山药挖掘收获机设计学士学位论文.doc

塔里木大学毕业设计16 届毕业设计前 言长期以来，山药都是靠传统的人力收获，山药的根茎较长，深入地下，难以采收，如果收获技术不够成熟，根茎破损率就会很高。随着计算机技术的快速发展，虚拟制造和运动仿真在农机设计中得以实现，从而大大缩短了设计周期，降低生产成本，提高了设计的准确性和可靠性。本设计利用三维设计软件，对农业机械进行产品设计。本文设计了一种山药收获装置，结构简单合理，能够完成山药的机械化收获作业。不仅极大地提高山药收获效率，而且对深土农作物的规模化种植起到了推广作用。本次的设计对传统山药收获机进行了改进，着重设计了山药收获机的整体结构、传动方式、工作方式，论述了装置在收获过程中的的工作原理。在完成设计构想之后，基于SolidWorks进行了三维模型建立。整个过程包括各零件图三维设计、装配体三维图。关键词：三维设计；传动方式；动态仿真目 录1引言1 1.1课题来源及研究课题的意义和目的1 1.2 山药收获机的现状及方案说明12 设计方案分析3 2.1 设计方案的说明3 2.2 设计方案选择与对比3 2.3 设计方案的优化分析及确定53 传动机构的设计83.1 轴的初步设计83.2 v带传动的设计93.3 齿轮传动的设计计算114 山药收获机的整体结构设计154.1 箱体机架的设计154.2 送土器的设计154.3 传动方案的确定16总 结17致 谢18参考文献191引言1.1课题来源及研究课题的意义和目的山药对当地气候要求不严，但喜温暖湿润，忌积水，怕干旱。宜种植于肥沃疏松、土层深厚、排水良好的砂质壤土上种植。原产地位于河南焦作，现在分布于中国西北，华北，和长江流域的湖南江西等地。由于其营养比较丰富，一直以来都被视为比较理想的补虚佳品，不仅可作为主粮，又可作为蔬菜食用。有很高的药用价值和食用价值 。随着现代社会人们更加注重养生和健康，而山药的药用价值和使用价值使得其成为很多人的选择。特别是近几年，山药的种植面积和种植规模不断上升。因此，山药生产和收获的机械化越来越得到行业的重视1。长期以来，山药的收获都是靠传统的人力收获方式，山药的根茎较长，难以采收，如果收获技术不够成熟，根茎破损率就会很高。我国大部分地区收获山药的方法是：从山药种植垄的一端开始，先挖出60-70cm左右的土坑来，人坐在坑的边上，然后用特制的山药铲，沿着地面上山药生长的20cm处的两边开始挖，将根两边泥土铲出，一直挖到山药沟下见到根茎的尖端为止，最后轻轻铲断剩下的细根，手握着根茎的中上部分，小心拔出山药的根茎。一定要小心精细铲土，避免山药根茎的损伤和折断。采收山药时，一定要按着山药种植的顺序，一株一株地挨着挖，这样才能有效减少破损率，又能避免漏收。由于山药一般在下层土壤延伸，最深可延伸到地下70100cm处，靠人力收获相当费力。最重要的是人力收获的过程中容易挖到山药块茎，影响山药的品质和市场。而且劳动强度大，生产效率低。为此，山药收获的机械化问题就亟待解决。山药收获技术如果能够实现机械化，将有力地推动山药生产的规模化，显著降低山药生产成本，节省劳动力和农活作业量，使山药种植户增加更多的收入，提高农业生产的经济效益。本课题研究了我国山药收获机械化的发展现状，山药收获机的未来研究方向。为山药收获方式以及推广山药收获机械化，促进山药生产效率提供了理论依据。1.2 山药收获机的现状及方案说明1.2.1 我国山药收获机的现状为了克服山药收获过程中易折断的损伤的难题，我国广大设计者和科学家们进行了刻苦的钻研，以下是现阶段我国对山药收获机械化的研究现状。资料内容查自中国知识产权局专利检索网站。 