豆类作物脱荚教学实验装置设计说明书.doc

2014全国大学生机械创新设计大赛参赛作品豆类作物脱荚教学实验装置华中农业大学2014年第六届全国大学生机械创新设计大赛豆类作物脱荚教学实验装置设计说明书参赛学生：指导教师：华中农业大学二一四年三月目 录摘要11.前言21.1设计背景21.2现状分析21.3设计目标31.4主要设计内容31.5应用前景32.总体方案设计4 2.1基本结构42.2工作原理52.3传动方案52.4基本参数62.5特色与创新63.脱荚装置电动机的选择计算与三轴双向减速器的选用73.1电机的选择计算73.2三轴双向减速器的选用94.机架的设计计算95.差速柔性仿形脱荚装置105.1脱荚装置的总体设计115.2喂入及脱荚辊筒的表面设计115.3脱荚作业工程分析115.4链轮及链条的选择与计算125.4.1传动方案设计125.4.2链轮的设计与校核135.4.3链轮的润滑155.5喂入辊筒的设计与校核155.5.1豆荚剥离辊筒组合的受力分析155.5.2轴材料的选用165.5.3下脱荚辊轴的设计与校核165.5.4其他轴的直径205.5.5轴承的选用216.风选装置的设计226.1角度调节机构的分析与设计226.2带传动的设计237.振动筛清选装置的设计257.1振动筛作业工程分析257.1.1吊筛的运动特性分析257.1.2豆荚的运动特性分析267.1.3振动筛的参数设定与选择287.2摆动导杆机构的设计与分析297.3螺旋微调机构的设计307.3.1螺旋微调形式的确定307.3.2微调螺栓的设计与校核308.电路控制系统318.1传感器的选用318.2传感器的型号与参数328.3控制电路的设计329.总结33参考文献34附图35摘 要随着我国工科类高等教育事业的发展，机械类课程的覆盖面也越来越广。根据对农林类大学农业机械类课程以及农产品加工学的教学与实践观察来看，农业院校现有实验教学演示装置中针对豆类作物（如青大豆、蚕豆等）的脱荚实验教学装置尚属于空白区。现设计如下的“豆类作物脱荚教学实验装置”。豆类作物脱荚教学实验装置用于农业机械学和农产品加工学课程的教学，采用多种机构运动来模拟豆类作物脱荚作业的全过程，可演示工作原理与机构运动，实现机理演示、动态模拟、效果分析等教学效果。该装置主要由差速柔性仿形脱荚装置、风力清选装置、振动筛清选装置以及电路控制系统等组成。差速柔性仿形脱荚装置配备三轴双向减速器及多组链传动，实现喂入辊筒与脱荚辊筒的差速，保障豆荚的有效分离。通过仿形设计，装置可适应不同种类的豆类作物脱荚教学实验的需要。柔性辊筒还可降低作业过程中豆荚的损伤率。风力清选装置采用叶片角度调节机构，实现风力的调节；通过调频电机，可以实现流量与流速的调节；通过对风机进风口的调节，可以控制风机的进风量；通过流量与流速的变换，适应不同物料与杂余的分离。振动筛清选装置采用往复振动筛机构，实现茎秆、果实与杂余的分离；通过调频电机来驱动曲柄摆杆机构，可以实现振动筛摆动频率的调节；通过螺旋微调机构的调节，可以实现振动筛摆动幅度的调节；通过前吊杆和后吊杆长度的调整，可以进行颠簸度的调节。电路控制系统可独立控制各装置的运动，还可以通过数码显示器观察各部分的工作参数的变化。学生可切实通过显示器的变化感受参数调节的过程。通过上述四大部分的协调配合，豆类作物脱荚教学实验装置模拟了豆类作物脱荚作业的全过程。能有效地配合农业机械学和农产品加工学的教学，填补了关于豆类作物脱荚、清选等作业过程的教学实验空白。通过教学演示不仅能观察工作机理和机构运动的工作过程，而且能够进行各工作部件参数的调整与分析，增加了课堂的互动性与实践性。通过该装置的教学，学生能学习和实践豆类作物脱荚机理以及机构运动参数对物料清选的影响规律，从而提高农业机械学和农产品加工学的教学效果，具有良好的运用前景。专利申请情况：1. 豆类作物脱荚教学实验装置（ZL201420109741.9）2. 青大豆脱荚分离机构（ZL201120309357.X）1.前 言1.1设计背景随着我国工科类高等教育事业的发展，机械类课程的覆盖面也越来越广。而关于机械类课程的教学设备的更新与补充相对滞后。因此也对课堂以及实验教学设备也提出了更高的设计要求。根据对农林类大学机械类课程的教学实践观察与调查研究来看，设计一种能演示豆类作物脱荚作业过程中的工作原理与机构运动，实现机理演示、动态模拟、效果分析的豆类作物的脱荚实验教学装置来有效弥补传统农业机械、农产品加工教学中关于豆类作物脱荚实验教学的空白。针对现状设计了如下兼顾多门学科的豆类作物脱荚教学实验装置。