垄作玉米机械除草装置的设计-除草机含8张CAD图

垄作玉米机械除草装置的设计-除草机含8张CAD图,垄作,玉米,机械,除草,装置,设计,除草机,CAD a 垄作玉米机械除草装置的设计 摘 要 玉米作为我国主要的粮食作物，可供食用，又可被用于作为动物饲养，在工业生产等方面也有广泛应用，因此保障玉米产量对于发展畜牧业和工业都具有非常重要的意义。田间草害是导致玉米产量下降主要因素之一，相关研究表明，严重的草害可使玉米产量下降50%以上。机械除草作为田间草害的重要解决手段，虽有较长的发展历史，但仍然存在破土率低，伤苗率高的问题。 本文在分析现有机械除草技术的基础上，针对我国现有的机械除草装置研究存在的不足，设计了垄作玉米机械除草装置，针对现有中耕机作业时苗间除草效率低、伤苗率高等问题，设计了垄作玉米机械除草装置，在设计中，确定了除草刀刀刃曲线及其基本尺寸，并用反转法设计了凸轮，通过凸轮摇杆机构的设计将电机的连续转动转换为除草刀的往复摆动，降低了伤苗率。详细描述了苗间除草装置的主要结构和工作原理，建立和分析了除草刀避苗运动轨迹数学模型，优化除草装置避苗运动轨迹，用反转法设计了凸轮，并在此基础上对垄作玉米机械除草装置的关键部件，如除草刀，凸轮摇杆机构和弹簧等进行了设计。对比于传统除草机械，本文拟设计的除草机将电机的旋转通过凸轮转变为除草刀的往复运动，降低了伤苗率。 关键词：凸轮摇杆；除草；伤苗率；反转法 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 录 1 绪论 1 1.1 课题背景与意义 1 1.2 国内外研究现状 2 1.2.1 爪式株间玉米机械除草装置 2 1.2.2 刷式株间机械除草装置 3 1.2.3 智能株间机械除草装置 3 2 技术任务书（JR） 5 2.1 设计依据 5 2.3 主要技术参数 5 2.4 主要研究内容 6 3 设计计算说明书（SS） 7 3.1 整机结构及工作原理 7 3.1.1 整机结构 7 3.1.2 工作原理 7 3.2 除草刀设计 7 3.2.1 除草刀基本尺寸设计 7 3.2.2 除草刀切刃曲线设计 8 3.3 凸轮摇杆机构设计 8 3.3.1 凸轮基本尺寸的设计 9 3.3.2 凸轮运动规律选择 10 3.3.3 摆杆长度设计 11 3.3.4 凸轮机构轮廓曲线的设计 11 3.4 除草刀受力分析及弹簧参数确定 12 3.4.1 除草刀的运动分析 12 3.4.2 除草刀受力分析及弹簧参数 13 3.4.3 齿轮轴及齿轮设计 14 3.5 减速器设计 16 3.5.1 拟定减速器传动方案 16 3.5.2 减速器电动机选择 17 3.5.3 计算传动装置总传动比和分配各级传动比 18 3.5.4 计算减速器传动装置的运动和动力参数 18 3.5.5 带轮设计 19 3.5.6 减速器轴的设计 21 3.5.7 减速器齿轮设计 21 3.5.8 减速器轴校核 23 3.5.9 键的选择 25 3.5.10 减速器附件选择 25 4 使用说明书 27 4.1 操作说明 27 4.2 注意事项 27 5 标准化审查报告 28 结 论 29 参考文献 30 致 谢 32 1 绪论 1.1 课题背景与意义 近年来，我国玉米的种植面积与产量大幅增加。2021年，玉米种植面积超过3700万公顷，产量达到1.5亿至2.7亿吨，玉米的稳产对保障国家粮食战略安全起着至关重要的作用[1]。我国玉米的总产量虽然令他国羡慕，但单产却不尽人意。加强农业管理，控制杂草是提高玉米产量的有效途径；其中，人工除草、化学除草和机械除草是应用最广泛的除草方法，而其他除草方法由于成本高、适应性差，仍难以广泛应用[2-5]。田间杂草是农业生态系统的一部分，杂草会与作物竞争生长资源，导致作物营养不良，无法生长，也容易使病虫害滋生，影响农作物的栽培。因此，农田杂草是制约作物高产的主要因素之一[6，7]。我国作为一个粮食消耗大国，每年因草害损失的粮食达数百亿公斤[18]。因此，除草在农业生产中的地位极高。研究和开发除草技术和设备对保证粮食的生长具有重要意义。现在世界上主要的除草方法有人工除草、化学除草、机械除草、生物除草和热电除草等[8-10]。