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摘 要
苗木在我們的日常生活中隨處可見(jiàn)，但是用于修剪苗木的機(jī)械往往十分笨重，工人的勞動(dòng)量很大。因此我們迫切需要一種可以修剪多種造型苗木的手推式苗木修剪機(jī)。
為了完成本次設(shè)計(jì)工作，首先確定手推式苗木修剪機(jī)的重要結(jié)構(gòu)，然后分別設(shè)計(jì)和計(jì)算包括液壓系統(tǒng)在內(nèi)的重要零部件。
本文的創(chuàng)新點(diǎn)主要有：⒈運(yùn)用creo軟件對(duì)修剪車進(jìn)行三維建模，并機(jī)械有限源分析，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化2.運(yùn)用液壓升降機(jī)構(gòu)，使修剪的高度可以自動(dòng)調(diào)節(jié)；3.為了使修剪機(jī)的修剪高度可以得到調(diào)節(jié)，在機(jī)體的支撐架用到了齒輪齒條傳動(dòng)；4.為了使修剪的寬度范圍得到調(diào)節(jié)，修剪的籬刀可以左右移動(dòng)； 5.籬刀的可以調(diào)整三個(gè)角度，能夠修剪更多造型的苗木；
關(guān)鍵詞：苗木修剪機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元分析；creo；液壓系統(tǒng)
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Abstract
Nursery stock can be seen everywhere in our daily life, but the machinery used to prune seedlings is often very cumbersome and the workers are very productive. Therefore, we urgently need a kind of hand - pushing pruning machine for pruning seedlings.
In order to complete the design work, the important structure of hand type seedling pruning machine is firstly determined, then the important parts, including hydraulic system, are designed and calculated respectively.
The main innovations of this paper are: 1. Using 3D modeling creo software of trim car, and machinery Limited source analysis, optimize the use of the 2 hydraulic lifting mechanism on the structure, which can automatically adjust the height of pruning; 3 in order to make the mower mowing height can be adjusted, in the body of the support frame used in gear rack transmission in order to make the adjustment; 4 trim width, Hedgerow pruning knife can move around; 5 hedge knife can be adjusted from three angles, can trim more seedlings;
Key words: Seedling pruning machine; structure design; finite element analysis; creo; hydraulic system
II
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目 錄
摘要 III
Abstract IV
1 緒論 1
1.1 課題的研究背景及意義 1
1.1.1 課題的研究背景 1
1.1.2 課題的研究意義 1
1.2 苗木修剪機(jī)在國(guó)外的發(fā)展 1
1.3 苗木修剪機(jī)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展 2
2 手推式苗木修剪機(jī)的整體結(jié)構(gòu) 3
2.1 功能規(guī)劃 3
2.2 整體設(shè)計(jì)方案 3
3 重要機(jī)構(gòu)的方案論證 5
3.1 手動(dòng)調(diào)節(jié)支撐架升降結(jié)構(gòu)的方案論證 5
3.2 支撐架高度鎖緊機(jī)構(gòu)的方案論證 5
3.3自動(dòng)調(diào)節(jié)支撐架升降結(jié)構(gòu)的方案論證 6
3.4 可伸縮橫梁的結(jié)構(gòu) 8
3.5 修剪刀的角度轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 8
4 手推式苗木修剪機(jī)重要零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算 10
4.1 手推式苗木修剪機(jī)尺寸要求 10
4.2 推車架的設(shè)計(jì)與計(jì)算 10
4.3懸臂梁的設(shè)計(jì)與計(jì)算 12
4.4可升降的支撐架的設(shè)計(jì)與計(jì)算 13
5 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 15
5.1 確定設(shè)計(jì)需求 15
5.2制定液壓系統(tǒng)的基本方案 15
5.2.1確定液壓執(zhí)行元件的形式 15
5.2.2 確定液壓缸的類型 16
