温室电动 松土机 的设计

温室电动 松土机 的设计 关于学位论文原创性和使用授权的声明 本人所呈交的学位论文，是在导师指导下，独立进行科学研 究所取得的成果。对在论文研究期间给予指导、帮助和做出重要 贡献的个人或集体，均在文中明确说明。本声明的法律责任由本 人承担。 本人完全了解山东农业大学有关保留和使用学位论文的规 定，同意学校保留和按要求向国家有关部门或机构送交论文纸质 本和电子版，允讦论又硬鱼例捌借阅。本人授权山东农业大学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名:螂宁 导师签名:错 日 期:专么、/易 山东农业大学硕士学位论文 摘要 解决"三农"问，最根本的是要提高农民收入。事实证明，大力发 展以温室大棚为代表的设施农业是一条有效的途径。我国温室大棚的机械 化作业水平还比较低，大多数作业仍依靠手工劳动，强度大、效率低。松 土作业是一项基础性作业。近几年，国内引进开发了一些大棚耕耘机械， 但存在体积大、适应性差等问题。为此，研制了适宜于国内大棚作业的小 型电动松土机。 根据大棚内土壤比较松软、空间狭小等特点，方便的动力条件以及农 艺要求，确定小型电动松土机的结构。整机主要由电动机、传动系统、 松土机构、行走装置、操作机构等组成，电动机提供动力，通过联轴器与 减速器连接;减速器经链轮将动力分别传递给工作部件和行走装置，实现 松土作业和自走的目的:操作机构包括转向拉杆和行走离合器，控制松土 机转向和动力的传递与分离。 松土工作机构是该机的关键部分。依据人工刨地时镐头的运动，设计 不同的机构模拟松土铲的运动轨迹;通过运动分析和结构优化，采用曲柄 渭杆机构和辅助凸轮，产生人工刨地的作用效果:突出对土壤的切削作用， 弱化翻土、碎土能力，以减小对土壤结构的破坏。 建立了滑杆和松土铲的运动方程，分析其空间运动的基本特征，推导 出松土深度与松土工作部件结构尺寸间的数学函数关系，讨论了机组前进 速度、驱动轮转速、松土深度及切土节距等因素对功率消耗的影响。在满 足农艺要求的前提下，以减少动力消耗为目标，对这些参数进行优化，改 善了机组作业的经济性。 利用AutoCAD软件，绘制了整机零部件的图样，完成了关键零件的 强度校核，为样机的制造和保证工作的可靠性提供了依据。 针对国内大棚种植的现状，由电动机提供动力，无污染，且减小了 机组的重量和尺寸。采用往复式松土铲，实现人工刨地的运动特点，提 高了松土作业的质量和经济性。传动系统、行走系统的设计保持了较高 的通用性，有进一步开发和推广的价值。 关键词:温室大棚松土机往复 温室电动松土机的设计 温室电动松土机的设计 1引言 1.1本课题研究的目的和意义 设施农业的出现，使农作物反季节生长成为可能，这就增加了农民 收入，同时也丰富了城市居民的菜篮子。但我国设施农业起步较晚，发 展缓慢，尤其是机械化作业水平低下。大多数劳动和作业仍为原始的手 工劳动，强度大、工作环境差、效率低。与发达国家相比存在很大差距， 是综合设施技术中的薄弱环节，如人均管理面积仅相当于荷兰的1/4，而 且作业质量差，产出不尽如人意，平均单产约为荷兰的1/3~1/4。而温室 与大田作业有极大的不同:小规模的棚室高度较低，中脊高度为 2.4~2.8m，跨度为5.5~10m，前坡面弯折处高度为1m左右。在这样的 棚室内，大田机具根本无法正常作业。所以当前要发展设施农业首要的 是发展设施农业机械?2】[3】[41。 虽然大棚内的耕作机械是用户急需的，但现有产品的机型不多，应用 不普遍，多为借用现有的露地用小型耕作机械。