毕业设计（论文）-便携式电动割胶刀设计.doc

2015 届本科生毕业 设计 便捷式电动割胶刀设计便捷式电动割胶刀设计 Design of portable electric tapping knife 学生姓名学号 所在学院工程学院班级机电 1113 所在专业机械设计制造及其自动化 申请学位 指导教师职称教授 副指导教师职称 答辩时间2015 年 6 月 5 日 目 录 目目 录录 设计总说明 I introduction II 1 绪论 1 1 1 课题提出的背景 1 1 2 割胶工作现状 1 1 3 国内外割胶刀具的现状 2 1 3 1 传统刀具 2 1 3 2 新型电动刀具 3 2 割胶刀方案的确定 3 2 1 割胶截面的分析 4 2 1 1 割胶工作原理 4 2 2 割胶刀结构示意图 4 3 整机选件的验证和工艺计算 5 3 1 电动机的选取 5 3 1 1 切割功率的计算 5 3 1 2 电机功率的计算及电机的选取 6 3 2 减速机构 6 3 2 1 锯片受力计算 8 3 2 2 减速器减速比的选择 9 3 3 刀片的尺寸 10 3 4 定位机构 11 3 4 1 定位机构定位思想 11 3 4 2 定位杆纵向调节 11 3 4 3 定位件定位模型 12 3 5 电池组的选取及尺寸的确定 13 3 5 1 所需电池参数的确定 13 3 5 2 电池种类的选取 14 4 壳体设计 14 设计总结 16 鸣 谢 17 参考文献 18 设计总说明 I 设计总说明 天然橡胶作为四大基础工业原料中唯一的可再生能源 被广泛运用到工业 农业 军事等各方面领域 一个国家的橡胶产量会直接影响到国家在经济 军事各方面的实 力 中国有着得天独厚的地理优势 使得橡胶在中国南部广泛种植 天然橡胶远销海 外各地 然而在天然橡胶消耗量日益增长的今天 必须在国内实现天然橡胶的稳定高 产 这涉及到橡胶树的培养和人力资源的培训 自 20 世纪中期开始 我国开始着手乙 烯利药物刺激橡胶树排乳的研究 至今收获渐成 这是橡胶产业迈出的一大步 然而 对于割胶刀具的优化研究却较为稀少 本设计着重于割胶技术方面的探讨研究 关键词 橡胶产业 割胶刀 机械化 ABSTRACT II INTRODUCTION Natural rubber as the only renewable energy in four basic industrial raw materials is widely used in industrial agricultural military and other fields The rubber output of a country will affect the country s economic and military strength directly China has a unique geographical advantage the rubber is widely planted in southern China the natural rubber are exported to overseas however in natural rubber consumption quantity growing today must be in the country to achieve the stability of the natural rubber yield which relates to rubber tree cultivation and human resources training Since the beginning of the middle of the 20th century China began to start ethephon drugs to stimulate the rubber tree milk research has the harvest gradually This is rubber industry has taken a big step however for optimization of tapping tool is relatively scarce the design focuses on the research of the tapping technique KEYWORDS Rubber tapping