机械设计制造及其自动化专业毕业论文

1、河南农业大学本科生毕业论文（设计） 题 目 高地隙烟草喷雾机液压转向部分设计 学 院 机电工程学院 专业班级 机制xx级xx班 学生姓名 xxx 指导教师 xxx 撰写日期：20xx年 05 月 04 日摘 要高地隙烟草喷雾机是在烟草顶部进行喷洒施药的喷雾机。操作该机不需要专业驾驶特长，只要会驾驶农用四轮拖拉机即可从容操作。机器由于是四轮液压驱动设计，因此行驶平稳、爬坡能力强劲、制动性能较好，时速最高可达每小时15公里；喷杆适配长度6米、8米、12米，喷雾系统采用了防滴快速组装扇形喷头，不仅雾粒细、雾化均匀，而且不会漏喷、复喷及出现漏喷死角；自动恒压装置保证了喷头压力均衡，雾滴快速形成雾状风墙

2、，有效提高了雾滴穿透力，并且有效地防止雾滴的漂移，大大提高了农药的利用率；该机作业面积每小时最高达80亩，工作效率是背负式机动喷雾机的10倍，节水60%以上，按目前人工防治成本每亩15元计算，该机节约防治成本40%以上。该机喷杆调整高度可从0.52.2米之间任意调整，适应不同农作物不同时期的病虫害防治。本文对高地隙烟草喷雾机铰链转向系统进行理论分析，计算出有关转向的性能参数。关键词：烟草喷雾；四轮驱动；液压；全液压转向器The Subject of Undergraduate Graduation Project of HEAUAbstractSelf-contained tobacco sp

3、ray machine is in the top of the spraying spraying on tobacco spray machine. Its unnecessary to need professional driving skills for Operating the machine, as long as the agricultural four-wheel tractor drive will be easy to operation. The machine is round hydraulic drive design, so it has advantage

4、s such as steady driving, strong climbing, good braking performance, speed up to 15 kilometers per hour; Spray length is 6 m, 8 m and 12 m. The spray system uses the drops of fast to assemble the nozzle, not only the fog grains, uniform atomization, and does not leak spray, spray and spray in comple

5、x leak blind Angle; Automatic constant pressure device ensure the nozzle pressure balance, aerosol droplets form quickly mist wind wall, effectively improve the droplets penetration, and effectively prevent the droplets are the drift, greatly improving the utilization rate of the pesticide; This mac

6、hine operating area for up to 80 mu per hour, the working efficiency is 10 times of backs motor spray machine. It saves water more than 60%. According to the current of manual control cost 15 RMB, the prevention and control of saving cost more than 40%. This machine spray stem height can be adjusted

7、 from 0.5 2.2. Its meters adapts to the different crops in different periods of pest control.This paper will make the analysis of the theory for the tobacco sprayer hinge steering system, calculates the relevant to the performance parameters. Keywords: Tobacco spray; Four-wheel drive; Hydraulic; Ful

8、l hydraulic steering gear 目 录1引言12 烟草喷雾机的发展与现状12.1 国外烟草喷雾机的现状12.2 我国烟草喷雾机的历史和现状12.3改善提高烟草喷雾机性能的意义23 设计的主题内容23.1项目的来源23.2烟草喷雾机液压驱动的分析23.3烟草喷雾机液压转向的分析43.4烟草喷雾机各零部件的分析与选择63.5烟草喷雾机液压转向的改进174设计总结与讨论194.1设计的结论和主要收获224.2存在的不足23参考文献23致谢281 引言我国是世界上烟草种植面积最大的国家，但长期以来，我国烟草种植、采收与维护的机械化普遍较低。其中，为烟草除虫除害的工作主要由农民手工劳

9、动完成，不仅工作环境恶劣，劳动强度高，效率低下，并且长期接触农药，对农民的身体有很大的不良影响。因此为了改善这种状况，我国需要设制造出能够方便快捷并且实用的烟草喷雾类机器。机械化的推广是现代烟草农业建设的重要内容。没有烟草农业的机械化，就没有烟草农业的现代化，这已经成为烟草行业的共识。我国必须加强烟草农业物质技术装备水平，加快烟用机械研制、推广和应用步伐，尽快实现烟叶生产全程机械化。本文对高地隙烟草喷雾机进行液压转向部分的分析，并对液压转向部分提出修改意见，做出理论上的可行性证明。2 烟草收获机的发展与现状2.1 国外烟草喷雾机的现状施药技术规范化植保机械作业是一项特殊的田间作业 , 有其严格

