土豆挖掘机设计

本科毕业设计(论文)题目：土豆挖掘机的设计 院 系： 机械工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 号： 姓 名： 指导教师： 2016年4月 摘要 土豆作为人们的主要食品之一，具有丰富的营养价值，人们在日常生活中，人们都会围绕土豆来做出各种不同的菜肴，例如炒菜，炖汤等等。而通过刀具切削土豆片会很麻烦，如果有能够对土豆进行自动挖掘的机械，那样在一定程度上会大大提高挖掘效率和质量。 该土豆挖掘机主要由机架、连接杆、摆臂、连接件、曲柄、抖动轮、挖掘铲、定位轴、地轮等等零部件组成。动力是通过拖拉机带动该土豆挖掘机在农田里面进行自动挖掘作业。该机效率高，产能好，适合批量挖掘土豆的场所。 关键词：土豆挖掘机；机架；挖掘铲；产能I Abstract potatoes as one of the main food of the people, with rich nutritional value, people in daily life, people will around the potato to make a variety of dishes, such as cooking, soup, and so on. And through the cutting tool cutting potato chips will be very troublesome, if there is to be able to peel the skin of the machine, then to a certain extent, will greatly improve the efficiency and quality of the peel. The potato peeler is through artificial potatoes into potato peeling machine barrel inside, at the bottom of the motor through the transmission gear to drive the transmission shaft to rotate, so as to drive the rotating body rotation, rotation body spot welding can be through the potatoes with a rotating body surface friction and skin small metal grinding, potatoes and with the rotary body to rotate together, and the inner wall of the cylinder body welding scraping knife, that comes with the rotation of the rotating body, the inside of the barrel body of potatoes has been constantly and the surface of a rotating body of small metal grinding blade and the inner wall of the barrel body scraping knife friction to the skin effect Key words:Potato peeling machine,cutting tool,rotating body, peeling II 目 录摘要IAbstractII1绪论1 1.1 课题的来源与研究的目的和意义1 1.2 本课题研究的内容2 1.3 