振搖式紅棗收獲機的設(shè)計
振搖式紅棗收獲機的設(shè)計,振搖式,紅棗,收獲,設(shè)計
中文摘要
振搖式紅棗收獲機
摘要
紅棗是一種重要的經(jīng)濟型農(nóng)作物，它具有豐富的維生素含量，被廣泛用于藥材和日常食用品，在我國山東、山西、新疆、河北等多地都有大量種植。是我國分布地最廣的果樹種植之一，目前我國已研發(fā)出多種大型振搖式紅棗收獲機，但是由于我國各個地區(qū)地形不同，同時種植規(guī)模也有較大差異，這些紅棗收獲機不能廣泛適用于各個地區(qū)和各種種植規(guī)模，多處地方仍然采用雇傭農(nóng)民去進行紅棗收獲。而國外的大型紅棗收獲機主要適用于平原，進行大規(guī)模機械化收獲。由于我國種植紅棗地區(qū)主要在于山丘，地形不利于大規(guī)模機械化工作，工作環(huán)境滿足不了機器需求，而且機器價格昂貴，不符合價值要求。
為了解決這些地形復(fù)雜和機械化收獲等問題，本文主要通過對紅棗與樹枝連接之間產(chǎn)生的結(jié)合力進行計算，計算出能夠滿足紅棗與樹枝脫落所需要的慣性力，設(shè)計一款以振搖叉為主要執(zhí)行件的振搖式紅棗收獲機，并主要針對紅棗收獲機的外部結(jié)構(gòu)、傳動裝置、收集傘進行主要設(shè)計，工作時由拖拉機動力輸出軸輸出動力，再通過傳動裝置將動力輸入到振搖叉上，振搖叉夾持紅棗樹干，利用曲柄滑塊機構(gòu)滿足振搖叉進行直線往復(fù)運動，收集傘對振搖下來的紅棗進行收集，從而使得振搖叉對紅棗進行機械化高效收獲，并且達到較高的使用可靠性，完成較高果實采凈率目的，該裝置操作簡單，使用可靠率與果實采凈率都能達到很高的比率，且機器的體型較小，價格便宜，后期維修與保養(yǎng)都較為方便，對實現(xiàn)紅棗的農(nóng)業(yè)機械化種植與收獲都有一定的促進作用。
關(guān)鍵詞：振搖式；振搖叉；曲柄滑塊機構(gòu)；高效率
英文摘要
Red harvester vibration wave type
Abstract
Red jujube is a kind of important economic crops, it has rich vitamin content, is widely used in medicine and daily food, in China's shandong, shanxi, xinjiang, hebei has a large number of plant such as much as possible. Is one of the most widely distributed to fruit tree planting in our country, at present our country has developed a variety of large vibration wave type red jujube harvest machine, but because the terrain is different from region to region in China, the planting scale at the same time also have bigger difference, the red jujube harvest machine cannot be widely applicable to all regions and all kinds of planting scale, many local farmers to hire red jujube harvest is still applied. And foreign big jujube harvest machine is mainly applicable to the original, on a large scale mechanized harvesting. Because our country planting jujube region lies in the hills, the terrain is not conducive to large-scale mechanization work, the work environment to meet demand, the machine and the machine is expensive, do not conform to the requirements of the value.
In order to solve these problems such as complex terrain and mechanized harvesting, this paper mainly through to the red jujube and the branches of the connection between the binding force is calculated, the calculated can satisfy the red jujube and the branches off the inertial force needed to design a vibration wave fork as the main implementation of a red harvester vibration wave type, and mainly aims at the external structure of red jujube harvest machine, transmission device, collecting umbrellas in the main design, the tractor pto output power at work, and then through the transmission power input to the vibration wave fork, vibration wave forks gripping jujube tree trunks, using slider-crank mechanism with vibration wave fork be straight line reciprocating movement, collect the red jujube are collected vibration to roll down the umbrella, so as to make the vibration wave fork of red jujube harvest mechanization and efficiently, and to achieve high reliability, the use of complete high fruit net rate, the equipment operation is simple, the use of the fruits are reliable and that the net rate can reach very high rate, and the smaller of the machine, price cheap, the late repairs and maintenance are more convenient, to realize agricultural mechanization planting and harvesting red jujube, there is a certain role in promoting.
