齿盘式棉秆起拔机的设计【含CAD图纸优秀毕业课程设计论文】

购买设计文档 后加 费领取图纸 购买设计文档后加 费领取图纸 齿盘式棉杆起拔机设计说明书 学生姓名 张洒 学 号 8031212315 所属学院 机械电气化 工程学院 专 业 农业机械化及其自动化 班 级 16 指导老师 贺小伟 日 期 塔里木大学 机械电气化工程学院 16 届毕业设计 前 言 随着我国的棉花种植面积的扩大，拔棉杆的工作已经成为农村一项较重的劳动，为了降低劳动强度，农民对棉杆收获机械的需求正日益迫切。针对目前拔棉柴机工作效率低、漏拔率高、拔断 率高、易拥堵、适应性差的问题，本人研究设计了齿盘式棉杆起拔机。该起拔机采用齿盘夹持部件和水平拔取原理，通过力学和运动分析确定工作参数，试验表明，该机作业性能满足农艺要求。 关键词： 齿盘；整株拔取；棉杆起拔机 目 录 1 引言 . 1 计的目的与意义 . 1 杆起拔机械的发展现状 . 2 2 棉杆起拔阻力的分析 . 3 响棉杆拉拔阻力的因素及相关分析 . 3 棉杆机设计最大起拔力的确 定 . 5 3 齿盘式棉杆起拔机的运动分析 . 6 盘式棉杆起拔机的工作原理 . 5 盘拔取棉杆的运动轨迹分析 . 5 4 机器的零部件初步设计 . 6 盘的结构设计 . 6 深轮的设计 . 7 动机构的设计 . 7 具悬挂方式的选择 . 8 5 零部件的设计计算和校核 . 9 拉机的选取 . 9 动锥齿轮的设计及校核 . 9 的设计及轴类零件的选取 . 8 架的设计 . 12 总 结 . 15 致 谢 . 16 参考文献 . 17 塔里木大学毕业设计 1 1 引言 棉花是世界上最重要的粮食作物之一，中国是世界上首屈一指的棉花产区。据统计， 国家统计局， 2008 年全国棉花种植 576 万 的面积，棉花产量 750 万吨，棉花秸秆产量超过 20 万吨。近年来，由于通过促进政策指导，全国棉花种植面积增加，从而产生大量的棉秆。 棉杆是一种用途非常广泛的宝贵资源，除了可以直接粉碎还田用作有机肥料外，棉花秸杆也可以收获后进行工业化利用。第一，棉花秸杆是一种很好的木材替代品，可用来生产人造纤维板等板材，用作建材、造纸等原料、制作一次性餐具等；第二，棉花秸杆具有较高的营养价值，经过微化处理后蛋白质含量可高达 12，可作为牛、羊的上等饲料；第三，棉花秸杆可用作无公害 食用菌的培养基种植蘑菇；第四，棉花秸杆可用作生物质发电厂的原料，采用生物质直燃发电技术发电，也经轧碎和高温热解等过程产生一氧化碳为主的生物质气体，作为新型能源。因此，为了发展绿色农业，发展农村经济，增加农民收入，棉花秸杆收获回收利用具有重要意义 【 1】 。 我国在 20 世纪 60 年代中期就开始了对棉花秸杆收获机械的研制工作， 70 年代末 80 年代初达到高潮，但由于种种原因，都未能形成定型产品生产和推广应用。到了 20 世纪 90 年代，棉花秸杆收获机的研制又活跃起来。近几年来，全国各地高等院校、科研院所和企业在过去 30 多年研究 的基础上研制了各种棉花秸杆收获机械，按其工作部件的收获原理可分为挖掘式和提拔式；按工作部件结构，提拔式包括链夹式、齿盘式等。由于国内主要棉花种植区的种植农艺要求和模式不同，棉花品种和土壤条件差异较大，所以上述各种棉花秸杆收获机械多数没有大面积推广应用，大多数地区还是人工收获，劳动强度大，生产效率低。