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走式烟苗剪叶机
设计
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自走式烟苗剪叶机的设计,走式烟苗剪叶机,设计
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自走式烟苗剪叶机的设计摘 要： 一种自走式烟苗剪叶设备，包括机架组件和剪叶小车；在温室烟苗池两边有一对水泥轨道，机架组件底部的车轮可以在上面行走；在机架上还有使剪叶设备整体跨间转移的机构组件；剪叶小车的剪叶机机头组件垂吊在机架横梁的下方，通过一驱动电机驱动，可以在横梁滚动行走。剪叶小车通过电机驱动，实现剪叶设备的无极调速。螺杆和螺母的滑动螺旋可以调控剪叶机头的剪叶高度，实现剪叶设备在育苗盘上方的前后、左右、上下方向剪叶作业；通过机架组件实现剪叶机跨间转移，实现剪叶机多功能作业。关键词：漂浮育苗；烟苗；剪叶机；自走式Design of Self-moving Tobacco Seedling Leaf-cutting Machine Student: Yin Bo Tutor: Jiang Pin(Orient Science & Technology College, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)Abstract: A self-propelled Tobacco seedlings cutting device, comprising a frame assembly and a leaf cutting trolley; each cultivate greenhouse tobacco seedlings Mediumpools both sides have a pair of cement rail, so that rack assembly bottom wheels can walk on it; and there is a mechanism component on the frame which can make the whole span leaf cutting device transfer; leaf cutting trolleys leaf cutting machine head assembly are hanging under the Rackbeams ，which drived by a driving motor so that can roll along the beam. Leaf cutting trolley which is driven by the motor can make the cutting devices non level speed control, the screw and the nuts Slidehelix can Regulate leaf cutting head leafs cutting height , so that the leaf cutting device which above the seedling traycan work from around, up and down; through the Rackcomponents which can make leaf cutting machine span transfer and realize Achieve multiple functions.Key words: floating seedling system; tobacco; leaf cutting machine; self-propelled1 前言1.1 背景技术剪叶作为漂浮育苗技术的关键环节，可以改善烟苗光照状况，促进根茎生长，使烟苗健壮，整齐一致，在培育高茎壮苗的过程中起到重要作用。在漂浮育苗过程中，成苗前一般需要剪叶4-5次，剪叶的过程复杂，程序多，病毒传播的可能性大，不但增加劳动成本，同时还增加了病毒传播的几率1。因此，烟苗剪叶成为漂浮育苗技术的一大难点。