振動式馬鈴薯收獲機的設(shè)計含CAD圖
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振動式馬鈴薯收獲機的設(shè)計
摘 要
馬鈴薯在16世紀初傳入我國，馬鈴薯的養(yǎng)分豐厚，種植面積很大，人們把它和小麥、稻谷、玉米一同被人稱為世界四大糧食作物，擁有著極大的市場潛力。就國際環(huán)境來看的話，大約有超過四成的土豆也就是馬鈴薯會進行食品加工，加工后的食品將流入各種消費市場針對不同的消費人士。在國內(nèi)，很少有人認為馬鈴薯是一種非常受歡迎的農(nóng)作物，在這幾年也受國外快餐行業(yè)的影響，快速的流行了起來。油炸薯片或從各種渠道進口的膨化食品也來紛至沓來。在田間收獲馬鈴薯時，必須將土壤中的土豆去除并收集起來。
在我國，盡管馬鈴薯的機械化開始了急速發(fā)展，然而在現(xiàn)如今的塊莖收獲行業(yè)上，馬鈴薯收獲機的作業(yè)效率難符人意，最主要的就是挖掘裝置的挖掘效率不高，既浪費時間又浪費人力資源。由于傳統(tǒng)的馬鈴薯收獲機作業(yè)效率不高，在進行完挖掘工作后很多時候需要人進行二次收獲過程，浪費了大量的人力物力，并且容易出現(xiàn)如適應(yīng)性差、損傷率高及壅土等問題。受此現(xiàn)實的影響，該項目為小型家用通用便攜式振動土豆收獲機設(shè)計了一套設(shè)計方案。該馬鈴薯收割機設(shè)計小巧，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，制作成本也較低，馬鈴薯采礦效率高。只需要小型拖拉機來進行牽引，并且馬鈴薯收獲可以很好地進行
本課題所設(shè)計的振動式馬鈴薯收獲機并非專用的大型聯(lián)合收獲機，而是更加符合國情的家用的常用的機械設(shè)備，是針對能夠提高馬鈴薯的挖掘收獲作業(yè)效率而設(shè)計出來的?？梢杂行У氖乖鹊拖碌氖斋@效率得到明顯的進步；就可以達到無需人力物力進行二次收獲、同時也就達到了節(jié)約時間的目的。本文選題的主要內(nèi)容是振動土豆收獲機。主要通過對已知數(shù)據(jù)的計算和分析，示范和比較以及程序的選擇，完成了振動土豆收獲機的完整設(shè)計。同時利用解析法，分析計算了振動原理，設(shè)計計算了分離裝置以及選擇出一個最佳的傳動方案。在這些步驟后，振動馬鈴薯收獲機選定主題的說明機架尺寸、動力輸入軸、振動裝置以及傳動比等進行了完整的的計算說明。
關(guān)鍵詞：振動式；挖掘；馬鈴薯；根莖收獲機
Abstract
Potatoes into China in the early 16th century, nutrient rich potato, planting area is large, people put it together with wheat, rice, corn, known as the four major food crops, has great market potential. The nutritional value of potatoes is very high. As far as the international environment is concerned, more than 40% of the potatoes are processed by the potato, and processed food will flow into various consumer markets for different consumers. At home, few people see the potato as a very popular food crop, which has been affected by the foreign fast food industry in recent years. In major cities such as Beijing, Shanghai, guangzhou and xi 'an, McDonald's and Kentucky Fried chicken, mainly potato chips and mashed potatoes, account for half of the country's fast food market. Other Fried potato chips or puffed food imported from various sources are also coming. When harvesting potatoes in the field, potatoes must be removed and collected.
In our country, although the potato mechanization began rapid development, however, in today's tuber harvest on the industry, the efficiency of potato harvester difficult operators, the main device is mining the mining efficiency is not high, is a waste of time and waste of human resources. Because of the traditional potato harvester working efficiency is not high, after excavation in most of the time needed for second harvest process, waste a great deal of manpower, and prone to such as poor adaptability, high damage rate and heapsoil problem. Influenced by this reality, the project designed a design scheme for small household portable vibrating potato harvester. The potato harvester is small in design, light in weight, simple in structure, low in cost and high in mining efficiency. Only small tractors are needed for traction, and potatoes can be harvested well.
This topic designed by vibrating the potato harvester of large combined harvester is not special, but is more in line with the national conditions of household of commonly used machinery and equipment, is for designed to improve the efficiency of potato harvest of mining operations. It can effectively make the original low efficiency gains obvious progress; We can achieve the goal of saving time without the need of manpower and material resources. The main content of this paper is vibrating potato harvester. Through the calculation and analysis of the known data, demonstration and comparison and the selection of the program, the complete design of the vibrating potato harvester was completed. At the same time, the analytical method is used to analyze the vibration principle, the separation device is calculated and the optimal transmission scheme is selected. After these steps, a complete calculation description of the frame size, power input shaft, vibration device and transmission ratio of the selected theme of the vibrating potato harvester was carried out.
Key words: vibration; Mining; Potato, rhizome harvester.
