大白菜收获机的设计

大白菜收获机结构设计专业：机械设计制造及其自动化学号：学生：指导教师：摘要：中国农业现代化进程相对缓慢，目前，大多数蔬菜都是手工收割的，这无疑耗费大量操作时间，同时影响收割白菜的质量，导致经济效益损失。因此，研制一台白菜收获机具有十分重要的意义。本文设计了一种白菜收获机，收割对象是叶菜和茎叶蔬菜。本设计的主要研究内容如下：白菜收获机的整体结构由切割机构（往复式切割器和卷轴）、输送机构（皮带传动）、切割高度调节机构（液压控制系统）、动力源（拖拉机牵引）、机架、行走机构（前轮转向机构）和收集箱组成。其次是传动系统方案的设计，采用链条传动和螺旋轮连杆传动机构。然后是收割机的技术经济性能分析、动力分析和动力源选择。根据设计要求，设计往复式切割器、卷筒、输送机构、切割高度调节机构，并计算相关参数，进行传动系统参数的具体设计和计算，包括各链条传动的设计和计算以及主轴的设计和验证。关键词：蔬菜收获机；结构设计；三维建模；运动模拟

Structure

design

of

Chinese

cabbage

harvesterMajor：MechanicalManufactureandAutomationStudentID：Student：Instructor：Abstract:ThemodernizationprocessofagricultureinChinaisrelativelyslow.Atpresent,mostvegetablesareharvestedmanually,whichundoubtedlyconsumesalotofoperatingtimeandaffectsthequalityofharvestedvegetables,leadingtoalossofeconomicbenefitsforfarmers.Therefore,developingacabbageharvesterisofgreatsignificance.Thisarticledesignsahandheldcabbageharvesterthatcanharvestgreenhousevegetablesandsmallpiecesofvegetables.Theharvestingtargetsareleafyvegetablesandleafyvegetables.Themainresearchcontentofthisdesignisasfollows:Theoverallstructureofthecabbageharvesterconsistsofacuttingmechanism(reciprocatingcutterandreel),aconveyingmechanism(beltdrive),acuttingheightadjustmentmechanism(hydrauliccontrolsystem),apowersource(tractortraction),aframe,awalkingmechanism(frontwheelsteeringmechanism),andacollectionbox.Secondly,thedesignofthetransmissionsystemschemeadoptschaintransmissionandspiralwheellinkagetransmissionmechanisms.Thenthereisthetechnicalandeconomicperformanceanalysis,poweranalysis,andpowersourceselectionoftheharvester.Accordingtothedesignrequirements,designareciprocatingcutter,drum,conveyingmechanism,cuttingheightadjustmentmechanism,andcalculaterelevantparameters.Then,thespecificdesignandcalculationofthetransmissionsystemparameters,includingthedesignandcalculationofeachchaintransmission,aswellasthedesignandverificationofthemainshaft.Nextisthe3Dmodelingandmotionsimulationoftheharvester.Finally,drawassemblydrawingsandtwo-dimensionaldrawingsoftheparts.Keywords:Vegetableharvester,structuraldesign,3Dmodeling,motionsimulation

目录1绪论 51.1研究背景 51.2课题研究的目的和意义 5国内外研究现状及存在问题 5 6 6 6 7白菜收获机方案设计 82.1白菜收获机设计要求 8白菜收获机的整体方案设计 82.2.1收获机工作原理 82.2.2白菜收获机各主要机构方案 82.3 白菜收获机传动系统方案设计 92.3.1动力传递实施方案 92.3.2往复式切割器传动机构方案 102.3.3传动系统整体方案 112.3.4白菜收获机技术经济性分析 112.4本章小结 113白菜收获机主要机构设计 123.1动力装置的设计 123.1.1切割机构功率分析 123.1.2输送机构功率分析 133.1.3行走机构功率分析 133.1.4拖拉机选型 143.2切割机构设计 143.2.1割刀选型 143.1.2往复式切割器工作原理 143.2.3参数计算 153.2.4拨禾轮设计 153.3输送机构的设计 17 17 18 183.3.4输送机滚筒的设计 183.4切割高度调节装置设计 193.5本章小结 194白菜收获机传动系统设计与校核 214.1收获机整体传动方案 214.2传动比的确定 214.3链与链轮的设计 22结论 27致谢 30