5.2.3 確定液壓缸的安裝方式 16
5.2.4 缸蓋聯(lián)接的類型 16
5.3確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù) 17
5.3.1載荷的組成與計(jì)算： 17
5.3.2初選系統(tǒng)壓力 18
5.3.3液壓缸主要尺寸的確定 19
5.3.4確定液壓泵的參數(shù) 21
5.4 繪制液壓系統(tǒng)原理圖 22
5.4.1 液壓系統(tǒng)原理圖的繪制過(guò)程 22
5.4.2 液壓系統(tǒng)原理圖的工作說(shuō)明 23
6 使用creo對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行配合優(yōu)化 25
6.1 creo軟件概述 25
6.2 用creo對(duì)手推式苗木修剪機(jī)的重要部件進(jìn)行三維建模 25
6.3 使用creo對(duì)修剪車進(jìn)行裝配 26
7 基于creo對(duì)手推式苗木修剪機(jī)重要零件的分析與改進(jìn) 28
7.1分析方法概述 28
7.2對(duì)懸臂梁進(jìn)行有限元分析 28
7.3懸臂梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化 30
8 總結(jié) 31
參考文獻(xiàn) 32
XI
第一章 緒論
1 緒論
1.1 課題的研究背景及意義
1.1.1 課題的研究背景
為了提高苗木的觀賞效果和更好地起到防護(hù)隔離的效果，苗木需要修剪成各種各樣的形狀。苗木在我們的生活中隨處可見(jiàn)，在道路、園林、生活區(qū)都有著大量的苗木。而且苗木的生長(zhǎng)速度較快，每隔一段時(shí)間就需要園林工人對(duì)苗木進(jìn)行一次修剪。苗木的作用不僅在于美化環(huán)境，同時(shí)作為樹(shù)籬可以起到隔離、指向的作用。因?yàn)槊缒久磕晷枰藜舳啻蝸?lái)保持現(xiàn)狀的規(guī)整，所占用的社會(huì)勞動(dòng)力很多，我們可以用機(jī)器來(lái)較少苗木修剪的勞動(dòng)強(qiáng)度。通過(guò)修剪的苗木不僅造型美觀，而且苗木可以得到更多的光照，時(shí)苗木保持健康。當(dāng)前使用的苗木修剪機(jī)大多是手持式和背負(fù)式，這兩種修剪機(jī)在進(jìn)行苗木修剪時(shí)仍然依靠人工進(jìn)行，不僅效率低下，而且勞動(dòng)力很大、容易發(fā)生危險(xiǎn)。所以我們急切需要一種能夠適應(yīng)成塊的面積較小的，能夠有一定的自動(dòng)化的手推式苗木修剪機(jī)械來(lái)填補(bǔ)這方面的缺失。
我們需要一種能夠完成對(duì)小區(qū)、道路、廣場(chǎng)等公用場(chǎng)合的冬青苗木枝葉（非草坪的修剪）修剪工作的小型手推式苗木修剪機(jī)，可以移動(dòng)，可以減少環(huán)衛(wèi)工人修剪的勞動(dòng)量。
1.1.2 課題的研究意義
手推式的木苗修剪機(jī)目的在于改變傳統(tǒng)的作業(yè)方式，當(dāng)修剪苗木的高度和傾斜角度設(shè)定時(shí)，就不能隨時(shí)改變。當(dāng)電機(jī)不停地工作時(shí)，園藝工人推動(dòng)小車按路線勻速前進(jìn)，就可以快速并且高質(zhì)量地完成修剪工作，從而大大降低了對(duì)工人的技術(shù)要求。勞動(dòng)強(qiáng)度方面，雖然手持式修剪機(jī)的重量一般6公斤左右，但是需要工人長(zhǎng)時(shí)間持握，長(zhǎng)時(shí)間工作很容易疲勞。而手推式的修剪機(jī)雖然重一百斤以上，但是裝有車輪，正常的成年人都可以長(zhǎng)時(shí)間操作且比較輕松。
1.2 苗木修剪機(jī)在國(guó)外的發(fā)展
機(jī)械化的苗木修剪在國(guó)外的發(fā)展較早，在步入21世紀(jì)以前，很多國(guó)家的苗木修剪工作就步入了機(jī)械化。在國(guó)外機(jī)械化苗木修剪發(fā)展的幾十年時(shí)間里，用于修剪的機(jī)械發(fā)展處很多種類，有手持式苗木修剪機(jī)，車載式苗木修剪機(jī)等。日本的品牌“小松”、瑞典的品牌“HUSQVARAN”、德國(guó)的品牌“STIHL” 等品牌都生產(chǎn)各種規(guī)格的手持式苗木修剪機(jī)。手持式修剪機(jī)相比修剪刀來(lái)說(shuō)效率高、速度快，但是由于手持式修剪機(jī)上往往裝有發(fā)動(dòng)機(jī)等多種部件，自重較大有一定缺點(diǎn)。由日本和美國(guó)最先發(fā)明的臂架懸掛式和車載懸掛式苗木修剪機(jī)則是70年代的產(chǎn)物。這種苗木修剪機(jī)的體型較大，且只需要人們作一些比較輕松的控制工作就能實(shí)現(xiàn)苗木的修剪，所以這種機(jī)械在國(guó)外的使用十分頻繁。
1.3 苗木修剪機(jī)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展
苗木修剪機(jī)在我國(guó)的發(fā)展開(kāi)始的時(shí)間比較早，發(fā)展出來(lái)多種型號(hào)的苗木修剪機(jī)。例如成都綠化制造公司生產(chǎn)的雙動(dòng)往復(fù)刀片式，四川綠化制造公司的電動(dòng)旋刀式苗木修剪機(jī)苗木修剪機(jī)刀片的形式有往復(fù)式和旋刀式為主。我國(guó)生產(chǎn)的小型苗木修剪機(jī)多為手持式苗木修剪機(jī)，多以小型汽油機(jī)和電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力。這種小型苗木修剪機(jī)的重量大概是6到10kg，功率在1kw到3kw之間。大型苗木修剪機(jī)有車載式苗木修剪機(jī)，臂架懸掛式苗木修剪機(jī)等，都可以有效地減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)效率。雖然，我國(guó)的苗木修剪器械種類較為豐富，但是在使用的普及率方面與國(guó)外相比有較大差距。
