毕业设计（论文）-小型马铃薯捡拾一体机结构设计

题目马铃薯捡拾机整体结构设计学生姓名学院专业班级学号指导教师摘要从工程实际的角度出发选择了本次的毕设课题，设计一款马铃薯捡拾机是根据目前现有的实际情况来看的。主要包括如下几个方面：研究此次设计任务书中的相关问题，结合实际情况来确定总体的设计方案。按设备结构、功能分析，挖掘、捡拾、土薯分离、输送和收集、传动系统等作为核心部分共同组成整套设备；接着在初定方案的基础上，结合实际需求分析，核算各个机构的指标参数，确保设备能够达到正常的工作所设计的部件强度及技术指标要求；在计算机绘图软件的帮助下绘制完成相关图纸，并结合整套设备设计流程开展设计说明书的编写工作。在开展机械式马铃薯捡拾机设计工作时，明确各项技术流程无疑是首要的条件。深入研究了当前国内外技术方法的发展现状及未来趋势。经过对比分析，发现采用工艺相对简单的马铃薯捡拾机设计，其整体设计难度并未如预期般复杂，反而是易于实现的。这一发现为接下来的设计工作提供了明确的方向和信心。关键词：捡拾机；挖掘；输送；传动系统；设计流程ABSTRACTFromthepointofviewofengineeringpractice,thethesisofthisprojectisselected,andthedesignofapotatopickupmachineisbasedonthecurrentsituation.Itmainlyincludesthefollowingaspects:Therelatedproblemsinthedesigntaskbookarestudied,andtheoveralldesignschemeisdeterminedaccordingtotheactualsituation.Accordingtothestructureandfunctionoftheequipment,excavating,pickingup,separating,conveyingandcollectingarethecorepartsofthewholeequipment.Thenonthebasisoftheinitialplan,combinedwiththeactualdemandanalysis,theindexparametersofeachinstitutionarecalculatedtoensurethattheequipmentcanmeetthenormalworkofthedesignedcomponentstrengthandtechnicalindexrequirements;Withthehelpofcomputerdrawingsoftware,therelevantdrawingsaredrawnandthedesignspecificationiswrittenincombinationwiththewholeequipmentdesignprocess.Whencarryingoutthedesignworkofmechanicalpotatopickupmachine,itisundoubtedlythefirstconditiontoclarifythetechnicalprocess.Thepresentsituationandfuturetrendoftechnologyandmethodsathomeandabroadaredeeplystudied.Aftercomparativeanalysis,itisfoundthattheoveralldesigndifficultyoftherelativelysimplepotatopickupdesignisnotascomplexasexpected,butiseasytoachieve.Thisdiscoveryprovidescleardirectionandconfidenceforsubsequentdesignwork.Keywords:Pickupmachine;Toexcavate;Transport;Transmissionsystem;Designprocess目录TOC\o"1-2"\h\z\u第一章绪论 第一章绪论1.1研究意义及和意义在中国，马铃薯作为一种重要的粮食作物，具有独特的地位和发展现状。马铃薯产业在不断创新发展中，为丰富粮食结构、提升农业产值做出了积极贡献。当前仅实现了半机械化的马铃薯收获，尚未能完全满足实现马铃薯机械化收获的要求[1]。本研究将运用现代机械设计理论及优化方法，借鉴国内外先进的马铃薯捡拾一体机械设计经验和技术，设计一种能够适应不规则的小地块环境、与小四轮拖拉机配套的马铃薯捡拾机，从而取代人工捡拾、收集、搬运薯块的繁重过程，进一步提高马铃薯收获的机械化程度和生产效率，降低劳动强度，增加农民收入。