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1、全日制普通本科生毕业设计 桔园除草机设计 THE DESIGN OF THE CITRUS ORCHARD WEEDER 由于部分原因，说明书已删除大部分，完整版说明书，CAD图纸等，联系153893706 学生姓名： 学 号： 年级专业及班级：2008级机械设计制造及其自 指导老师及职称： 副教授 学 部：理工学部 提交日期：2012年5月 全日制普通本科生毕业设计诚信声明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个
2、人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。同时，本论文的著作权由本人与湖南农业大学东方科技学院、指导教师共同拥有。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计作者签名： 年 月 日 目 录摘要1关键词11 前言1 1.1设计的意义2 1.2产品的用途及使用范围22 桔园除草机的设计原理和参数2 2.1主要工作原理2 2.2主要技术指标和重要技术参数3 2.3已经考虑过的若干方案的比较3 2.3.2桔园除草机的工作设计方案4 2.3.3其他工作设计方案的比较4 2.4关键问题及其解决办法5 2.4.1 增速机构的设计选择5 2.4.2 几种增速方式的实现比较63 桔园除草机的整体设计8
3、 3.1 整体设计方案8 3.1.1桔园除草机的设计原理8 3.1.2 方案的选择94 桔园常见杂草切割阻力研究9 4.1 试验台构成及原理9 4.2研究结果115 齿轮的计算部分11 5.1齿轮设计思路及要求12 5.2齿轮设计过程136 轴的计算部分15 6.1桔园除草机中轴II的设计15 6.2桔园除草机中轴I的设计187 刀具的设计计算部分21 7.1 刀具的概述21 7.2 刀具的运动分析22 7.3 刀具的结构尺寸及相关参数238 端面齿轮及拨杆的设计部分24 8.1端面齿轮和拨杆的概述24 8.2 端面齿轮和拨杆的运动分析249 结论28参考文献28桔园除草机设计学 生指导老师：
4、 摘 要:本设计中，桔园除草机主要利用滚动的轮子带动机械运动，结构简单，连接平稳，噪音极小，并且操作十分容易，既给使用人带来方便，也给周围的人带来舒适，安静的环境,能更好的满足客户的需要。本文基于机械设计和相关的理论研究，设计了桔园除草机的传动部分，并且用凸轮和推杆的设计方法设计了端面齿轮和拨杆。此次设计的桔园除草机的左右两侧对称，其特点是结构简单,受力均匀,运行平稳,摩擦阻力小，弯曲性能好,不易出现堵塞，具有很强的适应性。 关键词:桔园除草机;除草;减速器;凸轮The Design of the Citrus Orchard WeederStudent: Tutor(Oriental Sci
5、ence Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128) Abstract:This design, orchard weeding machine mainly use the scroll wheel drive mechanical motion., has simple structure, low noise, smooth operation, and very easy to use, bring convenience to people around, comfortable and
6、quiet environment. To better meet the needs of the client. Based on the mechanical design and relevant theory research and design, orchard weeding machine transmission part, and the design method of CAM and putting the end gear and dial design. The design of orchard weeding machine, its characterist
