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2007年IEEE的程序
機(jī)器人與仿生學(xué)國際會(huì)議
2007年12月15日-18，三亞，中國
割草機(jī)器人多傳感器融合與導(dǎo)航技術(shù)的研究
從明和房波
大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院
大連，116024，中國
congm@dlut.edu.cn
引言——本文提出了一種多傳感器系統(tǒng)從超聲波傳感器和導(dǎo)航相結(jié)合的測(cè)量機(jī)器人割草機(jī)。利用傳感系統(tǒng)使機(jī)器人割草機(jī)來映射未知的環(huán)境。對(duì)于自動(dòng)割草機(jī)器人能在未知的環(huán)境中進(jìn)行定位和導(dǎo)航執(zhí)行割草任務(wù)是很重要的。由于環(huán)境的復(fù)雜性，簡(jiǎn)單的一種傳感器是不足夠割草機(jī)器人來完成這些任務(wù)。我們開發(fā)了一個(gè)配有DSPTMS320F2812作為CPU割草機(jī)器人。感測(cè)系統(tǒng)集成由超聲波傳感器，紅外傳感器，碰撞傳感器，編碼器，一個(gè)溫度傳感器和電子羅盤組成。超聲波測(cè)距技術(shù)變換是基于小波變換的精度高來表示的，以提高超聲波傳感器測(cè)量精度。仿真研究表明，所提出的多傳感器信息融合的方法是非常有效的對(duì)于導(dǎo)航割草機(jī)器人。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感系統(tǒng)基于相關(guān)的規(guī)定障礙檢測(cè)和定位顯示出巨大的潛力，為在動(dòng)態(tài)工作條件下的割草機(jī)器人提供一個(gè)強(qiáng)大的高性價(jià)比的解決方案。
關(guān)鍵詞——多傳感器融合，超聲波傳感器，割草機(jī)機(jī)器人，定位，導(dǎo)航。
1.緒論
草坪修剪被許多人認(rèn)為是一個(gè)最枯燥，累人的日常任務(wù)。首先迫切需要執(zhí)行的任務(wù)是能適應(yīng)環(huán)境的機(jī)器人。一些預(yù)測(cè)表明，割草機(jī)器人將是一個(gè)最有前途的個(gè)人機(jī)器人應(yīng)用，并有重大的市場(chǎng)在世界上。因此，智能化的概念割草機(jī)器人（IRM）在1997年度會(huì)議的OPEI（ 戶外電力會(huì)議設(shè)備研究所）上第一次提出[ 1 ]。該機(jī)器人主要面對(duì)一般家庭幫助忙碌的人們和乏力的老人們節(jié)省支付雇傭勞動(dòng)力的報(bào)酬，同時(shí)消除人們來自噪聲中，花粉和割草刀片的危害。割草機(jī)器人是服務(wù)于家庭護(hù)理的室外移動(dòng)機(jī)器人，是那種真正的智能機(jī)電一體化的環(huán)境清理設(shè)備[ 2 ] [ 3 ]。最重要的是割草機(jī)器人為代表的一些地區(qū)覆蓋的環(huán)保機(jī)器人不僅用于室內(nèi)地面清潔，如[ 4 ]也在危險(xiǎn)的環(huán)境中，例如去地雷，清理輻射點(diǎn)，勘探資源等。與室內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人不同，割草機(jī)器人得到很大的挑戰(zhàn)。
在整個(gè)工作區(qū)域內(nèi)，割草機(jī)器人使用傳感器來感知環(huán)境以及識(shí)別他們的實(shí)時(shí)狀態(tài)下的環(huán)境障礙，地圖構(gòu)建，定位和導(dǎo)航。由于環(huán)境的復(fù)雜性，一種簡(jiǎn)單的傳感器是不足以讓割草機(jī)器人來完成這些任務(wù)的。因此有必要結(jié)合來自不同的傳感器上觀察到的傳感器數(shù)據(jù)減少機(jī)器人在任何工作環(huán)境工作的不確定性。為來自各種傳感器的信息能合并，傳感器魯棒性和實(shí)時(shí)性的融合是必需的[ 5 ]。在傳感器出現(xiàn)誤差或失敗的情況下，多融合傳感器融合也可以減少不確定信息，并提高其可靠性。
低成本的傳感系統(tǒng)，說明其低功耗，高性能。超聲波傳感器檢測(cè)范圍是0.3m~ 5m，他們提供良好的范圍信息。然而，環(huán)境引起的鏡面漫反射是超聲波傳感器的不確定因素，讓他們不具吸引力。紅外傳感器的檢測(cè)范圍是0.02m~ 1m，他們可以檢測(cè)在超聲波傳感器的盲區(qū)的障礙。
為了滿足割草機(jī)器人低成本和高精度的測(cè)距技術(shù)的需求，在研究超聲波測(cè)距技術(shù)基于高精度的小波分析變換（WT）的數(shù)據(jù)報(bào)道，提高超聲波傳感器的測(cè)量精度。測(cè)量數(shù)據(jù)從傳感系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃最佳的，可靠地，完全覆蓋整個(gè)工作計(jì)劃的地區(qū)，使割草機(jī)器人避免未知的障礙。
最后，通過仿真研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該傳感系統(tǒng)的導(dǎo)航效果，障礙物檢測(cè)和割草機(jī)器人定位。
2.信息資源管理系統(tǒng)的硬件
IRM采用DSP TMS320F2812作為其CPU，包括四個(gè)單元：車輛系統(tǒng)，切割系統(tǒng)，傳感系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。傳感系統(tǒng)是用來收集外部動(dòng)態(tài)信息的工作環(huán)境
避障，地圖構(gòu)建，導(dǎo)航與定位。它也可以用來檢測(cè)車輛系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和切削機(jī)構(gòu)的工作狀況。該控制器將獲得的信息與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，然后發(fā)出修正后精確的命令讓機(jī)器人完成任務(wù)。信息資源管理的硬件，如圖1所示。
IMR硬件概要圖1
機(jī)器人必須身體強(qiáng)壯，計(jì)算速度快，行動(dòng)準(zhǔn)確和安全。它應(yīng)該有能力
，而在全部或大部分的割草期間無需人的干預(yù)。IRM由于模塊化設(shè)計(jì)，各單元的管理是相對(duì)獨(dú)立的。模塊化設(shè)計(jì)使維護(hù)更容易。IRM任何損壞單元都可以直接取代而不影響其它單元的功能。
3.傳感系統(tǒng)
A：超聲波傳感器單元
超聲波傳感器可以提供良好的范圍是基于飛行時(shí)間（TOF）信息原理，主要是由于其簡(jiǎn)單性和成本相對(duì)較低，他們已廣泛應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人的障礙物回避，地圖構(gòu)建等。這種類型的外部傳感器能很好測(cè)量的障礙物的距離。靈敏度函數(shù)的主瓣內(nèi)包含一個(gè)20度角，如圖2所示的【6】。大量的試驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器的精度范圍為±2cm。
圖2為超聲波傳感器的典型的強(qiáng)度分布
對(duì)于IRM，我們建立了一個(gè)傳感器陣列由12超聲波傳感器間隔30度的間隔。超聲波信號(hào)可以覆蓋所有的空間，可以要求哪些機(jī)器人檢測(cè)整個(gè)空間的環(huán)境信號(hào)。用基于TOF的測(cè)量的超聲換能器的經(jīng)典技術(shù)，計(jì)算出的距離最近的反射器利用聲音在空氣中的速度從發(fā)射脈沖到回波到達(dá)時(shí)間。距離D為反映對(duì)象的計(jì)算
D =（C×T）/ 2 （1）
其中C是聲音的速度，T是飛行時(shí)間。該TOF法產(chǎn)生一系列的值時(shí)，回波幅度首次超過臨界值后發(fā)送，忽略第二回波從進(jìn)一步的反射。
超聲波傳感器單元包括一個(gè)觸發(fā)脈沖生成單元，一個(gè)多通道選擇單元和回聲接收單元。傳感器接口電路設(shè)計(jì)發(fā)送和接收超聲波脈沖，捕獲的總是第一個(gè)返回的回聲。一個(gè)對(duì)象相關(guān)的數(shù)據(jù)的范圍要考慮到即使是位于在錐軸離軸。
超聲波頻率通常在40和180千赫之間，而在該系統(tǒng)中超聲波傳感器的頻率使用的是40千赫。光束角度是20度。40千赫PWM脈沖是由通用DSP的定時(shí)器單元產(chǎn)生的。驅(qū)動(dòng)發(fā)射機(jī)有效而不帶來大的振動(dòng)，40千赫的超聲波一次突發(fā)的時(shí)間是8周期。當(dāng)超聲波脈沖發(fā)射時(shí)，傳感器將經(jīng)歷“振鈴”。振鈴引起的由所發(fā)送的脈沖可以使接收器檢測(cè)到一個(gè)錯(cuò)誤回聲。這個(gè)不能夠捕獲解決DSP中斷問題，直到延遲間隔已過。這意味著在延遲的時(shí)間間隔那測(cè)距儀不能檢測(cè)物體距離該傳感器是少于一半的聲音傳播的距離。這是該超聲波傳感器的盲區(qū)，如圖3所示。
圖3超聲波發(fā)射和接收示意圖
B.：.紅外傳感器裝置和其他傳感器
針對(duì)超聲波傳感器的盲區(qū)，增加了紅外傳感器。紅外傳感器可以檢測(cè)在20cm內(nèi)的障礙，這彌補(bǔ)了超聲波傳感器由于失明問題所造成的區(qū)域的問題。
這個(gè)單元有16個(gè)紅外傳感器。每個(gè)紅外搜索器范圍有6度，是靈敏度函數(shù)主要的圓錐曲線的視圖。該傳感器具有一個(gè)高精度測(cè)量范圍，有效測(cè)量范圍是一個(gè)目標(biāo)到一米左右。一些測(cè)試表明，該傳感器的測(cè)距精度在±1cm左右。
為了節(jié)省DSP的資源，16個(gè)紅外傳感器采用DSP TMS320F2812的數(shù)據(jù)接口代替IO接口。這種結(jié)構(gòu)也可以同時(shí)讀取傳感器的狀態(tài)，以確保該系統(tǒng)的時(shí)間性能。傳感器接口電路用于發(fā)送和接收紅外脈沖并總是捕獲第一個(gè)回波來處理其振幅。
割草機(jī)器人在室外環(huán)境中工作時(shí)，其溫度變化迅速。溫度的變化會(huì)影響聲音的速度。因此，溫度傳感器用于保證超聲波傳感器的精度。碰撞傳感器是一組敏感的樣本，采用它是為了防止意外的碰撞造成的損害。由于潮濕的環(huán)境會(huì)危害IRM電路，濕度傳感器被引入用于檢測(cè)濕度環(huán)境。雖然這些傳感器不完全是
一個(gè)自主割草機(jī)器人機(jī)必要的，但他們可以提供有益的功能，讓工作更具有效性和安全性。
4.導(dǎo)航技術(shù)
A. 映射
