果园水果采摘升降平台的设计

摘要新疆是农业大省，又因为新疆昼夜温差大，水果的糖分积累多于其他省份种植的水果，使得新疆的瓜果香甜可口，所以有水果之乡的美誉，而南疆又是新疆水果的主产地。在南疆种植的有非常出名的库尔勒香梨和阿克苏苹果等。每年水果成熟的时候需要大量的劳动力争取采摘的时间，劳动强度大，成本高，效率低。随着全球农业科技的发展，将液压升降平台用于水果采摘中可大大提高劳动效率。水果采摘升降平台是一种新型的液压升降平台，旨在提高水果采摘的速度，减少劳动强度。本文将介绍一种新型的自走式液压升降平台。主有以下内容，从课题的提出，大量查阅相关文献资料，了解当前水果采摘的发展状况，比较了国内外的发展趋势。然后提出了本文的设计方案，进行相关零件的设计计算及校核，绘制了二维工程图，最后在SolidWorks中建立了其三维模型，为水果采摘升降平台的设计优化提供了一种思路及方法。关键词：水果采摘；升降平台；三维；SolidWorks；仿真 目录TOC\o"1-3"\h\u179201绪论 绪论1.1概述随着当代农业机械化及自动化的不断发展，农业生产对生产率的要求不断提高。新疆也是水果种植的大省，每年水果成熟的时候都需要大量劳动力。而且水果采摘作业比较复杂，季节性强，若使用传统的人工采摘形式，劳动强度大、劳动效率低。为提高水果采摘的效率，提供一种结构紧凑，工作平稳，操作方便的液压升降平台具有极其重要的意义。农业从业者的减少及老龄化趋势的不断加大，采摘机械的开发利用具有巨大的经济效益和广阔的市场前景。升降平台的种类有固定式、移动式、导轨式、曲臂式。每种方式又有不同的设计安装方式。1.2水果采摘研究现状目前，我国水果采摘大部分是依靠人爬树或使用梯子采摘，移动较为困难并存在安全问题，大大降低了采收效率。因为水果成熟期较短，采收效率低直接影响水果的品质及贮藏。然而，在工厂用很多先进的升降平台，如固定式液压升降平台，折臂式升降平台，移动式升降平台等，对其进行一些改装，使其能适应果园环境，有利于实现采收的的方便性，安全性及及时性[20]。升降平台的核心部件在于液压提升部设备。因此，国内外对液压提升设备主要进行动力分析和运动分析，确定液压缸的主要性能参数和主要尺寸。升降平台在国内外的汽车、建筑中的应用已经相当成熟了但用于农业方面的还在起步阶段，因此设计适合水果采摘的升降平台是当务之急。1.3发展趋势目前，从国内外农业机械的研究发展趋势及全球科技的发展趋势来看，新型使用的水果采摘升降平台主要有以下趋势。由于经济的发展和升降平台所提供的便利，应用升降平台的场合越来越多，设计适应工业、农业、军事等不同领域和场所的专用机械是未来液压升降平台的研究方向之一。针对不同需求设计的液压升降平台各有其特点。对于农业用的升降平台要在行走过程中保持良好的平稳性，在上升和下降过程中速度稳定，以保障平台操作者的安全。并且平台的升降高度应适合使用场所，以满足使用需求。平台的各个零件都应符合农业的条件。在新的发展时代下，国家大力提倡节能减排，减少能源消耗和污染排放。在满足使用需求的条件下应尽可能的减少能源消耗，降低污染物排放。所以开发环保节能型的产品是所有机械发展的必然趋势。针对水果采摘升降平台的应用场合和使用要求可以从以下几方面入手实现节能减排：一是用电动机替换内燃机，使用清洁的能源，提高液压系统效率和防渗漏，降低整体的噪声；二是整体所使用的材料尽量是可再生材料；三是应用人机工程学改善工作条件，是升降平台操作简单，并且安全系数高。机电一体化指将机械、电子、信息处理和控制以及软件有机地结合起来，以计算机为主要特征的自动化技术。目前国内外工程机械最显著发展趋势是机械的机电一体化。针对于液压升降平台在有坡度的地面工作时可以装备带倾斜仪的防侧翻装置。