7、ic is the symmetry of simple structure, smooth operation, small bending, friction, good performance, do not appear to jam, strong adaptability.Keyword:Hand orchard weeding machine;Cut grass;reducer;Cam1 前言1.1 设计的意义 除草机械至今已有200多年的历史，桔园除草机多使用内燃机作动力，排气污染量和噪声危害严重。国家大力提倡“节能减排”的今天，随着国家“十二五政策”的宣传落实执行，节能产品必
8、将受到越来越多消费者的青睐。保护环境，减少空气污染，从我做起，人人有责，让天空多一点蓝色，减少碳排放，为地球降温，让自己和下一代拥有更健康绿色环境。设计一个无废气污染无噪音污染无废水污染的除草机有着很好的前景。此设计中的桔园除草机主要利用滚动的轮子带动机械运动,结构简单，连接平稳，噪音极小，并且操作十分容易，既给使用人带来方便，也给周围的人带来舒适，安静的环境。1.2 产品的用途及使用范围 由于动力引擎除草机有动力装置，保养，维护费用较高；同时动力引擎除草机主要依靠刀片的高速旋转把草排出，因此，对整机的安全性要求较高，操作时也会给工作人员带来强烈的震动，使操作很不舒适。虽然，动力引擎桔园除草机
9、除草效率较高，除草效果较好，但是，其价格也较昂贵，就目前来说，一般的用户难以接受。通过市场调研，我决定设计一种无引擎驱动，无污染，轻便简洁，操作方便和美观实用适用于一般用户的桔园除草机，无需引擎，可谓绿色环保的除草机。对提倡环保的地域，是理想的除草工具。2 桔园除草机的设计原理和参数2.1 主要工作原理 本次设计的桔园除草机主要利用轮子运动传动变速箱中的齿轮实现刀具的往复运动的功能。桔园除草机由变速齿轮、端面齿轮、拨杆和剪刀等构件组成，端面齿轮和拨杆是一对工作组合。端面齿轮通过自身的转动将旋转方向的力传动给拨杆，引起水平方向的往复运动，从而使刀具自身往复运动。由于除草机变速变矩范围不够大，因此
10、在刀具的选择上尤其注意以提高除草机自身效率为重要原则。 除草机工作时由人推动机器行走，从而使除草机的后轮1传动，带动与其同在一根轴上的大齿轮2传动，通过齿轮2与齿轮3组成的增速机构使速度得以提升，并带动端面凸轮4（为了实现几何形状封闭和便于调整，采取两个端面凸轮以背靠背形式装配）回转，端面凸轮4带动拨杆5运动，通过端面凸轮4与拨杆5组成的转换机构将回转运动变为直线往复运动，使固定其上的活动刀片与固定在机架上的固定刀片形成相对交错运动，完成除草动作。如图1所示：图1 机器的运动简图Fig.1 Machine movement diagram 2.2 主要技术指标和重要技术参数2.2.1 该除草机
11、的总体设计参数外形尺寸：输入功率：轮子转速：力矩：净质量：变速要求：单级刀具，一固定刀片和一活动刀片相互运动2.2.2 该除草机的刀具设计参数表1 刀具设计参数Table1 Tool design parameters 项目切割器的形式切割幅宽刀片间距刀片运动形式刀片往复频率刀片形状配套动力操作人数净重桔园除草机往复切割240mm20mm单动860r/min平形149.1W113r/min1人30kg2.3 已经考虑过的若干方案的比较2.3.1 常见几种除草机械除草原理 （1）滚刀式除草机15。其由带有刀片的滚筒和不动的床刀组成。滚刀的形状像一个圆柱形鼠笼，切割刀呈螺旋形安装在圆柱表面，滚刀旋
12、转带动草茎相对于底刀产生一个逐渐切割的滑动剪切而将草茎剪断。滚刀式除草机剪草的质量取决于滚刀上刀片数和滚刀的转速，滚刀上刀片数越多，单位长度行进中切割的次数就越多，切下的草也越细，滚刀的刀片数一般为312片不等；滚刀的转速越高，切下的草也越细。滚刀式除草机其价格贵，维修保养要求严格。 （2）旋刀式除草机(又称悬刀式)15。它是由横向悬挂在直立轴上的刀片高速旋转打切草的上部叶片。其工作装置为一长条形除草刀或多把除草刀在水平刀盘上，高速旋转的刀刃与草茎碰撞而将其割断，为无支承切割。刀刃的后面是类风叶形状，在高速旋转下，对地面形成一定的真空将草茎吹成直立状态，便于切割并与罩壳相结合，形成涡流将割下的