农民急需经济实用，高效的棉花秸杆收获机械。 计的目的与意义 棉花是我国的重要经济作物，目前，全国棉花种植面积 600 万 每年棉秆产量约为 3000 万吨。按一吨棉秆相当于 木用于制造纸浆量计算， 若全部利用每年可节省林木资源 12 万 m，如此大的可再生资源如果实现循环综合利用，将产生巨大的经济效益。发展棉花秸杆机械化收获技术，对实现农业剩余物综合利用，发展绿色农业意义重大。 棉花收获后，棉杆仍留在地里。大量棉杆留在地里对耕作造成很大影响。在未来种植作物前要及时将棉杆拔去，以便于进行松土播种等作业。目前对于棉杆的处理方法以下有四种： (1)将棉杆直接翻入土壤中； (2)将棉杆粉碎还田，根部仍留在棉田内； (3)机械式拔棉杆； (4)人工拔杆。将棉杆直接翻入土壤中，耕地时大量棉杆堆积，将极大地增加机械机具的牵引阻 力。棉杆粉碎还田目前应用最为广，但是棉杆粉碎还田后，由于棉杆仍留在棉田内，播种时容易插入穴播器，造成播种孔阻塞，影响播种质量。对棉秆收获机械化的要求虽然十分迫切，但由于棉秆主干粗细不一，枝杈多，长势特殊等原因，收获技术和收获机械仍不完善。近年来，随着社会和科技的发展，棉秆已被广泛应用于能源、造纸及生物基材料等领域，尤其是棉杆木质成分含量高，可作为优质的可再生资源原料，棉杆收获技术与装备的研究备受关注。因此，对棉杆收获过程的机理和特性进行探讨，提高棉杆收获效率成为一个重要的课题。近几年已有多种机型问世， 因此 ，设计的一种棉杆起拔机，塔里木大学毕业设计 2 这种棉杆起拔机的机械结构简单，工作可靠，对棉杆的损伤小，对解决现有的棉杆收获技术中存在的问题起关键性作用 【 2】 。 杆起拔机械的发展现状 内起拔机械现状 我国对棉杆收获机械的研究始于上世纪六十年代中期，犹豫存在棉杆枝杈繁多，主茎直径不同，种植情况差异等原因，收获机械和收获技术研究进展迟缓。近年来。国内外学者对棉杆收获机械的研究热情明显高涨，已有多种棉杆收获机械问世，同时对棉杆机械收获技术与结构的改进研究仍在进行中。 目前应用较广泛的棉杆收获机械所采 用的收获原理和方法大致可以分为：产切法、滚切法、提拔法三种。 1)产切法 该方法利用双翼刀以一定角度深入土壤下约，由动力机带动产刀将棉根伊断，并将棉杆向上抬起，再由输送装置将其收集成堆。由于刀入土作业，其前行过程中由前次作业所带起的土壤及作物根巷若不能及时掉落并与辛产刀分离，下次作业时伊刀前端就会大量壅土，不但增加了伊刀工作阻力，致使作业效率低下，也增加了机具的功耗。该方法存在动力消耗大、残留棉根较多、铺放不整齐等缺点。该方法的典型机型为 4棉杆收获机。 2)滚切法 该方法基于旋耕原 理，采用旋转刀棍作为收获部件进行作业，为便于铲切提拔，在水平刀棍上等角度安装三组刀片。机组在田间作业时，随着机组前行，刀辊逆向旋转切入棉杆根部，刀片将棉根产断，并将其拔起。刀棍为通轴刨刀，在整个作业过程中机具无需考虑棉杆行距，且土壤被刀辅不断翻动，棉根被产断，不会发生壅土现象。该方法同样消耗动力较大，但工作效率较高，对不同棉杆的行距适应性较强，主要适应于直径较细小，高度不超过 1M 的密植棉杆。该技术的典型机型为 4M 棉花拔杆清膜旋耕机。 3)提拔法 该方法利用夹持装置夹持棉杆，在机组田 间行进速度配合下，拉动起拔机构产生向上的提拔力，将棉根从土壤中拔出。