10、的要求。发达国家都制定了诸如采取何种喷头、何种压力、多大风速下喷雾等严格的施药作业技术规范。国际上许多著名的植保机械厂家开发了旱地气力辅助喷杆式喷雾机、各类静电喷雾机、回收式喷雾机和采用微波、红外传感或者图像识别技术的自动对靶喷雾机及果园仿形喷雾机等。在国外，特别是西方一些发达国家，由于烟草种植都是大面积农场化，烟草喷雾仅靠人力难以满足要求，因此对烟草喷雾机械的研究较早。目前国外烟草喷雾机械程度化较高，烟草机械得到广泛应用，像美国，已经开发出大、中、小等不同型号的烟草喷雾机械以适应不同需求，在烟草喷雾机械领域处于领先地位。国外的植保机械正朝着智能化、光机电一体化方向快速发展。2.2 我国烟草喷

11、雾机的历史和现状目前，我国在烟草喷雾机械方面仅限于小型器械，没有设计制造出适合烟草病虫害防治特点的多功能的机器。对烟草喷雾的工作还主要由人力劳动进行，主要使用背负式喷雾器和手动喷雾器以及少些小型喷雾机。而且，目前市场上面广量大的手动喷雾器产品技术水平低，结构陈旧落后，喷射部件品种单一，而且施药液量大，雾化性能不良，作业功效低，农药浪费现象严重,给生态环境造成严重污染。少量的喷杆喷雾机都是简易型的，也没有配备喷幅识别装置，更谈不上采用自动化控制系统。因此，对大型烟草喷雾机的需求极为迫切。2.3改善提高烟草喷雾机的意义烟草喷雾机械化是烟草产业现代化的一个重要重要表现部分，是顺应先进生产力的发展要求

12、，是发展现代烟草种植、减少劳动时间、稳定烟草种植面积、解放劳动力、增加烟农收入的有效途径。提升劳动工具，大力发展机械化是现阶段提高烟草生产率的现实选择。烟草喷雾机的不断完善，能够极大推进烟草产业实现机械现代化。本烟草喷雾机器能满足广大国营农场、适度规模经营的家庭农场及植保服务队发展的需要，提高旱作地区大田农作物病、虫、草害防治的作业质量和机械化水平，缓解劳动力紧张程度，减轻劳动强度，保障劳动安全。3 设计的主题内容3.1烟草喷雾机3WZG-1000型号烟草喷雾机山东临沂一家机械厂出的农用类器械，我们学院何玉鹏老师、黄伟华老师、徐波老师等进行了实地考察，并带回来了珍贵的图片。我们由此对本机器进行

13、完整的理论分析，并自此基础上提出创新性的修改意见与自主创新，纠正并完善该器械的不足与不当之处，强化该型号机器的性能，优化机器的系统和结构，以制造出高地隙烟草喷雾机，并能够使其满足市场的要求。3.2烟草喷雾机液压驱动的分析 由于液压传动系统具有很多优势，现代工程机械，特别是低速行走工程机械，广泛地应用液压传动系统。在烟草喷雾机的行走过程中，液压泵带动液压马达工作，从而驱动机器行走。在这个过程中，主要通过换向阀、溢流阀等的作用，实现烟草喷雾机前进、后退与停止。 图（1） 液压驱动马达 图（2） 液压泵3.3烟草喷雾机液压转向的分析典型的转向系统有三部分组成：转向传动机构，转向器和转向操纵机构。1，

14、转向传动机构的作用是将转向器输出轴的运动传递给转向臂，转向臂偏转车轮而改变车辆的行驶方向。2，转向器的功用是将方向盘的回转运动转换成为传动机构的往复运动。3，转向操纵机构的功用是产生转动转向器所必需的操纵力。液压动力转向时利用发动机输出的动力为能源驱动油泵，油泵产生高压油液通过液压缸控制车体转向，以使转向操纵省力。高地隙烟草喷雾机采用铰接式车架并不是单一的整体，而是由前后两个车架组成，中间用垂直的销轴连接起来。交接转向是通过转向油缸推动前后车架绕销轴转过一定角度而实现的，因此叫做“折腰”转向。该机的车架因由前后车架组成，所以，一般轴距较大，由于车身曲折角度较大，所以仍可获得较小的转向半径。转向

