毕业设计（论文）-树冠振动式板栗采摘机设计

---第1章绪论1.1选题背景与意义板栗树作为一种独特的树种在我国种植广泛，现在我国的种植面积已经达到了大约三千万亩之多，不论是种植面积还是板栗的产量都能够占据全球的95%以上。根据2022年的统计数据，我国的板栗树种植面积就达到了五十余万公顷[1]。然而，传统板栗的采摘工作一般是依靠人工来完成，由于人工费用较高，人工采集费用就占到板栗成本的两成到三成，另外人工采集对劳动强度的要求较高，对板栗种植业造成了不必要的损失。所以急切需要发展板栗采摘的机械化设备，降低板栗采摘工作对劳动力的依赖性，同时机械化采摘设备也能够缩短板栗的收货时间，减少因采摘不及时造成的损失，推动板栗种植业的发展[2]。板栗树的种植面积与规模大大提升，到了采摘季节就要大量的人工劳动力来进行板栗的采摘工作，但是往往由于劳动力的短缺，或者采摘作业的不及时，造成了很多不必要的损失。传统人工打果捡拾作业不仅采摘效率低下，而且浪费大量人力物力，果品的质量也得不到保障，经常出现摔裂、划伤、破碎的果实，对果实品相造成破坏，影响进一步果实的加工工作。与其它果实进行比较，板栗不适用于传统人工采摘，因此板栗采摘作业将是劳动投入量比较大的工作，这样就导致生产成本过大，不利于板栗种植企业的发展壮大，同时对其市场竞争也有较大影响。所以机械化板栗采摘设备的重要性逐渐显现出来，板栗采摘机械设备的研发和使用推广可以提高板栗种植业的利润，降低劳动强度，提高采摘效率，推进板栗种植业的进步与发展，对一些地区的农业种植经济的发展具有重要意义[3]。1.2采摘机的研究现状1.2.1国外研究现状在1960年左右国外相关机构开始对采摘机械进行设计研发，按照采摘设备的动力形式可以将其划分为机械式和气动式两类。一、机械式采摘设备机械式又分为振动式和梳刷式，根据查找资料发现，振动式是国外相关机构对采摘机械设计研究的主要方向，振动式采摘设备的使用区域较为广泛，进行采摘作业时可以快速、高效的将果实从树上分离下来，比较适合于面积广、产业化的果类种植行业。振动施加的位置通常为果树的枝、干和树冠三处[4]。（1）树干振动式采摘机：学者维特根设计型号为FCM型振动式采摘机进行采摘实验，试验中对每棵果树实施振动的时间控制在五秒左右，采摘率可以达到90%以上，但是这样的机械化采摘作业比起人工采摘减少了10%的产量。研究人员海登利用四台不同型号的振动采摘机进行采摘实验，采用的振动形式不同有线性与非线性之分，采摘作业时施加振动的时间保持在六秒，采摘率由60%左右上升到90%，采摘效果提升比较明显。（2）树枝振动式采摘机：相关学者通过对振动式采摘进行实验研究，研究所得出的结果：当采摘设备的振动幅度为30mm，振动频率为25Hz时采收效果最理想。另外，相关学者使用自行式数值振动采摘机进行采摘作业实验时，发现振动时间对采摘率也有影响，当对果树树枝施加振动的时间为30s时，得到掉落率为75%。后来，学者使用三种不同型号的数值振动采摘设备进行采摘实验，发现这三种采摘机都会造成减产影响。另外，一些研究人员在研究机械振动采摘杏子果实时发现：当对果树实施一定随机如果建立相应的杏子振动数学模型，实验结果与模型计算吻合度很高。学者E.D使用机械惯性振动装置对樱桃进行了采摘作业实验，振动施加时间为五秒，振动频率f≈15Hz，振动幅度为四十mm，得到的采摘效果较好，也发现在樱桃的机械化采摘过程中未出现樱桃树侧枝和树皮的损伤问题[5]。（3）树冠振动式采摘机：2013年，韩国相关领域的研究科研人员对果实的力学特性进行深入研究，并设计出一种树冠振动采摘设备，该设备进行采摘作业时的振动频率f≈8Hz，振动时间t≈3s，采摘率可以达到95%甚至更多，该设备如图1.1所示。图1.1树冠振动采摘设备关于振动式采摘设备，国外使用较多的有两种形式：一是由振动机械和用于收集的伞状收集装置所构成的合作式联合采摘系统，采摘工作时收集机构的顶部环绕于树干，并打开机械伞，这样就可以落下的果实进行收集；二是振动机械与清扫机和捡拾机组合使用，设备如图1.2所示。