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1、 本科畢業(yè)設計(論文) 題目： 便攜式樣山核桃采摘機的設計 學 院： 機 械 工 程 學 院 專 業(yè)： 機械工程及自動化 班 級： 機自0701班 學 號： 學生姓名： 指導老師： 提交日期： 2011年06月12日 便攜式山核桃采摘機的設計 學生姓名：林立碧 指導老師：周國斌 浙江工業(yè)大學機械工程學院 摘 要 目前國內果蔬采摘作業(yè)基本以

2、手工采摘為主，隨老齡化和農業(yè)勞動力的減少，農業(yè)生產成本提高，發(fā)展機械化，特別是果蔬采摘機的研究，具有重要意義。 本文設計的便攜式山核桃采摘機，屬于農業(yè)機械。山核桃采摘機包括電源、連桿機構、機殼、驅動裝置、連接臂、上下拍爪，連桿機構由外管、內管和鎖緊裝置構成。外管內套接有可在外管內部伸縮的內管，外管右端與內管外壁連接處設有鎖緊裝置，內管右端與機殼左端固定連接，上拍爪左端與機殼右端上殼體鉸接，下拍爪左端與機殼右端下殼體鉸接，機殼內設有驅動裝置，上下拍爪通過連接臂與驅動裝置連接。 關鍵詞： 便攜式山核桃采摘機 驅動裝置 上拍爪 下拍爪 連桿機構 The D

3、esign of portable pecan picking machine Student:Libi Lin Advisor:Dr.Guobin Zhou College of Engineering Zhejiang University of Technology Abstract At present, the harvest of fruit and vegetable in China is basically by hand. With the aging, the reducing of agricultural labor forc

4、e, and the increasing of the cost of agricultural production, the development of mechanization of harvest, especially the research on robots of fruit and vegetable harvest, has a great significance. The portable pecan picking machine designed in this thesis is a kind of agricultural machinery .T

5、his machine employs power supplies, linkages, machine shells, driving devises, connecting arms, upper fingers and down fingers. Thereinto, the linkage is made up of an outer pipe, an inner pipe and a lock device. The flexible inner pipe is connected in the inner surface of the outer pipe. Lock devic

6、e is in the joint of the right end of outer pipe and the outer surface of the inner pipe. The right end of inner pipe is fixedly connected with the left end of the machine shell. The left end of upper finger is articulated with the upper part of the machine shells, while the left end of down finger

7、is articulated with the down part of the machine shells. The machine shell is equipped with a driving devise. The upper finger and down finger are connected by connecting arms. Keyword: portable pecan picking machine;driving devise;upper finger;down finger; linkage 目 錄 摘 要 i Abstract ii

8、 第一章 緒論 3 1.1選題的背景及現狀 3 1.1.1山核桃采摘的現狀 3 1.1.2便攜式山核桃采摘機的使用現狀 3 1.2研究的意義 3 第二章 便攜式山核桃采摘機機械系統(tǒng) 5 2.1便攜式山核桃采摘機使用的可行性 5 2.2便攜式山核桃采摘機的基本工作原理 5 2.3便攜式山核桃采摘機的構造 5 第三章 采摘裝置的設計 9 3.1上下拍爪及剪切刀具的材料選擇 9 3.2剪切刀片尺寸的確定 9 3.3上下拍爪的力學分析 9 3.3.1上下拍爪剪切刀具之間的工作載荷 9 3.3.2上下拍爪剪切刀具的強度校核 10 3.4上下拍爪的結構設計 11 第四章 傳

9、動系統(tǒng)的設計 17 4.1驅動電機的選擇 17 4.1.1電動機型號的選擇 17 4.1.2電動機過載保護電路 19 4.2傳動軸及齒輪的設計 20 4.2.1傳動軸及齒輪的工作情況介紹 20 4.2.2傳動軸及齒輪的計算、校核及設計 20 4.2.2.1選擇軸的材料及熱處理 20 4.2.2.2計算傳動裝置的總傳動比和分配各級傳動比 20 4.2.2.3圓柱齒輪的設計計算 22 4.2.2.4 圓錐齒輪的設計計算 25 4.2.2.5 II軸的計算及設計 29 4.2.2.6 I軸的計算及設計 33 4.2.2.7鍵的校核 38 第五章 便攜式山核桃采摘機的總體重

10、量及校核 40 5.1便攜式山核桃采摘機的總體重量 40 5.2便攜式山核桃采摘機的總體校核 40 第六章 便攜式山核桃采摘機的裝配 42 6.1裝配設計特點 42 6.2便攜式山核桃采摘機的裝配 42 第七章 總結 46 參考文獻： 47 致謝 48 第一章 緒論 1.1選題的背景及現狀 1.1.1山核桃采摘的現狀 隨著經濟的快速發(fā)展，人民生活水平的提高，特別是食品方面需求，山核桃有著極其高的營養(yǎng)價值，含有較多的蛋白質及人體營養(yǎng)必需的不飽和脂肪酸，還有多種維生素，有潤腸、滋腎、益腦等功效[1]。山核

11、桃是浙江傳統(tǒng)特產，主產于浙、皖交界的天目山區(qū)，分布于臨安的昌化、于潛、淳安的臨岐、唐村、安吉的孝豐，桐廬的分水等地，昌化的山核桃產量居首位。每年白露（9月8日）過后，山核桃主產區(qū)臨安昌化開始統(tǒng)一采摘。山核桃樹通常高5到20米不等，需要農民爬到樹上，然后人站在樹上用竹竿將枝頭的山核桃敲打下來，掉到地上后撿到麻袋中運回。山核桃產業(yè)給當地帶來巨大經濟、社會效益的同時，每年因山核桃采摘事故造成的死傷悲劇卻不斷在上演。2004年，共有7人在采摘山核桃過程中死亡，108人受傷；到了2006年這一數字上升為16人死亡200多人受傷；而到2009年，開摘僅8天即有9人死亡[2]。這一組組血淋淋的數據，無時不刻

