蘋果樹起苗機(jī)的設(shè)計(jì)
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畢業(yè)設(shè)計(jì)中文摘要
蘋果樹起苗機(jī)的設(shè)計(jì)
摘 要
中國的蘋果種植面積在世界上居于首位，在我國，蘋果樹苗木的培養(yǎng)正在朝著規(guī)?；蜆?biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。在果樹培育中，起苗這一環(huán)節(jié)在蘋果樹苗木的出圃中占有重要地位。蘋果樹苗木起苗的機(jī)械化在世界上許多發(fā)達(dá)國家已經(jīng)成為了現(xiàn)實(shí)。目前在我們國家，使用的起苗方式還是以人力起苗為主，機(jī)械化的起苗方法并不常見，所謂的機(jī)械式的起苗也只是通過人力改裝普通的農(nóng)機(jī)具進(jìn)行一些簡單的起苗作業(yè)。這種機(jī)械式的起苗作業(yè)效率很低，還會耗費(fèi)大量的人力，最終起苗的效果也是不盡如人意，不但傷根，還會使許多果樹成活不了。在這樣的現(xiàn)實(shí)條件下，設(shè)計(jì)并生產(chǎn)出來專用的蘋果樹起苗機(jī)是很有意義的。
本文分析了蘋果樹苗的背景、目的、重要性和當(dāng)前發(fā)展，針對我國的育苗技術(shù)研究和果樹造林技術(shù)要求，我們利用園藝和農(nóng)機(jī)技術(shù)相結(jié)合的方法，參考蘋果樹苗木根系生長狀況的信息，設(shè)計(jì)了一種特定的蘋果果樹起苗機(jī)。這個蘋果樹起苗機(jī)的起苗鏟通過側(cè)向固定的方法，對蘋果樹苗木進(jìn)行挖掘、松土以及起苗，起苗后的樹苗仍然整齊排列，之后利用人力進(jìn)行撿拾和包裝。
本文設(shè)計(jì)了蘋果樹起苗機(jī)的整個結(jié)構(gòu)及各個零部件，運(yùn)用有限元分析技術(shù)對起苗鏟的設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，并將起苗鏟的形狀從U型更改為L型，這不僅減小了起苗鏟的質(zhì)量，還降低了其在田間作業(yè)時(shí)土壤的阻力。此起苗機(jī)的運(yùn)動由拖拉機(jī)牽引實(shí)現(xiàn)，拖拉機(jī)提供的功率為36.8KW，起苗機(jī)作業(yè)效率為6-8（棵/秒）。
關(guān)鍵詞：果樹苗木；蘋果苗；起苗鏟；參數(shù)優(yōu)化
畢業(yè)設(shè)計(jì)英文摘要
The design of the apple tree seedling machine
Abstract
China's apple planting area ranks first in the world. In my country, the cultivation of apple tree seedlings is developing in the direction of scale and standardization. In the cultivation of fruit trees, the seedling process occupies an important position in the emergence of apple tree seedlings. The mechanization of apple tree seedlings has become a reality in many developed countries in the world. At present, in our country, the seedling raising method used is mainly human seedling. The mechanized seedling raising method is not common. The so-called mechanical seedling raising is only through the manual modification of ordinary agricultural machinery to carry out some simple seedling operations. This kind of mechanical seedling raising operation is very inefficient and consumes a lot of manpower. In the end, the effect of seedling raising is not satisfactory. It not only damages the roots, but also makes many fruit trees unable to survive. Under such realistic conditions, it is meaningful to design and produce a dedicated apple tree seedling machine.
This article analyzes the background, purpose, importance and current development of apple tree seedlings. Aiming at the technical requirements of my country’s seedling cultivation technology and fruit tree afforestation, we use a combination of horticulture and agricultural machinery technology and refer to the information on the root growth of apple tree seedlings to design A specific apple fruit tree seedling machine was developed. The seedling shovel of this apple tree seedling machine uses lateral fixation method to excavate, loosen soil and seedlings of apple tree seedlings. After seedlings, the seedlings are still neatly arranged, and then picked up and packed by manpower.
In this paper, the entire structure and various parts of the apple tree seedling lifter are designed, the finite element analysis technology is used to optimize the design of the seedling shovel, and the shape of the seedling shovel is changed from U-shaped to L-shaped, which not only reduces the quality of the seedling shovel is improved, and the soil resistance during field operations is also reduced. The movement of the seedling lifter is realized by the tractor. The power provided by the tractor is 36.8KW, and the operating efficiency of the seedling lifter is 6-8 (trees/sec).
