毕业设计（论文）-小型自走式施肥机设计

STYLEREF"标题1"ABSTRACT摘要小型自走施肥机是一种可以在农田里中将化肥与液体肥料施放和喷洒到指定位置的机械。拥有提高升施肥和喷洒液体肥料过程速度作用，同时还可以保证合理的化肥的用量。它不仅能够提高人们劳动工作的效率，同时也能够减轻人们的劳动负担，让大家生活变得更好，实现劳动机器化、自动化。此设计对小型自走施肥机整体结构的关键零部件进行了强度分析和校核。小型自走施肥机的整体结构主要由以下部件组成：车架、车轮、支架、传动轴1、凸轮、摆臂、喷洒头、液体肥料箱、锥齿轮、链轮、减速器、肥料箱、覆土铲、开沟盘、开沟刀和犁等。这些零部件共同构成了小型自走施肥机的完整结构。在设计过程中，我采用了SolidWorks数字化建模软件，实现了小型自走施肥机零件图和总装配体的三维数字化建模。同时，我还对关键零部件进行了相关的强度分析，以确保其满足设计和使用要求。关键词：曲柄连杆；链传动；自走小车；开沟施肥；建模与仿真；强度分析

ABSTRACTAsmallself-propelledfertilizerapplicatorisamechanicaldevicethatcanapplyandsprayfertilizersandliquidfertilizerstodesignatedlocationsinfarmland.Ithasthefunctionofimprovingthespeedoffertilizationandsprayingliquidfertilizers,whilealsoensuringareasonableamountoffertilizer.Itcannotonlyimprovetheefficiencyofpeople'slaborwork,butalsoreducetheirlaborburden,makeeveryone'slifebetter,andachievelabormechanizationandautomation.Thisdesignhasconductedstrengthanalysisandverificationonthekeycomponentsoftheoverallstructureofasmallself-propelledfertilizerapplicator.Theoverallstructureofasmallself-propelledfertilizerapplicatormainlyconsistsofthefollowingcomponents:frame,wheel,bracket,transmissionshaft1,cam,swingarm,sprayhead,liquidfertilizerbox,bevelgear,sprocket,reducer,fertilizerbox,coveringshovel,trenchingdisc,trenchingknife,andplow.Thesecomponentstogetherconstitutethecompletestructureofasmallself-propelledfertilizerapplicator.Inthedesignprocess,IusedSolidWorksdigitalmodelingsoftwaretoachievethree-dimensionaldigitalmodelingofthepartdrawingsandfinalassemblyofasmallself-propelledfertilizerapplicator.Atthesametime,Ialsoconductedrelevantstrengthanalysisonkeycomponentstoensurethattheymeetdesignandusagerequirements.Keywords:crankconnectingrod;Chaindrive;Selfmovingtrolley;Trenchingandfertilization;Modelingandsimulation;strengthanalysis

目录摘要 1ABSTRACT 2第1章绪论 51.1引言 51.2.1国外发展现状 51.2.2国内研究现状 71.2课题研究内容与方法 8第2章小型自走施肥机的总体设计 102.1设计总体结构 102.2设计方案 13第3章小型自走施肥机的设计计算 143.1总传动装置设计 143.1.1主要技术参数： 143.1.2传动装置的运动和动力参数计算 143.2减速器与曲柄传动轴链传动的设计 163.3减速器与小车传动轴链传动的设计 173.4小车与开沟机传动轴链传动 193.5曲柄摇杆机构的的设计 203.5.1曲柄l1的设计 213.5.2底架l4的设计 213.5.3摇杆l3的设计 213.5.4连杆l2的设计 223.6开沟部分结构设计 223.6.1开沟刀片 223.6.2开沟犁 233.6.3传动轴设计 243.7小车部分设计 253.7.1小型自走施肥机车架设计 253.7.2传动轴设计 27第4章小型自走施肥机建模与装配 284.1小型自走施肥机的零件建模和零件装配 284.2小型自走施肥机装配体爆炸展示和干涉检测 304.2.1总装配体的爆炸展示 314.2.2小型自走施肥机的干涉和缝隙接触检测 32图4.4干涉和缝隙接触检测 33第5章小型自走施肥机的有限元Simulation分析 345.1有限元Simulation仿真简要 345.2小型自走施肥机驱动轴的有限元Simulation仿真 355.2.1进行关键零部件驱动轴的材料选型情况分析 355.2.2进行关键零部件驱动轴的载荷和受力情况分析 355.2.3进行关键零部件驱动轴的网格化处理 365.2.4运算求解的过程 375.2.5

