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湖 南 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué) 全 日 制 普 通 本 科 生 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 龍須草收割機(jī)的設(shè)計(jì) THE DESIGN OF EULALIOPSIS BINATA HARVESTER 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 年級(jí)專業(yè)及班級(jí)：2009 級(jí)農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化 （1）班 指導(dǎo)老師及職稱： 講師 學(xué) 院：工學(xué)院 湖南·長(zhǎng)沙 提交日期：2013 年 5 月
湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
誠(chéng) 信 聲 明
本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。
畢業(yè)設(shè)計(jì)作者簽名：
年 月 日
目 錄
摘 要 1
1 前言 1
1.1 龍須草的經(jīng)濟(jì)價(jià)值 2
2 國(guó)內(nèi)外研究情況 3
2.1 國(guó)內(nèi)研究情況 4
2.2 國(guó)外研究情況 5
3 課題的研究意義 5
4 總體結(jié)構(gòu)及工作原理 5
4.1 設(shè)計(jì)思路 5
6 切割系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7
6.1 仿人工夾持扶草輪的設(shè)計(jì) 7
6.1.1 凸輪輪廓的設(shè)計(jì) 9
6.2 切割器的選擇設(shè)計(jì) 10
6.2.1 往復(fù)式切割器影響切割質(zhì)量的因素分析 10
6.2.2 技術(shù)參數(shù)的分析和評(píng)價(jià) 11
7 傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和傳動(dòng)比的確定 12
7.1 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 12
7.1.1 傳動(dòng)比確定 13
7.2 收割機(jī)功率需求分析和傳動(dòng)效率 14
7.2.1 收割機(jī)的功率分析 14
7.2.2 收割機(jī)的傳動(dòng)效率 15
7.3 減速器的設(shè)計(jì) 16
7.3.1 齒輪的設(shè)計(jì) 16
7.3.2 軸的設(shè)計(jì)以及校核 18
7.4 滾動(dòng)軸承的選型及驗(yàn)算 26
7.4.1 計(jì)算主動(dòng)軸軸承 26
7.4.2 計(jì)算從動(dòng)軸軸承 26
7.4.3 鍵聯(lián)接的選擇及校核 26
7.4.4 聯(lián)軸器的選擇 27
8 鏈輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 27
8.1 計(jì)算減速器與曲柄軸之間的鏈輪傳動(dòng) 27
8.2 曲柄軸與撥草輪之間的鏈輪傳動(dòng) 29
9 結(jié)論 30
參考文獻(xiàn) 31
致 謝 33
龍須草收割機(jī)的設(shè)計(jì)
學(xué) 生：
指導(dǎo)老師：
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128)
摘 要：本文分析比較了國(guó)內(nèi)外龍須草的種植方式，并且結(jié)合我國(guó)龍須草現(xiàn)有的種植方式和龍須草收割機(jī)械的使用現(xiàn)狀，對(duì)龍須草的生物力學(xué)特性及仿生切割機(jī)理進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一款龍須草收割機(jī)械。該收割機(jī)能減少人力的消耗，提高機(jī)械的工作效率，本論文為龍須草收割機(jī)械的設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)和技術(shù)基礎(chǔ)，將會(huì)對(duì)龍須草的種植和收割起到一定的推動(dòng)作用。
關(guān)鍵詞：切割；龍須草；仿人工；
The Design of Eulaliopsis Binata Harvester
Students: Hu Jian
Tutor:Weng Wei
(College of Engineering, Hunan agricultural University ,Changsha 410128,China)
Abstract: In this article ,it analyzes and compares the planting and harvesting of binata at hpme and abroad, combined with the existing planting methods and status quo of harvesting machinery of binata of our country ,the biomechanical properties and biomimetic cutting mechanism of binata was studied,then the author design a kind of harvesting machinery .Therefore, manpower consumption is reduced and the efficiency of the mechanical work is improved ,this thesis provides the theoretical basis and technical basis for the design of harvesting machinery of binata,it will play a role in promoting the planting and harvesting of binata.
Key words: cutting ; eulaliopsis binata; artificial imitation
1 前言
龍須草（Eulaliopsis binata）系多年生縮根性植物，又名蓑草、擬金菜或羊胡子草。主要分布在中國(guó)、印度、菲律賓、阿富汗、越南和緬甸等國(guó)家，在我國(guó)亞熱帶分布較廣。龍須草富含纖維素,可編織各種工藝品,也是堪與木材媲美的優(yōu)良造紙?jiān)?。開發(fā)利用它對(duì)節(jié)約木材,保護(hù)森林資源,提高紙張品位,加速山區(qū)農(nóng)民脫貧致富進(jìn)程,具有十分重要的意義。龍須草適應(yīng)范圍廣、耐旱、耐脊、蓄水固土能力強(qiáng),因而也是良好的水土保持資源植物。在50年代初開始替代木材用于造紙，1t龍須草可抵2.5 m3木材，龍須草作為理想的草代木原料在造紙工業(yè)中發(fā)揮出重大作用；龍須草除了做造紙?jiān)贤?，還大量用于紡繩、編織手工藝品等用途，遠(yuǎn)銷美國(guó)、日本、德國(guó)、香港等20多個(gè)國(guó)家和地區(qū)；龍須草本身根系發(fā)達(dá)，葉片茂密，抗逆性和生命力強(qiáng)，具有適應(yīng)范圍廣、耐旱、耐脊、蓄水固土能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在土壤生態(tài)環(huán)境較差的沙土、鹽堿土、礫石地上均能生長(zhǎng)良好，因此被選作南方山丘區(qū)水土保持的先鋒草種。同時(shí)它還是山區(qū)群眾脫貧致富的一項(xiàng)“短、平、快”綠色產(chǎn)業(yè)資源，不與農(nóng)業(yè)爭(zhēng)地，開發(fā)利用前景十分廣闊。胡浩斌等2006年對(duì)龍須草里的化學(xué)成分進(jìn)行提取研究發(fā)現(xiàn)，在龍須草石油醚提取物中有較強(qiáng)的抑菌作用，具有較高的藥用價(jià)值和開發(fā)前景。