1.2现状分析图1-1农业机械实验室 图1-2农业机械陈列室图1-3农产品加工学教学实验室图1-4农业机械学教学实验室通过调研与实践，农业院校现有的农业机械学与农产品加工学的教学实验装置中关于豆类作物脱荚教学实验的装置尚属空白，同时农业机械与农产品加工学的教学实验主要通过现场参观静态的农业机械与农产品机械的机构为主，缺乏机理演示、动态模拟、效果分析的教学实验装置现行的农业教学设备如上图1-1，1-2所示，可知现行的设备大多以单个的机构进行演示，只对对各机构的运动特性做演示，综合性不强；大部分农业机械都属于大型机械，因此大部分实验教学课堂只对一些部件进行展示，缺乏整机实物模型，如图1-2；如图1-3为农产品加工学教学实验尽管为整机教学，但缺乏动态模拟以及效果分析的过程，对影响各农业机械以及农产品加工机械作业效果的机构运动参数也不能进行直观的阐述。同时由于这些机械大都采用静态展示，学生缺乏与课堂的互动性以及实践性1.3设计目标为改善上述农业机械学以及农产品加工学所存在的不足，便于学生更好地学习各种农业机械以及农产品加工机械类课程，填补农业院校关于豆类作物脱荚教学的空白，使学生加强对各种机构运动、机构各影响参数的理解，提高学生综合设计与运用能力。引入“最优化设计”的理念，通过对装置机构“可调”设计，改变各部分机构的参数，可选择多种运动参数组合与多种工作状态，并以最优参数设置来实现完整的作业过程，实现对“脱荚率”、“损伤率”、“清选效果”的最优设计，使学生能学习和实践豆类作物脱荚机理以及机构运动参数对物料清选的影响规律。同时也使得各种基础机构（如减速器、多杆运动机构、挠性传动、农业机械学的特有清选机构等）的教学更加生动。1.4主要设计内容豆类作物脱荚教学实验装置主要设计内容：1）完成市场调查、资料检索和专利查新等工作；2）豆类作物脱荚教学实验装置的工作原理及运动机构分析；3）豆类作物脱荚教学实验装置的总体设计方案和具体结构；4）豆类作物脱荚教学实验装置的主要零部件的设计和计算；5）豆类作物脱荚教学实验装置的主要零部件强度的校核。1.5应用前景本装置能够有效地配合农业机械学和农产品加工学的教学，填补关于豆类作物脱荚、清选等作业过程的教学实验空白。通过教学演示不仅能观察工作机理和机构运动的工作过程，而且能够进行各工作部件参数的调整与分析，增加了课堂的互动性与实践性。通过该装置的教学，学生能学习和实践豆类作物脱荚机理以及机构运动参数对物料清选的影响规律，从而提高农业机械学和农产品加工学的教学效果，具有良好的应用前景和推广价值。2. 总体方案设计2.1基本结构1234567891716151413121110图2.1豆类作物脱荚教学实验装置结构示意图1-茎秆导出板；2、10、11-电机；3、5-链传动；4-三轴双向减速器；6-物料导入板；7-带传动；8-上脱荚辊；9-下脱荚辊；12-摆动导杆机构螺旋微调机构组合；13-风机；14-吊筛；15-吊杆；16-豆荚导出板；17-杂余导出板。“豆类作物脱荚教学实验装置”主要由差速柔性仿形脱荚装置、风力清选装置和振动筛清选装置等组成。如图2.1为豆类作物脱荚教学实验装置结构示意图。差速柔性仿形脱荚装置由物料导入板、茎秆导出板、电机、三轴双向减速器、多组链传动、可滑动的特制轴承座、弹簧等组成。动力输入电机通过链传动与三轴双向减速器连接三轴双向减速器又通过链传动与喂入辊筒以及脱荚辊筒连接。脱荚辊则直接包覆在轴上。四根轴分别通过轴承座与机架连接。特制轴承座通过弹簧以及导轨构成仿形机构。风力请选装置主要由风机外壳、叶片、叶片角度调节机构、电机以及带传动组成。风机外壳通过螺栓连接固定在机架上。风机叶片通过铰链连接在风机轴上，风机轴承座则固定在风机外壳上，形成轴的支承。叶片角度调节机构则通过螺栓连接与叶片连接在一起。电机通过带传动与风机形成连接。振动筛请选装置由摆动导杆机构、螺旋微调机构、吊杆、吊筛、电机以及带传动等组成。吊杆通过螺栓连接在机架上，吊筛也通过螺栓连接吊杆上，构成了往复振动筛机构。往复振动筛机构通过连杆与摆动导杆机构连接。螺旋微调机构则通过连接杆与摆动导杆机构连接。电机则通过带传动驱动螺旋微调机构带动摆动导杆运动，实现振动筛清选装置各机构的配合。2.2工作原理差速柔性仿形脱夹装置配备三轴双向减速器及多组链传动，实现喂入辊筒与脱荚辊筒的差速，保障豆荚的有效分离。通过仿形设计，装置可适应不同种类的豆类作物脱荚教学实验的需要。柔性辊筒还可降低作业过程中豆荚的损伤率。风力清选装置采用叶片角度调节机构，实现风力的调节；通过调频电机，可以实现流量与流速的调节；通过对风机进风口的调节，可以控制风机的进风量；通过流量与流速的变换，适应不同物料与杂余的分离。振动筛清选装置采用往复振动筛机构，实现茎秆、果实与杂余的分离；通过调频电机来驱动摆动导杆机构，可以实现振动筛摆动频率的调节；通过螺旋微调机构的调节，可以实现振动筛摆动幅度的调节；通过前吊杆和后吊杆长度的调整，可以进行颠簸度的调节。