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香菇 菌袋扎孔机 结构设计

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香菇菌袋扎孔机结构设计,香菇,菌袋扎孔机,结构设计

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毕 业 论 文（设计）题 目： 香菇菌袋扎孔机结构设计 姓 名： 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 2009.01 学 号： 20092083 指导教师： 杜宏伟 2013年06月16日目 录摘 要IAbstractII1 绪 论11.1 国内外研究现状11.2 研究的目的和意义21.3 香菇菌袋扎孔机的研究思路32 香菇菌袋扎孔机总体方案设计652.1设计要求52.2主要工作原理及性能参数52.3总体结构83香菇菌袋扎孔机主要部件的设计计算93.1 扎针装置的设计与计算93.2踏板横梁设计计算及校核3.3销轴设计与计算113.4钢丝绳传动的设计与计算273.5机架的设计274 结论29参考文献30致 谢31摘 要本文设计了一种人力香菇菌袋扎透气孔的机械装置，具有孔距均匀，操作简单，最好采用人力操作，可满足对小机械加工作坊对香菇菌袋扎透气加工的生产需要。该机主要由脚踏动力、滑轮组、导向装置、插针、机架组成。该机工作时，手动将菌袋放进套筒，然后踩动脚踏，即可将扎针插进菌袋操作，采用杠杆原理，具有操作简单，省力特点。本文主要分析了香菇菌袋扎孔机的工作原理，并对主要零部件进行了设计计算。关键词：香菇菌袋；扎孔；人力；脚踏 The Design of Steel Nails Auto-lined MachineAbstractThis paper designs a steel nails auto-lined machine which can realize fully automated production, the machine mainly includes feeding device, driving system, orienting device, arranging mechanism and a rack. When it works, the feeding device will separate steel nails one by one onto the conveyor belt separation based on the electromagnetic vibration principle; The motor transfers power to the drum through reducer and chain transmission, the rotary drum drive the conveyor to achieve steel nails movement; the directional device achieve the directional movement of nails through the magnetic stripes magnetic steel nail directional principle; push nail device achieve the auto arrange of nails using PLC technology, inductive proximity switches and cylinder arrangement to, use the method of electromagnets fixed together with the cylinder piston rod to exclude the nails that do not meet the requirements. This paper mainly analyzes the working principle of the directional devices and arranging mechanism, and Carries out the design calculations of main components.Keywords: steel nails; orienting device; arranging mechanism; nail pushing deviceII1 绪 论1、本课题的项目背景及研究意义1.1项目背景我国是一个农业大国，农业人口占全国人口的比重很大。