1绪论1.1研究背景1.2课题研究的目的和意义国内外研究现状及存在问题白菜收获机方案设计2.1白菜收获机设计要求白菜收获机的整体方案设计。2.2.1收获机工作原理这种白菜收割机的工作原理是，前进方向的右侧由拖拉机牵引作为前进动力源，拖拉机的输出轴与白菜收割机的主轴相连。通过一系列链条传动和锥齿轮传动，操作白菜收获技术的切割装置、白菜传动装置和卷轴传动装置，实现白菜的收割和收集。机械结构简单，可以有效解决接收大量冬白菜的问题，具体结构如图2.1所示图2.12.2.2白菜收获机各主要机构方案（1）切割机构方案（2）输送机构方案（3）行驶机构方案（4）动力装置方案（5）切割高度调节装置由于收获不同蔬菜的高度要求不同，设置了切割高度调节装置，该装置由齿轮泵、液压拉杆（两侧各一个）、可调节的平行四边形框架和调节切割高度的液压控制系统组成。白菜收获机传动系统方案设计2.3.1动力传递实施方案动力传递实施方案[16]主要有以下三种：方案一：采用带传动，其特点如下：方案二：采用链传动，其特点如下：方案三：采用齿轮传动，其特点如下：2.3.2往复式切割器传动机构方案目前，切割传动机构有主要有以下三种类型：旋转往复机构：其工作原理是通过一个类似于转轮上螺纹的装置。导杆安装在连杆上，通过转轮的旋转实现导杆的往复运动，从而实现刀具的往复运动。这种传动机构结构简单，安装要求低，成本低。然而，由于导杆在转轮上的直接往复运动，会对滑块和导轨造成严重磨损。因此，有必要制作一个盒子，以防止灰尘进入，并确保有足够的润滑油。这种传动机构通常适用于切割宽度较小的收割机。摆环机构：其工作原理是主轴的旋转带动摆轴和摆环在其上的运动，将主轴的旋转运动转化为往复直线运动，驱动刀片进行往复直线运动从而完成蔬菜的切割。其特点是各部件连接相对紧密，整体尺寸较小，机构连杆所需长度较短。行星齿轮传动机构：其工作原理是通过曲柄的旋转来驱动行星齿轮的运行，使固定在行星齿轮节圆上的销轴进行往复直线运动，从而驱动刀片的往复直线运动并完成蔬菜的切割。其特点是每个部件的磨损相对较小，不需要频繁更换部件，振动相对较轻[17]。这种设计主要考虑到收割机需要简单的机构和较低的成本，以及恶劣的工作环境。因此，选择旋转往复机构作为往复刀具的传动机构。同时，为了使机构的结构更简单，具体结构如图2.2所示2.3.3传动系统整体方案2.3.4白菜收获机技术经济性分析如果将每台白菜收割机的价格定为1万元，每天操作时间为8小时，那么一天收割白菜的面积为15亩，一亩的收割收入为20元。每年的收割时间按60天计算，那么经营者的年收入和利润可以达到1万元左右。扣除工作成本后，成本可以在1-2年内收回。如果经营者在购买蔬菜收割机时也得到当地政府的补贴，并适当延长他们的日常工作时间，他们可以在一年内收回收入，这增加了农业经营者购买收割机的积极性2.4本章小结本章提供了蔬菜收获机的总体方案和传动系统设计，主要包括它由切割机构（往复式切割器、往复式切割器传动机构、卷筒）、输送机构（输送带）、收集箱、切割高度调节机构（液压控制系统）、行走机构等组成。传动系统采用链条传动和螺旋轮连杆传动机构。并对蔬菜收获机进行了技术经济分析。最后，对每个机构的所需功率进行了计算，对拖拉机牵引力和减速器进行了选择