近几年针对温室、大棚等 特殊耕作环境，国内研制生产了一些小型耕作机械，有的微耕机还设计有 多种作业功能，考虑了兼顾露地作业，提高了机械的使用效率。但是由于 产品大多存在一些问题，如外型尺寸及结构质量大、操作不灵便、边角地 带无法工作、漏耕严重:生产率低、适应性较差、结构复杂;在作业性能、 可靠性和耐久性等方面也存在一些问题。 本课题所研究的温室电动松土机，机型小，操作简便，克服了棚室作 业空间狭小的弊端;模仿人工刨地轨迹，对土壤主要起切削作用，而且无 犁底层;由电动机带动松土部件工作，无污染，在一定程度上代替了人力， 减轻了劳动强度，提高了劳动效率。这对于发展经济、高效、优质和环保 的设施农业具有重要的现实意义。 1.2国内外温室耕耘机械的研究现状及存在问题 1.2.1国外温室耕耘机械的研究现状 国外设施农业耕作机械技术非常成熟，作业性能稳定，功能齐全，小 巧轻便。日本、意大利、荷兰和以色列等国家的产品，广泛用于旋耕、犁 4 山东农业火学硕士学位论文 耕、开沟、作畦、起垄、中耕、培土、铺膜、打孔、播种、灌溉、施肥等 作业项目。 美国专门生产小型拖拉机的吉尔森公司生产的自走式旋耕机，该机的 主要特点是旋耕机直接由底盘驱动轴带动，机体重量全部压在旋耕刀片 上，刀盘直径为35.5cm，耕幅为30.4-66cm，传动形式为链传动和蜗轮 蜗杆传动两种型式。功率为3.68kW左右，适于菜园、温室等地作业。不 旋耕时可换上轮子配带其他农具:翻转犁、除草铲、中耕铲、齿耙等作业。 意大利M?B公司生产一种单轮驱动轴旋耕机，动力为3.3kW汽油 机，单机重量为40堙。适于菜园、花圃中耕作业，一次完成旋耕、培土 两项作业。该公司还生产5.89-7.36kW多用自走底盘，由驱动轴配带旋 耕机完成田间旋耕作业，换上轮胎后又可完成犁耕、运输、喷雾等作业。 日本、美国、韩国等国家的小型耕耘机多以2。2,8kW的汽油机为动 力。为减少对棚室内的空气污染出现了用电动机作动力的小型自走式旋耕 机f5]16】[7】I81。 1.2.2国内温室耕耘机械的研究现状 近几年，针对温室大棚等特殊耕作环境，我国也相继出现了很多适于 保护地作业的小型机具。许多地区由大专院校、科研院所和工厂相结合研 制的小型自走式旋耕机，适于棚室耕整地作业[9】[101。 NF一40系列多功能农田管理机配套动力4.41~5.14kW，质量 120kg，它是由江苏扬州市苏扬机械厂生产，可配套多种作业机械，完成 耕作、碎土、开沟、播种、中耕除草、培土、覆膜、喷药、运输等多种工 作，其结构特点是:体积小，质量轻，功能多，操作灵活;行走道路不限， 能在30厘米宽的狭窄路面行走，适用于在小田块、丘陵区、及温室大棚 内工作;有较多档位，可适应不同速度的需要;操作杆可作旋转180度或 上下24度的调整，以适应操作者不同身高以及不同情况的操作需要[11】 【121。 沈阳农业大学研制的IGD一900型电动旋耕机以交流电机为动力，具 有动力强、耕作速度快、不排放有害气体、噪声低等优点，该机重75公 斤(包括30米缆线)，采用按钮开关，有380伏、220伏两种动力机型可 供选择，装有行走轮、推动方便、转向灵活。工作参数为耕幅900毫米、 温室电动松土机的设计 耕深150~250毫米、刀片数量18个'13]【14】。 由山东农业大学研制的温室电动爪式松土机，它以电动机作为动力 源，体积小、重量轻、造价低、可靠性高，可以减少土壤压实和对温室环 境的污染。而且使用电能做能源，比燃油经济，可以降低作业成本。