目錄
引 言 1
第一章 緒論 2
1.1 選題研究的意義 2
1.2 國內(nèi)外馬鈴薯收獲機的發(fā)展情況 2
1.3 國內(nèi)外馬鈴薯收獲機存在的缺點與不足 4
1.4 研究的內(nèi)容和方法 6
1.5 預(yù)期目標 6
1.6 重點研究的關(guān)鍵問題及解決思路 6
1.7 工作條件及解決方法 7
第二章 振動式馬鈴薯收獲機總體設(shè)計 8
2.1 收獲機的典型方法和方案選擇 8
2.2 振動式馬鈴薯收獲機的振動工作原理 8
2.3 整機主要的技術(shù)參數(shù) 8
第三章 整機關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計 10
3.1牽引架設(shè)計 10
3.2振動分離篩設(shè)計 10
3.3挖掘鏟的結(jié)構(gòu)設(shè)計 10
第四章 振動裝置運動學(xué)分析 11
4. 1挖掘鏟、振動分離篩機構(gòu)運動學(xué)分析 11
第五章 動力裝置的設(shè)計與選用 14
5.1 傳動系統(tǒng)的確定 14
5.2 偏心輪和連桿機構(gòu)設(shè)計 17
5.3 軸的設(shè)計與校核 17
5.4 鍵的校核 24
總 結(jié) 25
致 謝 26
參 考 文 獻 27
引 言
本課題所設(shè)計的振動式馬鈴薯收獲機并非專用的大型聯(lián)合收獲機，而是更加符合國情的家用的常用的機械設(shè)備，是針對能夠提高馬鈴薯的挖掘收獲作業(yè)效率而設(shè)計出來的?？梢杂行У氖乖鹊拖碌氖斋@效率得到明顯的進步；就可以達到無需人力物力進行二次收獲、同時也就達到了節(jié)約時間的目的。本文選題的主要內(nèi)容是振動土豆收獲機。主要通過對已知數(shù)據(jù)的計算和分析，示范和比較以及程序的選擇，完成了振動土豆收獲機的完整設(shè)計。同時利用解析法，分析計算了振動原理，設(shè)計計算了分離裝置以及選擇出一個最佳的傳動方案。在這些步驟之后，本說明書對所選課題設(shè)計的振動式馬鈴薯收獲機的機架尺寸、動力輸入軸、振動裝置以及傳動比等進行了完整的計算和說明。
第一章 緒論
1.1 選題研究的意義
馬鈴薯在16世紀初傳入我國，馬鈴薯的養(yǎng)分豐厚，種植面積很大，人們把它和小麥、稻谷、玉米一同被人稱為世界四大糧食作物，擁有著極大的市場潛力。馬鈴薯的營養(yǎng)價值非常高。就國際環(huán)境來看的話，大約有超過四成的土豆也就是馬鈴薯會進行食品加工，加工后的食品將流入各種消費市場針對不同的消費人士。在國內(nèi)，很少有人把馬鈴薯視作一種非常受歡迎的糧食作物，在這幾年也受國外快餐行業(yè)的影響，快速的流行了起來。就國際環(huán)境來看的話，大約有超過四成的土豆也就是馬鈴薯會進行食品加工，加工后的食品將流入各種消費市場針對不同的消費人士。
在我國，盡管馬鈴薯的機械化開始了急速發(fā)展，然而在現(xiàn)如今的塊莖收獲行業(yè)上，馬鈴薯收獲機的作業(yè)效率難符人意，最主要的就是挖掘裝置的挖掘效率不高，既浪費時間又浪費人力資源。由于傳統(tǒng)的馬鈴薯收獲機作業(yè)效率不高，在進行完挖掘工作后很多時候需要人進行二次收獲過程，浪費了大量的人力物力，并且容易出現(xiàn)如適應(yīng)性差、損傷率高及壅土等問題。受這種現(xiàn)實情況的影響，本課題設(shè)計出了一種小型家用、通用便攜的振動式馬鈴薯收獲機的設(shè)計方案。由于傳統(tǒng)的馬鈴薯收獲機作業(yè)效率不高，在進行完挖掘工作后很多時候需要人進行二次收獲過程，浪費了大量的人力物力，并且容易出現(xiàn)如適應(yīng)性差、損傷率高及壅土等問題[
]。
1.2 國內(nèi)外馬鈴薯收獲機的發(fā)展情況
1.2.1 國外馬鈴薯收獲機的發(fā)展現(xiàn)狀
在國際上的發(fā)達國家很早就開始研制馬鈴薯收獲裝置，進行馬鈴薯機械化收獲過程。但是從世界農(nóng)機發(fā)展的大環(huán)境來看，對比于水稻或小麥這類傳統(tǒng)谷物收割機，馬鈴薯收獲機設(shè)計推廣速度比較緩慢。直到1950年后才發(fā)展出成熟的技術(shù)。對于國外馬鈴薯收獲行業(yè)來說，其起步早、基礎(chǔ)水平高、發(fā)展快速、技術(shù)和機械化水平高。在上個世紀的四十年代初期，世界上工業(yè)發(fā)展最好的兩個國家，前蘇聯(lián)和美國就已經(jīng)對馬鈴薯收獲機進行研究生產(chǎn)并大力推廣，在1960年左右美蘇兩國農(nóng)業(yè)機械化水平極高，基本實現(xiàn)了馬鈴薯的全面生產(chǎn)機械化。隨后到了1970至1980年這十年期間，英國、法國、德國、意大利、瑞士、波蘭、匈牙利等歐洲國家也陸陸續(xù)續(xù)的完成了土豆的生產(chǎn)機械化。由于國外農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化基礎(chǔ)好、發(fā)展快。現(xiàn)在，國外這方面的技術(shù)水平非常高，尤其是大型馬鈴薯聯(lián)合收獲機，其特點是生產(chǎn)率高，而且整機模塊中包含著許多高新技術(shù)。由于國外農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化基礎(chǔ)好、發(fā)展快。現(xiàn)在，國外這方面的技術(shù)水平非常高，尤其是大型馬鈴薯聯(lián)合收獲機，其特點是生產(chǎn)率高，而且整機模塊中包含著許多高新技術(shù)[
