田间谷物拾包机设计说明书

JIANGXI AGRICULTURAL UNIVERSITY本 科 毕 业 论 文（设 计）题目： 田间拾包机 学 院： 工学院 姓 名： 曾榕 学 号： 20101170 专 业： 机械设计制造及其自动化 年 级： 2010级 指导教师： 李涛 职 称：助理实验师 二0一四 年 五 月摘要为了适应农业机械化的要求，减轻农民的劳动强度，我设计了一种田间拾包机，本文主要叙述了田间拾包机的设计及计算过程。是根据挖掘机和随车吊的结合应用，进行设计的一种机器。首先，本文介绍的这种田间拾包机的作用，及其工作原理。应用Pro/Engineer软件进行三维造型。然后是其主要的零件的设计及材料的选用，拾包机安装在一种轻型专用汽车上，主要用于田间水稻收割时使用， 是将田间收割好的谷包拾捡到汽车车箱上，实现了只需操作拾包机即可将谷包有序的放置在车箱中。文章详细介绍了各零件之间的装配方式，最后就是叙述拾包机怎样通过汽车上的液压动力驱动它工作的。关键字：拾包机 液压传动 装配AbctracIn order to meet the requirements of agricultural mechanization and reduce their labor intensity, I designed a field pick up the charter, this paper describes the design and field pick charter calculation process. Is based on a combination of excavators and truck mounted crane applications, conduct a machine design. First, this article describes the field pick up the role of charter, and how it works. Application of Pro / Engineer software for three-dimensional modeling. Then is the choice of the main parts of the design and materials, pick up charter mounted on a lightweight special-purpose vehicles, mainly for use in the field rice harvest is to reap good field bag picking up the valley to the car trunk, to achieve a just pick up the charter operator to package the valley in an orderly placed in the trunk. The article details the ways between the various parts of the assembly, and finally picked up the charter describes how the car through the hydraulic power drive it to work. Keywords: pick charter； hydraulic drive； assembly 目 录第一章 绪论11.1 现代农业机械的发展现状11.2 田间拾包机工作装置简介11.3 田间拾包机拟达到的工作要求2第二章 总体方案设计32.1 工作装置构成及工作原理 32.2 工作装置各部分方案选择 42.3.1 动臂种类选择 52.3.2 动臂油缸布置方案选择 52.3.3 卡爪的组成及装配方式 62.3.4 回转装置的选择 62.3 设计基本参数以及设计作业范围 7第三章 工作装置基本尺寸计算 83.1卡爪参数的确定 83.1.1 卡爪基本尺寸的选择 83. 