壟作玉米機械除草裝置的設計-除草機含8張CAD圖

壟作玉米機械除草裝置的設計-除草機含8張CAD圖,壟作,玉米,機械,除草,裝置,設計,除草機,CAD a 壟作玉米機械除草裝置的設計 摘 要 玉米作為我國主要的糧食作物，可供食用，又可被用于作為動物飼養(yǎng)，在工業(yè)生產等方面也有廣泛應用，因此保障玉米產量對于發(fā)展畜牧業(yè)和工業(yè)都具有非常重要的意義。田間草害是導致玉米產量下降主要因素之一，相關研究表明，嚴重的草害可使玉米產量下降50%以上。機械除草作為田間草害的重要解決手段，雖有較長的發(fā)展歷史，但仍然存在破土率低，傷苗率高的問題。 本文在分析現有機械除草技術的基礎上，針對我國現有的機械除草裝置研究存在的不足，設計了壟作玉米機械除草裝置，針對現有中耕機作業(yè)時苗間除草效率低、傷苗率高等問題，設計了壟作玉米機械除草裝置，在設計中，確定了除草刀刀刃曲線及其基本尺寸，并用反轉法設計了凸輪，通過凸輪搖桿機構的設計將電機的連續(xù)轉動轉換為除草刀的往復擺動，降低了傷苗率。詳細描述了苗間除草裝置的主要結構和工作原理，建立和分析了除草刀避苗運動軌跡數學模型，優(yōu)化除草裝置避苗運動軌跡，用反轉法設計了凸輪，并在此基礎上對壟作玉米機械除草裝置的關鍵部件，如除草刀，凸輪搖桿機構和彈簧等進行了設計。對比于傳統除草機械，本文擬設計的除草機將電機的旋轉通過凸輪轉變?yōu)槌莸兜耐鶑瓦\動，降低了傷苗率。 關鍵詞：凸輪搖桿；除草；傷苗率；反轉法 Design on Mechanical Weeding Device of Ripple Maize Abstract Maize is one of the main food crops in China. It is not only edible for people, but also used in animal feed and industrial production. Therefore, ensuring corn production is of great significance for the development of animal husbandry and industry. Field grass damage is one of the main factors leading to the decline of corn yield. Relevant research shows that severe grass damage can reduce corn yield by more than 50%. At present, the main methods of weeding in China include manual weeding, chemical weeding, and mechanical weeding. Manual weeding is labor intensive and inefficient, and only a few areas use manual weeding methods. The chemical weeding machine has high efficiency and saves manpower. It is the current mainstream weeding method, but the chemical weeding method effectively controls the weeds and also has many adverse effects. For example, repeated use of herbicides makes the field weeds resistant and seriously pollutes the farmland environment. Pesticide residues threaten people's diet and health. In recent years, with the increasing awareness of environmental protection, mechanical weeding has gradually attracted people's attention. Mechanical weeding has the advantages of high herbicidal