毕业设计（论文）-梳刷式枸杞采摘机的设计

第2页共22页目录1绪论 12.1梳刷式枸杞采摘机的工作原理 32.1.1脱粒原理 32.1.2梳刷式枸杞采摘机的工作原理 42.2梳刷式枸杞采摘机的组成 42.2.1送料装置的设计 52.2.2收集装置的设计 62.2.3筛选装置的设计 62.2.4鼓风机的设计 72.2.5机架的设计 83梳刷式枸杞采摘机相关参数的确定 83.1电动机的选择 93.2脱粒装置中脱粒盘的转速 93.3梳刷式枸杞采摘机脱粒轴的功率 93.4电动机的功率 93.5电动机的转速 104带及带轮的设计 104.1传动带的设计 114.1.1确定计算功率 114.1.2选择V带的型号 114.1.3确定带轮的基准直径 114.1.4确定传动中心距和带长 114.1.5验算主动轮上的包角 124.1.6确定V带的根数 124.1.7确定带的初拉力 134.1.8求V带传动作用在轴上的压力 135V带带轮的设计 135.1带轮的材料选择 135.2主动带轮的设计 145.3从动带轮的设计 156传动轴及脱粒主轴的设计 156.1求传动轴上的功率、转速和转矩 166.2初步确定轴的最小直径 166.3求轴头一的载荷 176.4按弯扭合成应力校核轴的强度 187总结 18参考文献 19致谢 201绪论手工收获枸杞，不仅加大了劳动力，而且回收率比较低，不能将全部的枸杞全部收获，会给农民的收入带来一定的损失，采摘枸杞需要大量的劳动力和巨大的采摘费用，这成为向日葵产业进一步发展的限制因素，因此，梳刷式枸杞采摘机的诞生和应用具有十分重要的意义。因此，发明代替手工采摘枸杞的采收机也就显得特别重要。全套图纸加V信153893706或扣3346389411梳刷式枸杞采摘机属于农业机械，根据手工采收枸杞的方法而研制，能够代替手工采收枸杞；它是提高土地产出率与资源利用率的重要手段；也是持续、合理利用农企资源的重要手段。根据我国的枸杞农业机械的发展和研究现状来看，目前大多数采用枸杞脱粒装置有纹杆滚筒式脱粒装置、钉齿滚筒式脱粒装置、双滚筒式脱粒装置、轴流滚筒式脱粒装置,弓齿滚筒式脱粒装置；它们工作性能稳定，成本低廉，结构简单；但是振动噪声大，机械结构具有局限性，脱粒性能有一定的限制。在联合收割机上，脱粒装置必须与清选装置等其它作业相配套。随着枸杞产量的提高，联合收割机的产量也不断提高，在联合收割机上清选作业多采用了气流选筛或气流双圆筒式，使产生的脱粒物流量提高；因此，传统的脱粒装置不能很好的与这类清选装置配合工作，在一定程度上已经制约联合收割机生产率的提高并且影响作业质量。河北省平山县平山镇王母村的盖习林于2002年7月4日，申请的专利“采盘与划籽的设备梳刷式枸杞采摘机”，此机根据手工采收枸杞的方法而研制，能够代替手工采收枸杞。主要用圆盘顶在枸杞上，使枸杞在铁齿上划动，铁齿将枸杞划下。在国外，梳刷式枸杞采摘机械的自动化和机器人的研究始于20世纪60年代的美国（1968年），采用的收获方式主要是机械震摇式和气动震摇式，其缺点是果实易损，效率不高，特别是无法进行选择性的收获。从20世纪80年代中期开始，随着电子技术和计算机技术的发展，特别是工业机器人技术，计算机图像处理技术和人工智能技术的日益成熟，以日本为代表的西方发达国家，包括荷兰、法国、美国、英国、以色列、西班牙等国家，在收获采摘机器人的研究上做了大量的工作，试验成功了多种具有多种具有人工智能的收获采摘机器人。