3白菜收获机主要机构设计3.1动力装置的设计3.1.1切割机构功率分析切割机构所消耗的功率包含蔬菜收割功率P1(kW)、空转损失的功率P2(kW)和拨禾轮转动功率P3(kW)三个部分[18]：=++（3.1）P1=vxBw01000（其中各字母代表的含义：Vx——白菜收获机行进速度，根据实际情况取值（m/s）B——白菜收获机割刀的割幅，根据实际情况取值（m）Wo——割刀切割单位面积蔬菜所消耗的功（J/m2）P1=VxBW01000割刀空转时切割机构所消耗的功率取P2=0.5𝑘𝑤。拨禾轮转动功率P3：P3=TvN其中各字母代表的含义：T——拨禾轮受到蔬菜所作用的力矩（N∙m）；v——拨禾轮的线速度（m/s，根据资料可取值为1m/s；N——动力常数，根据资料可取值为75；拨禾轮受到蔬菜所作用的力矩公式为：T=PBR（3.5）其中各字母代表的含义：P拨禾轮单位长度上所受到的力矩（N），根据资料取值为30N/m；拨禾轮的整体宽度（mm，根据资料取值为900mm；R——拨禾轮边块的外接圆半径（mm，根据资料取值为150mm；将以上所取的数值带入公式可得：T=30∗0.15∗0.9=4.05N∙m（3.6）最后得到拨禾轮所消耗的功率：P3=TvN=4.05*1所以整个切割机构所消耗的功率P0：P0=P1+P2+P3=0.19+0.5+0.040=0.730kW（3.8）3.1.2输送机构功率分析=mg(lf+h)×10−3（3.9）其中各字母代表的含义：m——每秒输送带所传送的蔬菜的质量(kg)，取值m=1.5kg；g——重力加速度(m/s2)，这里取g=9.8m/s2；l——皮带在水平方向上的投影距离(m)，取l=1.5m；h——皮带在垂直方向上的高度(m)，取h=0.55m；f——摩擦常数，取值为f=2.25。将所得数值带入以上的公式得到:𝑃4=mg(lf+h)×10−3=1.5×9.8×(1.5×2.25+0.55)×10−3=0.0577kW（3.10）3.1.3行走机构功率分析行走机构消耗的功率P5=m1gf其中各字母代表的含义：𝑚1——蔬菜收获机满载时的质量，取值为300kg;g——重力加速度，取值为9.8m/s2；f1——摩擦常数，取值为0.13；v1——白菜收获机前进速度，取值为0.8m/s；η1——动力传动效率，取值为0.98。带入以上公式得到行走机构消耗的功率：P5=300×9.8×0.13×3.1.4拖拉机选型：表2-1驱动拖拉机牵引参数额定功率（kW）额定转速（rmp）效率0.610000.723.2切割机构设计 3.2.1割刀选型[24]。3.1.2往复式切割器工作原理往复式切割器（如图3.1所示）的工作原理是通过螺旋轮连杆传动机构驱动刀片的直线往复运动，从而完成蔬菜的切割。在收割机运行过程中，主拖拉机拉动主轴旋转，通过链条传动，旋转运动通过曲柄连杆机构转化为连杆前后方向的直线往复运动。然后，该机构反转并将其转换为连杆左右方向的直线往复运动，从而驱动刀片的往复直线运动，完成蔬菜的切割图3.1往复式切割器示意图3.2.3参数计算白菜收获机前进速度之间的关系𝑣1和移动刀具的切割速度𝑣2会影响切割效果造成重大影响，此处定义为𝑣1和𝑣2具有一定比例关系:β1=𝑣2/𝑣1（3.13）通过查阅文献[25]选择最佳的比值β1=1.2，己知白菜收获机的前进速度𝑣1=0.8m/s，所以割刀的切割速度𝑣3为:𝑣3=β1×1.2×0.80.96m/s （3.14）通过以下公式计算螺旋轮的转速n1:n1=30v2其中各字母代表的含义：n1——螺旋轮的转速；𝑣2——动刀的切割速度；𝑙——动刀的切割行程，取𝑙=50mm。带入公式得：n1=480r/min通过动刀进距h=h=60×0.96/（2×480）=0.06m=60mm（3.16）3.2.4拨禾轮设计。图3.2拨禾轮结构参数原理图。拨禾轮轴与割刀的相距的高度H1的计算公式为:H1=(l−hd)/2 （3.17）其中各字母代表的含义：H1——拨禾轮转轴距割刀平面的高度；l——白菜的成熟高度；h——割刀与土地相距的高度；d——拨禾轮薄板的外接圆直径。：H1=d/2+(lh)2/3 （3.18）代入数值可得H1≈轮轴与土地相距的高度为360mm。。拨禾轮轴相对地面的最大线速度为:vmax1=Vm2+r2其中各字母代表的含义：vmax1——拨禾轮轴相对地面的最大线速度；v1——白菜收获机的行走速度；ω1——拨禾轮的角速度；r——拨禾轮的半径。v11.5m/s，设定拨禾轮的端面线速度v21s[]λ1=v2/v1=.5=2，满足λ1>1。由v2=πdn1/60和λ=v2/v1联合可得拨禾轮的转速n1：n1=60v1λ其中各字母代表的含义：n1——拨禾轮的转速；v2——拨禾杆的端面线速；λ1——收获机前进速度和拨禾轮轴线速度的比值；带入数值后可得：其中拨禾轮的中心与往复式切割器在水平方向上的距离b应满足以下条件：0<b≤rλ12-1λ可得：0＜b≤130mm通过所设计的收获机的结构要求取b=50mm最后得到拨禾轮的主要定位数据为：h=320mm、b=50mm。3.3输送机构的设计。3.3.4输送机滚筒的设计滚筒是输送机构中最重要的部件，是影响输送机构工作效率的决定性因素。滚筒的直径与从动滚筒中心到地面的高度直接相关𝐻0、由于对蔬菜的收割要求不同，有些要求一起收割根系，有些则不要求收割根系。因此，收割机应该能够满足这两种收割要求。在设计滚筒直径时，可以以收获蔬菜根系的工作要求为标准，因为它既能满足收获根系的要求，也能满足不收获根系的需求。由于收割蔬菜根系时需要将往复式切割器插入地面，为了更好地匹配输送带和切割机构，从动滚筒应尽可能靠近往复式切割器。因此，滚筒的直径不宜过大，收割机的整体重量也会相应减轻。将从动滚筒的外径设置为60mm，长度设置为800mm，并且主动滚筒的外径、长度和其他参数相同。为了防止蔬菜在往复式切割器上堆积，传送带应满足每单位时间可运输的蔬菜数量大于往复式切割器可切割的蔬菜数量的要求。根据相关信息，可得出输送速度的计算公式如下（3.22）其中：J=q1/q2（3.23）其中各字母代表的含义：1收获机前进速度；1收获机割刀的割辐（m）根据前面设计数得1=0.7m；1蔬菜的种植密度（株/𝑚2）；2输送带线速度（m/s）2输送带的宽度（m）由前面分析得2=0.75m；h——在皮带上堆积的厚度（m0.05m；2蔬菜在输送带上的密度（株/𝑚2）；J——蔬菜聚集系数，根据资料取值为J=20.整理上面的两个公式可得到输送带线速度的值为：v2=v1B1B输送带主动滚筒和从动滚筒转速的值为：n2=60v2πDz3.4切割高度调节装置设计。3.5本章小结本章设计了往复式切割器（往复式切割器的选择、螺旋轮速度、动刀片进给距离）、卷轴（结构设计和参数计算、安装尺寸计算）、输送机构（输送带速度、滚筒直径和速度的计算）和切割高度调节装置（液压控制系统的工作原理）。1.油箱2.齿轮泵3.压力表4.换向阀5.调速阀6.分流集流阀7.液压锁8.液压缸9.单向阀10.安全阀11.换向阀图3.3切割高度调节装置液压控制系统原理