]。生產(chǎn)收獲機最早的國家是俄羅斯（前蘇聯(lián)）。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，由于蘇聯(lián)地處高緯度寒冷的地區(qū)，其氣候條件事宜馬鈴薯的生長，并且由于氣候的寒冷，馬鈴薯也是蘇聯(lián)當時最為重要的糧食作物之一，所以蘇聯(lián)對于馬鈴薯收獲行業(yè)非常重視并且提供大量的資金技術(shù)的扶持，也因此取得了很好的效果。在20世紀60年代初期年，蘇聯(lián)持有的的馬鈴薯聯(lián)合收獲機數(shù)量大約是3萬臺，到了70年代中期，保有量就上漲到了6萬臺，而到了70年代末80年代初，蘇聯(lián)的馬鈴薯收獲行業(yè)的整體機械工業(yè)化程度就達到77%(其中國營農(nóng)場機械化程度為84%，集體農(nóng)莊機械化程度為73%)；直到1990年，蘇聯(lián)生產(chǎn)的馬鈴薯塊莖收獲機就有16種機型，其中10種是大型聯(lián)合收獲機，其中勞動生產(chǎn)率是其他的小中型兩行收獲機效率的兩到三倍。而在另外一個農(nóng)業(yè)機械化程度極高的國家，美國在上世紀50年代以前還是用普通的收獲機來挖掘馬鈴薯地下塊莖，然后使用人工撿拾的方式進行二次收獲過程。。
而在歐洲和日韓等國家，馬鈴薯收獲機的發(fā)展與美蘇有極大的不同。以歐洲第一大機械國家德國來看，1940年德國馬鈴薯收獲行業(yè)主要是生產(chǎn)和使用拋擲式根莖收獲機；到了1950年左右開始使用和推廣升運鏈式收獲機，并配合根莖撿拾裝載機進行分段收獲；以此來提高二次勞動的效率；隨著技術(shù)的發(fā)展，德國開始設(shè)計生產(chǎn)聯(lián)合收獲機進行大型一體化生產(chǎn)，其聯(lián)合收獲機的機型有20多種；到了1993年德國開始生產(chǎn)收獲-撿拾裝載機和具有自動分選裝置一體化的的大型的、高機械化程度的聯(lián)合收獲機。實現(xiàn)高科技，高技術(shù)含量的農(nóng)業(yè)收獲道路。而身處海島的日本在1955年以前與我國類似，使用的是畜力挖掘機，效率低下，到了1955-1965年期間開始生產(chǎn)升運鏈式和懸掛式的拋擲式收獲機。70年代開始引進英國、美國等發(fā)達國家的聯(lián)合收獲機，并研制適合日本國情的聯(lián)合收獲機[
]?，F(xiàn)如今，國外的馬鈴薯收獲行業(yè)一般采用升運鏈條式大型聯(lián)合收獲機進行收獲作業(yè)，在技術(shù)上已到達很高的水平。由于國外馬鈴薯采用機械化壟作種植形式，適應(yīng)這種特點而設(shè)計的收獲機械在中國難以適應(yīng)平作收獲[
]。現(xiàn)如今，國外的馬鈴薯收獲行業(yè)一般采用升運鏈條式大型聯(lián)合收獲機進行收獲作業(yè)，在技術(shù)上已到達很高的水平。在符合壟作種植形式的大規(guī)模產(chǎn)區(qū)上，國外的大型聯(lián)合收獲機可以滿足需求。以百事食品(中國)來說，其在內(nèi)蒙古坡底村建設(shè)的6000到7000畝的馬鈴薯基地，全部實現(xiàn)機械化作業(yè)。極大的減少了二次工作量，提高工作效率。但在同樣為馬鈴薯種植區(qū)域的西南產(chǎn)區(qū)就很少有大規(guī)模適合外國大型聯(lián)合收獲機的馬鈴薯農(nóng)田，在類似于西南產(chǎn)區(qū)的小規(guī)模成小塊狀農(nóng)田生產(chǎn)模式下就不適宜國外的大型機械。日本生產(chǎn)的主要為單行履帶自走式聯(lián)合作業(yè)機，行走與輸送鏈HST無級變速，發(fā)動機為水冷4沖程3缸柴油機[
]。
1.2.2 國內(nèi)馬鈴薯收獲機的發(fā)展現(xiàn)狀
我國的馬鈴薯收獲機的發(fā)展時間比較晚并且發(fā)展速度較為緩慢。直到新中國成立之初,，我國收獲馬鈴薯方式依舊是采用人力畜力來進行收獲，例如采用人工刨土挖掘塊莖或者利用畜力拉犁挖掘等方式，效率及其低下。直到上個世紀60年代中期，在集體公社勞作的背景下，我國的農(nóng)用機械裝置才慢慢開始研究發(fā)展。馬鈴薯收獲機亦不例外。我國的研究人員通過研究美蘇兩國大型作業(yè)收獲機和歐洲地區(qū)的升運鏈式馬鈴薯收獲機這兩種不能的設(shè)計方案，研制出我國本土制造馬鈴薯收獲機，其樣式采用的升運鏈式。但是由于受到當時社會環(huán)境以及工業(yè)水平低下的影響，最終沒能實現(xiàn)大面積推廣和使用。到了1970年我國實現(xiàn)完第三個五年計劃，我國的工業(yè)高速發(fā)展，小中型手扶拖拉機可以大量自行生產(chǎn)，也由此開始大量推廣應(yīng)用。因此，與之配套馬鈴薯收獲機出現(xiàn)了大量的設(shè)計方案,我國的農(nóng)用機械研究人員成功地研制出了鼠籠式馬鈴薯收獲機，可惜由于當時的動力輸出裝置參數(shù)達不到設(shè)計要求, 未能生產(chǎn)和推廣。1979年，12國農(nóng)機展覽會后，國家將全部馬鈴薯收獲機樣機都投放在黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學(xué)研究院，從而為馬鈴薯收獲機的研究工作創(chuàng)造了良好的條件[
