生姜收获机的结构设计

摘要 =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII第1章绪论 11.1课题背景和研究意义 11.1.1课题背景 11.1.2研究意义 21.2国内外研究现状 21.2.1国内研究现状 21.2.2国外研究现状 41.3论文研究的主要内容和方法 51.3.1主要研究内容 51.3.2研究方法及研究流程 6第2章生姜收获机设计总体方案 72.1生姜种植农艺及收获机具的选定 72.1.1生姜的种植农艺 72.1.2收获机具的选择 82.2基本结构和原理分析 102.2.1基本结构 102.2.2原理分析 102.2.3主要结构功能 112.3生姜收获机总体参数设计 112.4技术与保管 112.5本章小结 12第3章生姜收获机的结构设计 133.1电机功率确定 133.1.1发动机预期转速确定 143.2挖掘铲的选定与设计 143.3传动部件方案确定 163.3.1一级传动部件的选定 163.3.2链传动的设计计算 163.4圆盘割刀的选定与设计 203.5变速箱的确定 213.6本章小结 21第4章关键零部件的校核计算 224.1轴的设计与校核 224.1.1确定轴的负载 224.1.2计算轴的动载荷和静载荷 224.1.3计算轴的尺寸 224.2键的选择和校核 254.3轴承的寿命校核 254.3.1轴承型号的选择 254.3.2轴承的校核 264.4本章小结 27第5章生姜收获机的前景 285.1生姜的价值前景 285.2我国生姜收获机发展中存在的问题 285.3生姜收获机发展前景 295.4政策建议 29结论 31致谢 32参考文献 33附录A英文文献原文 35附录B英文文献译文 42绪论课题背景和研究意义课题背景生姜，是姜科、姜属的多年生草本植物的新鲜根茎。因其较高的食用价值和药用价值深受广大人们的喜爱和使用。生姜有很多质量和品种，根据它的颜色可将其划分为：灰白色生姜、白黄色生姜和黄色生姜。灰白皮生姜：外表灰白，光滑，每个小姜块互相连接成手掌样的一个整块。嫩姜香味小，口感脆嫩，可煎炸食用，也可作调味；老姜具有辛辣、芳香、微黄、含水量低的特点，多用于调味或药用。白黄皮姜：姜片颜色为白黄色，整体姜片为单片或双片排列，姜片稍大，最适合用来腌渍。黄皮姜：切好的生姜颜色为亮黄或淡黄，每个小姜块连接成一个大整块。嫩姜可腌制糖渍，老姜可制干姜粉或药用。我国是世界上生姜种植面积最大且生产总量最多的国家，生姜作为日常调味品以及高价值中药材，具有较好的经济效益，在我国的种植范围十分广泛，南方主要以浙江、广东、湖南、四川等地为主，北方则山东省种植面积最大[1]。中国是目前全球最大的产姜区，其次是印度尼西亚，印度，尼泊尔，泰国和澳大利亚。根据资料显示，2022年，我国姜的种植面积为36.87万hm²，较上年同期增加18.7%，产量为1219万吨，较上年同期增加2.4%。近几年世界生姜总产量高达1500万t，中国的生姜种植面积及总产量占据世界的1/2和2/3以上。如图1-1数据显示，我国生姜产量逐年上升，2021年达到了1219万t。图1-12015-2021年中国生姜种植面积及产量近些年来，、在逐年减少，这些国家年需求量在4000万t以上，且每年以20%以上的速度增长。由于生产，，由于生姜种植的面积不断扩大、需求逐渐增加，现在的生姜收获要求已不是之前传统落后的人工收获所能满足的。生姜生产过程所需的劳动力也越来越多，生产成本大幅度上涨，导致许多生姜终端产品价格都出现了上调的情况，因此生姜收获作业的高效性研究已经迫在眉睫。生姜种植农业机械化水平的上下会直接影响到生姜种植也在我国的开展。因此我们要抓紧对生姜收获机械的研制。研究意义伴随着科技和农业科研的不断发展，更多的高产量地茎类农作物(生姜、花生、马铃薯等)品种被研发出来。由于其种植周期短，经济效益好，已逐步成为农户的重要收入来源。但目前国内生姜种植面积比较分散，有些地方平播种植，有些地区实行间作，且垄距、行距不统一，缺乏统一的种植标准，既影响了生姜产量的提高，也不利于生姜收获的机械统一化REF_Ref27091\r\h[2]。目前，我国生姜收割存在着劳动强度大、收获率低、工序复杂、瓜果易烂等问题。目前，我国的采姜机械设备还存在着一些问题。机械适应性不强，部分机械在砂壤土上工作较好，而在粘性土上工作较差；部分机械设备不具备自动清扫功能，导致薄膜、茎秆等在机械设备上积聚、盘绕，严重影响设备的工作品质。改进后的生姜收获机械简化了机具并且简化了工作过程，具有自动振土功能和自动清理装置，能减少生姜姜块的破碎率，密闭分苗器密闭性好，前面带尖，能将歪倒的树苗扶直。