Keywords：fruit saplings; apple seedlings; seedling shovels; parameter optimization
目 錄
1 緒論 1
1.1 課題研究的背景 1
1.2 課題研究的目的和意義 1
1.3 國內(nèi)外機(jī)械化起苗現(xiàn)狀 2
1.3.1 國外研究現(xiàn)狀 2
1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 2
2 蘋果樹苗木起苗園藝技術(shù) 4
3 技術(shù)任務(wù)書 5
3.1 起苗機(jī)設(shè)計(jì)依據(jù) 5
3.2 起苗機(jī)設(shè)計(jì)要求 5
3.2.1 整機(jī)的技術(shù)要求 5
3.2.2 主要零部件要求 5
3.3 起苗機(jī)的總體結(jié)構(gòu)及工作原理 5
3.4 起苗機(jī)的設(shè)計(jì)原則 6
4 設(shè)計(jì)計(jì)算說明書 7
4.1 總體結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù) 7
4.2 起苗鏟的設(shè)計(jì)及優(yōu)化 7
4.2.1 起苗鏟的設(shè)計(jì) 7
4.2.2 起苗鏟的三維建模 9
4.2.3 起苗鏟的應(yīng)力分析 9
4.2.4 起苗鏟的參數(shù)優(yōu)化 12
4.3 平衡鏟的設(shè)計(jì) 15
4.4 限深輪的設(shè)計(jì) 15
4.5 松土裝置的設(shè)計(jì) 16
4.5.1 抖土器的設(shè)計(jì) 17
4.5.2 減速器的設(shè)計(jì) 17
5 使用說明書 20
5.1 總體結(jié)構(gòu)及主要參數(shù) 20
5.1.1 總體結(jié)構(gòu) 20
5.1.2 主要參數(shù) 20
5.2 使用與調(diào)整 21
5.3 維護(hù)與保養(yǎng) 21
5.3.1 作業(yè)期的維護(hù)保養(yǎng) 21
5.3.2 封存期的維護(hù)保養(yǎng) 21
6 標(biāo)準(zhǔn)化審查報(bào)告 22
結(jié)論 23
參 考 文 獻(xiàn) 24
致 謝 25
蘋果樹起苗機(jī)的設(shè)計(jì)
1 緒論
1.1 課題研究的背景
蘋果擁有悠久的歷史，蘋果具有營養(yǎng)豐富、高投入、高產(chǎn)出、比較效益高等特點(diǎn)，是促進(jìn)農(nóng)民脫貧致富和推動鄉(xiāng)村振興的重要抓手。蘋果的適應(yīng)能力極好，不論是在平地、山坡、丘陵等環(huán)境下都能夠栽種成活，蘋果在全球很多國家都有種植，它的流行程度在目前都是日益增長的狀態(tài)。我國的蘋果種植面積和生產(chǎn)能力占據(jù)世界首位，我們的蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，其成就吸引了全世界的目光。
在我國，生產(chǎn)蘋果的主要方式是分散式的種植和培養(yǎng)，蘋果樹大多歸農(nóng)戶所有，最近幾年存在一些問題。近年來出現(xiàn)了嚴(yán)重的老齡化和勞動力不足的問題。隨著我國城市化進(jìn)程的迅速發(fā)展，農(nóng)村地區(qū)的精壯勞力和知識淵博的有才干的人經(jīng)常外出上班，在果園里工作的人主要是老人、弱勢群體、病人甚至殘疾人。還有就是農(nóng)民的知識水平不高，缺乏統(tǒng)一的管理。
隨著國內(nèi)對蘋果的需求日益加大，我國蘋果的栽培和生產(chǎn)方式將發(fā)生重大變化，因此，我國需要盡快提升蘋果樹樹苗培育的機(jī)械化技術(shù)。當(dāng)今世界上普遍使用的培育模式是矮砧栽培，這個發(fā)展模式可以作為我國蘋果樹培育的新模式。這樣一來，推廣矮砧栽培模式是有十分重要的意義。
1.2 課題研究的目的和意義
蘋果苗木質(zhì)量的高低直接影響著蘋果的建園質(zhì)量和移栽成活率，同時(shí)，對蘋果植株的生長發(fā)育和結(jié)果的早晚、蘋果生長對環(huán)境的適應(yīng)性能以及蘋果樹壽命長短也有直接的關(guān)系。抓好苗木生產(chǎn)，選用優(yōu)質(zhì)壯苗建園，是實(shí)現(xiàn)蘋果優(yōu)質(zhì)、豐產(chǎn)的關(guān)鍵。
我國蘋果樹苗的生產(chǎn)仍然采用農(nóng)戶式的種植方式，這種種植方式是很難做到標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；模运臋C(jī)械化程度很低。目前在我們國家，使用的起苗方式還是以人力起苗為主，會耗費(fèi)大量的人力，最終起苗的效果也是不盡如人意，不但傷根，還會使許多果樹成活不了。采用機(jī)械化起苗，在確保苗木根系標(biāo)準(zhǔn)的前提下，會很大的節(jié)約起苗的成本，還會很大提高作業(yè)的效率。