Key words: vibration wave type; The vibration wave fork; Collect the umbrella; High efficiency
目錄
1、緒論1
1.1、課題背景與意義2
1.2、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3
1.2.1、紅棗液壓驅(qū)動振搖式收獲裝置4
1.2.2、紅棗曲柄滑塊傳動振搖式收獲裝置5
1.2.3、可變地隙自走式紅棗收獲機6
1.3、機構(gòu)的選取4
2、技術(shù)任務(wù)書4
2.1設(shè)計依據(jù)5
2.2產(chǎn)品的用途及適用范圍6
2.2主要技術(shù)參數(shù)6
2.2主要研究內(nèi)容6
3、設(shè)計計算說明書4
3.1整機結(jié)構(gòu)的設(shè)計5
3.2裝置的工作原理6
3.3振搖式紅棗收獲機外部結(jié)構(gòu)的設(shè)計6
3.3.1振搖叉的設(shè)計6
3.3.2曲柄滑塊機構(gòu)的設(shè)計6
3.3.3收集傘的設(shè)計6
3.4機架的設(shè)計6
3.5發(fā)動機的設(shè)計6
3.5.1紅棗收獲機所需功率6
3.5.2發(fā)動機的選取6
3.6錐齒輪的設(shè)計6
3.7傳動鏈的設(shè)計6
3.8鏈輪的設(shè)計6
3.9傳動軸設(shè)計6
3.10軸承的設(shè)計6
4、使用說明書4
4.1操作說明5
4.2注意事項6
5、標準化審查報告4
6、結(jié)論4
參考文獻4
致謝4
振搖式紅棗收獲機的設(shè)計
1 緒論
1.1課題背景及意義
紅棗是一種李科棗屬植物，其自身復(fù)有豐富的維生素含量，有著“天然維生素丸”的美稱，這一特點使得紅棗具有滋陽補陰的功效，在藥用上有很大價值，同時由于紅棗的甜美口感，也使的人們在日常生活中頻繁食用。這使得在北方大多數(shù)省份都有種植紅棗來提高經(jīng)濟收益的種植基地。近年來，我國棗樹種植面積約為331萬公頃，產(chǎn)量占全球的98%。同時我國的棗樹種植面積還在不斷增長。
因此，紅棗收獲效率決定了紅棗種植業(yè)的經(jīng)濟效益高低，，傳統(tǒng)的紅棗收獲，是通過農(nóng)民手持長木棒敲打、振搖樹干等方式，對棗樹樹枝進行敲打或?qū)涓蛇M行振搖，從而使得紅棗獲得一定的慣性力，當慣性力大于紅棗與樹枝之間的結(jié)合力的時候，紅棗便進行掉落，這種方式不僅收獲效率低，而且木棒在揮打時產(chǎn)生的作用力極易對紅棗和棗樹本身造成傷害，影響紅棗經(jīng)濟價值和棗樹自身成長。這些傳統(tǒng)收獲方式嚴重抑制了紅棗種植業(yè)的發(fā)展，近年來，我國農(nóng)業(yè)機械化高速發(fā)展，在紅棗種植業(yè)方面有了重大突破，不僅可以降低農(nóng)民的勞動強度，還可以進行機械化種植與收獲，大大提高了工作效率。在新疆、山西、河北等省份的平原地區(qū)，紅棗收獲主要由大型自走振搖式紅棗收獲機完成，這些收獲方式雖然大大降低了勞動力需求，但由于各種植地區(qū)地形不同，并不能廣泛適用于所有種植基地。所以我們迫切需要一臺果實采凈率高/實用性廣泛、價格合理的振搖式紅棗收獲機。
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
現(xiàn)在我們國家擁有的紅棗收獲機樣式還不是很豐富，大多數(shù)是使用機械手夾持樹干進行震動，從而使得果實可以從樹干上掉落。也有的是機器通過騎跨在棗樹上方，通過棒桿直接擊打樹木枝干，將果實打落下來，再通過氣吹式系統(tǒng)將紅棗進行收集，這樣的技術(shù)目前來說還不是很成熟。還有的是通過鼓風(fēng)機將紅棗直接吹下來，在進行收集，這種收集方式較前兩種頗為麻煩。其中最為有代表性的就是以新疆農(nóng)墾科學(xué)院機械裝備研究所研制成功的首臺紅棗收獲機“4YS-24紅棗收獲機”，這臺機器就是通過振搖叉對樹干進行夾持并進行往復(fù)式振搖運動，從而使得果實掉落。該收獲機的設(shè)計采用了液壓傳動與控制技術(shù)相結(jié)合的振動機械手，實現(xiàn)了棗樹的可靠夾持、無損傷振動落果和果實的快速收集。使用這種紅棗收獲機可以在每小時采摘50棵棗樹，果實采凈率高達91%功效比人工提高了將近十倍左右，為新疆紅棗種植戶收獲紅棗提供了強有力的技術(shù)和裝備支撐，而且這種紅棗收獲機，還具有價格實惠的優(yōu)點，每臺機器售價僅兩萬左右，受到了廣大人民的喜愛。
近年來隨著紅棗收獲機械的不斷改進，研制出了很多新的紅棗收獲機械，如武漢威明德科 技股份有限公司研制的 4ZZ-1B 型自走式紅棗收獲機 以及石大銳拓機械裝備有限公司研制的 4ZZ-1Y 型紅 棗收獲機等，但是這些機械仍然有沒有解決了道路行駛要求的問題，例如隙高與田間作業(yè)時要求地隙低的矛盾，于是出現(xiàn)了一種新型的、實用的可變地隙自走式紅棗收獲機，去解決地隙與收獲機械之間存在的不適應(yīng)問題。它綜合考慮了棗樹的種植特點、最低果枝高度、紅棗產(chǎn)量和兼顧機器行走時的通過性能，地隙調(diào)節(jié)范圍在150-550mm，輪距寬2m，采摘行數(shù)為一行。這種紅棗收獲機的工作方式是機器工作時通過騎跨在棗樹上方，在機器的前部對棗樹枝干進行聚攏，前后輪之間采摘并向后輸送棗樹枝干，用龍門架式結(jié)構(gòu)建造機架，機架上安裝采摘棒桿，然后在外圍上安裝鋼絲網(wǎng)，用來防止掉落的紅棗飛濺到外面。