大部分机械设计有捡拾喂入部分，或设计有输送机械，可将棉杆直接收集或铺放在地面上。这类机具的工作原理、设计结构相对复杂，制造成本较高，同时对棉花种植的株距、行距、机具在田间的行进速度与夹持装置的配合要求也很高。但该方法动力消耗较少，拔净率较高，残留棉根较少。 a)齿盘式 齿盘式在国内应用较为普遍，其起拔机构是一对对碾齿盘，常用齿形有梯形、银齿形、矩形等。这类机具通常并排安装两齿盘，在两齿盘间隙处装有扶禾装置。机具作业时，两齿盘通过锥齿 轮传动反向旋转，齿盘与扶未装置配合，将棉杆夹持紧，借助行进速度将棉杆拔起并抛送到机具后面，代表机型 4齿盘式拔棉杆机。 b) 对辊式 塔里木大学毕业设计 3 对辊式是利用一对按一定角度配置安装的圆辑反向旋转，棉杆进入两親间隙形成夹持点，从而夹持棉杆并将其从地表拔出。随着机具在田间行走，棉杆根部被两对反方向旋转对辑夹持住，随着圆辑的滚动向前，棉杆被拔起并抛向后方。这种方法较适合行距较宽的种植模式，且机具动力消耗较大，不适宜大面积推广。 c) 圆盘式 圆盘式结构利用一对具有夹角的圆盘，夹持点在两盘轴向横截面上， 两盘保留一定间隙，保证能够顺利夹持棉杆。在工作时，机具沿棉杆方向前进，两盘将棉杆根部夹紧，随着两盘的滚动，棉杆被拔起抛至后方。 外起拔机械现状 1）棉杆刨挖技术 这种技术釆用对称 倾斜双圆盘对棉杆进行刨挖，与双圆盘开沟器的作业原理相同，代表机型为美国的 杆挖刨机，这两种机型根据需要可调整其收获棉杆的行数，其参数有 2、 4、 6、 8 行四种，对不同湿度棉杆有较强的适应性。而机型的圆盘角度和高度是可调的，拔杆机构设计为可折叠式，采用平行四杆仿形，并在其后面安装 切碎装置，实现棉杆的起拔与切碎还田 . 2)棉杆拔取技术 这种技术采用 45倾角安装橡胶轮胎对辑起拔，代表机型有澳大利亚生产的 棉杆机以及美国生产的 杆拔取切碎收获机。这两种机型能将棉杆连根拔起并切碎，机具行走速度快，有较高稳定性且设有传动安全防护措施，适用于大规模化标准化种植。 2 棉杆起拔阻力的分析 响棉杆拉拔阻力的因素及相关分析 根据田间试验和实时测量，影响棉柴拉拔阻力的因素主要有以下几点： 1、棉花的根系分布情况； 2、土壤情况和棉花生长情况； 3、棉杆根 部直径与起拔力成正相关直线回归关系； 4、土壤含水量和坚实度。 棉杆直径（ 右 壤含水量（ %）左 12 右 16； 土壤坚实度（ 左 右 棉杆拉拔阻力 位移曲线 塔里木大学毕业设计 4 207 r 根部开始克服阻力而向上移动，阻力也逐渐增大。在不同的土壤，不同的土壤含水量和土壤压实度的条件下，曲线的斜率是不同的，粘重土壤，土壤水分含量小，土壤坚实度较高的曲线斜率越大，而在高水含量的土壤，土壤松软，曲线比较平缓，位移与抗拔力变化较小。 阻 力下降阶段在干硬的土壤中生长的植物，当抗拔力达到最大，主根和侧根几乎同时被拉断，因此抗拔力明显下降，少量的根和根的抗拉强度和土壤分离表明只有很小的阻力。而在松软、含水量较大土壤生长的植株在拉拔过程中，主根和侧根逐渐在较细的部位被拉断，所以阻力的下降比较缓慢，其相应的位移过程也就较长。对松软的土壤从拉拔开始至阻力基本解除对应的位移可达143】 。 