机械系毕业论文

河南农业大学

本科生毕业论文(设计)

题 目 高地隙烟草喷雾机后框架设计

学 院 机电工程学院

专业班级 机制xx级3班

学生姓名

指导教师

撰写日期:2012年 5 月 7 日

摘 要

目前,国内外在烟草等农作物的植保化控机械化方面已经基本实现,但是喷药设备还缺乏一定创新,效率不高,应进一步优化液体农药喷施技术。本设计为自走式高地隙喷杆喷雾机,适用于烟草等农作物实施田间喷药、施肥等作业。本机器主要由执行部件、驱动部件及各种辅助部件组成,整个机器的运行由液压控制,保证机器运行的稳定性。本机器轮距可调,可适应不同地区多种作物的种植行距;采用起吊电机使喷杆可以完成垂直方向的往复运动以调节喷头与作物距离,适应不同农作物不同时期的病虫害防治,并结合自动恒压装置有效提高了雾滴穿透力,有效地防止雾滴的漂移,大大提高了农药的利用率。本机器操控性好,在驾驶室内通过液压手柄即可控制喷杆的展开折叠、垂直方向的往复运动、轮距调节及喷雾作业。根据烟草喷雾机各项功能要求,计算设计其框架结构。为直观显示装配及运行过程,利用三维设计软件solidworks进行其动态演示,使得对整个机器有一个完整的感性认识,能够起到理解和深入学习的重要作用。

关键词:喷杆喷雾机;液压控制;轮距可调;折叠喷杆

The Subject of Undergraduate Graduation Project of HEAU

Abstract

Presently, at home and abroad,the mechanization of Plant protection and Chemical control for tobacco has been actualized, while relating machines still lack of innovation ,and to some extent the efficiency shall be promoted and liquid pesticide application technology should be further optimized. This project, designed for pesticide spraying and fertilization crops such as tobacco, is named self-propelled highland boom sprayer. The machine consists of executing component, driver component and kinds of auxiliary components. The moving of whole machine is controlled by hydraulic system, which guarantees the moving stability. The sprayer with adjustable wheelbase has prepared for the spacing between rows of various crops in different regions. When working, lifting motor makes the spray bars complete vertical alternating motion to adjust distance between shower nozzle and plant in different periods of pest control, combined with automatic constant pressure device that effectively improves the penetration of droplets and prevents droplets drift and greatly improves the utilization rate of the pesticide. The sprayer is reliable in performance by hydraulic lever in the sprayer cab which controls the folding and the vertical reciprocating motion of the sprayer bar, adjusting the wheelbase and spraying pesticide. According to the function requirement of tobacco sprayer, we can calculate and design its frame structure. To reveal the assembly and moving process directly, the dynamic demonstration of this machine is worked by 3D designing software Solidworks, making people has a whole perceptual cognition about it, at the same time, it will play an important role on their understanding and further study.

Key Words:boom sprayer;hydraulic control;adjustable wheelbase;foldable spray boom

目 录

1 引言 ......................................................................................... 错误!未定义书签。

2烟草喷雾剂的发展与现状 ........................................................................................ 1

2.1 国外烟草喷雾机的现状..................................................................................... 1

2.2 我国烟草喷雾机的现状..................................................................................... 2

2.3研发烟草喷雾机的意义...................................................................................... 2

3 设计的主题内容 ....................................................................................................... 3

3.1课题的提出.......................................................................................................... 3

3.2烟草喷雾机的主要功能简介.............................................................................. 3

3.3烟草喷雾机的工作原理...................................................................................... 3

3.4烟草喷雾机框架结构.......................................................................................... 5

3.4.1轮距调节结构............................................................................................... 5

3.4.2折叠式喷杆结构........................................................................................... 6

3.4.3喷杆垂直滑动升降结构............................................................................... 7

3.5烟草喷雾机主要工作部件参数设计及校核......................................................8

3.5.1喷雾机后桥底部横梁参数设计...................................................................8

3.5.3后桥底部横梁紧螺栓参数设计.................................................................15

4结语 .......................................................................................................................... 17

4.1课程设计的过程................................................................................................ 17

4.2课程设计的不足................................................................................................ 18

参考文献 ..................................................................................................................... 19 致谢 .............................................................................................................................................. 20

1 引言

我国是世界上烟草种植面积最大的国家,一直以来,我国烟草种植、采收、施肥、喷药等作业的机械化普遍较低。烟草施药还是一个相对薄弱的环节,为烟草病虫草害防治的工作主要由农民手工劳动完成,不仅工作环境恶劣,劳动强度高,效率低,并且对农民的身体健康有直接的影响。因此为了改善这种状况,实现烟草施药的机械化是减轻劳动强度、改善劳动环境、提高劳动效率、保障劳动安全行之有效的办法。在日新月异、变化万千的环境中,我国需要设制造出一种高效、安全的防治烟草病虫草害的轻便型自走式高地隙喷杆喷雾机。

本课题主要对3WZG-1000型号烟草喷雾机进行框架的修改设计分析,并做出理论上的可行性证明。

2 烟草喷雾机的发展与现状

2.1 国外烟草喷雾机的现状

随着人们生活水平的提高,对于吸烟对人体健康的影响越来越受到广大消费者的关注。对人体产生危害的主要物质是烟叶在燃烧过程中产生的焦油,为了降低焦油对人的气管、肺等的致癌作用,提高吸烟的安全性已经风靡世界各地。种植和生产低焦油烟卷是今后烟草行业发展的方向。烤烟叶焦油含量高,晾晒烟叶焦油含量低。在烤烟叶中加入30%~40%的晒晾烟叶开发混合型卷烟,是生产低焦油卷烟的有效措施之一。国外混合型卷烟开发早,进度快,品牌多,质量好,焦油含量降到12毫克/支以下,已占全部卷烟市场的70%以上,超低焦油卷烟(6毫克/支以下)也在发展。中国差距较大,混合卷烟开发晚,品牌少,质量差,销路不畅,仅占市场的5%。烤烟型卷烟仍主宰市场,焦油含量在15毫克/支以上,安全性差。“入世”以后,国外低焦油混合型卷烟肯定会大量进入中国,中国卷烟市场会受到严重冲击。大力开发低焦油卷烟,提高吸烟的安全性,增强与外烟的竞争力,保住国内市场,严防财源外流,是中国烟草行业十分紧迫的任务。

