株間除草機(jī)設(shè)計(jì)

1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書中文摘要株間除草機(jī)設(shè)計(jì)摘 要我國是一個(gè)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，占地廣闊，物產(chǎn)豐富。然而，伴隨著越來越多的人進(jìn)入城市生活，我國的人均耕地面積變得十分有限。目前，隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的發(fā)展愈來愈快，糧食產(chǎn)量也越來越多，隨之而來的問題便是雜草數(shù)量也迅速上升。因此，為了更好解決這一問題，增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，設(shè)計(jì)一種在株間能夠有效除草的智能機(jī)械化除草機(jī)就顯得尤為重要。本課題設(shè)計(jì)的是適用于大多數(shù)農(nóng)作物的株間除草機(jī)，如玉米等，主要用于除去植株以及糧食作物之間的雜草。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括株間除草機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(行走機(jī)構(gòu)方案、除草機(jī)構(gòu)方案、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu))、各技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)(傳動(dòng)比、蝸輪蝸桿、蝸輪軸)、主要零部件的設(shè)計(jì)(除

2、草刀片、聯(lián)軸器)以及計(jì)算校核。目的是為了減少除草時(shí)間，提高除草效率，做到精確、有效地除草。關(guān)鍵詞： 機(jī)械除草；株間除草；雜草；除草機(jī)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書英文摘要Design of inter plant weeding machineAbstractChina is a traditional agricultural country, covering a vast area and rich in products. However, with more and more people entering urban life, the per capita cultivated land are

3、a in China has become very limited. At present, with the rapid development of modernization, the yield of grain is also increasing. The problem is that the number of weeds is also rising rapidly. Therefore, in order to better solve this problem and increase the yield of crops, it is particularly imp

4、ortant to design an intelligent mechanical weeder which can effectively weed among plants.This topic is designed to be suitable for most crops inter plant weeding machine, such as corn, mainly used to remove weeds between plants and food crops. The design content includes the whole machine structure

5、 design (walking mechanism scheme, weeding mechanism scheme, driving mechanism), the design of technical parameters (transmission ratio, worm gear, worm gear shaft), the design of main parts (weeding blade, coupling) and calculation and verification. The purpose is to reduce weeding time, improve we

6、eding efficiency, and achieve accurate and effective weeding.Key words: Mechanical weeding; Weeding among plants; Weeds; Eradicator目 錄1 引言11.1 課題研究的目的與意義.11.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀.11.2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀.21.2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀.32 株間除草機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)72.1 行走機(jī)構(gòu)方案.72.2 除草機(jī)構(gòu)方案.103 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要部件的設(shè)計(jì).113.1 傳動(dòng)比的確定.113.2 蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì).123.2.1 蝸輪蝸桿的材料選擇123.2.2 關(guān)

7、于蝸桿頭數(shù)和蝸輪齒數(shù)的確定133.2.3 計(jì)算蝸輪的速度143.2.4 減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)中心距的計(jì)算143.3 蝸輪軸的設(shè)計(jì).163.3.1 軸的材料選擇163.3.2 軸徑的初步計(jì)算163.3.3 聯(lián)軸器的種類及選擇173.4 滾動(dòng)軸承的校核.184 主要零部件的設(shè)計(jì).204.1 刀片的設(shè)計(jì)及計(jì)算.204.1.1 刀片的選擇204.1.2 刀片的設(shè)計(jì)及計(jì)算214.2 鍵聯(lián)接的強(qiáng)度校核.234.3 蝸桿軸輸入端聯(lián)軸器的選擇.245 結(jié)論.25參考文獻(xiàn).26致謝.28株間除草機(jī)設(shè)計(jì)1 引言1.1課題研究的目的與意義作為一個(gè)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，中國除了擁有世界上最多的人口外，也擁有世界上相當(dāng)可觀的耕地面積

8、，但是，我們的人均耕地面積卻并不名列前茅，并且呈下降的趨勢1。目前，制約我國糧食生產(chǎn)的主要因素是農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，而雜草是農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境的一個(gè)重要組成部分，它的多與少會直接影響農(nóng)業(yè)的發(fā)展以及糧食作物的產(chǎn)量。雜草與糧食作物會通過爭奪土壤的養(yǎng)分和水分，導(dǎo)致糧食作物的產(chǎn)量下降，尤其是對水資源短缺的地區(qū)會更加明顯。因此我們需要采取必要的措施來控制田間雜草，以減少損失程度2。隨著人類的進(jìn)步，人們的意識也在發(fā)生變化。不再僅僅關(guān)注傳統(tǒng)化學(xué)除草所帶來的短期便利，如何有效地實(shí)施環(huán)境保護(hù)的長期發(fā)展模式，是近年來人們環(huán)境保護(hù)和健康生活的追求。針對我國目前的機(jī)械除草的現(xiàn)狀，結(jié)合國內(nèi)外先進(jìn)的除草理念和技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種能有效地

9、一次性除草的農(nóng)業(yè)化機(jī)械除草機(jī)3。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的先進(jìn)技術(shù)被開發(fā)并應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械上，推動(dòng)了機(jī)械除草的智能化、自動(dòng)化趨勢發(fā)展4。未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向?qū)⑹蔷珳?zhǔn)農(nóng)業(yè)，實(shí)現(xiàn)粗放型農(nóng)業(yè)向精細(xì)農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變5。發(fā)展智能農(nóng)業(yè)化機(jī)械不僅有利于有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，而且有利于促進(jìn)智能農(nóng)機(jī)的發(fā)展，同時(shí)也是推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展的關(guān)鍵。它解決了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)力短缺的問題，減少了化學(xué)除草對環(huán)境的污染。一些智能化除草機(jī)不僅可以除去行間雜草，而且可以準(zhǔn)確無誤地識別植株和雜草，在除去株間雜草的同時(shí)保護(hù)了植株免遭傷害，提高了作業(yè)效率。發(fā)展現(xiàn)代智能農(nóng)業(yè)裝備是我國農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型的重要組成部分3。因此，株間除草機(jī)的設(shè)計(jì)對我國