12、地拷問著當地的山核桃產業(yè)。 1.1.2便攜式山核桃采摘機的使用現狀 便攜式山核桃采摘機是通過上下拍爪剪切山核桃的枝頭將剪斷的枝頭的山核桃收集在上下拍爪下方的收集網中。首次應用機器人技術進行果蔬收獲的是美國學者Schertz和Brown于1968年提出的，但當時開發(fā)的收獲機器人樣機只能算是半自動化的收獲機械。隨著計算機圖像處理技術、工業(yè)機器人技術以及人工智能控制等技術的發(fā)展和日趨成熟，日本、美國、荷蘭、法國、英國、意大利、以色列、西班牙等國家在采摘機器人的研究上做了大量研究工作，并且試驗成功了多種具有人工智能的采摘機器人。但是由于采摘對象的復雜性和采摘環(huán)境的特殊性，目前市場上仍沒有商品

13、化的采摘機器人[3]。從1983年第一臺西紅柿采摘機器人在美國誕生以來，采摘機器人的研究和開發(fā)已經經歷了近20年。日本和歐美等發(fā)達國家相繼立項研究用于采摘蘋果、柑桔、西紅柿、茄子、葡萄等水果的智能機器人[4，5，6]。根據對智能機器人的不同理解，目前采摘機器人的研究朝著人機互助型和自主智能型兩種不同的方向發(fā)展[7]。在我國只有趙偉忠、徐建鋒曾設計過便攜式堅果采摘機[8]，但是也未應用到實際生活當中，相關資料也很少。 1.2研究的意義 本課題所研究的是便攜式山核桃采摘機，屬于一種農用機械，特別是一種適用于采摘高處山核桃的便攜式采摘機，屬于農用機械的制造領域。 一直以來，采摘山核桃都是依靠人

14、工采摘，而采摘不到的山核桃則需要借助長竹竿或長木棍等桿狀工具進行拍打，使果實掉落到地上，然后人工拾取果實，這種方法采摘效率低，而且安全隱患多，每年都有操作人員從樹上摔下傷人事件，而國外也只有大型的采摘設備，由于設備體積和重量都比較大，移動麻煩，使用起來極為不便，特別不適合我國山區(qū)、丘陵地帶的使用。而該采摘機有重量輕，體積小，容易移動，壽命長，工作效率高等優(yōu)點。 第二章 便攜式山核桃采摘機機械系統(tǒng) 2.1便攜式山核桃采摘機使用的可行性 要實現剪切果實的功能，可以有多種功能原理實現，如吸附式、抓拉式、剪切式等[9]。

15、而本課題所要設計的便攜式山核桃采摘機就是利用剪切式功能原理進行采摘的，主要是由于山核桃果實枝頭處比較堅韌，利用吸附式和抓拉式對果樹的枝條都具有較大的傷害。但是也由于山核桃樹非常高大，并且通常位于險峻的高山上，人工采摘比較危險，每年采摘季節(jié)都有不少的死傷事故發(fā)生。本課題設計的便攜式山核桃采摘機可以不用讓采摘人員爬到高處采摘，減少人員傷亡事故。本課題所設計的采摘機的伸高是通過配合使用內外管和鎖緊裝置來控制高度，而外管與內管的材料都是由較輕盈的塑料做成，不僅堅固而且操作起來比較省力，可以降低采摘人員的勞動難度，提高采摘效率。 2.2便攜式山核桃采摘機的基本工作原理 便攜式山核桃采摘機的主要工作部

16、件是電動機驅動帶動嚙合著的齒輪來帶動上下拍爪的剪切工作。工作時，通過內管和外管以及鎖緊裝置來控制采摘機的伸展的高度，驅動裝置包括電機和變速箱，變速箱由箱體、I軸（包含一段齒輪軸）、II軸、小圓錐齒輪、大圓錐齒輪和大圓柱齒輪構成，I軸上中部前后分別設有大圓錐齒輪和一段齒輪軸，且I軸兩端分別和箱體前后兩側連接，II軸位于I軸右側，且II軸后端與箱體后側連接，II軸前端與大圓柱齒輪連接，大圓柱齒輪和齒輪軸相互嚙合，I軸上設有一段偏心軸，電機位于變速箱左側且其動力輸出端上設有小圓錐齒輪，小圓錐齒輪和大圓錐齒輪嚙合。電機帶動小圓錐齒輪，將動力傳到大圓錐齒輪上，實現第一次變速，I軸上的小圓柱齒輪軸把動力傳

17、到大圓輪齒輪上，實現第二次變速，在II軸上設一個偏心軸，偏心軸的轉動帶動長的連接動力臂，連接臂由2根短的連接動力臂和1根長的連接動力臂構成，2根短的連接動力臂分別與上拍爪左端和下拍爪的左端鉸接，其另一端都與長的連接動力臂右端鉸接，長的連接動力臂左端與II軸上的偏心軸連接。偏心軸的轉動帶動長短動力臂實現上拍爪和下拍爪交互運動，上下拍爪上設有剪切的刀具，可以實現對山核桃果實枝頭的剪切，然后把剪切后的獲得的山核桃收集在上下拍爪下的收集網中。 2.3便攜式山核桃采摘機的構造 便攜式山核桃采摘機包括電源、連桿機構、機殼、驅動裝置、連接臂、上拍爪和下拍爪，連桿機構由外管、內管和鎖緊裝置構成。外管內套接

18、有可在外管內伸縮的內管，外管右端與內管外壁連接處設有鎖緊裝置，內管右端與機殼左端固定連接，上拍爪左端與機殼右端上殼體鉸接，下拍爪左端與機殼右端下殼體鉸接，機殼內設有驅動裝置，上拍爪與下拍爪通過連接臂與驅動裝置連接，如圖2-1到2-9所示。 圖2-1 總裝配三維前視圖 圖2-2 總裝配三維前視圖 圖2-3 總裝配二維主視圖 圖2-4 總裝配二維俯視圖 圖2-5 工作及傳動部分裝配三維前視圖 圖2-6 工作部分三維下視圖 圖2-7 工作部分三維左視圖 圖2-8 減速箱部分三維前視圖 圖2-9 傳動部件三維前視圖 驅動裝置包括電機和變速箱，變速

