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16 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)
番茄收獲機(jī)的設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名 郭 毅
學(xué) 號(hào) 8031212225
所屬學(xué)院 機(jī)械電氣化工程學(xué)院
專(zhuān) 業(yè) 農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化
班 級(jí) 16-2
指導(dǎo)老師 王紅飆
日 期 2016.05
塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院制
前 言
目前中國(guó)已成為繼美國(guó)之后世界第二大加工番茄生產(chǎn)基地，其加工番茄的種植面積約占世界總種植面積的28%。是我國(guó)最大的加工番茄生產(chǎn)基地，其具有發(fā)展加工番茄生產(chǎn)得天獨(dú)厚的農(nóng)業(yè)資源。晝夜溫差大、日照時(shí)間長(zhǎng)、干燥炎熱、病蟲(chóng)害少、獨(dú)特的自然條件為大規(guī)模發(fā)展加工番茄產(chǎn)業(yè)提供了非常有利的條件，約占中國(guó)加工番茄的種植面積的80%左右。2009年番茄種植面積已達(dá)158萬(wàn)畝，番茄產(chǎn)量達(dá)到744萬(wàn)噸，生產(chǎn)番茄制品101.46萬(wàn)噸。然而，目前的加工番茄普遍采用人工采收，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，采收費(fèi)用高，且常由于采收不及時(shí)，造成大量的加工番茄腐爛在地里，而正值的秋收季節(jié)之時(shí)，致使勞動(dòng)力極為緊缺。但經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，的“紅色產(chǎn)業(yè)”發(fā)展迅猛，產(chǎn)量逐年遞增。
大力發(fā)展番茄產(chǎn)業(yè)，加快發(fā)展步伐，就促使番茄收獲實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。番茄收獲是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，目前大都是人工采收，生產(chǎn)效率低，而番茄成熟季節(jié)與棉花成熟季節(jié)相同，由于是棉花大省，占用勞動(dòng)力很多，往往都是因?yàn)閯趧?dòng)力不足，影響了番茄的最佳成熟時(shí)節(jié)，嚴(yán)重影響了番茄的品質(zhì)，造成了一定的損失!由于進(jìn)口番茄收獲機(jī)存在價(jià)格昂貴服務(wù)周期長(zhǎng)和收費(fèi)高等問(wèn)題，對(duì)我國(guó)番茄機(jī)械化采收技術(shù)的推廣和普及造成很大障礙，嚴(yán)重影響了和兵團(tuán)番茄產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。 為此，設(shè)計(jì)一種番茄收獲機(jī)，并對(duì)該機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行研制，該機(jī)可同時(shí)完成番茄秧的切割、果秧分離和輸送等工作。
關(guān)鍵詞：自走式；收獲機(jī)；番茄
目 錄
1緒論 1
1.1課題研究的意義 1
1.2國(guó)內(nèi)外番茄收獲機(jī)發(fā)展?fàn)顩r 1
1.3國(guó)內(nèi)外番茄收獲機(jī)存在的問(wèn)題 1
1.4研究的內(nèi)容和方法 2
1.5預(yù)期目標(biāo) 2
1.6重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問(wèn)題及解決思路 2
1.7工作條件及解決方法 3
2果秧分離的典型方法及果秧分離機(jī)構(gòu)方案的選擇 3
2.1幾種典型分離裝置 3
2.2果實(shí)分離裝置方案的選擇 4
3番茄分離裝置的總體設(shè)計(jì) 4
3.1番茄種植模式及物理機(jī)械特性 4
3.2梳齒滾筒式分離裝置的設(shè)計(jì) 5
3.3番茄果秧分離機(jī)構(gòu)工作原理 6
3.4分離滾筒主軸的設(shè)計(jì) 6
4切割裝置的設(shè)計(jì) 7
4.1切割撿拾裝置 7
4.2往復(fù)性割刀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)總成設(shè)計(jì) 7
4.3割刀運(yùn)動(dòng)和速度分析 8
5輸送帶的設(shè)計(jì)與整機(jī)參數(shù) 11
6機(jī)架總成設(shè)計(jì)及整機(jī)主要參數(shù)指標(biāo) 12
6.1 機(jī)架總成設(shè)計(jì) 12
6.2整機(jī)主要參數(shù)指標(biāo) 13
7軸的校核 13
總 結(jié) 15
致 謝 16
參考文獻(xiàn) 17
塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)
1緒論
1.1課題研究的意義