1.2 卡爪主轴尺寸选择及校核 93.2 动臂和斗杆参数确定 93.2.1 动臂和斗杆基本尺寸的选择 93.2.2斗杆宽度、钢板厚度、许用应力的选取 103.2.3动臂宽度、钢板厚度、许用应力的选取 12第四章 液压驱动装置设计 154.1 回转机构液压缸的选取154.2 工作机构液压缸的选取154.3 液压回路与控制系统15总结 16参考文献17致谢 18第一章 绪 论1.1现代农业机械的发展现状随着我国农业现代化的进步,农业机械化将成为占主导地位的农业生产方式,“减少机器”的趋势不可逆转,和对农业机械和设备的需求刚性增长趋势。“农业机械化的全面发展从婴儿到中间阶段,并加速到更高的阶段。”目前,我国在研发、设计、制造、销售和服务,系统建立了一个完美的和许多其他方面的农业机械工业、农业机械产品的服务对象也几乎覆盖整个我国农业,畜牧业、林业、渔业、副业。小型农业机械产品在中国开始更早的时间,高质量和低成本的过程中近年来开发和研究,产品类型齐全,并逐步扩大生产能力,也可以是一个不错的性价比满足农民的支付能力水平和使用在我国。现阶段,我国可以生产15大类,近100个小类超过100多个品种的农业机械产品,这些产品在非洲和东南亚市场份额非常大。1.2 田间拾包机工作装置简介田间拾包机工作装置的形式是直接用来拾取谷包的田间作业工具，它利用液压缸伸缩来完成动臂升降、斗杆推拉和卡爪的抓取，之前这种专用机械还没有，但有些类似机械。我的设计是借鉴了随车吊和挖掘机的工作方式。拾包机放在一辆汽车上，类似于随车吊。工作装置可以看成是由动臂、斗杆、卡爪、支架、回转装置、动臂液压缸、斗杆液压缸、卡爪液压缸及连杆机构组成，动臂与斗杆是是由厚度为10mm的钢板焊接而成。动臂结构一般可分为整体式和组合式两大类，整体单动臂目前应用最广泛，其又可以分为直臂和弯臂两种形式；组合式动臂是在整体式的基础上发展起来的，作业尺寸可以根据工作条件随意调整，而且调整时间短，可满足各种工作装置的需求，也可分为两类：一类是长动臂配短斗杆，另一类是短动臂配长斗杆。工作装置的动臂液压缸一般布置在动臂的前下方，动臂的下支承点设在支架的顶端，常见的有两种布置方式，即油缸前倾布置方式和油缸后倾后置方式,动臂与动臂油缸活塞杆端部的铰点布置通常有两种形式，一种是布置在端部弯角的下部，采用支耳与动臂相连，这样布置不会削弱动臂的结构刚度，一般只布置一个油缸，小型挖掘机一般采用这种方式；所以我这种轻型拾包机也采用此种方式。1.3 田间拾包机拟达到的工作要求本文设计的田间拾包机抓取的谷包重量为60kg，整机重量为500kg。本文主要对由动臂、斗杆、卡爪、连杆机构组成的工作装置和液压系统进行设计，设计的工作装置和液压系统要能满足拾取基本动作要求，并能完成复杂的复合动作。本文主要的设计内容包括拾包工作装置的总体设计和机构拾取力分析，液压系统的整体设计和设计完成后对关键液压元件进行设计计算并校核。第二章 总体方案设计2.1 工作装置构成及工作原理图1 工作装置组成图 其中1-底座；2-回转驱动装置；3-回转支撑； 4-支撑架； 5-动臂油缸； 6-动臂；7-斗杆油缸；8-斗杆； 9-卡爪油缸；10-卡爪图1为田间拾包机工作装置基本组成及传动示意图，如图所示拾取工作装置由卡爪连杆、斗杆、动臂、相应的三组液压缸等组成。动臂下铰点铰接在支撑架，通过动臂缸的伸缩，使动臂连同整个工作装置绕动臂下铰点转动。依靠斗杆缸使斗杆绕动臂的上铰点转动，而卡爪铰接于斗杆下端，通过卡爪油缸的伸缩使卡爪绕斗杆前铰点转动。卡爪自身带了一个双向液压缸，液压缸的伸缩时左右两队卡爪张开和收缩，抓取前，油缸伸出，卡爪张开，以便于抓取谷包。抓取后，油缸收缩，卡爪合拢，防止谷包掉落。