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學(xué)校代碼：10410 序 號： 050433 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 題目： 腳踏式玉米脫粒機(jī) 學(xué) 院： 工 學(xué) 院 姓 名： 劉宏宇 學(xué) 號： 20050433 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 年 級： 2005 級 指導(dǎo)教師： 吳瑞梅老師 二 OO 九年 五 月 腳踏式玉米脫粒機(jī) 1 摘 要 本次設(shè)計玉米脫粒機(jī)工作原理就是利用板齒和脫粒輔助軸之間的相互擠搓 實現(xiàn)脫粒，板齒安裝在滾筒上，滾筒的主軸通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)和腳踏板相連。 脫粒輔助軸是用于抵住玉米棒，并利于玉米棒在板齒和輔助軸之間滾動和滑動， 從而實現(xiàn)脫粒。本設(shè)計重點是曲柄連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計，以達(dá)到最優(yōu)工況；滾筒、 主軸、板齒和脫粒輔助軸的設(shè)計，還有排芯區(qū)和喂料裝置——漏斗的設(shè)計。 設(shè)計各項參數(shù)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，脫凈率高、破碎率低、經(jīng)濟(jì)性好，尤其適合 南方小面積種植農(nóng)戶使用。對減輕勞動強度，提高生產(chǎn)效率，減輕農(nóng)民負(fù)擔(dān)， 增加收入有很大的意義。 關(guān)鍵詞：脫粒機(jī) 脫粒滾筒 脫粒輔助軸 漏斗 abstract Design maize sheller operation principle to utilize board tooth and thresh, assist to crowd to rub with the hands and realize threshing each other axle this time, the board tooth is installed on the cylinder, the main shaft of the cylinder links up with the running-board through the crank connecting rod organization. Thresh, assist axle used for, support, live in maize to be excellent, benefit maize to be excellent in board tooth assisting axle roll and slip, thus realize threshing. This design focus is the design of a crank connecting rod organization, in order to reach the optimum operating mode; Cylinder, main shaft, board tooth and threshing to assist the design of the axle, still arrange the core district and feed the material device --Design of the funnel. Design every parameter reach re-set target, take off net rate high, broken rate low, economy is fine, especially suitable for the little area in the South and plant peasant households to use. To lightening labour intensity, improve production efficiency, lighten peasant's burden, increase incomes and have very great meanings. Keywords: Sheller Cylinder threshing Extracts seeds the auxiliary axis Funnel 腳踏式玉米脫粒機(jī) 2 目錄 引言 ...................................................................................................................................................2 一.玉米脫粒機(jī)的工作原理 ..........................................................................................................4 二.玉米脫粒機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的型式與最優(yōu)工況的選擇 ..................................................................5 2．