efficiency and low environmental pollution. Therefore, research on mechanical weeding is of great significance. In order to solve the problems of low weeding efficiency and high rate of seedling damage during the operation of the existing cultivator, a CAM rocker swinging weeding device between seedlings was designed. Through the design of CAM rocker mechanism, the continuous rotation of the motor was converted into the reciprocating swing of the weeding cutter, so as to achieve the purpose of weeding without harming the seedlings. The main structure and working principle of the inter-seedling weeding device were described, the mathematical model of the movement track of the weeding cutter to avoid seedlings was established and analyzed, and the movement track of the weeding device to avoid seedlings was optimized. On this basis, the key components of the cam-rocker swinging inter-seedling weeding device, such as weeding cutter, cam-rocker mechanism and spring, were designed. Key words: rocker CAM ;weeding ;injure rate；reversal process 目 錄 1 緒論 1 1.1 課題背景與意義 1 1.2 國內外研究現狀 2 1.2.1 爪式株間玉米機械除草裝置 2 1.2.2 刷式株間機械除草裝置 3 1.2.3 智能株間機械除草裝置 3 2 技術任務書（JR） 5 2.1 設計依據 5 2.3 主要技術參數 5 2.4 主要研究內容 6 3 設計計算說明書（SS） 7 3.1 整機結構及工作原理 7 3.1.1 整機結構 7 3.1.2 工作原理 7 3.2 除草刀設計 7 3.2.1 除草刀基本尺寸設計 7 3.2.2 除草刀切刃曲線設計 8 3.3 凸輪搖桿機構設計 8 3.3.1 凸輪基本尺寸的設計 9 3.3.2 凸輪運動規(guī)律選擇 10 3.3.3 擺桿長度設計 11 3.3.4 凸輪機構輪廓曲線的設計 11 3.4 除草刀受力分析及彈簧參數確定 12 3.4.1 除草刀的運動分析 12 3.4.2 除草刀受力分析及彈簧參數 13 3.4.3 齒輪軸及齒輪設計 14 3.5 減速器設計 16 3.5.1 擬定減速器傳動方案 16 3.5.2 減速器電動機選擇 17 3.5.3 計算傳動裝置總傳動比和分配各級傳動比 18 3.5.4 計算減速器傳動裝置的運動和動力參數 18 3.5.5 帶輪設計 19 3.5.6 減速器軸的設計 21 3.5.7 減速器齒輪設計 21 3.5.8 減速器軸校核 23 3.5.9 鍵的選擇 25 3.5.10 減速器附件選擇 25 4 使用說明書 27 4.1 操作說明 27 4.2 注意事項 27 5 標準化審查報告 28 結 論 29 參考文獻 30 致 謝 32 1 緒論 1.1 課題背景與意義 近年來，我國玉米的種植面積與產量大幅增加。2021年，玉米種植面積超過3700萬公頃，產量達到1.5億至2.7億噸，玉米的穩(wěn)產對保障國家糧食戰(zhàn)略安全起著至關重要的作用[1]。我國玉米的總產量雖然令他國羨慕，但單產卻不盡人意。