毕业设计（论文）-简易红薯收获机设计

XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX第一章引言1.1.红薯收获机的发展概况以及前景1.1.1红薯作物的简单介绍红薯属管状花目，旋花科一年生草本植物，长2米以上，平卧地面斜上，叶片通常为宽卵形，长4-13厘米，宽3-13厘米，花冠粉红色，钟状或者漏斗状，长3-4厘米，果实为地下块根，果实呈纺锤状，外皮为土黄色或者紫红色。红薯块根富含蛋白质和各种矿物质，含糖量较高。块根具有活性成分，有各种保健功效。红薯有各种口味，是种具口味，与健胃多种好处的农作物。红薯有极高的营养价值。在国际上被誉为营养食品，同时又具有很好的保健功效。而且红薯还可以加工成红薯粉，是我们安徽安庆的特色食品，风味极佳。红薯起源于墨西哥等热南美洲一带。而中国则是世界上最大的红薯生产国。目前中国的年均红薯产量为19吨/公顷。正是因为我国红薯种植量大，小规模种植户多，所以简易红薯收获机械的研制显得非常重要。中国也正在走上机械化农业大国，各种机械发展都比较迅速，也给我们设计带来了更高的要求。红薯地要起垄，这样土质比较疏松，适合红薯生长。虽然初期起垄时，土质被整的很松，但是到了收获季节，由于长期雨水冲刷，垄变低，而且土壤变硬，加大了人工收获的难度。适合红薯生长的土地是砂质土层，所以我们可以很好的利用这一特性，对红薯进行挖掘收获。但是红薯的土壤适应性还是比较强，所以收获器具最好是具备一定的柔性，以应对不同环境下生长的红薯收获作业。1.1.2.目前红薯收获机械的简单介绍国际上红薯机械自动化收获研究发展早、速度快、科技技术高。目前，国际上的红薯收获机机械自动化发展水平已相当高。另外，红薯的机械自动化的发展经过进一步的发展，收集方式也增加了很多方式。开始小规模种植的时候，一般使用铸造式的挖掘犁收获，红薯在被犁刀挖掘的时候，锯齿状的犁刀对块根又有一个分开作用，将块根从茎叶的根部切下，然后将块根分开到旁边。可是这种收获方式的挖掘犁可用性不强，堆放的红薯随地都是，不方便收集，同时刨出来的块根，很有可能被黄土又一次掩盖，可见的红薯块根不多。科学研究发现，有20%的损失是在挖掘的过程中遗漏和对红薯造成破坏，这样可以看出来，这个显然不能满足人们的要求。并且这种收获方式对块根分割效果不好。对于这个问题，国际上又发明了一种新型的能够除秧功能的机械。这个改变的机械增加了连枷式切割器。这种切割器是一种由一根较长的木棒和一个安装在上面的偏短的、能活动摆动的棍棒组成的除茎工具。它的分割宽度也根据不同距离进行变化，专门用于红薯的块根和茎叶的分割。不过这个只是用于分割，不能进行红薯收集功能。因此它的红薯收集方式仍属于不同段收集，操作步骤多，收集效率也相对较差。目前，国际上大面积种植的马铃薯，贰仟马铃薯收获机的研究使用相比较而言较先进。马铃薯和红薯拥有一定相同的生长方式，所以，在一些地方就用马铃薯收获机来收获红薯。刚开始发明的马铃薯收获机基本都是都只能进行单行收获，因此用它收获红薯时也只适于单行收获。这个装置的挖掘铲后面是升运链，负责输送土壤和块根到链条上。在传送过程中，土块被去除掉，块根被传送到机器后方，再由人工捡拾。伴随着时间的变迁和对红薯收获机的不断研究探索，国际上的红薯收获进入了半机械化过程。接下来出现了一种两级杆条链式红薯收获机。该装置包含两级传送，一级将红薯块根上升，另一级用来对红薯进行分开加工。这个装置安装有分选台，但是挑选工作由人工完成。这种装置不含有茎叶分割功能，收集前需人工对茎叶进行去除，因此效率还是不够高。并且由于由人工进行分离，所以这个装置的消较大。工业革命后，国际上的红薯收获进入了机械自动化时代，又研究发明了具有分离茎叶功能的红薯联合收获机。