机组 采用功率4kW的三向异步交流电机，前进速度O.333m/s，切土节距10 厘米，耕深12厘米，耕幅465毫米，据悉，该机经鉴定已达国内先进水 平，并已申请国家专利[1lits][161。 1.2.3国内外温室耕耘机械的存在问题 国外温室农业机械的发展已经比较成熟，作业功能比较齐全，可靠性 高，但是进口机型价格高，一般要在7000元以上，而且配件不全，维修 服务不方便。 我国尽管研制和生产了一些小型耕作机械，有的微耕机还具备多种作 业功能，考虑了兼顾露地作业，提高了机械的使用效率。但大多产品仍存 在以下问题:?外型尺寸及结构重量大，操作不灵便。特别是从露地直接 转移到大棚内的机械，在温室内转向和转移都十分困难，而且边角地带无 法工作，漏耕严重。?生产率低，适应性较差，当土壤含水率较高(超过 20%以上)时，其碎土性能变差，能耗高。?作业性能、可靠性、耐久性 等方面还存在一些问题[17]【"1。 1.3温室土壤的物理特性概述 1.3.1土壤的通气性 温室内的土壤由于复种指数高，施肥、灌溉、耕作的频率都超过一般 的农田土，并且有机质含量明显高于农田土，所以其土壤容重低于农田土 (大约为1.10~1.13g/cm3)，土壤的总孔隙度增加，但非毛管空隙度低 于农田土，土壤总孔隙度的改善有利于有机质的矿化，但同时提高了硝化 细菌的活性，从而使土壤残留的硝态氮增加，产生浓度危害。 1.3，2土壤温度 大棚内地温高于露地，同时又有一定的昼夜温差，这样有利于蔬菜作 物体内物质的积累，但地温的增加也会提高硝化细菌的活性。另外，地温 的提高会使土壤中的多数微生物种群大量繁殖，促使有机质矿化，还可以 6 山东农业大学硕士学位论文 造成微生物与根系对有机营养的竞争。 1.3.3土壤水分 大棚内作物种植过程中灌溉次数多，水的用量大，但由于气温、地温 过高，容易形成较为干旱的土体生态环境。据有关专家研究，土壤水吸力 是影响蔬菜生产的重要原因。大棚内水分在土壤中运行有别于农田，土壤 水分在耕层内的运行方向除灌溉水后一天左右的时间外都向着地表方向， 这主要缘于大棚内的温度较高致使蒸发强烈，这种现象会减少养分的淋溶 流失，但易于造成表层土壤的次生盐渍化?【20】。 由于温室土壤特有的物理特性，对温室土壤的耕作也不同于农田土。 有关资料表明，温室大棚内，土壤一般耕作层厚度为10~15cm，比露地 土壤减少6~15cm，蔬菜80%~90%的根系分布在其中。5~0.25mm水 稳性团聚体为13.7%~55.5%，为露地土壤的3.2~11.1倍，并有随着种植 年限加长而增加的趋势，土壤粘性较大。针对这种情况，对温室土壤进行 松土而不耕翻或旋耕[21J【22】。 1.4温室内松土作业的主要作用 温室大棚内松土作业是~项基础性作业，松土不同于耕翻，要求达到 不粉碎土壤、不乱土层的性能，主要的作用有: ?使土壤形成疏松的团粒结构层，增强通气性、提高表层地温。 ?调节土壤水分，切断土壤中毛细管作用，减少土壤下层水分蒸发， 起保墒防旱作用。土壤湿度过大时，可加速表层土壤水分的蒸发，达到凉 墒的目的。 ?改善土壤物理性状，增加好气性微生物活动，加速土壤营养物质的 分解，提高土壤肥力，有利于农作物根系吸收。 ?消除杂草、消灭虫害?【24】。 1.5研究的内容和方法 根据目前我国温室耕耘机械的研究现状和存在问题，以及温室土壤区 别于一般大田作业的物理特性，开发研究适宜于棚室内作业、能提高松土 性能、并充分利用电力资源，减轻机器作业时对环境污染的机具。因此， 研制了温室电动松土机。该课题的主要研究内容有: 温室电动松土机的设计 依据人工刨土时镐头的运动，设计多种机构模拟其轨迹，通过理论分 析和数学模型确定合理机构作为松土机的松土工作部件。 