺杆，或用滚轮绳索来实现。现选定为升降转台式机构，通过绳索牵动升降台侧板，步进电机驱动实现切割深度的调整。2.2 机构总体设计（1）往复式切割器由往复运动的割刀和固定不动的支撑部分组成。割刀由刀杆、动刀片和刀杆头等铆合而成。刀杆头与传动机构相连接，用以传动割刀的动力，支撑部分由护刃器梁、护刃器和铆接在护刃器上的定刀片、压刃器和摩擦片等。工作时割刀作往复运动进行剪切。驱动机构采用牛头刨床的曲柄滑块机构。（2）定位装置由链轮、轴、滚轮及绳索、轴承座、升降台等组成。（3）为防止二次污染，需要将水草进行回收，所以另外设计了水草回收装置，主要由带轮、传动轴、轴承座、输送带等组成。综上，现设计机构总体装配如图2-1所示：图2-1 水下机构的总体装配图接下来将对以上机构的设计、传动及工作原理等进行详细的设计说明。3 清除机构的设计3.1 切割器概述切割器的工作性能直接影响收割机的工作质量。要使切割器在作业中能顺利的切割茎杆，不漏割、不堵刀，不拉断、切割阻力小，必须争取使用和调整切割器。现有的收割机械上的切割器有回转式利往复式两类；回转式切割器的特点是：沿滑动作用大，有的还是无支撑切割，因此切割速度高，惯性力易于平衡：但机器结构复杂，割幅较小，而且重量较大，不适于在宽幅多行收割机上采用。目前，在收割机械上应用最广泛的就是往复式切割器，优点是通用性广，适应性强，工作可靠，结构简单，重量轻。但由于惯性力的影响，限制了切割速度的提高，是切割作业速度受到局限。而根据前面的叙述，选用的是前置标准型往复式切割器（图3-1）图3-1 标准型往复式切割器1.护刃器 2.定刀片 3.动刀片 4.定刀片铆钉 5.压刃器6.刀杆 7.动刀片铆钉 8.摩擦片 9.垫圈 10.螺母11.螺栓 12.护刃器梁3.2 往复式切割器的构造及类型3.2.1 往复式切割器的构造（1）动刀片（图3-2）。动刀片是主要切割件，形状为对称六边形，两侧为刀刃，刀刃有光刃和齿纹刃两种，这里选择光刃。图3-2 动刀片（2）定刀片（图3-3）。定刀片为支撑件，多为光刃片。用铆钉铆接在护刃器上与动刀配合切割。图3-3 定刀片（3）刀杆。刀杆材料为35号冷拉扁钢。标准型刀杆的断面宽度为，长度取决于割幅。动刀片铆接在刀杆上，刀杆要平直，刀片应在同一平面上。（4）护刃器（图3-4）。护刃器的作用是保持定刀正确位置，保护割刀，对禾杆进行分束，且护刃器舌与铆接在上面的定刀片起支撑作用，构成两点支撑的的切割条件。为防止护刃器在低割时陷入土中，标准型护刃器的前下部为向上的弧形。图3-4 护刃器（5）压刃器（图3-5）。压刃器一般采用35mn钢，用半圆头方颈螺栓与护刃器、摩擦垫片一起固定在切割器粱上，防止割刀在运动中向上抬起，利于割刀的自由往复运动。护刃器梁上每隔30到50装一个切割器。图3-5 压刃器（6）摩擦片。摩擦片装在压刃器下方用以支承剖刀的后部，使之具有垂直和水平方向的两个支承面：当摩擦片磨损时，可增加垫片或将其像前移动，以调整切割器间隙。3.2.2 往复式切割器的类型往复式切割器的类型是根据割刀行程、两相邻刀片中心线之间的距离和两个相邻定定刀片的中心线之间的距离三者的相互关系来分类的。目前，我国收获机械上应用的切割器，主要可分为标准型和非标准型两种类型。（1）标准型切割器。割刀行程s等于两相邻动刀片中心线之间的距离t、等于的个相邻定刀片的中心线之间的距离t。即：式中：s割刀行程 t两相邻动刀片中心线距离 to两相邻护刃器中心线距离标准型切割器具有良好的切割性能，而且护刃器之间的距离比较大，对茎秆的粗细适应性较强。因此，在割草机、收割机和联合收割机上被广泛应用。（2）非标准型切割器。在些水稻收割机上采用了较标准尺寸为小的切割器，其尺寸关系为：st；to50、60或70mm 这种切剖器的特点是：动刀片较窄长(切割角较小)，护刃器为钢板制成，无护舌，对立式割台的横向输送较为有利，其切割能力较强，剖茬较低。缺点是如果保持相同的切割速度，其曲柄转速就较高割刀往复惯性力大。