玉米秸秆保留型收割榨汁机挤压榨汁系统的设计

玉米秸秆保留型收割榨汁机挤压榨汁系统的设计摘要：目前，国际上尚不存在集玉米收割、秸秆榨汁功能一体的联合收割机，此类玉米秸秆保留型收割榨汁机的出现能对玉米秸秆进行资源再利用。为了延长压榨时间，利用偏置曲柄滑块机构的急回特性，滑块驱动另外两滑块沿着榨汁槽水平方向朝相反方向压榨破碎秸秆，双向压榨能够平衡水平方向的作用力。两套压榨系统错时工作的方式能够在保证满足生产要求的情况下将整套压榨系统的峰值功率大大降低。此外，通过对甘蔗出汁率的实验探究，发现压缩比例达到1/7的时候，出汁率达到60％以上，符合设计要求。收割速度两档可调，生产效率处在10亩/小时-20亩/小时之间。关键词：玉米秸秆；榨汁；收割机；曲柄滑块AbstractAtpresent,thereisnotaharvesterwhichcombinescornharvestwiththestrawstalk-juicing.Thiskindofharvesterwhichhastheabilitytojuicethestrawstalkwouldturnthestrawstalkintoreusingresources.Toextendthetimeofpressing,fast-returningcharacteristicofOffsetslider-crankmachanismisused..TheSliding-blockdrivestheothertwoslidingblockstomoveintheoppositedirectionandsqueezebrokenstrawalongthejuicinggroove.Juicingthestrawstalkintwooppositedirectioncanbalancetheforceinthehorizontaldirection.twosetsofjuicingsystemworkindifferenttimetomeettherequirementofproductionandreducethepeakpowereffectively.Besides,thesugarcane-juicingexperimentshowedthatwhenthecompressionratewas1/7thejuiceyieldreachedupto60％.Itcompliedwiththerequirementofproduction.Thespeedofharvestingwasadjustablebetweentwolevels.Thiskindofharvesterisabletoharvestthecorninaspeedof10mu/hour-20mu/hour.Keywords：cornstrawstalk；juicing；harvester；crankblock目录TOC\o"1-3"\h\u8870一.绪论 一.绪论1.1课题背景玉米起源于美洲大陆，原产地是墨西哥或中美洲。哥伦布发现新大陆后，把玉米带到了西班牙，随着世界航海业的发展，玉米逐渐传到了世界各地，并成为最重要的粮食作物之一。近来有的国家把玉米奉为“国宝”。我国玉米种植形式多样分布之广[1]，东北、华北北部有春玉米，黄淮海有夏玉米，长江流域有秋玉米，在海南及广西可以播种冬玉米，海南因而成为我国重要的南繁基地，我国是最成功的利用玉米杂交种的国家之一，除边远地区外，都已采用了杂交种。随着高产、抗逆的优良玉米杂交种不断选育成功与推广，水利设施的不断完善，化肥、农药施用水平的提高，以及养殖业、加工业大量需求的拉动，我国的玉米种植面积迅速扩大，产量急剧增长。广阔的玉米种植面积带来了更多的玉米秸秆，而传统的处理方式除了破碎还田，就是作柴火焚烧。现今已经有成熟的技术将秸秆榨取的汁液通过一系列的化学反应制取生物石油，生物石油的出现能够解决能源短缺的问题。玉米秸秆汁液正是制备生物石油的优质原料。此外，对秸秆进行再利用有以下好处：1.转换为生物能源能够减缓国家对石油进口的压力，降低对石油大国的依赖，发展因为能源问题而受限的产业；2.降低燃烧堆积秸秆带来的火宅隐患，有效减轻因焚烧带来的环境污染尤其是北方京津冀地区，雾霾严重到已经影响人们的生活；3.