在滿足園藝要求的條件下，利用機(jī)械代替人力從而實(shí)現(xiàn)蘋果樹苗木培育達(dá)到機(jī)械化作業(yè)水平，已經(jīng)成為了現(xiàn)如今蘋果樹行業(yè)發(fā)展的迫切需求。因此，為了滿足園藝方面的要求，節(jié)約成本，提高作業(yè)效率，蘋果樹起苗機(jī)的研究具有重要意義，同時(shí)也會實(shí)現(xiàn)蘋果樹苗的質(zhì)量穩(wěn)定可靠，為蘋果樹種植的標(biāo)準(zhǔn)化做必要的鋪墊，為良好的生態(tài)環(huán)境打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
1.3 國內(nèi)外機(jī)械化起苗現(xiàn)狀
1.3.1 國外研究現(xiàn)狀
1940年左右，歐洲和美洲各國就把田地里用的農(nóng)機(jī)具經(jīng)過修改后用于果樹的苗木培育。20世紀(jì)60年代以來，國外很多國家的果園機(jī)械發(fā)展十分迅速，許多作業(yè)步驟已經(jīng)由人工轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器操作。
目前，國外許多國家的果園機(jī)械化程度很高。從整地、播種、施肥、防病蟲、行間除草、截根、去頂?shù)狡鹈?、分檢直至運(yùn)輸一整套作業(yè)都基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化。由于國外果樹種植模式十分注重農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)的有效結(jié)合，便于機(jī)械裝備操作，機(jī)械化起苗基本實(shí)現(xiàn)，主要裝備有簡易型起苗鏟、振動式起苗機(jī)、多功能聯(lián)合起苗機(jī)等，其中，簡易型起苗鏟只完成挖苗、松土兩道工序，最常見的是拖拉機(jī)懸掛式U型起苗機(jī)。聯(lián)合起苗機(jī)能完成除上述兩道工序之外的抖土、撿拾和包裝等許多工序，有利于提高果樹成活率，所以它在市場上擁有更好的產(chǎn)品性能優(yōu)勢。
1.3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國長期以來蘋果樹起苗一直沿用傳統(tǒng)的手工勞動方式，勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低。蘋果樹起苗的機(jī)械化是農(nóng)民十分著急的需要，因?yàn)槲覈奶O果種植面積無時(shí)無刻不在擴(kuò)大，而在農(nóng)村的精壯勞力卻一直外出工作，技術(shù)不先進(jìn)和勞動力不足已經(jīng)成為主要問題。
在我國，普遍采用分散栽培，分戶管理的種植方式，機(jī)械式的作業(yè)方式很不多見，僅僅能見到的是通過人工自己改造的簡單農(nóng)機(jī)具。在內(nèi)蒙古的赤峰農(nóng)林機(jī)械制造廠中，曾經(jīng)生產(chǎn)出了一種床式振動起苗機(jī)，如圖1所示，這種機(jī)器需要掛在拖拉機(jī)后邊，借助拖拉機(jī)后方的動力輸出軸輸出動力，從而帶動抖動器上下擺動，松土效果會比較明顯。這種起苗機(jī)的作用是起各種藥材的苗木，也可起樹木的苗木，但是只能夠起一年以內(nèi)的小苗木。
圖 1 床式振動起苗機(jī)
2 蘋果樹苗木起苗園藝技術(shù)
蘋果樹根系的組成通常由主根、側(cè)根、須根組成，如圖2所示。主根的產(chǎn)生是由果樹種子生長發(fā)育而來的。主根也可叫作零級根，從主根直接側(cè)向生長出來的較為粗大的根，叫作側(cè)根，也稱為一級根。一級根上繼續(xù)生長出來的根被叫作二級根。之后依次可生成三級根、四級根、五級根等。在各個級別的主根和側(cè)根上還會生長出許多細(xì)小的根，被叫作須根。
圖 2 蘋果樹的根系分布
蘋果樹根系在一年之內(nèi)可以有多次的生長，這樣使得蘋果樹根系獲取土壤間的水分而繼續(xù)橫向生長，從而生成許多的新根。根系也同時(shí)存在更新交替，生老病死。所以根系在向外擴(kuò)張的同時(shí)，也有老的根系的枯死。這樣蘋果樹的根系就存在一定的分布規(guī)律和生長密度。
矮砧蘋果是利用矮化砧木嫁接的蘋果樹，喬砧蘋果是利用海棠嫁接的蘋果樹。矮砧蘋果樹適宜密植，比喬砧蘋果樹結(jié)果早，一般栽植后2-4年開始結(jié)果，6-8年進(jìn)入豐產(chǎn)期。二年生的喬砧蘋果根系多集中于20~60厘米，而二年生矮砧蘋果根系集中在15~40厘米。本文主要針對二年生矮砧蘋果樹苗進(jìn)行專門的蘋果樹起苗機(jī)的設(shè)計(jì)。
3 技術(shù)任務(wù)書
3.1 起苗機(jī)設(shè)計(jì)依據(jù)
蘋果樹起苗機(jī)通過與拖拉機(jī)的連接可以有三種連接方式，分別是牽引式、半懸掛式和懸掛式。通過對我國蘋果樹培養(yǎng)的現(xiàn)狀和對蘋果樹起苗技術(shù)要求進(jìn)行研究，結(jié)合蘋果樹苗木的有關(guān)生產(chǎn)方面的要求，可設(shè)計(jì)懸掛式的蘋果樹起苗機(jī)。