在国外,特别是西方一些发达国家,由于烟草种植都是大面积农场化,烟草喷雾仅靠人力难以满足要求,因此对烟草喷雾机械的研究较早。目前国外烟草喷雾机械程度化较高,烟草机械得到广泛应用,像美国,已经开发出大、中、小等

1 引言

我国是世界上烟草种植面积最大的国家,一直以来,我国烟草种植、采收、施肥、喷药等作业的机械化普遍较低。烟草施药还是一个相对薄弱的环节,为烟草病虫草害防治的工作主要由农民手工劳动完成,不仅工作环境恶劣,劳动强度高,效率低,并且对农民的身体健康有直接的影响。因此为了改善这种状况,实现烟草施药的机械化是减轻劳动强度、改善劳动环境、提高劳动效率、保障劳动安全行之有效的办法。在日新月异、变化万千的环境中,我国需要设制造出一种高效、安全的防治烟草病虫草害的轻便型自走式高地隙喷杆喷雾机。

本课题主要对3WZG-1000型号烟草喷雾机进行框架的修改设计分析,并做出理论上的可行性证明。

2 烟草喷雾机的发展与现状

2.1 国外烟草喷雾机的现状

随着人们生活水平的提高,对于吸烟对人体健康的影响越来越受到广大消费者的关注。对人体产生危害的主要物质是烟叶在燃烧过程中产生的焦油,为了降低焦油对人的气管、肺等的致癌作用,提高吸烟的安全性已经风靡世界各地。种植和生产低焦油烟卷是今后烟草行业发展的方向。烤烟叶焦油含量高,晾晒烟叶焦油含量低。在烤烟叶中加入30%~40%的晒晾烟叶开发混合型卷烟,是生产低焦油卷烟的有效措施之一。国外混合型卷烟开发早,进度快,品牌多,质量好,焦油含量降到12毫克/支以下,已占全部卷烟市场的70%以上,超低焦油卷烟(6毫克/支以下)也在发展。中国差距较大,混合卷烟开发晚,品牌少,质量差,销路不畅,仅占市场的5%。烤烟型卷烟仍主宰市场,焦油含量在15毫克/支以上,安全性差。“入世”以后,国外低焦油混合型卷烟肯定会大量进入中国,中国卷烟市场会受到严重冲击。大力开发低焦油卷烟,提高吸烟的安全性,增强与外烟的竞争力,保住国内市场,严防财源外流,是中国烟草行业十分紧迫的任务。

在国外,特别是西方一些发达国家,由于烟草种植都是大面积农场化,烟草喷雾仅靠人力难以满足要求,因此对烟草喷雾机械的研究较早。目前国外烟草喷雾机械程度化较高,烟草机械得到广泛应用,像美国,已经开发出大、中、小等

不同型号的烟草喷雾机械以适应不同需求,在烟草喷雾机械领域处于领先地位。

2.2 我国烟草喷雾机的现状

目前,我国在烟草喷雾机械方面仅限于小型器械,没有设计制造出完善的多功能的机器。对烟草喷雾的工作还主要由人力劳动进行,主要使用背负式喷雾器和手动喷雾器以及少些小型喷雾机,手工的作业方式需要消耗大量的劳动力和时间,对烟草行业的发展形成了一个很大的阻力。这就迫切需要我国也能够研发出具有自主知识产权的烟草喷雾机。因此,对大型烟草喷雾机的需求极为迫切。

2.3研发烟草喷雾机的意义

烟草是重要的经济作物。吸烟是亿万烟民文化生活中不可缺少的一部分,更是国家和地方财税的重要经济来源,受到有关部门的高度重视。1984年中国成立国家烟草专卖局,统一领导、全面管理烟草行业的生产和销售业务。烟叶生产坚持“计划种植,优质适产,主攻质量,坚持改革,提高效益”方针,大力推行“区域化,良种化,规范化”科学种烟措施,使中国烟草生产有了长足发展。

烟草在开发食品和药物资源方面的诸多潜在用途将会不断地被发现,其前途是远大的。烟叶富含蛋白质,从烟叶中提取的蛋白可制作各种各样的食品,剩下的烟叶仍可用作卷烟的原料。从烟叶中提取烟碱制成医药可防治人们的病患,制成农药防治农作物病虫害,前景可观。烟草可当作生物反应器将其他作物的抗癌、抗艾滋病以及有益于人们健康的基因导入烟草,使其充分表达,然后利用生物技术予以提取,可加工成治病强身的“灵丹妙药”。如美国科学家已成功地培养出抗体烟草,从中提取抗癌和抗病毒干挠素,对肺癌有良好的治疗作用。瑞典科学家将人体基因注入烟草植株,从收获的烟叶中提出血液蛋白质活化剂,可医治心脏病等。烟草再生能力强,一年可多次收获,烟叶产量高,利用鲜烟叶提取蛋白,其亩产量可超过大豆,其他作物更无法相比。由此看出,烟草有益于健康的潜在用途并不比用作卷烟所起的经济作用逊色。

病虫害的防治是烟草种植的重要过程,烟草喷雾机械化是烟草产业现代化的一个重要重要表现部分,是顺应先进生产力的发展要求,是发展现代烟草种植、减少劳动时间、稳定烟草种植面积、解放劳动力、增加烟农收入的有效途径。提

