毕业设计（论文）-温室卷帘机构设计.doc

全套图纸加扣 3012250582第一章 绪论1.1 国内外温室的发展现状世界各国的现代温室，于20世纪60年代逐步完善并快速发展。第二次世界大战后，各国都致力于自身的经济发展。因此，经济迅速恢复和快速发展，人们的生活质量大幅度提高，对农产品提出了更高的要求；随着科学技术的进步和工业水平的提高，也加快了农业的工业化进程，设施农业应运而生，在全球迅速崛起，并形成资金、技术劳动力密集型的高新技术产业，也是当今世界最具活力的产业之一，现代温室也随之快速发展。从国内外现代设施园艺发展情况来看，特别是发达国家，现代温室大多以大型连栋温室为主，其中塑料薄膜温室约60万公顷（含中国的日光温室及塑料大棚），主要分布在亚洲；玻璃温室约4万公顷，主要分布在欧洲；新型覆盖材料聚碳酸酯板温室近几年来有较快发展，目前约有1万公顷，零星分布于世界各国1。荷兰是世界上温室产生最发达的国家，其温室以大型玻璃温室为主体，现有大型连栋玻璃温室面积1.0*104hm2，约占世界玻璃温室的1/4，居世界之首。其中花卉栽培面积为5000hm2,蔬菜栽培面积为5000hm2。荷兰温室生产水平很高，如番茄的生产，20世纪80年代初以来其产量提高很快，每平方米番茄年产量1970年为20kg左右，80年代后期超过40kg，现在达到50-60kg。其主要原因是：无土栽培的普及，高产品种的开发，增加温室高度而改善了栽培环境，计算机应用的普及，施肥和环境管理的改善，利用昆虫授粉和利用昆虫天敌治理虫害等。荷兰全国每年花卉出口收入达15亿美元。蔬菜出口收入达10亿美元。其全自动化温室成套设备在世界上享有很高的声誉2。1.2 我国自行设计和引进温室的利用情况2我国现有现代化的大型连栋温室大棚面积近200hm2，其中，由我国自行设计和建造的有50hm2，自荷兰、美国、以色列、日本、韩国、法国、西班牙等11个国家和地区引进的现代化温室140hm2以上，其中大型连栋充气大棚约占2/3，玻璃温室占1/3。大型现代化温室及大棚南方多用于花卉栽培，而北方以蔬菜为主，部分用于栽培苗木。 引进国外的玻璃温室骨架多采用双层面式钢骨架，而塑料薄膜连栋充气温室，采用圆弧拱顶结构，有的可将部分拱顶开作天窗。除日本的连栋大棚高度为3.5 m较矮以外，其他国家的连栋温室、大棚一般高达5-6.5m，结构高大；因温室、大棚要常年处在高温高湿条件下，对骨架材料不仅要求强度高，而且要耐蚀性好，要热镀锌或进行防绣处理，温室大棚的立柱及拱架粗度为50-75mm间，壁厚达3mm以上。引进的温室其连栋大棚的结构也有所不同。1.3 温室的分类在生产实践活动中，温室的分类有多种方式，现代化温室是比较完善的保护地生产设施，利用这种设施可以人为的创造，控制环境条件。其中有四种温室是我们常见的类型，它们分别是拱圆形大棚、屋脊型大棚、锯齿形温室和圆拱型温室。根据温室屋面形式分类塑料温室可分为拱圆顶温室，尖屋顶温室，锯齿形温室和屋脊温室四种，其中最为常用的拱圆顶温室和锯齿形温室。第二章 卷帘机构的发展现状2.1 概述我国温室发展迅猛，但由于冬季温度低，日照时间短，成为发展温室的两大自然障碍5。日光温室在寒冷的冬季必须在透明物上覆盖保温材料，从而解决温度低，日照时间短的问题。卷帘机构就成为温室发展不可或缺的设备。卷帘是温室的通风换气和温度调节装置之一。温室的迅猛发展对之配套的卷帘装置提出了新的要求。以往卷帘虽要人工干预手动控制，能实现任意开度控制，但其低效率和高劳动强度严重影响作业质量。现在的卷帘机构可由计算机自动控制，能实现开启或关闭两种状态。结合两种控制的优点，计算机控制并可实现任意开度的卷帘装置成为今后的发展趋势。2.2 卷帘机构的各种机型简述国内外现有的卷帘机构大体可分为手摇式和电动式。由于经济，技术等条件的制约，手动卷帘机构和机动卷帘机构在国内的温室栽培中都受到广泛运用。卷帘机构主要分为：（一）.手摇卷帘机：最初的卷帘设备是人工的，称为手摇卷帘机。人力卷帘机以缠绕式为主。 