桑葉采收機總體方案的擬定及傳動系統(tǒng)的設計

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Finally, design a mulberry leaf harvesting machine that is cheapy, easy to repair, safe and reliable. Key words: Mulberry leaf harvesting; harvesting; negative pressure; pulley; the wire flexible shaft 1 前言 種桑養(yǎng)蠶在我國有著悠久的歷史 ,栽桑的目的是采葉養(yǎng)蠶，而桑葉又是桑樹的營 養(yǎng)器官，在采葉的同時，要注意養(yǎng)樹，以達到下期或來年得到更多桑葉的目的。采葉 的基本方法有摘葉法、采芽法和剪條法三種 15：摘葉法在小蠶或夏、秋蠶期應用；采 芽法在春蠶大蠶期應用；剪條法是連條帶葉剪取條桑，直接飼蠶。秋末冬初，通過剪 梢（剪去枝條梢部） ，能減少桑樹凍害，提高發(fā)芽率和春葉產(chǎn)量。目前全國桑蠶養(yǎng)殖 達到盛況,而且還在不斷地擴大化中,作為今后農(nóng)戶新的一種經(jīng)濟農(nóng)作物,勢必會形成 全國的支柱產(chǎn)業(yè)之一。如果能針對性地研發(fā)出來適用于這種桑葉采摘方式的工具,就 能把農(nóng)戶從痛苦的勞作中解救出來,讓他們省時又省力地完成龐大的工作量。 本課題即針對桑葉采收主要靠人工進行時的問題及現(xiàn)有采收設備不足的現(xiàn)狀，研 究出一種專用于桑葉采收的機械設備，并對整機各結(jié)構(gòu)部件進行協(xié)調(diào)，對采收機所用 刀片的材料、結(jié)構(gòu)進行分析，研制配套的負壓系統(tǒng)，相應的鋼絲軟軸，機架，并進行 計算和裝配圖的繪制。最終設計出一臺便于操作維修、成本低、效率高的桑葉采收機。 2 課題設計的意義 2.1 桑葉采收機發(fā)展現(xiàn)狀 采桑機是從近年來發(fā)展起來的，然而采茶機的研制早有淵源。1956 年開始,日本 就開始試作電氣動力源的攜帶型采桑機,1961 年開始公開演示。同年,日本制定了農(nóng)業(yè) 現(xiàn)代化發(fā)展的農(nóng)業(yè)基本法,使得全國的拖拉機的普及臺數(shù)超過了 100 萬臺,有效地推進 了農(nóng)業(yè)的機械化。 與采茶機類似，攜帶型采桑機的采桑方式有 3 種,即往復動刃型(現(xiàn)在的可搬型采 桑機多采用這種方式)圓盤狀的水平回轉(zhuǎn)刃型以及圓桶刃型,攜帶型的機械,機身重 6- 12 公斤,采摘幅度 25-45 厘米.采摘勞動強度相對較大,工作效率也相對較低,但現(xiàn)在日 本的桑樹園還有不少是沿用該機械的,1 小時可采 40-60 公斤鮮葉 14。 2.2 采茶機發(fā)展現(xiàn)狀 采桑機雖然在國外早已開始應用，但在我國的研究卻比較落后。中國早已研制出 自己的采茶機，中國對采茶機的研究是五十年代末期開始的，近年來進展較快。機器 采茶已在部分地區(qū)和國營茶場較大面積上試用，全國不少專業(yè)研究機構(gòu)也對機采問題 作了較為廣泛的研究，并已取得一定成果。中國研制并已提供生產(chǎn)上試用、試驗的機 型有十余種。采茶機的工作原理均屬切割式?；拘褪接型鶑颓懈钍?、螺旋滾刀式、 水平旋轉(zhuǎn)鉤刀式三種。動力來源分機動、電動、手動三種。 采茶機的工效與茶芽生長情況、操作者技術熟練程度及采茶機采摘幅寬度關系較 大。機采的生產(chǎn)效率一般要比手采高 6-15 倍。