日本的采摘机器人研究始于1980年，Kawamura等人开展了采摘机器人的研究。他们利用颜色与背景的差别，采用机器视觉对作物进行判别，研制了采摘机器人。该机器人有5个自由度，对果实实行二维定位。由于不是全自由度的机械手，操作空间受到了限制，而且坚硬的机械爪容易造成果实的损伤。经过多年的生产和使用过程中暴露出了一些问题;1.与传统的脱粒机相比，脱净率略低；2.脱粒过程中，枸杞的碎芯较多，对筛选装置和清选装置构成了很大的压力,导致预清后枸杞的净度偏低。枸杞收获工作是整个枸杞生产过程中最重要的一个环节，而枸杞脱粒是收获工作中的关键环节，它决定了枸杞的破损程度。枸杞的破损影响枸杞的短期或长期的储藏，遭受破损的枸杞易发芽，长出霉菌和虫子，而且其市场价值和出口价值降低。对于一个枸杞采收工厂来说，1%的破损率就意味着相当大的经济损失。所以，降低枸杞脱粒损伤成为机械脱粒的主要问题。枸杞在脱粒过程中受力情况非常复杂，但研究表明:枸杞在脱粒过程中的破碎主要与冲击力有关，是枸杞与刚性部件冲击作用的结果。因此，从枸杞上脱下籽粒需要一个适当力的作用，这依赖于应用的方法，方法的适当应用可减小损伤。根据我国枸杞种植面积大、用种子量大、机械化程度低的情况，有必要从枸杞本身的脱粒特性入手，深入研究机械作用机理及其对枸杞破碎的影响，进而为低损伤、低破碎枸杞收获机的研制提供理论基础。为了解决枸杞脱粒过程中存在的枸杞损伤大的问题，了解机械对枸杞的作用机理，进而为低破碎枸杞脱粒机的研制提供技术依据，通过在各种施力状态下枸杞的冲击试验，获得了枸杞在不同施力位置和不同施力方向下的脱粒性质。结果表明:在同一水分级下，冲击力的作用方向是影响枸杞脱粒效果的主导因素，冲击力的作用部位对其也有重要影响。在对枸杞脱粒市场调研过程中了解到，随着国内枸杞种植区域的相对集中，枸杞脱粒、加工正在向大型专业化方向发展，目前国内规模较大的企业对大型、固定式新型梳刷式枸杞采摘机的需求是非常迫切的，这是因为梳刷式梳刷式枸杞采摘机不仅加工效率高，而且对枸杞损伤小。制约新技术推广应用的原因是:第一，新型梳刷式梳刷式枸杞采摘机机生产批量小、加工成本高，市场售价相对较高;第二，新型梳刷式梳刷式枸杞采摘机技术不够成熟，使用可靠性需要一定时间的考核。第三，多年以来，国内枸杞企业一直延续使用传统梳刷式枸杞采摘机配置清粮机的方式，脱粒过程中籽粒破损较多，由于预清后枸杞净度较高，基本上得到枸杞企业的认可，特别是目前多数枸杞企业在脱粒预清中与农民采取的是计件制，便于及时解决传统枸杞脱粒机配置清粮机方式中出现的问题;因此，分析梳刷式枸杞采摘机存在的问题，找出产生的根源，制定解决方案，梳刷式枸杞采摘机具有较好的市场前景。存在的问题有:(l)找出脱净率低的根源;(2)改进主轴结构，确定主轴最佳转速范围，降低枸杞破损的程度，提高预清机工作效率，提高主排出口枸杞粒净度;(3)改进筛选装置排轻杂结构，提高机器本身自排杂能力;(4)在现有机型基础上，加强移动式机型的研究开发与推广。针对存在的问题，采取如下改进方案:(l)调整主轴结构;改进筛选装置的结构。将筛选装置振动频率调整为300-320次/分，振幅改为15毫米;根据脱粒试验用枸杞粒大小的不同，更换合适筛片;2梳刷式枸杞采摘机的总体结构设计2.1梳刷式枸杞采摘机的工作原理2.1.1脱粒原理（1）打击原理。