茶树重修剪机的设计.doc

邵阳学院毕业设计（论文）前言 本课题来源于某茶树种植地，经过实地考察茶树的生长及修剪的情况而开始此设计的工作。该茶树修剪机由机架、汽油机、带轮、V带、轴、刀具等零部件组成,需满足结构简单、能耗小、维修方便、修剪效率高、成本低等要求。本设计主要包含总体设计方案、汽油机的选择、V带的设计、皮带轮的设计、轴的设计、机架的设计和其它零配件的设计等内容。这个设计从整体情况来看，基本上能够满足代替人工修剪茶树，提高工作效率，节约成本等要求，并从经济性、实用性出发，尽量与茶树种植修剪的实际相结合，故能达到预期设想的效果。本设计在编写过程中得到了老师们的大力支持及同学们对我的帮助，由于本人的经验和条件有限，缺点和不足之处在所难免，敬请专家、教师批评指正并提出宝贵建议。1 课题来源我国是最早发现和利用茶树资源的国家，我国西南三省，是茶树变异最多，资源最丰富的地方，也是茶树起源的中心地。从茶树上采摘的茶经过加工后成为一种独特的饮料-茶叶，茶叶内含化合物多达500种左右。这些化合物中有些是人体所必需的营养成分，如维生素、蛋白质、氨基酸、糖类及矿物质元素等，它们对人体有较高的营养价值。还有一部分化合物是对人体有保健和药效作用的成分，是有药用价值的成分，如茶多酚、咖啡碱、脂多糖等。中国有着悠久的种茶、饮茶历史，而且地域广泛。但茶树的种植是一项烦琐且长久的过程，其中，茶树修剪中的重修剪是茶树种植过程中所要做的最重要的工作之一。使用传统修剪方法不但消耗大量劳动力，而且效率低下、成本高，不能满足大规模生产的要求，因此迫切需要机械修剪器具来代替手工进行茶树修剪。而普通修剪机用于重修剪是属于破坏性使用，一般不提倡使用。本课题即针对衰老茶树的重修剪主要靠人工进行的问题及现有修剪设备不足的现状，研究出一种专用于茶树重修剪的机械设备，并对整机各结构部件进行协调，对修剪机所用刀片的材料、结构进行分析，研制配套的传动系统，相应的带轮，轴，机架，并进行计算和装配图的绘制。最终设计出一台便于操作维修、成本低、效率高的茶树重修剪机。2 课题设计的意义2.1茶树修剪的意义茶树修剪是人为地抑制顶端主枝生长优势的措施，可刺激着生部位较低的芽萌发新技，增强树势，培养高产优质树冠。茶树修剪方法主要有幼龄茶树的定形修剪、成龄茶树的轻修剪与深修剪，衰老茶树的重修剪与台刈等。茶树修剪时期，从理论上在开春的惊蛰前后效果最好。但为考虑当前春茶的经济收益，除幼龄茶树定形修剪外，其他修剪应安排在春茶结束后进行较好。2.1.1 幼龄茶树的定形修剪茶苗种植后，当苗高达到30厘米以上，主枝粗达3毫米以上时，即可进行第一次定形修剪，剪后留高15厘米左右。生长较差的茶苗，未达上述标准时，应推迟定形修剪时期。定形修剪后，要注意留养新梢，并加强培肥管理。以后每年进行一次定形修剪。每次定形修剪的高度可在上次剪口上提高15厘米左石。经过三次定形修剪的茶树，高度约在40-50厘米，这时骨架已经形成，以后再辅之以打顶轻采和轻修剪，进一步培养树冠和采摘面。 定形修剪的工具，第一次定剪应选用整枝剪逐丛进行修剪， 剪口距剪口下第一个腋芽3-5毫米，并尽量保留外侧芽，以利今后长成健壮的骨干枝。在条件许可的情况下，第二次定形修剪仍应选用整枝剪,这对提高修剪质量有帮助。2.1.2 成龄茶树的轻修剪与深修剪 （1） 轻修剪轻修剪的目的在于促进茶芽萌发生长，提高生产密度，增强茶树长势，它是创造培养良好采摘面必不可少的技术措施。轻修剪的程度，以剪去蓬面上3-5厘米的枝叶为度， 也可以剪去上年的秋梢，留下夏梢。中小叶种茶树轻修剪的形式， 蓬面以剪成弧形为宜，这样可以增加采摘幅的宽度，对提高单产有利。青、壮年期的茶树，轻修剪可每年或隔年进行一次，每次在原剪口上提高2-3厘米。