]。
而到了1990年以后, 隨著我國的改革開放和重工業(yè)的重組改革，各地農(nóng)機工廠的技術(shù)水平大幅提高，農(nóng)村合作社也開始大量裝備輸出動力遠高于手扶拖拉機的四輪拖拉機。, 之前的馬鈴薯收獲機無論在效率還是方便程度上都遠遠落后于時代的發(fā)展。所以研制與之配套的馬鈴薯收獲機是我國馬鈴薯收獲行業(yè)乃至農(nóng)業(yè)部的重中之重。之前的馬鈴薯收獲機無論在效率還是方便程度上都遠遠落后于時代的發(fā)展。所以研制與之配套的馬鈴薯收獲機是我國馬鈴薯收獲行業(yè)乃至農(nóng)業(yè)部的重中之重[
]。
1.3 國內(nèi)外馬鈴薯收獲機存在的缺點與不足
與發(fā)達國家相比，我國對于馬鈴薯收獲機的研究時間短，研究水平稍低，對于農(nóng)業(yè)機械的普及率也遠不及國際上一些發(fā)達國家。相比于國外的大規(guī)模、高科技、聯(lián)合生產(chǎn)模式，我國的的馬鈴薯收獲機有很多的不足，就目前市場上最常見的一些收獲機來說，或多或少都存在著以下幾種問題，因此，難以在中國這種地域復(fù)雜，地勢高低差大的特點下實施大范圍推廣應(yīng)用。
(1)挖掘效率不高。在平作作業(yè)時，例如西南坡度較大的梯田上工作時，容易出現(xiàn)馬鈴薯挖掘不完全的問題，機器挖掘鏟入土不深，導(dǎo)致有許多馬鈴薯塊莖尚在土層里未被挖掘出土，造成產(chǎn)量低、產(chǎn)品浪費的問題。所以推廣使用馬鈴薯收獲機機具的最大難題之一就是提高當下市場上的馬鈴薯收獲機的生產(chǎn)效率。
(2)損失率高。生產(chǎn)損失率高。因為設(shè)計時參數(shù)選擇不合理，振動篩振幅和頻率出現(xiàn)設(shè)計不合理的問題，會造成挖掘和收獲不完全現(xiàn)象比較嚴重，例如典型的問題之一是馬鈴薯根莖混合大型的泥土土壤，作物收獲的成品難以直接呈現(xiàn)在人們眼前。故不能直接進行收獲裝袋，需要人工進行二次收獲過程，造成人力資源的極大的浪費。
(3)馬鈴薯塊莖的完整性差。有些廠家設(shè)計的收獲機具，為了改善生產(chǎn)損失率高的問題，一味追求提高馬鈴薯的挖掘效率而忽視塊莖本身的完整性，一位的提高挖掘鏟和振動篩的振動頻率和振幅，會造成很多馬鈴薯根莖的破碎，并且容易造成攏土的問題。高的馬鈴薯塊莖的破碎率降低了農(nóng)產(chǎn)品原先的商品價值。
(4)機具適應(yīng)性不高。我國的地形復(fù)雜，各個地方的土壤含水率與硬度不同，與之對應(yīng)的種植的馬鈴薯的品種、大小形狀、塊莖硬度也會有所不同，即便是專門為某品種馬鈴薯而研究開發(fā)的專用機型馬鈴薯收獲機的機器性能在各個不同地區(qū)的應(yīng)用效果也不夠穩(wěn)定，使其工作效率也容易變得不理想。
國外馬鈴薯收獲機發(fā)展時間很長，已經(jīng)發(fā)展了近百年的時間，其技術(shù)也已經(jīng)比較成熟。其特點是馬鈴薯收獲機可以添加各種模塊進行作業(yè)。因此國外的大型農(nóng)用機械制造廠商能夠根據(jù)不同客戶的不同的硬性需求，在馬鈴薯收獲機上配備各種符合要求的工作裝置進統(tǒng)一作業(yè)。
1.4 研究的內(nèi)容和方法
根據(jù)我國馬鈴薯收獲行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀、目前存在的問題、未來馬鈴薯收獲行業(yè)的發(fā)展要求以及對于國情的適應(yīng)情況。我所選擇的課題是振動式馬鈴薯收獲機的設(shè)計。根據(jù)市場上的產(chǎn)品和論文專利以及期刊的搜索，所選課題中振動式馬鈴薯收獲機主要由動力輸入裝置、傳動裝置、振動裝置和挖掘裝置四個部分所構(gòu)成。在這其中，動力輸入裝置一般由人駕駛家用四輪拖拉機進行牽引，通過拖拉機動力輸出軸提供動力，考慮到家用振動式馬鈴薯收獲機的便捷性，故設(shè)計成將四輪拖拉機通過三點懸掛的方式連接在振動式馬鈴薯收獲機上，由此來進行田間作業(yè)。
首先需要了解我國市場上已經(jīng)出現(xiàn)的振動式馬鈴薯收獲機的類型及其特點優(yōu)劣，按照機械設(shè)計手冊以及市場上現(xiàn)有的馬鈴薯收獲機來設(shè)計，目標是設(shè)計出符合中國家庭和小規(guī)模企業(yè)使用模式的、小型振動式馬鈴薯收獲機。需要滿足機器操控方便，易于上手；機器穩(wěn)定性能好，能夠滿足在不能地區(qū)收獲不同品種；保證馬鈴薯出土塊莖的完整率和塊莖的生產(chǎn)率。
1.5 預(yù)期目標
（1）機器操控方便，易于上手，整機結(jié)構(gòu)簡單，通用性能好，降低制造成本，同時，提高機器使用壽命
（2）土豆出土塊莖的完整率高，同時也能保證塊莖的生產(chǎn)率高。
（3）能夠滿足在不能地區(qū)收獲不同品種，安裝和使用方便靈活，在保證挖掘效率的前提下減少動力的消耗。
