毕业设计（论文）-采茶机的结构设计

毕业设计（设计说明书）采茶机的结构设计研究全套图纸加V信153893706或扣3346389411摘要采茶机是从茶树顶梢采收新嫩茶叶的作物收获机械，根据采摘的方法不同可以分为选择性采茶机和非选择性采茶机两类。其中非选择性采茶机利用剪切原理采摘茶叶，因为其结构简单，使用较方便，所以得到了大力的推广。如今机械化采茶效率是手工采茶的近10倍以上，是解决当前茶叶采摘劳动力严重缺乏的根本手段。日本是国外最早研究使用机械设备进行采茶工作的国家，从最开始的利用大剪刀进行采茶，到现在研发的履带式、乘用型采茶机、自走式采茶机等，大大提高了采茶机的自动化程度，已基本实现机械化采茶。我国的机械采茶研发工作起步相对较晚，曾因零件受限和机械质量问题而停滞不前。近几年来，国内工业综合水平不断提高，有关部门也重视起对茶叶采摘生产的问题和技术的研究，使目前我国的采茶产业机械化得到了快速的发展。本毕设着眼于在了解采茶机机构的基本结构及其机械动力学特点基础上，对采茶机的工作环境进行分析，优化采茶机工艺问题，设计新的机械结构设计，绘制工程图，并对已设计出的各个零部件进行装配，最终形成能够满足实际工程生产需求的采茶机。以期为新型采茶机的结构设计及产业化应用提供一定的科学理论参考。关键词：采茶机；结构设计；机械制造

ABSTRACTTeapickerisacropharvestingmachineforpickingnewandtenderteafromthetopofteatrees.accordingtodifferentpickingmethods,itcanbedividedintotwotypes:selectiveteapickerandnon-selectiveteapicker.Amongthem,thenon-selectiveteapickerusestheshearingprincipletopicktea,becauseofitssimplestructureandconvenientuse,soithasbeenvigorouslypromoted.Nowadays,theefficiencyofmechanizedteapickingisnearly10timeshigherthanthatofmanualteapicking,whichisthefundamentalmeanstosolvetheseriousshortageofteapickinglabor.Japanisthefirstforeigncountrytostudytheuseofmechanicalequipmentforteapicking,fromtheinitialuseoflargescissorsforteapicking,tothecurrentresearchanddevelopmentofcrawlerteapickers,multiplicativeteapickers,self-propelledteapickersandsoon.Thedegreeofautomationoftheteapickerhasbeengreatlyimproved,andthemechanizedteapickinghasbeenbasicallyrealized.TheresearchanddevelopmentofmechanicalteapickinginChinastartedrelativelylateandwasstagnatedbecauseoflimitedpartsandmechanicalqualityproblems.Inrecentyears,withthecontinuousimprovementofthecomprehensivelevelofdomesticindustry,therelevantdepartmentshavealsoattachedimportancetotheresearchontheproblemsandtechnologyofteapickingproduction,whichhasledtotherapiddevelopmentofthemechanizationofteapickingindustryinourcountry.Basedontheunderstandingofthebasicstructureandmechanicaldynamiccharacteristicsoftheteapicker,thispaperanalyzestheworkingenvironmentoftheteapicker,optimizesthetechnologicalproblemsoftheteapicker,designsanewmechanicalstructuredesign,drawsengineeringdrawings,andassemblesthedesignedpartsandcomponents,andfinallyformsateapickerthatcanmeettheneedsofpracticalengineeringproduction.Inordertoprovidesomescientificandtheoreticalreferenceforthestructuraldesignandindustrialapplicationofthenewteapicker.Keywords:Teapickingmachine;Structuraldesign;Mechanicalmanufacturing

目录TOC\o"1-2"\h\z\u第一章绪论 第一章绪论1.1毕业设计的研究背景茶叶生产季节性强，“早采一天是宝，晚采一天是草”的说法中可以体现其时效的重要性。面对经济的发展，实现机械化采茶是必须切实面对的问题，而且能否采用机械化采茶已经成为目前制约茶叶生产发展的一个瓶颈，从采茶用工难的问题上可见一斑。目前，在茶园很难见到年龄较小的采茶工，一般年龄都比较大。由于采茶工人员的短缺，于是出现了争抢采茶工的问题。因此，由于缺少采茶工，致使茶园的茶叶不能及时的采摘。随着经济的快速发展，采茶工短缺的问题越来越凸显。据统计，每亩茶园平均需要1名采茶工，然而全国茶园面积几千万亩，在采茶季节集结数量这么多的采茶工是十分困难的。采茶机是从茶树顶梢采收新嫩茶叶的作物收获机械。根据采摘的方法不同可以分为选择性采茶机和非选择性采茶机两类。选择性采茶机有折断式和摩擦式等类型。折断式采茶机是利用弯曲折断的原理，采下鲜嫩的茶叶而保留粗老的枝条;后摩擦式采茶机则是用一对弹性摘指夹住茶叶，依靠摘指和茶叶之间的静摩擦力，摘下新叶并保留老叶和幼芽。因为生产的效率过低且对茶园作业条件的要求较高的原因，选择性采茶机没有获得大量推广。非选择性采茶机又称为剪切式采茶机，利用剪切原理采摘茶叶。非选择性采茶机的主要类型有往复切割式采茶机、钩刀切割式采茶机、螺旋滚切式采茶机等。因为其结构简单，使用较方便，所以得到了大力的推广。机械化采茶效率是手工采茶的近10倍以上，是解决当前茶叶采摘劳动力严重缺乏的根本手段，生产中机械化采茶虽然任务十分艰巨，但前景十分广阔。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状日本是国外最早研究使用机械设备进行采茶工作的国家，目前已基本实现机械化采茶。早在20世纪20年代，日本开始研究茶叶采摘和茶树修剪等器械，起初利用大剪刀进行采茶和茶树修剪，这是采茶机的早期原型。到20世纪30年代，前苏联农学家沙多夫斯基发明了一种轮式茶叶采摘小车并制作了样机模型，其收获部件以“往复式”切割机为核心，其主要成果在于实现了往复切割。到了20世纪50年代，日本开始致力于自动切割式采茶机和茶叶采摘修剪机械的研究。