温室韭菜收割机设计学士学位论文

塔里木大学毕业设计前言我国吃韭菜有着悠久的历史，好多菜肴都有韭菜。可见我国人民对韭菜的热爱之深。随着科技的进步，各种粮食蔬菜都大面积种植，源自于有着机械收割装置，限制韭菜种植面积发展的重要因素就是在于机械化问题。我国劳动人民在长期的生产实践中对收割工具有许多发明创造，据古书记载在三千五百年前已经发明了镰刀，在十三世纪中叶创造了推镰等高效工具。但这些成就在长期的封建和半封建、半殖民地的社会中得不到应有的发展和重视。当韭菜种植面积大时靠人们用镰刀收割，效率太低，在收割时菜农一直蹲着非常累，而且如果大面积种植，收割的劳动力比较少，而且工价很高，又加大了韭菜的做种植成本，相应的单位面积的效益也随之降低了。韭菜收割机的设计过程从对韭菜收割的机械化转换，总结普通农业机械的运动模式和功能实现，到具体机构的设计构思和分析计算，产品模型的建立，工程分析和设计制造，一步一步完整走过，让整个设计路程圆满而成果丰硕。其中，数字化的设计方法和基于特征的参数化设计系统让设计过程高速而有效，对这个设计过程起到了关键性的作用。韭菜收割机是在对常用的农业机械进行了初步探索下进行的，对农机的普遍机构进行了深入研究，并从中提取出农业机械通用的结构和使用的设计，将其精华注入到这款韭菜收割机中，力求使这款韭菜收割机能更加实用，更加合理，以弥补设计实践上的经验不足。在设计过程中，我们对部分机构进行了功能实现性的设计，机械设计分析和理论设计计算，从割刀的设计、皮带链条的设计选用，多方面设计研究让收割机模型更加合理。关键词：收割机；温室韭菜；往复式割刀；设计塔里木大学毕业设计塔里木大学毕业设计目录TOC\o"1-2"\h\u1绪论 绪论1.1课题研究的意义我国吃韭菜有着悠久的历史，好多菜肴都有韭菜。可见我国人民对韭菜的热爱之深。随着科技的进步，各种粮食蔬菜都大面积种植，源自于有着机械收割装置，限制韭菜种植面积发展的重要因素就是在于机械化问题。我国劳动人民在长期的生产实践中对收割工具有许多发明创造，据古书记载在三千五百年前已经发明了镰刀，在十三世纪中叶创造了推镰等高效工具。但这些成就在长期的封建和半封建、半殖民地的社会中得不到应有的发展和重视。当韭菜种植面积大时靠人们用镰刀收割，效率太低，在收割时菜农一直蹲着非常累，而且如果大面积种植，收割的劳动力比较少，而且工价很高，又加大了韭菜的做种植成本，相应的单位面积的效益也随之降低了。随着种植业结构调整和设施栽培的迅速发展，韭菜的种植面积逐年增加，在面积上已经由过去的占蔬菜面积的2%-3%发展到现在的5%-6%。一亩地一年亩产韭菜3000斤，一斤一块钱，除去成本和人力一亩地可以获取1500块钱，收割韭菜一斤一毛钱，要损失300元钱，况且农村这样的工人也很难找，大面积种植时，人工收割成本会很高，如果有一台机器来代替这样的工作，不但可以减少菜农成本，还可以推广大面积种植。可见现在研制一台韭菜收割机器十分重要。1.2国内外温室韭菜收割机的发展现状1.2.1国外温室韭菜收割机的发展现状随着科技的发展，农业机械化的发展，国外对于韭菜收割机的研制也有着比较先进的成果。在二十世纪九十年代已经取得了一定的成果，经过数十年的发展，现在技术已经日趋成熟。国外的韭菜收割机主要是韩国为主，现阶段已经能够大大的减少劳动力，为菜农提供很好地效益。国外的韭菜收割机类型较多，收割的通用性比较强，相对来说比较成熟。