国内外发展现状22土豆挖掘机总体结构的设计4 2.1 土豆挖掘机的总体方案图4 2.2 土豆挖掘机的工作原理4 2.3 机械传动部分的设计计算5 2.3.1V带传动的设计计算7 2.3.2轴承的设计计算8 2.3.3轴的设计83各主要零部件强度的校核10 3.1机架强度的校核与计算11 3.2转轴强度的校核计算12 3.3轴承强度的校核计算144土豆挖掘机中主要零件的三维建模15 4.1机架的三维建模17 4.2挖掘铲的三维建模18 4.3摆臂的三维建模20 4.4土豆挖掘机的三维建模22结 论23致 谢24参考文献25III 1 绪论1.1 课题的来源与研究的目的和意义 在英国，土豆挖掘设备等产业越来越多地将工场设在河边，利用人工来对土豆进行挖掘。在这样的生产需要下，19世纪初出现了新型的土豆挖掘机，1965年，德国人费伦斯发明了半自动的土豆挖掘机，降低了人工的浪费。1981年费伦斯又创制出提供回转动力的土豆挖掘机，扩大了土豆挖掘机的应用范围。土豆挖掘机的发明和发展，使土豆等类似食品的加工行业和工业生产都得以机械动力化。土豆挖掘机几乎是20世纪唯一的加工土豆的机械。 当今社会，无论从挖掘数量、质量、经济效益等各方面来衡量，此次设计的新型土豆挖掘机，它已经远远超越了以往的传统的土豆挖掘机，并成为各国争相发展的行业。1986年江苏的永赶公司实现了土豆挖掘机的创新设计，并通过打入亚洲以及南美市场，取得了不错的成绩。从20世纪起，新型的土豆挖掘机不断诞生，进入20世纪，出现各种实验应力分析方法，人们已能够通过机电的有机结合设计出智能化的土豆挖掘机，相信在不久的将来，改机电一体化智能产品，将会得到越来越广阔的应用。土豆作为人们的日常的食品，是人们的生活的需要。为了实现土豆的自动化挖掘，从而来代替传统的人工削皮来提供劳工效率，适应现代化机械工业高速发展的需要，所以在机械设备中它们的挖掘设备的生产也有着严格的要求。传统的土豆在没有自动挖掘设备而需要人工挖掘的情况下，挖掘效率低下，劳动强度大，所以设计一个专用的土豆挖掘势在必行。 通过对实际的生产设备进行考察，从而提出了新型土豆挖掘机的结构组成、工作原理，拟定了土豆挖掘机总的指导思想，得出了该新式土豆挖掘机的优点是高效，经济且易维修的结论。 根据结合自身所学和本次所选课题的难易度，觉得无论是在知识层面还是在软件的运用技能上面，该课题很适合我，加之本课题来源于当今社会机械工业土豆挖掘设备的创新和更新换代基础之上，通过设计出土豆挖掘机，从而来满足当今社会土豆挖掘设备不足的缺陷。1.2 本课题研究的内容 土豆作为人们的日常食物的一种，经常出现在人们的餐桌上面。本次设计的土豆挖掘机主要是针对日常生活中见到的土豆来进行的，由于该土豆挖掘机的挖掘铲采用焊接的形式，其形状采用铲形，所以它的强度和结构设计合理，并且能够满足对指定区域的土豆挖掘干净的条件。 本次设计主要针对土豆挖掘机进行设计，从土豆挖掘机的整体方案出发，然后具体细化出具体内部结构，其具体内部结构主要包括以下几个方面： 1、到图书馆里查阅大量相关知识的资料，搜集出各类土豆挖掘机的原理及结构，挑选相关内容记录并学习。 2、分析土豆挖掘机的结构与参数 3、确定设计总体方案 4、确定具体设计方案（包括挖掘机构的设计，V带传动的设计，电机，轴承等的选型设计等等） 5、土豆挖掘机的三维图的绘制、CAD装配图、零件图的绘制。 6、说明书的整理1.3 国内外发展现状 我们在2002来自于王健的以前的资料，他数十年的废寝忘食建造了一个简单的土豆挖掘机机构，开纯机械时代。王健更设计出多功能复合土豆挖掘机，在这之后，台湾教授颜洪森以传动的土豆挖掘机为基础，开发了一系列的土豆挖掘机，如四连杆式，六连杆式等等土豆挖掘机，查建中和其他人一起以凸轮机构为对象，共同钻研考虑怎样改良按压力引发的角度以及零部件的分理。总之，传统的对象加上科学的分析和先进的理论，使得土豆挖掘机在国内的研究范围和深度得到了极大的丰富和发展。 