随着改革开放的不断深入和农村经济的持续发展，广大农民的传统思想观念也正在发生根本性的转变，他们既渴望摆脱繁重的体力劳动，更渴望找到更多的致富门路，因此除农用拖拉机、收割机等大型农业机械外，他们对能够提高工作效率和提高经济效益的小型农用机械有着越来越强烈的需求。研制开发这类小型工程机械，无疑具有广阔的前景。香菇是世界上著名的食用菌，是我国传统的出口商品和土特山珍，不仅营养丰富，而且具有保健作用和较高的药用价值，因此经济价值非常高。香菇主产于亚洲，四大主产区是：中国内地、日本、韩国和台湾省。正因为香菇营养丰富，对人体有保健、防病作用，所以消费量不断增加，许多国家和地区把香菇作为一日三餐不可缺少的佳肴。据中国食用菌协会统计，1999年我国食用菌总产524吨，香菇154.28万吨，占29.8%，位于第一位。香菇属好气性真菌，袋培香菇在生长期间，低氧高耗问题较突出，造成菌棒的基质养分转化缓慢不均，生长周期长，制约了生产效益的提高。对菌棒实施扎孔增氧技术措施，有效的解决了袋栽香菇生长期间的缺氧问题，对提高生产效益具有积极的意义和作用。2.2 研究意义 对香菇菌棒扎孔通气可增加养料中氧气的含量，排除菌丝生长释放出的废气，加快菌丝生长，缩短菌丝生理成熟的时间。刺孔越多、洞越大, 供氧越好, 生长发育越快。刺孔越少、洞径越小供氧越差, 生长发育越慢。在发菌的过程中，菌棒一般需要扎孔通气2次，第1次通气是在菌棒的接种点附近，用直径lmm的钢针，离菌丝生长的前沿2cm左右处扎微孔4-6个。由于第1次通气位置和角度要求比较高，一般需要人工来完成。第2次通气是在菌丝刚发满菌棒，大概接种后40-45天，均匀地在菌棒周身扎孔50-80个。第2次通气要求孔眼多而且深，如果靠人工来完成的话，劳动强度大，工作效率低。而这次通气的技术含量较低，完全可以用机械来代替。3、国内外研究现状 现在国内市面上有如下图2.1和图2.2两款扎孔机图3.1 惠农牌扎孔机该扎孔机采用手动操作，首先将菌棒放在刺孔机的底座上，手握上方的手柄用力往下压，手柄连接的铁刺就会刺到菌棒的体内，刺好以后将手柄向相反的方向扳回，菌棒随着手柄向上移动撞到底座上自己掉下来滚到地上，如此重复。该扎孔机人工操作工作效率低，劳动强度大，一个菌棒需要多次操作，刺孔不均匀；不适合批量生产。图3.2 建新牌扎孔机 该扎孔机采用电机驱动皮带轮，由皮带轮带动减速器，再由减速器带动连杆完成一次扎孔动作。缺点是电机耗能大，成本较高；刺孔不均匀；一个菌棒需要多次操作。4、课题（论文）的主要内容及研究方法4.1 主要内容设计一个为香菇菌袋扎透气孔的机械装置，要求孔距均匀，操作简单，最好采用人力操作。在设计过程中，应重点注意机构设计的一般步骤，关键零件的设计、计算、校核。关键问题：三个方向插针同步动作的设计。.技术要求： （1）透气孔间距：65mm； （2）香菇菌袋直径：100mm； （3）透气孔深度：4045mm； （4）动力：人力，脚踏。4.2 方案设计由于现在市面上的扎孔机完成一个菌袋的扎孔需要人工对菌袋进行多次翻转，工作量大，动作繁琐，劳动强度大。针对此问题，根据设计内容现提出一种方案能一次性完成对菌袋的扎孔。其方案简图如图4.1和4.2。1-拉簧 2-钢丝绳 3-扎孔针 4-钢丝绳卡头 5-定滑轮图4.1 局部运动简图1-导轨（拉簧）2-动滑轮 3-定滑轮 4-钢丝绳图4.2 方案简图如图4.1和4.2，考虑到经济性及实用性，该机构由脚踏踏板提供动力源，由连杆将动力传动至钢丝绳，再由钢丝绳再将动力通过滑轮传送至横梁带动刺针运动，其中踏板带动钢丝绳移动的距离就是刺针扎孔的深度，从而完成三个方向多个均匀扎孔的动作，然后由拉伸弹簧复位，结束一个菌袋的扎孔。4.3 研究方法（1）方案提出与结构设计。提出方案结构，设计过程中充分借鉴现有的优良结构，在此基础上进行创新性设计，该结构要满足实际性，经济性，实用性，并运用建模软件以及分析软件论证方案的合理性与实用性；（2）查找相关参考资料，为扎孔机的结构设计奠定一定的理论基础；（3）对现有的扎孔机进行深入的研究与实地调研；（4）应用计算器辅助软件UG，完成扎孔机的结构设计；（5）对主要零件进行设计及强度校核。2 香菇菌袋扎孔机总体方案设计2.1 设计要求本次设计的装置是香菇菌袋扎透气孔的机械装置，要求孔距均匀，操作简单，最好采用人力操作。在设计过程中，应重点注意机构设计的一般步骤，关键零件的设计、计算、校核。关键问题：三个方向插针同步动作的设计。.技术要求： （1）透气孔间距：65mm； （2）香菇菌袋直径：100mm； （3）透气孔深度：4045mm； （4）动力：人力，脚踏。