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說明書
設(shè)計題目： 電動茶園修剪機(jī)的設(shè)計
專業(yè)年級：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化2011級
學(xué) 號： 116712147
姓 名：
指導(dǎo)教師、職稱：
2015 年 5 月 27 日
目錄
摘要 I
Abstract II
1緒論 - 1 -
1.1 茶園修剪機(jī)的發(fā)展 - 1 -
1.1.1國內(nèi)外電展概況 - 1 -
2系統(tǒng)的設(shè)計方案 - 3 -
2.1總體結(jié)構(gòu) - 4 -
2.1.1主要技術(shù)參數(shù) - 5 -
3動力選取 - 6 -
4.傳動部分的設(shè)計 - 7 -
4.1齒輪設(shè)計 - 7 -
4.1.1試求小齒輪分度圓直徑 - 7 -
4.1.2計算載荷系數(shù) - 7 -
4.1.3按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑 - 7 -
4.1.4按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計 - 8 -
4.2軸的設(shè)計與強(qiáng)度校核計算 - 9 -
4.2.1求作用在齒輪上的力 - 10 -
4.2.2按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件效核 - 11 -
4.2.3選擇軸承 - 12 -
4.2.4初步計算當(dāng)量動載荷 - 12 -
4.2.5求基本額定動載荷 - 12 -
4.2.6滾動軸承的驗算 - 12 -
5 背架的設(shè)計及其他部件的選擇 - 14 -
6 結(jié)論 - 15 -
參考文獻(xiàn) - 16 -
致 謝 - 17 -
摘要
茶園修剪機(jī)是一種小型茶園修剪器械。每年，茶園必須進(jìn)行修剪，這對維 護(hù)茶園旺盛的生長，加強(qiáng)樹冠新梢的密度，有著良好的作用，并能達(dá)到培育有要求的樹冠面。因此，修剪是茶園生長的主要技術(shù)措施之一?，F(xiàn)有茶園修剪機(jī)存在著手持部分重量過重，勞動強(qiáng)度大的缺點。本文設(shè)計了一種便攜式雙刃面往復(fù)式茶園修剪機(jī)，采用電機(jī)為動力，通過減速裝置傳遞到工作部分，與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接。
減速器采用直齒圓柱齒輪，減速器將動力傳到曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，由曲柄 滑塊機(jī)構(gòu)帶動切割刀片做往復(fù)運動，切割刀片根據(jù)實地調(diào)研設(shè)計成與現(xiàn)種植茶園植物的寬幅相應(yīng)的寬度，采用單動、雙面刃刀片。本文所設(shè)計的往復(fù)式茶園修剪機(jī)能在很大程度上降低勞動者的作業(yè)難度。本文所設(shè)計的手提往復(fù)式茶園修剪機(jī)具有以下特點：
1、機(jī)體自帶電機(jī),外接電源，適應(yīng)性強(qiáng)，操作安全。
2、減輕了工人操作時勞動的強(qiáng)度。
3、作業(yè)質(zhì)量較好，性能穩(wěn)定。
4、一機(jī)多用，既可用作茶園修剪整形，又可作為茶樹修剪。
5、適應(yīng)范圍廣
關(guān)鍵詞：茶園修剪機(jī)；電動；方便；環(huán)保
Abstract
Hedge trimmer is a small garden pruning machinery each year, the hedge must be trimmred, which maintains. Hedge exuberant growth, enhance the density of the canopy shoots, have a good effect, and can meet the requirements of the canopy surface nurturing. Therefore, Hedge trimmer is the growth of the main technical measures. There is an existing hedge trimmers hand some of the weight is too heavy, labor-intensive shortcomings. This paper presents a double-hedgde surface portable reciprocating hedge trimmers, power section using portable structure, using a small internal combusion engine, the power transmitted through the shaft to the working parts are connected with reducer.