国外的韭菜收割机可以很好地实现韭菜的收割，并且有些收割机还可以很好地实现一机多用的效果。韭菜收割机的效率较高并且在实现很好地收割的前提下并且能够实现不伤根茎，能够很好地实现韭菜的再生长，可以很好的保证菜农的利益。1.2.2国内韭菜收割机的现状我国现阶段也有自己的韭菜收割机，但是现阶段我国还是以引进国外的韭菜收割机为主，并在其基础上进行改进和研发，我国已经能够研发出自己的韭菜收割机并且投入使用。但是在节省人力物力的同时也存在着技术的问题，只是能够对韭菜进行割倒，清洗，打捆。由于技术、经济的问题，并未能够完全在全国范围内进行广泛的推广和使用。我国现在正在处于韭菜收割机的发展初期，现在有许多的菜农还是一直在使用人工收割和小型的割刀进行收割，并没有多少在使用自走式的韭菜收割机。温室韭菜收割机在全国范围内的使用率并不高，发展温室韭菜收割机即节省了劳动力，有提高了生产率和经济效益，有着极为广阔的市场和应用前景。温室韭菜收割机是我国目前市场的需求而自主研制开发的普及产品，是用于韭菜收割的专业设备，该机器可以实现韭菜的收割和接收为一体，具有结构简单、操作方便、节省人力等特点。温室韭菜收割机在我国今后的发展将是一片光明。近几年来，我国有些企业在自主研发以及引进外国的先进设备来满足农户的需求以及广大市场的需求。各种韭菜收割机已经相继投入使用，为农户带去了方便。1.3国内外温室韭菜收割机存在的问题我国研究韭菜收割机的起步比较晚发展比较缓慢，和发达国家相比来说只能望其项背。但是韭菜收割机在实际的生产和使用的过程中仍然存在着一些如下较为突出额问题，因此，难以大范围的推广和使用。（1）韭菜的行距。根据韭菜收割机的行距不同，对韭菜的行距也有一定的要求。菜农不根据收割机来确定其行距则对韭菜的收割带来了很大的不便。（2）伤根损叶。韭菜与其他作物有所不同，由于韭菜多年生长、一年收割3-5次的特殊性，因此要求不能够伤根损叶，所以温室韭菜收割机在操作的情况下对后续的生长有一定的影响，因此，对韭菜的收割有很高的要求。（3）收割不齐。在收割的时候由于割刀以及传送的问题，导致进入收获筐的时候落入散乱，对后续的打捆造成了不便。（4）通用性差。一般的韭菜收割机只能用于韭菜的收割，而不能通过改变零部件来实现一机多用。（5）机具性能不稳定，适应性不高。当韭菜的行距以及收割高度不一定的时候，对于韭菜的收割同样会带来有些想不到的问题。（6）作业成本偏高效率差。现在韭菜收割机处于发展初期，较好的韭菜收割机的费用不菲。对于菜农来说，实用性和成本高低成为了菜农首先考虑的问题。因为通用性不好，不能实现一机多用，导致生产设备利用率低，所以收割韭菜的成本也会随之增加。从而国内能够实现韭菜收割机全面推广和使用还有一定的距离。随着技术的提高这些问题将会在以后慢慢解决，并且能够占据一定的市场。1.4研究的内容和方法根据我国温室韭菜收割机的发展和存在的问题以及未来韭菜收割机的要求设计韭菜收割机。温室韭菜收割机主要有动力输入装置、切割装置、传送装置、微乳装置、接收装置组成。其中，动力行走装置是通过小型柴油机实现驱动。并且切割装置通过小型电机来实现并且通过曲柄连杆装置来实现切割。通过传送装置来实现接收，从而达到收割韭菜的目的。先确定我国已有的韭菜收割机的类型，根据已有的韭菜收割机的原理及结构，设计新型的韭菜收割机，使其产品能够更加适应小型企业的以及菜农的要求。