因为机器的构造简单，因此制造成本较低，而且该机器的制造效率较高，具有较好的通用性，能够与家庭牵引车相匹配。着重突破生姜夹持、挖掘和收集等关键技术，开发一款可以进行洗涤和收割的生姜收获机，从而降低手工收割生姜的劳动强度，提升生姜收割的工作效率，并降低土壤旋耕的问题。国内外研究现状国内研究现状自从改革开放以来，我国特色农产品的发展速度很快，以前人们对姜的认识还停留在调料上，而如今，姜的经济价值也开始得到人们的认同。随着科技的发展，以及高产量的生姜品种的开发，如今的生姜的每亩产量也在持续增加，因此，在我国的不同区域，生姜的种植面积也在逐渐扩大，而且，由于其生长周期短、经济效益高等优势，逐渐的成为了这些农户家庭最重要的经济收入途径和新的发财途径。我国姜制机械工业发展较晚，造成了姜制、收割的机械化水平较差，制约了我国姜制工业的发展。国内生姜收获机械主要分为两大类、三种型式，其中的一类是挖掘类，另一类是提拉秧类REF_Ref27470\r\h[2]。在采姜时，，。因为体积太大，因此发掘的效果也就很差，所以挖掘的效率就会很低，在人工进行后期的操作时，会对姜块的损伤和不能收割的问题产生影响，而在土壤水分太大的情况下，收割机械在行走时会感到非常的艰难，挖掘铲的阻力会增大，挖掘的效率会降低提拉秧类机械受土壤的干湿度的影响不是很大但主要会受到生姜的种植密集度的影响较明显，姜苗种植的过密、过疏或者是疏密不均等问题，都会影响收获效果。国内专门生产生姜机械的企业很少，的可，但是相比拖拉机产品还是显得力量单薄。我国的生姜机械工业起步较晚，造成了生姜的种植和收割机械化水平较差，功能比较单一，从而影响了我国的生姜种植产业发展。中国的科技水平还不够高，目前的机器也无法做到完全自动化，所以大多数时候都是手工收割。这样农民的收获劳动强度并没有减少，而且还会导致收获时间长和收获效率低等问题，而且人工作业的随意性使生姜茎块的损失率、破碎率较高,不利于生姜的贮存，因此急需改善和创新新生姜收获机械以解决目前国内生姜收获存在的不足REF_Ref27565\r\h[4]。图1-2履带式生姜收获机2005年山东农业机械科学研究所研制生姜收获机如图1-2。该装置的工作原理是：先沿姜栽植行行行进，由分禾器将生姜茎引入拨禾轮，再由拨禾轮将生姜茎送入夹持带，夹持带移动及机械行进，将生姜茎从土壤中拔起，实现了姜的收割。本机器是一种四轮驱动的自动行走型号，它使用了橡胶夹持提拔机构，可以将姜苗和生姜一起从地中拔出来，收割速度很快，而且不会碎姜，收获率高，使用方便，适用于多种生姜地的收割。图1-3生姜收获机在2002年度，山东莱芜市农业机械部门开发出了一台与手扶拖拉机相匹配的生姜收获机械，见图1-3所示。在进行操作的时候，可以首先用立式割台将姜苗进行切割，并将其运送到一边进行清垄，之后用圆形的深松犁将地下的生姜根茎松挖出来，最后将生姜块整个搬出。土壤不翻，保持一块儿完整。该机具有整体设计思路新颖、性能稳定、操作方便、损失率小及作业成本低等特点REF_Ref27650\r\h[5]。国外研究现状在国外，人们在很长一段时间前，就已经对农业机械智能化展开了深入的研究，并且已经开始对传统的农业机械展开了改造和更新。同时，还将一些先进的高新技术应用于农业生产中，从而更好地提升了农业的生产效率。比如，美国就是使用了卫星定位技术来提升农机的智能程度，在大型拖拉机上安装了GPS全球定位系统，然后再使用卫星导航和计算机来进行各种农田的操作，这样就可以达到精准耕作的目的，并且减少了在耕作的时候会有的漏耕和重叠的情况发生。利用计算机控制系统，对整个作业过程进行完整地记录，这对土壤中的数据进行全面地分析和收集，从而可以更好地进行交换与精准操作，从而使农业生产效率得到全方位地提升。在田间害虫自动监测系统上，国外将无线传输、电子机械以及物联网相结合，并将生物信息素等技术与之相融合。农务工作者远程监看田间的虫情，并根据发生的情况，自动地提出有效的防控方案。该监控系统的主要工作有：诱捕害虫、采集环境参数、数量统计、计数，传送等。能够更好地实现对虫害的定点诱捕，并对虫害进行分类和统计，通过远程检测，可以达到对害虫进行自动和智能的预警，进而全面提高了对农作物病虫害的监控水平。另外，英国还研发出了一款配备了EMS的拖拉机，这种拖拉机可以根据耕作情况，根据播种的深度和宽度，来判断播种的情况，同时具备故障诊断以及工作状态液晶显示的功能从而达到更好的耕作效果。日本开发出的微型智能农用设备，可对作物进行智能操控，利用GPS和电脑技术，精确地进行肥料和农药的施用，从而提升了农用设备的智能化和机械化程度。由于受到生长环境和栽培农业的制约，姜属植物多见于中国，印度，东南亚等几个亚热带国家。