人驾驶插秧机的秧苗卡塞故障排除机具的设计

1、浙江大学宁波理工学院本科毕业论文 宁波理工学院xueyuanxy学院 毕业设计（论文） 题 目 无人驾驶插秧机的秧苗卡塞故障排除机具的设计 姓 名 华忠义 学 号 3110611131 专业班级 机械设计制造及其自动化114班 指导教师 张方明 分 院 机电与能源工程学院 完成日期 2015年 5月 15 日 摘要 插秧机在现代农业中已经得到广泛的应用，但在秧苗的插植过程当中经常会出现漏秧的状况，一般说来，这是由于秧苗盘中的土壤结块硬化堵塞出秧口造成秧针无法带走秧苗造成的。为解决这个问题，本文设计了卡塞故障排除机构，其方法是：首先要将卡住的插植臂进行反转，回归到竖直位置，其次驱动一支冲杆排出卡

2、在出秧口的泥块。液压马达带动链轮实现插植臂的反转，并由于所有的插植臂都是联动的，所以只需一台马达带动即可。排除泥块是利用一个特制的装置，依靠电机带动滚轮实现丝杆的上下移动，从而排除卡在出秧口的泥块。最终将所有的机构装配在插秧机机体上。关键词：漏秧；故障排除；插植臂；插秧机1AbstractTransplanter has been widely used in modern agriculture, but in plug seedling planting process frequently, leakage of the condition of the seedling, genera

3、lly speaking, this is because the seedling dish in the soil of caking sclerosis blocking out the seedling mouth seedling needle can't take away the seedlings. To solve this problem, this paper design and troubleshooting mechanism, the method is: first of all to put embedded arm stuck in reverse,

4、 back to the upright position, then drive a punch card eduction in clods of seedling. Hydraulic motor driven sprocket realize the reversal of the embedded arm, and with all the embedded arm are linked, so just a motor drive. Remove soil is to use a special device, rely on the motor to drive the impl

5、ementation of roller screw moved up and down, so as to exclude card in clods of seedling. Will all the assemble on the body of the transplanter.Keyword： leakage of seedling; Troubleshooting; Insert embedded arm; transplanter1目录摘要1Abstract2目录3第一章 绪论51.1课题研究背景5 1.1.1我国农业机械化现状51.1.2无人驾驶插秧机机构的研究与发展

6、现状51.1.3插秧机上的自动化机构的发展趋势61.2插秧机发展方向61.3 设计目标81.4本文研究内容81.5课题研究的意义8第二章 插植臂反转机构设计92.1设计背景及主要参数要求92.2整体方案的设想与选定92.3齿轮的设计102.4油马达的选择13第三章 卡塞排除机构设计183.1设计背景及主要参数要求183.2整体方案的设想与选定193.3主要非标部件的设计203.4电机的选择21第四章 对主要零件的校核234.1轴的校核234.2轴承的校核264.3键的校核274.4齿轮的校核291第五章 总结与展望315.1总结315.2研究展望31主要参考文献32附 录34致 谢351第一章

7、 绪论1.1课题研究背景随着时代的进步，科学技术正逐渐影响着着各个行业领域。在农业领域也一样，各类机械化，智能化的工具在当中发挥了巨大的作用，极大的提高的生产量和生产效率。1.1.1我国农业机械化现状农业机械化是先进农业生产力的代表，是农业现代化的先行因素 在农业现代化建设过程中，农业机械化是不可取消也不能逾越的发展阶段 ，各国农业现代化的实践经验证明：只有实现农业机械化，才能实现农业现代化，才能建设现代农业 ，农业机械化在推进和实现农业现代化过程中具有重大的作用。随着经济的发展，我国农业机械化水平增长飞速，越来越多自动化大型农用机械投入到了农业的生产中，这大大提高了农业生产的效率。但农业机械

8、还存在一些问题，需要我们根据农业生产的实际情况，进行相应的改进，来提高自动化的程度。 1.1.2无人驾驶插秧机机构的研究与发展现状插秧机在现代农业领域已得到广泛的应用，极大程度的提高了插秧的效率，但大多数都需要人工来操作，并没有做到让劳动人民解放双手。基于这个想法，无人驾驶插秧机走上了他的发展之路。在普通的插秧机的基础上，无人驾驶插秧机仅需完成人所需要完成的工作，及操控整个插秧机体完成稻田的插秧工作。研发的过程是在普通插秧机集体上设一个小型GPS导航系统和改用电动方向盘来操控机身，让它来自动完成直线型跟踪和自动转弯的功能，代替驾驶员的工作。使得插秧机可以在无人驾驶的情况下进行工作。减少劳动力的