Using spur gear reducer, reducer will power to the slider-crank mechanism, slider-crank mechanism driven by a reciprocating cutting blade, cutting blade is desgned based on field research with the existing hedgerow planting width corresponding to the width of the plant, single action, double-hedged blade. This article is designed reciprocating hedge trimmer function largely reduce works’neat crown job. This design of this portable reciprocating hedge trimmers have the following characteristics.
1:The body comes generators, power without an external power supply, adaptable, safe operation.
2:Reducing the labor intensity of workers when operating.
3:The job quality is better and stable performance.
4:A multi-purpose machine, both as a hedge trimmer shaping, but also as a lawn edges.
5:Wide.
Keywords: Hedge; Trimmers; Reciprocating; Reduce
- 16 -
1緒論
1.1 茶園修剪機(jī)的發(fā)展
1.1.1國內(nèi)外電展概況
茶園修剪機(jī)的知名品牌主要有 STIHL、HUSQVARNA和HOMELITE 等。美國RYOBI公司生產(chǎn)的HT系列茶園修剪機(jī)有3個型號,即HT816R、 HT818R和HT822R,都使用工頻交流電動機(jī),HT822R的功率為348 W,重量2.7 kg,修剪枝條最大直徑9.5mm。HUSQVARNA生產(chǎn)的600HEL型茶園修剪機(jī),功率600W,重量3.3 kg,修剪枝條直徑為1.4 cm,割幅55cm。德國STIHL生產(chǎn)的鋸鏈導(dǎo)板式高枝剪,功率0.9 kW,重量6.7 kg,裝在伸縮桿上可用于修剪高 或?qū)挼牟鑸@。日本小松公司生產(chǎn)的E7B70和HT750型，具有體積小、質(zhì)量輕、噪音小和工作效率高等特點。
我國對于茶園修剪機(jī)的研制起步比較早，有如下幾種類型，比如北京園林機(jī)械廠研制的以中頻電機(jī)動力的雙動往復(fù)刀片式，上海園林工具廠研究的電動旋刀式。我國生產(chǎn)的LJ3型便攜式茶園修剪機(jī)由二沖程小汽油機(jī)驅(qū)動,功率0.75kW,切割裝置為雙刀片往復(fù)式,每分鐘往復(fù)1000次,修剪枝條直徑15mm,割幅500mm,重量8kg。目前在我國采用的是各種茶園修剪機(jī)，主要有手持式、背負(fù)式和機(jī)載自行式等幾種，由于修剪茶園和茶樹造型的作業(yè)地點變化較大，多采用以內(nèi)燃機(jī)為動力的設(shè)備，也有一些小型的修剪設(shè)備以電動機(jī)為動力，
1.1.2 對茶園修剪機(jī)識
茶園修剪機(jī)又稱茶園機(jī)，是指以汽油機(jī)或電動機(jī)為動力用作茶園的修剪、整形等專用的機(jī)械，主要用于茶園修剪。茶園修剪機(jī)按其動力可分為手持式汽油修剪機(jī)和手持式電動修剪機(jī)；按刀刃數(shù)量又分為單刃茶園修剪機(jī)和雙刃茶園修剪機(jī)。目前以小型汽油機(jī)為動力的茶園剪機(jī)是主流產(chǎn)品。