讨论分析影响功率消耗的因素，在保证农艺要求并能减小功耗的前提 下，确定这些参数，并计算松土机所需的功率，根据该功率选择电动机的 型号。 设计松土机的整机结构，主要由电动机、传动变速机构、松土工作部 件、行走机构、操作机构等组成。电动机提供动力，通过连轴器与减速器 连接。传动变速机构采用了减速器、链轮分级机构。电动机的动力分别传 递给松土工作部件和行走机构，实现松土机耕作土壤和自走的目的。操作 机构包括转向机构和离合器操纵机构，转向机构控制松土机转向;离合器 实现松土工作部件和行走机构的动力的传递与分离。 绘制松土机主要零部件图纸，对关键零件进行强度校核计算。 1.6预期目标 (1)选择合理的布局，将松土机构布置为中心对称，以免工作过程 中产生偏心扭矩，使机组不能沿直线前进。 (2)选用合理装置，保证松土机不松土时，松土铲处于特定位置， 防止松土铲陷入土中。 (3)采用电动机作为动力源，体积小、成本低、工作可靠、不污染 环境:零部件经过计算校核后，尽可能采用通用件或件，体现经济、 实用、节能、环保的设计原则。 (4)绘制总装图和零件图，为样机的研制和和进一步改进提供依据。 山东农业大学硕士学位论文 2松土机构的设计 2.1松土机构的选择 运动部件的设计是温室电动松土机设计的关键，从松土的作业要求和 省力两个角度来考虑，应当模仿人工刨地时镐头的运动。即镐头作上下往 复运动，对土壤进行切削;当切削动作完成时，在镐柄的拉动下，镐头迅 速地向后作加速运动;由于惯性力的作用，刨下来的土块向后移动并与镐 头分离;土块落地时被轻度击碎，完成一个松土过程。 电动机输出的动力经传动装置驱动曲柄，由曲柄带动滑杆作上下运 动。滑杆上铰接的松土铲在前进过程中上下切削土壤，当松土铲运动到最 低处(最大耕深)时，凸轮机构的主动件推动松土横梁，使松土铲向后摆 动，于是对切削的土垡有一个向后的作用力，使土垡向后运动，但这个力 不能太大，以免对土垡产生过度的翻转、抛扔作用。为了达到这种要求， 温室电动松土机的运动部分采用平面曲柄滑杆机构和凸轮机构相结合。平 面曲柄滑杆机构能够将曲柄的旋转运动变为滑杆的往复运动，结构简单、 制造容易。凸轮机构只需设计恰当的凸轮轮廓，便可使从动件实现问歇运 动，且结构简单、紧凑。 通常，曲柄连杆机构能够实现转动与往复运动或摆动之间的转换，因 此，对曲柄连杆机构及其演变出的几种常见的平面连杆机构进行了理论分 析，比较几种不同的运动方案，从中加以合理的选择。 2.1.1曲柄摇杆机构 最基本的四杆机构是具有四个转动副的铰链四杆机构。如图2-1，构 、3与机架相连，称为连架杆，其中构件l相对机架 件4为机架、构件1 能作整周转动，称为曲柄，构件3相对机架在一定角度内摇摆，称为摇杆; 构件2不与机架相连，称为连杆。这种机构称为曲柄摇杆机构，它是铰链 四杆机构中最常见的一种。该机构的特点是当曲柄为原动件，摇杆为从动 件时，可将曲柄的连续转动，转变成摇杆的往复摆动【251。 温室电动松土机的设计 图2-1曲柄摇杆机构简图 Fig.2?1CrankandRockerMechanism 图2-2曲柄摇杆机构演化形式 Fig.2-2EvolutionaryTypeofCrankandRockerMechanism 在图2-1的基础上，将连杆2延长，松土铲安装在连杆上，如图2.2。 曲柄1在电动机的驱动下以一定的转速匀速转动，曲柄转动一周的过程 中，连杆带动松土铲完成抬起和下落运动，调整安装位置，当松土铲下落 到与地面垂直时，开始切削土壤;摇杼3的往复摆动可以实现松土铲的前 后运动，以便使切下的土壤向后抛，整个机构固定在机架上，随着机架的 推进而前进，这一过程与旋耕机的工作过程类似。