這些紅棗收獲機械都大大減少了紅棗種植戶的收獲成本，降低了農(nóng)民的勞動強度。
目前國外對采摘機械的研究主要是以采摘機器人為主，20世紀70年代末期，計算機技術(shù)與自動控制技術(shù)得到了快速發(fā)展，美國首先開始研究各種農(nóng)業(yè)機器人，自1983年第一臺采摘機器人在美國誕生以來，經(jīng)過20年來的不斷研究與試驗，采摘機器人技術(shù)變得日益成熟與完善。以日本為代表的發(fā)達國家，包括美國、法國、荷蘭、英國、西班牙等國相繼試驗成功了多種采摘機器人，如蘋果、柑橘、番茄、西瓜和葡萄等果實采摘的具有人工智能的機器人。采摘機器人主要由機械手、末端執(zhí)行器、視覺識別系統(tǒng)和行走裝置等4大系統(tǒng)組成。在日本首先是京都大學(xué)NoboruKawamura等人在20世紀80年代中期研制了五自由度關(guān)節(jié)型機械手，但這種機械手的工作空間并沒有包含所有果實的位置，而且機械手末端執(zhí)行器的可操作度也低。這種機械手在夾持方面很值得我們借鑒，又因為紅棗主要產(chǎn)地在中國，國外并沒有大型的紅棗種植基地，但是國外的各種新型采摘機器人在執(zhí)行件和傳動裝置上對我們紅棗收獲機械有很大的啟發(fā)。
1.2.1、紅棗液壓驅(qū)動振搖式收獲裝置
1、 機械手2、機架3、油箱4、液壓傳動回路及控制系統(tǒng)5、支撐裝置
這種紅棗收獲機工作時，用振動夾持手夾持樹干，然后拖拉機的動力輸出軸輸出動力，根據(jù)實際棗樹的樹干直徑和棗樹高度決定振動夾持手的夾持位置。經(jīng)過傳動系統(tǒng)驅(qū)動振動夾持手振搖果樹。振搖完成后收回振動夾持手，與果樹樹干進行脫離。
1.2.2、紅棗曲柄滑塊傳動振搖式收獲裝置
1、 夾持手；2、機架；3、曲柄滑塊機構(gòu)；4、動力裝置。
工作過程，以小型汽油機作為動力輸出裝置，并且將動力傳送到曲柄滑塊機構(gòu)，使得夾樹裝置夾緊樹干并且進行直線往復(fù)運動，然后樹干受到外力強迫振動后就會使得與棗樹樹枝連接的果實獲得一定大小的慣性力，隨著曲柄轉(zhuǎn)速的加快，果實所獲得的慣性力也在不斷增大，當慣性力大于果實與樹枝之間的結(jié)合力后，果實就會掉落，同時底部所放置的收集結(jié)構(gòu)會對掉落下來的果實進行收集。
1.2.3、可變地隙自走式紅棗收獲機
1、 后驅(qū)動總成2、動力機3、輸送及風(fēng)選機構(gòu)4、. 振動箱5、前腿總成6、. 龍門動力架7、. 駕駛室8、清掃機9、導(dǎo)流機構(gòu) 10、.采摘輥11、擺線啟動機12、柴油箱
發(fā)動機功率為84kw，通過傳動系統(tǒng)提供動力到振動箱，并且驅(qū)動采摘輥進行工作，將樹枝上的果實進行擊打，促使其掉落到導(dǎo)流機構(gòu)，最終將果實導(dǎo)流出收集裝置。完成紅棗收獲作業(yè)。
1.3、機構(gòu)的選取
如果綜合比較以上三種紅棗收獲裝置，不難發(fā)現(xiàn)，可變地隙自走式紅棗收獲機，具有自動化采摘與收集的優(yōu)點，可以根據(jù)不同的種植方式來調(diào)整機器收獲間隙，適應(yīng)不同地塊的種植方式，但是由于其棒桿式執(zhí)行件在工作時容易對果實與數(shù)目枝干造成損傷，導(dǎo)致果實采凈率較低，而紅棗液壓驅(qū)動振搖式收獲裝置雖然具有夾持可靠，果實采凈率高，對果實與果樹損傷較小等優(yōu)點，但由于它是液壓驅(qū)動，所以在維修和保養(yǎng)上具有較大難度。相對來說，紅棗曲柄滑塊傳動振搖式收獲裝置在果實采凈率和適應(yīng)工作條件等方面都有較大的優(yōu)點，而且工作效率較高，在各個方面的表現(xiàn)都較為均衡，可以滿足紅棗收獲需求。因此在多方面考慮下，本文擬設(shè)計振搖式紅棗收獲機，不僅符合當前農(nóng)村種植戶的生產(chǎn)需求，并且采用曲柄滑塊傳動的方式對紅棗進行收獲。
2、技術(shù)任務(wù)書
2.1設(shè)計依據(jù)
目前為止，在我國新疆、山西等地區(qū)，振搖式紅棗收獲機因為其有較高的工作效率與果實采凈率，并且價格相對來說較為便宜，操作也相對簡單，因此受到了廣大農(nóng)民的喜愛，這種紅棗收獲機械其實是在采摘機械手的基礎(chǔ)上，添加了傳動機構(gòu)使得機械手在夾持樹干的同時獲得動力，通過研究棗樹樹干受力之后的撓度變化，紅棗與樹枝之間的結(jié)合力大小，然后在計算果實在振搖過程中獲得足夠大的慣性力使得果實與樹枝分離。最后通過下方的收集傘對掉落的果實進行收集，確定裝置的主要技術(shù)參數(shù)。振搖式紅棗收獲機的優(yōu)勢充分模擬了人工作業(yè)的方式，振搖叉與收集傘的結(jié)合使用，使這個機械具有高效率和低損傷率的優(yōu)點。適用于不同種植地區(qū)的地形，有很高的通用性，所以本文設(shè)計的振搖式紅棗收獲機對傳動機構(gòu)與振搖叉機構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計