主要保证机械功能的稳定性，保证切割性好，韭菜的完整性好，避免损根伤叶问题的出现等优点。1.5预期目标（1）整机操作方便，结构简单，通用性好，使用寿命长。（2）在温室中便于操作，效率高，能够很好地对韭菜进行收割，人工劳动量少，同时动力消耗上要尽量少。（3）制造价格便宜，容易普及，能够满足普通家庭农户的需求。1.6重点研究问题的关键及解决思路在现有的韭菜收割机的基础上，进行利用刀具进行收割传送装置，实现韭菜的收割，从而实现韭菜收割机的设计。（1）选择合适动力传递方式，设计工作装置和传动装置。（2）运用AutoCAD软件，绘制二维零件图和装配图。（3）运用三维设计软件完成整机各零部件的三维建模。1.7工作条件及解决方法塔里木大学位于南疆中心位置，校内有农业工程重点实验室、小工厂等实验基地，为项目开展提供了场地和基本条件。校内拥有优良的硬件环境，机械电气化工程学院拥有先进的实验设备和机械加工制造设备，并且师资力量雄厚，完全可以满足温室韭菜收割的条件。2温室韭菜收割机的总体设计2.1收割的典型方法及收割方案的选择2.1.1收割的几种典型方法目前开发出来的绝大部分设备都是采用机械式来进行收割，常见的机械式收割方式如下：（1）往复式韭菜收割：其割刀作往复运动，结构简单，适应性较广。目前在谷物收割机、牧草收割机、谷物联合收获机和玉米收获机上采用较多。它能适应一般或较高作业速度的要求，工作质量较好，但其往复惯性力较大，震动较大。切割时，茎秆有倾斜和晃动，因而对茎秆坚硬、易于落粒的作物易产生落粒损失。粗茎秆作物，由于切割时间长和茎秆多次切割现象，则会出现割茬不够整齐。对于韭菜收割来说，比较适宜。（2）圆盘式韭菜切割：圆盘式切割器在水平面内作回转运动，因而运转较平稳，震动较小。该切割器的割刀圆周速度较大，其切割能力较强。切割时靠茎秆本身的刚度和惯性支撑。目前在牧草收割机和甘蔗收割机上采用较多，在小型水稻收割机和小型韭菜收割机上也有采用。2.1.2收割方案的选择为了实现预定功能提出两个方案可供选用：方案一：利用往复式割刀来进行收割，其结构简单，容易设计，便于制造，性价比也比较高，只需要通过一个曲柄摇杆机构来实现方案二：采用圆盘式割刀进行其结构相对比较复杂，设计比较困难，适合茎秆比较粗壮的作物，加工工艺要求比较高。经过方案的比较和选择，在设计要求内方案一能够满足设计的要求条件，方案一比方案二性价比高，且容易实现。所以选择方案一的割刀收割方案。2.2温室韭菜收割机的结构温室韭菜收割机的结构主要有分禾器、拨禾轮、割刀、曲柄摇杆机构、传送滚、传送带、电机、机架等结构组成，如图2-1所示。在确定好行距之后，在发动机的驱动下经过减速器来实现韭菜收割机的驱动。在进地之后，在分禾器的作用下实现单行的韭菜的喂入，进而经过拨禾轮来进行韭菜的扶正，通过与机架垂直的两个传送滚进行韭菜的扶正并且夹紧。往复式割刀在曲柄摇杆机构的作用下实现动割刀的往复运动进而实现实现韭菜的切割，在韭菜隔断之后直接通过传送带传送至后面的接收器内，从而完成了韭菜的收割。传送带的传动是传送电机来带动的，通过齿轮来连接两个传送滚的反向转动。传送带的主动传送滚带动从动传送滚的运动再通过皮带和齿轮的连接来实现拨禾轮的转动。在整个韭菜收割的过程中主要机构是传送装置和割刀装置，在这两个装置的配合使用下使得整个过程变得简单。