9、同时工作效率可提高到20%以上。无人驾驶插秧机的优势体现在它可以不受光线的干扰，即使在黑暗的夜晚也可以进行插秧工作，尤其在农忙时可帮助加快农耕进程。1.1.3插秧机上的自动化机构的发展趋势插秧机在自动化的过程中主要有一下几个方面。操作的自动化，从人工插秧到借助工具插秧是一个跨越。最初的插秧机是与人工结合，在操作者的配合下完成插秧过程，譬如人工添加秧苗，人工驱动插秧机前进等等。随后出现了人工控制，自动插秧的半自动化插秧机，避免了人直接与泥土接触而且很大的提高了生产力。近几年来研究的无人插秧机实现了全自动插秧的理想，在没有人操作的状态下，插秧机依靠自身的定位系统和识别功能在农田里发挥着自身优势。它

10、不仅可以在无人驾驶的情况下进行作业，还可以在黑暗的夜间进行自动作业。极大的提高作业时间，从而提高工作地的效率。但任何一台机器都会有它出故障的时候，接下来的插秧机自动化发展就是注重这一点，它可以在出故障的情况下，自动感应识别故障，对故障进行相应的修复，从而实现继续正常作业。我们的这个课题就是基于这一个阶段所产生的问题的研究。列举一些常见的故障，如秧卷无法自动进给，缺秧漏秧等，所以我们要解决的就是这些问题；如何做到在机械自动运行的过程中出现故障，在认为不参与的状况下，机器通过自身识别感应以及修复，就可以排除故障，继续作业。1.2插秧机的基本结构图1.2.1 插秧机基本结构示意图 图1.2.2插秧机

11、实体图图1.2.3 插植臂工作示意图插秧机的工作原理如下： 插秧机是采用将秧块均匀分割，并插入到土壤一定的深度来实现作用的。插植臂旋转，通过秧针将秧盘上的土块均匀的分割并出入土壤，周而复始的运动，同时插秧机机体整体通过轮盘匀速向前运动。这样就保证秧苗被插入到土壤中，并保持着一定的间距。1.3 设计目标本论文需要设计一个能够实现修复插秧机漏秧的整体机构。1.4本文研究内容 主要设计内容如下：（1） 实现插植臂反转机构的方案设计；（2） 出秧口卡塞故障排除机构的设计；（3） 对关键零件进行校核计算。1.5课题研究的意义插秧机漏秧机构故障排除设计有以下具体几点意义：（1）排除插秧机漏秧机构故障，实现

12、插秧机正常运行。（2）节省人工修复故障的时间，节省劳动力，提高工作效率。（3）实现插秧机全自动化的发展目标。第二章 插植臂反转机构设计2.1设计背景及主要参数要求插秧机插植臂的基本结构为：图2.1 插植臂设计所需背景如图2.1（1）插植臂大臂尺寸 长250 宽70 厚60（2）插植臂小臂尺寸 长160 宽60 厚30（3）机构动作的要求 插植臂大臂绕主轴旋转，大臂带动小臂旋转，当小臂上的秧针接近出秧口时，大臂与小臂垂直。当秧针将秧苗插入突然最深处时，大臂与小臂成同一直线。且大臂可以绕主轴同一方向循环旋转，小臂只可绕大臂旋转四分之一圆周。2.2整体方案的设想与选定Ø 方案一图2.2.1

13、 整体方案一机构模型图装置的结构模型如图2.2.1。本方案是在原有的插秧机主轴上外接一个联轴器，在配置一个外接电机和减速器。当插秧机出现故障时，秧针会卡在出秧口，插植臂停止转动。而此时由于插秧机特殊构造，无法实现反转，导致故障不能自动排除，只可借助外力。此时外接电机受程序控制启动，开始反转，通过减速器带动插植臂主轴实现反转，从而卡在出秧口的秧针拔除，可进一步解决故障。本方案的缺点是外接电机和结速器安装位置无法在普通插秧机上找到，必须改变插秧机的底盘，特制一个安装位置，且占用较大的空间，不利于插秧机的操纵作业。Ø 方案二 图2.2.2 整体方案二机构简图整个装置的机械机构简图如图2.2