在我國(guó)主要分布于廣西北部、西部、西南部,云南大部,貴州的黔南、黔東南、黔西南及安順、銅仁等地,四川東部、東北部、南部,湖北西北部,湖南南部、西南部,陜西漢中、安康地區(qū)及河南南陽地區(qū)。在上述各省、自治區(qū)的其它縣市及江西、福建、臺(tái)灣、廣東、甘肅、青海、寧夏等省局部地區(qū)亦有龍須草的蹤跡。其中在云南、廣西、貴州、湖南四省區(qū)主要分布在海拔2600m以下的山地,而在湖北、四川、陜西、河南多相對(duì)集中地分布于海拔800m以下。龍須草富含纖維素,可編織各種工藝品,也是堪與木材媲美的優(yōu)良造紙?jiān)稀ｉ_發(fā)利用它對(duì)節(jié)約木材,保護(hù)森林資源,提高紙張品位,加速山區(qū)農(nóng)民脫貧致富進(jìn)程,具有十分重要的意義。龍須草適應(yīng)范圍廣、耐旱、耐脊、蓄水固土能力強(qiáng),因而也是良好的水土保持資源植物。
1.1 龍須草的經(jīng)濟(jì)價(jià)值
作為造紙?jiān)希糊堩毑菔斋@部分無莖無節(jié),全草可用于造紙。從各種理化性質(zhì)看,它都是堪與木材媲美的優(yōu)質(zhì)造紙?jiān)?遠(yuǎn)為其它草類纖維所不及。它纖維含量高(56.78%)、灰分含量低、雜細(xì)胞少、多戊糖含量較多,因而制漿收獲率高,打漿比較容易;其木素含量比木材低,使制漿過程更顯簡(jiǎn)單、漂白容易;其纖維細(xì)而長(zhǎng),長(zhǎng)寬比高達(dá)202,有利于增加紙張的抗張強(qiáng)度、耐破度和耐折度;而且其纖維細(xì)胞壁的初生壁呈網(wǎng)狀排列、次生壁中層不分層、外層較厚有8一9層,故具有厚薄不勻、層次多少不一的特征,進(jìn)而在厚薄相間之處出現(xiàn)類似于皺紋的折紋,使之用于生產(chǎn)手工用紙也能產(chǎn)生一些“潤(rùn)墨”效果。故龍須草既可作為機(jī)制紙又可作為手工紙的原料。如湖北漢陽造紙廠1960年就用龍須草生產(chǎn)凸版印刷紙、復(fù)寫原紙,近年來又在陜西洋縣投資50萬元以扶持洋縣龍須草生產(chǎn)基地、幫助建廠,并每年從洋縣購進(jìn)6000t原料以生產(chǎn)高檔出口紙。丹江口市是湖北省的龍須草主要產(chǎn)地之一,市委市政府將開發(fā)利用龍須草作為全市農(nóng)村脫貧、財(cái)政過億的支柱產(chǎn)業(yè)來抓。四川、湖北的一些手工紙廠早就用龍須草配以麻漿抄制供書畫用的傳統(tǒng)手工紙。其它如云南大理、下關(guān)、河口,貴州凱里、貴陽、都勻、興義、惠水、河南中牟、四川成都、重慶等造紙廠都以龍須草或部分以龍須草為原料依托,產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益。
龍須草葉片狹長(zhǎng)、韌性好、是良好的編織材料且編織品具有能任意折疊、草色潔白、柔軟輕便、冬暖夏涼的特點(diǎn)。在古代龍須草就被用來搓制草繩、編織蓑衣、草鞋、涼席等物。湖南的龍須草席在北宋就已是遠(yuǎn)近聞名的產(chǎn)品,現(xiàn)今更是在國(guó)際國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上享有很高的聲譽(yù)。近年來廣大產(chǎn)地山民又開發(fā)出了更多更好的編織產(chǎn)品,行銷國(guó)內(nèi)外。如草帽、提包、提籃、書包、床墊、枕套、及飛機(jī)、轎車、沙發(fā)的靠墊、座墊和賓館、飯店用的草毯等。作為人造絲、人造棉的原材料,在云南等地亦有悠久的歷史,且原料轉(zhuǎn)化率不低于80%。 1.3栽培技術(shù)簡(jiǎn)單,宜接經(jīng)濟(jì)效益可觀，龍須草至今仍保持著很強(qiáng)的野生適應(yīng)性,而且它作為一種經(jīng)濟(jì)資源植物具有栽培技術(shù)易學(xué)易會(huì)、投資小、見效快、效益高的特點(diǎn)。具體表現(xiàn)為(l)繁殖方式多樣:既可以種子縈殖(其中還有直播、容器育苗、苗床育苗幾種方式),又可以分莞族殖,且可移栽定植時(shí)間長(zhǎng),它可以在春、夏、秋3個(gè)季節(jié)多次移栽。(2)栽培管理簡(jiǎn)易:龍須草移栽定植不講究特殊技術(shù),只需在雨季搶時(shí)移栽即可,成活率很高;定植后除每年的中耕施肥及間或進(jìn)行的補(bǔ)苗與老莞改造外,無需更多的田間管理,田間除草一般只要在頭3年進(jìn)行,3年后龍須草形成優(yōu)勢(shì)種群,其它雜草難以大量蔓延,而且由于葉片纖維含量高,田間基本上無危險(xiǎn)性病蟲害。(3)收獲貯運(yùn)方便:在全國(guó)大部分地區(qū)只需秋季收獲l次,收獲過程簡(jiǎn)單,只需將龍須草齊基部割下打成捆即可出售,托運(yùn)及貯藏期也無需防鼠防蟲,只避雨淋即可。(4)投入低、見效快、收益高:龍須草無論是育苗移栽還是分莞移栽,第2年皆可受益,第3年進(jìn)入收獲高峰期,自然狀態(tài)下分莞移栽的收獲高峰可持續(xù)7年,育苗移栽可持續(xù)10一12年，實(shí)行科學(xué)管理則可以實(shí)現(xiàn)一次定植永續(xù)利用?？梢姺N龍須草的直接投資僅為種植初始的用種與開荒、移栽用工及定植后的施肥 (一次約150一450元/ha)與管理,免去了常規(guī)作物一年一度的育苗移栽、抗旱排演、殺蟲治病等。龍須草野生狀態(tài)下畝產(chǎn)量50kg左右,栽培狀態(tài)下200kg左右,科學(xué)栽培可達(dá)800一IO00kg,龍須草的現(xiàn)行收購價(jià)一般為400一500元/t。
因此對(duì)龍須草的開發(fā)和利用，在節(jié)約木材、水土保持、保護(hù)森林資源、促進(jìn)三農(nóng)建設(shè)提高農(nóng)民收入等方面都具有十分重要的意義。
2 國(guó)內(nèi)外研究情況
2.1 國(guó)內(nèi)研究情況
國(guó)內(nèi)對(duì)龍須草研究與應(yīng)用從80年代中期開始，大部分科研工作者主要從植物分類、造紙性能、栽培管理、形態(tài)剖析、基本生物學(xué)特性等方面進(jìn)行相關(guān)研究。而對(duì)龍須草進(jìn)行生物力學(xué)特性及機(jī)械化收割試驗(yàn)等方面的研究幾乎屬于空白。
資料文獻(xiàn)表明，我國(guó)科研工作者在近二十年來對(duì)作物切割性能進(jìn)行了大量研究：1995年倪長(zhǎng)安等[8]對(duì)幾種型式的圓盤切割器切割玉米莖稈進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了工作參數(shù)對(duì)切割性能的影響，為圓盤式切割器的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)；1996年藺公振等[9]對(duì)鍘草機(jī)的切割器工作性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的合理性選擇方法； 1998年韓正晟等[10]對(duì)回轉(zhuǎn)帶式切割器和齒形鏈?zhǔn)角懈钇鬟M(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究表明切割器適于小麥、水稻等細(xì)莖稈作物和牧草的收割；2005年楊堅(jiān)等[11-13]、2007年劉慶庭、向家偉等[14-20] 2011年黃漢東等[21]對(duì)甘蔗作物的切割開展了大量的試驗(yàn)研究、虛擬仿真和有限元分析，對(duì)莖稈切割過程進(jìn)行了高速攝像分析研究，構(gòu)建了甘蔗切割力學(xué)模型并分析了甘蔗切割作用機(jī)理，為甘蔗收割機(jī)的研制提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)；2007年馬永康等[22]對(duì)檸條收割機(jī)切割器進(jìn)行設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，找到了適合檸條收割的復(fù)合式切割器結(jié)構(gòu)型式與參數(shù)。