手持式羊胡子草种子采收机设计及研究 毕业设计论文.doc

手持式羊胡子草种子采收机设计及研究学生姓名：指导教师：所在院系：工程学院所学专业：农业机械化及其自动化研究方向：农业机械 中国 哈尔滨 2013年5月abstract摘 要羊胡子草在环境治理，水土流失的防治，景观观赏方面具有巨大作用，吸引了人们的极大兴趣。但是羊胡子草种子很难采收，现在还没相关机械。只能靠人工采收，为了减少了人工强度，扩大了羊胡子草的种植规模。本着设使用方便，结构简单，对环境污染小，设计了一种手持式羊胡子草种子采收。本文研究内容如下：(1)羊胡子草种子采收机国内外研究现状分析；(2)制定种子采收器、扶持机构和传动机构设计方案、设计计算、制图并加工；(3)实验研究及分析。通过对植物植株进行力学实验，测量其力学性质。在万能试验台进行植株拉伸断裂实验。基于pro/e三维建模，虚拟制造样机。采收机包括原动机蓄电池、电动机；传动机构皮带传动，螺杆传动；执行机构包括夹持脱粒机构；其它辅助机构包括机架，外凸轮，顶杆机构，滚子等机构。本文计算选择了24v蓄电池和转速为960r/min、功率为1.1kw的电动机，计算设计采用传动比为2.5的皮带传动，该传动为减速传动，设计大小带轮的结构。根据作业要求设计选择螺旋传动的参数，采用梯形螺纹传动，螺距为3mm，公称直径为36mm螺杆传动。并设计了与之配合的螺母。根据羊胡子草的种子的特性设计夹持采收机构，为了驱动夹持机构设计设计顶杆凸轮机构。为了安装机构设计了，设计机架。机架上不但起固定零件的作用，还兼作外凸轮的作用。通过pro/e软件建模出虚拟样机，并通过相应的软件进行仿真，并进行机构结构的优化，改进其结构。关键词：羊胡子草；种子采收机；机构设计- 1 -design and study on hand-held machinery to harvest cotton grass seedabstractcotton grass is played a great roles in the environmental governance such as preventing soil erosion, developing landscape ornamental, which makes people produce great interest. but it is difficult to harvest cotton grass seed, and related machinery doesnt exist. cotton grass seed is only harvested by people. in order to reduce peoples labor intensity, expand the scale of the planting of cotton grass, it is meaningful to design a hand harvest machinery for it.the study contents in this paper are as follows:1, machinesresearch situation analysis for cotton grass harvest at home and abroad. 2, to established the schemes of seed harvesting device, ear shank clamping mechanism and the transmission mechanism, to calculate parameters of different parts, to draw.3, to make the three-dimension dummy machine.plant is token mechanics experiment firstly. it was tested tensile fracture experiments on universal test bench. it is manufactured virtual prototype by pro/e. the parts in harvest machines