目前中國(guó)已成為繼美國(guó)之后世界第二大加工番茄生產(chǎn)基地，其加工番茄的種植面積約占世界總種植面積的28%。是我國(guó)最大的加工番茄生產(chǎn)基地，其具有發(fā)展加工番茄生產(chǎn)得天獨(dú)厚的農(nóng)業(yè)資源。晝夜溫差大、日照時(shí)間長(zhǎng)、干燥炎熱、病蟲(chóng)害少、獨(dú)特的自然條件為大規(guī)模發(fā)展加工番茄產(chǎn)業(yè)提供了非常有利的條件，約占中國(guó)加工番茄的種植面積的80%左右。2009年番茄種植面積已達(dá)158萬(wàn)畝，番茄產(chǎn)量達(dá)到744萬(wàn)噸，生產(chǎn)番茄制品101.46萬(wàn)噸。然而，目前的加工番茄普遍采用人工采收，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，采收費(fèi)用高，且常由于采收不及時(shí)，造成大量的加工番茄腐爛在地里，而正值的秋收季節(jié)之時(shí)，致使勞動(dòng)力極為緊缺。但經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，的“紅色產(chǎn)業(yè)”發(fā)展迅猛，產(chǎn)量逐年遞增。
大力發(fā)展番茄產(chǎn)業(yè)，加快發(fā)展步伐，就促使番茄收獲實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。番茄收獲是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，目前大都是人工采收，生產(chǎn)效率低，而番茄成熟季節(jié)與棉花成熟季節(jié)相同，由于是棉花大省，占用勞動(dòng)力很多，往往都是因?yàn)閯趧?dòng)力不足，影響了番茄的最佳成熟時(shí)節(jié)，嚴(yán)重影響了番茄的品質(zhì)，造成了一定的損失！由于進(jìn)口番茄收獲機(jī)存在價(jià)格昂貴服務(wù)周期長(zhǎng)和收費(fèi)高等問(wèn)題，對(duì)我國(guó)番茄機(jī)械化采收技術(shù)的推廣和普及造成很大障礙，嚴(yán)重影響了和兵團(tuán)番茄產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。 為此，設(shè)計(jì)一種番茄收獲機(jī)，并對(duì)該機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行研制，該機(jī)可同時(shí)完成番茄秧的切割、果秧分離和輸送等工作。
1.2國(guó)內(nèi)外番茄收獲機(jī)發(fā)展?fàn)顩r
美國(guó)是世界上加工番茄生產(chǎn)第一大國(guó)，采用機(jī)械化收獲以后，不但促進(jìn)了番茄種植規(guī)模的擴(kuò)大，而且使番茄收獲費(fèi)用從占生產(chǎn)總費(fèi)用的50%降低到16%。種植面積的擴(kuò)大和收獲費(fèi)用的降低對(duì)提高美國(guó)番茄產(chǎn)業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力起到了極大的促進(jìn)作用。
美國(guó)加工番茄機(jī)械化收獲與其它作物機(jī)械化收獲發(fā)展過(guò)程的最大區(qū)別是，加工番茄機(jī)械化收獲的發(fā)展充分體現(xiàn)了農(nóng)藝與機(jī)械化技術(shù)的結(jié)合；它是首先通過(guò)選育出適于機(jī)械化收獲的品種之后，才著手研制番茄收獲機(jī)的。1962年以后，適于機(jī)械化收獲的番茄品種達(dá)到成熟之后，番茄機(jī)械化收獲才逐漸得到推廣應(yīng)用。到1968年，美國(guó)加工番茄機(jī)械化收獲水平就達(dá)到了80%。
美國(guó)番茄收獲過(guò)程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了向自走式大型化自動(dòng)化方向的發(fā)展，從早期人工輔助作業(yè)的半機(jī)械化番茄收獲機(jī)過(guò)渡到牽引式番茄收獲機(jī), 再發(fā)展裝有光電識(shí)別選果的自走式大型化收獲機(jī)[2]。
1.3國(guó)內(nèi)外番茄收獲機(jī)存在的問(wèn)題
我國(guó)研究葵花籽去殼機(jī)起步較晚發(fā)展緩慢，和發(fā)達(dá)國(guó)家相比只能望其項(xiàng)背，目前市場(chǎng)上流行的一些機(jī)具中，存在一些問(wèn)題，因此，難以大范圍推廣應(yīng)用。是我國(guó)番茄主要種植地區(qū)，目前機(jī)械化程度也已越來(lái)越高，但要實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化還需要很長(zhǎng)一段時(shí)間的努力，目前番茄收獲機(jī)械化存在的問(wèn)題主要有一下幾個(gè)方面：
（1）番茄品種還不能完全適應(yīng)機(jī)械化收獲
（2）缺乏與機(jī)械化收獲相適應(yīng)的科學(xué)種植和田間管理規(guī)范
（3）缺乏機(jī)械化收獲番茄的收購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)
（4）缺乏適用的番茄收獲機(jī)
（5）番茄種植戶(hù)規(guī)模較小
（6）番茄收獲時(shí)間過(guò)于集中
因此，在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，人工采摘仍將是地區(qū)番茄收獲的主要方式。相對(duì)于人工收獲來(lái)說(shuō)，番茄收獲機(jī)明顯是一個(gè)良好的選擇，是既可以節(jié)約勞動(dòng)力又可以節(jié)約成本的一種機(jī)械。
1.4研究的內(nèi)容和方法