2007年廖慶喜等[23-24]對(duì)蘆竹收割機(jī)進(jìn)行了研制，研究發(fā)現(xiàn)采用鋸齒型切割器對(duì)蘆竹進(jìn)行切割是可靠的；2007年熊永森等[25]對(duì)小型往復(fù)式果園割草機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究，研究結(jié)果該機(jī)型適應(yīng)于果園的割草作業(yè)；2009年趙春花等[26]對(duì)牧草莖稈的力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對(duì)牧草的拉伸和剪切（砍切、斜切和滑切）的最大載荷、應(yīng)力、應(yīng)變和彈性模量等力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試，研究結(jié)果為設(shè)計(jì)牧草收獲機(jī)、打捆機(jī)及深加工等機(jī)具提供了理論依據(jù)。之后徐秀英等[27]對(duì)小型牧草收獲機(jī)雙動(dòng)切割裝置進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，解決了小型牧草收獲機(jī)單動(dòng)刀工作時(shí)存在的平衡能力差、切割速度低等問題；2010年趙湛等[28]對(duì)超級(jí)稻莖稈進(jìn)行了切割力學(xué)試驗(yàn)，分析了切割速度、切割位置以及切割刀具組合對(duì)莖稈切割力和功耗的影響。2010年沈培玉等[29]應(yīng)用Fluent軟件及RNG k-湍流模型對(duì)農(nóng)產(chǎn)品物料高速切割粉碎流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬與試驗(yàn)，對(duì)切割粉碎區(qū)內(nèi)物料的壓力、運(yùn)動(dòng)速度、剪切應(yīng)變率等性能參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)分析。2011年李耀明等[30]對(duì)玉米莖稈往復(fù)切割力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)與分析研究，分析了削切角、切割速度、切割位置、莖稈外皮與節(jié)點(diǎn)等因素對(duì)切割力及功耗的影響，研究為玉米莖稈切割器的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
現(xiàn)有文獻(xiàn)資料表明，大部分在對(duì)切割器的研究主要針對(duì)高、粗、硬特性的作物進(jìn)行研究，或者是矮、細(xì)、嫩特性的作物進(jìn)行切割研究。而對(duì)柔韌性好、纖維多、莖稈細(xì)長(zhǎng)、植株地面生長(zhǎng)特征凌亂復(fù)雜等特點(diǎn)的作物切割研究基本上沒有，龍須草相對(duì)其他作物有非常大的區(qū)別，由于其自身特性纖維長(zhǎng)、柔韌性好，傳統(tǒng)的切割裝置和切割方法難以正常實(shí)施機(jī)械化收割作業(yè)，田間試驗(yàn)表明在用傳統(tǒng)的切割器進(jìn)行收割時(shí)會(huì)出現(xiàn)系列問題，比如纏草、刀片磨損、切割割茬不整齊、單株切割不完整等問題。
2.2 國(guó)外研究情況
目前國(guó)外主要有印度對(duì)龍須草有一定的研究，主要體現(xiàn)在對(duì)龍須草的水土保持、農(nóng)藝性狀、生物學(xué)特性、病蟲寄主等方面的研究[31-35]。
3 課題的研究意義
鄒冬生等2000年在對(duì)龍須草的葉片橫切面進(jìn)行顯微觀察發(fā)現(xiàn)，莖稈里含有大量的韌性纖維，正是該韌性纖維的存在造就了龍須草的優(yōu)良造紙性能。但是由于目前大部分采用手工收割，由于龍須草莖稈自身物理特性的特點(diǎn)，人工收割時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)率低（人均1～2分地/天）。我國(guó)在龍須草種植開發(fā)的研究較晚，因此我國(guó)現(xiàn)有龍須草種植面積僅為宜種面積的6%。近年來龍須草作為一種可再生的優(yōu)質(zhì)造紙?jiān)?，得到了?dāng)?shù)馗骷?jí)政府的高度重視，因此逐步被列為重點(diǎn)扶持開發(fā)對(duì)象，隨著龍須草的大面積種植和推廣，高強(qiáng)度的收割作業(yè)已經(jīng)難以適應(yīng)當(dāng)前生產(chǎn)的發(fā)展。據(jù)實(shí)地了解，各地種植戶曾經(jīng)嘗試用手持式機(jī)械切割器對(duì)龍須草進(jìn)行切割，由于龍須草的優(yōu)良的柔韌性，在收割作業(yè)時(shí)出現(xiàn)收割刀纏草現(xiàn)象嚴(yán)重、刀片磨損快、刀片更換頻繁、作業(yè)效果不理想且作業(yè)成本高等諸多問題，最終都以失敗告終。而另一方面龍須草到了成熟季節(jié)農(nóng)藝要求必須在短時(shí)間內(nèi)收割完，以保持良好的生物特性，目前隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，以往的純手工收割已經(jīng)難以應(yīng)付現(xiàn)有的生產(chǎn)，龍須草收割環(huán)節(jié)成為制約龍須草大面積種植生產(chǎn)發(fā)展的瓶頸。
因此本選題對(duì)龍須草的生物力學(xué)特性及仿生切割機(jī)理進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，可以為龍須草收割機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，為實(shí)現(xiàn)龍須草的機(jī)械化收割奠定技術(shù)基礎(chǔ)，提高機(jī)械工作效率，減少人力損耗，對(duì)龍須草的大面積種植推廣將起到重要的推進(jìn)作用。
4 總體結(jié)構(gòu)及工作原理
4.1 設(shè)計(jì)思路
本課題設(shè)想從龍須草莖稈的生物力學(xué)特性入手，在掌握其自身物理性能特性的前提下，從切割機(jī)理研究出發(fā)，通過模擬人工切割龍須草的方式來提高切割支撐效果，改變傳統(tǒng)作物莖稈被動(dòng)自然狀態(tài)下的切割為主動(dòng)夾持狀態(tài)下的切割，對(duì)具有高韌性多纖維細(xì)長(zhǎng)莖稈特征的龍須草莖稈實(shí)施仿人工切割原理，最終提高切割效果。同時(shí)對(duì)仿人工切割機(jī)理進(jìn)行研究，最終為龍須草收割機(jī)械的設(shè)計(jì)提供技術(shù)指導(dǎo)和理論依據(jù)。
4.2 工作原理
仿人工切割：在機(jī)組的前方設(shè)有兩個(gè)扶草輪，扶草輪的下方設(shè)有伸縮梳整撥齒，通過同步異向的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)匍匐地面的龍須草莖稈的扶持、拉伸、推送、夾持等動(dòng)作，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)莖稈的向上梳理和柔性夾持作用，在扶草輪的后下方設(shè)有切割器，跟進(jìn)的切割器刀片完成對(duì)夾持狀態(tài)的莖稈實(shí)施有效切割，切斷后的莖稈在扶草輪的夾持作用下向后上方推送，通過中間撥草輪的中間傳送最后送至集草箱，完成對(duì)龍須草莖稈的仿人工切割作業(yè)。