可以节约大量粮食：我国每年生产5亿多t农作物秸秆，开发利用的潜力很大。作物秸秆青贮或氨化处理后便成为草食家畜的良好饲料。1991年全国制作青贮饲料4136万t，氨化秸秆371万t，两项相当于节约饲料用粮765．8万t。如增加处理量到10％，即青贮6000万t，氨化秸秆3500万t，每年相当于节约饲料用粮2000多万t，其意义是很大的；4.将秸秆加工为饲料，丰富的秸秆资源能够保证畜养大量的猪牛羊，经天然饲料喂养的动物肉质较合成饲料喂养的来说更鲜美，营养更高，能偶在一定能够程度上改善人们的膳食结构：5.对秸秆的综合利用符合国家实施可持续发展战略的要求，对秸秆的充分利用降低了对其他物质的需求，减轻环境压力，践行对可持续发展战略[2]的实践。1.2玉米秸秆榨汁的现状现在市面上已有的玉米收割机有对秸秆做整杆回收[3]的，破碎还田[4]的，但是却没有集收割和榨汁一体的。想要将秸秆榨汁，还得借鉴其他的榨汁方法。纯熟的榨汁方法包含辊式压榨[5]，离心式压榨[6]，还有普遍采用的粉碎榨汁，螺旋挤压式榨汁，液压榨汁机构。1.3各种榨汁机构适应的场景随着科学技术的发展，越来越多小型的榨汁机构走进普通人的生活。街边小贩用一台微型的压榨机就能够现场卖新鲜的甘蔗汁，家用离心榨汁机走进寻常人家但是主要用于大批量、大规模榨汁的还是辊式压榨，螺旋式挤压压榨，液压榨汁系统。要用于农场上的秸秆榨汁，还得从大型的压榨机构中选取。1.4研究内容北京天地日月生物能源科技有限公司成立于2006年，总部位于中关村丰台科技园，是一家集研发、生产、销售为一体的国家级高新技术企。公司致力于用农作物废弃物为原料快速生产生物石油，替代地下开采石油，实现农田里种出永不枯竭的绿色油田，为社会提供清洁能源。玉米秸秆榨汁大多数都和玉米收割分开，在收割玉米之后还得靠人力回收然后再运输，而后的榨汁也不是自动的，人工在这个工程中扮演着很重要的角色。这一系列的人工物流大大的增加了公司对于秸秆利用的成本，于是该公司找到我们，请我们按照该公司的要求，为其设计一款能够在收割玉米的同时连带着对秸秆进行榨汁处理的系统。设计要求：每小时收割速度6-8亩，出汁率达到60％以上。目前尚不存在集合了榨汁系统的玉米收割机，而我则负责整套系统中的榨汁系统。要在收割的同时实现秸秆榨汁，需要完成以下研究内容：榨汁方法的确定，结构设计，空间布局，传动方案的选择根据生产要求，设计合理的压榨容积、压榨周期，根据出汁率要求，设计压榨槽的结构，尽可能的提高出汁率合理优化结构设计，降低总功率通过对比几中材料的不同性能，合理选取材料作为系统各个零件材料

二．玉米秸秆保留型收割榨汁机挤压榨汁系统2.1各种榨汁机构介绍与方案选取2.1.1各种榨汁机构常见的压榨机构有以下几种：图2.1.1（a）辊筒式压榨机图2.1.1（b）旋转式挤压压榨机图2.1.1（c）张裕葡萄酒庄园老式葡萄汁压榨机图2.1.1（d）液压榨汁2.1.2优缺点对比图2.1.1（a）的辊筒式压榨机因为其榨汁速度快、结构简单、便于维修而广泛使用，但是辊筒式压榨机构需要极大的扭矩作为动力，加大了动力机构提供的功率和传动部件的尺寸；而图2.1.1（b）的旋转挤压式榨汁机适应连续工作状态，压榨稳定，但是其压榨效率较低，且不适应于高效率场合；图2.1.1（c）是老式的葡萄汁榨汁系统，人工旋转转盘，螺旋导杆向引导力向下施加在待压榨物体上，现在大多改进为电气动力了。图2.1.1（d）为液压榨汁机构，液压系统能够提供足够的压榨力，压榨力是决定出汁率的一个关键，但是液压系统加压时间过长，速度跟不上收割机收割的速度。2.1.3方案的选取为了满足收割速度的要求，同时要尽可能的减小机构尺寸的功率，上述的各种压榨系统虽都有其优势，但是和收割机匹配不了。常见的压榨方案并不能满足该公司的要求，于是需要一种能够匹配收割机速度，同时满足出汁率的要求，还得尽可能减小需求功率的机构。曲柄滑块机构运动具有往复周期性，而偏执曲柄滑块的急回特性能够延长压榨时间，压榨时间的过程越长，汁液就能够更多的从秸秆里流出来，这样能够帮助提高出汁率。同时，两套曲柄滑块机构在不同时间运行时，前进行程与回退行程相叠加，能够有效的减小功率峰值，避免选取太大的动力机构。于是决定用曲柄滑块机构设计其压榨系统。