升劳动工具,大力发展机械化是现阶段提高烟草生产率的现实选择。烟草喷雾机的不断完善,能够极大推进烟草产业实现机械现代化。

3 设计的主题内容

3.1课题的提出

随着农业生产的机械化的需要,当前的烟草喷药技术已不能满足日新月异的成产需求,本课题是我机电学院何宇鹏、黄伟华老师等根据以上现状,去山东临沂一家机械厂进行了实地考察,并带回来一些关于3WZG-1000型号烟草喷雾机的图片。我们结合图片,并与老师探讨提出,分析设计。对本机器进行完整的理论分析,并自此基础上提出创新性的修改意见,纠正并完善该器械的不足与不当之处,强化该型号机器的性能,优化机器的系统和结构,能够使其满足市场的要求。

本设计主要涉及后桥框架结构参数设计、折叠式喷杆结构和轮距调节结构的设计和改进,同时参与喷雾机转向系统的改进工作。主要解决的问题有:后桥框架等结构的三维建模及材料的选用;结构设计和强度校核。

3.2烟草喷雾机的主要功能简介

本课题机器为高地隙烟草喷雾机,适用于烟草等农作物中后期实施田间喷药、施肥等作业。本机器主要由执行部件、驱动部件及各种辅助部件组成,整个机器的运行由液压控制,保证机器运行的稳定性。机器由于是四轮液压驱动设计,因此行驶平稳、爬坡能力强劲、制动性能较好。工作时,喷雾机的轮距可调,可适应不同地区多种作物的种植行距;车顶安装起吊电机使喷杆随着滑动升降架完成垂直方向的往复运动以调节喷头与作物距离,适应不同农作物不同时期的病虫害防治。滑动升降架的两端安装伸缩电机控制喷杆的展开和折叠,保证喷药幅度。喷杆适配长度6米、8米、12米,喷雾系统采用了防滴快速组装扇形喷头,不仅雾粒细、雾化均匀,而且不会漏喷、复喷及出现漏喷死角,并结合自动恒压装置保证了喷头压力均衡,雾滴快速形成雾状风墙,有效提高了雾滴穿透力,有效地防止雾滴的漂移,大大提高了农药的利用率。

3.3烟草喷雾机的工作原理

本课题设计的高地隙烟草喷雾机的后桥等主要框架结构,如图3-1所示。

图3-1 高地隙烟草喷雾机

1、滑动升降架 2、滑轮组 3、起吊电机 4、伸缩电机 5、折叠式喷杆铰链

6、大喷杆架 7、中喷杆架 8、尾喷杆架 9、调距液压缸 10、粗调距横梁

11、细调距横梁 12、门架 13、滑动升降梁 14、滑动槽梁

高地隙烟草喷雾机由调距液压缸(9)带动粗调距横梁(10)和细调距横梁

(11)发生相对运动从而实现调节喷雾机的两轮之间的距离,用于适应不同地区作物的多种种植行距。安装在喷雾机车顶的起吊电机(3)连接升降钢丝的一端,升降钢丝另一端绕过固定在门架(12)上的滑轮组(2)连接在滑动升降架(1)的起吊螺栓上,使折叠喷杆随着滑动升降架沿着滑动升降梁(13)做垂直方向往复运动以调节喷头与农作物的距离,满足农作物不同生长时期的高矮要求以确定最佳喷洒高度。喷雾机的左喷杆架和右喷杆架分别设计为相同的三段式结构,所述左、右喷杆架分别由大喷杆架(6)、中喷杆架(7)和尾喷杆架(8)组成。伸缩电机(4)的一端固定在滑动升降架(1)上,另一端通过折叠式喷杆铰链(5)

与大喷杆架(6)连接。工人通过在驾驶室内操纵手柄控制伸缩电机实现喷杆的展开和折叠,保证喷药幅度。

3.4烟草喷雾机框架结构

根据烟草喷雾机的车顶主要承受各个零件的重力作用,喷雾机主要框架采用材料为Q235的冷拔无缝异型钢管焊接而成。查机械设计手册【1】得冷拔无缝异型钢管的国标号为GB/T3094-2000。喷雾机车顶和车底的四根主梁采用108mm108mm、厚度为S6mm、长度为2188mm的冷拔无缝异型钢管,喷雾机四立柱采用92mm92mm、厚度为S6mm、长度为1330mm的冷拔无缝异型钢管,而喷雾机后桥位于柴油机和药箱中间两个立柱采用60mm60mm、厚度为S6mm、长度为1330mm的冷拔无缝异型钢管。

3.4.1轮距调节结构

烟草喷雾机的左右两轮轮距调节结构如图3-2所示。

由于喷雾机的柴油机、油箱、药箱、起吊电机等零部件均安装在其后桥,喷雾机后桥必须有一定的长度来满足各个零部件的安装要求,因此设计时根据计算取后桥长度为2200mm。在喷雾机的后桥安装两个调距液压缸才可以满足机构的稳定性等要求。喷雾机调距时,工人通过在驾驶室内操纵调距液压手柄控制两调距液压缸,调距液压缸带动粗调距横梁和细调距横梁发生相对运动。当达到一定的要求距离时用螺栓将粗细调距横梁连接固定,从而实现调节喷雾机的两轮之间的距离。这样可以适应不同地区作物的多种种植行距。

图3-2 喷雾机轮距调节结构

3.4.2折叠式喷杆结构

烟草喷雾机的折叠式喷杆结构如图3-3所示。

喷雾机的左喷杆架和右喷杆架分别设计为相同的三段式结构,所述左、右喷杆架分别由大喷杆架、中喷杆架和尾喷杆架组成。伸缩电机的一端固定在滑动升降架上,另一端通过折叠式喷杆铰链与大喷杆架连接。分别在滑动升降架左右两端固定一个垂直于其轴线的方钢管,用来限制喷杆折叠是的位移,防止喷杆和车身发生碰撞。在方钢管和大喷杆架之间连接一个拉伸弹簧,利用拉伸弹簧的弹性恢复来辅助完成喷杆的折叠。并且在喷杆铰链处安装一个螺栓,限制喷杆展开角度。工人通过在驾驶室内操纵手柄控制伸缩电机实现喷杆的展开和折叠,保证喷药幅度。