3.2 起苗機(jī)設(shè)計(jì)要求
3.2.1 整機(jī)的技術(shù)要求
起苗機(jī)整機(jī)的技術(shù)要求如下：
（1）起苗深度的標(biāo)準(zhǔn)差應(yīng)在3cm之內(nèi)；
（2）起苗機(jī)的入土行程應(yīng)在3m之內(nèi)；
（3）起苗機(jī)的牽引阻力應(yīng)小于30000N；
（4）起苗機(jī)可靠性系數(shù)應(yīng)不低于95%；
（5）起苗機(jī)的松土裝置的振幅應(yīng)比較小，使起苗鏟所切的土不發(fā)生翻轉(zhuǎn)；
3.2.2 主要零部件要求
（1）起苗鏟工作表面光滑平整，刀口鋒利；
（2）起苗鏟的工作壽命在10公頃土地面積之上；
（3）起苗鏟刀口應(yīng)進(jìn)行熱處理；
（4）在正常工作條件下，機(jī)架不應(yīng)該發(fā)生塑性變形；
（5）平衡鏟，限深輪等調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)應(yīng)該調(diào)節(jié)十分方便。
3.3 起苗機(jī)的總體結(jié)構(gòu)及工作原理
蘋果樹起苗機(jī)采用拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛作業(yè)，主要由機(jī)架、起苗鏟、平衡鏟、限深輪和松土裝置等組成。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。懸掛點(diǎn)的位置可調(diào)，平衡鏟用來相互抵消起苗鏟工作時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向扭矩；起苗鏟用螺栓聯(lián)結(jié)于起苗機(jī)機(jī)架右側(cè)，隨同機(jī)架一起運(yùn)動，入土工作后限深輪觸地轉(zhuǎn)動，協(xié)助維持機(jī)架平衡穩(wěn)定；起苗深度靠限深輪來調(diào)節(jié)，保證規(guī)定的挖掘深度；起苗鏟寬度保證蘋果樹苗根系帶土垡與下層土壤之間形成斷口，起苗鏟工作隙角確保樹苗根系帶土垡略微抬起并松動行間土壤；松土裝置將挖掘后的蘋果樹苗用抖土器的輕微抖動，將根系中須根上的土壤抖掉，保留主根和側(cè)根周圍土壤，并且挖掘后的樹苗可以站立在田間，方便于人工撿拾包裝樹苗，從而提高工作效率。
圖 3 蘋果樹起苗機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
3.4 起苗機(jī)的設(shè)計(jì)原則
蘋果樹起苗機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮到機(jī)器的運(yùn)行條件、機(jī)器的性能穩(wěn)定性、操作特性以及安裝的便利性等因素。此外，還應(yīng)確保機(jī)器運(yùn)行可靠、合理地匹配、具有良好的通過性能，并且連接和安裝工作部件的連接裝置要堅(jiān)固。
4 設(shè)計(jì)計(jì)算說明書
4.1 總體結(jié)構(gòu)及主要技術(shù)參數(shù)
如圖4所示，蘋果樹起苗機(jī)主要由機(jī)架、起苗鏟、平衡鏟、限深輪和松土裝置等組成。
圖 4 蘋果樹起苗機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
蘋果樹起苗機(jī)的配套動力用拖拉機(jī)東方紅500，主要技術(shù)參數(shù)見表1：
項(xiàng)目
參數(shù)
連接方式
配套動力/ kW
機(jī)長/mm
機(jī)寬/mm
起苗深度/mm
作業(yè)寬度/mm
作業(yè)效率/(棵/秒)
三點(diǎn)懸掛
36.8
1360
2560
0~500
500
6~8
表 1 蘋果樹起苗機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
4.2 起苗鏟的設(shè)計(jì)及優(yōu)化
4.2.1 起苗鏟的設(shè)計(jì)
起苗鏟的設(shè)計(jì)常常運(yùn)用的是U型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，它的兩側(cè)方向的刀與水平方向的刀互相垂直，并且制作為一個整體。它運(yùn)作時(shí)兩邊方向的刀在兩個豎直方向，水平方向的刀在水平方向一起切土，以至于它的工作較穩(wěn)定。起苗鏟的工作間隙角α和水平刀的夾角2γ將直接導(dǎo)致起苗鏟工作的質(zhì)量。
4.2.1.1 工作間隙角
工作間隙角就是起苗鏟工作時(shí)的入土角
α=arctanP-fGfP+G (1)
f=tanφ (2)
式中：P—向著刀面運(yùn)動鏟動土需要的力；
f—摩擦系數(shù)；
G—鏟動土的重力；
φ—土對起苗鏟的摩擦的角度（φ=30°-36°）。