2.2曲柄滑块式挤压榨汁系统的设计2.2.1设计要求设计要求：收割速度不得小于16根/s，每亩折算为5000根玉米，按照这个数据进行收割的话每个h能收割：16x60x60/5000=11.52亩（2-1）根据查阅的资料，一根长1-1.2m，直径约50mm左右的玉米秸秆，在破碎以后占据的空间大小约为0.8L，也就是0.8dm3/根的兑换率，设置6s一个压榨周期，于是有：16x0.8x6=76.8L(2-2)2.2.2压榨结构设计图2.2.2（a）压榨机构结构示意图工作原理：曲柄转动的时候，滑块沿着导轨上下滑动，而跟随着滑块的上下运动，压头左右往复运动将秸秆碎压向左右两侧的槽壁，完成压榨,曲柄周转，滑块沿着导轨方向往复运动，达到不间断榨汁的效果。

2.2.3挤压槽容积设计图2.2.3（a）槽体空间图示要满足每个周期由公式（）计算而得的碎渣量76.8L，将压缩槽横截面设计为长方形，长x宽：300x200=60000mm3（2-3）压缩长度设计为l=500mm，一个压榨槽体设计两个压榨端，则单一槽体一个周期能完成的压榨量：3x2x5x2=60L（2-4）为了满足一个周期76.8L的压榨任务，需要设置两台压榨槽：60x2=120L（2-5）120L的容纳量在满足压榨任务的时候还保有余量，以应对突然增加的生产力要求。2.2.4曲柄滑块的设计图2.2.4（a）滑块行程示意图H1-H2=H（滑块行程）（2-6）L2-L1=L（压缩行程）（2-7）设H=5dm，L=5dm，压榨的过程可以缓慢进行，但是回退就是一个占用时间且没大用的阶段，遂采用偏置曲柄滑块，利用其急回特性满足生产要求。图2.2.4（b）曲柄滑块极限位置图2.2.4（b）中，A为曲柄回转中心，C1、C2分别滑块极限位置，θ为极位夹角，e为偏距，H即为公式（2-6）中的滑块行程，设曲柄长度为l1，设连杆长度为l2，图中关系有：C1N⊥AC2，中：（2-8）由余弦定理有：（2-9）即是：（2-10）（2-11）由公式（2-10）和（2-11）有：（2-12）（2-13）显然，公式（2-12）、（2-13）是关于l12、l22、e的一个线性方程组。设计中根据工作需求需要先确定行程速比系数K和滑块行程H，并由K值计算出：（2-14）只要给定l1、l2、e中的任意一个参数，并和已知的H和θ联合，带入公式（2-12）、（2-13）即可求得其他两个尺寸。已知H和θ的情况下，给出l1，（已经省略了推导过程）就可以得到：（2-15）（2-16）设其行程H=5dm，取曲柄长度=2dm，取行程速比系数K=1.3，则有：（2-17）（2-18）（2-19）2.3槽体的特色设计图2.3（a）槽体一端槽体两侧均有榨汁的空间，破碎后的料从运输管道卸下来的底板上均开有d=7mm的小孔以便于汁液下流，底板下端是一个弧形的导渣面，同时导渣面上依然有d=7mm的孔，如图2.3（b）：图2.3（b）导渣面导渣面上的孔将压榨流下来的汁液导向导渣面下的收集槽，导渣面末端有挡流槽，如图2.3（c）：图2.3（c）末端挡流槽收集槽底部有坡度，以便于汁液汇聚，如图2.3（d）：图2.3（d）收集槽端部由一块挡板盖起来，收集槽与导液管板之间有密封用胶垫，前后两端的螺钉锁紧后保证汁液不会从缝隙外流，导流管壁厚与收集槽坡度底端到外壁的距离一样，保证了有汁液流下来就有汁液导出去，图2.3（e）为管板：图2.3（e）导流管板在压榨槽体两端的尽头，有卸料机构，由一块向外抽动的板料和齿条组成，行程速比系数，设压缩速度为V,回程速度为1.3V,回程长度为S有：（2-20）而公式（2-20）中，就是压缩进程的时间，由公式（2.3.1）算得：（2-21）那么，回程有： （2-22）设用：（2-23）的时间来卸料，其中就包括卸料板抽出的时间，卸料停留时间，卸料板回归时间，按照0.5s、0.3s、0.5s来分配，则卸料板移动速度需要达到：（2-24）图2.3（f）为卸料板结构：图2.3（f）卸料板2.4榨汁系统各个零部件本小节将陈列压榨系统中各个零部件，具体的参数值将会在随论文的图纸中呈现。压头三维图：图2.4（a）压头图2.4（b）压头压缩杆三维图：图2.4（c）压缩杆图2.4（d）压缩杆滑动件三维图：图2.4（e）滑动件图2.4（f）滑动件图2.4（g）连杆图2.4（h）连杆曲柄的三维图：图2.4（i）曲柄图2.4（j）曲柄曲柄轴的三维图：图2.4（k）曲柄回转轴图2.4（l）曲柄回转轴轴承座的三维图：图2.4（j）轴承座图2.4（k）轴承座压缩杆＆压头、压缩杆＆滑动件、滑动件＆连杆、连杆＆曲柄连接件三维图：图2.4（l）连接件底板三维图：图2.4（m）底板图2.4（n）底板