1 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的作用與型式 ..............................................................................................5 2．2 驅(qū)動機(jī)構(gòu)最優(yōu)工況及曲柄最佳位值的選擇 ..............................................................8 三.玉米脫粒機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計技術(shù)要求 ......................................................................................8 3．1 驅(qū)動機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的相對位置必須滿足省力的要求 ..................................................8 3．2 踏板行程 S 和擺角 φ 的設(shè)計要求 ...............................................................................8 3．3 行程速比系數(shù) K 和極位夾角 θ ...................................................................................9 3．4 機(jī)架高度 H....................................................................................................................9 3．5 踏板位置的確定 ............................................................................................................9 3．6 小齒輪中心位置的確定 ..............................................................................................10 3．7 搖桿、連桿和曲柄之間的相對位置確定 ..................................................................10 四．玉米脫粒機(jī)滾筒及脫粒部件的設(shè)計分析 .........................................................................10 4．1 玉米脫粒機(jī)的運動特點 ..............................................................................................10 4．2 玉米脫粒機(jī)的靜力平衡 ..............................................................................................11 4．3 滾筒動力學(xué)分析 ..........................................................................................................12 4.4 脫粒滾筒轉(zhuǎn)速 .................................................................................................................12 4.5 滾筒直徑及滾筒主軸軸徑和齒輪傳動比的選擇 .......................................................13 4．6 滾筒板齒的相關(guān)設(shè)計 ..................................................................................................13 4.7 玉米脫粒輔助軸的設(shè)計 .................................................................................................14 4.8 輔助軸的的一些安裝位置 .............................................................................................15 4.9 排芯區(qū)的設(shè)計 .................................................................................................................16 4.10 漏斗的設(shè)計和安裝 .......................................................................................................17 五．