在经济技术和社会的快速发展的今天，原本的除草方法除草效率低、人工成本高等弊端日益突出。田间最常用的除草方法是药剂除草，这种除草方法可以同时清除行间和幼苗间的杂草。药剂除草省力、省时、快捷、高效。然而，除草剂的长期使用也给农业带来环境污染和杂草抗性增强等问题，威胁着人们的饮食健康[11]。随着全民环境保护意识的增强，机械除草的应用开始广泛应用，机械除草是去除田间杂草最常用的方法 [12-15]。机械除草具有工作效率高、劳动强度低、无环境污染等优点，还不会破坏土壤养分。随着现代农业技术的发展，应用伤苗率低，无环境污染的除草机已经引起人们的关注[16，17]。然而，现在的机械除草存在许多问题，首先，现阶段的除草机虽可以消除行间杂草，但由于杂草的幼苗与作物相似，故杂草幼苗难以清除；第二，在连续实施新政策后，土壤重量和粘度增加，现有的除草机在粘性土的条件下，存在除草、破碎土效果差、操作耗电等问题。因此，在重粘土条件下，设计和开发一种既能控制行间苗间杂草，又能同减少运行功率消耗的新型机械除草设备具有重要意义[18]。 1.2 国内外研究现状 行间除草机械已经有了长时间的发展，并且，大量型号的除草机已经得到推广和使用。因为幼苗之间的杂草形状与幼苗相似，因此幼苗之间的除草技术更加困难。随着现代农业技术的发展，苗 (株) 间的除草机械逐渐发展起来[18]。 1.2.1 爪式株间玉米机械除草装置 胡炼等[19,20]设计了一种带有爪齿的进行余摆线运动的株间机械除草装置（见图1-1），该装置通过算法来控制爪齿进行余摆线运动以达到避苗以及除草的目的。陈勇等设计了智能除草机器人人（见图1-2）。该装置使用除草刀切割杂草，并在杂草断裂处涂抹除草剂，以完全消除杂草[21-23]。吴建等[24]设计了一种自动可视除草机器人。 图1-1 爪式株间机械除草机 图1-2 智能除草机 Nerremark等人研究了多种类型的植间除草载具人。图1-3是爪式除草机。该除草机通过匹配载具的前进速度和爪齿转速，同时实现了避苗和除草[25-30]。 图1-3 爪式株间除草机构 1.2.2 刷式株间机械除草装置 奥胡斯大学的Melander等人设计了一种刷盘式作物间除草机（见图1-4）。它的原理是刷盘与地面相对旋转，去除杂草。经验证，该除草机除草除草率高，刷盘转速与载具的行进速度对除草效果基本没有影响 [31]。 图1-4 刷式株间除草机构 1.2.3 智能株间机械除草装置 图1-5展示了Hortibot带有视觉检测系统和GPS导航系统的株间除草载具人，实验表明这种除草载具人具有更好的操作效果[18]。 图1-5 智能型株间除草机器人 Blasco等人设计的一种用于蔬菜地的植物间除草平台（见图1-6），其中载具视觉系统可以在幼苗之间定为杂草信息，依靠机械手末端释放的高压来达到除草的目的[19]。 图1-6 智能化株间除草机 此外，现有的苗间除草装置根据其有无电源可分为主动除草装置和被动除草装置[20]，被动除草装置主要包括弹性齿、指状和刷式除草装置，其结构如图1-7所示，该类除草装置的作业原理是依靠被动旋转来除草[18]。 图1-7 现有除草机构类型 近年来，随着新的农业政策实施和全民环保意识的加强，机械除草已经逐渐被重视。对于机械除草装置，我国也进行了相关研究，尽管取得了不少成果。但是，还存在一些问题： 1）我国的机械除草装置的研究主要集中于行间除草，而对株间机械除草的研究，还是在模仿和改进他国的成果。 2）中国在质量大且粘性高的土壤条件下的农机研究比起国外已然落后。仅仅是修改了传递类型。除碎土率低以外，高运行功耗已成为除草机的主要制约因素。 35 2 技术任务书（JR） 2.1 设计依据 首先，传统的除草机虽可以消除行间杂草，但由于杂草的幼苗与作物相似，故杂草幼苗难以清除；第二，在连续实施新政策后，土壤重量和粘度增加，现有的除草机在粘性土的条件下，存在除草、破碎土效果差、操作耗电等问题。因此，在重粘土条件下，设计和开发一种既能控制行间苗间杂草，又能同减少运行功率消耗的新型机械除草设备具有重要意义[18]。。