三．出汁率、压榨力的实验研究在做设计之前，我们需要一个理论参考数据。而这时候做实验无疑是最佳的选择。考虑到现在不是玉米收获季节，我们选取了甘蔗作为替代的实验原料，来对出汁率，压榨力进行实验研究。3.1第一次实验图3.1（a）对实验对象进行称量图3.1（b）间接称量砝码图3.1（c）切块的甘蔗图3.1（d）未压榨前的称量图3.1（e）实验用的器材图3.1（f）实验器材压力表盘图片解释：图3.1（a）是在进行测量实验；图3.1（b）中测量的轴承当作砝码使用，因为天平自带的砝码不足以称量单次试验中的材料，为了能一次性称量材料，减少实验过程不必要的麻烦，于是折中选取了重量相差不大的轴承；图3.1（c）为切成块状的实验材料；图3.1（d）为实验前的称量；图3.1（e）为借用实验室的压力器材；图3.1（f）实验器材表盘，其最大压力为2000N，而根据第二次校正实验得知需要的压榨力远不止2000N。3.2第二次实验经过第一次实验的失败后，总结了失败原因，借用土木工程系用来做拉压实验的实验平台，顺利的完成了实验。图3.2（a）实验平台图3.2（b）实验平台铭牌图3.2（c）实验室老师在操作图3.2（d）实验中产生的曲线图3.2（e）榨汁过程图3.2（f）榨汁过程图3.2（g）榨汁过程图3.2（h）榨汁过程图3.2（i）榨汁过程图3.2（j）榨汁过程图3.2（k）榨汁过程实验参数图3.2（l）榨汁过程设置图3.2（m）榨汁过程图3.2（n）榨汁过程图3.2（o）榨汁过程图3.2（p）榨汁过程图3.2（q）榨干的残渣称量图3.2（r）残渣样品压力与出汁率的关系：重要公式：（3-1）表3.2（a）压力与出汁率实验关系记录表F(N)700800900100011001200M2(g)000000F(N)130014001500160017001800M2(g)00轻微变形轻微变形轻微变形轻微变形F(N)190020002100220023002400M2(g)轻微变形轻微变形轻微变形轻微变形轻微变形轻微变形F(N)250026002700280029003000M2(g)轻微变形轻微变形轻微变形轻微变形轻微变形轻微变形压力加到3000N时，甘蔗块仅仅是轻微的变形，并没有汁液流出，遂没有记录其具体变化。当看到在压力都到了3000N而几乎没有汁液出来的时候，我们知道低估了榨汁需要的最小压力，于是不再采取变力的方法研究需要多大的压榨力，又做了一组以压缩比（压缩比指的是将原材料体积压缩到没压缩以前的几分之几，例如，1/8表示将材料体积压缩到未压缩之前体积的1/8）为参考的实验组（材料厚度为15.7mm）。表3.2（b）压缩比与出汁率关系实验表压缩比7/76/75/74/73/72/71/7出汁率不明显不明显不明显有汁液按照压缩比进行实验，则得到了有关于压力变化的曲线图：图3.2（s）压力位移曲线从图3.2（s）中可以看出，当压缩比超过1/7时，伴随着压缩比急剧变化的还有压力大小，在达到1/7压缩比的时候，压力达到了24kN，不难看出随着压缩的持续进行，压力将越来越大。破碎后的材料状态也影响着出汁率的提升，于是我们又做了关于榨汁材料形状对出汁率的影响实验，此实验是将各种不同形态的实验材料按照定常压力进行压榨。表3.2（c）材料形状与出汁率关系实验表形状去皮1/4去皮1/2未去皮1/4未去皮1/2纵向切片横向切片64.07％63.85％61.44％61.26％62.41％60.84％从图表数据不难看出来，当压力到达一定大的时候，甘蔗的状态对出汁率的影响已经很低了，但是也不可忽略不计，能够一定程度的减轻破碎机的受力能保证其运转更长久的时间。而去皮之后的甘蔗出汁率较高一点也有皮比甘蔗纤维少带了水分的原因，如果在破碎前增加给玉米秸秆去皮的工作，不仅不利于生产率的提高，甚至还会阻碍生产，提高设计难度，且就刚刚成熟的玉米秸秆的硬度而言，去皮与否对压榨的影响不是很大，于是，综合情况考虑，玉米秸秆会进行破碎处理，但是不会去皮。由实验数据有，压榨力在当压缩比达到1/7的时候，甘蔗的出汁率达到，压榨力达到了24kN,而力在12kN以后压榨力急剧上升，实验用的甘蔗为去年秋季存货，距离实验日期已经有将近半年的时间，在未经任何保护处理的情况下保存在干燥的北京，含水量肯定有所下降，玉米刚成熟时的玉米秸秆硬度远远比不上储存已久的甘蔗，所以：在此前提下，按照实验所得到的数据对玉米秸秆进行压榨，出汁率相比实验结果肯定有相当的提高，而到达1/7的压缩比的时候所需要的压榨力肯定比24kN要小，所以综合选择将力定在16kN,按照次数据设计压榨机构肯定能够满足生产的要求。

