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畢業(yè)設(shè)計(jì)中文摘要
白菜收獲機(jī)的設(shè)計(jì)與研究
摘 要
近些年以來我國大型白菜農(nóng)業(yè)種植收獲方式由分散向多個(gè)基地逐步集中,耕作管理方式也由原來的基地粗放型逐漸轉(zhuǎn)向精細(xì)型,在白菜種植收獲過程中會(huì)經(jīng)常用到拖拉機(jī)進(jìn)行快速翻地、耕地、起壟等作業(yè)。但是,我國現(xiàn)代蔬菜種植生產(chǎn)收過程的機(jī)械化技術(shù)水平卻依舊落后,同時(shí)國內(nèi)對(duì)蔬菜種植生產(chǎn)與收獲過程機(jī)械的深入研究也是非常少?，F(xiàn)階段我國白菜生產(chǎn)和收獲的方式依舊是需要大量農(nóng)業(yè)畜力和其他人工勞動(dòng)作業(yè),這就必然使得農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力生產(chǎn)成本在我國白菜生產(chǎn)中占有較大的占用比重,影響經(jīng)濟(jì)效益。本文的目的是要針對(duì)現(xiàn)階段白菜種植的實(shí)際情況，改良白菜收獲機(jī)的個(gè)別機(jī)構(gòu)，從而提高收獲機(jī)的工作效率，減少成本。
目前國內(nèi)外對(duì)白菜收獲機(jī)構(gòu)的研究較少，所以本課題主要參照現(xiàn)有的甘藍(lán)收獲機(jī)和甜菜收獲機(jī)來設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)希望能夠通過研究白菜收獲機(jī)的發(fā)展趨勢，并結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)典型的甘藍(lán)收獲機(jī)的裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究展開。通過借鑒現(xiàn)有機(jī)型的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)改進(jìn)設(shè)計(jì)出相關(guān)新機(jī)型的雛形，按照構(gòu)想設(shè)計(jì)出一款能夠?qū)崿F(xiàn)一次性實(shí)現(xiàn)切根、拾取、升運(yùn)等工作的機(jī)型。
通過對(duì)比國內(nèi)各機(jī)型的機(jī)構(gòu)部件設(shè)計(jì)，綜合其優(yōu)點(diǎn)，以希望實(shí)現(xiàn)提高白菜收獲效率的目標(biāo)。該課題具體目標(biāo)如下：通過減少人力輔助強(qiáng)度、同時(shí)減輕白菜破損程度，從而提高白菜收獲質(zhì)量。目前國內(nèi)白菜收獲機(jī)的作業(yè)效率已經(jīng)滿足了小型種植戶的需求，但距離生產(chǎn)收獲全自動(dòng)化的要求依舊相差甚遠(yuǎn)。因此要想實(shí)現(xiàn)白菜大規(guī)模的收獲，全自動(dòng)機(jī)械化機(jī)型的發(fā)展勢在必行。
關(guān)鍵詞：白菜收獲機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；提升運(yùn)輸機(jī)構(gòu)；柔性夾持裝置；
畢業(yè)設(shè)計(jì)英文摘要
Design and research of Chinese cabbage harvester
Abstract
In recent years, the planting and harvesting methods of large-scale Chinese cabbage agriculture in China have been gradually centralized from scattered to multiple bases, and the cultivation and management methods have also been gradually transformed from extensive base to fine base. In the process of Chinese cabbage planting and harvesting, tractors are often used to carry out rapid land turning, plowing and ridging.However, the mechanization technology level of modern vegetable planting, production and harvesting process in China is still backward, and at the same time, the in-depth research on vegetable planting, production and harvesting process machinery is very few in China.At the present stage, the production and harvest of Chinese cabbage is still in need of a large number of agricultural livestock and other manual labor operations, which will inevitably make the cost of agricultural labor in the production of Chinese cabbage occupies a large proportion, affecting economic benefits.The purpose of this paper is to improve the individual mechanism of Chinese cabbage harvester according to the actual situation of Chinese cabbage planting at the present stage, so as to improve the working efficiency of Chinese cabbage harvester and reduce the cost.
At present, there are few researches on Chinese cabbage harvesting institutions at home and abroad, so this topic mainly refers to the existing cabbage harvester and beet harvester to design.The paper aims to study the development trend of cabbage harvester and the device structure of typical cabbage harvester in China.By drawing on the design advantages of the existing models to improve the design of the relevant new models of the prototype, according to the plan to design a one-time implementation of root cutting, picking, lifting and other work of the model.
By comparing the design of mechanism components of various models in China, and synthesizing their advantages, we hope to achieve the goal of improving the harvest efficiency of Chinese cabbage.The specific objectives of this project are as follows: to improve the harvest quality of Chinese cabbage by reducing the intensity of human assistance and reducing the degree of breakage of Chinese cabbage.At present, the operating efficiency of Chinese cabbage harvester has met the needs of small-scale farmers, but it is still far from the requirements of full automation of production and harvest.Therefore, if large-scale harvest of cabbage is to be realized, the development of fully automatic and mechanized models is imperative.