如江蘇芙蓉茶場機動螺旋滾動式采茶 機（采摘幅寬 270 毫米，每臺兩人輪換工作） ，臺時產(chǎn)量為 80-100 斤鮮葉，較手采提 高 15 倍。湖北省 74-I 型手搖軟軸傳動采茶機（采摘幅 270 毫米，兩人操作） ，臺時 產(chǎn)量為 73 斤鮮葉，較采提高 6-8 倍。上海農(nóng)機所和我所試制的 JW 機動往復切割有茶 機（幅寬 300 毫米，兩人操作） ，臺時間量為 80-90 斤鮮葉，比手采提高 10 倍左右。 采茶機的采摘質(zhì)量，以往復切割式為好，完整芽葉可達 60-70%，加上破碎但能制 茶的部分鮮葉，可制率達 85-90%。水平旋轉(zhuǎn)鉤刀式采茶機的完整芽葉為 40-55%，可 制率在 75%以上。螺旋滾切式采茶機的完整芽葉只有 30-40%，可制率在 50%以上 11。 2.3 桑葉采收機的市場及其前景 近年來 ,我國桑蠶業(yè)發(fā)展很快 ,隨著種桑面積的擴大 ,廣大桑農(nóng)也遇到了一些難 題 ,比如桑葉目前只能靠手工采摘 ,效率很低。隨著東桑西移工程的實施,目前全國 的桑蠶養(yǎng)殖達到了空前的旺盛階段,除去幾個因天氣與地形影響而種不了桑養(yǎng)不了蠶 的地區(qū),其它地方基本上或多或少的都已形成了大規(guī)模的桑蠶養(yǎng)殖,從而也使得桑蠶養(yǎng) 殖成為當?shù)氐闹еa(chǎn)業(yè).幾十年來,農(nóng)戶的手工勞作形成了采摘桑葉的唯一習慣,時間 長,勞動強度大,除去手部會受傷外,還會因天氣炎熱而造成中暑死亡的事例。這種勞 動方式幾十年來給農(nóng)戶帶來苦不堪言的痛楚,但因為沒有一種有效的工具可以幫助他 們從繁重的勞動中解脫出來,所以他們不得不一直忍受著。 為此 ,作者設計了桑葉采收機 ,以降低勞動強度 ,提高采桑效率 ,獲得更高的經(jīng) 濟效益。 隨著桑蠶養(yǎng)殖市場的不斷擴大化,這種桑葉采收機必會受到廣大農(nóng)戶的喜愛與接 納,也使得桑葉采收機的市場需求前景無限！ 3 總體方案的提出 目前市場上的桑葉采收機，總體結(jié)構(gòu)上可以借鑒的地方較少，因此我根據(jù)現(xiàn)有茶 葉采收機及修剪機的結(jié)構(gòu)，結(jié)合桑葉特征以及農(nóng)機相關知識進行修改，提出了本設計 的總體方案。 該桑葉采收機的工作原理是肉眼識別，單葉操作，機械采摘，真空收集。工作時 真空泵運轉(zhuǎn)使采集箱處于負壓狀態(tài)，另機械采摘器形成吸力，用肉眼識別和選擇桑葉 嫩枝，用機械采摘器將嫩枝切斷，嫩枝被吸入機械采摘器并經(jīng)軟管進入采集箱。 本桑葉采收機的優(yōu)點是肉眼識別，選擇性采收。機械采摘提高勞動效率節(jié)省人工； 真空收集提高收集速度，避免手指、指甲等接觸、劃傷葉片，既保護勞動者，又減少 了產(chǎn)品污染。 31 主要結(jié)構(gòu) 以下結(jié)合圖 1 對本實用新型的技術方案做進一步的說明。 圖 1 總體布置圖 Fig 1 General arrangement diagram 1-扶手，2-支撐墊，3-鋼絲軟軸，4-可視泄料窗，5-皮帶輪，6-汽油機（風機） ， 7-濾葉絲網(wǎng)，8-采集箱，9-行走輪，10 軟管，11-采摘刀，12-進葉口 32 工作原理 該桑葉采收機由小型汽油機作為氣吸裝置和采摘器的動力來源。小型汽油機的曲 軸與風機采取直連的連接方式，傳動方式為把汽油機的轉(zhuǎn)動部分與離合器、皮帶輪相 連，通過一級皮帶輪減速帶動鋼絲軟軸轉(zhuǎn)動，繼而帶動采摘頭的采摘刀轉(zhuǎn)動，切斷桑 樹細嫩枝葉。收集部分由風機、軟管和采集箱組成。小型汽油發(fā)動機在怠速狀態(tài)工作 時，離心式離合器處于分離狀態(tài)，不傳遞動力。