10、農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。1.2 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀目前，世界上主要的田間除草方法有人工除草和化學(xué)除草。人工除草是一種利用人力進(jìn)行拔草的、有效的除草方法，也是最原始、最簡單的除草方法。人工除草耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間，且勞動(dòng)強(qiáng)度大，除草效率低。因此，在眾多除草方式中，化學(xué)除草以高效省力的特點(diǎn)逐漸取代傳統(tǒng)的人工除草?；瘜W(xué)除草，就是指使用各種有機(jī)、無機(jī)物質(zhì)抑制、毒殺雜草的方法。然而，在植株小苗密度較大，雜草密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于植株密度的情況下，化學(xué)除草的經(jīng)濟(jì)效益與除草效率不會超過人工除草?；瘜W(xué)除草雖然在一定程度上解決了雜草問題，但長時(shí)間的使用會引起土壤和環(huán)境污染，造成一定的危害6，降低土壤的質(zhì)量。目前正在試驗(yàn)

11、和開發(fā)利用生物試劑、病毒、病原微生物或昆蟲來控制雜草。1.2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀在上世紀(jì)八十、九十年代，美國、荷蘭、丹麥、德國等國已經(jīng)開始研究機(jī)械除草了。并經(jīng)過多年的研究，已經(jīng)取得了一些成熟的研究成果。德國的Cavalier等人與Amazon Worked公司合作研發(fā)了一種機(jī)械除草系統(tǒng)，專門用于玉米田的行株間除草(圖1)。其中除草刀為鵝腳型刀片，由四個(gè)刀片組成，圍成一個(gè)圓周，并固定在旋轉(zhuǎn)軸上，每個(gè)刀片都可以通過電路控制來進(jìn)行株間除草和防草，同時(shí)還可以調(diào)節(jié)刀片的運(yùn)行速度7。圖1 德國奧斯納布呂克大學(xué)研制的除草機(jī)器人7在荷蘭，Kowenhoven等人已經(jīng)開始研究用壟鋤在行間和植株間進(jìn)行除草，并在甜菜

12、地發(fā)芽后，對機(jī)械除草、化學(xué)藥劑除草、壟蓋除草等不同除草方法進(jìn)行了對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：除草機(jī)除草效果并不好，并未能除去甜菜地的株間雜草。同時(shí)進(jìn)一步研究表明，機(jī)械除草對土壤進(jìn)行積壓，從而導(dǎo)致產(chǎn)量下降8。丹麥的Norremark等人研制了一種基于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)GPS導(dǎo)航的自動(dòng)避障除草機(jī)9。它利用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)GPS導(dǎo)航和自動(dòng)控制系統(tǒng)，精確控制除草機(jī)前方和除草機(jī)上機(jī)器的橫向和縱向位移，以保證除草時(shí)使用的S形齒在遇到作物時(shí)能夠避免誤傷作物，除草是在植物之間進(jìn)行的，以確保植物的生存，同時(shí)清除雜草。隨后，Norremark等人又對這個(gè)株間除草機(jī)的除草效果進(jìn)行了定量評價(jià)。結(jié)果表明：當(dāng)拖拉機(jī)的前進(jìn)速度達(dá)到0.52m/s

13、時(shí)，耕地面積占全部面積的30%49%；當(dāng)拖拉機(jī)前進(jìn)速度達(dá)到0.31m/s時(shí)，耕地面積所占的比例顯著、大幅增加。這表明，當(dāng)拖拉機(jī)的速度較低時(shí)，除草更有效10 (圖2)。圖2 一種基于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)GPS導(dǎo)航自動(dòng)避障株間除草機(jī)10西班牙的Perez-Ruiz、美國的Slaughter等人也通過研究，發(fā)明了一種把GPS定位系統(tǒng)用于株間除草工作中的除草機(jī)器人控制系統(tǒng)11。在此基礎(chǔ)上，他們又開發(fā)了基于精密測距傳感器的機(jī)器人協(xié)同控制系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)在人工輔助的幫助下，以達(dá)到避開植株而除去株間雜草的目的。它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，價(jià)格便宜12。1.2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀相比國外，我國對機(jī)械除草的研究起步較晚，但是

14、隨著國家對“三農(nóng)”的大力支持和扶持，極大地促進(jìn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和轉(zhuǎn)型，我們的農(nóng)業(yè)裝備的發(fā)展研究也取得了一些令人震驚的研究成果。我國目前的株間除草作業(yè)除了使用化學(xué)除草藥劑以外，其他基本還是需要靠勞動(dòng)力來完成，即人工除草。盡管我們國家已經(jīng)對株間除草機(jī)械有了較多的相關(guān)研究，但大多數(shù)都還只是處在試驗(yàn)的研究當(dāng)中，尚未得到大范圍的推廣和使用。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的韓豹等人一起發(fā)明了3ZCF-7700型多功能中耕除草機(jī)，它的株間松土除草部件構(gòu)成如圖3所示。這屬于純機(jī)械系統(tǒng)，可同時(shí)進(jìn)行行間除草和株間除草13，解決了機(jī)械除草作業(yè)過程中難以鏟除植株根部附近雜草、傷苗嚴(yán)重、除草效率低等的問題，并進(jìn)行了田間試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在不

