前前 言言 長期以來，山藥都是靠傳統的人力收獲，山藥的根莖較長，深入地下，難以采收，如果收獲 技術不夠成熟，根莖破損率就會很高。隨著計算機技術的快速發展，虛擬制造和運動仿真在農機 設計中得以實現，從而大大縮短了設計周期，降低生產成本，提高了設計的準確性和可靠性。本 設計利用三維設計軟件，對農業機械進行產品設計。 本文設計了一種山藥收獲裝置，結構簡單合理，能夠完成山藥的機械化收獲作業。不僅極大 地提高山藥收獲效率，而且對深土農作物的規模化種植起到了推廣作用。 本次的設計對傳統山藥收獲機進行了改進，著重設計了山藥收獲機的整體結構、傳動方式、 工作方式，論述了裝置在收獲過程中的的工作原理。在完成設計構想之后，基于 SolidWorks 進行 了三維模型建立。整個過程包括各零件圖三維設計、裝配體三維圖。 關鍵詞關鍵詞：三維設計；傳動方式；動態仿真 全套圖紙，加全套圖紙，加 153893706 16 屆畢業設計 目目 錄錄 1 引言引言 1 1.1 課題來源及研究課題的意義和目的 1 1.2 山藥收獲機的現狀及方案說明 . 1 2 設計方案分析設計方案分析 . 3 2.1 設計方案的說明 . 3 2.2 設計方案選擇與對比 . 3 2.3 設計方案的優化分析及確定 . 錯誤！未定義書簽。錯誤！未定義書簽。 3 傳動機構的設計傳動機構的設計 . 錯誤！未定義書簽。錯誤！未定義書簽。 3.1 軸的初步設計 . 錯誤！未定義書簽。錯誤！未定義書簽。 3.2 v 帶傳動的設計 錯誤！未定義書簽。錯誤！未定義書簽。 3.3 齒輪傳動的設計計算 . 錯誤！未定義書簽。錯誤！未定義書簽。 4 山藥收獲機的整體結構設計山藥收獲機的整體結構設計 . 錯誤！未定義書簽。錯誤！未定義書簽。 4.1 箱體機架的設計 . 錯誤！未定義書簽。錯誤！未定義書簽。 4.2 送土器的設計 . 錯誤！未定義書簽。錯誤！未定義書簽。 4.3 傳動方案的確定 . 錯誤！未定義書簽。錯誤！未定義書簽。 總總 結結 . 錯誤！未定義書簽。錯誤！未定義書簽。 致致 謝謝 . 錯誤！未定義書簽。錯誤！未定義書簽。 參考文獻參考文獻 . 錯誤！未定義書簽。錯誤！未定義書簽。 塔里木大學畢業設計 1 1 引言引言 1.1 課題來源及研究課題的意義和目的課題來源及研究課題的意義和目的 山藥對當地氣候要求不嚴，但喜溫暖濕潤，忌積水，怕干旱。宜種植于肥沃疏松、土層深厚、 排水良好的砂質壤土上種植。原產地位于河南焦作，現在分布于中國西北，華北，和長江流域的 湖南江西等地。由于其營養比較豐富，一直以來都被視為比較理想的補虛佳品，不僅可作為主糧， 又可作為蔬菜食用。有很高的藥用價值和食用價值 。隨著現代社會人們更加注重養生和健康，而 山藥的藥用價值和使用價值使得其成為很多人的選擇。特別是近幾年，山藥的種植面積和種植規 模不斷上升。因此，山藥生產和收獲的機械化越來越得到行業的重視 1。 長期以來，山藥的收獲都是靠傳統的人力收獲方式，山藥的根莖較長，難以采收，如果收獲 技術不夠成熟，根莖破損率就會很高。我國大部分地區收獲山藥的方法是：從山藥種植壟的一端 開始，先挖出 60-70cm 左右的土坑來，人坐在坑的邊上，然后用特制的山藥鏟，沿著地面上山藥 生長的 20cm 處的兩邊開始挖，將根兩邊泥土鏟出，一直挖到山藥溝下見到根莖的尖端為止，最后 輕輕鏟斷剩下的細根，手握著根莖的中上部分，小心拔出山藥的根莖。一定要小心精細鏟土，避 免山藥根莖的損傷和折斷。采收山藥時，一定要按著山藥種植的順序，一株一株地挨著挖，這樣 才能有效減少破損率， 又能避免漏收。 由于山藥一般在下層土壤延伸， 最深可延伸到地下 70100cm 處，靠人力收獲相當費力。