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红枣 振动 采收 设计 全套 CAD 图纸

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内容简介：

振动式红枣收获机设计说明书摘 要我国有大面积的红枣种植区域，红枣收获困难、效率低、人工成本高的现实问题，本文研究振动式红枣收获机的设计，根据振动的运动学和动力学特性，分析振动系统在外部简谐激振力的作用下产生的运动轨迹振动响应的基本条件和轨迹特征；进行振动式红枣收获机运动特性研究。振动式红枣收获机基本原理是摇杆晃动带动罩子晃动，罩子晃动带动树枝晃动；树枝受到了外部施加的强迫振动后，会按照相应的频率进行振动，从而树枝上的果实也会以某种形式的振动进行加速运动。加速运动的枣子要受到惯性力的作用，当惯性力大于枣子与树枝的结合力时，枣子就会掉落到罩子底部，完成红枣的收获任务。红枣振动式收获机，就是针对枣树种植区域大面积的收获要求进行设计的新型机器，机械化采摘能够大大提高收获的效率，减少收获所需的劳动力节约人力成本，同时还能够大大缩短采摘的时间提高效率，所以振动式红枣收获机的设计和研究对规范化产业化发展枣业存在着重要现实意义。AbstractThe planting area of China area of red dates, red dates, difficult problems harvest low efficiency, high labor costs, this paper studies the design of vibration type harvester red dates, according to the kinematic and dynamic characteristics of vibration, analysis of the basic conditions and trajectory characteristics of trajectory vibration of vibrating system in external harmonic vibration response under the study of machine motion characteristics; vibration type red dates of harvest.The basic principle of vibration type harvester is driven by Rocker Rocking red dates a shake, shake to cover the branches; branches in the received external forced vibration, vibration with a certain frequency, so that the branches of dates to some form of vibration acceleration. The dates have been accelerated motion of inertial force, binding force when the inertial force is greater than the branches and dates, dates will drop to the bottom cover, the harvest of the red dates. Red dates vibration harvester, is for jujube planting area a large area of the new harvest requirements of machine design, mechanical harvesting of red dates to improve harvest efficiency, reduce the cost of harvesting, timely harvest, improve recovery efficiency are of great help.目 录1. 绪论11.1课题研究的目的和意义11.2国内外水果采摘机械的现状21.3本课题主要研究内容及技术路线42.振动式红枣收获机总体结构设计52.1总体方案设计52.1.1振动式红枣收获机结构原理52.1.2振动式红枣收获机工作原理63.