何人最先取得此项专利已无可知晓，只了解到外国科学家在十九世纪末建造出了一部类似于土豆挖掘机的机械，整体部分是用齿轮以及连接杆件机构组装，但是却没有做出实物来加以佐证.20世纪初又有人运用齿轮以及连接杆件体系制造出类似的土豆挖掘机，然而相关资料中并没有找到对这个作品的介绍，所以那个时候有关土豆挖掘机的研究还仅能思组成以及运动起来的规律。同期，又有两位发明家麦吉以及弗兰科创作了首部彻底用计算机操纵的土豆挖掘机。接下来几年有关此机器的设计被充分的融入了运行操纵理论。1979年席罗思在行进土豆挖掘机里加入了操纵水平行走的仪器，同样在腿上加入了保持和校对偏向的装置。20世纪末布朗、罗布特以及莎普恩斯研究了加入了液压部件和直流电机的相应土豆挖掘机。这都意味着人类对机械体系的认识已从简单的考虑迈入了整体操纵、计算机和高新科技的相互融汇贯通的康庄大道。从广阔的视野、各种各样的活动，还有和学术报告、规范标准以及另外别的角度的的详细内容，我们得到了包含定位、性质以及应用土豆挖掘机的大环境。土豆挖掘机已发展到注重提高生产效率，成品质量稳定性。最近，超多的市场已经建立了土豆挖掘机的商业用途，像土豆挖掘机，它的应用已经渗透到家庭家居生活等。出色的土豆挖掘机技术不仅实现创建一个新的市场，也为提高人们的生活水品做出了非常重要的贡献。在一个国家或地区有土豆挖掘机具有普遍偏向的方式。今后，会更加流行正在蓬勃发展的土豆挖掘机。OMG国标早就认可中介范例，ISO资质也授与了能减少劳动力的土豆挖掘机。即使在大规模对土豆进行挖掘的活动，这是越来越多的土豆挖掘机的使用。根据土豆挖掘机技术应用在通讯，家电，汽车，医疗设备和其他，土豆挖掘机已被广泛认可。它是一种动力，看来像它会导致一个新的行业。土豆挖掘机研发情况固然都在被上述所整理，然而这些仍然是显示出要把土豆挖掘机推向消费者。欧美等发达国家成立有相应计划，本国也需求更好的战略，方能维持积极地有力发展。新服务土豆挖掘机对于市场具有应用性很强的领域，比如孜孜不倦的创新产品、医疗项目、相关福利以及防不胜防的自然性或人为性灾难。在另一方面，虽然产自日本的工业土豆挖掘机依然是行业里最好的，但其他国家都在奋起直追。在关于实际使用中，美国提出了很多观点。在美国有建立国家计划项目，欧洲也是，如Horizon2020，我们的国家也需要更好的政策，才能保持健康的发展前景。传统的土豆挖掘机产品图片如下图1,2所示： 图1 图22 土豆挖掘机总体结构的设计2.1 土豆挖掘机的总体方案图土豆挖掘机属于食品加工设备的一种，通常市面上用到的都是焊接框架式的，因为焊接框架式的土豆挖掘机结构强度足够，其形状很容易轻松地就将土豆从地里挖掘出来。该土豆挖掘机主要由机架、连接杆、摆臂、连接件、曲柄、抖动轮、挖掘铲、定位轴、地轮等等零部件组成。动力是通过拖拉机带动该土豆挖掘机在农田里面进行自动挖掘作业。该机效率高，产能好，适合批量挖掘土豆的场所。 其总体方案图如下图1-1所示：1-1 土豆挖掘机总体方案图2.2 土豆挖掘机的工作原理该土豆挖掘机主要由机架、连接杆、摆臂、连接件、曲柄、抖动轮、挖掘铲、定位轴、地轮等等零部件组成。动力是通过拖拉机带动该土豆挖掘机在农田里面进行自动挖掘作业。该机效率高，产能好，适合批量挖掘土豆的场所。2.3 机械传动部分的设计计算2.3.1 V带传动的设计计算（1）设计功率 1.2 P传递的功率（2）选定带型根据和选取普通V带C型，小带轮转速，为1350r/min（3）传动比 1.76 （4）小带轮基准直径（mm） 由B1表8112和表8114选定 100mm75r/min （5）大带轮基准直径（mm） 由B3表87得=150mm（6）带速验算 （7）初定轴间距（mm） （8）所需带的基准长度（mm） 650mm 带型选择为A900（9）实际轴间距 （10）小带轮包角 = =（11）单根V带的基本额定功率根据系统工况，我们可以取=0.37kw（12）时单根V带型额定功率增量根据系统工矿，在这里我们取=0.15kw（13）V带的根数ZZ =小带轮包角修正系数取0.96带长修正系数查取0.87（14） 单根V带的预紧力 = =134（N） mV带每米长的质量（kg/m）查B1表8124，取0.1k/gm（15）作用在轴上的力 考虑新带初预紧力为正常预紧力的1.5倍（16）带轮的结构和尺寸带轮是传动系统的传动组件之一，需要有足够的刚度和强度才能满足要求。