總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如下圖：
1.扶手2.集草箱3.從動(dòng)皮帶輪4.輸送帶5.已割龍須草6.底輪7.中間撥草輪8.主動(dòng)扶草輪9.從動(dòng)扶草輪10.伸縮撥草桿11.未割龍須草12.伸縮撥草桿13.往復(fù)式切割器14.動(dòng)力及變速箱15.主動(dòng)皮帶輪16底盤17.地表
1.Armrest 2. Hay box3. The driven pulley 4. Conveyor belt 5. Cut agrimony etc.canbe fasten 6. Bottom round straw7. At the end of round dial among grass round 8. Take the initiative to help grass round 9. Driven rotary wheel grass 10. Telescopic dial 11. Grass stem not cut 12.agrimony etc.canbe fasten the scale dial straw 13. Reciprocating cutter 14. Power and transmission 15.driving pulley 16 chassis 17. The surface
圖1 龍須草收割機(jī)結(jié)構(gòu)圖
Fig l Binata harvester structure diagram
5 整體方案確定
本設(shè)計(jì)的任務(wù)是結(jié)合龍須草自身的物理特性要求及生長(zhǎng)特點(diǎn)，采用仿人工切割方式對(duì)其進(jìn)行收割，完成對(duì)收割機(jī)的收割原理方案、動(dòng)力選型、傳動(dòng)系統(tǒng)和關(guān)鍵工作部件設(shè)計(jì)進(jìn)行規(guī)范設(shè)計(jì)。
龍須草收割機(jī)主要有動(dòng)力系統(tǒng)，切割系統(tǒng)，傳動(dòng)系統(tǒng)，輸送系統(tǒng)和行走系統(tǒng)等組成。
收割機(jī)的動(dòng)力由汽油機(jī)提供。選擇單缸四沖程汽油機(jī)，它的最大輸出功率為3.5KW，連續(xù)輸出功率為3.2KW，標(biāo)定轉(zhuǎn)速為3600（rpm）,逆時(shí)針旋向，外形尺寸為385×365×325。
切割系統(tǒng)選用單刀片往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將回旋運(yùn)動(dòng)變?yōu)橥鶑?fù)運(yùn)動(dòng)采用曲柄連桿機(jī)構(gòu)，借鑒現(xiàn)有的谷物聯(lián)合收割機(jī)的切割裝置進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。
傳動(dòng)系統(tǒng)中動(dòng)力由汽油機(jī)進(jìn)過單級(jí)圓柱齒輪減速器和鏈輪減速，改變傳動(dòng)方向以后，傳遞給曲柄主軸，再通過連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)動(dòng)刀片做往復(fù)切割運(yùn)動(dòng)。另外曲柄主軸經(jīng)過鏈輪組帶動(dòng)主動(dòng)扶草輪運(yùn)動(dòng)；主軸通過一對(duì)鏈輪帶動(dòng)運(yùn)送裝置運(yùn)動(dòng)；中間撥草輪通過主動(dòng)扶草輪經(jīng)過一對(duì)鏈輪帶動(dòng)。
運(yùn)送系統(tǒng)采用皮帶運(yùn)輸，皮帶上裝有撥齒將龍須草運(yùn)送到后方的集草箱中。
行走系統(tǒng)目前行走系統(tǒng)采用人工推行，暫時(shí)不考慮機(jī)動(dòng)行走，行走輪的直徑為250mm。人的正常行走速度為3-5千米/小時(shí)。
龍須草收割機(jī)由于采用放人工夾持，對(duì)切割裝置要求不是很高，但對(duì)切割運(yùn)動(dòng)速度及相關(guān)參數(shù)要有兼容收割能力。收割機(jī)的動(dòng)力機(jī)型要小巧，工作可靠；操作上要簡(jiǎn)單便利，整機(jī)輕便，價(jià)格低廉。根據(jù)以上原則，并結(jié)合龍須草收割機(jī)的農(nóng)藝要求，本論文所設(shè)計(jì)的龍須草收割機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)：
配套動(dòng)力：汽油機(jī)3.2kW；
割幅： 1 m；
割茬高度：45mm左右；
切割形式：往復(fù)式；
刀片刃口：平面形；
刀齒間距：39mm；
前進(jìn)方式：手扶推行式；
操縱人數(shù)：1人；
工效：334m2/h左右。
6 切割系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
6.1 仿人工夾持扶草輪的設(shè)計(jì)
龍須草由于莖稈物料特性表現(xiàn)出韌性好、纖維長(zhǎng)等特點(diǎn)，因此傳統(tǒng)的切割裝置無法適應(yīng)機(jī)械化收割。通過模擬人工切割龍須草的方式來提高切割支撐效果，改變傳統(tǒng)作物莖稈被動(dòng)自然狀態(tài)下的切割為主動(dòng)夾持狀態(tài)下的切割，對(duì)具有高韌性多纖維細(xì)長(zhǎng)
莖稈特征的龍須草莖稈實(shí)施仿人工切割原理，最終提高切割效果，對(duì)扶草輪進(jìn)行仿人工設(shè)計(jì)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如下所示：
1.伸縮拔草桿 2.固定限制擋環(huán) 3.彈簧 4.壓環(huán)5.套筒 6.滾珠 7.固定凸輪軸 8.扶草輪9.伸縮軌跡
1. Pulling weeds telescopic rod 2. Fixed limit baffle ring 3.spring 4. pressure ring 5. The sleeve 6. ball 7. Fixed camshaft 8. help grass round 9. Expansion path
圖2 扶草輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)
Fig2 Help sheaves internal structure
工作時(shí)，主動(dòng)扶草輪由曲柄主軸經(jīng)過一對(duì)鏈輪傳遞動(dòng)力，而中間的凸輪軸固定不動(dòng)，主動(dòng)輪與從動(dòng)輪端部有一對(duì)相互嚙合的大齒圈，工作時(shí)做同步異向運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)伸縮撥草桿，實(shí)現(xiàn)模仿人工撥草夾持動(dòng)作。其結(jié)構(gòu)示意圖如下：
圖3 扶草輪外部結(jié)構(gòu)
Fig3 Help sheaves external structure
扶草輪的半徑r=250mm,轉(zhuǎn)速為n,根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)扶草輪加持草的寬度與前進(jìn)速度關(guān)系：
Vm≤2rncosαA （1）
式中α為扶草輪的安裝角度，在 α=0°-45°
n≥2.29 取整數(shù)n=3r/s=180r/min
6.1.1 凸輪輪廓的設(shè)計(jì)
1）以=50mm為半徑做凸輪的基圓，次基圓與導(dǎo)路的交點(diǎn)A0便是從動(dòng)件頂端的起始位置。