加強農業(yè)管理，控制雜草是提高玉米產量的有效途徑；其中，人工除草、化學除草和機械除草是應用最廣泛的除草方法，而其他除草方法由于成本高、適應性差，仍難以廣泛應用[2-5]。田間雜草是農業(yè)生態(tài)系統的一部分，雜草會與作物競爭生長資源，導致作物營養(yǎng)不良，無法生長，也容易使病蟲害滋生，影響農作物的栽培。因此，農田雜草是制約作物高產的主要因素之一[6，7]。我國作為一個糧食消耗大國，每年因草害損失的糧食達數百億公斤[18]。因此，除草在農業(yè)生產中的地位極高。研究和開發(fā)除草技術和設備對保證糧食的生長具有重要意義?，F在世界上主要的除草方法有人工除草、化學除草、機械除草、生物除草和熱電除草等[8-10]。在經濟技術和社會的快速發(fā)展的今天，原本的除草方法除草效率低、人工成本高等弊端日益突出。田間最常用的除草方法是藥劑除草，這種除草方法可以同時清除行間和幼苗間的雜草。藥劑除草省力、省時、快捷、高效。然而，除草劑的長期使用也給農業(yè)帶來環(huán)境污染和雜草抗性增強等問題，威脅著人們的飲食健康[11]。隨著全民環(huán)境保護意識的增強，機械除草的應用開始廣泛應用，機械除草是去除田間雜草最常用的方法 [12-15]。機械除草具有工作效率高、勞動強度低、無環(huán)境污染等優(yōu)點，還不會破壞土壤養(yǎng)分。隨著現代農業(yè)技術的發(fā)展，應用傷苗率低，無環(huán)境污染的除草機已經引起人們的關注[16，17]。然而，現在的機械除草存在許多問題，首先，現階段的除草機雖可以消除行間雜草，但由于雜草的幼苗與作物相似，故雜草幼苗難以清除；第二，在連續(xù)實施新政策后，土壤重量和粘度增加，現有的除草機在粘性土的條件下，存在除草、破碎土效果差、操作耗電等問題。因此，在重粘土條件下，設計和開發(fā)一種既能控制行間苗間雜草，又能同減少運行功率消耗的新型機械除草設備具有重要意義[18]。 1.2 國內外研究現狀 行間除草機械已經有了長時間的發(fā)展，并且，大量型號的除草機已經得到推廣和使用。因為幼苗之間的雜草形狀與幼苗相似，因此幼苗之間的除草技術更加困難。隨著現代農業(yè)技術的發(fā)展，苗 (株) 間的除草機械逐漸發(fā)展起來[18]。 1.2.1 爪式株間玉米機械除草裝置 胡煉等[19,20]設計了一種帶有爪齒的進行余擺線運動的株間機械除草裝置（見圖1-1），該裝置通過算法來控制爪齒進行余擺線運動以達到避苗以及除草的目的。陳勇等設計了智能除草機器人人（見圖1-2）。該裝置使用除草刀切割雜草，并在雜草斷裂處涂抹除草劑，以完全消除雜草[21-23]。吳建等[24]設計了一種自動可視除草機器人。 圖1-1 爪式株間機械除草機 圖1-2 智能除草機 Nerremark等人研究了多種類型的植間除草載具人。圖1-3是爪式除草機。該除草機通過匹配載具的前進速度和爪齒轉速，同時實現了避苗和除草[25-30]。 圖1-3 爪式株間除草機構 1.2.2 刷式株間機械除草裝置 奧胡斯大學的Melander等人設計了一種刷盤式作物間除草機（見圖1-4）。它的原理是刷盤與地面相對旋轉，去除雜草。經驗證，該除草機除草除草率高，刷盤轉速與載具的行進速度對除草效果基本沒有影響 [31]。 圖1-4 刷式株間除草機構 1.2.3 智能株間機械除草裝置 圖1-5展示了Hortibot帶有視覺檢測系統和GPS導航系統的株間除草載具人，實驗表明這種除草載具人具有更好的操作效果[18]。 圖1-5 智能型株間除草機器人 Blasco等人設計的一種用于蔬菜地的植物間除草平臺（見圖1-6），其中載具視覺系統可以在幼苗之間定為雜草信息，依靠機械手末端釋放的高壓來達到除草的目的[19]。 圖1-6 智能化株間除草機 此外，現有的苗間除草裝置根據其有無電源可分為主動除草裝置和被動除草裝置[20]，被動除草裝置主要包括彈性齒、指狀和刷式除草裝置，其結構如圖1-7所示，該類除草裝置的作業(yè)原理是依靠被動旋轉來除草[18]。 圖1-7 現有除草機構類型 近年來，隨著新的農業(yè)政策實施和全民環(huán)保意識的加強，機械除草已經逐漸被重視。對于機械除草裝置，我國也進行了相關研究，盡管取得了不少成果。但是，還存在一些問題： 1）我國的機械除草裝置的研究主要集中于行間除草，而對株間機械除草的研究，還是在模仿和改進他國的成果。 2）中國在質量大且粘性高的土壤條件下的農機研究比起國外已然落后。僅僅是修改了傳遞類型。除碎土率低以外，高運行功耗已成為除草機的主要制約因素。 