根据毕业设计任务书要求，开展了研发马铃薯捡拾设备的需求分析和设计。具体方法是根据设计任务书的具体需求，参考机械设计的常规流程与方法，在根茎果实收获捡拾工艺要求的基础上对机械结构进行设计和优化。此次设计的机械设备要求在功能、性能等方面满足如下几个方面的要求：（1）在功能要求方面，设计的机械设备需具有挖掘、捡拾和传输功能。（2）在性能要求方面，机械设备除满足实际的作业功能要求之外，还应该兼顾设备运行的能耗要求，尽可能降低设备的能耗。在此次非标机械设备设计中，采用的是常规的机械设计流程，整个设计过程不仅仅是夯实了自己各方面的专业基础，更锻炼了自己运用知识，解决实际问题的能力，这对于自己日后的工作学习都有着重大意义。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状在20世纪初，欧美发达国家就开始研究马铃薯的机械化生产。到了上世纪四、五十年代，英国、法国、德国、美国等欧美国家基本实现了马铃薯的机械化收获。随后，亚洲地区的国家如日本、韩国等也相继在马铃薯生产领域实现了机械化。马铃薯生产的收获阶段从最开始的人工收获到畜力收获再到简便牵引式机械收获，一直发展到现在的高度智能化、自动化多功能一体式联合马铃薯捡拾一体机[2]。GRIMME公司引以为傲的VARITRON470是一款自走履带式马铃薯捡拾一体机（见图1-1），其自走机型ARITRON通过与多功能分离机、辊式分离机、细秧提升机等不同的分离单元结合，实现了卓越的性能。铂金版TERRATRAC具有高机动性，橡胶履带有助于土壤维护。发动机符合欧洲V排放标准，采用低转速概念，提高燃油效率。GentleFlow设计确保作物经过的筛网通道和相连的分离单元始终保持相等宽度，以确保有效且均匀的分离效果。MultiSep多级除杂器在处理粘重土壤、大量土块和小石头时能够有效进行土杂分离。采用7吨的不间断收获料斗，最大限度地利用了料斗的存储容量，同时相较于传统处理方式更为温和，强化了对作物的保护。图1-1自走式马铃薯捡拾一体机VARITRON470发达国家的机器生产效率高，经过几十年的发展，马铃薯联合收获机智能化水平不断提高。许多产品集成了大量传感器，结合液压和振动技术实现挖掘装置的自动调整；薯杂分离技术引入了先进的传感监测技术，能够实时监测分离效果和运动轨迹。同时，结合人机工程学，实现了机械收获过程中的分离、收集等操作的交互。先进技术如空气压强、激光和电力用于破土、碎土和薯杂分离，同时通过电脑进行监控、大数据采集和智能分选。1.2.2国内研究现状我国自上个世纪60年代开始研究马铃薯捡拾一体机，然而由于当时工业化进程较快，农业机械一直滞后。到上世纪90年代，我国马铃薯种植面积不断增加，产业迅速发展，马铃薯捡拾一体机需求增加。研发和生产进入日程，科研机构和高校在该领域取得显著进展，整个行业也迎来了较大的发展。近年来，我国一些地区致力于研制适用于干旱和半干旱地区的小型马铃薯收获机。马铃薯捡拾一体机的发展趋势是朝着机器工作单元的大跨度发展，以提高操作性、降低劳动消耗、拓展使用范围和通过性能改善土壤，实现自动化操作强化，并扩大最佳作业速度选择范围。随着中国社会和经济的发展，农业规模化经营、农业机械化和规模化生产的产业化将成为大中型马铃薯捡拾一体机械的不可避免趋势。1.2.3国内外研究总结对国内外马铃薯捡拾一体机研究的了解，不难观察到国外主要专注于大型马铃薯联合收获机的研发与制造。这些机器在智能化和自动化方面已经达到高度水平，融合了多种先进技术。相关制造企业以技术和品质为核心理念，着重解决马铃薯收获过程中的各种问题，实现高效、高产、省时、省力的目标。国内方面，研究主要集中在提高马铃薯捡拾一体机的效率和适应性。通过智能化技术和创新设计，实现自动化采收，减少劳动力成本。智能控制系统和先进传感技术的引入提高了机械执行任务的准确性，从而改善了收获质量。此外，国内研究也注重信息技术的应用，通过数据采集和分析为农民提供科学的种植建议。综合而言，国内外的研究都致力于提高马铃薯捡拾一体机的技术水平，以满足农业现代化和可持续农业发展的需求。技术创新、自动化和环保将是未来马铃薯捡拾一体机研究的关键方向。但我国与国外的马铃薯捡拾一体机相比较在技术层面还有所欠缺，所以设计优化一款马铃薯捡拾一体机势在必行。1.3课题研究内容与技术路线1.3.1研究内容通过前期大量的查阅资料和文献，借鉴一些高校研究所制作的马铃薯捡拾一体机和国内外其他马铃薯捡拾一体机的设计基础上，经过研究总结出现今国内马铃薯捡拾一体机所存在的一些问题进行分析，同时再通过搜索研究出马铃薯捡拾一体机的优缺点后，设计一款与30kW拖拉机配套的小型马铃薯捡拾机。实现挖掘、薯土分离、集中条铺等作业。