第一种山药收获机的发明者是李垒和李善文。这个发明设计了一种多功能山药收获机。可以看到，中履带底盘，设置在履带底盘上的操作台、竖直机架、电机、向上提升机构，安装在机架上并且能够沿固定的机架上下移动的齿轮箱的总成，安装在齿轮箱结构下面的用于开沟的螺旋钻轴和提土板，所述电机结构与齿轮箱结构由传动轴实现传动连接 ；提升机构与齿轮箱结构连接，实现对齿轮箱结构的升降操作；山药收获装置还包括设于箱结构一侧，能够将开沟轴开出的土，向外送给送土器，以及设于履带下部前面的能够实现把土填回功能的送土器。这种山药收获机的结构比较灵活，而且功能多样化，能够同时实现收获山药和沟内填土的两项功能，除了采收山药外，还可以开电缆沟、管道沟、实现一机多种用法，省时省工，具有相当大的市场价值2。第二种山药收获机发明者倪凡喜。这个创新专利目的在于，克服现阶段生产技术的不足之处，提供一种山药收获机的理论设计，在不损伤山药块茎的前提下，可以很大地提高生产效率，降低采收山药时的成本。此专利所述的山药收获机，包括振动破土机构、破土机构的固定架、旋转型轴承座、液压油缸、可以左右移动的轴承固定支架、悬挂型四轴固定支架、手轮、挡土板、开沟刀片、开沟链条、链条固定支架和从动轮。 破土机构固定架是这个专利的主体支撑架，整体呈现方形的框架结构，破土机构固定支架的后端，连接着设置的振动破土机构，破土机构固定支架的前端，连接着旋转式轴承座，旋转轴承座的前面连接着液压油缸，液压油缸的前端连接到左右移动轴承座固定架，左右移动轴承座固定架设置在悬挂式四轴连接在固定架上，在悬挂型四轴固定支架的一边，设计的有手轮，在悬挂型四轴固定支架的两端后侧，设计有挡泥板。在旋转型轴承座的下端，连接设计有链条固定支架，链条固定支架的前端设计有主动轮，链条固定支架的后端设计有从动轮，绕过主动轮与从动轮，设计有开沟链条，开沟链条的外表面上设置有开沟刀片。连接到链条固定架上，设置有张紧固定架，张紧固定架的下端设置有张紧轮，张紧轮与开沟链条的内表面相接触3。第三种山药收获机的发明者是卢双贵。这种山药收获机，由切割锯、松土板与螺旋提升机构组成。带锯上部连接旋转轮，中间穿过狭长形的开口，下面套有轴承，中间的松土板在后面随着将土松动，松土板固定在套管上的伸缩杆上，液压气泵来提供动力，后面的螺旋提升机构在切割后的土方下面向上转动，即可把山药向上顶出。由于是采用的拖拉机为动力，切割的土方要大于山药沟，从山药的下面向上拱，不仅保证了山药的完整度，不损坏山药的块茎，而且保持了山药沟的原来样子，工作的效率极大提高，每天可挖掘山药三到五亩4。1.2.2 山药收获机的设计要求传统的农业机械设计，存在着设计周期长，设计成本高，设计质量差，图纸识别困难等问题。随着计算机技术的快速发展，虚拟制造和运动仿真在农机设计中得以实现，从而大大缩短了设计周期，降低生产成本，提高了设计的准确性和可靠性。本设计利用三维设计软件，对农业机械进行产品设计5 。具体内容：（1）对农机进行总体结构方案设计，满足其功能要求，力求结构简单，功能合理。（2）进行农机零件设计，强度和结构上符合要求（3）进行产品装配。（4）产品的动态仿真。本方案设计山药收获机用于山药的收获作业。提高山药收获效率，降低劳动力，节约山药收获成本。创新设计或改进现阶段市面上已有的山药收获机，使山药收获作业起来更简单。给定的条件和要求翻土作业时的作业量为400500m/小时，采用螺旋排除浮土，螺旋钻杆转速为300转/分钟左右。2 设计方案分析2.1 设计方案的说明2.1.1 山药挖掘收获机整体结构简介通过现阶段山药收获机的专利以及考察实际情况，可以得出，山药收获机的工作原理和组成部分。