2）確定從動(dòng)件在運(yùn)動(dòng)過程中占據(jù)的各個(gè)位置。自0A0沿W的方向取角度，，，并將它們各分成與右圖對(duì)應(yīng)的等分，得到A、A、A…點(diǎn)。連接OA、OA、OA… ,此為伸縮桿在運(yùn)動(dòng)中依次占據(jù)的位置。
3）量取各個(gè)位移量。由基圓開始向外量取各個(gè)位移量，即AA=S, AA=S…,得到點(diǎn)A，A，A…此為伸縮桿在運(yùn)動(dòng)中占據(jù)的位置。
4）用光滑的曲線連成輪廓曲線。
圖4 圖解法設(shè)計(jì)凸輪輪廓
Fig4 Graphical method based on cam profile
6.2 切割器的選擇設(shè)計(jì)
切割器是各種收割機(jī)最主要部件，其工作效率和作業(yè)質(zhì)量直接影響整機(jī)性能。目前割草機(jī)上普遍采用往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式切割器。因回轉(zhuǎn)式切割器消耗功率大，對(duì)地面的平坦程度較高，不適用于山地、丘陵和梯田等地段，因此選用普通往復(fù)式切割器。在工作時(shí)，汽油機(jī)輸出回旋動(dòng)力，經(jīng)過輸入軸將動(dòng)力傳遞給曲柄主軸，再經(jīng)曲柄連桿機(jī)構(gòu)變?yōu)橥鶑?fù)運(yùn)動(dòng)。
6.2.1 往復(fù)式切割器影響切割質(zhì)量的因素分析
切割速度與進(jìn)給速度之間的關(guān)系，用切割速比來描述。在動(dòng)刀高度一定時(shí)，重割區(qū)和空白區(qū)的大小與機(jī)器前進(jìn)速度和曲柄轉(zhuǎn)速有密切的關(guān)系，其關(guān)系用切割進(jìn)程表示。數(shù)學(xué)式為
（2）
式中 ——機(jī)器前進(jìn)速度（m/s）；
——割刀運(yùn)動(dòng)一個(gè)行程時(shí)間。
因?yàn)橥鶑?fù)切割器割刀運(yùn)動(dòng)一個(gè)行程，曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)180°，其時(shí)間為
= （3）
將（3）代入（2）得
= （4）
式中 ——曲柄轉(zhuǎn)速（r/min）。
往復(fù)式割草機(jī)切割速度應(yīng)大于 2.15m/s。但切割速度太大，慣性力增加，引起機(jī)器震動(dòng)，因此選擇適宜切割速度是關(guān)鍵，曲柄主軸轉(zhuǎn)速 720r/min。曲柄旋轉(zhuǎn)一周，割刀完成兩個(gè)行程，則割刀平均速度為
=（m/s ） （5）
= =1.82 m/s
式中 ——曲柄半徑（mm）；
——曲柄轉(zhuǎn)速（r/min）。
因?yàn)榍懈钏俦圈? 將（2）、（4）代入整理得
λ= （6）
現(xiàn)有割草機(jī) =（1.1～1.5） 代入（6）式得
λ= （7）
——?jiǎng)拥度懈叨龋╩m），標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ型切割器動(dòng)刀刃高度 為 54，代入（7）得
λ= = 0.94～1.28
為保證切割質(zhì)量，實(shí)際切割速比應(yīng)大于理論切割速比，理論進(jìn)給速度 取機(jī)器穩(wěn)定行駛所允許的最高速度。
6.2.2 技術(shù)參數(shù)的分析和評(píng)價(jià)
當(dāng)曲柄主軸轉(zhuǎn)速為 720 r/min，切割器平均速度 =1.82m/s，收割機(jī)平均作業(yè)速度=0.99m/s，切割器選標(biāo)準(zhǔn) I 型，為保證切割質(zhì)量，應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)那懈钏俦?。切割速比一般大?.02，本機(jī)在平均工況下 =1.83>1.02，故本機(jī)的設(shè)計(jì)是合理。 6.2.3 割刀的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
切割裝置主要是由一對(duì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)刀和固定不動(dòng)的支撐部分組成，動(dòng)刀和刀桿做成一體，刀桿和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連，用以將動(dòng)力傳遞給動(dòng)刀。固定支撐部分包括刀架，間隙調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等，工作時(shí)動(dòng)刀作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，對(duì)刀間的作物進(jìn)行收割。
動(dòng)刀是切割器的主要工作零件，采用光刃結(jié)構(gòu)，光刃切割省力，割荏整齊，但易磨鈍，工作中需經(jīng)常磨刀，主要用于龍須草收割。動(dòng)刀片是一種易損件，為了保證具有較好的耐磨性和一定的沖擊韌性，刀片一般用合金鋼制成，刃部需淬火。具體裝配尺寸見CAD圖。切割裝置的工作與結(jié)構(gòu)示意圖所示：
1.曲柄 2.曲柄主軸 3.連桿機(jī)構(gòu) 4.切割機(jī)構(gòu)
1. The crank 2.crank shaft 3. Linkage 4. Cutting mechanism
圖5 往復(fù)式切割器
Fig5 Reciprocating cutter
7 傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和傳動(dòng)比的確定
傳動(dòng)系統(tǒng)將汽油機(jī)的動(dòng)力分別傳送給切割器和輸送系統(tǒng)。
7.1 傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)龍須草收割機(jī)切割系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)的工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)見圖。
1、汽油機(jī)2、聯(lián)軸器 3、小齒輪 4、鏈輪 5、大齒輪6、輸出主軸7、鏈輪組8、扶草輪9、鏈輪Ⅰ、汽油機(jī)輸出軸Ⅱ、減速器輸入軸Ⅲ、減速器輸出軸 Ⅳ、曲柄主軸 Ⅴ、扶草輪軸 Ⅵ、撥草輪軸 Ⅶ、輸送帶主動(dòng)軸
1、gasoline engine 2、the coupling 3、small gear4、sprocket5、big gear6、output shaft 7、 chain 8、taking grass round9、 sprocket Ⅰ、gasoline engine output shaft Ⅱ、reducer input shaft Ⅲ、gear reducer output shaft Ⅳ、 crank spindle Ⅴ、taking grass axles Ⅵ、 dial shaft Ⅶ、conveyor belt drive shaft
圖6 傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖
Fig6 Transmission system diagram
由圖可知，動(dòng)力由汽油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)一對(duì)圓柱齒輪3、5和一對(duì)鏈輪兩級(jí)減速向后傳遞給曲柄主軸。曲柄主軸經(jīng)多個(gè)鏈輪組將動(dòng)力傳遞給扶草輪和輸送帶，另外通過端部的曲柄帶動(dòng)刀桿及動(dòng)刀做往復(fù)切割運(yùn)動(dòng)。
7.1.1 傳動(dòng)比確定
（1)曲軸主軸的轉(zhuǎn)速
= m/s （8）
往復(fù)式切割器割刀平均速度常為 1.6～2.0 m/s，由公式（8）得