工作間隙角是能夠保證起苗鏟的入土性能，間隙角增大，一方面會便于入土，另一方面會提高土地對起苗鏟的正壓力和摩擦力，進(jìn)而提升工作阻力，所以一般情況下間隙角不大于20°。間隙角減小，入土?xí)容^困難，所以一般間隙角不小于12°。綜上所述，選擇間隙角為14°。
4.2.1.2水平刀夾角
水平刀夾角的功能是在工作時(shí)有些許的橫向切動，從而減少運(yùn)動時(shí)的阻力。對于起苗鏟寬度比較小的水平刀夾角可以比較小一些，但對于起苗鏟寬度比較大的，如果水平刀夾角太小，便因?yàn)榈都馓怀?，從而提高起苗鏟在運(yùn)動時(shí)的彎矩，進(jìn)而對起苗鏟運(yùn)動穩(wěn)定性和壽命產(chǎn)生很大的影響。
4.2.1.3 起苗鏟材料
對于材料的選擇，必須以作業(yè)環(huán)境為條件，同時(shí)參考泊松比、材料密度以及彈性模量，更為重要的是考慮經(jīng)濟(jì)性和可維修性。通過以上分析，決定選擇鋼65Mn作為起苗鏟的材料，因其剛度與強(qiáng)度等性能都挺高，并且耐磨損，很適合在田間工作。
4.2.1.4設(shè)計(jì)參數(shù)
對于矮砧化蘋果樹苗，它的根系寬度集中在15~40cm，所以擬設(shè)定起苗鏟的鏟寬為500mm，現(xiàn)確定起苗鏟的設(shè)計(jì)參數(shù)，見表2：
材料
鏟高/mm
鏟寬/mm
工作間隙角/°
水平刀夾角/°
65Mn
800
500
14
120
表 2 U型起苗鏟的設(shè)計(jì)參數(shù)
4.2.2 起苗鏟的三維建模
對起苗鏟進(jìn)行三維建模時(shí)，先畫出起苗鏟的二維零件圖，之后通過ProE三維建模軟件畫出起苗鏟的三維實(shí)體模型。在設(shè)計(jì)中，將起苗鏟的鏟高、鏟寬、工作間隙角以及水平刀夾角作為固定值，在后邊的操作中也不能改變，如圖5：
圖 5 U型鏟的三維實(shí)體模型
4.2.3 起苗鏟的應(yīng)力分析
4.2.3.1 定義材料屬性
起苗鏟材料確定為鋼65Mn，其密度、楊氏模量、泊松比等參數(shù)見下表3：
表 3 材料屬性
材料
密度/( g/cm3)
楊氏模量/ GPa
泊松比
鋼65Mn
7.87
200
0.29
然后對起苗鏟三維實(shí)體模型定義材料屬性，之后該模型就擁有了這種材料，如圖6：
圖 6 U型起苗鏟材料屬性
4.2.3.2 進(jìn)行網(wǎng)格劃分
劃分網(wǎng)格之后，擁有3729個節(jié)點(diǎn)，1638個單元，如圖7所示：
圖 7 對U型起苗鏟網(wǎng)格劃分
4.2.3.3 對模型施加約束和載荷
起苗鏟的固定需要利用螺栓來實(shí)現(xiàn)，螺栓將起苗鏟與機(jī)架固定為一體，由此，可以將約束放在起苗鏟上的幾個螺栓孔位置處，從而限制起苗鏟和機(jī)架之間的自由度。為了確保起苗鏟能在正常工作條件下穩(wěn)定的工作，要求起苗機(jī)組作業(yè)速度在1.1~1.2m/s，起苗鏟的全部結(jié)構(gòu)的最大變形量要低于5mm，并且起苗鏟要保證不會產(chǎn)生整體出現(xiàn)裂紋的情況。
由配套的動力源在工作時(shí)能夠產(chǎn)生的拉力可通過下面的式子進(jìn)行計(jì)算：
FT=PTv (3)
式中：FT—動力源能夠產(chǎn)生的拉力大小，kN
PT—動力源自身的功率大小，kW
當(dāng)機(jī)器在田間工作時(shí)，拖拉機(jī)在起苗之后的松軟土地上前進(jìn)，所以拖拉機(jī)的牽引功率為：
G=0.4A (4)
式中：G—牽引功率，kW
A—動力源最大功率，kW
通過計(jì)算得到動力源所產(chǎn)生的拉力為13.38kN，但是拉力并不全部作用在起苗鏟上，有一部分作用在起苗鏟上，還有另一部分作用在平衡鏟等其他零部件上，所以按作用在起苗鏟上的拉力按50%計(jì)算。起苗鏟工作時(shí)所產(chǎn)生的阻力來源一方面是由工作間隙角的斜面和刀口處的摩擦阻力以及正壓力，另一方面則是由起苗鏟兩邊的面與土地之間的摩擦力。通過計(jì)算得到挖出的苗木以及連帶的土的重量大約為30kg時(shí)，所產(chǎn)生的阻力大小大約為4000N。
施加約束和載荷后，如圖8：
圖 8 對U型起苗鏟施加約束和載荷
4.2.3.4 進(jìn)行應(yīng)力求解
通過上述對起苗鏟模型進(jìn)行材料定義、網(wǎng)格劃分以及施加約束和載荷，進(jìn)而通過有限元自動分析求解進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，從而得到有限元分析結(jié)果，即應(yīng)力分布圖和結(jié)構(gòu)變形圖，如圖9、圖10所示：
圖 9 U型起苗鏟應(yīng)力分布圖
圖 10 U型起苗鏟結(jié)構(gòu)變形圖
由結(jié)構(gòu)變形圖可以看出，最大結(jié)構(gòu)變形量發(fā)生在鏟外側(cè)壁一側(cè)，而且最大變形量超過了5mm，這與起苗鏟的設(shè)計(jì)要求不符合，同時(shí)也可以判斷出外側(cè)壁高度越大，變形量會越大，所以需要對外側(cè)鏟高進(jìn)行調(diào)整。