主要是根据保温被的巻铺原理，在保温被的下端横向固定一根铁管作为卷帘轴， 在轴的两端安装卷帘机构。通过摇转绕线轮，钢索牵引卷帘轮转动，即可实现卷帘7，如图2-1。1，8.绳索 2，3，5，9.滑轮 4. 卷筒 6.减速器 7.手摇轮 10.保温卷帘 11.采光面 12.卷轴 13.绳索固定点 图2-1 手摇式卷帘装置（二）.电动卷帘机6：电动卷帘机的种类很多，根据传动方式的不同就可分为V带传动，齿轮传动，滑轮移动等卷帘机。从工作原理区别，电动卷帘机可分为以下几种：1.单轴牵引型卷帘机：该机由卷帘机组、牵引轴、轴承座、轴承支架、牵引绳、卷帘杆等构成（图2-2）。卷帘机组固定安装在温室顶部的一端，包括三相电动机与蜗轮传动减速器。减速器的输出轴为单头，与牵引轴相联。牵引轴沿温室纵长方向通过轴承座、轴承支架固定在温室顶部。牵引绳呈对折状，其1/2长度铺压在草帘之下，此段的绳头拴系在温室顶端，另1/2长度位于草帘之上，其绳头按一致的旋向缠绕在牵引轴上，并通过绳卡将绳头固定在牵引轴上。草帘的上端被固定在温室顶部，下端与卷帘杆固定在一起。按动卷帘机控制开关的按钮，令卷帘机组驱动牵引轴转动，随着牵引绳在牵引轴上被缠绕的圈数增多，牵引绳对折于草帘上、下方的长度不断缩短，草帘即被平稳地沿棚面向上拉动卷起。反之，令卷帘机组驱动牵引轴反向转动，使牵引绳在牵引轴上缠绕的回数减少，牵引绳对折于草帘上、下方的绳长增加，在被卷草帘自重的作用下，草帘逐渐沿棚面向下展开，直至完全将温室棚面覆盖。由于减速器为单头蜗杆减速器，其输出轴具有自锁功能，因此牵引轴可在任意转动位置锁止，被卷动的草帘亦可在揭启的任意位置上停滞静止。为防止因偶然停电而影响保温帘的正常揭启、覆盖作业，同时兼顾某些地方使用三相电源不便，减速器的输入轴设为双头，除一头与电机相联外，另一头可联结手轮。在停电或无电源的情况下，通过转动手轮操纵卷帘机组运转，即可使保温帘得以揭、盖。手轮以辅助劳力即可轻松摇动，以此操纵整栋温室。单轴驱动的牵引型卷帘机主要适于长度为60米以内的单坡面温室应用。图2-2 单轴牵引型卷帘机 图2-3 双轴牵引型卷帘机2.双轴牵引型卷帘机：该机的机构和工作原理与单轴驱动牵引型卷帘机相似，不同点在于：其蜗轮减速器的输出轴为双头，使用时固定安装在温室顶部的中央（图2-3），两输出轴分别与两边的牵引轴联接，并驱动其对牵引绳进行牵引或放松动作。这种双轴驱动牵引型卷帘机适合长度为120米以内的单坡面温室应用。 以上两种形式卷帘机构简单、造价低廉、工作性能可靠。但是，由于其卷帘机组、牵引轴等主要工作部件须安装固定于温室顶部，因而对温室顶部建筑结构极其强度有一定要求，同时对安装的技术也相对较高。3.自驱动型卷帘机：该机由卷帘机组、卷帘杆、压铁、伸缩支杆和铰接支座等构成（图2-4）。卷帘机组固定在伸缩支杆上端的机座上，减速器的输出轴通过法兰盘与横贯温室全长的卷帘杆相联，卷帘杆全长上均匀地设有螺孔。保温帘的上端固定在温室顶部，下端通过螺栓与压铁被压紧在卷帘杆上。按动卷帘机控制开关的按钮，卷帘组即直接驱动卷帘杆转动。当驱动卷帘杆沿棚面向上方转动时，卷帘杆即带动保温帘边自卷边向上滚动，由于支撑卷帘机组的伸缩支杆的长度可随卷帘机组位置变动而自由变化，因此卷帘机组亦随之上升，从而使保温帘揭启。反之，令卷帘机驱动卷帘杆反向转动时，保温帘则在自重作用下沿棚面向下方滚动，使其重新恢复到覆盖状态。 与牵引型卷帘机相比，这种自驱动型卷帘机的构造更为简单。特别是它无须在温室顶部安装任何附属构件，因而不仅对温室顶部的建筑结构与强度无特别要求，而且安装施工亦非常方便、快捷。但是，自驱动型卷帘机要求减速器的传动比较大，一般为1：300左右，减速器设计一般为二级传动，故成本略高。4.双向牵引型卷帘机：对于棚面坡度平缓（小于10度）的温室，当需要保温帘由卷起状态向下翻滚，展开到覆盖状态时，仅依靠保温帘的自重是难以实现的。另外，对于具有后坡，并且后坡亦以保温帘覆盖的温室，欲将保温帘从后坡底部由卷起状态向上翻滚展开时，不借助外力更是不可能的。因此，这些情况下须采用双向牵引型卷帘机，即保温帘由卷起状态向覆盖态翻滚展开时，也利用动力和牵引绳作反向拉动。