14、.2。本方案是在插植臂主轴上安装一个链轮，同时在主轴驱动电机的前方安装一个电机，同时装配链轮，链轮与链轮之间通过链条连接。在插秧机出现故障时，插植臂停止转动，此时启动电机，通过链轮带动插植臂主轴反转以实现故障第一步的排除工作。本方案的缺点是插秧机驱动主轴前方的位置不足够安装电机和轮盘，会影响其他机构的正常运作。且匹配的电机不足以驱动产生故障时插植臂主轴的反转，从而无法完成故障的排除。Ø 方案三 图2.2 整体方案三机构简图整体结构的简图如图2.2本方案采用外接油马达通过齿轮传动带动插植臂主轴反转实现修复目标。油马达的输出动力足够可以满足反转受卡插植臂所需的扭矩；而齿轮传动比较稳定和节

15、省空间。故第三个方案要优于前面两个方案，可以作为应用方案。2.3齿轮的设计该部分所需完成的动作： 当秧针受卡塞，插植臂停止运转后，驱动齿轮的油马达启动，带动主动动轮，主动轮带动从动轮，最终实现插植臂反转，受卡秧针拔出。图2.3.1 齿轮运动方案简图1.选精度等级、材料及齿数，齿型 1）确定齿轮类型：两齿轮均为标准圆柱直齿轮。2）大小齿轮都选用硬齿面，大小齿轮的材料均为45钢，并经调质后表面淬火，齿面硬度均为45HRC。3）运输机为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度（GB/T10095-2008）。4）选小齿轮齿数326，大齿轮齿数22·33.14×26=81.6,圆整取

16、Z2=82。5）选取螺旋角。初选螺旋角=15°。2按齿面接触强度设计由设计计算公式试算，即： 确定公式内的各计算数值1) 载荷系数K 试选 2) 计算小齿轮传递的转矩T13) 齿宽系数d 查表，由于两支承相对于小齿轮作不对称布置，故选取d=14) 查表可得材料的弹性影响系数 5) 选取节点区域系数 6) 端面重合度 查表得 7) 按齿面硬度查得齿轮的接触疲劳强度极限 8) 查得接触疲劳强度寿命系数 9) 计算接触疲劳强度许用应力 取失效概率为1%，安全系数3. 定公式内的各计算数值（）试算小齿轮分度圆直径，由计算公式得：=50.312mm（）计算圆周速度v=196rad/min （）

17、计算齿宽=25mm （）计算齿宽与齿高之比为1.2 （）计算载荷系数K 根据v=0.562m/s，7级精度，查的动载荷系数Kv=1.03，K=1.2，使用系数KA=1，KH1.55，KF=1.38，得载荷系数为（）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径（）计算模数=2.03mm4按齿根弯曲强度计算对比齿面接触疲劳强度计算所得的法面模数可知，由齿根弯曲疲劳强度计算所得的法面模数较大。为使在弯曲强度足够时有较大的齿数，选择mn=2.5.根据接触强度要求（d1=54.589mm）对齿数进行校正。 5几何尺寸计算）计算中心距为 将中心距圆整为120mm。2 ）按圆整后的中心距修正螺旋角。 因改变不多，

18、所以与其相关的参数.K.ZH等不需修正。3 ）计算大小齿轮的分度圆。 4 ）计算齿轮宽度。 圆整后去b2=20mm，b1=15mm。2.4油马达的选择齿轮驱动结构中有一个油马达，初步选择的油马达的数据如下图所示：马达各项数据图图2.4.2 所选油马达各项数据表图2.4.3 所选油马达结构简图图跟据图中分析： 图2.4.2.2 油马达实物图下面对油马达进行校核计算：齿轮要带动插植臂反转所需的扭矩较大，考虑到对马达转速的要求不是特别高，可以选择扭矩大的转速低的油马达，这里我们选择了排量315，流量68，转速205，扭矩360，压力为9MPa的L型油马达。第三章 卡塞排除机构设计3.1设计背景及主要

19、参数要求出秧口的基本结构结构为：图3.1 出秧口当插秧机运作的过程中，秧针不断的通过出秧口，带走秧苗插入土壤中。当出秧口出现硬土块时，秧针无法通过，造成卡塞。通过上一机构的设计，我们已将插植臂反转，即秧针已脱离出秧口。接下来的一个步骤就是将出秧口的硬土块排除。3.2整体方案的设想与选定方案一：此方案是利用曲柄摇杆架构实现的故障排除，电机驱动摇杆机构，摇杆的末端时是一个尖锐的尖爪刚好对准出秧口的位置。当秧针离开出秧口后，尖爪伸入出秧口，将卡在里面的硬土块铲除。本方案缺点是，曲柄摇杆机构所需的空间较大，在插秧机插植系统的空间不足，会与其他机构产生关联影响正常操作。曲柄摇杆的不稳定性也是一个缺点，对