山药收获机的组成部分大致可由支撑部分、动力部分、工作部分和传动部分。支撑部分：主要就是山药收获机的机架和山药收获机与拖拉机连接部分，用于支撑整个山药收获机能够顺利切协调的完成收获工作。动力部分：用于连接拖拉机传输的动力，把动力提供给山药收获机的传动部分。传动部分：传输动力，并起到减速作用。工作部分：这部分入土，用螺旋钻杆开沟，达到收获山药的目的。2.1.2 山药收获机的工作原理以拖拉机为动力源，在拖拉机的尾部安装一个螺旋钻杆机构进行钻土，前面的两个螺旋钻杆开沟，起到收获机的开沟作用。在开沟之后利用安装在机架后面的送土器将土放置到沟的两侧，起到提升山药种植行土块的作用，机器走过的地方就开出了一道深沟。2.2 设计方案选择与对比在最终确定山药收获装置的设计方案前，做了很多的准备工作。首先，查阅了中国专利网上的一些专利申请，仔细阅读并理解了山药收获机现阶段的理论设计情况。也看到了很多比较好的方案或者设计，其实还都在理论阶段，很多设计者们的精妙设计都还没有通入生产。这也从一方面表现了现阶段山药收获机的落后程度，同时山药收获的大难题亟待解决。其次，在网络上检索山药收获机，会发现很多厂家有在直销，仔细研究后，也对山药收获机在设计之后，开发生产的可能性有了一定的认识。明确了，在现阶段哪些设计是不能开发的，哪些设计更容易开发。现在开发成功的山药收获机大致可以分为三种：1）单侧山药开沟机。2）双侧山药开沟机。3）链式山药收获机。下面听过对三种收获机的优缺点分析确定设计方案。2.2.1 单侧山药开沟机现在的很多设计和市面上已经投入使用的山药收获机，一般都是在山药种植垄的一侧进行挖沟，然后通过人力下沟进行二次挖掘，这样确实省了一部分人力，但是进行二次挖掘时，还是很费力，而且容易损伤和折断山药的茎块。如下图2-1所示。图2-1 单侧山药收获机实物图这种山药收获机工作原理简单，作业效率高，而且易推广，在一些土壤比较肥沃、疏松的地区比较适合。但是缺点也比较明显，收获机开沟之后，山药依然埋一侧的土壤中，剩下的的工作必须依靠人力，从沟中向山药一侧进行挖掘，挖掘的过程不仅难以操作，而且容易损伤山药，影响山药的销售品质。2.2.2 双侧山药开沟机已经投入使用山药收获机中，现在比较流行是一种是在山药两侧开沟，确定山药种植行的宽度，设计出两个开沟钻的距离，从而从山药种植行的两侧进行挖沟。实物图如下图2-2。图2-2 双侧山药收获机实物图这种山药收获机与单侧开沟机相比，有很大的优势，降低了靠人力进行二次挖掘困难程度。但是这种收获机也有明显的缺点，它虽然降低而人工挖掘强度，但是山药和土块还是紧密结合在一块，无法克服采收过程中的损伤山药块茎的问题。并且在此装置开沟采收后的土地上，会留下两道很深的沟壑，这将影响下一季山药的种植，导致种植山药时需要填平沟壑。变相提升了山药种植的难度。2.2.3 链式山药收获机链式山药收获机与以上两种开沟机原理不同，收获山药之后不会再地上留下很深的沟，这样下一季的种植就不会受到影响。而且这种山药收获机所需功率小，相对以上两种在收获的时候更经济，更节约成本。但是链式山药收获机也没有以上两种开沟机的有点。依靠链上面的刀片进行开土，很难达到很深的程度。而山药块茎很深，这样在后续的采收中还是需要大量的人力来完成，甚至还需要人力来进行二次开沟。这样一来，链式收获机在采收中起到的作用就会很局限。下图2-3为链式收获机的的实物图：图2-3 链式山药收获机2.3 设计方案的优化分析及确定通过对山药收获机的现状研究，对市场上已经开发成功的山药收获机的分析，总结山药收获机需要满足的条件，分析现有山药收获机的优缺点，最终确定山药收获机的最佳优化方案。