2.2產(chǎn)品的用途及適用范圍
該裝置主要適用于地形復(fù)雜的農(nóng)村地區(qū)，比如山西地區(qū)山脈較多，各地區(qū)的農(nóng)村用地面積很不規(guī)范，大多分布在山上，不像河南、山東這些平原地區(qū)，同時，棗樹的直徑與高度也不盡相同。所以這些問題使得不能采用大型自走式紅棗收獲機，只能進行人工收獲，振搖式紅棗收獲機可以解決這些收獲難題，降低農(nóng)民的勞動強度。
2.2主要技術(shù)參數(shù)
振搖式紅棗收獲機的主要技術(shù)參數(shù)如表2-1所示，其主要包括裝置的拖拉機功率、裝備質(zhì)量、主軸轉(zhuǎn)速、傳動鏈型號、鏈輪速度、主動輪直徑、從動輪直徑、結(jié)構(gòu)總體尺寸、振搖叉尺寸、收集傘尺寸、鏈輪與傳動鏈之間的配合等。
表2-1主要技術(shù)參數(shù)
參數(shù)項目 單位 參數(shù)
拖拉機功率 27.6 kw
結(jié)構(gòu)質(zhì)量 150 kg
輸出軸轉(zhuǎn)速 540/1000 r/min-1
振搖機構(gòu)形式 曲柄滑塊機構(gòu)
振動頻率 8 Hz
振幅 60mm
結(jié)構(gòu)總體尺寸(長x寬x高) 2800 X 2200 X 1400 mm
2.2主要研究內(nèi)容
本文擬設(shè)計一種適用于農(nóng)村地區(qū)的振搖式紅棗收獲機，并滿足果實采凈率高、果樹損傷小、工作效率高、價格便宜這幾大特點。具體設(shè)計方案如下所示：
（1） 對裝置的整機結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括機架設(shè)計、振搖叉、收集傘等外部結(jié)構(gòu)的設(shè)計。
（2） 對驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計，包括拖拉機標定功率的選擇、主動輪的設(shè)計、從動輪的設(shè)計、以及傳動鏈與鏈輪的選擇等。
（3） 對傳動系統(tǒng)的設(shè)計，包括錐齒輪的設(shè)計、主軸的設(shè)計與強度校核
（4） 對箱體與支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計，包括箱體材料與支撐裝置材料的選擇，結(jié)構(gòu)的設(shè)計等。
3、設(shè)計計算說明書
3.1整機結(jié)構(gòu)的設(shè)計
3.1.1整機結(jié)構(gòu)
振搖式紅棗收獲機主要由四大系統(tǒng)組成，分別是振搖系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、收集系統(tǒng)、整機結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組成。其具體如圖3-1所示，振搖式紅棗收獲機結(jié)構(gòu)的總體尺寸為：長X寬X高=2800 X 2200 X 1400 mm。
（1）振搖叉（2）機架 （3）鏈輪（4）傳動箱 （5）錐齒輪 （6）主傳動軸（7）三點懸掛裝置 （8）聯(lián)軸器
圖3-1 振搖式紅棗收獲機結(jié)構(gòu)示意圖
3.2裝置的工作原理
該振搖式紅棗收獲機，在在振搖叉上很大程度的模仿了以前人們用手去搖晃樹干使得紅棗掉落機械手結(jié)構(gòu)，通過利用連桿機構(gòu)與螺栓連接相結(jié)合的方式，設(shè)計出可自動控制夾持與松開的振搖叉，同時，為了使得振搖叉可以對不同直徑的樹干進行可靠加持，我們通過現(xiàn)實中考察與網(wǎng)絡(luò)上查詢等方式，了解到紅棗樹干直徑一般在80~200mm左右，因此對振搖叉的結(jié)構(gòu)進行了相關(guān)尺寸設(shè)計，選取了合適的振搖叉尺寸與連桿之間的角度，振搖叉夾持住紅棗樹干后，在拖拉機輸出軸PTO的轉(zhuǎn)動下，經(jīng)過錐齒輪減速，將轉(zhuǎn)速為1000r/min降低到500r/min。再通過軸與鏈輪相連接的傳動方式將動力傳送到曲柄滑塊機構(gòu)，使得振搖叉進行直線往復(fù)運動，振搖樹干。使得樹干的撓度發(fā)生變化，通過合適的頻率，使得樹干與果實獲得足夠的加速度，這樣的話。果實就會獲得一個固定的慣性力，當紅棗所獲得的慣性力足夠大且能大于紅棗與樹干之間的結(jié)合力的時候，紅棗就會與樹干之間發(fā)生分離與掉落現(xiàn)象，再用樹干底部所放置的收集傘，將掉落下來的紅棗果實進行收集。
3.3振搖式紅棗收獲機外部結(jié)構(gòu)的設(shè)計
圖 3-2振搖式紅棗收獲機的主視圖
3-2振搖式紅棗收獲機的俯視圖
3.3.1振搖叉的設(shè)計
圖3-3 振搖叉機構(gòu)參數(shù)