（2） 深修剪茶树经多年采摘和轻修剪后，采摘面上会形成密集而细弱的分枝，这就是常说的“鸡爪枝”，茶叶产量和品质逐渐下降。为更新茶树采摘面，可采用深修剪技术，剪除密集细弱的“鸡爪枝”层，使茶树重新抽发新枝，提高茶树发芽能力，延长茶树高产稳产年限。深修剪宜剪去冠面10-15厘米的枝梢，过浅不能达到更新采摘面的目的。经深修剪后的茶树，以后仍用每年或隔年轻修剪，适当多留新叶，重新养采摘面。（3） 重修剪及台刈衰老茶树的重修剪与台刈对于衰老茶树，可通过重修剪和台刈，重新培养树冠，复壮树势，实现高产优质。2.1.3 茶树常用的修剪方法茶叶修剪是茶园管理的重要工作之一。修剪的目的是使茶树有良好的树势和宽阔的采摘面，培养具有矮、壮、宽、匀的茶蓬，提高茶叶产量和品质，适于机械采茶和提高采茶的工作效率。茶树修剪是培养树冠，更新复壮树势的有效技术措施。因此，在茶树不同的生育阶段，就要求采取不同的修剪方法。茶树常用的修剪方法，有以下五种：（1） 定型修剪一般适用于幼年茶树。对台刈改造养蓬的茶树，也应进行定型修剪，以塑造树冠。幼年茶树的定型修剪，通常是指二、三、四龄茶树的第一、二、三次修剪。目的是给予茶树有目的、有系统的干涉，改变茶树自然生长习性，促进分枝，控制茶树纵向生长速度，加速扩大横向生长，培养茶树有健壮的骨干枝和骨架层，为培养高产型茶树打下基础。当二足龄茶苗高达30cm以上，主枝粗达3mm以上时， 就可用整枝剪进行离地15-20cm的第一次定型修剪，并尽量保留侧枝，以利今后长成健壮的骨干枝。次年和后年，再进行第二次和第三次定型修剪。修剪高度均在前次修剪的基础上提高15-20cm进行。为提高工作效率，从第二次修剪开始，修剪工具可改成篱剪或平型修剪机进行。幼龄茶树经三次定型修剪后，茶树高度已达45-60cm，树幅达70-80cm，再经1-2年的轻修剪和留叶采摘，良好的茶树采摘面就可形成。（2） 轻修剪目的在于促进茶芽萌发生长，提高生产枝密度，增强茶树树势，它是创建培养茶树良好采摘面不可缺少的技术措施。对正常采摘的茶树可每年或隔年进行一次，时期应选择在茶树地上部开始停止生长时进行，对易造成冻害的茶区，也可选择在春茶萌发前15-30天进行。对采制名优茶的生产茶园，可推至春茶结束时抓紧进行。轻修剪程度，以剪去蓬面3-5cm的枝叶为度，通常用篱剪修剪成弧形。目前，已有很多茶园采用双人抬修剪机进行。（3） 深修剪茶树由于多年采摘和轻修剪后，在树冠采摘面上会形成密集而细弱的分枝，俗称鸡爪枝。这时，茶树新梢育芽能力减弱，生长乏力，单靠轻修剪已难以取得理想效果。为更新树冠采摘面，就得采用深修剪技术，剪去密集细弱的鸡爪枝层，使茶树重新抽发新枝，提高育芽能力，延长茶树有效经济年限。深修剪通常剪去冠面10-15cm枝梢，不然则达不到目的。一般用双人抬修剪机实施。经深修剪后茶树，当年多留些叶片采。次年实行正常采摘，但仍需用每年或隔年轻修剪一次。深修剪宜在早春茶芽萌动前15-30天进行，无冻害发生的茶区也可在秋末冬初封园时进行。（4） 重修剪其对象是半衰老和未老先衰的茶树。这种茶树，虽骨干枝的抽生能力仍较强，但生产枝的育芽能力已很弱，芽叶瘦小，叶张薄，采用轻修剪或深修剪已不能达到目的，这时，就得采用重修剪技术。重修剪茶树宜离地30-40cm处剪去较为合适。若采用机器修剪，应掌握在离地30cm左右进行。倘若茶树本来生长就比较矮小，那么亦可掌握在原茶树高度的二分之一处剪去为好。但重修剪后茶树，必须加强肥培管理，否则，会影响效果。（5） 台刈台刈的目的与重修剪相同，它是一种更为彻底的改造树冠的修剪技术，台刈的对象是极度衰老的茶树，以重新培养成全新的树冠。但台刈后的茶园，一般对短期内的产量有一定影响，其影响程度与茶园基础和改造后的培育管理水平有关。原单产较高或改造后失管的影响较大，原单产低或改造后加强管理的影响小，改造后第二年产量即超过原有水平的，在生产上亦不少见。