20世纪70年代左右，小型动力采茶机在日本初步研发成功，根据采茶方式的不同，分为往复切割式和螺旋滚刀式等多种类型。此时许多国家都在不同程度上开展了采茶机的研制工作，已经有茶田开始使用跨走式、乘用式的茶叶采摘车，对于茶叶的收割已经脱离人工。目前，印度、斯里兰卡、东非等国家和地区也相继实现了采茶的机械化。1990年前后，日本曾对其国内的六个产茶大县进行了统计，统计结果显示，机械化茶叶采摘的综合覆盖率高达85%以上，可见日本已基本实现大宗茶机械化采摘。此后始终致力于采茶机研究工作的日本，将它们的研发重心放到了自走乘坐式采茶机上。由株式会社寺田制作所和落合刃物工业株式会社分别研发的履带自驱动乘坐式采茶机和乘坐式采茶机，采用液压驱动的高地隙底盘，实现了横跨茶棚进行采茶工作，且可以灵活调节采摘器的高度，从根本上提高了采茶机的自动化程度。而这两者也在最近几年获得了较多的自走式采茶机相关的专利，比如茶叶采摘机械、履带式茶叶收获机械、乘用型采茶机、自走式采茶机等。但是由于历史因素和饮茶习惯，国外对于采茶机械的研究只是针对于采摘标准较低的大宗茶，对名茶优茶采摘机器的研究并不多见。1.2.2国内研究现状我国采茶及机械研究开发工作始于1985年，至今已走过50多年漫长曲折的历程。1965年以前，主要根据我国茶园特点对采茶机的采摘原理和动力类型反复的研究和选择。此后，采茶机的研制工作在我国各产地普遍展开。到70年代后期，先后提出过十多种采茶机型，并组织过几次全国性的对比试验,但最终因为这些机具动力,软轴不过关和机器本身制造水不高，未能在生产中应用。到70年代末期，受日本机械化茶树修建的影响，我国开始了茶树修建的研制，这一时期开发的平行、弧形往复切割式以及各种轻、深、重茶树修剪机，然而机具的动力需要向日本引进，而且还收制造厂企业规模的限制，部分零部件的质量不稳定，因此推广应用较慢。当今国内普遍采用的采茶机都是针对大宗茶生产时采摘荼树鲜叶用的，它的基本原理是通过机械动力带动刀片的运动，快速的剪切并收集茶树的芽叶。从而实现采摘茶叶的目的。为了满足国内茶区对茶树修剪机的需求,我国有关部门十分重视和支持国内有关厂家采取多种形式生茶茶树修剪机。例如完全国产，主件进口配件国产和散件进口国内组装。浙江川崎茶业机械有限公司和长沙落合茶叶园林有限公司为进口日本散件在国内组装修剪机的中外合资厂家，而杭州采茶机械厂，宁波电机厂，无锡扬名采茶机厂，福州建新农机厂和泰州林业机械厂等，以零部件全部国产或个别零部件进口，大部分零部件生产茶树修剪机。我国茶树修剪机械化事业之所以长期停滞不前，主要原因之一是国产的修剪机机械质量不过关，这主要是我国的小型动力机，机械加工，技术设备水平低和原材料质量不高等综合因素造成的。近几年来，国内有关部门认真总结了经验教训，开始重视对国外修剪技术的消化和吸收，从而设计和开发了符合我国国情的茶树修剪机械，并形成了自己特色，加之国内工业综合水平的提高，使目前我国的采茶产业机械化得到了极大的发展。1.3毕业设计研究意义本毕设的意义如下：基于上述背景，为避免采茶季节劳动力缺乏问题以及人工手提式或背负式的负荷作业，起到有效的提高生产效率，实现高要求的清洁化规模生产，降低劳动强度和生产成本的作用，本课题旨在设计一种新型采茶机，以期为新型采茶机的结构设计及产业化应用提供一定的科学理论参考。1.4毕业设计研究内容鉴于国内采茶机存在质量不高，部分零件受限且不稳定等问题，本毕设旨在设计更加合理高效的采茶机的机械结构。如何设计一种新型有效的自动采茶机是本毕设需要解决的关键科学问题；如何优化所设计采茶机机构工艺问题，并使得其满足实际工程生产需求是本毕设需要解决的另一关键科学问题。首先进行文献调研，查阅有关茶树采摘机械的的相关文献，了解清楚常见的采茶机机构的基本结构及其机械动力学特点；然后对采茶机的工作环境进行分析，确定采茶机的整体结构并对其基本构件进行选型与结构设计，绘制工程图，并对已设计出的各个零部件进行装配，最终形成能够满足实际工程生产需求的采茶机。