通过调查数据和理论数据，确定设计方案。本次设计的这款小型马铃薯捡拾一体机的设计包括挖掘铲、薯土分离设备、马铃薯收集设备等关键部件。挖掘铲通过螺栓安装在悬挂机架的侧板上，而机架则在中部焊接有传动机构，包括传动箱、一对锥齿轮和传动轴。这个传动机构通过传动轴与拖拉机的动力输出轴相连，将动力传输到转动输送筛和摆动分离筛，使其实现转动和摆动，从而将挖掘出的马铃薯输送到摆动筛上，以实现分离效果。转动输送筛的主动轴通过链条驱动，而传动机构末端设有一偏心轮，通过连杆的回转运动带动摆动筛，进而实现对马铃薯和土壤的分离。1.3.2研究内容本文研究的技术路线如图1-2所示：图1-2技术路线图1.4小型马铃薯捡拾一体机械的类型及技术要求1.4.1小型马铃薯捡拾一体机械的类型小型马铃薯捡拾一体机通常分为振动式和滚筒式两种类型。振动式一体机通过振动装置将土壤和马铃薯分离，而滚筒式则通过滚筒的旋转运动来完成这一过程。这些机械设备通常用于农田中的马铃薯收获，提高了收获效率。马铃薯的机械化收获过程通常包括杀秧处理、挖掘土薯混合物、薯土分离、马铃薯集中收集、泥土清选以及装运保存。在整个收获过程中，关键要求包括挖掘时防止土堵塞和控制伤薯率不超过2%，以确保有效的土壤与马铃薯分离，同时降低马铃薯的破皮率。此外，需要注意集条铺放，防止二次覆盖，以提高明薯率。马铃薯的收获阶段是整个生产过程中最复杂且耗时较长的阶段，因此提高效率和经济效益主要依赖于使用实用高效的马铃薯收获机。1.4.2技术要求马铃薯收获机的主要性能评价是看在马铃薯收获时马铃薯的伤薯率、破皮率、损失率、明薯率等指标是否达到国家的相关标准要求，根据中华人民共和国农业行业标准.NY/T2464-2013，《马铃薯收获机作业质量》可得到表1-1为马铃薯联合收获机性能指标要求，表1-2为牵引式马铃薯收获机性能指标要求。表1-1马铃薯联合收获机性能指标要求序号项目性能指标%1破皮率≤2.02伤薯率≤1.53损失率≤4.04含杂率≤4.0表1-2牵引式马铃薯收获机性能指标要求序号项目性能指标%1破皮率≤3.02损失率≤4.03伤薯率≤2.04明薯率≥96.01.5具体设计工作内容基于国内外现状分析与对比，识别出当前存在的不足之处，并以此为切入点，致力于优化本次设计工作。首先，精准分析了未来几年目标设备的发展趋势，明确了具体的工作路径。在明确目标后，根据任务书的详细要求，展开设计工作，确保每一步都有的放矢。接着，从具体的设计目标出发，参考并制定了详尽的工作计划。整个设计过程以总体设计方案为框架，严格遵循设计标准，确保每一项工作都符合行业规范。然后，详细确定了设备部件的尺寸参数，并经过严格的校核，以确保其准确性。这样，设备才能正常运行，满足实际作业要求。综上所述，总体结构设计方案已经明确，各项尺寸参数均经过精确计算，绘制工作严格按照绘图标准完成。致力于打造出既符合实际需求又具备前瞻性的设备，为行业的发展贡献力量。第二章马铃薯捡拾机整体结构设计2.1设计相关要求以下几项是在对目标进行设计时必须遵循的原则：1、首先是工艺：在对总体方案进行确定时，所涉及的所有机械必须要考虑到位，看是否适合于我们的产品，契合于生产当中，各种条件都是需要全部得到满足的。2、方便后期的维修工作：标准件是最好的设备内部组成件，不仅很容易中从市场中买到也方便后期的维修工作，设备施避免不了的。一旦发生损坏我们可以及时的对零件进行更换，这样即保证了工作能正常进行又缩短了设备的维修时长，一举俩得。3、合理的控制成本：设备成本是十分重要的一个环节，成本控制在一定范围内是十分重要的，比如要方便加工和制造。想要满足于以上这些条件，所设计的设备的尺寸大小要控制在合理的范围内，还有一点就是要控制设备重量，要易于搬运才比较方便，简单的操作方式在整个工作过程中才足够轻松。2.2设计参数在马铃薯捡拾机的基础上完成此次设计的，主要包括以下几个方面：针对此次设计的设备来说需要考量设计的重点在于设备的传动系统、功能机构和悬挂机架方面，这些都是需要结合具体情况来对相关参数进行确定的。开展具体的工作之前，需了解以下：1、名称：马铃薯捡拾一体机设备；2、功率：1.5kw；3、主轴转速：540r/min；4、理论明薯率＞95%；5、理论破损率≤5%；6、工作宽度：1800mm。2.3马铃薯捡拾机的技术要求国内的马铃薯捡拾机械技术发展虽处于起步阶段，但已对马铃薯捡拾机械提出了明确的技术要求。这些要求包括挖净率、明薯率、破损率、生产率以及其他特定要求。明薯率：捡拾机应具备高效的分离机构，能将马铃薯与土壤有效分离，并确保分离后的马铃薯输送与收集。明薯率应达到95%，这意味着大部分马铃薯都应清晰地呈现在收集箱内。破损率：在捡拾过程中，应尽量减少马铃薯的破损，如破皮、切伤等。为此，破损率应控制在5%以下，确保马铃薯的质量和完整性。