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1、棉花拔杆机的设计机械电气工程学院本科毕业设计题目：棉花拔杆机的设计院（系）：专业：学号：姓名：全套机械毕业设计含装配图零件图 指导教师：完成日期：棉花拔杆机的研究设计摘 要1棉花拔杆机的设计本次设计主要针对农作物的茎秆采用机械化收获进行了一定的研究,并设计出一种棉花拔杆机。设计的这种拔杆机在满足普通拔杆机的功能的基础上还做了一些改进，设计一种拔杆更快更干净、更加小型轻便，成本低，且效率更高，性能更好的拔杆机，广泛适用于中小型田间作业。阐述了小型农作物拔杆机的工艺流程、结构特点。根据设计要求，确定了基本参数及主要技术性能指标。对小型农作物拔梗机所需功率进行分析确定，通过实验分析得出了结论。改进后
2、的拔杆机能一次完成农作物茎秆的破土、夹持、拔出、提升和成堆集放，工序集中，生产效率高，结构简单、制造、安装、操作方便、使用维护简便，功能齐全，适应性强，故障少，使用寿命长，能一机多用。关键词：棉花拔杆机；小型轻便；作物茎秆；实验分析Mac hi neof smallpulling machineAbstractdesign stem2棉花拔杆机的设计This paper adopted the stalks mechanized harvesting crops made certain research,and developed a small crops pull infarction
3、machine. Design of the machine to satisfycommon pulled infarction pulled the function of stems machine based on made someimprovements, design a kind of pull more clean, more faster infarction small andportable, low cost, and more efficient, pluck infarction better performance,extensively suitable fo
4、r small and medium-sized machine field operations. Expoundsthe small crops pull infarction machine process, structural features. According to thedesign requirements, determine the basic parameters and main technical performanceindicators. Pull out of small crops needed power stems machine, through a
5、nalysis toidentify the conclusion experimental analysis.The improved pull infarction function once completed crop stalks break,clamping, uproot, upgrade, transmission and piles set to put, process focused, efficientproduction, simple structure, manufacture, installation, convenient operation, usecon