正如圖4所示，基準(zhǔn)方向的X定義和機(jī)器人的坐標(biāo)為，。關(guān)于內(nèi)置電子羅盤對(duì)于機(jī)器人的幫助，角，這是從第一個(gè)傳感器得來的角度，可容易衡量。實(shí)際上，如果只在角（標(biāo)題的機(jī)器人角）的測(cè)量，從其他傳感器的角度可以發(fā)現(xiàn)
角是我們的世界坐標(biāo)中心。該超聲波傳感器組的最大環(huán)數(shù)為n，半徑為R（在我們的系統(tǒng)中，n = 12和R = 0.25m）。該環(huán)的原點(diǎn)到中心之間的距離是r，并且該向中心的基準(zhǔn)角度是Ω。根據(jù)參考位置機(jī)器人的中心是（，）。這個(gè)距離是從原點(diǎn)到通過兩個(gè)傳感器數(shù)據(jù)檢測(cè)的二維平面稱之為。
現(xiàn)在讓我們用DMI測(cè)量值來分別表示從超聲波和紅外傳感器得到的數(shù)據(jù)，用于精確距離。這些值之間會(huì)有一個(gè)誤差
在這項(xiàng)工作中，我們自然假設(shè)是一個(gè)均勻隨機(jī)變量在（W，W）范圍內(nèi)。在這里，W表示最大距離測(cè)量誤差。這里的問題是，給定的，，r ，，，，，和，，，，，估計(jì)占用的坐標(biāo)細(xì)胞和（或等價(jià)的）以最有效的方法。涉及檢測(cè)對(duì)象的方程可以寫為
圖4所示機(jī)器人在X-Y段的位置
由于對(duì)象涉及機(jī)器人的方程被寫為
如果我們定義的位置為：=，，，，，然后我們有
將插入到中，
在這里我們有N個(gè)這樣的方程。我們把它們矩陣形式
如果我們引入新的矩陣
，然后（10），
可以寫為
在這里，如果我們進(jìn)行最小二乘法估計(jì)，我們得到
因此，我們用最小二乘法估計(jì)找到最好的位置。
B. 仿真研究
基于傳感器導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行了測(cè)試在顯示該傳感器融合方法的有效性的兩種環(huán)境分別如圖5和圖6所示。割草機(jī)是一個(gè)結(jié)構(gòu)化的實(shí)驗(yàn)室初步測(cè)試如圖5所示。開始在（0.3m，0.5m，0°），一個(gè)虛擬的機(jī)器人在虛擬廣場(chǎng)走廊一次。墻在人工環(huán)境中是由真正的地圖表示的。
全車是獨(dú)立的。它有一個(gè)最大的運(yùn)行速度是0.4米/秒。實(shí)驗(yàn)室面積調(diào)查出在10cm精度優(yōu)于1cm為佳。提取映射，提出了一開始的目標(biāo)。機(jī)器人位置和方向是由電子羅盤成立[ 8 ]。
圖5數(shù)據(jù)采集與導(dǎo)航在結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的結(jié)果
圖5中的結(jié)果顯示的映射質(zhì)量和該傳感器融合方法的有效性。在測(cè)試中，我們發(fā)現(xiàn)，在估計(jì)的位置的平均誤差（ε）在環(huán)境中的障礙是在[ 0.2 ，0.2]米范圍內(nèi)。
在模擬中，我們看到，在（11）中，實(shí)際上應(yīng)該得到的是不滿足
。在可以為位置更好的估計(jì)的情況下可以表示為
在這種情況下，估計(jì)角不會(huì)改變但估計(jì)距離是縮放到它的最佳估計(jì)。
因此，對(duì)于位置，距離估計(jì)是和以前一樣，而最小二乘估計(jì)的作品只對(duì)角
。仿真結(jié)果表明，這種方法產(chǎn)生更精確的結(jié)果。
圖6仿真結(jié)果的墻下行為
墻后，被選定為初值問題域是因?yàn)樗⒁粋€(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的問題評(píng)價(jià)[ 9 ]。它這也奠定了更為復(fù)雜的基礎(chǔ)的問題領(lǐng)域，如迷宮的穿越，映射和用于草坪修剪和吸塵全覆蓋路徑規(guī)劃。墻上的仿真結(jié)果—圖6所示的行為后和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在圖6表明，該IRM有能力在非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中執(zhí)行它的割草任務(wù)。
在圖5中傳感器的程序?qū)Ш椒抡嫒缦隆?
5 . 超聲波測(cè)距技術(shù)基于小波變換
遺憾的是，由于環(huán)境的復(fù)雜性和噪聲的影響，實(shí)際接收到的多回波具有隨時(shí)間變化的特性，并且是一個(gè)典型的非平穩(wěn)信號(hào)。此外，在超聲波脈沖回聲混合噪聲是非高斯白噪聲，但噪聲，和與目標(biāo)回波相關(guān)。TOF法不能在這樣的條件下直接使用。引用廣義相關(guān)方法估計(jì)時(shí)間延遲的[ 10 ]，我們把提出了廣義自相關(guān)方法基于小波變換的時(shí)延估計(jì)[ 11 ]出現(xiàn)在圖7。
圖7基于小波變換的廣義自相關(guān)延遲估計(jì)
其中（t）是母小波和（t）是女兒小波。該系數(shù)α是規(guī)模（或縮放
因素）和（τ）是時(shí)間位移。小波變換的信號(hào)x（t）是y（t）。實(shí)際上這是一個(gè)過濾過程使用大量的帶通濾波器的超聲回波等于的Q值，這相當(dāng)于的白化濾波器對(duì)廣義相關(guān)方法的時(shí)間延遲的估計(jì)，為了消除輸入噪聲的影響做以下處理?？梢哉业?，作為
由于傅里葉變換關(guān)系自相關(guān)函數(shù)之間和他的力譜：
我們獲得的廣義自相關(guān)函數(shù)是：
最后，檢測(cè)到的峰值來完成TOF的估計(jì)和計(jì)算實(shí)際的超聲波速度。
圖8嘈雜的超聲回波
圖9基于小波去噪的回聲
圖10自相關(guān)函數(shù)
圖11峰值檢測(cè)
嘈雜的超聲回波信號(hào)如圖8所示，和利用小波變換去噪后的超聲回波顯示
圖9。很明顯，該噪聲混入的超聲波回波經(jīng)WT操作后得到有效地消除作。自動(dòng)去除噪聲的超聲波回波的相關(guān)運(yùn)算如圖10所示。圖11顯示了包絡(luò)線，通過希爾伯特變換。正如我們可以看到，如果每一個(gè)峰的橫坐標(biāo)點(diǎn)確定，TOF估計(jì)可計(jì)算?？紤]的超聲回波衰減和高精度的要求在實(shí)踐中的需求，只有前4回波被用來估計(jì)TOF。在TOF估計(jì)的值是，，，，，，這是對(duì)稱于X軸。使用這種方法，估計(jì)超聲波速度可以計(jì)算出來。
到目前為止，障礙檢測(cè)和定位系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)。運(yùn)用該方法，障礙物檢測(cè)和定位系統(tǒng)已成功實(shí)施。
基于廣義自相關(guān)法小波變換，提出了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)超聲波速度測(cè)量，該方法可以消除溫度，濕度和風(fēng)力的影響，超聲波速度測(cè)量可以在機(jī)器人工作的動(dòng)態(tài)條件下完成。在這種傳感系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，廣義自相關(guān)方法顯示出巨大潛力提供用于割草機(jī)器人一個(gè)強(qiáng)大的解決方案在動(dòng)態(tài)的工作條件下。
6. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
我們利用超聲波傳感器測(cè)量機(jī)器人和平面之間的距離。測(cè)量結(jié)果和實(shí)際距離如表一所示：
表一
超聲波傳感器的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（單位：厘米）
從表一中，我們可以看到，超聲波傳感器測(cè)量誤差在3%。
然后，基于廣義自相關(guān)法小波變換，提出了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)超聲波速度測(cè)量。
通過上述方法，我們?cè)俅螠y(cè)量機(jī)器人和平面對(duì)象距離的。測(cè)量結(jié)果與實(shí)際距離顯示在表二中。
表二
超聲波傳感器的基于小波變換的數(shù)據(jù)（單位：厘米）
基于小波變換的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用上述的測(cè)量誤差技術(shù)是小于1% 為5m范圍區(qū)域內(nèi)，這種傳感系統(tǒng)的障礙物檢測(cè)和定位擁有巨大的潛力，能作為—個(gè)強(qiáng)大的解決方案用提高于割草機(jī)器人性價(jià)比在動(dòng)態(tài)工作條件下。
7. 結(jié)論
在本文中，我們提出了一個(gè)多傳感器系統(tǒng)結(jié)合超聲波傳感器測(cè)量用于割草機(jī)器人導(dǎo)航。該傳感系統(tǒng)具有低成本，低功耗，高性能，使割草機(jī)器人機(jī)能映射未知環(huán)境。其有效性是通過仿真研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的。
使用不同種類的傳感器集成在傳感系統(tǒng)可以克服超聲波傳感器的盲區(qū)和多傳感器融合的鏡面反射的缺陷。
一種高精度超聲波測(cè)距技術(shù)的方法基于小波變換已被引入到改善更多的超聲波傳感器的測(cè)量精度準(zhǔn)確的感官信息。該系統(tǒng)應(yīng)用于割草機(jī)器人，證明了實(shí)驗(yàn)的可靠性和實(shí)時(shí)性。
今后的工作將著眼于應(yīng)用所提出的跟蹤技術(shù)的多傳感器融合方案應(yīng)用于在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的機(jī)器人割草機(jī)控制全覆蓋路徑規(guī)劃[ 12 ]。
參考文獻(xiàn)
畢業(yè)設(shè)計(jì)是教學(xué)計(jì)劃中非常重要的綜合性實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，應(yīng)使學(xué)生在以下幾個(gè)方面的能力得到訓(xùn)練和提高：
(一）培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用多學(xué)科的理論、知識(shí)和技能；解決具有一定復(fù)雜程度的工程實(shí)際問題的能力；（二）培養(yǎng)學(xué)生樹立正確的設(shè)計(jì)思想和掌握現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法；（三）培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的工作作風(fēng)；（四）培養(yǎng)學(xué)生優(yōu)良的思想品質(zhì)；強(qiáng)化工程實(shí)現(xiàn)意識(shí)；（五）培養(yǎng)學(xué)生勇于實(shí)踐、探索和開拓創(chuàng)新的精神。