图1.2振动机械与清扫机组合式采摘设备二、气动式采摘机的研究进展气动式主要分为吸气式和气吹式。吸气式采摘设备的工作原理是利用能产生气流的吸气装置将果实吸入收集装置，果实被吸下后途经采吸口、风道机构进入收集箱内，树叶等杂物会通过风机从出风口排出[6]。吹气式采摘设备的原理是使用导向装置来改变气流的吹动方向，从排气口向果实喷出高速气流，产生摇摆惯性力，当惯性力达到一定值进而果实就会从树上掉下。相关学者设计研发了锥形扫描式风机设备进行采摘工作实验，试验结果显示：使用药剂降低果实与树枝的连接力后盖采摘设备对果实的采摘率可以达到97%，该采摘设备如图1.3所示。图1.3吸气式采摘机1.2.2国内研究现状1980年左右，我国开始对机械化林果采摘设备的研究工作，人工采摘、机械采摘和气动式采收是目前主要的果实采摘方法。人工采摘是传统的采摘方法，但是人工采摘对人工的劳动强度要求大，采摘时间比较长，它的优势是采净率比较高。气力式采收则是利用较吸气或吹气气流将果实吹下或吸入来完成果实收获。机械化采摘在我国只是处于起步阶段，尚未成熟，机械采摘的原理是利用激振装置通过设定振动频率和振幅的方式让树枝晃动，进而将果实从树上振落，它的优势是采摘效率快，采摘时间较短，但采净率低，往往造成果实损失的情况[7]。新疆的机械装备研究所设计了型号为4YS-24型采摘机，该设备如图1.4所示。该设备主要组成机构为：果树振动机构、液压控制系统、油箱及机架等。进行采摘工作时，果树振动机构以一定的振动频率和幅度就可以使树枝一起振动，当振动幅度超过连接部位的承受极限时，果实就会从树上掉落。该设备主要适用于种植行距超过4m的果树，树干直径适用范围在8~12cm。研究人员通过对采摘机进行试验后得出：4YS-24型采摘机不仅振动效果良好，而且有着振动频率较高、振动幅度较小等优点，采摘率可达到85%。树干夹持高度要在距地面80cm以上，主要适用于树冠较大、树干较粗、操作空间较大的果树。图1.44YS-24型采摘机随后该研究机构又设计制造了手持式振动采摘机，该设备采摘方式采用的是树枝振动式，并与移动式果实收集装置相结合使用，但是只能作用于高不超过3m的果树，经测试该设备的采摘率大于85%，采摘效率比较慢，为15~30棵/h。在此基础上河子大学研究人员进行改进，主要组成部分包括曲柄滑块机构、拨杆机构、机架机构、驱动装置等。它的工作原理是利用曲柄滑块机构的来回运动带拨杆的往复运动，通过拔杆的往复运动对树枝进行摇晃击打，这时果实就会随着惯性力的作用下落下。该设备的缺陷是只适用于小面积采摘作业，无法满足大面积的采摘。设计人员通过测试得出：该设备的采摘率可达到93%以上，对水分含量在60%以下的果实采摘效果最佳。石河子大学学者制做了型号为4ZZ4型的自走式采摘机，设备如图1.5所示。由采果机构、驱动装置、转向支柱装置、集果机构、集果箱、送果机构、机架、液压机构、行走底盘等组成。该设备的机架安装在行走底盘上，转向机构由液压系统进行控制，集果机构与机架之上的送果机构相连，采摘机构安装在集果机构的上方并成对称分布。它的工作原理是当采摘工作进行时，设备可以骑跨在果树上，滚筒式采摘机构从果树两侧通过，采摘滚筒在发动机驱动作用下转动，并与采摘机前进的速度相同[8]。图1.54ZZ4型采摘机在2022年研发的4MA-2型采摘机，设备如图1.6所示，由离心风机、动力机构、储存机构、收集机构和储存机构等组成。它的缺点是在工作时易发生堵塞，机构因堵塞而无法进行连续化采摘作业，功耗成本较高，而且至少需要2个人辅助运行工作[10]。图1.64MA-2型采摘机从以上对于采摘设备的研究工作中得出：4YS-24型采摘机是国内首台采摘设备，填补了国内技术空白，但是只是对于树龄较大、种植密度小的果树进行采摘，而4ZZ-4型自走式采摘机实现了自动行走与采摘相结合，但是该设备造价成本较髙，体积大，无法普及使用，而且对于掉落在地上的果实无法拾捡；4MA-2型采摘机虽然能对掉落在地上的果实进行拾捡，但工作时容易堵塞，造成采摘机无法正常连续工作，同时它的能耗很大，工作时间很短。