根據(jù)我國(guó)番茄收獲機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀和存在問(wèn)題以及未來(lái)番茄收獲機(jī)發(fā)展要求，設(shè)計(jì)農(nóng)用番茄收獲機(jī)。農(nóng)用番茄收獲機(jī)主要由動(dòng)力輸入裝置、傳動(dòng)裝置、切割裝置、果秧分離裝置和輸送裝置組成。其中，動(dòng)力裝置是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)三角帶傳遞，切割裝置將番茄秧割斷，經(jīng)由輸送帶的一系列輸送，，經(jīng)過(guò)果秧分離裝置實(shí)現(xiàn)果實(shí)和果秧的分離，最后由輸送帶進(jìn)行運(yùn)輸。通過(guò)本機(jī)能一次性完成對(duì)番茄的收獲。
先確定我國(guó)已有番茄收獲機(jī)的類(lèi)型，根據(jù)已有大型番茄收獲機(jī)的原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新型的番茄收獲機(jī)，使番茄收獲機(jī)能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求，也就是番茄收獲機(jī)要能工作穩(wěn)定，保證收獲率高，番茄完整率高，果秧分離效果好等優(yōu)點(diǎn)。
1.5預(yù)期目標(biāo)
（1）番茄收獲機(jī)操作方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通用性好，使用壽命長(zhǎng)。
（2）被分離的番茄果秧分離率高、番茄完整率高、果秧分離效果好。
（3）收獲效率高，人工勞動(dòng)量少，同時(shí)動(dòng)力上要消耗少。
（4）制造價(jià)格便宜，容易普及，能滿足農(nóng)業(yè)使用的要求。
1.6重點(diǎn)研究的關(guān)鍵問(wèn)題及解決思路
該機(jī)動(dòng)力源于發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)帶輪、三角帶實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳輸，番茄通過(guò)采摘頭、輸送裝置、分離裝置等實(shí)現(xiàn)一次性完成對(duì)番茄的收獲。
（1）選擇合適動(dòng)力傳遞方式，設(shè)計(jì)工作裝置和傳動(dòng)裝置。
（2）運(yùn)用Auto CAD軟件，繪制二維零件圖和裝配圖。
（3）利用有限分析和Solidworks進(jìn)行虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)，完成整機(jī)各零部件的三維建模。
1.7工作條件及解決方法
塔里木大學(xué)位于南疆中心位置，校內(nèi)有實(shí)習(xí)工廠、土槽實(shí)驗(yàn)室、農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等，設(shè)計(jì)條件較好，為項(xiàng)目開(kāi)展提供了場(chǎng)地和基本條件。校內(nèi)擁有優(yōu)良的硬件環(huán)境，機(jī)械電氣化工程學(xué)院擁有先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和機(jī)械加工制造設(shè)備，并且?guī)熧Y力量雄厚，完全可以滿足番茄的工作條件。
2果秧分離的典型方法及果秧分離機(jī)構(gòu)方案的選擇
2.1幾種典型分離裝置
（1）從動(dòng)梳齒式果秧分離裝置是一種強(qiáng)制性分離機(jī)構(gòu)，當(dāng)機(jī)器沿行壟行駛時(shí)，梳齒插入番茄秧莖，強(qiáng)制性地把果實(shí)從果枝上捋下來(lái)，實(shí)現(xiàn)果實(shí)與莖桿的分離。該機(jī)型的分離過(guò)程對(duì)西紅柿果實(shí)帶來(lái)很大損傷，并且它只是把果實(shí)分下來(lái)，莖稈仍長(zhǎng)在地里，除去他們還需要其他后續(xù)的工作[10]。
（2）滾筒式分離裝置是果秧被送至傾斜的滾筒式分離裝置中，滾筒通過(guò)回轉(zhuǎn)，對(duì)西紅柿果秧進(jìn)行多次起落摔打，從而使果實(shí)脫落，實(shí)現(xiàn)果實(shí)的分離。該分離機(jī)構(gòu)在進(jìn)行果秧分離的過(guò)程中無(wú)法保證分離的效果，當(dāng)滾筒回轉(zhuǎn)速度過(guò)快或過(guò)慢時(shí)，分離效果都不理想。轉(zhuǎn)速過(guò)慢，分離不完全；過(guò)快時(shí)被分離下來(lái)的果實(shí)來(lái)不及落下，與番茄秧一塊被拋甩在田地里，造成收獲損失[10]。
（3）摘果實(shí)分離裝置是先由收獲機(jī)把整株番茄莖秧拔出來(lái)，固定在輸送帶上，再由分離機(jī)構(gòu)敲打植株，使植株振動(dòng)。依據(jù)果實(shí)質(zhì)量集中同時(shí)慣性較大的特點(diǎn)，使果實(shí)脫落，從而實(shí)現(xiàn)果實(shí)的分離。該機(jī)構(gòu)果莖分離的工序過(guò)多，果實(shí)分離結(jié)束還要將莖秧取下。生產(chǎn)率過(guò)低，不符合高效率作業(yè)的要求[10]。