2.3传动方案豆类作物脱荚教学实验装置包含有以下三大部分的运动：夹持喂入辊筒与脱荚辊筒的运动、风机主轴的转动、振动筛清选装置的运动。夹持喂入辊筒与脱荚辊筒的传动线路图如图2-2所示：123456789101817161514131211图2-2脱荚装置传动线路图1-电机；2-三轴双向变速减速器；3、5、6、10、11、14、15、16、17、18-链轮；4-链条（其余省略）；7-轴承（相同图标均表示轴承，省略）；8-上脱荚辊筒；9-上夹持喂入辊筒；12-下夹持喂入辊筒；13-下脱荚辊筒脱荚装置工作时由电动机通过链传动，将动力输送到2三轴双向变速减速器的中间轴，中间轴则通过减速器内部的齿轮传动将动力变换成两个不同方向的转动，分别驱动上下辊的运动。最终达到8、13上下脱荚辊的转向相反，9、12上下夹持辊的转速也相反，而上夹持辊与上脱荚辊转向相同的效果，满足脱荚作业过程的需要。风机主轴的传动则为由电机通过皮带传动，直接带动风机的运动，其传动路线图略。 振动筛清选装置的机构运动简图如图2-3所示：123456图2-3振动筛清选装置的机构运动简图1-吊筛；2、3-吊杆；4-连杆；5-摆杆；6-主动曲柄振动筛清选装置通过电动机驱动摆动导杆机构运动，完成动力输入。摆动导杆机构则通过连杆4与吊筛连接，通过与吊杆2、3的组合，实现吊筛的往复摆动。2.4基本参数通过检索文献，以及实际的需要，把豆类作物脱荚实验教学装置的总长设计为，总宽为，总高为，装置总重为，脱荚辊间隙为，脱荚装置输入轴最大转速，风机最大转速，振动筛最大振动频率。其基本参数如表2-1所示表2-1基本参数参数符号总长总宽总高总重脱荚辊间隙脱荚装置输入轴最大转速风机最大转速振动筛最大振动频率数值105039012007053613501302.5特色与创新豆类作物脱荚教学实验装置改变了传统机械类课程教学的单一性，结构创新、功能丰富、交互性强，具有以下特色与创新点：1）该装置集多种机械运动机构于一体，让学生对所学机械类课程有一个综合的理解与把握。2）采用农业机械专用的三轴双向减速器实现多轴不同向、不同速输出，使得喂入辊与脱荚辊产生速差，完成脱荚作业过程，达到对脱荚原理中的搓擦脱荚原理的演示3）夹持喂入辊与脱荚辊均采用橡胶制成，辊筒上同时还印有特制纹路，可有效降低豆荚的损伤率，提高豆荚的脱净率。属于柔性脱荚设计。4）“上下随动仿形机构”中的轴承安装在移动导轨上，并且通过与弹簧与支撑架相连，可根据输送豆荚的大小与多少，自适应调整两脱荚辊之间的间距，适应不同的特性的物料与喂入量。5）运用于农业机械上的风机只能用风机转速与进风量的调节来控制清选过程中的风速与流量。本装置在此基础上引入相关机构，可以改变风机叶片的角度，与转速调节、进风量调节共同构成可变风力清选系统。6）将摆动导杆机构与螺旋微调机构实现有机的创新组合，方便多模式振动筛选机构的调节。可以改变曲柄的长度，进而影响筛选过程中振动筛的摆动幅度与振幅。7）摆动导杆机构、螺旋微调机构以及可调吊杆的可调设计可以构成多种振动筛选工作状态。通过不同振动筛选状态的演示，能更加有效的完成影响清选效果的参数的意义的教学。8）整机可以人为设定工作模式，学生可亲身参与实验教学课堂的互动，增添了课堂的互动性、趣味性，可以达到更好的教学效果。3.脱荚装置电动机的选择计算与三轴双向减速器的选用豆类作物脱荚教学实验装置的运动部件较多，根据总体方案的设计，差速柔性仿形装置、风力清选装置、振动筛清选装置均需要动力的输入。考虑到本装置作为教学设备，且主要展示各部分参数对脱荚效果、清选效果的影响。因此为装置配备三台调速电机，单独控制三大块的运动。为满足脱荚辊与夹持辊的运动要求，本设计中还采用农业机械专用的三轴双向减速器。3.1电机的选择计算通过检索文献以及实际生产经验，将豆荚从豆杆上分离的拉力一般为25100N，四个辊筒的转速分别为：上脱荚辊转速：下脱荚辊转速：上夹持辊转速：下夹持辊转速：按照图所示的传动方案，每个辊筒的功率均按最大进行计算。四个辊筒中的最大转速为36r/min。因此辊筒的受力就简化为下图3-1图3.1 辊筒的受力单个辊筒所需的有效功率为： （3-1）从电动机到各辊筒的间的效率（单边传动）为 (3-2)式中、分别为链传动、轴承、齿轮传动的传动效率。取，则 (3-3)故所需电动机所需功率：考虑到脱荚装置为核心装置，从可靠性上讲，现取电机的额定功率为。为满足各辊的转速要求，电机的额定转速为，为了适应不同的物料，选择调速电机同时兼顾经济性考虑。