山药收获机的三维设计及仿真

毕业设计（论文）任务书一、毕业设计（论文）目的1. 通过毕业设计培养学生综合运用所学基础课、技术基础和专业课的知识，分析和解决工程技术问题的工作能力。2. 巩固、深化和扩大所学基本理论、基本知识和基本技能。3. 使学生受到高级技术人员能力的综合训练。例如，调查研究、查阅文献和收集资料的能力；理论分析的能力；制定设计或试验方案的能力；设计、计算和绘图的能力；计算机和电工电子技术的应用能力；实验、研究能力；技术经济分析和组织工作能力；总结提高、撰写论文和设计说明书的能力等。 4.培养学生的创新能力和团队精神，树立良好的学术思想和工作作风。二、主要内容传统的农业机械设计，存在着设计周期长，设计成本高，设计质量差，图纸识别困难等问题。随着计算机技术的快速发展，虚拟制造和运动仿真在农机设计中得以实现，从而大大缩短了设计周期，降低生产成本，提高了设计的准确性和可靠性。本设计利用三维设计软件，对农业机械进行产品设计。具体内容：1.对农机进行总体结构方案设计，满足其功能要求，力求结构简单，功能合理。2.进行农机零件设计，强度和结构上符合要求3.进行产品装配。4.产品的动态仿真。三、重点研究问题每个同学对设计题目都要经过认真的实习调研，深入了解本课题的工作原理，进行总体方案设计、详细设计、零件建模，装配，仿真及综合评价，重点研究问题：1.农机总体结构方案，满足功能要求；2.农业机械的三维设计及仿真3.零件的结构参数设计四、设计成果要求1.开题报告一份。2.设计计算说明书一份（算法说明、程序说明、软件功能及使用说明） ，字数要求不少于 1.5 万字；3. 零件、装配体三维图、动态仿真图4.外文翻译资料要求与本课题有关并不少于 2000 字。六、其它毕业设计(论文) 有关工作未尽事宜按照华北水利水电学院本科生毕业设计(论文)规范件；华北水利水电学院本科生毕业设计(论文)实施细则 ；教务处有关毕业设计新的指示精神。2014 年 2 月 24 日摘 要长期以来，山药都是靠传统的人力收获，山药的根茎较长，深入地下，难以采收，如果收获技术不够成熟，根茎破损率就会很高。随着计算机技术的快速发展，虚拟制造和运动仿真在农机设计中得以实现，从而大大缩短了设计周期，降低生产成本，提高了设计的准确性和可靠性。本设计利用三维设计软件，对农业机械进行产品设计。本文设计了一种山药收获装置，结构简单合理，能够完成山药的机械化收获作业。不仅极大地提高山药收获效率，而且对深土农作物的规模化种植起到了推广作用。本次的设计对传统山药收获机进行了改进，着重设计了山药收获机的整体结构、传动方式、工作方式，论述了装置在收获过程中的的工作原理。在完成设计构想之后，基于 SolidWorks 进行了三维模型建立。整个过程包括各零件图三维设计、装配体三维图、动态仿真。关键词：三维设计、传动方式、动态仿真。AbstractYams are relying on traditional human harvest for a long time, the rhizome of yam is so long and deep in underground.Its very difficult to harvest .If the technology is not mature enough to harvest ,The roots breakage rate will be very high.With the rapid development of computer technology, virtual manufacturing and motion simulation can be achieved in the design of agricultural machinery, thus greatly reducing the design cycle, reduce production costs and improve the accuracy and reliability of the design . This design uses three-dimensional design software to design products for agricultural machinery .This paper presents a yam harvesting device , the structure is simple and reasonable.This harvesting device can complete mechanization of yam harvest operations. Not only it greatly improve the efficiency of the yam harvest ,it played a role in the promotion for large-scale cultivation of crops