19、箱由箱體、I軸（包含一段齒輪軸）、II軸（設有偏心軸）、小圓錐齒輪、大圓錐齒輪、大圓柱齒輪構成，齒輪直接用潤滑脂潤滑，通過在機殼外殼打幾個小孔，讓空氣流動進入減速箱體內，運用流動的空氣來實現降溫效果。 工作部分是由連接臂和上下拍爪構成，其中有多個鉸接孔，連接動力臂與上下拍爪是鉸接的。 內管和電機箱體相連，內管的直徑比外管直徑小，內管可以在外管內部實現伸縮，通過鎖緊裝置實現鎖緊，其中內外管內均設有導線，把手與外管相連，把手上設有與外界電源相連的導線。 第三章 采摘裝置的設計 3.1上下拍爪及剪切刀具的材料選擇 上拍

20、爪和下拍爪材料的選擇必須保證耐腐蝕，不生銹，有一定的剛度和強度，同時還要考慮其機械加工性和經濟性。為此，在1Crl3 和9Crl8 兩種材料中參考表3-1進行選擇。 表3-1 材料1Crl3 和9Crl8參數表[10] 材料 性能 1Cr13 9Cr18 化學成分/% C0.15 Cr11.50~13.50 C0.90~1.00 Cr17.00~19.00 硬度(HB) 159 255 屈服強度 345 — 抗拉強度 540 — 加工性能 普通材料，稍難切削 難以加工的材料 用途 具有良好的耐蝕性、機械加工性，一般用途 刃具類用 不

21、銹切片機械刃具及剪片道具、手術刀片、高耐磨設備零件等 (a)材料中C 的含量越高，其耐腐蝕性越差； (b)在鋼中加入Cr 能顯著提高鋼的抗氧化作用，增加鋼的抗腐蝕能力，并能提高鋼的強度和耐磨性，從而能顯著提高鋼的力學性能和物理、化學性能，因而在各種用途的鋼中普遍加入數量不等的Cr[11]。但由于我國Cr 資源稀少，故應盡量節(jié)約使用，少用或不用。 根據分析可以看出， 1Crl3 比9Crl8 易加工，C、Cr 的含量低，價位大體相當，所以，本課題的上下拍爪選用1Crl3 作為材料來加工。 3.2剪切刀片尺寸的確定 出于對一串山核桃果實個數以及果樹高度對視野影響的考慮，初步確定刀片

22、的長為210mm，刀刃距離拍爪平面的距離為10mm。 3.3上下拍爪的力學分析 3.3.1上下拍爪剪切刀具之間的工作載荷 上下拍爪工作時需要克服阻力，為了確保刀具有足夠的強度，設計刀具時首先應對刀具載荷進行分析。把上下拍爪之間的剪切運動設想為上拍爪上的刀具與下拍爪上的2個刀具縫平行，因而能進行剪切，在剪切處是山核桃果實枝頭的樹枝剪切的阻力。 枝頭剪切阻力的計算 一般山核桃的枝頭都很細，不考慮彎矩，所以只考慮剪切力，由于山核桃果實質量較小，不考慮其重力。如圖3-1所示 枝條 圖3-1 山核桃枝條剪切力示意圖 山核桃果實的枝條屬木質材

23、料，取最粗為5mm，偏心軸軸心的平均水平方向的速度設定為0.02 m/s，剪切處的剪切速度大概可取為m/s，刀刃最厚處可取為0.01mm，剪力為 ，，果實新生枝頭屬嫩的木質材料，其切變模量G值大約為1GPa，，MPa，剪切力N，所以取N。 3.3.2上下拍爪剪切刀具的強度校核 上下拍爪處的剪切刀具工作時候需要克服阻力，為了確保其具有足夠的強度，設計時對剪切處所承受的載荷進行分析，刀具受到剪切時的載荷作用，容易發(fā)生疲勞破壞。刀具的設計是決定便攜式山核桃采摘機的壽命長短的因素之一，因此，應按無限壽命設計，即要求各部件在工作載荷作用下具有無限長壽命。 金屬材料在交變應力強度常用曲線或者疲勞極限

24、來衡量，見圖3-2，當時，試件則能經受無限循環(huán)而不發(fā)生破壞。為此設計時應力水平應該很低，以便有足夠的應力儲備。 疲勞極限與抗拉強度之間的關系為： 材料1Cr13的抗拉強度=540Mpa，取其下限MPa。 圖3-2 圖 計算上下拍爪剪切刀具的強度 一般山核桃的枝條都比較細，可以盡可能的選擇最粗的枝條直徑為5mm進行計算以確保剪切刀具有足夠的強度進行剪切。 由上述可知，=20N，切應力MPa 查表得材料1Cr13的抗剪強度MPa，所以=1Mpa<<320Mpa。 由于幾乎不存在拉應力，所以 綜上所述，試件能經受無限循環(huán)而不發(fā)生破壞，因此設計的上下拍爪的剪切

25、刀具滿足強度要求。 3.4上下拍爪的結構設計 根據果實采摘的功能，可以有多種功能原理實現，如吸附式、抓拉式、剪切式。因此可以制定以下三種方案。 （1）方案一：通過吸附式實現果實采摘功能，機械手抓取機構主要有架體、真空吸盤和真空發(fā)生器組件組成，架體使用剛性連接，其中真空吸盤是果實抓取的重要元器件，吸附機構由4個吸盤組成，呈矩形分布，對果實形成均衡的吸附力(如圖3-3)，其中機械手設計大致構型(如圖3-4)，機械的結構形式為四個自由度機械手，分別有腕部、大臂、小臂、腰部組成。 當吸附抓取機構接近山核桃時，啟動真空吸盤功能，可以實現山核桃過時的采摘。 圖3-3 真空吸附抓取機構示意圖