振动式红枣收获机部分具体结构设计73.1圆形网罩结构设计73.1.1圆形网罩73.1.2漏枣导管83.1.3加强连接处83.1.4连接绳93.1.5束紧绳导管93.2束紧机构93.2.1束紧绳93.2.2束绳装置103.3可调摇杆113.3.1摇杆作用113.3.2摇杆结构设计113.3.3摇杆材料123.4可调束紧带133.4.1束紧带作用133.4.2结构133.4.3工作原理143.4.4可调束紧带材料144.振动机构设计154.1发动机确定154.2减速器设计164.3振动机构174.3.1动力学特性分析174.3.2运动学特性分析184.4液压系统设计194.5结论215.结论22致 谢23参考文献241. 绪论1.1课题研究的目的和意义当前，我国果园果农采摘果实依旧要依赖人力资源，采用的工具就是云梯和采果刀等简易工具。果实收获机械的设计研究使用仍旧没有获得显著发展，相比较欧美国家的机械化产业化农林业发展，我国还有待大力提高机械化水平，从而缩短与欧美国家的差距，促进农林业稳定可持续发展。当下，我国果林业的迅猛发展，特别是红枣等林果的规模化、产业化发展，传统的人工收获方法早已无法达到果业规模化发展的需要。面对当下人工采摘效率低、劳动强度大、人口老龄化、经济成本高的严峻问题，亟待开发一种适用于矮化密植红枣的采摘设备，能够达到可靠性高，采摘效果好、无损伤的要求。从而辅以现在日益产业化的枣业发展，提高枣农的收入可持续增加。我国枣树主要在种植主要在山东省、河北省、河南省、山西省、陕西省五省，不过枣业在近些年发展速度比较迅猛，尤其在安徽省、甘肃省、湖南省、湖北省发展很快。红枣作为温带产品，存活性强，果肉富含铁元素和维生素，具有丰富的营养元素。红枣行业的发展具有区域化布局、规模化发展、多种栽培模式的新局面。各个地区因地制宜，按照本地区的实际情况规划了种植区域，提高农民的经济收入。但是，红枣等林果的规模化、产业化发展，传统的人工收获方法早已无法达到果业规模化发展的需要。面对当下人工采摘效率低、劳动强度大、人口老龄化、经济成本高的严峻问题，亟待开发一种适用于矮化密植红枣的采摘设备，能够达到可靠性高，采摘效果好、无损伤的要求。按照近几年林果业发展的情形来看，新疆果树逐年以10%速度不断增加，形成了大规模的林业种植，每逢采摘时令就要有足够的劳动力去进行果业收获。由此可见，3至5年以后，后来种植的果树结了果实以后，果实的收获采摘就会存在因人手短缺而导致的收获难问题，导致大面积的果实无法采摘而熟透烂掉，对果农造成严重的经济损失。但是果实的收获又具有耗时长、费力多的特点。人力收获果实速度缓慢，所以在发展水果种植规模化的新形势下，我们应采用机械化操作来达到提高收获速度。红枣振动式收获机，就是针对枣树种植区域大面积的收获要求进行设计的新型机器，机械化采摘能够大大提高收获的效率，减少收获所需的劳动力节约人力成本，同时还能够大大缩短采摘的时间提高效率，所以振动式红枣收获机的设计和研究对规范化产业化发展枣业存在着重要现实意义。1.2国内外研究现状国外农业业产业化规模化发展水平较高，一些发达国家地广人稀，为了发展果业，只能选择机械化采摘的方式，所以机械化采摘在美国、西班牙、俄罗斯、英国、德国、等发达国家果园里较为常见。根据调研，美国的机械化水平较高，其坚果的采摘已经完全实现了机械化操作，葡萄、柑桔这些水果的机械化采摘问题也能达到半机械化，能够很好的完成任务，创造经济效益。意大利设计了水果采摘机，适合苹果、梨等新鲜果实的采摘，虽然这种水果收获机依然要人工操作，不过收获的果实的输送、包装均是机械化操作，能够大幅度提高采摘的效率，而且还可以避免水果在采摘时损伤的情况发生。浪漫的法国盛产葡萄酒，所以对于葡萄业的产业化规模化有着大力的发展，在采摘的过程中采用机械化收获方式。勃拉特根据葡萄业的发展，设计出来了一种高架式葡萄采摘机，顺利攻克了酿酒用葡萄的采摘难题。日本的机器人行业发展引领全球前沿，所以日本在解决果实采摘难题时所使用的解决办法就是设计出了智能采摘机器人，设计出了收获苹果、柑桔、番茄、西瓜和葡萄等的人工智能机器人。收获机器人主要由机械手、末端执行器、视觉识别系统和行走装置等四大系统构成。早在上世纪80年代中期，京都大学的专家学者就研究出了五自由度关节型机械手，不过这种机械手存在着相当大的缺陷，其工作空间无法包含所有果实的位置，并且机械手末端执行器的可操作度也低。在20世纪90年代，岗山大学学者通过不断努力研制了番茄收获机器人，其拥有7个自由度，可以设置收获的姿势机械手，设计出来的机械手自由度越高，手部运动就会更加灵活，其控制程序就会更加复杂。