果园挖穴施肥机的设计学士学位论文

塔里木大学毕业设计前言我国是生产水果的大国，无论是在面积上还是在水果产品的产量上都是位居世界第一的。但是由于果园管理和种植技术的落后使得水果产品的品质下降，所以果园施肥技术和方式就成了提高水果产品的品质的一大因素。虽然果园施肥方式呈现多样化的趋势，但是果园机械化施肥却处于一种比较低下的水平。甚至在一些地方还采用着人工施肥的方式，这样使得施肥工作繁重、效率低下、而肥料的腐蚀性对人体造成着伤害等，消耗着大量人力物力却无法达到提高水果产量和品质的提升。所以机械化施肥和肥料的利用率成了设计的重点。就此果园定量挖坑施肥机可以解决，机械化施肥和提高肥料利用率的难题。关键词：果园；挖穴；施肥机目录HYPERLINK1绪论 3HYPERLINK1.1课题研究的意义 3HYPERLINK1.2国内外定量挖坑施肥机发展状况 3HYPERLINK1.3国内外果园挖坑定量施肥机存在的问题 4HYPERLINK1.4研究的内容和方法 4HYPERLINK1.5预期目标 4HYPERLINK1.6重点研究的关键问题及解决思路 5HYPERLINK1.7工作条件及解决方法 5HYPERLINK2果园挖穴施肥机的总体设计 5HYPERLINK2.1果园挖穴施肥机方案的选择 5HYPERLINK2.2果园挖穴施肥机的结构 7HYPERLINK2.3果园挖穴施肥机的原理 8HYPERLINK3施肥机主要部件的设计 8HYPERLINK3.1土壤收集器的设计 8HYPERLINK3.2螺旋钻头的设计 9HYPERLINK4机械传动部分的设计 10HYPERLINK4.1机械传动结构 10HYPERLINK4.2传动比以及传动转速的计算 11HYPERLINK5挖穴施肥机的施肥箱设计 12HYPERLINK5.1施肥箱 12HYPERLINK5.2排肥轮的设计与排肥量的计算 12HYPERLINK6果园挖穴施肥机接近开关的设计 13HYPERLINK6.1接近开关的选择 13HYPERLINK6.2电容式接近开关与其定量施肥的原理 15HYPERLINK7轴的校核 16HYPERLINK7.1主动轴的校核 16HYPERLINK总结 18HYPERLINK致谢 19HYPERLINK参考文献 201绪论1.1课题研究的意义机械化施肥是提高水果产品的品质和产量的一种有效方式，但是由于我国在研究机械化施肥技术万面的起步晚对应的研究技术不成熟，在果园施肥方面采用的最多的还是人工施肥。但因其效率低劳动强度大人工成本高等原因已经影响到了我国果林行业的发展，人们对于机械化施肥的需求越来越强烈。在这种情况下我国借鉴国外先进的技术和经验以及结合本土实际情况研究出了符合我国果林行情的各种施肥机械。但是我国国内缺少着机械化施肥机械使得很多地区都无法实现机械化施肥，而机械化的显著优点就是对比人工作业具有更高的效率，在现代农业快速发展的前提下我国对于施肥的机械化需求度越来越高而相对应的施肥机械却有待开发。特别是针对挖坑机的研究挖。挖坑机的作用是开挖施肥坑洞，我国在果园施肥主要是先使用挖坑机进行开挖坑洞然后再人工进行施肥及土壤回填。我国针对挖坑机的研究开发晚于国外，现在我国使用的挖坑机虽都能针对不同环境进行挖坑，可是功能单一挖坑之后就闲置无法满足机械化施肥作业的需求。虽然现在国内对于果园机械化方面的扶持力度不断增加，但我国在果园机械化施肥技术及机械上还存在许多问题。特别是近几年国内果园种植的面积不断增大如何因地制宜的选择施肥肥料、施肥量、施肥间隔都是我国需要深入研究的问题。