以往一般都是将苗盘搬到苗池外进行剪叶，这样既浪费了大量时间和宝贵的营养液，同时在搬移的过程中，难免会对烟苗造成损害。人工用剪刀进行修剪，存在工作效率低，劳动强度大和剪叶成本高等问题，且修剪过程中易造成病毒传染。最近市场上开发的半自动烟苗剪叶设备，工作效率低，人工用钢丝绳牵引剪叶小车作业，速度不均匀；剪叶机架在平面上行走，没有导轨，直线度低，人工推移剪叶机时机架容易跑偏；跨间转移困难，需要人工搬移；输送电缆需要人工辅助输送和卷收，容易将电缆缠混；剪叶设备机架较短，一次剪叶跨度小。因此能否高效、便利、低成本、安全的剪叶，不仅是培育无菌壮苗的关键，也关系到漂浮育苗技术的进一步推广和应用。针对上述剪叶技术中存在问题，我们对原有的剪叶机械进行改造创新，研发出了一种自走式烟苗剪叶机，它既具备直接对苗池中的烟苗进行剪叶的功能，同时又兼顾烟苗剪叶机成本小的特点，增强机械的灵活性和操作简便性，省时省力，可达到有效杜绝病菌在剪叶过程中传播的目的。1.2 国内外研究状况针对人工烟苗修剪工作量大，操作要求高等问题，国内多家单位相继研制了相应的作业机械。剪叶方法根据动力可分为人工手工剪叶、人工简单机械剪叶（如弹力建业器等）和各种电动（或燃油）剪叶机等。根据剪叶时是否需要从育苗池中抬出苗盘又可分为离床式剪叶机和着床式剪叶机。离床式剪叶机如昆明洪平机械有限责任公司研制的QMX台式剪叶机，剪叶主电机采用YL型功率370W，转速为1400转/分轻型铝壳电机，剪叶速度达到32米/秒,剪叶质量好,叶面创口小。作业时需要工作人员往里推盘，剪叶速度达1.5秒1盘。离床式剪叶机具有结构简单、成本较低的优点，但由于使用离床式剪叶机时需要将苗盘从苗池中取出送入机器，剪完后又放回苗池，劳动强度较大，操作不方便。目前研制的剪叶机主要为各种着床式剪叶机，工作时不需要将苗盘移出苗池，直接将剪叶机横跨在苗池上方，通过推动剪叶机实现剪叶，减少人工搬运苗盘的工时，剪叶速度快。昆明诺捷经贸有限公司研制的汽油式烟苗剪叶机由剪切装置和滑动装置组成。剪切装置为一个汽油剪草机主机，滑动装置为两个横滑道和两个纵滑道组成，人工操作下使主机在滑道上实现左右和前后的移动，从而实现在育苗大棚内快速剪叶的目的，使用该剪叶机，一个标准化大棚只需40分钟左右就可剪完。云南南涧县烟草公司研发出了便捷式剪叶机并于2006年在南涧已100%推广使用。该机主要由主机、滑动支架和移动底架三部分构成。主机由电动机、剪叶刀片、子框架和高度调节转盘组成。滑动支架由母框架、支架和轴承组成。移动底架由行走轨、支架和四个定滑轮组成。主机通过母框架上的钢质丝杆托连接在滑动支架上，滑动支架由四个轴承和移动底架的行走轨相连。使用时两侧分别安排一个作业人员，通过麻索牵动主机在滑动支架上来回移动进行剪叶，剪叶单位以苗池横向一行为一个单位，一次剪叶一行，剪完一行后通过移动移动底架换到下一行进行剪叶。洛阳易通电气科技有限公司研发的YJY-D型电动自走式烟苗剪叶机采用交流220V电源，电动剪叶主机，电动纵向横向行走，只需要一名操作人员通过机器上的万向操作手柄操控机器运行。天昌国际烟草有限公司研制的电动电热烟苗剪叶机采用住复式切割装备，切割工作部件包括偏心轮、连杆、滑杆、动刀片、定刀片、发热板。动刀片装置在定刀片一侧的上部，发热板紧贴动刀片，固定装置在定刀片一侧的下部；定刀片和动刀片上端修剪烟苗叶片的部位呈锯齿状。据称，该电动电热烟苗剪叶机能够将残留在刀片上的病毒迅速灭活处理，避免了病毒的交叉感染，从而提高了烟叶的品质产量，但未见其相关实际应用及效果的报道。已有烟苗剪叶机的推广应用实践证明，应用剪叶机主要具有以下优点：1、极大提高了剪叶效率，有效缓解了农村劳动力矛盾。2、剪叶质量高，剪后烟苗整齐均匀，烟苗素质较好。3、杜绝了剪叶操作人员及外界环境直接接触烟苗的不良操作，达到有效隔离防控病毒病的目的。同时，现有的烟苗剪叶机也存在一些不足，剪叶作业过程主要靠人工手控，自动化水平不高，没有做到真正意义上的解放劳动力，作业效率与质量因人而异。1.3 苗池图图1 育苗池Fig 1 Breeding pond2 设计任务2.1 本设计研究的目的本设计主要研究的目的是克服现有技术不足而设计一种结构简单、合理，操作方便，剪叶均匀，灵活性强，工作效率高的自走式烟苗剪叶机。