在粗茎秆作物收割机上，有采用较标准尺寸为大的切割器，其尺寸关系为：stto90或100mnl其护刃器的间s距较大、专用于收割粗茎秆植物。由于水草茎杆细，所以选用标准型切割器。3.3 往复式切割器的驱动机构及原理3.3.1 驱动机构的选择目前在收割机械上，由于割刀的工作条件和切割器位置的不同，所采用的驱动机构也不同，一般有曲柄连杆机构、曲柄滑块机构和摆环机构两类。曲柄连杆机构和曲柄滑块机构的构造简单，应用较广。摆环机构的结构紧凑，但是结构非常复杂，在这里选用应用于牛头刨床的曲柄滑块机构。3.3.2 驱动机构的工作原理驱动机构的作用是把传动轴的回转运动变为割刀的住复式直线运动。曲柄滑块机构是利用曲柄作回转运动来驱动滑块进而带动摇杆，摇杆推动割刀做往复直线运动。结构简图如图3-6所示：图3-6 曲柄滑块机构3.3.3 驱动机构的设计机构传动如图3-7所示，凸轮转轴通过软轴与动力输入端连接，工作时，动力输入端通过软轴向凸轮转轴输入转矩，凸轮转动通过滑块带动摇杆机构摆动。摇杆与刀杆之间为滑动连接，刀杆两端有水平方向的约束，在摇杆带动下，切割器作往复的直线运动，其平均速度为：式中：-切割器的平均速度 -凸轮转速 -曲柄长度图3-7 机构传动图切割器的驱动机构采用的是曲柄滑块机构，机构设计如图3-8所示：图3-8 切割器驱动机构3.4 往复式切割器的调整 （1）对中调整：采用曲柄连杆与曲柄滑块机构驱动的切割器则调整连杆的长度。 （2）割刀行程：可调整割刀行程，销的最上缺口对准固定螺栓安装时，割刀行程为902mm，最下缺口对准固定螺栓安装时，割刀行程为86.2mm。 （3）刀头导向板间隙：增减垫片使刀头导向板间隙达1mm。 （4）团副器的整列：各护刀器尖端间距应相等，日应在间一水平线上。检查时可在两侧护刃器尖端之间拉一直线，护刃器尖端与该直线的高低间距不得越过。定刀片应位于问一平而内，用直尺检查，每个定刀片的偏差不得大于0.5mm。若有偏差，应重新安装护刃器，或用小锤轻轻敲打矫正。并要注意在矫正护刀器之前先检查刀杆是否平直。（5）割刀间隙：用增减垫片、调整压刃器或校正护刃器的方法，凋整割刀间隙。刀片前端应相互接触，允许有0.5mm间隙，后端府有0.3到1mm的间隙，允许少量后端间隙不大于15mm。但数量不得超过三分之一。4 定位机构的设计由于在不同的水域，水草的生长情况各不相同，所以在切割水草时切割水草的深度不尽相同。因此需要设计一种定位装置以便调整割深。调整切割深度的方法有很多，如超声波定位、传感器、机械定位等。综合结构的复杂程度以及制造成本等多方面的考虑，机械定位是比较理想的方式。4.1 定位机构的组成现设计的定位装置（图4-1）是通过升降台绕转轴的旋转来实现的。图4-1传送带升降机构示意图1. 船体；2.直流电机；3.链轮；4.链条；5.行程开关sq1；6.绳轮；7.链轮；8.吊绳；9.升降架；10.行程开关sq2升降台的构造主要有以下几部分来组成：（1）链轮。链轮通过通过链条与船体上的步进电机相连，是定位装置的动力输入端。其固连在轴上并通过轴将动力传递给滚轮（与轴焊接）。（2）轴3。通过轴承座与船体支架连接，与滚轮焊接，通过绳索控制升降台高度。（3）升降台侧板。升降台侧板是定位装置零部件的支撑部分，通过轴3与轴承座和船体连接。（4）轴5。将升降台与船体连在一起。4.2 定位机构的工作原理进行定位时，步进电机通过链条、链轮将动力输入到轴端，与轴焊接的滚轮上绕有绳索，绳索的另一端与升降台侧板连在一起。滚轮转动时，通过绳索调整升降高度，同时造船体上安装有行程开关，可以控制升降的范围。4.3 链传动的设计4.3.1 链传动简介（1）链传动的类型链传动是以链条为中间传动件的啮合传动。如图4-2所示链传动由主动链轮1、从动链轮2和绕在链轮上并与链轮啮合的链条3组成。按照用途不同，链可分为起重链、牵引链和传动链三大类。