6、venient maintenance, the function is all ready, adaptable, low malfunction, servicelife is long, can multi-usage.Keywords：Small internal combustion engine；compact and lightweight；Pulledinfarction machine；Experimental analysis目录1.绪论. 61.1 课题背景. 63棉花拔杆机的设计1.1.11.1.21.1.31.1.4国外棉花拔杆机的现状.7国内棉花拔杆机的现状.9我国
7、棉花拔杆机的发展前景.11设计的主要内容.122. 系统总体方案设计.132.1 棉花拔杆机工作原理分析.132.1.1 棉花拔杆机的动力分析.132.1.2 拔杆机动力传输装置的分析. 132.1.3 破土装置工作时入土深度的分析. 132.2 拔杆机总体方案的设计.14其作业工艺流程如下：.143.拔杆机的设计.153.1 拔杆机动力的选择.153.1.1 破土装置消耗功率 N1.153.1.2 拔杆装置消耗功率 N2.153.1.3 茎秆输送.153.1.4 整机配套功率 N 配.153.2 锥齿轮的设计.163.2.1 齿廓曲面的形成.163.2.2 背锥和当量齿轮.173.2.3 基
8、本参数.173.2.4 当量齿数.183.3 拔杆盘的设计.253.4 花键轴的设计与校核.263.4.1 轴设计参数.263.4.2 初步估算轴的直径.263.4.3 花键轴设计与计算.263.5 调节装置与调节装置箱体的设计.283.6 传动轴的设计与计算.293.6.1 轴的设计.293.6.2 轴的校核.303.6.3 按转矩计算.303.6.4 轴上受力分析.314. 其它零部件的设计与选取.324.1 轴承的选取及润滑.324.2 机架的设计.335. 拔杆机使用时应注意的事项.345.1 开车前应注意事项.345.2 开车时应注意事项.345.3 开车后应注意事项.346. 设计
9、总结. 35参考文献. 36致 谢. 384棉花拔杆机的设计1.绪论1.1 课题背景我国是世界重要的棉花产区，棉花收获后的棉秆是一种用途非常广泛的宝贵资源。首先，棉秆是一种很好的木材代用品，可用作生产人造纤维，同时又可制造刨花板、纤维板和吸音板等板材，或用作建材造纸原料，质量远胜于稻草和麦秆；其次，棉秆具有很高的营养价值，经过微化处理后，其蛋白质含量可高达12%，比麦草和稻草的蛋白质含量高 56 倍，可作为牛羊的上等饲料；再次，棉秆经轧碎和高温热解等化学过程，产生以一氧化塘为主的生物质气，可作为一种新型能源；棉秆粉碎后还可作为无公害食品食用菌的培养基，此外用秸秆做成的一次性餐具无污染、可降解且
10、可再生。因此，从发展绿色农业来说，棉秆回收后可为农业的深加工提供充足的和必需的原材料。目前，棉秸秆的一般处理方法：一是直接粉碎还田，这种做法虽可增加土壤的有机肥，但却会增加来年棉花病虫害的发病几率；二是焚烧棉秸秆，这不仅是一种浪费，而且严重污染环境；三是手工收获棉秸秆，劳动强度大，效率低。而且棉杆可以生产出多种轻化工产品,满足工农业生产发展的需要,同时,通过加工增值,不仅能大大增加棉花收益,致富棉区农民,而且能加速农业剩余劳动力的转移,促进棉区乡镇企业的发展。因此,认真做好棉花副产品的综合开发利用工作十分重要。在秸秆人造板原料中，棉杆是作物秸秆中木质化程度最好的秸秆之一，是制备人造板的上等原料