3为一个回转支撑轴承，用于拾包机工作装置做回转运动，通过3上的齿条和轴承上的齿轮啮合来驱动它的回转。回转角度为180，能满足工作要求。驱动力同样来至汽车上的液压泵。拾包机的拾取的方式，可以单独使用动臂的转动来拾取，也可以只用斗杆的运动来拾取。在实际拾取工作中，往往需要采用各种油缸的联合工作。拾包机工作装置各油缸可看作是只承受拉压载荷的杆，对工作装置进行适当简化处理如图所示。图2工作装置结构简图拾包机的工作装置经上面的简化后实质是一组平面连杆机构，自由度是3，即工作装置的几何位置由动臂油缸长度L1、斗杆油缸长度L2、卡爪油缸长度L3决定，当L1、L2、L3为某一确定的值时，工作装置的位置也就能够确定。2.2 工作装置各部分方案选择2.2.1动臂种类的选取动臂是卡爪工作装置的主要部件，一般可以分为组合式和整体式， 目前采用得多的是整体式动臂。组合式动臂用辅助连杆或液压缸或螺栓连接而成。上、下动臂之间的夹角可用辅助连杆或液压缸来调节，虽然使结构和操作复杂化，但它可以根据作业条件随意调整拾包机的作业尺寸和抓取力，且调整时间短。此外，它的互换工作装置多，可满足各种作业的需要，装车运输方便。其缺点是质量大，制造成本高 ,故本次设计不采用。整体式动臂的优点是结构简单，轻巧，质量轻而刚度大。其缺点是更换的工作装置少，通用性较差。整体式动臂又可分为直动臂和弯动臂两种。其中的直动臂结构简单、质量轻、制造方便。弯动臂是目前应用最广泛的结构型式，与同长度的直动臂相比，可以使挖掘机有较大的挖掘深度，但降低了卸土高度，这正符合挖掘机反铲作业的要求。经比较，选择整体弯动臂。 图3整体弯动臂2.2.2动臂油缸布置方案选择动臂油缸一般布置在动臂的前下方，有两种具体布置方式。油缸前倾布置方案，即当动臂油缸全伸出，将动臂举伸至上极限位置时，动臂油缸轴线向支撑架前方倾斜；油缸后倾布置方案，即当动臂油缸全伸出，将动臂举伸至上极限位置时，动臂油缸轴线向支撑架后方倾斜，两种方案中，在动臂油缸作用力相同时，后倾方案能得到较大的动臂作用力矩,因此，本次设计采用油缸后倾布置方案。 臂与动臂油缸活塞杆端部的铰点布置通常有两种形式。由于本次设计田间拾包机，载荷量不是很大，故本次设计采用单动臂油缸。2.2.3卡爪的组成及装配方式 卡爪是拾包机主要的工作装置之一，它是由几个零件装配而成的。结构如下图所示：图4 卡爪初步设计图由卡板、卡爪臂、双向油缸、和主轴组成。卡爪臂有两类，两两组合然后通过轴承装配在主轴上。油缸是保证卡爪的张开和收缩。在两对卡爪臂中间安装了六块卡板。目的是使卡爪与谷包的接触面积更大，防止谷包被卡爪抓破。卡板通过螺栓和螺母禁固在卡爪臂上面，间距在100左右。均匀布置在卡爪的左右两边。2.2.4回转装置的选择 为了满足工作的需求，拾取机构必须能够实现180旋转。所以我这几了回转装置。回转装置是使整个拾取机构绕着底座旋转，本设计采用的是回转支撑轴承做回转装置，支撑架安装在回转支撑轴承上，回转支撑轴承安装在底座上，这样就实现了支撑架与底座之间的相对转动。回转支撑轴承外径上有齿轮，所以我设计了齿条和齿轮啮合来驱动齿轮转动， 进而带动轴承转动。齿条运动的驱动力来至液压缸。因为车子上有液压系统可用。2.3 设计作业范围设计作业范围：最大拾取半径5000mm，最大卸载高度2100mm ，最大拾取深度1500mm。第三章 工作装置基本尺寸计算3.1 卡爪参数的确定3.1.1卡爪基本尺寸的选择 图5 卡爪组成图 1、卡爪臂 2、卡板 3、卡爪主轴初选卡爪角度为90度卡爪尺寸：其可以由实际作业要求的谷包大小确定，一般情况下，谷包的形状为长1000mm,直径为50mm左右的圆柱体所以初步设计L=600mm。B=500mm。卡爪的张合角度：为了满足更多情况下的正常使用， 初步设计张合角度=30。可通过液压缸伸缩调节其张开角度。卡板的设计是为了增大谷包与卡爪的接触面积。根据实际情况， 卡板设计的长度l=700mm，厚度为10mm,宽度为60mm.