衰老茶园的台刈高度，一般以离地5厘米为宜。台刈时期与重修剪相同。台刈工具可选用台刈剪或台刈机。剪口力求光滑，并略呈倾斜。茶树修剪需要有其他技术措施相配合效果才显著，如加强肥水管理，实行因树制宜的合理采摘，做好茶树病虫防治等等，都是极其重要的。 2.2 行业概况2.2.1 修剪机的研制由于我国种茶历史悠久，种植地域广泛，迫切需要机械修剪器具来代替手工修剪，因此国内在茶树修剪机具的研制上，已取得了很大进步，国内已有多家单位生产出了多款茶树修剪机。如南京秦淮园林机械厂生产的单人多功能电动茶树修剪机，其主要技术参数为：主机重量：2.5kg；电压：24v；杆长：110cm；功率：100w；转速：6000转/分钟。该机具有环保节能，效率高，能耗小，对茶作物无污染等优点。浙江省生产的PSM110型茶树修剪机双人抬跨行作业机具，由两把锯齿型刀片作相对往复运动完成修剪作业。修剪机的动力选用日本三菱TL33PVD型汽油机。当汽油机运转达到一定速度时，离合器先带动风机运转，继而将动力传输到减速齿轮箱，减速齿轮与偏心机构设计在同一箱体内，通过一级齿轮减速，动力传到偏心机构，偏心机构上有偏心方向为180的双凸台，带动连杆驱动刀片作往复运动，完成切割作业。国外如日产的E7B-750型单人修剪机配日本单缸二冲程1.03kw(1.4马力)汽油机，采用平刀片往复式切割，切割幅宽750mm。具有以下特点：重量轻、方便于单人操作，平形、弧形树冠均可使用，适应性很好；发动机性能好，操作简便，机身上设有停车按钮及汽油机调速控制手柄，刀片动、停、快、慢控制十分方便。目前，国内外对茶树的轻、中修剪机械的研制及应用均已成熟。并进入大面积应用的推广期。2.2.2 对修剪机的应用研究人工修剪每人8小时只能剪0.02hm2，需付酬金1750元/hm2；采用修剪机修剪，二人8小时可修剪0.4hm2，人均工效为手工的10倍，与人工相比费用降低了1312.5元/hm2。采用修剪机进行重修剪时，人工重修剪每人8小时仅能剪0.0133hm2，每天工资需40元，需付酬金3000元/hm2；用修剪机勉强凑合使用，两人用双人修剪机作主修剪，另一人用单人修剪机补修遗留枝与边枝，三人可修剪0.2hm2，工效是手剪的5倍，生产成本是1963元/hm2。与手工相比可降低成本1037元/hm2。1999年单临安市的深修剪工作就可节约劳力1050工，节约生产成本30580余元；重修剪工作可节约成本13820余元，节约劳力800工。通过以上研究，过婉珍等人认为：机械修剪是解决劳力不足和降低生产成本的根本途径。而普通修剪机用于重修剪是属于破坏性使用，一般不宜提倡。并建议生产厂家能生产专用重修剪机，以满足用户需要。华南农业大学的覃松林研究分析了单、双人茶树修剪机使用时应该注意的问题，他重点指出，单人修剪机和双人修剪机不适合作老茶树的深修剪和重修剪，否则机器将严重超载而遭到破坏。2.2.3 对茶树重修剪机的研究通过以上资料可以看出，茶树修剪机无论是单人型还是双人型，都难以承担起对老茶树进行重修剪的任务，这迫切需要国内的科技工作者研究开发出一种专门用于老茶树的重修剪机械。综观国内外，目前对老茶树重修剪方面的研究很少，而且研究领域也仅仅侧重于重修剪工作对茶树的影响及效应分析，对重修剪机械的开发和研制以及应用基本上还处于空白状态。3 总体方案的提出目前市场上的茶树修剪机多是单人的或双人抬式的，总体结构上没有可以借鉴的地方，因此我借曾到某茶树种植地参观的机会，具体了解了茶树的种植模式及茶树重修剪的方法及工作过程，据此，我提出了本设计的总体方案。3.1 机架的设计方案由图一所示的茶树种植模式，确定机架及车轮的结构如图3.1所示。