由工作部件（如冠状平板齿或纹杆）打击穗头（或反之由果穗碰击工作部件，如南方水稻的拌桶脱粒）使果穗产生振动和惯性力而破坏它与穗芯的连接，主要取决于打击速度和打击机会。（2）梳刷原理。当工作部件较窄，果穗通过时，就形成了梳刷脱粒，通常是茎秆不动或少量的纵向运动。（3）揉搓或搓擦原理。通常指谷层在挤压状态下在层内出现挫动而使谷粒脱落，发生在钉凿或纹杆滚筒的脱粒间隙中。它取决于揉搓的松紧度（强度），也就是间隙的大小和谷层的疏密。（4）碾压原理。脱粒原件对谷穗的挤压造成脱粒，在碾压过程中会使谷粒和穗柄之间产生横向相对位移，而通常谷粒与穗轴的抗剪力是较弱的，上述相对位移就形成了剪切破坏其连结力。因此，用辊子碾压铺在场院里的谷物层进行脱粒也是有效方法之一。一般来说，常见的组合有如下几种:一是用高的打击速度和紧搓，经较短的脱粒过程，如单滚筒脱料装置;二是用由低到高的打击速度，揉搓强度由小到大，用较长的脱粒过程，如双滚筒脱粒装置;三是用较低的打击速度和松搓，用长而又长的脱粒过程，如轴流滚筒脱粒装置。2.1.2梳刷式枸杞采摘机的工作原理梳刷式梳刷式枸杞采摘机机体采用圆钢焊制的栅格(或筛网)结构，其间隙大于枸杞籽粒的宽度，工作过程中梳刷式枸杞采摘机的主轴经皮带轮减速，带动采收机主轴旋转，主轴带动装在其上的锥齿轮旋转，通过锥齿轮的旋转带动脱离盘的旋转；脱粒盘实际上是由槽轮结构的基础上设计的，不仅可以使枸杞盘按一定的顺序进入脱粒装置，还可以使枸杞盘按顺序脱离脱粒装置；该脱粒盘工艺是仿生技术的一种应用，模仿人工用手搓枸杞的动作。在脱粒区内，可以实现间歇运动，这正好可以和经过传送装置传送进来的枸杞盘保持一致，使枸杞盘有顺序的接收枸杞，然后经过脱粒，枸杞相互之间受到一定压力的作用下进行充分梳刷，并且机内所有枸杞的任何部位都有充分的梳刷的机会，从而达到脱掉全部籽粒的目的；最后落下脱粒盘，从而达到脱粒的目的。这种方式不仅对枸杞的冲击力较小，脱粒过程比较柔和，而且对枸杞籽粒的破损较低。经过脱粒装置的枸杞脱落到筛选装置，筛选装置主要分为两个部分，第一部分将比较大的杂物过滤出来，经过机箱门将他们再回收，第二部分将杂物含量较低的枸杞过滤出来，通过出料口将枸杞收集起来装袋。2.2梳刷式枸杞采摘机的组成梳刷式枸杞采摘机主要包括：送料装置、脱粒装置、筛选装置、集料装置、出料口、皮带轮、电机、机架等等。其结构尺寸为长×宽×高=1500×1500×1500mm。如图2.1图2.1梳刷式枸杞采摘机1.杂物盖2.导杆3.筛子4.V带轮15.皮带16锥齿轮7.V带轮28.箱体9.铁齿10.铁齿架11.V带213.传送带14.支架15.V带316.螺栓17.电动机18.螺栓19.电动机机架2.2.1送料装置的设计结构如图2.2图2.2送料装置入料口是将枸杞盘填入梳刷式枸杞采摘机机体内的一个途径，它是梳刷式枸杞采摘机送料装置上的一个部件，它的作用在于通过入料口可以将枸杞盘顺利的填入机体内，而且在填入的过程中或是填入后的工作过程中，梳刷式枸杞采摘机能安全的工作，而且不会将枸杞或是枸杞盘从入料口飞溅出来，造成人员伤害等事故发生，因此，梳刷式枸杞采摘机的入料口的设计，即关系到采收机的工作质量(即脱粒不干净或是不完全等)。因为在将枸杞盘添入脱粒装置时，电动机带动主轴高速旋转，如果入料口的填料方式不利于主轴的工作，此时，这种填料方式对主轴、对机体都有很大的副作用，有可能瞬时加大主轴的承担负载，即同时加大主轴的弯曲应力、扭转应力等，同时也加大脱粒装置上铁齿的磨损和老化等。