这个装置可以依次完成输送、挖掘、清选、分离、升运等几乎所有工作，与大功率拖拉机配合使用，用液压控制系统来控制操作。对于大规模种植而言的发达国家，联合收获机可以满足使用要求。这个装置拥有很高的收获效率，减少成本，降低破损率，使利润得到提升。不过，该种收获机不管在结构大小还是经济成本上都不适合中国的基本情况。1.1.3本课题研究的意义、内容及方法现在健康观念深入人心，红薯作为一种低糖的食物，其健康价值较高。不仅如此红薯还有保健养生作用，因此红薯的健康价值正一步步的上升。伴随着人们对健康观念的持续增加，红薯产品的需求也在不断增加。在这个观念加深的时候，随着人们需求量的增加，种植面积大面积的增加也是必然。中国红薯种植面积很大，拥有全世界第一的种植面积。不过种植红薯要付出很大的劳动量，为了解放劳动量就需要拥有机械自动化的装置。但是红薯收获的时间和收获品质对块根多少、干燥、能否储存和处理等有着很重要的关系。由于红薯块根是生长在地下，是否成熟不够显而易见。等到红薯的叶子慢慢变黄基本上就开始收获了，一般等到温度适宜和土地相对硬度相对合适的时候开始收获。对于收集的块根一般进行储存或者进行加工处理。但是不管什么样的收获方式，漏掉的块根和块根的破损都要尽量避免，一旦块根不完整很容易产生腐殖变坏的情况。但是，块根本来就拥有很薄的皮，极易在收集的时候被破坏。在收集装置上的的摩擦和输传送装置过程中，块根很容易受到损伤，所以减少这些都是非常有必要的。现在红薯块根收集方式分为人工和非人工方式。人为收集时缺点很多，需要付出大量的劳动力。但随着社会进步，人工成本太高，减少成本是现在的必然结果。还有一个问题就是中国是世界人口第一大国，与此同时也出现很多不能避免的问题人均土地面积日益减少，环境越来越差，基本用水都被污染，人们对物质需求的不断增加。其中当前主要的问题是，中国人均粮食占有量日益降低，粮食的供求处于紧平衡状态。同时，红薯拥有很多有利条件：只需要付出一点投入，就可以得到很大的产量，在相同的种植面积上产量最多。与此同时，红薯对生长环境也没有那么多的要求，不管在环境多么恶劣的条件下都可以生长，同时还可以获得较高的产量，是非常好的一种经济作物。现在中国社会不断发展，很多经济作物都在不断的改变和优化，红薯可以解决很多方面的问题。红薯不但可以作为一种食物供人们解决温饱，而且还是现在注重健康人士认为很好的一种保健食品，还可以通过其他方式作为一种解决能源危机的作物。有关人士认为：目前最理想的食物之一，红薯就是其中的一个，同时，红薯通过其他方式的处理可以作为一种能源使用，例如酒精。从这里可以看出来，红薯在我国的市场有无限的可能。现在科学技术的发展快速，不同品种很多，这是未来的发展趋势，我国的红薯发展趋势也是往这方面发展的。现在中国的红薯收集装置还面临很多的难题：如何有效的提高出土率，同时尽可能最大化的减少损失。但是红薯生长特点和马铃薯不一样，所以不能使用马铃薯收集装置进行红薯的收集，原因是利用率不高。对于中国地大物博，每个地方的土地都不同，选择成本较低，能够适应不同地形，使用方便简单，容易操作的小型红薯收获机比较符合。使用这个装置的好处就是可以增加效率，还可以降低成本，减少人工成本的投入，对中国红薯收获有很大的作用。本设计在查阅国外的相关设计和资料文献，探讨红薯收获机块根和土块分离传送系统的相关参数，对传送系统各个重要结构进行分析设计确定数据参数。设计一种新型的红薯收获机，解决相关的问题。第二章设计任务挖掘、输送、分离、铺放、捡拾等工作是红薯收获的主要过程。机械化程度不同，可以分为人工，半人工和全部机械化这三个收获方式。通过实地观察来看，收获红薯最大的工作量来自于割红薯藤叶以及挖掘部分。由于红薯藤叶到了收获季节一般都缠绕在一起，很难通过机器清理，这部分还必须要人力去完成。