国外的果实采摘机械研究主要针对鲜食水果行业，他们是根据市场需求进行研究，设计出来了具有社会价值的机械。国外学者不仅仅要求机械需要适应社会的需求，更会从生物学、农艺的角度出发，提高科研水平的效率，研制出社会认同感强的机械化作业新机器，从而为机械化作业创造条件。这样就提高了水果的机械化采收作业率，其水果机械化收获的经验，值得我们学习和研究。我国的水果收获机械起步比较晚，所以至今为止种类还很少，且机械化水平低，仅仅有少量半自动机械。面对我国当下大面积果树果实的采摘难题，无法解决难题。类似红枣果实数量多，且分布散乱，故而想要提高生产率就必须使用机械化程度高的水果采摘机械来完成。目前，新鲜水果的采摘已然未能达到完全机械化操作。原因在于生长在树上的水果，其特性并不能适应机械化收获，且同时消费者对果品的美观性又有所要求，不接受擦碰、刮坏的水平，所以机械化程度慢慢得不到提高，新设计的收获机也需要人工操作，不过收货的果实，在运输和打包等时都是机械化操作，从而能够大幅度的提高果实的收获效率，还能够避免水果在采摘时的损伤情况的发生。红枣振动式收获机，就是针对枣树种植区域大面积的收获要求进行设计的新型机器，机械化采摘能够大大提高收获的效率，减少收获所需的劳动力节约人力成本，同时还能够大大缩短采摘的时间提高效率，所以振动式红枣收获机的设计和研究对规范化产业化发展枣业存在着重要现实意义。所以果园采摘机械化程度水平不断提高是我国专家学者一直努力去追求的，按照收获机的工作原理可以将果实收获机分为两类：一种是空气振动式收获机；另一种是机械式振动收获机。机械式振动收获机存在着推摇式和撞击式两种形式。1.3本课题主要研究内容及技术路线面对我国有大面积的红枣种植区域，红枣收获困难、效率低、人工成本高的现实问题，本文研究出红枣振动收获机这样的新型机械，以振动的运动学和动力学特性为原理，分析振动系统在外部简谐激振力的作用下产生的运动轨迹振动响应的基本条件和轨迹特征，从而进行的振动式红枣收获机特性分析。2.振动式红枣收获机总体结构设计国内外专家学者对果实收获的机械化研究一直保持专注的探索，旨在提高农林行业的产业化发展，为广大种植业民众提高经济效益，促进行业的科学性发展。按照收获机的工作原理可以将果实收获机分为两类：一种是空气振动式收获机；另一种是机械式振动收获机。机械式振动收获机存在着推摇式和撞击式两种形式。2.1总体方案设计根据通过前期资料整理和现场实际调研，得出我们所需设计的收获机的特征是：震动幅度小，便于移动，收获时对果树本体和果实的伤害较小，经过比对本文拟采用振摇式收获机。国内外科研人员对于振动式收获机进行了大量的研究，从理论上得出了设计的可行性。根据振动式红枣收获机的设计方案，设计出来的收获机应满足结构简易，适用性强，操作性强等特征。2.1.1振动式红枣收获机结构原理1.枣树；2.束紧绳；3.可调摇杆；4.加强连接处；5.圆形网罩；6.漏枣导管图2-1 振动式红枣收获机示意图1.枣树；2.束紧装置；3.可调束紧带；4.可调摇杆；5.圆形网罩；6.加强连接处；7.束紧绳；8.漏枣导管；9.筐；10.振摇装置图2-2 振动式红枣收获机示意图根据实践经验和搜集的资料确定振动式红枣收获机的设计结构主要包括：圆形网罩、可调摇杆、束绳装置、可调束紧带等几个部分。在网罩的四个方向，分别连接一个摇杆。振摇装置产生振动给摇杆带来了振动，其结构示意图如图2-2所示。2.1.2振动式红枣收获机工作原理设计的振动式红枣收获机使用的是圆形网式结构，利用固定的四根长杆，通过长杆将网把枣树枝干包裹住，然后将下落圆网收拢，使用四根长杆带动树干振动，树上的枣子就会落到网内，再打开漏枣口，网内的枣子沿漏枣导管，通过设置好的红枣出口将红枣倒入框中；从而完成一个树的红枣收获。动力输出和摇晃树枝的强度是采摘人员根据现场的实际情况来设置的，收获时应最大程度减少对红枣和树枝的伤害。3.振动式红枣收获机部分具体结构设计3.1圆形网罩结构设计圆形网罩的结构由圆形网袋、漏枣导管、加强连接处、束紧绳导管、连接绳等部分组成。图3-1 圆形网罩3.1.1圆形网罩功能和材质网罩将枣树收入网罩内，收紧网口，绑在树干上，保持枣树处在锁紧微压缩的状态，有利于通过振动效果进行收获红枣。将枣树的枝叶近似为球形，根据测量得到的半径，可以确定罩子的尺寸。暂定枣树半径为，其表面积可以通过计算得到。设圆形网罩的面积为，半径为,那么，。在工作的过程中，网罩和枣树存在着紧密的接触，因此枣树上的树枝、树叶还有倒刺均可能破坏和损伤罩子，所以罩子必须具有耐磨损性和抗破坏性，从而达到耐用的效果。