1.5本章小结本章首先介绍了采茶机的研究背景知识，第二介绍了采茶机在国内外的研究现状：日本是国外最早研究使用机械设备进行采茶工作的国家，目前已基本实现机械化采茶；我国虽然起步较晚、技术基础薄弱，但在近几年来，国内有关部门开始重视对国外修剪采摘技术的消化和吸收，加之国内工业综合水平的提高，使目前我国的采茶产业机械化得到了极大的发展。最后阐述了本毕业设计课题的对实际工程应用的意义以及本课题的设计思路和研究方法。1.6毕业论文全局大纲架构本论文主要围绕采茶机的结构设计和工艺设计展开，重点对采茶机结构进行了优化和设计，第一章为“绪论”，介绍了毕业设计的背景、研究意义、研究内容等；第二章为“采茶机结构设计和理论计算”，简述传统采茶机结构设计原理、技术缺陷、拟解决的关键科学问题，着重突出结构设计创新点，详述理论计算过程等；第三章为“核心零部件设计及总装图说明”，对已设计的核心零部件、装配关系作详细说明；第四章为“总结与展望”，对研究内容及未来采茶机结构设计的所需提升之处进行分析总结。

采茶机结构设计和理论计算2.1采茶机总体结构设计内容经对目前茶树种植采摘工作环境以及实际种植情况的调查，大部分茶园茶树种植采用的两行树中心距约为1.5m，一行成年可采摘茶树茶稍的宽度约为0.8~1.2m，对茶树可采摘新梢特点与采摘的分析情况来看，结合现有各种采茶机，本文所设计的采茶机在便携式电动采茶机的基础上结合了推行自走式机体以及升降装置，保证各机构能够平稳的运作，同时减轻人工作业负担，提高生产的效率，增加产能。对采茶机采摘结构外形设计尺寸拟定：外形尺寸：600*150*150mm切割幅值：500mm本次毕设拟设计的新型采茶机主要由：采摘机构（切割器、分叶板、扫叶轮、机壳），升降装置，推行结构等构成。采茶机总体组成部分：图1·采摘机构总体结构示意图图2·升降装置如图1所示，采摘机构仍然选用便携式电动采茶机的主要组成，由切割器、分叶板、扫叶轮、机壳等组成。为使结构简单，切割器传动机构和扫叶轮的传动电机装置为各自独立。如图2所示，升降装置由电机和蜗轮蜗杆传动机构组成。由于茶树长势高度基本一致，在采摘工作中使采茶机工作平面固定适合的高度，使得作业过程机构运行平稳安全。推行机构只是起到稳定方便采茶作业的作用，满足升降装置和采摘机构的安装需求即可。作业时，由人工推行采茶机，接通电源，调节好机器参数，调节升降装置至适合高度，使采摘部分位于待采摘的茶树冠层，以一定的速度推动机体前进。采摘过程中，分叶板起到分离大叶片的作用，并汇拢茶树可采摘冠稍至切割器割刀处进行切割,然后由扫叶轮轻微控制新稍并将其扫荡输送至机器后端的收集袋，当收集袋收集到一定量的茶叶后，取出即可。2.2切割器及其传动机构设计及计算（1）切割器的选型：切割器是收获类机械的关键装置，其主要功能是切断收获对象的茎秆，目前农作物收获类机械上使用的切割器主要为往复式切割器。往复式切割器具备结构简单、适应性广泛的优点，能适应一般或较高作业速度，切割质量也较好。按动刀类型往复式切割器可分为单动刀往复式切割器和双动刀往复式切割器。对于双动刀往复式切割器，其上刀片和下刀片做等速率的相对往复运动，相对于单动刀往复式切割器这种类型的切割器往复运动的频率低，驱动电机转速相对较慢，因而工作时惯性力较小，对抗振动性能较差的小型收割机具有重要意义。要保证采摘后的茶叶完整率，冠层割茬的平整度，结合实际试验，双动刀往复式切割器能比较好的满足切割要求。因此，切割器选用双动刀往复式切割器。（2）切割器割刀刀片结构设计：往复式切割器按其切割行程S、刀片间距（上刀片间距t1、下刀片间距t2）的关系分型。双动刀往复式切割器的类型公式为：S=t12=t此类型比较容易控制切割速度。本节主要确定双动往复式切割器割刀相关参数（S，t等）。双动刀片的结构参数有：切割角θ、刀片高度h、刀片的宽度w、刀片厚度i、前桥宽度c和刀刃角ɑ，如图3所示。