最重要的是人力收獲的過程中容易挖到山藥塊莖，影響山藥的品質和 市場。而且勞動強度大，生產效率低。為此，山藥收獲的機械化問題就亟待解決。 山藥收獲技術如果能夠實現機械化，將有力地推動山藥生產的規模化，顯著降低山藥生產成 本，節省勞動力和農活作業量，使山藥種植戶增加更多的收入，提高農業生產的經濟效益。 本課題研究了我國山藥收獲機械化的發展現狀，山藥收獲機的未來研究方向。為山藥收獲方 式以及推廣山藥收獲機械化，促進山藥生產效率提供了理論依據。 1.2 山藥收獲機的現狀及方案說明山藥收獲機的現狀及方案說明 1.2.1 我國山藥收獲機的現狀 為了克服山藥收獲過程中易折斷的損傷的難題，我國廣大設計者和科學家們進行了刻苦的鉆 研，以下是現階段我國對山藥收獲機械化的研究現狀。資料內容查自中國知識產權局專利檢索網 站。 第一種山藥收獲機的發明者是李壘和李善文。這個發明設計了一種多功能山藥收獲機。 可以看到，中履帶底盤，設置在履帶底盤上的操作臺、豎直機架、電機、向上提升機構，安 裝在機架上并且能夠沿固定的機架上下移動的齒輪箱的總成，安裝在齒輪箱結構下面的用于開溝 的螺旋鉆軸和提土板，所述電機結構與齒輪箱結構由傳動軸實現傳動連接 ；提升機構與齒輪箱結 構連接，實現對齒輪箱結構的升降操作；山藥收獲裝置還包括設于箱結構一側，能夠將開溝軸開 出的土，向外送給送土器，以及設于履帶下部前面的能夠實現把土填回功能的送土器。這種山藥 收獲機的結構比較靈活，而且功能多樣化，能夠同時實現收獲山藥和溝內填土的兩項功能，除了 采收山藥外，還可以開電纜溝、管道溝、實現一機多種用法，省時省工，具有相當大的市場價值2。 塔里木大學畢業設計 2 第二種山藥收獲機發明者倪凡喜。這個創新專利目的在于，克服現階段生產技術的不足之處， 提供一種山藥收獲機的理論設計，在不損傷山藥塊莖的前提下，可以很大地提高生產效率，降低 采收山藥時的成本。此專利所述的山藥收獲機，包括振動破土機構、破土機構的固定架、旋轉型 軸承座、液壓油缸、可以左右移動的軸承固定支架、懸掛型四軸固定支架、手輪、擋土板、開溝 刀片、開溝鏈條、鏈條固定支架和從動輪。 破土機構固定架是這個專利的主體支撐架，整體呈現方形的框架結構，破土機構固定支架的 后端，連接著設置的振動破土機構，破土機構固定支架的前端，連接著旋轉式軸承座，旋轉軸承 座的前面連接著液壓油缸，液壓油缸的前端連接到左右移動軸承座固定架，左右移動軸承座固定 架設置在懸掛式四軸連接在固定架上，在懸掛型四軸固定支架的一邊，設計的有手輪，在懸掛型 四軸固定支架的兩端后側，設計有擋泥板。 在旋轉型軸承座的下端，連接設計有鏈條固定支架，鏈條固定支架的前端設計有主動輪，鏈 條固定支架的后端設計有從動輪，繞過主動輪與從動輪，設計有開溝鏈條，開溝鏈條的外表面上 設置有開溝刀片。連接到鏈條固定架上，設置有張緊固定架，張緊固定架的下端設置有張緊輪， 張緊輪與開溝鏈條的內表面相接觸3。 第三種山藥收獲機的發明者是盧雙貴。這種山藥收獲機，由切割鋸、松土板與螺旋提升機構 組成。 帶鋸上部連接旋轉輪，中間穿過狹長形的開口，下面套有軸承，中間的松土板在后面隨著將 土松動，松土板固定在套管上的伸縮桿上，液壓氣泵來提供動力，后面的螺旋提升機構在切割后 的土方下面向上轉動，即可把山藥向上頂出。由于是采用的拖拉機為動力，切割的土方要大于山 藥溝，從山藥的下面向上拱，不僅保證了山藥的完整度，不損壞山藥的塊莖，而且保持了山藥溝 的原來樣子，工作的效率極大提高，每天可挖掘山藥三到五畝 4。 1.2.2 山藥收獲機的設計要求 傳統的農業機械設計，存在著設計周期長，設計成本高，設計質量差，圖紙識別困難等問題。 