因此，从现有的采摘设备的研发水平和应用现状显示：设备还无法满足目前对于机械化采摘的实际要求。通过上面的分析可以得出：我国采摘机械的研究尚未成熟，所设计的采摘机存在诸多缺陷。对板栗采摘的研究较少，并且现有的采摘机也主要是针对小面积作业，不适合大面积采收。因此设计一种针对板栗的采摘机将很有必要意义。1.3采摘机的发展趋势现阶段国内尚无体型小，动力大的专用配套的采摘设备[11]。结合市场调研、文献资料以及现有采摘机械设备特点，发现采摘机械的发展具有主流趋势：采摘机械设备的研究设计朝着智能化方向发展，随着我国科学水平的提升，在机械设备的设计过程中越来越考虑到智能化装置的使用，国产智能化原件如：感应器、接收器、电子芯片的精度、集成度更加先进，许多机械设备使用这些电子器件后功能更加强大，可编程性得到提升，处理分析实际生产能力得到提升，设备智能化水平亦得到进步。(2)采摘机械朝着高精度方向发展，采摘机在进行作业时由于需要晃动树干，或者震动枝条。相比于树干组织，机械设备的钢铁运动臂强度更大，在采摘的过程中难免会损伤果树，所以需要设计一种精度更高的采摘机，精确的完成果树采摘作业而将对果树的伤害降到最低，不会影响果树来年的产量。（3）采摘机的行进机构运动方式朝着符合全地形式发展，需要对采摘机的行进结构进行更加深度的设计，使其具有适应一切地形的通行能力。在提高行走能力的过程中兼顾行走的自动化，转向能力或者自动化避障能力[12]。（4）采摘机的设计朝着自动化方向发展，相比于之前的人工采摘，现有机械采摘设备虽然节省了大量人力资源，但是自动化水平依旧很低，仍旧需要人工进行后续捡拾，无法完成自动化且高效的采摘工作。新型板栗采摘机的设计应该朝着更加自动化的水平发展，以使用最少的人力，自动化的完成高效采摘、自动收集拾取、果树扶植等工作。比如可以利用远程红外遥控技术，红外线远程无线遥控技术，可靠性高的进行信息传达[13]。（5）应对种植面积迅猛增长带来的收获难题，将会有越来越多的采摘机设计出来。1.4本文主要研究内容（1）继承前人研究内容与成果，总结归纳现有机械设备设计缺陷与不足，设计出一种树冠振动式板栗采摘机。（2)对关键工作部件进行设计和选型，确定各关键部件的主要结构、参数要求和具体型号。（3）对关键部件进行校核和静应力分析。（4）分析板栗采摘机所适应的工作场合，对板栗采摘机的制造成本进行预估。

第2章总体方案的确定2.1板栗采摘机的基本参数2.1.1技术参数依据板栗果皮较薄，而且每棵栗树都结有大量的板栗，因此板栗的机械化采摘是很困难的：如何保证较高的采收效率、避免板栗的损失，并且不能损伤板栗，否则板栗容易腐烂。所以需要对板栗采摘机基本参数进行设定，从而设计出性能较好的部件[14]。基本参数主要包括：（1）板栗树的平均高度：为板栗采摘机的高度设计提供依据；（2）板栗树的行距和株距：为振动装置的长、宽设计提供依据；（3）板栗树的平均结果位置：为振动装置在整机上的安装位置（相对地面高度）提供依据；这些数据都要在部件设计之前通过查资料获取，并根据这些数据对板栗采摘机进行基本框架设计，并对其进行归纳整理和优化对比，确定最佳设计方案。根据查资料，板栗树的株距为1.5m~3m，行距为1.5m~4m，株距和行距具体为多少根据当地土壤、水分和光照等情况来确定。板栗树的高度约为1.5m,结果部位多在0.8m~1.2m处。根据这些数据，初步设定板栗采摘机的机身尺寸为2.mx2mx0.7m。2.1.3主要组成部分根据基本参数，所设计的板栗采摘机三维模型图如图2.1和2.2示.，图中展示了设备的总体结构以及各个机构的布置形式。板栗采摘机主要组成机构为：1、底盘装置：盘装置主要起承载所有设备、为设备提供前进动力、运载板栗的功能。2、滑动平台装置：滑动平台装置主要工作内容是将振动装置进行外伸，并将振动下来的板栗果实接受进托盘内进行收集，待采摘作业结束后，将滑动平台收回，减小设备体积。3、振动装置：振动装置主要是将板栗树树干进行抓紧，并随着电机的转动产生振动，通过振动将板栗树上板栗晃下。