求解后得到的有限元分析结果 375.2.6分析求解驱动轴的结果 385.2小型自走施肥机开沟刀的有限元Simulation仿真 385.2.1进行关键零部件开沟刀的材料选型情况分析 385.2.2进行关键零部件开沟刀的载荷和受力情况分析 395.2.3进行关键零部件开沟刀的网格化处理 405.2.4运算求解的过程 425.2.5

求解后得到的有限元分析结果 425.2.6分析求解开沟刀的结果 44第6章结论 46参考文献 47致谢 48

第1章绪论1.1引言农业机器人是信息技术、智能控制和机械制造等多领域综合发展的产物，主要工作范围是面向农业生产过程中的种植、收获和运输等环节，同时农业机器人兼有信息感知和运动能力[3]，是一种可重复编程的柔性自动化或半自动化装备。按照机器人的作业场地归属，可将农业机器人划分成两大类：一类是在大面积田块作业的室外型，另一类是在棚室内作业的室内型[4]。自上世纪70年代以来，国内外众多高校及科研院所均对农业机器人进行了重点研究，并取得了瞩目的研究成果，下文将简要介绍国内外农业机器人的研究进展。1.2.1国外发展现状2018年西弗吉尼亚大学研制的BrambleBee喷农药机器人[6]，如图1-4所示，根据激光雷达建立温室三维地图和相机识别所喷洒农药植物图像信息，使用机械臂末端的喷头完成喷药操作；该机器人装有视觉传感器、测速传感器、定位传感器等诸多设备，能够对作物和杂草进行区分，识别杂草后进行精准施药，除草剂用量仅为人工喷洒的1/10，但除草效果却不分伯仲。采用超声波测距原理判断树冠位置，实现精准喷药，农药节约率高达60%，集成GPS、IMU、摄像机模块[7]，能够完成自主导航任务同时收集温湿度、光照强度等植物生长环境条件以及监测植物的生长状况。除此以外，机器人还可以应用于授粉和施肥等植物保护环节。MohdSaiful等研制装备喷嘴、药罐的喷药机器人如图4所示，在基于真实的温室环境设计构建虚拟环境[8]，并以可视化方式进行机器人运动规划和农业喷药操作。图1-4喷农药机器人2018年4月，澳大利亚southerncross公司进行微型遥控果园开沟机的研发与设计[9]，如图1-5所示。该机特点如下：一是针对果园空间狭小、小四轮及手扶拖拉机作业时通过性不好、操作不便等问题，设计出一种与微型遥控机械配套的果园开沟机；二是机具高度仅67cm，通过性能好；三是遥控、人力两套操纵系统可随机操纵，也可人机分离，降低了操作人员的劳动强度；四是采用履带行走装置，附着力强，爬坡能力大：五是稳定性强，能防止机具作业时翻倒[10]。从试验结果看，该机功耗小，具有一定爬坡能力，适合果园作业。微型遥控果园开沟机的成功研制，解决了果树行距小、冠下高度低的难题，对果园机械化生产具有重要的意义[11]。图1-5微型遥控果园开沟机对于耕耘类机器人其技术难点主要还是在导航和精确定位方面，2014年芬兰相关研究院所首先研制出自行走式耕作机器人[12]如图1-6所示，该机器人移动平台为小型履带式，利用GPS定位技术与电机调速技术相结合，通过分析定位数据后调节左右两侧驱动轮转速差进行机器人导航[13]。日本机电技术研究所曾研制出一款耕作机器人，该机器人可通过传感器对耕作场内环境进行辨别，判断自身位置并进行自行走作业，工作效率高于人工作业。