（4）振動(dòng)分離機(jī)勾大多為轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，保證單向轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，來(lái)實(shí)現(xiàn)速度大小的周期性變化。通過(guò)速度大小變化產(chǎn)生的慣性力，將西紅柿果實(shí)甩落下來(lái)。因此可以通過(guò)改變轉(zhuǎn)速變化的快慢，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的分離效果，同時(shí)可以很方便地實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)。這種機(jī)型在番茄聯(lián)合收獲機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。由意大利FMC公司所生產(chǎn)的SZ系列的西紅柿收獲機(jī)上的果秧分離機(jī)構(gòu)就屬于此類(lèi)。該分離機(jī)構(gòu)包括分離滾筒和分離驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。分離彈齒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)它撥動(dòng)西紅柿莖秧，分離驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)則是彈齒滾筒的動(dòng)力源，用來(lái)帶動(dòng)滾筒的旋轉(zhuǎn)，滾筒以變化的速度進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)西紅柿果秧的拋甩。西紅柿果秧通過(guò)拋甩作用，果實(shí)分離下來(lái)落到果實(shí)輸送帶上，輸送到集果器中。而果秧通過(guò)拋秧鏈拋灑到田間[10]。
（5）鍵式果實(shí)分離器的分離裝置由10個(gè)鍵體連接成兩組，利用鍵和曲柄形成平行四桿裝置，鍵上各桿均做半徑相同的圓周運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)分離。這種機(jī)型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，生產(chǎn)效率低，沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用[10]。
2.2果實(shí)分離裝置方案的選擇
經(jīng)過(guò)方案的比較及選擇，在設(shè)計(jì)要求內(nèi)能夠滿足設(shè)計(jì)的要求條件，本文設(shè)計(jì)了一中能夠適應(yīng)番茄種植模式的梳齒滾筒分離裝置，同時(shí)對(duì)該裝置主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)。
3番茄分離裝置的總體設(shè)計(jì)
3.1番茄種植模式及物理機(jī)械特性
在番茄收獲過(guò)程中，一般采取收獲機(jī)切割組件將番茄果秧從根部切除，然后將切除后的果秧輸送至分離機(jī)構(gòu)進(jìn)行分離。分離裝置的阻秧板，柵格間距等基本設(shè)計(jì)參數(shù)依據(jù)來(lái)源植株特性，故需對(duì)加工番茄的植株相關(guān)特性進(jìn)行測(cè)量，實(shí)測(cè)加工番茄植株的主莖桿直徑和高度、植株重量、側(cè)枝直徑和長(zhǎng)度、果實(shí)數(shù)量等參數(shù)，加工番茄的種植主要有兩種滴灌機(jī)械采收栽培模式：
（1）寬窄行間距100cm+40cm，1膜1管布置，滴灌帶間距1.4m；
（2）寬窄行間距 80cm+40cm，1膜1管布置，滴灌帶間距1.52m；
（3）株距為35～40cm。
這兩種栽培模式的窄行滴灌帶距均為20cm，以利于水的測(cè)向滲透并使水及早被番茄根系吸收利用，中間行距為100cm或120cm的行距有利于番茄收獲機(jī)的行走。根據(jù)番茄品種的生長(zhǎng)特性，對(duì)長(zhǎng)勢(shì)強(qiáng)或密度大的品種選用1.52m滴灌帶間距，長(zhǎng)勢(shì)稍弱的品種選用1.4m滴灌帶間距，調(diào)研中發(fā)現(xiàn)還有部分地塊采用寬窄行間距為80cm+40cm[13]。
測(cè)量加工番茄果實(shí)的直徑、長(zhǎng)度是為了設(shè)計(jì)出與其相適應(yīng)的采摘和分離機(jī)構(gòu)，提升加工番茄的采收效果。
查資料得：
（1）里格爾87-5的果實(shí)縱徑主要范圍為45～70mm，平均縱徑為52mm；橫徑主要范圍為40～60mm，平均橫徑為45mm；
（2）石紅20的果實(shí)縱徑主要范圍為45～60mm，平均縱徑為55mm；橫徑主要范圍為40～55mm，平均橫徑為48mm；
（3）屯河41的果實(shí)縱徑主要范圍為45～60mm，平均縱徑為50mm；橫徑主要范圍為35～50mm，平均橫徑為42mm；
加工番茄果實(shí)與莖稈的分離力是指果實(shí)與莖稈分開(kāi)所需的拉力，其大小反映果實(shí)與莖稈之間的連接強(qiáng)度，也直接反映果莖分離的難易程度[13]。查資料知在垂直拉伸時(shí)分離力最大為25N左右。
為了減少加工番茄收獲過(guò)程中的含雜率和破損率，有必要對(duì)加工番茄的果實(shí)生物力學(xué)特性進(jìn)行考察。利用拉壓力試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)加工番茄的果皮和表皮進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)和整進(jìn)行靜態(tài)載荷下的壓縮力學(xué)特性試驗(yàn)[11]，查資料可知，加工番茄的靜載壓縮力是不同的，但其最小破壞力為100N左右。