振搖叉是振搖式紅棗收獲機的執(zhí)行件結(jié)構(gòu)，一般用于機器對棗樹樹干進行夾持與固定，使得機器在進行正常工作時，將動力轉(zhuǎn)化為振搖叉與樹干之間產(chǎn)生的摩擦力，從而傳送到樹干上，使樹干發(fā)生一定的撓度變化，為了使得振搖叉可以對樹干進行可靠加持，我們通過查閱書籍與文獻與進行實際考察的多種方式了解到紅棗棗樹的樹干直徑一般在80~200mm左右，所以我們所設(shè)計的振搖叉結(jié)構(gòu)為連桿機構(gòu)，可以在可調(diào)螺栓的控制下，振搖叉進行一定位移的，對樹干進行可靠夾持，因此設(shè)計機械手放松狀態(tài)下兩夾持塊之間的距離為200mm，通過對連桿機構(gòu)的長度設(shè)計與對可調(diào)螺栓的長度設(shè)計可達到機械手位置要求，整個機構(gòu)在工作時，通過旋轉(zhuǎn)螺栓，控制兩個機械夾持部件進行橫向位移，對樹干進行夾緊。
同時，在夾持部件上添加防滑墊，使得機械手夾持時產(chǎn)生足夠大的摩擦力，并且該摩擦力使得樹干產(chǎn)生撓度變化，從而樹干上的果實獲得一定的加速度，果實因此獲得一個不斷變化的慣性力。
在可調(diào)螺栓與連桿機構(gòu)之間設(shè)計一對合適的彈簧，這樣，在機器工作結(jié)束后，機械手可自動松開對樹木的夾持。
振搖叉參數(shù)：由于振搖叉為平面連桿機構(gòu)，所以需要計算其自由度，根據(jù)式機械原理第八版P16頁式3-1：
自由度F=3n-(2pl+ph) （3-1）
代入得F=3*9-（2*13+0）=1
該振搖叉得自由度為1，只允許兩個夾持塊做直線對向運動。
如圖3-3所示，正常狀態(tài)下兩夾持手之間距離為200mm，長度為350mm,寬度為300mm，厚度為50mm。
連桿1長度為270mm，厚度為30mm。兩端轉(zhuǎn)動副用銷連接方式進行連接，與X軸之間呈30度夾角，銷直徑為10mm，長度為90mm。
連桿2長度為190mm，厚度為30mm。兩端轉(zhuǎn)動副用銷連接方式進行連接，銷直徑為10mm，長度為90mm與直徑為25mm，長度為150mm。
連桿3的長度為320mm，厚度為15mm。兩端轉(zhuǎn)動副用銷連接方式進行連接，與X軸之間呈30度夾角，銷直徑為25mm，長度為150mm。
連桿4長度為150mm，厚度為30mm。兩端轉(zhuǎn)動副用銷連接方式進行連接，銷直徑為25mm，長度為150mm。
可調(diào)螺栓的長度為280mm，大徑為40mm。
彈簧放松狀態(tài)下長度為90mm,彈簧直徑為5mm。
3.3.2曲柄滑塊機構(gòu)的設(shè)計
考慮到設(shè)計簡單，并且為了使機器的維修與保養(yǎng)盡可能地簡單方便，運行成本低，以及振搖叉在下死點附近承受較小的側(cè)向力等因素，采用曲柄連桿滑塊機構(gòu)，并且采用對心機構(gòu)用來增加機構(gòu)的穩(wěn)定性。
曲柄滑塊機構(gòu)是利用曲柄和滑塊來實現(xiàn)鏈輪轉(zhuǎn)動和振搖叉移動相互轉(zhuǎn)換的平面連桿機構(gòu)，這個機構(gòu)也被稱為曲柄連桿機構(gòu)，在振搖式紅棗收獲機的應(yīng)用中，主要是為了將整周的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線往復(fù)移動，使得振搖叉夾持著樹干一起完成直線往復(fù)的動作。
初步設(shè)定：如圖3-3所示，以曲柄圓心A點作為坐標原點，以水平向右為X軸，建立X1-X2坐標系，將曲柄、連桿的矢量分別表達為L1、L2，該矢量的角度變化分別用θ1、θ2 表示。其主要參數(shù)如下：
（1）曲柄的平均轉(zhuǎn)動速度和速率：
n1=480r/min
ω=n1×2π60 （3-2）
（2）曲柄參數(shù)：曲柄半徑L1=AB=0.06m，質(zhì)量m1=20.0kg,設(shè)O1為曲柄的質(zhì)心，L1a=AO1=0.03m;方向矢量L1到AO1角度θ1P 為 0.1rad；
（3）連桿的參數(shù)為：連桿長度L2=BC=0.3m;質(zhì)量m2=10.5kg；質(zhì)心O2則處在連桿BC上距離B點0.1m的位置，則L2a=BO2=0.1m。
圖3-4曲柄連桿機構(gòu)
圖3.-5曲柄連桿機構(gòu)的運動特性
（4）外載參數(shù)：振搖叉所受水平摩擦力根據(jù)樹干所發(fā)生的撓度變化隨之而增大或減小
根據(jù)材料力學(xué) 第六版P195頁,已知梁的結(jié)構(gòu)與撓度變化，來求所需力的大小。
序號 梁的簡圖 撓曲線方程 端截面轉(zhuǎn)角 最大撓度
通過查閱文獻得：棗樹的彈性模量為E=10.012GPa
棗樹直徑一般在80~200mm之間，為了滿足功率要求，計算過程中，取最大棗樹直徑d=200mm代入計算方程中。
慣性矩I=π?464=3.14×20046+=78500000 （3-3）
取棗樹高度為3m
振搖叉距離地面高度a=1.2m
撓度ωB=0.06m
代入方程F=σEIωBa23l?a=∞×6×10.012×78500000120023×3000?1200=25190N （3-4）
表3-1——振搖叉所受的摩擦力
θ1
F1.D
0。
25190
90
0
180
-25190
270
0
360
25190
圖3-6曲柄的受力分析圖
圖3-7連桿的受力分析圖
圖3-8振搖叉得受力分析圖
圖解法求解步驟：
首先可以通過B點速度來求得C點的速度，構(gòu)造矢量方程
sC = sB + SBC （3-5）
大小 ？ L1ω L21ω
方向 ⊥CD ⊥AB ⊥BC
