毕业设计（伦文）-莲藕采摘收获机设计

杭州电子科技大学信息工程学院本科毕业设计PAGEⅡ杭州电子科技大学信息工程学院本科毕业设计Ⅰ摘要莲藕是一种可以食用的水生蔬菜，在我国种植面积和产量都很大，不仅如此，它还有很大的药用价值。莲藕的收获是莲藕种植的关键环节，具有收获环境复杂、收获难度大以及需要短期收获的特征，所以会伴随很多问题为减少甚至避免这种情况发生。目前莲藕收获仍然存在自动化程度不高、劳动强度大等问题，莲藕收获时，因为各方面的问题，各种因素影响藕民的采摘，这是我们不希望看到的。本设计将进行文献调研、初步设计确定1-2个结构方案、分析比较、完成装配图绘制、进行三维建模、进行关键结构设计和强度校核等工作。本毕业设计主要设计一款莲藕采摘收获装置，主要由采摘装置、收获装置、船身等组成。其中采摘装置、收获装置为本设计的重点，基于现在市面上的一些结构进行创新设计或优化，以所学知识进行相关参数收集与设计校准并整合，综上本设计旨在利用机械化对莲藕采摘收获这一关键的环节进行优化。关键词：莲藕采摘；机械结构；农业机器ABSTRACTLotusrootisanedibleaquaticvegetablewithalargeplantingareaandoutputinChina.Notonlythat,italsohasgreatmedicinalvalue.Theharvestingoflotusrootsisacrucialstepinlotusrootcultivation,characterizedbycomplexharvestingenvironments,highdifficulty,andtheneedforshort-termharvesting.Therefore,manyproblemsoftenarise.Currently,therearestillissuessuchaslowlevelsofautomationandhighlaborintensityinlotusrootharvesting.Duringtheharvestingprocess,variousfactorsaffectthepickingoflotusrootsbyfarmers,whichisundesirable.Thisdesignwillinvolveliteratureresearch,preliminarydesigntodetermine1-2structuralschemes,analysisandcomparison,completionofassemblydrawing,3Dmodeling,keystructuredesign,andstrengthverification.Thisgraduationdesignmainlyfocusesonthedesignofalotusrootpickingandharvestingdevice,whichmainlyconsistsofapickingdevice,aharvestingdevice,andaboatbody.Amongthem,thepickingdeviceandtheharvestingdevicearethekeypointsofthisdesign.Basedonsomeexistingstructuresonthemarket,innovativedesignsoroptimizationswillbecarriedout.Relevantparameterswillbecollectedanddesignedbasedontheknowledgelearned,andthenintegrated.Insummary,thisdesignaimstooptimizethekeystepoflotusrootpickingandharvestingthroughmechanization.Keywords：lotusrootpicking;mechanicalstructure;agriculturalmachine--PAGE22-Ⅲ目录TOC\o"1-3"\h\u21991绪论 