隨著計算機技術的快速發展，虛擬制造和運動仿真在農機設計中得以實現，從而大大縮短了設計 周期，降低生產成本，提高了設計的準確性和可靠性。本設計利用三維設計軟件，對農業機械進 行產品設計 5 。具體內容： （1）對農機進行總體結構方案設計，滿足其功能要求，力求結構簡單，功能合理。 （2）進行農機零件設計，強度和結構上符合要求 （3）進行產品裝配。 （4）產品的動態仿真。 本方案設計山藥收獲機用于山藥的收獲作業。提高山藥收獲效率，降低勞動力，節約山藥收 獲成本。創新設計或改進現階段市面上已有的山藥收獲機，使山藥收獲作業起來更簡單。 給定的條件和要求翻土作業時的作業量為 400500m/小時，采用螺旋排除浮土，螺旋鉆桿轉 速為 300 轉/分鐘左右。 塔里木大學畢業設計 3 2 設計方案分析設計方案分析 2.1 設計方案的說明設計方案的說明 2.1.1 山藥挖掘收獲機整體結構簡介 通過現階段山藥收獲機的專利以及考察實際情況，可以得出，山藥收獲機的工作原理和組成 部分。 山藥收獲機的組成部分大致可由支撐部分、動力部分、工作部分和傳動部分。 支撐部分：主要就是山藥收獲機的機架和山藥收獲機與拖拉機連接部分，用于支撐整個山藥 收獲機能夠順利切協調的完成收獲工作。 動力部分：用于連接拖拉機傳輸的動力，把動力提供給山藥收獲機的傳動部分。 傳動部分：傳輸動力，并起到減速作用。 工作部分：這部分入土，用螺旋鉆桿開溝，達到收獲山藥的目的。 2.1.2 山藥收獲機的工作原理 以拖拉機為動力源，在拖拉機的尾部安裝一個螺旋鉆桿機構進行鉆土，前面的兩個螺旋鉆桿 開溝，起到收獲機的開溝作用。在開溝之后利用安裝在機架后面的送土器將土放置到溝的兩側， 起到提升山藥種植行土塊的作用，機器走過的地方就開出了一道深溝。 2.2 設計方案選擇與對比設計方案選擇與對比 在最終確定山藥收獲裝置的設計方案前，做了很多的準備工作。 首先，查閱了中國專利網上的一些專利申請，仔細閱讀并理解了山藥收獲機現階段的理論設 計情況。也看到了很多比較好的方案或者設計，其實還都在理論階段，很多設計者們的精妙設計 都還沒有通入生產。這也從一方面表現了現階段山藥收獲機的落后程度，同時山藥收獲的大難題 亟待解決。 其次，在網絡上檢索山藥收獲機，會發現很多廠家有在直銷，仔細研究后，也對山藥收獲機 在設計之后，開發生產的可能性有了一定的認識。明確了，在現階段哪些設計是不能開發的，哪 些設計更容易開發。 現在開發成功的山藥收獲機大致可以分為三種：1）單側山藥開溝機。2）雙側山藥開溝機。3） 鏈式山藥收獲機。下面聽過對三種收獲機的優缺點分析確定設計方案。 2.2.1 單側山藥開溝機 現在的很多設計和市面上已經投入使用的山藥收獲機，一般都是在山藥種植壟的一側進行挖 溝，然后通過人力下溝進行二次挖掘，這樣確實省了一部分人力，但是進行二次挖掘時，還是很 費力，而且容易損傷和折斷山藥的莖塊。如下圖 2-1 所示。 塔里木大學畢業設計 4 圖 2-1 單側山藥收獲機實物圖 這種山藥收獲機工作原理簡單，作業效率高，而且易推廣，在一些土壤比較肥沃、疏松的地 區比較適合。但是缺點也比較明顯，收獲機開溝之后，山藥依然埋一側的土壤中，剩下的的工作 必須依靠人力，從溝中向山藥一側進行挖掘，挖掘的過程不僅難以操作，而且容易損傷山藥，影 響山藥的銷售品質。 2.2.2 雙側山藥開溝機 已經投入使用山藥收獲機中，現在比較流行是一種是在山藥兩側開溝，確定山藥種植行的寬 度，設計出兩個開溝鉆的距離，從而從山藥種植行的兩側進行挖溝。實物圖如下圖 2- 2。 圖 2-2 雙側山藥收獲機實物圖 這種山藥收獲機與單側開溝機相比，有很大的優勢，降低了靠人力進行二次挖掘困難程度。 