根据对往复式切割器的研究发现，当刀刃角ɑ取40°时，切割效果较好。利用质构仪对茶树新梢茎秆进行不同切割角的切割试验，得出的试验结果如图4所示。由此可得结论，切割角不能大于20°。茶树新梢分布密集，经过实际测量，采摘时切割部位的茎秆的平均直径为2.5mm，平均长度为20mm。因此，刀片的结构尺寸不宜过大或过小，否则不利于切割。图3·刀片结构示意图图4·切割角与对应切割效果图确定设计分叶板各项参数：刀刃角ɑ取40°；刀片宽度w取15mm；刀片前桥宽度c取4mm；刀片厚度i取2mm；刀片高度h取20mm；刀片间距t取25mm；以上参数范围保证了切割角θ的范围在0~20°之内，满足正常切割要求。（3）切割器传动机构方案从本设计的采摘机构考虑，作为普通便携式采摘机构，所以在满足采摘作业的条件下要尽量的使得结构特点为简单紧凑、质量轻便。从摆环传动机构、行星齿轮传动机构和曲柄连杆机构中分析，前二者广泛应用于大型机器传动系统中，而曲柄连杆机构同样是结构紧凑、应用灵活的机构，因此综合考虑选取由其演变曲柄滑块机构。切割器的驱动设计为双偏心轮的结构，偏心轮的偏心距为刀片间距的一半。工作时，通过上下连杆驱动上下切割刀做等速的相对运动。上下偏心轮在心轴上成180°对称布置。如图5所示。图5·切割器传动机构图运动过程中，上下偏心轮分别以其中一个割刀分析对象，设切割过程中上刀片切割齿上任意一点的位移为x，速度为v，加速度为a，则其计算公式分别为：x=-r∙cosω∙tv=r∙ω∙sinω∙t=ωa=r∙ω2cosω∙t=式中：𝑤为曲柄转动角速度，rad/s；𝑡为曲柄由极左点转过的时间，𝑠。割刀的运动速度𝑣和位移𝑥的关系为一个椭圆方程：v2ω2∙r2+2.3分叶板结构设计及计算工作设计原理：根据田间采摘试验，证明得出若直接且仅使用切割器来切割茶树采摘新梢作业，会导致回收到大量被切碎的叶片的后果，最重要的是直接作业损伤了留在茶树冠层的品质好的叶片。因此设计生产采茶机时需要在切割器前面设安装一个分叶板机构，在采摘过程中起到分流茶树枝叶并将其汇拢至切割器部分进行稳定切割的作用，避免割刀切过多切割损伤叶片，同时还能针对茶树冠层老叶片起到一定的分离作用。要保证茶树新梢在进入分叶工作区不被推倒或折断，因此分叶板的结构参数要结合茶树枝叶形状特点和对应采摘结构来合理设计。分叶齿不宜过长或过宽，分叶齿间距不宜过宽或过窄，否则将严重影响采摘作业效果。如图6所示的分叶板结构，作业时茶树新梢到分叶板两齿中心线的水平距离为d，设分叶板分叶齿宽度为w，采摘作业中新梢与分叶齿的接触位置随行进过程而不断变化着，所以d越小新梢倾斜度越大。以d=0时进行分析，若能够满切割条件则设计即可。图6·茎秆与分叶齿位置示意图结构设计计算：不考虑茶树茎秆的弹性变形，假设茶树新梢底部固定，d=0且接触点在分叶齿作用末端边缘时分叶板与茶树新梢的几何关系如图7所示。平面ABC表示分叶齿工作面，l为分叶齿的长度，w为分叶齿宽度，h为留茬高度，s为茶梢底部O点与分叶齿底部作用位置的距离，α为新梢茎秆与水平面的夹角。图7·茎秆与分叶齿几何关系示意图由图7可知：α=arctanh(w2)2根据茶叶新梢生长特性统计得知留茬高度h在35mm左右；分叶齿宽度不得小于刀片宽度，不得大于刀片间距，因此w取值范围为15~25mm；s与分叶齿结构参数和采摘时机器前进速度有关，所以s的大小不能确定，但我们假设当茶梢与分叶齿作用位置到分叶齿底部时恰好被切断，即可得到s=0mm。茶叶在采摘过程中，茶梢与水平面之间的夹角α越大，新梢茎秆被推倒导致折断的可能性越小，因此设计中使得夹角α越大越好。考虑到茶叶采摘过程中分叶板与割刀的配合，分叶板的长度应与割幅相同，分叶齿间距与切割刀刀片间距相等且对称分布在切割刀的切合线上。确定设计分叶板各项参数：分叶板长度取500mm；分叶齿间距取25mm；分叶齿长度l取70mm；由利用公式（2.6）可得，分叶齿宽度w取最小值15mm，从而保证夹角α能取得较大值。