include prime mover batteries, motors, and transmission mechanism belt drive, screw drive; implementing agencies include the clamping threshing institutions; other supporting bodies, include the rack, outer cam, ejector bodies, institutions such as roller. it is chosen 24v battery and speed for the 960r/min in this article, power for 1.1kw motor, designed transmission ratio for 2.5 belt transmission. the transmission is retarding transmission. then is the designed size pulley structure.it is selected screw transmission parameters based on job requirements. the trapezoidal threaded transmission is adopted, which is pitch 3mm, nominal diameter for 36mm screw transmission. nuts is designed and which is matched. clamping and reaping agencies are designed based on characteristics of cotton grass seed, in order to drive the clamping mechanism,ejector pin cam is designed. in order to install, rack is designed. rack is not only fixed part of the role, also is used as external cam.virtual prototyping is modeled by pro/e. the design structure is simple, easy to use, little pollution to the environment, is powered little, meets the needs of design requirements, which can be used in scientific research units.keyword : cotton grass; seed harvesting machine; mechanism design ii目 录摘 要iabstractii1前言11.1研究的目的及意义11.2国内外研究现状11.3设计研究的内容32植物茎秆的力学实验43采收机的设计63.1总体方案的设计与计算63.2带轮传动的设计73.3螺旋杆及其轴系的设计103.3.1螺旋传动的分类及特点103.3.2螺旋传动参数的选择与计算12 3.3.2.1螺杆与螺母材料的选择12 3.3.2.2螺旋传动设计的原则12 3.3.2.3耐磨性的计算(基本尺寸确定)13 3.3.2.4螺旋传动其他参数的确定14 3.3.2.5螺杆轴系的设计15 3.3.2.6螺母螺纹牙强度的计算16 3.3.2.7螺杆轴稳定性的校核17 3.3.2.8螺母凸缘的校核18 3.3.2.9角接触轴承选择的寿命计算193.4夹持脱粒机构的设计203.5机架的设计214结论235展望24参考文献25致 谢26- 1 -1前言 1.1研究的目的及意义羊胡子图1-1， 属于苔草类，又名龙须草、蓑衣草、衰草，是多年生草植物，适应性强， 在海拔800以低山丘陵区的荒坡石缝或微酸、碱性的膺薄土层都宜生长它的根系发达， 枝叶茂密，纤维含量高，韧性好，易漂白。蓑草既是水上流失的优良草种，又是造纸工业和编织工艺品的优质原料，而且具有药用价值。