而针对施肥机械的研究应该从挖沟、精量施肥、覆土、压埋的多功能一体化的机械施肥机开发为主。所以设计此类的施肥机械成为了不可避免的选择。1.2国内外定量挖坑施肥机发展状况1.2.1国外定量挖坑施肥机发展现状国外很早就开始了对于定量施肥机等精确农业技术的研究和发展，早在80年代末美国的土壤研究专家们就已经提出了精确农业这个概念。一直到现在精确农业在全世界广泛发展。精确农业追求的就是在追求农业生产效益提高的同时减少农业生态环境的污染。而日本在于定量施肥机械等精确农业的进展也是相当快的，而其生产的自走式高性能挖坑整地一体化施肥机采用柴油机作为动力，行走装置轮胎外还配备有行走脚，一般用轮胎行驶，坡地高时用行走脚行走。而英国生产的05H8300型号的挂式挖坑机械和美国的悬挂式挖坑机，钻头之间可以调节距离，工作效率高。1.2.2国内定量挖坑施肥机发展现状我国对于精确农业的思想也已经逐步被社会所接受，并将一部分的研究成果应用在了实际中。就精确农业而讲目前我国比较有代表性的研究机构有：中国农业大学精细农业研究中心，北京农业信息技术研究中心，上海精确农业公司，浙江大学精确农业研究中心，中国农业科学院，黑龙江八一农垦大学和吉林大学精确农业研究中心等。吉林大学马成林教授作为精确农业学科带头人开辟了精确农业研究的新方向，他已经完成了国家“九五”攻关项目“变量深施肥机的研制”和吉林省科委项目“精确农业自动变量施肥技术的研究”，对如何实施精确农业自动变量施肥技术进行了深入地探讨，提出了分步实施“精确农业”的设想：第一步进行手控变量投入；第二步采用智能化机具进行全自动变量投入。吉林大学为了适第一步手控变量投入技术的应用，已完成了“手动变量深施肥机”的研究开发。目前正在吉林省榆树市进行“机械化精确施肥技术示范”，已开始第二步“精确农业”研究示范应用。1.3国内外果园挖坑定量施肥机存在的问题目前，我国使用的施肥机也只能完成机械钻孔和人工辅助施肥，施肥量不能实现精密控制，而且作业成本高，生产率低下，劳动强度高。相比之下外国的施肥机械采用了电子、液压、计算机等新型技术进行自动化控制来提高作业质量，实现精量施肥，但是其机械成本高，一次性投入较大，且于我国传统的果园种植模式也并不匹配，不利于机具的的通过作业。1.4研究的内容和方法就针对于目前果园挖坑施肥中存在的问题，可以从两个方面来考虑：第一是依靠园艺技术来改善种植模式，实现机具于园艺技术配套，从而保证机具顺利进行果园田间施肥作业，但就依目前来看，调整传统的果园施肥模式是很难实现的；第二是根据果树生长情况及营养需求，进行挖坑定量施肥，一次性完成挖坑、施肥、覆土工作，有效的提高肥料的利用率和工作效率。所以必须根据我国的实际情况，结合果树的营养需求，设计一个能够实现挖坑、施肥、覆土一体化的果园挖坑施肥机，并且具备一定的检测和精确施肥的能力，成为本设计重点内容。1.5预期目标（1）果园挖坑施肥机作业方便，结构简单，通用性好，噪音小，使用寿命长。（2）施肥机施肥效率高、能实现精密施肥、并有一定覆土能力。（3）可以在田间、果树林上作业，人工劳动量少，同时动力上要消耗少。（4）制造价格便宜，容易普及，能满足果园农户的使用的要求。1.6重点研究的关键问题及解决思路该果园定量施肥机的主要动力源是由拖拉机的后动力输出来实现动力提供的，并由齿轮的传动作用传动给各个工作部件，实现挖坑、施肥、和覆土。在施肥过程中由电涡式接近开关实现施肥量的精确控制。