除草机的结构设计

除草机的结构设计第1章绪论门对林业机械的需求也发生了重大变化；伐木机械需求量急剧减少，以油锯为例，2007年全国油锯销量在4.5万台左右，2008年下降至3.5万台，2009年则降2.5万由于营林作业的种类繁多，因而营林机械的种类也很多，本文介绍一种用途广总面积的70%(约80万公顷)是中幼林，其中约80%的中幼林未及时进行抚育，即急待抚育的约53万公顷。目前我国中幼林抚育间伐作业只有少量机械，而大部分靠手工 机械/机电/模具/数控毕业、课程设计QQ2947387549现成资料CAD/Proe/Solidworks图，另可定制1.2除草机的应用范围1.2.1在园林业的应用1.2.2在农、牧业的应用1.3.1国外除草机械发展现状国外对除草机的开发研究较早，起点高，水平亦较高，广泛采用现代科学技术，如工程塑料、CDI无触点电子点火等，整机质量轻，功率大，使用操作灵巧，并形成公司为代表的厂家，其产品动力排量从22cc用于不同高度枝条的收割。1993年日本研制成功了割灌带宽90cm、且能自动调平驾驶座椅的坡地用自行式割灌机。20世纪90年代，这些先进国家的灌木收割机械陆续进入我国种植基地。国外先计算机应用方面有所改进。下图1-1为国外生产的除草机。 机械/机电/模具/数控毕业、课程设计QQ2947387549现成资料CAD/Proe/Solidworks图，另可定制1.3.2国内割灌机械发展现状1992年原国家林业部下达给黑龙江省木材采运研究所“山地清林机的研制”项 机械/机电/模具/数控毕业、课程设计QQ2947387549现成资料CAD/Proe/Solidworks图，另可定制福建省林科所研制成功的2GB-081型背负式割灌机具有质量轻、振动小、适应性小型动力机厂1999年研发的3GC-1.5割灌机，主要性能指标具有国内先进水平。该割水稻，深受农民的欢迎。下图1-2,1-3,1-4分别为国内生产的大型割灌机、便携式 机械/机电/模具/数控毕业、课程设计QQ2947387549现成资料CAD/Proe/Solidworks图，另可定制型号厂家功率(动力)重量(kg)参考价(元)特点江苏林海动力机械集团公司1800左右硬轴双肩侧挂式华盛CG330山东常州明远绿化设备服务中心直轴双把手硬轴侧挂柳州索罗小型动力机械厂1800左右式二冲程2GB-2A/3GH-1/3GC-1陕西西北林业机械股份有限公司背负/背负/侧挂式圆把手BC3401/430日本小松直轴双把手直轴双把日本樱花三菱1.5P手FS120/200/250德国斯蒂尔3400/3500/3700直轴双/圆/双把手一般自幼林郁闭开始到成熟林主伐前的用材要进行3~4次抚育间伐。台1公顷，林业系统对割灌机的总需求量在50万台左右，每年需求量在5万台以上。从昆明世博会花卉研讨会上了解到，90年代以来，我国草坪业增长率高达30%至40%,至2005年已成为新兴的大产业。按国家建设部规定，2000年城市绿化率要达到30%,城市人均绿地面积要达7平方米，专家按此标准测算，2000年至2005年重点绿化 机械/机电/模具/数控毕业、课程设计QQ2947387549现成资料CAD/Proe/Solidworks图，另可定制需求量可达20万台。1.5除草机的发展方向第2章工作原理和结构 机械/机电/模具/数控毕业、课程设计QQ2947387549现成资料CAD/Proe/Solidworks图，另可定制行走部分由汽油机、张紧轮、减数器、机架以及四组八个轴向间隔90度的平行八只脚分别位于行走部分动力的两侧，每侧四个，轴向间隔90度，通过爪牙式离合 机械/机电/模具/数控毕业、课程设计QQ2947387549现成资料CAD/Proe/Solidworks图，另可定制如图2-1所示。