所以本设计主要完成的是挖掘部分工作，所以设计还有很多不完整的地方值得去改进，功能也有待加强。第三章总体设计3.1方案比较方案一、根据各种资料和研究发现，大多数设计者采用的方案为：机构如图所示图1传动图1、万向联轴2、链轮3、减速器4、动力输出轴5、输送链驱动轴6、抖动轮轴其总体结构图如图2：图2总体结构图1、V带轮2、V带3、机架4、抖动轮5、减速器6、联轴器7、悬挂架8、挖掘铲9、链轮10、传动链11、地轮很明显的是挖掘铲上的薯土分离带的动力由拖拉机提供，由锥齿轮改变角速度反向，将动力传给链轮，再由链轮将动力输入到传送带的带轮。这种机构基本上满足了红薯半自动化收获的需求，而且工作原理简单，设计难度小。市面上的主要产品4ul系列就是利用这套动力系统来控制收获机运行。虽然这套系统设计已经比较简单，但是有个可以改进的环节。因为拖拉机还必须向后面的机构传递动力，所以对拖拉机的机构就有所限制。本设计希望在这个方面对其进行改进。方案二如下三维示意图：图3简易红薯机三维模型示意图由于本设计力求简单，易于操作，所以在结构上能减则减。查阅了很多人得设计，发现设计思路大同小异。大体上要满足的功能无非是，翻出红薯，薯土分离，并且市面上大多数红薯挖掘机，不带自装成篮功能，这使得仍需要一定的人力去完成捡拾装袋工作。因为本设计本身是为了解决小户收获红薯，收获量不是特别大，根据资料和市面上一些机型所能达到的要求，本设计的具体技术要求就是：表1技术要求工作模式自带动力机械运作动力最少要求3KW收获方式拖拉机牵引行走宽度120cm入土深度40cm（铲距离垄顶）作业速度1m/s作业效率4亩/小时并且我们要求a.明薯率要大于98%b.挖净率大于95%c.损伤率小于5%机械的整体设计主要分为三个步骤：挖掘铲设计，土薯分离部分设计，运动机构设计拖拉机的选用由于本设计的估算需要动力约为30—50KW，所以现在的一些小中型拖拉机就能满足动力要求。第四章挖掘铲设计4.1铲入土深度估算根据红薯地的特点和设计要求，犁铲首先不需要太宽，因为我们只收一垄而已，但是由于红薯的生长状况复杂，对于铲的入土深度有一定要求，一般情况之下红薯底部会在地表30厘米左右，为了满足明薯率，挖尽率以及减少损伤率英尽量增加挖掘深度。但是不能太深，太深对动力系统的要求比较高。而且薯土分力将会很难，土易堆积卡住机器。为了满足要求，初选入土深度为40厘米4.2铲形设计为了避免红薯受损，犁面应该平整光滑，既减小阻力，又防止红薯受损。在设计犁铲初期，犁铲为平整刃口。后来发现这样会将整个土地翻开，土块不易铲碎，而且加大了薯土分离的难度，所以我改为锯齿形刃口，这样既方便入土，又能够减少翻起土块的重量，并且能更好的翻松底层土质，为来年种植提供有利条件。图5铲尖受力分析由公式P0sin(90°−γ)＞F使土壤在铲刃上的滑切能力克服摩擦力，土壤与铲刃做相对运动。公式中P0—作用在铲刃的阻力(N)F—土壤对铲刃的摩擦力(N)F=Ntg—土壤对铲刃的摩擦角由摩擦定律知F=NtgN=P0cos(90°-γ)综上得出γ＜90°−一般土壤对铲刃的摩擦角为=26.5°～35°，故取γ=60°为易。γ过大较难克服突然阻力和杂草根系不能被切断容易导致，并且会引起铲前堵塞；随着γ减小时，如果想要挖掘宽度达到之前一样，就肯定要使铲的长度加长，这样的话会使工作时阻力加大，还要使铲的强度和硬度增加。挖掘铲的倾角α和铲的长度L可由图4的受力分析求得。犁铲受力图如下：图4铲面受力分析受力公式：P=f×cosα+N×sinαG=f×sinα+N×cosαf=N×kN=G×cosα其中P为铲翻土需要的总推动力，f为摩擦力，α为铲与水平面之间的夹角，G为翻起的土壤自重，N为铲面对土壤的正压力。考虑不同的土壤情况，为了适应更多土地，我们的入土角度为25度。