15、受外界干擾、田間土地質(zhì)量好的情況下，提高作業(yè)速度有利于使株間和行間雜草得到清除，且對傷苗率的影響并不明顯。在玉米定苗前、除草機(jī)行進(jìn)速度為22.4m/s的范圍內(nèi)時(shí)，平均的株間除草率約為76%，傷苗率約為4.4%，極大地提高了除草效率。圖3 株間松土除草部件構(gòu)成12江蘇大學(xué)的張鵬舉等人研究出了一種八爪式株間機(jī)械除草裝置14 (圖4)，他們利用Pro/E和ADAMS軟件對所設(shè)計(jì)的八爪式株間除草裝置進(jìn)行三維建模，并用仿真軟件對其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。試驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的八爪除草裝置在最佳轉(zhuǎn)速比為0.754時(shí)，能更有效地提高株間的工作效率，更有效地完成植物間的除草。之后他們又設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的除草

16、控制系統(tǒng)，對八爪除草裝置的控制進(jìn)行了測試和驗(yàn)證。數(shù)據(jù)分析表明：八爪株間除草裝置能準(zhǔn)確識別植物，避開栽培植物，對雜草進(jìn)行精準(zhǔn)防治。若作物的平均株距大于30cm，該裝置可把苗木受害率控制在10%以下；同時(shí)，株間的間隙覆蓋率可達(dá)到50%以上15。此外，進(jìn)一步降低傷苗率的方法，有待更進(jìn)一步的研究才可實(shí)現(xiàn)。圖4 八爪式機(jī)械除草裝置的結(jié)構(gòu)示意圖14安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)的李兵等人自主研制了一種小型自走式茶園除草機(jī)(圖5)，該除草機(jī)主要由電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、除草部件、限深裝置、操作系統(tǒng)以及機(jī)架等組成16。其中，除草部件是針對南方山區(qū)小茶園的工作環(huán)境所設(shè)計(jì)的，它的刀片以螺旋的方式安裝在除草輪油缸上，相鄰的除草刀片

17、依次埋入土壤，左右兩側(cè)的除草輪對稱安裝。并通過正交實(shí)驗(yàn)，得出如下結(jié)論：當(dāng)除草輪的轉(zhuǎn)速為350r/min、除草機(jī)前進(jìn)速度為0.8m/s、除草深度為30mm、除草刀的個(gè)數(shù)為6個(gè)時(shí)，該機(jī)器的除草效果最優(yōu)秀，而此時(shí)的除草率為80.7%12。圖5 小型自走式茶園除草機(jī)結(jié)構(gòu)圖122 株間除草機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)2.1 行走機(jī)構(gòu)方案本株間除草機(jī)要求行走速度810m/min，機(jī)器設(shè)備重量以及負(fù)載按照200Kg計(jì)算，關(guān)于傳動(dòng)方案的確定尤為重要，合理的傳動(dòng)方案能夠在滿足使用要求的同時(shí)更節(jié)約成本。確定合理的傳動(dòng)方案之后再進(jìn)行電機(jī)的選型、蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)、鍵槽和聯(lián)軸器的校核等主要部分尺寸的確定等詳細(xì)設(shè)計(jì)。該除草機(jī)的行走機(jī)構(gòu)如下圖

18、6所示。1.電機(jī) 2.輸入端聯(lián)軸器 3.蝸輪蝸桿減速機(jī) 4.輸出端聯(lián)軸器 5.輪子支撐架 6.輪子圖6 行走機(jī)構(gòu)示意圖行走機(jī)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、輪子、支架、減速器等主要部分構(gòu)成。減速機(jī)選用蝸輪蝸桿一級減速機(jī)，蝸輪蝸桿能夠?qū)崿F(xiàn)自鎖。行走到位置后電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪蝸桿減速機(jī)輸出軸通過聯(lián)軸器連接輪子，輪子即停止轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自鎖17。在機(jī)械設(shè)計(jì)中電機(jī)的選型有5個(gè)要點(diǎn)：（1）所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載類型。電機(jī)可以簡單地劃分為直流電機(jī)和交流電機(jī)，而交流電機(jī)又可分為同步電機(jī)和異步電機(jī)。直流電機(jī)可以通過改變電壓來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并可以提供較大的轉(zhuǎn)矩，另外還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是便宜。而缺點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，任何設(shè)備只要結(jié)構(gòu)復(fù)雜，就必然會導(dǎo)致故障率

19、和失敗率增加。異步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，操作方便，價(jià)格便宜，其在制造工藝上也是最簡單的，因此在工業(yè)中得到了最廣泛的應(yīng)用。同步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)除了有過勵(lì)狀態(tài)可以補(bǔ)償無功功率外，還可以精確地控制轉(zhuǎn)速、穩(wěn)定性、過載能力和效率，其過載能力比異步電動(dòng)機(jī)強(qiáng)，特別是低速同步電動(dòng)機(jī)。（2）額定功率。 電動(dòng)機(jī)的額定功率是指輸出功率，即軸功率，又稱電容，是電動(dòng)機(jī)進(jìn)行選型的一個(gè)標(biāo)志性參數(shù)。正確選擇電動(dòng)機(jī)容量的原則是在滿足生產(chǎn)機(jī)械負(fù)荷要求的前提下，以最經(jīng)濟(jì)合理的方式確定電機(jī)功率。若電機(jī)功率選得過大，則會增加設(shè)備投資，造成不必要的浪費(fèi)，且電動(dòng)機(jī)經(jīng)常帶負(fù)荷運(yùn)行，交流電動(dòng)機(jī)的效率和功率因數(shù)會較低；相反，若電動(dòng)機(jī)功率過