Keywords: Chinese cabbage harvester;Structural design; Lifting transport mechanism；Flexible clamping device;
目 錄
1 引言 1
1.1 白菜收獲機(jī)的應(yīng)用前景 1
1.2 白菜收獲機(jī)的研究現(xiàn)狀 2
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 2
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 3
1.3 大白菜的物理特性 5
2 技術(shù)任務(wù)書 6
2.1 白菜收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理 6
2.1.1 白菜收獲機(jī)的組成 6
2.1.2 白菜收獲機(jī)基本工作原理 6
2.2 白菜收獲機(jī)的關(guān)鍵技術(shù) 6
2.2.1 扶正機(jī)構(gòu) 6
2.2.2 提升運(yùn)輸機(jī)構(gòu) 7
3 設(shè)計(jì)計(jì)算說明書 7
3.1 總體方案設(shè)計(jì) 7
3.1.1 白菜收獲機(jī)總體簡介 7
3.1.2 提升運(yùn)輸裝置簡介 8
3.1.3 輸送機(jī)構(gòu)簡介 8
3.2 主要機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 9
3.2.1 切削機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 9
3.2.1.1 切削刀的工作情況 9
3.2.1.2 切削刀的選用 9
3.2.1.3 刀片的設(shè)計(jì) 9
3.2.1.4 刀片的選材 10
3.2.1.5 壓刀板和刀桿的設(shè)計(jì) 10
3.2.2 鎖緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 10
3.2.2.1 鎖緊機(jī)構(gòu)工作原理分析 10
3.2.2.2 斜楔的設(shè)計(jì) 11
3.2.2.3 滑動(dòng)塊的設(shè)計(jì) 12
3.2.2.4 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) 13
3.2.3 防松裝置的設(shè)計(jì) 14
3.2.3.1 壓塊的設(shè)計(jì) 14
3.2.3.2 開槽體和支架的設(shè)計(jì) 15
3.2.3.3 防松柱銷的設(shè)計(jì) 15
3.2.3.4 螺紋空管的設(shè)計(jì) 15
3.2.3.5 手柄的設(shè)計(jì) 15
3.2.3.6 彈簧固定桿的設(shè)計(jì) 16
3.2.3.7 彈簧的選材 16
3.2.4 提升運(yùn)輸裝置主要零部件的設(shè)計(jì) 16
3.2.4.1 機(jī)架的設(shè)計(jì) 16
3.2.4.2 夾持輸送裝置設(shè)計(jì)計(jì)算 17
3.2.4.3 夾持張緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 21
3.2.4.4 夾持裝置傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 24
3.2.4.5 夾持皮帶軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 27
3.2.4.6 皮帶軸強(qiáng)度校核 29
3.2.4.7 端蓋的設(shè)計(jì) 32
3.2.4.8 支承軸的設(shè)計(jì) 32
3.2.5 輸送機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 33
3.2.5.1 輸送機(jī)構(gòu)的組成 33
3.2.5.2 輸送帶速的確定 34
3.2.5.3 張緊裝置的設(shè)計(jì) 34
3.2.5.4 滾筒的設(shè)計(jì) 35
3.2.5.5 輸送帶的選取 36
3.2.5.6 支承軸的設(shè)計(jì) 36
3.2.5.7 滑架的設(shè)計(jì) 38
3.2.5.8 機(jī)架的設(shè)計(jì) 39
3.2.5.9 支撐板的設(shè)計(jì) 39
4 使用說明書 40
結(jié) 論 41
參 考 文 獻(xiàn) 42
致 謝 44
白菜收獲機(jī)的設(shè)計(jì)與研究
1 引言
在我國，大白菜是種植范圍最廣泛的蔬菜之一，也是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚氖卟?。大白菜和甘藍(lán)同是屬于綠色結(jié)球葉菜類蔬菜，在這種蔬菜的采收種植作業(yè)過程中，大約有40%的工作量將會(huì)消耗在蔬菜收獲作業(yè)上。在收獲該類菜蔬過程中，需要種植戶用短刀等工具將白菜根部切斷，然后再人工撿拾、剝?nèi)~、裝車，這樣不但勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且效率很低。隨著目前白菜種植走向規(guī)?；?、集約化，原來的人工收獲白菜方式已經(jīng)基本滿足不了現(xiàn)階段白菜種植面積擴(kuò)大的現(xiàn)狀。因此，發(fā)展機(jī)械化菜蔬收獲高新技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