15、工作原理：该烟草喷雾机转向液压系统的工作原理为，前后车架之间用铰销连接，转向油缸铰接在铰销两侧的前后车架上，转向时，前后车架相对偏转，内侧的油缸缩短，外侧的油缸伸长，反之转向另一方向。本烟草喷雾机使用的折腰转向系统具有转弯半径小、卸载方便、行驶稳定、结构见凑、重量轻、舒适性好等优点，通过采用全液压转向器与阀控油缸来驱动车体转向。1，液压转向缸 2，全液压转向器 3，节流阀 4，减压阀 5，溢流阀 7，液压动力泵 8，滤油器 图（3）原烟草喷雾机液压系统转向图图（4）液压转向中使用的液压缸 图（5）全液压转向器液压功能图3.4烟草喷雾机各零部件的分析与选择3.4.1转向液压缸的计算与选择 液压缸

16、是液压系统中的执行元件，它的功能就是把液压压力能转化为往复运动的机械能或摆动的机械能。在高地隙烟草喷雾机中，转向液压缸的选择，必须使得液压缸产生的转向力矩，大于车辆转向所需的力矩。关于转向力矩的说明：车辆满载静止时的转向阻力矩最大。折腰转向的车辆，转向轴和前桥是一个三脚架的形式，在这个等腰三角形中，转向轴是顶点，前桥是底边，在车辆后部载荷很严重的情况下，转向时转向轴的位移很小，如果假设转向轴无位移，那么转向时前桥是在油缸作用在地面拖动，已知前垂直载荷，查下橡胶和地面的摩擦系数，这样可以计算出摩擦力，再由前桥和转向轴的距离以及油缸的作用点的距离计算出转向力矩。转向阻力矩应当与使车辆转向所施加的主

17、动力矩相等，即为油缸所输出的力矩，目前设计中使用的公式为, 式中，N为转向阻力矩，G为转向车体重，B为轮距，r为轴距。该公式实质上是转向车轮与地面摩擦力所产生的阻力矩，如果忽略车体转向时的惯性，在理论上是正确的，其中综合阻力系数，实际上是以车轮和地面的摩擦系数形式出现，在缓慢转向即惯量不大的情况下转向时可测得，如果把前车体力矩写成，则后车体阻力矩应当是。若，则后车体不应当动，但实际上转向过程中前后车体都有转动，这就充分说明转向过程中有惯性力存在，也就是说如果前车体的地面阻力矩加上它的转动惯性力矩若大于后车体的地面阻力矩，则后车体同样也会转动。在该烟草喷雾机中，已知， （1）（F为液压缸所需产生

18、的力，S为液压缸到铰点的垂直距离）。其中，该车后车体较重，故只考虑前车车体力矩。 (2) 由(1),(2)式可 (3)液压缸的有关设计参数见图，图a为液压缸活塞杆工作在受压状态，图b为液压缸活塞杆工作在受拉状态。活塞杆受压时 （4） 活塞杆受拉时 （5）式中 无杆腔活塞有效作用面积(m2)；有杆腔活塞有效作用面积(m2)；P1液压缸工作腔压力(Pa)；P2液压缸回油腔压力(Pa)，即背压力，其值根据回油的具体清空而定，初算时可参照表1取值。差动连接时可另行考虑。D活塞直径 (m) ；d活塞杆直径(m) ；由公式（5）和表1可知,（采用补油泵的闭式回路）（液压油经回油路直接回油箱）表1执行元件背

19、压系统类型背压力/MPa简单系统或轻载节流调速系统0.20.5回油路带调速阀的系统0.40.6回油路设置有背压阀的系统0.51.5用补油泵的闭式回路0.81.5回油路较复杂的工程机械1.23回油路较短，且直接回油箱可忽略不计活塞杆直d径和活塞直径的杆径比确定D，其比值可按表2和表3选取。 （6） 令则杆径比，所以可得 （7）所以活塞杆直径 （8）液压缸直径D和活塞杆的直径d计算要按国标规定的液压缸的有关标准6进行圆整。可参照表4和表5进行选择可知，。表2 按工作压力选取工作压力/MPa5.05.07.07.00.50.550.620.700.7表3 按速度比要求选取1.151.251.331.