20、低，電機(jī)將過載，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過早損壞，致使電動(dòng)機(jī)無法正常工作。（3）額定電壓。 電動(dòng)機(jī)的額定電壓是指電動(dòng)機(jī)在額定工作模式下的線電壓，通俗的講，就是電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的最佳電壓。只有在最佳的工作條件下，電動(dòng)機(jī)的性能才能比較穩(wěn)定，電動(dòng)機(jī)的壽命也會得以延長。而一般工業(yè)上電動(dòng)機(jī)的額定電壓主要取決于電力系統(tǒng)的供電電壓和電動(dòng)機(jī)的容量。一般來說，交流電動(dòng)機(jī)的電壓水平主要由使用場所的供電電壓水平來決定。（4）額定轉(zhuǎn)速。 電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速是指電動(dòng)機(jī)在額定條件下工作所運(yùn)行的速度。額定條件主要是指額定電壓、額定電流和額定頻率。電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)機(jī)器都有各自的額定轉(zhuǎn)速。在選擇電機(jī)的轉(zhuǎn)速時(shí)，要注意轉(zhuǎn)速不易選得過低，因?yàn)殡姍C(jī)的額

21、定轉(zhuǎn)速越低，級數(shù)就越大，體積和成交量越大，價(jià)格也越高；同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也不宜選得過高，因?yàn)檫@會使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)過于復(fù)雜，而且難以維護(hù)。此外，當(dāng)功率一定時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比。（5）其他條件。 一般來說，如果知道所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載類型、電動(dòng)機(jī)的額定功率、額定電壓和額定轉(zhuǎn)速，便可以將電機(jī)選型大致確定下來。但如果要最優(yōu)化地滿足負(fù)載要求、更好地提高工作效率，這些基本參數(shù)就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。還需要提供：頻率、過載要求、絕緣等級、防護(hù)等級、環(huán)境、溫度、海拔高度、安裝方式、戶外要求、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)，應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析。 由輪子的提升力和其旋轉(zhuǎn)行走速度v，得 P'w=Fv1000 (1)其中： F=G=mgN

22、 M為設(shè)備質(zhì)量，單位kg；g為重力加速度，單位N/kg； F=200×9.8=1960N (2) v=1060=0.167m/s (3)代入數(shù)據(jù)得： P'w=1960×0.1671000=0.327kw (4)Pw=P'w×1.25=0.327×1.25=0.41kw (5)各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和軸承的效率為：法蘭效率：1=0.98；單級蝸輪蝸桿傳動(dòng)的效率：2=0.7；雙滾動(dòng)軸承效率：3=0.98；臺階鍵槽固定聯(lián)軸器傳動(dòng)效率：4=0.98；驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)過聯(lián)軸器-減速機(jī)-聯(lián)軸器-輪子的總傳動(dòng)效率為 將以上查詢數(shù)值代入得：=12324=0.98×

23、;0.7×0.982×0.98=0.646 (6)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的功率為Pd因?yàn)楦鞣N機(jī)構(gòu)導(dǎo)致功率損耗，所以驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的實(shí)際功率計(jì)算公式為：Pd=Pw (7)則代入數(shù)據(jù)得：Pd=Pw=0.410.646=0.63kw (8)選用的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速首先要滿足的條件是在以上的計(jì)算范圍內(nèi)，同時(shí)還需要考慮在整個(gè)設(shè)計(jì)中電動(dòng)機(jī)的尺寸需要滿足便于安裝，需要考慮電動(dòng)機(jī)的價(jià)格以及是否方便采購，是否方便維修和保養(yǎng)，通過綜合比較最終決定選擇的電動(dòng)機(jī)P0=1.5kw；滿載轉(zhuǎn)速：=940。 電機(jī)的功率、轉(zhuǎn)速、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和最大扭矩都能滿足設(shè)計(jì)要求，并在加了安全系數(shù)的條件下也能很好的滿足使用要求，電機(jī)做為減速機(jī)的主要驅(qū)

24、動(dòng)裝置，在設(shè)備中尤為重要，電機(jī)的選型必須滿足設(shè)計(jì)需求。2.2 除草機(jī)構(gòu)方案除草機(jī)構(gòu)由電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)軸、割刀架和刀片組成，具體如圖7所示。割草電機(jī)安裝在機(jī)架上，通過傳動(dòng)軸與割刀盤連接，電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)傳動(dòng)軸和割刀盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)，起到旋轉(zhuǎn)除草的作用。用來除草的刀片一般使用合金工具鋼，可以讓刀片的鋒刃度和耐磨強(qiáng)度能達(dá)到要求。圖7 除草裝置示意圖3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要部件的設(shè)計(jì)3.1 傳動(dòng)比的確定傳動(dòng)比的計(jì)算公式是：i=n1n2=zK (9)其中： n1蝸桿的轉(zhuǎn)速； n2蝸輪的轉(zhuǎn)速； K蝸桿頭數(shù)； z蝸輪的齒數(shù)。因此，傳動(dòng)比與蝸輪齒數(shù)，蝸桿頭數(shù)，模數(shù)等都有很大的關(guān)聯(lián)。傳動(dòng)比的公式表明：當(dāng)z=1，即蝸桿為單數(shù)時(shí)，傳

25、動(dòng)比比較大。一般來說，在動(dòng)力傳動(dòng)中，我們通常取傳動(dòng)比i=1080；而在分度機(jī)構(gòu)中，傳動(dòng)比i可以達(dá)到1000，這樣高的傳動(dòng)比，如果是齒輪傳動(dòng)，則需要采取多級傳動(dòng)。當(dāng)蝸桿頭數(shù)增多，效率就會增大，但加工難度也會增大。當(dāng)蝸桿頭數(shù)減少時(shí)，傳動(dòng)比增大，但傳動(dòng)效率就會降低。所以，蝸桿頭數(shù)一般會取z=1，2，4，6。如實(shí)際中，若蝸輪蝸桿頭數(shù)為1時(shí)，傳動(dòng)比為3：1，就不太適合蝸輪傳動(dòng)了。因?yàn)閭鲃?dòng)比太低，傳動(dòng)效率低。即蝸桿旋轉(zhuǎn)3圈，蝸輪才轉(zhuǎn)1圈。如果希望蝸輪的速度快，可從z=2，4，6中選擇。本次設(shè)計(jì)所采用的蝸桿頭數(shù)選擇一個(gè)頭的，蝸輪可以初步選用50個(gè)齒的，一般減速機(jī)減速比為4060時(shí)性能較為穩(wěn)定，強(qiáng)度較好。選定