此次韭菜收割机的设计可以实现一机多用的作用，根据不同作物的要求，要求收割时的割茬也会不一样。韭菜的收割割茬一般在1cm左右，而其他作物的割茬显然不同，所以可以通过调整前轮的高度来调节不同作物割茬的要求。对于不同的作物来实现不同的割茬要求，较好的解决了收割机都不同作物的适应性，生产效率高。分禾器2.拨禾轮3.支撑前轮4.传送带5.传送带电机6.传送滚筒7.接收筐8.曲柄摇杆机构9.驱动轮图2-1温室韭菜收割机结构图3拨禾机构的设计拨禾轮的设计是韭菜收割的开始，拨禾轮的使用可以收割直立和一般倒伏的作物。图3-1拨禾轮拨禾轮的运动轨迹的形状，决定于拨禾轮的圆周速度Vy与机器前进的速度Vm的比值；为拨禾速度比。只有当≥1时，才有可能将作物茎干引向割刀配合切割，并在割断后继续的向后推送茎杆，一面在割刀上发生堆积和堵塞。＞1时，拨禾轮的工作情况才是正常的。拨禾轮的工作过程中，需要拨禾轮具有良好的工作质量，除了满足＞1外，还应该满足工作过程中不同阶段的要求。切割时，拨禾轮应该扶持作物茎杆，以配合进行切割，避免切割器将茎杆向前推到。3.1拨禾轮的位置调整要使拨禾轮能够正常够其安装高度就必须满足：（3-1）式中：R—拨禾轮的半径；h—割刀离地的高度；L—为作物高；H—拨禾轮轴安装高度。清扫割刀和稳定推送的条件当茎杆被割断够，要求拨禾轮继续起推送作用，如果此时拨禾轮的作用点位于已割作物中心的上方，就能将茎杆稳定的向后推送，直到与拨禾轮圆周相切的位置，如果拨禾轮的作用点过高，清扫切割的作用将减弱，如果拨禾轮的作用点在重心之下，则隔断的作物很可能回绕在拨禾轮向前翻或者被挑起，造成损失。已割断作物的中心位置一般在顶部向下的1／3处，设已割部分长L则l=1／3L。因此，要求拨禾齿在割断作物的中心点以上，则应该保证：（3-2）3.2拨禾轮的转速为了选择拨禾轮的转速，首先确定拨禾速度比，前已分析，拨禾轮正常工作的必要条件是≥1，加大拨禾轮的速度比，拨禾轮的作用范围和作用程度增加，但是也不能过大，它受到两方面的限制，但是机器的前进速度Vm一定时，增大值，就要提高拨禾轮的圆周速度Vy，这将对作物的冲击增加，而使作物不能够很好地切割。经实验证明，韭菜收割的速度一般在1.5m／s。另一方面，当机器前进速度Vm较高时，为了使Vy不超过受脱离损失限制的允许值，拨禾轮的速度比就应该减小。当机器前进速度较低时，很有可能在Vy不超过3m／s烦人情况下，大大增加拨禾轮速度比，但是过大则会出现回弹现象。（3-3）（3-4）经过专家实验韭菜收割机的一般取1.3～2.3。这里取1。所以R为拨禾轮的半径，为拨禾轮的角速度。n初取为22r／min，前进速度Vm应该根据机器的生产率、割副、调配动力等因素而定，在使用中，由于地块条件亩产量和作物的状态等情况的改变而需要改换不同的前进速度。3.3拨禾轮的直径拨禾轮的直径与稳定推送有很大的关系，拨禾轮的直径应该满足：（3-5）其中取1.8，L取0.3，h取0.01；即拨禾轮的直径取0.4m。4曲柄摇杆机构的设计与计算具有一个曲柄和一个摇杆的铰链四杆机构称为曲柄摇杆机构。通常，曲柄为主动件且等速转动，而摇杆为从动件作变速往返摆动，连杆作平面复合运动。曲柄摇杆机构中也有用摇杆作为主动构件，摇杆的往复摆动转换成曲柄的转动。4.1曲柄摇杆机构的简单设计在韭菜收割机的割刀传动的问题下，结合实际情况，所以曲柄摇杆机构是一种很好的是割刀进行往复运动的很好地方式，其结构简图见图4-1。