deep soil.The traditional yam harvesting machine has been improved in this design .It focus on the design of the overall structure , transmission, yam harvester works , discusses the device works in the harvesting process . After completion of the design concept , based on a three-dimensional model of SolidWorks . The whole process including the part drawing three-dimensional design , three-dimensional map assembly , dynamic simulation .Keywords : 3D design, transmission mode, dynamic simulation .第 1 章 绪论1.1 课题来源及研究课题的意义和目的山药对当地气候要求不严，但喜温暖湿润，忌积水，怕干旱。宜种植于肥沃疏松、土层深厚、排水良好的砂质壤土上种植。原产地位于河南焦作，现在分布于中国西北，华北，和长江流域的湖南江西等地。由于其营养比较丰富，一直以来都被视为比较理想的补虚佳品，不仅可作为主粮，又可作为蔬菜食用。有很高的药用价值和食用价值 。随着现代社会人们更加注重养生和健康，而山药的药用价值和使用价值使得其成为很多人的选择。特别是近几年，山药的种植面积和种植规模不断上升。因此，山药生产和收获的机械化越来越得到行业的重视。长期以来，山药的收获都是靠传统的人力收获方式,山药的根茎较长，难以采收，如果收获技术不够成熟，根茎破损率就会很高。我国大部分地区收获山药的方法是：从山药种植垄的一端开始，先挖出 60-70cm 左右的土坑来，人坐在坑的边上，然后用特制的山药铲，沿着地面上山药生长的 20cm 处的两边开始挖，将根两边泥土铲出，一直挖到山药沟下见到根茎的尖端为止，最后轻轻铲断剩下的细根，手握着根茎的中上部分，小心拔出山药的根茎。一定要小心精细铲土，避免山药根茎的损伤和折断。采收山药时，一定要按着山药种植的顺序，一株一株地挨着挖，这样才能有效减少破损率，又能避免漏收。由于山药一般在下层土壤延伸，最深可延伸到地下 70100cm 处，靠人力收获相当费力。最重要的是人力收获的过程中容易挖到山药块茎，影响山药的品质和市场。而且劳动强度大，生产效率低。为此，山药收获的机械化问题就亟待解决。山药收获技术如果能够实现机械化，将有力地推动山药生产的规模化，显著降低山药生产成本，节省劳动力和农活作业量，使山药种植户增加更多的收入，提高农业生产的经济效益。同时，也能促进农机朝着更先进，更现代化的方向发展，使其更好地服务于现代化农业生产和社会主义新农村的建设，实现伟大的中国梦。本课题研究了我国山药收获机械化的发展现状，山药收获机的未来研究方向。为山药收获方式以及推广山药收获机械化，促进山药生产效率提供了理论依据。1.2 山药收获机的现状及方案说明1.2.1 我国山药收获机的现状为了克服山药收获过程中易折断的损伤的难题，我国广大设计者和科学家们进行了刻苦的钻研，以下是现阶段我国对山药收获机械化的研究现状。资料内容查自中国知识产权局专利检索网站。第一种山药收获机的发明者是李垒和李善文。这个发明设计了一种多功能山药收获机。可以看到，中履带底盘，设置在履带底盘上的操作台、竖直机架、电机、向上提升机构，安装在机架上并且能够沿固定的机架上下移动的齿轮箱的总成，安装在齿轮箱结构下面的用于开沟的螺旋钻轴和提土板，所述电机结构与齿轮箱结构由传动轴实现传动连接 ；提升机构与齿轮箱结构连接，实现对齿轮箱结构的升降操作；山药收获装置还包括设于箱结构一侧，能够将开沟轴开出的土，向外送给送土器，以及设于履带下部前面的能够实现把土填回功能的送土器。这种山药收获机的结构比较灵活，而且功能多样化，能够同时实现收获山药和沟内填土的两项功能，除了采收山药外，还可以开电缆沟、管道沟、实现一机多种用法，省时省工，具有相当大的市场价值。山药收获机的机构简图如图 1：图 1-1 山药收获机理论图第二种山药收获机发明者倪凡喜。这个创新专利目的在于，克服现阶段生产技术的不足之处，提供一种山药收获机的理论设计，在不损伤山药块茎的前提下，可以很大地提高生产效率，降低采收山药时的成本。此专利所述的山药收获机，包括振动破土机构、破土机构的固定架、旋转型轴承座、液压油缸、可以左右移动的轴承固定支架、悬挂型四轴固定支架、手轮、挡土板、开沟刀片、开沟链条、链条固定支架和从动轮。