用于治疗风寒感冒、喘咳、风湿骨痛、跌打损伤等。图1-1羊胡子草但是但是，多年来苔草难以推广，除了人们对进口禾本科草坪草还保持一定的兴趣外，科研单位难以提供足够推广应用的苔草种子也是主要原因之一。苔草种子比较难采收：种子成熟后易落；成熟期种子量多的易弯曲；少的较直立。目前便携式种子采收器还比较少，这限制羊胡子草的进一步推广，为了发挥羊胡子草的作用必须解决好种子采收问题。本文将设计一种手持式种子采收器。 1.2国内外研究现状广西河池学院的刘旭辉等在2009年采集广西南丹长坡尾矿坝自然定居植物优势种丛毛羊胡子草及其根际土，利用原子吸收光谱法测定样品中的铅和镉含量，以完全没有植被覆盖的尾矿裸地作为对照，对铅、镉转运系数、富集系数及修复系数进行比较，分析丛毛羊胡子草对重金属元素铅和镉的吸收特性，探讨利用丛毛羊胡子草修复土壤铅镉污染的可能性，为南丹长坡尾矿坝等重金属异常区的植物修复提供理论依据。莘县黄河河务局简素梅等通过在北金堤防洪工程上培育羊胡子草试验，找出了一种可替代已栽植多年、呈现退化趋势的葛芭草草皮的新品种。该品种具有防护作用，能满足保持防洪工程抗洪强度的需求、能满足生态景观线的需要。山东省农科院的单成刚等人在2011年研究发明了一种新型丹参种子采收机如图1-2，它包括它包括收割装置、物料传输箱和收集箱，其特征是，所述物料传输箱内通过皮带轮设有传送带，传送带上方设有第一胶辊和第二胶辊，所述的胶辊与传送带之间具有一定间隙，所述胶辊的线速度与传送带的线速度不同;所述收集箱内分为茎叶收集箱和种子收集箱，网状的斜面振动分离筛设置于所述种子收集箱内且与所述传送带的输出端相接;所述的茎叶收集箱位于斜面振动分离筛的底端一侧。该采收机结构简单、方便实用，快速分离并收集丹参种子。江苏省林牧管理部门钱振晗等人2011年发明了一种超微型便携式林木种子采收机，本实用新型为一种超微型便携式林木种子采收机(下边图1-3)，它主要由采种罩、微型直流电机、导向板、保护罩、脱粒滚筒、脱粒针齿、齿轮、导线、电瓶、中空采种杆、种子收集袋等组成。微型直流电机用铆钉固定在采种罩内，脱粒滚筒通过连接装置固定在采种罩内，采种罩通过螺母与采种杆连接，种子收集袋系在采种杆下端，蓄电池或电瓶通过导线与微型直流电机连接。本实用新型具有结构简单、体积小、重量轻、携带方便、作业高度可以灵活调节、林木种子自动收集、省工省时、劳动强度小、工效高等优点，可以实现林木种子采收机械化作业，尤其适合于复杂林地环境下采种作业。 图1-2新型丹参种子采收机 图1-3超微型便携式林木种子采收机 1.3设计研究的内容本文要设计一种手持的种子采收机，采集羊胡子草种子。设计的采收机便于手持，采收单株，采收干净，落粒较少。噪声少，体积轻，适合科研种子的采集。该采收机可以在温室大棚应用。同时对种子的损害小，对环境的污染小。便于进一步的升级改造。本文研究内容如下：(1)羊胡子草种子采收机国内外研究现状分析；(2)制定种子采收器、扶持机构和传动机构设计方案、设计计算；(3)实验研究及分析。- 24 -2植物茎秆的力学实验为了设计出符合苔草类种子的采收机，要测量苔草类植物植株的茎杆力学性质。测量性质包括植株长度，苔草植株的茎杆直径，断裂时断裂强度。实验仪器有游标卡尺、直尺、万能试验台，计算机等。测量茎杆和穗部的断裂的力。首先选择几组茎杆整齐的具有成熟植株，然后测量其长度、直径。然后分别夹在万能实验台，注意保持茎杆的垂直。然后启动相应的软件，进行实验。实现实验到茎杆断裂为止。保持实验数据。万能实验台的图2-1，实验结果如图2-2，苔草茎杆力学性质如下表2-1。图2-1 万能实验台 图2-2 实验软件界面表2-1 苔草茎杆实验数据实验次数力学峰值(n)直径(mm)长度1（茎秆）31.085452（茎秆）31.885.3503（茎秆）41.944.847 4 (穗部)1.923.824 5( 穗部)3.553.5323采收机的设计 3.1总体方案的设计与计算为了减少对环境的污染，采收方便，便于正反转控制，采用直流电动机做为动力源。用24v的蓄电池供电。电动机的参数如下表3-1。表3-1直流电动机的参数型号转矩()转速(r/min)功率(w)电压(v)电流(a)zyt01700096011002465总体传动方案的拟定，传动方案如下表的流程图3-1。