當汽油發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到離合工作轉(zhuǎn)速 時，離合器開始結(jié)合對外輸出動力，一方面通過一級皮帶減速驅(qū)動鋼絲軟軸帶動采摘 刀工作。與此同時發(fā)動機在額定工況下工作時，風機也在額定工況下工作。氣吸式風 送結(jié)構(gòu)把切下來的桑葉吸送到采集箱內(nèi)，從而實現(xiàn)對桑葉的采收。 4 主要零部件的設計計算 4.1 整機結(jié)構(gòu) 本次設計的桑葉采收機主要由機架、鋼絲軟軸、刀具、皮帶輪、汽油機、風機以 及其他零部件和支撐件組成。雙人操作，一人推車前進，另一人進行采收。汽油機帶 動皮帶輪傳遞動力到軸承，帶動采摘刀工作，同時風機制造負壓將切斷的桑葉吸進采 集箱。 4.2 設計要求 4.2.1 技術指標 (1) 采收高度：300mm ； (2) 機身重量：40%； 4.3 汽油機的選擇 4.3.1 已知給定刀具參數(shù)如下 (1) 切削力 F=150N (2) 切削最大半徑 R=60mm (3) 刀片轉(zhuǎn)速 n=1500r/min 4.3.2 汽油機的選擇計算 T=FR=150N0.06=9N.m Pw=Tn/9550=91500/9550=1.4kw P 軟軸 =1.4/0.98=1.43kw P2=1.43/0.94=1.52kw Pd=P 風機 +P2=4kw 由以上計算，我選擇 IE67-8F 汽油機，水冷，最大功率 10kw，額定轉(zhuǎn)速 2500r/min. 4.4 帶傳動的設計與計算 帶傳動是一種摩擦傳動，由具有彈性和柔性的帶繞在帶輪上所產(chǎn)生的摩擦力來傳 遞運動和動力，帶傳動主要用在中、小功率傳遞中，傳動平穩(wěn)，噪聲小。在需要精確 傳動比的地方，同步帶因不需要潤滑而得到廣泛的應用；而更多的地方不需要精確的 傳動比，因此其他形式的帶傳動廣泛應用在國民經(jīng)濟和人民生活的各個領域。一般來 說，帶傳動的功率 P3844，公稱尺寸 bh=128，公稱尺寸 b=12。 取輪轂長度 L=80。平鍵選用材料為 45 剛，個數(shù)為 2 個，長度取 40mm。為了保證 與軸配合有良好的對中性，故選擇皮帶輪輪轂與軸的配合為 。76Hn (3) 確定軸上圓角和倒角尺寸，參考文獻10表 15-2，取軸端倒角為 245，各 軸 肩處的圓角半徑及結(jié)構(gòu)尺寸見圖 2 及圖 3。 (4) 由于快速皮帶輪軸必須同時帶動汽油機和風機，需要兩個聯(lián)軸器，而慢速皮 帶輪要帶動鋼絲軟軸，需要一個聯(lián)軸器，因此共需要三個聯(lián)軸器。選用標準件 GYS6。 其中，軸孔直徑分別為 40mm 和 50mm。因為需要保持連接緊密，所以采用過盈配合 76Hk 圖 2 慢速皮帶輪軸 Fig 2 Slow pulley Shaft 圖 3 快速皮帶輪軸 Fig 3 Fast pulley Shaft 4.6.3 軸的校核 軸傳遞的扭矩由軸的計算得 T1=9741Nmm 已知帶輪軸壓軸力 Fq為 493.5N 只考慮垂直面所受彎矩，如圖 b MV=56Fq=28869.75Nmm 由于水平面彎矩為 0，危險截面處最大合成彎矩計算 (16)VH2 做扭矩圖，如圖 c T1=9741Nmm 進行校核時，通常只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面的強度。根據(jù)文獻10 式（15-5）及以上所算的數(shù)據(jù)，由于扭轉(zhuǎn)切應力為脈動循環(huán)變應力，取 a=0.6，軸的 計算應力 (17) 易知 ,故安全！