40年代以来，美国，德国，日本，法国，意大利等国家相继开发出各种类型的收获机。目前，我国已经完成了对长根作物(萝卜、甜菜等)和短根作物(生姜、花生、大蒜、洋葱等)的机械化收割，并且在国际上正在朝着大型化、机电一体化、智能化、更加可靠、更加安全的方向发展，一些发达国家不断将高、精、尖技术应用到农业机械上来，农业机械正向智能化方向发展REF_Ref27735\r\h[6]。欧美各国普遍使用大型的姜联合收获机，并运用更多的高科技，如水力、振动、气流、光电、传感等，以提高挖掘精度和输送精度，并运用电脑技术实现监测作业等。小型生姜收获机主要用于种植面积小的区域，具有能耗低，效率高，自动化程度高，日本的东洋生姜收获机是一款在国外具有代表性的小型生姜收获机，它配备了一个椭圆形振动筛，可以迅速地将生姜上的灰尘清除干净，不仅清理速度快且可靠性强，这种生姜收获机可以完成从挖掘到装袋的所有工作。目前国外生姜收获机研发人员通过加大传感器技术、振动技术、液压技术在生姜收获机上的应用程度，不断提高了生姜收获机的工作效率和精度REF_Ref27908\r\h[7]。论文研究的主要内容和方法主要研究内容研究对象：生姜收获机研究内容：1．介绍了本论文的选题背景，并综述了与此有关的国际、国内有关的姜块收获机械的发展状况；2．关于生姜收获装置的有关技术参数及工作机理，制定相应的设计方案和原理图，实现挖掘、传送、清土等多功能目标；3．对生姜收获机的工作参数选择、确定，根据原始参数计算出机器各部件需要的结构尺寸；4．根据生姜收获机的关键零部件的尺寸，对其零件进行设计并校核；5．按照收获机尺寸要求，使用CAD及其它辅助设计工具，完成零部件及装配图纸的制作；6．得出最后结论，并且完成论文撰写。研究方法及研究流程研究方法：本课题所设计的生姜收获机械由挖掘装置、切割器、传动装置和清土装置等构成。切割刀的高度可由主轴调整，切割刀的角度可由万向关节调整，因此，收获机的工作更为灵活和便利。通过阅读相关文献，熟悉目前不同生姜收获方法的利弊，并从中吸取教训，改进不足。本发明提供了一种具有结构简单、适用于各种工作条件的生姜收获机，既可减少农户购置时的财务压力，又可降低采姜时的劳动强度，还可提高采姜的工作效率。在设计时，需要运用农业机械学，机械系统设计，机械设计，机械制图，材料力学等多个学科知识。研究流程如图1-4所示。图1-4研究方法流程图生姜收获机设计总体方案生姜收获机的总体方案设计包括总体原理的分析、基本结构的设计、传动部件的选择。应满足收获机的功能要求，根据自己的设计方法和已有的经验，选择结构简单、尺寸紧凑便于加工和效率高成本低的装置设备。为使生姜收获机使用寿命更长，还应遵循使用的技术与保管要求等。生姜种植农艺及收获机具的选定生姜的种植农艺1．生姜种植特征我国的姜由于生长环境的差异，在栽培方法上也有差异。正常来说，姜最多能长出10根，7-9根，如图2-1所示。由于姜的根部吸水、吸肥能力不强，其根部无法深入土壤，所以在其根部深入土壤30厘米以上就无法将水分、肥料完全吸收。图2-1生姜种植工艺2．收获要求(1)挖掘入土深度和挖掘宽度，为了保证生姜能够全部被挖出或者松土，各个挖掘铲的入土深度和挖掘宽度都要到达要求(挖掘深度为30cm，挖掘宽度为40cm)，如果入土深度和宽度不能到达要求，就会对姜块造成损坏和漏挖REF_Ref27989\r\h[8]。(2)漏姜，漏姜是指在收割的时候，没有被收割的姜片留在了泥土里，导致这一现象的最大原因是收割的机器在收割的时候，挖土的角度和挖土的深度都没有达到。漏掉的姜的比重，占了2%左右。(3)损伤，损坏是指采摘时受损的姜块，通常是由于收割时机械未达到收割标准而导致的，后期手工收割时由于机械的破坏而导致的。生姜的破损也要小于产姜量的

2%。收获机具的选择这一次的设计，是在调查了国内外当前的各种生姜收获设备之后，根据自己的需求，对比了各自的优点和不足，最终确定了自己的设计。下面是几种类型的生姜收获机结构简图和性能分析：1．4JS-1型生姜收获机，如图2-2所示。1.立式割台2.手扶拖拉机3.环形深松犁图2-24JS-1型生姜收获机该机工作原理：手扶拖拉机前进时，可先由立式割台将姜苗切除，并传送到一侧清垄，随后由环形深松犁将地下生姜根茎松挖，生姜块被整体移出土而不被翻动，保证了生姜块的完整性REF_Ref28061\r\h[9]。性能分析：这台机器的总体设计理念新颖、性能稳定、操作简便、损失率小、作业费用低廉，它的最大收割宽度为400mm，最大收割深度为300mm，损失率和损伤率都低于2%，生产率为0.13-0.20hm²/h，比手工效率高20-30倍。2．4GJ-1型生姜收获机，如图2-3所示。1.扶禾器2.夹持带3.