（4）機器制造低，容易操作，零件的通用性好，易于大規(guī)模的推廣制造，符合家庭作業(yè)和小型企業(yè)使用的要求。
1.6 重點研究的關(guān)鍵問題及解決思路
本機沒有采用一般的帶輪、離合器、鏈輪的傳動模式，而是選擇了更加簡便直接的方式，利用拖拉機的動力輸出軸作為動力輸入源，再通過萬象傳動軸將動力傳至偏心輪，利用偏心輪和連桿機構(gòu)，將回轉(zhuǎn)力轉(zhuǎn)化成為上下振動，為振動鏟和振動篩提供動力來源。
（1）選擇合適的傳動模式，建立計算運動學(xué)方程，設(shè)計和校核振動（工作）裝置和傳動裝置
（2）運用Auto CAD軟件，繪制二維零件圖和裝配圖。
1.7 工作條件及解決方法
延邊大學(xué)位于東北農(nóng)產(chǎn)品種植區(qū)，校內(nèi)有實習(xí)工廠，同時學(xué)校保有振動式馬鈴薯收獲機的原型機。實驗室設(shè)備良好，有足夠的軟件系統(tǒng)和模擬機。指導(dǎo)老師在這些方面有很多專利與論文期刊，同樣我校在農(nóng)用機械化的設(shè)計上很有經(jīng)驗，可以滿足對此次課題所選擇的對振動式馬鈴薯收獲機設(shè)計的工作條件。
第二章 振動式馬鈴薯收獲機總體設(shè)計
2.1 收獲機的典型方法和方案選擇
考慮到市面上的單行振動式收獲機配套的四輪拖拉機的功率一般在15-30KW左右，故無需設(shè)計帶輪與鏈輪傳動，可直接利用拖拉機自身的動力輸出軸作為收獲機的動力來源。因此本課題所設(shè)計的收獲機由一下幾個機構(gòu)構(gòu)成：機架、萬向傳動軸、牽引架（包括正、偏牽引架兩個部分）、振動挖掘鏟、、振動篩、地輪和振動篩傾角調(diào)整機構(gòu)，參考學(xué)校機械實驗室中的振動式馬鈴薯收獲機，本課題所設(shè)計的振動式馬鈴薯收獲機的整體結(jié)構(gòu)。
2.2 振動式馬鈴薯收獲機的振動工作原理
圖2-1 振動收獲原理示意圖
小型四輪拖拉機給振動式馬鈴薯收獲機提供動力來源，將拖拉機利用三點懸掛的方式固定在整機前端，拖拉機的動力輸出軸連接著一個萬象傳動軸，萬象傳動軸連接著轉(zhuǎn)向裝置，向兩側(cè)的曲柄連桿提供動力源，輪盤的回轉(zhuǎn)運動帶動四桿機構(gòu)的上下運動，桿件帶動工作裝置，振動篩和振動鏟。完成土豆挖掘和土薯分離的工作目的，為后續(xù)的馬鈴薯收拾做好準備工作。
2.3 整機主要的技術(shù)參數(shù)
馬鈴薯在中國分布很廣，大致可以分為四個產(chǎn)區(qū)，分別為西南，西北，東北和內(nèi)蒙古產(chǎn)區(qū)。本課題設(shè)計的振動式馬鈴薯收獲機是針對西南地區(qū)設(shè)計出來的，針對西南產(chǎn)區(qū)多分布于山地丘陵地貌，農(nóng)田不成片、種植地塊小，坡度大石塊多的特點。其偏牽引結(jié)構(gòu)和使用動力輸出軸的傳動方式，能夠較好的適應(yīng)西南產(chǎn)區(qū)小企業(yè)模式，小地塊作業(yè)、小區(qū)域育種的馬鈴薯種植的現(xiàn)實限制與要求。通過偏牽引的方式有效的避免了以往作業(yè)時容易出現(xiàn)的馬鈴薯挖掘機不能正確對壟的問題的出現(xiàn)，本課題設(shè)計的機器技術(shù)參數(shù)如下表所示：
表2-1 整機主要的技術(shù)參數(shù)
項目
參數(shù)
整機外形
15508401080（mm）
動力
18-21（KW）
整機質(zhì)量
110左右（kg）
作業(yè)行數(shù)
1
作業(yè)幅寬
460左右（mm）
挖掘深度
150左右（mm）
挖掘鏟與地面傾角
20°左右
適應(yīng)行距
700-900（mm）
第三章 整機關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動學(xué)分析
3.1牽引架設(shè)計
馬鈴薯挖掘機不能正對壟進行挖掘作業(yè)，可以選擇三點懸掛的牽引方式。這種牽引方式的設(shè)計使該機器有更好的通用性，可以滿足多地區(qū)小地塊的馬鈴薯挖掘作業(yè)。
3.2振動分離篩設(shè)計
振動分離篩的作用是分離大的土塊和馬鈴薯塊莖，此次設(shè)計的振動篩為U狀結(jié)構(gòu)，將不同長度的桿條通過焊接，連接在支架的不同部分。馬鈴薯塊莖的大小分布在50到100毫米之間，為保證馬鈴薯的生產(chǎn)率，振動篩的每根桿條間距設(shè)計為 40 mm，U型支架連接著振動架，在振動架的驅(qū)動下上下振動，將鏟出的馬鈴薯塊莖連同土塊一起做拋起運動，實現(xiàn)土薯分離。分離篩是工作裝置，需要進行關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動學(xué)過程分析。
3.3挖掘鏟的結(jié)構(gòu)設(shè)計
挖掘鏟是機器做工的重要的工作裝置之一，其目的是做好馬鈴薯塊莖的挖掘工作。斜拉桿再連接這挖掘鏟進行上下與前后的往復(fù)運動，由此將馬鈴薯塊莖從土層中挖出。鏟面水平傾角 α 的確定原則是保證掘起物不回翻下落的前提下，使掘起物能夠沿鏟面上升到一定高度，從而順利地將其輸送到鏟后面的分離裝置上。挖掘鏟鏟面水平傾角的理論值由掘起物在鏟面上的受力平衡方程確定：?