图2-4 自驱动型卷帘机 图 2-5 双向牵引型卷帘机双向牵引型卷帘机与其它形式卷帘机的区别在于，它在温室的前沿多设置若干组滑轮和反拉牵引绳等构件（图2-5）。反拉牵引绳的一端拴系于保温帘最下部，另一头按正拉牵引绳相反的旋向缠绕固定在牵引轴上。当保温帘卷起时，反拉牵引绳在牵引轴上缠绕的圈数随牵引轴转动而减少。其下端则随保温帘卷动而卷夹在保温帘各层之间，并向上卷动。当虽要保温帘翻滚展开时，则驱动减速器反转，使正拉牵引绳在牵引轴上的缠绕圈数逐圈减少，而反拉牵引绳在牵引轴上缠绕圈增多，反拉牵引绳即通过滑轮而拉动保温帘反向翻滚，从而实现展开。第三章 总体方案设计锯齿形温室的侧墙是垂直的，温室本身的特点就决定了实现卷帘的卷放动作是比较困难的9。对于侧墙长60米的温室，选用牵引型卷帘机存在很多的不合理处，即使牵引型卷帘机有很多优点。牵引型卷帘机的启动和传动装置一般装在温室顶部，对温室的顶部的建筑结构和强度要求很高，锯齿形温室不太适用。不选用牵引型卷帘机的主要原因还不仅仅以上的问题。首先，60米长的卷帘轴可由10根标准镀锌钢管（自来水管）焊接而成，但牵引型卷帘机构中卷轴位于顶端，是完全受力杆，所以不可避免会出现中间下凹的情况。其次，传动机构的安装也是一个问题。从减速机构到卷帘轴的传动无法实现。如果将链轮安装在卷帘轴的最外端又会出现第一种情况的问题。关键就在于无法在旋转的卷帘轴的任何部位加一个支承。第三，也是最关键的问题。因为该温室没有坡度，在这种温室上安装牵引式卷帘机构根本就不能实现薄膜上卷的动作。为了避免这些情况，选用自驱动型卷帘机。大体思路是设计一种启动装置能与卷轴同步升降的自驱动卷帘机。卷轴从下往上卷动，因为缠绕在卷轴上的透明幕帘（多用薄膜）的上端粘结在温室侧墙顶端，承受了作用力，卷轴就不会明显弯曲（少许的弯曲是在误差范围内的）。同步升降卷帘机主要包括：启动装置（电动机），传动装置（减速器，联轴器传动），执行装置（卷轴）以及同步升降配套装置（固定导轨，钢丝等）。总体方案示意图如下（图3-1）：图3-1 总体示意图电动机穿透的动力经减速箱降速穿透给卷轴，卷轴卷动薄膜往上卷。当电动机反转时，卷轴也反卷下放薄膜。减速箱的输出轴直径与卷轴直径相等。当输出轴转动时，钢丝缠绕在输出轴上，将整个支撑架同步上拉。因为有固定滑轨导向，在上升过程中，支撑架不会偏向。输出轴上同时安装光电转速传感器，将上升下降的转数化为直线距离穿透给计算机，由计算机控制电动机的正反转，实现自驱动卷帘可以停止在升降过程中的任意位置。这样就可以将人动和机动卷帘机构的优点结合起来，设计出一种新型的卷帘机构智能卷帘机。第四章 零部件设计 4.1 透明覆盖物的选择 早起的保温材料通常用草帘，保温被。薄膜作为当今应用最广泛的非金属材料，在温室上也被大量使用。经常用的三种农用覆盖材料有：（1）.聚氯乙烯（PVC）棚膜 特点是透光性好，阻隔远红外线，保温性强，柔软易造型，好黏结，耐候性好。缺点是密度大（为1.3g/cm3），成本高。低温下变硬脆化，高温下又易软化松弛，残膜不能燃烧处理。（2）.聚乙烯（PE）棚膜 质地轻（密度为0.92 g/cm3），柔软，易造型，透光性好，无毒，适于做各种棚膜，地膜。缺点是耐候性差，保温性差，不易黏结。(3).乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）农膜 性能如下： .对红外线的阻隔性介于PVC和PE之间。保温性PVC EVAPE；.弱极性，可与多种耐候剂，保温剂，防雾剂混合吹制；.耐候性，耐冲击性，耐应力开裂性，粘结性，焊接性，透光性，爽滑性都明显强于PE。密度为0.94 g/cm3，并且用EVA农膜，较其他农膜覆盖增产10%左右，可连续使用23年，老化前不变形。鉴于以上比较分析，选用EVA农膜作为覆盖物。侧墙用透明覆盖物的面积为：S=lh=604=240m2薄膜厚16丝，总质量为：m膜=sb=2400.1610-31060.9437 kg4.2 卷轴设计 卷帘轴的主要作用是固定幕帘下端，使其能整体卷放。