另外，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)還應(yīng)使學(xué)生充分了解和掌握課題所涉及領(lǐng)域內(nèi)的理論知識(shí)、相關(guān)信息資料及基本常用技能。
1.設(shè)計(jì)內(nèi)容
雙圓盤牧草收割機(jī) ：
牧業(yè)是我國的現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，牧草也收獲機(jī)械化的普及，不僅使畜牧業(yè)生產(chǎn)加快了進(jìn)程，同時(shí)也減輕了牧民的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了牧草業(yè)的勞動(dòng)生產(chǎn)率。 目前，各種牧草收割機(jī)械普遍采用的切割器有往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式兩種?；剞D(zhuǎn)式切割機(jī)屬無支承切割，不產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，更換刀片簡(jiǎn)易。圓盤式割草機(jī)由刀盤、傳動(dòng)裝置、機(jī)架、三點(diǎn)懸掛等主要部件組成。效率比人工鋤草提高8至10倍，傷苗率低，除苗清潔率高。
主要技術(shù)參數(shù)：匹配動(dòng)力：40-55馬力；圓盤直徑：40-50mm。
2.技術(shù)要求
（1）能針對(duì)所要收割牧草的地塊進(jìn)行分析，并能滿足農(nóng)藝要求。
（2）由于是農(nóng)業(yè)機(jī)械，工作時(shí)所匹配的動(dòng)力較大，所設(shè)計(jì)的機(jī)具要堅(jiān)固耐用和性能穩(wěn)定，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性和易于加工，該機(jī)具所采用的材料應(yīng)為常用材料。
3.工作要求
（1）清楚明確設(shè)計(jì)內(nèi)容，注意設(shè)計(jì)重點(diǎn)；
（2）查閱與本課題有關(guān)的中外文獻(xiàn)資料，并分析綜合，合理選用；
（3）設(shè)計(jì)方案合理，有一定的特色和見解；
（4）設(shè)計(jì)計(jì)算步驟清晰，結(jié)果正確；
（5）設(shè)計(jì)圖紙符合國家標(biāo)準(zhǔn)；
（6）盡量運(yùn)用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)、計(jì)算和繪圖；
（7）說明書要求文字通順、語言簡(jiǎn)練、字跡工整，圖示清晰；
（8）按照設(shè)計(jì)時(shí)間進(jìn)度，在指導(dǎo)老師指導(dǎo)下，獨(dú)立完成畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)。
（1）成果要求：
1）根據(jù)該設(shè)備要完成的功能要求，設(shè)計(jì)出滿足要求的機(jī)具；
2）設(shè)計(jì)理論方法正確；方案可行。
3）設(shè)備性能穩(wěn)定可靠，易維護(hù)。
（2）工作量要求：
1）開題報(bào)告：按時(shí)提交畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告，書寫規(guī)范。
2）圖紙要求：所繪圖紙應(yīng)符合最新國家標(biāo)準(zhǔn)，完成設(shè)計(jì)總裝圖、零部件圖，總圖量不少于2.5張A0圖幅。
3）外文資料翻譯：至少閱讀3篇以上專業(yè)外文資料，并完成10000印刷符號(hào)（或譯出3000漢字）以上的譯文。
4）畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書：說明書不少于20頁，并附有300漢字左右的中文摘要及對(duì)應(yīng)的外文摘要。有關(guān)撰寫的格式及標(biāo)準(zhǔn)按照《本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）撰寫規(guī)范》執(zhí)行。
[1] 機(jī)械設(shè)計(jì)及其手冊(cè).2003年后各種版本
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本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文題目:
雙圓盤牧草收割機(jī)設(shè)計(jì)
English Title:
Double disc forage Harvester design
學(xué) 院：
（楷體_GB2312四號(hào)，下同）機(jī)械工程學(xué)院
專業(yè)班級(jí)：
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 機(jī)械XXXX
學(xué)生姓名：
XXXXXXX
學(xué) 號(hào)：
XXXXXX
指導(dǎo)教師：
XXXXXXX
年 月
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文摘要
雙圓盤牧草收割機(jī)設(shè)計(jì)
摘 要： 本課題主要是雙圓盤牧草收割機(jī)設(shè)計(jì)，牧草收割是草產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，提高牧草收割機(jī)械化水平和生產(chǎn)率，對(duì)于確保草產(chǎn)業(yè)豐收極為重要。切割器是各種牧草收割機(jī)械的重要工作部件。目前，各種牧草收割機(jī)械普遍采用的切割器有往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式兩種?；剞D(zhuǎn)式切割機(jī)屬無支承切割，不產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，更換刀片簡(jiǎn)易。本課題研究設(shè)計(jì)的雙圓盤式割草機(jī)，選用回轉(zhuǎn)式切割器，對(duì)牧草的適應(yīng)性強(qiáng)，特別適應(yīng)于稠密、倒伏和纏連的牧草，工作平穩(wěn)，生產(chǎn)率高。牧業(yè)是我國的現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，牧草也收獲機(jī)械化的普及，不僅使畜牧業(yè)生產(chǎn)加快了進(jìn)程，同時(shí)也減輕了牧民的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了牧草業(yè)的勞動(dòng)生產(chǎn)率。 目前，各種牧草收割機(jī)械普遍采用的切割器有往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式兩種?；剞D(zhuǎn)式切割機(jī)屬無支承切割，不產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，更換刀片簡(jiǎn)易。圓盤式割草機(jī)由刀盤、傳動(dòng)裝置、機(jī)架、三點(diǎn)懸掛等主要部件組成。效率比人工鋤草提高8至10倍，傷苗率低，除苗清潔率高。
關(guān)鍵詞：雙圓盤牧草收割機(jī)，雙圓盤，牧草，收割機(jī)，刀片，拖拉機(jī)
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文摘要
Multi-station Punch Press Manipulator
Abstract: The main topic is a two-disc design forage harvesters, forage grass harvest is an important part of industrial production, improve forage harvesting mechanization and productivity, extremely important to ensure a good harvest grass industry. The cutter member is an important work of the various forage harvesting machinery. Currently, all kinds of forage harvesting machinery commonly used with a reciprocating and rotary cutter two. The rotary cutter is a non-cutting bearing, no clogging, easy replacement of the blade. This research design double-disc mower, the choice of a rotary cutter, adaptable for forage, particularly suitable for dense, even lodging and wrapped forage, smooth, high productivity. Animal husbandry is an important part of China's economic modernization, the popularity of grass also harvest mechanization, not only to speed up the process of livestock production, but also reduce the labor intensity of herders, increased labor productivity forage industry. Currently, all kinds of forage harvesting machinery commonly used with a reciprocating and rotary cutter two. The rotary cutter is a non-cutting bearing, no clogging, easy replacement of the blade. A disc mower cutter, transmission, chassis, suspension and other three major components. Artificial weeding efficiency than 8 to 10 times, low seedling injury, in addition to cleaning seedling rate.