求回归方程 P=a+式中 N 实测点数 N=58； L 离散值； D 根部直径（ P 起拔力（ B 回归系数； a 常数，最小起拔力（ 由此可以计算： )( (3424 P )(59 (由此可以计算： 78672 D 2278042 P (22 7 7 0)( 22 P(2 2 0 7)()( N P( 0 7 （ 2 回归方程式为 P= 为了检验回归方程与 点图的相关程度，可用下式求相关系数 r, （ 2据相关系数的检 验，棉花根系直径 D 和棉杆拉力 P 高度相关。这表明，生长在高水分的棉杆物理状态更均匀，直径和根在拉力棉杆之间的关系是线性回归。近年来所测棉杆的回归系数 b 的范围是在 28 之间， a 在 +2031 之间 【 4】 。 塔里木大学毕业设计 5 拔棉杆机设计最大起拔力的确定 我国拔棉杆季节一般在 11 月中下旬，这时的土壤含水量主要由 10 月、 11 月的降雨量所控制。以所测数据为依据，因为棉杆直径、棉杆起拔力均是连续性变异，所以其分布为正态分布。如我们要求拔起 95%的棉柴，则在 95%的范围内的最大起拔力为 )(a x p （ 2 式中 起拔力标准差，根据计算 21。 分布值，由设计手册查得 5】 。 3 齿盘式拔棉秆机的工作原理及 运动分析 齿盘式棉杆起拔机的工作原理 齿盘式棉杆起拔机主要由齿盘、机架、限深轮和动力传动部件构成。如下图所示。 图 齿盘式棉花秸秆收获机结构示意图 1、 齿盘 2、限深轮 3、动力传动部件 4、扶禾器 5、机架 工作原理：采用地轮传动方式，通过限深轮、锥齿轮来驱动拔秆齿盘实现拔杆作业。工作时拖拉机带动起拔机向前运动，棉杆通过扶禾器引入装置进入齿盘上的三角刃槽中，限深轮通过动力传动部件带动齿盘旋转，齿盘上的三角刃槽把棉花秸杆钳住，在拖拉机的前推力与齿盘的旋转拉拔力双重作用下将 棉花秸杆从土壤中拔出。这种方式依靠限深轮与地面之间的摩擦力来实现动力传递，属于被动传动，这种结构具有结构简单，成本低的特点，具有较强的适应性。 齿盘拔取棉杆的运动轨迹分析 以左齿盘为例，分析其运动状况。齿盘工作时，齿盘一面旋转，一面随拖拉机前进，因此齿盘上所夹持的棉花秸秆的绝对运动是齿盘旋转和拖拉机前进两种运动的合成，其运动轨迹是摆线。建立坐标系（如图 示）。 塔里木大学毕业设计 6 图 齿盘夹持棉秆点的运动 X 轴正方向与拖拉机前进方向一致， Y 轴正向为右。设拖拉机前进速度为，齿盘旋转角速度为，齿盘转速为，齿盘夹持棉杆点的半径为，分析齿盘夹持棉秆点开始时位于齿盘正前方位置与 X 轴正向重合，则齿盘夹持棉秆杆点的运动方程为： msi nc o s（ 3 式中 t 代表时间，单位为 s。 上式表示了齿盘夹持棉杆点的绝对运动，其运动轨迹随着的不同而具有不同的形状和特性。将上式对时间求导数，可求得齿盘夹持棉杆点在 X 轴和 Y 轴方向上的分速度 【 6】 。 co ss i n（ 3 4 机器的零部件初步设计 齿盘的结构设计 根据齿 盘式棉杆起拔机拔取棉花秸秆的运动分析，齿盘是夹持棉花秸杆的重要部分，齿盘的主要参数有齿形夹角和齿盘半径，根据棉花品种的不同，棉花秸杆根部离地面 10的直径 1525形夹角过大，不利于将棉花秸杆钳住拔出，齿形夹角过小则容易将棉花秸杆夹断，根据有关研究，齿形夹角确定为 30角。齿盘半径过大则结构强度弱，过小则影响夹持工作长度，设计齿盘直径为 500图 塔里木大学毕业设计 7 图 齿盘结构示意图 齿盘厚度为 2料选用 火处理消除内应力，去除毛刺飞边，锐角倒钝，经过计算，强度满 足拉拔需求。 