26、 圖3-4 真空發(fā)生器工作原理示意圖 （2）方案二：通過抓拉式實現果實的采摘功能(如圖3-5)，該機械手主要的設計元件是機械手爪的設計，手爪有2個手指，每個手指有2個關節(jié)，如圖3-5所示。 當通過抓拉式采摘山核桃時，在電機的控制下，通過傳動機構實現2個手指的聯動，可以實現山核桃的采摘功能。 圖3-5 抓拉式機械臂示意圖 （3）方案三：通過剪切式實現山核桃果實采摘功能(如圖3-6和圖3-7)，上下拍爪由2個相對運動的剪切刀片組成。當采摘山核桃時候，通人機互助，將拍爪定位好以后，可以啟動電動機，通過傳動裝置傳遞動力來帶動上下拍爪相對運動，實現對果實枝頭的剪切功能，從而實現了山核桃的

27、采摘功能。 圖3-6 上拍爪示意圖 圖3-7 下拍爪示意圖 （4）三種方案的比較 上述三種方案均可以實現山核桃果實的采摘，但是這僅僅從上下拍爪的實現功能來考慮，選取一個合適的方案還須綜合考慮多方面因素，進行可行性分析。 方案一采用吸附式功能采摘，有定位要求低，動作靈敏等優(yōu)點，但是需要配備真空形成裝置，成本較高，而且實現起來比較復雜，對果實的枝條的傷害較大。 方案二采用抓拉式功能采摘，結構簡單，操作方便等優(yōu)點，但是自由度較高，實現起來比較困難，成本也較高，對果實枝條的傷害極大。 方案三采用剪切式功能采摘，具有結構簡單，操作方便，對果實枝條傷害極小等優(yōu)點，且通過人機互助來實現

28、人工定位，成本較低，實現起來也非常方便。 綜合以上等因素，采取第三種方案最佳。 當上拍爪與下拍爪全張開時，此時不處于剪切枝條狀態(tài)，所需的剪切力最小，切為0N，當上拍爪與下拍爪夾緊剪切枝條時，所需的剪切力最大，為20N。設定此時上拍爪與下拍爪的夾角為，第一動力短臂與第二動力短臂的夾角為，此時所需的動力也最大，如圖3-8 圖3-8 工作部分力學分析簡圖 之前的計算可知道如圖3-3可知N，設定上下拍爪的長的臂長為194mm，短的臂長為19.4mm。根據力矩平衡原理可以計算出N，N 設定刀具長度為10mm，根據以上的圖可以求出與機體相連的兩個鉸鏈空的之間距離為mm 依次可以求出短的連接

29、臂長為mm。 上拍爪的三維結構示意圖3-9 圖3-9 上拍爪示意圖 下拍爪的三維結構示意圖3-10 圖3-10 下拍爪示意圖 第四章 傳動系統(tǒng)的設計 4.1驅動電機的選擇 驅動電機是便攜式山核桃采摘機的工作能量的提供源，也是關鍵部件之一，其性能直接影響著便攜式山核桃采摘機的使用效果。在設計中，電動機的特征為時間短，啟動頻繁。 4.1.1電動機型號的選擇 目前，電動機的種類繁多，價格、性能差別較大，本著經濟、實用的指導思想對電動機類型及型號進行優(yōu)化選擇是十分重要的。 驅動電機是便攜式山

30、核桃采摘機的工作能量的提供源，也是關鍵部件之一，其性能直接影響著便攜式山核桃采摘機的使用效果。根據機械的負載性質和生產工藝對電動機的啟動、制動、反轉、調速等要求選擇電動機的類型。直流電動機可實現快速頻繁無極啟動、制動和反轉；具有過載能力大，能承受頻繁的載荷沖擊，優(yōu)良的調速性能，調速平滑、精切、方便和范圍廣等特點。設計中，便攜式山核桃采摘機的電動機的特征為頻繁短時間運行、快速啟動，無調速要求。依據直流電動機具有的特點和表4-1與表4-2，設計選取電動機的類型為直流電動機。 表4-1 電動機類型選擇參考表[12] 負載類別 選用電機類型 恒轉矩和通風機負載特性的機械 選用機械特性為硬

31、性的電動機較適宜 恒功率負載特性的機械 選用調勵磁的變速直流電機或帶有機械變速的交流異步電機 無調速要求的機械 負載平穩(wěn)，對啟動、制動無特殊要求的長期運行的機械 小功率 普通籠型電動機 大功率 采用同步電動機 帶周期性變動負載的機械（如飛輪）或啟動條件沉重 大中功率 采用繞線型電動機 小功率經過載能力啟動條件校驗通過的 采用高轉差率電動機 某些斷續(xù)運行機械，采用交流電機在發(fā)熱、啟動、制動特性等方面不能滿足要求或技術經濟指標過低 采用直流電動機 表4-2 電動機類型選擇參考表[12] 序號 負載性質 生產機械工作狀態(tài) 選用電動機類型

32、 平穩(wěn) 沖擊 長期 短時 斷續(xù) 調速 飛輪儲能 異步電動機 同步電動機 直流電動機 籠型 繞線型 他勵 串勵 1 2 3 4 5 6 7 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ ② √ √ ③④ √ √ ③ ③ ① √ √ √ √ √ ⑤ √ ①對于小功率機械，或啟動次數較多而電網容量不大易受沖擊時，不推薦采用同步電動機。 ②對于大中型機械，當電網

33、容量不大時，不宜選用籠型電動機，而選用繞線型電動機。 ③異步電動機需帶調速裝置（一般為轉子外接電阻方式，還有采用滑差離合器、渦流制動器、串級或變頻等方式）。 ④指小功率機械只要求幾級速度時，采用多速籠型電動機。 ⑤需要啟動轉矩大的機械（如電車、牽引機車等）采用串勵直流電動機。 根據前面的計算可知，N，即為偏心軸所要提供的拉力，而為了確保山核桃采摘機的工作順利進行，可以取N，取偏心軸軸心的水平平均速度為m/s。 偏心軸偏心距的計算 上拍爪與下拍爪短的臂長為mm，不工作時，上下拍爪的長臂保持平行；夾緊時，上拍爪與下拍爪形成的夾角為30，所以拍爪的短臂只轉動了，由圖可知，其運動行程是如何