首先总结设计山药收获机要完成的任务：1）通过山药收获机能实现山药收获的简易化，提高山药收获的效率。2）此装置在收获山药的时候不能损坏山药的块茎。3）山药收获机的设计要尽量简易，方案要符合实际情况。设计方案可以投入生产，并且可以推广。其次通过对上述现有山药收获机的研究与考察，发现现阶段山药收获机有两个无法实现的难题：1）装置在开沟后仍然需要大量的人力劳动来完成后续的采收。2）在后续人力采收的工程中，比较容易损坏山药的块茎。想要克服这些问题，必须尽量使山药收获机开沟后，山药所在土块要有所松动，使山药与土壤的结合不在紧密。在装置作业之后，人工收山药的过程中，能够更直接。这样就能提高山药的完整性，尽量少的破坏山药的块茎。收获机的整体结构如下图2-4所示：图2-4 山药挖掘收获机整体结构1.花键轴 2.差速箱 3.丝杠 4.传动轴 5.滑套 6.齿轮 7.齿轮8.轴承座 9.齿轮 10.螺栓 11.架子 12.机架 13.送土器 14.螺旋钻杆15.带轮 16.轴承座 17.螺帽图2-5山药挖掘收获机二维图装置选择在山药的两侧同时开沟，并且在开沟后利用一个简易的装置，来松动山药种植行的土块。这样山药采收的后续过程就能很大程度上减少人力，而且如果山药所在土块松动之后，人们后续收山药的方式就不仅仅是从沟下一点一点挖掘，而是可以更直观的，更简易的收获山药。这样一来，就减少了山药块茎的破坏。这个简易的装置不能给收获机带来太大的阻力，在此装置之前的开沟装置，能够很好地提供前进的空间。利用送土器，在开沟后之后，将提升到地面的泥土放置到沟的两侧，机器走过的地方就开出了一道深沟。这样，人就可以下去把山药捡拾出来。设计构想简图如下图2-5：图2-5 送土器三维设计图这是设计装置的侧视图，从侧视图可以看出来，前面的两个螺旋钻杆开沟，起到收获机的开沟作用。在开沟之后利用安装在机架后面的送土器将土放置到沟的两侧，起到提升山药种植行土块的作用。为了更直观的解释此方案设计，可以结合正视图看到送土器在山药收获过程中起到的作用。结构见图正视图如下图2-6：图2-6 送土器正视图正视图中两个开沟钻分别开挖山药种植行的两侧，通过齿轮传动装置，带动两侧同时开沟，下面的送土器在开沟后之后，将提升到地面的泥土放置到沟的两侧，机器走过的地方就开出了一道深沟。3 山药收获机的整体结构设计 本次设计的主要内容有：1)山药收获装置的整体结构设计。2)开沟螺旋钻杆工作部分的设计，使收获装置更有效采收山药。3)齿轮机构的传动设计，符合拖拉机功率传输，使开沟轴得到适合的输出功率。3.1 箱体机架的设计根据山药收获作业的要求，需要确定符合采收山药装置的总体结构设计，设计出特殊而且简单的机架，机架不仅要起到对螺旋钻杆和送土器的支撑作用，而且还对螺旋钻杆起到提升和下降作用。如下图3-1：图3-1 收获装置机架3.2 送土器的设计送土器的设计，可以更好的将螺旋钻杆松动的土块提升到沟的两侧，大大提升了山药收获装置的优越性。送土器要横跨山药种植行，与机架连接，起到固定的作用。送土器通过皮带轮与拖拉机的皮带轮相连，这样拖拉机就能带动送土器工作了。如下图3-2所示：图3-2 送土器图3-3 山药挖掘收获机部分装配图3.3 传动方案的确定传动方案确定不仅要考虑输入功率和输出功率的转换，还要考虑山药收获时的具体情况，比如山药种植行之间的距离基本能确定工作周之间的距离，然结合减速器的校核，一起确定工作轴传动齿轮的分度圆直径。装置选择配备24匹，17.7千瓦的拖拉机，装置作业时，拖拉机转速达到2000r/min。