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毕业设计中文摘要
白菜收获机的设计与研究
摘要
近些年以来我国大型白菜农业种植收获方式由分散向多个基地逐步集中,耕作管理方式也由原来的基地粗放型逐渐转向精细型,在白菜种植收获过程中会经常用到拖拉机进行快速翻地、耕地、起垄等作业。
但是,我国现代蔬菜种植生产收过程的机械化技术水平却依旧落后,同时国内对蔬菜种植生产与收获过程机械的深入研究也是非常少。
现阶段我国白菜生产和收获的方式依旧是需要大量农业畜力和其他人工劳动作业,这就必然使得农业劳动力生产成本在我国白菜生产中占有较大的占用比重,影响经济效益。
本文的目的是要针对现阶段白菜种植的实际情况,改良白菜收获机的个别机构,从而提高收获机的工作效率,减少成本。
目前国内外对白菜收获机构的研究较少,所以本课题主要参照现有的甘蓝收获机和甜菜收获机来设计。
本文设计希望能够通过研究白菜收获机的发展趋势,并结合当前国内典型的甘蓝收获机的装置结构进行研究展开。
通过借鉴现有机型的设计优点改进设计出相关新机型的雏形,按照构想设计出一款能够实现一次性实现切根、拾取、升运等工作的机型。
通过对比国内各机型的机构部件设计,综合其优点,以希望实现提高白菜收获效率的目标。
该课题具体目标如下:
通过减少人力辅助强度、同时减轻白菜破损程度,从而提高白菜收获质量。
目前国内白菜收获机的作业效率已经满足了小型种植户的需求,但距离生产收获全自动化的要求依旧相差甚远。
因此要想实现白菜大规模的收获,全自动机械化机型的发展势在必行。
关键词:
白菜收获机;结构设计;提升运输机构;柔性夹持装置;
毕业设计英文摘要
DesignandresearchofChinesecabbageharvester
Abstract
Inrecentyears,theplantingandharvestingmethodsoflarge-scaleChinesecabbageagricultureinChinahavebeengraduallycentralizedfromscatteredtomultiplebases,andthecultivationandmanagementmethodshavealsobeengraduallytransformedfromextensivebasetofinebase.IntheprocessofChinesecabbageplantingandharvesting,tractorsareoftenusedtocarryoutrapidlandturning,plowingandridging.However,themechanizationtechnologylevelofmodernvegetableplanting,productionandharvestingprocessinChinaisstillbackward,andatthesametime,thein-depthresearchonvegetableplanting,productionandharvestingprocessmachineryisveryfewinChina.Atthepresentstage,theproductionandharvestofChinesecabbageisstillinneedofalargenumberofagriculturallivestockandothermanuallaboroperations,whichwillinevitablymakethecostofagriculturallaborintheproductionofChinesecabbageoccupiesalargeproportion,affectingeconomicbenefits.ThepurposeofthispaperistoimprovetheindividualmechanismofChinesecabbageharvesteraccordingtotheactualsituationofChinesecabbageplantingatthepresentstage,soastoimprovetheworkingefficiencyofChinesecabbageharvesterandreducethecost.
Atpresent,therearefewresearchesonChinesecabbageharvestinginstitutionsathomeandabroad,sothistopicmainlyreferstotheexistingcabbageharvesterandbeetharvestertodesign.ThepaperaimstostudythedevelopmenttrendofcabbageharvesterandthedevicestructureoftypicalcabbageharvesterinChina.Bydrawingonthedesignadvantagesoftheexistingmodelstoimprovethedesignoftherelevantnewmodelsoftheprototype,accordingtotheplantodesignaone-timeimplementationofrootcutting,picking,liftingandotherworkofthemodel.
BycomparingthedesignofmechanismcomponentsofvariousmodelsinChina,andsynthesizingtheiradvantages,wehopetoachievethegoalofimprovingtheharvestefficiencyofChinesecabbage.Thespecificobjectivesofthisprojectareasfollows:
toimprovetheharvestqualityofChinesecabbagebyreducingtheintensityofhumanassistanceandreducingthedegreeofbreakageofChinesecabbage.Atpresent,theoperatingefficiencyofChinesecabbageharvesterhasmettheneedsofsmall-scalefarmers,butitisstillfarfromtherequirementsoffullautomationofproductionandharvest.Therefore,iflarge-scaleharvestofcabbageistoberealized,thedevelopmentoffullyautomaticandmechanizedmodelsisimperative.