34、的，所以長的連接動力臂所運動的路程約為mm，因此偏心軸的偏心距mm，取該處軸直徑為10mm，長為8mm。 1．確定電動機的功率[13] （1）電動機所需的功率為： kW 式中： 為工作裝置所需功率，單位為kW；為由電動機至工作裝置的傳動裝置的總效率。 kW 式中。N，取m/s，工作裝置的效率考慮到偏心軸及其軸承的效率取。代入上式得： kW=9W 電動機的輸出功率按式計算： kW 式中，為電動機軸偏心軸的傳動裝置總效率。 由公式，，查表得，取滾動軸承，8級精度圓柱齒輪傳動（稀油潤滑）效率，8級精度圓錐齒輪傳動（稀油潤滑）效率，則 故 kW=9.66W

35、 因載荷平穩(wěn)，電動機額定功率只需略大于即可，所以選取的直流動機的額定功率為12W，額定電壓為12V，轉速為r/m?？梢栽陔妱訖C市場上尋找已經有的產品，或者找產商定做。 4.1.2電動機過載保護電路 電動機運行時，可能會發(fā)生由于剪切枝頭過于堅韌，使電動機的負載增加，由于電動機本身有一定的過載能力，電動機不會超過允許的溫度，這種過載是允許的；但是過載的時間過長，溫度升高超過允許的最大量程，將會降低電動機的壽命，嚴重時會燒毀電動機。為了保證電動機的正常啟動和運轉，在電動機發(fā)生較長時間的過載時能自動切斷電路，防止電動機過熱燒毀，如圖4-1所示， 圖4-1 過載電路保護示意圖 4.2傳動軸及

36、齒輪的設計 4.2.1傳動軸及齒輪的工作情況介紹 在機械設備中，軸指的是作為傳動件支承和旋轉中心的轉軸，軸的結構尺寸配置、剛度和強度，直接影響著固定傳動件的旋轉精度、工作性能和使用壽命，是各種傳動系統(tǒng)的極重要基礎件，軸端合理設計傳動設計首要設計的工作。 齒輪是傳遞軸與軸之間動力的重要部件，并且齒輪的傳動的效率非常高。 本設計中，主要對I軸與II軸以及各個齒輪的計算及校核設計。 軸的尺寸及結構形狀、支承跨距等與傳動件的軸向尺寸，受力大小和方向直接相關。本設計中I軸通過齒輪直接與電動機相連接，II軸位于大圓柱齒輪上，I軸受到2個扭矩作用，II軸受到來自于小圓柱齒輪的扭矩和彎矩作用，偏心軸

37、受到長的連接動力臂的彎矩作用。 4.2.2傳動軸及齒輪的計算、校核及設計[13.14] 4.2.2.1選擇軸的材料及熱處理 由于本設計中傳遞的功率不是很大，為了減輕便攜式山核桃采摘機的重量以及對農業(yè)經濟成本的考慮，I軸選取40Cr，II軸選取45鋼，調制處理即可。 4.2.2.2計算傳動裝置的總傳動比和分配各級傳動比 1．傳動裝置的總傳動比 r/min 2．分配傳動裝置的各級傳動比 由式，為使圓錐齒輪的外廓尺寸不致過大，取傳動比，，所以，則圓柱齒輪傳動比，圓錐齒輪的傳動比不能過大，否則會影響工作的平穩(wěn)性，且加工起來難度較大。 3．計算傳動裝置的運動和動力參數 （1）各

38、軸轉速 I軸：r/min II軸： r/min 工作軸： r/min （2）各軸輸入功率 I軸：W II軸：W 工作軸：W （3）各軸輸入轉矩 I軸： II軸： 工作軸： 電動機輸出的轉矩： 將以上算的的運動和動力參數列表4-3如下 表4-3 各傳動件數據 軸名 參數 電動機軸 I軸 II軸 工作軸 轉速 1000 333.3 73.5 73.5 功率P(W) 9.66 9.37 9.04 9.04 轉矩

39、0.0923 0.268 1.175 1.175 傳動比 3 4.53 1 效率 0.97 0.965 1 4.2.2.3圓柱齒輪的設計計算 1 選材料：查表得，選擇小齒輪的材料為40Cr（調質），硬度為280HBS，大齒輪的材料為45鋼（調質）硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。 2 由于便攜式山核桃采摘機的機械工作部分即采摘所需的精度不需要很高，因此選擇選小齒輪的齒數，大齒輪齒數，取。 3按齒面接觸強度設計 試選載荷系數K=1.3 計算小齒輪傳遞的轉矩 0.268 =268 查表得，選取齒寬系數=1 由表得查得材料的彈性影響系數

40、=189.8 MPa 查圖表得，按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限=550MPa，齒輪的接觸疲勞強度極限=500Mpa 由圖表查得，取接觸疲勞壽命系數=0.90,=0.95。 計算接觸疲勞許用應力。 取失效概率為1%，安全系數S=1,由公式查得 ==MPa ==0.95=475 Mpa 計算小齒輪分度圓直徑，代入中較小值。 =2.32mm 計算圓周速度。 =m/s 計算齒寬b。 b==1mm 4 計算齒寬與齒高之比。 模數 ==mm 齒高 mm = 5 計算載荷系數 根據v=0.165

41、m/s,8級精度，由圖表查得動載荷系數K=1 直齒輪，K=1 由表查得使用系數K=1.50 用插值法查得8級精度，小齒輪相對支承非對稱布置時，=1.450。由=5.33，=1.468查圖表得K=1.30,故動載荷系數 K= KK=1.50 6按實際的載荷系數校正所算得的分度圓直徑，由公式得 9.465mm 7計算模數m。 mm 8按齒根彎曲強度設計 由公式的彎曲強度得設計公式為 確定公式中的各計算數值： 由圖表查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限=500MPa,大齒輪的彎曲強度極限=380MPa。由圖表查得，取彎曲疲勞壽命系數=0.85, =0.88。