破土机构固定架是这个专利的主体支撑架，整体呈现方形的框架结构，破土机构固定支架的后端，连接着设置的振动破土机构，破土机构固定支架的前端，连接着旋转式轴承座，旋转轴承座的前面连接着液压油缸，液压油缸的前端连接到左右移动轴承座固定架，左右移动轴承座固定架设置在悬挂式四轴连接在固定架上，在悬挂型四轴固定支架的一边，设计的有手轮，在悬挂型四轴固定支架的两端后侧，设计有挡泥板。在旋转型轴承座的下端，连接设计有链条固定支架，链条固定支架的前端设计有主动轮，链条固定支架的后端设计有从动轮，绕过主动轮与从动轮，设计有开沟链条，开沟链条的外表面上设置有开沟刀片。连接到链条固定架上，设置有涨紧固定架，涨紧固定架的下端设置有涨紧轮，涨紧轮与开沟链条的内表面相接触。山药收获机的机构简图如下图：图 1-2 山药收获机示意图第三种山药收获机的发明者是卢双贵。这种山药收获机，由切割锯、松土板与螺旋提升机构组成。带锯上部连接旋转轮，中间穿过狭长形的开口，下面套有轴承，中间的松土板在后面随着将土松动，松土板固定在套管上的伸缩杆上，液压气泵来提供动力，后面的螺旋提升机构在切割后的土方下面向上转动，即可把山药向上顶出。由于是采用的拖拉机为动力，切割的土方要大于山药沟，从山药的下面向上拱，不仅保证了山药的完整度，不损坏山药的块茎，而且保持了山药沟的原来样子，工作的效率极大提高，每天可挖掘山药三到五亩。山药收获机的机构简图如图 1-3：图 1-3 山药收获机结构简图1.2.2 山药收获机的设计要求传统的农业机械设计，存在着设计周期长，设计成本高，设计质量差，图纸识别困难等问题。随着计算机技术的快速发展，虚拟制造和运动仿真在农机设计中得以实现，从而大大缩短了设计周期，降低生产成本，提高了设计的准确性和可靠性。本设计利用三维设计软件，对农业机械进行产品设计。具体内容：1.对农机进行总体结构方案设计，满足其功能要求，力求结构简单，功能合理。2.进行农机零件设计，强度和结构上符合要求3.进行产品装配。4.产品的动态仿真。本方案设计山药收获机用于山药的收获作业。提高山药收获效率，降低劳动力，节约山药收获成本。创新设计或改进现阶段市面上已有的山药收获机，使山药收获作业起来更简单。给定的条件和要求翻土作业时的作业量为 400500m/小时，采用螺旋排除浮土，螺旋转速为 300 转/分钟左右。第 2 章 设计方案分析2.1 设计方案的说明2.1.1 设备简介通过现阶段山药收获机的专利以及考察实际情况，可以得出，山药收获机的工作原理和组成部分。山药收获机的组成部分大致可由支撑部分、动力部分、工作部分和传动部分。支撑部分：主要就是山药收获机的机架和山药收获机与拖拉机连接部分，用于支撑整个山药收获机能够顺利切协调的完成收获工作。动力部分：用于连接拖拉机传输的动力，把动力提供给山药收获机的传动部分。传动部分：传输动力，并起到减速作用。工作部分：这部分入土，用螺旋开土，达到收获山药的目的。2.1.2 山药收获机的工作原理拖拉机液压系统带动收获机传动系统，经减速传动给工作轴，利用强大的扭矩，旋开土壤。拖拉机提供向前的牵引力带动收获机向前行进。2.2 设计方案选择与对比在最终确定山药收获装置的设计方案前，做了很多的准备工作。首先，查阅了中国专利网上的一些专利申请，仔细阅读并理解了山药收获机现阶段的理论设计情况。也看到了很多比较好的方案或者设计，其实还都在理论阶段，很多设计者们的精妙设计都还没有通入生产。这也从一方面表现了现阶段山药收获机的落后程度，同时山药收获的大难题亟待解决。其次，在网络上检索山药收获机，会发现很多厂家有在直销，仔细研究后，也对山药收获机在设计之后，开发生产的可能性有了一定的认识。明确了，在现阶段哪些设计是不能开发的，哪些设计更容易开发。最后我也去了一些山药种植基地和一些机械厂，进行了实地考察，亲眼看到了制造成型和正在工作的山药收获机。对山药收获机的设计开发有了进一步的认识。现在开发成功的山药收获机大致可以分为三种：1.单侧山药开沟机。2.双侧山药开沟机。3.链式山药收获机。下面听过对三种收获机的优缺点分析确定设计方案。2.2.1 单侧山药开沟机现在的很多设计和市面上已经投入使用的山药收获机，一般都是在山药种植垄的一侧进行挖沟，然后通过人力下沟进行二次挖掘，这样确实省了一部分人力，但是进行二次挖掘时，还是很费力，而且容易损伤和折断山药的茎块。如下图 2-1 所示。这种山药收获机工作原理简单，作业效率高，而且易推广，在一些土壤比较肥沃、疏松的地区比较适合。但是缺点也比较明显，收获机开沟之后，山药依然埋一侧的土壤中，剩下的的工作必须依靠人力，从沟中向山药一侧进行挖掘，挖掘的过程不仅难以操作，而且容易损伤山药，影响山药的销售品质。图 2-1 单垄山药收获机实物图2.2.2 双侧山药开沟机已经投入使用山药收获机中，现在比较流行是一种是在山药两侧开沟，确定山药种植行的宽度，设计出两个开沟钻的距离，从而从山药种植行的两侧进行挖沟。实物图如下图 2-2。这种山药收获机与单侧开沟机相比，有很大的优势，降低了靠人力进行二次挖掘困难程度。但是这种收获机也有明显的缺点，它虽然降低而人工挖掘强度，但是山药和土块还是紧密结合在一块，无法克服采收过程中的损伤山药块茎的问题。