knife rubber machinery industry 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 1 便捷式电动割胶刀设计 机械设计制造及其自动化 201111411330 张泽霖 指导教师 张世亮 毕业设计说明书 1绪论 天然橡胶作为四大基础工业原料中唯一的可再生能源 被广泛运用到工业 农业 军事等各方面领域 一个国家的橡胶产量会直接影响到国家在经济 军事各方面的实 力 中国有着得天独厚的地理优势 使得橡胶在中国南部广泛种植 天然橡胶远销海 外各地 然而在天然橡胶消耗量日益增长的今天 必须在国内实现天然橡胶的稳定高 产 这涉及到橡胶树的培养和人力资源的培训 自 20 世纪中期开始 我国开始着手乙 烯利药物刺激橡胶树排乳的研究 至今收获渐成 这是橡胶产业迈出的一大步 然而 对于割胶刀具的优化研究却较为稀少 本设计着重于割胶技术方面的探讨研究 1 1课题提出的背景 传统割胶技术的改进是一项全球都在探索的工程 这是由于传统的割胶方式劳动 强度较大 而且对工人的技术要求较高 国家规定胶工经过一段时间的培训后还需经 过一系列的考核才能上岗作业 然而大多民营胶园并没按照国家要求 这极大的影响 了橡胶的产量和胶树的长远的经济效益 传统的割胶技术需要胶工能很好的把握切入 树皮的深度 做到尽可能多的割断乳管又不伤树 在此基础上还得把握好耗皮量 耗 皮量过大不仅不会增产 而且还会缩短胶树的经济时长 胶工的劳动强度大 这又是 另一个亟待解决的问题 伴随着其他传统农业机械化 割胶也应步入机械化的时代 机械化作业极大的降低了劳动强度 降低胶工的入门门槛 还可以避免因割胶失误造 成的树皮伤害 从而提高橡胶的产量 割胶机械化是一个必然的进程 1 2割胶工作现状 橡胶树的产量不仅跟树木的培养有关 割胶也是一道人们长期来实践求进的技术 在过去的一些年里 传统的两天一割制逐步被三天一割 四天一割甚至五天一割的割 胶制度所取代 得益于专家们对于乙烯利药物刺激橡树的研究 传统割胶的工序非常 繁琐 大体上可以划分为三 第一是在已经到达开割时限的橡树上挂上收集容器 挡 雨板 并在树皮开割处涂抹乙烯利药物以待第二天的割胶 这道工序可以由非专业工 人完成 第二是在开割日凌晨 4 点 5 点左右 由技术娴熟的工人进行橡树的开割 这 道工序直接影响了橡胶的产量 因为树皮的割入深度必须恰当 割深了会伤及树木 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 2 浅了橡树出胶率低 第三道工序是橡胶的收集 在开割后 5 小时便可以进行橡胶的收 集 这道工序可以由非专业人士完成 本设计主要针对第二道工序的改进做探讨 第二道割胶工序的大体情况为 从一片 橡胶林有 50 的树木树围达到 50cm 后 橡胶树林便可以开割了 首先由专家在橡胶树 上规划割面 一般为 阳线割面 和 阴线割面 我国用的较多的是 阳线割面 阳线割面是从上 橡树离地高 120cm 左右 往下割 走半圈树围左右的刀 往下走到 角度在 25 30 工人手持推刀 轻快地从已有割线上一刀接一刀的挑去树皮 最好 做到一刀尾接一刀头 保证割胶深度均匀一致 切出切屑最好为四方形 应尽量避免 切出三角形切屑 实践表明切屑四方形的割法产胶量高 即割胶过程中尽量别将频繁 将刀往外挑而是往上挑保证乳管的割断 割胶第二道工序是一道亟待改进的技术 割胶技术的机械化 有利于降低工人的门 槛 降低割胶工的培养和人员的投入 还可以避免因割胶失误造成的树皮伤害 提高 橡胶的产量 1 3国内外割胶刀具的现状 1 3 1 传统刀具 目前国内外最常用的割胶刀具有两种 推式胶刀和拉式胶刀 推式胶刀如图 1 2 1 所示 是一种约 30cm 长 用木制手柄和 V 型刀具块组成的简 单结构 V 型刀刃的交口处有一较小的锋点 便于切入树皮 这种刀具的优点在于刀具 结构简单 刀具成本较低 能普遍为胶工所接受 缺点如下 1 刀片不锋利 易钝 不耐磨 易粘胶 基本上刀具每割一磨 2 割胶效率较低 磨刀工作量大 3 割胶的深浅难以把握 工人入门门槛高 4 割胶过程极其容易伤树 降低割胶产量 不但割胶效率低 磨刀工作量大 而且割胶厚度难以控制 容易伤树等 拉式胶刀如图所示 拉刀在国外应用较广 国内一般使用推刀拉刀跟胶刀只是变 推力为拉力 原理上跟推刀大体相同 因此存在的问题也大体一致 图 1 2 1 割胶推刀 