32
第二章 手推式苗木修剪機(jī)的整體結(jié)構(gòu)
2 手推式苗木修剪機(jī)的整體結(jié)構(gòu)
2.1 功能規(guī)劃
無(wú)論是園林中還是道路旁的苗木大多被修剪成高度大約在一米，寬度大約在半米的立方體。但是往往被修剪的苗木需要被修剪的形狀不盡相同，所以修剪機(jī)的刀具需要調(diào)整高度和角度。在有些園林綠地中作為苗木的苗木呈現(xiàn)不同的形狀，例如波浪形或上端有一定的坡度。這就要求苗木修剪機(jī)能夠在前進(jìn)的過(guò)程中可以自動(dòng)調(diào)節(jié)高度。
為了保證所修剪的苗木的斷面平整，要求修剪車在修剪的過(guò)程中運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，所以需要手推車的前輪采用較大的尺寸。在實(shí)際生活中需要修剪的苗木往往不是平直的，需要多次轉(zhuǎn)換修剪的方向，所以需要修剪車可以靈活地轉(zhuǎn)向。同時(shí)，所設(shè)計(jì)的苗木修剪機(jī)需要盡量簡(jiǎn)單，可靠耐用。
2.2 整體設(shè)計(jì)方案
根據(jù)以上的功能規(guī)劃的要求，初步設(shè)計(jì)的整體方案如圖2-1。
圖2-1
1. 手推車架 2.齒輪齒條升降機(jī)構(gòu) 3.可升降支撐架 4..水平懸臂梁 5.籬刀與鋁管 6.鎖緊機(jī)構(gòu) 7.液壓控制系統(tǒng)
手推車架的作用是安裝各個(gè)部件，并安裝有前輪和萬(wàn)向輪能夠平穩(wěn)地行走。需要有一定的強(qiáng)度，可以承受各個(gè)部件的重量。在動(dòng)力方面，由于采用了液壓控制回路需要電源，所以采用電瓶提供能量。與此同時(shí)電動(dòng)機(jī)具有工作效率高，不污染環(huán)境，噪聲小，運(yùn)行可靠，結(jié)構(gòu)牢固，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，所以采用電動(dòng)機(jī)為籬刀提供動(dòng)力。在高度調(diào)節(jié)方面，齒條安裝在可升降支撐架上，齒輪安裝在固定架上。通過(guò)手輪旋轉(zhuǎn)齒輪，使齒輪齒條在嚙合過(guò)程中齒條帶動(dòng)支撐架的上升。同時(shí)也可以控制支撐架的下降。移動(dòng)到合適的高度時(shí)需要鎖緊機(jī)構(gòu)鎖死。在水平位置調(diào)節(jié)方面，固定架上有滑槽，懸臂梁上帶有防翻鉤。防翻鉤在滑槽內(nèi)移動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)懸臂梁的水平移動(dòng)，使得修剪的范圍得到調(diào)節(jié)。當(dāng)移動(dòng)到合適的位置時(shí)，用緊定螺釘鎖死，時(shí)懸臂梁可以相對(duì)固定架位置不變。
液壓控制系統(tǒng)能夠自動(dòng)控制修剪車的支撐架上下運(yùn)動(dòng)。在使用液壓控制系統(tǒng)時(shí)，支撐架可以自動(dòng)上下運(yùn)動(dòng)，與小車的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)復(fù)合，可以修剪出形狀較為美觀造型的苗木，例如波浪形，梯形等。
第三章 重要機(jī)構(gòu)的方案論證
3 重要機(jī)構(gòu)的方案論證
3.1 手動(dòng)調(diào)節(jié)支撐架升降結(jié)構(gòu)的方案論證
手動(dòng)調(diào)節(jié)的升降結(jié)構(gòu)，由齒輪和齒條的嚙合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖3-1，齒輪通過(guò)齒輪軸安裝在齒輪固定罩上，齒輪固定罩安裝在固定架上，手輪與齒輪軸相焊接。齒條安裝在支撐架上，與安裝在固定架上的齒輪嚙合。在圖4-1中，當(dāng)需要支撐架上升時(shí)，需逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)手輪。需要支撐架下降時(shí)，需順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手輪。因?yàn)楫?dāng)支撐架運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)修剪刀運(yùn)動(dòng)，所以通過(guò)搖動(dòng)手輪可以控制修剪的上下運(yùn)動(dòng)。
圖3-1 手動(dòng)高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)
1.齒輪固定罩 2.手輪 3. 可升降的支撐架 4.支撐架的一部分 5.齒條 6.齒輪
3.2 支撐架高度鎖緊機(jī)構(gòu)的方案論證
當(dāng)支撐架上升到合適高度時(shí)，需要一個(gè)鎖緊機(jī)構(gòu)來(lái)時(shí)支撐架和固定架的豎直位置保持不變。用如圖3-2所示的鎖緊機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一要求。
支撐架的方管有很多圓柱銷孔，鎖緊把手安裝在固定架上，固定架上開(kāi)有孔讓鎖緊把手上的圓柱銷能與支撐架的銷孔配合。當(dāng)支撐架調(diào)到指定位置時(shí)，將鎖緊把手上的圓柱銷推入支撐架上的銷孔中。固定架將通過(guò)三個(gè)圓柱銷鏈接，承受支撐架及其上安裝的其他零件的重量。
圖3-2 可升降支撐架的位置鎖緊機(jī)構(gòu)
3.3自動(dòng)調(diào)節(jié)支撐架升降結(jié)構(gòu)的方案論證