平衡方程式可以从挖掘铲上面的受力分析得出：式中：P—顺着挖掘铲移动物体需要的力(N)N—铲对土壤的反作用力(N)G—铲面上土壤的重力(N)f—铲对土块的摩擦力(N)k—土壤对铲的摩擦系数联立解得：P=Gtan(α+)工作过程中挖掘铲肯定会受到阻力的作用，铲起的土块沿着铲运动会产生工作阻力，并且，阻力的一部分是切割土块时产生的，所以这部分力为P1=KA假如不考虑土块顺着铲面移动速度变化的影响，总的阻力总结上式可知R=P+P1=Gtan(α+)+KA式中：—土壤对钢的摩擦角k=tanK—犁沟土壤比阻(N/m)A—铲面上土壤的横断面积(m)如果是一并收两垄，土壤横截面积约为0.001轻质土K=16000～20000N/m中等轻质土K=20000～24000N/m中等坚实土K=24000～30000N/m综上R的范围约为2000N~3000N之间。而本设计种的挖掘铲是易损部件，它主要是摩擦损耗，所以它需要很高的表变强度和硬度。根据市场上普遍的使用情况，65Mn既满足强度要求，又比较便宜，所以本设计采用材料为65Mn。第五章传动筛设计装配在在铲后面的薯土分离部件在工作时承受的负荷大，单位长度的载荷量有50～100kg/s.m，并且设计要求分离掉的土壤达80%～85%。工作时为了防止石块卡在挖掘铲和转动输送筛之间，导致抖动筛喂入口堵塞，在挖掘铲和转动输送筛之间需要设置防堵装置。被分离物料的成份主要有土壤、薯块、茎秧、杂草等。根系土壤交织粘合在一起，要想在较小的结构尺寸下提高分离明薯率，亦是设计难题之一。本设计采用抖动筛分离装置，抖动筛筛为彼此有一点间隙的的杆式链组成，它相当于栅格式闭合回转筛。在输送筛上输送边的中部设有偏心抖动轮，起到边输送边抖动掉土壤的效果。5.1筛部分设计转动输送筛分离装置(运动简图见图6)具有较强的分离性能，并且在倾角为25度时仍有良好的输送能力，结构简单，但是金属用量较大，金属链磨损较快。抖动筛是由钢圆条和连接这些钢条的销链、抖动轮、齿轮等部分组成。杆条是由直径为10mm的圆钢，按一定间距固定在两条钢链上组成。在输送筛上工作面的杆条下，装配有主动型的抖动轮，抖动轮是椭圆形，在动力作用下周期性转动，从而使传送筛达到抖动效果，完成薯土分离工作。如下图图6传动筛运动简图5.2抖动轮设计决定抖动强度的因素有抖动器长短半径之比、抖动器的数量以及输送筛的紧度和强度等。抖动筛工作过程中并不完全作直线运动，在抖动器作用的某一瞬间可视为圆周运动。抛起土块时抖动器所需的最低转速由输送筛速度来决定。在粘土地工作时，最佳速度为1m/s。主动式抖动轮在工作时由链轮带动。抖动轮的形状设计为椭圆形，因为椭圆形抖动轮工作较温和，产生的冲击力小，制造方便，工作稳定，可以满足在正常工作条件下的使用要求。主动式抖动轮结构简单，但是调节振幅和频率时必须更换不同形状的抖动轮。(1)初选椭圆形抖动轮参数：R=80mr=48m式中：R—抖动轮大节圆半径r—抖动轮小节圆半径(2)椭圆形抖动轮的周长L按以下近似公式计算：L=π[1.5(R+r)—]L=3.14]=408mm(3)能抛起物体的输送筛最低线速度计算公式：式中：K—小节圆半径r与大节圆半径R之比，即=0.6g—重力加速度—输送筛最低线速度经验表明，K值取0.6～0.7时可获得较好的分离效果。因此选取R=80mm，r=48mm较为合理。那么，(4)在收获机最大收获速度(1m/s)情况下，如能顺利输送，输送筛在此条件下最低输送速度应满足：=式中：—在收获机最大收获速度下输送筛最低输送速度V—收获机最大收获速度α—抖动筛工作倾角(本设计抖动筛倾角为20°)那么，==0.94m/s得：=1.11m/s为提高抖动筛的输送和分离能力，应适当加大输送筛的线速度。而线速度过大会使工作功率提高，且容易伤薯。