电动机螺旋杆安装有夹持 皮带传动 螺旋传动 图3-1传动方案流程图本系统动力由电动机经过皮带传动，使螺旋杆旋转，带动固定夹持装置的螺母沿螺杆上下运动，螺母只移动不做旋转运动。皮带传动的传动比根据经验和皮带传动的特点才用2.5。螺旋传动采用梯形齿传动，根据植物的特性和相关经验采用螺距为3的梯形齿传动。根据上面所选的传动机构和相关参数计算螺母移动的速度。 (3-1) (3-2) 皮带传动比2.5 小带轮(高速)的转速，r/s 大带轮(螺旋杆)转速，r/s 梯形螺旋传动的螺距，3mm 安装有夹持螺母单位时间内运动的距离，mm/s把数据代入 mm/s。根据以上的计算知夹持装置每秒移动19.2mm。符合采收要求。手持式羊胡子草的种子采收机的总体机构和运动参数已经选定，并符合相关的要求，下面我们将对各个零部件的结构就行设计。 3.2带轮传动的设计选定电动机功率p=1.1kw，转速，传动比i=2.5。(1)确定计算功率查得，故 (3-4)(2)选择v带的带型根据计算功率与转速选用a型带。(3)确定带轮的基准直径并验算带速v初选小带轮的基准直径。由相关标准取小带轮的基准直径。 1)验算带速v，验算速度 (3-5)因为5m/s5.875m/s4。临界载荷与螺杆的柔度及材料有关，根据的大小选用不同的公式计算。表3-5 的值螺杆端部结构两端固定0.5一端固定，一端不完全固定 0.6一端固定，一端自由(如千斤顶)2一端固定，一端铰支(如压力机)0.7两端铰支(如传导螺杆)1注：用下列办法确定螺杆端部的支撑情况：采用滑动支承时：为支承长度，为支承孔直径，3固定。采用滚动支承时：只有径向约束时为铰支；径向和轴向都有约束为固定。当8590时，根据欧拉公式计算，即： (3-21)当8590时；对380mpa的碳素钢(如q235、q275)=(304/1.12) (3-22)当8590时，对470mpa的优质碳素钢(如355、45)=(461/2.57) (3-23)当40时，无需进行稳定性计算。式中：临界载荷(n)； e螺杆材料的弹性模量，mpa，对于钢； i危险截面的惯性矩，为螺杆螺纹小径(mm)； 长度系数，与螺杆端部结构有关； l螺杆最大受力长度(mm)； i螺杆危险截面的惯性半径(mm)，。经计算螺杆不会失稳。 3.3.2.8螺母凸缘的校核在螺旋传动的设计计算中，除了进行耐磨性计算与螺纹牙的强度计算外，还要进行螺母凸缘的强度计算。如图3-11所示的螺母结构形式，工作时，在螺母凸缘与底座的接触面上产生挤压应力，凸缘根部受到弯曲及剪切作用。图 3-11 螺母凸缘受力分析设悬置部分承受全部外载荷f，并将f增加2030来代替螺纹牙上摩擦力矩的作用。凸缘根部的弯曲强度经计算小于所选螺母材料的安全的强度。故螺母设计符合要求。 3.3.2.9角接触轴承选择的寿命计算螺杆轴不但受径向力还受到轴向力，根据螺杆轴的受力情况和各个轴承的工作的特点，选择角接触轴承。轴的直径为30mm，故选择7006ac代号轴承。7006ac轴承参数如下表表3-6。表3-6 7006ac轴承参数内径d(mm)外径d(mm)宽度b(mm)基本动载荷(kn)基本静载荷(kn)30551314.59.85能同时承受径向载荷与单向的轴向载荷，公称接触角有15、25、40三种。越大，轴向承载能力也越大。通常成对使用，对称安装。极限转速较高。适用于转速较高，同时承受径向和轴向载荷的场合。所选的为。所谓轴承寿命，对于单个滚动轴承来说，是指其中一个套圈或滚动体材料首次出现疲劳点蚀之前，一套圈相对于另一套圈所能运转的转数。由于对同一批轴承(结构、尺寸、材料、热处理以及加工等完全相同)，在完全相同的工作条件下进行寿命实验，滚动轴承的疲劳寿命是相当离散的，所以只能用基本额定寿命作为选择轴承的标准。下面将对轴承进行寿命计算。滚动轴承的寿命如下图3-13。图3-13 轴承的载荷-寿命曲线此曲线的可用下面的公式表示： (3-24)式中：p 为当量动载荷(n)；为寿命指数，对于球轴承3；对于滚子轴承 10/3。实际计算时，常用小时数表示轴承寿命为： (3-25)在不变的径向和轴向载荷作用下，当量动载荷的计算公式是： (3-26)式中：为轴承所受的径向载荷(n)，即轴承实际载荷的径向分量；为轴承所受的轴向载荷(n)，即轴承实际载荷的轴向分量；为径向载荷系数，将实际径向载荷转化为当量动载荷的修正系数；为轴向载荷系数，将实际轴向载荷转化为当量动载荷的修正系数。