4白菜收获机传动系统设计与校核4.1收获机整体传动方案。1.2.3.4.5.6.7.输送8.9.10.12.13.图4.1传动系统原理图4.2传动比的确定根据第3章中的设计分析，螺旋轮速度的值𝑛1、卷筒轴转速𝑛2、输送带驱动轴转速𝑛3，从而计算出每个链轮组的传动比。如图所示，主牵引车的牵引输出轴速度通过减速器传递到主轴，主轴通过链轮传递到卷筒、螺旋轮和传送带驱动滚筒。第一个设计是主轴和卷轴之间的动力传输方案。主轴速度可通过第3章中的计算获得𝑛0=500r/min，卷筒轴转速𝑛2=102转/分钟。由此，传动比的值𝑛1从主轴到捡拾盘变速器可以计算为：i1=n0n：i2=n0n：i3=n0n3=。4.3链与链轮的设计4.3.1第一组链传动的设计计算（1）分析设定大、小链轮的齿数由4.2章节内容可知第一组链传动的传动比的值为2.5，小链轮的转速的值为500r/min，所以可得大链轮的转速的值为200r/min。取小链轮齿数:𝑧1=25则大链轮的齿数:𝑧2=i𝑧1=2.5×25=62.5，取整𝑧2=62实际传动比：