20、461.6120.30.40.50.550.620.71注:无杆腔进油时活塞运动速度；由杆腔进油时活塞运动速度。表4 常用液压缸内径D(mm)840125（280）1050（140）3201263160（360）1680（180）40020（90）200（450）25100（220）50032(110)250注：圆括号内的尺寸为非优选尺寸表5 常用液压缸活塞杆外径d(mm)420561605226318062570200828802201032902501236100280144011032016451253601850140由上式计算选择，则以此为标准计算液压缸的工作面积为 （9）油缸壁厚的

21、确定, 除按计算确定液压缸的壁厚外, 还可按有关资料所推荐的数据选择, 根据液压传动设计手册可先选定液压缸的厚度为=5mm。缸体采用45钢，并调制到241241HB。缸盖采用HT300,液压缸活塞采用耐磨铸铁，活塞杆采用45钢，导向套采用耐磨铸铁。3.4.2液压马达的选择与计算 由资料可知，高地隙烟草喷雾机的行走最大时速为9km/h，所选用的马达为低速大扭矩马达。 车轮转速其中车轮直径 （10）转矩、功率与转速之间的关系为 （11）液压马达的排量为 （12） 式中 液压马达的载荷转矩；液压马达的进出口压差。进油口压力为，背压按表5选取， 根据液压元件及选用手册查取适用的低速大扭矩偏心径向柱塞马

22、达。本文选取MFB5型号，具体型号参数如表6所示表6 B型轴向柱塞马达的型号和技术参数型号排量转速范围最大输出转矩N/m重量MFB510.551003600315MFB1021.1010032005410MFB2043.80502400101193.4.3选择液压泵的规格高地隙烟草喷雾机所使用的液压齿轮泵泵流量为40L/min,具体型号为HS-70A柱塞泵，最低速度为630rpm，最高速度为780rpm，且该泵的最大压力为1-2MPa。从产品样本和机械设计手册中选择相应的液压泵。假设该液压齿轮泵的额定功率为，为使液压泵由一定的压力储备，所选泵的额定压力一般要比最大工作压力大25%60%。所以

23、在工作循环中，液压泵的压力和流量比较恒定，则 式中 PP液压泵的最大工作压力（Pa）；qVP液压泵的流量（m3/s）；P液压泵的总效率，参考表（7）选择表7 液压泵的总效率液压泵类型齿轮泵螺杆泵叶片泵柱塞泵总效率0.60.70.650.800.600.700.800.85由于选的液压泵为齿轮泵，所以选3.4.4液压阀的选择1）阀的规格，根据系统的工作压力和实际通过该阀的最大流量，选择有定型产品的阀件。溢流阀按液压泵的最大流量选取；选择节流阀和调速阀时，要考虑最小稳定流量应满足执行机构最低稳定速度的要求。控制阀的流量一般要选的比实际通过的流量大一些，必要时也允许有20%以内的短时间过流量。2）阀

24、的形式，按安装和操作方式选择。液压阀的安装方式按照螺纹连接进行，具体的参考表8这种连接适合表8 液压阀的安装方式选择方式场合螺纹连接系统较简单，元件较少，安装位置又较宽敞的场合板式连接系统较复杂，元件较多，安装位置又较紧凑的场合法兰连接一般用于大口径的阀，阀与管道间采用法兰该烟草喷雾机种主要涉及溢流阀，节流阀，减压阀。所选阀的规格型号见表9表9 高地隙烟草喷雾机液压转向系统液压阀明细表序号名称实际流量/选用型号1三位四通电磁换向阀4WE10R10/A G66012溢流阀DBDSG14K10NG103减压阀DR10DP1-6/25-2.5Y4节流阀MK10G1.23.4.5管道内径的计算 式中