4.2.4 起苗鏟的參數(shù)優(yōu)化
4.2.4.1 起苗鏟的參數(shù)調(diào)整
由上述分析可知，可以適當(dāng)降低U型起苗鏟的外側(cè)鏟高，使之優(yōu)化為L型起苗鏟，調(diào)整后的參數(shù)見表4：
表 4 L型鏟基本參數(shù)
材料
內(nèi)測鏟高/mm
外側(cè)鏟高/mm
鏟寬/mm
工作間隙角/°
水平刀夾角/°
65Mn
800
290
500
14
120
L型起苗鏟的三維模型如圖11：
圖 11 L型起苗鏟三維模型
4.2.4.2 對L型起苗鏟進(jìn)行分析
（1）定義材料屬性，與U型起苗鏟材料相同。
（2）進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到3283個節(jié)點(diǎn)和1453個單元，如圖12所示：
圖 12 對L型起苗鏟進(jìn)行網(wǎng)格劃分
（3）施加約束和載荷，如圖13所示：
圖 13 對L型起苗鏟施加約束和載荷
（4）應(yīng)力求解，得到應(yīng)力分布圖和結(jié)構(gòu)變形圖，如圖14、15所示：
圖 14 L型鏟應(yīng)力分布圖
圖 15 L型鏟結(jié)構(gòu)變形圖
由圖15可以清晰地看出，L型起苗鏟最大變形量發(fā)生在外側(cè)壁面上，且這個變形量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于5mm，符合最初起苗鏟的設(shè)計(jì)要求。綜上分析，將U型起苗鏟優(yōu)化設(shè)計(jì)為L型起苗鏟，滿足工作需要。
4.3 平衡鏟的設(shè)計(jì)
由于蘋果樹起苗機(jī)采用側(cè)向牽引的方式，使得拖拉機(jī)在工作中一直受到一個旋轉(zhuǎn)力矩的作用，而在工作過程中的阻力較大，僅僅依靠拖拉機(jī)前進(jìn)產(chǎn)生的偏向摩擦力，是不能夠和旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力矩相互抵消的，這樣就會造成拖拉機(jī)發(fā)生側(cè)向滑動，使之不能夠正常保持直線方向的行駛。所以，為了保證起苗機(jī)在工作過程中保持所要求的平衡，需要設(shè)計(jì)平衡鏟，其實(shí)物圖如圖16所示。
圖 16 平衡鏟實(shí)物圖
該平衡鏟可以在工作時(shí)通過與土層之間產(chǎn)生有效的阻力，從而用來抵消工作中產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩，保證起苗機(jī)的平衡，平衡鏟的設(shè)計(jì)參數(shù)見表5：
鏟高
鏟寬
材料
上刀刃傾角
工作間隙角
1001mm
60mm
65Mn
45°
6°
表 5 平衡鏟的設(shè)計(jì)參數(shù)
4.4 限深輪的設(shè)計(jì)
限深輪是調(diào)節(jié)起苗深度和支撐機(jī)架的一個獨(dú)立部件組。限深輪的組成是由高度調(diào)節(jié)手柄、保持架和輪胎等部分組成，如圖17所示：
圖 17 限深輪實(shí)物圖
限深輪的工作原理是通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)手抦控制輪胎的垂直方向的升起和降落，這樣容易達(dá)到最初預(yù)定的起苗深度。限深輪的安裝是通過螺栓與整體機(jī)架相連，它的高度調(diào)節(jié)手柄是通過采用一組梯形形狀的絲杠螺母副構(gòu)成的，這樣的裝置的優(yōu)點(diǎn)是自鎖好，工作省力。保持架是通過焊接得到的，焊接所用的材料是方管。輪胎需要在田地間行走，所以對于輪胎的要求是輪胎的紋理與地面的接觸面積要大、紋理的凹進(jìn)程度要大以及不易打滑，經(jīng)比較選用人字形的紋理可以達(dá)到這樣的要求。其零部件的技術(shù)參數(shù)見表6：
表 6 限深輪零部件及參數(shù)
零部件
材料
數(shù)量
保持架
45鋼
1
高度調(diào)節(jié)手柄
45鋼
1
人字輪胎
橡膠
1
固定輪轂軸
45鋼
1
4.5 松土裝置的設(shè)計(jì)
當(dāng)起苗鏟在田間工作之后會形成很多的苗帶土垡，苗帶土垡的苗木根系上所攜帶的土壤半徑會很大，因此需要松土裝置。松土裝置的作用是將苗木根系上所攜帶的土壤進(jìn)行抖動，以至于苗木根系中須根攜帶的土壤可以被抖掉，而主根周圍的土壤仍保留在根系之上，從而提高樹苗移栽之后的成活率。
松土裝置由減速器、偏心機(jī)構(gòu)以及抖土器等組成。裝置在工作時(shí)的動力來源是拖拉機(jī)的動力輸出軸，動力經(jīng)過萬向節(jié)傳輸向減速器，通過減速器促使偏心機(jī)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)動，從而帶動軸的轉(zhuǎn)動帶動抖土器進(jìn)行由上到下再由下到上的循環(huán)擺動。
4.5.1 抖土器的設(shè)計(jì)