60米长的卷轴可由标准镀锌钢管（自来水管）焊接而成。空心钢管外径33.5 mm，内经26mm。查手册GB/T3092-93，钢管理论重量2.42kg/m。钢管总质量为 m管2.4260=145.2kg六十米长的卷轴虽然不是十分粗，但由于全长由上端黏结的薄膜缠绕，几乎不受力的作用，对卷帘整体卷放没有阻碍。4.3 电动机的选择与计算（1）选择电动机类型 根据卷帘机组的工作要求，载荷变化较平稳，且工作时间不长，启动频率低等特点，选用Y系列全封闭自扇冷式电动机8。（2）选择电动机容量 要求卷帘上升3米所用时间为70秒，即 =3m/70s=0.043m/s估算: m电机=15kg; m减速器=15kg; 支撑架及其他零碎件质量15kg.因此, F=G总=(15+15+15+145.2+37)g=227.210=2272N工作机所需功率P P= (F)/(1000)kw其中, F=2272N, =0.043m/s , =0.96,计算得 P=(F)/(1000)=(22720.043)/(10000.96)=0.102kw电动机输出功率P0 P0= P/其中, 为电动机至卷轴的传动装置总效率.传动简图如图4.1，取联轴器传动效率联为0.96，滚动轴承效率蜗杆为0.70（单头）。总传动效率 =联2蜗杆轴承2=0.9620.70.982=0.62P0=Pw/=0.102/0.62=0.165kw=165w(3) 确定电动机转速各轴转速：各轴输入功率：各轴输入转矩：以上各参数列表如下4-1 4-1各轴的运动和动力参数:轴号功率P/（kW）转速n/(r/min)转矩T/(Nm)效率/%传动比i0轴1.5140010.2320.9641轴1.4435039.2910.9642轴1.3887.5150.8770.784623轴1.081.417333.8510.974.4 减速器的设计根据GB/T 10085-1988的推存，采用渐开线蜗杆（ZI）。蜗杆：根据库存材料的情况，并考虑到蜗杆传动传递的功率不大，速度只是中等，故蜗杆用45钢；因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为4555HRC。 因而蜗轮用铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造。为了节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用45号钢制造。根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。传动中心距: 由前面可知因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均系数；由机械设计手册取使用系数；由转速不高，冲击不大，可取动载荷系数；。因用铸锡磷青铜蜗轮和钢蜗杆相配，故。假设蜗杆分度圆直径和传动中心距a的比值,从而可查得。根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度45HRC,可从手册中查得蜗轮的基本许用应力。应力循环次寿命系数则取中心距，因，完全满足要求，取模数，蜗杆分度圆直径。这时，从图1118中可查得接触系数，因为因此以上计算结果可用。 轴向齿距；直径系数；齿顶圆直径；齿根圆直径；分度圆导程角；蜗杆轴向齿厚。 蜗杆齿数；蜗轮齿数；变位系数；验算传动比，这时传动比误差为 ，是允许的。蜗轮分度圆直径 蜗轮喉圆直径 蜗轮齿根圆直径 蜗轮喉母圆半径 当量齿数：根据，从图1119中可查得齿数系数。螺旋角系数 许用弯应力 从表118中查得由铸锡磷青铜制造得蜗轮得基本许用弯曲应力，寿命系数为，可见弯曲强度是满足的。考虑到所设计的蜗杆是动力传动属于通用机械减速器，从GB/T1008圆柱3蜗杆，蜗轮精度中选择8级精度，侧隙种类为f标注为8f ，查表得蜗杆，蜗轮齿面精度均为1.6而蜗杆顶圆为1.6，蜗轮顶圆为3.2。