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 3 图 1 2 1 割胶拉刀 1 3 2 新型电动刀具 目前已有部分电动割胶刀的专利设计 如一种名为多功能电动割胶刀的刀具 包括 手柄和与手柄套接的外盒 其中 所述手柄内设有电机 外盒内设有齿轮 齿轮和电 机通过电机轴连接 齿轮上啮合有齿条 齿条的左端和右端分别从外盒内部延伸到外 盒外部 齿条的左端和右端均设有切割刀 切割刀上均设有刀片 手柄上设有电机开 关 国外还有自动割胶机 利用太阳能提供电能 事先将割胶机安装在橡胶树上 可直 接进行切割工作 但是这意味着一树一机 有着成本高 换装难 难以维护等多方面 的问题 方案较难实施 1 3 设计路线的确定 1 查阅相关资料 并了解刀具的国内外情况 2 明确产品作用及设计重点 确定设计方案 3 根据方案及所查阅的资料进行方案的进一步计算 选取所需的市场零件 4 利用 pore 建模和 CAD 绘图 绘制装配图和零件图 5 撰写设计说明书 2割胶刀方案的确定 初步确立割胶刀由齿轮减速器 电动机 深度调节组件和切割组件四部分组成 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 4 2 1割胶截面的分析 一般割胶的截面如图 2 1 橡胶树林长势有 50 以上达到 50cm 的树围时 橡胶便可 以开割了 开割前要对胶树进行割面规划 一般胶树的割面规划有阳线割胶和阴线割 胶 我国普遍采用阳线割胶 阳线割胶的割面约为树围的一半 从左往右向下倾斜 25 30 也就是说一次走刀大约要走 100cm 的行径切入树皮的深度为 0 7 1 5cm 左 右 去皮厚度约 0 15 0 2cm 图 2 1 橡胶树割胶截面 2 1 1 割胶工作原理 割胶整机由外置的 18650 锂电池组提供动力 由功率 100W 转速 3000r min 额定 电压 24V 的直流电机带动 经过选定的行星减速器增强扭矩 带动圆锯片 实现割胶 功能 工作前 调节蝶形螺母到合适的横向切割深度 再微调纵向调节螺杆 实现刀 具的横纵向定位 工作时 工人左手紧握主手柄 右手握右端辅助手柄 使割胶刀在 合理的割胶路线上走刀完成割胶工作 2 2 割胶刀结构示意图 如图所示 割胶机主要由齿轮减速器 电动机 深度调节机构和切割组建构成 考虑到实际情况 使用二级减速箱在割胶机上未免过于笨重和庞大 故采用行星减速 器最大程度降低工人负重 增强割胶机扭矩以便割胶作业 深度调节机构运用浮动定 位的原理 利用定位杆直接的高度差进行定位 为了贴合实际 将定位杆做成 30 的 斜杆 方便配合 30 左右的阳线割胶 辅助手柄则是为了方便工人调整好定位杆使其 劳靠胶树 切割机构采用 45 刚刀具 结合刀罩提升割胶刀整体的安全性能 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 5 图 2 2 割胶机整机示意图 3整机选件的验证和工艺计算 包括电动机选取的计算 减速器转矩验算 定位机构尺寸计算和电池组容量和尺寸 的计算等 3 1 电动机的选取 木工机械在加工木制品时由于木材的材质软硬 进给速度 压力大小的不同 使 电机的负载也不同 尤其是加工到木料中的节时 需要电机短时间承担更大 2 3 倍 的过载 又由于绝大多数机械加工时电动机处于空载 待加工 满负载 加工时 短时过载 特殊情况 空载 反复循环过程 因此要求电机具有较高的最大转矩 来满足短时间转矩超载的要求 3 1 1 切割功率的计算 实际生产情况每个割胶工人的工作速度为 2 3 棵 min 即工人每分钟切割长度约 为 200cm 300cm 初定电动割胶刀作业能达到 3 棵 min 即割胶刀切割进给速度需有 300cm min 为割胶机整体尺寸考虑 初步选取割胶刀片厚度为 割胶机的工作是一种木料薄刨削 工作原理跟木电刨相似 查阅资料有如下公式 式中 10 6120 2 W BHCK P B 切 Kb 是刨削阻力 N 因切削材料为水质木皮 在此取通常值 30N mm2 B 是最大刨削宽度 mm 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 6 H 是最大刨削深度 mm C 是切割进给速度 m min 将割胶机切割工作放立来看 切割宽度为 2mm 去皮量 由 2 1 割胶截面的分析胶树可知切入深度为 7 15mm 在此取 15mm 为切割深度 C 3m