如果入料口的设计不当，会造成主轴的瞬时被卡死，电动机闷车等现象发生，这些现象对电动机和梳刷式枸杞采摘机的主轴有极大的破坏性。因此，在设计梳刷式枸杞采摘机入料口时应当考虑到设计不当可能发生的危害，精心分析其结构的合理性。2.2.2收集装置的设计脱离过程是经由送料装置的枸杞盘从入料口滑进脱粒装置的脱离盘上，由皮带轮带动的锥齿轮，然后锥齿轮带动脱离盘旋转，同时在脱粒盘上方的铁齿也按一定的速度做圆周运动，通过揉搓将枸杞脱落下来，枸杞盘在脱粒盘上运动一段时间后脱落下来，最后经过筛选装置排出采收机；脱落下来的枸杞由筛选装置进入集料装置。其结构如图2.3：图2.32.2.3筛选装置的设计枸杞在脱粒盘和铁齿之间进行脱粒，将已脱落下来的枸杞经由筛子筛选后，落到集料装置，由出料口排出机体外。在梳刷式枸杞采摘机中，筛选装置是由铰链四杆机构和筛网组成。筛网的主要功能是：将枸杞脱粒后，使枸杞从筛网的缝隙中漏出，而枸杞盘被筛网筛出排出采收机之外，从而使枸杞和枸杞盘分开，从不同的出口排出采收机之外，达到梳刷式枸杞采摘机的清选作用。在筛网的四周焊接的薄铁板，这样可以使经过脱粒装置脱粒的枸杞不掉落到集料槽以外的地方，这样可避免采收机内主轴和一些零部件的卡死，同时也可以增加枸杞的回收率。这样，可以加固筛网的连接质量，在正常工作时，由于有机架的固定支撑，可以使筛网的工作稳定性更高，更加可靠、稳定。从整体来讲，也达到了梳刷式枸杞采摘机的一体化设计，提高了整体刚度。筛选装置的结构如图2.4：图2.42.2.4鼓风机的设计把集料槽的底部设计成具有一定角度的斜坡，这样可以使经由筛选装置的枸杞顺利的从出料口排出。集料槽的作用是将经由脱粒装置枸杞收集起来，完成回收清理和与籽粒分离的作用。结构如图：图2.52.2.5机架的设计机架是支撑梳刷式枸杞采摘机的部件。它承担着采收机的主要重量、动力、负载和力矩，因此它设计的关键是绝对保证整机的强度和刚度。箱体部分要各自稳定，而且相对固定，以便做到机械在运转过程中不会产生晃动、歪斜，造成人身危险。因此为了箱体的坚固，此梳刷式枸杞采摘机的设计采用5毫米厚的钢板焊接制成。其结构如图2.6：图2.63梳刷式枸杞采摘机相关参数的确定在脱粒装置中脱粒盘是一个改进的槽轮机构，4个槽上安装可以固定从送料装置输送的枸杞盘的圆形凹槽；凹槽的直径为300mm，整个脱粒盘的直径为700mm。3.1电动机的选择根据实践测量得知每个圆形凹盘平均受力为500N，当梳刷式枸杞采摘机正常工作时，4个圆形凹槽高速旋转，因此，，即梳刷式枸杞采摘机正常工作时，受到的切向力为。其中：——圆形凹槽所受的力——参与工作的圆形凹盘个数3.2脱粒装置中脱粒盘的转速当梳刷式枸杞采摘机主轴高速运转时，带动脱粒盘转动，脱粒盘也有一定的转速，这个转速源于主轴的转速和脱粒盘的直径，即：其中：——脱粒盘的转速——梳刷式枸杞采摘机脱粒轴轴的转速——脱粒盘的直径3.3梳刷式枸杞采摘机脱粒轴的功率梳刷式枸杞采摘机所需的功率，应由梳刷式枸杞采摘机的工作阻力和运转参数求定，即：，计算求的：3.4电动机的功率电动机功率由公式来计算，梳刷式枸杞采摘机的总效率，应由组成采收机的各个部分运动副的效率之积，即，其中、、、、分别为每一个转动副的效率，选取转动副的效率值如下：V带传动0.94~0.97即取锥齿轮传动0.94~0.97即取摩擦传动0.85~0.92即取则由此可得电动机的功率：3.5电动机的转速根据资料《脱粒机》一书可查得主轴的转速在，按《机械设计指导书》中所推荐的传动比合理取值范围，取V带的传动比i=2~4，即可满足电动机的转速与主轴的转速相匹配，故电动机转速范围可选为：，符合这一范围的同步电动机转速的电机可选Y225M一6、额定功率30KW、满载转速980的电动机。