3.2梳齒滾筒式分離裝置的設(shè)計(jì)
3.2.1滾動(dòng)梳齒式分離裝置試驗(yàn)臺(tái)
梳齒滾筒式分離機(jī)構(gòu)是果秧分離裝置的核心部件，主要由滾筒主軸、分離滾筒、分離彈齒、傳動(dòng)輪等零件組成。被割臺(tái)切割的果秧由輸送帶6輸送至果秧分離裝置，通過(guò)滾筒的作用，番茄進(jìn)行果秧分離，分離后的番茄果實(shí)從格柵落下進(jìn)入下面果實(shí)輸送帶；剩余果秧被滾筒彈齒拋出。如圖3-1所示：
圖3-1
3.2.2分離滾筒的設(shè)計(jì)
分離滾筒是果秧分離裝置的主體，滾筒的直徑和長(zhǎng)度決定著分離轉(zhuǎn)速和工作效率等工作參數(shù)，其直徑還間接影響了分離彈齒的長(zhǎng)度范圍，因此，對(duì)其直徑和長(zhǎng)度的確定具有一定意義。目前現(xiàn)有的適合機(jī)械采收的加工番茄種植模式為寬窄行40cm +80cm，株距35～40 cm，國(guó)外進(jìn)口的番茄收獲機(jī)生產(chǎn)率為20～35t/h,機(jī)車(chē)行走速度為1.5～3km/h。本裝置設(shè)計(jì)所配套機(jī)車(chē)行走速度為2.5 km/h，滾筒轉(zhuǎn)速范圍由下式確定：2πna≥2.5km/h≈7m/s（式中，n為滾筒轉(zhuǎn)速，r/s，a為撥桿長(zhǎng)度與滾筒半徑之和，m。）設(shè)計(jì)滾筒的半徑為180mm，材料選擇為鋼，長(zhǎng)度為1400mm。
3.2.3分離彈齒撥桿的設(shè)計(jì)
分離彈齒是分離果秧的主要部件，其直接作用在果秧上，因此，彈齒的形狀和分布為設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。根據(jù)目前已有分離彈齒的造型和田地采集的番茄果秧的尺寸以及番茄果實(shí)尺寸，該分離撥桿采用直徑為12mm的橡膠棒。撥桿間距為82mm。分離彈齒與滾筒相結(jié)合，根據(jù)滾筒半徑確定彈齒的長(zhǎng)度為350mm。撥桿與滾筒采用焊接的連接方式。
3.3番茄果秧分離機(jī)構(gòu)工作原理
果秧分離機(jī)構(gòu)工作時(shí)，滾筒與傳動(dòng)輪由發(fā)動(dòng)機(jī)輸出力，兩者轉(zhuǎn)動(dòng)，撥桿的端部插入格柵之間的柵條間隙，格柵上有果秧時(shí)插入果秧中間，另一端部插入梳齒的柵條間隙以防止果秧纏繞撥桿。撥桿轉(zhuǎn)動(dòng)起到向后輸送果秧的作用；撥桿由傳動(dòng)輪傳動(dòng)不斷旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為n，撥桿質(zhì)量為m，長(zhǎng)度為R，這種旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力F作用在果秧上，實(shí)現(xiàn)番茄果實(shí)與果秧的分離。由于番茄的直徑小于格柵間的間隙，大部分番茄被捋下來(lái)掉入下面的番茄輸送帶進(jìn)而傳送。
撥桿對(duì)番茄的力F
（3-1）
（3-2）
得
設(shè)撥桿不是最低點(diǎn)打到番茄而是能擊打到的最高點(diǎn)擊打番茄
則撥桿對(duì)番茄的力F1
得
由前文可知番茄最大分離力為25N，最小破壞強(qiáng)度為100N。由式（3-1）（3-2）可知所以番茄在果秧分離時(shí)能夠滿足果秧分離切不傷害果實(shí)。
3.4分離滾筒主軸的設(shè)計(jì)
整個(gè)分離滾筒的運(yùn)動(dòng)和番茄果秧的分離過(guò)程的主要?jiǎng)恿?lái)自于分離滾筒主軸。分離主軸所傳遞的功率 ，滾筒轉(zhuǎn)速范圍為，取轉(zhuǎn)速 時(shí)，主軸所受的扭矩為 。
輸出軸的功率為1.5kW，屬于中小功率，對(duì)材料無(wú)特殊要求，故選用45號(hào)鋼并經(jīng)調(diào)制處理，查表可知強(qiáng)度極限為637MPa，再由表查得許用彎曲應(yīng)力為60MPa。
按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估算軸徑（最小直徑）
(3-3)
因?yàn)檩S的材料為45鋼，可取 C=110，
因此代入（3-3）
4切割裝置的設(shè)計(jì)
4.1切割撿拾裝置
根據(jù)我國(guó)番茄種植現(xiàn)狀,在國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)調(diào)研的基礎(chǔ)上,充分考慮到各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),我與導(dǎo)師經(jīng)過(guò)討論提出兩種番茄收獲機(jī)割臺(tái)設(shè)計(jì)方案。
方案一圓盤(pán)式割刀切斷植株,利用圓盤(pán)式割刀切割番茄莖桿,圓盤(pán)式割刀的運(yùn)動(dòng)是刀盤(pán)的水平旋轉(zhuǎn)與機(jī)器前進(jìn)運(yùn)動(dòng)所合成的。刀片某一點(diǎn)對(duì)地面的軌跡為余擺線,刀片刃線對(duì)地面所掃過(guò)的面積為余擺帶,其帶寬與刃部長(zhǎng)度相近似。但是固定盤(pán)式割刀功耗大、使用不方便甩刀回轉(zhuǎn)式割刀果實(shí)損失較多,使用不夠經(jīng)濟(jì)。
方案二往復(fù)割刀切斷植株,經(jīng)輸送鏈輸送莖桿,割臺(tái)配置分禾器,輸送帶,結(jié)構(gòu)緊湊,碎莖桿容易收集。
本設(shè)計(jì)采用第二種切割裝置。