2.4扫叶轮结构设计及计算根据往复式切割器切割过程分析，切割时作物的茎秆都有向前倾的趋势，因此装一个扫叶轮辅助切割器切割。扫叶轮的主要功能是引导待切割茶叶新梢并扶持茎秆、稳定切割、输送割下的新梢并清理切割台。扫叶轮结构如图8所示，其工作过程运动轨迹如图9所示，其运动轨迹由机器前进运动和扫叶轮自身匀速回转运动所合成。工作过程中，从与茶树新梢接触开始，到扶持新梢并辅助切割，最后完成输送作用。工作参数扫速比为λ：λ=vnvm式中：𝑉𝑛表示扫叶轮的转速，m/s；𝑉𝑚表示机器前进的速度，m/s。图8·扫叶轮示意图图9·扫叶轮运动轨迹图扫速比的大小决定着扫叶轮边缘的轨迹形状，要达到工作要求，扫叶轮边缘必须要有向后的水平分速度。所以，要求扫速比λ>1。根据田间试验，当λ=1.2时，既能具有扶持引导、辅助切割茶叶以及平稳输送的功能，又不会因为速度过快而导致将茶叶从机器内带出返回二次切割，此时收集效果最好。在设定扫叶速比λ=1.2，机器行进速度𝑉𝑚=0.5m/s的条件下研究扫叶轮最优扫叶片数，重复试验得出结论：在一定扫叶速比的条件下，扫叶片数量越多越有利于提高辅助切割和传输功能；但扫叶片数量越多，结构也越复杂，可能会起到反作用。综上所述，设计选择3叶片的扫叶轮。根据茶叶新梢生长数据，一芽三叶茶梢的长度范围为65~115mm左右，平均长度为85mm左右。为保证正常采集到较完好的茶叶，扫叶轮单个扫叶片高度设计为125mm，扫叶轮宽度略小于割幅500mm，取为450mm。确定设计扫叶轮各项参数：扫叶轮扫速比λ为1.2；扫叶轮结构为3叶片；扫叶片高度为125mm；扫叶轮宽度为450mm。2.5本章小结本章首先在分析茶树种植采摘工作环境的前提下提出了本文采茶机的总体结构设计各部分组成，以及重点采摘机构设计指标。接下来分析各种机构工作原理，并对比了各种结构各种工作方式的优点与不足，确定了切割器及其传动机构、分叶板、扫叶轮等机构的具体选型并对结构参数进行了设计计算。由此一来确定了采茶机整体结构的设计和计算。第三章核心零部件设计及总装图说明切割器分叶板扫叶轮升降装置蜗轮蜗杆丝杆风扇参考文献[1]GirshickR,DonahueJ,DarrellT,etal.Region-basedconvolutionalnetworksforaccurateobjectdetectionandsegmentation[J].IEEEtransactionsonpatternanalysisandmachineintelligence,2015,38(1):142-158.[2]HeK,ZhangX,RenS,etal.Spatialpyramidpoolingindeepconvolutionalnetworksforvisualrecognition[J].IEEEtransactionsonpatternanalysisandmachineintelligence,2015,37(9):1904-1916.[3]RenS,HeK,GirshickR,etal.Fasterr-cnn:Towardsreal-timeobjectdetectionwithregionproposalnetworks[J].IEEEtransactionsonpatternanalysisandmachineintelligence,2016,39(6):1137-1149.[4]LiuW,AnguelovD,ErhanD,etal.Ssd:Singleshotmultiboxdetector[C]//Europeanconferenceoncomputervision.Springer,Cham,2016:21-37.[5]RedmonJ,DivvalaS,GirshickR,etal.Youonlylookonce:Unified,real-timeobjectdetection[C]//Proceedingsof