起重链主要用于起重机械中提起重物，其工作速度v0.25m/s；牵引链主要用于链式输送机中移动重物，其工作速度v4m/s；传动链用于一般机械中传递运动和动力，通常工作速度v15m/s。图4-2 链传动（2）链传动的特点和带传动相比。链传动能保持平均传动比不变；传动效率高；张紧力小，因此作用在轴上的压力较小；能在低速重载和高温条件下及尘土飞扬的不良环境中工作。 和齿轮传动相比。链传动可用于中心距较大的场合且制造精度较低。只能传递平行轴之间的同向运动，不能保持恒定的瞬时传动比，运动平稳性差，工作时有噪声。通常链传动传递的功率p100kw，中心距a56m,传动比i8,线速度v15m/s,广泛应用于农业机械、建筑工程机械、轻纺机械、石油机械等各种机械传动中。4.3.2 链传动的选择及设计校核（在以下计算中如无特殊说明，所查阅公示、表格、图等均出自濮良贵、纪名刚主编机械设计第八版）（1）给定参数传递功率输入轴速度输出轴速度传动比初选中心距（2）链轮齿数选择选择主动轮齿数为，则从动轮齿轮（3）链条计算与选择修正功率工况系数 （查表9-12）。齿数系数（查图9-10）。链条的选择修正功率 根据和根据查图可选滚子链为08a。链条的节距为链条长度计算链长节数圆整取节数为174节链条速度（4）最大的中心距最大中心距 实际中心距994mm（5）润换方式由速度和链号08a，查图9-11，采用油壶或油刷定期人工润滑。（6）强度计算作用于轴上的拉力有效圆周力铰链压强使用寿命（磨损寿命）=610597.02h校验合格。（7）链传动的结构设计因为电机轴左端的链轮和轴2的链轮连接，根据电机的功率和转速，查阅相关数据后取08a的链条，其主要参数如表4-1：表4-1 08a链条的主要参数iso链号节距滚子链直径d1max内链节内宽b1min销轴直径d2max内链板高度h2max排距pt抗拉载荷单排min双排min08a12.77.927.853.9812.0714.3813.827.610a单排链轮的主要参数如下表4-2：轮毂厚度9mm表4-2 10a单排链轮的主要参数常数k：d5050100100150150k9.5轮毂长度轮毂直径因链轮和轴设计为过度配合，故在链轮一段用一个m6的紧定螺钉与轴固定。其结构设计图如图4-3所示：图4-3 链轮4.4 轴的结构设计4.4.1 轴的应用与分类（1）轴及其作用轴是组成机械的主要零件之一。一切作回转运动的传动零件（例如齿轮、涡轮等），都必须安装在轴上才能进行运动及动力传递。因此，轴的主要功用是支承回转零件及传递运动和动力。（2）轴的分类按照承受载荷的不同，轴可以分为转轴、心轴和传动轴三类。工作中既承受弯矩又承受扭矩的轴称为转轴。这类轴载各种机器中最为常见。只承受弯矩而不承受扭矩的轴称为心轴。心轴又分为转动心轴和固定心轴两种。只承受扭矩而不承受弯矩（或弯矩很小）的轴称为传动轴。轴还可以按照轴线形状的不同，分为曲轴和直轴两大类。曲轴通过通过连杆可以把旋转运动改变为往复直线运动，或作相反的运动变换。直轴根据外形的不同，可以分为光轴和阶梯轴两种。光轴形状简单，加工容易，应力集中源少，但轴上的零件不易装配及定位；阶梯轴则正好与光轴相反。因此光轴主要用于心轴和传动轴，阶梯轴则用于转轴。直轴一般都制成实心的。在那些由于机器结构的要求而需要在轴中装设其他零件或者减小轴的质量具有特别重大作用的场合，则将轴制成空心的。空心轴内径与外径的比值通常为0.50.6，以保证轴的刚度和扭转稳定性。此外，还有一种钢丝软轴，又称钢丝挠性轴。它是由许多钢丝分层卷绕而成的，具有良好的挠性，可以把回转运动灵活地传到不开敞的空间位置。4.4.2 轴的材料及结构（1）轴的材料轴的材料主要是碳钢和合金钢。钢轴的毛坯多数用轧制圆钢和锻件，有的则直接用圆钢。由于碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性较低，同时也可以用热处理或化学热处理的办法提高耐磨性和抗疲劳强度，故采用碳钢制造尤为广泛，其中，最常用的是45钢。