茶園修剪是人為地抑制頂端主枝生長優(yōu)勢的措施，可刺激著生部位較 低的芽萌電新技，增強(qiáng)樹勢，培養(yǎng)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)樹冠。茶園修剪方法主要有幼齡茶園的定形修剪、成齡茶園的輕修剪與深修剪，衰老茶園的重修剪等。我國以往的茶園修剪多是采用人工修枝剪進(jìn)行的，費時費力，作業(yè)質(zhì)量較差。從70年代中期開始研制茶園修剪機(jī)，目前已有單人、雙人和重修剪機(jī)等機(jī)種。
本文是根據(jù)單人修剪機(jī)修改進(jìn)行設(shè)計電動式的單人茶樹修剪機(jī)，而單人修剪機(jī)是由 一人手提操作，主要用于茶園的輕修剪和深修剪，同時,也可用作機(jī)械化茶園的修邊，使 茶園行間留出20厘米的間距，以利機(jī)器的通過和操作。單人修剪機(jī)有機(jī)動和電動兩種類型。70 年代中期，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所等單位研制的中頻電動手提式茶園修剪機(jī)，就是以汽油機(jī)帶動的中頻電電機(jī)組為電源，中頻微型電機(jī)作動力的電動機(jī)型，使用雙動往復(fù)刀片，切割幅寬300毫米。但是，使用較多的還是以汽油機(jī)為動力的機(jī)動型，采用平行往復(fù)刀片，切割幅寬750毫米，中國農(nóng)科院茶葉研究所和安徽省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所近年來研制的單人修剪機(jī)都屬這種類型。這種修剪機(jī)由動力、傳動機(jī)構(gòu)、減速機(jī)構(gòu)等組成。 動力為0.75kw小汽油機(jī)．切割器使用往復(fù)式刀片，動，往復(fù)頻率為1000次/分。整機(jī)重量5公斤，工作時由一人手提操作，產(chǎn)生的動力，通過離合器、減速器和偏心凸輪帶動刀片作往復(fù)運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對茶樹的切割，每小時可修剪茶地0.3畝左右。由于使用的汽油機(jī)應(yīng)用了膜片式汽化器，并且吸油裝置采用軟管形式，使進(jìn)油口在任何時候均可處于油箱內(nèi)最低處，因此，可保證電動機(jī)能正常工作。由于刀片鋒利，轉(zhuǎn)速高，所以直徑在10毫米以下的枝條，可一刀利落地切斷。修剪后的蓬面整齊，能修剪出所要求的形狀，修剪質(zhì)量大大超過人工。在我國廣大茶園，尤其在山區(qū)中特別適用。
圖1-1 單人手提式茶園修剪機(jī)
2系統(tǒng)的設(shè)計方案
根據(jù)圖1-1修改設(shè)計的電動茶園修剪機(jī)首先要通過一個動力源將動力傳遞出去。為了讓往復(fù)式剪刀片達(dá)到所需要的速度，傳遞出去的動力應(yīng)通過減速機(jī)構(gòu)傳遞給轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)再傳遞到執(zhí)行構(gòu)件。
圖2-1電動茶園修剪機(jī)的結(jié)構(gòu)組成
本文可用的方案可分為蓄電池置于機(jī)架桿上和置于背架上兩種，因此該機(jī)器有以下幾種可能的方案可供選擇：
a電瓶和電機(jī)組合，且電瓶和電機(jī)都置于機(jī)架上的方案,；由于電瓶的能量密度不高不適于較長時間的工作，且電瓶和電機(jī)的尺寸空間和重量受到限制因此影響切削的進(jìn)行。
b將電機(jī)置于機(jī)架上，考慮到使用時的方便性，把電瓶放在背部背著。這樣不僅整體的空間更大，也使整機(jī)更加輕巧，所以此方案為更好。
圖2-2a方案a的設(shè)計 圖2-2b方案b的設(shè)計
執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方案：
執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是刀片，刀片有圓盤鋸和往復(fù)式刀片，本文采用的是單動雙刃往復(fù)式刀片。
圖2-3 往復(fù)式刀片
最終的方案：
確定總方案為電機(jī)置于機(jī)架上，電瓶放在背部背著，刀片為單動雙刃往復(fù)式刀片。
2.1總體結(jié)構(gòu)