综合上述分析，选择电机的型号为：5IK90GU-C/5GU-3K振动清选装置以及风力清选装置均需要用到电机，选用的电机型号分别为：5IK60GU-C、5IK40GU-C/5GU-10K电机数据如下表3-1：表3-1电机型号与参数所用场合电动机型号额定功率电动机转速最大转速调速范围脱荚装置5IK90GU-C/5GU-3K90430风选装置5IK60GU-C601350筛选装置5IK40GU-C/5GU-10K401303.2三轴双向减速器的选用从设计的传动方案来看，三轴双向减速器既能实现动力的分路输出，满足各辊不同转向的要求。在本装置中采用的三轴双向二级减速器。其简图如下图3-2所示：图3-2三轴双向二级减速器简图在现行的机械原理课程中齿轮机构以及轮系占有较大篇幅。并且机械拆装课程中则直接使用减速器作为拆装的范例。本装置中直接采用具有导向键的三轴双向减速器，通过拨动齿轮调整位置得到不同的轮系组合可直接作为轮系创新组合演示使用。也从直观上引导学生对轮系的设计有一个更直观的感受。该减速器有两输出轴，同时具有不同的减速比，这也从原理上很好的反映了轮系的减速以及多轴输出功用。两输轴的上有相互啮合的齿轮，两轴旋转方向相反，这也只直接反映了轮系的换向作用。利用相互啮合的齿轮构成的轮系实现分路传动，分别带动两边链轮转动。采用周转轮系，结构紧凑，可以得到较大的传动比。同时该减速器上具有导向键，通过手柄改变齿轮的的实际啮合情况，从而获得不同的速比。由于我们需要上下两辊轴的转动方向相反，采用两轴输出便能得到。4.机架的设计计算机架以及装置的外框选用的材料均为角铁，属于型钢的一种。在使用中要求有较好的可焊性、塑形变形性能及一定的机械强度。123图4-1机架结构图本装置中选用25X25X3的角铁作为机架，机架的结构图如上图4-1所示。其中1为上部横梁，2为支撑杆，3为下部横梁。分析可知上部横梁和下部横梁的受力较小，整个装置的重力主要集中在四根支撑杆上。因此只需对支撑杆进行校核。经分析，可将支撑杆的受力形式简化如图4-2所示的情况，现在按其对支撑杆进行受力分析，可知支撑杆的受力情况为承受压力。由于支撑杆下部有四根梁进行支撑，故不用考虑压杆稳定问题，仅将其受力归为杆的简单拉压问题。按杆的受压对其进行强度校核。G装置总重角铁所受的压应力为：因此角铁的选用合理，符合强度要求图4-2机架受力简图5.差速柔性仿形脱荚装置现行脱荚主要靠冲击、擦搓、梳刷等原理来实现。冲击脱荚靠脱荚元件与豆荚的相互冲击而使豆荚与豆杆分离，脱净率与冲击强度呈正相关。高的冲击强度易使得豆荚破豆。搓搓脱荚靠豆荚与脱荚元件之间的摩擦使豆荚与豆杆分离，脱净的程度与摩擦力的大小有关。增强搓擦可提高脱净率但易使豆荚脱皮。梳刷脱荚靠脱荚元件对豆荚施加冲击拉力来脱荚。梳刷的能力与脱荚元件的形状及相对运动速度有关。由于要得到豆荚，豆禾处于未成熟期，豆荚与豆禾的连接较强，脱荚效果不好。为防止低脱净率与高伤荚率情况出现，故在脱荚的工作过程中，应采用不损伤豆荚的柔性脱荚方法。原动机构输入动力，经传动机构传到转动辊轮，毛豆杆经输送机构输送到喂入夹持辊辊轮间隙，由于辊轮表面设计有花纹，且喂入夹持辊转速较低，脱荚辊转速较高，这样喂入夹持辊轮会在转动的过程中夹持住毛豆杆，脱荚辊通过高速旋转给豆荚施加力的作用，从而使豆荚从豆杆上脱落下来。设计时应注意：1）在脱荚的过程中，不可避免地会遇到豆荚喂入量不同的因素，本装置配有的弹性滑动轴承座能达到根据喂入量的不同而调整压辊的作用，还可以有效的起到缓冲和增压作用，保证顺利脱荚，并不损伤豆荚；2）夹持喂入辊筒的转数较低，脱荚辊筒的转数较高；3）喂入夹持辊筒表面设计为斜纹，可增加摩擦力，脱荚辊筒表面上设计有凸起花纹，高速旋转时可给豆荚施加力的作用，使豆荚从豆杆上脱落。5.1脱荚装置的总体设计根据上述的设计要求，脱荚机构的总体设计如下图5-1所示： 12345610987图5-1 喂入脱荚组合装置的结构简图1-电机；2-滑动轴承座；3-三轴双向减速器；4-压力调节弹簧；5-上夹持喂入辊筒；6-物料导入板；7-下豆荚剥离辊筒；8-上豆荚剥离辊筒；9-轴承座；10-茎秆导出板。5.2 喂入及脱荚辊筒的表面设计豆类作物脱荚教学实验装置采用夹持喂入辊筒组合和豆荚剥离辊筒组合为主要工作部件。为了降低作业过程中的伤荚率，设计辊筒组合表面为交叉纹，材料为塑料辊或表面覆上橡胶辊。既保障喂入所需的摩擦力，同时也可以不损伤豆荚。夹持喂入辊筒表面如图5-2所示，豆荚剥离辊筒表面如图5-3所示。图5-2夹持喂入辊筒 图5-3豆荚剥离辊筒5.3脱荚作业过程分析脱荚作业过程分为豆荚的喂入与豆荚的剥离。喂入过程与豆荚的剥离过程类似。由于豆荚剥离过程较豆荚的喂入过程复杂，现仅以豆荚的剥离过程进行分析。豆荚剥离辊筒在工作时（图5-4），在电动机的牵引力的作用下，上下两辊筒做对心转动，如图（a）所示，通过与的差速，产生拉力，并通过辊筒上的小突起将豆荚从豆杆上剥离，如图（b）所示。