玉米脫粒機(jī)的主要工作部件的強度校核 .........................................................................17 5.1 玉米脫粒機(jī)大齒輪主軸的校核 .....................................................................................17 5．2 玉米脫粒機(jī)大齒輪偏心軸的校核 ...............................................................................21 結(jié)束語 .........................................................................................................................................23 參考文獻(xiàn) .....................................................................................................................................24 腳踏式玉米脫粒機(jī) 3 引 言 在我省廣大農(nóng)村，特別是丘陵地區(qū)和山區(qū)，在很長的一段時間內(nèi)，農(nóng)業(yè)生 產(chǎn)和部分農(nóng)產(chǎn)品加工還須人力來完成。如玉米脫粒、花生收獲和加工，油菜的 脫粒和清選等。如果有一種以人力為動力（有條件的地方可配用小動力）的多 用機(jī)具，為山區(qū)和丘陵地區(qū)農(nóng)民服務(wù)，對減輕勞動強度，提高生產(chǎn)效率，減輕 農(nóng)民負(fù)擔(dān)，增加收入有很大的意義。提高農(nóng)村經(jīng)濟(jì)水平、提高勞動生產(chǎn)率加速 農(nóng)村和諧社會的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。 目前市場上還沒有針對丘陵地區(qū)而又多功能的小型機(jī)具，并且要求其價格 十分低廉，本項目是通過對農(nóng)村普遍使用的腳踏式人力水稻脫粒機(jī)改進(jìn)而來， 使其有多功能，可以進(jìn)行玉米、油菜、花生脫粒，它具有結(jié)構(gòu)簡單重量輕，價 格低廉，可在田間移動，完成不同作業(yè)時更換工作部件容易。本設(shè)計主要針對 玉米脫粒機(jī)。 目前市場上玉米的脫粒大多采用打擊原理設(shè)計的普通脫粒機(jī)，各種傳統(tǒng)普 通機(jī)型的滾筒轉(zhuǎn)速都在 700r/min 以上，滾筒外緣線速度均大于 8m/s，是靠釘齒 高速打擊玉米果穗實現(xiàn)脫粒的，對玉米籽粒傷害較大。 而現(xiàn)在發(fā)達(dá)國家如美國已將以打擊原理為主的玉米脫粒機(jī)淘汰,用一種擠搓 脫粒技術(shù)原理脫粒機(jī)取代,并已得到推廣應(yīng)用。這種技術(shù)符合脫凈率高、破碎率 低的要求，全面克服了老式脫粒機(jī)存在的缺點。新機(jī)型脫粒損失至少比老機(jī)型 減少 0.5%，而且對種子玉米和普通玉米均適合。 玉米含水率對生產(chǎn)率和脫粒有一定的影響。含水率在 13%-20%范圍內(nèi)，技 術(shù)性能指標(biāo)比較穩(wěn)定；含水率超過 20%，則脫凈率和破碎率指標(biāo)下降，夾帶量 上升，凈度指標(biāo)下降，風(fēng)選效果和清選質(zhì)量也會下降。 我國的擠搓玉米脫粒技術(shù)的研究工作于 2000 年開始起步，并且 取得了快 速進(jìn)展，參考國外技術(shù)進(jìn)行研究階段已基本完成，在設(shè)計和制造中對主要部件 又進(jìn)行了改進(jìn)完善，使其結(jié)構(gòu)更加趨于合理，性能又得到進(jìn)一步提高?，F(xiàn)已初 步掌握了該項技術(shù)的系列設(shè)計及確定基本技術(shù)參數(shù)的方法，目前正進(jìn)行此項技 術(shù)的完善、深入研究、系列化及推廣工作。本項目利用已有的腳踏式人力水稻 脫粒機(jī)，運用擠搓原理設(shè)計而成。各項參數(shù)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，脫凈率高、破碎率 低、經(jīng)濟(jì)性好，尤其適合南方小面積種植農(nóng)戶使用。對減輕勞動強度，提高生 產(chǎn)效率，減輕農(nóng)民負(fù)擔(dān)，增加收入有很大的意義。 腳踏式玉米脫粒機(jī) 4 一.玉米脫粒機(jī)的工作原理 該玉米脫粒機(jī)工藝是仿生技術(shù)的一種應(yīng)用,模仿人工用手搓玉米的動作。滾 筒上安裝有板齒，滾筒帶動板齒轉(zhuǎn)動,與玉米擠搓而脫粒，如圖 1.1 圖 1 脫粒機(jī)的工作原理圖 圖 2 帶冠板齒 腳踏式玉米脫粒機(jī) 5 當(dāng)玉米從進(jìn)料區(qū)送入(如圖 1.3)，玉米就受到板齒的擠搓力，并受往左的推 力，所以玉米果穗是邊脫粒邊往排芯區(qū)滑動，這樣的話就有利于下一個玉米脫 粒的連續(xù)性，可同時脫粒好幾根玉米，提高了脫粒的效率。 圖 3 脫粒機(jī)的工作簡圖 在脫粒區(qū)內(nèi)，滾筒板齒撥動果穗沿著脫粒輔助軸作圓周運動，由于板齒與 滾筒軸心成一定的夾角,所以同時也將果穗向排芯口推動,實際上玉米果穗的運動 軌跡是螺旋線。