图3-3 喷雾机折叠式喷杆结构

3.4.3喷杆垂直滑动升降结构

烟草喷雾机的喷杆垂直滑动升降结构如图3-4所示。

该喷雾机利用滑轮组和起吊电机来完成喷杆在垂直方向上的往复运动。升降钢丝的一端连接安装在喷雾机车顶的起吊电机,升降钢丝另一端绕过固定在门架上的滑轮组连接在滑动升降架的起吊螺栓上。在滑动升降架上固定一个带有垂直槽的滑块,而滑块和滑动升降梁配合,使折叠喷杆随着滑动升降架沿着滑动升降梁做垂直方向往复运动以调节喷头与农作物的距离,达到满足农作物不同生长时期的高矮要求以及确定最佳喷洒高度。

图3-4 喷雾机喷杆垂直滑动升降结构

3.5烟草喷雾机框架主要工作部件参数设计及校核

3.5.1喷雾机后桥底部横梁参数设计

根据喷雾机的工作环境和受力,初步选择后桥底部横梁的材料为冷拔无缝异型钢管,其横截面为108mm108mm、厚度为S6mm、圆角r10mm、长度为2188mm。在其两端用108mm108mm、厚为S6mm的钢片焊接封口。

3.5.2喷雾机后桥底部横梁强度校核

(1)喷雾机后桥底部横梁的受力分析

为保证喷雾机的正常工作,喷雾机各个构件应有足够的能力负担起应当承受的载荷。因此,它应当满足强度要求、刚度要求和稳定性要求。在工程问题中,一般说,构件都应有足够的强度、刚度和稳定性,但对具体的构件又往往有所侧重。根据材料力学【7】对该喷雾机后桥框架进行分析,可知后桥底部的横梁受到的主要是其周围各零部件的重力作用,以弯曲变形为主。故喷雾机框架中后桥底

部横梁主要保证强度和刚度。

1)画受力简图

将喷雾机框架中后桥底部横梁从周围的零部件中取出,现将其两端与竖直梁焊接处处理为固定铰链支座,并用均匀分布的重力qN/m来代替周围药箱、柴油机、齿轮泵等各部件对底部横梁的重力作用。因A、B处均为固定铰链支座,其约束力可分别用两个大小未知的正交分力FAx、FAy和FBx、FBy表示。车轮对后桥横梁的支持力用F3表示。在后桥底部横梁的两端还受到竖直立柱的压力F1、F2的作用。后桥底座横梁受力图如图3-5所示。

图3-5 喷雾机后桥底部横梁受力分析图

2)计算均匀分布重力q

药箱对后桥底部横梁的重力G1

药箱的体积V500L。当药箱充满液体时,假设药水的浓度近似于水的浓度1.0103Kg/m3。此时药箱质量

m1v5001.0103103500Kg

取重力加速度g10N/Kg,药箱对后桥底部横梁的重力

G1m1g500105000N

柴油机、齿轮泵等对后桥底部衡量的重力G2

根据喷雾机的工作情况和牵引力的计算初步选择的柴油机的参数如表3-1所示

表3-1 柴油机参数

齿轮泵的排量为40L/min。

柴油机、齿轮泵等对横梁的总重力

G2m2g2244040103040N

均匀分布重力

qG1G2500030403.655N/mm L2200

3)计算立柱对横梁的压力

起吊电机的参数如表3-2所示

表3-2 起吊电机参数

蓄电池选用瑞源蓄电池220V120AH,质量为30Kg。

由于喷雾机是液压驱动控制,设计时将液压回路的输油管、出油管等管路布置在后车顶。通过估算,油管、滑动升降架等部件对的重量共计100Kg。

立柱对后桥底部横梁的压力由公式F1F2

G(3010077)10517.5N 44G计算得, 4F1F2

4)计算后桥底部横梁受到的各个约束反力

由静力平衡方程

FX0,FAxFBx0

0,FAyFByF3F1F2qL0 Fy

1FLFLFLqL20 ,M031By2A2

1FLqL2F3LL10 ,M01B2

其中,q3.655N/mm,F1F2517.5N,L2200mm,L1755mm,带入静力平衡方程,得

F36909N

FAx0N

FAy0.04N

FBx0N

FBy2166.96N

(2)绘制喷雾机后桥底部横梁的剪力图和弯矩图

在横梁的A C、CB两段内,剪力和弯矩都不能用同一个方程式来表示,所以应分两段考虑。选取坐标系如图3-6所示。

图3-6 横梁坐标图

在AC段内,在距离远点为x的横截面的左侧,有支反力FAy、F1和集度为q的均布载荷,但在截面右侧有均布载荷q、载荷F3、F2和支反力FBy。故宜用左侧计算剪力和弯矩。

FsxFAyF1qx 0x755mm

1MxFAyxF1xqx2 0x755mm 2

当x0时,Fs517.5N,MC1041.7N;

当x755mm时,Fs3277N,MC1432Nm。

在CB段内,用截面右侧的外力计算剪力和弯矩比较简便,剪力和弯矩方程为

mm FsxqLxF2FBy 755x2200

12MxqLxF2LxFByLx 755x2200mm 2

Mx是x

dMx0,得 dx

3.655x6391.540

由此解出x1748.7mm,亦即在这一截面上,弯矩为极值。代入CB段内的弯矩公式得最大弯矩

M372.2Nm

当x2200mm时,FS1650N,M0.