（3-1）
（3-2）
（3-3）
式中：
P——崛起物沿鏟面移動所需的力
R——鏟面對土壤的反作用力
G——崛起物的重力
T——鏟面對崛起物的摩擦力
——土壤對鋼的摩擦系數(shù)
連立得出：
查閱資料，根據(jù)以上公式，將入土段的入土角定為 25°，破碎輸送段的傾角應(yīng)小于入土角，取為 20°。同時，為了防止挖掘鏟與振動篩之間的間距過大，造成漏薯現(xiàn)象以影響生產(chǎn)率，因此在挖掘鏟的尾部焊接桿條，視作分離篩的延伸，用以分離土薯。為了保證挖掘鏟能夠有效的將馬鈴薯塊莖刨出，防止挖掘鏟受土層的應(yīng)力過大而導(dǎo)致擠壓馬鈴薯或遺漏馬鈴薯的問題的出現(xiàn)，設(shè)計采用一體式挖掘鏟，并保持其鏟面平滑，鏟尖鋒利。
第四章 整機關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動學(xué)分析
4. 1挖掘鏟、振動分離篩機構(gòu)運動學(xué)分析
圖4-1 六桿機構(gòu)
根據(jù)設(shè)計的振動式馬鈴薯的震動部分的分析，由于零件材料質(zhì)量分布平均，可以將其簡化平面連桿機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖4-1所示；以O(shè)點為原點建立自然直角坐。α1是OA桿與X軸的夾角；ω1為OA桿轉(zhuǎn)動的角速度；α2是BA桿與X軸的夾角；
為BA桿轉(zhuǎn)動的角速度；α3是BC桿與X軸的夾角；ω3是BC桿轉(zhuǎn)動的角速度；
所有轉(zhuǎn)動的角度方向都已逆時針方向為正方向。
作封閉矢量多邊型進行運動學(xué)分析，可以建立出矢量多邊形并對其用數(shù)學(xué)方程表示：
OA+AB=OC+CB (4-1)
由矢量方程建立位移方程有：
由方程4-1可得兩個位移方程等式，分別為X方向與Y方向：
XA+L2*cosα2=XC+L3*cosα3YA+L2*sinα2=YC+L3*sinα3 (4-2)
式中：XJ與YJ分別是構(gòu)件上某一點 j(鉸鏈點或任意點 A、B、C…)在坐標系中的X坐標與Y坐標；Li為連桿機構(gòu)中構(gòu)件i (1、2、3…)的兩端鉸鏈點間的距離（如L2為AB的桿長，L3為CB的桿長）；
現(xiàn)在先計算X方向的運動；將4-2中X方向上的位移方程等式兩端對時間t求導(dǎo)：
LOA*ω1*sinα1+L2*ω2*sinα2=L3*ω3*sinα3（4-3）
式中：LOA為桿OA的長度；ω2=L3*ω3*sinα3-LOA*ω1*sinα1L2*sinα2
將坐標系繞原點O逆時針旋轉(zhuǎn)角度α3，以CB方向為X軸方向，可簡化等式得：
ω2=-LOA*ω1*(α1-α3)L2*sin(α2-α3)
同理將坐標系繞O點逆時針旋轉(zhuǎn)角度α2，變成以BA方向為X軸方向，可簡化等式得
ω3=-LOA*ω1*(α1-α2)L3*sin(α3-α2)
現(xiàn)在求各構(gòu)件角加速度的關(guān)系，設(shè)ai為構(gòu)件i的角加速度；對等式4-3對時間求導(dǎo)
LOA*a1*sinα1+ω12*cosω1+L2*a2*sinα2+ω22*cosω2
=L3*(a3*sinα3+ω32*cosω2) （4-4）
將坐標系繞原點O逆時針旋轉(zhuǎn)角度α2；可化簡得出：
a3=LOA*a1*sin?(α1-α2)+LOA*ω12*cosω1-ω2+L2*ω22-L3*ω32*cos?(ω2-ω2)L3*sin?(α3-α2)
由圖可以建立出E點的運動學(xué)方程，分為X軸方向與Y軸方向
XE=LOE*cosαOEYE=LOE*sinαOE （4-5）
在式4-5方程中等式兩邊對時間求導(dǎo)，可得E點的加速度方程：
axE=-LOE*aOE*sinαOE-LOE*ωOE2*cosωOEaYE=LOE*aOE*cosαOE-LOE*ωOE2*sinωOE (4-6)
式中：axE為E點在X方向上的加速度，aYE為E點在Y方向上的加速度
第五章 動力裝置的設(shè)計與選用
5.1 傳動系統(tǒng)的確定
本機械所適用的作業(yè)田為旱地壟種，單壟壟長需大于200m，每壟之間的壟距需大于等于800mm，每壟的高度為250mm，結(jié)薯深度應(yīng)在140～180 mm之間。機器配套的四輪拖拉機的傳動功率應(yīng)大于20KW，本機設(shè)計使用的是市面上的約翰迪爾280型拖拉機，其額定輸出功率為20.6KW，輸出軸轉(zhuǎn)速分為540/720（r/min)和540/1000(r/min)兩種，使用第一檔540轉(zhuǎn)/分鐘；由拖拉機提供牽引動力，經(jīng)過所示的萬向傳動軸裝置，對機器進行動力輸入，滿足振動式馬鈴薯收獲機的動力要求。經(jīng)過所示的萬向傳動軸裝置，對機器進行動力輸入，讓它能夠在田間作業(yè)[