但旋耕机在一个纵垂面 内安装多把刀，刀轴旋转一周，旋耕机可多次切削土壤;而由图2-2可知， 松土机仅有一个松土铲，即曲柄转动~周，松土机切割土壤一次。 在设计该曲柄摇杆机构时，让其在运动过程中出现极位夹角，使机构 具有急回运动特性，可以缩短非生产时间，提高生产效率。但在实际的设 计中，由于没有明确的运动规律函数，造成各个构件的尺寸参数很难确定， 所以设计起来相当复杂。而且松土铲安装在连杆上，当连杆与曲柄共线时， 松土铲能否顺利通过共线位置对铰链B的设计有特殊的要求。所以，还 需考虑更合理的方案。 2.1.2对心曲柄滑块机构(驱动轮滑轮机构) 图2-1为曲柄摇杆机构，当曲柄l绕轴A回转时，铰链c将沿圆弧坳 作往复运动。设将摇杆3做成滑块形式，并使其沿圆弧导轨坳往复运动， 显然其运动性质并没有发生改变。但此时铰链四杆机构已演化为曲线导轨 的曲柄滑块机构。若将摇杆3的长度增至无穷大，则铰链c运动的轨迹凇 将变为直线，而与之相应的圆弧导轨将变为直线导轨，此时，铰链四杆机 构演化成为常见的曲柄滑块机构，如图2.3、2-4。 山东农业大学硕士学位论文 图2-3偏置曲柄滑块机构图2-4对心曲柄滑块机构 Fig2-3OffsetCrankBlockMechanismFig.2- 4CenteringCrankBlockMechanism 其中图2.3所示为具有一偏距e的偏置曲柄滑块机构;图2-4所示为 没有偏距的对心曲柄滑块机构。对于偏置曲柄滑块机构，显然极位夹角 目?0。，则急回运动系数K>l，存在急回作用;而对心滑块机构，由于极 位夹角臼=0。，故K=I，滑块在正反行程中的平均速度相等，即无急回作 [25]在对心曲柄滑块机构基础上，将连杆BC延长，在其延长端安装 用。 松土铲，将曲柄AB变成以AB为半径的驱动轮，滚动轴承代替滑块，在 水平面上的滑道变成其侧面固定在支架上的滑道，轴承的内圈紧固在-d， 短轴上，短轴的另一端与连杆(即松土柄)相连，可以将轴承看作滑轮， 该机构即为驱动轮滑轮机构，应保证驱动轮和轴承的中心在同一水平面 上。 该机构结构简单，仅有曲柄(驱动轮)、连杆(松土柄)和滑块(滚 动轴承)三部分组成，而且曲柄的回转中心与滑道在同一水平面上，构件 之间的结构尺寸参数关系容易确定，从而简化了松土铲的运动方程，有利 于研究问题的方便，但是由于在实际设计中，该松土柄过长，机构须安装 在松土机的一侧，并且松土柄运动幅度过大，易造成整机平衡性不好，且 耗能多。因此还需考虑更合理的方案[26】[27】。 21.3曲柄滑杆机构 在图2-5的摆动导杆机构中，当曲柄1绕轴0回转时，铰接点B将沿 圆作回转运动。如果将摆杆固定于机架，使其只能做上下的往复运动，则 摆动导杆机构将变为曲柄滑杆机构，如图2-6所示。该机构的特点是，当 曲柄为原动件时，滑杆为从动件，可将曲柄的连续转动转变为滑杆的上下 往复运动。此时在3的下端安装上铰接的横梁(在此横梁上安装上松土 铲)，可以实现松土铲的上下往复运动。当松土铲下行到最大耕作深度时， 温室电动松土机的设计 配合凸轮机构，则深土铲向后运动，实现向后抛土。 图2-5摆动导杆机构图2-6曲柄滑杆机构 Fig.2?5WiggleLeaderMechanismFig.2-6Crankglide-haulmMechanism 通过以上分析，曲柄滑杆机构配合凸轮机构可以基本模拟人工刨土的 动作，达到人工耕作土壤的效果，并且耕作后没有犁底层，能更有效地保 持土壤的原有结构，是比较合理的运动方案。