42、 計算彎曲疲勞許用應力。 取彎曲疲勞安全系數S=1.4,由公式得：==303.57 MPa ==238.86 MPa 計算載荷系數K。 K==1 查取齒形系數。由表查得 =2.99，=2.57 查取應力校正系數。 由表查得 =1.50,=1.60 計算大小齒輪的并加以比較。 = = 大齒輪的數值大。 9設計計算： m mm 對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數，由于齒輪模數m的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數與

43、齒數的乘積）有關，可取由彎曲強度算得的模數0.437，取標準值m=1mm,按接觸強度算得的分度圓直徑d=11.24 mm，算出小齒輪齒數 == 大齒輪齒數 ，取=100。 這樣設計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度， 做到結構緊湊，避免浪費。 10幾何尺寸計算 計算分度圓直徑 mm mm 計算中心距 a=mm 計算齒輪寬度 b==1mm 取=12mm, 大齒輪齒頂圓直徑 mm 大齒輪齒根圓直徑 mm 4.2.2.4 圓

44、錐齒輪的設計計算[15] 1 材料選擇：小齒輪用40Cr（調質），硬度為260HB, 大齒輪用45號鋼(調質),硬度為250HB，二者材料硬度差為10HB。 2 選小齒輪的齒數，大齒輪齒數=，取=36。 3 齒數比 錐距 4 齒根的彎曲疲勞強度計算 （1）直齒錐齒輪的彎曲疲勞強度可近似的按平均分度圓處的當量圓柱齒輪進行計算 因此 （2） 直齒錐齒輪的載荷系數同樣為,其中使用系數=1.50可由表查取，動載系數=1.0可查圖表中低一級的精度線及查取，齒間載荷分配系數及可取為1，齒向載荷分布系數可按下式計算， ， 試選載荷系數 由設計計算公式

45、 小齒輪轉矩：N mm 由表查取材料彈性影響系數MPa 按齒面硬度查表得小齒輪齒面接觸疲勞強度極限Mpa， 大齒輪齒面接觸疲勞強度極限MPa 5由圖表查得接觸疲勞壽命系數1, 1 6計算接觸疲勞許用應力。 取失效概率為1%，安全系數S=1,由式（10-12）得 ==MPa ==MPa 試算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的式。 =2.92mm 7計算齒寬b =mm 計算齒寬和齒高之比。 模數 mm 齒高 mm 8得彎曲強度設計公式為 由圖表查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限MPa

46、，大齒輪的彎曲強度極限Mpa。 由圖表查取彎曲疲勞壽命系數， (1) 計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞安全系數為S=1.4，可得 =321.43Mpa MPa （2）計算載荷系數 按實際的載荷系數校正所算得的分度圓直徑，查公式得 mm 計算模數 mm 9查取齒形系數 由表查得 ， 查取應力校正系數 由表查得 ， 計算大，小齒輪的并加以比較 大齒輪的數值大。 設計計算 =mm 對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數m大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數，由于齒輪模數m的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力

47、，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數與齒數的乘積）有關，可取由彎曲強度算得的模數0.58并就近圓整為標準值m=0.5mm,按接觸強度算得的分度圓直徑，算出小齒輪齒數 大齒輪的齒數 這樣設計出的齒輪傳動，既滿足了齒面接觸強度，又滿足了齒根彎曲疲勞強度， 做到結構緊湊，避免浪費。 幾何尺寸計算 計算分度圓直徑 mm mm 計算錐距 mm 計算齒輪寬度 mm 取 mm,mm 由于小圓錐齒輪分度圓直徑太小而且為了減輕機器整體的質量，因此不采用聯軸器，直接采用軸相連。 4.2.2.5 II軸的計算及設計 （1）II軸

48、的計算 II軸上的功率 W，轉速r/min ,轉矩N m。軸的簡圖如圖4-2，其中2個軸承安裝在I-II和VII-VIII段，大圓柱齒輪安裝在II-III段。 圖4-2 II軸示意圖 （2）求作用在大圓柱齒輪上的力 因為是直齒輪，所以，因此只有圓周力徑向力，無軸向力。 已知當上下拍爪進行剪切工作時，第一動力臂、II軸軸心、偏心軸軸心都在同一線上，N，偏心距mm，但偏心軸對于II軸無扭矩作用，因此只有一個拉力為N作用在大圓柱齒輪中心位置即II軸心位置。 低速級大圓柱直齒輪的分度圓直徑為 mm N N （3）初步確定軸的最小直徑 先按公式初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料

49、為45鋼，調質處理。根據表查取120，于是得 mm II軸的最小直徑顯然是安裝軸承處軸的直徑 (圖4-2)，取mm。 （4）軸的結構設計 擬定軸上零件的轉配方案，根據軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 1） 由之前可知mm，因此可以取mm 2）初步選擇滾動軸承。因軸承只受到徑向力作用而無軸向力的作用。故選用深溝球軸承。參考工作要求并根據數據，由軸承產品目錄中初步選取0基本游隙組，標準精度的深溝球軸承60000型的618/8型號，其中尺寸為，故，右端深溝球軸承的定位軸肩高度為2.4mm，所以取， 3）取安裝齒輪處的軸段II-

50、III的直徑為，因為大圓柱齒輪的齒寬=12mm，所以取齒輪的輪轂寬度為12mm，為了使套筒斷面可靠的壓緊齒輪，此軸段應略短于輪轂寬度，所以取，偏心軸軸長為8mm，直徑，齒輪的右端采用軸肩定位，軸肩的高度，故取，又由于考慮到偏心軸處的直徑，則軸環(huán)處的直徑，軸環(huán)的寬度，取。 4）取齒輪距箱體內壁的距離，考慮到箱體的鑄造誤差，在確定深溝球軸承的位置時候，應距箱體內壁一段距離，已知深溝球軸承寬度，圓柱齒輪的輪轂長為12mm，則 取 至此，已初步確定了軸的各段的直徑和長度。 （5）軸上零件的周向定位 齒輪與軸的周向定位采用平鍵連接