根据系统的需求，我们可以选择铸铁作为带轮的材料，因为铸铁的强度和刚度方面度能够满足系统的需求。带轮的材料为HT200，查B1表8110得基准宽度制V带轮轮槽尺寸，根据带轮的基准直径查B1。2.3.2轴承的设计计算 已知轴承预计寿命203658=58400小时；(1）已知n=458.2r/min两轴承径向反力：FR1=FR2=500.2N；初先两轴承为深沟球轴承6208型。根据课本P265（11-12）得轴承内部轴向力FS=0.63FR则FS1=FS2=0.63FR1=315.1N；(2)FS1+Fa=FS2Fa=0 故任意取一端为压紧端，现取1端为压紧端 FA1=FS1=315.1NFA2=FS2=315.1N；(3)计算当量载荷 P1、P2根据课本P263表（11-9）取fP=1.5;根据课本P262（11-6）式得P1=fp(x1FR1+y1FA1)=1.5(1500.2+0)=750.3N；P2=fp(x2FR1+y2FA2)=1.5(1500.2+0)=750.3N；(4)轴承寿命计算P1=P2故取P=750.3N；深沟球轴承 =3；2.3.3轴的设计轴作为机器的一个关键组成部分，其为各类传动部件的安装，传动的扭矩和旋转运动围绕轴进行，而且经过轴承和机架连接。为了满足定位轴上的紧固件和容易加工和装配的轴类零件和拆卸，通常轴设计成阶梯轴。轴系的零件是由轴和它上边的零部件构成一个装配体系，研究轴的过程中不仅要研究轴体自己的数据，还要将系统里的全部零部件融合在一起。 因为用于振动的传递的轴体不仅要传送扭矩，还得经受住弯矩，是以本人研究的阶梯性轴是转动轴。因为确定了小带轮的参数，相应的大带轮随之确定。接下来的工作就是计算轴体的直径了。轴体的研究需要凭借扭转强度来调整弯曲的强度，因为可用作轴的原料比较多，所以必须得明确轴的应用环境，还有规定诸如刚度，强度以及别的机构机能。可以使用热处理这种方法，当然也要琢磨怎样使加工简单并且花费较少，用研究计算所得的数据以确定轴体的用料，故采取45号钢当成轴体的原料，它需要40MPa的切应力。然后需要做正火或者调质处理来确保它的力学性能。由前知：卷筒上传递的功率是12.9kw，转速n=3.9m/min，选用钢，为保证其机械性能，应进行调试处理。轴径的初步估算估算公式：dA0 式中A0是与材料有关的系数，查1P表15-3 得A0=108dA0=108=15.76 圆整，取d=16mm 由于此轴是固定心轴，受力情况并不严重。因此，接上式估算的轴径可作为轴的最大直径。参考现有同类产品，取最小轴径d=15mm。（1）确定轴上零件的布置方式。为使结构紧凑，并考虑具体的工艺性和强度要求，将大齿轮与卷筒一侧对称地安装在轴颈处。即大齿轮在卷筒右侧，通过键与卷筒固联在一起。轴承两端装有轴承盖，内有档油板和密封圈。轴承盖用螺钉M1220与卷筒固定在一起。（2）根据工艺和强度要求把轴制成阶梯形，这样可以使轴上零件定位可靠并且拆装方便。3 各主要零部件强度的校核3.1机架强度的校核与计算 机架的选择根据整个系统的总重量来定，方管机架受力分析得出，由分析得出底架在平衡状态下只受地面对其的支撑力和在其表面上物体所给的压力。见下图： 即物料和底架上面的所有零部件等等给的压力为G=20000N（10000Kg）+(1000X20N)=30000N; 根据方管承载力计算公式：M=Pac/L （仅用于截面) f=M/W材料的许用应力（弹性抗拉强度/安全系数）。