Keywords:
Chinesecabbageharvester;Structuraldesign;Liftingtransportmechanism;Flexibleclampingdevice;
目录
1引言 1
1.1白菜收获机的应用前景 1
1.2白菜收获机的研究现状 2
1.2.1国外研究现状 2
1.2.2国内研究现状 3
1.3大白菜的物理特性 5
2技术任务书 6
2.1白菜收获机的结构与工作原理 6
2.1.1白菜收获机的组成 6
2.1.2白菜收获机基本工作原理 6
2.2白菜收获机的关键技术 6
2.2.1扶正机构 6
2.2.2提升运输机构 7
3设计计算说明书 7
3.1总体方案设计 7
3.1.1白菜收获机总体简介 7
3.1.2提升运输装置简介 8
3.1.3输送机构简介 8
3.2主要机构的设计 9
3.2.1切削机构的设计 9
3.2.1.1切削刀的工作情况 9
3.2.1.2切削刀的选用 9
3.2.1.3刀片的设计 9
3.2.1.4刀片的选材 10
3.2.1.5压刀板和刀杆的设计 10
3.2.2锁紧机构的设计 10
3.2.2.1锁紧机构工作原理分析 10
3.2.2.2斜楔的设计 11
3.2.2.3滑动块的设计 12
3.2.2.4导轨的设计 13
3.2.3防松装置的设计 14
3.2.3.1压块的设计 14
3.2.3.2开槽体和支架的设计 15
3.2.3.3防松柱销的设计 15
3.2.3.4螺纹空管的设计 15
3.2.3.5手柄的设计 15
3.2.3.6弹簧固定杆的设计 16
3.2.3.7弹簧的选材 16
3.2.4提升运输装置主要零部件的设计 16
3.2.4.1机架的设计 16
3.2.4.2夹持输送装置设计计算 17
3.2.4.3夹持张紧机构的设计 21
3.2.4.4夹持装置传动系统的设计 24
3.2.4.5夹持皮带轴的设计计算 27
3.2.4.6皮带轴强度校核 29
3.2.4.7端盖的设计 32
3.2.4.8支承轴的设计 32
3.2.5输送机构的设计 33
3.2.5.1输送机构的组成 33
3.2.5.2输送带速的确定 34
3.2.5.3张紧装置的设计 34
3.2.5.4滚筒的设计 35
3.2.5.5输送带的选取 36
3.2.5.6支承轴的设计 36
3.2.5.7滑架的设计 38
3.2.5.8机架的设计 39
3.2.5.9支撑板的设计 39
4使用说明书 40
结论 41
参考文献 42
致谢 44
白菜收获机的设计与研究
1引言
在我国,大白菜是种植范围最广泛的蔬菜之一,也是人们日常生活中不可缺少的蔬菜。
大白菜和甘蓝同是属于绿色结球叶菜类蔬菜,在这种蔬菜的采收种植作业过程中,大约有40%的工作量将会消耗在蔬菜收获作业上。
在收获该类菜蔬过程中,需要种植户用短刀等工具将白菜根部切断,然后再人工捡拾、剥叶、装车,这样不但劳动强度大,而且效率很低。
随着目前白菜种植走向规模化、集约化,原来的人工收获白菜方式已经基本满足不了现阶段白菜种植面积扩大的现状。
因此,发展机械化菜蔬收获高新技术具有重要的现实意义。
基于以上的情况,为设计出符合白菜大规模种植户的要求,本文将参考国内已有的白菜或甘蓝收获机的机型,对其各个核心机构进行技术集成创新,不断改进,从而达到提高收获效率,降低成本的要求。
1.1白菜收获机的应用前景
目前,在我国的农作物种植和生产的全过程中,机械化的耕作、移栽、灌溉和植保等技术正在不断进步,但整体上我国蔬菜的机械化生产水平相对较低,收获率的大小已经成为我国现代化蔬菜种植生产未来实现机械化的一个重大难题。