4、驱动装置：驱动装置由电机和二级齿轮减速器组成，齿轮减速器利用各级齿轮传动把电动机的速度减到适合板栗运行的状态。图2.1板栗采摘机非工作状态图2.2板栗采摘机工作状态板栗采摘机框架最终参数如表2.1：表2.1板栗采摘机框架参数序号名称数值1总长度2.9m2总宽度2m3总高度1.1m4滑动平台最大伸出长度1.2m2.2驱动形式的选择现代机械主流驱动形式主要有以下两种：（1）液压驱动液压驱动的基本结构为：设备发动机、加速器、液压泵站、液压马达、调控阀块等。使用液压驱动形式时，行进轮由液压马达马达提供动力，液压马达将转矩和转动经由减速传递到行进轮。通过改变液压油流量和流向控制履带行进机构速度和前进后退动作[15]。（2）电力驱动电力驱动的基本组成结构为：柴油机、发电机构、电机、操作控制器、减速器、驱动单元等。电力驱动的主要工作原理为：柴油机燃烧柴油产生转动动力带动发电机构产生电能，操作控制器将发电电能分配到行进机构的电机处，电机转动经过减速器将动力输送到行进轮上，进而使得履带行进机构进行工作[16]。电力传动的比较大的劣势就是整体质量较大，对于较大型化的板栗采摘机机拥有足够的空间和质量承受能力，对设备的整体性影响较小。通过以上分析研究，板栗采摘机驱动方式选择为电力驱动形式，电动机转速较快，电动机与行进驱动轮间应设置减速器来进行降速增扭，减速器的设计将在下面章节进行详细介绍。2.3驱动装置减速器的设计在进行驱动装置减速器设计过程中，提出了两种设计方案，分别为蜗轮-蜗杆减速器和普通齿轮减速器。进过对比分析，最终选用了普通齿轮减速器。（1）设计结构方案一：蜗轮-蜗杆式减速器该方案结构组成为：一级减速使用蜗轮-蜗杆减速形式，二级减速使用圆柱齿轮减速形式。其工作原理为：电机轴与蜗杆轴连接，将电机转动转化为蜗杆轴转动，蜗杆轴将转动转化为蜗轮轴的转动，此时完成一级减速；蜗轮与二级减速小齿轮在同一轴上，小齿轮将转动转化为大齿轮的转动，大齿轮最后将转动转化为输出轴的转动，完成二级减速。该设计结构的主要特点有：电机与蜗轮-蜗杆加速器可构成整体性结构，这样就使得设备安装简便，蜗轮-蜗杆可以形成大减速比的传动，增大扭矩效果明显；蜗轮-蜗杆机构可以形成一个自锁效果，可为履带行进机构提供制动效果，使得设计结构简便。但是能够产生自锁效果的蜗轮-蜗杆传动机构的传动效率较低，不满足高效化的设计要求[17]。（2）设计结构方案二：二级圆柱齿轮减速器该减速器结构原理图如图2.3和2.4所示，其主要组成零件有：输入轴小齿轮、输入轴、中间轴小齿轮、中间轴、中间轴大齿轮、输出轴、输出轴大齿轮等。其中，电机与输入轴通过联轴器连接；中间轴小齿轮将转动传递给输出轴大齿轮构成第二级减速；输入轴小齿轮将电机转动传送给中间轴大齿轮，构成第一级减速。该减速器结构原理为二级圆柱齿轮减速器，减速器与电机通过联轴器传动，减速器与驱动轮之间使用联轴器传动，这样使得所使用的减速器减速比减小，装置整体体积缩小、质量减轻，利于安装。使用控制器控制电机转动速度，利用制动器进行制动，本设计采用此种二级圆柱齿轮减速器进行减速。图2.3驱动装置三维图图2.4二级齿轮减速器装配图本文底盘装置所使用的的驱动系统由驱动电机与减速器组成，驱动电机与减速器通过联轴器直接连接，减速器的输出轴两端分别于后轮装配机构连接，电机驱动减速器，减速器带动后轮机构的转动，从而进行行进。所选用驱动电机的型号及齿轮尺寸参数及如表2.2及表2.3所示：表2.2驱动电动机参数表项目类型电机型号功率转速n转矩T工作电压参数Y132S-45.5kW910r/min2.2kN·m110V表2.3减速器中各齿轮参数表序号名称数值1输入轴小齿轮分度圆直径d1（mm402中间轴大齿轮分度圆直径d2（mm1203中间轴小齿轮分度圆直径d3（mm604输出轴大齿轮分度圆直径d4（mm120