180751.1研究背景及意义 2101511.2国内外研究现状 214981.2.1国内研究现状 2121261.2.2国外研究现状 3121371.3本文研究的主要内容 478581.3.1研发方向和关键技术 448741.3.2主要技术指标 4322782莲藕采摘收获机工作原理及结构方案设计 5308862.1莲藕采摘收获机结构方案设计 5230532.1.1莲藕采摘部分结构设计 5302142.1.2莲藕收获部分结构设计 618582.2莲藕采摘收获机工作原理 7294472.2.1莲藕采摘部分工作原理 793352.2.2莲藕收获部分工作原理 8308113莲藕采摘及收获部分的结构设计 9124843.1水泵选型与分析 9259123.2能量损失计算 102573.2.1沿程能量损失的计算 10193703.2.2局部能量损失的计算 12300333.3莲藕收获装置设计要求 13287793.4莲藕收获装置的整体尺寸参数的确定 1361764电机的选型 1647074.1转矩分析计算 16230734.2转动惯量分析计算 16325784.3伺服电机的选型 17314894.4驱动电机的选型 18260655结论与建议 19278835.1结论 1971515.2建议与展望 2112572参考文献 2232087致谢 23

1绪论在“三农”工作不断深化的今天，我国的农业生产规模不断扩大，机械化程度不断提升，农机越来越趋向于人性化和智能化。今后，国内对农机智能化的要求越来越高。莲藕是一种非常重要的水产蔬菜，在我国南方广泛种植，其经济和营养价值都很高。但是，莲藕虽然美味，但是挖掘起来却非常困难，因为它的生长环境比较寒冷，再加上淤泥和水深，加上机械化程度不高，所以目前的莲藕都是以手工挖掘的方式来完成的。为改变传统挖藕效率低下、劳动强度大的挖藕方法，近几年国内外学者根据不同的需要，研制出了浮筒、大型船式挖藕机械等。然而，大型的挖掘设备成本较高，运行稳定度不高；目前，国内多以高压水炮或人工挖藕的方式来完成，机械化程度不高。而莲藕为中空结构，密度比水小，通过浮力就能实现与土壤的分离，随后需要人工拾取。传统的人工采摘方式，作业环境恶劣，工作效率低，成本高。所以，为促进我国莲产业的深入发展，亟需开发一种操作简便、高效的机器。藕收获是影响藕质量的一个重要步骤，其收获环境复杂，作业难度大，收获周期较短，而且在收获过程中，土壤中的藕体结构复杂，在收获过程中很容易损伤，而且在收获过程中，很容易将藕的内部弄脏，很难被清理干净，而且味道也不好，而且保存的时间也很短，会影响到它的质量和售价。另外，由于莲藕不能适时采收，就容易烂掉，给农民带来很大的经济损失。本项目拟采用结构化的方法进行藕收作业，以达到降低作业强度，提高作业效率的目的。整体上分为采收、采收两个部分，按结构设计可分为冲刷结构、收集结构、输送结构、收集装置。工作原理为启动机器，打开水泵将水抽上来，将高压水通过喷头打下去冲散泥土，莲藕上部覆盖的泥土将无法再束缚莲藕，莲藕失去泥土束缚后将浮出水面。推动机器行走，利用收获装置将莲藕收获上来。通过传动带将收获好的莲藕传送到收集仓内，实现莲藕的采摘。主要问题为冲刷装置的结构设计，利用什么方式能实现清除淤泥、采摘收集时用什么装置更有效以及运输时采用什么结构的装置以减少对莲藕的损伤，防止莲藕破裂导致泥土进入破坏莲藕的价值。

1.1研究背景及意义经过近几年来，我国机械行业发展迅速，涌现出了一批性能优良的机型，并在此基础上进行了推广。随着莲藕种植规模越来越大，但是农村劳动力的减少与人工成本提高，莲藕装备的升级与技术改进应与时俱进。经过研究，未来莲藕采摘收获机有以下几个方面的发展趋势：（1）开发切割藕秆的功能，可同时切割和采摘，提高前进的效率，并减少对莲藕的损伤。（2）冲刷系统应具有全方位自动调节的功能，并能在一定程度上实现对水量大小的控制调节，在实现对淤泥的充分冲刷的前提下节约能源。（3）规范莲藕区域标准化种植模式，制定莲藕收获机的标准要求。部门应对莲藕品种进行地区化的种植管理便于机器区域化的进行作业。（4）深化莲藕采摘收获机的研究。在收获机整体结构上能具备移动和行走装置，可进行灵活地作业。