MPa6079.51 圖 4 軸的校核 Fig 4 Axis calibration 4.6.4 鍵的校核 平鍵連接傳遞轉(zhuǎn)矩時，其主要的實效形式是工作面被壓潰。因此通常只按工作面 的擠壓應力進行強度校核。 假定載荷在工作面上是均勻分布的，不同平鍵連接的強度條件為 (18) 式中；T-傳遞的扭矩 Nm K-鍵與輪鍵槽的接觸高度 mm L-鍵的工作長度 mm D-軸的直徑 對于安裝皮帶輪的軸上的鍵進行相關校核， ，其中MPap6.12MPap60 可見 ，所以鍵的強度足夠。p 4.7 風機的設計 風機是將原動機的機械能轉(zhuǎn)換為被輸送氣體的壓力能和動能的一種動力設備。對 于采收桑葉來說，風機是一種不可缺少的動力設備。利用風機所產(chǎn)生的負壓，為采收 提供所需的風量。 風機根據(jù)其作用原理的不同，一般可分為離心式、軸流式、混流式三類。在工業(yè) 生產(chǎn)中應用較為廣泛的是離心式和軸流式，在通風除塵系統(tǒng)中，主要是使用離心式風 機。 4.7.1 各種類型風機的工作原理 (1) 離心式風機工作原理 離心風機的工作原理是，葉輪告訴旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力使流體獲得能量,即流體通過 葉輪后,壓能和動能都得到提高,從而能夠被輸送到高處或遠處。離心式風機的葉輪裝 在一個螺旋型的外殼內(nèi),當葉輪旋轉(zhuǎn)時,流體軸向流入,然后轉(zhuǎn) 90進入葉輪流道并徑 向流出。葉輪連續(xù)旋轉(zhuǎn),在葉輪入口處不斷形成真空,從而使流體連續(xù)不斷地被風機吸 入排出。 (2) 軸流式風機工作原理 軸流式風機的工作原理是，旋轉(zhuǎn)葉片的擠壓推進力使流體得能量，升高其壓能和動能。 軸流式風機的葉輪安裝在圓錐形機殼內(nèi)，當葉輪旋轉(zhuǎn)時，流體軸向流入。在葉片葉道 內(nèi)獲得能量后，沿軸向流出。軸流式風機適用于大流量，低壓力，電廠中常用作送引 風機。 (3) 混流式風機工作原理 混流式風機工作原理是，流體進入葉輪后，流動的方向處于軸流式與離心式之間，近 似沿錐面流動?；炝魇斤L機的性能亦介于離心式與軸流式之間，起流量大于離心式但 小于軸流式；全壓大于軸流式而小于離心式。 考慮到桑葉采收機功率不大，我選擇離心式風機。 4.7.2 風機的分類 按壓力的大小風機可分為通風機，鼓風機和壓氣機。隨著生產(chǎn)和科學技術的發(fā)展， 日益需要輸送空氣、氧氣、氮氣、氫氣、乙烯、丙稀等各種氣體的機械。通風機是應 用最廣泛的一種氣體輸送機械。 通風機按照工作時候產(chǎn)生的壓力大小可分為（在大氣壓為 101.3KPa，氣溫為 20的標準狀態(tài)下）： 低壓離心式通風機：通風機全壓 p1KPa； 中壓離心式通風機：通風機全壓 p=1KPa3 KPa； 高壓離心式通風機：通風機全壓 p=3KPa5 KPa； 低壓軸流通風機：通風機全壓 p500Pa； 高壓軸流通風機：通風機全壓 p500Pa。 通風機廣泛地運用于各個工業(yè)部門，在家庭中廣泛使用的電風扇和吹風機都屬于 通風機，其中離心式通風機因為性能范圍廣，效率高，體積小，重量輕，能與高速原 動機直聯(lián)，所以運用最為廣泛。 4.7.3 離心式通風機的選擇 離心式通風機的主要結(jié)構(gòu)部件為葉輪、機殼、進氣口、出氣口 機殼內(nèi)的葉輪安 裝于原動機拖動的軸承上。葉輪由葉片和連接葉片的前盤及后盤組成。葉輪后盤裝在 轉(zhuǎn)輪上，機殼一般是鋼板制成螺線狀箱體，支撐與支架上。 離心式通風機的選擇主要是指風機本體的選擇，同時還包括與其相配的傳動部件 電動機等的選擇，選擇風機是保證通風除塵系統(tǒng)能否正常工作的關鍵。