自走式烟苗剪叶机装置主要包括龙门架，车轮自动行走机构，车轮转向机构，剪叶机体升降机构，剪叶机体在龙门架上行走机构的设计。2.2 设计步骤本论文设计步骤课分为三个阶段：方案设计阶段，技术设计阶段，绘图与撰写阶段2。A 方案设计阶段： 5 k8 G. r9 Y4 S A0 n( q; |三维,cad,机械,技术,汽车,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,时空,镇江1）根据设计任务书，通过调查研究和必要的分析以及进行原理性的7 F/ * J3 k, c0 u. |4 E三维,cad,机械,技术,汽车,catia,pro/e,ug,inventor,solidedge,solidworks,caxa,时空,镇江试验，提出机械的工作原理； , T8 h: O! P: T) v: |) l+ U三维网技术论坛2）进行必要的运动学分析，提出几种机械系运动方案；% X5 f( W8 P4 Q5 f9 H2 T: www.3dpo3）经过分析、对比和评价，作出决策，确定出最佳总体方案；4）提出方案的原理图和机构运动简图；B4 + Q Z/ M* C$ P# P% n三维网技术论坛技术设计阶段：1）运动学分析； * a, a7 / I( u9 p三维网技术论坛2）工作能力分析；3）动力学分析；: M+ V/ + b1 X2 q* K% O R三维|cad|机械|汽车|技术|catia|pro/e|ug|inventor|solidedge|solidworks|caxa4）结构设计； 5）装配图和零件图的绘制；C绘图与撰写阶段：1）标注齐全的完整图纸；2）设计计算说明书； 72.3 方案确定2.3.1 行走方案的对比选择行走的动力来源有两种:可行方案1：内燃机又分为二冲程内燃机和四冲程内燃机，四冲程内燃机虽然动力强大，但是它的体积大，重量重，又由于烧的是燃油，所以可能会有漏油的现象，滴在烟苗上散发出的气体会对烟苗造成伤害；二冲程虽然体积没有四冲程大，但是同样存在漏油现象，对烟苗造成致命伤害。因此由内燃机作为行走动力来源是不可行的。可行方案2：电机分为交流电机和直流电机两种。交流电机需要用交流电，那么就要接电缆，这样就会因为线多而带来不必要的麻烦，所以此机构选用直流电机。虽然电机的动力没有内燃机大，但足够驱动机构，而且电机的体积小，重量轻，环保，振动非常小。所以选用了24V直流电源。因此，选择可行方案2是最佳的。电机的数量确定，由于机构有4个车轮，所以选电机数量有一下几种方案：可行方案1：当选用1个电机驱动时，虽然电机是数量少，成本低，但是一个电机要驱动整个机构，这不仅在动力上非常吃劲，而且在动力传送及安装方面存在很大的技术问题。所以此方案不合理。可行方案2：当选用4个电机驱动时，每个车轮上安装一个电机，这对于驱动整个机构来说，动力搓搓有余，安装也方便，但是其成本太高了，能量利用率不高。所以此方案不划算。可行方案3：当选用2个电机驱动时，每边装一个电机，这对动力来说足以，安装也方便，能量利用率高，价格也实惠，而且在技术方面完全可以达到要求。所以此方案可行。通过上述的3个方案，选择可行方案3是最佳的。2.3.2 升降方案的对比选择升降剪叶机的可行方案有2种:可行方案1：电动升降操作方便，可以在作业过程中人为调整剪叶高度。但是在技术上有一定的困难，而且实用性不强，耗费电能。可行方案2：手动升降虽然不能再作业过程中调节高度，但那只有在突发的情况下才要在作业中进行高度调节，这种状况是非常少的，而且手动升降操作方便，剪叶高度一致，不消耗电能，实用性很强。因此，总结上述因素选择可行方案2方案是最佳的。2.3.3 机架方案的对比选择机架的结构方式有3种:方案1：铸造虽然强度非常高，但是重量太大，需耗费大量能量，成本高。所以此方案不合适；方案2：由钢板焊接的结构，在强度方面足够了，但是重量也太大，成本也高，而却焊接精度不高，难以达到要求，所以此方案也不合理；方案3：由方管焊接的桁架机构，虽然强度没有前两个方案高，但是在此机构中其强度足够，而且桁架机构的质量轻，稳定性高，价格实惠，所以次方案可行。综上所述，选择了方案3是最佳的。