使用手動(dòng)調(diào)節(jié)支撐架高度的結(jié)構(gòu)時(shí)，在調(diào)節(jié)到合適的位置時(shí)，必須用鎖緊把手，使得修剪刀不能上下移動(dòng)。此時(shí)的修剪機(jī)在修剪苗木時(shí)，由于支撐修剪刀不能上下移動(dòng)，所以只能修剪出斷面呈長(zhǎng)方形、正方形形狀的苗木。但是當(dāng)可升降的支撐架可以自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，也就是說(shuō)，可以自動(dòng)控制支撐架移動(dòng)的方向和移動(dòng)的速度。此時(shí)，修剪車可以修剪出與眾不同、形狀各異的苗木，例如波浪形，斜坡形。使用修剪機(jī)的自動(dòng)調(diào)節(jié)高度的功能時(shí)，修剪出來(lái)的苗
木更加美觀。在如下兩個(gè)方案中挑選出一種更加合適的方案來(lái)作為使用的方案。
方案一：在如圖3-3，A位置添加直流步進(jìn)電機(jī)，來(lái)控制支撐架運(yùn)動(dòng)的方向和速度。將步進(jìn)電機(jī)的機(jī)身固定在固定架上。
圖3-3 方案一
步進(jìn)電機(jī)放在如圖所示位置時(shí)，可以滿足控制支撐架運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度的作用。但是由于齒輪齒條放在支撐架的一側(cè)，并不是放在支撐架的正中間，所以步進(jìn)電機(jī)提供的動(dòng)力不能施加在支撐架的中間。這就導(dǎo)致使用步進(jìn)電機(jī)控制支撐架上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，支撐架不能保持水平的狀態(tài)。那么在修剪苗木時(shí)會(huì)讓修剪出來(lái)的苗木不夠平整，所以我們不選擇方案一。
方案二：在推車架上加裝液壓傳動(dòng)系統(tǒng)。
液壓傳動(dòng)系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)：1.液壓系統(tǒng)傳動(dòng)平穩(wěn)。2.在同樣輸出功率的條件下，液壓系統(tǒng)的體積和質(zhì)量相對(duì)較小。3.可以實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速。4.便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。所以選擇液壓傳動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)支撐架的上下自動(dòng)調(diào)節(jié)。
液壓缸的底座安裝在推車架上，活塞桿與可升降支撐架相連接。當(dāng)活塞桿上下活動(dòng)時(shí)帶動(dòng)支撐桿的上下移動(dòng)。液壓缸的安裝位置如圖3-4。
圖3-4 方案二
由于使用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，活塞桿的力施加在支撐架的中部，可以讓支撐架保持水平。而且液壓系統(tǒng)可以較為容易地實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，可以控制支撐架上下移動(dòng)的快慢。因此，使用液壓傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)修剪出來(lái)的苗木更加平整。綜上，我們選擇方案二來(lái)實(shí)現(xiàn)支撐架的自動(dòng)高度調(diào)節(jié)。
3.4 可伸縮橫梁的結(jié)構(gòu)
苗木修剪機(jī)在工作時(shí)，在水平方向上苗木需要修剪的距離不同，所需的橫梁的長(zhǎng)度也不同，那么我們需要一種可以調(diào)節(jié)伸出長(zhǎng)度的懸伸梁。但是在修剪機(jī)在修剪苗木時(shí)，懸伸梁的水平位置需保持不變，為此設(shè)計(jì)如下圖3-5方案。
圖3-5可伸縮橫梁的結(jié)構(gòu)
為使苗木修剪刀可以水平移動(dòng)，通過(guò)懸臂梁的水平移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。固定架上有滑槽，懸臂梁上帶有防翻鉤。防翻鉤在滑槽內(nèi)移動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)懸臂梁的水平移動(dòng)，使得修剪的范圍得到調(diào)節(jié)。當(dāng)移動(dòng)到合適的位置時(shí)，用緊定螺釘鎖死，時(shí)懸臂梁可以相對(duì)固定架位置不變。修剪刀在修剪苗木時(shí)抖動(dòng)往往比較劇烈，通過(guò)懸臂梁上的防翻鉤使懸臂梁不會(huì)脫離支撐架。
3.5 修剪刀的角度轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
為了使修剪刀在修剪時(shí)不僅能修剪水平面，而且要可以修剪苗木的豎直面，這就需要改變修剪刀的修剪方向。設(shè)計(jì)方案如圖3-6。修剪方案如圖，修剪刀的底部安裝有凸臺(tái)，凸臺(tái)的造型是十字形。在懸臂梁的一端開(kāi)有十字形的孔與凸臺(tái)相配合。由于修剪刀的動(dòng)力是通過(guò)鋼絲軟管傳導(dǎo)的，所以修剪刀的刀頭可以轉(zhuǎn)動(dòng)。若將水平放置的修剪刀改為垂直時(shí)，首先將懸臂梁一端的緊定螺釘擰松，然后將凸臺(tái)從十字型孔取出。接著修剪刀調(diào)整90度后再將凸臺(tái)插入空中，再把緊定螺釘擰緊就可以了。
圖3-6 籬刀角度位置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)
第四章 手推式苗木修剪機(jī)重要零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算
4 手推式苗木修剪機(jī)重要零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算
4.1 手推式苗木修剪機(jī)尺寸要求
由手推式苗木修剪機(jī)的功能要求和所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，修剪機(jī)的尺寸可以給出大體范圍：
懸臂梁的調(diào)節(jié)范圍：100 ～ 1000mm；