其中一部分板(如圖 1.2)所示，設(shè)計成頂部帶冠形狀（二至三處 凸起） ，其作用如同人工用竹簽子（過去北方農(nóng)村用于人工脫玉米籽粒的工具） ， 先將玉米果穗上的局部籽粒擠掉，以便后面擠搓板順利。由于脫粒輔助軸上也 有一些小小的像挫刀一樣的齒紋，這樣一來玉米棒就不會被滾筒擠到脫粒輔助 軸外，二來增大了玉米、滾筒上的板齒及脫粒輔助的摩擦。玉米在這些力的的 作用下既滾動又滑動，以達(dá)到擠搓脫粒的效果。 二 .玉米脫粒機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的型式與最優(yōu)工況的選擇 2．1 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的作用與型式 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的作用是把人腳一定行程的往復(fù)運動，轉(zhuǎn)變成曲柄的轉(zhuǎn)動，通過 大小齒輪嚙合增速后，把轉(zhuǎn)動傳給小齒輪，從而帶動工作部件轉(zhuǎn)動。使工作部 件具有足夠的線速度達(dá)到滿足工作的要求。能滿足上述要求而廣泛使用的機(jī)構(gòu) 腳踏式玉米脫粒機(jī) 6 為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，我們把曲柄搖桿機(jī)構(gòu)分為三種形式： a）.拉桿式 搖桿和踏板支桿為一直桿，統(tǒng)稱總搖桿, 是最早統(tǒng)型第 737 型（圖 2.1.1） 。該機(jī)構(gòu)為左右兩套驅(qū)動機(jī)構(gòu)。這個搖桿的支點在它的一個端點。 工作時，連桿受拉力作用，總搖桿受拉力?？倱u桿長等于力臂長。即 ,其中 L 為總搖桿長度，S 為踏板行程，Φ 為踏板搖角。2/sin)1(?L?? 該機(jī)構(gòu)的特點是搖桿很長，操作省力，各支點及鉸接點受力小，耐磨。其 缺點是受結(jié)構(gòu)限制搖桿支點位于禾斗壁上，不耐磨易松動。而雙面?zhèn)鲃佑捎谥?造精度低很難達(dá)到同時傳動的目的，也造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本高。 b）壓桿式 搖桿和踏板仍為一直桿，支點在中間的直桿形，又稱蹺蹺板 形（圖 2.1.2） 。工作時連桿受壓?？倱u桿等于力臂長與重臂長之和，即 , 其中 i 為力臂比,它等于力臂長與重臂長之比。2/sin)1(?L?? 該機(jī)構(gòu)的特點是把搖桿支點從禾斗移出，裝在機(jī)架上，采用單邊傳動，簡 化結(jié)構(gòu)，降低成本。其缺點是搖桿短小費力，連桿為壓桿不穩(wěn)定易變形，各支 點及鉸接點受力大，磨損快，現(xiàn)很少采用。 c）擺桿式 搖桿和踏板桿不是一直桿 ,而成一定角度，搖桿和踏板為曲 桿, 支點在一端（圖 2.1.3） 。工作時連桿受拉，而總搖桿長等于力臂長與重臂長 之和，即 。2/sin)1(?L?? 圖 4 支點在一端的直桿式 腳踏式玉米脫粒機(jī) 7 圖 5 支點在中間的直桿式 圖 6 踏板和搖桿為曲桿式 圖 7 驅(qū)動構(gòu)設(shè)計 上述三種機(jī)構(gòu)，在保證擺角 Φ 和一定的踏板行程 S 的情況下，支點在一端 的總搖桿長度最短。 它的特點是，該機(jī)構(gòu)的特點是單邊傳動，把搖桿支點移到機(jī)架上，連桿為 拉桿，各支點和鉸接點受力較小，踏板也較長，也省力。因此，該機(jī)構(gòu)是目前 比較理想的一種形式。 腳踏式玉米脫粒機(jī) 8 2．2 驅(qū)動機(jī)構(gòu)最優(yōu)工況及曲柄最佳位值的選擇 當(dāng)確定了踏板和搖桿為曲桿這種形式后，我們再選擇該種機(jī)構(gòu)的最優(yōu)工況。 因為人力機(jī)具是以人力為動力，所設(shè)計的驅(qū)動機(jī)構(gòu)一定要把省力、減少疲勞為 目標(biāo)，即當(dāng)踏力一定時能產(chǎn)生最大的驅(qū)動力矩，這就要求傳動角接近 900，各構(gòu) 件支點和鉸接點受力最小。能滿足上述要求的工況是當(dāng)踏板位于水平位置時， 連桿與搖桿和曲柄相垂直。 當(dāng)確定了最佳工況后，就要確定在滿足最佳工況下曲柄的最佳位置（即曲 柄與水平面的夾角） 。為分析方便，在圖 4 中，過 A 點作直線 AC3，平行與 BC 交 CD 于 C3。使 ∠DAC3 ＝∠EDC＝α。設(shè)曲柄 AB 長 a，支點距 AD 長為 d， 則連桿長 b = d cosα，搖桿長 C = a ＋ d sinα。從滿足曲柄存在條件來看，應(yīng) 使 a ＋ d＜b ＋ c，即 a ＋ d＜d cosα＋ a ＋ d sinα，化簡后得出： cosα＋ sinα＞1，從數(shù)學(xué)中知，cosα＋sinα 的最大值是當(dāng) α= 450 時，因此曲 柄與水平的夾角 α 為 45 度。 三.玉米脫粒機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計技術(shù)要求 由于腳踏式玉米脫粒機(jī)是以人力為動力進(jìn)行脫粒，因此在設(shè)計驅(qū)動機(jī)構(gòu)時 必須滿足省力、人體不易疲勞等要求。所以，所設(shè)計的驅(qū)動機(jī)構(gòu)踏板腳踏頻率 不能高，踏板行程不能大，踏板在最低位置應(yīng)接近不動的腳底，滾筒轉(zhuǎn)速應(yīng)均 勻，腳踏應(yīng)省力等。因此，在設(shè)計驅(qū)動機(jī)構(gòu)時應(yīng)滿足如下要求[4]： 3．