图2-1自走式除草机第3章行走部分设计 机械/机电/模具/数控毕业、课程设计QQ2947387549现成资料CAD/Proe/Solidworks图，另可定制带结构在爬山时都有很大一部分分力白白浪费掉了，所以在方案选择时必须另辟蹊是什么原因导致这样的结果呢?研究发现传统行走设备将“脚”紧贴地面，并平行地面向后施加使自身前进的动力，如下图3-1所示。图3-1传统行走设备受力分析图分力用来抬升人体重心，完成爬山动作，如下图3-2所示。图3-2人的行走方式图3.2机构选择机构，如图3-3所示。图3-3平行四边形机构原理简图平行四边形机构能完全模拟人脚的行走动作，抬起→迈步→落地→支撑→再抬 3.3动力选择在市场中调查中发现，可以买到带离合器和带3个档位减数箱的耕田机，考虑到制造成本，因此购买其动力系统进行改装。其参数如表3-1所示：发动机发动机型号宗申ZS168FB缸径×行程(mm×mm)68×54排量(ml)压缩比8.5:1最大输出功率HP(kw)/rmp6.5(4.8)/3600额定功率HP(kw)/rmp5.7(4.2)/3600最大扭矩M.m/rmp燃油容积(L)机油容积(L)最底油耗g/kw.h空滤器型号半干、油浴、泡沫滤芯点火方式晶体管点火发动机形式OHV25°倾斜、单缸、四冲程减速器传动方式皮带传动离合方式张紧轮减速比7变速档数0,1,-1档变速箱机油容量(L)3.4主要设计参数设计行走速度V=12km/h,初步确定曲柄两孔中心距为A=80mm,共四组脚，每组脚间轴向夹角α=360°/4=90° 机械/机电/模具/数控毕业、课程设计QQ2947387549现成资料CAD/Proe/Solidworks图，另可定制望端的望端的角速度w=v/r=1213.6156.5×10³=59rad/s主轴转速N=5912π×60=564rpm减数比i=n/N=3600/564=6.4取i=7行走部分具体结构如图3-4所示。①①证图3-4行走部分结构图3.5本章小结本章是对除草机行走部分的设计，除草机能否在农林等苛刻的作业环境下稳步行走，是其能否顺利工作的前提条件，也是本设计比较重要的部分；首先通过以往爬上机械和人爬山的原理的比较，选取较为合适的方案；在方案确定之后，从之前学的知识里寻找能实现其功能的机构；前期的准备工作完成后就，就是对行走部分的设计，包括动力的选择，主要设计参数的确定。第4章除草部分设计4.1方案的确定机械/机电/模具/数控毕业、课程设计QQ2947387549现成资料CAD/Proe/Solidworks图，另可定制 机械/机电/模具/数控毕业、课程设计QQ2947387549现成资料CAD/Proe/Solidworks图，另可定制开手闸，在自重作用下实现向下运动。结构如图4-1所示：4.2汽油机输出带轮设计(1)计算设计功率P。由机械设计手册表8-7查的工作情况系数p=1.2P=K×p=1.2×2.9=3.48kw(2)选择V带的类型根据设计功率p=3.48kw和带轮转速n,=3600r/min,由机械设计手册图8-11,初选胶带类型为A型普通V带。 (3)确定带轮的基准直径d₁,d:根据机械设计手册，初选带轮基准直径由表8-6和表8-8,选d₁=100mm计算大带轮的基准直径：由机械设计手册表8-8,取直径系列值a,=200mm(4)验证带速V在5～25m/s的范围内，故带速合适。(5)确定V带的中心距a。2(d₁+d,)=2(100+200)=600mm0.7(d₁+d,)=0.7(100+200)=210mm因为210<380<600,故a。选取合适。(6)计算带的基准长度L查机械设计手册表8-2,选基准带长L=1250mm(7)计算实际中心距。安装时所需的最小中心距为amn=a-0.015L, =386-(0.015×1250)=367.25mma=a+0.03L=386+0.03×1250=423.5mm(8)验算小带轮上的包角a=165.2°(9)计算V带的根数Z由机械设计手册表8-4a,查得单根V带基本额定功率p。