手推式苗木修剪機(jī)的寬度：300 ～ 500mm；
手推式苗木修剪機(jī)的長(zhǎng)度：500 ～ 1000mm；
手推式苗木修剪機(jī)的把手高度為：800 ～ 900mm；
手推式苗木修剪機(jī)可修剪的苗木高度范圍：500 ～ 1800mm
手推式苗木修剪機(jī)可修剪的苗木水平范圍：100 ～ 1500mm
4.2 推車架的設(shè)計(jì)與計(jì)算
圖4-1 推車架
推車架的作用是安裝各個(gè)部件的主體，承載了絕大部分零件的重量，包括電瓶、點(diǎn)動(dòng)機(jī)、固定架等。所以對(duì)推車架底座的強(qiáng)度要求比較高，需要對(duì)之進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)。推車架的推車把手使用直徑為25毫米，壁厚為2毫米的圓鋼焊接而成。推車架的四周采用長(zhǎng)為50毫米，款為40毫米，厚度為4毫米的方鋼圍成。推車架底部用以支撐電動(dòng)機(jī)的支架采用角鋼，如圖4-2。因?yàn)槌休d發(fā)動(dòng)機(jī)的角鋼受力最大，必須對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)。
圖4-2 推車架底座
首先對(duì)其中一根角鋼進(jìn)行受力分析，如圖4-2所示假設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)的重力FB集中作用在角鋼的中點(diǎn)。那么角鋼的兩邊就會(huì)收到力FA和FC。我們?nèi)‰妱?dòng)機(jī)的重量為25kg，則FB的大小為125KN,
圖4-3 角鋼的受力圖
由 受力平衡：
ΣZ=0，
B點(diǎn)處的彎矩最大：
=9375N·m
最大彎曲正應(yīng)力需滿足：
并查熱軋等邊角鋼（GB9787-88）表查得，需要選用角鋼號(hào)數(shù)2.5以上的角鋼，
所以采用∠50×40×4的角鋼，可以滿足強(qiáng)度的要求。角鋼的長(zhǎng)度為300mm。
4.3懸臂梁的設(shè)計(jì)與計(jì)算
懸臂梁的作用是使籬刀可以在水平方向上移動(dòng)，所以懸臂梁就要承受修剪苗木時(shí)的反作用力FE，和與支撐架接觸時(shí)產(chǎn)生的力FB與FC，如圖5-4所示。在椎車以較快速度前進(jìn)，修剪的苗木較粗時(shí)，所收到的力FE最大為50kN。懸臂梁的受力較大需要進(jìn)行受力分析，懸臂梁的剪力彎矩圖如圖4-5。
圖4-4 懸臂梁的受力情況
圖4-5 懸臂梁的剪力彎矩圖
由 受力平衡：
ΣY=0，
力矩平衡：
ΣM(C)=0，
得：
FB=412.5KN，F(xiàn)C=462.5 KN
C點(diǎn)處的彎矩最大：
C點(diǎn)處的彎曲正應(yīng)力：
這里，B――方鋼管總寬度；
H――方鋼管總高度；
b――方鋼管內(nèi)空寬度；
h――方鋼管內(nèi)空高度。
擬在危險(xiǎn)截面處采用64mm×30mm的方管，可以查得需要采用3.6mm以上厚度的方鋼管，所以方鋼管的厚度采用4mm，材料為45鋼。
4.4可升降的支撐架的設(shè)計(jì)與計(jì)算
支撐架收到豎直方向的懸臂梁和修剪刀的重力和修剪苗木時(shí)受到的水平方向的彎曲應(yīng)力如圖4-6。由于豎直方向上的重力對(duì)支撐架的影響較小，我們只需要分析水平方向上的受力情況。
圖4-6 支撐架的受力分析
圖4-7 支撐架的剪力彎矩圖
由 受力平衡：
ΣY=0，
力矩平衡：
ΣM(B)=0，
得：
FA=146KN，F(xiàn)D=196 KN
B點(diǎn)處的彎矩最大：
B點(diǎn)處的彎曲正應(yīng)力：
由于擬采用的方管寬為54mm，高為30mm，查得最大彎曲正應(yīng)力選取方鋼的厚度至少為3.4mm。我們選取厚度為4mm的方鋼。
第五章 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算
5 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算
5.1 確定設(shè)計(jì)需求
液壓控制系統(tǒng)的基本要求有：
1) 修剪機(jī)的概況：修剪機(jī)在修剪過(guò)程中為了能夠修剪出多種造型的苗木，需要液壓控制系統(tǒng)來(lái)控制支撐架的上下運(yùn)動(dòng)；
2) 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性好；
3) 人工控制操作，按鈕啟動(dòng)控制升降；
4) 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的行程約在500mm，可以承載的最大載荷為100kg。
5.2制定液壓系統(tǒng)的基本方案
5.2.1確定液壓執(zhí)行元件的形式
液壓的執(zhí)行元件有液壓缸和液壓泵。二者的特點(diǎn)和使用場(chǎng)合如下表5-1:
表5-1 各執(zhí)行元件的特點(diǎn)
5.2.2 確定液壓缸的類型
根據(jù)上表5-1，和所需液壓缸的運(yùn)動(dòng)類型，選擇單桿活塞液壓缸。單桿活塞液壓缸的特點(diǎn)有：運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，活塞桿可以雙向作用，可以減去減速裝置，應(yīng)用廣泛。很適合作為此液壓控制系統(tǒng)的活塞缸。
5.2.3 確定液壓缸的安裝方式
本次采用的單桿活塞缸需要安裝在推車架上，所以安裝的方式采用螺紋連接。另一端由于活塞缸要能夠?qū)崿F(xiàn)支撐架的上升和下降，所以也用螺紋連接活塞缸與支撐架。
5.2.4 缸蓋聯(lián)接的類型
由于法蘭連接式拆卸方便、強(qiáng)度高、密封性能好，此液壓缸采用法蘭聯(lián)接式。
5.2.5擬定液壓控制回路
手推式苗木修剪車的液壓控制系統(tǒng)壓力較小，可以平穩(wěn)運(yùn)行，可以手動(dòng)調(diào)節(jié)活塞桿的升降，而且需要能在特定的位置自鎖。此液壓控制系統(tǒng)的流量和壓力較小，可以通過(guò)電磁換向閥之間的配合完成以上要求。