2.4 整体结构设计介绍如图2所示（装配图见附图25），自走式烟苗剪叶机由龙门架，行走机构，转向机构，剪叶机升降机构及行走机构，剪叶机头总成等组成，其特点是:龙门架可以根据育苗池的宽度任意调整和可拆卸的矩形方管焊接而成，龙门架由两个门架支撑和两根横梁组成，两个门架下端通过4个车轮搁置在育苗池的两边上行走，为了安装，调整，拆卸方便，两根横梁通过螺栓的压紧在门架上使横梁不发生移动；剪叶机头总成和升降机构通过4个滚轮在龙门架的两根横梁上左右行走，达到剪叶的目的；剪叶的高度调节是通过升降机构中的摇柄旋转使剪叶机头总成上下运动来实现；剪叶机头总成是安装在升降拉杆的下端，由升降拉杆下端的钩子钩住，剪叶机1剪叶机升降机构及行走机构 2摇柄 3 链轮 4门架 5高度调节螺母 6护边轮 7升降拉杆 8螺栓 9短柄拉杆 10行走机构 11电机 12定滑轮 13钢丝绳 14转向机构 15拉柄 16横梁 17滚轮图2 整体机构示意图Fig 2 The overall organization chart总成下部为剪叶工作部件，由直转刀片，罩壳，收料斗组成，罩壳出口上应安装透气性好的收料斗。当剪叶机对一个育苗池作业完成时，需将车轮转向移至另一个苗池中，此时就要一个转向机构完成，将两根拉柄拨动到另一侧就可以将4个车轮转向90度，来达到目标要求。此转向机构由拉柄拉动钢丝绳通过定滑轮改变拉力方向带动短柄拉杆的转动，从而带动车轮的转向。 当车轮行走时，其动力都由两个电机提供，电机分布在剪叶机对角的两个车轮上。为了防止车轮跑偏而掉入苗池中，在每个车轮旁边都加装一个护边轮，其装置可以自行修复车轮跑偏的情况。当使用烟苗剪叶机时先根据育苗池的宽度，利用龙门架中门架上端的螺栓调节好大梁的跨度，然后将龙门架搁置在苗池两边的轨道上， 再将旋动每个车轮旁边的高度调节螺母使护边轮伸入苗池中，切尽可能的让护边轮靠近苗池内侧壁上滚动，再旋动摇柄使剪叶机头回转直刀处于合适的高度，启动剪叶机。剪叶机头刀片的高速旋转，在机头罩内形成负压，通过负压的作用将剪掉的苗叶吸入收料斗中。此烟苗剪叶机的主要优点有一下几点：1）龙门架的宽度，可以通过门框上端的螺栓来进行调节烟苗剪叶机的夸度；2）剪幅可以通过剪叶机头总成的移动进行调节；3）剪叶的高度可以通过摇柄进行调节；4）运用两个电机驱动，使两边手里平衡，提高了车轮行走的直线度；5）通过选用桁架结构，使整体机构的重量大大减少，且提高了稳定性；6）移至另个一苗池时可以通过拨动拉杆使车轮转向，然后由电机驱动，无需人为移动；7）可以提高工作效率，节省人工，育出的烟苗整齐健壮；8）剪叶高度整齐；9）剪去的苗叶落入收料斗中，便于收集处理，对烟苗不会引起病害。10）通过选用电动的剪叶机，解决了因线混乱而带来的麻烦2.5 预期主要技术指标1) 伤苗率：3%；2) 生产率：750m2/h；3) 自行走定位误差：5cm；4) 实时消毒频率：1次/10盘苗。5) 作业宽度：1.6m-3.0m可调6) 烟叶碎未回收率95%3 剪叶机构的改装根据机构的使用条件，经济效益，工作效率，剪叶质量，剪叶范围，收集碎叶的容积等因素选择了家用的割草机(如图3)，而由于机构的主要能源来自24V的蓄电池，所以为了方便，将家用割草机进行改装，将割草机中的交流电动机改为24V的直流电机。选用的电机为可调速马达直流电机Y350，如图4；改装后剪叶机的主要技术参数与特点如下：1）技术参数：额定电压 24V额定电流 19.2A额定功率 230W图3 剪叶机fig 3 Leaf cutting machine 图4 可调速直流电机Fig 4 Adjustable speed DC motor额定扭矩 12Kg.cm无负载转速3500转/分额定转速 2750转/分最大割草直径300mm 割草高度范围26/41/56mm（3档可调节） 集草箱容积30L 包装尺寸 63*43*33.5CM/1PC 毛重/净重 13/12KG 机器自身装刀片一片 2）剪叶机的特点： 230W精品电机，进口品质，经久耐用； 双保险启动开关，先按下按钮再拉开关，机器才会启动。直接拉开关机器是不会启动的； 采用金属刀片割草，快速强劲，刀片十分耐用； 集草箱容积30L，容量超大，装卸快速方便； 直接通过蓄电池供电；工作时无需外接延长线； 独特的风格设计，可连续长时间工作。 由于电机驱动，工作时噪声小，节能环保型产品； 机器拆装方便、使用及维护相当简单； 4 电机的选择4.1 中间行走驱动电机的选择经过对割草部分机构的出略计算得出最大质量约为18Kg（包括剪叶机头及碎叶的重量）。