抖土器是由方鋼焊接成柵格的形狀，如圖18所示。柵格形狀的抖土器可以減小機(jī)架的總體質(zhì)量，并且在工作中，可以減小抖土器和土壤之間的阻力。當(dāng)苗帶土垡通過起苗鏟的鏟動之后移動到抖土器上，通過振動可以使苗帶土垡上的土壤得到松動，松動的土壤可以經(jīng)過柵格落回田間，從而可以降低機(jī)架在行進(jìn)過程中的阻力。更為重要的一點(diǎn)是，此抖土器的結(jié)構(gòu)可以使起苗后的苗木向外側(cè)方向傾斜，這樣更加方便尾隨機(jī)器之后的工人撿拾包裝樹苗。
圖 18 抖土器三維圖
4.5.2 減速器的設(shè)計(jì)
圓錐齒輪用于傳遞相交軸或相錯軸之間的運(yùn)動。圓錐齒輪按齒向的不同，可分為直齒、斜齒和曲線齒，直齒錐齒輪最為常用。直齒錐齒輪的承載能力不高，工作時(shí)噪聲較大，常用于低速輕載的工作場合；曲線齒錐齒輪具有重合度大、承載能力高、傳動效率高、傳動平穩(wěn)、噪聲小等特點(diǎn)，應(yīng)用日益廣泛，常用于高速重載的工作場合，但是它的設(shè)計(jì)和制造較為復(fù)雜。
根據(jù)起苗機(jī)的技術(shù)要求和考慮到經(jīng)濟(jì)性，減速器由直齒錐齒輪組成，并且用于兩個傳動軸之間的傳動。
4.5.2.1 確定傳動比
根據(jù)配套拖拉機(jī)的動力參數(shù)，參考其他農(nóng)機(jī)具的傳動裝置，確定小直齒錐齒輪的齒數(shù)為40，大直齒錐齒輪的齒數(shù)為48，可得傳動比為：
i12=n1n2=z2z1=4840=1.2 (5)
式中：n1—主動軸轉(zhuǎn)速，即拖拉機(jī)動力輸出軸的轉(zhuǎn)速（n1=720r/min）
n2—從動軸轉(zhuǎn)速
4.5.2.2 確定齒輪的精度
小齒輪齒數(shù)z1=40，大齒輪齒數(shù)z2=48，模數(shù)m=2mm，壓力角α=20°，小齒輪選用40Cr（調(diào)質(zhì)），齒面硬度為260HBS，大齒輪選用45鋼（調(diào)質(zhì)），齒面硬度為220HBS。由表查得：σFlim1=240MPa， σFlim2=195MPa，安全系數(shù)S=1.3，KFN1=KFN2=0.7，得
σF1=KFN1σFlim1S=0.7×2401.3=129MPa (6)
σF2=KFN2σFlim2S=0.7×1951.3=105MPa (5)
由σF1和σF2，粗選齒輪精度為8級精度。
計(jì)算分度圓直徑
d1=mz1=2×40=80mm (8)
d2=mz2=2×48=96mm (9)
計(jì)算外錐距
R=m2z1i122+1=22×40×1.22+1=62.482mm (10)
計(jì)算齒寬中點(diǎn)處直徑
dm1=d11-0.5?R=80×1-0.5×0.3=68mm (11)
計(jì)算齒輪的圓周速度
v=πdm1n160×1000=2.56m/s (12)
查表可得，選擇8級精度，符合強(qiáng)度要求。
4.5.2.3 計(jì)算抖土器的振動頻率
單位時(shí)間內(nèi)振動的次數(shù)稱為振動頻率。參照其他農(nóng)機(jī)具，擬定抖土器的振動頻率為10Hz左右。由配套動力東方紅500的輸出軸的轉(zhuǎn)速720r/min，由公式計(jì)算，偏心機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速為：
n偏=n1i12=720r/min1.2=600r/min (6)
f=n偏60=10Hz (7)
由上述公式可知，抖土器的振動頻率為10Hz，符合假設(shè)的設(shè)計(jì)要求。
5 使用說明書
5.1 總體結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)
5.1.1 總體結(jié)構(gòu)
蘋果樹起苗機(jī)結(jié)構(gòu)如圖19所示，該機(jī)主要由機(jī)架、起苗鏟、平衡鏟、限深輪和松土裝置等組成，平衡鏟用來相互抵消起苗鏟工作時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向扭矩；起苗鏟用螺栓聯(lián)結(jié)于起苗機(jī)機(jī)架右側(cè)，隨同機(jī)架一起運(yùn)動，入土工作后限深輪觸地轉(zhuǎn)動，協(xié)助維持機(jī)架平衡穩(wěn)定；起苗深度靠限深輪來調(diào)節(jié)，保證規(guī)定的挖掘深度；起苗鏟寬度保證蘋果樹苗根系帶土垡與下層土壤之間形成斷口，起苗鏟工作隙角確保樹苗根系帶土垡略微抬起并松動行間土壤；松土裝置將挖掘后的蘋果樹苗用抖土器的輕微抖動，將根系中須根上的土壤抖掉，保留主根和側(cè)根周圍土壤，并且挖掘后的樹苗可以站立在田間，方便于人工撿拾包裝樹苗，從而提高工作效率。
圖 19 蘋果樹起苗機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
5.1.2 主要參數(shù)
蘋果樹起苗機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表7：