为及时对重要零部件进行维修检查，可以配置传感器，通过监控分析传感器信号，进行故障预测，及时排除潜在故障，保证机器正常使用。此外，由于人们对于机器要求的不断增加，研发出能够更加实现平稳升降、节省人力、占用空间小、安全可靠并能迅速做出反应的液压升降平台车也是必然的趋势。1.4设计内容结合果园的实际情况，参考现有的升降平台，设计一种果园水果采摘升降平台。对机构中的自走式部分和液压升降部分进行设计计算，最终确定整体结构。通过对铰架的各项受力分析，确定平台与铰架的载荷要求，最终完成液压升降平台的设计要求。此外，各零部件采用国家标准零部件，保证互换性。1.5设计意义果树种植产业是不仅是新疆农业中重要产业之一，也是全国农业中重要产业之一。因为果树近低不定等特点，为保护果树枝干不受较大损坏，且减少水果收获是的撞击损伤设计一种水果采摘升降平台以解决水果采摘时所遇到的问题。水果采摘升降平台将改变传统的劳动方式，改善农民的生活劳动状态。在收获时，由自动化、机械化采摘代替人工传统的劳作，不仅能够大大提高采摘效率、降低劳动强度，还能解决农业的劳动力不足的问题，提高经济效率。2方案分析2.1升降方案分析比较经过查阅相关资料，对水果采摘升降平台的设计初步拟定方案。如图2-1所示，该方案将液压缸一端通过轴固定在铰架上，这样液压缸的一端能绕另一端在某个小角度内旋转，能保证液压缸具有较好的压杆稳定性，而且液压缸作用在铰架的实心截面处，使铰架受力分配比较均匀[14]。另外，在此方案中，液压缸的作用点较低，所以液压缸的形成只需变化很小，便可以使载物台实现较大幅度的升降，易于满足设计要求，因此它能提高工作人员的工作效率。图2-1液压升降平台方案2.2自走方案分析由于本次设计的是一种水果采摘升降平台，工作环境在果园。工作环境及所需功率相较之农田有很大区别，主要充分考水果采摘升降平台应该利于移动，重量不宜过大，我们用提高传动装置的效率的方式，并且传动平稳，从而来减少能耗，降低运行费用。所以选择电动机作为行走的动力源，通过带轮进行传动，以达到要求。在满足功能的前提下应尽量简化以降低费用。2.3电动机的选择根据本次设计要求，平台总重为180kg,额定载荷为150kg。由此得平台行走所需功率为0.5kw-0.6kw。选取直流电机型号为CV750-30-B，功率为0.75kw,输入转速为1450r/min，输出转速为50r/min。2.4确定传动方案本设计的传动方案采用的是带传动，是以电机驱动减速器，减速器与后轮轴以V带传递动力。后轮所在的轴为动力输入轴，从而带动后轮旋转，使整个平台向前运动。之所以选用带传动是因为带具有良好的挠性，可缓和冲击，吸收振动。过载时带轮与带轮之间会出现打滑，避免了其他零件损坏，加之工作环境相对良好。由于本次设计选用的为减速电机，不必再计算减速器，只需计算带传动的相关数据。2.5带轮及V带的参数减速器输出转速为50r/min，后轮直径为0.6m，要保证平台平稳动速度控制在0.7m/s-0.8m/s之间，则传动比为i=1:2。由机械设计[1]图8-11V带选Z型带，表8-9初选小带轮直径dd1为100mm。根据（2-1）式（2-1）得大带轮直径dd2为200mm。根据（2-2）式（2-2）初定V带轮的中心距a0为420mm。由（2-3）式计算V带得基准长度（2-3）由表8-2得Ld=1330mm。按（2-4）式计算实际中心距（2-4）得实际中心距a=430mm。为保证传递功率，选取V带根数为Z=2进行传动。2.6V带轮的设计对于小带轮，由则小带轮选取为实心带轮；对于大带轮选用孔板带轮，带轮的材料选择为HT200。由Z型带，查表8-11可得bd=8.5mm，ha=2.00mm，hf=7.0mm，e=12mm，f=7mm，由式，d为轴的直径得da1=84mm，da2=124mm2.7CAD模型图2-2大带轮CAD建模图2-3小带轮CAD建模2.8本章小结本章主要确定了水果采摘升降平台行走方案及相关数据的计算。