Key words: forage harvester double-disc, double disc, forage harvester, blade, tractor
目 錄
第1章 緒論 1
1.1 本課題研究的背景和目的意義 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2研究的目的意義 1
1.2 國內(nèi)外牧草收割機(jī)械發(fā)展概況 2
1.2.1 往復(fù)式切割器割草機(jī)研究發(fā)展概況 2
1.2.2 旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)研究發(fā)展概況 2
1.2.3國外牧草收獲機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.2.4我國牧草機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀 3
1.2.5牧草機(jī)械發(fā)展的趨勢(shì)和機(jī)遇 5
1.3 本課題研究的內(nèi)容及需要解決的關(guān)鍵技術(shù) 6
1.3.1 研究內(nèi)容 6
1.3.2本課題需要解決的關(guān)鍵技術(shù) 7
1.4 研究方法技術(shù)方案設(shè)計(jì)指標(biāo) 7
1.4.1 研究方法 7
1.4.2設(shè)計(jì)技術(shù)方案 8
第2章 雙圓盤牧草收割機(jī)工作原理及方案設(shè)計(jì) 9
2.1 收獲對(duì)象的特點(diǎn)及其對(duì)收獲機(jī)械性能的要求 9
2.1.1收獲對(duì)象及其特點(diǎn) 9
2.1.2收獲對(duì)象對(duì)機(jī)械性能的要求 9
2.2 設(shè)計(jì)原則 9
2.3 總體方案 10
2.4 技術(shù)要求 11
2.5 工作原理 11
2.6 整機(jī)機(jī)構(gòu) 11
2.7 收割機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 12
2.7.1 整體框架結(jié)構(gòu) 12
2.7.2 傳動(dòng)及收割作業(yè)機(jī)械部分 12
第3章 雙圓盤牧草收割機(jī)收割機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 14
3.1 設(shè)計(jì)的原始參數(shù) 14
3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算說明書 14
3.2.1 機(jī)架的設(shè)計(jì) 14
3.2.2 減速器的設(shè)計(jì) 14
3.2.3 齒輪傳動(dòng)組總成的設(shè)計(jì) 29
3.2.4 刀盤總成的設(shè)計(jì) 39
第4章 結(jié) 論 41
4.1 結(jié)論 41
4.2存在的問題 41
參考文獻(xiàn) 42
致 謝 44
淮海工學(xué)院二〇一七屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁 共 44 頁
第1章 緒論
1.1 本課題研究的背景和目的意義
1.1.1 研究背景
革業(yè)的發(fā)展是關(guān)系生存環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的世紀(jì)問題，由于種種原因，我國90％的草地已經(jīng)或正在退化。國家把調(diào)整農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、改善生態(tài)環(huán)境、大力發(fā)展退耕還林還草、種草養(yǎng)畜提高到重要的戰(zhàn)略地位。草產(chǎn)業(yè)作為甘肅農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的戰(zhàn)略性措施，近幾年發(fā)展建設(shè)很快，牧草種植面積不斷擴(kuò)大。甘肅省是全國五大牧區(qū)之一，草資源豐富，種植牧草歷史悠久，有1733．3萬畝天然草場(chǎng)，目前全省的人工種草留床面積達(dá)85．73萬畝，其中優(yōu)質(zhì)牧草紫花苜蓿保留面積53．3萬畝，居全國首位n3。武威市地處河西走廊東端，地域遼闊，其中優(yōu)質(zhì)牧草紫花苜蓿種植面積已達(dá)32萬畝。在種植業(yè)方面形成了糧食、經(jīng)濟(jì)作物和牧草三大產(chǎn)業(yè)。但牧草收割以人工為主，工作效率低、作業(yè)成本高，而且一年收獲好幾茬，勞動(dòng)強(qiáng)度較大。發(fā)展草產(chǎn)業(yè)，急需經(jīng)濟(jì)適用的小型牧草收割機(jī)。但目前，牧草收獲機(jī)械相對(duì)滯后，現(xiàn)代化牧草收獲機(jī)械基本為空白，已有的少量牧草機(jī)械尚不配套，與國際同類機(jī)具相比有較大的差距，存在的主要問題：一是成本高農(nóng)民購買不起；二是農(nóng)民種植牧草，多屬于分散種植，面積相對(duì)較小，不適合大型機(jī)具作業(yè)。為了適應(yīng)農(nóng)村草產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要，達(dá)到適時(shí)搶收，盡量減少牧草營養(yǎng)成份損失，適應(yīng)農(nóng)村分散地塊種植，提高種植經(jīng)濟(jì)效益，確立牧草收獲機(jī)械研究課題，擬研制一種與小動(dòng)力配套的小型輕便的牧草收獲機(jī)械。
1.1.2研究的目的意義
牧草收割是草產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，提高牧草收割機(jī)械化水平和生產(chǎn)率，對(duì)于確保草業(yè)豐產(chǎn)豐收極為重要。切割器(又稱切割裝置)是各種牧草收割機(jī)械上最重要的工作部件，其工作性能直接影響到整機(jī)的工作性能。目前各種牧草收割機(jī)械上普遍采用的切割器有往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式兩種。以往復(fù)式切割器應(yīng)用最為廣泛，且己標(biāo)準(zhǔn)化。往復(fù)式切割器雖具通用性好、適應(yīng)性強(qiáng)、工作可靠之優(yōu)點(diǎn)，但突出的問題是往復(fù)運(yùn)動(dòng)慣性力大，割臺(tái)振動(dòng)及噪音大，割臺(tái)使用壽命低，切割速度低(一般平均切割速度為1．5m／s-～2m／s)，使牧草收割機(jī)的作業(yè)速度和單位幅寬生產(chǎn)率受到限制，只能低速作業(yè)，寬幅收割。回轉(zhuǎn)式收割機(jī)割刀切割速度高(一般為lOm／s--一20m／s)，切割能力強(qiáng)，但傳動(dòng)復(fù)雜，造價(jià)高。目前以這兩種切割器為切割部件的牧草收割機(jī)，以后掛側(cè)置寬幅大型為主，其結(jié)構(gòu)龐大，造價(jià)高，難以適應(yīng)農(nóng)村草業(yè)發(fā)展的需求。目前國內(nèi)外現(xiàn)有牧草收割機(jī)械，工作幅寬2"--,6米，生產(chǎn)率為15"---80畝／d,時(shí)，配套動(dòng)力為9-、一,50KW，這類機(jī)具主要為大型牧場(chǎng)所使用，而且多數(shù)是割后無序鋪放，后續(xù)攤鋪、摟草、拾草、打捆均配有專門機(jī)具進(jìn)行作業(yè)，配套條件要求較高。而中小型牧草場(chǎng)，農(nóng)村普通農(nóng)戶，由于資金運(yùn)作少，不可能用巨資購置成套的牧草收獲機(jī)具。他們要求一種能整齊鋪放，便于晾曬，成本低的小型牧草收獲機(jī)具。市場(chǎng)上現(xiàn)有的稻、麥割曬機(jī)可以用于部分牧草收割，但此類機(jī)具以稻、麥為主要作業(yè)對(duì)象而設(shè)計(jì)，并不完全適用于牧草收割。近幾年來，作為家畜主要青飼料的紫花苜蓿，種植面積不斷增加，人工收獲效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，急需解決機(jī)械收獲問題。為此，
本課題將根據(jù)農(nóng)機(jī)動(dòng)力小型化的特點(diǎn)，以當(dāng)?shù)啬敛莘N植狀況為依據(jù)，研究設(shè)計(jì)了一種由小四輪拖拉機(jī)前置懸掛作業(yè)，適宜于收割稠密、倒伏和纏連牧草的圓盤式割草機(jī)，不僅可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率，而且可以促使畜草產(chǎn)業(yè)向著規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化、商品化的方向發(fā)展。
1.2 國內(nèi)外牧草收割機(jī)械發(fā)展概況
國內(nèi)外牧草收獲機(jī)械按其切割部件的結(jié)構(gòu)分為往復(fù)式和圓盤式；按其行走方式分為牽引式、半懸掛式、自走式割草機(jī)；按割幅可分為窄幅和寬幅割草機(jī)。
1.2.1 往復(fù)式切割器割草機(jī)研究發(fā)展概況
往復(fù)式割草機(jī)歷史悠久，適于收割天然牧草和種植牧草，具有割茬低而整齊，牧草損失少，便于調(diào)整使用等優(yōu)點(diǎn)。其發(fā)展過程是從畜力到機(jī)引，從牽引到懸掛。為提高生產(chǎn)率割草機(jī)超高速度、大割幅方向發(fā)展。但加大割幅將增加機(jī)具成本，因此以提高前進(jìn)速度更為有利。但隨著切割速度的提高，割刀往復(fù)慣性力增加，從而加劇了機(jī)器振動(dòng)和機(jī)件損壞，導(dǎo)致切割高桿或濕潤牧草時(shí)堵刀。這種割草機(jī)雖有這些缺點(diǎn)，但目前作為一種標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型被國內(nèi)外廣泛使用和大量生產(chǎn)，并且在不斷完善和改進(jìn)。
1.2.2 旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)研究發(fā)展概況
近年來，由于種植牧草面積大量增加，并使用大量含氮肥料，使牧草高大、茂密而趨于倒伏。因此，旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)得到迅速發(fā)展。旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)屬無支承切割，切割器刀片安裝在刀盤上，并隨刀盤一起旋轉(zhuǎn)進(jìn)行割草，前進(jìn)速度高，有較高的生產(chǎn)率，不產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，更換刀片簡(jiǎn)易，保養(yǎng)方便。但旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)功率消耗較大(旋轉(zhuǎn)式割草機(jī)為7～12Kw／M，普通往復(fù)式割草機(jī)為O．7～0．5 Kw／M，雙動(dòng)割草機(jī)為3"--'6 KW／M)，工作幅重割區(qū)大，割茬不齊，碎草多，且對(duì)地面的平整程度要求較高。在牧草剛度小時(shí)易使割茬高度增加，因此適于高硬桿牧草收獲。
1.2.3國外牧草收獲機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀
國外牧草機(jī)械已有100多年的歷史，經(jīng)歷了從使用畜力到拖拉機(jī)動(dòng)力配套，從單項(xiàng)作業(yè)機(jī)具到聯(lián)合作業(yè)機(jī)具的發(fā)展過程。20世紀(jì)60年代是歐美各國牧草機(jī)械發(fā)展的高峰時(shí)期，這一期間完成了由畜力機(jī)具、機(jī)引機(jī)具、各種聯(lián)合作業(yè)機(jī)具及成型機(jī)具相繼研制成功并迅速推廣。20世紀(jì)70年代以來，部分牧草機(jī)具趨于飽和，產(chǎn)量和保有量保持穩(wěn)定。各個(gè)公司致力于開發(fā)新產(chǎn)品，改進(jìn)原有產(chǎn)品的性能，以保持競(jìng)爭(zhēng)能力。尤其以美國、德國、法國、意大利、日本等發(fā)達(dá)國家在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。如德國STOLL公司的割曬設(shè)備，克拉斯公司自走式割草機(jī)或打捆機(jī)，法國庫恩公司的旋轉(zhuǎn)割草機(jī)等∞3。在20世紀(jì)90年代，這些國家的割、摟、捆、裝運(yùn)等牧草收獲機(jī)械陸續(xù)進(jìn)入我國牧草種植基地。國外先進(jìn)的牧草收獲機(jī)械技術(shù)比較完善，機(jī)具品種多，性能可靠，但價(jià)格昂貴。目前，歐美各國幾乎所有的農(nóng)機(jī)公司都在生產(chǎn)牧草機(jī)械，產(chǎn)品品種齊全，系列完整，能滿足各種收獲需要，主要結(jié)構(gòu)技術(shù)性能至今沒有大的變化，只是在操作舒適和電子計(jì)算機(jī)應(yīng)用方面有所改進(jìn)。
但由于國外的牧草收獲機(jī)械以大型為主，其機(jī)具轉(zhuǎn)彎半徑大，適宜大面積作業(yè)，與國產(chǎn)動(dòng)力機(jī)械配套性能差，組織水平要求高，價(jià)格昂貴，因此考慮種植方式，作業(yè)地塊條件及農(nóng)牧民經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等多種因素，國外牧草收獲機(jī)械在我國推廣應(yīng)用存在很大的局限性。
1.2.4我國牧草機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀
我國牧草機(jī)械起步較晚、發(fā)展緩慢。其發(fā)展分為兩個(gè)階段：第一階段為50-70年代中期，只生產(chǎn)一些仿蘇40,---50年代畜力及機(jī)引的往復(fù)式割草機(jī)，橫向摟草機(jī)和畜力捆草機(jī)，機(jī)型陳舊，指標(biāo)落后，質(zhì)量低，成本高；第二階段為70年代后期至90年代末，開始引進(jìn)國外70,--,80年代的牧草收獲機(jī)械，研制出了適應(yīng)于我國牧草生產(chǎn)的收獲機(jī)械，填補(bǔ)了許多空白，初步形成了散草、方捆、圓捆等多種收獲工藝系統(tǒng)機(jī)械H1。
近年來，我國牧草收獲機(jī)械雖發(fā)展迅速，但機(jī)械化水平較低，尤其是小型機(jī)具種類較少，牧草收獲還是以手工收獲為主，農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度大。當(dāng)前牧草機(jī)械的研究方向在機(jī)型上以中小型為主；在內(nèi)容上以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生差率為主。
我國的草場(chǎng)面積與美國大體相同，但是牧草機(jī)械的保有量很少。如割、摟草機(jī)保有量僅為美國的1％。20世紀(jì)80年代，日本方捆機(jī)的保有量為2．3萬臺(tái)，而我國20世紀(jì)90年代初的保有量僅為日本的0．2％。20世紀(jì)70年代中期，美國圓捆機(jī)保有量為10萬臺(tái)，而我國目前的保有量僅為0．1％，我國牧草機(jī)械化水平與國外發(fā)達(dá)國家相比還有相當(dāng)大的差距。
(1)由于我國在相當(dāng)長的一段時(shí)期內(nèi)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要任務(wù)是解決溫飽問題，
重點(diǎn)放在糧食作物的種植與生產(chǎn)上，忽視了畜牧業(yè)生產(chǎn)，在一定程度上影響了牧草機(jī)械的發(fā)展。
(2)在20世紀(jì)80年代中期以來，國家對(duì)草地畜牧業(yè)投入不足，使得許多牧草機(jī)械制造企業(yè)紛紛減產(chǎn)，有的甚至破產(chǎn)關(guān)閉，使得我國與國外同類產(chǎn)品的制造能力和水平進(jìn)一步拉大距離。
(3)現(xiàn)有牧草機(jī)械生產(chǎn)制造企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量低，使用故障多，可靠性差。往復(fù)式割草機(jī)工作半天即需磨刃，使用可靠性不到80％，國外摟草彈選工作6000畝，斷齒率為4％'---5％；我國的產(chǎn)品同樣作業(yè)量斷齒率為20％一--30％。在相同作業(yè)條件下，我國的牧草撿拾壓垛機(jī)完成的工作量與國外同類機(jī)型相差一半。
(4)牧草機(jī)械產(chǎn)品品種不全，成套性差，美國的約翰迪爾公司牧草機(jī)械有13個(gè)品種44個(gè)機(jī)型；紐荷蘭公司有12個(gè)品種25個(gè)機(jī)型，牧草撿拾裝載車多達(dá)21個(gè)機(jī)型，可供各種經(jīng)營規(guī)模的用戶選擇。我國牧草機(jī)械初步形成了散草、方捆、圓捆、壓垛作業(yè)工藝系統(tǒng)，但每種作業(yè)機(jī)械多為單一機(jī)型。各種作業(yè)工序間機(jī)具與動(dòng)力配套性差，用戶不能根據(jù)自己的經(jīng)營規(guī)模選擇合適的機(jī)具，因此機(jī)具的使用效率不高。
(5)產(chǎn)品水平高低是衡量該行業(yè)整體科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。我國已經(jīng)定型的牧草機(jī)械大部分屬國外20世紀(jì)80年代以前的技術(shù)水平，30多年來基本沒什么改進(jìn)。其原因是多方面的，但生產(chǎn)制造工藝水平低是關(guān)鍵因素，現(xiàn)在牧草機(jī)械制造企業(yè)工藝技術(shù)裝備落后、老化，生產(chǎn)設(shè)備大多是20世紀(jì)80年代以前的設(shè)備；科研投入不足，開發(fā)能力差，使得產(chǎn)品更新?lián)Q代緩慢，也是造成牧草機(jī)械技術(shù)水平低的重要因素。
20世紀(jì)90年代，我國牧草機(jī)械市場(chǎng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)機(jī)，1999年銷售2．56萬臺(tái)，比上年增長173％，牧草機(jī)械產(chǎn)品出現(xiàn)暢銷勢(shì)頭的主要原因：一是國內(nèi)草原生態(tài)建設(shè)和退耕還草發(fā)展加快；二是國家和地方大力支持草畜業(yè)和節(jié)糧型畜牧業(yè)投資加大。
1.2.5牧草機(jī)械發(fā)展的趨勢(shì)和機(jī)遇
隨著人工種植草場(chǎng)的發(fā)展，切割壓扁機(jī)等市場(chǎng)需求迅速增加。種植草場(chǎng)牧草收獲離不開割草機(jī)、攤曬機(jī)、撿拾壓捆機(jī)。中央確定到2010年要完成8300萬畝的人工草地和治理草地的面積，若其中20％采用機(jī)械收獲，按每年333萬畝草場(chǎng)配備一臺(tái)切割壓扁機(jī)與之配套的攤曬、捆草、纏膜等機(jī)具，則需50000臺(tái)(套)。預(yù)計(jì)到2010年，國內(nèi)需求約為10萬臺(tái)。由于國內(nèi)上述機(jī)具不能滿足市場(chǎng)需求，用戶開始大量進(jìn)口國外牧草收獲機(jī)具。因此，必須加快我國牧草機(jī)械產(chǎn)業(yè)化的步伐，以適應(yīng)市場(chǎng)的需求。20多年的改革開放和西部大開發(fā)的實(shí)施，使我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展到了一個(gè)新的水平，國家政策和經(jīng)濟(jì)形式為牧草生產(chǎn)機(jī)械帶來新的發(fā)展機(jī)遇，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整為牧草生產(chǎn)機(jī)械化發(fā)展提供了廣闊的空間。近幾年畜牧業(yè)的快速發(fā)展，牧草生產(chǎn)機(jī)械化已成為西部農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展新的增長點(diǎn)。
(1)國家政策和經(jīng)濟(jì)形勢(shì)為牧草生產(chǎn)機(jī)械化帶來了新的發(fā)展機(jī)遇，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整為牧草生產(chǎn)機(jī)械化發(fā)展提供了廣闊的發(fā)展空間；
(2)牧草機(jī)械為牧草生產(chǎn)機(jī)械化發(fā)展提供物質(zhì)基礎(chǔ)和保障；
(3)國家政策扶持和多元化投入機(jī)制將促進(jìn)牧草生產(chǎn)機(jī)械化的發(fā)展。H刮
我國加入WTO后，有利于促進(jìn)技術(shù)成果的國際合作、交流和應(yīng)用，引進(jìn)和吸收國外先進(jìn)技術(shù)，高起點(diǎn)地發(fā)展適合我國國情的牧草機(jī)械，有利于畜產(chǎn)品的出口，帶動(dòng)牧草收獲機(jī)械工業(yè)的發(fā)展。國內(nèi)的牛羊價(jià)格低于國際市場(chǎng)價(jià)格，在國際市場(chǎng)上具有一定的競(jìng)爭(zhēng)力，這將推動(dòng)我國畜牧業(yè)發(fā)展，從而推動(dòng)牧草機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展。農(nóng)機(jī)草畜互促，形成農(nóng)機(jī)與草畜業(yè)發(fā)展的良性循環(huán)。
(1)促進(jìn)了農(nóng)機(jī)事業(yè)的發(fā)展。通過實(shí)施牧草機(jī)械化作業(yè)，農(nóng)民群眾深刻認(rèn)識(shí)到，機(jī)械化不僅是農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的必要條件和重要保證，而且對(duì)于提高農(nóng)業(yè)效益，增強(qiáng)抗御自然災(zāi)害能力，促進(jìn)農(nóng)民增收，加快奔小康步伐都具有不可替代的地位和作用，從而大大提高了購置和利用農(nóng)業(yè)機(jī)械的積極性。
(2)促進(jìn)了牧草業(yè)的發(fā)展。自全面實(shí)施牧草機(jī)械化作業(yè)以來，廣大農(nóng)民認(rèn)識(shí)到牧草生產(chǎn)廣闊的發(fā)展前景，逐步轉(zhuǎn)變了僅在差地種植苜蓿的習(xí)慣，舍得拿地力和水澆條件好的良田種植苜蓿。實(shí)施牧草機(jī)械化作業(yè)，大大提高了牧草的生產(chǎn)效率和收割、打捆、貯存等作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為實(shí)現(xiàn)牧草的產(chǎn)業(yè)化經(jīng)營創(chuàng)造了十分有利的條件。
(3)促進(jìn)了畜牧業(yè)的發(fā)展。苜蓿是高質(zhì)量的畜牧飼料，長期食用苜蓿的牲畜具有成活率高，生長速度快，產(chǎn)肉、產(chǎn)奶量高、質(zhì)量好等特點(diǎn)。牧草機(jī)械化推動(dòng)了牧草業(yè)的快速發(fā)展，進(jìn)而推動(dòng)了畜牧業(yè)的快速發(fā)展。
目前，國外牧草收獲機(jī)械當(dāng)以美、德、法、意、日處于領(lǐng)先地位，尤以德國斯通公司生產(chǎn)的往復(fù)式割曬機(jī)和法國庫恩公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)割草機(jī)為先。我國以海拉爾牧業(yè)機(jī)械總廠、寶昌牧業(yè)機(jī)械廠和牧業(yè)機(jī)械廠生產(chǎn)的牧草收獲機(jī)械為優(yōu)。國外牧草收割機(jī)總的發(fā)展趨勢(shì)以往復(fù)式和旋轉(zhuǎn)式切割器為切割部件，以后懸掛側(cè)幅大型為主。