限深轮的设计 限深轮是驱动齿盘旋转的动力所在，限深轮直径过小，传动力矩小，影响齿盘正常工作，设计限深轮直径为 540在轮外缘焊有高度为 10齿板，防止限深轮工作时打滑（如图 图 限深轮结构示意图 传动机构的设计 限深轮驱动齿盘旋转采用锥齿轮传动，强度高，工作可靠。根据前述齿盘式棉杆起拔机的运动分析，当棉杆通过引导器进入齿盘夹角内时，齿盘的旋转拉拔力的前进方向分力与拖拉机前进推动力方向一致，有利于将棉花秸杆从土壤中拔出。 塔里木大学毕业设计 8 机具悬挂 方式的选择 根据前述齿盘式棉秆起拔机的运动分析，当时，在齿盘的旋转拉拔力与拖拉机前进推动力的作用下，将棉花秸杆从土壤中向前拔出，为了使齿盘对棉花秸秆的旋转拉拔顺畅，防止棉花秸秆在齿盘前堆积过多影响作业，收获机与拖拉机的连接采用前悬挂的方式。 5 零部件的设计计算和校核 拉机的选取 棉花的一般都是两行平行种植，行距在 60右，所以齿盘式棉花秸秆收获机整机宽度设计在 1m 左右。配套动力 11 18. 38 方红 170 拖拉机，机组最大工作速度 7. 2 km/h(2 m/s)，工作行数 2 行，机组 最大宽度 1 000 传动锥齿轮的设计及校核 传动锥齿轮的传动比为 1:1，限深轮转速为 72s，齿盘的转速为 72s， 机器传动部分选用一对传动比为的渐开线直齿圆锥齿轮 , V 型水平圆盘夹持装置工作长度 是 由传动机构来实现的 ,其关系如下： )()(n)( 盘机（ 5 推出 i （ 5 其中 : I 转动速比 i=n/N； L 夹持工作长度 , 300 Q 夹 持转角设计 90 (1/4 转 )； N 地轮转速 r； n 齿盘转速 r； D 地轮直径 500 d 齿盘夹持点回转直径 300 T 夹持棉杆所用时间 s； V 夹持点行进速度 m/s； 机组行进速度 m/s； 齿盘夹持点相对机组直线速度 m/s。轴的设计及轴类零件的选取 齿盘轴及料选用 系零件装配如下图： 塔里木大学毕业设计 9 图 齿盘轴及轴上零件装配示意图 齿盘式棉花秸杆收获机工作时，齿 盘的三角刃槽夹取棉花秸杆旋转并且在拖拉机的前进推力下向前运动，这个过程中，齿盘轴的受力主要是径向力，所以轴承的选取比较关键。考虑到大部分的受力都是径向力，故选择深沟球轴承。这里根据阶梯轴直径的不同选择了两款深沟球轴承， 6005和 6008。参数如下： 型号： 105 108 品牌： 圈： 6005 6008 外圈： 6005 6008 内 径： 径： 厚度： 段为装配 6005 轴承，根据轴的直径设计公式： （ 5 故设计 为 25 轴肩处与轴承座沉孔平面平齐，以此实现轴承的轴向定位，定位轴肩的高度 h 一般取为h=()d,轴肩 h 取 2 段装配齿轮，中间开有 b*h=10*4 的 A 型键槽，键槽长度为 20装配键的轴段直径一般增大 3%5%，故设计为 30 考虑到机器的装配协调性，跨度设计为 256 段装配 6008 轴承，直径为 40 轴肩处同样与轴承座沉孔平面平齐，以此实现轴承轴向定位，轴肩 h 为 4 d 336 塔里木大学毕业设计 10 直径为 30端正中心开有 10螺纹孔，以此装配齿盘的连接板；整根轴的长度为 433 由于齿盘轴在机器工作时是处于竖直状态旋转，且上下两端跟轴承都是以基孔制过盈配合，所以即使跨度再大，受到的弯矩扭矩也极小，无需进行强度和刚度校核，在此进行齿盘轴上键连接强度校核和轴承寿命计算。 