51、。按，由表6-1查得平鍵的截面，鍵用鍵槽銑刀加工，長為，同時為了保證齒輪與軸的配合有良好的對中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為。深溝球軸承與軸的定位由過渡配合來保證，此處選軸的直徑尺寸公差為n6[16]。 （6）確定軸上圓角和倒角尺寸 參考表可得，曲軸端倒角為，圓角為， （7）求軸上的載荷 首先根據軸的結構圖做出軸的計算簡圖如圖4-3，在確定軸承支點的位置時，從手冊中查詢a的值，查取a=2mm,因此，作為簡支梁的軸的支撐跨距為，根據軸的計算簡圖做出軸的彎矩圖和扭矩圖，從圖4-3中可以看出，偏心軸處的截面為危險截面。 可得： 因此：

52、 F F T T 圖4-3 扭矩彎矩分析圖 表4-4 扭矩彎矩數據 載荷 水平面H 垂直面V 支反力F 彎矩M 總彎矩 扭矩T （8）按彎扭合成應力校核軸的強度 進行校核時，通常只校核軸上上的承受的最大彎矩和扭矩的截面（即為危險截面）的強度。根據式15-5及上表中的數據，以及軸單向旋轉，扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力，取，軸的計算應力 前

53、已選定的材料為45鋼，調質處理，由表15-1查得60Mpa。因此，故安全。 4.2.2.6 I軸的計算及設計 （1）I軸上的功率 ，轉速 ,轉矩，軸的簡圖如圖4-4所示，直接取小圓柱齒輪改為齒輪軸段，其中2個軸承安裝在I-II和VI-VII段，大圓錐齒輪安裝在V-VI段，小圓柱齒輪安裝在II-III段。 圖4-4 I軸示意圖 （2）求作用齒輪上的力 圓柱齒輪，圓錐齒輪，，因此小圓柱齒輪只有圓周力徑向力，無軸向力，圓錐齒輪有圓周力徑向力，軸向力，方向如圖4-5所示. ，，所以取 （3）初步確定軸的最小直徑 選取軸的材料為45鋼，調質處理，查表1

54、5-3，取，于是得 I軸的最小直徑顯然是安裝軸承處軸的直徑(圖4-4)，為了保證山核桃采摘機能順利進行工作，取。 （4）軸的結構設計 擬定軸上零件的轉配方案，根據軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 1） 由之前可知， 2）初步選擇滾動軸承。因軸承受到徑向力和軸向力的作用，又由于所需的軸承內徑過小，故選用深溝球軸承，在一定的程度上也能承受軸向力的作用。參考工作要求并根據數據，由軸承產品目錄中初步選取0基本游隙組，標準精度的深溝球軸承60000型的618/8型號，其中尺寸為，為了避免圓柱齒輪碰到箱體內壁，故。 3）小圓柱齒

55、輪直接選擇傳動齒輪軸，取軸段II-III直徑 ， ，齒輪軸的右端設有1mm長的間隙，便于加工，取軸段VI-V直徑。齒輪的左端采用軸肩定位，軸肩的高度，故取，則軸環(huán)處的直徑，軸環(huán)的寬度，取。 4）設定大圓錐齒輪的輪轂為11mm，取，則 至此，已初步確定了軸的各段的直徑和長度。 （5）軸上零件的周向定位 齒輪與軸的周向定位采用平鍵連接。按，由表查得平鍵的截面，鍵用鍵槽銑刀加工，長為，同時為了保證齒輪與軸的配合有良好的對中性，故選擇齒輪輪轂與軸的配合為。深溝球軸承與軸的定位由過渡配合來保證，此處選軸的直徑尺寸公差為n6。 （6）確定軸上圓角和

56、倒角尺寸 參考表查得，曲軸端倒角為，圓角為， （7）求軸上的載荷 首先根據軸的結構圖做出軸的計算簡圖如圖4-5，在確定軸承支點的位置時，從手冊中查詢a的值，查取a=2mm,因此，作為簡支梁的軸的支撐跨距為，根據軸的計算簡圖做出軸的彎矩圖和扭矩圖。 ， 可得：，， ，，， 可得：，,， ， T T 圖4-5 扭矩彎矩分析圖 表4-5 扭矩彎矩數據 載荷 水平面H 垂直面V 支反力F

57、 彎矩M 總彎矩 扭矩T （8）按彎扭合成應力校核軸的強度 進行校核時，通常只校核軸上上的承受的最大彎矩和扭矩的截面（即為危險截面）的強度。根據式15-5及上表中的數據，以及軸單向旋轉，扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力，取，軸的計算應力 前已選定的材料為45鋼，調質處理，由表15-1查得60Mpa。因此，故安全。 4.2.2.7鍵的校核 （1）I軸上鍵的校核 錐齒輪與軸的軸向定位采用平鍵聯結。按 查表得平鍵截面，長為8mm，其傳遞的扭矩為=268，由表查得許用擠壓應力，對

58、于與錐齒輪相連的鍵的工作長度，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度。由式（6-1）可得： 所以擠壓強度足夠。 （2）II軸上鍵的校核 根據，從表中查得鍵的截面尺寸為，，其傳遞的扭矩為，由表查得許用擠壓應力，對于與錐齒輪相連的鍵的工作長度，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度。由式（6-1）可得： 所以擠壓強度足夠。 （3）電動機軸上鍵的校核 錐齒輪與軸的軸向定位采用平鍵聯結。由齒輪的結構可以取該處的軸段直徑為。 由查表得平鍵截面，長為6mm，其傳遞的扭矩為，由表查得許用擠壓應力，對于與錐齒輪相連的鍵的工作長度，鍵與輪轂鍵槽的接觸高度。查公式可得： 所以擠壓強度足夠。

59、 第五章 便攜式山核桃采摘機的總體重量及校核 5.1便攜式山核桃采摘機的總體重量 主要的材料是改性聚丙烯和鋼材料，查表格得改性聚丙烯為，鋼的密度為，電機的重量為。 改性聚丙烯的體積 + 聚丙烯材料的總重量約為 鋼的體積 鋼的總質量約為 整體的總質量為 而該機器是人機互助型的，但是為了保證產品質量，因此重量應該可以滿足，采摘人員可以將機器靠在地面上支撐著來減少采摘時候體力的消耗。 5.2便攜式山核桃采摘機的總體校核 主要的承受壓力部分是在采摘工作部分，工作部分的工作總重量約為2.7kg，彎矩，主要