總體結(jié)構(gòu)由以下幾個方面組成（結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-4所示）：
（1）動力源： 電動機(jī)；
（2）減速機(jī)構(gòu)：齒輪減速器；
（3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：往復(fù)式刀片機(jī)構(gòu)；
（4）傳動機(jī)構(gòu)：主要是轉(zhuǎn)動軸；
圖2-4 總體布置圖
圖2-4 總體布置圖
2.1.1主要技術(shù)參數(shù)
剪切力F=100N；
切割幅寬750mm（茶樹寬大約1000mm）；
剪切最大直徑10mm；
刀片切割頻率1000次/min；
整機(jī)重8kg（根據(jù)所選材料并稱量所得，機(jī)器5kg，電瓶3kg）
效率：0.3畝/小時；
3動力選取
修剪過程中的功率：
本文采用無刷直流電動機(jī)為動力，刀片為單動雙刃往復(fù)式刀片。
由上文提到汽油機(jī)式的修剪機(jī)功率為0.75KW，由此查找相匹配的無刷式直流電動機(jī)功率為0.8KW，電機(jī)轉(zhuǎn)速為4000r/min,由上文結(jié)構(gòu)圖2-1可以了解總體機(jī)構(gòu)為3級傳動，則有η=η1η2η3，根據(jù)主要技術(shù)參數(shù)可知刀片切割頻率為1000次/min因此傳動比取4為合適。
計算傳動裝置傳動比計算為：
i=nm/nw=4000/1000=4
n2=n1/i=4000/4=1000r/min
n3=n2=1000r/min
電機(jī)的選擇所選電機(jī)型號：10DK230-12
圖3-2 電機(jī)構(gòu)造圖
4.傳動部分的設(shè)計
4.1齒輪設(shè)計
該機(jī)一天工作8小時，工作年限為10年，鋸切工作較平穩(wěn)，轉(zhuǎn)向不變。齒輪傳動有直齒和圓錐齒。電動茶園修剪機(jī)為往復(fù)式剪刀切，沖擊較小，工作速度不是很高，故可選用7級精度。根據(jù)[1]選擇直齒圓柱齒輪為45號鋼。硬度為240HBS，而齒輪的材料為20Cr，并經(jīng)調(diào)質(zhì)及表面淬火，齒面硬度為56-60HRC，精度等級為7級。按硬度下限值，由[1]中圖10-21（d）中的MQ級質(zhì)量指標(biāo)查的Бlim1=Бlim2=600MPa；由[2]圖10-20（d）中的MQ級質(zhì)量指標(biāo)查得
БEF1=БEF2=420Mpa, БFlim1=БFlim2=200MPa
選小齒輪齒數(shù)Z1=14，大齒輪齒數(shù)Z2=4×14=56
4.1.1試求小齒輪分度圓直徑
由[1]中設(shè)計計算公式（10－9a） 進(jìn)行試算。既;
d1t≥2.323(KtT1/?d·u+1/u·ZHZE/[H])? (4-1)
4.1.2計算載荷系數(shù)
根據(jù)V=4.68m/s，7級精度，由[1]圖10-8查得動載荷系數(shù)Kv=1.14
直齒輪KHa=KFa=1.2,由[1]表10-2查得使用系數(shù)Ka=2
由[1]表10-4查得7級精度，小齒輪相對于支承非對稱布置時，KHb=1.423
由b/h=11.17/2.79=4.00，KHb =1.423查[1]圖10-13得KFb=1.38
故 : K=Ka×Kv×KHa×KHb=2×1.14×1.2×1.423=3.89
4.1.3按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑
由式[1]（10-10a）得
m=d1/z1=26.46/18=1.47 (4-6)
4.1.4按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計
由式[1]（10-5）得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計公式為
m≥(2KT1/Φd·(YFaYsa/[БF]))1/3 (4-7)
確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
1）由[1]圖10-2c查得БFE1=420MPa；БFE2=420MPa；