5.3確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)
通過(guò)液壓系統(tǒng)的流量和壓力來(lái)確定液壓元件的結(jié)構(gòu)尺寸。
5.3.1載荷的組成與計(jì)算：
首先要確定液壓缸的最大載荷量，由于此液壓升降系統(tǒng)只需承受主要是可升降支撐架，懸臂梁，籬刀等零件的重量和液壓缸自身的重量。所以液壓缸的載荷量較小，不超過(guò)100kg。因而，把最大載荷量設(shè)為100kg。
然后依據(jù)最大載荷量來(lái)確定液壓缸的型號(hào)。
圖5-1液壓缸
首先繪制液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算簡(jiǎn)圖，如圖5-1。液壓桿所受到的外載荷為Fm，液壓缸收到的力分別有：
（1）工作載荷
相對(duì)于活塞桿的負(fù)載來(lái)說(shuō)，液壓缸的活塞的重量不必考慮。所以只需要考慮活塞桿運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的支撐架及上面零件的重力，就是液壓缸的工作載荷。所設(shè)計(jì)的液壓缸的最大載荷為100kg，因此液壓缸的最大工作載荷為1000N。
（2）導(dǎo)軌摩擦載荷
液壓缸大多有用于限制活塞滑動(dòng)方向的導(dǎo)軌，其摩擦力與外載荷相比不必考慮，所以為0。
（3）慣性載荷
，。
——速度變化量m/s
——液壓缸起動(dòng)時(shí)間s。
——加速度
速度變化量選取較大的=0.16m/s，=0.6s，則==0.27，=100kg×0.27=27N
這三種載荷的總和，即為液壓缸的外載荷Fm，
Fm=＋＋=1000+0+27=1027N
起動(dòng)加速時(shí) Fm=＋＋， 勻速運(yùn)動(dòng)時(shí) Fm=Fg+Ff， 減速運(yùn)動(dòng)時(shí) Fm=Fg+Ff—Fa。
取最大的工作載荷，作為計(jì)算和檢驗(yàn)的載荷。
由于液壓缸存在在密封處的摩擦阻力，通過(guò)估算液壓缸的機(jī)械效率來(lái)估算，通常取0.90到0.95，這里取0.95，因此可以算出活塞桿的載荷F=÷=1027÷0.95=1081N
5.3.2初選系統(tǒng)壓力
在選擇液壓缸時(shí)，要考慮系統(tǒng)壓力的大小。由于修剪機(jī)的尺寸較小，且液壓控制回路的負(fù)載較小，類似于機(jī)床的液壓控制回路，所以根據(jù)表5-2初步選取系統(tǒng)壓力為0.8Mpa。
表5-2 各種機(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力
5.3.3液壓缸主要尺寸的確定
⑴液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸
圖5-2 液壓缸的設(shè)計(jì)參數(shù)
圖a為表示活塞桿受向下的壓力，圖b表示活塞桿向上的拉力。
活塞桿受壓時(shí)
活塞桿受拉時(shí)
式中
——活塞底面工作面積
——活塞上表面工作面積
——液壓缸工作腔壓力 Pa
——液壓缸回油腔壓力 Pa，根據(jù)表3-3估算
D——活塞直徑 m
d——活塞桿直徑 m
表5-3 液壓缸的背壓力表
由于所設(shè)計(jì)的液壓回路為簡(jiǎn)單輕載回路，所以在我們?nèi)”硥毫χ?
在此次液壓回路中，液壓缸的活塞桿不收拉力，不用計(jì)算受拉情況。由液壓缸在受壓使的活塞面積公式為：
用上面的公式之前，首先要確定和的關(guān)系，即確定活塞桿直徑d與活塞直徑D的比值，如下表。
按速度比要求確定d/D
注：
按速度比=2選取，則d/D=0.7。
運(yùn)用直徑求法公式
44.35mm
可以求出d=31.05mm。按照機(jī)械手冊(cè)的工程液壓缸的技術(shù)規(guī)格表37-7-7圓整后?。焊讖?0mm，活塞桿35mm,速度比=2，工作壓力0.8Mpa，推力1.081kN。
⑵計(jì)算活塞桿的行程
支撐架位于最低位置時(shí)，液壓缸的長(zhǎng)度等于固定架的長(zhǎng)度600mm。支撐架能達(dá)到的相對(duì)于車架底部的最大高度為1100mm。所以可以計(jì)算出液壓缸的行程：=1100mm-600mm=500mm。
5.3.4確定液壓泵的參數(shù)
⑴求液壓泵的最大工作壓力Pp
根據(jù)可得到
=0.63MPa
——液壓回路中所損失的壓力。回路簡(jiǎn)單、流速較小的回路取0.2~0.5Mpa；這里取0.2Mpa。
即Pp≥0.63+0.2=0.83MPa
⑵確定液壓泵的流量
K：系統(tǒng)泄漏系數(shù)，正常為1.1到1.3。去中間值1.2。
——液壓缸的最大流量
溢流閥的最小溢流量取
支撐架的最大上升速度取，則活塞的運(yùn)動(dòng)速度為0.16米每秒。
一般苗木的修剪速度在0.16米每秒以內(nèi)，所以取0.16為最大速度Vo
=2×0.16×1.96×=6.28×
所以
⑶選擇液壓泵的規(guī)格
根據(jù)以上求得的和值，按系統(tǒng)中擬訂的液壓泵的形式，從手冊(cè)中選擇相應(yīng)的液壓泵產(chǎn)品。為使液壓泵油一定的壓力儲(chǔ)備，所選泵的額定壓力一般要比最大工作壓力大25~60%。
查找手冊(cè)P37-135選擇DC-24型齒輪泵，其參數(shù)如下表5-4
表5-4 DC-24型齒輪泵的各參數(shù)值
型號(hào)
排量
壓 力
轉(zhuǎn) 速
特點(diǎn)
生產(chǎn)廠
額定
最高
額定
最高
DC-24
10~50
1.2
1.5
1800
2400
鋁合金殼體，可作雙聯(lián)泵
Pony液壓件廠
⑷確定液壓泵的驅(qū)動(dòng)功率
在工作中，如果液壓泵的壓力和流量比較恒定，則
，其中——液壓泵的總效率，參考下表5-5選擇=0.7
表5-5 各液壓泵的總效率
液壓泵類型
齒輪泵
螺桿泵
葉片泵
柱塞泵
總效率
0.6~0.7
0.65~0.80
0.60~0.75
0.80~0.85
則
=965W，據(jù)此可選擇合適的電機(jī)型號(hào)。