取：V=1m/s(7)抖动轮结构见表2表2抖动轮结构项目数值项目数值抖动轮类型 椭圆形转速 220r/min抖动频率 220Hz大节圆半径 80mm小节圆半径 48mm系数K(K=r/R)0.60输送筛线速度1m/s(8)转动输送筛结构见表3表3输送筛结构项目数值项目数值抖长度(轴距) 1mm宽度(两带中心距) 2000m杆条直径 10mm杆条间隙 40mm工作倾角 20°抖动轮个数2平胶带式输送链是以带子的弹性变形来代替金属的交接摩擦，因此使用寿命长，工作时噪音小。带式输送筛是由链轮拨动杆条，因而造成杆条的磨损。为了提高胶带的强度，带中有用合成纤维制成的筋。转动输送筛式分离装置结构简单，而且在完成分离工作的同时还可以进行与水平成20°的升运工作。第六章传动机构设计6.1齿轮部分设计初选车轮直径600mm，传动筛齿轮直径为200mm为了满足作业速度为,传动筛的运动速度达到传动比按式：可知传动比为4.5而传送筛的工作拉力在800N。两轴的转速计算：查表可知直齿轮（设齿轮的精度等级为7级）的传传递效率η1=0.98，滚动轴承为η2=0.99。则传动总效率η总=η12η22=0.941=1.28kw图6传动示意图选定齿轮精度等级、材料及齿数选用７级精度由表１０－１选择小齿轮材料为４０Ｃｒ（调质），硬度为２８０ＨＢＳ，大齿轮材料为４５钢（调质），硬度为２４０HBS。选小齿轮齿数19，大齿轮齿数取按齿面接触疲劳强度设计确定公式各计算数值试选载荷系数计算小齿轮传递的转矩由机械设计手册选取齿宽系数由机械设计手册查得材料的弹性影响系数由机械设计手册，按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限大齿轮的接触疲劳强度极限由机械设计手册，计算应力循环次数由机械设计手册查得接触疲劳强度寿命系数计算接触疲劳强度许用应力取失效概率为１％，安全系数为S=1，由机械设计手册得计算试算小齿轮分度圆直径，代入中的较小值计算圆周速度v计算齿宽ｂ计算齿宽与齿高之比ｂ／ｈ模数齿高计算载荷系数K根据，７级精度，由机械设计手册得动载荷系数假设，由机械设计手册得由机械设计手册得使用系数由机械设计手册得由机械设计手册查得故载荷系数按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式１０－１０ａ得计算模数ｍ按齿根弯曲强度设计由机械设计手册由得弯曲强度的设计公式为1）确定公式内的计算数值由图１０－２０ｃ查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限大齿轮的弯曲疲劳强度极限由机械设计手册查得弯曲疲劳寿命系数计算弯曲疲劳许用应力取失效概率为１％，安全系数为S=1.4，由式１０－１２得计算载荷系数查取齿形系数由机械设计手册查得查取应力校正系数由机械设计手册查得计算大小齿轮的，并比较大齿轮的数据大设计计算对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数ｍ大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，可取有弯曲强度算得的模数2.81，并就近圆整为标准值ｍ＝3.0ｍｍ。按接触强度算得的分度圆直径算出小齿轮齿数取大齿轮齿数取几何尺寸计算计算分度圆直径计算齿根圆直径计算中心距计算齿宽取验算合适大小齿轮各参数见下表齿轮相关参数(单位mm)表4名称代号单位小齿轮大齿轮中心距214.5传动比4.5模数3压力角（）20齿顶高系数1顶隙系数0.25齿数26117齿顶高3齿根高3.75分度圆直径78351齿顶圆直径84357齿根圆直径70.5343.5齿宽9078TOC\o"1-3"\h\u28997摘要 I3498ABSTRACT II19324第一章引言 1234761.1.