= = 631.58～789.5 r/min
取曲柄主軸轉(zhuǎn)速=720 r/min。
（2）確定傳動(dòng)比
在標(biāo)定工作狀況，汽油機(jī)額定轉(zhuǎn)速=3600r/min,功率=3.2kW,動(dòng)力經(jīng)過二級(jí)減速后，直接傳遞給曲柄主軸（nⅡ=720r/min）。因此切割系統(tǒng)傳動(dòng)比為：
= ·===5 （9）
式中 —— 一級(jí)圓柱齒輪減速比；
—— 二級(jí)鏈輪輪減速比。
表1 各種傳動(dòng)的傳動(dòng)比
Table 1 The various transmission of transmission rati
傳動(dòng)類型
傳動(dòng)比
傳動(dòng)類型
傳動(dòng)比
平帶傳動(dòng)
V帶傳動(dòng)
圓柱齒輪傳動(dòng)：
1） 開式
2） 單級(jí)減速器
3） 單級(jí)外嚙合和內(nèi)嚙合行星減速器
≤5
≤7
≤8
≤4~6
3~9
錐齒輪傳動(dòng)
1） 開式
2） 單級(jí)減速器
蝸桿傳動(dòng)
1） 開式
2） 單級(jí)減速器
鏈傳動(dòng)
摩擦輪傳動(dòng)
≤5
≤3
15~60
8~40
≤6
≤5
（3）分配各級(jí)傳動(dòng)的傳動(dòng)比
根據(jù)各種傳動(dòng)的傳動(dòng)比選擇合適的傳動(dòng)比，選擇=5 則=1 即
===5 （10）
式中 —— 單級(jí)圓柱齒輪減速主動(dòng)小錐齒數(shù)；
—— 單級(jí)圓柱齒輪減速從動(dòng)大錐齒數(shù)。
===1 （11）
式中——主動(dòng)鏈輪的齒數(shù)
——從動(dòng)鏈輪的齒數(shù)
輸送系統(tǒng)傳動(dòng)和切割系統(tǒng)是通過曲柄主軸上的鏈輪傳遞動(dòng)力帶動(dòng)。
汽油機(jī)的動(dòng)力經(jīng)過單級(jí)圓柱齒輪一級(jí)減速就能達(dá)到需求的轉(zhuǎn)速。
7.2 收割機(jī)功率需求分析和傳動(dòng)效率
7.2.1 收割機(jī)的功率分析
收割機(jī)功率包括立式割臺(tái)往復(fù)切割器切割功率和輸送功率。 即：
（12）
其中
= （kW） （13）
式中 —— 機(jī)器前進(jìn)速度（m/s）；
—— 機(jī)器割幅（m）；
—— 切割每平方米面積的莖稈所需的功率（N·m/m2）。
經(jīng)測(cè)定，割草= 200～300，所以
==1.94
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)輸送系統(tǒng)功率需求為
（14）
式中 —— 輸送系統(tǒng)單位割幅所需功率（kW/m）， 一般取0.22～0.25 kW，則
=0.22×1 = 0.22 kW
（7.5）式中未考慮傳動(dòng)效率和空轉(zhuǎn)所需的功率，故立式割臺(tái)往復(fù)收割機(jī)最低所需總功率為：
kW
7.2.2 收割機(jī)的傳動(dòng)效率
切割器的往復(fù)運(yùn)動(dòng)工作是由汽油機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器、單級(jí)圓柱齒輪減速器、鏈輪傳動(dòng)，聯(lián)軸器傳動(dòng)效率取=0.99~0.995，單級(jí)圓柱齒輪減速器傳動(dòng)效率 =0.97~0.98 ，滾子鏈的傳動(dòng)效率=0.96
則切割系統(tǒng)總的傳動(dòng)效率
=..=0.99×0.97×0.96=0.92 （15）
（1）各軸的轉(zhuǎn)速
Ⅰ軸:=3600 r/min
Ⅱ軸:==3600r/min
Ⅲ軸:===720r/min
（2）各軸的功率
Ⅰ軸: P =3.2kW
Ⅱ軸: P= .=3.168 kW
Ⅲ軸:= P.=3.07kW
（3）各軸的扭矩,扭矩公式
T=9550 （16）
Ⅰ軸: T=9550=9550×=8.49N·m
Ⅱ軸:T =9550=9550×=8.404N·m
Ⅲ軸:T =9550=9550×=40.72 N·m
表2 運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)
Table 2 Motion and power parameters
參數(shù)
Ⅰ軸
Ⅱ軸
Ⅲ軸
轉(zhuǎn)速/（r/min）
3600
3600
720
功率P/（kW）
3.2
3.168
3.07
扭矩T/（N·m）
8.49
8.404
40.72
傳動(dòng)比
1
5
效率
0.99
0.97
7.3 減速器的設(shè)計(jì)
7.3.1 齒輪的設(shè)計(jì)
(1)齒輪材料，熱處理及精度
考慮此減速器的功率及現(xiàn)場(chǎng)安裝的限制，故大小齒輪都選用硬齒面漸開線圓柱齒輪。
小齒輪選用40,調(diào)質(zhì)，齒面硬度為260HBS ，
大齒輪選用鋼調(diào)質(zhì)，齒面硬度為 225HBS，
查表，取
[]==636 []==518
[]==185 []==146
(2)齒輪精度
按GB/T10095－1998，選擇8級(jí)
(3)初步設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)的主要尺寸
Ⅱ軸的傳動(dòng)比i=5，轉(zhuǎn)速=3600r/min,傳動(dòng)功率P=3.168kw
齒輪按8精度制造。取載荷系數(shù)齒寬系數(shù)
小齒輪上轉(zhuǎn)矩T=8404N·mm
在加速器中，齒數(shù)比u=i=5,中心距
a≥(u+1)= (5+1)=86.4mm （17）
取=25，則=i =5×25=125，則模數(shù)
m===1.152mm （18）
取標(biāo)準(zhǔn)值m=1.25，確定中心距：
a=（+）=×（25+125）=93.75mm （19）
齒寬
b=a=0.4×93.75=37.5mm （20）
取 =38mm =45mm
校核輪齒彎曲強(qiáng)度：查表得=2.64 ,=2.15 ;=1.58 ,=1.82
齒輪彎曲強(qiáng)度（按最小齒寬計(jì)算）
（21）
（22）
計(jì)算齒輪的圓周速度:
（23）
查表知選取8級(jí)精度齒輪是合適的。
表3 齒輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)
Table 3 The structural parameters of the gear
單位（mm）
小齒輪
大齒輪
齒數(shù)z
25
125
分度圓直徑d
31.25
156.25
模數(shù)m
1.25
1.25
齒頂高h(yuǎn)
1.25
1.25
齒根高h(yuǎn)
1.5625
1.5625
齒頂圓直徑d
33.75
158.75
齒根圓直徑d
28.12
153.12
齒寬
45
38
7.3.2 軸的設(shè)計(jì)以及校核
（1）選擇軸的材料和熱處理方式
選擇軸的材料為45鋼，正火處理，其機(jī)械性能查表得
，
（2）初算軸的最小直徑
選C=110,則主動(dòng)軸軸的最小直徑為
（24）
軸的最小直徑顯然是安裝聯(lián)軸器處軸的直徑，需開鍵槽，故將最小軸徑增加5％，變?yōu)?1.07mm。
此段軸的直徑和長(zhǎng)度應(yīng)與聯(lián)軸器相符，聯(lián)軸器選用LT1型彈性套柱銷聯(lián)軸器，其軸孔直徑為12mm,與軸配合部分長(zhǎng)度為20mm，故軸輸入端直徑去12mm。
（25）
從動(dòng)軸軸的最小直徑顯然是安裝鏈輪的直徑，需開鍵槽，故將最小軸徑增加5％，變?yōu)?8.732mm。取整為20mm。
（3）主動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：①軸上零件的定位、固定和裝配。單級(jí)減速器中，可將此輪安排在箱體的中央，相對(duì)兩軸承對(duì)稱布置。兩軸承以軸肩定位，而周向固定則采用過度配合或過盈配合，聯(lián)軸器用軸肩進(jìn)行軸向定位，而用A型平鍵周向固定。