5.4 繪制液壓系統(tǒng)原理圖
5.4.1 液壓系統(tǒng)原理圖的繪制過(guò)程
首先明確液壓系統(tǒng)的功能要求，所設(shè)計(jì)的液壓回路要能夠滿足需求。液壓系統(tǒng)輸出的運(yùn)動(dòng)是活塞桿的直線運(yùn)動(dòng)，活塞桿帶動(dòng)支撐架的上下運(yùn)動(dòng)。此液壓回路所需要的功能有1.上升運(yùn)動(dòng)。2.下降運(yùn)動(dòng).3.在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中隨時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，并鎖死在停止處。4.能夠在達(dá)到限制高度處自動(dòng)停止上升。5.能夠?qū)崿F(xiàn)活塞桿的快速下降。.此液壓系統(tǒng)在滿足上述功能的同時(shí)，要盡量使液壓回路簡(jiǎn)單可靠，安全。
在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)的過(guò)程中主要有問(wèn)題需要解決，如下：
在活塞桿上升的過(guò)程中，液壓缸的無(wú)活塞桿的腔與液壓泵連接使此腔的壓力增大，有活塞桿的腔直接連接在油箱，從而產(chǎn)生壓力差實(shí)現(xiàn)活塞的上升運(yùn)動(dòng)。但是在活塞的下降過(guò)程中，是依靠液壓泵的動(dòng)力，還是依靠活塞桿的自重和其負(fù)載，需要做出選擇。當(dāng)有活塞桿的腔室加壓時(shí)，雖然消耗的能量較多，但是由于兩腔的壓力較大不易受到支撐架的重力的影響，從而不容易產(chǎn)生在制動(dòng)時(shí)的“漂移”現(xiàn)象。當(dāng)有活塞桿的腔室不加壓時(shí)，活塞的下降依靠活塞桿的重力和負(fù)載，雖然消耗掉的能量比較少，但是容易在制動(dòng)時(shí)容易產(chǎn)生向上或向下的“漂移”。
我選擇用后者的方案，在液壓控制回路的設(shè)計(jì)中通過(guò)改良液壓系統(tǒng)的聯(lián)通來(lái)防止“漂移”現(xiàn)象的發(fā)生。只在加速下降的過(guò)程中，對(duì)有活塞桿的腔室加壓。第一次設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)圖如下圖5-3所示，在換向閥換向的過(guò)程中，口p處的壓力變化很大，導(dǎo)致活塞桿的“漂移”現(xiàn)象。
圖5-3第一次設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)
第二次設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)如圖5-4，把單向調(diào)速閥換為液壓?jiǎn)蜗蜷y，同時(shí)把中衛(wèi)機(jī)能為O型的換向閥換為Y型。由于液壓?jiǎn)蜗蜷y在工作的過(guò)程中，很難產(chǎn)生泄露的現(xiàn)象。通過(guò)T口來(lái)控制液壓?jiǎn)蜗蜷y的是否聯(lián)通，所以在換向閥轉(zhuǎn)換位置的過(guò)程中，液壓?jiǎn)蜗蜷y的作用使無(wú)桿的液壓腔的壓力基本不變。從而使用這種液壓回路不易產(chǎn)生“漂移”的現(xiàn)象。我們選用第二次設(shè)計(jì)的液壓回路。
圖5-4第二次設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)
5.4.2 液壓系統(tǒng)原理圖的工作說(shuō)明
液壓系統(tǒng)的原理圖見(jiàn)圖紙。從圖紙可以看到，按下“電源”按鍵時(shí)齒輪油泵開(kāi)始工作，載荷通過(guò)換向閥6直接卸載。按下“啟動(dòng)”后，換向閥6通電，壓力從油泵經(jīng)過(guò)溢流閥5，壓力變?yōu)檎{(diào)定的壓力后卸載。按下“上升”按鈕時(shí)，換向閥6通電，換向閥8的ev2a的電磁通電，壓力從液壓泵先通過(guò)單向閥6，然后經(jīng)過(guò)換向閥6，換向閥8，液控單向閥10，單向調(diào)速閥11，管道破裂保護(hù)閥12，流入液壓缸的底部使活塞桿上升，活塞缸上端的液壓油經(jīng)換向閥14流入油箱。當(dāng)按下“下降”按鈕時(shí)，換向閥6通電，換向閥8的ev2b的電磁通電。由液壓泵的壓力使液控單向閥兩個(gè)方向都導(dǎo)通，液壓缸底部的液壓油經(jīng)過(guò)管道破裂保護(hù)閥12，單向調(diào)速閥11，液控單向閥10，換向閥8流入油箱，從而實(shí)現(xiàn)活塞桿的下降。當(dāng)按下“快降”按鈕時(shí)，換向閥6通電，換向閥8的ev2b的電磁通電，換向閥14通電，使得液壓缸上部的壓力增大，從而加快了活塞桿的下降。
此液壓回路還設(shè)有行程控制閥，當(dāng)支撐架上升到一定高度時(shí)會(huì)接觸到行程控制閥，使運(yùn)動(dòng)停止，自鎖在行程的最高處。
此液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)有：
1. 由于使用了液控單向閥，使回路在啟停時(shí)不易產(chǎn)生漂移現(xiàn)象。
2. 由于使用了單向調(diào)速閥，使回路的運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)。
3. 當(dāng)回路處于自鎖狀態(tài)時(shí)，消耗的能量少。
4. 液壓回路較為簡(jiǎn)單，液控回路的體積較小
5. 安裝有行程自鎖閥，不用擔(dān)心運(yùn)動(dòng)的行程過(guò)大。
第六章 使用creo對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行配合優(yōu)化
6 使用creo對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行配合優(yōu)化
6.1 creo軟件概述