大白菜收获机的应用与其他传统的收获方式相比最大的优势就是它的收获效率有大幅度的提升,同时也实现了农机和农艺的融合。
白菜收获机核心部件的稳定性与可靠性将对白菜收获质量产生很大的影响。
白菜收获机的研究方向便是其中通过对其核心机构的技术研究将收获过程中出现的主要问题分别在设计过程中加以利用并改进。
白菜收获机的主要任务是在国内现有机型的基础之上对锁紧机构、提升运输机构等相关种植机构分别进行一定方面的优化改进。
通过调试机械参数等技术措施,使得各部件之间能够稳定地进行机械协同作业,从而有效的保障大白菜收获效率,提高白菜收获机械的资源利用率和机械通用性。
该机械后续可以进一步加强对机电一体化和智能技术的综合运用,实现自动对行、智能化和选择性自动收获等智能作业。
可以说要实现自动化智能化机械生产,我们任重而道远。
1.2白菜收获机的研究现状
1.2.1国外研究现状
在蔬菜收获机械的研制方面,欧美等国起步是比较早的。
主要有以下几种:
20世纪70年代,日本农业生物系研究机构成功研制出了一种悬挂式大白菜收获机,该机械可一次性完成收获、调配、装箱、运输等工作。
同时其需要3至4名工作人员,完成大白菜的收获作业。
由于机器体积庞大,所以其对小型种植户没有实用价值。
因为甘蓝的外观、生理学特性和大白菜很接近,所以,甘蓝收获机械的基本设计和工作原理也就具有一定的指导和参照价值。
以下介绍的是几种甘蓝收获机械:
第一台大型甘蓝收获机是苏联在1931年研制成功的,该收获机的主要组成部件有:
可左右方向拔取的部件、圆盘状锯齿式切割刀和一个横向刮板式输送器等部件。
美国一家公司的Shepardson等人自主研发的新型甘蓝收获机主要采用双旋式圆盘切割结构,实现各种甘蓝的一次性拔取切割作业,该甘蓝收获机式利用圆盘切割结构来切除根部,其适用于各种结球叶菜品种,工作一次的收获切割率高达80%。
美国Hachiya等建立了一套完全适用于当地甘蓝大规模收获的系统,该系统收获中途不会中断作业。
该设计主要采用了一种旋转式双圆盘的拔取切割装置,后续还将配有集手工去叶和装箱为一体的收获机械,已于2001年底正式投产并实现商业化(图1)。
图1甘蓝收获机系统
2017年11月30日,日本的Yanmar和OsadaNouki在参考已有的传统卷心菜收获机技术的基础上,两人合作探究研发出一种新型白菜收获机(图2),其机体结构和传统卷心菜收获机类似,也是同样采用了圆盘式一体拔取切割输送装置,但是该白菜收获机械在切割输送过程中会对白菜叶子造成较大损伤,影响白菜的质量。
图2白菜收获机
英国设计的通用型轮式蔬菜收获机同样也可以用来收获甘蓝,其主体部分搭载在机架上,并首次在机架上安装了拨禾轮和杆条式输送器,用这两个部件来替代原来只能收获块根的拨取器。
该机械还用一个轮齿式圆盘代替原来的光面齿式圆盘,圆盘内部有一个大的球形保护罩,其会沿着地面滑行,以此来保证精确切割量和切割高度。
拨禾轮用来把甘蓝拨送到切削机构,之后再由拨禾轮把它们拨送至杆条式输送器上完成收获。
1.2.2国内研究现状
因为国内对现代化蔬菜收获机械的研究起步较晚,所以现阶段白菜收获机型较少,有以下几种:
在20世纪80年代末,台湾大学成功自主研制出了一种悬挂履带式人工甘蓝收获机,该设备可一次性同时完成拔取、切割、切除外叶、装箱等多种工作,平均工作效率为0.04hm2/h,其综合工作效率比传统人工收获方式提高约2.5倍[5]。
浙江大学研制的单行自走式甘蓝收获机(图3),适用于我国南方地区,其采用了可弹性浮动的拨轮配套铲式拔取装置,拔取效果不错且对甘蓝损伤较小[5]。