拨禾轮4.发动机5.变速箱6.机架7.驱动轮图2-34GJ-1型生姜收获机其工作原理为：先沿姜栽植行前进，由分禾器将生姜茎条引入拨禾轮，再由拨禾轮将生姜茎条送入夹持带，在夹持带的移动及机械的推进下，将生姜茎从土里拔起，实现了姜的收割。性能分析：本机器是一台自动四轮驱动的机器，它使用了橡皮夹持提拔机构，可以将生姜和生姜一起从地中拔出来，收割速度很快，而且不会碎生姜，收获率高，使用方便，适合于多种生姜地的收获。该机配套动力4.4kW柴油机或汽油机，收获幅宽550-700mm，生产率0.07-0.10hm²/h，行走速度2km/h，作业速度5km/hREF_Ref28146\r\h[10]。轮叉式生姜收获机，如图2-4所示。1.牵引座2.牵引梁3.拉板4.机架5.轮叉6.轮轴图2-4轮叉式生姜收获机示意简图本机器的工作原理是，由小拖拉机或手扶拖拉机拉动，先将轮叉插入到土壤中，使土壤松弛，并将生姜茎块托起，用手轻轻抬，姜块就被拔出土面，再用剪刀剪断姜苗，最终实现对生姜的收割。本发明是一种与目前在乡村已有的小牵引车或手扶拖拉机相配合，所挖掘出来的姜基本没有损坏，易于贮藏，结构简单，经济实用，生产力高。该设备的生产能力为0.13-0.27hm²/h，节约了电力设备的采购费用，增加了经济效益。通过对不同型号的生姜收获机分析和筛选，以及对本次设计的中心思想，确定了生姜收获机的结构简图(如图2-5)和工作原理如下：图2-5生姜收获机结构原理图该装置前面部分为挖掘松土装置，工作时由汽油机来提供动力带动设备运行的，油机通过联轴器和减速器相连，减速器上的输出轴转动，通过链传动带动后车轮向前行进。输出轴另一端通过联轴器和锥齿轮、风机相连，万向节与传动部件的链轮连接，通过链轮驱动与传送链驱动，传输至驱动链轮轴，使其能够同时均匀地旋转，进而驱动两条链的移动，达到夹取姜秧的目的。到顶部通过切秧刀把姜块和秧苗分离，分离后的姜块落入收集斗中，以达到生姜收获的目的。基本结构和原理分析基本结构生姜收获机的结构由剪切部件、清土部件、松土部件(图2-6所示)、传输部件(图2-7所示)、切割刀、机架、减速器和汽油机等组成，该收获机是一种自走型收获机，它结构简单、功能齐全、自动化程序高，可以实现对姜块的挖掘和收割，自动收姜和两级清土功能。图2-6松土部件图2-7传输部件原理分析该生姜收获机进行作业时，机器能一次性完成挖掘、夹持传动输送，对姜块两级清土，和姜秧姜块的分离。机器是由汽油机来提供动力带动整个设备运行的，油机通过联轴器和减速器相连，减速器上的输出轴转动，带动同轴的小链轮，进而使链传动的大链轮转动，带动后车轮向前行进。输出轴另一端通过联轴器和锥齿轮、风机相连，锥齿轮来改变传动方向，中间带有万向节可改变角度、方向。而风机则是与气管连接，对生姜进行清土功能。万向节与传动部件的链轮连接，通过链轮驱动与传送链驱动，传输至驱动链轮轴，使其能够同时均匀地旋转，进而驱动两条链的移动，达到夹取姜秧的目的。到顶部通过切秧刀把姜块和秧苗分离，分离后的姜块落入收集斗中，以达到对生姜收获的目的。该机器适用于鲜姜的收获，比传统的人工收获具有自动振土、清土、省时、省力、省钱的优点。生姜收获机一天收姜可达十二亩。主要结构功能1．两级清土装置配备有清洗刷和风机来完成工作。清洗刷出土的姜秧姜块进行初步的泥土分离工作，通过链传动向上运输至吹风口处，再对姜块进一步清土工作，大大提高姜块的完整率。2．切割刀的工作动力由传动轴提供，通过两级传动带动切割刀工作，切割刀的高度和角度分别通过轴和万向节调整，保证生姜收获机适用度更加广泛。割台在割断姜秧的同时进行清垄，保证割断的姜秧不会影响动力机械的行走。3．挖掘铲采用开沟器类型的装置，它是一种可以根据农艺要求，在，落下，并覆盖湿润的土壤，。所以，要求开出的种沟深浅一致，深度可调，幅宽适当，沟形整齐，，并且干湿土不混在一起，，种子发芽。从而解决了收割后的土壤翻耕处理，有利于提高生姜收割机的作业效率及耕地质量的问题。生姜收获机总体参数设计1．挖掘铲入土深度：15-20cm；入土角度：30°。2．传输装置高度确定：由于姜秧的高度通常是500-900mm，所以把链轮的卡紧部位定位在300-400mm，以此来确定机架的高度。3．链条速度确定：链条的线速度为1.3km/h，与机器的行进速度相反，略高于工作速率，以确保拔出的生姜苗子在较大程度上处于垂直状态。机器工作速度为5km/h。4．主要性能指标：生产效率(亩/h)：≤1损失率(%)：≤2损伤率(%)：≤2技术与保管1．每次工作完毕，都要把机器各个部分的土壤清理干净。2．3．和检修。4．长期不用是机具应注意防止雨淋，避免与酸性物质接触，以免腐蚀，刀片应涂油处理REF_Ref28189\r\h[11]。