35 2 技術任務書（JR） 2.1 設計依據 首先，傳統的除草機雖可以消除行間雜草，但由于雜草的幼苗與作物相似，故雜草幼苗難以清除；第二，在連續(xù)實施新政策后，土壤重量和粘度增加，現有的除草機在粘性土的條件下，存在除草、破碎土效果差、操作耗電等問題。因此，在重粘土條件下，設計和開發(fā)一種既能控制行間苗間雜草，又能同減少運行功率消耗的新型機械除草設備具有重要意義[18]。。本文在分析了現有的機械除草技術后，結合重且黏性高的土壤環(huán)境和壟作玉米的種植特點，設計了一種由回位彈簧、凸輪、擺桿、刀軸、除草刀、一級圓柱直齒輪減速器等部件組成的壟作玉米機械除草裝置。在原有裝置的基礎上，在除草機上方增加了減速器，增加了除草機主軸獲得的扭矩，與除草刀受到的力，以滿足除草作業(yè)的要求。 2.2 產品的用途及適用范圍 本文設計的除草機適用于土壤環(huán)境具有粘性和重質轉化的農村土地，尤其適用于播種后幼苗剛剛發(fā)育的時期，因為此時，幼苗的形狀與雜草形狀更為接近，除草機可以準確地切割雜草，避免幼苗受傷。這樣，可以大大降低農村除草作業(yè)的強度，為農民節(jié)省時間。 2.3 主要技術參數 壟作玉米機械除草機構的主要技術參數如表2-1所示。 表2-1 主要技術參數 參數項目 參數 電動機功率（KW） 4.0 自重（kg） 29 凸輪擺桿長度（m） 64.47 凸輪最大擺角（rad） π/4 彈簧剛度（N/mm） 72 除草刀厚度(mm) 7.83 除草刀刀寬(mm) 106 2.4 主要研究內容 本文擬設計一種壟作型玉米機械除草裝置。具體內容包括： （1） 凸輪搖桿機構的設計，具體是對凸輪輪廓，凸輪擺桿，凸輪運動角的設計，先確定除草刀刀刃曲線并通過刀刃曲線設計凸輪的運動角，根據主動件與從動件的配合確定凸輪的運動規(guī)律，通過極坐標法確定凸輪擺桿長度。 （2） 除草刀的設計，具體為除草刀基本尺寸設計，除草刀刀刃曲線和軌跡的設計，根據玉米壟臺的實際寬度和除草的覆蓋率確定除草刀的基本尺寸，根據玉米苗的直徑驅動除草刀的切刃曲線。 （3） 減速器的設計，具體為帶輪，齒輪的設計，傳動比的確定，電機的選擇。 3 設計計算說明書（SS） 3.1 整機結構及工作原理 3.1.1 整機結構 壟作玉米機械除草機構的整機結構如圖3-1[18]所示。 圖3-1 凸輪搖桿式擺動型玉米苗間除草機構 3.1.2 工作原理 工作時，秧苗之間的壟作型玉米機械除草裝置與智能除草機相連，使兩把除草刀分別為位于作物育苗帶兩側的幼苗之間，用除草刀進行植株之間的除草操作時，隨著載具向前移動，除草刀靠近幼苗，智能耕作機檢測系統檢測出幼苗并發(fā)送信號給單片機，單片機對信號進行處理后，向電機驅動器發(fā)出指令，電機開始轉動。電機的轉動帶動除草機的主軸轉動。主軸向一對嚙合齒輪提供動力，齒輪下部是兩個凸輪，兩個凸輪分別推動其固定有除草刀軸的擺桿，此時除草刀成開背式，隨載具移動避開幼苗，在除草刀避開幼苗后，除草刀在拉伸彈簧張力的作用下返回原位，完成避苗運動。這一過程可作為除草裝置的一個工作流程。 3.2 除草刀設計 3.2.1 除草刀基本尺寸設計 如圖3-2[18]所示，本文所描述機構的除草刀的結構尺寸主要有刀寬L1，車削中心到刀尖的距離L2，與回轉中心至刀背的距離L3組成。 圖3-2 除草刀結構示意圖 1.玉米幼苗 2.除草刀3.玉米壟作臺 在影響除草效率的諸多因素中，除草刀的寬度占據著很重要的地位，刀寬過小會降低兩幼苗間的雜草的覆蓋率，使除草率降低；如果寬度太大，會增加能耗。經查證，L/2一般≤l1≤l，l為玉米的壟臺寬度。我國的玉米壟臺寬度的平均值在179mm左右，所以統計后取L1=0.6L=106mm。合理選擇除草刀回轉中心的位置，就可以大幅減小擺動過程中所受到的阻力力矩，而L/4120 （3-31） 故根據文獻查閱可得，包角合格。 （7）求V帶根數 根據之前算出的數據可得n1=960r/min，d1=120mm，查表可得P0=0.95 傳動比i=d2d11+0.0141 =3.5，?P0=0.05，且已知包角等于145.21°故可由查表得Ka=0.92,KL=0.99 故V帶的根數為：z=4.40.92×0.99=3根 （8）計算作用在帶上的壓力 經查表可得，單根V帶的初始壓力為： FQ=500pczv2.5Kα?1+qv2 (3-32) 式中： FQ——單根V帶的初始壓力,F； z——V帶的數量。 3.5.6 減速器軸的設計 初做軸直徑： (3-33) 式中： d——軸的直徑，mm; c——系數； P——軸傳遞的功率，W。 