ⅈ=z2z1=则大链轮实际转速为：n2=n1i（2）计算该组链传动的修正功率由以下公式可计算得到单排链的修正功率:Pca=KaKz其中各字母代表的含义：𝐾a——工况系数，查机械设计手册[33]，根据实际情况取值为1.0；𝐾𝑍——主动链轮的齿数系数，查机械设计手册，这里取1.28；𝐾𝑃——多排链系数，由于是单排链，所以这里取值为1.0；P——该组链传动所需传递的功率；（3）确定链条型号和节距p基于校正功率𝑃𝑐𝑎=0.0512kW，驱动链轮转速为500r/min，根据机械设计手册，选择04C型号的链条，导致相应的链条节距p=6.35mm。此外，由于传动轴之间的距离较大，04C链条的中心距离不足，六组链条传动装置的链条型号改为08A，相应的链条节距p=12.7mm。（4）计算链长、链节数和中心距初定中心距：𝑎0=（30~50）p，取𝑎0=40p=40×12.7mm=508mm(5)计算链速，确定润滑方式平均链速:v=z1n1p采用滴油润滑。（6）计算链传动作用在轴上的压轴力𝐹𝑝压轴力𝐹𝑝可近似取为𝐹𝑝≈𝐾𝐹𝑃𝐹𝑒=1.15×12.10=22.25N（4.8）其中各字母代表的含义：Fe=1000PV=1000×0.05122.646=19.35N𝐾𝐹𝑃——压轴力系数，查机械设计手册水平传动𝐹e——有效圆周力，（7）小链轮的设计滚子直径：𝑑1=7.92mm，p=12.7mm小链轮分度圆直径：d=psin180°Z小链轮齿顶圆直径da=p[0.54+1小链轮齿根圆直径：𝑑𝑓=d−𝑑1=101.33−7.92=93.41mm（4.11）节距多变形以上的齿高：ℎ𝑎=0.27p=0.27×12.7=3.429mm（4.12）最大齿根距（奇数齿）：LZ=dcos90°Z最大轴凸缘直径：dg=p×cot180°Z齿侧圆弧半径𝑟𝑒：𝑟𝑒𝑚𝑎𝑥=0.008𝑑1(180+𝑧12)=51.005mm𝑟𝑒𝑚𝑖𝑛=0.12𝑑1(2+𝑧1)=25.661mm滚子定位圆弧半径𝑟𝑖：𝑟𝑖𝑚𝑎𝑥=0.505𝑑1+0.069𝑑3=4.069mm𝑟𝑖𝑚𝑖𝑛=0.505𝑑1=4mm齿宽𝑏𝑓1：𝑏𝑓1=0.95𝑏1=0.95×7.85=7.458mm（𝑏1为内链节内宽，查表得𝑏1=7.85𝑚𝑚）轮毂轴直径𝑑𝑘：𝑑𝑘取20mm，实心轴轴毂厚度h：h=K＋dp6+0.01d=6.4＋206+0.01×101.33=10.75mm（轮毂长度l：𝑙𝑚𝑎𝑥=3.3h=3.3×10.75=35.475mm𝑙𝑚𝑖𝑛=2.6h=2.6×10.75=27.95mm轮毂直径𝑑ℎ：𝑑ℎ=𝑑𝑘+2h=20+2×10.75=41.5mm（8）小链轮轴的直径已知小链轮的转速为500r/min，所传递的功率为0.0512kw，则链轮轴的扭矩T为：T=9550000Pn=977.92N·mm按链轮轴所受的扭矩来计算轴的强度，则轴的扭转强度条件为：τ=TW≈9550000PN其中各字母代表的含义：τ——轴的扭转切应力；T——轴所受扭矩；W——扭转截面系数；[τ]——小链轮轴的许用扭转切应力，可查手册取得相应的数值；n——小链轮轴的转速；P——小链轮轴所传递的功率；d——小链轮轴的直径。按照强度要求先设定轴的材料为45钢，加工方法为调制处理。查阅手册[34]可得系数𝐴0=120，轴的许用扭转切应力[𝜏]=30𝑀𝑝𝑎，由以上公式可计算出小链轮轴最小直径𝑑𝑚𝑖𝑛的值是：dmin=A03（9）大链轮的设计滚子直径：𝑑1=7.92mm，p=12.7mm大链轮分度圆直径：d=psin180°Z2=大链轮齿顶圆直径：da=（4.20）大链轮齿根圆直径：df=d-d1=242.82mm节距多变形以上的齿高：ℎ𝑎=0.27p=0.27×12.7=3.429mm最大齿根距（偶数齿）：𝐿𝑧=𝑑𝑓=242.82mm最大轴凸缘直径：dg=p×cot180°Z齿侧圆弧半径𝑟𝑒：𝑟𝑒𝑚𝑎𝑥=0.008𝑑1(180+𝑧12)=254.961mm𝑟𝑒𝑚𝑖𝑛=0.12𝑑1(2+𝑧1)=60.826mm滚子定位圆弧半径𝑟𝑖：𝑟𝑖𝑚𝑎𝑥=0.505𝑑1+0.069𝑑3=4.069mm𝑟𝑖𝑚𝑖𝑛=0.505𝑑1=4mm齿宽𝑏𝑓1：𝑏𝑓1=0.95𝑏1=0.95×7.85=7.458mm（𝑏1为内链节内宽，查表得𝑏1=7.85）轮毂轴直径𝑑𝑘：𝑑𝑘取40mm，实心轴轴毂厚度h：h=K＋dp6轮毂长度l：𝑙𝑚𝑎𝑥=3.3h=3.3×18.67=61.611mm𝑙𝑚𝑖𝑛=2.6h=2.6×18.67=48.542mm轮毂直径𝑑ℎ：𝑑ℎ=𝑑𝑘+2h=40+2×18.67=77.34mm4.4本章小结本章介绍了传动系统的组成和工作原理，并对每组链条传动的基本参数进行了设计和计算，包括链条型号、链轮中心距以及链轮的各种主要参数。然后，选择了最危险的传动轴，即主轴的设计和验证，以确保主轴的设计符合强度要求。最后，对往复式刀具传动机构进行了设计。