剪叶电机带动的链轮，其半径为30mm，查资料得钢与钢的摩擦系数为0.1-0.15，则对其受力分析得摩擦力f=mg=27N,为了让其行走，则最小扭矩为M=fr=0.81N.m。根据电机转速n、电机所能承受的转矩M，考虑到传动装置尺寸、重量、传动比与价格等因素，而又要通过电路实线调节占空比达到转速可调的目的，因此选取了电机为可调微型直流电动机，其型号为Y350， 额定功率为350W，额定扭矩为1.2N.m，电压为24V，额定电流为19.2A，满载转速为2750r/min.4.2 车轮行走驱动电机的选择经过对整体机构的出略计算得出总体质量最大约为52Kg，车轮轴的半径为6mm，经查表得橡胶与水泥地面之间的摩擦系数为0.25-0.4（此处选最大的计算），而当剪叶机体移至最左端时，此时左侧车轮受到的力F=mg=330N,对其受力分析得，摩擦力 f=mg=132N (1)由于左侧只有1个电机驱动，则每个电机的驱动力F要大于132N，才能将整个机构，其扭矩为 M=Fr=0.792N.m (2)根据电机转速、电机所能承受的转矩M，考虑到传动装置尺寸、重量、传动比与价格等因素，通过翻阅设计手册查得选取了额定功率为250W，额定扭矩为1.25N.m，电压为24V，额定电流为1A，转速为2000r/min的2DM直流减速电动机。4.3 生产率的计算已知中间行走电机的转速n1=2750r/min=46r/s ,滚轮直径d1=62mm=0.062m ,车轮行走电机的转速n2=2000r/min=33r/s ,车轮直径d2=160mm=0.16m，假设苗池宽度L1=3m，剪叶小车单向行走一次的时间为t1，车轮行走L2=0.3m（剪叶刀片直径为0.3m）的最短时间为t2，则机器作业一个周期的时间T=t1+t2.由于中间行走电机为高速低扭电机，所以可以将剪叶小车行走看做为匀速运动，则 t1=L1V1=L1n1d1=3.3 s (3)又由于车轮行走电机为低速高扭电机，所以车轮运动过程为先从零加速到最高速度V2（最大转速时）再减速到零，这个过程用面积法计算（如图5）得 t2=2L2V2=2L2d2n2=0.4 s (4)即：T=t1+t2=3.7 （s）所以机器的总生产率3P总95%3600ST=95%3600L1L2T=875m2h750m2h (5)综上所述，选以上两种电机能够达到预期指标。图5 面积法计算图Fig5 Method of area calculation chart5. 支撑机构的设计5.1 升降机构的设计升降机构的的主要组成零部件如图6所示：1摇柄 2连接板 3螺杆 4升降支撑轴承架 5升降拉杆 6升降支撑杆 7升降螺母 8框架 9轴承套筒 10支撑杆图6 升降机构Fig 6 Lifting mechanism由于框架的高度是固定的，即：升降螺母也是固定的，当通过顺时针摇摇柄时，螺杆通过升降螺母下降，而螺杆带动升降支撑轴承架下降，升降支撑轴承架带动支撑杆下降，支撑杆与升降拉杆是螺栓连接，从而带动升降拉杆通过轴承套筒下降，而升降拉杆下端的钩子钩住的是剪叶机体，所以剪叶机体也随之升降拉杆的下降而下降，因此，在此机构中可以通过摇摆摇柄来控制剪叶机构的升降。5.2 小车行走机构的设计此机构的主要零部件如图7所示：如图6所示，在准备作业时，给电机通电，此时电机输出轴将动力通过链轮4传给链条再传给主动轴上的链轮，而主动轴上的链轮带动主动轴转动，主动轴带动滚轮转动，而滚轮是与龙门架中的横梁上端面接触，所以电机带动滚轮在横梁上行走。1滚轮 2主动轴 3链轮 4电机 5链条 6框架 7固定轴承套 8从动轴图7小车行走机构Fig 7 Trolley travel mechanism5.3 横梁的选材与强度校核由于剪叶小车在横梁上来回行走，为了保证剪叶高度一致及剪叶小车行走平顺，则需要保证横梁的直线度，所以要对横梁进行校核，保证其强度，不发生变形状况。1）选材：此机构的横梁选用以Q235碳素结构钢为材料的方管，其型号为48*40*1，其屈服强度为235MPa，抗弯强度为375-500MPa5；我之所以选用方管是因为方管的价格实惠，抗拉强度高，可靠性好，持久耐用，方便处理等因素。