生产率：机械捡拾的主要目的是减轻人的劳动强度，并提高生产效率。因此，捡拾机在设计时应考虑到作业速度，以确保高效作业。综上所述，为了满足国内马铃薯生产的需要，马铃薯捡拾机械应综合考虑上述技术要求，以实现高效、低损、环保的马铃薯捡拾作业。2.4马铃薯捡拾机总体设计方案马铃薯捡拾机主要基于农业机械化原理设计，通过动力机械驱动，结合先进的机械结构和传动系统，实现对马铃薯的高效捡拾。本次任务设计的马铃薯捡拾机与30KW的拖拉机以后悬挂方式进行连接配套工作。如图2-1所示，按功能结构主要包括挖掘、捡拾、土薯分离及输送、收集、传动系统、悬挂机架等，其中挖掘捡拾由地轮、切土圆盘和挖掘铲组成；土薯分离及输送则通过滚刷、辊筒、振动传输带、振动机等装置组成；传动系统由齿轮箱、传动轴、带传动装置等组成。图2-1马铃薯捡拾机整体结构三维示意图工作原理：（1）悬挂机架作为整个捡拾机的基础，提供了稳定的工作平台。挖掘铲架通过螺栓安装在悬挂机架的侧板上，确保其稳固性和可靠性。铲架上安装的挖掘铲负责挖出土壤浅层马铃薯。（2）拖拉机的悬挂机构与机架采用两点悬挂方式相连接，这种连接方式既保证了捡拾机的稳定性，又便于调节和操作。传动系统，包括传动齿轮箱、传动轴、带轮组，与拖拉机的动力输出轴紧密相联，确保拖拉机的动力能够有效传递到滚刷、辊筒、振动传输带、振动机上。（3）当机器启动后，传动系统立即将动力传送至带轮组，使其开始旋转。地轮推动切土圆盘与挖掘铲行进，并挖掘到的马铃薯，带有泥土的马铃薯被有序输送至土薯分离机构的振动输送筛上，振动筛与滚刷配合，滚刷清理附着于马铃薯表面的泥土后振动筛将泥土筛落回到地面，通过滚刷、偏心轮式振动机和输送带式筛网的协同运动，实现了对马铃薯的高效土薯分离。这种筛分方式不仅能够快速将马铃薯和土壤分离，还能保持马铃薯的完整性和清洁度。最终，经过筛分后的马铃薯通过传动辊筒与输送筛的传送，落入收集装置中，完成了整个捡拾作业。总之，这款马铃薯捡拾机通过巧妙的机械设计，实现了马铃薯的高效捡拾和分离，大大减轻了农民的劳动强度，提高了农业生产效率。2.5对本章节进行总结在传统的半自动马铃薯收获方案基础上，紧密结合实际情况，对本次设计结构进行了富有创意的改进。通过对已有的机械挖掘与人工捡拾马铃薯的方式进行全面分析，发现了存在的问题生产效率低，尤其偏北方马铃薯收获一般在10月份，地面开始上冻，不易挖掘造成明薯率较低和破损率较高，所以针对性地设计出了最优解决方案。这一创新设计不仅提升了设备的生产作业效率，还实现了对资源的有效节约，充分体现了经济环保的设计理念。具体来说，针对生产效率低的问题进行了深入研究，通过一系列技术革新和工艺优化，成功解决了传统方案中的瓶颈问题。同时，还注重提升设备的可靠性和耐用性，确保在实际使用中能够长期稳定地运行。总之，本次设计在继承传统优势的基础上，融入了创新元素，实现了效率与环保的双赢。第三章挖掘捡拾结构的设计本次设计挖掘捡拾结构包括挖掘铲、切土圆盘、地轮等，如图3-1所示，挖掘铲和切土圆盘作为马铃薯捡拾功能中的重要部件，通过采用合理的材料和结构设计，以及灵活的调节方式，可以确保挖掘铲在马铃薯收获过程中发挥最大的作用。图3-1挖掘铲和切土圆盘结构示意图3.1挖掘铲部件的设计3.1.1挖掘铲的设计原则挖掘铲主要是确保能够有效地挖出马铃薯，同时尽量减少对马铃薯的破损。为此，挖掘铲需要具有足够的强度和耐磨性，同时其形状和尺寸也需要根据马铃薯的大小和土壤条件进行优化。为了降低挖掘铲在挖掘过程中的牵引阻力，可以考虑采用轻量化的材料，挖掘铲的形状也可以进行优化，例如设计成流线型，以减少土壤对挖掘铲的粘附力。组合式挖掘构件通过将不同形状和功能的部件组合在一起，可以满足不同的挖掘需求。例如，三角形扁平多铲适用于挖掘浅层马铃薯，这种设计方式不仅提高了挖掘铲的适应性，还方便了对各部件进行更换和维修。铲框架与框架之间的连接需要足够稳定，以确保挖掘过程中不会出现晃动或脱落的情况。连接方式可以采用焊接、螺栓连接或销轴连接等方式。无论采用哪种连接方式，都需要确保连接牢固可靠。3.1.2挖掘铲的设计参数挖掘铲的铲片设计成多片式并保持一定的间隙，这一创新结构不仅增强了挖掘效能，还赋予了机器更好的适应性和工作效率。这种设计主要有以下两个显著优点：（1）通过将铲片分为多片并保持其间隙，可以有效减少铲尖与土壤之间的接触面积，进而降低挖掘过程中的阻力，更好的破土效果，减少能量消耗，并提高挖掘速度。（2）这种多片式铲片设计能够减轻机器前部的整体重量，从而防止在挖掘过程中由于重量过大导致的铲尖过度下陷。这不仅有助于保护挖掘设备，防止过度磨损，而且还能确保在湿滑或松软地面工作时，机器具有更好的稳定性和操控性。图3-2挖掘铲结构示意图在多片铲在工作中出现局部磨损时，更换操作十分便捷且维修成本相对较低。