11、。利用棉杆制作的秸秆重组材，其强度、纹理结构可以和木材媲美。但是，采用传统的收获方法收获的棉杆，没有对棉秆作任何加工处理，所以在作为重组材的原料制备过程中，需要用 90C 以上热水蒸煮 34 小时，人工收获棉秆是一项劳动强度大、生产率十分低的工作，非常费时和耗能。棉杆在自然生长状态时，杆中的含水量较高，柔软性较好，收获时如果将棉杆挤压破碎，梳解成纵向不断裂、横向互相关联的网状木质纤维条，就可以大大减少棉杆重组材的原料制备工序，节省能耗。棉花拔杆机主要作业对象是棉花茎杆。其功能是将地间农作物茎杆实现横向拔出的机械化作业。由于棉花拔杆机不仅能大大降低农民的劳动强度、增加农民的工作效率，资源得到合理
12、利用，而且使得农民的作物增产增收。所以棉花拔杆机的研究与设计是目前很有价值和意义的研究课题。5棉花拔杆机的设计本次设计内容是棉花拔杆机，它是由机架，破土圆盘，拔杆盘，拔杆盘调节装置及传动装置组成。机架安装在拖拉机行走底盘的正前方，破土圆盘，拔杆盘，拔杆盘调节装置及传动装置等都安装在机架上。利用调节装置可以调节拔杆盘与地面的相对高度来调节拔杆深度。图1棉花拔杆机1.1.1国外棉花拔杆机的现状美国、印度、乌兹别克斯坦、澳大利亚以及俄罗斯等国是国外主要的棉花生产和贸易大国,其棉秆收获设备技术主要以对行式为主,按照收获原理主要分为三种,即铲切、刨挖与拔秆。由此,形成了拖拉机牵引式与悬挂式机型。在两种机
13、型中,有些仅仅是铲、割、拔与铺条,有些是铲、割、拔与切碎结合。在切碎后有些是集中,有些是直接还田。（1）棉杆铲切技术由挖掘铲深入土层中,把棉秆根切断,利用旋转星轮拨取棉秆,达到秆土分离.常用机型有乌兹别克斯坦生产的 KV-3.6A 型和 KV-4 A 型,行距分别为 0.6m 和0.9m,由机架、挖根铲、栅状导向板、星形喂入轮及锥形齿轮减速器组成。机具作业时由拖拉机牵引,一般收获 4 行棉秆,铺放成条。棉秆晒干后,由人工或打捆6棉花拔杆机的设计机打成捆以备后用。另外,配套有切碎装置的KL-1.2型和 KL-1.8型两行棉秆挖根切碎机由机架、挖根铲、双联拨秆辊、刀盘及输送管组成,为悬挂式机型。作
14、业时,先由挖根铲将棉秆根部斩断,再由拨秆辊将棉秆拨起,经刀盘切碎后,沿输送管送到集装拖车上,棉秆拨净率均接近 99%。还有 KIV-4 型 4 行棉秆挖根切碎机为半悬挂型,装有两个地面仿形轮,以拖拉机动力输出轴为动力,工作部件由主轴驱动,该机由机架、挖根铲、拔秆辊、滚式切刀以及输送管组成。其工作过程与 KI-1.2 型和 KI-1.8 型两行棉秆挖根切碎机相同,经过切碎的棉秆通过输送管送到集装拖车上。此种技术的缺点主要是入土切割铲动力消耗较大、磨损严重,优点是对行距要求不严,挖根较彻底。（2）棉秆刨挖技术主要是采用对称倾斜双圆盘刨挖,这种技术类似于双圆盘开沟器的工作原理。典型代表如美国的 Da
15、ve Koenig 和 Orthman 棉秆刨挖机,如图 2 和 图 3 所示。Dave Koenig 机型根据需要可分别收获 2、4、6 和 8 行棉秆,对不同湿度棉秆适应性强。Orthman 机型圆盘角度和高度可调,为了减小运输幅度,拔秆机构可折叠起来。作业时,拔秆机构自动伸展,采用平行四连杆仿形,通常在拔秆机构后面安装切碎装置,实现棉花秸秆拔取与切碎还田。此种技术相对于铲切来说,动力消耗相对减少,但是一般要求对行性较强。图 2Dave Koenig 拔棉杆机7棉花拔杆机的设计（3）棉杆拔取技术图 3Orthman 棉秆刨挖机采用四十五度倾角安装的橡胶对棍夹取。典型机型有澳大利亚的 Mut