四．主要零部件的设计与校核4.1曲柄功率求解单面力分解：图4.1（a）单面力分解图已经设定曲柄滑块的行程为L=5dm，滑块下降不能完全下到压榨槽的底部以防止不必要的撞击，于是预留了2dm的高度，如图4.1(b)所示：图4.1（b）曲柄连杆共线时的压榨机构滑块压缩破碎秸秆的压力来自于曲柄的周转，曲柄通过连杆将力传递到滑块，由滑块位置变化传递力到两侧的压头，曲柄位置时刻在变化，如果通过压头的力反推压缩杆，倒推到滑动件，再在连杆和曲柄上分解求最终曲柄上的转矩，这是一个庞大的工程。如果将两压头施加的力当作主动力，则其反作用力合力为，连杆对滑动件的里分解在水平和竖直方向以后，水平方向因为没有运动所以受力平衡，竖直方向有导杆带来的摩擦力，但是导杆作为导向作用，摩擦力尽可能的小，所以忽略掉摩擦力，则合力就是，如果将滑动件的功率按照一定百分比折算到曲柄上，这就间接的求出了曲柄的功率。如图：图4.1（c）双面力解析图4.1（d）滑动件之于整体图设压头向左右两端施加的力为,槽体底板受力，合力为,槽体部分的合力传到滑动块处变为，则根据力的分解有：（4-1）（4-2）在公式（4-2）中，为理论压榨定力16kN，在压榨行程和滑块行程一定的情况下，在一个范围内变化，如图：图4.1（e）极限角度图由设计的行程和尺寸有：（4-3）（4-4）所以有：（4-5）滑动件行程：（4-6）循环压榨周期:（4-7）则滑动件运动的平均速度为：（4-8）根据功率的计算公式有：（4-9）（4-10）将公式（4-10）代入公式（4-5）有：（4-11）从曲柄到滑动件的过程，功率有损耗在周转处，轻微的功率损耗暂时忽略不计。又功率公式还有：（4-12）（4-13）:工作机的阻力矩，，：工作机转速，，：工作机效率。将公式（4-11）中的最大值、公式（4-13）带入公式（4-12）有：（4-14）4.2错时工作降低峰值功率在本设计中，为了满足生产率的要求，设置了两套压榨系统，在这同时，就增加了整体的功率，为了减轻动力机构的负担，采用错时工作的方式：错时工作，指的是两套压榨系统的压榨进程不是同一时间进行的，但是整体没有停止过运动。图4.2（a）错时工作一套压榨系统开始起点为压榨顶点，另一套开始起点为压榨开端，根据公式（2-21）、（2-22）有：（4-15）峰值总功率应该是：（4-16）而实际上按照错时工作的方式：（4-17）峰值总功率的降低，延长零件的使用寿命，降低能耗。4.3链轮链条的设计4.3.1链轮链条设计要求设计要求：压榨机构单个需要最大18.7kW的功率，曲柄轴的转速为10r/min。4.3.2选择链轮齿数整个机构整体传动仅仅作为传动，不涉及传动比变化，动力由主机变速箱提供，设计主动、从动链轮的齿数为：（4-18）4.3.3确定计算功率由高等教育出版社出版的第九版<<机械设计>>表（9-6）查得工况系数,由<<机械设计>>图9-19查得主动链轮齿数系数，双排链，则计算功率为：（4-19）4.3.4选择链条型号和节距根据,，查高等教育出版社出版的第九版<<机械设计>>图9-11，选择16A-1。查表9-1，链条节距。4.3.5中心距和链节数因位置原因，中心距设置为，相应的链节数为，取。4.3.6计算链速，确定润滑方式（4-20）由链速v=0.24m/s和链号16A-1决定采取：油壶或者油刷定期人工润滑的方式。4.3.7主要设计结论链条型号16A-1；链轮齿数：；链节数；中心距。4.4齿轮的设计与校核压榨机构中东京国立输入部分由外接变速箱提供，从齿轮到曲柄回转轴，齿轮相当于提供了一个过渡的空间，于是采用i=1：1的传动比结构，依据空间位置限制，齿轮位于主动链轮轴上的两侧，因为其仅仅启动力传导作用，遂其只要符合动力传动要求，能通过强度校核，满足生产要求即可。