繪制上式的速度多邊形，可以計算出來角速度ω和C點的速度
對上式進行求導(dǎo)可得角加速度與C點加速度。
再一次對各構(gòu)件進行隔離受力分析，研究連桿，通過圖3-6可得力矢量方程：
F1,B + F2,B + F1,C + F2,C + m2g -m2ao2 = 0 （3-6）
大小 ？ ? v v v v
方向 v v v v v v
通過圖解法求解上式可以得到F1,B，F(xiàn)2,B
研究曲柄，可列出力矢量方程：
F1,A + F2,A + F1,B + F2,B + m1g -m1ao1 = 0 （3-7）
大小 ？ ? v v v v
方向 v v v v v v
列出繞A點的力矩平衡方程，求出Mb
經(jīng)過計算，曲柄所需平均力矩Mb,a和最大驅(qū)動力矩Mb,MAX分別為
Mb,a=i=035Mb36=414.5N.m
Mb,MAX=960.70
3.3.3收集傘的設(shè)計
收集傘的設(shè)計是為了將因為振搖而掉落的果實進行收集，所以為了使得收集效率足夠高，同時又能夠保證果實的品質(zhì)，我們擬采用收集傘為倒傘狀結(jié)構(gòu)，這樣既可以將樹干上掉落的果實進行收集，又因為收集傘本身材質(zhì)較軟，防止了果實掉落在地上同時表皮受到損壞，影響果實品質(zhì)與銷售價值的降低。
3.4機架的設(shè)計
機架的設(shè)計是為了給振搖叉與鏈輪、錐齒輪、曲柄滑塊機構(gòu)等部件提供結(jié)構(gòu)支撐，并且合理安排各部件結(jié)構(gòu)位置布局的合理性，保證振搖叉工作時所需要的工作高度，從而符合撓度地計算與棗樹樹干振幅地標準性。振搖式紅棗收獲機工作時，不會因其自身共振而發(fā)生部件間的移動，從而產(chǎn)生不必要的安全隱患，為滿足剛度要求，擬采用方鋼焊接而成，為了使得振搖叉、傳動箱等部件方便安裝，需要在各個部位進行鉆孔，滿足安裝要求。其具體如圖3-8所示。
圖3-9機架的設(shè)計
3.5拖拉機的功率與選取
3.5.1紅棗收獲機所需功率
振搖叉是振搖式紅棗收獲機的的核心部件，振搖叉作為執(zhí)行件，與棗樹樹干之間發(fā)生接觸，由于振搖樹干需要一定的功率，故對此功率進行計算。其中對功率產(chǎn)生影響的因素分別有角速度ω，振搖頻率f=8HZ。
ω=2π?f=16 π （3-8）
所需要的平均力矩：
Mb,a=i=035Mb36=414.5N.m
由功率的計算公式可知，曲柄上所需要的平均功率為：
Pa=wt=F?5t=F?v=F?γ?ω= Mb,a ω =20.82(kw) （3-9）
查閱資料，選取相關(guān)傳動部件的能量損失效率，根據(jù)式3-10：
?=?v×?z×?c×?N （3-10）
式中：
?v——鏈傳動的效率；
?z——錐齒輪的傳動效率；
?c ——軸承的傳動效率；
?N ——萬向節(jié)聯(lián)軸器的傳動效率；
查資料得，各傳動部位傳動效率如表3-1所示
表3-2 各傳動部件傳動效率
各部件傳動效率
傳動效率
取值
滾子鏈傳動效率
0.96
0.96
錐齒輪傳動效率
0.97-0.98
0.98
軸承傳動效率
0.98-0.99
0.98
萬向節(jié)聯(lián)軸器傳動效率
0.92-0.95
0.92
電機傳動到滾筒的效率為? =0.96×0.98×0.98×0.92=0.85
3.5.2拖拉機的選取
拖拉機通過PTO輸出軸提供動力，再通過錐齒輪，鏈輪等傳動部分帶動振搖叉做直線往復(fù)運動。根據(jù)公式（3-11）計算出拖拉機輸出軸所需功率為PU=
PU = Pz? =20.82kw0.85 =24.49kw （3-7）
式中：
Pz——振搖叉所需功率，kw;(取20.82)
? ——總傳遞效率；
PU ——拖拉機輸出軸輸出功率，kw;(求得24.49)
通過計算，拖拉機的輸出軸功率應(yīng)該大于24.49kw,查閱資料最終選擇了型號為黃海金馬404的拖拉機滿足條件，拖拉機的參數(shù)如表3-3所示：
表3-3 拖拉機的參數(shù)
拖拉機
黃海金馬404
型式
4 X 4輪式
前輪胎規(guī)格
7.50-16
外形尺寸
3825x1625x2065
后輪胎規(guī)格
11.2-16
發(fā)動機形式
立式、水冷
后退速度
4.45
標定功率（kw）
29.4
最小離地間隙（mm）
325
額定轉(zhuǎn)速（r/min）
2400
三點懸掛類別
半分置式I類
軸距（mm）
1943
動力輸出軸轉(zhuǎn)速（r/min）
540/1000
前輪輪距（mm）
1300
前配重質(zhì)量
120
后輪輪距（mm）
1300~1600
后配重質(zhì)量
180
3.6錐齒輪的設(shè)計
錐齒輪傳動用來傳遞兩相交軸之間的運動和動力，在振搖式紅棗收獲機的設(shè)計中，錐齒輪用來將拖拉機動力輸出軸的動力傳遞到鏈輪上 ，設(shè)計步驟如下：
首先選取錐齒輪標準模數(shù)系列m=5。根據(jù)兩輪的傳動比i12=z2/z1=d2/d1=sinδ2/sinδ1 (3-8)
z2——大錐齒輪齒數(shù)
z1——小錐齒輪齒數(shù)
d2——大錐齒輪分度圓直徑
d1——小錐齒輪分度圓直徑
δ2——大錐齒輪分錐角
δ1——小錐齒輪分錐角
已知i12=2，則：