依照剪力方程和弯矩方程,可做剪力图和弯矩图,如图3-7所示。

图3-7 横梁剪力图和弯矩图

(3)校核喷雾机后桥底部横梁的强度

查询机械设计手册【1】得,108mm108mm的冷拔无缝异型钢管截面面积F23.55cm2,理论重量G18.49kgm1,惯性矩JXJY400.07cm4,截面系数WXWY85.13cm3。喷雾机的材料为Q235,其抗拉许用应力b375MPa,屈服点s235MPa。

由后桥底座横梁的弯矩图可知最大正弯矩在截面mm上,Mm372Nm。最大负弯矩在截面C上,MC1432Nm。

矩形截面对中性轴对称,同一截面上的最大拉应力和压应力相等。计算时只需校核截面C上最大拉应力即可。在截面C上,弯矩对横梁产生的最大拉应力发生在边缘各点,如图3-8所示。

图3-8 横梁截面C 由弯曲强度条件maxMmax得 W

maxMC143216.82106Pa16.82MPa 6W85.1310

从所得结果可以得出,无论最大拉应力或最大压应力都为超过许用应力,故所选材料和框架参数的强度要求均满足。

3.5.3喷雾机后桥顶部横梁紧螺栓参数设计

选择螺栓材料为Q235、性能等级为4.6的M20螺栓,其长度为140mm,小径d117.294mm。查机械设计【5】得材料屈服极限s240MPa,安全系数S1.5,故材料的许用应力

s

S240MPa160MPa。 1.5

采用如图3-9所示的结构,螺栓数z3,沿调距杆对称中心线布置,两螺栓间距离L250mm。

图3-9 调距横梁螺栓组连接

3.5.4喷雾机后桥顶部横梁紧螺栓强度校核

(1)螺栓受力分析

由于喷雾机顶部调距结构受到外力作用较少,粗细调距杆主要是靠普通螺栓连接。当普通螺栓连接装配时,螺母需要拧紧,螺栓除受到预紧力的拉伸而产生拉伸应力外,还受螺纹摩擦力矩的扭转而产生扭转切应力,使螺栓处于拉伸与扭转的复合应力状态下。因此进行仅承受预紧力的紧螺栓强度计算时,应综合考虑拉伸应力和扭转切应力的作用。

根据在单个调距液压缸的F1500N的推力作用下,各个螺栓所受的横向载荷F1相同,其大小为

F1F1500500N 33

假设各螺栓所需要的预紧力均为F0,则螺栓组平衡条件为

fF0ziKsF

式中:接合面的摩擦系数f0.35,接合面数i1,防滑系数KS1.3。根据机械设计手册【1】取得。由此得各螺栓受到的预紧力

F0KsF1.315001857N fzi0.3531

(2)螺栓强度校核

根据第四强度理论得螺栓在预紧力状态下的计算应力为 ca232230.521.3 当普通螺栓连接受横向载荷时,由于受预紧力作用,将在接合面产生摩擦来抵抗工作载荷。这时螺栓仅承受预紧力的作用,而且预紧力不受工作载荷影响。螺栓危险截面的拉伸强度条件ca1.3F0得 2d14

ca1.3F01.3187510.38MPa 22d117.29444

从所得结果得出,选择的螺栓M20X140满足强度要求。

4 结语

4.1课题设计的过程

对自走式高地隙喷杆式喷雾机的框架结构进行设计过程包括三个阶段:前期了解调查学习阶段、中期设计校核修改及查阅资料阶段、后期设计绘图阶段。由于目前国内外市场上对烟草喷药施肥的机器种类还不多,且不够完善,使得本次设计有一定的难度,可参考数据、文献较少,各方面的参数选择设计,都需要自己根据所学知识逐步分析,按照三维设计软件绘图,边画边确定框架各构件的大概尺寸。

在设计过程确实遇到了很多难解之题,比如后桥底部横梁参数设计和强度分析的计算,在这方面主要参考材料力学的相关知识,但是很大一部分计算都是以变性固体的基本假设为前提进行的。由于自身没有足够的设计经验,很多关于实际工作中应考虑进的现实条件均没有计算在内。在看了好多资料后对框架后座横梁复杂的受力情况简化后才找到相似的横梁力学模型分析。在初期设计框架调距结构的时候,需要对整体框架的调隙距离进行模拟,然后根据要求计算出粗细调距杆上螺栓孔的分布和距离。在计算调距液压缸推力的时候,需要对喷雾机整体结构进行力学建模,然后根据虚位移原理求解油缸推力。在校核和粗细调距杆配合螺栓的剪切强度时,需要对主要的杆件进行力学建模,校核完后发现之前选择的螺栓直径较小,变增大直径。在喷杆折叠结构时,起初我设计的结构采用液压结构驱动大喷杆绕滑动横梁上的铰链转动和滑动升降架的垂直往复运动,使得整车液压系统更为复杂,所以后来改为电机驱动更简便、经济的结构。由于开始的时候不知晓本机器大致轮廓尺寸,只能先画好图,中期校核的时候发现机构设计的尺寸不符合弯扭强度,便重新布置尺寸,一步步改变,一步步校核,最后才最终确定了框架的各个构件尺寸。

4.2课题设计的不足

由于时间有限,本人经验不足,掌握的力学求解方法和结构设计经验有限,在设计的过程中存在着很多不足之处:

1. 机构的受力分析采用传统的力学求解,将结构模型简化,使得计算出的结果与实际的求解数值存在一定的误差。

2. 在整体轮距调节结构设计中,没有考虑到调距液压缸推动两车轮分别向左右移动工作过程中和底面之间会产生摩擦等因素,使得喷雾机实现调距作业必须处于停止行进的状态,否则将阻碍机器的正常运行,甚至损坏关键部位。

3. 由于喷雾机的齿轮泵和油箱分别设计在框架的左右两侧,并采用具有直角的油管路径,这使得齿轮泵工作的竖直行程较大,会因为较多的能量损失(压力损失、流量损失等)影响正常传动,使喷雾机传动效率不高。