图4-1曲柄摇杆机构结构简图曲柄摇杆机构作为韭菜收割时的核心机构，AB为曲柄摇杆结构中的摇杆，AB杆在割刀电机的带动下绕着A点进行转动从而带动连杆BC进行摆动。D点为一定点，CDE为一弯曲的连杆，在连杆BC的作用下CDE进行摆动，再用连杆EF连接刀具，从而可以实现动刀具的往返运动，今儿实现韭菜的切割。4.2割刀在曲柄摇杆机构下的运动分析割刀的运动特性对切割器性能有着直接的影响，曲柄连杆机构的割刀运动：为了简化分析，如图4-2，设曲柄轴的偏心距为0，连杆的长度为无穷大，则割刀运动可视为曲柄在割刀运动线上的投影，为一简谐运动。图4-2割刀运动分析若以曲柄轴心为坐标原点O，水平向右为X轴，向上为Y轴，并令曲柄由第二象限的水平位置顺时针转动，则割刀的位移方程为：（4-1）速度方程式：（4-2）加速度方程式为：（4-3）式中:r—曲柄半径；—曲柄角速度。割刀位移、速度、加速度与曲柄转角的关系如表4-1所示。表4-1位移、速度、加速度与曲柄转角的关系图00900180027003600-r0+r0-r00000为了便于分析，下面研究割刀速度与位移的关系及加速度与位移的关系（4-4）两边平方简化后得：（4-5）可见速度Vx与位移x的关系为一椭圆方程式。椭圆的长轴半径为，短轴半径为r。由图可知任意位移点的割刀速度。割刀加速度a与割刀位移X的关系为：（4-6）即加速度与位移为一直线关系。5往复式切割器的切割性能参数的分析5.1切割速度分析试验证明：在割刀锋利、割刀间隙正常（动、定刀片间的间隙为0～0.5mm）的条件下，切割速度在0.6～0.8m／s以上时能顺利的切割茎杆，若低于此限制速度，则会出现割茬不齐并有堵刀的现象出现。为了探讨切割器在切割茎杆过程中的速度大小，需绘制切割器的切割速度图，并进行分析，切割器的切割速度简图如图5-1。图5-1切割器切割速度简图切割器切割速度的特点是：割刀在一个行程中与两个定刀片相遇，因而有两个切割速度范围，分别为Va1-Vb1及Va2-Va2。从两个范围的速度看，虽然没有最大割刀速度，但仍属于较高速度区段，因而切割性能良好。因此，安装割刀时，应当使用销处左右两止点位置，定刀片和动刀片的中心线重合。5.2切割平均速度割刀的速度为一变量，为了便于表示割刀速度的大小，常以平均值即割刀平均速度Vp表示。（5-1）式中:n—割刀曲柄速度；r—割刀曲柄半径；s—割刀行程。有Vp又在0.9和1m／s之间，选择Vp=1m／s代入可得：n=394r／min5.3切割功率的计算切割器的功率包括：切割功率Ns和空转功率Nh两部分。即：（5-2）（5-3）式中：—机器前进的速度；—机器割副；—切割每平方米面积的茎杆所需功率。割韭菜在10和20马力间。Nh大小与切割器安装技术状态有关，一般每米割副所需空转功率为0.8～1.5马力。=0.56米／秒，B=0.2米，L0取15马力Nh=1.2马力。代入可得：N=1.37马力。6传送机构的设计与选择韭菜收割的传送机构我选用带式传送，带式输送机是连续运输机的一种，其运输特点是形成装载点到装载点之间的连续的物料流，所以输送带的传送可以很好地是韭菜从收割点到接收点的传送，然而普通的传送并不能完全满足韭菜收割机的要求。传送带分为以下几个类型：（1）按放置方向水平、倾斜和组合三种；（2）按转向分为顺时针、逆时针两种；（3）按运动状态分为匀速和变速两种。