16、i 拔棉秆机械和美国的 AMADAS 棉秆拔取切碎收获机。Muti 拔棉秆机可以拔取 8 行棉秆,作业速度高达 22km/h ,直接将棉秆平铺在地上。AMADAS 棉秆拔取切碎收获机能够将棉秆连根拔起并切碎,作业行走速度快,即便是拔取茎杆粗壮的秸秆,也具有较高可靠性和稳定性,且设有传动安全防护措施。此种技术最大的缺点是对种植行距的标准性要求较高,对机手操作的熟练程度也要求较高,适合于标准化栽植的规模种植。1.1.2国内棉花拔杆机的现状在六十年代中期,我国就开始了对棉秆收获机械的研制。到七十年代末、八十年代初,家庭联产承包责任制的推行,棉花产量剧增,引发棉秆收获机械研制热潮,如中国农机院,山东、
17、山西、河北、河南以及湖北等省农机研发部门都曾对棉秆收获机进行过研制,但由于种种原因都未能定型生产和推广应用。九十年代初,随着棉花价格的提升与棉麦轮种技术的发展,棉花种植面积扩大,棉秆收获机械迫切需要,中国农机院成立了专业课题组,山东省多个市区也相继对棉秆收获机械进行了研制。近年来,随着社会和科技的发展,棉秆己被广泛应用于能源、造纸以及生物基材料等领域,尤其是棉秆木质成分含量高,可作为优质的可能生能源原料,棉秆收获技术与装备的研究备受关注。总结多年来我国研制出的各类机型,归纳起来有三种:铲切式、提拔式和联合作业式。8棉花拔杆机的设计（1）铲切式主要是研学前苏联二行铲切式棉秆收获机。这类机械的收获
18、部件,一般设计成一个“人”字形状的大锄铲,作业时,悬挂在拖拉机前面,拖拉机高速行驶,而人字形铲入土一定深度穿行,利用拖拉机向前行进的力量切断棉根,并使棉秆向上抬起,自然堆放至地面;有 的机型在拖拉机后牵引一搂耙,把棉秆搂集成铺条。这类棉秆收获机械结构简单、制造和使用方便,但是效率低、残留棉根较多、铺放不整齐。主要与小型拖拉机配套使用,由于各地种植农艺的差异,加之缺乏机械化标准种植,这种对行的小型棉秆收获机始终没有得到推广。（2）提拔式提拔式棉秆收获机是用起拔机构把棉秆从土壤中提拔出来,按起拔器的形状和结构又分为辊式、夹式和链杆式三种。辊式起拔器分圆柱辊、半回柱辊、圆锥辊、圆柱圆锥综合辊等;夹式
19、起拔器分平动夹式、钳夹式、盘夹式;链杆式起拔器分为单链杆式、双链杆式、齿盘链杆式和链抓式等。以上机型主要是各地农机研发单位根据本地域条件和棉花生长特点进行初步试制的机型,均没有得到广泛应用,未能形成产品在市场上推广。目前,该类机型中最具代表性的是 4MJ-2 型盘式棉花秸秆收获机,作业时,由拖拉机前进推动机具前移,地轮传动带动拔盘转动,前进中拔盘遇到棉花秸秆将秸秆拔起,并将秸秆拨向后方,待集成一堆后放置于田间。（3）联合收获式以上主要是与小型拖拉机配套的机型,收获效率受到限制,中间处理环节多,后续作业仍然费时费力,且受地域性影响显著,无法满足规模化收集需要。这类机型虽没有推广使用,但从原理上给
20、予了设计上的启示。综合国内外技术基础,结合青饲收获机和联合收割机技术,中国农业机械化科学研究院组织力量开发了切割式联合收获机械(图 4),一次完成棉秆的切割、切碎和集装作业,克服了种植行距的限制,解决了密植、细秆和西部内陆土地冻结后棉杆收获难题,成为了以棉秆为燃料的生物质秸秆直燃发电厂配套的主要燃料设备。由于受到割刀工作原理、地表平整程度的限制,特别是垄作时做到低茬收割有一定难度,根茬仍留在地里,没有从根本上解决。为了满足我国长江流域、黄河流域棉花主产区棉秆粗壮、高大,通常采用先拨取后收获的分段作业方式,中国农机院又开发了棉秆捡拾联合收获机,集棉秆自动捡拾、喂入、输送、切碎、抛送、装箱、卸料一