由迈迪三维设计工具按照生产要求生成的齿轮参数如下：模数：m=4.5；齿数：；压力角：；齿顶高系数：；螺旋角：；径向变位系数：；公法线长度：；跨测齿数：k=12；精度等级为7级；齿轮副中心距：。下图为用迈迪三维设计工具设计齿轮时的具体过程：图4.4（a）设计操作图4.4（b）设计操作图4.4（c）设计操作图4.4（d）齿轮精度设计图4.4（e）齿轮载荷计算图4.4（f）齿轮强度校核经过软件对齿轮的强度进行校核，发现齿轮通过了校核，故校核部分不再对齿轮进行校核。4.5曲柄回转轴、键的校核4.5.1曲柄回转轴的校核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，病恰当的选取其许用应力，对于仅仅（或者主要）承受扭矩的轴（传动轴），应按照扭转强度条件计算；对于只承受弯矩的轴（心轴），应按照弯曲强度条件计算;对于既受弯矩又受扭矩作用的轴（转轴）应按照弯扭合成强度条件进行计算。本机构采用直齿圆柱齿轮，没有轴向力，相对于扭矩忽略不计的弯矩不做考虑。轴的扭转强度条件：（4-21）公式中：：扭转切应力，MPa；:轴所受的扭矩，N.mm;:轴的抗扭界面系数，mm3；：轴的转速，r/min；:轴传递的功率，kW；：计算截面处的直径，mm；：需用扭转切应力，MPa，见高等教育出版社出版的第九版<<机械设计>>表（15-3）。由公式（4-21）可得轴的直径：（4-22）公式（4-22）中的,查高等教育出版社出版的第九版<<机械设计>>表（15-3）。将公式（4-11）、（4-12）、（4-13）的结果带入公式（4-22）有：（4-23）当截面上有键槽的时候，应当增大轴径以考虑键槽对轴的强度削弱，对于直径的轴，有一个键槽，轴径增加3％，有两个键槽，应该增加7％然后将得到的直径圆整为标准直径，这样求出的直径，只能作为承受扭矩作用的轴段的最小直径。遂有：（4-24）圆整后：（4-25）于是，将公式（4-25）带入公式（4-21）有：（4-25）当取40Cr、35SSiMn、38SiMnMo、3Cr13为轴的材料，按照扭转强度校核条件有：（4-26）扭转应力小于扭转许用应力，故校核通过。4.5.2键的校核平键连接传递转矩的时候，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，通常只按照工作面上的挤压应力进行强度校核计算。对于导向平键连接和滑键连接，其主要失效形式是工作面的过渡磨损。因此通常按照工作面的压力进行条件性的强度校核计算。假定载荷在键的工作面上均匀分布，普通平键连接的强度条件为：（4-27）公式中：T传递的转矩（），；K键与轮毂键槽的接触高度，，此处h为键的高度;l键的工作长度，mm，圆头平键，单圆头平键，平头键，这里L为键的公称长度，mm；b为键的宽度，mm；d轴的直径，mm；键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，，见高等教育出版社出版的第九版《机械设计》表6-2。将公式（4-12）得到的T值带入公式（4-27），对键32x18x180进行强度校核有：（4-28）又当轮毂、轴、键中最弱材料为钢时，其，，的值在许用挤压应力的范围内，故合格。

五.总结5.1工作总结从当初接到任务到完成设计，历时三个月。任务刚开始的时候没有任何相同的机构可以参考，从零开始，只能从生产要求入手，逐步确定选用的机械结构、方案。到目前为止，基本的设计已经完成，以下是对设计工作的总结：利用偏置曲柄滑块机构的急回特性来延长压榨时间，缩短急回行程的时间。总体机构采用齿轮和链轮传动，没有皮带轮的打滑，能更好的保证下料时间、卸料时间严格固定，机构协同完美的工作。为实现16根/s的生产作业要求，单套压榨系统设计为6x5x2=60L的压榨容积，两套系统间歇工作有120L的工作容积确满足玉米收割速度。槽体底板设置R4的小孔和截面积为1cm2的沟槽，帮助汁液流到低下收集槽；压榨尽头相当于密封的环境迫使汁液尽可能的往下方流去，提高出汁率。系统内的两榨汁压头在水平方向上向不同方向挤压破碎秸秆，平衡水平方向上的作用力。