参考文献

[1] 成大先.机械设计手册(第四版).北京:化学工业出版社.2002.1

[2] 石望远.液压与气动传动.北京:国防工业出版社.2009.3

[3] ZHANG Hong-xia1.Design of the Sprayer Machinery Synthesize Experiment’s Table.Journal of Agricultural Mechanization Research,2006.7

[4] YANG Xue-jun, YAN He-rong, ZHOU Hai-yan (Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, Beijing 10083, China);Study on testing system for the performance of hydraulic pumps for crop protection equipment[J];Journal of Agricultural Mechanization Research;2005-01

[5] 濮良贵,纪名刚.机械设计(第八版).[M].高等教育出版社.2006.5

[6] 周开勤.机械零件手册(第五版).高等教育出版社.2001.7

[7] 刘鸿文.材料力学.高等教育出版社.2006.6

[8] 孙桓,陈作模,葛文杰.机械原理(第七版).[M].高等教育出版社.2006.5

[9] 廖念钊,古莹菴,莫雨松,李硕根,杨兴骏.互换性与技术测量[M].中国计量出版社,2007.6

[10] 龚溎义,潘沛霖等.机械设计课程设计图册.[M].高等教育出版社..1989

[11] 曹岩..SOLIDWORKS机械设计实例精解.[M].机械工业出版社..2006.9

[12] 张轩,管殿柱.机械制图设计应用规范.[M].清华大学出版社.2006.10

[13] 吴宗泽.机械设计禁忌500例.[M].机械工业出版社.1996.5

[14] 高连兴,史岩,师师兵.拖拉机与汽车.下册,底盘及电器.[M].中国农业出版社.2000.5

致 谢

大学四年的学习生活即将结束,在此,我要感谢所有曾经执导过我的老师和关心过我的同学,他们在我的成长过程中给予了很大的帮助。就本次的毕业设计来说,从自己最开始的无从下手,到后来对课题有了一定的了解,最后提出方案,完成毕业论文。中间有着自己的努力,更离不开我的老师和同学的帮助,经过这一设计,我对自己的专业相关领域的理论知识实践知识在深度和广度上都有了很大提高。

本文能够成功的完成,要特别感谢我的导师黄伟华的关怀和教导,在寒假之前,黄老师就叮嘱我们复习与自走式高地隙喷杆喷雾机的结构和液压转向系统设计相关的书目,如《材料力学》、《机械设计》、《液压与气动传动》等,还要主动查找与该课题有关的国内外发展状况。洛阳实习结束后,我们的毕业设计全面开始,每周黄老师都要求我们汇报工作进展。由于结构的设计具有很大的创新点,我们需要不断地思考,将设计方案讲给老师听,在互相讨论设计方案存在的不足之处,最后确定一种最好的。当然,在我遇到问题时,黄老师也给予很认真细致的回答,引导我解决了设计上的困难。

还要感谢我大学期间的何宇鹏、刘军、李艳、徐波、袁志华、田辉等老师,他们教会我许多的专业知识,受益匪浅,使得我能完成本次的毕业设计,更加巩固了之前学过的专业课。

同样感谢我大学期间所有关心,支持和帮助过我的老师、同学和朋友们。 最后还要感谢我的父母,是他们的辛勤劳动给与了我大学学习的机会,他们的支持和鼓励是我不断前进的动力。

河南农业大学

本科生毕业论文(设计)

题 目 高地隙烟草喷雾机后框架设计

学 院 机电工程学院

专业班级 机制xx级3班

学生姓名

指导教师

撰写日期:2012年 5 月 7 日

摘 要

目前,国内外在烟草等农作物的植保化控机械化方面已经基本实现,但是喷药设备还缺乏一定创新,效率不高,应进一步优化液体农药喷施技术。本设计为自走式高地隙喷杆喷雾机,适用于烟草等农作物实施田间喷药、施肥等作业。本机器主要由执行部件、驱动部件及各种辅助部件组成,整个机器的运行由液压控制,保证机器运行的稳定性。本机器轮距可调,可适应不同地区多种作物的种植行距;采用起吊电机使喷杆可以完成垂直方向的往复运动以调节喷头与作物距离,适应不同农作物不同时期的病虫害防治,并结合自动恒压装置有效提高了雾滴穿透力,有效地防止雾滴的漂移,大大提高了农药的利用率。本机器操控性好,在驾驶室内通过液压手柄即可控制喷杆的展开折叠、垂直方向的往复运动、轮距调节及喷雾作业。根据烟草喷雾机各项功能要求,计算设计其框架结构。为直观显示装配及运行过程,利用三维设计软件solidworks进行其动态演示,使得对整个机器有一个完整的感性认识,能够起到理解和深入学习的重要作用。

关键词:喷杆喷雾机;液压控制;轮距可调;折叠喷杆

The Subject of Undergraduate Graduation Project of HEAU

Abstract

Presently, at home and abroad,the mechanization of Plant protection and Chemical control for tobacco has been actualized, while relating machines still lack of innovation ,and to some extent the efficiency shall be promoted and liquid pesticide application technology should be further optimized. This project, designed for pesticide spraying and fertilization crops such as tobacco, is named self-propelled highland boom sprayer. The machine consists of executing component, driver component and kinds of auxiliary components. The moving of whole machine is controlled by hydraulic system, which guarantees the moving stability. The sprayer with adjustable wheelbase has prepared for the spacing between rows of various crops in different regions. When working, lifting motor makes the spray bars complete vertical alternating motion to adjust distance between shower nozzle and plant in different periods of pest control, combined with automatic constant pressure device that effectively improves the penetration of droplets and prevents droplets drift and greatly improves the utilization rate of the pesticide. The sprayer is reliable in performance by hydraulic lever in the sprayer cab which controls the folding and the vertical reciprocating motion of the sprayer bar, adjusting the wheelbase and spraying pesticide. According to the function requirement of tobacco sprayer, we can calculate and design its frame structure. To reveal the assembly and moving process directly, the dynamic demonstration of this machine is worked by 3D designing software Solidworks, making people has a whole perceptual cognition about it, at the same time, it will play an important role on their understanding and further study.