（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）利用有限元分析和Solidworks进行虚拟样机设计，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，校内有实习工厂、土槽实验室、农业工程重点实验室等，设计条件较好，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，完全可以满足果园挖穴施肥机的工作条件2果园挖穴施肥机的总体设计2.1果园挖穴施肥机方案的选择2.1.1果园挖穴施肥机的几种样式目前，在果园施肥工作和过程中，多数果园农户仍采用传统的人工挖沟或挖穴撒肥的方式，该方法的肥料利用率低，大大增加了果农的工作强度。相比开沟施肥等其他的施肥方式来讲，挖穴施肥减少了对果树根部的伤害、有利于肥料的持续性吸收，更加节约能耗。图片2-1中所展示的是一种小型手提式果园挖穴施肥机，此类施肥机已被多数果农采用，得到了一定程度的推广。这种挖穴机采用的是一汽油机作为动力，动力强劲，由单人或是双人手提操作，方便使用效率又高，而且可以根据果园的需要来跟换不同的钻头。实用、方便，但是挖穴工作结束以后要使用人力来将液体或固体肥料填埋到坑穴中，比较适合于拖拉机无法通过的地形复杂的山地、丘陵等地区。图2-1手提式挖穴施肥机图片2-2所展示的是悬挂挖穴式施肥机，广泛用于果树的挖穴施肥作业，也可以用于独立的挖穴作业。其挖穴机设置在机架的后端，拖拉机设置在机架的后部，但其施肥工作需要人工操作，所以虽然提高了施肥作业效率但是肥料利用率却低下。图2-2悬挂式挖穴施肥机图片2-3为山东农业大学韩大勇等人根据果树标准化施肥技术的要求，研制设计的一种自走式施肥机，该施肥机由发动机驱动液压泵供油，电磁阀控制马达旋转，带动钻头转动，另外一个电磁阀控制升降液压缸，带动钻头由上往下进行钻孔作业，挖出的土壤搜集器，由单片机控制步进电机来驱动排肥器工作，实现定量施肥。图2-3自走式施肥机2.1.2果园挖穴施肥机方案的制定为了实现预定功能制定了一个方案：使用已拖拉机为输出动力源的挖穴施肥机，施肥机钻头转速由拖拉机马力和减速器的减速作用来确定，并采用土壤收集器来进行土壤的混合和施肥。为满足定量施肥的要求，利用电容式接近开关来检查于土壤的距离来封闭或是开启施肥管来控制施肥量。2.2果园挖穴施肥机的结构果园挖穴施肥机主要由，机架、施肥箱、后动力输出轴、齿轮箱总成、土壤收集器等构成。本机能在果园施肥作业中实现挖穴、施肥、覆土作业，大幅度减少劳动力，提高肥料利用率。比较使用果树农户的需要。13点悬挂装置、2机架、3链条、4施肥箱、5排肥轮、6覆土装置、7排肥管、8土壤收集器、9弹簧、10挖穴钻头、11齿轮箱总成、12主动轴、13从动轴、14后动力输出轴。图2-4果园挖穴机结构图2.3果园挖穴施肥机的原理本果园施肥机主要有齿轮箱总成、传动箱总成、3点悬挂装置、覆土装置、排肥箱、土壤收集器、机架等部分组成如图4.工作原理如下所述：（1）利用拖拉机的牙也悬挂系统将施肥机挂在施肥机后方。（2）施肥机的动力由拖拉机的后动力输出轴经传动轴总成传至于齿轮箱。（3）动力经过齿轮箱的减速、换向，作用于竖直方向和水平方向的两传动轴，带动排肥装置实施肥料添加。（4）在螺旋钻头于土壤接近时电容式接近开关开始开启排肥管，螺旋钻头开始钻孔时由其螺旋的提升作用，将土壤和肥料至于土壤收集器内混合；在螺旋钻孔结束提升过程中，肥料和土壤由土壤收集器置入钻孔中，并在施肥机前进是由覆土装置覆土。来实现整机钻孔、施肥、覆土一体化要求。3施肥机主要部件的设计3.1土壤收集器的设计土壤收集器主要以外套筒、内套筒和弹簧构成。