通常情况下，单株块茎在土壤中的分布宽度为400mm，而块茎分布的深度一般在地表下120-200mm之间。为了确保铲刃的自动清理功能，铲刃的倾斜角度可根据受力情况确定，以便使土壤在铲刃上的滑切力能够克服摩擦力。即：式中：为作用于铲刃上的阻力。为铲刃上的正压力。为铲刃上的滑切力。为铲刃与土壤之间的摩擦力，且，为摩擦角。代入得：一般土壤对钢的摩擦角为，取，所以。若铲片数量为5个，单个铲片宽度为100mm，长度为250mm，铲刃倾斜角度，铲面倾角为，铲间间隙为20mm。为了保证挖掘铲在挖掘土壤中马铃薯时，尤其是当遇到较硬或不平整的地貌，避免由于重力、土壤湿度等因素导致的马铃薯从挖掘铲的两侧滑落，进而影响挖掘效率、作业质量以及对目标物体的完整性保持。解决这一问题的重要设计改进是在挖掘铲的两侧加设坚固且适应性强的挡板。这些挡板采用平行四边形的形状，这是因为平行四边形具有良好的稳定性和结构强度，能够根据挖掘铲的不同角度和负荷变化进行适应性调整，保持与挖掘铲表面的紧密贴合，从而更好地阻止土壤和块茎的滑落。3.2切土圆盘的设计在马铃薯捡拾机的设计中，确实考虑到了挖出的马铃薯可能会扩散到机器两侧的问题，这可能导致马铃薯的破损和损失。为了解决这一问题，在挖掘铲的两侧都加装了切土圆盘。这种设计不仅有助于防止马铃薯的流失，还能避免铲侧堵塞，确保挖掘过程的顺畅进行。切土圆盘的设计直径D=530mm，厚度T=6，材质为65Mn钢，这种材料和尺寸的选择旨在确保圆盘具有足够的强度和耐用性，以应对复杂的土壤环境和作业要求。圆盘的直径较大，能够覆盖更多的土壤面积，从而更有效地防止马铃薯的流失。同时，适当的厚度也能保证圆盘在工作过程中不易变形或损坏。安装高度是可调的，这意味着通过改变切土圆盘的安装位置，可以灵活地调整挖掘深度。当圆盘高度升高时，挖掘深度相应增加，这适用于挖掘较深埋藏的马铃薯。相反，降低圆盘高度则会减少挖掘深度，这对于处理较浅层的马铃薯或避免不必要的土壤扰动非常有用。调节方式采用插销调节，通过调节切土圆盘的高度，可以确保挖掘铲在挖掘过程中始终保持最佳的工作状态。图3-3切土圆盘示意图这种设计特点使得马铃薯捡拾机能够适应不同的土壤条件和马铃薯种植模式，提高了机器的灵活性和作业效率。通过合理调整圆盘的高度和挖掘深度，可以有效减少马铃薯的破损和损失，同时保证挖掘过程的顺利进行。这不仅有助于提高农业生产效率，还对于保护农作物的完整性和质量具有重要意义。3.3地轮的设计地轮在马铃薯捡拾机中起到的平衡支撑作用，以及对挖掘深度的准确度控制，地轮设计需要考虑的关键因素：（1）地轮的平衡支撑作用有助于保持捡拾机在行走过程中的稳定性。它通过提供稳定的支撑点，确保机器在不同地形和土壤条件下都能保持平稳运行，从而避免因不稳定而造成的操作失误或机器损坏。（2）为了克服挖掘铲前部较大的阻力，地轮的设计需要具有良好的通过性。这意味着地轮需要有足够的尺寸和坚固的结构，以便在复杂的地形和土壤中顺畅行驶，不会因受阻而影响捡拾机的正常工作。（3）地轮还需要能够准确控制挖掘深度，特别是在凹凸不平的地表情况下。为了实现这一点，地轮的设计需要考虑到土壤的硬度和湿度等因素。通过调整地轮的安装位置和高度，可以精确地控制挖掘深度，从而确保马铃薯被有效地挖掘出来，同时避免对土壤造成不必要的扰动。（4）地轮的制作材料中铸铁和腹板式结构是合理的选择。铸铁具有足够的强度和耐磨性，可以应对地轮在工作过程中遇到的各种压力和摩擦。腹板式结构则能够有效地分散和承受来自地面的反作用力，提高地轮的稳定性和耐用性。图3-4地轮结构示意图地轮通过在机架上设置不同的安装位置，可以根据不同的种植情况灵活调节地轮的高度和深度。这种设计使得马铃薯捡拾机能够有效地支撑机器、提高通过性、准确控制挖掘深度，并确保捡拾机在不同种植情况下都能实现高效、稳定的作业。第四章土薯分离输送结构的设计本次设计土薯分离输送结构由滚刷、传动辊筒、连接杆机构、V带传动、振动筛、振动机、输送带等装置组成。如图4-1所示，土薯分离输送结构是一个复杂但高效的机械系统，其设计考虑到了马铃薯与土壤的物理特性，通过多个关键装置的协同工作，实现了马铃薯与土壤的有效分离，并确保了马铃薯的顺利输送。这样的设计不仅提高了马铃薯的收获效率，还降低了后续处理的难度，为农业生产带来了极大的便利。图4-1土薯分离输送结构示意图4.1V带传动机构设计电动机、皮带传动机构装置共同构成机械设备的动力系统。结合设备的工况情况及设计制造成本费用，综合考虑各项相关因素，最终选用电机装置作为驱动源。带传动机构分主动皮带轮，从动皮带轮和皮带。如下图所示：图4-2V带传动结构示意图4.1.1V带传动机构参数指标本机构设计中，额定功率为1.5kw，额定转速n1为540r/min，传动比iv为2。1、功率设计表4-1工作情况系数表工作机原动机ⅰ类ⅱ类每日工作时长/h10~1610~16载荷