并且在此装置开沟采收后的土地上，会留下两道很深的沟壑，这将影响下一季山药的种植，导致种植山药时需要填平沟壑。变相提升了山药种植的难度。图 2-2 双侧山药收获机实物图2.2.3 链式山药收获机链式山药收获机与以上两种开沟机原理不同，收获山药之后不会再地上留下很深的沟，这样下一季的种植就不会受到影响。而且这种山药收获机所需功率小，相对以上两种在收获的时候更经济，更节约成本。但是链式山药收获机也没有以上两种开沟机的有点。依靠链上面的刀片进行开土，很难达到很深的程度。而山药块茎很深，这样在后续的采收中还是需要大量的人力来完成，甚至还需要人力来进行二次开沟。这样一来，链式收获机在采收中起到的作用就会很局限。下图 2-3 为链式收获机的的实物图：图 2-3 链式山药收获机2.3 设计方案的优化分析及确定通过对山药收获机的现状研究，对市场上已经开发成功的山药收获机的分析，总结山药收获机需要满足的条件，分析现有山药收获机的优缺点，最终确定山药收获机的最佳优化方案。首先总结设计山药收获机要完成的任务：1、通过山药收获机能实现山药收获的简易化，提高山药收获的效率。2、此装置在收获山药的时候不能损坏山药的块茎。3、山药收获机的设计要尽量简易，方案要符合实际情况。设计方案可以投入生产，并且可以推广。其次通过对上述现有山药收获机的研究与考察，发现现阶段山药收获机有两个无法实现的难题：1、装置在开沟后仍然需要大量的人力劳动来完成后续的采收。2、在后续人力采收的工程中，比较容易损坏山药的块茎。想要克服这些问题，必须尽量使山药收获机开沟后，山药所在土块要有所松动，使山药与土壤的结合不在紧密。在装置作业之后，人工收山药的过程中，能够更直接。这样就能提高山药的完整性，尽量少的破坏山药的块茎。装置选择在山药的两侧同时开沟，并且在开沟后利用一个简易的装置，来松动山药种植行的土块。这样山药采收的后续过程就能很大程度上减少人力，而且如果山药所在土块松动之后，人们后续收山药的方式就不仅仅是从沟下一点一点挖掘，而是可以更直观的，更简易的收获山药。这样一来，就减少了山药块茎的破坏。这个简易的装置不能给收获机带来太大的阻力，在此装置之前的开沟装置，能够很好地提供前进的空间。我们可以利用一个小的锲型，在开沟后之后，利用锲型的前低后高的特点，来对山药种植行土块进行一个小幅度的提高，起到一个震动的效果。达到松动山药所在土块的目的。设计构想简图如下图 2-4。这是设计装置的侧视图，从侧视图可以看出来，前面的开沟钻，起到收获机的开沟作用。在开沟之后利用两个连杆，与机架相连，下面连接一个小的锲型装置，锲型装置平行于地面，宽度横跨山药的种植行，在拖拉机行进的过程中，锲型在机架的带动下向前推进，利用锲型的斜角效果，起到略微提升山药种植行土块的作用。这样使山药种植行土块上下震动一下，达到松动土块的目的。为了更直观的解释此方案设计，可以结合正视图看到锲型装置在山药收获过程中起到的作用。结构见图正视图如下图 2-5：图 2-4 三维设计工程图侧视图图 2-5 三维设计工程图正视图正视图中两个开沟钻分别开挖山药种植行的两侧，通过齿轮传动装置，带动两侧同时开沟，下面的锲型装置横跨山药所在土块，在此装置前进的饿过程中，锲型结构就能提升土块 ，装置走过之后土块又落下，起到震动土块的作用。这样山药后续的采收就能更直接，更简单。第 3 章 山药收获机的总体设计本次设计的主要内容有：1、山药收获装置的整体结构设计。2、开沟螺旋轴工作部分的设计，使收获装置更有效采收山药。3、齿轮机构的传动设计，符合拖拉机功率传输，使开沟轴得到适合的输出功率。3.1 整体结构设计3.1.1 箱体机架的设计根据山药收获作业的要求，需要确定符合采收山药装置的总体结构设计，设计出特殊而且简单的机架，机架不仅要起到拖拉机与装置的连接作用、而且还作为传动齿轮的箱体、传动轴和开沟轴的固定支撑。如下图 3-1：图 3-1 收获装置机架机架采用长方体的总体设计理念，首先能够更好地保护箱体内部传动齿轮的正常工作。机架前面采用两点悬挂与拖拉机连接，起到机架的固定和升降作用。3.1.2 锲型震动机构的设计锲型机构的设计，大大提升了山药收获装置的优越性。锲型机构要横跨山药种植行，锲型通过两个竖直的支架与机箱连接，起到固定的作用。两个竖直的支架正好与前面工作轴对齐，通过性很好。锲型的前端，有两个孔，正对前面的工作轴，这样的设计不仅然前面的工作轴有了一个可靠地支撑，同样也能让锲型结构得到进一步的固定，使得整机有更好的稳固性。设计锲型结构的尺寸：锲型的前后长度为 300mm，考虑到锲型不能度数太大，高度设置成 50mm，通过考察与类比，这样设计的锲型合理且可行。3.1.3 传动方案的确定传动方案确定不仅要考虑输入功率和输出功率的转换，还要考虑山药收获时的具体情况，比如山药种植行之间的距离基本能确定工作周之间的距离，然结合减速器的校核，一起确定工作轴传动齿轮的分度圆直径。装置选择配备 24 匹，17.7 千瓦的拖拉机，装置作业时，拖拉机转速达到2000r/min。拖拉机与收获装置采用带轮传动，带轮传动把功率输送给第一根轴，之后通过齿轮传动减速传送给工作轴。