只要安装时定位准确，基本 能满足工作要求。 2.2松土机构的运动分析 2.2.1松土机构特殊点的运动方程 以曲柄的圆心0为原点建立坐标系，x轴正向和松土机前进方向一 致，Y轴正向垂直向下，面向机组向右为z轴正向。松土机前进速度为?， 驱动轮旋转角速度为09，刚开始时，曲柄端点A位于上方垂直位置与Y轴 负向重合。 图2-7中:R一曲柄半径(H/H/);厶-松土杆长度(mm);厶一 松土铲长度(film) 山东农业大学硕士学位论文 D 图2.7松土机运动机构轨迹图 -7TrackoftheScarifierMovementMachine Fig.2 (1)A点的运动方程为: XA2vo，f(2-1) Y^=一RCOSCOt 式中R一曲柄转动半径;f一时间 式(2一1)表示滑块(A点)的绝对运动，即是滑块沿轨道2(Z方 向)来回滑动、随松土机前进(x『E向)以及带动轨道、2(Y方向)升降 这三种运动的合成'2"。 (2)B点的运动方程为: 。82_t'(2-2) Y口=一Rcosgot 式(2~2)表示轨道2中心的虚构的点(Z=0，它可以代表轨道2在 x，y方向的运动)绝对运动，是松土杆上下往复运动和松土机前进两种运 动的合成。 (3)C点的运动方程为: &2圪2(2-3) Yc=一RcosCOt+上l 温室电动松土机的设计 式(2-3)表示松土铲所在横梁中心C的绝对运动，C点的运动类似 于B点。 (4)D点(松土铲)的运动方程为: 而5圪'(2-4) YD=三】+厶一RCOS(O/ 式(2-4)表示松土铲端点D的绝对运动，因松土铲铰接在松土铲横 梁上，故松土铲的运动可视为随松土机前进和伴随松土杆上下往复运动两 种运动的合成。 松土铲在曲柄的带动下作上下往复运动，当向下到达最大耕深位置 时，凸轮机构推动松土铲沿着铰接点C瞬时向后摆动，从而实现向后抛 土的效果，此运动基本符合人工刨土的运动轨迹。 2.2.2松土机构特殊点的速度方程 分别对各点的运动方程求导，可得各点的速度: (1)A点: 》2%(2-5) n，=R(Osincot 故A点的速度为: %。=Rosincot 故B点的速度为: (3)C点: 2吒(2-9) 》 吃=R(osin(ot 故C点的速度为: 4 山东农业大学硕士学位论文 %=?吃+嘭=扣2R2 sin2tot+嘭(2-10) (4)D点: ‰2_，(2一11) %，=Rtosincot 故D点的速度为: %=?吆+%=扣2R2sin2cot+曙(2-12) 由上，机组前进时，松土轨道、松土杆、松土横梁及松土铲各点处的 运动轨迹都是相同的，即垂直面内的上下往复运动和随机组前进的组合。 2.2.3松土机的松土深度(h) 松土机的松土深度指松土铲从入土位置到最大耕深的垂直位移。 图2-8是松土机运动机构入土轨迹示意图。0:曲柄中心，即坐标原 点;A:滑道中的曲柄端点;口:滑道的中心点;C:松土横梁的中心: D:松土铲的下端点;R:曲柄的半径;L，:松土杆的长度;L:松土 土壤平面;丁:曲柄转动的周期;t:在第一个周期内 铲的长度;EF: 曲柄转动的时间。 cd 图2.8松土机运动机构入土轨迹示意图 Fig.2?8LocusofScarifierMovingMachineinthedust15 温室电动橙土机的设计 (1)图(a)表示:当时间为nT，曲柄端点A运动到最高点时，松 土机构所在的位置。此时A点与B点重合。 厶+上l-R小结

学校三防设施建设情况幼儿园教研工作小结高血压知识讲座小结防范电信网络诈骗宣传幼儿园师德小结