項(xiàng)目
參數(shù)
連接方式
配套動力/ kW
機(jī)長/mm
機(jī)寬/mm
起苗深度/mm
作業(yè)寬度/mm
作業(yè)效率/(棵/秒)
三點(diǎn)懸掛
36.8
1360
2560
0~500
500
6~8
表 7 蘋果樹起苗機(jī)技術(shù)參數(shù)
5.2 使用與調(diào)整
各緊固件應(yīng)連接牢固，如果有松動，應(yīng)及時(shí)擰緊；用手轉(zhuǎn)動限深輪的人字橡膠輪胎，觀察轉(zhuǎn)動是否靈活，如果有阻礙，應(yīng)及時(shí)調(diào)整，之后先入土行進(jìn)一小段路程，確定運(yùn)轉(zhuǎn)正常，再進(jìn)行起苗工作。
5.3 維護(hù)與保養(yǎng)
5.3.1 作業(yè)期的維護(hù)保養(yǎng)
每做完一天的工作量之后，應(yīng)該檢查減速器中安裝齒輪軸處的軸承是不是很燙以及各個螺栓連接的地方是不是發(fā)生松動，如果發(fā)現(xiàn)異常需及時(shí)排除。當(dāng)在下雨天工作時(shí)，需要及時(shí)清理與土壤接觸的各零部件上的泥垢，從而防止零部件發(fā)生生銹。
5.3.2 封存期的維護(hù)保養(yǎng)
封存時(shí)應(yīng)將起苗機(jī)內(nèi)外塵土、污垢、樹苗根系等雜物清理干凈，將未噴漆的金屬零件表面涂上防銹油。把起苗機(jī)放置在干燥的地方，并用油布蓋上，用來防止起苗機(jī)受到潮濕環(huán)境影響或者被雨淋，以免發(fā)生生銹。等到下一個作業(yè)期使用前幾天，需要對起苗機(jī)內(nèi)外做仔細(xì)的清潔工作，重新在需要潤滑的地方涂上潤滑油液，若有零件磨損嚴(yán)重，需要及時(shí)更換。
6 標(biāo)準(zhǔn)化審查報(bào)告
蘋果樹起苗機(jī)的產(chǎn)品圖樣和設(shè)計(jì)文件完整、齊全，共有圖紙10張。技術(shù)文件包括:設(shè)計(jì)任務(wù)書、設(shè)計(jì)計(jì)算說明書、使用說明書、標(biāo)準(zhǔn)化審查報(bào)告等。
在設(shè)計(jì)的起苗機(jī)總裝配圖中，本機(jī)零部件有24種，共有55件；標(biāo)準(zhǔn)零部件有15種，共有157件；全部零部件有39種，總共有213件。所設(shè)計(jì)的全部零部件均符合機(jī)械制圖的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，所畫的圖紙基本正確和清楚；所有零件均采用法定計(jì)量單位；標(biāo)準(zhǔn)零部件也均符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，可直接在市場購買得到。
結(jié)論
（1）完成起苗鏟的設(shè)計(jì)及優(yōu)化。先設(shè)計(jì)U型起苗鏟，對U型起苗鏟進(jìn)行有限元分析，得到最大變形量大于5mm，之后對U型鏟進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整為L型鏟，再次有限元分析，得到符合要求的起苗鏟。
（2）完成松土裝置的設(shè)計(jì)，包括減速器和抖土器的設(shè)計(jì)，減速器由直齒錐齒輪組成，抖土器的振動頻率為10Hz。
（3）完成平衡鏟、限深輪的設(shè)計(jì)以及整機(jī)的結(jié)構(gòu)布局。
參 考 文 獻(xiàn)
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致 謝
歷時(shí)兩個月左右的時(shí)間，我終于完成了這篇畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，非常感謝我尊敬的導(dǎo)師老師，在論文的寫作過程中遇到了無數(shù)的困難和障礙，都是老師給予我盡心盡力的指導(dǎo)，幫助我克服種種困難和障礙。老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度深深影響著我，對我今后的學(xué)習(xí)、工作、生活必將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。借此機(jī)會，特向老師表示最誠摯的感謝。
感謝的所有領(lǐng)導(dǎo)和老師。他們教會了我專業(yè)知識，教會了我如何學(xué)習(xí)，教會了我如何做人。正是他們的指導(dǎo)和幫助，使我大學(xué)四年的時(shí)光充實(shí)而有意義，在此向他們表示由衷的謝意，并祝所有的老師桃李滿天下。
此外，感謝我的家人、同學(xué)、朋友對我的大力支持，他們的無私奉獻(xiàn)、關(guān)愛和支持使我能夠繼續(xù)去追求自己的人生理想和目標(biāo)。
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