前工作轴之间采用齿轮同速转动。通过考察，确定山药收获装置的开沟深度为 1000mm，开沟宽度为 400mm，开沟速度为 400500m/h。3.2 传动机构的设计传动机构的设计主要就是：根据拖拉机的输出功率和输出轴所需输出功率，经过传动机构的传输达到一个整机和谐工作的设计过程。即传动齿轮和传动轴的合理选择。3.2.1 轴的初步设计根据山药收获过程中，开沟轴的实际工作情况，工作过程中，轴的转速为200300r/h 左右。由此可以确定传动比的分配情况：总传动比及其分配总传动比 2000/200=20gmni/根据山药种植行的距离，可以进行传动比的分配：123520ii其中， , 为 v 带传动传动比 ， 为前工作轴传动比1i，为后工作轴传动比22.装置中各轴转速计算（把 v 带连接轴定为 轴，前工作轴定为轴，后工作轴定为轴）n = 1/20/54/minmirn = 由于山药收获机的设计前轴负责开沟，转速较小。后轴阻力变小，可设计成转速加大一点。根据传动设计定 r/min。=204n3装置传动各轴功率计算首先计算传动装置的的总效率：867.09.7.09.60234231 其中， 为 v 带传动的效率 96.0为一对滚动轴承传动效率2为圆柱齿轮之间传动效率 7.3为刚性联轴器效率904再来计算各轴的效率：P = kw17.0961.dpP =P 2376.32kwP =P kw.5工作各轴功率、转速、转矩列表如下：轴号 功率 P（kW） 转速 n(r/min) 转矩 T(Nm) 16.99 400 416.32 16.32 200 826.33 15.67 400 280.63按许用应力估算轴的最小直径：3minPCd查机械设计手册取 C=112轴： d 3126.9/403.7m此轴有两个键槽键槽，需要加 7%，取 d =50mm轴: d 3./8.5同样有两个键槽，加 7%，取 mm=轴: d 3125.67/403.m同样有两个键槽，加 7%，取 d =60mm3.2.2 v 带传动的设计1.确定 V 带型号和带轮直径工作情况系数 KA：由查表确定计算功率 1.372cdpkkw选带型号：查机械设计手册：小带轮直径：由表得： 1min30D大带轮直径：设 mn1,01.122()30.48.5Dm 大带轮转速： mn122()301.40/in8.5Dr2计算带长求 ： mD1250318m求 ： 216初取中心距： 0am带长： 226018059.81LDam基准长度：查手册 取 Ld=2500mm 3.求中心距和包角中心距：221(L)84608606095.3mmLDa小轮包角：00211857.3.2.996Da4求带根数 先求带速： 10215.7/606Dnv ms带根数：查阅机械设计手册 ； ； ；kWP8.096.0a9.LkkWP35.0取 z=3 7.29.06)35.082(LackPz3.2.3 齿轮传动的设计计算1.首先选择齿轮的材料小齿轮：40Cr 热处理方式：调质处理 HB1=260大齿轮：45 热处理方式：调质处理 HB2=2402.初步计算齿轮的参数查机械手册齿轮传动得：齿宽系数 取:d1接触疲劳极限 :limHMPaH7201liMPaH5902lim初步计算的许用接触应力：aH6487209.01lim1 MP531.2li2值：查机械设计手册，取 =82（估算 ）dAdA)0初步计算的小齿 21331 2416.0.518204.dHTA m3.齿轮面接触疲劳强度计算精度等级：查阅机械设计手册齿轮齿数 Z： 取 12140,Z408i则模数 m： 12054tdZ使用系数 :AK动载荷系数 ：查机械手册v齿间载荷分配系数 ：H73.19.0/cos/22bFHK齿向载荷分布系数 ：由机械设计手册H46.1 610.)61(.017)(6. 3223 bCdbBAH载荷系数 K： 58.46.1723.51HvA弹性系数 由机械设计手册:EZ节点区域系数 由机械设计手册:H重合度系数 ：查表因 ，Z1,25.1取故 7.0.)(34 接触应力最小安全系数 ：查机械设计手册minHS应力循环次数 ：LNhth180235811 1064.6hLtn88212 .352/04./iN接触寿命系数 : 查机械设计手册Z许用接触应力： MPaSHN6905.127min11 ZHN7.8in221.478 5.21610.458.27.062921HEMPaubdKT 通过以上计算，结果表明，齿轮的接触疲劳强度符合要求。故所选齿轮符合要求，可以使用。如果达不到要求，应调整齿轮参数或改变齿轮材料，并再次进行验算。