min 结合带入公式可得 WP 1 44 切 3 1 2 电机功率的计算及电机的选取 电机的实际输入功率由两个方面决定 一方面是切割所需的功率 另一方面是系统 空载功率 一般传动装置的传动效率 即90 0 85 0 空 切 输出 P P P 一般空载功率比有效功率小得多 结合实际情况来看 电机选用 100W 24V 直流无 刷电机 型号 57BL75S10 230TF9 电机参数如下 型号额定电 压 V 额定转 矩 N m 额定转 速 rpm 额定功 率 W 额定电 流 A 级对数重量 kg 57BL75S 10 230TF9 240 3230001005 920 7 3 2减速机构 减速机构的添加有着很大的必要性 直接由电机带动切割轴不仅容易缩短电机寿命 而且稳定性不好 最主要为了满足切割转矩的要求 由于作业性质的要求 割胶刀要求整体尺寸较小 如果使用传统二级减速箱不仅会 增大刀具的整体尺寸 更加重了刀具的整体重量 因此使用减速箱减速显然不能符合 实际性 在此使用行星轮减速是最节省空间和重量的方法 行星轮系减速剖视图如图 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 7 所示 图 3 2 行星齿轮减速器 行星减速器作为目前为止齿轮减速器中效率最高 结构最紧凑的传动机构显然符合 设计要求 行星减速器基本传动件一般包括四个部分 太阳齿轮 行星齿轮 组合于 行星架 内齿轮环 阶段齿轮四轮 驱动源以直接连接的方式启动太阳齿轮 太阳齿 轮将组合于行星齿轮架上的行星齿轮带动运转 整组行星齿轮系统沿着外齿轮环自动 运行转动 行星架连接出力轴输出达到加速目的 更高减速比则需要由多组阶段齿轮 与行星齿轮倍增累计而成 根据实际情况 若采用直式行星减速器 刀片的切割方向显然不符合设计要求 固 在行星减速机构轮的基础上加上一个转轴机构 如图所示 通过转换主轴方向来改变 切割方向 图 3 2 转轴式行星减速器 初步选取大小型号为 RPA42 的行星减速器 该减速器具体规格见下表 表 3 2 行星减速器 RPA42 规格表 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 8 减速比 345678910 额定输出扭力 N m 16121515121210 910 9 最大输出力矩三倍额定输出扭力 额定输入转速 r min 3000r min 使用寿命 HR 20000 效率 95 润滑合成复合基润滑油脂 使用温度 10 90 重量 kg 1 2 3 2 1 锯片受力计算 对于锯片 不考虑其他因素 只从切割时所受的各种力考虑的话 sincos cos xyyx FFFFF 对于橡胶切割来说加工 加工属于木加工里的薄切削 式中22 FfFy 摩擦系数 树皮含水率去 15 查得 00 1 w a 整机工作时间取 4 小时 查的 1 1 q a4 1 h a 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 9 切割宽度 b 2mm 摩擦角 摩擦系数取 23 25 0 公式中涉及木材的材料因素 因橡胶树皮的切割属于木材料中的软木 查阅资料 总体计算过程如下 查表得 将公式进行正交分解 代入计算得 刀具 D 100mm 有 mmhx3 186 0 sin D hx p 001 0 z 取 z 代入公式得 NFX31 135 NFy35 115 NF52 276 固最后刀片切割受力 F 276 52N 带动刀片的力矩 M FL 12 7N m 3 2 2 减速器减速比的选择 考虑到刀片所受力矩 结合手持工作安全系数考虑 最终选择该减速器减速比 5 的 传动比 最终减速器输出端的输出转速为 600r min 输出扭力为 15N m 3 3刀片的尺寸 根据电动机及减速器中尺寸的验算 所假设的刀具尺寸基本符合要求 如图所示 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 10 图 3 3 刀片 刀片采用高速钢即可符合强度要求 刀片各项参数如表 表 3 3 刀片参数表 刀片材 料 刀片直 径 刀片厚 度 刀片内 孔直径 刀片刃 角 刀片重 量 高速钢 100mm3mm13mm17 6 0 3kg 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 11 3 4定位机构 图 