结论本文设计了一种白菜收获机，用于收获叶菜和白菜等生长特性相似的叶菜。主要设计成果如下：1.设计了叶菜茎叶型白菜收割机的总体方案：该收割机主要由机架、动力装置、驱动机构（拖拉机牵引传动）、传动机构（链条传动和螺旋轮连杆机构等）、切割机构（往复式切割器和卷轴）、输送机构（皮带传动）、，切割高度调节机构和收集箱。收割机由拖拉机驱动，为收割机前进提供动力，人们在收割机后面拉。切割机构安装在收割机的前端，卷轴旋转将蔬菜移动到切割刀片的位置。切割刀片在一条直线上来回移动以切割蔬菜。卷轴将切好的蔬菜拉到传送带上，蔬菜通过传送带运输到收集箱，完成蔬菜收割。2.利用SOLIDWORKS软件对收割机的各部件进行了三维建模和虚拟装配，并利用motion模块进行运动仿真，验证了设计方案的可行性，为样机的生产奠定了技术基础。本文仅提供了叶菜和叶菜收获机的初步设计，还有许多方面需要改进：1.收割机自动化程度不高，功能有限。一些机构可以增加调节装置或控制装置，如输送机构，可以增加倾角调节装置，以满足不同蔬菜输送角度的要求。例如，收割机在工作时，需要操作员跟随操作，可以增加自动行走控制装置，以提高收割机的智能化。2.本文设计的白菜收获机的收获对象是白菜。目前尚不清楚它是否适用于其他叶菜和生长特性相似的叶菜。这需要进一步考虑和改进，以使收割机的收割对象范围更广。3.本文仅提供了白菜收割机的理论设计计算，尚未生产出白菜收割机的原型。实际操作结果尚不清楚。在未来的研究中，有必要生产一种用于测试的白菜收割机原型，识别并解决问题，进一步改进收割机，确保其可行性，并提高其实用性。

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