图3.1 机架及轮子结构图3.2 传动路线的拟定3.2.1 方案1汽油机连接件速器带动带轮传动（图3.2），优点是传动稳定，便于控速，但是成本较高且不便于整机装配。图3.2 传动方案13.2.2 方案2汽油机直接带动带轮传动（图3.3），优点是结构简单，成本低，便于装配。考虑到经济性及机器的整体结构和所需传动的准确性，我决定采用方案2。图3.3 传动方案2综上所述，初步决定总装简图如图3.4 图3.4 总装简图4 主要零部件的设计计算4.1 整机结构本次设计的茶树重修剪机主要由机架、刀具、皮带轮、汽油机以及其他零部件和支承件组成。由双人推动车前进，汽油机带动皮带轮传递动力到轴承，带动刀片工作。4.2 设计要求4.2.1 技术指标（1）修剪高度：300mm；（2）修剪幅宽：670mm；（3）工作效率：最高0.24hm2/h；（4）切口平整度：平均85；4.2.2 要经济指标（1）效率是人工的15-25倍；（2）与人工相比，修剪1 h m2可以节省约1500元费用。4.3 汽油机的选择4.3.1 已知给定刀具（图4.1）参数如下 （1） 切削力F=150N；（2） 切削最大半径R=60mm；（3） 刀片转速n=1500r/min.图4.1 刀具4.3.2 汽油机的选择计算T=FR=150N0.06=9N.m由以上计算，我决定选择2E60C型汽油机，立轴，水冷，P=7.4KW n=2500r/min,T=53N.m。4.4 带轮的设计与计算带传动是一种摩擦传动，由具有弹性和柔性的带绕在带轮上所产生的摩擦力来传递运动和动力，带传动主要用在中、小功率传递中，传动平稳，噪声小。在需要精确传动比的地方，同步带因不需要润滑而得到广泛的应用；而更多的地方不需要精确的传动比，因此其他形式的带传动广泛应用在国民经济和人民生活的各个领域。一般来说，带传动的功率P=60KW,线速度的范围为5-25m/s,传动比i=7.工作参数：工作机输出功率7.4KW；工作效率：最高0.24hm2/h；前进速度10m/min。4.4.1 带轮材料的选择及热处理带轮一般采用铸造成型，选用HT200（GB976-67），因为其具有优良的铸造性、减磨性，而且由于它的石墨组织松软，能够吸收振动，具有良好的消振性；带轮进行时效处理，以消除内应力；带轮的各面均进行精加工，工作表面的粗糙度微米，其余微米。4.4.2 带的设计 （1） 确定计算功率 工 况 KA空、轻载起动重载起动每天工作小时数/h1616载荷变动微小液体搅拌机，通风机，和鼓风机（7.5kW）、离心式水泵和压缩机、轻型输送机1.01.11.21.11.21.3载荷变动小带式输送机（不均匀载荷）、通风机（7.5kW）、旋转式水泵和压缩机、发电机金属切削床、旋转筛、剧木机和木工机械1.11.21.31.21.31.4载荷变动较大制砖机、斗式提升机、往复式水泵和压缩机、起重机、磨粉机、冲剪机、橡胶机械、振动筛、纺织机械、重载运送机1.21.31.41.41.51.4载荷变动很大破碎机（旋转式。颚式等）、磨碎机（球磨、棒磨、管磨）1.31.41.51.51.61.8表4.1 工作情况系数KA由表4.1查得=1.1，由此得=1.17.4KW=8.14KW.（2） 选择普通V带型号由设备要求，选用V带传动。由,n=2500r/min和文献2图5-10确定选用B型V带。（3） 确定带轮直径、选取=140mm 且=140mm125mm由文献2式(5-17)得大带轮直径为=/=2500/1500140=233mm.由式5-17,实际传动比I、从动轮的转速分别为i=/=236/140=1.69=/i=2500/1.69=1479r/min从动轮的转速误差为（1479-1500）/1500100%=-1.4%.在5%以内，为允许值。