M=Pac/L=11960xL，本次设计初定L为1200mm则M=13456N.M，初定方管为40x40x5。计算W得出折算后位270Mpa查的普通碳素结构钢Q235A的抗拉强度为375500Mpa，由于270Mpa远远小于375Mpa，所以初定方管满足要求。3.2转轴强度的校核计算受力分析：卷筒部件的大齿轮和卷筒未与轴直接接触，但其上的力通过轴承传递到了主轴上。因此，主轴所受轴承的力与卷筒所受轴承的力大小相等方向相反。另外，主轴两端还受两个支承架的支承力。若考虑重力的作用，主轴还受卷筒部件的重压作用。轴的空间受力图： OXyz 图3-2 轴的空间受力图由前知：R =392N，R=24500N；R=31642N，R35874N，估计卷筒重量约为154公斤，则G=1509N。将轴上作用力分解为水平面受力图和垂直面受力图，求出水平面上和垂直面上的支承点反作用力，并画出弯矩图： 支反力：根据平衡方程R+R=R+G+R R64+G236+R408=R472解得，R=5383.8N，R=28159.2N弯矩图： 图3-3 弯矩图YX面受力图：支反力：根据平衡方程 R+R=R+R R64+R408=R472解得，R=26042.2N， R=34331.8N弯矩图： 图3-4 弯矩图合成弯矩图M= 图3-5 合成弯矩图对照结构图，分析合成弯矩图，可知主轴较危险的三个部面分别是：中间轴颈110的右端面，右端面轴承的中间部面，右端轴颈的左端面。（主轴结构图）。 这三个合成弯矩分别是：M= = =2669644M=2841782.4M= = =1243279.8因为、处的截面直径相同，M M，只需验算M就行了。直径校核：心轴的截面尺寸是根据弯曲强度来计算。其危险截面的尺寸可按下式确定。d=式中，M最大弯矩 许用弯曲应力 对于实心轴=0，对于空心轴=，d：轴内径，d：轴外径，对于卷筒主轴，查P，45钢，=355MP。取安全系数n=2.0，则=177.5 MP。主轴是实心轴，=0。d。则d=53.18mm75mm d=54.29mm85mm由以上计算可以看出，主轴强度足够。3.3轴承强度的校核计算3.3.1滚动轴承的选择滚动轴承为双列圆锥滚子轴承350324B，由文献2表得KN，KN，。3.3.2寿命验算 轴承所受支反力合力 N （4.1）对于双列圆锥滚子轴承，派生轴向力互相抵消。 ，N由文献2表得， ， N （4.2）按轴承B的受力大小验算 h （4.3）h=年 由于拖拉机减速箱的运转平稳，必须选择较大寿命的轴承，轴承能达到所计算的寿命。 经审核后，此轴承合格。4 土豆挖掘机中主要零件的三维建模4.1机架的三维建模4-1 机架4.2挖掘铲的三维建模4-2 挖掘铲4.3摆臂的三维建模4-3 主动齿轮4.4土豆挖掘机的三维建模4-4 土豆挖掘机 结 论到如今，毕业设计总算接近尾声了，通过这次对于土豆挖掘机的设计，使我们充分把握的设计方法和步骤，不仅复习所学的知识，而且还获得新的经验与启示，让我收益颇多。特别是针对机械的机构设计这部分，我感触最深。对于次次设计的土豆挖掘机，主要的传动的机构是齿轮传动，针对这个机构的设计，我花费了较多时间和精力，通过查找相关的齿轮传动的设计资料以及土豆挖掘机的相关问题来确定齿轮的模数和齿数，以及齿轮的内孔的设计，直到最后齿轮的强度校核部分。经过这个过程的学习和设计，让我印象尤为深刻。在以后的工作中，我相信我还会遇到很多类似的问题，但是有了这次的学习和设计经历，我想我已经初步具备了设计一个机械设备的能力，我已经做好了准备，在以后的工作中，边工作边学习，争取在工作中提高，在工作中学习，争取做一个对于社会，对家庭有用的人。通过本次设计,让我学习到了许多知识，特别是对传动机构的应用方面，是我收获最大的地方。