近年来，电子罗盘、激光雷达、GPS系统、彩色相机等导航设备的飞速发展，推动了耕耘机器人发展进度，利用此类导航设备配合人工神经网络、模糊控制等算法能够有效提高耕耘机器人作业精度[14]。图1-6自行走式耕作机器人1.2.2国内研究现状2009年2月，新疆农业科学院农业机械化研究所阿布里孜·巴斯提、兰秀英、贡献、刘旋峰等人开发研制了lK-40型偏置式果园开沟机[18]图1-8所示，主要用于果园施肥开沟、种树开沟。该机针对果园的土壤特点及开沟位置的要求，采用偏置式设计，具有以下特点：一是由于偏置式果园开沟机的开沟部件向右侧置(在拖拉机右轮后)，作业时拖拉机行间行走可将施肥沟开在距树干0.5～1.5米处，使树冠树叶免受影响[19]；二是该开沟机一机多用，除可用于果园挖施肥沟外，还可用于农田、荒地的开沟作业；三是机具结构简单、操作方便、使用可靠、生产效率高、成本低[20]。图1-8lK-40型偏置式果园开沟机2017年，深圳亿天航率先研发的无人机喷洒机器人[21]图1-9所示，深圳亿天航是一家技术创新为导向的科技公司，是国内专业从事无人机研发、生产、销售及无人机技术应用整体解决方案提供商，喷药无人机是现代植保的一种发展趋势[22]。喷药无人机采用的是喷头喷酒农药，雾化效果是普通喷头的近40倍，洒药效果远超人工喷雾，喷药无人机的喷洒可在飞行控制系统和喷洒伺服系统，更高效控制喷药无人机[23]。图1-9无人机喷洒机器人我国农业机器人的研究主要还是以高校为主，经过多年发展，在某些关键技术方面取得了突破性进展，目前国内针对面向棚室作业的多功能农业机器人研究较少[24]，南京农业大学曾在多功能农业机器人关键技术方面进行了研究，取得了部分成果。但研究工作也仅仅是领域内的初探，没有进一步深入[25]。比较起国内外的各种研究成果，本文设计的小型自走施肥机具有以下的特点：一是结构设计简单，操作方便，容易上手；二是生产成本低，经济实惠；三是喷洒、施肥、开沟一体设计，一车多功能可以适应绝大多数的工作环境。1.2课题研究内容与方法此次毕业设计的主旨在于对小型自走施肥机进行系统的整体方案分析，并制定了其总体结构的设计方案。这一过程中，我主要完成了以下工作：1.研究背景和课题意义的阐述：通过查阅相关文献，我对国内外的相关机械设备进行了深入研究，特别是对小型自走施肥机的相关知识进行了学习，为后续的总体结构设计打下了坚实的基础。2.机械设计和原理的复习：我回顾了所学的机械设计、机械原理以及经典力学和机械结构运动学、动力学等方面的知识。同时，我还参考了机械设计手册等相关工具书文献，以便更好地分析和设计小型自走施肥机的系统性能，详细研究设计其传动结构和布局分布等。3.三维数字化结构设计：利用SolidWorks软件，我对小型自走施肥机的零部件进行了三维数字化结构设计和建模。随后，我搭建了所有零部件的模型，并添加了零件间的装配约束和关系，以完成总装配体的干涉和缝隙接触检测。4.有限元强度分析：使用Solidworks中的Simulation插件，我对小型自走施肥机的关键零部件进行了有限元强度的分析计算，以确保其满足设计和使用的强度要求。最后，我使用AutoCAD平面制图软件，完成了小型自走施肥机关键部件零件图的绘制和总装配图的绘制，为后续的生产制造和装配工作提供了详细的指导。综上所述，本次毕业设计对小型自走施肥机的设计进行了全面的分析和计算，确保了其结构的合理性和可行性，为未来的生产制造和实际应用奠定了基础。