（5）同时，随着科技不断发展完善，各项技术相得益彰，莲藕的收获应趋向更为智能全面、集机械化和自动化的方法。以后或将采用传感技术、机械视觉技术、自助导航系统等技术，提升莲采收机械的智能化程度，达到自动导航、准确定位、藕采挖和自动采收的目的，使功能越来越完善，从而减轻工作人员的劳动强度，提高收获效率，减轻藕损，提高收藕率。1.2国内外研究现状1.2.1国内研究现状2001年南通江华机械有限公司研制的4OZ-3型自走式水压莲藕掘取机[1]，由田间自走式水力作业机和岸边水泵机组2部分组成，其间由供水软管连结，行走轮采用密封结构，保证作业机的低接地压力，以适应淤泥土壤。2007年王维[2]设计了一款4SWO－1.2型船式水力挖藕机，如图1-1所示，主要包括蓄电池、船体、挂钩、卷筒、柴油机、柴油机水箱、摆动机构、分水器以及水枪等部件组成。1．船体2．挂钩3．卷筒4．柴油机水箱5．柴油机6．液压系统7．摆动机构8．分水器9．水枪10．水槽11．水泵12．蓄电池图1-14SWO-1.2型船式水力莲藕收获机Fig.4SWO-1.2boat-typewaterpowerlotusdiggingmachine2008年华中农业大学研制的4CWO-3.2型船式挖藕机[3]由船体和安装在船体上的动力驱动装置、水力装置、传动装置、挖掘装置、行走装置以及操纵装置等组成（图1-2）。它利用喷嘴的运动上下反复，不断喷刷泥土，莲藕随之浮出水面并变速箱带动行走叶轮和双螺旋轴，通过滑道滑杆带动喷嘴运动，实现多角度喷洗。由于该机构是对称结构设计，采用了左右两组装置，故工作效率高的同时还能保持一定的稳定性，能在水中更好的运行，能提高其在水上的安全性和机动性。图1-2船式自动挖藕机结构简图Fig.2Structurediagramofboat-typeautomaticlotusdiggingmachine2009年公开的4CW-2.6型船式挖藕机[4]由动力机械、高压水泵、喷射装置、挖藕支架、行走控制系统、液压操作机构和船身等组成。2017年，南京林业大学机械电子工程学院刘鹏[5]等设计了浮筒型液力驱动莲藕收获机(图1-3)，通过汽油机向水泵等输送动力，分别由浮舱、喷射系统、蓄水装置、动力系统和操作系统组成。这种较新型的收获机由于其本身的实用性、结构简洁，并且价格也能接受，所以在市面上很受藕民的青睐。图1-3浮桶鸭嘴式挖藕机(W-FPZ-1200C)1.2.2国外研究现状在上世纪80年代，日东工业所研制了Ⅰ型喷流式、Ⅱ型宽幅式和Ⅲ型泵定置式三种莲藕收获机。Ⅰ型喷流式分为船身与水泵以及驱动的部分，其中驱动部分与岸边相连，利用岸上的操作进行运动。Ⅱ型宽幅式在I代基础上进行升级改造，分为船身、水泵、驱动装置和牵引装置，在原有基础上新加的牵引装置能够让藕民在船体上进行牵引，大大减少Ⅰ代的弊端、操作更便捷。Ⅲ型为泵定置式莲藕收获机有机身、水泵、发动机以及喷头，喷头为带螺旋桨的结构，能实现多角度喷射，它的运动方式有两种分别为自走式或牵引式，且需要两个藕民两两配合才能工作。其中Ⅰ型和Ⅱ型收获机工作效率为人工的4倍左右，Ⅲ型收获机工作效率为人工的3倍左右，在效率上提高了很多，但是由于造价等问题，国内并没有引进和采用日本的机器和方式。1.3本文研究的主要内容本设计以实现莲藕采摘收获机的各功能结构的应用包括冲刷结构、采集结构、传输结构、收集装置为主要设计内容，主要在结构构思上实现。整体上取消传统的履带结构，也放弃了车轮式的设计，采用了船型结构以适应水中作业的环境，能防止淤泥阻挡以及极大程度下减少对水下莲藕的破坏。同时依靠电机带动螺旋桨能实现短途的移动，移动时更省力。在冲刷结构上采用离心式水泵抽水，排水时考虑了喷头的位置、方向、角度；在采集结构中考虑到不同的结构如滚筒式、抓取式、阶梯式，其中滚筒式不能保证大小莲藕均能成功收获，工作效率低；阶梯式虽然结构上能实现莲藕的采摘但是动力方面无法保证，且容易将莲藕的结构破坏，更适用于强度硬度高的其他作物；抓取式以机械臂为主，能实现抓取的前提需要利用其他技术的配合如算法识别相关的内容，将大大增加工作量，不适合本设计内容。