（4） 验算带速V V=/601000=18m/s在5-25m/s的范围内。（5） 确定带的基准长度和实际中心距 按结构设计要求初定中心距 0.7(+)a2(+) 263a满足要求。（7） 确定V带根数Z由文献2式（5-26） Z/由表5-12查得=0.97，由表5-6查得=3.8，由表5-9得功率增量= ，由表5-11查得=2.6494根据传动比i=1.69 查表5.19得=1.1202则 =2.64942500（1-）=0.7KW由表5-12查得带长度修正系数=0.92 ， 由表5.11查得包角系数=0.99 得普通V带的根数 Z=8.14/(3.8+0.7)0.920.99=1.98 取Z=2根（8） 求初拉力及带轮轴上的压力由文献2式（5-27），单根带的张紧力为 = = =227.5N由式（5-28），带轮轴的压轴力为=2Z =22272 =904N（9） 设计结果 由以上计算及分析我决定选择2根B-4000GB1171-89V带 , 中心距a=505mm ,带轮直径=140mm , =236mm ,轴上压力=904N4.4.3 带设计已知，主动轮的转速1500r/min,从动轮转速1500r/min。（1） 确定计算功率由表4.1查得=1.1 ，由此得1.17=7.7KW（2） 选择普通V带型号根据=7.7KW，由文献2图5-10选用B型普通V带（3） 确定带轮基准直径 选取=125mm ,且为B型V带最小直径由文献2式(5-17)得大带轮直径为： =125=125mm由文献2式5-17则实际传动比i ,从动轮的实际转速分别为： 从动轮的转速误差率为： 100%=0在5%以内，为允许值。（4） 验算带速V 在5-25m/s范围内。（5） 确定带的基准长度和实际中心距a 按结构设计要求初定中心距 0.07（）()得 175500取=200mm由文献2式5-23得 =792.5mm由文献2表5-4选取基准长度=800mm由文献2式5-24计算实际中心距a+=（200+）= 504.75（6） 校验小带轮包角小带轮包角 =满足要求。（7） 确定V带根数Z文献2式（5-26） 根据=125mm，=1500r/min , 由表5-6查得。由文献2表5-9得功率增量=由文献2表5-11查得查得根据传动比i=1查表5.19得=1则 =0由表5-12查得带长度修正系数 ，由表5.11查得包角系数得普通V带根数 取Z=2（8） 求初拉力及带轮轴上的压力由文献2式（5-27），单根带的张紧力为 =284N由式（5-28），带轮轴的压轴力为 =1136N（9） 计算结果选用2根B800-GB1171-89V带，中心距a=200mm ,带轮直径 ，轴上压力4.5轴的设计计算4.5.1 轴的设计（1） 选择轴的材料 ，确定许用应力因这个设计的对轴的材料无特殊要求，故选用45钢并经调质处理，由文献3表2.6查得其强度极限 ，许用弯曲应力（2） 按扭曲强度估算轴径由表13.1得 由式(13.2)得 因最小轴径处有键槽存在，故将估算增大3%5%取为19.1mm21.1mm由设计手册查得标准直径（3） 设计轴的结构并绘制机构草图 确定各轴段直径 根据设计手册公式 取h=2.5mm 初选轴承6307的直径根据轴承的内径决定取为的直径也是根据轴承来定 取为 确定各轴段长根据汽油机高度及整机结构，轴的总长为520mm;轴段的长度可以根据所选带轮宽螺母厚度及安装结构确定为125mm;轴段的长度根据轴承座端面和带轮的距离确定为26mm;轴段的长度轴承宽得21mm;轴段用装刀片，可根据刀片的厚度，螺母和垫片的厚度确定轴长为50mm;轴段的长也为轴承宽21mm;轴段的长和轴段的一样为26mm;最后留下的长度就为轴段的长。（4） 轴的校验 以B为基点 以C点为基点 查表13.1得，满足，故轴的设计满足要求。 