4.5蜗杆轴的设计计算该轴是蜗杆轴，其所选材料是45号钢，调质处理。该轴的转速为，功率为，转矩为。蜗杆轴所受各力的大小为：,根据 ，其中，于是得，输出轴的最小直径显然是带轮，为了使选的轴直径与带轮的孔径相适应，取。蜗杆轴的结构与受力图如图4-2所示。为满足小带轮的轴向定位要求，段的左端制出轴肩，故取d=45mm；段长度取L-40mm。因轴承同时受有轴向力和径向力的作用，故选用单列圆锥滚子轴承。参照工作要求并根据 d=50mm初步选取0组基本游隙组标准精度级的单列圆锥滚子轴承，轴承代号是30210,其尺寸是，故d-=d-=50mm, 右端采用轴肩定位，由手册查得轴肩高度h=3mm,于是d-=50mm.而L-=56mm。由于蜗杆螺旋部分半径不大，蜗杆的齿根圆直径与轴的比值小于1.7时一般将蜗杆的螺旋部分与轴加工成整体，蜗杆齿宽 按算，于是取=92mm。支承跨度,取L=294mm。小带轮与轴的轴向定位采用平键联接,轴段由手册选用平键为，小带轮与轴的配合为H7/K6，轴承与轴的轴向定位是借过渡配合来保证的，此处选轴的直径尺寸公差为m6。在水平面上负号表示力的方向于受力简图中所设方向相反。在垂直平面上轴承上的总支承反力轴承上的总支承反力画弯矩图在水平面上C-C剖面左侧：C-C剖面右侧：在竖直平面上合成弯矩图4-2 蜗杆轴的结构与受力图C-C剖面左侧：C-C剖面右侧：画转矩图校核轴的强度C-C剖面左侧因弯矩大、有转矩，还有键引起的应力集中，故A-A剖面左侧为危险截面。由附表10.1，抗弯剖面模量抗扭剖面模量弯曲应力 扭剪应力对于调质处理的45钢，由表10.1查得，由表10.1注查得材料的等效系数，。键槽引起的应力集中系数，由表10.4查得绝对尺寸系数，由附图10.1查得轴磨削加工时的表面质量系数由附图10.2查得。安全系数查表10.5得许用安全系数，显然，故C-C剖面安全。小带轮处键连接的挤压应力取键、轴、联轴器的材料都为钢，查表6.1得。显然，故强度足够。齿轮处键连接的挤压应力取键、轴、齿轮的材料都为钢，查表6.1得。显然，故强度足够。由表11.13查得70309轴承内部轴向力计算公式，则轴承、的内部轴向力分别为比较两轴承的受力，因，故只需校核轴承。根据对轴的校核可知,轴所受到的径向载荷为：轴向载荷为：又知，。因此，。轴的当量载荷查表可知径向载荷系数和轴向载荷系数分别为，。所以：。滚子轴承的寿命指数=,按表136取载荷系数，,温度系数。于是，计算寿命：所选轴承满足寿命要求。结束语 以上设计的卷帘机构通过轴，键以及轴承校核，强度都在允许范围内。而且实际重量没有超过估计的总质量，因此，钢丝足够拉动整个启动传动装置。该卷帘机构能有效的实施计算机控制，在3米限位内能达到任意开度，使植物的光合作用和生长的必要环境得到更为科学的控制。而且安装也不是太复杂，对温室的强度要求也不是太高，是比较适合用于锯齿形温室的一种保温通风机构。致 谢本论文是在导师庞伟导师的指导下完成的。庞老师渊博的知识，严谨的治学态度，一丝不苟的工作作风将使学生受益终生。本人能够顺利完成本课题预定的各项任务与庞导师的悉心指导是分不开的，在此，谨向庞老师致以最真挚的感谢。感谢大学四年学习中给予我指导和支持的所有老师和朋友，他们给了我很多的关心和帮助，在我的学业当中起了很重要的作用。还要感谢我的同学宋勇、管树森、吉来等，在我的毕业设计过程中给予了我很大的帮助，在此表示衷心的感谢！在此论文完成之际，我还要向养育和教诲我的父母亲说一声：感谢你们在这十几年漫漫求学路上的支持。参考文献1 周长吉主编. 现代温室工程.北京：化学化工出版社，20032 王耀林等主编.设施园艺工程技术. 郑州：河南科学技术出版社，2000，103 刘步洲等主编. 蔬菜塑料大棚的结构和性能. 上海：上海科学技术出版社，1982.94 冯广和主编. 设施农业技术. 北京：气象出版社，1997.125 尚书旗. 董佑福等设施栽培工程技术. 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