21、体化,该机重点突9棉花拔杆机的设计破了棉秆类冠状植株强制抓取、连续喂入技术,实现了棉秆分段高效联合收获作业。图 4切割式联合收获机农民对各种农作物茎秆的收获一直沿用传统的人力拔收方式，不但增加了农民的劳动强度，而且不利于农田腾茬抢种。一个强壮的劳动力一天收不了一亩地农作物茎秆，且满手血泡，腰酸腿疼，苦不堪言。国内虽有几个厂家研制了单一的拔杆机，但都因构造不合理，作业质量差，工作效率低，故障率高、适应性差或作业质量不能满足农艺要求等诸多原因农民不愿接受。一些农民试图用秸秆粉碎还田的方式将其直接粉碎还田，但是有的作物茎秆有着坚实的木质纤维，不易沤制，直接影响下茬作物生长，易导致大面积减产，农友民怨
22、声载道。1.1.3我国棉花拔杆机的发展前景现今我国农作物拔梗机械处于发展开始的一段时间，拔杆机械化程度较低，发展小型成套机械设备是我国拔杆机械的发展趋势。农作物茎秆作为一种农业生产的副产品，产量大、品类多、地域广，同时也是一项重要的有生命的物质资源。占涉及方面计数，我国年产农作物茎秆 6 亿吨以上，资源领有量居世界榜首。根据预先推测，跟着农业生产技能的不断提高，茎秆总量将呈增加趋势，至 2010年达，年产量将到达 7.26 亿吨。鉴于茎秆的利用价值和经济价值，发展施用成本较低的拔梗机械是今朝我国迫切需要处理和完成的题目。10棉花拔杆机的设计由于国外一些发达国家所生产的茎秆收获机械，多为大型或重
23、型，需要配置的动力大，价格又昂贵，加上受种植模式的制约，且我国是种植农作物的大国，需求量大，使得国外的拔杆机很难在我国推广应用。所以，开发小型化适合农业需求的拔杆机设备是促进我国农业发展的必然趋势。1.1.4设计的主要内容本次设计在调查新疆地区的土地情况和棉花的生长周期后，在市场上比较了几种拔杆机的优缺点后，做出的优化方案。要求拔杆更快更干净、更加小型轻便，成本低，且效率更高，性能更好的拔杆机，适用于中小型田间作业。在综合考虑和比较不同拔杆机的优缺点后，决定此次拔杆机的设计思路为:工作时，由拖拉机提供前进动力，破土圆盘的转动通过传递动力的锥齿轮来将动力传递到拔杆盘上，来实现拔杆。参考其他实例分
24、析及设计，我认为此次拔杆机的设计主要考虑以下问题：（1） 棉花拔杆机拔杆盘的设计；（2） 棉花拔杆机破土圆盘的设计；（3） 棉花拔杆机动力传动系统的选取与计算；（4） 棉花拔杆机机架的选取；（5） 棉花拔杆机调节装置的选取与计算；11棉花拔杆机的设计2.2.1系统总体方案设计棉花拔杆机工作原理分析棉花拔杆机主要应用于棉花的拔杆工作。其工作原理如下：工作时，由拖拉机推动棉花拔杆机的前进，破土圆盘的转动经动力传动装置锥齿轮将动力传递给拔杆盘，由拔杆盘来完成棉花的拔杆工作。通过调节装置的调节来实现拔杆盘的拔杆高度，尽量贴近棉花的根部，由于棉花根部的纤维强度高，能有效的减少拔断率。棉花杆被水平扭力拔出
25、，由于爬杆盘的水平旋转可将拔出的棉花进行集堆。有利于后期的棉杆收获。2.1.1 棉花拔杆机的动力分析经市场调查及分析，本设计的棉花拔杆机为小型两行的拔杆机，故选取 25马力的拖拉机完全可以为棉花拔杆机提供动力。图 525 马力拖拉机2.1.2拔杆机动力传输装置的分析本次设计主要采用锥齿轮与轴的传动。锥齿轮适用于两垂直相交轴的转动，圆锥齿轮两轴线间的夹角=90 度。2.1.3 破土装置工作时入土深度的分析一般的田地中，地面凸凹不平整。因此要求拔杆机在工作时，为了提高拔净12棉花拔杆机的设计率，破土装置入土深度必须保持在一定的范围。经过市场分析，破土深度必须保持在 80mm 以上。2.2 拔杆机总