Key Words:boom sprayer;hydraulic control;adjustable wheelbase;foldable spray boom

目 录

1 引言 ......................................................................................... 错误!未定义书签。

2烟草喷雾剂的发展与现状 ........................................................................................ 1

2.1 国外烟草喷雾机的现状..................................................................................... 1

2.2 我国烟草喷雾机的现状..................................................................................... 2

2.3研发烟草喷雾机的意义...................................................................................... 2

3 设计的主题内容 ....................................................................................................... 3

3.1课题的提出.......................................................................................................... 3

3.2烟草喷雾机的主要功能简介.............................................................................. 3

3.3烟草喷雾机的工作原理...................................................................................... 3

3.4烟草喷雾机框架结构.......................................................................................... 5

3.4.1轮距调节结构............................................................................................... 5

3.4.2折叠式喷杆结构........................................................................................... 6

3.4.3喷杆垂直滑动升降结构............................................................................... 7

3.5烟草喷雾机主要工作部件参数设计及校核......................................................8

3.5.1喷雾机后桥底部横梁参数设计...................................................................8

3.5.3后桥底部横梁紧螺栓参数设计.................................................................15

4结语 .......................................................................................................................... 17

4.1课程设计的过程................................................................................................ 17

4.2课程设计的不足................................................................................................ 18

参考文献 ..................................................................................................................... 19 致谢 .............................................................................................................................................. 20

1 引言

我国是世界上烟草种植面积最大的国家,一直以来,我国烟草种植、采收、施肥、喷药等作业的机械化普遍较低。烟草施药还是一个相对薄弱的环节,为烟草病虫草害防治的工作主要由农民手工劳动完成,不仅工作环境恶劣,劳动强度高,效率低,并且对农民的身体健康有直接的影响。因此为了改善这种状况,实现烟草施药的机械化是减轻劳动强度、改善劳动环境、提高劳动效率、保障劳动安全行之有效的办法。在日新月异、变化万千的环境中,我国需要设制造出一种高效、安全的防治烟草病虫草害的轻便型自走式高地隙喷杆喷雾机。

本课题主要对3WZG-1000型号烟草喷雾机进行框架的修改设计分析,并做出理论上的可行性证明。

2 烟草喷雾机的发展与现状

2.1 国外烟草喷雾机的现状

随着人们生活水平的提高,对于吸烟对人体健康的影响越来越受到广大消费者的关注。对人体产生危害的主要物质是烟叶在燃烧过程中产生的焦油,为了降低焦油对人的气管、肺等的致癌作用,提高吸烟的安全性已经风靡世界各地。种植和生产低焦油烟卷是今后烟草行业发展的方向。烤烟叶焦油含量高,晾晒烟叶焦油含量低。在烤烟叶中加入30%~40%的晒晾烟叶开发混合型卷烟,是生产低焦油卷烟的有效措施之一。国外混合型卷烟开发早,进度快,品牌多,质量好,焦油含量降到12毫克/支以下,已占全部卷烟市场的70%以上,超低焦油卷烟(6毫克/支以下)也在发展。中国差距较大,混合卷烟开发晚,品牌少,质量差,销路不畅,仅占市场的5%。烤烟型卷烟仍主宰市场,焦油含量在15毫克/支以上,安全性差。“入世”以后,国外低焦油混合型卷烟肯定会大量进入中国,中国卷烟市场会受到严重冲击。大力开发低焦油卷烟,提高吸烟的安全性,增强与外烟的竞争力,保住国内市场,严防财源外流,是中国烟草行业十分紧迫的任务。

在国外,特别是西方一些发达国家,由于烟草种植都是大面积农场化,烟草喷雾仅靠人力难以满足要求,因此对烟草喷雾机械的研究较早。目前国外烟草喷雾机械程度化较高,烟草机械得到广泛应用,像美国,已经开发出大、中、小等

1 引言

我国是世界上烟草种植面积最大的国家,一直以来,我国烟草种植、采收、施肥、喷药等作业的机械化普遍较低。烟草施药还是一个相对薄弱的环节,为烟草病虫草害防治的工作主要由农民手工劳动完成,不仅工作环境恶劣,劳动强度高,效率低,并且对农民的身体健康有直接的影响。因此为了改善这种状况,实现烟草施药的机械化是减轻劳动强度、改善劳动环境、提高劳动效率、保障劳动安全行之有效的办法。在日新月异、变化万千的环境中,我国需要设制造出一种高效、安全的防治烟草病虫草害的轻便型自走式高地隙喷杆喷雾机。

本课题主要对3WZG-1000型号烟草喷雾机进行框架的修改设计分析,并做出理论上的可行性证明。

2 烟草喷雾机的发展与现状

2.1 国外烟草喷雾机的现状

随着人们生活水平的提高,对于吸烟对人体健康的影响越来越受到广大消费者的关注。对人体产生危害的主要物质是烟叶在燃烧过程中产生的焦油,为了降低焦油对人的气管、肺等的致癌作用,提高吸烟的安全性已经风靡世界各地。种植和生产低焦油烟卷是今后烟草行业发展的方向。烤烟叶焦油含量高,晾晒烟叶焦油含量低。在烤烟叶中加入30%~40%的晒晾烟叶开发混合型卷烟,是生产低焦油卷烟的有效措施之一。国外混合型卷烟开发早,进度快,品牌多,质量好,焦油含量降到12毫克/支以下,已占全部卷烟市场的70%以上,超低焦油卷烟(6毫克/支以下)也在发展。中国差距较大,混合卷烟开发晚,品牌少,质量差,销路不畅,仅占市场的5%。烤烟型卷烟仍主宰市场,焦油含量在15毫克/支以上,安全性差。“入世”以后,国外低焦油混合型卷烟肯定会大量进入中国,中国卷烟市场会受到严重冲击。大力开发低焦油卷烟,提高吸烟的安全性,增强与外烟的竞争力,保住国内市场,严防财源外流,是中国烟草行业十分紧迫的任务。