26、轉(zhuǎn)速比為：i=50/1 (10)所以輪子轉(zhuǎn)速： n=940/50=18.8r/min (11)從而，輪子直徑：D=1000v×n=1000×10×18.8=169.4mm (12) 圓整為：D=170mm (13)各軸功率計(jì)算：P1=P01=1.5×0.98=1.47kw (14) P2=P1232=1.47×0.7×(0.98)2=0.97kw (15) 各軸轉(zhuǎn)速的計(jì)算： n1=940r/min (16)n2=n滾筒=940/50=18.8r/min (17) 各軸輸入扭矩的計(jì)算： T1=9550×P1n1=9550

27、15;1.47940=14.93Nm (18) T2=9550×P2n2=9550×0.9718.8=492.74Nm (19)表1 蝸輪蝸桿減速機(jī)各軸參數(shù)計(jì)算匯總名稱功率(kw)轉(zhuǎn)速(r/min)扭矩(Nm)蝸桿軸1.4794014.93蝸輪軸0.9718.8492.743.2 蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)3.2.1 蝸輪蝸桿的材料選擇蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)通常用于在兩個(gè)交錯(cuò)軸之間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。蝸輪與蝸桿在其中間平面上就相當(dāng)于齒輪與齒條，而蝸桿的形狀又與螺桿相近似。如果想獲得較大的齒輪減速比，就必須使用蝸輪蝸桿。其減速比通常為20：1，有時(shí)甚至可以達(dá)到500：1或更大。蝸桿的常用材料主要有碳鋼

28、或合金鋼，具有高強(qiáng)度、高韌性、耐磨、耐腐蝕、耐低溫、耐高溫等特點(diǎn)。按熱處理18的性質(zhì)可分為：（1）滲碳鋼。表面淬硬在5662HRC(硬度再高易出現(xiàn)裂紋)，如16CrMn、20Cr、20CrMn等。含鎳的滲碳鋼還具有高的低溫韌性，適合寒帶地區(qū)使用。（2）表面或整體淬火鋼。經(jīng)火焰或感應(yīng)淬火4550HRC，如45、40Cr等。（3）調(diào)質(zhì)鋼。表面硬度3035HRC，如40Cr、40CrNi等。對于一般的傳動(dòng)，也可以用45調(diào)質(zhì)鋼。（4）氮化鋼。表面硬度HV850，如38CrMoAL、31CrMoV9，氣體氮化。蝸輪的常用材料主要有鑄錫青銅和鋁鐵青銅；對于一些低速轉(zhuǎn)動(dòng)或一些不重要的傳動(dòng)可采用鑄鐵材料。其優(yōu)

29、劣特點(diǎn)如下：（1）鑄鐵青銅：摩性好，抗膠合性好，但價(jià)格偏貴，強(qiáng)度稍低。（2）鑄鋁鐵青銅：減摩性、抗膠合性稍差，但強(qiáng)度高，價(jià)格便宜。（3）鑄鐵：灰；石墨。要進(jìn)行時(shí)效處理，防止變形。本次設(shè)計(jì)所采用的蝸輪蝸桿材料選擇40Cr鋼。蝸輪材料的許用接觸應(yīng)力：H =190N/mm (20)蝸輪彎曲應(yīng)力：F=44N/mm (21)3.2.2 關(guān)于蝸桿頭數(shù)和蝸輪齒數(shù)的確定蝸輪齒數(shù)主要是根據(jù)傳動(dòng)比來確定。蝸桿頭數(shù)一般為z1=14，常取z1=12。在選擇蝸桿時(shí)，我們不僅要考慮傳動(dòng)比，還要考慮效率、自鎖性和可加工性等因素。如果從提高效率的角度看，蝸輪蝸桿的頭數(shù)越多，效率越高。而從制造的角度來看，蝸輪蝸桿減速機(jī)的蝸桿頭

30、的數(shù)量越多，制造難度就越大。因此，在選擇蝸輪蝸桿頭的數(shù)量時(shí)，必須對上述因素進(jìn)行詳細(xì)的分析。一般來說，在動(dòng)力傳動(dòng)中，當(dāng)主要問題是提高效率時(shí)，通常采用多頭蝸桿減速機(jī)；當(dāng)主要矛盾是提高精度和要求良好的自鎖時(shí)，通常采用單頭的蝸輪蝸桿減速機(jī)。蝸輪齒數(shù)一般為z2=2780。當(dāng)齒數(shù)小于27時(shí)，會產(chǎn)生齒根切口；過了80，蝸輪的直徑和體積都會增大，蝸桿的長度也會增加，且容易變形。另外，蝸輪齒數(shù)的選擇，不僅要考慮傳動(dòng)比的要求，還要對小齒數(shù)的限制有所考慮。這與齒輪的加工方法有關(guān)，如果齒數(shù)不小于17齒，應(yīng)避免使用滾齒刀切割齒根。在一般設(shè)計(jì)中，我們通常取z小=1820。在這里我們選取 z1=1 (22)則z2=z1&#