合金钢比碳钢具有更高的力学性能和更好的淬火性能。因此，在传递大动力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常采用合金钢。在一般工作温度下（低于200摄氏度），各种碳钢和合金钢的弹性模量均相差不多，因此在选择钢的种类和决定钢的热处理方法时，所根据的是强度与耐磨性，而不是轴的弯曲或扭转刚度。但也应当注意，在既定条件下，有时也可选择强度较低的钢材，而用适当增大轴的截面面积的办法来提高轴的刚度。各种热处理（如高频淬火、渗碳、渗氮、氰化等）以及便面处理（如喷丸、滚压等），对提高轴的抗疲劳强度都有着显著的效果。高强度铸铁和球墨铸铁容易做成复杂的形状，且具有价廉、良好的吸振性和耐磨性，以及对应力集中的敏感性较低等优点，可用于制造外形复杂的轴。（2）轴的结构轴的结构主要决定于以下因素：轴载机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件的类型、尺寸、数量以及和轴连接的方法；载荷的性质、大小、方向及分布情况；轴的加工工艺性等。由于影响轴的结构的因素较多，且其结构形式又要随着具体情况的不同而异，所以轴没有标准的结构形式。设计时，必须针对不同的情况进行具体的分析。但是，不论何种具体条件，轴的结构都应满足：轴和装载轴上的零件要有准确的工作位置；轴上的零件应便于装拆和调整；轴应具有良好的制造工艺性等。（3）轴的支承结构该机构中，轴的支承采用滚动轴承。下面对滚动轴承作简单的介绍。滚动轴承的结构：滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一，它是依靠主要元件间的滚动接触来支承滚动零件的。滚动轴承绝大多数已经标准化，并由专业工厂大量制造及供应各种常用规格的轴承。滚动轴承具有摩擦阻力小，功率消耗少，启动容易等优点。滚动轴承由内圈、外圈、滚动体和保持架等部件组成。内圈用来和轴颈配合，外圈用来和轴承座孔装配。通常是内圈随轴颈回转，外圈固定，但也可用于外圈回转而内圈不动，或是内、外圈同时回转的场合。当内、外圈相对转动时，滚动体即在内、外圈的滚道上滚动。常用的滚动体有球、圆柱滚子、圆锥滚子、球面滚子、非对称球面滚子、滚针等几种。轴承内、外圈上的滚道，有限制限制滚动体沿轴向位移的作用。保持架的主要作用是均匀地隔开滚动体。如果没有保持架，则相邻的滚动体转动时将会由于接触处产生较大的相对滑动速度而引起磨损。滚动轴承的主要类型：按轴承用于承受的外载荷的不同，滚动轴承可概括地分为向心轴承、推力轴承、向心推力轴承三大类。根据轴承滚动体的不同，可将滚动轴承分为球轴承、圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承、滚针轴承等。滚动轴承类型的选择：选用轴承时，首先是选择轴承的类型。在选用过程中，主要考虑的因素有轴承的载荷、轴承的转速、轴承的调心性能、轴承的安装和拆卸。轴承所承受载荷的方向、大小和性质是选用轴承的主要依据。在选择过程中要综合考虑各方面的影响，选择最合适的轴承。轴承的配置：一般来说，一根轴需要两个支点，每个支点可由一个或一个以上的轴承组成。合理的轴承配置应考虑轴在机器中有正确的位置、防止轴向窜动以及轴受热膨胀后不致将轴承卡死等因素。常用的轴承配置方法有双支点各单向固定、一支点双向固定，另一端支点游动、两端游动支承三种。其中双支点各单向固定方式常用两个反向安装的角接触球轴承或圆锥滚子轴承，两个轴承各限制丝杠在一个方向的轴向移动；一支点双向固定，另一端支点游动方式常用在工作温度较高，跨度较大的场合，作为固定支承的轴承应能承受双向轴向载荷，故内外圈都要固定。当轴向载荷较大时，作为固定端的支点可以采用向心轴承和推力轴承组合在一起的结构，也可以采用两个角接触球轴承（或圆锥滚子轴承）“背对背”或“面对面”组合的结构；两端游动方式常用在人字形齿轮的装配中。