2.2 总体结构根据设计要求，本任务设计的香菇菌袋扎孔主要由机架、脚踏传递、钢丝绳、滑轮、复位弹簧、扎针装置，菌袋放料筒等机构组成。性比传统机器，该机不需要对人工对菌袋进行多次翻转，能一次性完成对菌袋的扎孔。大大减轻减轻劳动强度。其中，菌袋放料筒是用来放置香菇菌袋，采用不锈钢做成的一个圆筒，圆筒上面成120圆周三等分圆孔，扎针可以通过圆筒插进菌袋。扎孔装置主要有上下导套，弹簧复位，横梁，扎针安装板组成。成120圆周三等分分布，可对菌袋圆周三等分扎孔。扎针安装板上面固连多跟扎针，成等距排列。钢丝绳是连接扎针机构和脚踏，传递动力作用。其一端与脚踏横杆连接，另一端与扎针机构连接。滑轮组主要是起到钢丝绳传递动力和导向作用，也是分三组成120圆周等分，对应相关的扎孔装置。复位弹簧主要是将扎针装置复位，当停止加工时，复位弹簧将扎孔装置至于原位。脚踏是动力输送装置，一端通过销轴与机架的脚踏销轴安装孔连接，另一端与钢丝绳连接。通过踩踏脚踏，可以将动力传递给扎针装置，实现对菌袋进行扎孔。总体结构如图2.1所示。1-拉簧 2-钢丝绳 3-扎孔针 4-钢丝绳卡头 5-定滑轮图4.1 局部运动简图2.3主要工作原理及性能参数该机采用脚踏作为动力实现香菇菌袋扎孔，利用杠杆原理，将脚踏动力传递到钢丝绳，钢丝绳通过滑轮组改变受力方向及传动动力，最终实现扎孔、由于未人力作为动力，脚踏输入力50N左右.综合考虑整机方管和角铁作为主要机架部件，钢丝绳，滑轮组，滑套组件外购标准产品。整机参数如表1：表1 均带扎孔机主要性能参数工作宽度600 mm菌袋直径100 mm 扎孔深度40-45 mm透气孔间距65mm脚踏动力50N作业速度20s每袋纯小时生产率150袋h整机重量300kg3香菇菌袋扎孔机主要部件的设计计算3.1 扎针装置的设计与计算 3.1.1 扎针受力计算当设备工作时，每一块扎孔压板将受到一个垂直指向香菇菌袋的力的作用，其受力示意如图1所示。图3.1 扎孔压板受力示意图工作阻力分析：根据相关资料，根据资料，每根钢针插入香菇菌袋需要的力的大小为20N。本次设计的扎孔机加工菌袋长度为220mm，按照40mm等距排列，所需扎针6排，每个扎孔板两排扎针，所以每组共12针。由此每一块扎孔压板上所需要输入的力的大小为Fi=1220N=240N（i=1,2,3）3.1.2对扎孔压板进行受力分析及强度扎孔板受力简图如图3.2图3.2 扎孔板受力图图3.2中Ni=40N(i=1,26),F2与F3对称，即F2=F3，先求支反力F2，弯矩图a)水平面反力水平面弯矩图b)垂直面反力0N合成弯矩合成弯矩图转矩图根据受力分析图，扎孔板横梁受到的扭矩为0强度校核进行校核时，通常只校核轴上承受最大当量弯矩的强度（既危险截面c的强度）。由对上述合成弯矩图可知中截面出弯矩最大。校核公式 ： 式中 ： 轴的抗弯抛面模量， 按轴实际所受弯曲应力的循环特性，在、中选取其相应的数值，由上述计算知Mca=6600N.mm，横梁受到的是脉动作用力，查机械设计手册选取=55MPa由于中截面为空心方管，查机械设计手册,知代入 则 经校核，扎孔板无严重过载，且各危险截面都能达到要求。 对脚踏板及踏板横梁进行受力分析，整个驱动部分受到一个垂直向下的驱动力Ft、阻力F0以及铰链出的支反力Fz的作用，其受力示意如图3.2所示。图3.2 驱动部分受力示意图设备工作过程中，定滑轮的中心轴固定不动，其改变力的方向，但不能省力，而动滑轮不能改变方向，但是能节省一半的力。查阅机械手册得到，滚动轴承复滑轮组（I=2-6）的机械效率为0.99-0.95，取定滑轮组在传动过程中的效率为0.96，此时通过计算可以得到踏板横梁支点输入力FO的大小为：对踏板进行化简，将轴销以及基座化简为一个铰链支承，得到如图3.3所示的简图：图3.3 踏板横梁受力简图其中根据设计取l1272mm，l2230mm。根据受力情况，可以得到以下方程：即：解得：其中Fz中所带的负号表示力的方向为负。由此可以得到，为了能够实现设备工作，踏板处每次需输入的力大小为229N。3.2踏板横梁设计计算及校核以踏板梁的左端为原点，梁在l1与l2两段内的剪力和弯曲不能用同一方程来表示，应分段考虑。对梁的受力模型进行分析，可以得到其剪力以及弯矩分布： 根据以上计算做出横梁的剪力弯矩图如图3.4所示：（a）剪力图（b）弯矩图图3.4 剪力弯矩图通过上图可以看到，踏板横梁的最大弯矩出现在力F0的作用点上，最大弯矩大小为Mmax=155.8Nm。选取3030mm结构矩形钢为设计材料（Q235为材质），查阅机械手册第五版（成大先）表3-1-65及表18-2-14可以得到该材料的截面系数，许用正应力，剪切许用应力此时梁所需的截面系数以及剪切应力为：通过对比可以得到，实际设计得到的截面系数小于矩形钢截面系数，最大切应力远小于许用切应力，所以踏板横梁的设计完全满足使用要求，在正常使用条件下，梁出现疲劳失效的概率可以忽略不计。