设计数量为6，分布如上图所示。卡爪臂形状如上图所示。两种不同的类型配合装在卡爪主轴上。宽度为30mm，厚度为40mm.具体形状请参照图纸。3.1.2卡爪主轴尺寸选择及校核卡爪主轴是卡爪工作的主要受力件，卡爪自重和谷包的重量都集中到主轴上，根据一般材料的特性的经验和装配关系，主轴长度为700mm,直径为80mm.材料为Q235.卡爪主轴的校核图6 主轴受力简图 主轴只受纯弯曲应力作用。最大弯矩出现在轴的中心截面，也就是轴的危险截面。根据作业载荷估算，F=2000N , =180Mpa根据参数计算 36.8mm由于在工作中， 轴会绕着中间的铰点转动。轴的尺寸需要更大一些。轴径80符合轴的设计强度。3.2 动臂和斗杆参数的确定 3.2.1动臂和斗杆基本尺寸的选择 初选动臂转角： = 135度由设计经验和统计分析知，最大拾取半径的值很接近动臂长度、斗杆长度二者之和+，即R=+；又由设计参数知，最大拾取半径R=4400mm；由经验统计和参考挖掘机参数有下列关系存在：=1.8。综上可知：R=+ 即：4400=1.8+ 得：=1560mm =1.8=2800mm按照经验统计工作时的载荷量。初步确定动臂上盖板的宽度：=100mm，斗杆上盖板的宽度=100mm。3.2.2斗杆宽度、钢板厚度、许用应力的选取 按照经验统计和参考挖掘机，并结合计算出的斗杆长度，选取斗杆宽度为：=100mm；挖掘机所用钢板的厚度在我国一般为，初选底板厚度如图4.2.2.1所示。10斗杆板的厚度；100为底板的宽度图7 斗杆箱型结构 在斗杆与动臂铰接处，由设计经验即查表知，此处所受应力最大，故此处的侧板宽度h也是最大的，侧板其他截面宽度按规律减少。 在一般机械中选用的结构钢材一般为16Mn，其有足够大的屈服极限和良好的机械性能。其屈服极限。在斗杆中取安全系数，则斗杆的许用安全应力为： 危险截面的有效面积： （41） 该截面对y轴的惯性矩: （42） 该截面对z轴的惯性距: （43） 横截面总面积: （44） 该危险截面所受到的正应力: （45） 该截面所受到的最大弯曲正应力: （46） （47） 则截面所受到轴向拉应力与弯曲应力合成后有: （48） 由于剪应力的大小相对于弯矩所产生的弯曲正应力要小得多，为简化计算，在计算中剪应力忽略不计，仅在校核中用，则有： （49） 由4-1、4-2、4-3、 4-4、4-5解得100mm斗杆符合强度校验3.2.3 动臂宽度、钢板厚度、许用应力的选取 由分析知在动臂拐点处所受到的应力可能最大，是危险截面。因此我们首先要选择该截面进行计算，算出截面最大宽度，然后再以此为基础，就可以用作图法或计算得到动臂的其它结构尺寸。由查阅相关资料和经验统计，初步选择：动臂底板的宽度：底板的厚度：由于上动臂所受的载荷较大，故取上动臂侧板的厚度，=203mm.而下动臂所受的载荷相对要小，故选择下动臂的侧板的厚度为,=173mm许用应力的选取：动臂钢板所选的材料为所普遍采用的低合金结构钢16Mn，其屈服极限，并初选安全系数则许用应力： （4-10）应力的计算与危险截面尺寸的求取：危险截面所围成的面积：危险截面所围成的有效面积：） （4-11） 则上动臂的有效面积： （4-12）下动臂的有效面积： （4-13）上动臂危险截面对Y轴的惯性矩 （4-14）下动臂危险截面对Y轴的惯性矩 （4-15） （4-17）上动臂危险截面中拉伸轴向力所产生的正应力： （4-18）弯曲所产生的正应力： （4-19） 取过ZB两点，以及D点的截面为危险截面，如下图所示，在斗杆装配图中可以得到三个危险的具体尺寸。 图8 动臂危险截面图 图9 危险截面1 图10 危险截面2 已知各危险截面的具体尺寸以及力、弯矩的大小，采用与校核斗杆同样的方法计算出危险截面1的合成应力为123.6MPa，危险截面2的合成应力为153.4MPa。