经过计算的使用时间大于允许规定的时间，故轴承选择符合要求。 3.4夹持脱粒机构的设计本结构是便携式的，手持式的，为了减少机械的尺寸便于携带，将夹持机构与脱粒机构设计成一体。采收的原理是夹持机构运动到羊胡子草的茎杆的相应位置，夹持机构加紧，然后随螺母一起向上运动，夹持机构一直在夹紧状态，最后将种子脱掉。然后夹持机构向下运动，运动到相应的位置，机架上的外凸轮压缩弹簧，夹持机构张开。然后夹紧茎杆向上运动，运动一段距离，脱离外凸轮，弹簧在弹簧力的作用下伸张，这时夹持也在弹簧力的作用下夹紧，并向上运动。完成了采种作用。本结构有四部分组成，螺母固定弹簧，脱粒夹持，顶杆和滚子，机架上外凸轮，弹簧的作用是提供力保持机构的夹紧，弹簧力和夹持机构相当于杠杆机构，弹簧压缩夹持机构张开，弹簧自然状态夹紧，自然状态也有一定压缩，保持机构的夹紧。采种夹持机构是该结构的关键，与植物茎杆接触，并在其他机构的夹持下开合夹紧，是一个杠杆拨叉机构，在夹紧部分还有齿，用于脱粒种子，左右各一个。顶杆是与夹持机构固定在一起，由于弹簧连接，是夹持机构张开的驱动机构。在与凸轮接触的时，为了减少磨损，采用滚子与外凸轮接触，这样减少了摩擦，滚子安装在顶杆的端部，通过销轴连接。滚子不但减少摩擦，而且还起到限制螺母旋转的作用。机架上的外凸轮驱动顶杆，压缩弹簧张开夹持机构。该机构的机构装配图图3-13。图3-13 夹持机构装配图 3.5机架的设计机架是固定机构和便于手持的，机架上固定有螺杆轴，通过轴承和轴承座。机架上还要固定电机，放置蓄电池等。机架上还有加工有槽，用于滚子在延其运动，并且限制螺母随螺杆轴一起转动。在槽内加工有外凸轮，驱动顶杆压缩弹簧。机架上还加工有手持的手柄，便于手持。为了减轻人的疲劳强度，机架采用铝合金的材料，采用铸造加工。机架的结构图如下图3-14。图3-14 机架机构图4结论本设计设计了一种手持式羊胡子草种子采收机。通过pro/e建立了三维模型，得出如下结论：(1)根据植物力学的力学实验和采收要求设计，选择了电动机与带轮传动比。(2)根据传动比和选择的电动机设计大小带轮的结构。(3)根据植物力学实验得出力学峰值，计算设计了螺旋传动的参数。(4)根据种子形状设计了夹持脱粒结构。(5)根据所有的机构和人使用的方便设计了机架。(6)该设计结构简单，携带方便，采收效果较好。本机械可满足小规模的羊胡子草的采收，可满足园艺站的等科研需要的采收，也可进一步改进，实现完全机械化，用于大规模羊胡子草的采收。5展望可利用pro/e进行运动仿真，在给定的主动速度下，判断执行机构的运动是否符合设计计算的速度。本机构设计也存在不足，螺母的上固定的夹持机构是通过销钉固定的，存在震动。还有通过顶杆压缩弹簧，存在一定的滞后，当机构运动到茎杆种子时，夹持不住或张不开了。外凸轮的存在突变，加速度较大，造成了冲击。还有齿形适应植物种类较少。为了优化机械结构，采用配合更好的销轴。采用相关优化软件优化凸轮的外曲线，是过度更加光滑。减小加速度，减少冲击。采用刚度更小的弹簧，使弹簧的响应更快，及时夹紧或张开，及时响应。满足设计的要求。参考文献参考文献1濮良贵, 纪名刚. 机械设计 m. 8版. 北京:高等教育出版社, 2005, 93-100,150-163.2孙占峰, 蒋恩臣. 稻草秸秆力学特性研究 j. 东北农业大学学报, 2007, 38(5): 660-664.3王学礼, 马祥庆. 重金属污染植物修复技术的研究进展 j. 亚热带农业研究, 2008,4 (1): 442-49.4陈栎霖. 岩生植物丛毛羊胡子草抗旱性研究 d. 雅安:四川农业大学,2008.5单立忠, 田秋明等. cj-1 型落叶松立木采种工具的研制 j. 林业机械,1992(5): 4-6.6钱振晗, 钱宇. 超微型便携式林木种子采收机 p, 中国, 201120579408.0. 2011-12-19.7单成刚, 汝医丹参种子采收机 p. 中国,201110455280.1. 2011-12-30.8金关梁, 金在富. 螺纹加工与测量手册 m. 北京: 国防工业出版社, 1982.9odogherty m j. a study of the physical and mechanical properties of wh