本文在分析了现有的机械除草技术后，结合重且黏性高的土壤环境和垄作玉米的种植特点，设计了一种由回位弹簧、凸轮、摆杆、刀轴、除草刀、一级圆柱直齿轮减速器等部件组成的垄作玉米机械除草装置。在原有装置的基础上，在除草机上方增加了减速器，增加了除草机主轴获得的扭矩，与除草刀受到的力，以满足除草作业的要求。 2.2 产品的用途及适用范围 本文设计的除草机适用于土壤环境具有粘性和重质转化的农村土地，尤其适用于播种后幼苗刚刚发育的时期，因为此时，幼苗的形状与杂草形状更为接近，除草机可以准确地切割杂草，避免幼苗受伤。这样，可以大大降低农村除草作业的强度，为农民节省时间。 2.3 主要技术参数 垄作玉米机械除草机构的主要技术参数如表2-1所示。 表2-1 主要技术参数 参数项目 参数 电动机功率（KW） 4.0 自重（kg） 29 凸轮摆杆长度（m） 64.47 凸轮最大摆角（rad） π/4 弹簧刚度（N/mm） 72 除草刀厚度(mm) 7.83 除草刀刀宽(mm) 106 2.4 主要研究内容 本文拟设计一种垄作型玉米机械除草装置。具体内容包括： （1） 凸轮摇杆机构的设计，具体是对凸轮轮廓，凸轮摆杆，凸轮运动角的设计，先确定除草刀刀刃曲线并通过刀刃曲线设计凸轮的运动角，根据主动件与从动件的配合确定凸轮的运动规律，通过极坐标法确定凸轮摆杆长度。 （2） 除草刀的设计，具体为除草刀基本尺寸设计，除草刀刀刃曲线和轨迹的设计，根据玉米垄台的实际宽度和除草的覆盖率确定除草刀的基本尺寸，根据玉米苗的直径驱动除草刀的切刃曲线。 （3） 减速器的设计，具体为带轮，齿轮的设计，传动比的确定，电机的选择。 3 设计计算说明书（SS） 3.1 整机结构及工作原理 3.1.1 整机结构 垄作玉米机械除草机构的整机结构如图3-1[18]所示。 图3-1 凸轮摇杆式摆动型玉米苗间除草机构 3.1.2 工作原理 工作时，秧苗之间的垄作型玉米机械除草装置与智能除草机相连，使两把除草刀分别为位于作物育苗带两侧的幼苗之间，用除草刀进行植株之间的除草操作时，随着载具向前移动，除草刀靠近幼苗，智能耕作机检测系统检测出幼苗并发送信号给单片机，单片机对信号进行处理后，向电机驱动器发出指令，电机开始转动。电机的转动带动除草机的主轴转动。主轴向一对啮合齿轮提供动力，齿轮下部是两个凸轮，两个凸轮分别推动其固定有除草刀轴的摆杆，此时除草刀成开背式，随载具移动避开幼苗，在除草刀避开幼苗后，除草刀在拉伸弹簧张力的作用下返回原位，完成避苗运动。这一过程可作为除草装置的一个工作流程。 3.2 除草刀设计 3.2.1 除草刀基本尺寸设计 如图3-2[18]所示，本文所描述机构的除草刀的结构尺寸主要有刀宽L1，车削中心到刀尖的距离L2，与回转中心至刀背的距离L3组成。 图3-2 除草刀结构示意图 1.玉米幼苗 2.除草刀3.玉米垄作台 在影响除草效率的诸多因素中，除草刀的宽度占据着很重要的地位，刀宽过小会降低两幼苗间的杂草的覆盖率，使除草率降低；如果宽度太大，会增加能耗。经查证，L/2一般≤l1≤l，l为玉米的垄台宽度。我国的玉米垄台宽度的平均值在179mm左右，所以统计后取L1=0.6L=106mm。合理选择除草刀回转中心的位置，就可以大幅减小摆动过程中所受到的阻力力矩，而L/4120 （3-31） 故根据文献查阅可得，包角合格。 （7）求V带根数 根据之前算出的数据可得n1=960r/min，d1=120mm，查表可得P0=0.95 传动比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带的根数为：z=4.40.92×0.99=3根 （8）计算作用在带上的压力 经查表可得，单根V带的初始压力为： FQ=500pczv2.5Kα−1+qv2 (3-32) 式中： FQ——单根V带的初始压力,F； z——V带的数量。 3.5.6 减速器轴的设计 初做轴直径： (3-33) 式中： d——轴的直径，mm; c——系数； P——轴传递的功率，W。 