4带及带轮的设计根据梳刷式枸杞采摘机的具体传动要求，可选取电动机和主轴之间用V带和带轮的传动方式传动，因为在梳刷式枸杞采摘机的工作过程中，传动件V带是一个挠性件，它赋有弹性，能缓和冲击，吸收震动，因而使梳刷式枸杞采摘机工作平稳，噪音小等优点。虽然在传动过程中V带与带轮之间存在着一些摩擦，导致两者的相对滑动，使传动比不精确，但不会影响梳刷式枸杞采摘机的传动，因梳刷式枸杞采摘机不需要精确的传动比，只要传动比比较准确就可以满足要求，而且V带的弹性滑动对梳刷式枸杞采摘机的一些重要部件是一种过载保护，不会造成机体部件的严重损坏，还有V带及带轮的结构简单、制造成本底、容易维修和保养、便于安装，所以，在电动机与梳刷式枸杞采摘机之间选用V带与带轮的传动配合是很合理的。选择V带和带轮因当从它的传动参数入手，来确定V带的型号、长度和根数，再来确定导轮的材料、结构和尺寸（轮宽、直径、槽数及槽的尺寸等），传动中心距（安装尺寸），带轮作用在轴上的压力（为设计轴承作好准备）。4.1传动带的设计4.1.1确定计算功率其中：——工作情况系数——电动机的功率查《机械设计》一书中的表8—7可知：4.1.2选择V带的型号根据计算得知的功率和电动机上带轮（小带轮）的转速（与电动机一样的速度），查《机械设计》一书，可以选择V带的型号为C型。4.1.3确定带轮的基准直径（1）初选主动带轮的基准直径，根据《机械设计》一书，可选择V带的型号，参考表8—4a，选取，。（2）计算V带的速度V带在10~20的范围内，速度符合要求。电动机与主轴的传动比计算从动轮的直径4.1.4确定传动中心距和带长取即：得：取：带长即：由《机械设计》一书中查表可查得：。实际的中心距可按下列公式求得：也可用经验公式：求得：4.1.5验算主动轮上的包角即：求得：满足V带传动的包角要求。4.1.6确定V带的根数V带的根数由下列公式确定：其中：—单根普通v带的许用功率值—考虑包角不同大的影响系数，简称包角系数—考虑的材质情况系数，简称材质系数，对于棉帘布和棉线绳结构的胶带，取，对于化学线绳结构的胶带，取。—计入传动比的影响时，单根普通v带所能传递的功率的增量，其计算公式如下：式中:一单根普通V带所能传递的转矩修正值，从《机械设计》可以查表8—4b—主动轮的转速查得：时查表8—2取值：由查得所以：取：根4.1.7确定带的初拉力单根V带适当的初拉力由下列公式求得其中:—传动带单位长度的质量，单位:4.1.8求V带传动作用在轴上的压力为了设计安装带轮轴和轴承，必需确定V带作用在轴上的压力Q，它等于V带两边的初拉力之和，忽略V带两边的拉力差，则Q值可以近似由下式算出：即：求得：5V带带轮的设计5.1带轮的材料选择因为带轮的转速，即，转速比较底，所以材料选定为灰铸铁，牌号为HT150。