图4.1 （5） 轴承的选择 应 所以只要边的轴承可用即可 初选轴承6307 GB/T276-1994，基本额定功率为 轴的预期寿命取为 查表得 故6307滚动轴承满足要求。（6） 键的选用根据结构选用10110 普通A型平键4.5.2 轴的设计（1） 轴的计算 （2） 选择轴的材料 ，确定许用应力 因我们设计的轴对材料无特殊要求，故选用45钢并经调质处理，由文献3表2.6查得强度极限 ，许用弯曲应力。（3） 按扭强度估算轴径根据表13.1得 ,又由式(13.2)得 因最小轴径处有键槽存在，故将估算增大3%5%取为18.820.06mm。由设计手册查得标准直径。（4） 设计轴的结构并绘制机构草图 确定各轴段直径 根据设计手册公式 取h=2.5mm 初选轴承6307的直径根据轴承的内径决定取为的直径也是根据轴承来定取为 确定各轴段长根据汽油机高度及整机结构，轴的总长为470mm；轴段的长度可以根据所选带轮宽螺母厚度及安装结构确定为66mm；轴段的长度根据轴承座端面和带轮的距离确定为27mm； 轴段的长度轴承宽得21mm；轴段用装刀片，可根据刀片的厚度，螺母和垫片的厚度确定轴长为50mm；轴段的长也为轴承宽21mm；轴段根据轴承座端面和带轮的距离确定为26mm；最后留下的长度就为轴段的长。(5) 轴的校验 以B点为基点： 以C点为基点： 由，满足，故轴的设计满足要求。图4.2（6） 轴承的选择 应 所以只要边的轴承可用即可 初选轴承6307 GB/T276-1994，基本额定功率为轴的预期寿命取为 查表得 故6307滚动轴承满足要求（7） 键的选用 根据结构选择1056的普通A型平键。4.6 刀具结构的设计及材料的选择4.6.1 刀具的结构刀具的结构采用用圆盘形的刀盘，两边有装有两个对称的刀片，为防止切割树枝时树枝外滑固把刀刃设计成呈圆弧型。 图4.34.6.2 材料的选择因刀片在高速的环境下工作，且在剪切过程中，刀片会受到很大的挤压力，摩擦也会很厉害，需要的硬度也比较高。根据这些因素我决定选择W18Cr4V。W18Cr4V是应用比较广泛的的高速钢，其性能主要有：热处理硬度可达63-66HRC，抗弯强度可达3500MPa左右，可磨性好。其优点：通用性强，工艺成熟。热处理：经淬火硬度达到66HRC，刀尖处喷涂碳化钛或氮化钛。 4.7 机架设计机架是固定和承载汽油机和工作机构的，机架采用焊接成型，考虑到加工和维修的方便性和使用的经济性，故材料采用塑性好，焊接性能好的普通碳素结构钢Q235焊接而成。汽油机、工作机构与机架均采用螺栓联接。5 总结5.1 产品的优点及解决问题的效果该设计的茶树重修剪机，投入使用后可大大提高茶树修剪的效率，和以往人工进行修剪工作相比较，不但可以节约大量劳动力、降低成本，而且修剪效果比人工修剪要好很多。经过和现有修剪机的比较，发现本设计的修剪机有如下优点：与一般修剪机相比，该机节能较多；该修剪机更使用于茶树种植的特殊模式；该产品结构坚固、简单，维修方便；该机可通过调节轮子的高度对不同高度的茶树进行修剪。由于该机节能多、体积小、结构简单、维护及操作方便和售价低廉，因此更加适合于茶树种植户选用。5.2 收 获我经过不懈的努力，去茶树种植基地实地考察 ，以及老师的精心指导和同学的热心帮助，经过设计、修改、实地考察、再修改、资料整理的程序按期圆满完成了此设计。走过了大学富有活力而又充满挑战的三年，从中受到了老师们的精心指导、教育。在这里首先对老师们说声感谢！这次毕业设计，是我在大学三年里完成得较为合格的一份设计。从课题的选择，设计说明书的编写，一直到最后排版打印，我都付出了辛苦的劳动，查阅了不少的参考文献，借鉴了许多同学的宝贵的理论与经验。除此之外，更多的是要感谢各位老师在我完成毕业设计过程中