4确定传动主要尺寸实际分度圆直径 112286.735FF15402dmZm 25804dmZm中心距 12(d)/(0)3a5齿根弯曲疲劳强度验算齿形系数 :FaY634.10cos25.3321Zv 查机械设计手册得 28.,.1FaFaY应力修正系数 ，:SaY5.1Sa75.12Sa重合度系数 ： 70.14cos)63125(.81.2vVavZ9.07.107.25.0avY螺旋角系数 ,.1:取75.012.5.0min Ymin9.4.1 Y齿间载荷分配系数 :前面已求的FK73.1FHK齿向载荷分布系数 :查机械设计手册， 4.1,8.0)5.2/(61/ Fhb 载荷系数 K：47.13.25.1FvA弯曲疲劳极限 ：由弯曲疲劳极限图得limMPaPaFF450,602li1li 考虑本题齿轮为双向运转，可将其弯曲疲劳极限乘以系数 0.85，结果变为aaFF 5.382,510limlim弯曲最小安全系数 ：由机械设计手册得inS弯曲寿命系数 :由弯曲寿命系数图得 NY95.0,.21尺寸系数 : 由尺寸系数表得：XY0.1XY许用弯曲应力 :F MPaSYFXNF 2.36725.109min11 FXNF .38in22验算弯曲强度： MPaYmbdKTSaFnF97.86 91.0658.13210.4.2111MPaYSaFF 5.83.16279.81212 112286.735FF经以上计算，齿根弯曲强度符合要求。第 4 章 山药收获装置的三维建模4.1 零件建模通过以上对山药收获装置的整体设计，我们得到山药收获装置的总体结构，下面利用三维建模软件 Solidworks 对其进行模型的建立与仿真。SolidWorks 软件是世界上第一个基于 Windows 开发的三维 CAD 系统，由于技术创新符合 CAD 技术的发展潮流和趋势，SolidWorks 公司于两年间成为 CAD/CAM 产业中获利最高的公司。良好的财务状况和用户支持使得 SolidWorks 每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。该系统在 1995-1999 年获得全球微机平台 CAD 系统评比第一名；从 1995 年至今，已经累计获得十七项国际大奖，其中仅从1999 年起，美国权威的 CAD 专业杂志 CADENCE 连续 4 年授予 SolidWorks 最佳编辑奖，以表彰 SolidWorks 的创新、活力和简明。至此， SolidWorks 所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。Solidworks 软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 有功能强大、易学易用和技术创新三大特点，这使得 SolidWorks 成为领先的、主流的三维 CAD 解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。对于熟悉微软的 Windows 系统的用户，基本上就可以用 SolidWorks 来搞设计了。SolidWorks 独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。 SolidWorks资源管理器是同 Windows 资源管理器一样的 CAD 文件管理器，用它可以方便地管理CAD 文件。使用 SolidWorks ，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。在目前市场上所见到的三维 CAD 解决方案中，SolidWorks 是设计过程比较简便而方便的软件之一。美国著名咨询公司 Daratech 所评论：“在基于 Windows 平台的三维CAD 软件中，SolidWorks 是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。 ”在强大的设计功能和易学易用的操作（包括 Windows 风格的拖/ 放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用 SolidWorks ，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。4.1.1 输出螺旋轴的建模首先打开 SolidWorks，进入用户界面如下：图 4-1SolidWorks 的用户界面打开文件选项，新建一个零件。SolidWorks 会进入工作界面，首先选择一个基准面，选择草图绘制选项，SolidWorks 会进入草图绘制界面。在选择的基准面上就可以绘制轴的横截面即一个圆。点击圆命令，以草图中心位置为圆心绘制一个圆。按 ESC退出功能键，轴的横截面就绘制完成。选择智能尺寸命令，在草图上选择所绘制的圆，点击确定横截圆的尺寸。绘制结果如下图：图 4-2 轴的横截面绘制结果横截圆绘制完成之后，点击特征选项，选择【拉伸凸台/基体】命令，系统会弹出拉伸凸台命令选项栏。选择从草图基准面开始拉伸，方向选择给定深度，尺寸选择1500mm，点击选项栏上面的确定按钮。轴的三维建模就完成了。接下来绘制轴上的螺旋叶。螺旋线的建立要利用 SolidWorks 的扫描功能，螺旋叶是围绕轴旋转的。