4.4.3 轴3的设计与校核 轴3的设计计算（在以下轴的计算中如无特殊说明，所查阅公示、表格、图等均出自濮良贵、纪名刚主编机械设计第八版）（1）求轴3上的功率p，转速n和转矩t=0kw=20r/min=9550=9550=43.93（2）求作用于链轮及滚轮上的力已知链轮的分度圆直径为：=69.12有效圆周力：=取压轴力系数：则压轴力：由于滚轮上的压轴力无法明确计算出，且方向在升降台位置改变时会发生变化，但经过估算每个滚轮上的压轴力大小不会超过400。在接下来的计算中，按压轴力为，且方向与链轮受力方向一致来计算。若在此假设下校核合适，则可以保证轴的强度条件。滚轮速度：有效圆周力：=压轴力：有效圆周力，压轴力的方向如“轴的载荷分析图”中所示。（3）初步确定轴的最小值先按式（15-2）初步估算轴的最小直径。选取轴的材料为45钢，调质处理。根据表15-3，取，于是得（4）轴的结构设计拟定轴上零件的装配方案现采用如下图4-4所示的装配方案。图4-4 轴根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度为了满足链轮的轴向定位要求，轴端右端需制造出一轴肩，故取段的直径，取iv-v段的直径；根据定位条件，段的直径 。根据链轮宽度取。根据零部件的装配位置，取，两个滚轮与轴采用焊接。初步选择滚动轴承。因为轴承主要承受径向力的作用，故选用深沟球轴承。由轴承产品目录中初步选取0基本游隙组、标准精度级的深沟球轴承6205，其尺寸为。轴承两端均采用轴肩定位，并用轴承座固定。轴上零件的周向定位链轮与轴的轴向定位均采用平键连接。由表6-1查的平键截面，键用键槽铣刀加工，长为。滚动轴承与轴的轴向定位是由过度配合来保证的。确定轴上的圆角与倒角尺寸参考表15-2，取轴端倒角为。（5）求轴上的载荷首先根据轴的结构图做出轴的计算简图。在确定轴承的支点位置时，应从手册中查取值（参看图15-23）。对于6205深沟球轴承，查gb276-89知。根据轴的计算简图做出轴的弯矩图和扭矩图。如下图4-5所示：图4-5 轴的扭矩及弯矩图从轴的结构图以及弯矩和扭矩图中可以看出截面d是轴的危险截面。现将计算出的截面处的、及的值列于下表4-3所示：表4-3 轴各截面处的弯矩值载荷水平面垂直面支反力，弯矩，总弯矩扭矩（6）按照弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上最大弯矩和扭矩的截面（即危险截面）的强度。根据式（15-5）及上表中的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取，轴的计算应力前已确定轴的材料为40，调质处理，由表15-1查的。因此，故安全。4.4.4 轴3上轴承的选择及校核查gb297-84选择深沟球轴承6205，其基本额定动载荷，基本额定静载荷（1）求两轴承受到的径向载荷和将轴承部件受到的空间力系分解为铅垂面和水平面两个平面力系。图4-6 轴承受力分析图由前面轴的受力的分析可知：（2）求两轴承的计算在轴向力和对于深沟球轴承，无派生轴向力，由于轴上没有轴向力的作用，所以两轴承的计算轴向力和为零。（3）求轴承的当量动载荷和因为 由表13-5查的径向载荷分布系数和轴向载荷分布系数为对轴承1 对轴承2 因运转过程中有中等冲击载荷，按表13-6,取=1.5。则（4）验算轴承寿命因为，所以按轴承1的受力大小验算经检验合格5 水草回收机构的设计水草收割机在作业时，切除的水草如果不能及时回收，留在水底，会造成水体的二次污染，因此需要设计水草回收装置将切除的水草运回船体，这也是选用前置式收割机的原因之一。5.1 水草回收装置的构造现设计的水草回收装置结构如下图5-1所示图5-1 水草回收机构剖视图回收装置的构造主要有以下几部分组成： （1）带轮。带轮是水草回收装置的主要组成部分。带轮共有四个，均固连在轴端，带轮之间通过轴与输送带彼此联系。（2）输送带。