辊筒上安装有阻尼弹簧，可以在喂入量发生变化时有效的调节两辊之间的距离，既能保证脱荚工作的进行，又能有效的保证有效工作面积。如图（c）所示。（a）（b）（c） 图5-4 豆荚剥离辊筒示意图1.阻尼弹簧，2.上豆荚剥离辊筒，3.下豆荚剥离辊筒5.4链轮及链条的选择与计算链传动是一种广泛应用的机械传动形式,用链作为挠性拉拽元件实现两个或多于两个链轮之间的一种啮合运动。这种传动形式无弹性滑动及整体打滑,不需要太大的张紧力,作用在轴上的径向压力较小，能保持准确的平均传动比，效率较高,是一种较为成熟的传动机构，因此选择链传动作为脱荚机的传动机构。5.4.1传动方案设计机组采用链轮传动完成动力的传递。传动方案如图5-5所示：12345678910 1817161514131211图5-5 机组传动方案1-电机；2-三轴双向变速减速器；3、5、6、10、11、14、15、16、17、18-链轮；4-链条（其余省略）；7-轴承（相同图标均表示轴承，省略）；8-上脱荚辊筒；9-上夹持喂入辊筒；12-下夹持喂入辊筒；13-下脱荚辊筒电动机1通过链轮将动力传输给减速器2、3、4变速，减速器再将3、4动力输出，分别传输给上豆荚剥离辊筒5与下豆荚剥离辊筒6，豆荚剥离辊筒组合5、6再通过链轮将动力传输给上夹持喂入辊筒7与下夹持喂入辊筒8；整个传动系统部分具有结构简单、传动平稳、价格低廉和缓冲吸震及过载保护等优点。其中传动比数据如下：5.4.2链轮的设计与校核 脱荚机传动主要将电机的传动通过链轮之间的啮合，驱动四个辊子之间的相对转动，从而实现脱荚功能。链传动的整体尺寸较小，结构紧凑，能在潮湿油污等恶劣环境中工作，设计主动链轮转速，传动比,驱动额定功率约为。1）选择链轮齿数选取小链轮齿数,中间链轮齿数,大链轮齿数，因此。(5-1)2）确定计算功率查表得，单排链，则计算功率为 (5-2)3）选择链条型号和节距根据及查表，可选08A-1，链条节距。4）计算链节距和中心距初选中心距。取。相应的链长节数为(5-3)取链长节数节圆整后计算实际中心距为 （5-4）一般情况下，中心距应设计成可调节的，不能调节时，应将中心距在计算的基础上减小，故此处取。5）计算链速v，确定润滑方式(5-5)6）计算压轴力有效圆周力为： (5-6)链轮水平布置时压轴力系数，链条1为倾斜布置，压轴力为(5-7)用同样的方法，可计算出各链条的链节数、中心距、有效圆周力、压轴力，计算结果如表5-1表5-1 计算结果 链节数（节） 中心距（） 有效圆周力（） 压轴力（）链条1 75 330 222.5 244.8 链条2 61 170 243.6 280.14链条3 66 256 238.1 190.48 链条4 61 170 243.6 280.14链条5 35 150241.9 278.2综上所述，最终确定链条的型号为：08A-1，具体参数如表5-2表5-2 链条参数节距（）滚子直径（）内链节内宽()销轴直径()内链板高度()排距()抗拉载荷()12.77.957.853.9812.0714.3813.85.4.3 链轮的润滑链传动的良好润滑能缓和冲击、减小摩擦、减轻磨损，润滑不良就会降低链传动的使用寿命。润滑是应设法在链传动关节的缝隙中注入润滑油，并应均匀分布在链宽上。润滑油应加在松边，因为链节处于松弛状态时润滑油易进入摩擦面，此处链传动可采取人工润滑的方式来润滑。具体的润滑方法为用刷子或油壶定期在链条松边内、外链板间隙中注油；供油量为每次使用的时候注油一次，或者定期注油一次。链条可以拆下来，也可定期使用煤油清洗，干燥后放入70的润滑油中，待铰链间隙中充满油后重新安装使用，本机采用人工定期加油润滑。5.5喂入辊轴的设计与校核5.5.1豆荚剥离辊筒组合的受力分析 上剥离辊筒在工作时，受力分析如图5-6所示：图5-6 上豆荚剥离辊筒的受力分析下剥离辊筒在工作时，受力情况如图5-7所示：图5-7下豆荚剥离辊筒的受力分析上豆荚剥离辊筒作业时，每个辊筒上的所受到的轴承的支撑力和阻尼弹簧上的压力可归纳为两个非汇交力和，见图5-7力垂直于辊筒，豆荚给辊筒产生的反作用力可简化为与辊筒的重力相重合的一条直线上，且方向相反。力的大小与豆荚为喂入量和辊筒的转速有关。电机传送动力给辊筒一个力偶。将、四力进行分解与合成，在合成时，假设将力移至辊筒轴向处，可得一个反作用力偶,其值与大小相等，方向相反。同理，下豆荚剥离辊筒在作业时，每个辊筒上所受到得轴承的支撑，见图3-10，力垂直于辊筒，豆荚给辊筒的反作用力可简化为与辊筒的重力相重合的一条直线上，且方向相同。力的大小与豆荚为喂入量和辊筒的转速有关。电机传送动力给辊筒一个力偶。