本章小结为了解决我国人工收获生姜时存在破损多、深松犁损坏不易更换等问题，设计新型生姜收获机采用开沟器来对姜秧进行挖掘，这种类型的铲子深度能调，幅宽合适，沟形整齐，有一定的自行覆土作用，不会破损、工作方便，同时机器具有两级清土装置，能保证减少姜块收获时的破损率，机架上设置有带动力装置和操控装置的行走机构和收获机构，来提高生姜收获作业的效率及土地的旋耕问题。生姜收获机的结构设计在进行生姜收获机的结构设计时，根据前面所选取的参数来设计和选择关键零部件。传动部件的选取决定了其工作性能、结构布置和尺寸大小，它的设计包括确定传动零件的材料、热处理方法、参数、尺寸和主要结构。在进行机构设计的时候，利用Solidworks一些制图软件，对原型进行建模和分析，利用3D立体的模型建构，可以让我们对机械结构有更为直观的认识，并可以在设计过程中不断地对设计方案进行修改。电机功率确定旋耕机机功率包括旋耕刀旋耕功率P1和行走系统行走功率P2 (3-1)由得到的经验公式估算刀滚工作时所消耗的功率 (3-2)式中：耕深(cm)，机组前进速度(m/s)；耕幅(m)；Kr旋耕比阻(N·mm)，(Kr=KgK1K2K3K4)。由第二章得B=1m，功效为6亩/h得 (3-3)其中式中各系数的具体数值通过表2-5查得。为确保所选发动机头能使旋耕机在任何情况正常工作，在表2-5中修正系数取值时应取最大值，确保动力充足。由表2-5可取：Kg=12N/cm2，K1=1，K2=0.9，K3=1.1，K4=0.68Kr=KgK1K2K3K4=12×0.9×1.1×0.68=8.07 (3-4)将以上数值带入公式3-2得行走系统的行走轮功率按经验数据确定，当轮式机械行走速度为时，每吨重耗用功率为，取同类机型重量，则其行走系统功率。故旋耕机最低所需总功率为PW=P1+P2=9.95kW查《机械设计手册》取各部分效率如下：1：0.962：0.993:0.964：0.995：0.976(w)：0.96=12432456=0.783则，发动机所需的输出功率Pd=PW/=12.71kW (3-5)发动机预期转速确定参考同类旋耕设备取旋耕刀工作转速=150~300r/min，旋耕机行走速度v=8km/h，行走轮直径为640mm，因此行走轮转速。V带传动比的合理范围为2~4，因此公比为的两级变速箱传动比的合理范围为1.41~4，则总传动比的合理范围为=2.82~16，故发动机转速的可选范围为：=93~4800r/min因此选用常州斗罗机电科技有限公司生产的ZS1100G柴油机型号：ZS1100G额定功率Ped：14.7kW同步转速n：2200r/min满载转速nmax：2200r/min1．初步确定选用发动机动力：＝4kW；2．牵引功率：kW；式中：牵引效率，取＝0.6-0.65。3．基本作业挡时发挥出的牵引力为：kN式中：工作速度。挖掘铲的选定与设计挖掘铲的设计过程中不能只考虑理论状况要理论联系实际，比如说挖掘铲作业过程中会有杂草石块等杂物，杂草会与挖掘铲发生缠连导致挖掘铲不能达到挖掘要求，而石块会与挖掘铲发生刚性碰撞会导致挖掘铲破损从而影响挖掘作业REF_Ref28287\r\h[12]。挖掘铲的设计在功能方面需要实现挖掘姜块以及保证挖出的姜块的完整性，避免机械对姜块造成损伤；在性能方面要达到受到的合力最小，实现消耗动力最小，以及适应不同环境，达到在不同的环境下比如在不同干燥程度的土壤中圆满的完成挖掘收获作业任务。的要求这就使得的设计计算显得尤为重要。，挖掘铲在工作过程中与连接件可不可以有相对运动将挖掘铲分为固定式、回转式和复合式三种。常见的固定式挖掘铲的结构形式(如图3-1所示)：1．三角平面铲2．曲面铲3．带圆犁刀的曲面铲4．带分离栅的曲面铲图3-1常见的固定式挖掘铲因为生姜的种植农艺，所以生姜收获机械的挖掘深度必须达到一定的程度，并且要有较大的作业范围，在工作的时候，需要挖出并挖动大量的泥土，而上述常见的挖掘铲只适用于比较宽松的土壤，而且入土能力、碎土能力以及挖掘深度都达不到生姜收获农艺的要求，如果想要满足以上农艺的要求，那么挖掘铲必须做的很大，否则就会显得笨重，浪费材料。此外，如果铲面过大，在挖土量较大的时候，很容易出现堵塞，从而增加了牵引阻力。为了减少对泥土的搅动以及功率的损失，本次挖掘铲选用开沟器形状的装置来解决以上问题，开沟器挖掘深度一致，不乱土层，不让土中杂物造成拥塞，对土壤的适应性好，结构简单且阻力小REF_Ref27813\r\h[14]，结构简单，制造工艺少，而且能达到生姜收获时的农艺要求，其结构示意图(如图3-2所示)。图3-2开沟器开沟器主要设计参数有：入土倾角(安装角度)；铲的长度。