同理可以求出动臂第二个工况两危险截面的合成应力，经计算截面1、截面2的合成应力分别为110.2MPa，146.5MPa。构成动臂的材料为Q3453,其屈服极限为345MPa，取安全系数为2，得到斗杆截面的许应力为345MPa/2=172.5MPa。斗杆各危险斜面的应力均小于许用应力，故动臂是安全的。 第四章 液压驱动装置设计4.1 回转机构液压缸的选取整个拾包机的回转是通过齿条驱动回转支承轴承的齿轮旋转使机构回转的。齿轮的运动是通过液压缸带动它运动的。需要设计的部分就是液压缸的选型和行程的选用。根据整机的质量和回转支承轴承的摩擦系数。粗略设计液压缸选用HSG型工程用液压缸。活塞杆直径为50mm,.最大推力31000N，最大拉力为23000N，.能满足机器的工作要求。液压缸行程，根据实际工作要求，拾包机的回转角度在0-180度。行程等于回转支承轴承周长的一半， 即h=D/2，经计算， 取整h=420mm.4.2工作机构液压缸的选取动臂液压缸选用HSG型工程用液压缸。活塞杆直径为40mm,.最大推力21000N，最大拉力为16000N，由于谷包的重量不是很大， 拾包机本身的质量也不是很大， 参照挖掘机的动臂参数和拾包机的工作范围 ， 粗略的选取动臂液压缸的行程为400.mm.液压缸的长度根据装配的基本尺寸而定。其他的液压缸也类似的选取。4.3液压回路与控制系统拾包机是安装在小型的专用汽车上，所以各个液压缸的液压动力来源于汽车上的液压马达，通过油管与液压泵相连接，采用三位四通多路换向阀来控制各液压缸的伸缩， 实现拾包机的正常工作油管的长短根据实际情况而定， 但是要保证不能干扰液压缸的伸缩，油管用管夹固定在拾包机的动臂和斗杆上，。油路的分流采用分流阀。液压系统控制图如图所示：各调节开关在控制台上， 通过控制液压缸的伸缩，基本实现拾包的自动化。 总 结通过这次毕业设计，我学到了许多。这是一次关于学习的旅程，路上充满着荆棘，最后都被一一化解。这种感受正是成长的感受，我很高兴能够在进行专业学习中获得成长，无论是知识上的，还是其他方面。 总的来说我比较好的完成了既定任务。每个人都很好的完成了自己的任务，还有不少同学还不时去帮助其他同学弄清楚一些问题。 毕业设计使我了解了农业机械的一下设计机构和工程机械的设计结构、液压系统以及液压原理。有很多设计理念来源于实际，从中找出最适合的设计方法。遇到问题和同学互相讨论交流。多和同学讨论。在做毕业设计的过程中要不停的讨论问题，这样，我们可以尽可能掌握更多知识，这样就不会使在做的过程中没有方向。讨论不仅是一些思想的问题，还可以深入的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的处理问题要快一些，少走弯路。多改变自己设计的方法，在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问题的方法，这样可以方便自己解决问题。 设计也是一面镜子，它照应出了我的本领和知识的深度。在这次设计中，我遇到了很多的困难，这也正说明了我的专业基础知识不够扎实，更从侧面反映出我还拥有多么大的提升空间。这也次设计，我做得很充实，因为它充满了一系列的问题需要你自己去解决，还需要解决后的完善，这其实多么像生活，怎么处理自己的事只不过是一种态度。正因如此，我很认真的对待这次设计，态度，是起码的前提。也通过这次设计，更加深沉和长久地磨练了我的性格-沉稳的对待。归根究底，这次设计是一次系统性的学习，这是符合知识储存规律的，也符合我们的认知规律，而更有意味的是系统性是一切实物和组织的本质。设计是人对自己大脑思想的个性化和综合化处理，在设计中学习、提升，这是再好不过的了。最后，很感恩在江西农业大学生活的四年，我爱我的母校，十年甚至是二三十年后我都会回忆起我在这儿生活过、学习过、成长过，就让我怀着诚挚的心情把这份简单而充实的毕业设计献给我的母校。参考文献参考文献1吴宗泽主编.机械