2）强度校核： max=MmaxWz 6此型号的方管横梁每根的重量约为4.5Kg（长度为2670mm），在横梁上面行走剪叶机构的重量约为18Kg，每根横梁由两个支撑点支撑着，其受力如图86所示，则： F=（18+9）g2=135N (7） Mmax=FL22=607.5N (8)经查GB/T 6728-2002表所得此型号方管的截面系数为Wz=5.5cm37,带入公式（6）得：max=110.3MPa而以Q235碳素结构钢为料的此型号方管的抗弯强度为375-500MPamax所以采用以Q235碳素结构钢为原材料，型号为48*40*1.0方管的强度足够满足现有要求。图8 横梁受力图Fig 8 Beam force diagram5.4 螺杆螺母的设计与校核滑动螺旋在工作中主要承受转矩和轴向力的作用，同时螺杆与螺母的旋合螺纹间存在较大的相对滑动，因而磨损是其主要失效形式。因此，主要通过耐磨性计算来确定滑动螺旋的基本尺寸，而且应校核螺杆危险截面以及螺纹牙的强度，以防止发生塑性变形或断裂；为了防止螺杆受压后失稳，所以还须对其进行稳定性校核8。5.4.1 耐磨性计算滑动螺旋最主要的影响因素是螺纹工作面上的压力。压力越大，螺纹副间越容易形成过度磨损。因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面间的平均压强p，使其不超过材料的需用压强p。将螺纹沿中径d2展开，其受力如图9所示，则有 p=Fd2hz=FPd2hHp （9） 式中：F为螺杆受的轴向力 F=mg=160Nh为螺纹工作高度 h=0.5P（此处为梯形螺纹）z为螺纹的旋合圈数 z=H/PH为螺母旋合段的长度 H=36mmP为螺距 P=2.5mm d2为螺纹中径；p为许用压强，见表19；令=H/d2，将H=d2带入公式（9），由于螺杆承受载荷较大，传动精度较高，要求寿命较长，所以取=4，整理后得（取p=10MPa）： 图9 螺纹受力图Fig 9 Thread force diagram d2FPhp16.4mm （10） 所以取大径d=20mm；将公式（10）带入公式（9）得 p3.7MPap因此选用M20的螺纹，其螺纹工作面上的压力足够。表1 螺旋副的许用强度p Table 1 Screw the allowable strengthp 单位：MPa配对材料钢对铸铁钢对青铜淬火钢对青铜许用压强p速度12m/min4-77-1010-13低速，如人力驱动10-1815-25-5.4.2 螺杆强度校核螺杆工作时，转矩产生剪应力，轴向力产生拉应力，其螺杆的扭矩图将如图107 所示。按第四强度理论，其强度条件 ca=2+32=（4Fd12）2+3（T0.2d13） （11）式中： d1为螺纹小径 d1=17.5mmT为螺杆所受扭矩 T=Fd12=1.4N 为螺杆材料（材料为Q275钢）的许用应力，见表210；所以通过公式（11）可以计算出 ca34MPa 因此，选用Q235为材料的螺杆强度足够。 图10 扭矩图Fig 10 Torque diagram表2 滑动螺旋副材料的许用应力Table 2 sliding screw pair with the allowable stress of material螺旋副材料许用应力/MPab螺杆钢s35-螺母青铜铸铁钢-40604555（1.01.2）3040400.6注：1）s为材料屈服极限；2）载荷稳定时，许用应力最大值5.4.3 螺母螺纹牙的强度校核螺纹牙多发生剪切和弯曲破坏，一般情况下，螺母的材料强度要低于螺杆的材料强度，所以只需校核螺母螺纹牙的强度就行。如果将一圈螺纹沿螺母的螺纹大径D展开，则可将螺母的螺纹牙看作为D的悬臂梁。假设螺母每圈所承受的平均压力为F/z，并作用在以螺纹中径D2为直径的圆周上，则螺纹牙危险截面的剪切强度条件为 =FDb2z (12) 式中：b为螺纹牙根部的厚度 b=0.65P（梯形螺纹）所以通过公式(12)可以计算出20MPa 为螺母材料的许用剪应力，见表2。因此螺母螺纹的剪切强度足够。螺纹牙危险截面的弯曲条件为 b=6Fh/2Db2z=3FhDb2zb （13）所以通过公式（13）可以计算出b24MPab 为螺母材料的许用弯曲应力，见表2。因此螺母螺纹的弯曲应力也足够。