基于以上的情況，為設(shè)計(jì)出符合白菜大規(guī)模種植戶的要求，本文將參考國內(nèi)已有的白菜或甘藍(lán)收獲機(jī)的機(jī)型，對(duì)其各個(gè)核心機(jī)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)集成創(chuàng)新，不斷改進(jìn)，從而達(dá)到提高收獲效率，降低成本的要求。
1.1 白菜收獲機(jī)的應(yīng)用前景
目前，在我國的農(nóng)作物種植和生產(chǎn)的全過程中，機(jī)械化的耕作、移栽、灌溉和植保等技術(shù)正在不斷進(jìn)步，但整體上我國蔬菜的機(jī)械化生產(chǎn)水平相對(duì)較低，收獲率的大小已經(jīng)成為我國現(xiàn)代化蔬菜種植生產(chǎn)未來實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的一個(gè)重大難題。大白菜收獲機(jī)的應(yīng)用與其他傳統(tǒng)的收獲方式相比最大的優(yōu)勢就是它的收獲效率有大幅度的提升，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝的融合。白菜收獲機(jī)核心部件的穩(wěn)定性與可靠性將對(duì)白菜收獲質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響。白菜收獲機(jī)的研究方向便是其中通過對(duì)其核心機(jī)構(gòu)的技術(shù)研究將收獲過程中出現(xiàn)的主要問題分別在設(shè)計(jì)過程中加以利用并改進(jìn)。
白菜收獲機(jī)的主要任務(wù)是在國內(nèi)現(xiàn)有機(jī)型的基礎(chǔ)之上對(duì)鎖緊機(jī)構(gòu)、提升運(yùn)輸機(jī)構(gòu)等相關(guān)種植機(jī)構(gòu)分別進(jìn)行一定方面的優(yōu)化改進(jìn)。通過調(diào)試機(jī)械參數(shù)等技術(shù)措施，使得各部件之間能夠穩(wěn)定地進(jìn)行機(jī)械協(xié)同作業(yè)，從而有效的保障大白菜收獲效率，提高白菜收獲機(jī)械的資源利用率和機(jī)械通用性。該機(jī)械后續(xù)可以進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)機(jī)電一體化和智能技術(shù)的綜合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)行、智能化和選擇性自動(dòng)收獲等智能作業(yè)?？梢哉f要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化智能化機(jī)械生產(chǎn)，我們?nèi)沃囟肋h(yuǎn)。
1.2 白菜收獲機(jī)的研究現(xiàn)狀
1.2.1 國外研究現(xiàn)狀
在蔬菜收獲機(jī)械的研制方面，歐美等國起步是比較早的。主要有以下幾種：
20世紀(jì)70年代，日本農(nóng)業(yè)生物系研究機(jī)構(gòu)成功研制出了一種懸掛式大白菜收獲機(jī)，該機(jī)械可一次性完成收獲、調(diào)配、裝箱、運(yùn)輸?shù)裙ぷ?。同時(shí)其需要3至4名工作人員，完成大白菜的收獲作業(yè)。由于機(jī)器體積龐大，所以其對(duì)小型種植戶沒有實(shí)用價(jià)值。
因?yàn)楦仕{(lán)的外觀、生理學(xué)特性和大白菜很接近，所以，甘藍(lán)收獲機(jī)械的基本設(shè)計(jì)和工作原理也就具有一定的指導(dǎo)和參照價(jià)值。以下介紹的是幾種甘藍(lán)收獲機(jī)械：第一臺(tái)大型甘藍(lán)收獲機(jī)是蘇聯(lián)在1931年研制成功的，該收獲機(jī)的主要組成部件有：可左右方向拔取的部件、圓盤狀鋸齒式切割刀和一個(gè)橫向刮板式輸送器等部件。美國一家公司的 Shepardson 等人自主研發(fā)的新型甘藍(lán)收獲機(jī)主要采用雙旋式圓盤切割結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各種甘藍(lán)的一次性拔取切割作業(yè)，該甘藍(lán)收獲機(jī)式利用圓盤切割結(jié)構(gòu)來切除根部，其適用于各種結(jié)球葉菜品種，工作一次的收獲切割率高達(dá)80%。美國Hachiya等建立了一套完全適用于當(dāng)?shù)馗仕{(lán)大規(guī)模收獲的系統(tǒng)，該系統(tǒng)收獲中途不會(huì)中斷作業(yè)。該設(shè)計(jì)主要采用了一種旋轉(zhuǎn)式雙圓盤的拔取切割裝置，后續(xù)還將配有集手工去葉和裝箱為一體的收獲機(jī)械，已于 2001年底正式投產(chǎn)并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化（圖1）。
圖1 甘藍(lán)收獲機(jī)系統(tǒng)