風機選擇不當， 造成設備投資及能耗的浪費，因此，在選擇風機時，一定要全面考慮，做到正確選擇， 以達到預期目的。 4.7.4 主要參數(shù)的設計計算 (1) 輸送量的確定：根據(jù)要求知其輸送量為 300kg/時。 (2) 混合比的選?。夯旌媳仁侵冈趩挝粫r間內(nèi)輸送的物料質(zhì)量與同一時間內(nèi)通過 該管道的空氣質(zhì)量之比，用 m 表示。吸送式負壓輸送系統(tǒng)裝置混合比的選取主要 取決于管系條件（輸送管長度、管內(nèi)壁粗糙狀況、彎管數(shù)量及管道布置方式等） 、 物料物理特性及氣源機械的性能（真空度、風量等）因數(shù)。M 值越大，有利于提高 裝置的輸送能力。對懸浮輸送方式來說，在規(guī)定生產(chǎn)條件下，如選定的 m 值大， 則所需風量小，因而可用管徑較小的管道，且單位能耗也低。但若 m 值過大，則 管路壓力損失增大，要求采用真空度較高的氣源機械，且輸送管道容易發(fā)生堵塞。 反之，如選取的 m 值小，則所需風量大，不僅管徑和分離、除塵等設備的尺寸都 要增大，且由于功率主要消耗在輸送大量空氣而使裝置單位能耗增高。然而選用 小的 m 值，卻可以采用真空度較小的風機。由此看來，影響 m 值的因數(shù)很多，其 值的范圍也較大，很難用公式簡單計算求得。在設計計算時盡可能參考各種實例、 憑借已有經(jīng)驗或試驗數(shù)據(jù)來確定，一般低真空吸送式負壓輸送系統(tǒng)裝置，選取混 合比 m=2。 (3) 計算空氣流量的確定：根據(jù)選擇的輸送混合比 m=2，所需風量 Q 應為： (19) 式中：Q風量（m3/h） a空氣比重，取 a=1.2kg/m Gs輸送量 kg/h 混合比，其值由經(jīng)驗得。在此選擇 =4 所以按設計要求的風量為： )/(3.208.15hmGQas (5) 被輸送物料的運動速度確定：確定合理的輸送速度必須保證裝置能長期正常 輸送物料。因此，應該考慮以下諸多因素可能的影響：風機工作性能的變化；管系漏 氣；輸送物料品種及某類物料圖物理特性的可能變化；氣流輸送系統(tǒng)要求具有一定的 輸送能力儲備；氣象條件的變化。 綜合以上各項影響因素，按照已有實踐經(jīng)驗數(shù)據(jù)，我這次選用的輸送氣流速度為 20m/s。 (5) 輸料管的內(nèi)徑：輸料管起始段內(nèi)徑可按下式確定： (20)mvQDa6023.801.018. 考慮到桑葉大小，為防止堵塞，選擇內(nèi)徑為 60mm。 根據(jù)上述分析和計算結(jié)果，我選擇 11-62 離心式風機，其穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為 n=2500r/min 風量為 Q=500m3/h，進口風壓 H=-250Pa。 4.8 刀具結(jié)構(gòu)的設計及材料的選擇 4.8.1 刀具與采摘頭的結(jié)構(gòu)與安裝 刀具的結(jié)構(gòu)采用用圓盤形的刀盤，兩邊有裝有兩個對稱的刀片，為防止切割桑樹 枝時桑樹枝外滑，故把刀刃設計成呈圓弧型。刀具使用螺紋和軟軸相連，并通過管接 頭安裝在采摘頭上，管接頭采取螺釘固定。 與此同時，真空軟管也通過管接頭連接在采摘頭上，采摘頭由 Q235 鋼制造。采 摘刀的位置要放置到正好能將切下來的枝葉送往真空管中的部位，不偏不倚。具體形 式如圖 5。 圖 5 采摘頭 Figure 5 Picture head 4.8.2 刀具材料的選擇 因刀片在高速的環(huán)境下工作，且在剪切過程中，刀片會受到很大的擠壓力，摩擦 也會很厲害，需要的硬度也比較高。根據(jù)這些因素我決定選擇 W18Cr4V。 