传递到轴系部件上的转矩： 102 61161（ 5 校核键连接的强度： 2 1 pP kl （ 5 式 100 中： 工作面的挤压应力， 传递的转矩 N d 轴直径， l 键的工作长度， A 型， l=L、 b 为键的公称长度，键宽； k 键与毂槽的接触高度， k=h/2； p 许用挤压应力， 阅机械设计手册知，静连接，材料为钢，有轻微冲击p =1007】 。 所以： P （ 5 ；校核通过。 校核轴承寿命： 22 1 1 2 8 0 . 2 9 1 . 6 2 4 3 . 3 1 6 6 9 . 5 7 F Y F N （ 5 式中： F 当量动载荷， N ； FF 2 轴承的径向载荷和轴向载荷，2 2 21 2 8 0 . 2 9 , 2 4 3 . 3 N F N 动载荷径向系数和动载荷轴向系数，由 0 . 3 7 , 1 , 1 . 6e X 1066311 0 1 0 1 . 0 4 3 3 0 0 5278616 0 6 0 4 2 2 1 . 5 1 6 6 9 . 5 7f F （ 5 式中： 轴承的基本额定寿命； 塔里木大学毕业设计 11 轴承的预期寿命，三年三班，每年按 300 天计， 5 8 3 0 0 2 2 4 0 0 0 ； C 轴承的基本额定动载荷，查设计手册 r ； 载荷系数，中等冲击， f ，取 f ； LL ，校核通过。 限深轮轴及其轴类零件装配关系图如下： 图 限深轮轴及其轴上零件装配示意图 限深轮轴的设计原则与上述齿盘轴一致，故在此省略计算步骤，可参考齿盘轴设计步骤。 为装配较小的圆锥齿轮，故直径设计为 30 轴肩处实现小齿轮的轴向定位， h=2 为光轴，其上无零件装配，跨度为 250径为 34 装配 6008 轴承 ， 直径为 40 轴肩处与轴承座沉孔平面平齐，以此实现轴承轴 向定位， h=3 径为 34 间开有的 A 型键槽，键槽长度为 90配有限深轮，限深轮右端面开有直径为 10装配开口销固定限深轮的轴向移动，直径设计为 30 整根轴的长度为 510 轴上零件的校核过程同上述，经计算满足工作需求。 考虑到 跨度较大且中间无支撑这里需要计算此段轴的弯曲形变； 这里 可以看做中间受竖直向下力的简支梁， F 等于 轴自重； 2 （ 5 查阅机械设计手册得 密度为 ，求得 F=283N。 【 8】 挠曲线微分方程及端截面转角为： 塔里木大学毕业设计 12 )43(4822 x （ 5 )20(（ 5 6 2 （ 5 图 轴段受力简图 计算得 A 几乎为零， 所以段 250跨度所产生的弯曲变形对机器工作影响可忽略不计。 机架的设计 机架部分选用空心方钢，壁厚为 10架简图如下： 图 机架结构简图 塔里木大学毕业设计 13 机架连接部分采用焊接工艺，是左右对称型的，左右两边是内孔直径为 38圆筒，设置有直径为 40沉孔以此实现轴承的轴向定位。机架正前方设计有的连接板以连接拖拉机悬挂部分。机架主体高度为 760适应所选用的东方红 170 拖拉机；主体长度为 1150应棉田宽度；装配好零部件后，正前方向齿盘中心距为 60 应棉花种植行距；估算整机重量约为300足工作中平稳前行的要求。 塔里木大学毕业设计 14 总 结 通过对齿盘式拔棉秆机的设计，让我更深刻的对了机械有了更深的认识