红薯收获机的发展概况以及前景 115241.1.1红薯作物的简单介绍 137551.1.2.目前红薯收获机械的简单介绍 1219031.1.3本课题研究的意义、内容及方法 314195第二章设计任务 58456第三章总体设计 6239943.1方案比较 61476第四章挖掘铲设计 10214944.1铲入土深度估算 10134104.2铲形设计 106210第五章传动筛设计 14273025.1筛部分设计 1443875.2抖动轮设计 1515775第六章传动机构设计 18116506.1齿轮部分设计 1815943第七章甘薯收获机的整体结构及工作原理 2726968第八章结论与建议 285108致谢 291251参考文献 30已知链传动的传动比，主动轮转速，链传动传动功率。轮齿数的确定推荐的齿数，则小链轮的齿数取25，大链轮的齿数：则大链轮齿数为382）计算功率查表9-6，查图9-13，，单排链，则计算功率：链条型号和节距由和查手册知，选型号10A，查手册，选节距p=15.875mm连接和中心矩初选取取查表9-7最大中心矩6）链速v和润滑方式查表知道采油池润滑或油盘飞溅润滑。7）压轴力有效圆周力倾斜布置取则压轴力第七章甘薯收获机的整体结构及工作原理用拖拉机悬挂牵引带动这个装置，这样就可以与不同的拖拉机进行配合使用。为了使在工作时运动平稳，装置受力平衡，减少牵引力，所以我们采用正配置。为了减少装置受到的冲击，防止装置出现打滑的问题和确定传送的稳定性，因此我们采用链结构传送。为了可以尽可能较少对红薯的伤害和保持传送的稳定性，在传送链上用医用硅胶进行包裹。机架采用低碳钢，采用焊接工艺。为了防止挖掘部分在工作时受到杂草缠绕而造成拥堵，减小机器的阻力，机架特别安装了防缠绕装置。因为运用抖动链这个装置可以有效的使红薯分离开来。这个装置可以在一定情况下土块脱离掉会地下而且不容易打滑。筛面呈“U”型还有利于集中条状铺放。同时，输送链在工作时，还会在振动机构的带动下，不断上下震动，不断破碎土壤，分离筛掉土壤提高了薯土的分离效果，增加了机器的明薯率。工作时，薯块和土壤沿挖掘铲上升并向后输送，到达输送链，然后经输送链继续输送。破碎的土块在传送的过程中会从传送链的空隙中掉下来。这个动力是由拖拉机的动力输出轴经过万向节传给减速器输入花键轴，再由花键轴传给轴端小带轮，通过一对锥齿轮输出减速器。从减速器出来，一同使小带轮转动，小带轮经过皮带带动大带轮运动，大带轮经过轴带动主动链轮运动，主动链轮带动链条传动，带动被动链轮运动；另外一个是小带轮带动轴运动，带动锥齿轮，经过一对啮合的锥齿轮带动防缠绕机构的运动。第八章结论与建议毕业设计是关于这四年大学学习过程和知识总结结果的综合检验，是毕业季的重要步骤。这次设计针对目前中国红薯收获的问题，提出了设计方案。经过查阅有关资料，考察分析，比较和参考不同方案的优、缺点，综合得出了设计的方案。而后在老师的指导下，与同学交流，频频修改，完成了该设计。设计在解决问题的同时通过自己的创新，更好的解决了问题，节约了资源，减少了能耗。但在设计过程当中，碰到了很多困难，也反应出很多的问题。第一，该装置设计的机器因为不能实验，不确定能否实现了任务书的要求目标。装置的机身构造还太过复杂，尤其是机架的材料选取上和机架的设计上尚有很大的不足。机身还是过于厚重，导致功耗加大。第二，挖掘铲的角度没有准确设计计算和校核，导致挖掘铲不能高效的实现挖掘作业。另外挖掘铲的宽度和间隙设计不够精准。挖掘铲选取也没有论证。再有便是限深轮的安装位置和限深轮的机构也还有较多问题。对于以上问题，提出如下建议：（1）保证机身的稳定性及强度要求的条件下，减少机身的厚度。（2）计