1 驅(qū)動機(jī)構(gòu)各構(gòu)件的相對位置必須滿足省力的要求 如圖（2.1.3）所示，當(dāng)踏板向下運動過程為做功行程，在做功行程內(nèi)做功 是不均勻的，當(dāng)在做功中段附近，踏板近水平位置時，人易用力，作用力也大， 而且力臂也大，所產(chǎn)生的驅(qū)動力矩也大，因此希望當(dāng)踏板近水平位置時，搖桿 能和曲柄平行并與連桿垂直，使得此時傳動角 γ 接近 90○ ，以產(chǎn)生最大的驅(qū)動 力矩。 3．2 踏板行程 S 和擺角 φ 的設(shè)計要求 由圖(2.1.3)看出，踏板行程 S 是指踏板在兩個極端位置時，踏板最端點的 腳踏式玉米脫粒機(jī) 9 垂直距離。踏板行程過大，腳提得過高易疲勞，過小則做功小，用不上力，根 據(jù)實際使用情況看，最合適的踏板行程一般在 180～220mm 范圍內(nèi)。踏板行程 確定后，踏板擺角越小，連桿和搖桿的夾角越接近于 90○ ，越有利于傳動，但 擺角越小，擺桿支桿必然要加長，引起結(jié)構(gòu)不緊湊，同時踏板支桿的剛性也差， 工作一段時間后，踏板易傾斜，造成齒輪偏磨。擺角過大，腳面與踏板接觸面 小易疲勞，腳上有泥時也容易打滑傷腿，所以一般情況下擺角在 30○ ～35 ○ 內(nèi)比 較合適。 3．3 行程速比系數(shù) K 和極位夾角 θ 極位夾角是當(dāng)搖桿處在上下極限位置時，即曲柄為上下死點位置時，連桿 相對應(yīng)的夾角。 K=180°+θ /180°-θ K—行程速度變化系數(shù) θ—極位夾角 脫粒機(jī)工作時，當(dāng)踏板由上死點向下運動時，人腳用力踏下是一個做功過 程，當(dāng)踏板由下死點向上運動時，人腳不能做功，依靠滾筒轉(zhuǎn)動慣量一面完成 脫粒做功，一面帶動踏板向上運動。當(dāng) k＞1 時機(jī)構(gòu)有急回作用，即踏板由下死 點向上運動到上死點時，大齒輪的工作轉(zhuǎn)角小，有利于做功和滾筒的運動平穩(wěn)， 有利于力量的發(fā)揮，也可提高工作效率；但 k 過大即極位夾角過大會產(chǎn)生沖腳 現(xiàn)象，所謂沖腳是指踏板向上運動速度太快，人腳尚未提起，踏板就打在腳板 下方，使人產(chǎn)生疲勞，因此在選擇極位夾角時，應(yīng)保證不產(chǎn)生明顯沖腳前提下 盡量取大值。 有關(guān)資料表明 1.1≥K>1,即 θ≤8.5°時不會產(chǎn)生明顯的沖象 ,因此,在選擇極 位夾角時,應(yīng)保證在不產(chǎn)生明顯沖腳的的現(xiàn)象的提條件下,盡量取較大值。 3．4 機(jī)架高度 H 當(dāng)脫粒機(jī)工作時，當(dāng)機(jī)架過高不易投入料(玉米),機(jī)架過低要彎腰也易疲勞。 因此。機(jī)架高度應(yīng)以人的高度來衡量，一般情況下，H = 450～550mm 范圍為宜。 腳踏式玉米脫粒機(jī) 10 3．5 踏板位置的確定 踏板運動到上止點時，踏板最遠(yuǎn)端至集果箱后檔板的距離 L1 太大，工作時 操作人員彎腰幅度較易疲勞，太短則膝蓋可能碰到集果箱后檔板，為了保證操 作人員操作方便、舒適，一般合適的距離 L1 為 170mm 左右。 3．6 小齒輪中心位置的確定 小齒輪中心至集果箱后檔板的距離過大，工作時操作人員手外伸太遠(yuǎn)易疲 勞過小則影響整機(jī)結(jié)構(gòu)，該距離大小取決于滾筒直徑、板齒的高低及板齒與檔 板的間隙。L 2 的適宜值一般 270 毫米左右。 3．7 搖桿、連桿和曲柄之間的相對位置確定 由于受沖擊的影響，人力脫粒機(jī)脫粒時其做功是不均勻的，在作功中段附 近，踏板近水平位置時，操作人員較易使用力氣，作用力也大。腳踏板在行程 極限位置附近，一方面不容易使用力氣,另一方面連桿拉力對曲柄中心距(即力臂)小, 在相同大小力的作用 F 所產(chǎn)生的驅(qū)動力矩小。只有在作功行程中部時，用力方 便、力臂大，所產(chǎn)生驅(qū)動力矩最大。因此，當(dāng)腳踏板近似于水平位置時，搖桿 和曲柄平行并與連桿垂直，產(chǎn)生最大的驅(qū)動力臂。經(jīng)對不同的工況進(jìn)行分析， 發(fā)現(xiàn)該工況下具有以下優(yōu)點：連桿受力小，各鉸接點支反力小，傳動角大，損 失小。 基于上述分析，可以確定搖桿、連桿和曲柄之間的最佳相對位置，即當(dāng)腳 踏板位于水平位置時，搖桿和曲柄平行并與連桿相垂直。 四．玉米脫粒機(jī)滾筒及脫粒部件的設(shè)計分析 4．1 玉米脫粒機(jī)的運動特點 ①．玉米脫粒機(jī)是以人為動力，而人每分鐘對踏板動的次數(shù)為一定值，不 能過高和過低，一般人每分鐘踏動次數(shù)最高可達(dá) 120 次，最少 80 多次，常久使 用時可達(dá) 90～100 次。 ②．滾筒在每一轉(zhuǎn)中其各點的速度也是一個變值，當(dāng)腳踏由上止點向下作 功行程開始點其速度最小，隨著腳踏板的向下運動作功的增大，轉(zhuǎn)速增高。當(dāng) 腳踏式玉米脫粒機(jī) 11 腳踏板達(dá)到最低位置時，轉(zhuǎn)速大致最高值。當(dāng)腳踏板從下止點向上運動是空行 程，轉(zhuǎn)速逐漸降低，當(dāng)大致上止點時，轉(zhuǎn)速達(dá)到最低值。按每分鐘腳踏板的運 動次數(shù)所換算的大齒輪轉(zhuǎn)速可看作平均值，最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速差別不應(yīng)過大， 否則運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定甚至不能正常工作。 4．