平稳水泵；搅拌机；

通风机和鼓风机（）；

轻型运输机；离心式压缩机；1.01.11.21.11.21.3载荷

变动

较小通风机（）；

带式运输机；旋转式水泵；

发电机；剪床；金属切削机床；

压力机；振动筛；印刷机；1.11.21.31.21.31.4载荷

变动

偏大斗式上料机；螺旋式运输机；

锻锤；往复式水泵和压缩机；

磨粉机；纺织机械；

锯木机和木工机械；1.21.31.41.41.51.6载荷

变动大球磨机；破碎机；起重机；

棒磨机；橡胶辊压机；挖掘机；1.31.41.51.51.61.8查表4-1可知的值在此次设计中取值为1.3，代入下列公式中进行计算可得：2、确定V带类型V带类型可根据如下图所示的功率转速曲线来确定：图4-3V带功率转速图根据上图提供的数据，我们得出的值为1.95千瓦。基于这一信息，我们可以确定转速n1的数值为1000r/min。另外，从上述图表中我们可以获取dd的取值范围，即75至100之间。因此，我们最终选择A型作为传动机构类型，该类型完全满足设备设计的要求，并能够实现我们预期的效果。4.1.2带轮设计在设计带轮时，轻量化原则应被充分考虑，其重要性不言而喻。确保元件质量在适宜的范围内得到精准控制是关键所在。此外，带轮的结构应力求简洁，工艺性要求相对较高，以便于其他机械加工的顺利进行。对于带轮的机械加工，一般的设备即可满足需求，并能取得良好的效果。然而，加工过程中产生的内应力必须严格控制，确保其值不超出标准范围。此外，带轮的质量分布应均匀，以确保在作业过程中带轮元件能保持稳定的平衡状态。特别需要注意的是，带轮工作面的加工精度必须严格把控，达到规定要求，从而有效保护V带并控制损耗，避免过高的损耗产生。这样，我们不仅能提升带轮的性能，还能延长其使用寿命，实现更高效、更可靠的工作表现。以此次设备的设计需求为依据，最终使用型号的铸铁材料来生产带轮，已经知道：，。如果，应使用实心式的带轮；如果，应使用腹板式的V带轮；如果，应使用轮辐式的带轮；因此要想完成此次设计，使用的带轮形式为孔板式；可以确定是小带轮的基准直径。最终在设计中使用的齿轮箱伸出轴部分的详细数据为：；，为其孔径，的毂长。小带轮尺寸数据：节宽的值为；线上以及线下槽的深为：；槽间距的值为；到它的端面间距为；轮缘厚的值为；轮宽的值代入下列公式进行计算：；外径的值代入下列公式进行计算：。4.2设计滚刷及辊筒的齿轮传动4.2.1计算齿轮参数经过计算与分析，根据实际的设计要求，确定了齿轮的关键参数——模数，取，齿轮机构的其他参数为：，，，，传动力矩为25N.m。除此之外，在设计时还考虑了齿轮每天需运行超过八小时，以及长达五年以上的使用寿命需求。通过这一系列精确计算与考量，我们确保所选模数能够充分满足实际应用场景的需求，为机械设备的稳定运行提供有力保障。此次设计齿轮传动机构的参数计算所得结果汇总如下表4-3：表4-3齿轮传动机构参数4.2.2设计齿轮在进行齿轮的加工生产过程中，我们针对小齿轮和大齿轮分别选用了不同的材料。小齿轮采用了40Cr材料，经过精密的机械加工后，首要步骤是进行调质处理，以确保其齿面硬度达到280HBS，满足高强度和高耐磨性的需求。而大齿轮则选用了45钢作为加工材料，机械加工完成后同样进行调质处理，旨在使大齿轮的齿面硬度超过240HBS。通过这一处理，我们使小齿轮与大齿轮之间形成了40HBS的硬度差，这一设计旨在确保两者在使用时长上相差无几，避免因硬度差异过大而导致的故障风险。从经济性的角度来看，这种材料选择和处理方案不仅成本合理，而且能够有效延长齿轮的使用寿命，提高整体设备的稳定性和可靠性。因此，这一设计方案不仅符合我们的设计理念，也能够在实践中展现出优异的性能表现。4.3设计滚刷及辊筒4.3.1滚刷设计滚刷去土作业过程主要分为两个阶段。第一阶段，刷毛开始接触由土壤和目标马铃薯组成的混合物，随着刷毛的逐渐变形，开始执行分离作业。在第二阶段，刷毛恢复形变，最终脱离混合物，继续沿着滚刷轴旋转。图4-3滚刷示意图考虑到刷毛的直径较小，通常规格在0.5mm至2.5mm之间，并且它们通常以簇的形式使用，为了简化分析，我们可以将一簇刷毛看作是一根直径为d的刷毛。为防止泥土在分离过程中卡在刷毛中，我们选取直径为d=0.005m的一簇刷毛作为分析对象。在实际作业中，大部分破碎的杂质土壤已经被振动筛筛离，而且目标土壤的尺寸较小。因此，刷毛的自由长度不需要过长，0.07m至0.1m的长度就能满足分离要求。这里我们选取0.1m（或100mm）作为刷毛的自由长度。滚刷轴的设计也非常关键。其最小半径为0.08m，这里我们设定为0.16m（或160mm）。