5.2主动带轮的设计带轮的结构设计主要是根据带轮的基准直径，选择带轮的结构形式，根据带的型号来确定带轮轮槽的尺寸，设计如下:主动带轮的结构选择因为根据主动带轮的基准直径尺寸=315mm，而与主动带轮配合的电动机轴的直径是，因此根据经验公式，所以主动带轮采用实心式结构。带轮参数的选择:通过查《机械设计》一书，可以确定主动带轮的结构参数，结构参数如下表，其他的相关尺寸可以根据相应的经验公式计算求得。表5.1带轮的结构参数（单位mm）带的型号fehbC172514197.522.1主动带轮的厚度可以由计算公式：求得:主动带轮的结构如图5.1所示：5.3从动带轮的设计从动带轮的结果选择因为根据主动带轮的基准直径和传动比来确定，即，，所以从动带轮同样采用轮辐式结构。从动带轮的参数选择:通过查《机械设计》一书，可查得带轮的结构参数间表，其他一些相关尺寸可以根据相应的经验公式计算求得。从动带轮的厚度可以由计算公式：求得即：从动带轮的结构如图5.2所示：图5.26传动轴及脱粒主轴的设计传动轴是梳刷式枸杞采摘机的主要设计部件之一，它在梳刷式枸杞采摘机正常工作过程中，承担主要转矩、扭矩、弯矩和支撑传动轴上的回转零件，枸杞脱粒是瞬时冲击很大，而且冲击次数很频繁的工作环境，因此传动轴的设计是很关键的一个步骤。它的主要作用是:一是支持轴上所安装的回转零件，使其有确定的工作位置;二是传递轴上的运动和动力。轴按照轴线形状的不同，可以分为曲轴、直轴、软轴和挠形轴等，根据梳刷式枸杞采摘机的结构特点和组成形状及工作强度和环境的要求，梳刷式枸杞采摘机的主轴选用直轴形式传递，而且选用直轴中的阶梯轴。为了让枸杞盘与铁齿能够充分接触产生脱粒效果，主轴采用了两端刚性轴头，这种结构不但有效地增大了脱粒盘的直径，而且也大大减轻了主轴的质量，有效地解决了惯性量太大的问题。6.1求传动轴上的功率、转速和转矩由《机械设计课程设计手册》表1—7得带传动的效率，则6.2初步确定轴的最小直径根据轴的扭转强度来初步计算确定其最小直径，可利用经验公式其中:—轴常用的几种材料的的值—主轴上的功率—主轴上的转速轴上的材料由《机械设计》一书中表15—1可以查到，应选取调质处理的45号钢，取，于是得：输入轴上的最小直径显然是安装带轮的内孔直径，必在轴上开有键槽，因此，为了开键槽又不消耗输出轴的强度，可以使轴的直径增加，因而可以提高轴的工作强度。即：将其圆整为：输入轴的最小直径是安装带轮处的直径，为了使所选的轴直径与带轮相配合，故使输入轴端的轴径选为55mm。带轮的厚度B=84mm，则取输入轴的首段轴径为d=65mm，其长度为125mm，结构如图6.1所示：图6.16.3求轴头一的载荷由静力方程求支反力根据轴的结构图，做出轴的计算简图从轴的结构图以及弯矩和扭矩图中可以看出截面A是轴的危险截面。现将计算出的截面A处的相关值列于下表：载荷垂直面支反力剪力弯矩扭矩6.4按弯扭合成应力校核轴的强度进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯扭的截面(即危险面A)的强度。由经验公式及上面计算出的数值可得出。公式：式中：—轴的抗弯截面模量，—材料的许用应力，。按轴实际所受弯曲应力的循环特性，在、、中选取其相应的数值，从《机械设计》可以看出。按《机械设计》书中查得，对于材料为45号钢，调质处理，由表15—1查得，故安全。7总结作为一种采收机械，主要设计的是它的脱粒装置，该梳刷式枸杞采摘机是建立在先进的CAD软件的基础上设计