31、215;i=1×50=50 (23) 故取z2=50 (24)3.2.3 計(jì)算蝸輪的速度實(shí)際傳動(dòng)比： i=50/1 (25)工作機(jī)輪子轉(zhuǎn)速： n滾筒=940/50=18.8 (26)鋼絲繩的行走速度： v1=3.14×D×n21000=3.14×170×18.81000=10.04m/s (27)速度誤差： v-v1v%=10-10.0410%=0.4%5% (28)合格3.2.4 減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)中心距的計(jì)算蝸輪蝸桿減速機(jī)中心距的計(jì)算方式如下：(蝸桿分度圓直徑+蝸輪分度圓直徑)/2減速機(jī)的作用主要有：（1）增加輸出扭矩，同時(shí)降低轉(zhuǎn)速。扭矩輸出比為

32、電機(jī)輸出× 減速比，但不要超過減速器的額定扭矩。（2）減速度的同時(shí)減小了負(fù)載的慣量，慣量的減少為減速比的平方。關(guān)于蝸桿的功率Pc1的詳細(xì)計(jì)算公式如下： PC1=P1KA（KFKMP） (29)式中： K關(guān)于應(yīng)用場合參數(shù)，由于該除草機(jī)構(gòu)屬于小型，故K=0.7；K加工等級參數(shù)，蝸桿的加工精度等級為IT7，所以K=0.9；K速度參數(shù)，機(jī)構(gòu)運(yùn)行速度為10米/分鐘，K=0.85。以上參數(shù)代入公式得： PC1=P1KA（KFKMP）kw (30)對蝸輪蝸桿的傳動(dòng)幾何參數(shù)進(jìn)行匯總(表2)，并經(jīng)計(jì)算得出圖8。表2 蝸輪蝸桿幾何尺寸匯總表序號名稱代號或公式數(shù)值1中心距a100mm2齒數(shù)比u=z2/z1

33、503蝸輪齒數(shù)z2504蝸桿頭數(shù)z115蝸桿齒頂圓直徑da145mm6蝸桿齒寬b153mm7蝸桿螺紋部分長度L59mm8蝸桿齒頂圓弧半徑Ra182mm9蝸桿齒頂圓最大直徑de153.8mm10蝸輪端面模數(shù)mt=2a-da1z2-2ha*3.18mm11徑向間隙C=0.16mt0.51mm12齒頂高h(yuǎn)a=0.75mt2.23mm13齒根高h(yuǎn)f=ha+C2.74mm14全齒高h(yuǎn)=ha+hf4.97mm15蝸桿分度圓直徑d1=(0.624+2.02i)a0.87540.53mm16蝸輪分度圓直徑d2=2a+d1159.47mm17蝸輪齒根圓直徑df2=d2-2hf153.98mm18蝸桿齒根圓直徑d

34、f1=d1-2hf35.05mm19蝸輪齒根圓弧半徑Rf1=a-0.5df182.48mm20分度圓壓力角=arcsin(d1d2)24°21蝸桿分度圓齒厚S1=P2-S2-j4.298mm22蝸桿分度圓法向齒厚Sn1=S1cosrm4.29mm23蝸輪分度圓法向齒厚Sn2=S1cosrm5.49mm圖8 蝸輪加工圖3.3 蝸輪軸的設(shè)計(jì)3.3.1 軸的材料選擇材料選用20Cr，通過調(diào)質(zhì)處理硬度需要達(dá)到285HBS，加工等級均IT7級精度。材料強(qiáng)度b=650N/。3.3.2 軸徑的初步計(jì)算 軸徑的計(jì)算公式為： dmin=A03P2n2 (31)其中： n2轉(zhuǎn)速，單位r/minP2傳遞功

35、率，單位kwdmin危險(xiǎn)截面直徑，單位mm dmin=A03P2n2=112×30.9718.8=41.7mm (32)3.3.3 聯(lián)軸器的種類及選擇由于制造及安裝誤差、加載后的變形以及溫度變化等因素的影響，聯(lián)軸器所聯(lián)接的兩軸往往不能保證嚴(yán)格的對中，但卻存在著某種程度上的相對位移。這就要求在設(shè)計(jì)聯(lián)軸器時(shí)，必須要采取各種結(jié)構(gòu)措施上，使之具有適應(yīng)一定范圍相對位移的性能19。根據(jù)聯(lián)軸器對各種相對位移有無補(bǔ)償能力(即能否在發(fā)生相對位移的條件下保持連接的功能)，可分為剛性聯(lián)軸器(無補(bǔ)償能力)和撓性聯(lián)軸器(有補(bǔ)償能力)兩大類。撓性聯(lián)軸器又可按是否具有彈性元件分為無彈性元件的撓性聯(lián)軸器和無彈性元件

36、的撓性聯(lián)軸器兩個(gè)類別。(一)剛性聯(lián)軸器：這類聯(lián)軸器有套筒式、夾殼式、凸緣式等。較為常用的是凸緣聯(lián)軸器。凸緣聯(lián)軸器的材料可用鑄鐵或碳鋼，重載時(shí)或圓周速度大于30m/s時(shí)應(yīng)用鑄鋼或鍛鋼。由于凸緣聯(lián)軸器的兩軸要求為中性，當(dāng)兩軸相對位移時(shí)，就可能給工件帶來附加載荷，惡化工作條件，這是其主要缺點(diǎn)。由于其成本低、傳遞轉(zhuǎn)矩能力強(qiáng)，常用于低速、無沖擊的場合，軸的剛性大和相對中性時(shí)常被采用19。(二)撓性聯(lián)軸器：（1）無彈性元件的撓性聯(lián)軸器這類聯(lián)軸器因具有撓性，故可以補(bǔ)償兩軸的相對位移。但因無彈性元件，故不能緩沖減振。常用的有十字滑塊聯(lián)軸器，滑塊聯(lián)軸器，十字軸式萬向聯(lián)軸器，齒式聯(lián)軸器，滾子鏈聯(lián)軸器等。（2）有彈