平台的行走依靠减速直流电机提供的驱动力，经带传动将动力传入后轮轴上，由此推动整个升降平台的行走。3升降结构的设计3.1总体方案设计总体方案需要结合水果采摘环境，果园的行距一般为2.5m-3m，果树高度大部分在2.8m-3.2m之间。这就需要使设计的平台能在满足工作高度要求的同时，能在果园中行动自如。本次设计的果园水果采摘升降平台整体高度为0.8m,宽度为0.8m，工作行程0.5m-0.8m，满行程时工作台的整体高度要达到1.8m左右。3.2铰架的设计1）铰架1受力分析图铰架1受力分析如图3-1所示，图3-1铰架1受分析图图中：，，；2）铰架2受力分析图铰架2受力分析如图3-2所示，图3-2铰架2受力分析图图中：，。以上图中所示力的方向皆为事先假设力的方其中规定水平方向（x方向）上为正，向下为负；竖直方向（y方向）向右为正，向左为负。3.3力和力矩的分析计算铰架上端铰支受力先忽略平台自重，则由图3-1与3-2得因为所以，而，（令，且有，为轴承滚轮与平台导轨槽间的摩擦系数），则至此能计算出、、2）整体受力分析计算对平台、重物及两铰架组成的整体进行受力分析：（3-1）（3-2）3）铰架1、2单独受力分析对铰架1单独进行受力平衡分析：（3-3） （3-4）由（3-3）、（3-4）得（3-5）由（3-2）、（3-4）得（3-6）对铰架2单独进行受力平衡分析：（3-7）（3-8）2）力矩平衡分析若规定逆时针为正，顺时针为负，则对铰架1的C点的转矩平衡得：（a）对铰架2的d点的转矩平衡得：（b）对O点的转矩平衡得： （c）（d）又因为为轴承滚轮与底座导轨槽间的摩擦系数。因为铰架3、4与铰架1、2的受力状况一样，不再做详细的计算。铰架主要用于支撑升降平台，是该液压升降平台的重要组成构件，因此其使用材料的性能至关重要，选择型号为Q235的普通碳素钢，根据以上公式计算初选实心截面基本尺寸为，长度约为1000mm。3.4铰架弯矩图分析图3-3铰架1受力分析图3-4铰架轴力图图3-5铰架纵向剪切力图图3-6铰架1纵向弯矩图由上述图有：（3-9）（3-10）其中则铰架1所受最大拉应力为其中外铰架1所所受最大压应力为上式中的、产生于液压缸作用点截面处，产生于o点截面处。图3-7铰架2受力分析图3-8铰架2轴力图图3-9铰架2纵向剪力图图3-10铰架2纵向剪力弯矩图由上述图有：（3-10）其中则铰架2所受最大拉应力为；其中铰架2所受最大压应力为；其中上式中产生于o点处上半部分界面，产生于o点处下半部分界面。3.5铰架有限元分析图3-11铰架1受力点静应力分析图3-12铰架1受力位移变形分析图3-13铰架2受力点静应力分析图3-14铰架2受力位移变形分析表3-1铰架四点静应力分析4液压系统的设计4.1液压缸的受力分析液压缸受力公式的导出由（c)、（d)两式得：、则可算出，。由上（5）、（6）式分别可得（e)(f)将以上（e)、（f)式代入至（a)式得：（g)至此可算出力F，由于这些力是按对称铰架的一边来考虑的，所以F为铰架与底座成时液压缸所承受的一半力的大小。则其中：T-液压缸受力大小4.2液压缸最大受力时数值及角度计算分析铰架与底座所成角度为，当为不同大小时，对应各铰支点受力大小不同，从而液压缸受力大小应不同。