2017年11月30日，日本的Yanmar和Osada Nouki在參考已有的傳統(tǒng)卷心菜收獲機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，兩人合作探究研發(fā)出一種新型白菜收獲機(jī)（圖2），其機(jī)體結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)卷心菜收獲機(jī)類似，也是同樣采用了圓盤式一體拔取切割輸送裝置，但是該白菜收獲機(jī)械在切割輸送過程中會(huì)對(duì)白菜葉子造成較大損傷，影響白菜的質(zhì)量。
圖2 白菜收獲機(jī)
英國設(shè)計(jì)的通用型輪式蔬菜收獲機(jī)同樣也可以用來收獲甘藍(lán)，其主體部分搭載在機(jī)架上，并首次在機(jī)架上安裝了撥禾輪和桿條式輸送器，用這兩個(gè)部件來替代原來只能收獲塊根的撥取器。該機(jī)械還用一個(gè)輪齒式圓盤代替原來的光面齒式圓盤，圓盤內(nèi)部有一個(gè)大的球形保護(hù)罩，其會(huì)沿著地面滑行，以此來保證精確切割量和切割高度。撥禾輪用來把甘藍(lán)撥送到切削機(jī)構(gòu)，之后再由撥禾輪把它們撥送至桿條式輸送器上完成收獲。
1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
因?yàn)閲鴥?nèi)對(duì)現(xiàn)代化蔬菜收獲機(jī)械的研究起步較晚，所以現(xiàn)階段白菜收獲機(jī)型較少，有以下幾種：
在20世紀(jì)80年代末，臺(tái)灣大學(xué)成功自主研制出了一種懸掛履帶式人工甘藍(lán)收獲機(jī)，該設(shè)備可一次性同時(shí)完成拔取、切割、切除外葉、裝箱等多種工作，平均工作效率為0.04hm2/h，其綜合工作效率比傳統(tǒng)人工收獲方式提高約2.5倍[5]。
浙江大學(xué)研制的單行自走式甘藍(lán)收獲機(jī)（圖3），適用于我國南方地區(qū)，其采用了可彈性浮動(dòng)的撥輪配套鏟式拔取裝置，拔取效果不錯(cuò)且對(duì)甘藍(lán)損傷較小[5]。
圖3 單行自走式甘藍(lán)收獲機(jī)
甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)自主研制出了4YB-1型甘藍(lán)收獲機(jī)，該設(shè)備主要采用一種螺旋圓錐式引拔收集機(jī)構(gòu)將偏移的甘藍(lán)進(jìn)行扶正，然后向上引導(dǎo)，拔出甘藍(lán)[5]。
圖4 4YB-1型甘藍(lán)收獲機(jī)
哈爾濱市農(nóng)業(yè)科學(xué)院成功自主研制出一種農(nóng)用背負(fù)式小型大白菜收獲機(jī)，該機(jī)采用了一對(duì)可斜置安裝的小型切口弧形圓盤對(duì)白菜進(jìn)行先切除根部后進(jìn)行拔取的作業(yè)，利用切口圓盤上的弧面與地面接觸以有效限制切削深度，這樣切出的白菜根長度會(huì)顯得相差較小[5]。
1.3 大白菜的物理特性
大白菜主要盛產(chǎn)于我國東部以及北方地區(qū)，大白菜的普遍栽培要求和種植農(nóng)藝技術(shù)要求：壟距約50～60cm，壟高15～20cm，壟長約為20m，株距40cm[16]。
圖5 大白菜參數(shù)統(tǒng)計(jì)值
查閱相關(guān)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)資料，確定了大白菜主要菜葉外形參數(shù)：葉球展開長度B，球?qū)扗，結(jié)球高度h，整株高度H，地下根深度l，根部直徑d。相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。
表1 大白菜相關(guān)數(shù)據(jù)
名稱 代號(hào) 平均值
展開度 B 750mm
球 寬 D 180mm～260mm
株 高 H 500mm
結(jié)球高 h 330mm
根部直徑 d 40mm
地下根深度 l 160mm
單株凈菜重 m 2.5kg
2 技術(shù)任務(wù)書
2.1 白菜收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理
2.1.1 白菜收獲機(jī)的組成
白菜收獲機(jī)基本結(jié)構(gòu)組成包括夾持扶正機(jī)構(gòu)、兩對(duì)稱的切削刀、鎖緊提升機(jī)構(gòu)、輸送機(jī)構(gòu)，還需配套采用拖拉機(jī)側(cè)臂式懸掛，并以此為主要?jiǎng)恿υ?，如圖6所示。
圖6 白菜收獲機(jī)工作示意圖
2.1.2 白菜收獲機(jī)基本工作原理
白菜收獲機(jī)的基本工作原理為：在機(jī)架上安裝的兩個(gè)扶正輪通過與白菜接觸，兩個(gè)輪對(duì)白菜軸向產(chǎn)生兩作用力將大白菜整個(gè)扶正，之后夾持輸送裝置將白菜夾持住，同時(shí)安裝在機(jī)架底部的弧形切削刀在扶正機(jī)構(gòu)的配合下將白菜根部切斷，然后經(jīng)過帶式提升運(yùn)輸裝置與帶式輸送機(jī)構(gòu)將白菜運(yùn)送到白菜集裝箱。
2.2 白菜收獲機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)
2.2.1 扶正機(jī)構(gòu)