26、体方案的设计设计的拔杆机主要以棉花杆为主，能一次性将农作物茎杆进行除兜根、拔茎秆、集堆等机械化的作业。除兜根的动力通过量垂直的锥齿轮传递而来。其作业工艺流程如下：棉花拔杆机是由拖拉机、破土圆盘、拔杆盘等组成。作业时，首先由破土圆盘将动力传递给拔杆盘，然后由拔杆盘将棉花杆拔出、堆放的全过程。小型农作物拔杆装置悬挂在行走底盘前方，由调节装置对拔杆盘的拔杆高度进行调节。拔杆时，破土圆盘自行开道，再利用拔杆装置将作物茎秆连根拔出，并将作物茎秆倒向堆放在田间，有效地优化了整机结构，同时，提高了拖拉机功率的利用性能。整机基本参数及主要技术性能指标 表 1名称单位技术参数备注外形尺寸mm2000160078
27、00悬挂形式前悬挂式配套动力马力25柴油发动机拔幅mm8602 行工作速度m/s0.7-1.15I-II 档生产率亩/h3-4.5拔断率3拔不净率213棉花拔杆机的设计-33.拔杆机的设计3.1 拔杆机动力的选择3.1.1 破土装置消耗功率 N1N1 = nRhba 10 = 0.52KW式中：n拔梗行数；223.1.2R圆盘破土器的破土比阻（R=3.2-4.5N/cm ）,取 R=4N/cm ；h深度（812cm），取 h=10cm；b宽度（0.5-5cm），取 b=3cm；a每行圆盘刀数量（片），取 a=2 片。拔杆装置消耗功率 N2-3N =0.3KW；则 N = N n = 0.6KW
28、 。N = N + N + N拔杆装置消耗功率包括拔梗功率 Ng 和空转动功率 Nk 两部分，即：N2 = N g + N Kn = Vmncd0 10 + N K n = 2.5- 4.2KW式中：d0茎秆拔出所需功率（d0=450-650N/根），取 d0=600N/根；拔杆装置的功率消耗主要取决于 Vm、c（每米生长根数一般为 24，取 c=3）、n（行数）和 d0（茎秆粗细）的大小有关，当拔梗装置采用减速器驱动，转速参数已确定时，小型 减速器空转消 耗功率在正 常情况下为 Nk=0.250.35KW ，可取kn k3.1.3 茎秆输送N3 =0.5KW茎秆输送装置一般约占总功率的 5%
29、7%。取 N3 =0.5KW。3.1.4 整机配套功率 N 配1 2 3整机配套功率 N 配储备系数 K=1.01.3，取 K=1.2，则取 N=7.1KW，则 N 配= KN =6.58.6KW，N 配=8.5KW，N 配= KN = 6.58.6KW。综上所述，拔杆机的动力传输装置选取柴油机 S195，其额定功率为 8.8 千瓦，转速为 2000 转/分，燃油消耗率 0.27kg/kw.h。14棉花拔杆机的设计3.2锥齿轮的设计锥齿轮是圆锥齿轮的简称，它用来实现两相交轴之间的传动,两轴交角 S 称为轴角，其值可根据传动需要确定，一般多采用 90。锥齿轮的轮齿排列在截圆锥体上，轮齿由齿轮的大
30、端到小端逐渐收缩变小，如图 6 所示。由于这一特点，对应于圆柱齿轮中的各有关圆柱在锥齿轮中就变成了圆锥，如分度锥、节锥、基锥、齿顶锥等。锥齿轮的轮齿有直齿、斜齿和曲线齿等形式。直齿和斜齿锥齿轮设计、制造及安装均较简单，但噪声较大，用于低速传动（5m/s）；曲线齿锥齿轮具有传动平稳、噪声小及承载能力大等特点，用于高速重载的场合。在只讨论 S=90的标准直齿锥齿轮传动。图6锥齿轮3.2.1齿廓曲面的形成直齿锥齿轮齿廓曲面的形成与圆柱齿轮类似。如图 7 所示，发生平面 1 与基锥 2 相切并作纯滚动，该平面上过锥顶点 O 的任一直线 OK 的轨迹即为渐开锥面。渐开锥面与以 O 为球心，以锥长 R 为半径的球面的交线 AK 为球面渐开线，它应是锥齿轮的大端齿廓曲线。但球面无法展开成平面，这就给锥