=2.28kw额定功率增量由机械设计手册查得传动比系数k,=1.12得=0.3kw由机械设计手册表8-2,查得带长系数k,=0.93由机械设计手册表8-5,查得包角系数k。=0.96得窄V带根数 (10)计算单根V带的初拉力的最小值(Fn)查机械设计手册表8-3,得每米V带的质量，q=0.10kg/m得≈109.6N=435N(11)小带轮结构设如图4-2所示：图4-2小带轮计算结果总结： 胶带根数：2根带轮直径：100mm,200mm中心距：380mm压轴力：435N(12)带轮轮缘尺寸的确定：带轮宽b=(z-1)e+2f=354.3中间传动轴的计算确定输入功率P,转速n先初步计算轴的最小直径。先选取轴的材料为45钢，调质处理。根据表15-3,取A。=125,于是得 因为d,段的轴肩为定位轴肩，所以d,=d,+2h=d,+2(0.07～0.1)d=35mm;(4-18)d=30mm;L₁=L₅=34mm;L₂=L₄=32mm;由于此轴轴向力为自重，故忽略不计，将其视为只受转矩和弯矩的传动轴。中间传动轴零件如图4-3所示：图4-3轴结构图(1)计算支承反力，轴的受力如图4-4所示：图4-4轴受力图F×a-F₀(a+b)+435(a+b+c)=0F×c-F₄(b+c)+435(a+b+c)=0 ∴由式(4-19)和(4-20)得：F=F;42F-82F+435×(42+40+42)=0=1348.5(N)=1348.5(N)(2)画轴的弯矩图4-5M=1348.5×42=56637(N.mm)(3)画轴的转矩图4-6T=56637N.mm(4)校核轴径应力校正系数 当量弯矩设计的最小直径轴径aT=0.59×153869077.74N.mmM=√M²+(aT)²=57359.87Nmmdmin=28mmd₄=d₈=21.5<28mm;(5)疲劳强度校核初步分析I、Ⅱ两个截面有较大的应力和应力集中，下面以截面I为例进行安全系数校核。MP₄MP₄=286MPar=0.30σ=0.30×650=195MPa脉动循环疲劳极限=1.7×286σoh=1.7σ-1=1.7×286MPaMPar₀=1.6r_=1.6×195=312MPa等效系数=0.18=0.25截面I上的应力弯矩M₁=1348.5×42=56637(N.mm弯曲应力幅MPaMPa弯曲平均应力扭转切应力扭转应力幅和平均切应力因在此截面处，有轴直径变化，过度圆角半径r=2mm,由和σ=650MPa,经查(查值法)。=1.77,=1.3如果一个截面上有多种产生应力集中的结构，则分别求出其有效应力集中系数，从而取最大值。表面状态系数查得β=0.92(R。=3.2μm,σg=650MPa)由附录表6查得弯曲安全系数设为无限寿命，k= 扭转安全系数=55.6复合安全系数4.5中间传动轴轴承的校核轴承选取为30206型圆锥滚子轴承，经查手册，轴承主要性能参数如下：(1)确定轴向力：由于中间传动轴是竖直工作，而且轴上只有两个皮带轮，而且F=1348.5NG=50N 所以确定轴承2被压紧，故=421.4N=471.4N(2)计算轴承1、2的当量动载荷查机械手册表13查机械手册表13-5得冲击载荷系数，考虑中等冲击，经查fp=1.5当量动载荷P=fr(X₁F+Y,Fa)=2022.75NP₂=fp(X₂F₂+Y₂F₄₂)=1.5×(1×1348.5+0×471.4)=2022.75N (4)静载荷验算X₀,Y₀查机械设计手册得X0=0.6,Y₀=0.5当量静载荷P₀r₁=X₀F,+Y₀Fa=0.6×1348.5+0.5×421.4取大者P=1348.5N,P₂=1348.5N计算额定静载荷=2.5×1348.5N=3371.25N(5)许用转速验算载荷系数f,经查f=₂=0.85, 载荷分布系数f:许用转速,N₁=N₂=flf₂N₀=0.85×0.8×6000均大于工作转速1800r/min,=4080r/min故轴承满足要求。