軸I和軸II選用45#鋼，c=110，d1=110×133.8/320=25.096mm，取d1=28mm d2=110×133.65/60=43.262mm，由于d2與聯軸器聯接，且聯軸器為標準件，由軸II扭矩，查表可知，取YL10YLd10聯軸器，又由于Tn=630>580.5878Nm ，軸II直徑與聯軸器內孔一致，取d2=45mm 3.5.7 減速器齒輪設計 （1）齒輪強度計算 由n2=320r/min，P=3.8Kw，i=3可知，采用軟齒面，小齒輪40MnB調質，齒面硬度為260HBS，大齒輪用ZG35SiMn調質齒面硬度為225HBS。因σHlim1=700MPa，σHlim2=540MPa SH1=1.1， SH2=1.1 σH1=σH1lim1SH1=636MPa σH2=σH2lim21.1=491MPa （3-34） 式中： SH1——小齒輪許用應力，MPa； SH2——大齒輪許用應力，MPa； σH1 ——小齒輪接觸應力，MPa； σH2 ——大齒輪接觸應力，MPa。 因：σFlim1=240MPa，σFlim2=180MPa，SF=1.3 σF1=σFlim1SF=185MPa σF2=σFlim2SF =138MPa (3-35) 式中： σF1 ——小齒輪彎曲應力，MPa； σF2 ——大齒輪彎曲應力，MPa。 （2）設計接觸強度設 經查證，取載荷系數K=1.5，齒寬系數σa=0.4則小齒輪上的轉矩為： T1=9550×PN=113.4063Nm a≥μ±13335σH2KT1φa （3-36） 式中： a——中心距，mm； K——載荷系數； T1——小齒輪轉矩，N.m； μ——大小齒輪齒數比。 則有u=i=5.333，代入數據得：中心距a為124.2331mm,齒數z1=19，則z2=z1×5.333=101，模數m=2az1+z2=2.0667取模數m＝2.5，確定中心矩a=mz1+z22 =150mm，齒寬b=φa×a=60mm，b1=70mm，b2=60mm。 （3）驗算彎曲強度 齒形系數YF1=2.57，YF2=2.18，根據參考文獻可知，輪齒彎曲強度： σF1=2KT1×YF1bm2z1=122.7KN<σF1P σF2=122.7×2.182.57=104.9KN<σF2P （3-37） （4）齒輪圓周速度 v=πd1n160×1000=0.7955<3m/s （3-38） 式中： v—齒輪圓周速度，m/s； σF1—小齒輪輪齒彎曲強度，KN ； σF2—大齒輪輪齒彎曲強度，KN。 按參考文獻應選9做精度，與初選一致。 3.5.8 減速器軸校核 圓周力Ft=2T/d1，徑向力Fr=Ft*tan，已知=20度為標準壓力角d=mz=252.5mm，Ft=2T/d1=5852.5N，Fr=5852.5×tan20=2031.9N （1）求垂直面的支承力Fr1，Fr2 由： Fr2×L?Fr×L2=0 （3-39） 式中: Fr1—小直徑軸垂直面支承力,F; Fr2—大直徑軸垂直面支承力,F； L—力臂長度，m。 得Fr2=Fr/2=1015.9N （2）求水平平面的支承力 FH1=FH2=Ft2=2791.2N （3-40） 式中： FH1—小直徑軸水平平面的支承力，F； FH2—大直徑軸水平平面的支承力，F。 Ft—圓周力，F。 （3）求垂直面彎矩 L=20+20+90+10=140mm Mav=Fr2×L2=71.11Nm （3-41） 式中： Mav—垂直面彎矩，Nmm。 （4）求水平面彎矩 MaH=FH×L2=195.384Nm (3-42) 式中： MaH—水平面彎矩，Nmm。 （5）求合成彎矩 Ma=Mav2+Ma?2=216.16Nm （3-43） 式中： Ma—總彎矩，Nmm。 （6）求軸傳遞轉矩 T=Ft×d2/2=2791.2×2.5×101/2=352.389Nm (3-44) 式中: T—軸的傳遞轉矩，Nmm； Ft—圓周力，F； d2—小圓直徑，mm。 （7）求危險截面的當量彎矩 從圖可見a-a截面是最危險截面，其當量彎矩為 (3-45) 式中： Me—當量彎矩，Nm； Ma—軸所受彎矩，Nm； a—折合系數； T—轉矩，Nm。 軸的扭切應力是脈動循環(huán)應力,取折合系數a=0.6代入上式可得。 （8）計算危險截面處軸的直徑 軸的材料，用45#鋼，調質處理，由表14-1查得σb=650MPa，由表13-3查得許用彎曲應力，所以 d≥3Me0.1×σ?1b=25.40mm (3-46) 式中： d——軸的最小危險直徑，mm。 考