2 玉米脫粒機(jī)的靜力平衡 設(shè)脫粒時脫粒阻力為 Pt 作用于滾筒切線方向(圖 2.1.3),腳踏力為 P 取腳踏板 支桿為分離體,從支桿受力平衡得出: P·ED=P1·CD iCDEP?1 式中: P1——連桿受力 i——力臂比 取大齒輪為分離體，根據(jù)受力平衡得出： 11RaZ? 式中： PZ——大齒輪圓周力 a——曲柄半徑 R1——大齒輪節(jié)圓半徑 取滾筒（包括小齒輪）為分離體，根據(jù)受力平衡得出： rPZt?R iParZt 1? 設(shè) ，代入上式，則 …………（1）ir R?1 iat? 式中： R——滾筒半徑； r——小齒輪節(jié)圓半徑; i’——大小齒輪齒數(shù)比。 從運動關(guān)系知，滾筒線速度在設(shè)計時認(rèn)為是一常量，大齒輪角速度 ψ 1 取 決于踏板每分鐘運動次數(shù)（正常工作中踏板運動次數(shù) n 為常量，常取 90∽100 次） ，則： ，而 301??n?rR??1 11?ir R?? 式中：ω1——大齒輪角速度 腳踏式玉米脫粒機(jī) 12 ω——滾筒角速度（小齒輪角速度） 而滾筒線速度： ，所以 RiC1???RCi1??? 最后得出： ……………（2）ain PiRaPttt ?3011? （2）表明踏力大小及影響因素，從式中看出，踏力的大小與所選擇的脫粒 速度 C 和脫粒阻力 Pt 成正比，與曲柄半徑 a 和力臂 i 成反比，與滾筒半徑大小 無關(guān)。上述結(jié)論只有選定 C 后，改變大小齒輪的傳動比 i 使踏板每分鐘有一定 轉(zhuǎn)速 n 的情況下才是正確的，如不考慮脫粒線速度 C，正如式（1）所示踏力的 大小與傳動比和滾筒半徑正比。當(dāng)按選定所必需的脫粒速度后，為了減小腳踩 力 P，只有適當(dāng)?shù)卦龃罅Ρ郾?i 和曲柄半徑 a。 4．3 滾筒動力學(xué)分析 為了便于分析，取大齒輪為分離體。把滾筒和小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 換算到大齒輪上，小齒輪對大齒輪的作用，用換算阻力 M=PtR 代替，滾筒空轉(zhuǎn)阻力矩用 M0 表示。連桿對大齒輪的作用，用 P1 表示，連 桿在運動中對大齒輪作用近似地看作與地面垂直。 設(shè)作功過程開始點——上止點。轉(zhuǎn)速為 ω，作功結(jié)束點——下止點，轉(zhuǎn)速 為 ω 0，在作功行程內(nèi) P1 力作的功為： aPaA n 10 2si???? 在作功行程內(nèi)，根據(jù)能量守恒定律： A=（M+M）л+1/2Jω-1/2Jω 02 2Pa=(M+M0)л+1/2J( ω 2-ω 02) 在空行程內(nèi),根據(jù)能量守恒定律得出 1/2-J(ω 2-ω 02)=(M+M0)л 將上式代入作功 A 的公式得出 P1a=(M+M0)л………………………………（3） 腳踏式玉米脫粒機(jī) 13 4.4 脫粒滾筒轉(zhuǎn)速 脫粒線速度是保證脫粒質(zhì)量的主要參數(shù)。滾筒上安裝有板齒，滾筒滾筒是 帶動板齒轉(zhuǎn)動，板齒推動玉米果穗作螺旋運動。由動力分析知，腳踏板踏力的 大小與滾筒線速度成正比，為了減少踏力不宜選取高的線速度，但從另一方面 為了保證運動的穩(wěn)定性，必須有足夠的動能，滾筒線速度不能低。滾筒轉(zhuǎn)速由 滾筒外緣（板齒頂部）線速度決定，滾筒外緣線速度是以保證不傷害玉米籽粒 為前提條件，由試驗數(shù)據(jù)獲得的。用籽粒含水率為 13%（因籽粒含水率較低， 相對比較容易破碎）左右的玉米穗做試驗,查閱資料得出滾筒外緣（板齒頂部） 線速度應(yīng)小于或等于 4m/s。但滾筒外緣線速度不能過低，否則會影響生產(chǎn)率。 根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，確認(rèn)線速度值在 3.2～3.9 m/s 之間最佳。 4.5 滾筒直徑及滾筒主軸軸徑和齒輪傳動比的選擇 1 滾筒直徑 滾筒設(shè)計的主要要求是工作時省力，要有足夠的轉(zhuǎn)動動能來保證運轉(zhuǎn)的穩(wěn) 定性?，F(xiàn)從兩方面分析如下： 從動力學(xué)分析知，滾筒的轉(zhuǎn)動動能為: A=1/2Jω 2 而滾筒的轉(zhuǎn)動慣量 J 近似地認(rèn)為: J=mR2 式中:m—滾筒(包括齒板和弓齒壓盤等)質(zhì)量； R—滾筒半徑； 將 J 值代入轉(zhuǎn)動動能 A 式則得出: A=1/2Jω 2=1/2mR2=1/2mc2 由上式看出:當(dāng)滾筒線速度確定后,想提高滾筒的動能 ,只有增加滾筒質(zhì)量,而 與直徑大小無關(guān)。 再從動力學(xué)分析知,踏力的大小為: P=PtC/iω 1a 由此式看出,當(dāng)脫粒阻力 Pt 為一定值時,踏力 P 與所選擇的滾筒線速度有關(guān), 與選取的半徑無關(guān)。綜合以上分析看出，半徑的選取與動力參數(shù)無關(guān)，通過數(shù) 據(jù)及試驗結(jié)果取滾筒直徑 D=280+b/2=292㎜。 2 滾筒軸軸徑 由于小齒輪與滾筒間的動力傳輸不是靠鍵付給主軸的,所以它不受扭矩,只是 承受來自脫粒時的徑向力,所以也不需特別的要求, 可根據(jù)實際功率負(fù)荷計算扭 矩，確定軸徑。根據(jù)已有的脫粒機(jī)的主軸數(shù)據(jù)取 20㎜. 3 齒輪傳動比的選擇 腳踏式玉米脫粒機(jī) 14 從運動分析知： C=iω 1R 故 R= C/iω 1 ω 1 為大齒輪角速度，它與踏板每分鐘踏動次數(shù)有關(guān)，一般情況下踏板踏動 次數(shù)為 90～100 次，相應(yīng) ω 1 為 8.38～9.42°/秒,當(dāng)滾筒線速度 C 選定后,半徑的 大小僅取決大小齒輪速比 i 表示了不同線速度,不同傳動比情況下的半徑值 .