两套系统错时工作的机制能够错开单系统的功率峰值，降低系统功率的总峰值，减轻动力结构、传动结构的负担。整个榨汁系统较之于普通的秸秆榨汁机构，体积庞大，槽体部分结构复杂，遂采用HT200，部分结构需要焊接在槽体上。榨汁压头相对于其他部件，频繁的与破碎秸秆接触，也采用HT200。其余各个零部件，除了标准的齿轮链轮，均采用45钢。5.2设计展望虽然总体设计已经完成，但是其中上有部分结构有待改进：1.本机构中，压榨周期设置为6秒，但是其实整个压榨过程并没有6秒，从公式（2-21）和（2-22）可以看出来，压榨时间仅仅只有3.39秒，这只是理想化的情况，留给回程的时间就只有不到2.6秒，在这段时间内，不仅仅要完成卸料，还要完成下一次压榨周期的物料填充，压榨后的残渣因为压榨力的作用，会向各个方向膨胀，体积虽然没有变化，但是残渣就对槽体壁面有了力的作用，要想在极短的时间内完成卸料会有困难。所以可以考虑在侧面板上安置一块能竖直方向移动的滑动板，帮助卸料。2.榨汁槽体离地高度为500mm，导渣面距离地面就200mm，留有300mm的空间给卸料，考虑到残渣的粗糙，摩擦力必然会增大，这就无形中增大了卸料的难度和时间，如果疏通得不即时，很有可能就堵在导渣面上，整个榨汁过程属于刚性连接，再加上榨汁周期短，一旦堵上了必然会影响收割进程。在后续的研发设计过程中，可以考虑在导渣弧面上设置传送带，掉下来的残渣直接传送出去，这样就不会影响后续进程了。当然也可以考虑加高槽体离地高度，但这样会加大占用空间。3.槽体、底板解雇复杂，只能采取焊接的方式进行，因为要完成如此大的单位工作量，无形中就增大了对整体结构强度的要求，不能避免的就加大了零件尺寸。这对农用机械的功率产生了负担，且会无端的消耗能量，后续设计中可以考虑在可能的情况下使结构轻便化，这样节省材料，节约资源。

致谢在大学生活结束之际，我要感谢所有曾今悉心教导我的老师，感谢我的同学和朋友这四年之间的照顾，而我更要感谢的是在做毕业设计中给我关怀和教导的林宋老师，在他的指导下我才顺利的完成了我的设计任务，也感谢在一个小组做毕业设计的同学，感谢你们在这期间的帮助和支持，谢谢！

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外文翻译资料及原文对玉米秸秆的弯曲力学性能试验研究秦同娣李耀明陈进中国镇江中国镇江中国镇江江苏省江苏省机械工程学院江苏大学江苏大学现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室qintongdi@ymli@摘要：在WDW-300型微控电子万能材料试验机上对四种玉米秸秆弯曲的机械性能进行了研究。通过3点弯曲的方式得到的玉米秸秆和最大负荷，弹性模量，弯曲强度和变形值的负载变形曲线。对品种，截面积，生长区和水分对玉米秸秆的机械性能的影响进行了分析，其结果是，弯曲加工由线状弹性处理，非线性弹性进程和弯曲断裂过程组成。玉米秸秆的平均抗弯曲强度和弹性模量是7.85MPa和0.15GPa。品种的差异导致线弹性范围和茎弯曲变形值存在。在相同的其他条件，一个正相关的线性关系存在于最大负荷和玉米秸秆的横截面面积之间。随着生长区域的增加，最大负荷逐渐降低。测试结果对于效率高，能耗低的玉米收获机的设计具有重要的指导意义。关键词：玉米;秸秆;机械性能;弯曲;形变

一．简介对植物茎的机械和物理性能的研究，并使用其作为植物收获和加工的评价指数已引起了农业工程科学公众的关注。目前，国内和国际的研究都集中在油菜[1]，牧草和禾本科[2-3]，小麦[4]和甘蔗[5]的机械和物理性能。作物的茎是各向异性的，除了品种水分含量，生长环境，成熟度和其它因素，在加工中所示化合物的特性和它们的机械性能的非均匀和非线性的植物纤维材料和截面积，生长面积和密切相关。因此，秸秆的力学性能研究和其影响因素结合对于指导秸秆加工机械和技术的设计和改进具有现实意义。研究玉米秸秆，现在的重点是切割，压缩[6]和破碎性能[7]，而对弯曲特性的鲜有报道。以4种玉米秸秆为研究对象，本文确定了玉米秸秆的荷载变形曲线，分析了由形态和特征参数造成的秆力学性能的影响规律，可以作为设计和改进玉米收获机械切割设备的参考。二．材料及测量方法A.样品采集和准备试验样品由江苏大学生物机电工程学院测试现场采集。