故最终选择用曲柄摇杆机构来实现，依靠伺服电机的来回运转实现急回运动；在传输结构上，采用传送带和皮带轮的形式，依靠电机带动；在收集装置上通过整体结构的安排能实现合理的收集同时排出多余的污水。1.3.1研发方向和关键技术（1）采摘结构部分的结构形式及参数尺寸（2）收获结构部分的结构形式及参数尺寸（3）运输时采用什么结构的装置以减少对莲藕的损伤，防止莲藕破裂导致泥土进入破坏莲藕的价值1.3.2主要技术指标（1）船身：长约1650mm宽约1100mm高约220mm最大排水量约59.43升（2）伺服电机：松下1.5KW伺服电机MHMF152L1H62JL10（3）出水管直径58mm喷头直径16.5mm

2莲藕采摘收获机工作原理及结构方案设计莲藕采摘收获机是集采摘收获功能一体的机器，其工作原理是利用离心水泵将水抽上来，将高压水通过喷头打下去冲散泥土，莲藕上部覆盖的泥土将无法再束缚莲藕，莲藕失去泥土束缚后将浮出水面。推动机器行走，利用收获装置将莲藕收获上来。通过传动带将收获好的莲藕传送到收集仓内，实现莲藕的采摘。莲藕采摘收获机的组成框图，如图2-1所示。本设计分为4个部分，分别为冲刷结构、采集结构、传输结构、收集装置，各环节依靠结构进行连接。冲刷结构冲刷结构传输结构采集结构收集装置图2-1总体结构框图2.1莲藕采摘收获机结构方案设计为了更直观地展示莲藕采摘收获机工作原理以及相关的设计结构，本文对莲藕采摘收获机进行了三维建模。莲藕采摘收获机中伺服电机和驱动电机成熟，只需控制伺服电机进行45°与90°角的来回运转即可，本文不再对其进行研究。主要对其中较重要的采摘部分和收获部分进行设计和研究分析。机器包括冲刷结构、采集结构、传输结构、收集装置等。冲刷结构作为莲藕采摘收获机的首要工作部位，包括进水管、出水管、离心水泵、电机、喷头、法兰、密封环等部件，能实现将莲藕的淤泥冲刷掉让莲藕浮到水面的效果；采集结构由采集板、曲柄摇杆机构、伺服电机、固定座等组成，可实现收集浮在水面的莲藕的功能；传输装置包括传送带、皮带轮、同步轮、主动轴、从动轴、支板、侧板、深沟球轴承等组成主要负责莲藕运输；收集装置主要实现莲藕的收集功能，主要由收集仓实现。同时船型结构的莲藕采摘收获机配有相应的电机和螺旋桨，可以实现简单的水上运动，减少推机器做的额外的劳动。2.1.1莲藕采摘部分结构设计莲藕采摘部分结构模型如图2-2所示，其由出水管、入水管、喷头、离心泵、电机、滤网等组成。吸水管从水中吸水，通过滤网过滤脏东西，再通过电机带动下的离心泵让出水管射出高压水流喷散淤泥。同时吸水管也有滤网这一过滤装置，既能防止藕茎和泥土被吸进入水口破坏水泵，又能减少对藕表皮的损伤程度，减少对莲藕品质的影响，提高经济效益。图2-2采摘结构模型图2.1.2莲藕收获部分结构设计莲藕收获部分主要核心部分为双摇杆机构和传送装置。双摇杆机构模型如图2-3所示，其由摇杆、伺服电机、固定支座、采集板等组成。通过伺服电机带动四杆机构进行45°至90°的反复来回运动，实现采集板的上下运动，浮在水面上的莲藕由该装置收集上来，同时由于采集板为镂空设计，故多余的水不会过被带到装置上，提高工作的效率。图2-3双摇杆机构模型图传送装置模型图如图2-4所示，其由皮带、皮带轮、同步轮、主动轴、从动轴、支板、侧板、深沟球轴承、电机等组成。电机带动小皮带转动，通过轴承将运动传递到主动轴，主动轴通过大皮带和皮带轮带动从动轴转动，实现皮带的运动，将收集上来的莲藕运输到机器内，并收集到收集仓内。图2-4传送装置模型图2.2莲藕采摘收获机工作原理莲藕采摘收获机工作时，由工作人员驾驶机器开到指定作业点，启动按钮，采收电机启动，启动机器，打开水泵将水抽上来，将高压水通过喷头打下去冲散泥土，莲藕上部覆盖的泥土将无法再束缚莲藕，由于莲藕本身的中空结构产生的浮力，会使其自动浮出水面，四杆机构带动收集板将莲藕收获到传送带。同时工作人员也可推动机器行走，通过传动带将收获好的莲藕传送到收集仓内，至此莲藕采收完成。2.2.1莲藕采摘部分工作原理喷水能让莲藕周围的淤泥被冲散，莲藕由于是中空的，在浮力作用下会浮起来，如下图2-5的莲藕为例，图2.5a中是待采的莲藕；图2.5b中是工作情况下喷头的水开始冲散淤泥；图2.5c淤泥在高压水的冲散下不断减少，莲藕受到的阻力变小；图2-5d中莲藕与淤泥分离，莲藕于是浮出水面即可由双摇杆机构进行工作，双摇杆机构在步进电机的带动下进行45°到90°往复运动，实现莲藕的打捞采摘。