由于我國地理環(huán)境和種植農(nóng)藝的差異，導(dǎo)致成熟的白菜大小各異且分布不是很整齊，大部分會(huì)發(fā)生左右偏移的情況。由于這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，會(huì)間接的對(duì)白菜收獲作業(yè)造成不小的影響。所以本課題采用了扶正夾持的裝置，其不但可以把傾斜的白菜進(jìn)行扶正，還可以根據(jù)白菜的外形大小自動(dòng)調(diào)節(jié)夾持距離，從而實(shí)現(xiàn)高效率的夾持，且不會(huì)對(duì)白菜造成損傷，這會(huì)讓切削刀在切割白菜根部時(shí)有一個(gè)良好的切割環(huán)境。
2.2.2 提升運(yùn)輸機(jī)構(gòu)
白菜平均株重大約為2.5kg，利用傳統(tǒng)的人工收獲方式的話工作量較大，而且這樣方式下的工作效率極低。收獲時(shí)通常需要靠農(nóng)戶不斷的彎腰切割白擦根部，這樣很容易引起身體疾病。本課題主要采用提升運(yùn)輸機(jī)構(gòu)來解決這個(gè)問題。工作時(shí)，帶式提升運(yùn)輸機(jī)構(gòu)將白菜提升運(yùn)送到指定高度的輸送帶上。該機(jī)構(gòu)主要是將白菜夾持固定在傳送帶，完成提升運(yùn)送工作。
3 設(shè)計(jì)計(jì)算說明書
3.1 總體方案設(shè)計(jì)
3.1.1 白菜收獲機(jī)總體簡介
白菜收獲機(jī)的收獲工作過程：整個(gè)白菜收獲機(jī)構(gòu)側(cè)掛在一臺(tái)農(nóng)用拖拉機(jī)上，扶正器將橫向傾斜于兩側(cè)的白菜扶正，同時(shí)弧形切削刀會(huì)利用慣性把白菜的根部切斷。之后通過帶式提升機(jī)構(gòu)將收獲的白菜運(yùn)送到指定的工作區(qū)，經(jīng)人工分揀后，最后輸送機(jī)構(gòu)將白菜運(yùn)送到裝箱裝置，完成收獲。如圖7所示。
扶正器主要的工作是將白菜扶正并向一個(gè)方向收攏，其主要由許多導(dǎo)向桿組成。工作過程中提升運(yùn)送機(jī)構(gòu)和水平面成一個(gè)18°的傾角，平行的兩傳送皮帶將白菜夾緊并提升運(yùn)送到一個(gè)輸送帶上，鎖緊機(jī)構(gòu)可以將提升機(jī)構(gòu)的工作是所處的位置鎖定。輸送帶采用水平式布置，這樣方便白菜的裝箱。
圖7 總體結(jié)構(gòu)
3.1.2 提升運(yùn)輸裝置簡介
帶式提升運(yùn)輸裝置簡圖如圖8所示。
圖8 提升運(yùn)輸裝置簡圖
原始數(shù)據(jù)：夾持輸送帶速：1.0m/s，帶輪直徑：250mm
傳動(dòng)方案：外傳動(dòng)為V帶傳動(dòng)，提升運(yùn)送機(jī)構(gòu)為平帶傳動(dòng)
3.1.3 輸送機(jī)構(gòu)簡介
本課題以農(nóng)用機(jī)械較為常用的帶式輸送機(jī)為設(shè)計(jì)參考。該機(jī)構(gòu)的基本工作原理為：在驅(qū)動(dòng)滾筒和張緊滾筒上繞有一輸送帶，當(dāng)工作時(shí)，安裝的電機(jī)會(huì)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)滾筒和輸送帶之間的產(chǎn)生的摩擦力會(huì)帶動(dòng)輸送帶進(jìn)行工作，這樣輸送帶就能把白菜輸送到收集箱。為了在減輕輸送帶的磨損程度的同時(shí)提高工作效率，輸送帶采用水平式輸送。輸送機(jī)構(gòu)簡圖如圖9所示。
圖9 輸送機(jī)構(gòu)簡圖
3.2 主要機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.2.1 切削機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.2.1.1 切削刀的工作情況
在收獲白菜的過程中，需要先將它的根部切斷，然后經(jīng)輸送機(jī)構(gòu)運(yùn)送至收集裝置。當(dāng)然也有機(jī)械通過拔取將白菜拔出，但這種方式到所需的拔取力較大，通常會(huì)對(duì)白菜的一些脆弱部位造成一定程度的損傷，在拔出白菜后，其表面會(huì)附著大量泥土并帶入機(jī)械中，影響壽命。所以本課題采用一邊切斷一邊運(yùn)送的收獲方式。安裝在機(jī)架底部的刀片與地面呈一定的傾角以0.8m/s的速度切割白菜，利用拖拉機(jī)的慣性將白菜割斷。
3.2.1.2 切削刀的選用
切削刀大體上分為固定式切削刀和活動(dòng)式切削刀。在白菜收獲過程中活動(dòng)式切削刀雖然收獲白菜的效率較高，但由于它具有較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)且制造成本相對(duì)較高，導(dǎo)致在中小型收獲機(jī)上通常不會(huì)運(yùn)用該類刀具。所以本課題采用了固定式切削刀，該類刀具常見的結(jié)構(gòu)有斜切刀和弧形切刀兩種（如圖10），A為斜切刀，B為弧形切刀；斜切刀雖然整體結(jié)構(gòu)簡單、加工方便，但其剛度較差，在作業(yè)過程中易產(chǎn)生翹曲。故選用弧形切刀。
圖10 斜切刀和弧形切刀
3.2.1.3 刀片的設(shè)計(jì)
刀片是固定在夾緊輸送裝置下方，工作時(shí)依靠拖拉機(jī)來提供一個(gè)均勻的切割速度，這樣的話就要求刀片具備較高的強(qiáng)度。查閱相關(guān)資料知切斷白菜所需切削力大約為200～250N。由于切削時(shí)刀片不會(huì)產(chǎn)生較多的熱量，所以不需要考慮切削熱量對(duì)刀片的影響。為了滿足刀片可以切到每個(gè)白菜這一要求，這里選取刀片直徑為150mm，刀片的厚度為5mm。該刀片的結(jié)構(gòu)如圖11。