根据轴的直径d=28mm,所以查表6-1得，选取平键b×h=8×7,选取L=28mm(比轮毂宽度小些);键、轴、轮毂的材料都是钢，由表6-2查得许用挤压应力[o,]=100～120MPa;取其平均值[o,]=110MPa:键的工作长度1=L-b=28-8=20mm;键与轮毂键槽的接触高度k=0.5h=0.5×7=3.5mm;所以键的选择合适。本章主要对割灌机的割灌部分进行了设计，由于割灌机所处的工作环境恶劣，所以对割灌部分要求简单、可靠且易于维护，应该依据此来设计。对于割灌机的割灌部 机械/机电/模具/数控毕业、课程设计QQ2947387549现成资料CAD/Proe/Solidworks图，另可定制第5章驾驶台设计5.1方案确定结构如图5-1所示。 机械/机电/模具/数控毕业、课程设计QQ2947387549现成资料CAD/Proe/Solidworks图，另可定制图5-1驾驶台结构图1套筒2轧滚3棘轮4升降控制杆5转向控制杆6座椅7护罩8钢丝网驾驶台位于行走部分正上方，套筒1与行走部分的导杆相连接，轧滚2与行走部分的凸轮补偿机构连接，套筒1与轧滚2使驾驶台与行走部分水平方向相对位升降控制杆4的下端与割灌部分的四连杆相连接，利用杠杆原理，通过掰动控制杆4上端手柄，实现割灌部分的垂直方向的升降，并利用割灌部分自重和棘轮机构3转向控制杆5也是利用杠杆原理，其下端通过钢丝拉线与行走部分的爪牙式离合座椅6利用现有成熟技术，直接购买汽车驾驶员座椅，可根据驾驶员的身高进行护罩7位与行走部分脚的正上方，将行走过程中产生一切烟尘、杂物与驾驶台隔离。钢丝网8位与驾驶台的前方，并与水平面成75度夹角，扩大了驾驶员的视野， 机械/机电/模具/数控毕业、课程设计QQ2947387549现成资料CAD/Proe/Solidworks图，另可定制驾驶台是机器操作人员工作的地方，所以应该充分考虑其安全可靠性和舒适性；第6章排障部分设计6.1方案确定结构如图6-1所示。 机械/机电/模具/数控毕业、课程设计QQ2947387549现成资料CAD/Proe/Solidworks图，另可定制3图6-1排障部分结构图1排障杆2拉环3转轴4套筒5拉簧排障杆1位于驾驶台顶部，一端与套筒4焊接，并套在转轴3上，另一端悬空，伸出机器前方，工作时由绕转轴逆时针转35度，然后回到起始位置，完成一次排障过程。拉环2通过钢丝与排障杆1连接，连接点位于排障杆中间位置。排障作业时，驾驶员用右手向下拉动拉环2,即可带动排长杆绕转轴3转动，完成排障作业。转轴3位与驾驶台后方一跟立管上，一端与立管焊接，另一端与套筒4连接，提供排障杆作业时的支撑反力以及旋转中心。套筒4外部与排障杆焊接，内部与转轴连接，为排障杆提供铰接约束，并防止排障杆自锁。拉簧5一端连在驾驶台上，另一端与排障杆连接，提供排障杆回程所需动设计过程中参照了链式分料机构、平带式排障机构(哈尔滨林业机械研究所),由于本机安装位置及空间太狭小，无法安装链式分料机构。由于排障速度限制，无法使用平皮带式排障机构。故采用此排障机构。机械/机电/模具/数控毕业、课程设计QQ_2947387549现成资料CAD/Proe/Solidworks图，另可定制 机械/机电/模具/数控毕业、课程设计QQ2947387549现成资料CAD/Proe/Solidworks图，另可定制6.2本章小结排障装置是一种更为人性化的设计，它为操作人员提供了良好的视野，让其可以更顺利的完成林区的割灌工作，保证了工作的效率。本次设计完成了：(1)林区自走式除草机整体设计，考虑到方案的可行性、实用性体积、重量、制造工艺、制造成本、人性化以及可操作性。(2)除草部分动力传动设计计算，以及具体结构设计。(3)对弯曲强度主轴进行设计计算，对轴承进行了强度校核。本次设计尚未很好解决的问题：(1)控制割灌部分升降的四连杆