图2-5射流系统工作原理图下面对莲藕的受力进行分析：莲藕表面在作业过程中受到的力大致如下图2-6所示，其受到了本身的重力G、淤泥的附着力F1、水的浮力F浮、淤泥层的y轴法向力F2，由此可以看出莲藕采摘的环节下需依靠喷水来实现莲藕受力的变化。图2-6莲藕垂直表面作用力图莲藕所受垂直力合力的计算公式如下（2.1）所示： F=F浮+F2-F1-G (2.1)当合力F＞0时莲藕就会向上运动至水面，当正好摆脱淤泥时，力F1和F2均为0，当莲藕开始浮出水面时F浮减小直到F浮=G时莲藕停止运动实现动态平衡。2.2.2莲藕收获部分工作原理莲藕在采摘环节结束由双摇杆机构将其运到传送带装置，传送带由其驱动电机带动，小皮带转动，通过轴承将运动传递到主动轴，主动轴通过大皮带和皮带轮带动从动轴转动，实现皮带的运动，收集到收集仓内。

3莲藕采摘及收获部分的结构设计3.1水泵选型与分析扬程是水泵性能指标之一，可分为出水扬程、吸水扬程等，这里我们讨论出水扬程。可以说，扬程越大水泵性能越好，出水扬程为水泵出水的高度，即水泵中心到上位水面的高度。根据水泵的特征曲线，通过判断扬程和流量，农业上主要分为以下几种水泵：（1）轴流泵：有立式、卧式、斜式及贯流式数种，用于流量大且流程小的情况（2）混流泵：介于离心泵和轴流泵之间，用于中距离流程（3）离心泵：流量小且流程小，用于小型作业场景[6]。本机器结构设计将采用离心泵。在不考虑气蚀现象的情况下，离心泵具有清洁节能、成本低、使用范围广、结构简单易维护、运行平稳的优点。离心泵能实现莲藕采摘所需且能减少机器重量，莲藕种植在清水中，水中含有一定的泥沙与莲藕的茎秆，离心泵能很好适应其工作环境。离心泵由泵体、叶轮、泵轴、进水管、出水管、电机等构成，其结构如图3-1所示。其工作原理主要是依赖电机旋转产生的真空吸力来推动水的运动，达到供水的目的。1.进水管2.叶轮3.泵体4.泵轴5.出水管图3-1离心泵结构示意图根据查找相关资料，选用IS8065-125(I)A离心泵，具体参数见表3-1。扬程H为16m，流量Q为45m3/h，转速为2900转/分，其效率η为71%，清水的密度ρ为1000千克/立方米，所以其功率根据公式P=ρgQH/1000η=9.94kw[7]。表3-1IS8065-125(I)A离心泵参数参数名称规格参数参数名称规格参数流量Q45m3/h扬程H16m转速2900转/分效率η71%查机械设计课程手册[8]得，电动机的总效率可以通过公式3-1计算 ηa=η1η2η3ηvηw （3.1）式中：ηa——电动机至卷筒主动轴的总效率η1——联轴器的效率，η1取0.99η2——滚动轴承的效率，η2取0.99η3——闭式圆柱齿轮的效率，η3取0.98ηv——带传动的效率，ηv取0.96ηw——卷筒的效率，ηw取0.97经计算得ηa=0.885经计算得出水泵所需的配套功率为：9.94/0.885=11.23kw。推算水泵的实际流量Q为27.54m3/h。3.2能量损失计算液体在流动时动力会转换成压力，这些压力也会产成热量，使得液压内系统温度升高产生效率损耗。莲藕采摘收获机的管路系统主要包括进水管、出水管、横水管、高压喷头等，根据边界条件的不同，能量损失的总和为产生的沿程能量损失和局部能量损失之和[9]。即： hl=hf+hj (3.2)其中，hl为损失的总能量，hf为沿程压力损失的能量，hj为局部压力损失的能量。3.2.1沿程能量损失的计算沿程能量损失是液体在等直径管中流动是因黏性摩擦和外摩擦而产生的压力损失。在入水管和出水管会出现沿程能量损失。其中入水管长度为0.645m，出水管长度为1.678m，即可进行相应的压力损失计算。（1）入水管压力损失的计算根据公式： hf=0.88×105×lQ1.8/d4.8 (3.3)式中：l——长度，m；d——内径,mm；Q——流量，m3/h；入水管的流量Q为27.54m3/h，管道内径为58mm。将数值代入式3.3中，计算可得hf1=0.055m。