将、三力进行分解与合成，在合成时，假设将力移至辊筒轴向处，可得一个反作用力偶,其值与大小相等，方向相反。5.5.2 轴材料的选用45号钢强度较高，塑性和韧性良好，用于制作承受负荷较大的小截面调质件和应力较小的大型正火零件，以及对心部强度要求不高的表面淬火零件，如曲轴、传动轴、齿轮、蜗杆、键、销等。因此，选用45钢作为转轴的材料。45钢的力学性能如表5-3：表5-3 45钢的力学性能640355275155602705.5.3下脱荚辊轴的设计与校核下脱荚辊轴受力分析较复杂，故以下只对下脱荚辊轴进行设计与校核。 进行轴的直径大小计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采用相应的计算方法，并恰当的选取其许用应力。对于仅仅或主要受扭矩的转轴，应按扭转强度条件计算；对于只承受弯矩的轴（心轴），应按弯曲强度条件计算；对于既承受弯矩又承受扭矩的轴，应按弯扭合成强度条件进行计算。脱荚机的转轴，同时承受扭矩和弯矩，主要为扭矩，故应按扭转强度条件进行设计，按弯扭强度条件进行校核。实心轴的扭转强度条件为 （5-8）即实心轴轴径满足（5-9）空心轴的扭转强度条件为 (5-10）即空心轴轴径满足(5-11)式中：扭转切应力，轴所受的扭矩，轴的抗扭截面系数，轴的转速，轴传递的功率，计算截面处轴的直径,许用扭转切应力,空心轴内外径之比对于45钢，由上式可得实心轴的直径(5-12)式中 ，查表得所以，级转轴的最小直径为：(5-13)空心轴的最小直径为23,外径为33。考虑到脱荚机辊子内径较大，空心轴的焊接点会适度降低轴的强度，所以取实心轴最小轴径为18。现对转轴进行强度校核。1）两链轮受力2）竖直面内的受力分析（见图5-8（c）。支座反力弯矩 据此作出竖直面内的弯矩图如图5-8（d）所示。3）水平面内的受力分析（见图5-8（e）。支座反力弯矩 据此作出水平面内的弯矩图如图5-8（f）所示。4）求合成弯矩。（a）轴系结构示意图（b）轴受力图（c）竖直面受力（d）竖直面弯矩（e）水平面受力（f）水平面弯矩（g）合成弯矩图（h）扭矩图（i） 当量弯矩图图 5-8 下脱荚辊轴装配示意图及受力分析据此得到轴上的合成弯矩图如图5-8（g）所示。5）画扭矩图。按扭矩T作扭矩图如图5-8（h）所示。6）求当量弯矩（见图5-8（i） （此处近似取=0.3）7）危险截面的抗弯截面系数。近似计算时，可略去B、C处键槽的影响，则8）确定许用应力。查45调质钢的许用应力值为。9）校核计算。所以轴的强度足够。5.5.4其他轴的直径一级转轴和三级转轴都主要承受扭矩，其计算方法和一级转轴的计算方法相同。因此，可以得出：二级转轴的最小直径为(5-14)三级转轴的最小直径为(5-15)5.5.5轴承的选用下脱荚辊轴所用轴承选择1205调心球轴承，其相关参数如表5-4所示：表5-4 1205调心球轴承的相关参数表内径 外径 宽度 基本额定动载荷 基本额定动载荷25 52 15 12.0 3.30现对轴承受力分析：计算两轴承的径向支反力、图5-9轴承受力分析图力系分布图如图5-9所示，经分析计算已知：对于该受力图，有，得由，得联立计算可得,计算当量动载荷、由于调心球轴承的轴向力较小（可忽略），因此当量动载荷的计算式为可得验算寿命此寿命远大于一般机械的使用寿命，所以此轴承符合使用要求。同理，下脱荚辊轴以及下夹持喂入辊所用轴承选择6204深沟球轴承，其相关参数如表5-5所示：表5-56204深沟球轴承的相关参数表内径 外径 宽度 基本额定动载荷 基本额定动载荷20 47 14 12.8 6.656风选装置的设计 风机是农业机械中常用的清选装置，大多数情况下，利用风机产生的气流做介质推进工作，完成物料清选、通风换气机、物料输送等工作。在豆类作物脱荚教学实验装置中采用风机作为清选装置，利用豆荚与豆叶的密度面积差异以及两者的空气动力学特性的差异进行清选的方法，达到提高豆荚的清洁度以及降低清选损失。实验教具中所用风机在扇叶角度、风轴转速、进风口大小可调，单独调节各项参数改变风机相关性能参数，并将该动态改变过程以坐标图像方式显示在控制面板上，让学生通过视觉、触觉直观的感受到每项参数起到的作用。不仅是对流体力学知识和风机应用知识教学的更好展现，同时也极大的加深了学生对风机的工作原理、性能参数、设计以及选用的理解与认识，增加学生对风机应用的经验，提高创新能力。6.1角度调节机构的分析与设计风机的风速与流量可以通过改变主轴的转速、叶片的角度，以及进风口的大小来改变。其中通过调频控制器控制电机的转速来控制电机主轴的转速，进风口的大小则通过改变进风口的遮蔽面积来进行调节。