隨著種植結(jié)構(gòu)和畜種結(jié)構(gòu)調(diào)整，我國人工草地面積正在不斷擴(kuò)大，我省紫花苜蓿留床面積目前為53．3萬畝，約占全國總面積的34％，苜蓿產(chǎn)業(yè)已趨規(guī)?；６俎Ｊ斋@機(jī)械化技術(shù)僅僅停留在初級(jí)階段，大部分紫花苜蓿的收獲仍然以人為主。中小型牧草收割機(jī)有著廣闊的市場(chǎng)前景。
1.3 本課題研究的內(nèi)容及需要解決的關(guān)鍵技術(shù)
1.3.1 研究內(nèi)容
1．機(jī)具類型與配套動(dòng)力選擇
(1)工作平穩(wěn)，對(duì)不同牧草的適應(yīng)性強(qiáng)，適應(yīng)于收割稠密、倒伏和纏連的牧
草，能以6-10km／h的速度作業(yè)，生產(chǎn)率高；
(2)能夠用小四輪拖拉機(jī)配套作業(yè)，功率消耗低、效率高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。
2．切割器起落(升降)機(jī)構(gòu)的研究及參數(shù)確定
(1)牧草切割器的設(shè)計(jì)研究與參數(shù)確定；
(2)機(jī)具與小四輪拖拉機(jī)的掛接設(shè)計(jì)；
(3)水平升降研究，仿形效果好；
3．傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究
4．機(jī)具的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零部件的受力分析
1.3.2本課題需要解決的關(guān)鍵技術(shù)
本課題的技術(shù)難點(diǎn)是配套動(dòng)力和連接方式。目前我市乃至全省15"-20馬力小四輪拖拉機(jī)居多，與同類機(jī)型配套的雙圓盤割草機(jī)數(shù)量很少，性能、質(zhì)量及連接方式需要改進(jìn)，與之相關(guān)的整機(jī)結(jié)構(gòu)重量與小四輪拖拉機(jī)動(dòng)力不配套。所以本課題要解決的關(guān)鍵技術(shù)有：
1．機(jī)具結(jié)構(gòu)類型的選擇與設(shè)計(jì)
2．機(jī)具與拖拉機(jī)的掛接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3．機(jī)具傳動(dòng)方案的確定
4．切割器刀片速度的選擇與確定
5．傳動(dòng)比的分配與動(dòng)力參數(shù)的確定
1.4 研究方法技術(shù)方案設(shè)計(jì)指標(biāo)
1.4.1 研究方法
1．利用檢索方法進(jìn)行中外文資料收集
2．國內(nèi)部分圓盤式割草機(jī)的調(diào)查研究
3．利用機(jī)械設(shè)計(jì)原理進(jìn)行計(jì)算
4．進(jìn)行田間試驗(yàn)和測(cè)試
1.4.2設(shè)計(jì)技術(shù)方案
圖1-1 設(shè)計(jì)方案框圖
第2章 雙圓盤牧草收割機(jī)工作原理及方案設(shè)計(jì)
2.1 收獲對(duì)象的特點(diǎn)及其對(duì)收獲機(jī)械性能的要求
2.1.1收獲對(duì)象及其特點(diǎn)
雙圓盤割草機(jī)的收獲對(duì)象為豆科牧草和禾本科牧草，主要是豆科牧草(紫花苜蓿)。紫花苜蓿是多年生豆科牧草，每年可多次收割且適1：3性好，收獲量大，具有很好飼用價(jià)值，可做精飼料代用品。但其品質(zhì)隨生長量的增加而下降，開花期收割比孕蕾期收割粗蛋白含量下降1／3～1／2，胡蘿卜素含量減少1／2"-'5／6，特別是干旱、光熱強(qiáng)光照射下加速衰老，草品質(zhì)迅速下降，因此，紫花苜蓿最佳收割時(shí)間為孕蕾期一初花期，過了這個(gè)時(shí)間，蛋白質(zhì)含量會(huì)降低，影響產(chǎn)品質(zhì)量。而這個(gè)時(shí)間一般只有10"--"15天，僅靠人工難以完成整個(gè)收獲工作，因此，收獲作業(yè)則必須借助牧草收獲機(jī)械完成。
2.1.2收獲對(duì)象對(duì)機(jī)械性能的要求
1．由于牧草稠密多汁，因此，切割速度比收割谷物要快。
2．為提高牧草收獲量，要求盡量低割，因此，切割器應(yīng)接近地面，并能很好適應(yīng)地形；
3．牧草收獲機(jī)械工作條件惡劣，刃口應(yīng)具有自磨性能，刀具應(yīng)具有保護(hù)裝置；
4．應(yīng)具有靈活的起落機(jī)構(gòu)，以便遇到障礙物時(shí)，能在1～2秒鐘內(nèi)將切割器升起；
5．割下來的牧草能均勻鋪放于地面，且厚度適當(dāng)，盡可能減少機(jī)器對(duì)牧草的滾壓和翻動(dòng)，以降低牧草的收獲損失；
6．結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用維修方便，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)先進(jìn)。
2.2 設(shè)計(jì)原則
1．牧草收割作業(yè)季節(jié)性強(qiáng)，作業(yè)時(shí)間有限，故應(yīng)采用工作機(jī)與動(dòng)力機(jī)分離式。動(dòng)力由小四輪拖拉機(jī)皮帶輸出。本機(jī)采用前懸掛式連接方式，由小四輪拖拉機(jī)液壓油缸作為提升動(dòng)力。切割器用旋轉(zhuǎn)式上傳動(dòng)圓盤切割器；
2．本機(jī)選用旋轉(zhuǎn)式(回轉(zhuǎn)式)切割器，對(duì)牧草的適應(yīng)性強(qiáng)，特別適應(yīng)于稠密、倒伏和纏連的牧草，工作平穩(wěn)，生產(chǎn)率高；3．旋轉(zhuǎn)式切割器轉(zhuǎn)速較高，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮到運(yùn)動(dòng)件和切割器的安全防護(hù)問題；4．左、右兩個(gè)切割器采用通過機(jī)架剛性連接，作業(yè)時(shí)兩個(gè)刀盤上的刀片轉(zhuǎn)向相反，以保證牧草集壟和鋪放整齊：
5．降低整機(jī)生產(chǎn)成本，以提高經(jīng)濟(jì)性。
2.3 總體方案
根據(jù)作業(yè)約束條件和設(shè)計(jì)原則，機(jī)具采用前懸掛式作業(yè)方式，主要由平行四連桿升降機(jī)構(gòu)、機(jī)架、圓盤式切割裝置、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、甩草筒、防護(hù)欄等幾部分組成。結(jié)構(gòu)示意如圖2．1、圖2．2。
圖2-1雙圓盤割草機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖(主視)
圖2—2雙圓盤割草機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖(俯視)
卜拖拉機(jī)飛輪皮帶輪2一四連桿升降機(jī)構(gòu)3一機(jī)架4一甩草筒5一切割器滑底
6一切割器上刀盤7一刀片8一防護(hù)欄
2.4 技術(shù)要求
1．切割器是割草機(jī)的關(guān)鍵部件，其動(dòng)力參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常重要；
(1)刀盤直徑、刀盤數(shù)和刀片數(shù)的選擇與確定。刀盤直徑的大小將影響割草機(jī)的功率消耗。減小刀盤直徑，功率消耗和損失都將減小，但刀盤過小時(shí)，同一工作幅所需的刀盤數(shù)將增加，從而增加傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性。
(2)旋轉(zhuǎn)式切割器工作時(shí)，刀片的運(yùn)動(dòng)由圓周運(yùn)動(dòng)和前進(jìn)運(yùn)動(dòng)合成。
(3)刀片通過銷鏈的方式固定在刀盤上，要求安裝方便可靠。
(4)左、右刀盤反向旋轉(zhuǎn)，保證牧草切割后甩草在中間，并集成草鋪。
(5)作業(yè)時(shí)，上刀盤與刀片以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，而下刀盤(滑底)可自由轉(zhuǎn)動(dòng)。
2．甩草裝置。設(shè)計(jì)合理的甩草裝置，防止作業(yè)時(shí)牧草纏繞，并順利地將割下的牧草甩向后方，集成草鋪；
3．機(jī)架。要求將兩個(gè)切割器連接成一體，并安放齒輪箱、連軸器、平行四連桿機(jī)構(gòu)的掛接零部件；
4．四連桿升降機(jī)構(gòu)。要求以拖拉機(jī)液壓作為提升動(dòng)力，可以使整個(gè)機(jī)具垂直升降，滿足機(jī)具作業(yè)或運(yùn)輸狀態(tài)的升降需要。同時(shí)，通過它將割草機(jī)懸掛在拖拉機(jī)的前方；
5．傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)合理的傳動(dòng)方式，確定參數(shù)和傳動(dòng)比，滿足各項(xiàng)切割功能要求；
6．安全防護(hù)措施。刀片、轉(zhuǎn)軸等運(yùn)動(dòng)件外部增設(shè)安全的防護(hù)欄、防護(hù)罩、警示牌等，提高安全性。
2.5 工作原理
機(jī)具通過平行四連桿機(jī)構(gòu)和輔助掛接件懸掛于拖拉機(jī)前方，動(dòng)力由拖拉機(jī)飛輪皮帶輪傳入，機(jī)具的升降由拖拉機(jī)液壓提升，同時(shí)接合動(dòng)力切割器開始旋轉(zhuǎn)，刀片銷鏈在刀盤上，通過高速旋轉(zhuǎn)割下牧草。兩個(gè)刀盤反向旋轉(zhuǎn)，牧草割下后倒向機(jī)具中間，通過甩草筒甩集成壟，完成切割作業(yè)。
收割機(jī)構(gòu)由機(jī)架、傳動(dòng)箱總成、刀片固定圓盤總成、刀片擋泥板組合件等組成。
2.6 整機(jī)機(jī)構(gòu)
該機(jī)為雙圓盤牧草收割機(jī)。收割機(jī)構(gòu)工作動(dòng)力及行走動(dòng)力由配套拖拉機(jī)提供，且統(tǒng)一控制。
2.7 收割機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)
2.7.1 整體框架結(jié)構(gòu)
本機(jī)構(gòu)是與拖拉機(jī)配套的機(jī)具，擬采用懸掛式懸掛于拖拉機(jī)后橋后面。可通過液壓升降來調(diào)節(jié)深淺。整體框架結(jié)構(gòu)見下圖2-3：
圖2-3 整體框架結(jié)構(gòu)
2.7.2 傳動(dòng)及收割作業(yè)機(jī)械部分
本機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)及作業(yè)機(jī)械擬采用如下圖2-4所示結(jié)構(gòu)方案。該方案主要利用齒輪傳動(dòng)來傳遞動(dòng)力，具有傳動(dòng)功率范圍大、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)比準(zhǔn)確、使用壽命長、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。不過對(duì)制造及安裝精度要求高，且成本相對(duì)較高。
圖2-4 收割機(jī)構(gòu)傳動(dòng)及作業(yè)機(jī)械示意簡(jiǎn)圖
1.減速器輸入軸 2.減速器小錐齒輪 3.減速器大錐齒輪 4.減速器輸出軸 5.刀片 6.刀盤 7.甩刀輸出軸 8.齒輪傳動(dòng)組
工作時(shí)，配套動(dòng)力由萬向節(jié)經(jīng)減速器輸入軸1輸入，經(jīng)一級(jí)錐形減速器減速轉(zhuǎn)向后，由減速器輸出軸4傳到齒輪傳動(dòng)組件8，再經(jīng)甩刀輸出軸7傳到刀盤6及刀片5上，最終實(shí)現(xiàn)刀片5的收割作業(yè)。
淮海工學(xué)院二〇一七屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 43 頁 共 44 頁
第3章 雙圓盤牧草收割機(jī)收割機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算