20、机械日后的维护有很高的要求。方案二：图3.2.2 顶出机构简图本方案采用电机驱动轮盘，轮盘带动丝杆下旋，从而顶出卡在出秧口的硬泥块。轮盘与轴之间采用摩擦的方式，左右轮盘同时同向转动。当出现故障时，顶出机构往下行进，当排除故障后电机逆转重新复位。该方案的所需的空间不大，可以避免与插秧机其他机构干扰，从而实现排除故障的目的。设计采用本方案进行。3.3主要非标部件的设计1.支撑架设计图3.3.1 支撑架简图该结构主要用于支持丝杆和轮盘，确保丝杆在竖直方向上下移动。2. 顶出轮盘图3.3.2顶出轮盘简图上部分为摩擦轮盘，下部分为顶出机构。摩擦轮盘与摩擦棒摩擦实现转动，带动顶出机构向下运行，直到顶出卡在

21、出秧口的硬泥块。3.4电机的选择目的过程分析结论类型根据一般带式输送机选用的电动机选择直流电机功率电动机输出功率为P0=1kw转 速卷筒轴作为工作轴，其转速为单级圆柱齿轮传动范围ig=35，则总传动比范围应为i=925，可见电动机转速的可选范围：=（925）电动机输出转速为n=611.291697.75r/min第四章 对主要零件的校核4.1轴的校核(1) 轴的设计及校核选择轴的材料为45钢，调质处理，其力学性能由机械设计师手册查得：轴计算截面上的工作应力，d-轴计算截面上的直径，M-轴计算截面上的合成弯矩，T-轴计算截面上的转矩，-考虑转矩和弯矩的作用行者差异的系数，按照设计手册，在这里选择

22、。滚筒连接在主轴上，所以主轴受到的扭转力等于滚筒受到的扭转力。弯扭合成强度条件： 取，d为轴的直径进行轴的强度校核计算时，应根据轴的具体受载及应力情况，采用相应的计算方法，并恰当的选取其相应的许用应力。对于只承受弯曲强度的轴，应按弯曲强度计算；对于只承受弯曲强度的轴，应按扭转强度计算，对于既承受弯曲强度又承受扭转强度的轴，应按弯扭合成强度来计算，需要时还应按疲劳强度条件校核，而所要计算的轴仅仅承受扭矩，应按扭转强度计算。按扭转强度计算是只按轴所受的扭矩来计算轴的强度；如果受有不大的转距时，则用降低用扭转应力的办法予以考虑。1）按扭转强度条件初步估算轴径初步估算轴径，由于材料为45钢，选取，P为

23、轴传递的功率，K为轴类别系数，n为轴的转速，查表计算得 （2）2）按弯扭合成强度条件初步估算轴径，轴的材料为45号钢，查表得=275 （3）综合（1）和（2），考虑到轴承的稳定性能，所以设计主轴的最小尺寸为15mm。3) 轴的结构设计根据轴的受力条件，装轴承处的轴径为15mm，装滚筒处的轴径20mm，初选轴承型号为6202，其宽度为11mm。 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度，根据轴承端盖的尺寸和轴承的厚度，设计AB长度为16mm，取安装滚筒的轴宽为20mm，长度为50mm，CD长度为94.55mm，宽度要稍微大于滚筒内径，取23mm，EF上安装齿轮，长度为16mm，宽度根据齿轮通孔宽

24、度取17mm，FG宽度根据轴承内径取16mm，稍大于轴承内径15mm，长度为7.44mm，GH长度根据轴承端盖的尺寸以及轴承的宽度设计为16mm，宽度为15mm。4) 校核轴轴传递的转矩 轴的圆周力 轴的径向力 轴的轴向力 因为机械手升降装置底部安装了一个动滑轮，且箱体内部装了两个定滑轮，假设定滑轮收到的力基本相同，可得因为所选择的直流减速电机功率为90W，本文为了计算方便不考虑齿轮传动的功率损耗，电机输出轴转速为72r/min，再根据公式 （4）可得对A点取矩得则对B点取矩得则4.2轴承的校核 由于所有的轴承所受的轴向载荷比较小，考虑到安装以及互换性的简便，选用最常用的深沟球轴承。本论文中设