（2）出水管道压力损失计算沿程能量损失根据达西公式[10]如下： hf=λL/d×v2/2g (3.4)式中：λ——沿程阻力系数；L——管道长度，m；d——管道直径，mm；v——管道平均流速，m/s；g——重力加速度，m/s2由公式中可以看出核心问题是计算沿程阻力系数λ[11]，由公式λ=64/Re得出，且流体在各种管道内的沿程阻力系数λ可由管道内壁的相对粗糙度ε/d与雷诺数Re[12]得出，同时需要查找对照莫迪图[13]如图3-2所示。雷诺数Re的值也可由公式Re=v*d/v确定，其中v为运动黏度。图3-2莫迪图出水管道的水流速度计算公式[14]： v=Q/A=4Q/πd2 (3.5)式中：d——管道内径,mm；Q——流量,m3/s；设计的射流系统有7个出水口，其单个出水口的流量Q为0.001m3/s，出水口管道内径为16.5mm。将参数带入到式3.5中，计算可得v=4.68m/s。令莲藕采摘收获机外界的作业环境温度取15°，水的粘度ν=1.14MPaS[15]，水的密度为ρ=1×103kg/m3雷诺数Re计算公式如下： Re=ρvd/μ (3.6)式中：ρ——流体密度，kg/m3；v——流体速度，m/s；d——特征长度，mm；μ——粘性系数，Pa⋅s；查表并代入上式3.6中计算可得管道内雷诺数Re=67737>2000，当计算出的雷诺数Re小于临界雷诺数Rec时，判断液体的流动状态为层流，反之为湍流[16]。故莲藕采摘收获机机的入水口水流状态为湍流。查找数据可得常见的橡胶软管的当量绝对粗糙度[17]为0.01mm≤C≤0.03mm，取C的中间值0.02mm，代入得 C/d=0.02/58=0.00034 (3.7)通过计算得出Re=67737，C/d=0.00034，根据查找描述达西摩擦因子与雷诺数及相对粗糙度之间关系的莫迪图可知摩擦阻力系数λ=0.016，带入式3.4可得，hf2=0.186m3.2.2局部能量损失的计算液体流经管道的弯头、接头、突变截面及阀口时，流速和流向会发生剧烈的变化，形成漩涡和强烈的紊流现象，这种使液体质点相互撞击而造成的压力损失称为局部压力损失[18]。本文的莲藕采摘收获机局部能量损失主要存在于管道出入口，其计算可以用公式： hj=ξv2/2g (3.8)式中：ξ——局部阻力系数；v——断面平均流速，m/s；g——重力加速度，m2/s；（1）入水口局部能量损失的计算水泵软管连接处出水口水流平均流速计算： v=Q/A=4Q/πd2 (3.9)ξ可以查局部阻力系数表得为0.35，直径d为58mm，其流量Q为0.007m3/h。代入上式3.9中，计算可得断面平均流速v=2.65m/s。代入公式3.8计算可得入水口局部能量损失为hm1=0.125m。（2）出水口局部能量损失计算同理通过查阅局部阻力系数表取出水口ξ=0.35，直径d为58mm，得出其出水口断面平均流速v=2.65m/s，代入公式3.8中计算可得出水口局部能量损失hm2=0.125mm。根据上述公式3.2中计算总压力损失 hi=0.055+0.186+0.125+0.125=0.491m根据水泵的参数表可得扬程H0=16m，所以水泵的实际扬程计算： H=H0-hi=16-0.491=15.509m (3.10)水泵泵压的计算公式计算： P=ρgH (3.11)式中：P——泵压，Pa；H——扬程，m；由上述可得实际工作时P为0.14MPa。根据肖科星团队对莲藕物料特性的实验研究[19]得出莲藕的最大抗压强度极限平均值为2.71MPa,设计水利平台实验时，在莲藕上的水流压强需小于2.22MPa。所以可以选用ISO65-125(I)A离心泵型水泵。3.3莲藕收获装置设计要求收获装置应能实现莲藕的顺利运输，将其从通过采集结构和传输结构实现从冲刷结构到收集结构的过渡过程。3.4莲藕收获装置的整体尺寸参数的确定收获装置分为以四杆机构为主的采集结构，以及以传送带为主的传输结构，其参数需满足采摘结构与收集结构的参数大小并与之配合工作。四杆机构由机架，双摇杆以及连杆组成。同时依靠两根连杆将摇杆作为连接件将机架与采集板连接起来。