第3章传动机构的设计计算3.1驱动装置的设计计算3.1.1基本参数计算（1）减速器传动比计算第一级齿轮减速传动比i1i1=d2d第二级齿轮减速传动比i2i2=d4d减速器总减速比i为：i=i1∙i2=6（（2）转速计算减速器中间轴转速n2n2=n1i减速器输出轴转速n3n3=n2i已知后车轮直径为D为0.4m，可以计算得出行进速度v最大值：v=πDn3=3.14所以，板栗采摘机最大行进速度可以达到95m/min，满足设计要求。（3）总传动效率计算联轴器传动效率：η1=0.99；齿轮传动效率：η2=0.97；轴承传动效率：η3=0.98。减速器使用了所以总传动效率为：η总=η123.1.2齿轮的强度校核由于减速器正常工作时，中间轴小齿轮和中间轴所受载荷最大，最容易变形失效，所以校核计算仅针对中间轴小齿轮、中间轴以及中间轴的轴承进行计算。由齿面接触疲劳强度计算公式：d≥32kT11、材料弹性系数Z根据参考文献《机械设计》表10-5查取，齿轮材料为40Cr，查取ZE=188.02、节点的区域系数ZH：查取ZH=23、重合度系数：查表取Zε=0.4、齿宽系数ϕd：根据参考文献《机械设计》表10-7，查取ϕd=05、齿轮宽度b：根据计算公式b=6、齿轮传递的转矩TT1=Td∙T2=T1∙i7、接触强度计算的寿命系数Z根据参考文献《机械设计》图10-23，查取ZN=1.158、齿面接触疲劳极限σ根据参考文献《机械设计》图10-24，查取σHmin=9、接触强度计算的安全系数S取失效概率为1%、安全系数SH=1.010许用接触应力[根据参考文献《机械设计》公式（10-14）[σ]H=σ代入数据得[σ]H11、载荷系数KK=KAKV12、设计计算根据公式（3-8）,代入数据：d=60≥3(满足齿面强度要求。取分度圆直径d=60mm3.1.3轴的强度计算中间轴的结构设计如图3.3所示：图3.3中间轴的结构简图1、各轴段的直径的确定d21：最小直径，滚动轴承处轴段，d21=d22：低速级小齿轮轴段d23：轴环，根据齿轮的轴向定位要求d24：高速级大齿轮轴段d25：滚动轴承处轴段d2、各轴段长度的确定l21：由滚动轴承、装配关系确定l22：由低速级小齿轮的毂孔宽度确定l23：轴环宽度l24：由高速级大齿轮的毂孔宽度确定l25:由轴承厚度确定3、轴上受力的位置及支点跨距的确定轴上安装滚动轴承6205，它的负荷作用中心到轴承外端面距离为a=14mm。跨距：l=l21+l22高速级大齿轮的力作用点C到左支点A的距离：l1=l242输入轴小齿轮的力作用点D到右支点B的距离：l3=l222两齿轮力作用点之间的距离：l2=l−l1中间轴的受力简图如图3.4所示：图3.4轴的受力简图计算减速器工作时中间轴齿轮所受的轴向力和径向力：由转矩T2=5.9KN.Ft2=Ft1=Fr2=Fr1tan小齿轮的受力：Ft3=TFr3=Ft3∙3、计算支反力（1）垂直面支反力由MAy=0，得RBy=Fr3∙由MBy=0，得RAy=−Fr2由轴上合力Fy=0，校核R垂直面支反力如图3.5所示：图3.5垂直支反力图（2）水平面支反力由MAx=0RBx=Ft3∙(l1由MRx=0RAx=Ft2∙由轴向合力Fx=0，校核：R（3）根据上述计算结果，可得到总支反力为RA=RAx2RB=RBx2轴的水平面支反力如图3.6所示：图3.6总支反力图（4）绘制转矩、弯矩图C处弯矩：MCy=−RAy∙D处弯矩：MDy=−RBy∙图3.7垂直方向上弯矩图b、水平方向上弯矩图C处弯矩：MCx=−RAx∙lD处弯矩：MDy=−RBx∙l弯矩图如图3.8所示：图3.8水平方向弯矩图c、得到合成弯矩为MC=MCx2MD=MDx2合成弯矩图如图3.9所示：图3.9合成弯矩图（5）弯扭合成校核在对轴校核时，一般只对轴上承受最大弯矩和转矩的截面的强度进行校核。取折算系数为a=0.6，则σca=M12已选定轴的材料为45钢正火处理，由《机械设计》表26-4查得[σ−1σca<[σ−1所以中间轴设计合理。3.2步进装置结构设计3.2.1结构及工作原理图3.10为滑动平台装置三维模型图，如图中所示，滑动平台装置主要组成为：平台底板、滑动导轨、板栗果实接收盘、平台滑动驱动电机、齿轮箱体、齿轮齿条机构、振动装置支架。