其外套同和内套筒因为要和土壤、肥料相接触所以采用耐磨性能比较好65Mn刚。在螺旋钻头对土壤开始进行钻孔工作时，土壤收集器的内套筒受力向上收缩，通过螺旋钻的螺旋叶片的提升作用，将土壤提升至搜集器内部，随后土壤与肥料接触混合并在螺旋钻提升后随着土壤收集器向下进入钻孔内部，其结构图如下3-1所示。图3-1土壤收集器结构图3.2螺旋钻头的设计3.1.1螺旋刀片的参数的选择刀片的选择：选用梯形刀片比较事宜，安装角度以小于30比较合适。刀片的厚度/mm：8~10；刀刃的厚度/mm：0.2~0.8；刀片的材料：65SiMnRe钢或65Mn刚刀片的硬度：HRC46~HRC603.1.2螺旋钻头的外径螺旋钻头的外径是根据施肥坑洞的直径确定的，螺旋钻头的外径应略微大于施肥坑洞的直径，而随着土壤类型的不同其差异也有所不同。所以其螺旋钻的外径可以以下面的公式确定；（3-1）其中，D为螺旋钻头的外径；D0为施肥坑洞的直径，取0.38m。将数据代入式子（1），得出根据果园挖穴施肥机的工作要去，固取D=0.36m。3.1.3螺旋钻头的长度的确定一般的螺旋钻头的长度H应不小于坑深H0，即；该施肥机的挖穴深度H0=0.30m，故取=0.30m。挖穴钻头的螺旋升角，有（3-2）其中，为土壤对于刚的摩擦角，取30；为土壤之间的摩擦角，取40把以上的数据都代入式子（2）中，得到，得到根据我国国内挖穴用的螺旋钻的实验要求，，因此该设计中取。螺旋钻头的导程。有公式为（3-3）所以螺旋钻头的设计为图3-2螺旋钻头图4机械传动部分的设计4.1机械传动结构本挖穴施肥机根据功能要求采用了两级齿轮传动，传动部分借助于后动力减速器和其3个直伞齿轮构成，其结构图如图4-1所示图4-1机械传动部分结构图其中，1为后动力传输装置，2为主动齿轮，3从动齿轮为其链轮和螺旋钻头提供动力输出。根据螺旋钻头的传动需要的总传矩，分别设计了直伞齿轮（2、3、4）其参数如下齿轮2：z1=20，d1=285mm齿轮3：z2=25，d2=367mm 齿轮4：z3=15，d3=285mm齿轮1、2、4传动：模数m1=6，宽度b1=604.2传动比以及传动转速的计算本施肥机采用的是以拖拉机后动力输出轴为传动提供动力，如果采用东风904农用拖拉机为动力源其传输转速为540（r/min）。已知传动公式为；（4-2）本施肥机后动力输出装置是采用传动比1:1减速来输出的动力经过齿轮1和各个齿轮减速来改变转速，已知齿轮2的齿数为20齿轮3为25其传动比为；其于螺旋钻头的齿轮之间的传动比为；求出其传动比后计算其转速，其公式为；其中n0为东风904农用拖拉机转速540（r/min），n1为从动齿轮转速在算出螺旋钻孔的速度，将n0=432，代入得到为后续计算排肥量方便，将大链轮和小链轮传动比和转速计算出来，所以将z1为27、z2为13得到传动比为计算出小链轮转速为5挖穴施肥机的施肥箱设计5.1施肥箱施肥箱为整体式焊接结构，采用单一的排种口，箱体采用了厚度为1mm的铁板，采用等腰梯形结构，箱体没有死角，使肥料的残余量少，有利于肥料进入排肥轮中。根据施肥装置的通用尺寸参数，并结合果园施肥机的设计要求，确定了如下尺寸：施肥箱的开口出宽度为度a1；施肥箱下底的宽度为b1；施肥箱高度；工作幅度；排肥箱容积为98L。排肥口尺寸设置为：长a2；b2。5.2排肥轮的设计与排肥量的计算排肥轮应便于制造和清理，并且能使化肥均匀地落到筒底的输送管道中。为了充分利用重力输送化肥，排肥元件置于排肥器的下部，使排肥性能不受箱内化肥充满程度以及地面斜度和冲击力的影响。