第2章小型自走施肥机的总体设计2.1设计总体结构总体设计方案确定为以下三个部分：曲柄摇杆洒液体肥料部分图2-1曲柄摇杆洒液体肥料部分1.液体肥料的调配与储存：液体肥料被预先调配好并储存在肥料箱内，准备用于农田通过这种设计，小车确保了在移动的同时能够有效地完成液体肥料的喷洒作业，提升了农业生产的效率和便捷性。（需要全部论文，联系未球球992844756）电机驱动行走小车部分图2-2电机驱动行走小车部分由电机输出，经过减速器，将输出速度降低，到达链轮传动，经过进一步减速增大扭矩，带动整个小车，通过下面的两根轴，带动小车向前行驶，使上面的喷洒液体肥料部分喷洒更为广泛和均匀。链轮驱动开沟施肥部分图2-3链轮驱动开沟施肥部分此过程为一种农业机械，用于在田地中进行开沟、施肥并覆土的整个过程。以下是对该农业机械工作原理的逐步分析：1.启动与传动：整个机械的运动由电机启动，该电机同时作为整机的动力源。7.施肥与覆土：肥料箱内的固体肥料根据设定通过螺丝控制撒入量，落入已经挖开的沟里。最后，覆土铲将挖出的土回填至沟中，完成整个施肥过程。整个机械的设计允许同时进行多个步骤，包括移动、松土、开沟、施肥以及覆土等工序，提高了农田作业的效率和便利性。2.2设计方案小型自走施肥机结构可分为车架、车轮、支架、传动轴1、凸轮、摆臂、喷洒头、液体肥料箱、锥齿轮、链轮、减速器、肥料箱、覆土铲、开沟盘、开沟刀和犁等。本次毕业设计所设计小型自走施肥机详细的机械部件结构如图2.1所示：1-车架；2-车轮；3-支架；4-传动轴1；5-凸轮；6-摆臂；7-喷洒头；8-液体肥料箱；9-锥齿轮；10-链轮；11-减速器；12-肥料箱；13-覆土铲；14-开沟盘；15-开沟刀；16-犁图2.1小型自走施肥机整机结构图第3章小型自走施肥机的设计计算3.1总传动装置设计3.1.1主要技术参数：外形尺寸（长×宽×高，mm）2100×1500×1600；整机重量（kg）200；液体肥料箱容积L100；开沟深度（mm）≤300；开沟宽度（mm）100；肥箱容积（L）80；小车行走速度（m/min）＞10；配套动力（kw）3。3.1.2传动装置的运动和动力参数计算3.2减速器与曲柄传动轴链传动的设计图4-1链轮3.3减速器与小车传动轴链传动的设计图4-2小车链轮3.4小车与开沟机传动轴链传动根据小车轴的尺寸可确定链轮轴孔d=30mm，轮毂长度L=20mm，可与小车轴的相关尺寸协调。图4-3小车后排链轮3.5曲柄摇杆机构的的设计曲柄摇杆机构的设计，为了使洒液体肥料的摇杆，往摆动，摇杆上面固定有洒水管，伴随着小车往前移动，图4-4曲柄连杆机构3.5.1曲柄l1的设计根据曲柄摇杆机构的设计，图4-5曲柄3.5.2底架l4的设计底架的设计为原定好的，图4-6底架3.5.3摇杆l3的设计图4-6摇杆3.5.4连杆l2的设计摇杆和连杆的长度图4-6连杆3.6开沟部分结构设计开沟部分在工作时，旋耕刀的绝对运动由刀轴旋转和机组直线运动组成，旋耕刀旋转切削土壤3.6.1开沟刀片作为本设计中开沟机主要工作部件的开沟刀片，它的形状和参数对开沟机的工作效率和开沟的质量有着很大的影响，开沟刀片分为直刀、L形刀、弯刀和凿形刀这些类型。使用直刀对已经翻耕的土地进行碎土作用，效果比较好；而凿形刀、弯刀和L形刀多用来进行用于初耕。结构简单的L形刀容易缠草，并且工作稳定性较差；在旱作砂性土壤中，凿形刀能够进行超进距旋耕的作业，同时它能够节约动力消耗；弯刀因为有良好的滑切性能和脱草性，同时工作平稳，所以广泛用来在进行水田和草原中的耕作。综合考虑，此处旋转L型刀，如图3.1所示。图3.1刀片三维图3.6.2开沟犁开沟时需要将已切削的土壤抛弄到沟的两侧，设计一个开沟铲安装在开沟机的后面，它主要由三部分组成，一部分是两个相切且反向的圆弧面，它能够将向后水平抛的土壤改为向上抛，设计开沟铲如图：图开沟铲3.6.3传动轴设计轴颈最小尺寸为1