此机构将其中摇杆A设计成为三角形，便于连接的同时强度更稳定，其尺寸为150mm，500mm，400mm，厚度为20mm。其中摇杆D为一普通杆，长400mm，宽20mm，厚20mm。连杆B也设计成一三角形，其尺寸为200mm，500mm，600mm，厚度为20mm。连杆C用于连接四杆机构与收集板，其尺寸为长500mm，宽20mm，厚20mm。机架E为凹形结构同时中间镂空，便于摇杆的运动。如图3-3所示：验证是否满足双摇杆机构条件：由机械原理[20]相关知识可知，需满足：四边首先需符合四边形定义的长度范围，即能形成四边形，随后分情况讨论：第一种情况，当连杆为最短杆时，有最长杆+最短杆的长度≤其他两杆长度和第二种情况，最长杆+最短杆的长度>其他两杆长度和，此时不满足四杆机构判断的冲要条件，均为双摇杆机构。此机构机架为200mm，双摇杆为400mm，最短杆为100mm，故满足双摇杆结构，能实现运动。如下图3-3初始位置示意图所示，a、b、c、d与a、b、e、c分别形成两组四杆机构的四个端点，其中a，b分别为机架的两个支点，点a为原动件，杆组进行顺时针运动，此时点c受两个连杆的反力。图3-3初始位置示意图图3-4为该机构工作位置示意图，此时∠cab形成45°极限位置，点a在伺服电机的带动下停止向顺时针运动，并进行反向运动实现收获。图3-4工作位置示意图在运输方面该机构设计了传送带装置由电机带动实现运动，传送带长440mm，包括传送带、皮带轮、同步轮、主动轴、从动轴、支板、侧板、深沟球轴承等组成主要负责莲藕运输驱动电机带动小皮带转动，通过轴承将运动传递到主动轴，主动轴通过大皮带和皮带轮带动从动轴转动，实现皮带的运动，将收集上来的莲藕运输到机器内，并收集到收集仓内。图3-5为莲藕的受力示意图。图3-5莲藕受力示意图其中传送带倾斜角θ=12.9°，m为莲藕质量假设为500g，Fn莲藕所受的法向支持力，f为所受传送带的摩擦力，摩擦系数μ＜tanθ=0.229。传输结构根据需求并查阅资料[21]筛选了几种方案例如液压传动与气压传动，最后选定用更经济的摩擦传递即皮带轮的方式。如图3-6所示为传送带模型局部示意图。

图3-6传送带模型局部示意图该传送带属于平带传动的类型，便于制作、成本低、结构简单且维护成本低。故基于设计效率起见该结构采用平带传动。其中电机带动同步轮转动，在小皮带的基础上再连接一个皮带轮带动主动轴的运动，此小皮带的设计可将电机进行灵活的摆放，通过挡板来固定，大大提高灵活度。其中主动轴与从动轴分别采用2个深沟球轴承支撑转动，深沟球轴承有摩擦系数小，最大转速高，结构简单易制造、精度高的优点，且尺寸范围大，维护成本低。在普通平带传动的基础上，本设计加入了一定的角度α=12.9°，此设计能让多余的水能够排出，提高工作效率。图3-7传送带装置模型右视图同时，如图3-7所示为传送带装置模型的右视图，本设计在原有挡板的基础上增加了张紧的结构，在电机安装板与侧板的安装部位开了两个槽，在一定范围内能实现小皮带轮的调节，在加工与安装环节能更加高效便利。

4电机的选型4.1转矩分析计算选用电机时应对电机所受转矩进行分析，对于皮带轮的驱动电机的选用，其计算过程如下，其中转矩计算公式： T=F*D/2*D2/D1*K (4.1)其中T为转矩，F为驱动力N，F加=f+ma（水平），F加=f+ma+mg（垂直），D=D1=D2=39mm，K为安全系数，K≥1.5，本文取K=1.5。由于皮带轮应匀速转动且存在倾斜角α=12°，故实际驱动力N1=mgsinα。设每个莲藕的质量为500g，以极限情况下同时运输10个莲藕为例，由此计算得出皮带轮电机所需转矩为0.3N·m。同理，选用螺旋桨电机计算过程如下： T=9550*P/n (4.2)式中：T—转矩，N·m；P—功率，kW；n—额定转速，r/min；其中P取0.5kW，n取1000，故T=4.78N·m4.2转动惯量分析计算选用电机时应对电机所需转动惯量进行分析，其中皮带轮模型可看作圆柱体，对于皮带轮的驱动电机的选用，其计算过程如下。 Iz=m轴r2/2 (4.3) J=JM+J轮=(mD2/4+JD1+2*JD)/(D1/D2)2+JD2 (4.4)其中Iz为轴的转动惯量Iz=JD=JD1=JD2,单位为kg·m2;D为传动轴与同步轮直径，D=D1=D2=39mm;JM为传送莲藕时的转动惯量,单位为kg·m2;m轴取1000g，m取500*10=5000g。计算得出J=1901Kg·m²图4-1皮带轮示意图