3 3 定位机构示意图 定位机构利用蝶形螺母将整机构进行推进 使两杆紧贴树木割面 利用纵向调节螺 钉件进行刀片上下浮动调节 3 4 1 定位机构定位思想 定位机构利用浮动性定位纵向尺寸 利用双杆定位横向尺寸 用杆定位的原因如下 1 用杆进行定位利用 两杆确定一圆柱 的法则 2 用面定位不能很好的固定刀片与树木的位置 因为橡树虽然经过专门的培植 但是圆柱度难以确定 用杆件确定比用圆柱面更有保障 3 用杆件定位比用面定位更加小巧 3 4 2 定位杆纵向调节 纵向定位调节杆件灵感来自于小型电刨木工机床 结构如图 3 3 2 1 所示 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 12 图 3 3 2 1 小型电刨简图 定位板前后高度的固定了刀具的切入深度 其中主要定位面是刀具的右面 左面做 辅助定位 如果将电刨定位装置升级 将主定位面改装成可浮动 如图 3 3 3 2 所 示 图 3 3 2 2 可调定位小型电刨简图 将原理运用到割胶刀上 只需让一杆可调浮动 另一杆固定长度至刀具外割线 便 可以完成刀具的纵向定位 而且此纵向定位可调 3 4 3 定位件定位模型 因定位方式定位在已割割面和轨迹上 这要求定位原件在做好定位工作的同时零件 尺寸不宜过大 而且定位杆之间的距离必须合理 在刀具运动干涉外应尽可能小 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 13 图 3 4 3 割胶定位简图 通过计算得出刀片排除尺寸干涉后最大的切割线长为 D 89mm 横向切入深度最大为 20mm 满足割胶工作 将定位杆放至刀片外 5mm 防止切割运动干涉 即定位杆的宽度为 112 7mm 30cos D d 3 5电池组的选取及尺寸的确定 初定电池的携带方式为肩背 最好能选取尺寸较小 电量足的电池组方便携带 3 5 1 所需电池参数的确定 由 3 1 可知电动机最终选取的参数为 型号额定电 压 V 额定转 矩 N m 额定转 速 rpm 额定功 率 W 额定电 流 A 级对数重量 kg 57BL75S 10 230TF9 240 3230001005 920 7 即所配电池的参数应为 输出电压 U 24V 输出电流 I 5 9A 割胶要求电机在一次作业可以连续运转 3 个小时 即电池的额定容量应最少达到 mAhAhIt17700 7 17 最终确定电池的参数为 U 24V C 20000mAh 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 14 3 5 2 电池种类的选取 当前世面上使用最多的可移动电源有蓄电池和电池组两种种类的电池 使用两种电 池各有优劣 蓄电池的优点在于成本较低 工艺简单 使用较方便等缺点 缺点是电池不允许长 时间的倒放或倾斜放置 易放电 最主要是电池整体体积较大 常规的 12V 蓄电池尺 寸可达 197 165 175mm 由此带来的缺点还有电池重量较重 通常大于 4kg 电池组是 用一个个锂电池或镍镉电池等组成的具有较高电压和容量的组合 此电池的缺点在于 成本较高 价格与常规相同电压的蓄电池有时可多大数倍 优点在于电池组整体结构 较小 可达同规格蓄电池的一半甚至更低 电池也方便携带 综合作业性质考虑 最 终采用电池组完成动力的提供 选用 18650 锂电池组 单个电池尺寸大小为直径 18mm 高度 65mm 通常单个锂电池的电压大小在 3 2V 3 7V 浮动 因此需要串联 7 个电池达到电压标 准 结合容量需要最终确定锂电池组的参数如下 表 3 5 5 电池组参数 型号电压容量尺寸重量 186508P7S2080AA0025 9V20800mAh70 160 140mm3kg 4壳体设计 利用 pore 建模 画出割胶机壳体如下 图 4 壳体 1 广东海洋大学 2015 届本科生毕业设计 15 图 4 壳体 2 设计总结 16 设计总结 随着时间的推逝 割胶刀的设计从开头的毫无头绪到现在的成品 感触颇深 下面 做一段简短的设计总结 经过这次设计 使本人更加熟练的使用 pore CAD 等 2D 3D 建模软件 通过对割 胶作业的深度了解 较清楚的了解到割胶整体产业的情形 同时 本人也从这次设计 中学习到许多在课堂中学习不到的知识 锻炼了自己的自主学习能力 虽然设计最终出来的方案可能并不完美 但这是一份有着创新点的案子 比如设计 采用的浮动