其调节均比较简单，叶片角度的调节相对复杂，涉及的机构也相对复杂，现对叶片的角度调节机构作出如下分析：叶片角度调节机构图6-1如下所示:21图6-1叶片角度调节机构图中1为调节锁紧螺栓M4，2为调节腰圆孔，通过改变调节螺钉相对于调节腰圆孔的位置，来改变叶片相对于风机轴的角度。由于风力清选作业过程教学演示中需要对影响风力的因素展现出来，故设计此种角度调节机构。6.2带传动的设计风力清选装置中的风机由电机通过带传动来驱动运转。根据实际需要，选择的电机为，功率为。对其带传动进行如下的设计与校核：（1）计算功率。查手册得工作情况系数，故(6-1)（2）选取普通V带型号V带的横截面为等腰梯形，两侧面为工作面，工作时V带与带轮槽的两侧面接触带与轮槽底面不接触。由于轮槽的梯形效应，在同样压轴力的作用下，V带传动的摩擦力约为平带传动的3倍，能传递较大的载荷，且在一般机械传动中应用最广。综合手册中的V带选型图，故选用A型V带。（3）确定小带轮和大带轮基准直径、由手册初取，根据公式可得(6-2)由手册取直径系列值大带轮转速(6-3)其误差小于，故允许。（4）验算带速(6-4)在范围内，带速合适。（5）确定带长和中心距查手册可得，初步计算中心距(6-5)初步选取中心距，由手册得带长(6-6)查手册可知选用基准长度计算实际中心距(6-7)（6）验算小带轮包角，由手册可得(6-8)故合适。（7）确定V带根数z传动比(6-9)由手册查得得：(6-10)取z=1根。7.振动筛清选装置的设计7.1振动筛作业过程分析7.1.1 吊筛的运动特性分析在振动筛作业过程中，通过振动筛的振幅、倾角、振动速度的调节，达到豆荚与泥土等杂余分离的目的。在设计时，要求筛板具有一定的水平位移X和竖直位移Y，为了将脱出物有效的进行分离，应保证振幅较大。同时在清选过程中为了使豆荚能沿筛板逐渐向前移动，而杂余在振动中沉入筛底，通过筛孔漏进杂余导出板。机构的配置应保证筛板的向前行程终了时，筛面处于其最高位置，依据上述要求，吊筛传动机构采用摆动导杆机构进行运动传递。为了方便对吊筛运动进行分析，作出筛子的运动简图如下7-1所示：图7-1筛子运动简图吊筛的运动特性的分析：如图示AA，DD为吊筛的两个极限位置。当吊筛处于两极限位置时原动件（曲柄）所在的两个位置OB，OC之间的夹角，即为极位夹角。当可调偏心轮以等角速度逆时针从OE转动到OC时，转过角度为：，所用时间为。 当可调偏心轮以等角速度逆时针从OC转动到OE时，转过角度为：。所用时间为。因为，所以由于两种情况下摇杆所走的行程一样，所以有，用急回运动系数K表示摇杆的急回运动特性，即：(7-1)由于存在这种急回运动特性，使得筛选的效果更好，效率更高。7.1.2豆荚的运动特性分析图7-2豆荚的运动分析示意图设筛面的倾角为，曲柄转角为,，令筛面对脱出物的支反力为N，则 (7-2)式中：m为脱出物质量（kg）；为曲柄角速度（rad/s）；t（s）为曲柄转过的时间。要实现脱出物被抛出，则N=0，即脱出物被抛离筛面，此时曲柄转角为,则有(7-3)因为所以即令,为抛出物脱离筛面的特征值（加速度比）。它反映了脱出物做抛体运动的加速度大小，由上式可知只要脱出物就能抛出，但抛起的方向不能确定。当时，v垂直于水平面，脱出物只能在原地运动，而不能向后方抛起，这样必然造成筛子的堵塞问题，故是最早抛起的条件。当不可能抛离筛面。当时，指向筛面，更不可能抛起。故是最晚抛起的条件。通过以上分析可得出：向后上方抛起的极限条件是，为筛面和水平面之间的夹角。为避免不能抛起，脱出物最晚抛起的极限转角。由此可得出曲柄四连杆机构的曲柄回转角速度作用范围。一般情况下该分离装置结构参数和运动参数：，,，。现取K=2.5，则：，其中r为曲柄长度，因为筛板下未设置风机，故将筛板向后倾斜，设=2.故要使分离物抛离筛面必须满足： (7-4) 而振动方位角可由水平振幅及垂直振幅Y确定。 由，得，故 (7-5)根据公式，程速比系数K3=1.35，故极位夹角根据已知条件及其几何关系有：。水平振幅极位夹角同理， 由余弦定理可得 由正弦定理得 因此 7.1.3振动筛的参数设定与选择豆类作物因其物料种类的不同，豆荚的密度、含水量、大小等指标也不相同。因此从脱荚装置落下的豆荚在筛面上的运动特性也不同。为使得该装置的使用范围更广，适合多种豆类作物的清选，将吊筛的吊杆以及偏心轮的偏心距都设置一定的可调参数，如下图所示：图7-3可调偏心轮图7-4可调吊杆11本装置中的多模式振动筛的模式设置一方面通过可调吊杆实现，另一方面则通过振动筛动力输入曲柄长度的改变进行。振动筛动力输入部分设计为摆动导杆机构（类似于牛头刨床）简图如右图：2图中1为主动曲柄，2为摆杆。1由电动机输入。最后动力通过摆杆传递给振动筛，完成振动筛动力的输入。曲柄长度的调节则通过一个螺旋微调机构实现。螺旋微调机构图形如下。