2）由[1]圖10-18查得系數(shù)KFN1=0.87；KFN2=0.90；
取安全系數(shù)S=1.4，由式（10-12）得
[δF]1= KFN1δFE1/S=(0.87×420)/1.4=261
[δF]2= KFN2δFE2/S=(0.90×420)/1.4=270
載荷系數(shù) K=3.77
3）查齒形系數(shù) YFa1= 2.91；YFa2=2.236；
4）查應(yīng)力校正系數(shù)
由[1]表10-5查得
Ysa2=2.45
Ysa1=1.53；
5）計算大、小齒輪的[БF]并加以比較
YFa1Ysa1/[δF]1=(2.91×1.53)/261=0.01956
YFa2Ysa2/[δF]2=(2.236×1.754)/270=0.01453
小齒輪的數(shù)值大
設(shè)計計算
m≥(2KT1/Φd·(YFaYsa/[БF]))1/3 (4-8)
=1.289
綜合分析考慮，取 m=1.5 d1=21mm
算出小齒輪齒數(shù)
Z1=d1/m=21/1.5=14
大齒輪的齒數(shù)
Z2=uZ1=4×14=56
這樣設(shè)計出來的齒輪傳動，即滿足了接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根疲勞強(qiáng)度。
幾何尺寸計算
計算分度圓直徑
d1=z1m=14×1.5=21
d2=z2m=56×1.5=84
a=(d1+d2)/2=52.5
計算齒輪寬度
b=Φdd1=0.5×21=10.5
B1=6 B2=8
驗算
Ft=2T1/d1=2×3300/27=102.22N
KaFt/b=2×102.22/13.5=15.14N/mm<100N/mm
假設(shè)成立，計算有效。
4.2軸的設(shè)計與強(qiáng)度校核計算
4.2.1求作用在齒輪上的力
因已知大小齒輪的分度圓直徑分別為
d1=z1m=14×1.5=21
d1=z1m=56×1.5=84
所以大小齒輪上的垂直切向力分別為：
Ft1=2T1/d1=354
Ft2=2T2/d2=81
初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)[1]表26.3-2，取A01=130，A02=115，于是得
d1min=A01(P1/n1) 1/3 =9.210mm (4-9)
d2min=A02(P2/n2) 1/3 =7.985mm (4-10)
軸的最小直徑顯然是在安裝齒輪的地方。而這兩端還開出兩個鍵槽，因此軸的直徑在以上基礎(chǔ)上還應(yīng)當(dāng)增加15%，再將軸圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑。加上增量的軸直徑為：d=9.645mm。
軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計
已知齒輪軸的最小直徑為：9.645mm，將值圓整為標(biāo)準(zhǔn)值，取10mm,查機(jī)械設(shè)計手冊選取裝軸承處的直徑為12mm。具體尺寸如圖所示：
圖10 軸結(jié)構(gòu)圖
4.2.2按扭轉(zhuǎn)條件校核
τT=T/WT≈95000/.2d3≤[τT] (4-11)
式中：τT——扭矩切應(yīng)力，單位為MPa
T——軸所受的扭矩，單位MPa
WT——軸的抗扭截面系數(shù)，單位mm3
n——軸的轉(zhuǎn)速，單位r/min
P——軸傳遞的功率，單位為KW；
d——計算截面處軸的直徑，單位為mm
[τT]——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為MPa
注：[τT]式中值是考慮了彎矩影響而降低了許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力。
在下列情況時，[τT]取較大值,A0取較小值：彎矩較小或只受扭矩作用、載荷平穩(wěn)、無軸想載荷或只喲較小的軸向載荷、減速器的低速軸、軸只作單向旋轉(zhuǎn)、；反之，[τT]取較小值，[τT]取較大值。
作彎矩圖
分別按水平和垂直方向計算各力產(chǎn)生的彎矩.