本施肥机械要求排肥量在kg之间，因此选用外槽星轮式排肥装置，星轮每转排肥量q为：（5-1）式子中F-排肥轮每单个齿槽面积（），，39.25；0-排肥轮每个齿厚（cm），取；-活门的开度（cm），即活门至星轮最下端的距离，取；-肥料充满系数，决定于肥料物理状态、湿度和其流动性，一般取；Z-排肥轮轮齿的槽数，取；r-排肥单位容积质量（），取r=1500。将以上所示的各个参数带入式子（1），得星轮每转排肥料量q为根据已知条件，可以按照下列公式计算出施肥机每公顷排肥量Q，即；（5-1）式子中，m为排肥器数量，取m=1；n为排肥器转动速，n=864；为排肥轮损失率（%）取。将各个参数代入式（2），得每公顷排肥量Q为每个钻孔内应排出的化肥量q0为其中，j为每公顷果园内的果树株数，设取为j=500。则所以每株果树的施肥量约为0.5kg。6果园挖穴施肥机接近开关的设计6.1接近开关的选择接近开关是一中无需要与运动部件进行机械直接的接触而可以操作的位置开关，当物体接近开关的感应面到动作距离的时候，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作，从而使驱动直流电器或给计算机（plc)装置提供控制指令。接近开关是种开关型传感器（即无触点开关），它既有行程开关、微动开关的特性，同时具有传感性能，且动作可靠强，性能稳定，频率响应快，应用寿命长，抗干扰能力强等、并具有防水、防震、耐腐蚀等特点。产品有电感式、电容式、霍尔式、交、直流型。接近开关又称是无触点式接近开关，是理想的电子开关量的传感器。当金属检测体接近开关的感应区域时候，开关就能无接触，无压力、无火花、迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力上，是一般机械式行程开关所不能相比较的。它广泛地应用于机床、冶金、化工、轻纺和印刷等行业。在自动控制系统中可作为限位、计数、定位控制和其自动保护环节等。而接近开关的种类和原理分别有；电容式接近开关图6-1为电容式接近开关这种开关的测量通常是构成电容器的一个极板，而另一个极板是开关的外壳。这个外壳在测量过程中通常是接地或与设备的机壳相连接。当有物体移向接近开关时，不论它是否为导体，由于它的接近，总要使电容的介电常数发生变化，从而使电容量发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化，由此便可控制开关的接通或断开。这种接近开关检测的对象，不限于导体，可以绝缘的液体或粉状物等。霍尔接近开关图6-2霍尔接近开关霍尔元件是一种磁敏元件。利用霍尔元件做成的开关，叫做霍尔开关。当磁性物件移近霍尔开关时，开关检测面上的霍尔元件因产生霍尔效应而使开关内部电路状态发生变化，由此识别附近有磁性物体存在，进而控制开关的通或断。这种接近开关的检测对象必须是磁性物体。光电式接近开关图6-3光电式接近开关利用光电效应做成的开关叫光电开关。将发光器件与光电器件按一定方向装在同一个检测头内。当有反光面（被检测物体）接近时，光电器件接收到反射光后便在信号输出，由此便可“感知”有物体接近。而本施肥机才用在接近开关与地面的距离来控制施肥管封闭与开启，所以只有电容式接近开关比较合适于本施肥机的要求，故选择电容式接近开过作为感应和开关装置。6.2电容式接近开关与其定量施肥的原理电容式接近开关属于一种具有开关量输出的位置传感器,它是由两个同轴金属电极构成，很象“打开的”电容器电极，该两个电极构成一个电容，串联在RC振荡的回路内。