3.2.1.4 刀片的選材
在收獲白菜的過程中，刀片通常不是連續(xù)的進(jìn)行切割，所以刀片會(huì)受到白菜對(duì)其的一個(gè)作用力，同時(shí)考慮到刀片會(huì)與地面產(chǎn)生摩擦。故本機(jī)構(gòu)選擇綜合機(jī)械性能比較優(yōu)良的中碳鋼40Gr，其表面經(jīng)高頻淬火使其硬度達(dá)到HRC55～60。
圖11 刀片
3.2.1.5 壓刀板和刀桿的設(shè)計(jì)
壓刀板是用來實(shí)現(xiàn)刀片的固定和刀桿的連接，將壓刀板和刀片之間的接觸面積擴(kuò)大，這樣會(huì)讓刀片更加牢固，從而保證機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和剛度。刀桿用來固定刀片在該機(jī)構(gòu)的安放位置和安裝角度。為了延長切削機(jī)構(gòu)的使用壽命，選用板狀刀桿。選材均為30碳素結(jié)構(gòu)鋼。
3.2.2 鎖緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.2.2.1 鎖緊機(jī)構(gòu)工作原理分析
白菜收獲機(jī)在收獲過程中提升運(yùn)輸裝置需要處在位置1處，為了增強(qiáng)其工作的穩(wěn)定性，需安裝一鎖緊機(jī)構(gòu)，其工作位置如圖12所示。位置1可滿足白菜收獲時(shí)的要求。
圖12 位置示意圖
結(jié)合上圖可知：鎖緊機(jī)構(gòu)（圖13）工作時(shí)需要把位置1進(jìn)行固定，這就要求鎖緊機(jī)構(gòu)和提升機(jī)構(gòu)之間貼合嚴(yán)密。機(jī)構(gòu)中的斜楔塊可以在導(dǎo)軌來回運(yùn)動(dòng)，工作時(shí)，將夾持輸送機(jī)構(gòu)固定在位置1處，除遇維修，否則該機(jī)構(gòu)不會(huì)放下。把鎖緊機(jī)構(gòu)和提升機(jī)構(gòu)的接觸面做成傾斜表面，從而消除因裝配、制造而導(dǎo)致的誤差，增強(qiáng)了工作的穩(wěn)定性。
因?yàn)檗r(nóng)用機(jī)械在進(jìn)行收獲作業(yè)時(shí)，常常會(huì)產(chǎn)生因振動(dòng)而使鎖緊機(jī)構(gòu)松動(dòng)的情況，所以采用防松裝置，該裝置是利用彈簧的推力將類似圓錐柱體的零件貼近斜體，以達(dá)到防松的目的，提高白菜收獲機(jī)在作業(yè)時(shí)的安全性。
圖13 鎖緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖
3.2.2.2 斜楔的設(shè)計(jì)
（1）自鎖條件
按照技術(shù)設(shè)計(jì)要求斜楔應(yīng)滿足特定的自鎖條件：斜楔的升角α應(yīng)小于斜楔面與基面兩處摩擦角之和，即α<γ。
（2）斜楔升角的選取
表2 斜楔鎖緊機(jī)構(gòu)計(jì)算數(shù)值
變量
斜楔升角 5° 6° 7° 8°
行程比 0.087 0.105 0.123 0.140
理想增力比 11.430 9.514 8.144 7.115
采用手動(dòng)斜楔鎖緊機(jī)構(gòu)，鎖緊機(jī)構(gòu)中的斜楔是主要的工作零件，其材料的性能將影響鎖緊機(jī)構(gòu)的工作性能。查閱相關(guān)資料知：鋼材之間的摩擦系數(shù)μ=0.1～0.15，相對(duì)應(yīng)的升角α=11°～17°。本機(jī)構(gòu)采用手動(dòng)加緊，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)：斜楔升角一般為6°～8°，這里取α=7°。
（3）斜楔的選材
因?yàn)樾毙ㄔ诠ぷ鬟^程中會(huì)受到一定大小的沖擊力，故選擇綜合機(jī)械性能較好的中碳鋼45鋼。
3.2.2.3 滑動(dòng)塊的設(shè)計(jì)
（1）滑動(dòng)塊的作用
斜楔和導(dǎo)軌通過滑動(dòng)塊連在一起。因?yàn)樵撴i緊機(jī)構(gòu)通過手動(dòng)進(jìn)行鎖緊，所以就要求滑動(dòng)塊質(zhì)量要輕一點(diǎn)，這樣可減輕斜楔的重量，從而減小所需要施加的推力。滑動(dòng)塊可以使用標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的零件。
表3 熱軋工字鋼各項(xiàng)性能
型號(hào) 20a 20b
尺寸 mm h 200 200
b 100 102
d 7.0 9.0
t 11.4 11.4
r 9.0 9.0
R1 4.5 4.5
橫截面積 cm2 35.578 39.578
理論重量 Kg/m 27.929 31.069
（2）滑動(dòng)塊的選材
查閱工字鋼相關(guān)參數(shù)后，選取型號(hào)為20a的工字鋼作為鑄造滑動(dòng)塊的材料。為了使其滑動(dòng)平滑，要將其圓角打磨成高精度的平面，這樣會(huì)減少在滑動(dòng)過程中受到的摩擦力；同時(shí)打磨平面可以增大滑動(dòng)塊與導(dǎo)軌之間的接觸面，從而達(dá)到工作要求。其橫截面如14所示。