扫描的使用需要确定扫面的路径和扫面的轮廓草图。1.先确定扫描所需的路径：首先选择横截面，点击草图绘制，选择视角为正视于。横截圆面就会正对着自己，选择横截面圆，使用引用实体转换命令，横截圆就转换成了实体圆，选择插入-曲线-螺旋线，系统会弹出螺旋线参数和方向对话框。定义方式选择高度和螺距，参数选择选择恒定螺距，填写高度为 1000mm，螺距为 50mm。选定方向后，填写其实角度为 0 度，这样有利于下一步草图绘制草图的选择。然后点击确定按钮，螺旋线就建立成功。2.绘制扫描轮廓的草图：草图所在平面，应该是之前绘制螺旋线的其实点。草图平面的选择通过截图来更直观的表现如下图：图 4-3 扫面时草图平面的选择如图 4-3 可以看出选择草图平面刚好在螺旋线的起始位置，之后点击草图绘制，选择正视于进入草图的绘制。放大螺旋线起点位置，点击直线命令，绘制扫描草图，用智能尺寸约束实体。绘制如图 4-4 的草图，绘制草图时，需要用到实体剪裁功能，剪裁后就得到所需草图。图 4-4 轮廓草图绘制完成后点击右上角的完成草图命令。在特征里面选择扫描功能，SolidWorks 会弹出扫描参数和对象选择项。路径选择绘制好的螺旋线，轮廓选择绘制好的草图。点击确定，这是螺旋叶就绘制完成了。在来建立螺旋轴的尖端，这里用到了拉伸凸台的向外拔模功能，绘制效果如图 4-5 所示：图 4-5 螺旋叶片其余各螺旋叶三维模型建立过程一样，在这里就不在一一累述。4.1.2 齿轮和轴承的模型建立齿轮三维模型的建立需要使用到麦迪工具。调用麦迪工具，选择设计工具-齿轮工具，系统弹出齿轮工具的参数配置在向导里面选择外啮合齿轮，在设计参数中配置所设计齿轮的参数。修改各参数，达到所设计齿轮的参数后，点击右上角的计算按钮，麦迪工具会自动配置各参数。点击生成齿轮一和生成齿轮二，SolidWorks 会自动生成一对啮合的齿轮。如图 4-6 所示：图 4-6 麦迪工具-圆柱齿轮参数配置界面齿轮生成之后，要对齿轮进行修改完成。首先对齿进行倒角。鼠标放在左侧显示栏最下面的横线上，当鼠标变成一个手的形状时，鼠标左键向上拖动一直拖动到凸台-拉伸 1 下面松开鼠标左键。齿轮的齿形就被系统隐藏了。使用倒角命令，左键选择圆柱横截面上的两个圆，在弹出的倒角参数中选择参数配置。选择角度为 45 度，长度为1mm 后确定。同样拖动拉伸凸台下面的横线到最下面。齿形的倒角就完成了。选择齿轮面进行草图绘制，点击圆命令，在齿轮面中心绘制一个圆。智能尺寸确定圆的直径为 50mm。然后特征-拉伸切除，在弹出的拉伸切除选择从草图平面开始切除，方向一选择成形到下一个面。点击确定。这样齿轮的中心位置就完成了孔的切除。用相同的方法，给孔倒一个角。根据齿轮孔的大小，查机械设计手册，选择 GB T1096-1979 普通平键 A 型 1445。于是得到键槽的参数：深度毂的公称尺寸 13.tm键宽 14bm选择齿轮面绘制草图，先绘制一个中心线，使其经过圆心成竖直的方向。用矩形命令在中心孔的上面画一个矩形，智能尺寸约束实体的尺寸：矩形长为 14mm，其中一条变到中心线的距离为 7mm，上面边线到原点的距离为：r+ =25+3.3=28.3mm。点1t击孔所在的圆，转换实体应用。用实体剪裁命令将没用的实体草图剪掉。使用特征-拉伸切除命令，选择从草图平面开始切除，深度选择完全贯穿，点击确认就完成键槽的建立。效果图和平面图图 4-7 所示：图 4-7 齿轮三维图和平面图其余齿轮的三维模型建立过程一样，只需配置不同的参数，在这里不再一一累述。查机械设计手册，选择对轴向承载的轴承（NF 型 2、3 系列）d=50mm，D=90mm。调用迈迪工具集，配置参数，生成轴承如图 4-8 所示:4.1.3 带轮的模型建立带轮的生成同样需要调用迈迪工具集，选择设计工具-带轮工。在弹出的界面中配置带轮的参数。P=13.61kw 带型选择普通带型；小带轮转速选择 2000r/h，带型选择 A 型带。大带轮转速选择 400r/h，小带轮基准直径选择 30mm，大带轮基准直径系统会自动计算为 150mm。点击下一步，确定好带轮孔 d=50mm 的大小之后点击生成小带轮，点击下一步再生成大带轮。生成带轮的效果图如图 4-8：图 4-9 带轮三维模型4.1.4 轴上的键槽查阅机械设计手册，以 50mm 直径的轴作为代表：公称尺寸 b=14mm，h=9mm，轴上键槽深度 t=5.5mm计算，键槽里面距离轴基准面的距离为，d=r-t=25-5.5=19.5mm打开轴零件，选择上视基准面，选择参考几何体-基准面。弹出建立基准面的选项，选择距离为 19.5mm，然后选择确定。基准面就建立好了，选择新建的基准面绘制草图，正视于。先画一个中心线，中心线经过轴的中心沿竖直方向。选择值槽口命令，在中心线上选择两个点拉伸一下绘制一个槽口。智能尺寸约束槽口的位置，跨度b=14mm，长度根据齿宽定为：L=45-14=31mm。然后约束，键槽的位置。确定后，特征-拉伸切除。从草图平面开始切除，方向选择向轴较薄一侧。深度选择完全贯穿，确定。