25、qV通过管道内的流量（m3/s）；管道内允许流速（m/s），具体的参照表10。计算出内径d后按标准系列选取相应的管子，标准系列见表11表10 允许流速推荐值管道推荐流速（）液压泵吸油管道，一般常取1以下液压系统压油管道，压力高，管道段，粘度小取大值液压系统回油管道表11 常用钢管公称通径d(mm) 3820504102565512328061540100注：具体的钢管外径、管接头连接螺纹可参考机械设计手册单行本液压传动与控制表12表12 管路内径管路名称通过流量/（）允许流速/（）管道内径/实际取值/泵吸油管0.60.850.01112泵排油管0.64.50.01112溢流阀进油管0.14.5

26、0.00912溢流阀排油管0.120.00912节流阀进油管0.24.50.00710节流阀排油管0.220.00710三位四通换向阀的进油管0.154.50.00710三位四通换向阀的排油管0.1520.00710减压阀进油管0.54.50.00610减压阀排油管0.520.006103.4.6油箱容量的确定油箱容量的经验公式为 （13）式中 qV液压泵每分钟排出压力油的容积（m3）；a经验系数，具体的参照表13。表13 经验系数系统类型行走机械低压系统中压系统锻压机械冶金机械已知所选泵的总流量为40L/min，这样，液压泵每分钟排出压力有的体积为0.04m3。参照表13，选取经验系数，由式

27、（12）算的有效容积为按照表14液压泵站的油箱公称容量系列选取油箱的容积为160L。表14 油箱容量JB-T7938-1999(L) 46340012506.3100500160010160630200025250800315040315100040003.4.7液压油的确定液压油选用L-HL68矿物型液压油，粘度等级为68，密度为850960kg/m3。3.4.8液压系统的压力损失压力损失包括管路的沿程损失p1，管路的局部压力损失p2和阀类元件的局部损失p3，总的压力损失为 (14) (15) (16) (17) 式中 l管道的长度（m）；d管道内径（m）；v液流平均速度（m/s）；液压油密

28、度（kg/m3）；沿程阻力系数；局部阻力系数。qVN阀的额定流量（m3/s）；qV通过阀的实际流量（m3/s）；pn阀的额定压力损失（Pa）；1）沿程压力损失沿程压力损失与流动类型有关，流动类型用雷诺数Re来判断。对圆形截面管路 式中 管中平均流速；d管径；v流体的运动粘性系数。当时为紊流，当时为层流；称为临界雷诺数。由泵到节流阀这段管路中，所以油路在此时为层流状态，其沿程阻力系数为其余管道的长度，液压油密度，所以据式(15) 可以忽略不计。2）局部压力损失局部压力损失包括通过管路中折管和管接头等处的管路局部压力损失p2，以及通过控制阀的局部压力损失p3。其中管路局部压力损失相对小的多，所以只

29、计算通过控制阀的局部压力损失。从泵出口到液压缸，经过节流阀，减压阀，溢流阀。节流阀的额定流量为140L/min，额定压力损失为0.1MPa。减压阀的额定流量为100L/min，额定压力损失为0.3MPa。溢流阀的额定流量为130L/min, 额定压力损失为0.2MPa。根据式(17)计算通过各阀的局部压力损失为： 3.4.9液压系统使用中的注意事项 液压系统操作使用中需注意一下事项：(1)液压系统的工作油温以60°-80°为好，最高不得超过90°。(2)工作30个小时后，应更换油箱里的液压油，确保液压油清洗后再加入。换油时要清洗油箱底部，清楚机械杂质，否则，会引起

30、液压系统故障。(3)液压系统进入气体后，会造成油缸工作的不稳定，应及时排气。一般油管里残存的气体在机器运转中反复搬动各手柄和转动方向盘后，气体能排出。 3.5 烟草喷雾机液压转向的改进3.5.1液压折腰转向的分析铰链车辆的连接，主要依靠液压缸工作实现前车与后车夹角的变化，从而实现转向的目的。3.5.2液压缸的优化设计 由于单个液压缸所需要输出的力矩与工作载荷较大，具有很强的不稳定性，本文在此基础上，将烟草喷雾机修改为转液压缸转向，增强喷雾机转弯时的稳定性。图（6）双液压转向系统原理图 图（7）双液压转向平面图折腰转向动力学计算：如果考虑到转向时车体的惯量，油缸输出力矩为，即前车体转动阻力矩为,