計算 時滾筒線速度為板齒齒頂線速度,而一般指滾筒半徑是指齒板半徑,因而計算出的 半徑值應(yīng)減去板齒高 h。 4．6 滾筒板齒的相關(guān)設(shè)計 板齒有規(guī)律地安裝在滾筒軸上，其作用是撥動玉米穗沿輔助軸作復(fù)雜運動 （玉米穗本身既滾動又滑動，同時沿脫粒輔助軸作不規(guī)則螺旋運動） ，也推動玉 米穗向排芯口方向移動。 板齒寬度:板齒應(yīng)與齒板一樣寬或稍小點，根據(jù)機(jī)器大小一般范圍為 40～60mm，盡量取寬點，目的是工作時與玉米穗接觸面較大，避免接觸點太小， 產(chǎn)生對玉米穗的局部壓力集中，損傷玉米籽粒。 板齒高度:板齒通過螺栓安裝在齒板上,板齒要超出滾筒側(cè)板的最外緣，由其 幾何關(guān)系可得： 2 bDh??? D 為滾筒側(cè)板的最外緣，其值為 350㎜ ， D 為滾筒直徑，其值為 280㎜， b 為齒板的寬度，為 24㎜， 所以 h>23㎜, 考慮到脫粒的效果，經(jīng)計算及幾何關(guān)系得：板齒高度 h=30㎜ （如圖 4.6.1） 。 板齒齒的旋向及與水平的夾角：由工作簡圖(圖 1.3),玉米得在螺旋齒給它的 軸方力從右到左滑動，所以板齒的旋向為右旋(如圖 4.6.2)。夾角影響到板齒對 玉米軸向推力的大小，太大會使的玉米還沒完全脫粒就快速的向排芯區(qū)排掉了， 太小了玉米滑動的速度過慢，以至于已脫凈了的玉米芯還在脫粒區(qū)滑動，從而 就降低了工作效率及多余的功率消耗。根據(jù)有關(guān)資料查得取 60°較合適，既保 證了脫凈率又保證了工作效率。 圖 8 板齒簡圖 圖 9 滾筒展開圖 腳踏式玉米脫粒機(jī) 15 4.7 玉米脫粒輔助軸的設(shè)計 脫粒輔助軸是用于抵住玉米棒,并利于玉米棒在板齒與輔助軸間滾動及滑動， 協(xié)助板齒脫粒。其直徑大小得比玉米棒大，要不能玉米棒會從其反方向掉到果 箱中。玉米棒一般直徑 40～50㎜，所以脫粒輔助軸的大小取 60㎜。 而它又不受多大扭矩，只受點橫向及縱向的推力，并且力很小，這樣的話 就可以設(shè)計成在小金屬軸上套木質(zhì)的空軸，并且小金屬軸除兩頭用來安裝做成 圓柱形的，其它部位都做成方軸（如圖 4.7.2） 。 圖 10 輔助軸上的齒紋 圖 11 輔助脫粒軸 這樣與帶方孔的木質(zhì)軸配合，來傳遞力，其成本大大降低。為了不讓玉米 棒在其上打滑，因為打滑的話就會影響脫粒的效果，產(chǎn)生脫粒不凈，在其上開 像銼刀一樣的齒紋（如圖 4.7.1） ，增加它與玉米棒之間的摩擦力。 4.8 輔助軸的的一些安裝位置 如圖（4.8.1） ，因為在脫粒區(qū)內(nèi)玉米棒子是永遠(yuǎn)不應(yīng)掉下去的，所以 S 小于 脫掉了玉米的棒芯(35～40㎜)，S 取 30㎜。 由幾何關(guān)系可得 2572???? dshbDX 302??dY D——滾筒直徑 b——齒板的寬度 h——板齒高 d——脫粒輔助軸的直徑 由脫粒原理可知滾筒、板齒外緣、玉米及脫粒輔助軸的幾何關(guān)系，如圖 （4.8.2） ，脫粒輔助軸的軸線應(yīng)在安裝圓（R3=217+30=247㎜）上，Y 可定為 腳踏式玉米脫粒機(jī) 16 30㎜，這樣可得出 X 為 245㎜。 圖 12 脫粒輔助軸安裝位置圖 圖 13 脫粒輔助軸安裝位置圖 b 圓 1——板齒最外緣（R1=140+12+30=182㎜） 圓 2——板齒外緣加上脫粒區(qū)的間隙 S 的圓（R2=182+35=217㎜） 圓 3——脫粒輔助軸的軸線安裝圓（R3=217+30=247㎜） 4.9 排芯區(qū)的設(shè)計 在排芯區(qū)內(nèi)（如下圖）板齒離輔助性軸的最小距離應(yīng)大于玉米芯，所以得 大于 40㎜，而滾筒的是不變的，只能在這區(qū)域內(nèi)減小輔助軸的直徑，由幾何關(guān) 系可知：a>40-S ，而 S=30㎜，則 a>10㎜，在這取 10㎜。由此可得排芯區(qū)內(nèi)， 輔助軸的直徑為 40㎜。 腳踏式玉米脫粒機(jī) 17 4.10 漏斗的設(shè)計和安裝 根據(jù)工作簡圖 1.3 可知,玉米棒得先從右邊放入,這樣的話才能保證有足夠的 工作區(qū)來脫粒,否則可能存在脫粒不凈的現(xiàn)象。另一方面，板齒離脫粒輔助軸的 間隙比玉米棒小，再加上輔助軸的也就比玉米棒大些，如沒有漏斗的話，玉米 棒喂入時可能掉到輔助軸的外側(cè)。鑒于這些，設(shè)計漏斗如圖 4.10.1。漏斗有支 撐架用螺栓栓在脫粒機(jī)機(jī)架上。 圖 15 漏斗的設(shè)計及安裝 五．玉米脫粒機(jī)的主要工作部件的強度校核 5.1 玉米脫粒機(jī)大齒輪主軸的校核 1 大齒輪受力分析 腳踏式玉米脫粒機(jī) 18 大齒輪受如下力的作用（如上圖） 連桿受驅(qū)動力 Pb，其中 Pb=iP P 力按試驗數(shù)據(jù)取 P=45kg。 Pb=ip=1.71×45=76.95 Pb 分解成 Pbz 和 Pby， Pbz=pbsin45°=544.47N Pby=pbcos45°=521.76N (3) 嗤合力 p2 把嗤合力 pz 接近的作用在上方忽略 15°，并且分解成 pt 和 pn。 Pt=pb×a/r1=76.95×65/113.5=473.6N Pn=pbtana=473.6×tan20°=172.37N 重力 G G=3㎏ f=29.4N 2 主軸的彎矩校核 大齒輪軸結(jié)構(gòu)如右圖 主軸的受力圖: 腳踏式玉米脫粒機(jī) 19 腳踏式玉米脫粒機(jī) 20 以上彎距圖可以知道點 M 處直徑最小，所以彎距最大。