4.2往復(fù)性割刀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)總成設(shè)計(jì)
收獲機(jī)的切割裝置分為回轉(zhuǎn)式和往復(fù)式兩種。回轉(zhuǎn)式切割器切割能力較強(qiáng), 切割后的果秧容易集束。但圓盤(pán)割刀直徑的限制，工作幅寬較窄，同時(shí)機(jī)車(chē)行走速度較慢，生產(chǎn)率較低，因此，實(shí)際生產(chǎn)中使用較少。往復(fù)式切割器包括動(dòng)刀片和定刀片兩刀片， 利用動(dòng)刀片相對(duì)于定刀片作往復(fù)的剪切運(yùn)動(dòng)，將番茄果秧剪斷。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠。不需要過(guò)高的切割速度，適用于不同割幅和行距的植株切割，不會(huì)漏割。切割過(guò)程:使用齒刃形狀的動(dòng)刀片和齒尖形狀的定刀片,齒刃動(dòng)刀片的齒尖首先扎入莖稈表皮,咬住莖稈，由于齒距遠(yuǎn)小于番茄莖稈直徑，因此幾把利齒同時(shí)扎入莖稈，因此剪切穩(wěn)定。如圖所示割刀：
圖4-1 往復(fù)性割刀
往復(fù)式切割器由動(dòng)刀、壓刃器、摩擦器、刀桿和定刀片等組成。切割時(shí),定刀片對(duì)莖稈起支撐作用，動(dòng)刀由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng),做往復(fù)運(yùn)動(dòng),使動(dòng)刀片和定刀片構(gòu)成穩(wěn)定的剪切副。動(dòng)刀由許多齒刃刀片鉚在刀桿上,刀桿背和動(dòng)刀片背貼抵在摩擦片上,用來(lái)保持穩(wěn)定的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和防止過(guò)度磨損,如果摩擦片磨損后,可以將其前移或者是更換。
圖4-2 割刀傳動(dòng)裝置
割刀傳動(dòng)裝置由傳動(dòng)桿，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，軸組成。軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)做圓周運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)傳動(dòng)桿做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。
4.3割刀運(yùn)動(dòng)和速度分析
為了使切割器得到往復(fù)運(yùn)動(dòng),可以采用不同的傳動(dòng)系統(tǒng),如曲柄連桿機(jī)構(gòu)、擺環(huán)機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和曲柄搖桿機(jī)構(gòu),根據(jù)木課題的割臺(tái)傳動(dòng)布置要求,選用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。以其驅(qū)動(dòng)的往復(fù)式切割器動(dòng)刀片的運(yùn)動(dòng),為一近似的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。動(dòng)刀片刃口上任意點(diǎn)的位移x、速度和加速度都是變值,分別為
（4-1）
（4-2）
（4-3）
式（4-1）（4-2）（4-3）中
—曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度（rad/s）；
—曲柄從極左點(diǎn)a轉(zhuǎn)過(guò)的時(shí)間（s)。
由式可知,動(dòng)刀片的運(yùn)動(dòng)速度和它的位移是一橢圓方程式關(guān)系：
（4-4）
式（4-4）表明動(dòng)刀片刃口上某點(diǎn)的速度是按照橢圓曲線規(guī)律變化。當(dāng)，某點(diǎn)正處于中點(diǎn)位置，為最大值；當(dāng)時(shí)，某點(diǎn)正處于極左位置或極右位置。
圖4-3 動(dòng)刀片
一般用動(dòng)刀片的平均速度表示動(dòng)刀片的切割速度。但實(shí)際上剪切植株是在動(dòng)刀片和定刀片刃口開(kāi)始相遇時(shí)的點(diǎn)至離開(kāi)時(shí)的點(diǎn)這段距離內(nèi),因此實(shí)際的剪切速度都大于平均速度。動(dòng)刀的平均速度、始切速度、終切速度、平均剪切速度的計(jì)算公式分別為：
（4-5）
式（4-5）中 —曲柄半徑；
—曲柄轉(zhuǎn)速；
—切割行程；
、—分別是動(dòng)刀片的底寬和頂寬；
—定刀片的寬度；
—曲柄由始切點(diǎn)到終切點(diǎn)轉(zhuǎn)過(guò)的角度。
切割器工作時(shí),動(dòng)刀一面作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),一面隨機(jī)器前進(jìn),其絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡是兩者的合成。用作圖法畫(huà)出動(dòng)刀片絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡形成切割圖,用以分析切割器的工作過(guò)程。割刀的平均速度與機(jī)器前進(jìn)速度之間有一種關(guān)系稱(chēng)之為切割速比,用公式計(jì)算：
（4-6）
（4-7）
式（4-6）（4-7）中： —?jiǎng)拥镀谐蹋?