1．入土倾角根据生姜的种植农艺可知cm，；所以；(3-1)；(3-2)则；考虑到生姜种植过程中姜苗与中心线的偏离度，取65°()。2．铲的长度由生姜的种植农艺可知cm；所以cm；(3-3)由于此开沟器的主要目的是为了松土及提拉生姜的目的，并不是为了将生姜完全从土壤中翻出，所以铲的末端并不需要完全达到生姜最大种植深度，而且如果直径过大会对开沟器的制造工艺、热处理工艺，提出很高的要求，而且在工作中很容易发生变形或者断裂，所以取20(=20cm)。传动部件方案确定本文设计的生姜收获机械是小型自走型收获机，它的行走动力和前方挖掘装置的动力由汽油机提供。圆盘割刀装置的运动也是通过汽油机来提供动力。一般情况下动力传递都是是通过带传动实现的，但是此次割台的动力传递的一级传动部件选择链传动。发动机的动力通过链条的传递后要实现圆盘割刀的工作转动则需要动力的换向传递，一般来说动力换向机构有两种，其中一种是齿轮传递，另外一种是涡轮蜗杆REF_Ref27813\r\h[14]。一级传动部件的选定涡轮蜗杆传递比较平稳可以实现不传动比的传递，但是涡轮蜗杆的传递机械效率很低而且对材料的耐磨性要求很高，而先对与涡轮蜗杆传递来说锥齿轮传递方式相对较廉价一点而且传递效率较高，所以此次设计选用锥齿轮来实现动力传递REF_Ref28486\r\h[15]。链传动的设计计算与摩擦型的带传动相比，链传动没有弹性滑动和整体打滑的现象，所以可以保持准确的平均传动比，传动效率更高，而且由于链子不必像皮带传动那样被拉紧，因此对传动轴施加的径向力很小；链条传动整体尺寸小，结构紧凑。链条传动可在高温、湿度较大的条件下使用。链传动主要用于要求可靠，两轴相距较远，低速重载，工作环境恶劣，以及其他不宜采用齿轮传动的场合。该装置用于生姜收获机，可实现对姜秧的良好输送，工作稳定可靠。因为链是由刚性链节通过销轴铰接而成，当链绕在链轮上时，其链节与相应的轮齿啮合后，这一段链条将曲折成正多边形的一部分(如图3-3)。该正多边形边长等于链条的节距，边数等于链轮齿数，链轮每转过一圈，链条走过zp长，所以链的平均速度v(单位为m/s)为(3-4)式中：、主、从动链轮的齿数；、主、从动链轮的转速(r/min)图3-3链传动的速度分析链传动的平均传动比为(3-5)如果传动比较大，那么就会使链条在小链轮上的包角变小，从而使参与啮合的齿数变少，从而增加了每一个轮齿所要承担的负荷，从而加快了轮齿的磨损速度，还容易产生跳齿和拖链的情况。所以，链传动的齿轮比最大为i=6，推荐值为i=2-3.5，这里选择i=2.5，链条在链轮上的包角不应小于120°因为链传动为啮合传动，链条和链轮之间没有相对滑动，所以平均链速和平均传动比都是常数。链轮齿数、的确定大链轮齿数少，可减少外廓尺寸，但齿数过少，会增加运动的不均匀性和动载荷；进、出链接合时，链与链之间的角度变大；链条的周边作用力增加，从总体上加快了链条及链轮的磨损。从这一点可以看出，大链轮的齿数不应太小，链轮最少齿数，一般。一般情况下，链的节数往往是偶数，而要使链与链的磨耗均衡，往往选择链齿的个数为奇数，最后选择，。2．计算功率根据链传动的工作情况、主动链轮齿数和链条排数，将链传动所传递的功率修正为当量的双排链计算功率(3-6)式中：计算功率，kW；主动链轮齿数系数，多排链系数，双排链时,三排链时；所需要传递的额定功率，kW；工作情况系数；通过查表可知=1.2，而本次设计的生姜收获机为自走式，而且切割台结构较简单，所以割台的设计计算只是通过满足一般通用链轮传动要求从而实现生姜收获机的广泛配套使用，通过查阅资料可知小型收获机汽油机的额定功率一般为=4kW，则=6kW。3．选择链条型号和节距ｐ链条型号根据当量的双排链计算功率、双排链额定功率和主动链轮转速由图3-4得到，应保证(3-7)选取链条型号为双排链05B。图3-4滚子链额定功率曲线根据《机械设计》表9-1滚子链的规格和主要参数，可知ｐ＝64．计算链节数和中心距(1)初选中心距，按式(3-8)计算链节数＝180-300mm，取。(3-8)，取为52。(2)为避免使用过度链节，应将计算出的链节数圆整为偶数。链传动的最大中心距为(3-9)式中：中心距计算系数，见《机械设计》表9-7。5．计算链速v，确定润滑方式平均链速按式(3-4)计算，m/s，根据链速v和《机械设计》图9-13，选择的润滑方式为滴油润滑。6．计算链传动作用在轴上的压轴力压轴力可近似取为(3-10)=4700N式中：有效圆周力，N。压轴力系数。对于水平传动，=1.15；对于垂直传动，=1.05。7．链条的材料选择由于m/s，因为转速并不大所以选择HT150作为链条的制造材料。8．