拖拉机与收获装置采用锥齿轮传动，拖拉机传动轴通过两个锥齿轮将动力传送到山药收获装置的传动轴上，传动轴通过齿轮将动力传送到螺旋钻杆上，两个螺旋钻杆同速转动。通过考察，确定山药收获装置的开沟深度为1000mm，开沟宽度为400mm，开沟速度为400500m/h6 。4 传动机构的设计 传动机构的设计主要就是：根据拖拉机的输出功率和输出轴所需输出功率，经过传动机构的传输达到一个整机和谐工作的设计过程。即传动齿轮和传动轴的合理选择。4.1 轴的初步设计根据山药收获过程中，开沟轴的实际工作情况，工作过程中，轴的转速为200300r/h左右。由此可以确定传动比的分配情况7：总传动比及其分配总传动比 （4-1）根据山药种植行的距离，可以进行传动比的分配： 其中，为传动轴传动传动比； 为工作轴传动比；装置中各轴转速计算（把传动轴定为 轴，工作轴定为轴）装置传动各轴功率计算8首先计算传动装置的的总效率：其中，为带传动的效率； 为圆柱齿轮之间传动效率 再来计算各轴的功率： （4-2）工作各轴功率、转速、转矩列表如下：表4-1 各轴功率轴号功率P（kW）转速n(r/min)转矩T(Nm)16.9916.48400200405.15786.92按许用应力估算轴的最小直径： （4-3）查机械设计手册取C=112轴： 此轴有两个键槽，需要加7%，取轴: 同样有两个键槽，加7%，取4.2 v带传动的设计1）确定V带型号和带轮直径工作情况系数KA：由查表确定计算功率 （4-4） 选带型号：查机械设计手册9： 小带轮直径：由表得： 大带轮直径： 设 （4-5） 大带轮转速： 2）计算带长，求： （4-6） 求： （4-7）初取中心距：带长： （4-8）基准长度：查手册 取 3）求中心距和包角 中心距： （4-9）小轮包角： （4-10）4）求带根数 先求带速： （4-11）带根数：查阅机械设计手册10； （4-12）取z=34.3 齿轮传动的设计计算1）首先选择齿轮的材料11 小齿轮：40Cr 热处理方式：调质处理 大齿轮：45 热处理方式：调质处理 2）初步计算齿轮的参数 查机械手册齿轮传动得12：齿宽系数取接触疲劳极限 初步计算的许用接触应力： （4-13）值：查机械设计手册，取=82（估算）初步计算的小齿 （4-14）3）齿轮面接触疲劳强度计算精度等级：查阅机械设计手册齿轮齿数Z： 取则 （4-15）模数m： （4-16）使用系数:动载荷系数：查机械手册齿间载荷分配系数： （4-17）齿向载荷分布系数：由机械设计手册 （4-18）载荷系数K： （4-19）弹性系数 由机械设计手册节点区域系数 由机械设计手册重合度系数：查表因，故 （4-20）接触应力最小安全系数：查机械设计手册应力循环次数： （4-21） （4-22）接触寿命系数: 查机械设计手册许用接触应力： （4-23） （4-24）通过以上计算，结果表明，齿轮的接触疲劳强度符合要求。故所选齿轮符合要求，可以使用。如果达不到要求，应调整齿轮参数或改变齿轮材料，并再次进行验算。4）确定传动主要尺寸实际分度圆直径 （4-25） 中心距 （4-26） 5）齿根弯曲疲劳强度验算 齿形系数 （4-27） 查机械设计手册得 应力修正系数 ，重合度系数： （4-28） 螺旋角系数 （4-29） （4-30） 齿间载荷分配系数:前面已求的齿向载荷分布系数:查机械设计手册13， （4-31）载荷系数K：弯曲疲劳极限：由弯曲疲劳极限图得考虑本题齿轮为双向运转，可将其弯曲疲劳极限乘以系数0.85，结果变为弯曲最小安全系数：由机械设计手册得14弯曲寿命系数:由弯曲寿命系数图得 尺寸系数: 由尺寸系数表得：许用弯曲应力: （4-32） 验算弯曲强度： （4-33） 经以上计算，齿根弯曲强度符合要求。