进行采摘工作时：滑动底盘装置由电机驱动，经过齿轮箱对转速进行缩小，齿轮箱输出轴接一个齿轮，该齿轮与齿条相互配合，带动滑动平台在两根滑动导轨上移动，果实接收盘会对振动落下的板栗进行收集，完成板栗的收集作业。图3.10滑动平台装置3.2.2齿轮箱的结构设计本文中所设计板栗采摘机的滑动平台选用齿轮箱体进行减速增扭，图3.11为齿轮箱三维模型图，图3.12为齿轮箱体的结构原理图。齿轮箱体的组成为：齿轮箱壳体、输入及输出轴系、驱动电机、联轴器、输出轴端齿轮、齿条。驱动电机与齿轮箱输入轴通过联轴器相连，输入轴小齿轮与输出轴大齿轮相互配合进行减速，齿轮箱输出轴轴端安装小齿轮，小齿轮与齿条相互配合，完成滑动平台的滑动作业。图3.11齿轮箱三维模型图图3.12齿轮箱体的结构原理图3.2.3齿轮减速器的参数设计表3-1为步进电机主要参数，选用步进电机型号为Y2SD2，齿轮箱所用大小齿轮及输出轴端齿轮参数为：输入轴小齿轮分度圆直径d1=60mm，齿数为30，齿宽为40，模数为2；输出轴大齿轮分度圆直径d2=100mm，齿数为50，齿宽为表3-1步进电动机参数项目型号功率转速转矩参数Y2SD20.75kW360r/min2.0kN.m齿轮箱减速比i为：i=d2d1=输入轴转速n2n2=n1=输出轴转速n3n3=n2i联轴器传动效率：η1=0.99轮传动效率：η2=0.97；轴承传动效率：η3=0.98。减速器使用了所以总传动效率为：η总=η123.3振动装置结构设计针对板栗种植模式和农艺要求，并考虑到机器对板栗树的损伤及工作效率等因素，设计了基于振动原理的板栗振动采收装置。振动原理是：电机通过联轴器连接齿轮，齿轮通过齿轮轴连接曲柄，曲柄通过摇杆连接机械手。电机转动带动曲柄转动，这时机械手在摇杆的带动下开始做往复运动，电机转速越快机械手往复运动越快，板栗树摇晃的也就越激烈。3.3.1振动装置主体结构激振装置通过往复振动，实现板栗与树枝的分离。振动装置三维模型图如图4.10所示，该装置主要由机架、驱动电机、齿轮箱、曲柄轮、连杆、液压夹紧抓手等组成。驱动电机是振动装置的动力来源，电机转动通过减速齿轮箱进行减速，减速齿轮箱输出轴轴端安装有曲柄轮，曲柄轮上轴销连接连杆机构，连杆另一头连接液压夹紧抓手。振动装置工作时，首先由液压夹紧抓手将板栗树树干夹紧固定住，然后驱动电机启动，驱动电机通过减速齿轮箱进行减速增扭作用，减速齿轮箱输出动力给曲柄轮，曲柄轮转动带动其上连接的连杆，构成曲柄连杆原理，形成周期性的液压夹紧抓手的往复运动[18]。该振动装置所使用到的振动原理为机械式的，采用的是曲柄连杆装置形成周期性振动，其振动频率通过调整电机转速来实现，做到较为柔性的振动动作，这样既可以高效的将板栗振动下来，又可以避免因振动强度过大而损伤果树。图3.13振动装置三维模型图3.3.2振动装置的减速器设计与步进装置相同，采用一级减速器进行设计：驱动电机与齿轮箱输入轴通过联轴器相连，输入轴小齿轮与输出轴大齿轮相互配合进行减速，齿轮箱输出轴轴端安装曲柄轮，曲柄轮与连杆相连接，完成液压夹紧抓手的高速往复运动，完成振动动作，最终将板栗由树上振下。为保护板栗及果树不被损坏，则振动频率不宜过大，这里选用驱动电机型号为Y07-59D1-1300，齿轮箱所用大小齿轮及输出轴端齿轮参数为：输入轴小齿轮分度圆直径为50mm，齿数为25；输出轴大齿轮分度圆直径为250mm，齿数为125；输出轴轴端曲柄轮分度圆直径为80mm，近似曲柄长度为60mm；模数为2；设计使用寿命8年，平均每日工作时长两小时，齿轮材料为40Cr，轴材料为40Cr。大、小齿轮的齿宽b=40mm。表3.2驱动三相异步电动机参数项目型号功率转速转矩参数Y07-59D1-13001.5kW360r/min2.0kN.m表3.3齿轮箱大小齿轮参数名称分度圆直径齿数Z模数m齿宽b材料小齿轮dZ2b40Cr大齿轮d2Z22b40Cr3.3.3减速器动力参数计算齿轮箱减速比i为：i=d2d1=输入轴转速n2n2=n1=输出轴转速n3n3=n2i则机械手的振动频率f为：f=n32π=总传动效率计算：联轴器传动效率：η1=0.99；齿轮传动效率：η2=0.97；轴承传动效率：η3=0.98。