—凸輪曲柄轉(zhuǎn)速。
切割速比對(duì)切割性能影啊較大,番茄莖桿的收割可在1.11到1.66之間選取,常以1.33較為合適。一般說(shuō)速比大,漏割區(qū)減少,重割區(qū)增加,無(wú)用功增加；反之漏割區(qū)增加,重割區(qū)減少。在切刀往復(fù)頻率一定時(shí),影響切割速比值的因素主要是機(jī)器前進(jìn)速度,據(jù)實(shí)驗(yàn)計(jì)算的結(jié)果,認(rèn)為較好,標(biāo)準(zhǔn)切割區(qū)較大,重割區(qū)和漏害區(qū)都較小。
往復(fù)式切割器的工作質(zhì)量跟切割速度與機(jī)組前進(jìn)速度的速比有密切關(guān)系。往復(fù)切割速度是指平均速度,平均速度越高,切割性能越好。但過(guò)高的切割速度是不可取,因?yàn)闀?huì)使整個(gè)機(jī)組產(chǎn)生較大的振動(dòng),不但增加了機(jī)組功率的消耗,而且會(huì)加速零件的磨損與破壞。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和試驗(yàn),速比在0.8到2.2范圍內(nèi)時(shí),工作質(zhì)量比較理想,故本設(shè)計(jì)確定切割速度為。
5輸送帶的設(shè)計(jì)與整機(jī)參數(shù)
輸送帶是由尼龍帶與橫桿鉚接組成,橫桿之間的間隙設(shè)計(jì)是根據(jù)番茄的截面直徑設(shè)計(jì)的,橫桿是10號(hào)鋼筋截得。
根據(jù)收獲要求番茄最小直徑28mm,根據(jù)受力分析設(shè)計(jì)間隙為25mm，如果按要求設(shè)計(jì)28mm,會(huì)擠壓受力,番茄會(huì)變型,所以間隙要比要求小。如圖5-1所示
5-1 果秧未分離前輸送帶
果秧分離后，由于有可能番茄依舊在果秧上，沒(méi)有脫落到下方果實(shí)輸送帶上，故果秧輸送帶橫桿之間的間隙應(yīng)該大于番茄的最大直徑92mm，設(shè)計(jì)為100mm，在輸送過(guò)程中由于機(jī)體的震動(dòng)使番茄能夠掉落到果實(shí)輸送帶中故需要橫桿中間的帶中空。
果秧分離后，果實(shí)輸送帶橫桿之間的間隙應(yīng)該大于番茄的最大直徑92mm，設(shè)計(jì)為100mm，高度為80mm。如圖5-2所示
圖 5-2 果秧分離后果實(shí)輸送帶
6機(jī)架總成設(shè)計(jì)及整機(jī)主要參數(shù)指標(biāo)
6.1 機(jī)架總成設(shè)計(jì)
考慮番茄種植的模式,各部分在安裝過(guò)程中尺寸合理,割臺(tái)寬度為1200mm。機(jī)架要具有一定的強(qiáng)度和韌性,即要防止斷裂又要防止彎曲變形,所以選擇中碳鋼,初步定機(jī)架的材料為45號(hào)鋼。45號(hào)鋼的焊接性能不太好,焊接材料應(yīng)當(dāng)選用低氫焊接材料,抗裂性也較高,焊條的型號(hào)選用J422。與牽引連接的部件采用鋼板剪切彎曲得到,方型鋼管采用無(wú)縫鋼管焊接。
機(jī)架的計(jì)算：
求梁上的載荷：
首先根據(jù)梁的結(jié)構(gòu)圖作出梁的計(jì)算,因?yàn)樵诠ぷ鬟^(guò)程中受到的扭矩很小,在計(jì)算過(guò)程中不考慮,從應(yīng)力集中對(duì)一方鋼疲勞強(qiáng)度的影響看,截面處引起的應(yīng)力集中最為嚴(yán)重,對(duì)此處應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度校核。抗彎截面系數(shù)
（6-1）
截面處的彎矩
料為號(hào)鋼,查得
因?yàn)榉戒摮叽缱兓淮?取
尺寸系數(shù)
表面未加工,表面質(zhì)量系數(shù)為
（6-2）
可知碳鋼的特性系數(shù)
取
計(jì)算安全系數(shù)的值：
（6-3）
（6-4）
（6-5）
6.2整機(jī)主要參數(shù)指標(biāo)
結(jié)構(gòu)型式 自走式
結(jié)構(gòu)質(zhì)量/kg 10309
作業(yè)幅寬/mm 1200
割臺(tái)幅寬/mm 1200
切割速度m/s 0.8m/s
割臺(tái)型式 往復(fù)型切割臺(tái)
果秧分離型式 滾筒梳齒分離
機(jī)車(chē)行走速度m/s 2.5
7軸的校核
在工作過(guò)程中，滾筒軸承受的力為番茄在滾筒撥桿撞擊作用下沿徑向的反作用力和橫向的摩擦力。所以可以先計(jì)算出軸的最小直徑。經(jīng)過(guò)查閱機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第五版可得知計(jì)算軸的最小直徑的公式。軸的最小直徑為：
（7-1）
式中： —滾軸最小直徑（mm）；
—軸的許用扭切應(yīng)力（）；
P—傳遞到軸上的功率（）；
—軸的轉(zhuǎn)速（）；
C—軸的材料和承載情況確定的常數(shù)。
根據(jù)上面算出來(lái)的已知數(shù)據(jù)可知：
軸的轉(zhuǎn)速:
n=42 r/min
軸的輸入功率:
P=1.5kW
軸的扭矩:
由于此軸是用來(lái)實(shí)現(xiàn)果秧分離工作的，因此是比較重要的軸，選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理,抗拉強(qiáng)度,屈服強(qiáng)度。
因此經(jīng)過(guò)計(jì)算和查閱相關(guān)資料可得：
P=0.23 n=290r/min
將數(shù)據(jù)代入式（7-1）得：
因此此軸滿足受力要求，能夠正常的工作。
總 結(jié)