W18Cr4V 是應用比較廣泛的的高速鋼，其性能主要有：熱處理硬度可達 63- 66HRC，抗彎強度可達 3500MPa 左右，可磨性好。其優(yōu)點：通用性強，工藝成熟。 熱處理：經(jīng)淬火硬度達到 66HRC，刀尖處噴涂碳化鈦或氮化鈦。 4.9 其它部分的設計 4.9.1 機架的設計 機架是固定和承載汽油機和工作機構(gòu)的，機架采用焊接成型，考慮到加工和維修 的方便性和使用的經(jīng)濟性，故材料采用塑性好，焊接性能好的 HT200 焊接而成。汽油 機、風機、工作機構(gòu)與機架均采用螺栓聯(lián)接。 4.9.2 行走輪設計 桑葉采收機的行走輪由輪轂和輪胎組成，輪轂根據(jù)前面的設計要求選擇 45 鋼。 輪胎在此要與輪轂配合，輪胎的大小尺寸應與桑葉采收機的整體形狀和尺寸緊緊相連。 輪胎的外徑是 =160mm，由于負載不大，且速度較低，為使結(jié)構(gòu)簡化，其具體形狀采 用輪軸合一的形式，外圈材料為橡膠。行走輪的具體尺寸如圖 6。 圖 6 行走輪 Figure 6 The walking wheel 5 總結(jié) 5.1 產(chǎn)品的優(yōu)點及解決問題的效果 該設計的桑葉采收機，投入使用后可大大提高茶樹修剪的效率，和以往人工進 行修剪工作相比較，不但可以節(jié)約大量勞動力、降低成本，而且修剪效果比人工修剪 要好很多。 經(jīng)過和現(xiàn)有采收機的比較，發(fā)現(xiàn)本設計的采收機有如下優(yōu)點： (1)與一般采收機相比，該機節(jié)能較多； (2)該采收機更適用于桑樹種植的特殊模式； (3)該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)堅固、簡單，維修方便； (4)該機可通過軟軸對不同高度的桑樹進行采收。 由于該機節(jié)能多、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、維護及操作方便和售價低廉，因此更加適 合于種桑養(yǎng)蠶的勞動人民選用。 參考文獻 1 肖麗萍,魏文軍,宋建農(nóng),靳桂萍,可控變桿長空間機構(gòu)在農(nóng)機部件工作軌跡上的設計與應用 J. 農(nóng)業(yè)工程學報, 2007(07) 3 李健,龐新維,桑葉采摘機主運動系統(tǒng)公差的設計J. 農(nóng)機化研究. 2007(03) 3 李健,靳龍,伍麗峰,開口空心齒輪軸的優(yōu)化設計J. 機械設計與制造. 2006(01) 4 李健,靳龍,桑葉采摘機手動操作機構(gòu)的優(yōu)化設計J. 農(nóng)業(yè)機械學報. 2005(11) 5 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Smith.Mechanisms And Machine TheoryM.Higher Education Press，2001,05：49- 64 21Rakesh V.Vohra.Mechanism Design：A Linear Programming ApproachM.Cambridge University Press,2011,04:20-35 致 謝 本論文是在楊文敏老師的悉心指導和熱情關懷下完成的。從開題報告到中期檢查， 再到設計完成，無論是論文格式問題還是設計方面的疑問，楊老師總是在百忙之中耐 心地給我解答，在楊老師的幫助下，最終完成此次設計。 在這次畢業(yè)設計中，由于個人水平的有限，加上沒有較多的工作經(jīng)驗，設計中仍然存 在許多不足之處，望各位老師提出寶貴建議。再次感謝楊文敏老師這段時間的悉 心指導和關懷。