圖14 滑動(dòng)塊橫截面圖
3.2.2.4 導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)
（1）導(dǎo)軌的作用
導(dǎo)軌用來限定滑動(dòng)塊的滑動(dòng)方向，保證其只有一個(gè)運(yùn)動(dòng)方向。因?yàn)榘撞耸斋@機(jī)為屬于農(nóng)用機(jī)械，所以不需要精度較高的導(dǎo)軌。導(dǎo)軌要求結(jié)構(gòu)簡單且輕便：主要采用兩塊板固定形成導(dǎo)軌，使滑動(dòng)塊能在兩板間運(yùn)動(dòng)。其截面如圖15所示。
圖15 導(dǎo)軌截面圖
（2）導(dǎo)軌的選材
在工作過程中，導(dǎo)軌通常會(huì)發(fā)生磨損，這就要求導(dǎo)軌的耐磨性要高。在機(jī)械制造生產(chǎn)中通常用鑄鐵來制造導(dǎo)軌，這里選用HT-350。
3.2.3 防松裝置的設(shè)計(jì)
由于農(nóng)業(yè)機(jī)械在作業(yè)過程中會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，會(huì)引起鎖緊機(jī)構(gòu)的松動(dòng)，影響白菜收獲機(jī)的安全性。所以本課題采用以下的防松機(jī)構(gòu)，如圖16所示。
圖16 防松機(jī)構(gòu)
工作原理：施加一個(gè)力把1壓下，1會(huì)沿著2的通槽移動(dòng)到2的底部，這時(shí)候?qū)?旋轉(zhuǎn)90°松開，1會(huì)卡死在2底部的槽中，彈簧將1所受的力轉(zhuǎn)移到4上面，然后4會(huì)向下運(yùn)動(dòng)擋住斜楔機(jī)構(gòu)，使其不會(huì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)完成工作后，把1向下壓一定距離，然后再旋轉(zhuǎn)90°后松手。1會(huì)在彈簧的作用下上升，再將1向上拉，通過5將4從斜楔機(jī)構(gòu)中拔出，完成工作。
3.2.3.1 壓塊的設(shè)計(jì)
（1）壓塊的作用
主要作用是向彈簧施壓帶動(dòng)彈簧運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在一定的位置固定彈簧，需要具有一定的強(qiáng)度。
（2）壓塊的選材
在開槽體上制有螺紋，要用焊接的方式來減輕由壓桿的轉(zhuǎn)動(dòng)引起的螺紋松動(dòng)的現(xiàn)象。壓塊上有兩個(gè)用于定位的鍵，其要求有一定的強(qiáng)度。所以選擇強(qiáng)度較高的Q-255，其常用來承受中等載荷，符合壓塊設(shè)計(jì)要求。
3.2.3.2 開槽體和支架的設(shè)計(jì)
（1）開槽體和支架的作用
兩者主要是用來限制壓塊的滑動(dòng)距離，讓壓塊滿足位置要求。
（2）開槽體和支架的選材
開槽體和支架都沒有較高的設(shè)計(jì)要求，所以選材用鑄鐵。經(jīng)查資料后，選定HT-150，符合設(shè)計(jì)要求。
3.2.3.3 防松柱銷的設(shè)計(jì)
（1）柱銷的作用
在柱銷下壓時(shí)，柱銷與斜楔體的斜面接觸，以此來推動(dòng)柱銷運(yùn)動(dòng)。
（2）柱銷的選材
柱銷和斜楔體之間是點(diǎn)接觸，這就需要柱銷有較高的強(qiáng)度和硬度。故選擇40Gr，其表面還需要經(jīng)淬火處理，以增強(qiáng)其硬度。
3.2.3.4 螺紋空管的設(shè)計(jì)
（1）螺紋空管的作用
主要用來連接壓塊和手柄，將施加給手柄的力傳遞給彈簧。
（2）螺紋空管的選材
螺紋空管表面要切制內(nèi)螺紋，所以壁厚要大。故選取冷拔無縫鋼（YB231-64），參數(shù)為：外徑為38mm、壁厚為8mm、理論重量為5.92Kg/m，其滿足設(shè)計(jì)要求。
3.2.3.5 手柄的設(shè)計(jì)
（1）手柄的作用
將操作者所施加的力傳遞到整個(gè)機(jī)構(gòu)。
（2）手柄的選材
手柄不是重要零件，選用HT-150。
3.2.3.6 彈簧固定桿的設(shè)計(jì)
（1）彈簧固定桿的作用
主要用來固定彈簧的位置以及將柱銷拔取的功能。
（2）彈簧固定桿的選材
彈簧固定桿一端有螺紋，另一端焊接，最好選用低碳鋼。這里選取焊接性能好的20鋼。
3.2.3.7 彈簧的選材
彈簧鋼通常有碳素彈簧鋼絲、65Mn、60Si2Mn、50GrVA等。65Mn雖然有過熱敏感性和回火脆性，容易產(chǎn)生淬火裂紋，但其淬透性強(qiáng)，脫碳傾向小，故選取65Mn彈簧鋼。
3.2.4 提升運(yùn)輸裝置主要零部件的設(shè)計(jì)
3.2.4.1 機(jī)架的設(shè)計(jì)
白菜收獲機(jī)作業(yè)時(shí)，提升運(yùn)輸機(jī)構(gòu)和地面之間的夾角成18°。所要提升的高度約為0.5m，對(duì)應(yīng)提升運(yùn)輸機(jī)構(gòu)長約為1.6m，機(jī)架也是需要1.6m左右。因?yàn)閭鬟f距離較長，如果單純采用平帶傳遞的話，白菜會(huì)在向上輸送過程中由于帶的向內(nèi)凹陷而掉落。故在中間部分等距布置三個(gè)張緊輪，確保將白菜提起。結(jié)構(gòu)如圖17所示。
圖17 提升運(yùn)輸機(jī)構(gòu)簡圖