选择的新鲜玉米秸秆来自于非疫区的、具有良好的成长条件的农丹品种5号，田宇2号，东单60号和郑旦958号。秸秆的平均直径是16-22mm，水分含量64-75％，茎长1400-1800mm，穗位高500-1,100mm。选取高于地面50毫米地上的部分，叶子和发根被拆除，外皮用清洁塔清洗，秸秆被从断开区域以节点为单位切割，按顺序编号节点1，节点2节点5。B.对秸秆参数的量度方法干燥机和0.1g准确性被用来确定秆样品的水分含量;用游标卡尺测直径。茎的横截面不是常规圆，分别为长径和短径量度，长茎和短茎，横截面都去平均值。三．设备和测试方案A.设备与方法测试在长春新试验仪器有限公司生产的微控制电子万能材料试验机（型号WDW-30）上进行，其拥有500N最大试验力，0.5％的精度，位移0.001米鉴定和0.2％的相对示值误差。根据测试程序，所述万能机的负荷率设定为100mm/min，位移的最大变化被设定为25mm，支撑跨度被设定至80mm，并被选为50千克范围传感器。三点弯曲方法应用于用于装载;参见图1玉米秸秆被提上基座，石蜡层施加到茎外皮接触的支撑块，以减少摩擦，负荷F作用在跨度的中心，并且将其在100毫米/分钟的速率加载，直到柄突破，在那一刻所需的负载是限定的最大负荷。在测试过程中，所需的最大负荷（N）、茎变形（mm）、负载变形曲线和抗弯强度（MPa）以动态的方式由计算机显示，弹性模量（GPa）和其他机械和物理性质自动被记录。1.传感器2.弯曲冲3底座图1测试原理图B.测试计划作物收获和加工[8-9]中，秸秆的力学性能影响切削力，切削功耗，刀结构等诸多因素，包括拉伸强度，剪切强度，弹性模量，刚性模量和弯曲特性[13。应在收割机刀具设计中考虑弹性模量的保持力的影响;应当在收获玉米秸秆作为作物[10-11]时考虑，切削用相同抗拉强度的生物力学性能产生性能，剪切强度和弯曲强度，以及形态和特征参数包括茎生长面积，直径，截面面积和水分的影响。响应于断裂过程对玉米秸秆，负荷-变形曲线进行弯曲断裂试验，茎的如下机械性能：弹性模量和抗弯强度，所需的最大负荷，生长面积的变化规律，直径-截面面积，含水量等参数进行分析。四．结果与分析A.品种对秸秆抗弯强度的影响品种的差异决定了玉米不同的组织和机械性能。分别针对各4个品种的玉米秸秆的弯曲断裂机械性能值执行试验五次，并且如表1所示4秸秆弯曲疲劳试验数据。品种面积/mm2最大负荷/N抗弯强度/MPa弹性模量/GPa形变量/mm标准偏差/mm多样性因素农单5282.75314.369.520.1610.1615.940.056郑单958274.79281.278.630.149.2313.610.052田宇2260.92190.546.450.135.0417.370.063东单60312.41263.696.800.174.314.440.014可以观察到，所测量的数据显示出低的分散性并且测试产生了良好的结果。根据表1所示的玉米秆的物理和机械特性参数，平均抗弯强度为7.85MPa，弯曲弹性模量为0.15GPa，远低于棉秆（50MPa的最大弯曲强度和280MPa的弹性模量[12]，竹的1,715MPa弯曲弹性模量，芦苇的125MPa最大弯曲强度[10]）。图2：4个品种的玉米秸秆的测试得出最佳负荷-变形曲线。各种品种秸秆的曲线是彼此相似的。在整个弯曲过程中，茎大约经历3道工序，（1）近似线性的弹性处理：在初始弯曲载荷阶段，负载和变形呈现近似的线性关系，这表明负载成正比变形，变形将恢复到初始状态，如果它被卸载，茎材料回到如有胡克定律的原始状态。在图2中所示的直线的最高对应于弹性变形的极限载荷；（2）非线性弹性处理：继续施加负荷，且当负载达到一定程度时，曲线服从非线性弹性变化，负载的任何轻微变化都会引起大的变形，直到负载达到峰值；（3）弯曲断裂过程：弯曲应力比最大弯曲强度高时，秸秆破碎时，负荷开始降低，仍然有变形;秆被瞬间损坏，横截面处有明显的脆性破裂。破裂通常在茎[13]的底部，横向断裂发生在轴向方向上的中性层。也可以从图2中观察到，不同品种的曲线线性弹性范围之间存在明显的差异。玉米秸秆的抗弯强度各有不同。农丹5和郑旦958变形是9-10毫米，而田宇2和东单60仅4-5mm，。这表明，在裂缝变形因品种不同而不同，较后两种前两