13、碎草送人集草装置或从罩壳出口喷出洒出来，是国内外目前最流行的除草机。 （3）甩刀式除草机15。其切割装置由多把垂直于地面的刀片铰接在旋转组成的旋转轴上， 当高速旋转时，在离心力作用下，其刀片像垂直于轴芯的甩刀，端部刀刃不断地冲击切割草茎。由于刀片与刀轴或刀盘为铰接， 当碰到坚硬冲击不断的物体时可以避让而不致损坏机器。 （4）甩绳式除草机15。其工作装置是由一个内装尼龙绳的打草盘、背向人的护罩组成。当打草盘高速旋转时，露在外面的尼龙绳在离心力作用下，像一束伸直的刀刃快速撞击草茎而切割断草。2.3.2除草机的工作设计方案 我们所设计的桔园除草机首先要通过一个传力构件将人力传递出去。为了让操作者在正
14、常行走速度下操作，传递出去的力通过增速机构继续传递。因执行除草动作刀片的相对运动方向与人行进的方向垂直，经前面增速机构传递过来的运动都需要再经过一级转换机构传递到执行构件。通过分析得到除草机的组成框图，如图2所示。图2 桔园除草机的组成框图Fig.2 Hand push type citrus orchard and weeding machine composition diagram2.3.3 其他工作设计方案的比较 此处已删除 结论:计算可得弯曲疲劳强度足够。6 轴的计算部分6.1 桔园除草机中轴II的设计 （1）选择轴II的材料。该轴无特殊要求，选择45钢调质处理，初步估算轴径：按扭转
15、强度估算输入端的最小轴径。按45钢，取 根据公式，取 （2）轴II的结构设计。轴II上零件的轴向定及位周向定位。 从左轮子连接处向右取：。 考虑轴的结构工艺性：考虑到轴的结构工艺性，在轴的左端和右段均制成倒角。 （3）轴II的强度演算。经结构设计之后，各轴段作用力大小和作用点位置、轴承跨距、各段轴径等参数均已知。 齿轮上作用力的大小转矩： 齿轮端面分度圆直径： 圆周力： 径向力： 轴向力： (8) 受力简图如13所示： 图13 垂直面上受力简图 Fig.13 Vertical surface force diagram 垂直面上轴承的支反力及主要截面的弯矩： 截面C处的弯矩为： 垂直面上截面的
16、弯矩如下所示： 图14 垂直面上截面的弯矩Fig.14 The moment of the vertical plane cross-section 水平面上轴承的支反力及主要截面的弯矩：截面C处的弯矩为：水平面上截面的支反力如14图所示：图15 水平面上截面的支反力Fig.15 Reaction force horizontal plane cross-section 截面C处的合成弯矩为：水平面上截面的弯矩及合成弯矩：图16 水平面上截面的弯矩及合成弯矩Fig.16 Horizontal plane cross-section of the moment and synthetic mom
17、ent 按弯扭合成应力校核轴的强度 进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面强度，取，该截面上的计算应力： (9) 通过查表可知： 材料为45钢，调质处理的许用应力为，由于，故安全。6.2 桔园除草机中轴I的设计 （1）选择轴I的材料。该轴无特殊要求，选择45钢调质处理，初步估算轴径： 按扭转强度估算输入端的最小轴径。按45钢，取根据公式，取 （2）轴I的结构设计。轴I上零件的轴向定位周向定位。大齿轮在轴I上为对称定位，左右两端靠套筒定位，装拆，传力较为简单；两端轴承常用同一尺寸，以便于加工、安装和维修；为便于拆装轴承，轴承处轴肩不宜太高。齿轮与轴的轴向固定采用普通平键联接。根据轴的
18、直径查得齿轮处的键截面尺寸为，配合为，滚动轴承内圈与轴的配合采用基孔制。确定各段轴径和长度通过确定定位轴肩高度，从左轮子连接处向右取14mm16mm18 mm22mm18mm16 mm14mm考虑轴的结构工艺性：考虑到轴的结构工艺性，在轴的左端和右段均制成倒角。 轴I的强度演算 经结构设计之后，各轴段作用力大小和作用点位置、轴承跨距、各段轴径等参数均已知。 齿轮上作用力的大小转矩：=3911Nmm齿轮端面分度圆直径：圆周力：径向力：轴向力：轴I垂直面上受力简图：图17 轴I垂直面上受力简图Fig.17 Axis I vertical plane by the force diagram 垂直面
19、上轴承的支反力及主要截面的弯矩： 方向相反截面C处的弯矩为： 轴I垂直面上截面的弯矩图18 轴I垂直面上截面的弯矩Fig.18 Axis vertical plane cross-section of the Moment 水平面上轴承的支反力及主要截面的弯矩：截面C处的弯矩为： 轴I水平面上截面的支反力：图19 轴I水平面上截面的支反力Fig.19 Axis horizontal plane cross-section of the reaction forces截面C处的合成弯矩为：轴I水平面上截面的弯矩及合成弯矩如图19。按弯扭合成应力校核轴的强度 进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩
20、和扭矩的截面强度取该截面上的计算应力： (10)通过查表可知：材料为45钢，调质处理的许用应力为，由于，故安全。 图20 轴I水平面上截面的弯矩及合成弯矩Fig.20 Axis horizontal plane cross-section of the moment and synthetic Moment 7 刀具的设计计算部分7.1 刀具的概述 桔园除草机采用刚性切割式，运动方式选择往复式运动。 往复式切割装置由上、下两组刀片组成，分动和双动两种运动方式。本设计采用单动运动方式。单动切割器是动刀片在定刀上作往复运动；其特点是：，刀片的行程与上、下刀片的距离均相等。剪切机的上、下刀片形状相同
21、，剪切时，草两侧同时受到切割，在一个行程中，运动速度的大小有变化，合理切割的方法是利用较大的速度来剪切。刀片的速度图如图21所示。剪刀自点向右运动时，其速度自零逐渐增加，在没有达到之前，因切刀不相接触，不发生切割。刀片到达时，两刀刃开始接触，这时称为始切速，然后刀片继续向右运动而进入切割，直到刀片到达时，两刀刃相向接触完毕，这以后不再切割，这时称为终切速。由到为切割速度的变化范围。由图21可知，大于终切速。切割速度的变化：图21 切割速度的变化Fig.21 Cutting speed of change 在切割过程中，有些草是在被一刀刃顶斜着推向另一刀刃和剪切机前进而向前倾斜状态下切割的。7.
22、2 刀具的运动分析刀片一个行程时间内机器前进的距离称为切刀的进程，以H表示，切刀一秒钟内运动的绝对距离为： 式中： 机器的前进速度 刀具水平运动的距离 轮子的周长一个行程所需要的时间为： 一个行程运动的绝对距离： 可得切刀的进程H为： 由于端面齿轮旋转一周刀具往复运动6次，刀具行程运动呈现对称的加速减速运动，速度由变化，从0到达的所需的时间与到达0的时间均为。运动分析可知，刀具呈现匀加速运动，运动方程式为： 可得： 切刀的平均速度： 将切刀的平均速度与机器的前进速度的比值称为刀机速比： (11)据类似的茶树修剪机和采茶机的试验分析，可得动力转速较小的桔园除草机传动的效率较高。7.3 刀具的结构
23、尺寸及相关参数 刀片是切割装置的主要部件，由于使用条件和运动参数的不同，使刀片的参数随不同的机型而有些差异。 表2 桔园除草机的主要参数Table2 Hand thrust lawnmowers main parameters项目切割器的形式切割幅宽刀片间距刀片运动形式刀片往复频率刀片形状配套动力操作人数净重桔园除草机往复切割240mm20mm单动860r/min平形149.1W113r/min1人30kg切割角的增大使切口变得不整齐。当刀片行程在时，刀片的切割角和楔角不影响剪草的质量。往复式刀刃的切割角和楔角如图22所示。往复式刀刃的切割角和楔角如图22. 往复式刀片的主要技术参数如表4所示
24、.图22 往复式刀刃的切割角和楔角Fig.22 Reciprocating blade cutting angle and wedge angle 表3 往复式刀片的主要技术参数Table3 A reciprocating blade and the main technical parameters项目刀片刀间距刀高切割角刀角硬度（HRC）往复式刀片动刀片20mm定刀片8 端面齿轮及拨杆的设计部分8.1端面齿轮和拨杆的概述 桔园除草机中端面齿轮和拨杆一对运动组合类似于凸轮和推杆，而拨杆的运动直接影响其刀具的往复运动。由拨杆在端面齿轮凹凸曲面上的规则运动，从而带动刀具的运动。8.2 端面齿轮和
25、拨杆的运动分析图23 端面齿轮的形状Fig.23 Face gear shape 对拨杆的运动要求为：当端面齿轮转过时，推杆上升20mm；端面齿轮再转过时，拨杆下降20mm；推杆继续转过时，拨杆又停止不动。运动状态如图214所示。图24 运动分析图Fig.24 Analysis diagram of motion拨杆在端面齿轮处安装，图中a与b为拨杆上升对应的端面齿轮所旋转的角度，c为。在端面齿轮上拨杆与端面齿轮接触点旋转的角度所对应的行程为：式中d为拨杆与端面齿轮接触点在端面齿轮上离中心位置的直径大小。图25 端面齿轮的轮廓曲线Fig.25 Face gear profile curve假设