总 结 此次设计的任务是山药挖掘收获机的设计。长期以来，山药都是靠传统的人力收获，山药的根茎较长，深入地下，难以采收，如果收获技术不够成熟，根茎破损率就会很高。通过这次设计发现现阶段山药收获机有两个无法实现的难题：1、装置在开沟后仍然需要大量的人力劳动来完成后续的采收。2、在后续人力采收的工程中，比较容易损坏山药的块茎。根据设计要求设计出简单而且特殊的机架，在机架上安装螺旋钻杆进行开沟。毕业设计是作为我在大学学习阶段的最后一个环节，是对所学基础知识和专业知识的一种综合应用，是一种综合的再学习、再提高的过程，这一过程对我的学习能力和独立工作能力也是一个培养。这次的毕业设计工作总体来说，时间较长，毕业设计内容也较充实，每个同学都有各自重点深入的部分。通过本次毕业设计我对山药收获机有了进一步的了解，也对三维设计软件SolidWorks，可以熟练地进行软件的操作。更重要的是学会了利用所学知识进行机械设计的方法和过程。在设计过程中也曾遇到很多的问题，但通过查阅相关的书籍、手册以及老师的精心指导，都得到了解决，设计过程基本顺利完成。致 谢毕业在即，四年的大学生活已接近尾声，经过三个多月的努力，在李传峰老师的悉心指导下，设计任务基本完成了。在撰写论文期间，我要衷心的感谢我的指导老师李传峰，从设计的选题、实施到撰写、修改和定稿，李老师均倾注了大量的心血。导师的悉心指导、热忱鼓励不仅使我树立了深远的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处事的道理。还有，导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力将使我终生受益。同时我还要感谢大学期间各位任课老师在学习上给予我的指导和帮助，感谢他们四年来的辛勤栽培，他们的关怀和熏陶让我在这四年里收获颇丰。最后，也感谢和我一起学习的同窗朋友，他们给了我无数的关心和鼓励，也让我的大学生活充满了温暖和欢乐，感谢他们的陪伴与帮助，愿我们以后的人生都可以充实、多彩与快乐参考文献1缪明.山药机械化种植技术的研究与开发J;江苏农机化.2002（2）：40-42.2李垒,李善文.多功能山药收获机P.中国专利：201310650116.5，2013.12.063倪凡喜.山药收获机P.中国专利：201220165331.7，2012.04.184王茂成.山药收获种植两用机P.中国专利：201110034816.2，2011.01.255李善文.山药收获机P.中国专利：200510038969.9，2005.04.186孙桓,陈作模,葛文杰.机械原理M.北京：高等教育出版社.2006.5:51-53.7刘鸿文.材料力学I（第五版）M.北京：高等教育出版社.2011.1:56-588洪忠德.简明机械设计手册.上海：同济大学出版社.2002.5:16-17.9洪忠德.简明机械设计手册.上海：同济大学出版社.2002.5:12-13.10濮良贵,纪名刚.机械设计(第八版)M. 北京：高等教育出版社.200611孙波.机械专业毕业设计宝典M.西安：西安电子科技大学出版社.2008.312 倪凡喜.山药收获机P.中国专利：201220165331.7，2012.04.18:14-16.13孙桓,陈作模,葛文杰.机械原理M.北京:高等教育出版社.2006.5:25-28.14刘百合,刘保义.超低速拖拉机与开沟机 J. 农业机械, 2010.12:59-60.20