轴I和轴II选用45#钢，c=110，d1=110×133.8/320=25.096mm，取d1=28mm d2=110×133.65/60=43.262mm，由于d2与联轴器联接，且联轴器为标准件，由轴II扭矩，查表可知，取YL10YLd10联轴器，又由于Tn=630>580.5878Nm ，轴II直径与联轴器内孔一致，取d2=45mm 3.5.7 减速器齿轮设计 （1）齿轮强度计算 由n2=320r/min，P=3.8Kw，i=3可知，采用软齿面，小齿轮40MnB调质，齿面硬度为260HBS，大齿轮用ZG35SiMn调质齿面硬度为225HBS。因σHlim1=700MPa，σHlim2=540MPa SH1=1.1， SH2=1.1 σH1=σH1lim1SH1=636MPa σH2=σH2lim21.1=491MPa （3-34） 式中： SH1——小齿轮许用应力，MPa； SH2——大齿轮许用应力，MPa； σH1 ——小齿轮接触应力，MPa； σH2 ——大齿轮接触应力，MPa。 因：σFlim1=240MPa，σFlim2=180MPa，SF=1.3 σF1=σFlim1SF=185MPa σF2=σFlim2SF =138MPa (3-35) 式中： σF1 ——小齿轮弯曲应力，MPa； σF2 ——大齿轮弯曲应力，MPa。 （2）设计接触强度设 经查证，取载荷系数K=1.5，齿宽系数σa=0.4则小齿轮上的转矩为： T1=9550×PN=113.4063Nm a≥μ±13335σH2KT1φa （3-36） 式中： a——中心距，mm； K——载荷系数； T1——小齿轮转矩，N.m； μ——大小齿轮齿数比。 则有u=i=5.333，代入数据得：中心距a为124.2331mm,齿数z1=19，则z2=z1×5.333=101，模数m=2az1+z2=2.0667取模数m＝2.5，确定中心矩a=mz1+z22 =150mm，齿宽b=φa×a=60mm，b1=70mm，b2=60mm。 （3）验算弯曲强度 齿形系数YF1=2.57，YF2=2.18，根据参考文献可知，轮齿弯曲强度： σF1=2KT1×YF1bm2z1=122.7KN<σF1P σF2=122.7×2.182.57=104.9KN<σF2P （3-37） （4）齿轮圆周速度 v=πd1n160×1000=0.7955<3m/s （3-38） 式中： v—齿轮圆周速度，m/s； σF1—小齿轮轮齿弯曲强度，KN ； σF2—大齿轮轮齿弯曲强度，KN。 按参考文献应选9做精度，与初选一致。 3.5.8 减速器轴校核 圆周力Ft=2T/d1，径向力Fr=Ft*tan，已知=20度为标准压力角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—小直径轴垂直面支承力,F; Fr2—大直径轴垂直面支承力,F； L—力臂长度，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—小直径轴水平平面的支承力，F； FH2—大直径轴水平平面的支承力，F。 Ft—圆周力，F。 （3）求垂直面弯矩 L=20+20+90+10=140mm Mav=Fr2×L2=71.11Nm （3-41） 式中： Mav—垂直面弯矩，Nmm。 （4）求水平面弯矩 MaH=FH×L2=195.384Nm (3-42) 式中： MaH—水平面弯矩，Nmm。 （5）求合成弯矩 Ma=Mav2+Maℎ2=216.16Nm （3-43） 式中： Ma—总弯矩，Nmm。 （6）求轴传递转矩 T=Ft×d2/2=2791.2×2.5×101/2=352.389Nm (3-44) 式中: T—轴的传递转矩，Nmm； Ft—圆周力，F； d2—小圆直径，mm。 （7）求危险截面的当量弯矩 从图可见a-a截面是最危险截面，其当量弯矩为 (3-45) 式中： Me—当量弯矩，Nm； Ma—轴所受弯矩，Nm； a—折合系数； T—转矩，Nm。 轴的扭切应力是脉动循环应力,取折合系数a=0.6代入上式可得。 （8）计算危险截面处轴的直径 轴的材料，用45#钢，调质处理，由表14-1查得σb=650MPa，由表13-3查得许用弯曲应力，所以 d≥3Me0.1×σ−1b=25.40mm (3-46) 式中： d——轴的最小危险直径，mm。 考