]。
圖5-1 傳動系統(tǒng)
根據(jù)傳動比與功率的算法，
短軸功率：
長軸功率：
5.2 轉(zhuǎn)向裝置的設(shè)計與校核
動力輸入軸輸入的動力，需要經(jīng)過轉(zhuǎn)向裝置，才能把垂直的動力輸入轉(zhuǎn)換成為可以帶動機架兩側(cè)偏心輪轉(zhuǎn)動的有效的動力來源。轉(zhuǎn)向裝置所采用的是將兩個錐齒輪以正交傳動的方式嚙合，由于此轉(zhuǎn)向裝置只是將傳動方向改變，故將傳動比定為i=1；該傳動裝置考慮到經(jīng)濟性與工作條件，查機械設(shè)計手冊，使用直齒錐齒輪，并推薦使用等頂隙收縮齒輪，先對主要尺寸做初步的確定工作。
（1） 錐齒輪的傳動比i=1；故兩齒輪的齒數(shù)相等，取z=30;
（2） 由于轉(zhuǎn)速不高，對精度的要求也不高，可以選擇40cr的調(diào)質(zhì)合金鍛鋼；
根據(jù)設(shè)計手冊：，查設(shè)計手冊e取值1200，
根據(jù)約翰迪爾280型拖拉機的參數(shù)
兩錐齒輪的分度圓直徑相同，再考慮彎曲疲勞強度對齒數(shù)模數(shù)的影響；
將查閱與計算的數(shù)據(jù)帶入得出齒數(shù)
本課題的傳動裝置，采用半開式，對環(huán)境的要求不是很高，但由于傳動系統(tǒng)的重要性，依舊對其進行強度校核。
帶入不等式：
得出
由于設(shè)計的轉(zhuǎn)向裝置是由兩個完全相同的錐齒輪正交而成，故兩錐齒輪強度設(shè)計滿足要求；
完善兩錐齒輪的幾何參數(shù)：
齒頂高：
齒根高：
齒高：
齒頂直徑：
齒根圓直徑：
錐距：
5.2 曲柄連桿機構(gòu)設(shè)計
首先需要確定偏心距；對六桿機構(gòu)的前面主動運動部分的四桿機構(gòu)先進行分析；該機構(gòu)的偏心輪的偏心距就是其曲柄的桿長；C點為振動鏟與機架的鉸接點，桿OA 即為曲柄,為回轉(zhuǎn)導(dǎo)桿機構(gòu)；
圖5-2 連桿機構(gòu)示意圖
若圖中所釋的連桿機構(gòu)為曲柄連桿機構(gòu)，則需要滿足條件
對于曲柄連桿機構(gòu)而言，需要考慮他的最小傳動角，當A點運動至OC線段上時設(shè)傳動角為 ；當A點運動至OC線段的延長線上時設(shè)傳動角為 ；考慮到該機構(gòu)提供振動來源，故需要其傳力性能好；則需要滿足：
設(shè)計
則可選取
5.3 軸的設(shè)計與校核
該機構(gòu)有三個軸需要進行設(shè)計計算。分別是動力輸入軸；動力輸入軸所連接的短軸以及帶動機架兩側(cè)偏心輪轉(zhuǎn)動的長軸；首先是對動力輸入軸進行設(shè)計計算：
（1）萬向傳動軸作為唯一的一個動力輸入軸，作為只需要承受扭矩的傳動軸，軸的強度計算只需要考慮第一種強度校核—扭轉(zhuǎn)強度條件計算。根據(jù)第九版機械設(shè)計書P336可得軸的最小直徑：：
d≥39550000*P0.2*τT*n=A0*?Pn (5-1)
式中：——計算截面直徑（mm）；
——軸的許用扭切應(yīng)力（）；
P——軸傳遞的功率（）；
——軸的轉(zhuǎn)速（）；
A0——根據(jù)軸的材料和許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力變化的常數(shù)。
根據(jù)約翰迪爾280型拖拉機的參數(shù)可知：
軸的轉(zhuǎn)速:
n=540r/min
軸的輸入功率:
P=20.6kw
軸的扭矩:
T=9549*Pn=9549*20.6540≈364.28(N*m)
由于碳鋼價格低廉，對比合金鋼對應(yīng)力集中不太敏感，此處傳動軸在常溫環(huán)境下工作，故在此處可用應(yīng)用范圍最為廣泛的45號鋼；同樣因為萬向傳動在是用以實現(xiàn)薯土分離的裝置，是比較重要的軸，故相對應(yīng)該提高強度，選擇調(diào)制處理。因此經(jīng)過計算和查閱相關(guān)資料可得：
抗拉強度極限σB=640;屈服強度極限σS=355;
軸只做單向旋轉(zhuǎn)A0取值應(yīng)該較小，A0=126~103;取A0=110;
將數(shù)據(jù)代入式5-1得：
綜上所述，此軸滿足受力要求，可以滿足工作需要。
（2）對長軸進行設(shè)計計算與校核：
先對在長軸上的直齒錐齒輪進行受力分析：
（5-2）；
將錐齒輪的幾何參數(shù)帶入，分別可以求出
由于長軸是轉(zhuǎn)軸，同時受彎矩的影響和扭矩的影響，所以需要按彎扭合成強度條件和對軸進行校核：
需要畫出其彎扭圖對其分析，
其軸的受力情況如圖所示：
圖5-3 受力圖
在危險截面，也就是錐齒輪所受切向力，徑向力與軸向力的平面；
計算長軸左段的彎矩，
在水平面截面來看：
；
可以畫出彎矩圖：
圖5-4 水平面彎矩圖
對豎直平面進行分析：