本文采用粗帆布的材质，粗帆布具有延伸性好和吸湿性强的优点，且还具备耐磨、耐碱、耐晒、耐虫蛀等优势。3.1.2漏枣导管作用和材质图3-2 漏枣导管红枣在受到振动效果以后从树上掉落到网底，然后打开漏枣导管，采摘的枣子沿着导管滑至框中。按照已知的网罩尺寸和树干直径，设计漏枣导管的直径约为20cm40cm之间。由于漏枣导管需要反复和果实触碰，所以确定使用粗帆布；不过由于并不受到树枝叶的磨损破坏作用，故仅需要使用单层粗帆布。3.1.3加强连接处作用和材质为了避免发生反复振动对网罩造成破坏，导致机器无法正常使用的情况发生。同时减少力在传递过程中的消耗，提高工作效率。按照机器晃动布料的受力情况，也许会承受来自各个方向的力，所以在连接处使用圆形加固，直径为30厘米。加入加固的作用不显著，则能够加大加固的尺寸。3.1.4连接绳作用和材质将圆形网罩和可调摇杆连接在一起，从而能够实现杆的振动带来的罩的振动。使用32股编制棉绳，棉绳摩擦因数比较大，质地柔软，可伸缩性小，耐磨，使用寿命长。预计长度为50厘米。绳粗8毫米。如果发生改变，那么可以根据实际情况改变。在绳头1厘米的地方采用薄铁皮进行包装，避免绳头由于重复使用而散开的现象发生。绳子和圆形网罩是通过致密缝补的方式进行连接的。3.1.5束紧绳导管作用和材质导管给束紧绳子提供了一个运动的轨道，方面网罩的后面束紧捆绑枣树。使用长纤维的布料具有面料光滑摩擦系数小、耐磨性好、强度弹性好、质地紧密且弹性足的优势。3.2束紧机构为了达到操作简易，适用性强，本文设计的束紧机构主要有两块，分别是束紧绳和束绳装置。3.2.1束紧绳束紧绳主要是用来收紧网口捆与树干，其长度根据圆形网罩网口的尺寸来决定的，不过其总长度比网口的周长长100厘米。束紧绳的粗为8毫米。3.2.2束绳装置图3-3 束绳装置工作原理：将构件1放入构件2内，在构件1和构件2之间存在弹簧，由于弹簧的作用，构件1保持有向上的趋势。束紧绳同时通过构件1和构件2的孔洞，挡住了构件1向上的趋势，在二者的相互作用下，从而实现了束紧的作用。束绳装置的主要作用：（1）避免绳头不小心进入网罩的束紧绳导管的情况发生。（2）收拢网罩的时候，便捷快速，达到快速束紧树干的效果。3.3可调摇杆3.3.1摇杆作用采用四根摇杆将圆形网罩置于果树的顶部位置，使用网罩将整棵枣树从树顶位置的枝干裹起来。由于摇杆进行振动运动，所以网罩也进行振动，从而带动了罩子晃动，罩子的晃动导致了树枝存在了晃动。树枝收到了外部振动，进而就会以特定的频率进行振动，导致了枣子也发生了振动。振动的枣子在加速运动那阶段会存在惯性力的作用，当惯性力足够大，大于枣子与树枝相互结合的力的时候，果实就会掉落到罩子底部，这样就完成了红枣的收货任务。3.3.2摇杆结构设计图3-4 可调摇杆示意图由于每颗枣树的高度均存在差异性，所以按照枣树的差异性高度，本设计拟用可调式摇杆。摇杆由定位滑块、底座、外管、内管和连接头这五块组成。外管的直径为25厘米，内管直径23厘米。图3-5 弹簧按照设计，查阅机械设计手册，选定碳素弹簧钢丝，由于其存在强度高、性能好等优点，所以选择其为小弹簧的材料，经查，符合要求的是弹簧丝直径，弹簧中径，自由高度，节距，实验负荷。3.3.3摇杆材料图3-6 可调摇杆摇杆在采收过程中是起到传递力的作用，操作手通过晃动摇杆，从而达到晃动罩子和枣树的目的。根据摇杆的工作性质，摇杆要求质轻，方便使用和移动；根据摇杆的工作负荷摇杆的强度要求不是很高，综上两点摇杆的材料可以采用铝合金。因为铝合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度；根据机械特性，采用铝合金7050-T7451材料制造。表3-1 铝合金的典型机械性能(Typical Mechanical Properties)铝合金牌号 及状态拉伸强度(25C MPa)屈服强度(25C MPa)硬度500kg力10mm球延伸率1.6mm(1/16in)厚度6061-T65131027695127050-T7451510455135107075-T65157250315011表3-2 铝合金的化学成份(Chemical Composition Limit Of Aluminum )合金 牌号硅Si铁Fe铜Cu锰Mn镁Mg铬Cr锌Zn钛Ti其它铝每个合计最小值606123.60.70.15-0.40.15 0.8-1.20.04-0.350.25 0.15 0.050.15 余量705023.50.1520.