水平方向
Mh=990×16=14.4N.m
垂直方向
Mv=146×20=3.0N.m
最大扭矩為 τT=8.05N.m
圖11 彎矩及扭矩圖
4.2.3選擇軸承
由[2]表28.2-6選取6302型深溝球軸承。（d=15mm，D=42mm寬度13mm）
4.2.4初步計算當(dāng)量動載荷
根據(jù)式P=fp·Fr，按[1]表13-6，fp=1.0-1.4，取fp=11.4
故P=fp·Fr＝1.2×285＝342N (4-14)
4.2.5求基本額定動載荷
根據(jù)[1]式（13-6），求軸承應(yīng)有的基本額定動載荷值
C=Pz(60nLn1/106)1/2 =85.45KN (4-15)
4.2.6滾動軸承的驗算
此軸承的基本額定靜載荷C0=5.08kN。驗算如下：
1）求當(dāng)量動載荷 p=1.2×285=342N
2）驗算6302軸承的壽命，根據(jù)式
Lh=(106/60n)(c/p)z=12.65×106h>24000h (4-16)
由此可見，軸承的壽命高于預(yù)期計算壽命，符合要求。
5 背架的設(shè)計及其他部件的選擇
1）根據(jù)減速器和電動機(jī)得尺寸來初步確定背架的外型
2) 保護(hù)罩
3) 齒輪罩
4) 背帶
5) 控制架
6）蓄電池的選擇
圖5 配電接線
6 結(jié)論
畢業(yè)設(shè)計是我們專業(yè)課程綜合應(yīng)用實踐訓(xùn)練，是從事職業(yè)工作前一個必不少的過程。我今天認(rèn)真的進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計，學(xué)會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎(chǔ)。
說實話，畢業(yè)設(shè)計真的有點累。然而，當(dāng)我一著手清理自己的設(shè)計成果，慢慢回味這幾個月的心路歷程，一種少有的成功喜悅即刻使倦意頓消。雖然這是我剛學(xué)會走完的第一步，也是人生的一點小小的勝利，然而它令我感到自己成熟的許多，另我有了一中“春眠不知曉”的感悟。 通過畢業(yè)設(shè)計，使我深深體會到，干任何事都必須耐心，細(xì)致。畢業(yè)設(shè)計過程中，許多計算有時不免令我感到有些心煩意亂：有幾次次因為不小心我計算出錯，只能毫不留情地重來．但一想起全臘珍教授平時對我們耐心的教導(dǎo)，想到今后自己應(yīng)當(dāng)承擔(dān)的社會責(zé)任，想到世界上因為某些細(xì)小失誤而出現(xiàn)的令世人無比震驚的事故，我不禁時刻提示自己，一定呀養(yǎng)成一種高度負(fù)責(zé)，認(rèn)真對待的良好習(xí)慣。這次畢業(yè)設(shè)計使我在工作作風(fēng)上得到了一次難得的磨練， 短短幾個月的畢業(yè)設(shè)計，使我發(fā)現(xiàn)了自己所掌握的知識是真正如此的缺乏，自己綜合應(yīng)用所學(xué)的專業(yè)知識能力是如此的不足，幾年來的學(xué)習(xí)了那么多的課程，今天才知道自己并不會用。想到這里，我真的心急了，老師卻對我說，這說明畢業(yè)設(shè)計確實使你有收獲了。老師的親切鼓勵了我的信心，使我更加自信。
最后，我要感謝我的指導(dǎo)老師教授，是您嚴(yán)厲批評喚醒了我，是您的敬業(yè)精神感動了我，是您的教誨啟發(fā)了我，是您的期望鼓勵了我，我感謝老師您今天又為我增添了一幅堅硬的翅膀。今天我為你們而驕傲，明天你們?yōu)槲叶院馈?
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致 謝
畢業(yè)設(shè)計是對我們知識運用能力的一次全面的考核，也是對我們進(jìn)行科學(xué)研究基本功的訓(xùn)練，培養(yǎng)我們綜合運用所學(xué)知識獨立地分析問題和解決問題的能力，為以后撰寫專業(yè)學(xué)術(shù)論文和工作打下良好的基礎(chǔ)。
本次設(shè)計能夠順利完成，首先我要感謝我的母校，是她為我們提供了學(xué)習(xí)知識的土壤，使我們在這里茁壯成長；其次我要感謝工學(xué)院的老師們，他們不僅教會我們專業(yè)方面的知識，而且教會我們做人做事的道理。最后感謝校方為我們提供一個良好的環(huán)境，使本次設(shè)計圓滿完成。