60、是壓應力的作用，最脆弱的地方在鎖緊裝置處。 ，， 查得E=3500Mpa 所以求得： 因為改性聚丙烯的極限伸展率為200%~700%，屬于工程塑料，抗彎曲強度大，而很小，且57mm相對與10m來說是非常小，滿足要求。 第六章 便攜式山核桃采摘機的裝配 6.1裝配設計特點 總體裝配是三維實體建模的最后階段，也是建模過程的關鍵。用戶可以使用配合關系來確定零件的位置方向，可以自上而下設計一個裝配體，也可以自下而上的進行設計，或兩種方法結合使用。 所謂自下而上的設計方法，就是先生成零件并將其插入裝配體中，然

61、后根據設計要求配合零件。這是比較傳統(tǒng)的方法，因為零件是獨立設計的，所以可以讓設計者更加專注于單個零件的設計工作，而不用建立控制零件大小和尺寸的參數關系等復雜概念。在本設計中，象上下拍爪、齒輪、軸等是比較重要的零部件，所以我們采用單個零件加以設計。 自上而下的設計方法是從裝配體開始設計，用戶可以使用一個零件的幾何體來幫助定義另外一個零件，或生產組裝零件后才添加加工特征。可以將草圖布局作為設計的開端，定義固定零件的位置，基準面等，然后參考這些定義來設計零件。在本設計中，電機殼，內外管等各零部件之間需要配合，所以采用裝配體的環(huán)境下設計各零件。 在設計過程中，山核桃采摘機的內外管、電機外殼材料選用

62、改性聚丙烯。 改性聚丙烯以它獨特、優(yōu)越的耐腐蝕性能，廣泛應用于電力、化工、制藥、食品等行業(yè)的防腐設備制作，隨著塑性工業(yè)的不斷發(fā)展，塑料越來越廣泛應用于化學工業(yè)的防腐設備中。改性聚丙烯作為新型的化學工業(yè)防腐材料，該材料無毒，對于制藥食品行業(yè)尤為適宜，并能滿足設備提高耐熱性能的要求，深受廣大用戶信賴。改性聚丙烯的主要性能具有質輕，價廉，機械強度高，耐磨損，耐彎曲疲勞抗老化等特點。所以山核桃采摘機的電機外殼，內外管，把手等選用改性聚丙烯。 6.2便攜式山核桃采摘機的裝配 由于采摘機的內外管都較長，因此把最主要的部分顯示出來即可，如圖6-1到6~9所示 圖6-1 總裝配三維前視圖 圖

63、6-2 總裝配三維前視圖 圖6-3 工作及傳動部分裝配三維前視圖 圖6-4 工作部分三維下視圖 圖6-5 工作部分三維左視圖 圖6-6 減速箱部分三維前視圖 圖6-7 傳動部件三維前視圖 圖6-8 總裝配二維主視圖 圖6-9 總裝配二維俯視圖 電源將能源傳給電動機，電動機帶動緊接其后的減速箱運動，II軸上有一段偏心軸，利用偏心的作用，帶動動力臂來帶動上下拍爪運動，從而實現剪切運動。 因為小圓錐齒輪較小，其所需的軸也相對較小，因此不采用聯軸器，可以把電機直接固定在外殼上，實現小圓錐齒輪的定位。

64、 第七章 總結 我國是一個農業(yè)生產大國，農業(yè)對我國的經濟的發(fā)展有著至關重要的意義。國家也提出過“三農”問題，國家也采取了一定措施實現農業(yè)的機械化。 由于我國屬于多山區(qū)，多丘陵地帶的國家，很多大型的農業(yè)機械都不能很好的應用到農業(yè)生產中去，因此研究設計一些便攜的農業(yè)機械還是很有必要的。農業(yè)機械化不僅有利于提高農民的收入和生活水平，而且可以節(jié)省大量的勞動力和時間來從事其他事業(yè)。 目前國內，采摘機的還處于起步期，很多技術方面還有很大的局限性，不過憑借著科技進步，人才的開發(fā)，前景還是一片寬闊的。相信在不遠的將來，農業(yè)機械化將會得到廣泛的應用，我國

65、的農民生活水平也會得到質的提高。 山核桃樹非常高大，并且通常位于險峻的高山上，人工采摘比較危險，每年采摘季節(jié)都有死傷事故發(fā)生。本課題擬設計一種便攜式山核桃采摘機，在本機器的幫助下，工人不必爬到高處，從而減少工傷事故的發(fā)生。 國內曾有人設計過山核桃采摘機，但是存在一定的問題，如下：1結構復雜，制作成本高，不容易普遍；2機器噪音大；3，不易于操作，體積較大。 本設計的山核桃采摘機具有以下特點： 1結構簡單，易于加工，維修方便，成本較低； 2工作平穩(wěn)，無噪聲； 3總體質量較輕，采摘高度可以根據人以及樹的高度來簡單控制。 目前在國內，山核桃采摘機還處于初步發(fā)展階段，該機器由人工控制電源開

66、關以及采摘高度，大大節(jié)省了人工勞動力的輸出，也杜絕了采摘事故的發(fā)生。 由于時間及個人能力有限，畢業(yè)設計中必定有不少不足之處，本文所做的工作遠遠不足，有待于今后的進一步深入及完善。論文中存在的紕漏、錯誤之處，肯定各位老師和專家批評指正。 參考文獻： [1] 中藥健康網之山核桃營養(yǎng)價值 [2]網易新聞中心滾動新聞 山核桃采摘“硬傷”，何時能“痊愈” [3] 張潔，李艷文. 果蔬采摘機器人研究現狀、問題及對策[J]. 機械設計，. 2010，27（6）:1 [4] 宋健，張鐵中，徐麗明，湯修映. 果蔬采摘機器人研究進展與展望 [J] . 農業(yè)機械工程報，2006，37（5）:159 [5] Shigehiko Hayashi.Katsunhu Canno,Yukitsugu Ishii,etal.Robotic harvesting system for