但是這種收獲機也有明顯的缺點，它雖然降低而人工挖掘強度，但是山藥和土塊還是緊密結合在 塔里木大學畢業設計 5 一塊，無法克服采收過程中的損傷山藥塊莖的問題。并且在此裝置開溝采收后的土地上，會留下 兩道很深的溝壑，這將影響下一季山藥的種植，導致種植山藥時需要填平溝壑。變相提升了山藥 種植的難度。 2.2.3 鏈式山藥收獲機 鏈式山藥收獲機與以上兩種開溝機原理不同，收獲山藥之后不會再地上留下很深的溝，這樣 下一季的種植就不會受到影響。而且這種山藥收獲機所需功率小，相對以上兩種在收獲的時候更 經濟，更節約成本。但是鏈式山藥收獲機也沒有以上兩種開溝機的有點。依靠鏈上面的刀片進行 開土，很難達到很深的程度。而山藥塊莖很深，這樣在后續的采收中還是需要大量的人力來完成， 甚至還需要人力來進行二次開溝。這樣一來，鏈式收獲機在采收中起到的作用就會很局限。下圖 2-3 為鏈式收獲機的的實物圖： 圖 2-3 鏈式山藥收獲機 2.3 設計方案的優化分析及確定設計方案的優化分析及確定 通過對山藥收獲機的現狀研究，對市場上已經開發成功的山藥收獲機的分析，總結山藥收獲 機需要滿足的條件，分析現有山藥收獲機的優缺點，最終確定山藥收獲機的最佳優化方案。 首先總結設計山藥收獲機要完成的任務：1）通過山藥收獲機能實現山藥收獲的簡易化，提高 山藥收獲的效率。2）此裝置在收獲山藥的時候不能損壞山藥的塊莖。3）山藥收獲機的設計要盡 量簡易，方案要符合實際情況。設計方案可以投入生產，并且可以推廣。 其次通過對上述現有山藥收獲機的研究與考察，發現現階段山藥收獲機有兩個無法實現的難 題：1）裝置在開溝后仍然需要大量的人力勞動來完成后續的采收。2）在后續人力采收的工程中， 比較容易損壞山藥的塊莖。想要克服這些問題，必須盡量使山藥收獲機開溝后，山藥所在土塊要 有所松動，使山藥與土壤的結合不在緊密。在裝置作業之后，人工收山藥的過程中，能夠更直接。 這樣就能提高山藥的完整性，盡量少的破壞山藥的塊莖。 收獲機的整體結構如下圖 2- 4 所示： 塔里木大學畢業設計 6 圖 2- 4 山藥挖掘收獲機整體結構 1.花鍵軸 2.差速箱 3.絲杠 4.傳動軸 5.滑套 6.齒輪 7.齒輪 8.軸承座 9.齒輪 10.螺栓 11.架子 12.機架 13.送土器 14.螺旋鉆桿 15.帶輪 16.軸承座 17.螺帽 圖 2- 5 山藥挖掘收獲機二維圖 裝置選擇在山藥的兩側同時開溝，并且在開溝后利用一個簡易的裝置，來松動山藥種植行的 土塊。這樣山藥采收的后續過程就能很大程度上減少人力，而且如果山藥所在土塊松動之后，人 們后續收山藥的方式就不僅僅是從溝下一點一點挖掘，而是可以更直觀的，更簡易的收獲山藥。 這樣一來，就減少了山藥塊莖的破壞。這個簡易的裝置不能給收獲機帶來太大的阻力，在此裝置 之前的開溝裝置，能夠很好地提供前進的空間。利用送土器，在開溝后之后，將提升到地面的泥 塔里木大學畢業設計 7 土放置到溝的兩側，機器走過的地方就開出了一道深溝。這樣，人就可以下去把山藥撿拾出來。 設計構想簡圖如下圖 2- 5： 圖 2-5 送土器三維設計圖 這是設計裝置的側視圖，從側視圖可以看出來，前面的兩個螺旋鉆桿開溝，起到收獲機的開 溝作用。在開溝之后利用安裝在機架后面的送土器將土放置到溝的兩側，起到提升山藥種植行土 塊的作用。為了更直觀的解釋此方案設計，可以結合正視圖看到送土器在山藥收獲過程中起到的 作用。結構見圖正視圖如下圖 2- 6： 圖 2-6 送土器正視圖 正視圖中兩個開溝鉆分別開挖山藥種植行的兩側，通過齒輪傳動裝置，帶動兩側同時開溝， 下面的送土器在開溝后之后，將提升到地面的泥土放置到溝的兩側，機器走過的地方就開出了一 道深溝。 