26、在端面齿轮上的运动行程为,接触点上下运动的位移为,可得运动轨迹方程为：在式中各参数：为端面齿轮旋转的角度；k为与端面齿轮运动行程与接触点上下运动的位移的相关参数。代入特殊值，可得：从而得出接触点上下运动位移的轨迹方程为： (12)推程阶段: 远休止阶段: 回程阶段 : 近休止阶段 : 通过上述运动分析可以求出拨杆在端面齿轮上的工作轮廓线。由于端面齿轮为六个相同的近似于凸轮的结构。故只需研究拨杆一个往复运动的工作轮廓线即可。计算结果可得端面齿轮的工作轮廓线对应的值表4 端面齿轮的工作轮廓线Table4 End face gear contour line （mm）(mm)002.2690.118
27、4.5380.4746.8071.0669.0761.89511.3452.96013.6144.26315.8835.80218.1527.57820.4219.59122.69011.84124.95914.32827.22817.05129.49720.000通过上述表中参数，我们可以近似加工出端面齿轮的工作轮廓线。度数越分的密，端面齿轮的形状越精确。工作轮廓线如图216所示。图26 端面齿轮的工作轮廓线Fig.26 End face gear contour line图27 主轴受力情况图Fig27 the Force of spindle9 结论 毕业设计是本科教学工作的最后一个环节
28、，同时也是很重要的一个环节，是对学生整个大学生活中所学知识的综合检验。通过本次设计，对大学四年所学的知识有了进一步的了解，充分的运用了本专业所学的科目，将这些知识进行了综合运用，同时把这四年的学习中所学到的，看到的，尽可能的运用到本次设计中。通过本课程的学习，使我对机械设计方面的基本内容有一个总体了解，对机械设计制造及其自动化专业的知识上升到了一个新的高度。参考文献1 张林，李明，裴毅. 杂草切割阻力试验研究J湖南农大校报，2011.2 戴锦春，肖荣清，陈小圻，杨均青. 弓形钢纤维切割刀具的优化设计J.武汉：武汉成人教育学院，1996.3 马少春，李洪文，何进. 垄作割刀的设计与试验J.北京：
29、中国农业大学，2006.4 朱聪玲，刘江龙，卢伟. 联合收割机往复式割刀传动机构动力学分析J. 佳木斯大学学报( 自然科学版),2004.5 陈国兰.浅谈我国园林机械R. 中国建研院建巍机械化研究所,1997.6 王振东， 涂洪森. 桔园除草机高度调节机构对作业质量影响分析及其优化设计R. 哈尔滨: 哈尔滨林业机械研究所,2004.7 卢希诚,尚树堂. 旋刀式草坪割草机旋刀装置的减噪措施J. 北京林业大学,1995.8 赵鸣,李伦良. 论剪草J. 兰州: 兰州昭明草坪技术咨询研究所,2002.9 熊永森,王金双,徐中伟.小型往复式果园割草机设计J. 金华: 金华职业技术学院, 2007.10
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32、nalysis with a Mesh Regularization MethodJ Materials Processing Technology，2003，125-126：616-62121 Gow-Yi Tzou, Ming-Nan Huang. Analytical modified model of the cold bond rolling of unbounded double-layers sheet considering hybrid frictionJ. Materials Processing Technology,2003,125-126:622-627. 致 谢历时
33、将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师李明老师，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢！感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多有用的素材，还在论文的撰写和排版灯过程中提供热情的帮助。由于我的水平有限，所设计的设计难免有不之处，恳请各位老师批评和指正！附录附录1：A 0图纸1张附录2：A 1图纸1张附录3：A 2图纸2张附录4：A 3图纸4张