δ1=tan?1z1z2=tan?15454=26.5。
設(shè)大錐齒輪齒數(shù)Z2=40
小錐齒輪齒數(shù)Z1=20
主要涉及結(jié)論如表3-4所示：
表3-4
名稱
代號
計算結(jié)果
小齒輪
大齒輪
分錐角
δ
26.56
63.44
齒頂高
?a
5 mm
齒根高
?f
6 mm
分度圓直徑
d
100 mm
200 mm
齒頂圓直徑
da
108.94 mm
204.47 mm
齒根圓直徑
df
89.27 mm
194.63 mm
錐距
R
111.80 mm
齒根角
θf
3.07
頂錐角
δa
29.63
66.51
根錐角
δf
23.49
60.37
頂隙
C
1
分度圓齒厚
s
7.85
當量齒厚
zv
22.50
89.50
齒寬
B
37
齒輪選用45鋼（調(diào)質(zhì)），齒輪按7級精度設(shè)計。
錐齒輪結(jié)構(gòu)如圖3-9所示：
圖3-10錐齒輪結(jié)構(gòu)示意圖
3.7傳動鏈的設(shè)計
1.計算當量的單排鏈計算功率Pca
根據(jù)鏈傳動的工作情況、主動鏈輪齒數(shù)和鏈條排數(shù)，將鏈傳動所傳遞的功率修正為當量的單排鏈計算功率
Pca=KAKZKPP
工作情況系數(shù)KA=1.4
主動鏈輪齒數(shù)系數(shù)KZ=0.473
多排鏈系數(shù)KP=1
Pca=KAKZKPP=1.4×0.4731×27.3=18.07kw
2.確定鏈條型號和節(jié)距p
根據(jù)當量的單排鏈計算功率、單排鏈額定功率和主動鏈輪轉(zhuǎn)速，查表可得鏈輪型號選為16A，由此可得節(jié)距p=25.4
3.計算鏈節(jié)數(shù)和中心距
初選中心距a0=30p~50p=762~1270mm，
取a0=800mm
Lp0=2a0p+z1+z22+z2?z12π2pa0=100.99
為了避免使用過渡鏈節(jié)，應(yīng)將計算出的鏈節(jié)數(shù)圓整為偶數(shù)
Lp=102
鏈傳動的最大中心距為
查表得f1=0.24578
amax=f1p2Lp?z1+z2=1024mm
4.計算鏈速v，確定潤滑方式
v=z1n1p60×1000=8.04m/s
由資料顯示，潤滑方式選為滴油潤滑。
計算鏈傳動作用在軸上的壓軸力FP
FP≈KFpFe=1.05Fe
傳動鏈如下圖所示：
圖3-11傳動鏈的結(jié)構(gòu)示意圖
3.8鏈輪的設(shè)計
鏈輪尺寸計算
已知傳動鏈選用滾子鏈16A型號，則節(jié)距p=25.4，滾子直徑d1max=15.88,內(nèi)鏈節(jié)內(nèi)寬b1min=15.75,銷軸直徑d2max=7.94,內(nèi)鏈板高度h2=24.13，排距pt=29.29
齒數(shù)Z=38.
分度圓直徑
d=psin180z=25.40.8258=302.7mm
齒頂圓直徑
damin=d+p1?1.6z?d1=294.5mm
damax=d+1.25p?d1=318.87mm
齒根圓直徑
df=d?d1=287.12mm
齒高
?amax=0.625p?0.5d1+0.8pz=6.97mm
尺側(cè)倒角
Ba=0.13p=0.13x25.4=3.302
尺側(cè)半徑
Rx=25.4
鏈輪結(jié)構(gòu)如下圖所示
圖3-11鏈輪的結(jié)構(gòu)示意圖
3.9鏈輪傳動箱的設(shè)計
鏈輪傳動箱的作用主要是使軸、滾動軸承、鏈輪各個部件組裝起來，成為一個整體，結(jié)構(gòu)緊湊，并實現(xiàn)最初設(shè)計的功能。鏈輪傳動箱應(yīng)該使裝置每個零件安裝合理。
3.10錐齒輪傳動箱的設(shè)計
錐齒輪傳動箱的作用主要是使軸、滾動軸承、錐齒輪各個部件組裝起來，成為一個整體，結(jié)構(gòu)緊湊，并實現(xiàn)最初設(shè)計的功能。錐齒輪傳動箱應(yīng)該使裝置每個零件安裝合理。
3.11傳動軸的設(shè)計
根據(jù)公式（3-35）計算軸的轉(zhuǎn)矩T =266326N·mm：
T =9550000Pn =9550000×26.772kw960r/min =266326N·mm （3-35）
式中：
P - 軸的實際功率，kw；（取26.772）
其中：P = ?×P =0.97×27.6kw=26.772kw
? -錐齒輪的傳遞效率；（取0.97）
P- 拖拉機的實際功率，kw；（27.6）
n -軸的轉(zhuǎn)速，r/min；（取960）
T -軸的轉(zhuǎn)矩，N·mm；（求得266326）
根據(jù)公式（3-36）設(shè)計軸的最小直徑d0 =40mm：
d0 ≥ 395500000.2[τT] · 3Pn = 395500000.2×35MPa · 326.772kw960 = 33.3542mm （3-36）
式中：
[τT] - 45鋼的許用應(yīng)力，MP；（取35）
P - 軸的實際工作功率，kw；（取26.772）
n - 軸的轉(zhuǎn)速，r/min；（取960）
d0 - 軸的最小直徑，mm；（求得40）