由于滚刷轴的设计主要基于刷毛的刚强度，而不是对滚刷轴本身进行受力分析，因此滚刷轴在垂直于升运链方向的载荷较小。这为设计滚刷轴为空心管状提供了可能，既满足了结构需求，又优化了材料使用。4.3.2选择辊筒输送速度在确定输送速度时，需综合考虑输送方式和生产工艺的需求。通常情况下，无动力式辊子输送机的速度范围通常在0.2到0.4m/s之间，而动力式辊子输送机的速度范围则在0.25到0.5m/s之间。在保证输送量合理的前提下，适当提高输送速度可以使物品分布间隔增大，从而有助于改善机架受力情况。然而，在某些特殊工艺要求下，对输送机速度的要求可能更高。在这种情况下，应根据具体工艺要求来确定输送速度。需要注意的是，无动力式辊子输送机的速度应控制在0.5m/s以下，而动力式辊子输送机的速度则应大于1.5m/s。此外，对于链传动辊子输送机，其速度应控制在0.5m/s以下。图4-4辊筒示意图4.4振动筛的设计振动筛用于进一步分离马铃薯和土壤。它通过振动作用将马铃薯和土壤混合物中的土壤筛除，使马铃薯得以纯净地分离出来，即使在30°的倾角下也能保持良好的输送能力。其结构简单但金属用量较大，特别是金属链部分磨损较快。主要由杆条、平胶带、被动式抖动轮、侧壁和架子等组成。杆条采用直径为10mm的圆钢，并按一定间距固定在两条带子上。振动筛通过其独特的设计和构造，实现了高效的分离和抖动功能，尽管存在金属链磨损较快的问题，但其在农业生产中仍具有重要的应用价值。图4-5振动筛示意图振动筛在工作过程中并不完全作直线运动，但在抖动器作用的某一瞬间，可以将其视为圆周运动。抛起土块时，抖动器所需的最低转速由振动筛的速度决定。在粘土地工作时，振动筛的最佳速度是2m/s。假设振动筛的速度为v米/秒，抖动器的半径为r米，抖动器抛起土块时的角速度为ω弧度/秒，转速为n转/秒。根据物理公式：角速度ω=v/r转速n=ω/(2π)用这些信息，可以找出在最佳速度下抖动器抛起土块所需的最低转速。计算结果为：角速度ω=4弧度/秒，转速n=0.64转/秒所以，在粘土地工作时，抖动器抛起土块所需的最低转速约为0.64转/秒。4.5振动机的设计振动机是振动筛的动力源，它提供必要的振动力，使振动筛能够有效地工作。图4-6偏心轮式振动机示意图振动机的设计需要确保振动的均匀性和稳定性，以保证筛分效果。当考虑使用振动机构时，关键的工艺参数包括振幅、频率、振动方向角、筛面倾角、筛面长度、宽度以及生产能力。这些参数的选择直接关系到振动机构的工作效果和生产效率。一般来说，这些参数的设定是基于物料在振动机构中的移动方式。偏心块的设计与计算根据已学知识可知代入数据得=16.7kgmm=25mm=16.7kg偏心块的宽度为：B=74mm图4-7偏心轮示意图4.6马铃薯收集箱的设计马铃薯捡拾机收集箱是专门收纳土薯分离后输送来的马铃薯。收集箱经过精心设计，不仅拥有宽敞的容量，还以坚固的结构抵御捡拾时可能遭遇的冲击与振动。耐磨、耐腐蚀的优质材料，让其在恶劣的田间环境中也能经久耐用。在充分考虑了倾倒与清理的便捷性，让马铃薯的收集与处理变得更为高效、迅速。第五章传动系统重要部件的设计传动系统为马铃薯筛分、输送等装置提供动力输入，包括牵引轴(动力输入轴)、传动轴(动力输出)、锥齿轮箱、轴承、轴承座等相关组件等。如图5-1所示：图5-1传动齿轮箱结构示意图5.1锥齿轮箱的设计本次重点介绍的是锥齿轮机构，接下来将详细阐述其工作原理。锥齿轮机构由众多关键组件构成，其中，主动锥齿轮、主轴、被动锥齿轮以及传动轴均扮演着不可或缺的角色。此外，轴承、键等组件也发挥着重要作用。锥齿轮传动机构凭借其独特的设计，不仅能够实现水平到垂直方向的运动转换，还能实现一定范围内的传动比调整。5.1.1锥齿轮基本参数选用（1）该设备在机械设备领域属于相当常见的类型，其工作速度相对较慢。在加工精度方面，齿轮达到了8级的标准，确保了较高的加工质量。锥角的设计完全基于实际工作情况，确保最终取值的准确性和实用性，取值。同样，齿顶高系数和顶隙系数的确定也是以实际工作状况为依据，旨在确保设备运行的稳定性和可靠性。（2）锥齿轮的使用过程中，对于小齿轮的加工材料选择尤为重要。在本例中，我们采用了20CrMnTi这种优质材料，并进行了调质处理，以确保齿面硬度达到或超过280HBS的标准。而对于大齿轮的加工，我们选用了40Cr材料，同样进行了调质处理，要求齿面硬度大于240HBS。两者之间的硬度差为40HBS，这样的设计既保证了齿轮的耐用性，又满足了实际工作的需求。5.1.2基于齿轮齿面接触疲劳强度参数选用我们知道：1）设计锥齿轮各项指标；2），。