37、性元件的撓性聯(lián)軸器這類聯(lián)軸器因裝有彈性元件，不僅可以補(bǔ)償兩軸間的相對位移，而且具有緩沖減振的能力。常用的有彈性套柱銷聯(lián)軸器，彈性柱銷聯(lián)軸器，梅花形彈性聯(lián)軸器，輪胎式聯(lián)軸器，膜片聯(lián)軸器等。選擇一種合適的聯(lián)軸器類型應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)19：（1）所需傳遞的轉(zhuǎn)矩大小和性質(zhì)以及對緩沖減震功能的要求。（2）聯(lián)軸器的工作轉(zhuǎn)速高低和引起的離心力大小。（3）兩軸相對位移的大小和方向。（4）聯(lián)軸器的可靠性和工作環(huán)境。（5）聯(lián)軸器的制造、安裝、維護(hù)和成本。蝸輪軸固定聯(lián)軸器處的直徑是d1-2，公式Tca=KA×T2，轉(zhuǎn)距變化很小，故取Ka=1.3 (33)則：Tca=1.3×492.74=640.56

38、Nm (34)根據(jù)圖9故選用YL11型凸緣聯(lián)軸器。圖9 蝸輪軸圖3.4 滾動(dòng)軸承的校核本次設(shè)計(jì)初選圓錐滾子軸承7306E。圓錐滾子軸承是分離式軸承。軸承的內(nèi)圈和外圈具有錐形軸承軌道。這種軸承按安裝的滾子排數(shù)分為單列圓錐滾子軸承，兩列和四列圓錐滾子軸承。單列圓錐滾子軸承能承受徑向載荷和單向軸向載荷。大多數(shù)圓錐滾子軸承是單列圓錐滾子軸承。小型雙列圓錐滾子軸承常用于汽車前輪輪轂，四列圓錐滾子軸承主要用于冷軋、熱軋等大型重型機(jī)械。圓錐滾子軸承能承受徑向載荷以及軸向載荷。安裝時(shí)，可分離外圈，調(diào)整軸承間隙。通常是成對使用19。查得圓錐滾子軸承7306E：C=52.5kN C0=60.5KN e=0.83

39、Y=0.7FaFr=1.62833>e=0.83 (35)考慮到載荷系數(shù)f=1.2所以P=fp(XR+YA)=1.2（0.4×2655.5367+0.7×5952.4）=6274.673616 (36)軸承壽命： Lh=10660n(CP)=10660×910(525006274.673616)103=21778.8311h (37)該除草機(jī)大概平均每天使用半小時(shí)，故所選軸承壽命為Lh'=120.9935y (38)所選軸承合適。4 主要零部件的設(shè)計(jì)4.1 刀片的設(shè)計(jì)及計(jì)算4.1.1 刀片的選擇除草機(jī)刀片的材料越硬，其耐磨性就越好。刀片的硬度越高，沖

40、擊韌性就越低，材料也越脆。硬度和韌性是一對矛盾，也是刀具材料所應(yīng)克服的一個(gè)關(guān)鍵。因此，我們在選材上需要選擇硬度好，耐磨性高的材料。而除草機(jī)的刀片種類主要有：（1）繩子刀片：針對的是比較嫩的、好切斷的草。（2）方形刀片：主要是針對比較硬、脆的草，類似蘆葦?shù)取＃?）菱形刀片：針對的是藤本植物、小細(xì)灌木，比較韌的草。（4）打草頭：安裝尼龍打草繩，主要是用于割灌機(jī)刀片不能到達(dá)的條塊、坡地等地形、修剪嫩草和中密度草地。（5）兩齒刀片：又稱一字刀片，切割、修剪人工培育過長的草地以及荒草。需要額外注意不能使用二齒刀片來切割灌木。（6）三齒刀片：用于切割處理荒草、半木質(zhì)草以及荒疏灌木群，切割直徑不宜超過1cm

41、。需要額外注意不能使用三齒刀片切割灌木。（7）40齒刀片：又稱鋸片，包括40齒、60齒、80齒等，主要用于收割水稻、大小麥、豆類、油菜、玉米等多數(shù)農(nóng)作物。（8）40合金刀片：又稱合金鋸片，包括40齒、60齒等，主要用來切割灌木群，還可用來開辟荒山，切割直徑不宜超過6cm。 刀片的選擇非常重要。不同的除草刀片可用于不同的地區(qū)、農(nóng)作物和環(huán)境。不同類型的除草刀片在不同的草地上可以達(dá)到不同的除草效果。最后，根據(jù)環(huán)境、溫度等因素，選擇高、中、低翼的刀片，以達(dá)到不同的除草效果和除草質(zhì)量。如需碎草，可選用功率大的多齒原子割草機(jī)刀片。這種割草機(jī)的刀片可以將草葉和樹葉磨成非常細(xì)小的碎片，不會影響外觀，更適合園藝

42、。另外，刀片的工作原理是采用高速旋轉(zhuǎn)來進(jìn)行割草。理論上，齒輪刀片更加安全。而長條形的刀片則比較鋒利，覆蓋面積更廣。無論刀片的形狀如何，刀片的耐久性都只與刀片的材質(zhì)有關(guān)。4.1.2 刀片的設(shè)計(jì)及計(jì)算本次設(shè)計(jì)的刀片因運(yùn)用于農(nóng)作物除草，故刀片選擇優(yōu)質(zhì)合金鋼，其最低硬度為HRC45，脆性要求應(yīng)符合彎曲試驗(yàn)。刀片如圖10所示。圖10 刀片彎曲試驗(yàn)：如圖11所示，通過16mm的圓沖頭，以最小20m/s的沖壓速度沖壓刀片，將刀片彎成a角度。沖頭和支架的寬度應(yīng)大于或等于試驗(yàn)刀片的厚度S。刀片的厚度對應(yīng)的彎曲角度見表3。表3 刀片厚度對應(yīng)的彎曲角度厚度s/mm角度a/(°)s3.5753.5s4.54