结合温室韭菜收割机特点我们采用组合式的传送类型来给与传送。就韭菜收割机而言传送部分是相对来说比较重要的一个组成部分。本次设计的主动传送滚在韭菜收割机的后方，来实现动力的输入。由于韭菜收割机特殊性，所以必须实现双传送来实现韭菜收割机的传送，动力输出的同时要实现主动传送滚的反转，鉴于这一特殊性我们使用齿轮连接两个传送滚筒的方式来实现滚筒的反转如图6-1。图6-1传送滚筒的齿轮连接与此同时从动滚筒在割刀的前方，既能实现韭菜的传送又能是韭菜进行加紧便于收割，整个传送装置如图6-2。图6-2传送带机构示意图7轴的校核轴的材料主要是碳素钢和合金钢。钢轴的毛坯多数用轧制圆钢和锻件，有的则是直接用圆钢。碳素钢比合金钢低廉，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方法提高其耐磨性和抗疲劳强度的，故选用碳素钢制造轴尤为广泛，所以选择45号钢。图7-1动力输入轴（1）计算作用在传送轴上的作用力大小，此处取P=340kW.h；n=20；转矩：T=95.5×105×EQ\F(P,n)=95.5×105×EQ\F(0.34,20)=81170(N.mm)圆作用直径：d1=25mm圆周力：Ft=2T/d1=2×81170/25=6493(N)径向力：Fr=Ft/2.653=2447(N）轴向力：Fа=Ft/3.734=1738(N)（2）求垂直面上轴承的支反力及主要截面的弯矩FBV=(Fr×20+Fа×d1/2)/430+20=164(N)FDV=Fr-FBV=2447-164=2283(N)截面C处弯矩为:MCV左=FBV×430=70520(N.mm)MCV右=FDV×20=45660(N.mm)（3）求水平面上轴承的支反力及主要截面的弯矩FBH=Ft×20/(430+20)=2447×20/430=114(N)FDH=Ft-FBH=6493-114=6379(N)截面C处弯矩为：MCH=FBH×430=114×430=49020(N.mm)（4）截面C处垂直和水平的合成弯矩（5）按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面的强度，由公式：（7-1）式中：а—应力折算系数；Mv—轴上危险截面处的当量弯矩，N.mm；W—轴上危险截面处的抗弯矩截面系数，mm3；[σ-1]—轴在对称循环状态下的许用弯曲应力,MPa；d——轴上危险截面处直径，mm。取а=0.6，计算截面上的应力：前面已选定轴的材料为45钢，调质处理，由表查得[σ-1]=60MPa，由于σv＜[σ-1]，故安全。总结这次毕业设计是一个很好地对自己大学四年的总结，本次温室韭菜收割机的设计基本上对大学四年所学到的只是做了一个全方位的巩固的认识。这次的设计使我把理论和实际做了一个很好的结合。温室韭菜收割机的设计非常的全方位。从方案的论证到最终的设计，涉及的领域包括：机械制图，机械原理，工程材料，机械设计等等。通过设计实践，提高我计算、制图能力；使我们能熟练地应用有关参考资料、计算图表、手册、图集、规范，熟悉有关的国家标准。机械方面知识得到系统的巩固和提升。在进行毕业设计的同时，我还学到了许多新的知识，如Solidworks，CAD2007的使用和WORD、POWERPOINT等软件的应用。最后毕业设计是大