1为调整螺母，2为调整螺杆共同构成调整螺旋。实现上图主动曲柄长度的无级调节。因此摆动导杆机构与螺旋调整机构的配合就构成了多模式振动筛的的参数调节。再通过和振动筛的连接与可调吊杆共同形成参数调节系统。通过参数的调节可改变振动筛的振幅，对于特定的物料（豆荚）可得到其最佳振动幅度的组合，即实现清选效果的最佳选择。使学生对影响清选效果的参数的更直观认识，可以完成农业机械清选机构设计的教学。同时摆动导杆机构与螺旋调整机构可完成典型机构的教学。 由上图7-3可知偏心轮的偏心距可调，吊杆的实际作用长度可以进行调节。根据安装位置以及物料的特性，将偏心轮的偏心距的调节范围设定成。长吊杆的调节范围设定成，吊杆的调节范围设定成。吊杆外形如图7-4所示。改变吊杆实际长度与偏心轮的偏心距，做出几种典型的运动曲线如下图7-5所示：由上图7-4分析可知：当吊杆采用不同的长度时，筛子的往复行程会发生较大改变，同时由图可知两极位之间的夹角也会随之发生改变，因此吊筛的急回运动运动特性发生较大改变。摇杆杆长：曲柄长度：(1)摇杆杆长：曲柄长度：(2)摇杆杆长：曲柄长度：(3)当曲柄的长度（即：偏心轮的偏心距）改变时，筛子的摆幅发生较明显的改变。筛子的往复速度也随之发生改变。因此针对不同的物料，配合物料的特性，通过吊杆以及曲柄的随机组合能够使筛子呈现特定的运动规律，使得针对不同的物料能够得出最优的筛选效果。7.2摆动导杆机构的设计与分析摇杆杆长：曲柄长度：(2)振动筛的运动过程中，急回特性直接影响到振动筛的清选质量。因此我们设计了符合振动筛需要的摆动导杆机构。偏心轮以等角速度旋转，前进时由最右端运动到最左端，通过旋转角度，回转时，通过旋转角度。因大于，所以该摆动导杆机构具有急回特性。通过摆动导杆机构来带动振动筛即可提高清选质量。设计简图如下：急回特性系数的计算当急回特性系数等于1时，则不表现出急回特性，当急回特性系数大于1时，则表现出急回特性，当值达到一常数时，豆荚与杂余分离；当值继续增大，达到另一常数时，分离效果达到最大值；当值继续增大，分离效果开始下降。因不同豆荚的密度、大小不同，因此相对应的值不同。7.3螺旋微调机构的设计7.3.1螺旋微调形式的确定 在7.2节中，分析得出，对于不同豆荚，相对应的最佳急回特性系数值不同，同时，当偏心轮旋转角速度不同时，同一种豆荚相对应的最佳急回特性系数值也不同。因此我们所设计的摆动导杆机构所具有的可调的急回特性系数，根据公式，可知旋转角度和旋转角度可调。所以要求偏心轮的偏心距可以根据需要调整，同时我们还需要偏心距在偏心轮过程中保持稳定，综合考虑，我们选择了螺纹调节，并设计出相适应的螺旋微调机构。17.3.2微调螺栓的设计与校核2螺栓选用M6的六角头螺栓，其材质为45钢，性能等级为6.8级，首先对螺栓进行加工以满足运动需求，选取长度60，在螺栓末端开宽2，深1.5的槽；现对螺栓进行计算与校核如下： 对螺栓的受力作如下分析，如下图所示可知特制的调节螺母受到连杆施加的水平力，为校核螺纹连接的强度，需将平移到螺栓的轴心处，因此多出一附加力偶根据实际作业过程，将F定为，即为。可知，如图即为调节螺栓的螺纹连接处的应力图。式中：为摆杆施加的力为附加力偶=为调节螺母实际受力点到螺杆中心的距离为螺杆的半径A为螺杆的截面积所以所以所选的螺纹连接强度符合要求。8 电路控制系统8.1传感器的选用本脱荚机的脱荚原理是利用前后脱荚辊的转速差将豆荚从豆杆上分离下来，并保证较高的脱净率和较低的损伤率。因此，合理的脱荚辊转速差对脱荚质量至关重要。同理，在清选装置中，风机的转速、流量，振动筛的频率等都会对清选效果有一定的影响。综上所述，本装置需实时测量多组数据进行对比以获得最优的脱荚效果。因此，所选用的传感器必须具有快速、准确、可靠且又经济地实现信息转换的基本特点。常用的转速传感器有光电式转速传感器和霍尔转速传感器等。由于霍尔传感器具有其结构牢固，体积小，质量轻，寿命长，安装方便，功能消耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘，油污，水汽及盐雾等的污染或腐蚀等优点，且本装置所需各参数均可通过该传感器直接或间接测得，因此本装置选用霍尔传感器测量转速。8.2 传感器的型号和参数通过查阅相关资料，最终选用的转速传感器的各参数如下：【检测距离】：霍尔开关：10毫米（mm）【检测物体】：霍尔开关：磁铁【工作电压】：直流6-36VDC以内【输出方式】：NPN三线常开【输出电流】：300毫安（mA)【外壳材料】：金属/铜【产品外形】：直径12毫米圆柱体8.3 控制电路的设计 由于本装置中用到多个调速电机和多个传感器，考虑到线路的集成化以节省空间，设计如下图所示的电路控制系统：123图