现根据以上所列式子将部分关键数据输入如下表4-1，表4-1关键数据12o18o24o30o36o42o48o54o60o­24.5­24.4­24.4­24.4­24.3­24.3­24.2­24.2­24.12447.72375.22268.92122.01923.61657.11295.8794.4212.312.212.613.113.814.816.117.920.423.21223.61258.41310.11382.01479.41610.51788.72036.22322.864.887.6106.8122.9136.3147.1155.3161.0163.8305.0270.0239.8212.9187.6163.3139.8116.998.428.3529.4029.9530.0729.8429.3228.5527.5726.62435435435435435435435435435206351939418310172841625315170139971270511517由上表得，当升降台处于最低位置时，即12o时，液压缸受力最大，此时有T=20635N，考虑到工作平台，工作平台导轨槽，铰架等重量，经查阅相关资料[3]，可取一系数K=1.3，则液压缸所受最大压力为4.3液压泵及液压缸的设计及选型该液压升降平台的工作循环过程是：当工作平台处于最低位置时，通过电机驱动液压马达，使平台升起。在到达液压缸最大行程时，平台停止上升，液压系统进入保压阶段；在升降过程中，升降台的倾角不断变化；打开换向阀，液压升降台开始下降，下降到最低点时停止运动，至此水果采摘升降平台完成整个工作循环过程。在最低位置时液压缸的推力最大，随着平台的上升，液压缸的推力逐渐减小。根据设计的具体要求，液压升降平台的升降系统的动力源为电机所带动的液压泵，执行元件为单作用液压缸，其中液压泵带有卸荷阀并与油箱相连接，内部有一部分液压回路。原理如下：当要使平台上升时，电磁换向阀7左位接通，液压泵3将油箱1中的油压入液压缸6中，从而将液压缸活塞顶出，平台上升。2）当要使工作平台下降时，电磁换向阀7右位接通，液压缸6中的液压油在外载荷的作用下被压出，经有换向阀和节流阀流回油箱，节流阀8则控制液压油的流速，从而使整个平台能平稳的上升和下降。综上所述，只需用油管将液压泵出口连接至液压缸的进油口即可组成一完整的液压回路，如图4-1所示，图4-1液压系统原理图油箱，2.单向阀，3.液压泵，4.单向阀5 溢流阀，6.液压缸，7.电磁换向阀，8.节流阀9.电机其中1、2、3、4、5都集中在液压泵中。由以上计算得出：液压升降平台处于最低高度，即12o时，液压缸受力最大，此时液压缸所受力是26826N。选择缸的直径为50mm的液压缸，其所能提供的最大推力为31420N。输出的压力位为2，储油量为1升，重量为12Kg,此外液压泵配有高压油管和接头。由于液压缸所承受的最大压力位26826N，所以液压泵至少要提供26826N的力，根据以上要求选择液压泵型号为KCB-200不锈钢齿轮泵。由上得液压缸需满足行程为180mm,而液压缸的直径为50mm，则当升降台达到最大高度时，液压缸内储油量为-2-22此外，此时液压油管中也储有一定量的液压油，而液压油管长度估计为0.8m，内径为20mm,则油管储油量为-22=0.251L为保证平台的安全性，使用两个液压缸，则液压缸储油量至少应为L，少于液压缸储油量1L，故液压缸储油量足够，满足设计要求。5相关标准件的选型5.1轴承选择轴承选用深沟球轴承，用在后轮驱动轴上，能同时承受较大的径向载荷，游隙可调，装拆方便，适用于刚性较大的轴，左右各一个，对称安装。表5-1轴承基本参数代号dDTBC0r/KN6007356219.751416.2滚动轴承的基本额定寿命L(106r)与基本额定动载荷C(N)、当量动载荷P(N)间的关系为：（5-1）对于深沟球轴承，ε＝3。轴上重量的估算：圆盘材料为灰铸铁HT250，质量密度为ρ=6.8~7.3g/cm3，取ρ=7g/cm3。带轮材料为灰铸铁HT200，质量密度同上。