②確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度:Ⅰ段為軸的輸入端直徑為12mm，其長(zhǎng)度應(yīng)比聯(lián)軸器軸孔的長(zhǎng)度略短一些，取L=18mm
Ⅱ段軸軸徑d=21mm，（由機(jī)械手冊(cè)查得輪轂孔的倒角=2.5mm，取軸肩高度h=4.5mm，故d=+2h=12+2×4.5=21mm，考慮通過帶有密封的軸承端蓋的軸段長(zhǎng)度，應(yīng)根據(jù)軸承端蓋的厚度，并考慮聯(lián)軸器和箱體外壁應(yīng)有一定距離來確定，由此?、蚨屋S長(zhǎng)度為=55mm。
Ⅲ、Ⅴ段軸直徑d=25mm，主要是按軸承內(nèi)徑尺寸系列來確定。初選軸承類型為深溝球軸承，型號(hào)為6305，其內(nèi)徑為25mm，寬度為17mm，故=19mm,=17mm。
Ⅳ段軸與齒輪一體基軸直徑去d=30mm，齒寬為45mm，留一定的軸肩距各10mm，故=65mm。
圖7 齒輪軸的強(qiáng)度校核
Fig7 The strength check of the gear shaft
主動(dòng)軸的強(qiáng)度校核：軸的支撐跨度為L(zhǎng)=82mm
計(jì)算齒輪受力：
圓周力
= =2×8.404×1000/31.25=537.86N （26）
徑向力
Fr=Ft·tanα=537.86×tan200=195.77N （27）
軸向力：由于選深溝球軸承
①求水平面支反力
268.93N （28）
②繪制水平面彎矩圖
1.1026×10（N.mm） （29）
③求垂直面支反力：由得
（30）
195.77×/82=97.89N
由得
（31）
195.77-97.89=97.88N （32）
④繪制垂直面彎矩圖：截面C左側(cè)彎矩
97.89×82/2=4.01×10（N.mm） （33）
右側(cè)彎矩
97.89×82/2=4.01×10（N.mm） （34）
⑤繪制合成彎矩圖:根據(jù)
（35）
1.17×10（N.mm）
⑥繪制彎矩圖
3058.9（N.mm） （36）
⑦繪制當(dāng)量彎矩圖
（37）
由當(dāng)量彎矩圖和結(jié)構(gòu)圖可知，C處是危險(xiǎn)截面，此處可將軸的扭矩剪應(yīng)力看做脈動(dòng)循環(huán)，取則C截面：
1.18×10（N.mm）
⑧強(qiáng)度校核
4.37（MP）＜=55（MP） （38）
故軸的強(qiáng)度足夠。
（4）從動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：①軸上零件的定位、固定和裝配。單級(jí)減速器中，可將此輪安排在箱體的中央，相對(duì)兩軸承對(duì)稱布置齒輪右邊以軸肩定位，左邊用套筒進(jìn)行軸向固定，其周向固定靠A型平鍵做周向固定。兩軸承分別以以軸肩定位，而周向固定則采用過度配合或過盈配合，鏈輪用軸肩進(jìn)行軸向定位，而用A型平鍵周向固定。
②確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度:Ⅰ段軸安裝鏈輪，所選的鏈輪的輪轂直徑d=20mm，輸入端直徑為20mm，其長(zhǎng)度L=25mm。
Ⅱ段軸軸徑d=28mm，（由機(jī)械手冊(cè)查得輪轂孔的倒角=2.5mm，取軸肩高度h=4mm，故d=+2h=20+2×4=28mm，考慮通過帶有密封的軸承端蓋的軸段長(zhǎng)度，應(yīng)根據(jù)軸承端蓋的厚度，并考慮到鏈輪和箱體外壁應(yīng)有一定距離來確定，由此?、蚨屋S長(zhǎng)度為=55mm。
Ⅲ段軸直徑d=30mm，主要是按軸承內(nèi)徑尺寸系列來確定。初選軸承類型為深溝球軸承，型號(hào)為6306，其內(nèi)徑為30mm，寬度為19mm。
考慮齒輪端面、軸承端面和箱體內(nèi)壁應(yīng)有一定的距離，則取套筒長(zhǎng)度為14mm。安裝齒輪軸段的長(zhǎng)度應(yīng)比輪轂的寬度小2mm，則Ⅲ段軸的長(zhǎng)度=2+14+19=35mm。
Ⅳ段軸，d=35mm，=38-2=36mm。
Ⅴ段軸直徑為= 47mm ，=40mm。主要考慮到該段同時(shí)給齒輪和軸承定位，根據(jù)要求得到相應(yīng)的直徑，該段的長(zhǎng)度與套筒長(zhǎng)度相同=14mm。
Ⅵ段軸徑d=30mm，=19mm。
圖8 軸的強(qiáng)度校核
Fig8 The strength check of the shaft
計(jì)算齒輪受力，圓周力
= =2×40.72×1000/156.25=521.22N （39）
徑向力
Fr=Ft·tanα=521.22×tan200=189.71N （40）
軸向力：由于選深溝球軸承
鏈輪的圓周力
齒數(shù)選為21 選用08A鏈條 節(jié)距p=12.7mm 轉(zhuǎn)速為n=720r/min
=3.2m/s （41）
F==959.38N （42）
軸上載荷
=1381.5N （43）
在軸承A處的彎矩
10.31×10（N.mm） （44）
①求水平面支反力
260.61N （45）
②繪制水平面彎矩圖
1.07×10（N.mm） （46）
③求垂直面支反力：由得
（47）
189.71×/82=94.86N
由得
189.71-94.86=94.85N
④繪制垂直面彎矩圖：截面C左側(cè)彎矩
94.86×82/2=3.889×10（N.mm）
右側(cè)彎矩
94.86×82/2=3.889×10（N.mm）
⑤繪制合成彎矩圖:根據(jù)
（48）
1.14×10（N.mm）
⑥繪制彎矩圖
1.48×10（N.mm）
⑦繪制當(dāng)量彎矩圖
（49）
由當(dāng)量彎矩圖和結(jié)構(gòu)圖可知，A處是危險(xiǎn)截面，此處可將軸的扭矩剪應(yīng)力看做脈動(dòng)循環(huán)，取則
M=M+T=11.79×10（N.mm）
⑧強(qiáng)度校核
43.6（MP）＜=55（MP） （50）
故軸的強(qiáng)度足夠。
(5)傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度:Ⅰ段軸安裝一個(gè)鏈輪，與減速箱輸出軸端安裝的鏈輪參數(shù)相同，傳動(dòng)比為1，所選的鏈輪的輪轂直徑d=20mm，輸入端直徑為20mm，其長(zhǎng)度L=24mm。
Ⅱ段軸直徑d=25mm，長(zhǎng)度為20mm。
Ⅲ、Ⅶ是按軸承內(nèi)徑尺寸系列來確定。初選軸承類型為深溝球軸承，型號(hào)為6306，其內(nèi)徑為30mm，寬度為19mm。
軸直徑為30mm，主要是按軸承內(nèi)徑尺寸系列來確定。初選軸承類型為深溝球軸承，型號(hào)為6306，其內(nèi)徑為30mm，寬度為19mm。
Ⅴ段軸是一段較長(zhǎng)的光軸，直徑為40mm，長(zhǎng)度為299mm 。
Ⅷ段軸安裝雙排鏈輪和，直徑凸輪盤直徑為為20mm，長(zhǎng)度為78mm。
圖9 傳動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)圖
Fig9 A configuration diagram of the drive shaft
7.4 滾動(dòng)軸承的選型及驗(yàn)算
7.4.1 計(jì)算主動(dòng)軸軸承
（1）選型，因軸只受徑向力的作用，故選用深溝球軸承。根據(jù)工作要求輸入端的直徑，選取型號(hào)為6305，其尺寸為d×D×B=25×62×17（mm）。
（2）驗(yàn)算 ①根據(jù)條件，軸承預(yù)計(jì)壽命 3000~8000h
其中Cr=22.2kN Cr=11.5kN Fr=195.77N Ft=537.86N
②計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷P,對(duì)于只受徑向載荷的軸承 P= 查表得=1.5 P=293.655N