3.7小车部分设计3.7.1小型自走施肥机车架设计在本次毕业设计中，车架作为小型自走施肥机的关键支撑结构，底架的功能：承载电机和减速器，以及整个装备，上面一层用来放农药箱以及曲柄摇杆喷头等，后面连接着链轮和链轮驱动开沟施肥部分，用来施肥。需要满足一定的力学性能和工艺要求。以下是对车架材料选择和设计的分析：即可满足载荷要求的力学和其他性能，无需选用成本更高的合金结构钢。综上所述，45钢因其良好的综合性能被选为车架材料，能够满足设计中车架的要求，并有助于控制成本。设计模型如图所示。图3.10车架设计3.7.2传动轴设计

第4章小型自走施肥机建模与装配4.1小型自走施肥机的零件建模和零件装配在构建小型自走施肥机的设计中，初始阶段涉及对每个组件进行独立的三维建模。尽管如此，实质性的挑战并不在于各个零件的建模，而在于将这些部件有效组合，形成一个能够按预期动作的完整机械系统。在模拟组装的过程中，我们必须按照特定的顺序逐步整合这些部件，并引入适当的约束条件，以确保部件间的运动符合设计要求。但是，核心的步骤并不是零件建模本身，而是要把这些零件按照一定的逻辑顺序组装起来，形成一个协调运作的完整机械系统。为了简化这一复杂的组装过程，我们将整个机械手的总装配体分解成多个模块，通过这种方式，每个模块包含的零件数量减少，根据装配序列进行安装就更加高效。在所有模块都装配完毕后，我们新建了一个总装配文件，命名为“小型自走施肥机总装配体”，并将之前装配好的各个模块导入其中。依照既定的装配流程完成最终的整合，这样我们就得到了一个完整的、功能性的小型自走施肥机装配模型。该模型的示意图展现了小型自走施肥机的整体装配布局。图4.1小型自走施肥机总体安装装配情况4.2小型自走施肥机装配体爆炸展示和干涉检测在设计装置完成后，为了确保设计的合理性并排除任何潜在的不良因素，我们需要进行一系列的检查，其中包括生成爆炸图和进行干涉检查。这些步骤有助于我们验证各个组件之间是否有适当的空间和配合，以确保装置的顺利运作。4.2.1总装配体的爆炸展示图4.2总装配体的爆炸选项图4.2总装配体的爆炸选项图4.3小型自走施肥机总装配体的爆炸效果展示4.2.2小型自走施肥机的干涉和缝隙接触检测干涉和缝隙接触检测是机械结构设计中的关键步骤，它允许设计者直观地观察小型自走施肥机各零部件之间是否存在安装缺陷或设计不当等问题。使用Solidworks软件的干涉检查插件，可以简化这一过程，提高设计的准确性和合理性。进行小型自走施肥机干涉检查的操作流程如下1.在Solidworks中打开总装配体模型。以红色标记，并编号，方便识别和修改。6.通过分析结果，可以判断小型自走施肥机的设计是否合理，是否存在需要调整的结构问题。根据上述检测流程，如果得出的结论是小型自走施肥机设计过程中没有出现零部件之间的干涉，且零件之间的缝隙接触均在合理范围内，那么可以认为该毕业设计的小型自走施肥机的整体结构和计算是合理的。图4.4干涉和缝隙接触检测第5章小型自走施肥机的有限元Simulation分析5.1有限元Simulation仿真简要使用Solidworks中的Simulation仿真模块，我们可以对关键零部件进行有限元分析。这个过程涉及到将复杂结构的部件通过电脑进行力学分析和计算，首先需要对材料进行分配，处理和固定关键面。在Simulation模块中经过简化处理后，对设计模型的关键零部件进行网格划分。然后，运行分析得到关键零部件的有限元仿真情况，进而进行分析，最终获得的效果是近似于实际情况的解。具体步骤如下：建立模型：根据设计数据和结构，建立关键零部件的三维模型。模型简化：首先对设计模型进行简化，去除那些可能不必要且会加重计算结果解读：最后，对计算结果进行详细分析，评估关键零部件的性能，以及其在预期工作条件下的可靠性和可行性。6）结果解读：分析得到的图像和数据，评估关键零部件的性能和可靠性。通过这个流程，我们能够获得关于设计零部件在力学性能方面的深入理解，这对于确保设计的安全性和功能性至关重要。5.2小型自走施肥机驱动轴的有限元Simulation仿真通过上面的简介不难得到，通过Solidworks三维软件对关键零部件采用微分的方式逐个对小网格进行计算求解，通过观察技术求解获取的数据结果，该驱动轴零部件在正常工作运行的环境下整体的受力详细情况，根据所展示出的受力云图等，分析驱动轴关键零部件的应力、位移和应变图的方式，来校核关键部件的质量效果，从而即使观察处所设计重点部位的相关性能参数以及不易察觉的质量缺陷等缺点不足，在完成进一步的模型调整修改工作。5.2.1进行关键零部件驱动轴的材料选型情况分析图5.1驱动轴上面载荷分布的展示情况5.2.3进行关键零部件驱动轴的网格化处理对关键零部件驱动轴的模型进行划分受力的网格，网格划分参数选取的过程如下表5.2，网格划分的细密度情况如下图5.2所示：图5.2驱动轴划分的网格细密程度的展示情况5.2.4运算求解的过程步骤过程为：菜单（menu）——求解（solution）——解决（solve）——当前模型（currentmodel），确认开始进行仿真求解。当求解结束已完成关键零部件驱动轴的有限元仿真过程时候，会出现“solutionisdone！”，然后此simulation有限元分析求解的步骤完毕。5.2.5