經(jīng)過設(shè)計(jì)方案的確定，需要對(duì)一些關(guān)鍵零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。主要設(shè)計(jì)的部分有機(jī)架的設(shè)計(jì)，減速器的相關(guān)設(shè)計(jì)，以及從減速器輸出軸到刀盤總成之間的齒輪傳動(dòng)裝置的相關(guān)設(shè)計(jì)。
3.1 設(shè)計(jì)的原始參數(shù)
主要技術(shù)參數(shù)：匹配動(dòng)力：40-55馬力；圓盤直徑：40-50mm。
選擇配套動(dòng)力：36.8kw（拖拉機(jī)50馬力）
發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速：632r/min
收割速度： =5.5m/s（滿足收割率≥90%的要求）
刀齒進(jìn)給量：S=50mm （滿足收割后碎茬長度≤80mm的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求）
收割深度：h=50mm
收割刀軸轉(zhuǎn)速：V=1250r/min
外形尺寸（長mm×寬mm×高mm）： 2330×600×1100
3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算說明書
3.2.1 機(jī)架的設(shè)計(jì)
根據(jù)機(jī)具的配置和外形尺寸的需要，并考慮機(jī)架能有足夠的強(qiáng)度和剛度，且又形狀簡(jiǎn)單，便于制造，能與配套拖拉機(jī)更好的連接，本機(jī)采用框架結(jié)構(gòu)。機(jī)架上部為兩根主梁，成人字形焊接，主要與配套拖拉機(jī)連接；下部為工字型框架，其兩端安裝有兩個(gè)地輪，用于承載支撐傳動(dòng)總成與收割工作部分。機(jī)架材料擬采用45鋼或Q235。
具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖見附圖。
3.2.2 減速器的設(shè)計(jì)
（1）減速器類型的選擇
為了滿足工作機(jī)工作需求和動(dòng)力機(jī)方便放置，減速器輸入軸和輸出軸位置需布置成垂直相交。故，本設(shè)計(jì)選用一級(jí)圓錐直齒輪減速器。
（2）確定傳動(dòng)比i
已知配套拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速為632r/min，收割刀軸轉(zhuǎn)速為1250r/min。故，計(jì)算出傳動(dòng)比為：
i=632/1250=0.506
（3）齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)
①輸入功率=Pη
式中：聯(lián)軸器效率η=0.99（查[1]得）
=36.8×0.99=36.4kw
主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速 =632r/min
主動(dòng)輪傳遞的轉(zhuǎn)矩
=9.55×/=9.55×106×36.4/632=5.5×N·mm
②選齒輪材料及熱處理方法
查[2]P211表12.7 主動(dòng)輪用40Cr調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度HB241~286；從動(dòng)輪用40Cr調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度HB241~286。（查[2] P221表12.7）
③選擇齒寬系數(shù)
查[2]P222表12.13，選=0.3
④選擇齒輪精度
查[2]P207表12.6選7級(jí)精度，估計(jì)節(jié)點(diǎn)圓周速度V<8m/s。
⑤選齒輪齒數(shù)
=29
= i=0.506×29=14.7，取=15
(當(dāng)輪齒有輕微根切時(shí)，增大了齒根圓角，對(duì)輪齒抗彎強(qiáng)度有利，故工程上允許輪齒產(chǎn)生輕微根切，這時(shí)可取=14)
μ=29/15=1.93
⑥極限應(yīng)力
接觸極限應(yīng)力
=1.33HBS+366.7=241×1.33+366.7=687.2N/
=1.33HBS+366.7=241×1.33+366.7=687.2N/
彎曲極限應(yīng)力
=0.844HBS+377.9=0.844×267+377.9=603.2 N/
=0.844HBS+377.9=0.844×267+377.9=603.2 N/
⑦按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
≥
使用系數(shù)=1.0 查【2]P215表12.9。
動(dòng)載系數(shù) =1.15 查【2]P216圖12.9。
齒間載荷分配系數(shù)和:
估計(jì) <100N/mm
cos===0.8879
cos===0.4600
===32.66
===32.61
=[1.88-3.2(1.68
齒向載荷分布系數(shù):
載荷系數(shù):
彈性系數(shù) ([2]P221表12.12，鋼-鋼)
節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)
接觸最小安全系數(shù) （[2]P225表12.14，一般可靠度）
故將數(shù)據(jù)帶入上式計(jì)算得：
≥103.8mm
計(jì)算模數(shù) m= /=103.8/29=3.58 取m=4(查[2]P206表12.3)
齒輪1分度圓直徑 =m=4×29=116mm
驗(yàn)算圓周速度
與原估算相符
驗(yàn)算
R=
b=R=0.3×65.299=19.6mm
取b=20mm
= ，與原估算相符。
⑧校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度
齒寬系數(shù)=b/R=20/65.3=0.306
齒面接觸疲勞強(qiáng)度滿足要求
⑨齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核
齒形系數(shù)
(查[2]P247圖12.30)
應(yīng)力修正系數(shù)
(查[2]P248圖12.31)
彎曲最小安全系數(shù)
(查[2]P225表12.14)
尺寸系數(shù)
(查[2]P232圖12.25)
需用彎曲應(yīng)力
齒根彎曲疲勞強(qiáng)度有較大富余。
⑩齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
大齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
大齒輪工作圖見附圖
小齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
小齒輪工作圖見附圖
（4）減速器軸承的選擇與校核
①軸承類型的選擇：
圓錐齒輪減速器其軸承上同時(shí)受徑向和軸向聯(lián)合載荷，故輸入軸選用角接觸滾珠軸承；由于輸出軸徑向載荷較大、軸向載荷較小，故可選用深溝滾珠軸承。
軸承型號(hào)的選擇:
角接觸滾珠軸承選7208AC (GB/T292-94)
深溝滾珠軸承選 6206 （GB/T276-94）
②校核計(jì)算
軸承的工作條件和主要參數(shù)
項(xiàng) 目
工作條件和參數(shù)
名 稱
角接觸滾珠軸承
深溝滾珠軸承
型 號(hào)
7208AC
6206
基本額定動(dòng)載荷
35.2KN
19.5KN
基本額定靜載荷
24.5KN
11.5KN
e
0.68
0.42
X,Y
X=1，Y=0
X=0.56，Y=1.04
徑 向 載 荷
軸 向 載 荷
載 荷 性 質(zhì)
有強(qiáng)大沖擊
轉(zhuǎn) 速
632r/min
1250r/min
壽 命
3000~8000h
上表中有關(guān)數(shù)據(jù)有[2],[3]差得。
輸入軸軸承計(jì)算簡(jiǎn)圖
輸入軸軸承校核計(jì)算
A軸承的徑向載荷
B軸承的徑向載荷
A軸承的附加軸向載荷
B軸承的附加軸向載荷
(查[2]P371表18.4)
軸有向右跑的趨勢(shì)，B軸承承受 力
A軸承的軸向載荷
B軸承的軸向載荷
沖擊載荷系數(shù) （查[2]P375表18.8）
A軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷
X=1，Y=0
B軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷
X=1，Y=0
> ，應(yīng)按B軸承校核壽命
該軸承的壽命滿足要求。
同理，對(duì)輸出軸深溝滾珠軸承進(jìn)行校核計(jì)算得：
故亦滿足設(shè)計(jì)要求。
（5）輸入、輸出軸的設(shè)計(jì)
①運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算
軸名
功率（KW）
轉(zhuǎn)矩（N?mm）
轉(zhuǎn)速(r/min)
傳動(dòng)比i
效率η
輸入
輸出
輸入
輸出
動(dòng)力機(jī)輸出軸
36.8
55000
632
1
減速器輸入軸1
35.7
35.0
53350
52283
632
0.506
減速器輸出軸2
34.3
32.6
26995
26455
1250
表中、分別為萬向聯(lián)軸器、軸承和單級(jí)錐齒輪減速器的傳動(dòng)效率。由[3]P5表1-7查的(吳宗澤等編.<<機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)>>，高等教育出版社，1999年)
②輸入軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
估算軸徑 ，查[2]P314表16.2,取C=102(假設(shè)軸材料為40Cr)
根據(jù)錐齒輪的設(shè)計(jì)尺寸數(shù)據(jù)和所選用的軸承，畫出其結(jié)構(gòu)草圖。
右端采用矩形花鍵與配套動(dòng)力連接，其型號(hào)：
（GB/T1144-2001）
與齒輪連接處采用普通圓頭平鍵連接，其型號(hào)：鍵 （GB/T1096-2003）
其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖3.1a
軸的空間受力分析：
把兩滾動(dòng)軸承簡(jiǎn)化為鉸支，作用點(diǎn)在其中點(diǎn)處；把作用在齒輪和聯(lián)軸器上的力簡(jiǎn)化成集中力，彎矩從輪緣中點(diǎn)開始，扭矩從輪轂中點(diǎn)開始。右端聯(lián)軸器有方向不定的徑向力作用。
查手冊(cè)知聯(lián)軸器的
方向不定，按最危險(xiǎn)情況考慮?？臻g受力簡(jiǎn)圖見圖3.1b。
垂直面受力分析與彎矩計(jì)算：
垂直面受力圖見圖3.1c
軸承A、B的支反力：
D點(diǎn)彎矩為：
從左端計(jì)算
從右端計(jì)算
可見計(jì)算正確。
垂直面彎矩圖見圖3.1d
水平面受力分析與彎矩計(jì)算：
水平面受力圖見圖3.1e
軸承A、B的支反力：
D點(diǎn)彎矩為
水平面彎矩圖見圖3.1f
初步合成彎矩：
從左端算起
從右端算起
初步合成彎矩圖見圖3.1g
聯(lián)軸器徑向力 彎矩圖：
軸承支反力：
B點(diǎn)彎矩
聯(lián)軸器徑向力 彎矩圖見圖3.1h
合成彎矩圖：
D點(diǎn)彎矩：
從左端算
從右端算
B點(diǎn)彎矩：
合成彎矩圖見圖3.5i
扭矩圖：
扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力按脈動(dòng)循環(huán)變化，應(yīng)力校正系數(shù)
（[2]P315表16.3）
扭矩圖見圖3.1j
計(jì)算彎矩圖：
D點(diǎn)彎矩：
從左端計(jì)算
從右端計(jì)算
B點(diǎn)彎矩
E點(diǎn)彎矩
從左端計(jì)算：
從右端計(jì)算
計(jì)算彎矩圖見圖3.1k
圖3.1 軸的計(jì)算圖
③按彎矩校核該軸的強(qiáng)度
由計(jì)算簡(jiǎn)圖可以看出，D截面或B截面是危險(xiǎn)截面。
D截面校核
查[2]P332表7,得D截面抗彎截面系數(shù)
查[2]P315表16.3
,安全.