軸安裝時，與錐齒輪，傳動箱等部件配合，需要對錐齒輪進行軸向固定，常采用鍵槽，為保證軸端蓋便于安裝，將軸與端蓋配合處設(shè)計為50mm，軸端擋圈用于錐齒輪軸向定位，錐齒輪的左端采用軸肩定位，且錐齒輪軸向定位采用鍵槽。根據(jù)錐齒輪的設(shè)計要求，軸與錐齒輪的配合長度L1 =70mm，軸的直徑d1 = 40mm；軸與軸承的配合長度L2 = 34mm，軸的直徑d 2 =50mm；軸與箱體的配合長度L3 =76mm，軸的直徑d3 =60。
主傳動軸如圖3-12所示：
圖3-12主傳動軸的結(jié)構(gòu)示意圖
設(shè)計完主傳動軸之后，需要對從動錐齒輪上的軸進行類似的設(shè)計，又因為從動的錐齒輪在轉(zhuǎn)速與功率上都略小于主動輪，所以可對該軸與主動輪上的軸選用相同的直徑，滿足軸的強度要求即可。
圖3-13傳動軸的設(shè)計
3.11軸承的設(shè)計
該裝置中有三根軸，需要16個軸承，根據(jù)其直徑與工作特性，選擇軸承的規(guī)格。主軸與軸承配合的直徑為50mm，選擇軸承代號6010；基本尺寸如下表所示：
軸承代號
基本尺寸
6010
小徑d
大徑D
軸承寬度B
50
80
16
從動錐齒輪與軸承配合的直徑為60mm，軸承代號6012；基本尺寸如下表所示：
軸承代號
基本尺寸
6012
小徑d
大徑D
軸承寬度B
60
95
18
鏈輪軸與軸承配合的直徑為70mm，軸承代號6014基本尺寸如下表所示：
軸承代號
基本尺寸
6014
小徑d
大徑D
軸承寬度B
70
110
20
4、使用說明書
4.1操作說明
在使用前先對振搖式紅棗收獲機裝置進行檢查，確認機器良好后，根據(jù)棗樹的樹干直徑，通過轉(zhuǎn)動可搖螺栓，控制振搖叉對樹干進行可靠夾持，啟動拖拉機，通過PTO輸出軸進行動力傳送，在經(jīng)過傳動裝置使振搖叉獲得動力并做直線往復(fù)運動，最后樹干根部放置的收集傘歲果實進行收集。最后手動調(diào)整可調(diào)螺栓，振搖叉松開對樹干的夾持。
4.2注意事項
振搖式紅棗收獲機裝置在正常工作時，工作人員不能離開，不可以在裝置正常工作時，觸碰裝置的各個運動部件。當裝置發(fā)生故障時，先切斷拖拉機電源，使裝置停止工作后，在對其進行故障排查與維修。
5、標準化審查報告4
本文擬設(shè)計的振搖式紅棗收獲機裝置基本完成，機構(gòu)中的基本數(shù)據(jù)全部給出，附有全套cad圖紙，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，對其標準化審查，結(jié)果如下：
（1）設(shè)計圖紙和文件：圖紙和文件所用編號原則復(fù)合以下標準：
GB/T 17710—1999 數(shù)據(jù)處理校檢系統(tǒng)；
JB/T 5054.8—1991 產(chǎn)品圖樣即涉及文件通用和借用件管理辦法；
JB/T 8823—1998 機械工業(yè)企業(yè)計算機輔助管理信息分類編碼原則。
（2）產(chǎn)品圖樣及設(shè)計文件復(fù)合以下標準：
GB/T 10609.1—1989 技術(shù)制圖 標題欄；
GB/T 10609.2—1989 技術(shù)制圖 明細欄；
GB/T 14689—1993 就似乎制圖 圖紙幅面和格式。
6、結(jié)論4
本設(shè)計主要是在曲柄滑塊機構(gòu)傳動和振搖叉結(jié)構(gòu)方面進行了優(yōu)化設(shè)計，當振搖叉夾持住棗樹樹干時，合適的振幅與頻率將會使得果實與樹干之間發(fā)生脫離，通過合理的設(shè)計曲柄的轉(zhuǎn)速與長度，實現(xiàn)半自動化。
（1） 裝置的設(shè)計為拖拉機輸出軸傳動，輸出軸通過與聯(lián)軸器、錐齒輪、鏈輪等部件相配合，錐齒輪可改變傳動方向，并起到減速作用。
（2） 主要對振搖叉與曲柄滑塊機構(gòu)進行設(shè)計，振搖叉采用仿機械手的方法，并添加可調(diào)螺栓與彈簧相結(jié)合的方式，實現(xiàn)對不同樹干直徑的棗樹進行夾持。
（3） 該裝置的主要創(chuàng)新之處是利用曲柄滑塊機構(gòu)來實現(xiàn)對振搖叉振幅與頻率的精準控制，使得果實所受的慣性力足夠大，脫離樹干。
機架和整體布置，振搖叉利用鏈鎖與機架相連，傳動箱利用螺栓螺母與機架相連，整個裝置利用三點懸掛裝置與拖拉機相連。
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致謝
本論文是在老師精心指導(dǎo)和嚴格要求下完成的。他平時不僅給我們提出大的設(shè)計方向，同時也經(jīng)常詢問我們的設(shè)計進度，當我們遇到問題時，他都會給我們耐心解答，當我們設(shè)計出現(xiàn)錯誤時，他也會及時對我們的錯誤進行糾正，正是他的辛勤教導(dǎo)、高標準、嚴要求，讓我更加慎重地對待自己的設(shè)計，不愿辜負師長對我的期待，在此次設(shè)計中，我全力以赴。
在此論文完成之際，我首先要感謝他，同時希望老師在以后可以一切順利。
同時我要感謝大學(xué)四年的所有關(guān)心我?guī)椭业睦蠋煛⑼瑢W(xué)，祝他們在以后的工作、學(xué)習(xí)與人生道路順順利利，一帆風(fēng)順。
最后感謝我的家人和朋友，感謝他們的關(guān)心和支持，正是因為這些讓我不斷前進，不斷進步，無論何時他們都愿意支持我，做我堅強的后盾，我很感謝他們
收藏