43、5S4.530非平刀片應(yīng)在最不利的位置試驗(yàn)，彎曲中心與刀片的整體長度中心一致。支承距離L由下式計(jì)算： L=(32+3s)±s/2 (39) 試驗(yàn)期間，支承距離保持不變，每個(gè)支承的半徑為10mm，軸承轉(zhuǎn)動(dòng)無回彈。彎曲試驗(yàn)后刀片無明顯裂紋。當(dāng)旋刀式除草機(jī)刀片上不平衡量達(dá)M時(shí)，除草機(jī)運(yùn)行1h不應(yīng)有任何的故障和部件的損壞。其中：M=0.024d (40)式中：M刀片不平衡量，kg·m; d刀尖圓直徑，m。1. 圓沖頭 2.刀片 3.支承 4.彎曲區(qū)圖11 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷镀男阅芤螅海?）刀尖最大線速度應(yīng)小于96.5m/s。（2）刀片制動(dòng)時(shí)間：當(dāng)?shù)镀宰罡哌\(yùn)行速度運(yùn)行時(shí)，對于除草寬度小

44、于600mm的旋刀式割草機(jī)，當(dāng)操作者離開操作機(jī)構(gòu)時(shí)，刀片從開始旋轉(zhuǎn)到停止旋轉(zhuǎn)的時(shí)間應(yīng)在3S以內(nèi)。（3）當(dāng)最大行駛速度小于等于13km/h時(shí)，制動(dòng)距離為0.19m/1km/h；當(dāng)行駛速度大于13km/h時(shí)，制動(dòng)距離按下列公式計(jì)算： S=0.015v (41) 式中：S制動(dòng)距離，m； v行走速度，km/h。割刀裝置如圖12所示：圖12 割刀裝置圖4.2 鍵聯(lián)接的強(qiáng)度校核蝸桿軸上安裝聯(lián)軸器處的鍵聯(lián)接選用普通平鍵6×6、鍵的工作長度l=28。鍵的工作高度： k=h2=62=3 (42)查得鍵聯(lián)接的許用比壓： p=5060N/ (43) p=2Tdkl=2×779220×3

45、×28=9.276 N/mm2< p (44) 式中：T傳遞的轉(zhuǎn)矩，單位為Nmm； k鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，k=0.5h，為鍵的高度，單位為mm； l鍵的工作長度，單位為mm；d 軸的直徑，單位為mm；P鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，單位為MPa。通過計(jì)算，所選平鍵合格。4.3 蝸桿軸輸入端聯(lián)軸器的選擇選用凸緣聯(lián)軸器，查得：K=1.3 (45)又因?yàn)門c=KT1，故：Tc=1.3×11428.5165=14857.07145Nmm (46)因此選用YL3型聯(lián)軸器。 5 結(jié)論本文在對株間除草機(jī)的研究意義和發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析之后，設(shè)計(jì)了一個(gè)可以適用于大多數(shù)農(nóng)作

46、物株間，尤其是玉米株間的智能機(jī)械化除草機(jī)。設(shè)計(jì)的產(chǎn)品達(dá)到預(yù)期的要求與目的，能夠從理論上減少除草時(shí)間、提高除草效率。整個(gè)機(jī)器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，體積較小，轉(zhuǎn)向靈活，容易控制，并且操作方便，適應(yīng)性較強(qiáng)，能夠滿足我國農(nóng)村的田地作業(yè)要求。主要得到以下結(jié)論：（1）本除草機(jī)采用自走式車輛本體的行走機(jī)構(gòu)方案，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行株間除草作業(yè)。并通過蝸輪蝸桿以及聯(lián)軸器使輪子停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 （2）刀片與螺栓連接在一起，方便更換已損壞的除草刀具，也可根據(jù)不同的農(nóng)作物的生長環(huán)境和行株間距選擇不同尺寸大小的除草刀具。 （3）通過安裝雙刀片，使除草效果更好，提高除草效率。參 考 文 獻(xiàn)1 趙永，劉旭華，孫騰達(dá). 基于空間自回歸模

47、型的中國耕地面積變化預(yù)測J. 干旱區(qū)資源與環(huán)境，2013，(08)：1-5.2 李江國，劉占良，張晉國，等. 國內(nèi)外田間機(jī)械除草技術(shù)研究現(xiàn)狀J. 農(nóng)機(jī)化研究，2006(10): 14-15.3 劉亞超. 株見除草機(jī)設(shè)計(jì)_仿真與實(shí)驗(yàn)研究D. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2019.4 刑占強(qiáng). 智能化除草機(jī)器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢展望J. 農(nóng)業(yè)科技與裝備， 2015(05):37-38.5 裘正軍. 基于GPS、GIS及虛擬儀器的精細(xì)農(nóng)業(yè)信息采集與處理技術(shù)的研究D. 浙江: 浙江大學(xué)， 2003.6 張躍進(jìn)，黃輝. 我國農(nóng)田化除草歷史回顧和發(fā)展對策A. 面向21世紀(jì)中國農(nóng)田雜草可持續(xù)治理第六次全國雜草科學(xué)學(xué)術(shù)研討會論文集C，1999.7 Griepentrog H W，Gulhom-Hansen T. Nielsen J First field result from intra-row rotor weeding. Proceedings of 7th eur