轴上的键槽就建立完成了，效果图如下图 4-9：图 4-10 轴上的键槽4.2 装配和仿真4.2.1 虚拟装配1.虚拟装配的概述装配的基本概念：每一台机器都有很多零件和不见组成的，如果在现实中把毛坯加工成成品之后在进行装配，由于机械零件的复杂性，很多很难实现。在 SolidWorks中可以完成虚拟装配。把设计好的零件按照原先的构想进行转配。还能在装配体中虚拟的进行仿真运动。装配完成后如果需要修改其中一部分零件，可以随意修改，装配体会自动重建，这样减少很多工作量。一句话，虚拟装配是在计算机生成的环境中，利用装配操作模型，将建立的零部件进行一一组装。随着计算机技术的发展，机械零件的计算机辅助设计和加工技术随之发生了很大的变化。但是，人工操作历来都是装配环节上一个重要组成部分，依赖于人的经验和判断力进行复杂的装配，具有很强的智能性和复杂性，因而在设计技术、加工技术快速发展的今天，装配工艺成为薄弱环节，成为先进制造技术发展的瓶颈；同时以往的装配过程被局限在设计 制造装配评价 和实物验证的固定流程中，装配关系滞后的检验，带来成本的巨大浪费，同时也不符合快速发展市场的需要。虚拟装配是新兴的虚拟产品开发研究的重要内容。采用虚拟装配技术可在设计阶段验证零件之间的配合和装配合理性，保证设计的正确性。随着科技的发展，虚拟制造成为制造业发展的重要方向之一，而虚拟装配技术作为虚拟制造的核心技术之一也越来越引人注目。虚拟装配的实现有助于对产品零部件进行虚拟分析和虚拟设计，有助于解决零部件从设计到生产出现的技术问题，以达到缩短产品开发周期、降低生产成本及优化产品性能等方面。在许多世界级大企业中被广泛应用的计算机辅助三维设计(CAD)的高端主流软件SolidWorks 的装配模块就采用了虚拟装配技术，即便是在产品设计的初期阶段，所产生的最初模型也可放入虚拟环境进行实验，可在虚拟环境中创建产品模型，使产品的外表、形状和功能得到模拟，而且有关产品的人机交互性能也能得到测试和校验，产品的缺陷和问题在设计阶段就能被及时发现并加以解决。2.虚拟装配的流程虚拟装配的流程大致可以分为装配层次、装配顺序、装配约束几个部分。所谓装配层次指的是山药收获装置总装配体的子装配体组成，即装配体由几大部件来组成。山药收获机主要有工作轴（前工作轴，后工作轴） 、齿轮，带轮，锲型结构，箱体、轴承、键等其他零件组成。之前已经把几大部件由 SolidWorks 分别建模而成。总体装配体下包含子装配体和零件，子装配体下又包含零件和次一级的子装配体这样依次下去。在装配过程中由于零件过多配合起来过于繁杂，装配层次的确定避免过度定义配合简便了装配过程。装配顺序是根据该收获装置的结构尺寸和各个部件间的约束关系，大概能够对整个装置的装配顺序有个明确了解。选定箱体固定为基准进行装配，接下来是给箱体装配上轴，然后在把键装配在键槽上，再后来就是齿轮往轴上装配。这样装配的好处，有利于齿轮位置的确定，之后就是各轴的安装和齿轮位置的确定，最后将齿轮进行机械配合。最后安装锲型结构。装配约束是确定基准件和其他零件的定位及相互约束关系，主要由装配特征、约束关系和装配设计管理树组成。标准配合包括重合、垂直、角度、平行、相切、距离和同轴心配合，高级配合包括宽度、路径配合、对称和线性/线性耦合，机械配合包括凸轮、齿轮、铰链和螺旋。一般配合约束过程为通过边线、基准轴、圆柱面等完成同轴心的定位；在由相邻的点、线、面完成旋转、重合定位；需要机械配合的零件给予相应机械运动配合。在 SolidWorks 中，当生成新零件时，你可以直接参考其他零件并保持这种参考关系。在装配的环境里，可以方便地设计和修改零部件。下面对设计的山药收获机进行虚拟装配。打开 SolidWorks，新建一个装配体。点击插入零件 -浏览。选择箱体，把箱体拉到装配界面，再选择插入零件-浏览，选择轴、齿轮和 GBT1096-1979 普通平键 A，拖到装配界面。先配合轴和键，选中键的底面和键槽的底面，点击配合，标准配合选择重合后确定。然后选择键的侧面和键槽的侧面，点击配合，标准的配合选择重合后确定。再选择键曲面和键槽的曲面，点击配合，标准配合选择同心圆后确定。键与轴上键槽的配合就完成了。视图选择基准轴和临时轴同时显示，选择齿轮孔的基准轴和轴的基准轴，点击配合，标准配合选择重合后确定。选择键的上面和齿轮键槽的底面点击配合，标准配合选择平行后确定。选择齿轮面和轴的横截面点击配合，配合距离填写 250mm 后确定。齿轮、键、和轴的装配就完成了。装配效果图如下图 4-10：图 4-11 轴、键、齿轮的装配的结果选择轴的基准轴和箱体孔的基准轴点击配合，标准配合选择重合后确定，然后调节轴的位置，使轴在箱体中的位置确定。轴、键、齿轮的装配过程一样，不在一一赘述。装配效果图如下所示：图 4-12 装效果图4.2.2 装置的运动算例仿真动画SolidWorks 能对装配完好的装配体进行运动算例的动画仿真，动画的生成更有利于对装配体的工作状态的观察，检验所设计的装置的运动状态是否合理。点击运动算例，给主动体添加一个运动，随