B截面校核
B截面的抗彎截面系數(shù)
< ，安全。
該軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖見附圖.
同理,對(duì)輸出軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),經(jīng)按彎矩校核該軸強(qiáng)度，亦滿足要求。
其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖見附圖。
（6）減速器箱體的設(shè)計(jì)及其潤滑
根據(jù)齒輪及軸的尺寸，并依據(jù)齒輪傳動(dòng)的位置，設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)和尺寸大小。具體結(jié)構(gòu)圖見附圖。
減速器的潤滑：一、減速器中齒輪的潤滑采用潤滑油潤滑，方式為油池浸浴潤滑；二、減速器中軸承的潤滑采用潤滑脂潤滑。
3.2.3 齒輪傳動(dòng)組總成的設(shè)計(jì)
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本收割機(jī)構(gòu)工作行數(shù)為5行，故需要設(shè)計(jì)5個(gè)刀盤輸出軸，且各軸輸出轉(zhuǎn)速相等。所以，各軸之間的齒輪傳動(dòng)總傳動(dòng)比均為i=1。
考慮到各軸及各軸之間的齒輪傳動(dòng)具有很大的相似性，故只需對(duì)其中一軸及一對(duì)齒輪傳動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì)校核即可。
（1）中間刀盤輸出軸與其右側(cè)一軸之間的齒輪傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本收割機(jī)構(gòu)的外形總長L=2330mm，故兩軸之間的距離
考慮其他輔助裝置的長度，取
。
齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)：
①選用圓柱直齒輪傳動(dòng)
輸入功率
主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速
主動(dòng)輪轉(zhuǎn)遞的轉(zhuǎn)矩
考慮到兩軸之間的距離太大，為了節(jié)省成本，故擬采用兩組相同且傳動(dòng)比互為倒數(shù)的齒輪傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)兩軸之間的動(dòng)力傳動(dòng)。取其一傳動(dòng)比
②選齒輪材料及熱處理方法
查[2]P211表12.7主動(dòng)輪用40Cr調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度HB241~286；從動(dòng)輪用40Cr調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度HB241~286。
③選擇齒寬系數(shù)
查[2]222表12.13，選=0.3
④選擇齒輪精度
查[2]P207表12.6選7級(jí)精度，估計(jì)節(jié)點(diǎn)圓周速度V<10m/s。
⑤選擇齒輪齒數(shù)
⑥按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
式中:系數(shù)
齒輪的接觸疲勞極限
許用接觸應(yīng)力[]
故有：
計(jì)算模數(shù) 取m=3.5
齒輪3分度圓直徑
齒輪的計(jì)算齒寬
取
中心距
⑦校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度
節(jié)點(diǎn)線速度 （在原預(yù)計(jì)V<10m/s范圍內(nèi)）
使用情況系數(shù)
查表得：
動(dòng)載系數(shù)
齒向載荷分布系數(shù)
查[2]P217表12.10
齒間載荷分配系數(shù)
重合度系數(shù)
載荷系數(shù)
彈性系數(shù) ([2]P221表12.12，鋼-鋼)
節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)
接觸最小安全系數(shù) ([2]P225表12.12,一般可靠度)
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
接觸壽命系數(shù)
齒面接觸疲勞強(qiáng)度安全。
⑧校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度
齒形系數(shù) (查[2]P229圖12.21)
應(yīng)力修正系數(shù) (查[2]P230圖12.22)
彎曲最小安全系數(shù) （查[2]P225,表12.14，一般可靠度）
彎曲壽命系數(shù) :
尺寸系數(shù) ([2]P232圖12.25)
彎曲疲勞極限
許用彎曲應(yīng)力
可見齒根彎曲疲勞強(qiáng)度有較大富余。
⑨對(duì)大小齒輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
大齒輪：
分度圓直徑
齒頂圓直徑
取
取
取n=2mm
輪轂長L=(0.5~1.0)=31~62mm ，取L =32mm。
大齒輪工作圖見附圖
小齒輪：
分度圓直徑
齒頂圓直徑
取
取
取n=2mm
輪轂長L2=(1.2~1.5)=32.6~42mm ，取L2 =42mm。
小齒輪工作圖見附圖
（2）鍵及軸承的選擇
該軸上端用花鍵與減速器及傳動(dòng)齒輪連接，中部用一軸承支撐，下部懸掛刀盤等收割工作裝置。
上端采用矩形花鍵連接，矩形花鍵型號(hào)：
（GB/T1144-2001）
與刀盤連接處采用普通圓頭平鍵連接，其型號(hào)：鍵 （GB/T1096-2003）
軸承選用深溝滾珠軸承 6206 （GB/T276-94）
（3）刀盤輸出軸的設(shè)計(jì)
①運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算
軸名
功率（KW）
轉(zhuǎn)矩（N?mm）
轉(zhuǎn)速(r/min)
傳動(dòng)比i
效率η
輸入
輸出
輸入
輸出
減速器輸出軸
34.3
32.6
26995
26455
1250
1
刀盤輸出軸
32.6
31.9
26455
25926
1250
表中為軸承的傳動(dòng)效率。由[3]P5表1-7查的(吳宗澤等編.<<機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)>>，高等教育出版社，1999年)
②刀盤輸出軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：
估算軸徑 ，查[2]P314表16.2,取C=102(假設(shè)軸材料為40Cr)
根據(jù)錐齒輪的設(shè)計(jì)尺寸數(shù)據(jù)和所選用的軸承，畫出其結(jié)構(gòu)草圖。
其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖3.2a
軸的空間受力分析：
把滾動(dòng)軸承簡(jiǎn)化為鉸支，作用點(diǎn)在其中點(diǎn)處；把作用在齒輪上的力簡(jiǎn)化成集中力，彎矩從輪緣中點(diǎn)開始，扭矩從輪轂中點(diǎn)開始。下端刀盤處有扭矩作用，作用點(diǎn)在圓頭平鍵中點(diǎn)處。
其中：D為刀盤工作旋轉(zhuǎn)半徑，方向不定。
空間受力簡(jiǎn)圖見圖3.2b。
垂直面受力分析與彎矩計(jì)算：
垂直面受力圖見圖3.2c
軸承的支反力：
B點(diǎn)彎矩為：
從左端計(jì)算
從右端計(jì)算
垂直面彎矩圖見圖3.5d
水平面受力分析與彎矩計(jì)算：
水平面受力圖見圖3.5e
軸承的支反力：
B點(diǎn)彎矩為：
水平面彎矩圖見圖3.5f
初步合成彎矩：
從左端算起
從右端算起
初步合成彎矩圖見圖3.5g
A點(diǎn)彎矩：
合成彎矩圖見圖3.5i
扭矩圖：
扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力按脈動(dòng)循環(huán)變化，應(yīng)力校正系數(shù)：
（[2]P315表16.3）
扭矩圖見圖3.5j
計(jì)算彎矩圖：
B點(diǎn)彎矩：
從左端計(jì)算
從右端計(jì)算
A點(diǎn)彎矩
計(jì)算彎矩圖見圖3.5k
圖3.5 軸的計(jì)算圖
③按彎矩校核該軸的強(qiáng)度
由計(jì)算簡(jiǎn)圖可以看出，B截面或A截面是危險(xiǎn)截面。
B截面校核
查[2]P332表7,得B截面抗彎截面系數(shù)
查[2]P315表16.3
,安全.
A截面校核
A截面的抗彎截面系數(shù)
< ，安全。
該軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖見附圖.
3.2.4 刀盤總成的設(shè)計(jì)
根據(jù)已設(shè)計(jì)的減速器輸出軸的相關(guān)數(shù)據(jù)及工作軸之間的距離尺寸，合理的選擇外廓設(shè)計(jì)尺寸。材料選用Q235。
刀盤和刀片及其相關(guān)零件的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)詳見后附工作技術(shù)圖紙。
第4章 結(jié) 論
4.1 結(jié)論
1．該機(jī)適應(yīng)性強(qiáng)。該機(jī)具由各種小四輪拖拉機(jī)作為配套動(dòng)
力，符合農(nóng)村農(nóng)機(jī)動(dòng)力配套特點(diǎn)。適合各種牧草的收獲，適應(yīng)性強(qiáng)。
2．結(jié)構(gòu)合理，性能優(yōu)良。本機(jī)具在設(shè)計(jì)中，總結(jié)了現(xiàn)有單圓盤割草機(jī)及同類機(jī)具的優(yōu)點(diǎn)與不足之處，進(jìn)行了改進(jìn)完善。采用了平行四連桿升降結(jié)構(gòu)，使機(jī)具能夠垂直起落，仿形效果好。整機(jī)采用小四輪拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)作為提升動(dòng)力，機(jī)具起落控制方便、到位，機(jī)具傳動(dòng)緊湊，功耗小，降低了成本；作業(yè)質(zhì)量好，達(dá)到了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和要求。
3．生產(chǎn)效率高。與同類機(jī)具相比該機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊，刀盤水平升降，刀片質(zhì)量更高，作業(yè)更安全且成本低廉的顯著優(yōu)點(diǎn)。
4.2存在的問題
1．齒輪箱和機(jī)具橫梁均采用碳素結(jié)構(gòu)鋼(鋼板，槽鋼)制成，雖然縮短了研發(fā)周期，但也增加了機(jī)具的成本。
2．由于拖拉機(jī)的型號(hào)不同，其前端的掛接梁位置，尺寸也不同，受此影響，機(jī)具與拖拉機(jī)的掛接匹配性較差，應(yīng)改進(jìn)掛接機(jī)構(gòu)的通用性。
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