减速器使用了所以总传动效率为：η总=η12对于振动式板栗采摘机，设备进行采摘作业时的振动频率大概为15Hz，振动幅度大概为60~70mm，对板栗树的振动时间大约是5s，则采摘率可以达到95%甚至更多。由于是针对板栗树进行采摘，为保护板栗和板栗树不被损坏，所以选择振动时间T为5s，振动幅度H为曲柄的直径，取H=70mm。根据上述分析，列出振动装置的基本参数，见表3.4所示表3.4振动装置的基本参数振动频率ff=11振动幅度HH=70mm振动时间TT=5s机架及转向机构的设计4.1主体框架的设计4.1.1底盘的设计底盘装置是采摘机的承载主体，该装置主要负责实现整体设备的移动转向动作，所以该设备配备有驱动装置。所有机构设备都安装在底盘结构之上，是整体设备的承重单位，其设计过程应当考虑到结构的强度与刚度，避免发生压溃现象。前轮、后轮机构在进行设计时都应根据设备重量选择合适的轮胎以及连接轴，连接部位必须保证其强度。最为重要的一点在底盘机构上装配其他工作机构时要充分考虑重量分配的均匀性，防止发生重心不稳现象，只有质量分布合理后，设备在进行工作时才能稳定运行，图4.1为板栗采摘机底盘装置三维模型图。1、底盘的设计要求（1）刚度要求：为保证底盘不易受力变形，底盘必须要有抵抗外力作用下不变形的能力。如果基础部件的刚性不足，在外部载荷的作用下将会产生弹性形变，从而影响机器的正常工作。（2）工况要求：这里的工况是指各个零部件之间的相互关系，为保证机器可以顺利运行，各零部件必要可以无阻碍运行，所以要求底盘不能有阻碍运动件通过的突起。（3）强度要求：底盘是主要承重单位，主要承受发动机、转向机构、变速箱、电池、及满载荷时板栗的重量，所以底盘必须要有承受载荷后抵抗发生断裂的能力，强度必须符合要求。（4）稳定性要求：底盘需对称平整，设计合理美观，避免因失稳对机构会造成破坏，必要时需校核。（5）经济性要求：为降低成本，底盘不宜设计的过于复杂。（6）其它：如防腐蚀、散热良好及特定环境的要求。图4.1底盘装置三维图2、底盘合理性分析底盘是整个机器的支撑部分，对机器上的零件起到支撑和容纳的作用，安装在底盘的装置主要有：前轮、转向机构、后轮及传动轴、驱动电机、减速器、电池等，由于支撑柱位于四个顶角上，所以底盘受到的载荷主要分布在四个顶角上。4.1.2中间板的设计中间板和底盘一样，是板栗采摘机的重要组成部分，该部分主要装载有振动装置、步进装置和接果盘等。由于中间板装载了板栗采摘最重要的机构，所以中间板的设计必须满足强度、刚度以及稳定性的要求。如图4.2所示，中间板主要由钢板焊接而成，两侧为滑轨，中间平坦区域用来安装板栗采摘机重要装置。图4.2中间板的三维模型4.4.3接果盘的设计接果盘是接收板栗的装置，结果盘的设计须满足两个要求，一是保证能成功接住掉落的板栗，接果率需达到95%以上，所以接果盘的覆盖面积必须足够大。二是要保证掉落下来的板栗不会损坏，所以接果盘的材料不宜太硬。如图4.3所示，接果盘由底下的两个方框组成，当大机械手的振动的时候，接果盘可以接住掉落下来的板栗。图4.3接果盘的三维模型4.2转向机构的设计根据板栗采摘机转向系统的工况特点分析，转向机构主要由连杆、回正伸缩杆、手闸、钢丝等组成，如图4.4所示。当右边手闸按下的时候，车轮向左转，松开手闸的时候由于伸缩杆的左右而回正；当左边边手闸按下的时候，车轮向右转，松开手闸的时候由于伸缩杆的作用而回正。图4.4转向机构的三维模型第5章技术及经济性分析通常在一般情况下，在设计完结构之后需要讨论设计和理论的一些相关的问题，本节将进行从经济和技术的角度分析板栗采摘机。5.1技术性分析本文在现有板栗采摘机的基础上，通过改进和优化，利用二级减速器和电机作为驱动装置；利用一级减速器和电机作为步进装置和振动装置；底盘是一块钢板，所有机构设备都安装在底盘结构之上，是整体设备的承重单位；中间板由焊接而成，是板栗采摘机的重要组成部分，该部分主要装载有振动装置、步进装置和接果盘等；设计了“斗”形结果盘，实现了板栗的采摘和接收工作。