3.3销轴的设计计算及校核脚踏板与机架之间采用销轴连接，销轴在使用过程的强度满足使用要求与否同样将影响整台设备的正常工作，因此有必要对销轴的强度进行校核。在使用过程中，销轴主要受到来自于踏板横梁的压力Fz以及设备基座的支反力。对销轴进行化简，得到如图3.5所示的简图：图3.5 销轴力学简图其中根据设计取s1=s2=45mm。根据受力情况，可以得到以下方程：即：解得：进一步计算踏板横梁的剪力以及弯矩分布： 根据以上计算做出横梁的剪力弯矩图如图3.6所示：（a）剪力图（b）弯矩图图3.5 销轴的剪力弯矩图通过上图可以看到，销轴的最大弯矩出现在力Fz的作用点上，最大弯矩大小为Mmax=6.1Nm。选取销轴设计材料为Q235为材质，查阅机械手册第五版（成大先）表18-2-14可以得到该材料的许用正应力，剪切许用应力，销轴截面系数为，此时梁所需的截面系数以及剪切应力为：通过对比可以得到，实际设计得到的截面系数小于截面系数，最大切应力远小于许用切应力，所以销轴的设计满足使用要求。3.4钢索强度校核3.4.1与踏板相连的钢索强度校核设计时，此段采用钢芯钢丝绳规格为8mm，计算受拉力大小为：取使用安全系数K=5，由此可以得到本段钢丝绳受到的拉应力大小为：查机械手册第五版（成大先）表8-1-9得到公称直径为8mm的钢丝绳相关性能参数如表3.1所示表3.1 钢丝绳性能参数公称直径（mm）钢丝绳近似重量（kg/100m）钢丝绳公称抗拉强度（MPa）14701570167017701870最小破断力（KN）824.8033.7036.0038.3040.6042.90通过与表1种所给出的参数对比发现，所采用的钢丝绳受到的拉力远远小于任意抗拉强度下的最小破断力，且拉应力大小也远远小于任意公称抗拉强度，所以设计符合使用要求。3.4.2与机架相连的钢索强度校核设计时，此段采用钢芯钢丝绳规格为5mm，计算受到拉力大小为：采用相同的计算方法，计算得到钢丝绳受到拉应力大小为：通过与表1种所给出的参数对比发现，所采用的钢丝绳受到的拉力远远小于任意抗拉强度下的最小破断力，且拉应力大小也远远小于任意公称抗拉强度，所以设计符合使用要求。3.5机架的设计方管按照结构要求的不同，可以构成不同的多种受力构件，同时也可以作为构件之间的连接件来使用。方管大量用于各种金属结构、桥梁、机械制造与造船业、仓库货架、以及反应塔等方面。方管是一种简单的断面型的钢材，其材料是碳素结构钢。根据其材料的特性，其主要作用是应用于金属构件以及厂房的框架等地方。方管在使用的过程中要求具有比较好的可焊性、塑性变形的性能，且还要具有适当的机械强度。方管主要分为不等边的方管和等边的方管两种类型，其中不等边的方管还可以分成不等边不等厚方管和不等边等厚方管两种类型。方管的表层质量在国家标准中有准确的规定，一般情况下，要求在使用上不可以有有害的缺陷，如像结疤、分层、裂缝等情况。根据方管的特性，结合本设计的使用要求，最终选用方管作为机器的支撑架。考虑钢排钉自动成排机各个装置安装的空间分布，选用型号为30302.5的方管。根据所需支撑架尺寸的要求，选取合适长度的方管，通过点焊焊接起来。图3-5 扎孔机机架结论 中国作为世界的制造中心，正在由制造大国向创造大国迈进，同时制造业又是整个工业和国民经济的基石。制造也和农业的结合会给中国经济插上腾飞的翅膀。香菇菌袋扎孔机在农业生产过程中起着日益重要的作用。我国加入WTO之后，香菇种植和收获农业将面临激烈的市场竞争和严峻的挑战，同时也面临着更好的发展机遇。为了能够真正的抓住这个机遇，就需要香菇扎孔机这类设备设备的帮助，减轻从事者劳动强度和提高综合经济效益。本文的对香菇扎孔机的主要参数和结构进行设计，并且参考了一些现有的香菇菌袋扎孔机，对前人的设计进行了改进，期间主要完成了如下工作：1.材料的搜集整理查阅相关资料查阅相关文章，并对相关的文章进行搜集、整理，选出与设计有关的资料备用，并且找出自己设计的产品与国内外的不同之处，说明其优点所在，拟定设计步骤，采用多方案设计，通过比较，选出最佳方案。2.理论与计算设计，全部参数的设计 清楚的表达出挖掘机的结构，及相关设计参数，总体布置设计。3. 完成总装图，主要部装图，撰写设计说明书主要完成与方案相符合的文章的撰写，包括摘要、前言、设计步骤、内容、参考文献等。图纸的绘制、总装图、部装图。22参考文献1 张伟，徐树来，秦春兰.农业机械学上册 M.哈尔滨:东北林业大学出版社,2000:3-16:15552 张伟，徐树来，秦春兰.农业机械学下册 M .哈尔滨:东北林业大学出版社,2000:456-477:1203 曹崇文翻译.