输送带有带轮输入动力，可以将切除的水草送回船体。（3）轴4。与带轮毂连，轴的一端通过软轴与船体的动力端连接，为回收装置提供动力。5.2 回收装置的工作原理收割机作业时，柴油机将动力通过带传动传递给船体的带轮，带轮通过软轴为轴4提供转矩，进而驱动回收装置运转，切除的水草落到传送带上后被运回船体，避免了二次污染。5.3 带传动的机构设计5.3.1 带传动简介（1）带传动介绍：带传动是一种挠性传动，传动的基本组成零件为带轮（主动带轮和被动带轮）和传动带。当主动轮转动时，利用带轮和传动带间的摩擦或啮合作用，将运动和动力通过传动带传递给从动带轮。带传动具有结构简单、传动平稳、价格低廉和缓冲吸振等特点，在近代机械中应用广泛。（2）带传动类型：按照工作原理的不同，带传动可以分为摩擦型带传动和啮合型带传动。在摩擦型带传动中，根据传动带的横截面形状的不同，又可分为平带传动、圆带传动、v带传动和多楔带传动。平带传动：平带传动结构简单，传动效率高，带轮也容易制造，在传动中心距较大的情况下应用较多。常用的平带有帆布芯平带、编织平带（棉织、毛织和缝合棉布带）、锦纶片复合平带等数种。其中以帆布芯平带应用最广，它的规格可查阅国家标准或手册。圆带传动：圆带结构简单，其材料常为皮革、棉、麻、锦纶、聚氨酯等，多用于小功率传动。v带传动：v带的横截面呈等腰梯形，带轮上也做出相应的轮槽。传动时，v带的两个侧面和轮槽接触。槽面摩擦可提供更大的摩擦力。另外，v带允许的传动比大，结构紧凑，大多数v带已经标准化。v带传动的上述特点使其得到了广泛的应用。多楔带传动：多楔带兼有平带柔性好和v带摩擦力大的优点，并解决了多根v带长短不一而使各带受力不均的问题。多楔带主要用于传递功率较大同时要求结构紧凑的场合。啮合型带传动：啮合型带传动一般也称为同步带传动。它通过传动带内表面上等距分布的横向齿和带上的相应齿槽的啮合来传递运动。与，摩擦型带传动相比较，同步带的带轮和传动带之间没有相对滑动，能够保证严格的传动比。但同步带传动对中心距及尺寸稳定性要求较高。（3）v带的类型与结构普通v带：标准普通v带是用多种材料制成的无接头环形带。这些材料包括顶胶、抗拉体、低胶和包布。根据抗拉体结构的不同，普通v带分为帘布芯和绳芯两种。帘布芯柔韧性好，主要用于载荷步大和带轮直径较小的场合。普通v带的带型分为y、z、a、b、c、d、e7种。窄v带：窄v带的剖面结构与普通v带类似。其抗拉体采用合成纤维绳或钢丝绳。与普通v带相比，当宽度相同时，窄v带的高度约增加1/3，使其看上去比普通v带窄。窄v带的两个工作面向内凹，在窄v带套到带轮上后，近似回复为平面，使之与带轮轮槽的两个工作侧面贴合紧密，从而提高了窄v带的工作能力，故而适用于传递功率较大同时又要求外形尺寸较小的场合。其工作原理和设计方法与普通v带类似。v带的名义长度称为基准长度。基准长度是按照一定的方式测量得到的。当v带垂直于其顶面弯曲时，从剖面上看，顶胶变窄，低胶变宽，在顶胶和低胶之间的某个位置处，宽度保持不变，这个宽度称为带的节宽bp。把v带套在规定的尺寸测量带轮上，在规定的张紧力下，沿v带的节宽巡行一周，即为v带的基准长度ld。v带的基准长度已经标准化。除了普通v带和窄v带外，还有联组v带、齿形v带、大楔角v带、宽v带等多种类型。但最常用的是普通v带。5.3.2 带传动的参数选择（1）中心距a： 中心距大， 可以增加带轮的包角，减少单位时间内带的循环次数，有利于提高带的寿命。但是中心距过大，则会加剧带的波动，降低带传动的平稳性，同时增大带传动的整体尺寸。中心距小，则有相反的利弊。一般初选带传动的中心距为： (1)式中，为初选的带传动中心距，mm（2）传动比i：传动比大，会减小带轮的包角。当带轮的包角减小到一定程度时，带传动就会打滑，从而无法传递规定的功率。因此，带传动的传动比一般为i7，推荐值为i=25。（3）带轮的基准直径：在带传动需要传递的功率给定的条件下，减少带轮的直径，会增大带传动的