整个机身，设计精妙，性能优越，构造简洁，可实现在灵活工作，且能耗低，够大幅提高工作效率[22]。5.2经济性分析本次设计的板栗采摘机主要材料为普通钢材，原材料预计成本如表5.1所示。表5.1材料成本序号名称单价每台所用数量（个）每台成本（元）1底盘501502中间板501503接果盘501504车轮204805齿轮1591356轴107707转向装置40014008机械手装置40014009轴承151827010轴承端盖101818011果盘支撑杆1022012电机4003120013电池300130014其他300若干300总计3505元根据市场竞争规律以及相关的法则,产品不仅需要具有较高的性能要求,同时还必须具有低廉的价格,并且随着技术的发展,对设计方面提出的要求越来越复杂,为了不断的提高其技术和经济价值，可以从以下三个方面开始着手：1、通过进一步改进计划和简化设计的工作,通过不断地减少零件的数量,并且提高标准化,和普及化程度以达到更高的要求。2、在设计，使用和加工过程之中,尽可能多的使用更加便宜的材料。3、改善加工之后的原料，以达到提高经济学的目的；通过零件加工过程中,通过选择不同的精度，公差以及不同的技术要求，以满足不同的技术要求。由于劳动力成本的不断提高以及板栗种植面积的扩大，农民采摘不及时的状况也会越来越多，而本文板栗采摘机的成本只需3505元左右，会有越来越多的人们需要这种板栗采摘机，因此板栗采摘机的市场潜力是巨大的。总结根据现有板栗采摘存在缺陷的问题，设计了基于振动原理的新型落地板栗采摘机，为板栗采摘机的设计提供了新思路。本文继承前人研究内容与成果，总结归纳现有机械设备设计缺陷与不足，通过理论分析和资料查找相结合的方法，对板栗种植发展、机械采摘机理进行了研究，主要研究内容包括以下几个方面：（1)根据板栗树的生长特点和种植模式，设计了一种针对板栗的采摘机。阐述了该机的整体结构、主要组成部分、工作原理以及关键部件设计，并对关键部件进行了受力分析及校核计算。（2）为给驱动电机减速，设计了二级直齿圆柱齿轮减速器，并确定了齿轮和轴的基本参数，对齿轮和轴进行了校核计算；为使滑动平台伸缩运动，设计了一级直齿圆柱齿轮传动原理的步进装置，确定了其结构和参数，并对小齿轮进行了静应力分析。（3）为使板栗与果枝分离，设计了曲柄与齿轮传动配合的方法，实现了基于振动原理的板栗与果枝分离的功能。（4）对本文设计的板栗采摘机的技术性及制造成本进行了预估。

参考文献秦可豪.高空板栗采摘车关键装置设计[D].华中农业大学,2022.DOI:10.27158/ki.ghznu.2022.001123.黄木昌.板栗收获机关键部件设计与试验[D].华中农业大学,2022.DOI:10.27158/ki.ghznu.2022.000678.[3]汤智辉,贾首星,沈从举,等.新疆兵团林果业机械化现状与发展[J].农机化研究,2018(11):5-8.[4]杨学军.一种自走式干果收获机:中国,201020503989.5[P].2011-04-13.[5]王乃康,矛也冰,赵平.《现代园林机械》中国林业出版社,2000:147-152.[6]张晓文.林木种子振动采集技术现状及展望[J].北京林业大学学报,1996,18(1):84-88．[7]WhitneyJD,PattersonJM.Developmentofacitrusre-movaldeviceusingoscillatingforced-ai[J].TransactionsoftheASAE,1972,15(5):849-855.[8]LeeSW,HuhYK.Vibratoryharvestingmachineofboxthorn(LyciumchinenseMill)berries[J].TransactionsoftheASAE,2003,46(2):211-224