链传动的布置、张紧、润滑和防护(1)链条驱动装置的设计要求链轮定位在铅锤平面上，且两链轮共平面。中线可以是水平的，也可以是斜的，但是要注意，它不是在起落状态。通常上面是紧边，下面是松边，这样可以避免上面是松边时产生的下垂度太大，影响了链条的正常运行。(2)链驱动装置张紧的目标，是要防止当链的边垂度较大时，由于链的边垂度较大而出现啮合不佳及链的振动，并且要增大链与链轮之间的接合包角度。张紧一般设置在中线和水平方向的角度超过60°的地方。在中间间距是可调整的情况下，可以调整中间间距来控制张力；在不能调整的情况下，可以安装一个张紧轮(3)在链驱动装置上加油，能缓解震动，减少摩擦，从而提高了链的使用年限。建议使用全损失体系的机油，其粘度等级在32、46、68。(4)为避免操作人员不小心接触链条上移动的零件而受伤，应将链条上的保护盖盖起来。保护套也能使链条不受粉尘污染，保持良好的润滑状况。圆盘割刀的选定与设计现有收获机械切削设备的切削工具分为盘形切削工具、往复切削工具和带有切削工具的切削工具。此次的切割器是在图3-5中所显示的一种圆形切割器，这种切割器具有良好的切割力，收获后的菜叶断面光滑，便于贮藏。它是用来收割韭菜、甘蓝菜等的，这种割刀的限制是它的切割范围是由圆盘的直径来确定的，所以它的切割范围比较小，想要扩大切割范围就必须要安装割刀，或是加大圆盘割刀的直径。图3-5圆盘割刀圆盘割刀的刀片形式一般情况下有光刃刀片和齿刃刀片两种。光刃刀片的结构相对其他的刀片形式较简单，而且在割刀工作时它的阻力也比其他的刀片小，但是其工作效果较差对转速要求较高。而相对来说齿刃刀片的工作效率高环境适应性更强，所以考虑到生姜种植的特殊性和本次设计机具的转速不是很高等因素此次设计选用齿刃刀片REF_Ref28597\r\h[16]。切刀的在工作时，由于其底面与被挤出的禾杆的摩擦，所以它的损耗要比侧面要大得多，而且由于茎杆不可避免地要对刀锋进行反复的摩擦，刀锋极易形成圆形和钝化。调查显示，在被剪切的软质(具有弹性的)物质中，有些是由吸附而来的。残留的矿物质颗粒，部分来自含有氧化硅晶的植物，在植物的表层，有对刀刃材料的研磨作用一种细小的石英颗粒。通过刃口表面对于支撑正本及被加工材料之间的摩擦，来控制其不同部位的磨损速率，并可以使用这种在加工中作用于刀刃上的效果，使刀刃形态发生变化，以达到自磨锐的目的。由于刀的幅宽为100mm，受力强度较大，故其制造材料采用45号钢，表面采用渗硼的化学热处理的方法，硼的渗层厚度为0.08~0.15mm,这样可以使得刀片刃口的侧边得到一定程度的硬化，经实验证明：刀片的侧边和顶面存在硬度差时，可以利用茎杆对他的摩擦，使其顶面的磨损速率大于侧边的磨损速率，从而推迟刃口圆角的出现以达到自磨锐的目的。变速箱的确定在设计变速箱的时候，对其档次进行了充分的考量，使得它的速度不但有利于田间作业、倒车，而且还有利于短途运输。一个正向档位，两个反向档位。前进挡Ⅰ挡可以用作工作速度，它的动作比较缓慢，这样可以方便地对机械进行操纵和调节，前进挡II挡等于人，中等速度的步行，可以用来进行短距离的转换，倒挡主要是用来在姜秧较厚的工作时，当链条与姜秧夹死时，以及在后退时，为了工作的方便。由于其传动比为2.5，所以可以选用市场上传动比为2.5的变速器，型号为ZDY，ZDZ100型圆柱齿轮变速器。本章小结本章完成了电机的选取、传动部件的设计等，传动部件的选取决定了其工作性能、结构布置和尺寸大小，它的设计包括确定传动零件的材料、热处理方法、参数、尺寸和主要结构。本次设计为链传动传递，一般情况下链传动应放在低速级，设计时应注意检查链轮直径尺寸、轴孔尺寸等是否与减速器或工作机相适应；在设计链传动时还应考虑到链传动的润滑、紧张和维护等。关键零部件的校核计算齿轮材料对齿轮承载能力和结构尺寸影响很大，合理选择齿轮材料是齿轮设计的重要内容之一。轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的工艺等方面的要求，合理地确定轴的结构形式和尺寸。轴的设计与校核本文设计了生姜收获机动力传输部分的主轴如图4-1，设计的关键是确定轴的负载，计算轴的动载荷和静载荷以及计算轴的尺寸。图4-1轴结构示意图确定轴的负载为了确定轴的负载，需要考虑生姜收获机的总重量以及轴上所受力的方向。生姜收获机该轴受减速器对它的径向压力，齿轮对它的径向压力，设生姜收获机的总重量为600kg，轴的负载为200kg。计算轴的动载荷和静载荷在确定轴的动载荷和静载荷之前，需要先估算轴的转动惯量。根据轴的尺寸和材质，可计算出轴的转动惯量为553.14kg.m2。轴的负载为0.5kg，考虑到生姜收获机工作时的土地松软不平稳，将轴的动载荷取为负载的1.5倍，即300kg。