图3单行自走式甘蓝收获机
甘肃农业大学自主研制出了4YB-1型甘蓝收获机,该设备主要采用一种螺旋圆锥式引拔收集机构将偏移的甘蓝进行扶正,然后向上引导,拔出甘蓝[5]。
图44YB-1型甘蓝收获机
哈尔滨市农业科学院成功自主研制出一种农用背负式小型大白菜收获机,该机采用了一对可斜置安装的小型切口弧形圆盘对白菜进行先切除根部后进行拔取的作业,利用切口圆盘上的弧面与地面接触以有效限制切削深度,这样切出的白菜根长度会显得相差较小[5]。
1.3大白菜的物理特性
大白菜主要盛产于我国东部以及北方地区,大白菜的普遍栽培要求和种植农艺技术要求:
垄距约50~60cm,垄高15~20cm,垄长约为20m,株距40cm[16]。
图5大白菜参数统计值
查阅相关的统计数据资料,确定了大白菜主要菜叶外形参数:
叶球展开长度B,球宽D,结球高度h,整株高度H,地下根深度l,根部直径d。
相关数据见表1。
表1大白菜相关数据
名称代号平均值
展开度B750mm
球宽D180mm~260mm
株高H500mm
结球高h330mm
根部直径d40mm
地下根深度l160mm
单株净菜重m2.5kg
2技术任务书
2.1白菜收获机的结构与工作原理
2.1.1白菜收获机的组成
白菜收获机基本结构组成包括夹持扶正机构、两对称的切削刀、锁紧提升机构、输送机构,还需配套采用拖拉机侧臂式悬挂,并以此为主要动力源,如图6所示。
图6白菜收获机工作示意图
2.1.2白菜收获机基本工作原理
白菜收获机的基本工作原理为:
在机架上安装的两个扶正轮通过与白菜接触,两个轮对白菜轴向产生两作用力将大白菜整个扶正,之后夹持输送装置将白菜夹持住,同时安装在机架底部的弧形切削刀在扶正机构的配合下将白菜根部切断,然后经过带式提升运输装置与带式输送机构将白菜运送到白菜集装箱。
2.2白菜收获机的关键技术
2.2.1扶正机构
由于我国地理环境和种植农艺的差异,导致成熟的白菜大小各异且分布不是很整齐,大部分会发生左右偏移的情况。
由于这种现象的出现,会间接的对白菜收获作业造成不小的影响。
所以本课题采用了扶正夹持的装置,其不但可以把倾斜的白菜进行扶正,还可以根据白菜的外形大小自动调节夹持距离,从而实现高效率的夹持,且不会对白菜造成损伤,这会让切削刀在切割白菜根部时有一个良好的切割环境。
2.2.2提升运输机构
白菜平均株重大约为2.5kg,利用传统的人工收获方式的话工作量较大,而且这样方式下的工作效率极低。
收获时通常需要靠农户不断的弯腰切割白擦根部,这样很容易引起身体疾病。
本课题主要采用提升运输机构来解决这个问题。
工作时,带式提升运输机构将白菜提升运送到指定高度的输送带上。
该机构主要是将白菜夹持固定在传送带,完成提升运送工作。
3设计计算说明书
3.1总体方案设计
3.1.1白菜收获机总体简介
白菜收获机的收获工作过程:
整个白菜收获机构侧挂在一台农用拖拉机上,扶正器将横向倾斜于两侧的白菜扶正,同时弧形切削刀会利用惯性把白菜的根部切断。
之后通过带式提升机构将收获的白菜运送到指定的工作区,经人工分拣后,最后输送机构将白菜运送到装箱装置,完成收获。
如图7所示。
扶正器主要的工作是将白菜扶正并向一个方向收拢,其主要由许多导向杆组成。
工作过程中提升运送机构和水平面成一个18°的倾角,平行的两传送皮带将白菜夹紧并提升运送到一个输送带上,锁紧机构可以将提升机构的工作是所处的位置锁定。
输送带采用水平式布置,这样方便白菜的装箱。
图7总体结构
3.1.2提升运输装置简介
带式提升运输装置简图如图8所示。
图8提升运输装置简图
原始数据:
夹持输送带速:
1.0m/s,带轮直径:
250mm
传动方案:
外传动为V带传动,提升运送机构为平带传动
3.1.3输送机构简介
本课题以农用机械较为常用的带式输送机为设计参考。
该机构的基本工作原理为:
在驱动滚筒和张紧滚筒上绕有一输送带,当工作时,安装的电机会带动驱动滚筒转动,驱动滚筒和输送带之间的产生的摩擦力会带动输送带进行工作,这样输送带就能把白菜输送到收集箱。
为了在减轻输送带的磨损程度的同时提高工作效率,输送带采用水平式输送。
输送机构简图如图9所示。
图9输送机构简图
3.2主要机构的设计
3.2.1切削机构的设计
3.2.1.1切削刀的工作情况
在收获白菜的过程中,需要先将它的根部切断,然后经输送机构运送至收集装置。
当然也有机械通过拔取将白菜拔出,但这种方式到所需的拔取力较大,通常会对白菜的一些脆弱部位造成一定程度的损伤,在拔出白菜后,其表面会附着大量泥土并带入机械中,影响寿命。
所以本课题采用一边切断一边运送的收获方式。
安装在机架底部的刀片与地面呈一定的倾角以0.8m/s的速度切割白菜,利用拖拉机的惯性将白菜割断。
3.2.1.2切削刀的选用
切削刀大体上分为固定式切削刀和活动式切削刀。
在白菜收获过程中活动式切削刀虽然收获白菜的效率较高,但由于它具有较复杂的结构且制造成本相对较高,导致在中小型收获机上通常不会运用该类刀具。
所以本课题采用了固定式切削刀,该类刀具常见的结构有斜切刀和弧形切刀两种(如图10),A为斜切刀,B为弧形切刀;斜切刀虽然整体结构简单、加工方便,但其刚度较差,在作业过程中易产生翘曲。
故选用弧形切刀。
图10斜切刀和弧形切刀
3.2.1.3刀片的设计
刀片是固定在夹紧输送装置下方,工作时依靠拖拉机来提供一个均匀的切割速度,这样的话就要求刀片具备较高的强度。
查阅相关资料知切断白菜所需切削力大约为200~250N。
由于切削时刀片不会产生较多的热量,所以不需要考虑切削热量对刀片的影响。
为了满足刀片可以切到每个白菜这一要求,这里选取刀片直径为150mm,刀片的厚度为5mm。
该刀片的结构如图11。
3.2.1.4刀片的选材
在收获白菜的过程中,刀片通常不是连续的进行切割,所以刀片会受到白菜对其的一个作用力,同时考虑到刀片会与地面产生摩擦。
故本机构选择综合机械性能比较优良的中碳钢40Gr,其表面经高频淬火使其硬度达到HRC55~60。
图11刀片
3.2.1.5压刀板和刀杆的设计
压刀板是用来实现刀片的固定和刀杆的连接,将压刀板和刀片之间的接触面积扩大,这样会让刀片更加牢固,从而保证机构的稳定性和刚度。
刀杆用来固定刀片在该机构的安放位置和安装角度。
为了延长切削机构的使用寿命,选用板状刀杆。
选材均为30碳素结构钢。
3.2.2锁紧机构的设计
3.2.2.1锁紧机构工作原理分析
白菜收获机在收获过程中提升运输装置需要处在位置1处,为了增强其工作的稳定性,需安装一锁紧机构,其工作位置如图12所示。
位置1可满足白菜收获时的要求。
图12位置示意图
结合上图可知:
锁紧机构(图13)工作时需要把位置1进行固定,这就要求锁紧机构和提升机构之间贴合严密。
机构中的斜楔块可以在导轨来回运动,工作时,将夹持输送机构固定在位置1处,除遇维修,否则该机构不会放下。
把锁紧机构和提升机构的接触面做成倾斜表面,从而消除因装配、制造而导致的误差,增强了工作的稳定性。
因为农用机械在进行收获作业时,常常会产生因振动而使锁紧机构松动的情况,所以采用防松装置,该装置是利用弹簧的推力将类似圆锥柱体的零件贴近
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