畫出豎直平面彎矩圖：
圖5-5 豎直面彎矩圖
在這里就可以求出其總彎矩：
可以畫出總彎矩圖：
圖5-6總彎矩圖
圖5-7扭矩圖
由圖分析可以得出：
——軸的計算應(yīng)力；
M ——軸所受的彎矩；
T ——軸所受的扭矩；
W ——抗彎截面系數(shù)；
（3）對短軸進行設(shè)計計算與校核：
先對在短軸上的直齒錐齒輪進行受力分析：
由于兩錐齒輪相同，故可以將原來的數(shù)據(jù)帶入：
由于短軸是轉(zhuǎn)軸，同時受彎矩的影響和扭矩的影響，所以需要按彎扭合成強度條件和對軸進行校核：
需要畫出其彎扭圖對其分析，
其軸的受力情況如圖所示：
圖5-8受力圖
在危險截面，也就是錐齒輪所受切向力，徑向力與軸向力的平面；
計算長軸左段的彎矩，
在水平面截面來看：
可以畫出彎矩圖
圖5-9水平面彎矩圖
對豎直平面進行分析：
畫出豎直平面彎矩圖：
圖5- 10豎直面彎矩圖
在這里就可以求出其總彎矩：
圖5- 11總彎矩圖
圖5- 12扭矩圖
同理由圖分析可以得出：
滿足條件；
5.4 鍵的校核
選擇鍵連接的類型，對于錐齒輪和軸的連接，本課題采取的是平鍵連接；由于根據(jù)設(shè)計的齒輪相對軸的位置，選用普通平鍵即可。根據(jù)軸徑，查表；
確定平鍵的尺寸；
寬度b=20mm ,高度 h=12mm; 選擇鍵長L=67mm;
可得鍵的工作長度：
;
普通平鍵連接的強度條件：
（5-3）
查國標GB/T 1096-2003;帶入式5-3：
設(shè)計滿足要求。
總 結(jié)
此次設(shè)計經(jīng)過了一個學(xué)期左右的時間，大致經(jīng)過了一下的幾個階段過程
1.通過使用中國知網(wǎng)查詢論文，了解國內(nèi)外馬鈴薯發(fā)展的歷史以及現(xiàn)狀。
2.通過已經(jīng)查閱的論文和專利，對所設(shè)計的振動式馬鈴薯收獲機的動力輸入輸出方案、傳動方案、振動部分以及挖掘部分進行選擇。
3.通過已經(jīng)選擇的方案，對所選方案進行校核計算，尤其是分析主要零部件的受力狀況。
4.通過對數(shù)據(jù)的整理與分析，選擇出符合設(shè)計參數(shù)的材料，完成整機設(shè)計過程。
設(shè)計出整機的基本數(shù)據(jù)，通過solid works做出相對應(yīng)的虛擬樣機模型，對比市場上原有的產(chǎn)品的優(yōu)點與不足，為了使所設(shè)計的振動式馬鈴薯收獲機能適應(yīng)各種壟種模式，故添加一個調(diào)節(jié)裝置，以方便改動振動鏟與地面的夾角。
致 謝
在經(jīng)過大四下一個學(xué)期的辛苦與繁忙，畢業(yè)計劃已靠近尾聲，在此特別需要感激我的指導(dǎo)老師文學(xué)洙文老師對我的悉心指點和計劃小組的同學(xué)們的幫助與互相支持，使得畢業(yè)計劃得以順利完成。
在我完成這次畢業(yè)設(shè)計的過程當中，指導(dǎo)老師文老師所把握的踏實的理論知識與豐碩的實踐經(jīng)驗讓我印象深刻，尤其是老師對專業(yè)知識的靈活運用讓我收益匪淺。同時，也使我學(xué)會了學(xué)以致用，將大學(xué)四年所學(xué)習(xí)到的理論知識與畢業(yè)設(shè)計所選擇的課題以及以及未來學(xué)習(xí)工作中遇到的綜合性問題相聯(lián)系，使我有能力加倍高效的處理了畢業(yè)設(shè)計中所遇到的一些問題，也對未來獨擋一面有信心。此外，若非指導(dǎo)老師熱心的帶我參觀學(xué)校所保有的原型機，我也難以靠個人想象設(shè)計。在此謹向為指導(dǎo)我們畢業(yè)設(shè)計小組而為此辛勞了一個學(xué)期的指導(dǎo)老師文老師致以最高的謝意。
回顧整個學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計過程，不僅僅只有個人設(shè)計過程中的忙碌與緊張，小組的協(xié)同合作也十分的常見。小組成員互相幫助，遇到問題在小組內(nèi)互相提出問題解決問題，將原本很難自我解決的問題利用團隊的智慧慢慢攻破。由此我更加明白畢業(yè)設(shè)計不僅僅是對我們大學(xué)四年專業(yè)知識的綜合檢驗，同時也提早幫助我們了解以后如何與他人合作，培養(yǎng)了我們的團隊合作與奉獻精神。
在最后我要感謝延邊大學(xué)工學(xué)院機械系這四年對我的悉心教養(yǎng)，為我的學(xué)習(xí)創(chuàng)造了良好的環(huán)境并且提供了極為優(yōu)質(zhì)的研究條件。在畢業(yè)答辯來臨之際，我希望在以后的學(xué)習(xí)工作中能夠體現(xiàn)自己的價值，展示自己的能力。
最后，祝同組伙伴，同校同學(xué)在今后的工作和生活中一切順利！
參 考 文 獻
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