25、计要求轴承一天工作10个小时，一年工作30天，预期工作5年，一共15000小时。 深沟球轴承主要承受径向载荷，也可同时承受轴向载荷。当量摩擦系数最小。在高转速时，可用来承受纯轴向载荷。可大量生产，加个最低。故选用选用最常用的深沟球轴承。由于带轮初轴承主要承受径向载荷的作用，所以滚动轴承的校核： （5）根据机械设计书第319页得指数轴传递的转矩 轴承的圆周力轴承的径向力 轴承的轴向力 根据课程设计书表8-140得滚动轴承6202 载荷=363.92N，因为远远大于，所以该轴承满足设计要求。4.3键的校核此处选择的键为输入轴上联接齿轮上的普通平键。平键连接传递扭矩，按标准选取尺寸的普通平键（静联接

26、），其主要失效形式是工作面被压溃。除非有严重过载，一般不会出现键的剪断。因此，通常只按工作面上的挤压应力进行强度校核计算。假定载荷在键的工作表面上均匀分布，普通平键联接的强度条件为： （6）式中：传递的扭矩（=F×yF×d/2），单位为； 键与轮彀键槽的接触强度，此处为键的高度，单位为mm； 键的工作长度，单位为mm，圆头平键，平头平键，这里为键的公称长度，单位为mm；为键的宽度，单位为mm；轴的直径，单位为mm；键、轴、轮彀三者中最弱材料的许用应力，单位为。 1.轴连接键： 根据轴校核时的计算知 由手册查的 根据机构确定键的工作长度:轴的直径d=17mm 代入数值进行计算

27、得： 所选键满足要求2.滚筒轴连接键： 根据轴校核时的计算知 由手册查得 根据机构确定键的工作长度: 轴的直径d=20mm代入数值进行计算得： 所以所选键满足设计要求。 4.4齿轮的校核由于直流减速电机输出转速为72r/min，与所需要达到的转速差距不是很大，所以设计传动比为1：1的齿轮组进行传动。按齿面接触强度校核1） 试选载荷系数2） 计算齿轮传递的转矩3） 由机械设计表10-7选择齿宽系数。4） 由表10-6查得材料的弹性影响系数。5） 由设计手册查得齿轮的接触疲劳强度极限。6） 计算应力循环次数 7）取接触疲劳寿命系数。 8）计算接触疲劳许用应力。 9）取失效概率为1%，安全系数S=1

28、. 10）计算齿轮分度圆直径本设计的齿轮分度圆直径为100mm，所以齿面接触强度符合要求。按齿根弯曲强度设计 1）弯曲强度的设计公式为 （7）查表得改齿轮的弯曲疲劳强度极限=380MPa。2） 查图表取弯曲强度寿命系数=0.88.3） 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得计算载荷系数K。5） 由表查得 ，。 6） 计算模数本设计中设计主轴的模数为2.5，符合齿根弯曲强度要求。第五章 总结与展望5.1总结本文通过对无人驾驶插秧机的秧苗卡塞故障排除极具的设计，解决了插秧机在全自动化进程中的一个重要突破。 论文介绍了我的设计过程，包括开始的查阅相关机械手机构的资料，然后对各个部分进行

29、设计，确定相应的机构简图。然后通过查机械手册等相关资料，对机构的结构不断的完善，绘出其相应的装配图和零件图。从开始对机构进行设想，到通过运用我们的专业知识，对该机构进行不断的完善，中间由于零件的加工，零件的装配，生产的成本等一系列问题，而对机构进行不断的修改和完善，这样使我对机械设计的过程有了更伸入的了解。5.2研究展望随着人类科技的不断进步，自动化机械的普及程度逐渐提高。用更简单的机械去代替人类繁重的劳动，是人类科技不断进步的动力所在。中国自古就是一个农业大国，农业占了主要的成分。近些年随着科技的发展，更多的自动化程度更高的农业机械进入了农业生产中，这样大大减少了人们的劳动负担，使生产更加效

30、率，同时自动化机械的普及同样缓解了劳动力紧张的状况。由于自身经验不足，使机构上还有可能有些缺陷的地方，机构还需后续不断的完善。但我相信扭结机构可以大大提高插秧机的工作效率，减少成本，同时希望插秧机故障排除系统机构实现后，可以广泛应用到农业机械市场上。主要参考文献1 秦龙杰，白玉成. 浅析我国水稻插秧机现状和发展前景J农业机械，2005，42(2)：293 2 聿耀明，镣立章，向忠平. 日本水稻种植机械化技术的最新研究进展口农业工程学报，2005，21(1)：182185 3 高尔光我国水稻插秧机市场、产品及行业概况J农业机械2007，(4)A：333&#

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