所以只需要校正該 處彎曲強度就可以。 根據(jù)強度條件 σmax=Mmax/Wz≤[σ] 其中 Wz=лd 3 /32= л/（32×015 2）=4.02×10 -7 σmax= Mmax/W z=42.8/4.02×10-7 =10.65×107N/m=106.5Mpa 查表得到 45#鋼的 σ s=352Mpa，取安全系數(shù)為 2。所以 [σ] = σ s/2=176Mpa＞ σmax=1.605Mpa 所以該軸彎曲強度核對合格。 3 主軸的剪切強度校核 校核條件：τmax= 1.33×Mmax/S≤ [ τ] 根據(jù)直徑的大小和合成 剪切力的大小校對 B 點和 M 點。 PamNSQBB 2.4/1042.017.543.1 262 ??????? PaMM.. 因為[τ ]=0.8[σ]45#鋼根據(jù)上面的安全系數(shù)取 2 的時候，計算得到 [σ]=176 Mpa,所以[τ]=0.8[σ]=0.8×176=140.8 Mpa 腳踏式玉米脫粒機(jī) 21 故根據(jù)剪切強度核對，該軸合格。 綜上所說，大齒輪軸的強度符合要求。 5．2 玉米脫粒機(jī)大齒輪偏心軸的校核 偏心軸結(jié)構(gòu)如圖所示， 受力圖如下 腳踏式玉米脫粒機(jī) 22 1 彎曲強度校核條件 σmax＜[σ] 當(dāng)安全系數(shù)取 2 的時候，材料用 45#鋼，根據(jù)大齒輪軸校核得到： [σ]=176 Mpa，偏心軸在 xz 面彎距為： Mbzmax=Pbz×0.02=544.47×0.02=10.89N·m； Mxymax=Pby×0.02=541.87×0.02=10.45N·m； 合成彎矩 )(09.15 2max2max NMyzMax ??? Wz=лd 3/32=9.8×10-8m3 σmax= Mmax/ Wz=153.9Mpa。 由于 σmax＜[ σ]， 所以，根據(jù)彎曲強度校核該軸符合要求。 2 剪切強度校核 腳踏式玉米脫粒機(jī) 23 校核條件：τmax＜[ τ] 由于大齒輪軸校核可以知道 45#鋼安全系數(shù)取 2。 所以[τ ]=140.8Mpa MPa7.1205. 74312max????? 所以 τmax＜[ τ]。 根據(jù)剪切強度條件，偏心軸強度符合要求。 由綜上校核可得，上述偏心軸強度符合要求。 腳踏式玉米脫粒機(jī) 24 結(jié)束語 畢業(yè)設(shè)計是對我們對大學(xué)四年來所學(xué)知識的大檢閱,也是我們實踐鍛煉的機(jī) 會,能夠達(dá)到深化理論,理論與實踐更好地結(jié)全的目的。在設(shè)計過程中，發(fā)現(xiàn)自己 對知識掌握的不扎實，知識的漏洞很多，更是覺得知識與實踐之間的差別。通 過這次的實踐設(shè)計，初步掌握和了解到作為工程技術(shù)人員應(yīng)該具備的專業(yè)素質(zhì) 和創(chuàng)新精神。更加深入掌握機(jī)械設(shè)計的理論基礎(chǔ)，并大體了解到設(shè)計的基本過 程，為以后的進(jìn)行工程技術(shù)設(shè)計打下了基礎(chǔ)。 由于相關(guān)的數(shù)據(jù)比較少，在整個設(shè)計過程中遇到不少麻煩，不過通過大量 的閱讀有關(guān)資料，特別是吳瑞梅老師的精心指導(dǎo)下，完成了本項設(shè)計。另外因 為時間的倉促，水平的有限，本設(shè)計難免有些不合理甚至錯誤的地方，還望請 指正！ 腳踏式玉米脫粒機(jī) 25 參考文獻(xiàn) [1] 李寶箋主編．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)[M]．北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2003 [2] 吳克堅主編．機(jī)械原理[M]．北京：高等教育出版社，1997 [3] 中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院編． 實用機(jī)械設(shè)計手冊[M]．北京：中國 農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社，1984 [4] 王新章．關(guān)于人力脫粒機(jī)的設(shè)計問題[J]．南昌：江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報， 1981(1)12-15 [5] 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院編. “小農(nóng)具的改進(jìn)設(shè)計”課題鑒定技術(shù)文件匯編, 1989 年元月 [6] 吳宗澤主編 . 機(jī)械設(shè)計. 北京:高等教育出版社 2003 [7] 機(jī)械工程手冊 ,電機(jī)工程手冊編輯委員會. 機(jī)械工程手冊.第 2 版.北京: 機(jī) 械工業(yè)出版社,1996 [8] 嚴(yán)霖元編 . 機(jī)械制造基礎(chǔ). 江西農(nóng)業(yè)大學(xué),2000 [9] 成大先主主編.機(jī)械設(shè)計圖冊 零部件的結(jié)構(gòu)與組合 :上冊,下冊.北京: 化學(xué) 工業(yè)出版社,1997 [10] 成大先主編.機(jī)械設(shè)計圖冊 機(jī)械設(shè)計的錯例與禁忌 . 北京: 化學(xué)工業(yè)出 版社,1997 [11]卜炎主編 .機(jī)械傳動裝置設(shè)計手冊:上冊,下冊. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1999