求解后得到的有限元分析结果进行求解结束后，获得三种有限元分析的图像，分布为有限元分析的应力图、位移图和应变图等，然后进一步分析这些图像的情况。图5.3驱动轴有限元位移分析相关数据的展示情况图5.4驱动轴有限元应力分析相关数据的展示情况图5.5驱动轴有限元应变量分析相关数据的展示情况5.2.6分析求解驱动轴的结果在小5.2小型自走施肥机开沟刀的有限元Simulation仿真5.2.1进行关键零部件开沟刀的材料选型情况分析看前面章节的设计过程，可知道小型自走施肥机关键零部件开沟刀的所选用的材料的相关参数，开沟刀使用普通碳钢进行工艺加工，然后采用多种不同的机械加工工艺进行制造以及生产加工，最后加工得到这个开沟刀的实体零部件，在进行开沟刀有限元5.2.2进行关键零部件开沟刀的载荷和受力情况分析根据此开沟刀零件的受力情况，在转轴处添加固定约束，以此来固定在传动轴上面，然后在表面添加上表面的载荷的约束，如图5.1所示：图5.1开沟刀上面载荷分布的展示情况5.2.3进行关键零部件开沟刀的网格化处理图5.2开沟刀划分的网格细密程度的展示情况5.2.4运算求解的过程步骤过程为：菜单（menu）——求解（solution）——解决（solve）——当前模型（currentmodel），确认开始进行仿真求解。当求解结束已完成关键零部件开沟刀的有限元仿真过程时候，会出现“solutionisdone！”，然后此simulation有限元分析求解的步骤完毕。5.2.5

求解后得到的有限元分析结果进行求解结束后，获得三种有限元分析的图像，分布为有限元分析的应力图、位移图和应变图等，然后进一步分析这些图像的情况。图5.3开沟刀有限元位移分析相关数据的展示情况图5.4开沟刀有限元应力分析相关数据的展示情况图5.5开沟刀有限元应变量分析相关数据的展示情况5.2.6分析求解开沟刀的结果在小

第6章结论在本次毕业设计中，设计的小型自走施肥机整体结构主要包括以下部件：车架、车轮、支架、传动轴1、凸轮、摆臂、喷洒头、液体肥料箱、锥齿轮、链轮、减速器、肥料箱、覆土铲、开沟盘、开沟刀和犁等。这些零部件共同构成了小型自走施肥机的整体结构。本文通过对现代国内外农用机械的调查研究，结合当前的农用机械的现状，本文对摇摆式喷雾与施肥一体自走小车进行了详细的设计和原理介绍，结合现代农用机械的特点和市场需求。进行相应的设计出的技术参数和传动装置，通过SolidWorks软件进行完全的三维建模和计算设计，设计出整体设备。结合以上要求本机具有以下特点：本机器结构简单、紧凑，各个零件的要求较低，便于生产加工；该机器工作可靠，能较好地满足喷液体肥料和施肥工作，在田间作业时对土壤的要求不高，能较好的满足承包户的经济要求，以及实际生产要求。成本低，操作简单容易上手。

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