本次的设计的传动机构包含了齿轮传动机构这一最典型的机构，通过查找与它相关的设计资料，到计算带动筒体转动所需要在输出扭矩从而对齿轮机构进行设计，包括传动带轮的选型，例如带型，带宽的确定以及之后的轴承强度校核部分的设计，都花费了我好多精力。同时，也让我学到了好多知识。 在相关的实际问题的讨论中，我的导师总是孜孜不倦的引导着我，帮助着我。每周一次的进度检查和问题讨论，促使我在正确的道路上大步前进，不仅工作的按时保质保量的完成得到了保证，我本人的研究能力，工作的态度也得到了充分的锻炼和提高。这些宝贵的品质影响着我，毫无疑问，它们对我以后的工作，学习，生活都会起到深远而长久的良好影响。也能为人生打下一个夯实地基础！在具体的研究设计过程中，同学们也在平日的学习与生活中提供了无私与周到的帮助，充分用他们的工作热情感染着我，鼓励着我，让我少走了很多弯路，再次一并致谢！另外也感谢我的父母，朋友和同学们的帮助。在做设计感觉受挫，枯燥与迷茫时，是他们在悉心的为我释放压力，鼓励我不要气馁，勇敢面对。每周一次和父母的通话，与朋友和同学的长谈后都使我精神放松，斗志倍增，以饱满的热情重新投入到工作中去，感谢他们，正是他们的不懈支持和充分理解才能使我顺利完成毕业设计。最后，感谢学校各位领导与老师给了我在滨海学院学习生活四年以及参加这次毕业设计的宝贵的锻炼机会，它使我深刻认识到在知识的汪洋大海面前我是多么无知和微不足道。这是一个最好的时代，也是尊重知识，充分学习知识，掌握知识的时代。只有持续的不间断地学习，才不会在激烈的竞争中落后于别人，也才能用自己的真才实学为社会做出自己应有的贡献。知识是无止境的，无价的，我愿在求真的道路上下而求索！致 谢 时间过得很快，论文总算完成了，我的心里感到特别高兴和激动，在这里，我打心里向我的导师和同学们表示衷心的感谢！因为有了老师的谆谆教导，才让我学到了很多知识和做人的道理，由衷地感谢我亲爱的老师，您不仅在学术上对我精心指导，在生活上面也给予我无微不至的关怀支持和理解，在我的生命中给予的灵感，所以我才能顺利地完成大学阶段的学业，也学到了很多有用的知识，同时我的生活中的也有了一个明确的目标。知道想要什么，不再是过去的那个爱玩的我了。导师严谨的治学态度，创新的学术风格，认真负责，无私奉献，宽容豁达的教学态度都是我们应该学习和提倡的。通过近半年的设计计算，查找各类土豆挖掘机的相关资料，论文终于完成了，我感到非常兴奋和高兴。虽然它是不完美的，是不是最好的，但在我心中，它是我最珍惜的，因为我是怎么想的，这是我付出的汗水获得的成果，是我在大学四年的知识和反映。四年的学习和生活，不仅丰富了我的知识，而且锻炼了我的个人能力，更重要的是来自老师和同学的潜移默化让我学到很多有用的知识，在这里，谢谢老师以及所有关心我和帮助我的人，谢谢大家。参考文献1张福学编著.土豆挖掘机的应用.北京：电子工业出版社，2000：59-622何发昌著，邵远编著.土豆挖掘机的原理.北京：高等教育出版社，1996：77-803张利平著. 实用技术速查手册. 北京：化学工业出版社，2006.12：15-184李宝仁著. 气动技术低成本综合自动化. 北京：机械工业出版社，1999.9：80-825宋学义著. 土豆挖掘机速查手册. 北京：机械工业出版社，1995.3：99-1016陈奎生著. 气与气压传动. 武汉：武汉理工大学出版社，2008.5：208-2127SMC（中国）有限公司. 土豆挖掘机实用技术. 北京：机械工业出版社，2003.10:230-2328徐文灿著. 土豆挖掘机系统设计. 北京：机械工业出版社，1995：320-3239高微,杨中平,赵荣飞等.土豆挖掘机结构优化设计. 机械设计与制造2006.1：187-18910马光,申桂英.工业土豆挖掘机的现状及发展趋势. 中国期刊全文数据库2002年:28-3011李如松.土豆挖掘机的应用现状与展望. 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