初定機(jī)架長約為1.6m，所以單根平帶長約為3.2m，查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)知平帶帶長有3150mm、3550mm、4000mm。選定長為3550mm的平帶。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》確定帶輪直徑D1=D2=250mm。故：
2πR+2L=3550 L(機(jī)架長度)=1383mm
見圖18：
圖18機(jī)架結(jié)構(gòu)示意圖
機(jī)架采用矩形橫截面的結(jié)構(gòu)鋼焊接而成，，頂部敞開，豎直安裝的平帶夾緊白菜將其運(yùn)送到指定的高度，具體結(jié)構(gòu)見裝配圖。
3.2.4.2 夾持輸送裝置設(shè)計(jì)計(jì)算
夾持輸送裝置主要是由兩平帶傳動(dòng)裝置構(gòu)成，其可以將大白菜夾緊并運(yùn)送到輸送機(jī)構(gòu)，也可以根據(jù)白菜的尺寸大小調(diào)整皮帶的夾持距離。
（1）輸送帶帶速計(jì)算
皮帶的帶速大小和牽引車運(yùn)動(dòng)的速度有關(guān)，擬定牽引車速度v機(jī)=0.8m/s。查閱《連續(xù)輸送機(jī)械手冊(cè)》知帶式輸送機(jī)構(gòu)與地面最大傾角不能超過18°，本設(shè)計(jì)取傾角α=18°，所以，夾持輸送帶的速度為：
v=v機(jī)/cosα=0.8/cos18°≈0.84m/s
（2）夾持輸送帶張力計(jì)算
夾持輸送裝置結(jié)構(gòu)輪廓如圖19所示，輸送機(jī)與水平面的夾角α=18°，線載荷q0=q帶，q1=q帶+q物，上面的輪為驅(qū)動(dòng)輪。
圖19 夾持裝置輪廓圖
其中，q物=GaN/m，G為每個(gè)白菜的質(zhì)量，取G=25N,a為兩白菜之間的距離，取a=430mm。
所以，q物=58.14N/m；
其中，q帶=11B（1.25i+δ1+δ2）
其中，B——輸送帶寬度，取B=100mm；
i——輸送帶的襯層數(shù)，取i=3；
δ1——輸送帶上橡膠層厚度，取δ1=3mm；
δ2——輸送帶下橡膠層厚度，取δ2=2mm；
所以，q帶=9.63N/m；
由上圖可得：驅(qū)動(dòng)輪繞出端的張力S1等于繞出張力S出
S1=S出 (3—1)
S2=S1+W0 (3—2)
其中， W0=q0（ω0L-H）=1.69N (3—3)
S3=cS2=1.04（S1+1.35） (3—4)
S入=S4=S3+W1=1.04S2+W1 (3—5)
W1 =L1q1（ω0cosα+sinα）=25.74N (3—6)
又由歐拉公式得：S入S出≤eμβ≈2.6 (3—7)
其中，μ=0.3，β=180°；
聯(lián)立式（3—5）和式（3—7）解得：S入=S1=50.83N, S出=S4=17.63N
所以，得牽引力F牽=S出-S入=33.2N (3—8)
其中，S1——驅(qū)動(dòng)輪繞出端的張力，N；
S2——從動(dòng)輪繞入端的張力，N；
S3——從動(dòng)輪繞出端的張力，N；
S4——驅(qū)動(dòng)輪繞入端的張力，N；
W0——直線1—2段的阻力，N；
W1——直線3—4段的阻力，N；
L——輸送機(jī)的水平投影長度，取L=0.77m；
L1——輸送機(jī)的中心距，取L1=0.8m；
H——輸送機(jī)的垂直投影高度，取H=0.5m；
α——輸送機(jī)與水平線的夾角，α=18°；
c——張力增大系數(shù)，取c=1.04（滾動(dòng)軸承）；
ω0——阻力系數(shù)，取ω0=0.5；
（3）夾持輸送帶驅(qū)動(dòng)功率計(jì)算
查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》得：傳動(dòng)效率η=0.92，功率備用系數(shù)k=1.2，
所以得驅(qū)動(dòng)功率P為：
P=k（S出-S入）v1000η=0.0364kw (3—9)
（4）夾持輸送帶的參數(shù)設(shè)計(jì)
1.帶輪直徑
根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，選取兩直徑相同的帶輪，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選取標(biāo)準(zhǔn)值D1=D2=250mm。
2.輸送帶的選取
查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，結(jié)合具體的設(shè)計(jì)，選取：3層，寬度為140mm的軟橡膠帶。
3.中心距a
a=（1.5～2）（D1+D2）且1.5（D1+D2）≤a≤5（D1+D2） (3—10)
參考現(xiàn)有的白菜收獲機(jī)的機(jī)型，取中心距a=1380mm。
4.所需要的帶長L
開口傳動(dòng)的帶長L=2a+π2（D1+D2）+（D2-D1）24a≈3545.4mm (3—11)
結(jié)合具體設(shè)計(jì)，取L=3550mm。
5.包角α1
α1=180°-D2-D1a×57.3°=180°≥150° (3—12)
6.撓曲次數(shù)u
u=1000mvL≤umax=（6～10）次/s (3—13)
其中，m——帶輪數(shù)，取m=2；
代入數(shù)據(jù)得：u=0.473次/s
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