塔里木大學畢業設計 8 3 山藥收獲機的整體結構設計山藥收獲機的整體結構設計 本次設計的主要內容有： 1)山藥收獲裝置的整體結構設計。 2)開溝螺旋鉆桿工作部分的設計， 使收獲裝置更有效采收山藥。3)齒輪機構的傳動設計，符合拖拉機功率傳輸，使開溝軸得到適合 的輸出功率。 3.1 箱體機架的設計箱體機架的設計 根據山藥收獲作業的要求，需要確定符合采收山藥裝置的總體結構設計，設計出特殊而且簡 單的機架，機架不僅要起到對螺旋鉆桿和送土器的支撐作用，而且還對螺旋鉆桿起到提升和下降 作用。如下圖 3-1： 圖 3-1 收獲裝置機架 3.2 送土器的設計送土器的設計 送土器的設計，可以更好的將螺旋鉆桿松動的土塊提升到溝的兩側，大大提升了山藥收獲裝 置的優越性。送土器要橫跨山藥種植行，與機架連接，起到固定的作用。送土器通過皮帶輪與拖 拉機的皮帶輪相連，這樣拖拉機就能帶動送土器工作了。如下圖 3- 2 所示： 塔里木大學畢業設計 9 圖 3-2 送土器 圖 3-3 山藥挖掘收獲機部分裝配圖 3.3 傳動方案的確定傳動方案的確定 傳動方案確定不僅要考慮輸入功率和輸出功率的轉換，還要考慮山藥收獲時的具體情況，比 如山藥種植行之間的距離基本能確定工作周之間的距離，然結合減速器的校核，一起確定工作軸 傳動齒輪的分度圓直徑。 裝置選擇配備 24 匹，17.7 千瓦的拖拉機，裝置作業時，拖拉機轉速達到 2000r/min。拖拉機 與收獲裝置采用錐齒輪傳動，拖拉機傳動軸通過兩個錐齒輪將動力傳送到山藥收獲裝置的傳動軸 上，傳動軸通過齒輪將動力傳送到螺旋鉆桿上，兩個螺旋鉆桿同速轉動。通過考察，確定山藥收 獲裝置的開溝深度為 1000mm，開溝寬度為 400mm，開溝速度為 400500m/h 6 。 塔里木大學畢業設計 10 4 傳動機構的設計傳動機構的設計 傳動機構的設計主要就是：根據拖拉機的輸出功率和輸出軸所需輸出功率，經過傳動機構的 傳輸達到一個整機和諧工作的設計過程。即傳動齒輪和傳動軸的合理選擇。 4.1 軸的初步設計軸的初步設計 根據山藥收獲過程中，開溝軸的實際工作情況，工作過程中，軸的轉速為 200300r/h 左右。 由此可以確定傳動比的分配情況 7： 總傳動比及其分配 總傳動比 10200/2000/= gm nni （4- 1） 根據山藥種植行的距離，可以進行傳動比的分配： 1025 21 =iii 其中，5 1= i為傳動軸傳動傳動比； 2 2 =i為工作軸傳動比； 裝置中各軸轉速計算（把傳動軸定為 軸，工作軸定為軸） min/4005/2000 11 rinn m = min/2002/400 212 rinn= 裝置傳動各軸功率計算 8 首先計算傳動裝置的的總效率： 9033. 097. 096. 0 22 21 = 其中，96. 0 1= 為帶傳動的效率； 97 . 0 2 =為圓柱齒輪之間傳動效率 塔里木大學畢業設計 11 再來計算各軸的功率： kW99.1696. 07 .17 11 = d pp kW4803.1697. 099.16 212 =pp （4- 2） 工作各軸功率、轉速、轉矩列表如下： 表表 4-1 各軸功率各軸功率 軸號 功率 P（kW） 轉速 n(r/min) 轉矩 T(Nm) 16.99 16.48 400 200 405.15 786.92 按許用應力估算軸的最小直徑： 3 min n P Cd （4- 3） 查機械設計手冊取 C=112 軸： mmd07.39400/99.16112 3 1 = 此軸有兩個鍵槽，需要加 7%，取mmd50 1= 軸: mmd74.48200/48.16112 3 2 = 同樣有兩個鍵槽，加 7%，取mmd55 2 =