5.4.4 螺杆的稳定性计算表3 长度系数Table 3 Length factor 螺杆端部结构长度系数两端固定一端固定，一端不完全固定一端固定，一端铰支两端铰支一端固定，一端自由1.02.0对于螺杆的长径比大，当所受的轴向力F大于某一临界值时，螺杆有可能突然发生侧向弯曲，出现失稳现象，因此需验算其稳定性。根据材料力学，螺杆的稳定性条件为 Sc=FcFS （14） 式中：Sc为螺杆稳定性的计算安全系数；S为螺杆稳定性的许用安全系数，由于此螺杆是传导螺旋，则S=2.54.0； Fc为螺杆的临界载荷，可根据柔度计算；由于螺杆承受的轴向力较大，所以对其淬火处理，刚度大，即柔度小。当85时， Fc=4901+0.0002(li)2d124 （15 ） 公式（15）中： =li其中l为螺杆的最大工作长度，l=180mm；为螺杆的长度系数，与螺杆端部结构支撑结构有关（此机构的螺杆一端固定，一端自由），见表3；i为螺杆危险截面的惯性半径，如螺杆的尾箱截面面积A=4d12，螺杆危险截面的轴惯性矩I=d1464，则i=IA=d14=5mm所以通过公式（15）可以计算出Fc683N将Fc=589N带入公式（14）得出Sc4.27S因此M20螺纹杆的稳定性可以达到要求。6 行走转向系统的设计6.1 转向机构的设计1拉柄 2卡槽 3定滑轮3 4支撑板 5短柄拉杆2 6定滑轮4 7钢丝绳4 8钢丝绳3 9车轮定位杆 10车轮2 11车轮1 12车轮架 13钢丝绳1 14钢丝绳2 15定滑轮1 16短柄拉杆1 17门架 18定滑轮2图11 转向机构Fig 11 Steering mechanism此转向机构的组成部件如图1111所示：针对车轮2而言，当拉杆从位置1拨到位置2的过程中，拉柄拉动钢丝绳1分别通过定滑轮2和定滑轮1拉动短柄拉杆2，这时钢丝绳1处于被拉伸状态，然而在此同时短柄拉杆2也带动钢丝绳4移动，分别通过定滑轮4和定滑轮3再到拉柄，而在此时钢丝绳4并未受到力的作用，因为短柄拉杆2拉动钢丝绳4的同时，拉柄也在放松钢丝绳4，且拉与松的距离是相等的，因此，钢丝绳1的拉伸和钢丝绳4 的松弛就可以让短柄拉杆2顺时针转动。由于通过计算可以得出钢丝绳1拉动的长度与短柄拉杆2转1/4圈的弧长是相等的，所有拉柄从位置1拨到位置2，柄拉杆2顺时针转动90度。由于短柄拉杆2与车轮架定位杆相对固定，而车轮架定位杆与车轮架相对固定，且车轮架与车轮2通过轴相连，因此，短柄拉杆2顺时针转动90度时，车轮2跟着短柄拉杆相同的方向转动90度。故：当拉柄从位置1拨到位置2时，车轮2顺时针转动90度。针对车轮1，同样的原理：钢丝绳2通过拉柄的作用，跟钢丝绳1一样的被拉动，不同之处就在于钢丝绳2是拉动短柄拉杆1而不是短柄拉杆2,：钢丝绳3跟钢丝绳4一样的被松弛，不同之处在于钢丝绳3是与短柄拉杆1相连而不是短柄拉杆2,也就是说当)拉柄从位置1到位置2时，由于钢丝绳2和钢丝绳3的作用，车轮1也顺时针转动90度。综上所述：当拉柄从位置1拨到位置2时，由于钢丝绳2和钢丝绳1的拉伸以及钢丝绳3和钢丝绳4的松弛，使两个轮子同时顺时针转动90度，已达到目标要求。在此机构中控制的是同侧两个轮子，另一侧用相同的机构控制另外两个轮子。此处之所以选用钢丝绳带动，是因为钢丝绳的抗拉强度高，变形量小，价格实惠等因素。6.2 行走机构的设计此机构的组成零部件如图1212所示，(图中的车轮为示意图) 此处选用的电机是双向的电机，当电机转动时带动车轮轴转动，而车轮轴与车轮是通过螺栓固定的，即电机直接带动车轮转动。在整个机构中装有4个车轮，其中2个车轮上带有电机，分别分布在剪叶机的对角且电机朝外，另外两个车轮不带电机，其他机构相同。为了防止车轮与地面打滑，我选择带有纹路的充气式橡胶轮胎，这样可以增大轮胎与地面的接触面积，增大轮胎抓地力。又由于苗池边上的宽度限制，我选择的轮胎外径为125mm，宽度为35mm,内径为12mm，重量为0.6Kg，单只承重在60Kg以上。电机 车轮 护边轮 连接板 滑块 滑槽 高度调节螺母 丝杆车轮架定位杆图12 行走机构Fig12 Walking mechanism当剪叶机在对一个苗池作业时，为了防止车轮走偏而掉入苗池中，在整个机构中，4个车轮旁边都加装一个护边轮，护边轮伸到苗池中且靠近苗池内侧壁上滑动，这样就可以通过4个护边轮来自动调节4个车轮的跑偏现象，例如：当左前轮往右跑偏时，右前轮肯定也往右跑偏，但是此时右前轮的护边轮使劲了压在苗池内侧壁上，给其一个压力，而苗池内侧壁给护边轮一个反作用力使护边轮往左移动，这样就使左右前轮均往左移动。