本文是圍繞農(nóng)用機(jī)械產(chǎn)品—番茄收獲機(jī)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了番茄收獲的機(jī)械化。此機(jī)器使用后，改變了以前人工勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低的缺點(diǎn)，節(jié)省了廣大農(nóng)民群眾的勞動(dòng)量，提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。此番茄收獲機(jī)的研制滿足了大部分用戶(hù)的需要。該機(jī)器果秧分離率高，番茄的損傷率低，也解放了勞動(dòng)力，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化收獲的全過(guò)程。
該機(jī)的關(guān)鍵部分是果秧分離結(jié)構(gòu)與秧苗撿拾切割結(jié)構(gòu)，因?yàn)榉咽斋@的整個(gè)過(guò)程都是由這兩部分完成的，分離后的番茄損傷情況，完全是看果秧分離結(jié)構(gòu)的性能能不能達(dá)到要求。本文也介紹了目前各種番茄收獲機(jī)分離裝置和切割撿拾裝置的原理及裝備，并對(duì)番茄收獲機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展前景作出了簡(jiǎn)明的概括和分析。
此番茄收獲機(jī)的優(yōu)點(diǎn)有：
（1）自走式的設(shè)計(jì)，便于機(jī)器的移動(dòng)。
（2）增加了梳齒的設(shè)計(jì)，防止發(fā)生堵塞。
（3）增加了主軸拆裝板的設(shè)計(jì)，便于了主軸上的易損件更換時(shí)的拆卸工作。
（4）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用與維修方便、工作穩(wěn)定性好、易于操作、重量輕、成本低；
（5）可適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。
當(dāng)然在這次設(shè)計(jì)中，也可以看到一些問(wèn)題：
（1） 該機(jī)以番茄為對(duì)象而設(shè)計(jì)的，品種單一，所以其應(yīng)用范圍有局限性，需改進(jìn)。
（2）本設(shè)計(jì)由于沒(méi)有實(shí)際檢驗(yàn)，實(shí)際的可行性程度還不能確定，有待改進(jìn)等。
這是一個(gè)非常全面而系統(tǒng)的設(shè)計(jì)題目，非常鍛煉人。從方案的論證到最終的設(shè)計(jì)，涉及的領(lǐng)域包括：機(jī)械制圖，機(jī)械原理，工程材料，機(jī)械設(shè)計(jì)等等。通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)踐，提高我計(jì)算、制圖能力；使我們能熟練地應(yīng)用有關(guān)參考資料、計(jì)算圖表、手冊(cè)、圖集、規(guī)范，熟悉有關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)械方面知識(shí)得到系統(tǒng)的鞏固和提升。在進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的同時(shí)，我還學(xué)到了許多新的知識(shí)，如Solidworks，CAD2007的使用和WORD、POWERPOINT等軟件的應(yīng)用。
在設(shè)計(jì)過(guò)程中確實(shí)遇見(jiàn)一些問(wèn)題，通過(guò)老師的講解，自己翻閱了大量資料，都得到了解決。總的說(shuō)來(lái),在這次設(shè)計(jì)中我學(xué)到了很多的東西,但同時(shí)也存在一定的不足和缺陷,在以后的日子里自己應(yīng)該更加努力認(rèn)真,以冷靜沉著的心態(tài)去對(duì)待每一件事情!
致 謝
時(shí)光匆匆如白駒過(guò)隙，四年的大學(xué)生活轉(zhuǎn)眼間接近尾聲。四年的求學(xué)生涯在親人的支持和朋友的陪伴下過(guò)的豐富多彩，不僅如此也收獲頗豐。
首先感謝我的畢業(yè)指導(dǎo)老師王紅飆老師，他認(rèn)真負(fù)責(zé)，學(xué)識(shí)淵博，從選定畢業(yè)設(shè)計(jì)題目到設(shè)計(jì)進(jìn)行，他給了我悉心的指導(dǎo)，如果沒(méi)有老師的指導(dǎo)我完成論文必定困難重重，無(wú)法順利完成。雖然辛苦，但也算是順利完成，比起成就感，更多的還是感慨，感覺(jué)四年的大學(xué)生活也要隨著畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成而畫(huà)上了句點(diǎn)。由于自身能力的限制，設(shè)計(jì)中自然也有很多不盡人意的地方，但做一件事情，重要的不是結(jié)果，而是要享受這個(gè)過(guò)程，真的是不親自去做一件事情，就永遠(yuǎn)不會(huì)理解其中的心酸與樂(lè)趣，雖然只有短短一萬(wàn)多字的論文，卻感覺(jué)是把大學(xué)四年又重新過(guò)了一遍，總之就是感慨多多吧。畢業(yè)設(shè)計(jì)，也許是我在塔里木大學(xué)所上交的最后一個(gè)作業(yè)了。我也想在這里感謝四年以來(lái)給我?guī)椭乃欣蠋熀屯瑢W(xué)們，能與你們相識(shí)相知是我最珍貴的財(cái)富，也將是我回憶里最不可磨滅的一部分。
大學(xué)四年，不光是學(xué)習(xí)了知識(shí)，更多的還是一種思想上的升華，付出了很多，但也收獲了更多。為人處世的道理，遇到困難時(shí)的不退縮，都會(huì)成為以后人生道路上的指南針，指引著我前進(jìn)，也是我以后可以拿來(lái)回味再三的生活感受。
最后在這兒祝福大學(xué)里風(fēng)雨同舟的兄弟姐妹和良師們，愿未來(lái)絢爛繽紛。
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