-2.6 0.11.9-2.60.04 5.7-6.70.06 0.050.15 余量707523.60.51.2-2.00.32.1-2.90.18-0.285.1-6.10.20.050.15 余量3.4可调束紧带3.4.1束紧带作用圆形网罩网口收拢与树后，只靠一个束绳装置提供捆绑与树干的力，难免有点单薄，有的时候用束紧绳直接捆绑与树，又很不方便。因此设计了可调束紧带，辅助红枣收获。将圆形网罩网口快速束缚与树干，防止网罩网口因其他原因，影响红枣收获。它使用方便、简捷，使用范围广。可以在红枣收获过程中节省相应的人力和时间，达到迅速完成红枣收获的要求。3.4.2结构可调束紧带主要由一个自锁装置和锯齿形束紧带构成。具体结构设计如下图：图3-7 可调束紧带3.4.3工作原理锯齿形束紧带通过自锁装置，自锁装置内扭矩弹簧的作用，提供一个扭力，卡死束紧带，使束紧带只能紧不能松，达到束紧树干的要求。需要取下时，只要人力平衡弹簧扭力，就可以消除束紧状态。3.4.4可调束紧带材料根据工作要求，实际需要，本着节省资源，降低成本的思想，本可调束紧带采用采用塑料。塑料主要特性：大多数塑料质轻，化学性稳定，不会锈蚀；耐冲击性好；具有较好的透明性和耐磨耗性；绝缘性好，导热性低；一般成型性、着色性好，加工成本低；大部分塑料耐热性差，热膨胀率大，易燃烧；尺寸稳定性差，容易变形；多数塑料耐低温性差，低温下变脆；容易老化；某些塑料易溶于溶剂。4.振动机构设计如图4-1为振动机构结构设计：1.连接管2.液压传动3.振摇滑筒4.摇杆5.定杆6.曲柄7.调节支杆8.机架图4-1 振动机构示意图振动机构的工作原理：发动机是动力源，利用减速器的作用，通过曲柄滑块的转化，圆周运动就变成了振动滑筒的线性往复运动；可调摇杆通过液压传动上的连接筒与曲柄滑块机构连接，从而能够实现振动的效果。4.1发动机确定表4-1 常用小型发动机功率型号排量 mL最大功率范围 kW转速r/min1E40F501.41.755001E43F501.62.255001E45F601.82.55500152F97.71.11.93600168F1633.44.13600168F1963.84.83600173F2405.35.93600177F2706.06.63600182F3407.18.13600188F3908.49.63600本文根据功率需求使用152F型汽油机。4.2减速器设计由于汽油机转速过高，需要一个传动比很大的减速器。通过各种参数的选择对比，选了一种谐波齿轮减速器。减速器型号XBZ120B 机型120柔轮内径120模数为0.6传动比为100输入转速=3600转/分钟输出转速=36转/分钟输出转矩450TB/N*m输入轴直径=18h6输出轴直径=45h6输入轴长度=28毫米输出轴长度=48毫米总长度L=240毫米高度220毫米宽度180毫米螺栓数目n=4螺栓直径M14输入轴键A=6*25输出轴键B=14*624.3振动机构通过曲柄滑块的转化，圆周运动就变成了振动滑筒的线性往复运动；可调摇杆通过液压传动上的连接筒与曲柄滑块机构连接，从而能够实现振动的效果。 当知道各部分的尺寸、位置情况和原动件运动的规律的时候，去求解装置其他部分各处的轨迹、位移、加速度参数,来判定装置能否达到使用需求。现对本装置使用的曲柄滑块机构分析如下：4.3.1动力学特性分析图4-1 曲柄滑块机构从曲柄r传到连杆l上的力与滑块发出的压力 (41)和的关系： (42)结合式4-1和式4-2： (43)转矩T： (44)所以： (45)联合（4-1）、（4-4）和（4-5）式，则 (46) (47)通常l4r，故lr，此时，角趋近于零。则： (48)由于，则 (49)4.3.2运动学特性分析图4-2 曲柄滑块机构定义A为坐标原点，AC连线方向为X轴正方向。瞬时t时机构的位置如图。 (410)C点矢径投影： (411) (412)由图可得： (413)故： (414)为曲柄和连杆长度的比值。且，故： (415)进行估算： (416) (417)求导可得： (418) (419)其中都是的周期函数。4.4液压系统设计体积压缩系数：单位压力变化时液体体积的变化量。图4-3液压传动示意图弹性模量K：单位体积变化时需要的压力增量。则：粘性：流体在外力作用下流动时，分子间的内聚力为了阻碍分子的相对运动而产生的一种内摩擦力。相邻两油层间的内摩擦力：式中：比例常数，称粘度系数或动力粘度。速度梯度，即液层相对速度对液层距离的变化率。切应力：液体的粘度, 当时，u=t（2）运动粘度：液体动力粘度与其密度的比值，称为运动粘度。=/图4-4 帕斯卡原理示意图帕斯卡定律主要内容是密闭的容器内液体向各个方向压强相等