所以在满载的情况下轴承承受的总重量为220Kg，轴承所受径向力2.2KN，不受轴向力。查表得：X=1，Y=0当量动载荷为P=1×2200=2200N用小时数表示轴承寿命为：（5-2）n表示轴承工作转速，查表得n=50r/min.h农业机械轴承的预期寿命为：=3000—8000h。所以所选轴承可以长期使用。5.2联轴器的选择联轴器是机械传动中常用的部件。它主要用来联接轴与轴，以传递运动与转矩；有时也可用作安全装置。联轴器用来把两轴联接在一起，机器运转时两轴不能分离；只有在机器停车并将联轴器传动系统的断续，以便运行变速及换向等。联轴器所联接的两轴，由于制造及安装误差，承载后的变形以及温度变化的影响等，往往不能保证的对中，而是存在着某种程度的相对位移。这就要求设计联轴器时，要从结构上采取各种不同的措施，使之具有适应一定范围的相对位移的性能。整个设计中只有一处需要用到联轴器，即电机外伸轴与液压泵外伸轴，选用的联轴器为弹性柱销联轴器。弹性柱销联轴器是利用若干个非金属材料制成的柱销置于两个班联轴器凸缘的孔中，以实现连接。柱销通常用尼龙制成，而尼龙具有一定的弹性。依靠弹性柱销的变形，允许有微量的径向位移和角位移。电机外伸轴径为24mm，液压泵外伸轴径为20mm，所以选用的联轴器型号为LT4，所用联轴器材料为HT200。5.3键的选择本次设计的键是联轴器在电机外伸轴与液压泵外伸轴周向定位所使用的键。键、轴和联轴器的材料都是钢，由《机械设计课程设计手册》P-54表4-2查得许用挤压应力[σp]=100~120MPa，取其平均值，[σp]=110MPa。键的工作长度l=L-b=53mm。键与轮毂键槽的接触高度k=0.5h=4mm。由《机械设计基础》P-158式（10--26）可得（5-3）由许用应力，故可见键合适安全。6主要零件建模6.1铰架铰架是本次设计最主要零件之一，该水果采摘平台的升降及整机的安全性主要依靠铰架的刚度，铰架设计时应能承受理论设计的载荷。本章只展示与液压缸相连的铰架模型，如图6-1所示：图6-1铰架16.2上板上板是作为采摘人员的操作平台，上板表面必须有防滑措施，以保证采摘人员的安全。本次设计的上板加了防滑纹，并且应有与铰架滚轮相配合的滚轮槽。上板模型如图6-2所示：图6-2上板6.3大带轮及小带轮本次设计的水果采摘升降平台是以电机驱动可由操作人员控制行走的液压升降平台。传动方案是以带传动，大带轮及小带轮模型如图6-3所示：图6-3大带轮及小带轮6.4底箱底箱是整个平台的支撑，并且内部会放置整个液压系统及蓄电池。底箱的模型如图8-4所示：图6-4底箱6.5整装图建模将各零件模型按一定配合关系组合在一起，生成整体的三维图模型，本次设计的重点是机械部分，所以电路部分不在模型中。整体装配图如图6-5所示：图6-5整体装配图总结本次毕业设计我经历查阅相关资料，果园实地考察，设计方案拟定等等步骤。最终经过几次修改完成了毕业设计。本设计适用于果园或大棚中的水果采摘，不仅节省了劳动力，降低了劳动强度，也大大提高了水果采摘效率。帮助果农节省采摘时间，最大限度的保证了水果的新鲜入库。在设计过程中，我也碰到了自己无法独立解决的问题，但很感谢老师和同学们的耐心帮助，使我的毕业设计顺利完成。经过本次设计，我也充分认识到了自己的不足，但通过不断查阅相关资料，巩固了大学所学的理论知识，并且能将所学到的理论知识与实际情况相结合起来，做到学以致用。致谢历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师—王旭峰老师，王老师从选题指导、论文框架到细节修改都给予了细致的指导，提出了很多宝贵的意见与建议，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。