4.3伺服电机的选型本设计在采集装置时将利用伺服电机带动，参考公式（3.1）将选定松下MHMF152L1H62JL10伺服电机，该电机额定转矩远大于四杆机构所需转矩。电机相关参数如下表4-1所示：表4-1松下MHMF152L1H62JL10伺服电机相关参数参数名称参数规格参数名称参数规格额定转速(r/min)2000电压规格(V)200最高转速(r/min)3000额定转矩(N·m)7.16额定功率(W)1500重量(kg)9.2其转矩特性如图4-2所示：图4-2松下MHMF152L1H62JL10伺服电机转矩特性其外形尺寸图如图4-3所示：图4-3松下MHMF152L1H62JL10伺服电机外形尺寸图

4.4驱动电机的选型本设计在传送带传输过程中以及螺旋桨运动时均用到电机的驱动，由于运动简单，故均可选用普通直流电机。参考公式（3.1）且结合公式（4.1）与（4.4）计算所得，其中传送带的电机选用德马克130系列直流无刷电机型号为DB130-【】-1200-30S，其具体参数见表4-2：表4-2德马克DB130-【】-1200-30S电机相关参数参数名称参数规格参数名称参数规格额定转速(r/min)3000额度电压(V)48额定电流（A）33机身外形尺寸（mm）105额定功率(W)1200额定转矩（N·m）4结合公式（4.2）计算所得螺旋桨的电机选用国标佳璇三相0.75KW-2极电机，其具体参数见表5-3：表4-3国标佳璇三相0.75KW-2极电机相关参数参数名称参数规格参数名称参数规格额定转速(r/min)2800额度电压(V)380马力（HP）1机身外形尺寸（mm）295*225*165额定功率(W)750轴（mm）19

5结论与建议5.1结论本文归纳总结了莲藕采摘收获机国内外的研究现状，对研究背景以及意义进行了解，同时对莲藕采摘收获机的结构和工作原理进行分析，对采摘收获的关键部件进行初步设计，旨在用科技创新来改善人们的生活。本文主要开展的研究内容有以下几点：查阅了大量的相关文献资料，对莲藕的生长环境有了一定的了解，对目前种植的现状有初步的认识。认真学习并复习了学到的相关知识，例如机械设计、机械原理、液压与气动控制等相关课程。建立了莲藕采摘收获机的三维模型，并绘制了相关的图纸，阐述了工作原理和结构组成。对水泵进行了选型，计算管道总能量损失，确定了水泵的实际扬程。过程中碰到许多抉择与困难，例如结构的选择以及如何选型的问题，在多次尝试与不断努力下终于成功设计了初步的方案。在老师的帮助下多次修改本设计机构与论文相关内容，受益匪浅，对科学研究有了进一步认识。最终结构设计模型如图5-1，5-2，5-3，5-4所示。图5-1整机模型主视图图5-2整机模型俯视图图5-3整机模型右视图5-4整机模型示意图5.2建议与展望这次毕业设计的机会对我来说既是机遇也是挑战。这次毕业设计让我有机会应用书本学到的知识，对于机械专业相关的从业也有很大的帮助。虽然在过程中我感受到了困难，例如面临选型、结构构型、参数分析等问题，但是在老师的帮助下以及我坚持不懈的努力，看了许多国内外的文献以及复习了以前学习的知识，不断攻坚克难，终于有了一定的研究成果。由于时间、水平和经验有限，在只能分拣识别方面还是有欠缺，希望以后能加强学习，不断完善自己并完善这次设计，争取以后能更进一步。同时，希望国内机械方面能够越来越强大，争做世界机械强国，我也有为国做贡献的决心，希望有机会为国争光。

参考文献[1]周良墉．4OZ-3型自走式水压莲藕掘取机[J].农业机械,2002,(8):58.[2]王维．4SWO－1.2型船式水力挖藕机的研制[D]．南京：南京农业大学，2009．[3]黄海东，张国忠，夏俊芳等．4CWO-3.2型船式挖藕机的研制[J]．湖北农机化，2008,(3):24-25.[4]邵连珠，马加才．4CW-2.6型船式挖藕机研制使用情况调查[J]．山东农机化,