3）为小齿轮的接触疲劳强度；为大齿轮的接触疲劳强度取。4）以真实的设计情况为依据，确定载荷系数；5）计算应力循环次数如果是小齿轮，那么要符合的关系式如下：如果是大齿轮，那么要符合的关系式如下：如果是小齿轮，那么要符合的关系式如下：如果是大齿轮，那么要符合的关系式如下：6）最终对接触疲劳寿命进行确定，最终确定接触疲劳寿命系数参数7）最终确定齿宽系数：8）最终确定安全系数S=19）计算接触疲劳许用应力：最终确定。5.2在对滚动轴承进行使用的依据（1）载荷：在对轴承进行选择时，有两点是一定要考虑的，分别是受载荷能力，还有就是它的运动方向，还要对性质等进行考虑，将这些因素进行详细的考虑后，接着才能对轴承的型号进行确定，如果是线接触，那么使用的轴承类型一定要是滚子轴承，如果作用力是其它的种类，那么使用的就是推力轴承，如果受到的负载是径向，那么就应将深沟球轴承进行使用。如果轴向以及径向载荷一并收到，那么应对角接触轴承进行使用。（2）转速：如果是具有非常高的转速，还有就是具有比较高的旋转精度，那么要使用的就是球轴承。若具有相对较慢的转速，具有较低的转动精度要求，那么应对角接触轴承进行使用。（3）装调性：对于预定的功能在对轴承进行使用时一定要满足，还要对装卸能力进行考虑，有两种轴承在使用的过程中应对内外零件进行拆卸，第一种是圆柱滚子轴承，第二种是圆锥滚子轴承，因此在轴承的组件进行固定时可以使用的就是孔结构。（4）调心能力：有负载会在对轴承的工作中使用，所以要想进行有效控制，应通过偏位角来实现，这样将会减少它的使用时长，如果具有较低的精度和刚度方面的要求，那么应对调心轴承进行使用。（5）经济能力：使用轴承时，一是要考虑性能，二是要进行考虑的就是经济因素，对每一项功能要能达到，还要保证在一定的范围内对成本进行控制，在成本方面球类轴承比较低，成本相对较高的是滚子类轴承，具有的功能多少和轴承的精度呈正比的关系，并且具有非常高的价格，若具有的功能相同，那么其精度也是一致的，深沟球轴承在所有的轴承类别中具有最好的性能。将上面所讲的因素进行综合的考虑，然后在对此次设计使用的轴承进行使用，最终确定使用的就是滚子轴承。图5-2轴承示意图第六章三维仿真设计6.1三维仿真为了优化机械结构方案，我们必须深入研究和分析实际工作中的各种情况。只有这样，当仿真机构在运转过程中遭遇问题时，我们才能凭借对结构方案和工作原理的深刻理解，迅速找到解决之道。利用UG软件绘制三维实体模型图，并在掌握各项参数的基础上，我们能够模拟机械的实际工作状态。为了确保达到预定的设计标准，我们必须对机构及其组件的各项参数进行细致的校核工作。通过这样的流程，我们能够确保机械结构方案的优化效果，提升机械的性能和可靠性。6.2三维过程设计6.2.1仿真建模的基本流程为了设计出机械的三维实体模型图，我们需要借助UG软件在已知各项尺寸参数的基础上进行绘制。通过这种方式，我们可以直观地观察到各个机构之间是否存在干涉现象。一旦发现问题，我们可以及时进行修改和调整，确保最终满足设计标准。以下是实体模型的基本流程：首先，获取目标产品的设计草图。在UG软件中打开草图绘制功能，按照相关要求绘制出目标工件的构造线。接着，打开结成实体的构件。然后，利用绘图软件的实体拉伸命令对实体构件进行操作，进一步完善模型。最后，对所设计设备的各主要机构及其组件进行装配。通过这一过程，我们可以得到完整的机械设备图。如图6-1所示，这是按照上述流程得到的机械设备图。此时，我们可以对机械设备内各个组成机构进行检验，查看是否存在相互干涉的情况。若发现问题，我们可以及时进行调整和处理，直至达到前期预定的设计要求。通过这样的流程，我们能够确保设计的准确性和可行性，为后续的制造和使用提供坚实的基础。6.2.2仿真构建过程图（1）新建马铃薯捡拾机的运动仿真案例。图6-1马铃薯捡拾机的仿真示意图1（2）想要模拟车轮的实际条件及其所涉及的各项参数，就要对仿真旋转马达所涉及的各项指标参数进行确定。图6-2马铃薯捡拾机的仿真示意图2（3）仿真旋转马达需要在实际情况的基础上对所涉及的各项指标参数进行确定，这样就能模拟拨盘的条件啦。图6-3马铃薯捡拾机的仿真示意图3（4）想要对仿真运动的整体时间进行控制需设置键码1。图6.4马铃薯捡拾机的仿真示意图4（5）在工作中为了对马铃薯捡拾机实际的行驶路径进行有效控制需要设置键码2。图6-5马铃薯捡拾机的仿真示意图5（6）启动仿真运动命令，便能够让马铃薯捡拾机整体结构设计设备按照预定要求实现模拟运动。图6-6马铃薯捡拾机整体结构设计的仿真示意图6总结结合目前存在的各种问题将设计方案改到最佳的状态是此次设计马铃薯捡拾机整体结构的目的。为