静载荷为负载的1.5倍，即450kg。计算轴的尺寸初步估算轴径根据《机械设计》表15-1得，高速轴材料为：45钢，热处理方式为调质，许用弯曲应力[σ-1b]=60MPa。根据扭转强度计算初估。由《机械设计》表15-3得常数A0=120mm(4-1)考虑到键槽的作用，轴径增加3%为19.85mm，圆整后标准直径取d=20mm。2．轴的尺寸设计(1)初定各轴段直径和长度如表4-1表4-1各轴段尺寸轴段轴直径轴段长度L12070L22353L32067(2)轴承的选择轴主要承受径向，轴向力较小，选用深沟球轴承3．轴的受力分析(1)轴上的作用力齿轮切向力：(4-2)齿轮径向力：(4-3)(2)计算轴的跨距4．校核强度(1)水平面计算：(2)垂直面计算：(3)合成弯矩(4)截面C的校核(4-4)15-1得(4-5)截面B经计算所以该轴强度足够。5．设计的轴段受力分析图4-2所示图4-2轴的受力分析图键的选择和校核1．选用键尺寸为2．校核键联接的强度键、轴材料都是钢，由机械设计查得键联接的许用挤压力为键的工作长度所以该键符合条件。轴承的寿命校核轴承型号的选择表4-2所选用的轴承主要参数轴段名称轴承代号d/mmD/mmB/mmCr/kNL1600735621416.2L2600840681517.0轴承的校核1．对该轴Ｌ１的深沟球轴承6007进行校核轴承校核公式如下： (4-6)式中：，h；，N；，h；根据13-3取12000h；，对于球轴承，对于滚子轴承；，r/min；，N，;，查《机械设计》13-6；，N；，N；。查《机械手册》得基本额定动载荷；Ｌ1传递转矩 (4-7)轴向载荷 (4-8) (4-9)假设径向载荷很小，忽略不计。查13-5得X=1，Y=0，fd=1.0，因此轴承的当量动载荷可计算得： (4-10)将以上数值带入公式3-40得：经校核此轴承符合要求，选取合适。2．对轴L２的深沟球轴承6008进行校核。查《机械手册》得基本额定动载荷C=17.0kN；Ｌ２传递转矩： (4-11)轴向载荷： (4-12) (4-13)假设径向载荷很小，忽略不计。查13-5得X=1，Y=0，fd=1.0，因此轴承的当量动载荷可计算为： (4-14)将以上数值带入公式3-40得：经校核此轴承符合要求，选取合适。本章小结本章进行了生姜收获机关键零部件的一系列校核计算。首先根据原始参数，对收获机运动情况进行分析，进而选择合适的齿轮、轴等，并对其进行校核。对于齿轮，先选定齿轮类型、精度等级和它的材料及齿数，再进行齿面接触疲劳强度设计，最后是齿根弯曲疲劳强度的计算。生姜收获机的前景生姜的价值前景生姜既是一种常见的食物，也是一种调味品，也是一种具有非常广泛临床应用的中药。集营养、调味品、保健于一体，具有较高的开发利用价值。生姜的化学成分很复杂。根据其感官性能特点和抗氧化性能，可分为生姜精油、生姜素和庚烷二苯基。生姜是具有较高药用价值的成分之一REF_Ref29479\r\h[17]。生姜具有独特的姜辣味和香味，可作调味品，对人的消化粘膜有机激作用，能促进食欲，帮助消化。生姜除供烹调作调味剂外，还可生食、炒食、作香料，腌渍、糖渍食品及做糕饼的原料。生姜还可制姜汁、姜酒、姜油、姜片、姜块成品。近年来，开发了多种生姜食品，如姜汁饮料，姜汁茶，姜醋饮料，姜汁奶制品，姜汁凝乳，生姜风味小食品，甘草酸梅姜，葱酥糖姜片等。生姜在医学上是很好的中药原料，具有很高的医疗价值。我国自古以来民间就利用姜来止呕、解毒、治疗冻疮和伤风感冒、生发等。现代中医对生姜的药理作用研究更为深入细致，将其作为矫味剂、健胃剂、发汗剂、芳香兴奋剂、驱风药、镇痛药等有广泛的应用。在食品领域，生姜也占有一席之地。生姜可抑制肠道内异常发酵，促进气体排泄，增强血液循环，具有温暖、发汗、止嗝、解毒等作用，可作健胃、镇吐、去寒、防暑、发汗之用REF_Ref29580\r\h[18]。因此处在空调环境中的人们经常喝点姜汤，可有效防治“空调病”；饮用热姜水，可加速血液流通，消化体内酒精，缓解或消除醉酒。我国生姜收获机发展中存在的问题1．。，的生姜收获机制造业起步比较晚，机械制造水平较低，在制造质量方面还存在一定的差距。2．配套服务设施不够完善。近年来，我国农村生姜收获机设备的数量不断增加，但配套设备的售后服务水平还未能同步，大多数的生姜收获机设备售后服务水平较低，多数生产或者销售厂商更注重销售的环节，不重视售后服务环节。3．，任何行业缺少互联网的加持都会在发展进程中落后一步。目前，我国的机械设备的智能化技术还不够成熟，这可能与我国农业发展的传统有关。4．生姜收获机设备的科技含量较差。由于我国的生姜收获机发展仍处于初级阶段，能够自主研发的能力较低，