电源接通时，RC振荡器不振荡，当一个目标朝着电容器的电极靠近时，电容器的容量增加，使振荡器开始振荡，通过后级电路的处理，将停振和振荡两种信号转换成开关信号，从而起到了检测有无物体存在的目的。该传感器能检测金属物体，也能检测非金属物体，对金属物体可以获得最大的动作距离，对非金属物体动作距离决定于材料的介电系数，介电系数变得越大，可获得的动作距离越大。大多数的电容式接近开关都有一个多圈的螺旋电位器，用于开关距离的调整，其部分材料的介电常数如图；图6-4部分材料的介电常数本果园施肥机其在挖穴过程中利用施肥机与地面距离的变化来实现感应器感应地面来实现，肥料的定量施肥的。但其中重点在于感应器与地面达到多少距离时施肥，本果园施肥机螺旋钻头与地面开始接触到开始钻孔时施肥管开启使肥料进入土壤收集器来与土壤混合为宜，所以根据材料介电常数来确定电容式接近开关于地面距离为15cm时施肥比较时候于本施肥机，也合理于传感器的感应范围。7轴的校核7.1传动轴的校核轴的校核是选择轴和其强度计算的重要已经，计算其扭转强度。图7-1主动轴的结构视图选用45#调制，硬度为217~255HBS轴的直径约为d=36mm转速为n1=540根据轴直径公式得出其扭转强度(7-1)7.1.2轴长支反力根据轴承支反力的作用点以及轴承和齿轮在轴上的安装位置，建立力学模型。水平面的支反力：RA=RB=Ft/2=1606.43N垂直面的支反力：由于选用深沟球轴承则Fa=0那么RA’=RB’=Fr×65.5/131=584.695N画弯矩图主动轴剖面处的弯矩：水平面的弯矩：MC=RA×65.5×0.001=105.221Nm垂直面的弯矩：MC1’=MC2’=RA’×65.5×0.001=38.297Nm合成弯矩：(7-2)画转矩图：T=Ft×d1/2=3212.86×70/2×0.001=112.45Nm画当量弯矩图因为是单向回转，转矩为脉动循环，α=0.6可得右起第三段剖面C处的当量弯矩：(7-3)7.1.3判断危险截面并验算强度右起第三段剖面C处当量弯矩最大，而其直径与相邻段相差不大，所以剖面C为危险截面。已知MeC2=130.34Nm,由课本表13-1有:［σ-1］=60Mpa则：σe=MeC2/W=MeC2/(0.1·D43)=130.34×1000/(0.1×553)=7.8Nm<［σ-1］右起第一段D处虽仅受转矩但其直径较小，故该面也为危险截面：(7-4)σe=MD/W=MD/(0.1·D13)=67.47×1000/(0.1×303)=34.99Nm<［σ-1］所以确定的尺寸是安全的。总结此次设计的任务是完成果园挖穴施肥机的设计。这是我们在大学期间所进行的一次非常全面的设计，为自己在大学四年所学习知识的全面总结和巩固，使我们初步了解和掌握做设计的基本步骤、基本方法，通过本环节把我们在大学期间所学课程中所获得的理论知识在设计实践中加以综合和运用，把大学四年以来来所学的知识贯穿起来，使理论知识和生产实践密切的结合起来，为我将来的实际工作打下了坚实的基础。这是一个非常全面而系统的设计题目，非常锻炼人。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，CAD2008的使用和WORD、POWERPOINT等软件的应用。我深刻的认识到，要想成为一名合格的工程设计人员只是掌握本专业的知识是远远不够的，应该具有更加渊博的知识，如应该对计算机应用，农产品的特性，农业经济的发展现状等各个方面能力进行加强。在设计过程中也曾遇到很多的问题，但通过查阅相关的书籍、手册以及老师的精心指导，都得到了解决，设计过程基本顺利完成。致谢毕业在即，四年的