creo是一個(gè)具有可視化建模三維能力的軟件，并整合了pero的參數(shù)化技術(shù)，CoCreate的直接建模技術(shù)，productview的三維可視化技術(shù)。
6.2 用creo對(duì)手推式苗木修剪機(jī)的重要部件進(jìn)行三維建模
名稱
圖例
參數(shù)(從左向右)
推車架
A=400
B=54
C=700
D=80
E=948
懸臂梁
A=30
B=64
C=100
D=20
E=100
F=r30
G=955
可升降支撐架
A=30
B=54
C=150
D=5
E=246
F=54
G=10
H=r2.5
I=246
J=500
固定架
A=222
B=140
C=50
D=100
E=60
F=60
G=240
H=40
I=100
J=600
6.3 使用creo對(duì)修剪車進(jìn)行裝配
對(duì)手推車的各個(gè)零部件進(jìn)行三維建模后，對(duì)這多個(gè)零件進(jìn)行虛擬裝配。并加入人體模型，人與車的比例如圖所示?？梢?jiàn)人與車的比例較為協(xié)調(diào)，適合人的操作。
第七章 基于creo對(duì)手推式苗木修剪機(jī)重要零件的分析與改進(jìn)
7 基于creo對(duì)手推式苗木修剪機(jī)重要零件的分析與改進(jìn)
7.1分析方法概述
有限元分析是采取數(shù)學(xué)模擬的手段，對(duì)真實(shí)的物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬的方法。通過(guò)使用有限元分析，可以對(duì)形狀不規(guī)則的零件進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的計(jì)算。通過(guò)有限元分析可以優(yōu)化零件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，也可以減少材料的浪費(fèi)。
7.2對(duì)懸臂梁進(jìn)行有限元分析
懸臂梁上組要收到的力有修剪刀修剪苗木時(shí)的反作用力，兩個(gè)放翻鉤上的約束力。所以懸臂梁比較容易做有限元分析，可以分析出它的強(qiáng)度和剛度是否滿足要求。懸臂梁的三維圖，如圖5-1所示：
圖 5-1 簡(jiǎn)化后的懸伸橫梁
步驟一：在creo上開(kāi)啟simulate功能。
步驟二：設(shè)置懸臂梁的材料分布，選取鋼作為材料類型。
步驟三：設(shè)置懸臂梁的重力的方向。
步驟四：設(shè)置載荷的大小，方向和受力面，載荷的大小選取50kN，受力的方向和受力的部位如圖5-2所示。
圖5-2。
步驟五：設(shè)置零件的約束位置，受約束的面如圖5-3和圖5-4所示。
圖5-3
圖5-4
步驟六：運(yùn)行有限元分析。下圖從圖一到圖四是從載荷到0KN到50KN懸伸梁的變化情況，如圖5-5。
圖5-5
由圖中可以看出，懸臂梁的前端彎曲的幅度很大。所以可以看出懸臂梁的剛度不夠。在修剪苗木的過(guò)程中，懸臂梁容易發(fā)生抖動(dòng)，引起修剪刀的抖動(dòng)，會(huì)造成修剪工作難以順利進(jìn)行。
7.3懸臂梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化
如圖5-6是懸臂梁中需要優(yōu)化的部分。需要優(yōu)化的部分有：懸臂梁小端尺寸和十字形凸臺(tái)的厚度。
5-6
優(yōu)化前懸臂梁小端的方鋼寬為15mm，高為30mm凸臺(tái)厚度為25mm。
優(yōu)化后懸臂梁小端的方鋼寬為20mm，高為40mm凸臺(tái)厚度為35mm。
再用同樣的方法做懸臂梁的有限元分析，發(fā)現(xiàn)懸臂梁的抖動(dòng)明顯減小，不會(huì)影響修剪工作。
總結(jié)
8 總結(jié)
畢設(shè)可以說(shuō)是我們大學(xué)四年的最后一次考驗(yàn)了，同時(shí)也是對(duì)四年所學(xué)的知識(shí)的一次大總結(jié)和復(fù)習(xí)。在做畢設(shè)的過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)自己有不少的知識(shí)點(diǎn)忘記了，需要翻閱參考書才能想的起來(lái)，所以在平時(shí)的過(guò)程中就要注重知識(shí)的復(fù)習(xí)和對(duì)新知識(shí)的學(xué)習(xí)。
我的畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目是手推式苗木修剪機(jī)。在做這一課題的過(guò)程中，我翻閱了很多有關(guān)園林綠化的書籍。感覺(jué)我國(guó)在園林修剪的機(jī)械化程度和國(guó)外的差距比較大。在大規(guī)模修剪園林綠化方面，我們還需要加把力，設(shè)計(jì)推廣出更適合我國(guó)國(guó)情的園林綠化設(shè)備，以減少工人們的勞動(dòng)。而不是把更多的勞動(dòng)投入到，可以用機(jī)械完成的工作。
在研究苗木修剪機(jī)的過(guò)程中，為了能夠?qū)崿F(xiàn)修剪刀的上下運(yùn)動(dòng)。在翻閱書籍的過(guò)程中我深入了解了液壓系統(tǒng)的很多知識(shí)，吸引我的是液壓系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的諸多功能，和使用時(shí)的諸多優(yōu)勢(shì)。以我研究的手推式苗木修剪車為例，我運(yùn)用了液壓控制回路控制支撐架的上下移動(dòng)，相比于使用電動(dòng)缸的升降系統(tǒng)，不僅成本較低，而且方便維修和保養(yǎng)。
因此，我打算在以后的學(xué)習(xí)中加強(qiáng)對(duì)液壓方面的學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)更多種類的液壓缸，分析和學(xué)習(xí)更加復(fù)雜的液壓回路，提高自己在這方面的能力。
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