31、后车体转动阻力矩为式中，为前车轮胎阻力矩，为后车体轮胎阻力矩，为油缸输出力构成的力矩，其中和为两个油压缸的力矩，和为前后车体的转动惯量。由于前后车体体转动力矩与油缸输出力矩相等，所以，。前后车体折腰转向时，转向角应当是前后车架转角之和即，总的折腰转向速度应当是，则可写的，两式相加，即可得，其中，取决于轮胎和道路情况的摩擦系数，可以通过实验测量得到。将式改写为其中 ,经变化，可得,可以看出，转动力矩与车辆结构参数有关，并与转动角加速度成正比。所以，当车辆结构确定时，转动力矩也能确定。那么双液压缸的使用，也将使得车辆的机构更为平衡，安全性更高。由转向力矩的计算及图(8)中可以看出，转向阻力矩的大小

32、与转向桥的轮距、转向桥的载荷、转向桥到铰接点的距离有关，调整三者中的任一个，都会影响转向阻力矩，从而最终影响到转向系统需要提供的转向力矩。当车辆转向力矩较大，需要布置两个油缸时，尽量对称布置，并且油缸的直径相同。在布置油缸的前后铰点时，尽量将油缸固定端的铰点布置在油缸的另一铰点在伸长到极限位置和缩短到极限位置的连线延长线上，从而保证在转向过程中油缸的作用力臂都比在极限位置时油缸的作用力臂大，并且在油缸的一个工作循环过程中，油缸的摆动角度最小。 图（8） 双液压缸转向力矩图车辆在转向的最左状态和最右状态时，在结构布置上可以实现油缸的作用力臂相等且在转向过程中最短，那么油缸在提供的转向力矩也是最小

33、的。为了保证转向的正常实施，则只需要保证在转向的最左状态和最右状态时，由油缸提供的转向力矩比转向阻力矩大，就能保证在所有的转向过程中，油缸产生的转向力矩都能满足转向要求。4设计总结与讨论4.1设计的结论和主要收获总结一个多月的思考与计算，作者对烟草喷雾机的结构有了全面的了解，在这个过程中学到了很多液压方面的知识：1.通过对整个机器工作要求的分析，建立了封闭的液压系统，研究各个液压回路的性能和设计理论。2.参考各种机械设备的液压系统，阅读了大量液压零件的资料并通过多次实地调研，合理选取各个液压部件和附件。在这个过程当中，受益匪浅，取得了一定的成果，也得到了巨大的收获：1.极大提升了作者的实践能力

34、。在这个设计之前，作者的脑子里仅仅只有一些课本上学到的专业知识，对于如何应用知识进行设计创造，将知识用于实践，根本无从谈起。当接到这个设计题目时，在老师的启发指导下，将书本知识和工程实践结合起来，逐渐学会了如何将知识学以致用。由于设计过程中，需要查阅大量的资料，因此作者的自学和查阅能力的得到了很大的提高。同时，在设计期间，有很多东西需要实际调研，这增强了作者主动收集资料，主动解决问题和别人进行技术沟通的能力。2.极大提升了作者的团队协作能力，培养了作者的团队精神。以前作者做事，总是喜欢一个人独来独往，只按照自己的想法来。加入设计小组以后，大量的工作使作者认识到，只能一个人是不可能完成整个设计任

35、务的。于是，设计小组每个人分配好各自的设计内容，遇到问题相互讨论研究，并及时分享自己的心得成果，这样做起事来事半功倍，非常有效率。3.极大增强了作者的自信心，使作者获得了前所未有的成就感。在克服了重重困难，使整个系统和各个部件确定后后，作者感到前所未有的自豪，因为这是设计小组的劳动成果，是智慧与汗水的结晶。这极大鼓舞了我的自信心，使作者相信只要肯付出，一定会得到回报的。4.2存在的不足虽然经过仔细分析，作者从这个机器中学习到了许多的液压知识，但是，由于时间和自身专业知识的限制，本文还存在着许多不足之处，有待进一步研究和改进。1.系统性能验算的时候，各种能量的损失并不能准确的确定，主要是参考前人的设计参数。显然这样的考虑并不全面。2.液压缸设计尚显粗糙，一些细节方面未考虑周全，如活塞杆的导向，密封和防尘，液压缸的排气装置和缓冲装置这些并没有考虑进去。3.各种阀类的安装方式和各个连接管道的长度并没