③計(jì)算軸承壽命,查表得，，壽命指數(shù)
8000h （51）
故滿足壽命要求
7.4.2 計(jì)算從動(dòng)軸軸承
（1）選型，因軸只受徑向力的作用，故選用深溝球軸承。根據(jù)工作要求及輸入端的直徑，選取型號(hào)為6306，其尺寸為d×D×B=30×72×19（mm）。
（2）驗(yàn)算 ①根據(jù)條件，軸承預(yù)計(jì)壽命 3000~8000h
其中Cr=27.0kN ; Fr=189.71N; Ft=521.22N
②計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷P,對(duì)于只受徑向載荷的軸承 P= 查表=1.5,P=284.655N
③計(jì)算軸承壽命,查表得，，壽命指數(shù)
＞8000h （52）
故滿足壽命要求
7.4.3 鍵聯(lián)接的選擇及校核
（1）從動(dòng)軸上的鍵
①選型，由于齒輪不是安裝在軸端，故選用在鍵槽中軸向固定較好的圓頭普通平鍵。
根據(jù)該軸段直徑為35mm，查表得鍵的截面尺寸：b×h=10×8（mm）。
由輪轂長(zhǎng)度（38mm）并參照鍵的長(zhǎng)度系列，取鍵長(zhǎng)L=25mm。
②校核，由表中查得鋼輪轂鍵槽的許用擠壓應(yīng)力。鍵的接觸長(zhǎng)度，輪轂與鍵的接觸高度
＜135MPa （53）
故鍵強(qiáng)度符合要求
7.4.4 聯(lián)軸器的選擇
在減速器輸入軸與汽油機(jī)之間聯(lián)接用的聯(lián)軸器因軸的轉(zhuǎn)速較高、傳遞轉(zhuǎn)矩較低，查表得選用TL1型號(hào)的軸孔直徑為12的彈性套柱銷聯(lián)軸器，公稱轉(zhuǎn)矩 =16 N·m ，取載荷系數(shù)K=1.3，則計(jì)算轉(zhuǎn)矩
（54）
選用TL2型彈性套柱銷聯(lián)軸器，公稱轉(zhuǎn)矩 =16 N·m，。采用J型軸孔，A型鍵軸孔直徑d=12mm，軸孔長(zhǎng)度L=20mm。
表4 TL2型彈性套柱銷聯(lián)軸器有關(guān)參數(shù)
Table 4 TL2-elastic sleeve pin coupling parameters
型號(hào)
公稱
轉(zhuǎn)矩T/(N·m)
許用
轉(zhuǎn)速
n/（r·）
軸孔
直徑
d/mm
軸孔
長(zhǎng)度
L/mm
外徑
D/mm
材料
軸孔
類型
鍵槽
類型
TL2
16
7600
12
20
80
35鍛鋼
J型
A型
8 鏈輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)
8.1 計(jì)算減速器與曲柄軸之間的鏈輪傳動(dòng)
(1)選用滾子鏈傳動(dòng)。
(2)小鏈輪齒數(shù) （），應(yīng)參照鏈速和傳動(dòng)比選取 。
(3)兩鏈輪是同比傳動(dòng)，即=1 則。
(4)鏈條節(jié)距選用根據(jù)設(shè)計(jì)功率和小鏈輪轉(zhuǎn)速由小鏈輪齒數(shù)標(biāo)準(zhǔn)A系列滾子``鏈的額定功率曲線圖選用合適的節(jié)距，選用08A系列的鏈子則mm。
(5)驗(yàn)算鏈輪輪轂孔徑
鏈輪輪轂孔的最大許用直徑，查鏈輪輪轂孔的最大許用直徑
=34 合理
(6)初定中心距 根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，則mm。
(7)鏈長(zhǎng)節(jié)數(shù)
（55）
式中 ——以節(jié)數(shù)表示的中心距初定值
（56）
—— 系數(shù)
（57）
則68.24 圓整為整數(shù)并取偶數(shù)，則
(8)鏈條長(zhǎng)度
0.8636m （58）
(9)理論中心距
298.45mm （59）
(10)鏈速
m/s （60）
(11)滾子鏈鏈輪尺寸①鏈輪材料選用45
②鏈輪齒數(shù)
③配用鏈條的節(jié)距，滾子外徑mm
④分度圓直徑
85.23mm （61）
⑤齒頂圓直徑
mm （62）
取dmm
⑥齒根圓直徑
77.28mm （63）
8.2 曲柄軸與撥草輪之間的鏈輪傳動(dòng)
(1)選用滾子鏈傳動(dòng)。
(2)小鏈輪齒數(shù) （），應(yīng)參照鏈速和傳動(dòng)比選取 。
(3)兩組鏈輪的傳動(dòng)比相同，即=2 則。
(4)鏈條節(jié)距選用根據(jù)設(shè)計(jì)功率和小鏈輪轉(zhuǎn)速由小鏈輪齒數(shù)標(biāo)準(zhǔn)A系列滾子鏈的額定功率曲線圖選用合適的節(jié)距，選用08A系列的鏈子則mm。
(5)驗(yàn)算鏈輪輪轂孔徑
鏈輪輪轂孔的最大許用直徑，查鏈輪輪轂孔的最大許用直徑
=34 合理
(6)初定中心距 根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，則mm。
(7)鏈長(zhǎng)節(jié)數(shù)
（64）
式中 ——以節(jié)數(shù)表示的中心距初定值
31.1 （65）
—— 系數(shù)
2.23 （66）
則圓整為整數(shù)并取偶數(shù)，則
(8)鏈條長(zhǎng)度
1.19m （67）
(9)鏈速
m/s （68）
(10)滾子鏈鏈輪尺寸①鏈輪材料選用45
②鏈輪齒數(shù)
③配用鏈條的節(jié)距，滾子外徑mm
④分度圓直徑
（69）
85.23mm
170.01mm
⑤齒頂圓直徑
（70）
mm
取dmm
⑥）齒根圓直徑
（71）
83.01mm
168.46mm
曲柄主軸與傳動(dòng)帶之間的鏈輪傳動(dòng)以及撥草輪與中間撥草輪之間的鏈輪傳動(dòng)都采用同步傳動(dòng)，可根據(jù)上面的計(jì)算求得所要的鏈輪參數(shù)，不再一一計(jì)算。
另外輸送裝置不再做詳細(xì)的設(shè)計(jì)說明，具體以裝配圖為準(zhǔn)。
9 結(jié)論
本論文所研究的割草機(jī)是一種小型的龍須草收割機(jī)。目前，我國(guó)龍須草的種植收獲主要依靠人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大，功效低，難以適應(yīng)規(guī)模化及市場(chǎng)發(fā)展的要求。本論文所設(shè)計(jì)的小型龍須草收割機(jī)能適當(dāng)?shù)臏p輕牧草收獲時(shí)繁重的體力勞動(dòng)，同時(shí)也符合龍須草收割機(jī)的農(nóng)藝要求，其主要特點(diǎn)如下：
（1）龍須草收割機(jī)機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，小巧靈活，轉(zhuǎn)移方便且操作簡(jiǎn)捷，整機(jī)通過性能好，適應(yīng)性強(qiáng)，可收割山川、丘陵、梯田，套種田等中小塊龍須草。
（2）龍須草收割機(jī)的切割裝置采用模仿人工夾持切割裝置設(shè)計(jì)，這對(duì)收獲龍須草為主的柔性莖稈特性的草類品種具有較好的適應(yīng)性。刀片與刀桿構(gòu)成一體，避免了刀片和刀桿在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)作不一，出現(xiàn)晃動(dòng)，并且刀片采用光刃，切割龍須草草的阻力小，割茬平整。
（3）龍須草草收割機(jī)整機(jī)性好，基本都是通用標(biāo)準(zhǔn)件，普通材料制成，易造耐用。維護(hù)、保養(yǎng)運(yùn)輸方便、經(jīng)濟(jì)。龍須草收割機(jī)技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)已達(dá)到了預(yù)定的要求。
隨著龍須草產(chǎn)業(yè)的迅速崛起，給龍須草機(jī)械化發(fā)展帶來了新的機(jī)遇，小型龍須草收割機(jī)市場(chǎng)需求空間很大，前景廣闊。
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