若往左移动过多，则左内侧壁给左前护边轮一个反作用力使车轮往右移动，这样反反复复就可以自动修复车轮走偏现象。当剪叶机对一个苗池作业完成时，需要转向移至另一个苗池中，但在此之前要将伸入苗池中的护边轮提至车轮低端以上，这样才能避免对车轮转向产生的干涉。当需要提起护边轮时，可以顺时针转动高度调节螺母使丝杆上升，而丝杆与滑块是相连的且相对固定，滑块与护边轮是通过连接板固定的，所以丝杆上升时护边轮也随着上升，即：顺时针转动高度调节螺母使护边轮上升。当剪叶机到达另一个苗池后准备作业时，此时需逆时针转动高度调节螺母，使护边轮伸入苗池中以防止车轮走偏。6.3 轮轴的设计与校核图13 车轮轴Fig 10 The wheel shaft已知驱动电机的功率P=250W ,转速n=2000r/min,扭矩T=1.25N.m 。表4 轴的处理和性能Table 4 Shaft processing and performance轴名材料热处理硬度抗拉强度许用弯曲应力车轮轴45钢调制217255600Mpa55Mpa轴尺寸的确定：第一段：d1=C3Pn =10.4mm （16）由于这段有键槽，所以轴径要加大5%，则d1=d11+5%=10.92mm，取d1=12mm，由于这段与车轮相连，且左端与轴承相连，所以选轴承为深沟球轴承6001，其内径为12mm，外径为28mm，厚度为8mm，Cr=5.1KN，Cor=2.38KN。所以取d1=12mm, l1=58mm；第二段：d2=d1+2h=20mm，取l2=4mm；第三段：由于这段也是与型号为6001的轴承相连，所以d3=12mm,l3=18mm；以上的结构草图课算出轴的支承跨度为L=58+4+18 =80（mm）通过以上对轴的结构设计，得出轴的结构设计草图，如图13所示轴的强度校核：（轴的受力简图将如图14所示）圆周力Ft=2Td=2000(N) （17）径向力Fr=Fttancos=739N （18）轴向力Fa=Fttan=353N （19） 水平面上的支反力FAH=Ft2=1000（N） （20）垂直面上的支反力 FAH=Fad2+FrL2L=546N （21） FBH=Fr-FAH=193(N) （22）水平面上的弯矩MCH=FAHL2=40（N.m） （23）垂直面上的弯矩MCA=FAHL2=21.8（N.m） （24） MCB=FBHL2=0.5N.m （25）合成弯矩 Mc=M2CH+M2CA=45.5（N.m） （26） Mc=M2CH+M2CB=40（N.m） （27）当量弯矩：由当量弯矩和轴的结构图（如图1413）可知，C和D处都有可能是危险断面，应分别计算当量弯矩。此处可将轴的扭转剪应力看做脉动循环，取0.6,则 C截面：Mce=M2C+(T)2=46.1（N.m） （28） Mce=MC=40N.m （29） D截面：MDH=FAHL-36+20+212=67N.m （30） MDV=FAHL-36+20+212=36.6N.m （31） MD=M2DH+M2DV=76.3N.m （32） MDe=M2D+T2=76.6N.m （33）所以 C截面：eb=MceWc= Mce0.1d34=43.6MPaeb=55MPa （34） D截面：De=MDeWD=MDe0.1d33=44.3MPaDe=55MPa （35）故此车轮轴的强度足够满足此机构的要求。图14 轴的受力简图Fig 14 Axial force diagram7 总结自走式烟苗剪叶机采用桁架结构，其总重量约为52Kg，需两人以上搬运，但作业时只需一人操作。车轮由低速高扭的2DM直流减速电机驱动，其最大行走速度约为0.75m/s；剪叶小车由高速低扭的Y350可调微型直流电机驱动，其最大行走速度约为0.9m/s。通过上诉的两个速度来作业，可达到的生产率最大为830m2/h。通过对横梁、轴、螺杆螺母等一些的设计与校核确保了机构的承受能力以及相关的技术要求。8 结束语在这次毕业论文的设计中，我摆脱了单纯的理论知识；并且通过和实际相结合，锻炼我对综合运用所学专业知识的能力和解决实
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