在国外,特别是西方一些发达国家,由于烟草种植都是大面积农场化,烟草喷雾仅靠人力难以满足要求,因此对烟草喷雾机械的研究较早。目前国外烟草喷雾机械程度化较高,烟草机械得到广泛应用,像美国,已经开发出大、中、小等

不同型号的烟草喷雾机械以适应不同需求,在烟草喷雾机械领域处于领先地位。

2.2 我国烟草喷雾机的现状

目前,我国在烟草喷雾机械方面仅限于小型器械,没有设计制造出完善的多功能的机器。对烟草喷雾的工作还主要由人力劳动进行,主要使用背负式喷雾器和手动喷雾器以及少些小型喷雾机,手工的作业方式需要消耗大量的劳动力和时间,对烟草行业的发展形成了一个很大的阻力。这就迫切需要我国也能够研发出具有自主知识产权的烟草喷雾机。因此,对大型烟草喷雾机的需求极为迫切。

2.3研发烟草喷雾机的意义

烟草是重要的经济作物。吸烟是亿万烟民文化生活中不可缺少的一部分,更是国家和地方财税的重要经济来源,受到有关部门的高度重视。1984年中国成立国家烟草专卖局,统一领导、全面管理烟草行业的生产和销售业务。烟叶生产坚持“计划种植,优质适产,主攻质量,坚持改革,提高效益”方针,大力推行“区域化,良种化,规范化”科学种烟措施,使中国烟草生产有了长足发展。

烟草在开发食品和药物资源方面的诸多潜在用途将会不断地被发现,其前途是远大的。烟叶富含蛋白质,从烟叶中提取的蛋白可制作各种各样的食品,剩下的烟叶仍可用作卷烟的原料。从烟叶中提取烟碱制成医药可防治人们的病患,制成农药防治农作物病虫害,前景可观。烟草可当作生物反应器将其他作物的抗癌、抗艾滋病以及有益于人们健康的基因导入烟草,使其充分表达,然后利用生物技术予以提取,可加工成治病强身的“灵丹妙药”。如美国科学家已成功地培养出抗体烟草,从中提取抗癌和抗病毒干挠素,对肺癌有良好的治疗作用。瑞典科学家将人体基因注入烟草植株,从收获的烟叶中提出血液蛋白质活化剂,可医治心脏病等。烟草再生能力强,一年可多次收获,烟叶产量高,利用鲜烟叶提取蛋白,其亩产量可超过大豆,其他作物更无法相比。由此看出,烟草有益于健康的潜在用途并不比用作卷烟所起的经济作用逊色。

病虫害的防治是烟草种植的重要过程,烟草喷雾机械化是烟草产业现代化的一个重要重要表现部分,是顺应先进生产力的发展要求,是发展现代烟草种植、减少劳动时间、稳定烟草种植面积、解放劳动力、增加烟农收入的有效途径。提

升劳动工具,大力发展机械化是现阶段提高烟草生产率的现实选择。烟草喷雾机的不断完善,能够极大推进烟草产业实现机械现代化。

3 设计的主题内容

3.1课题的提出

随着农业生产的机械化的需要,当前的烟草喷药技术已不能满足日新月异的成产需求,本课题是我机电学院何宇鹏、黄伟华老师等根据以上现状,去山东临沂一家机械厂进行了实地考察,并带回来一些关于3WZG-1000型号烟草喷雾机的图片。我们结合图片,并与老师探讨提出,分析设计。对本机器进行完整的理论分析,并自此基础上提出创新性的修改意见,纠正并完善该器械的不足与不当之处,强化该型号机器的性能,优化机器的系统和结构,能够使其满足市场的要求。

本设计主要涉及后桥框架结构参数设计、折叠式喷杆结构和轮距调节结构的设计和改进,同时参与喷雾机转向系统的改进工作。主要解决的问题有:后桥框架等结构的三维建模及材料的选用;结构设计和强度校核。

3.2烟草喷雾机的主要功能简介

本课题机器为高地隙烟草喷雾机,适用于烟草等农作物中后期实施田间喷药、施肥等作业。本机器主要由执行部件、驱动部件及各种辅助部件组成,整个机器的运行由液压控制,保证机器运行的稳定性。机器由于是四轮液压驱动设计,因此行驶平稳、爬坡能力强劲、制动性能较好。工作时,喷雾机的轮距可调,可适应不同地区多种作物的种植行距;车顶安装起吊电机使喷杆随着滑动升降架完成垂直方向的往复运动以调节喷头与作物距离,适应不同农作物不同时期的病虫害防治。滑动升降架的两端安装伸缩电机控制喷杆的展开和折叠,保证喷药幅度。喷杆适配长度6米、8米、12米,喷雾系统采用了防滴快速组装扇形喷头,不仅雾粒细、雾化均匀,而且不会漏喷、复喷及出现漏喷死角,并结合自动恒压装置保证了喷头压力均衡,雾滴快速形成雾状风墙,有效提高了雾滴穿透力,有效地防止雾滴的漂移,大大提高了农药的利用率。

3.3烟草喷雾机的工作原理

本课题设计的高地隙烟草喷雾机的后桥等主要框架结构,如图3-1所示。

图3-1 高地隙烟草喷雾机

1、滑动升降架 2、滑轮组 3、起吊电机 4、伸缩电机 5、折叠式喷杆铰链

6、大喷杆架 7、中喷杆架 8、尾喷杆架 9、调距液压缸 10、粗调距横梁

11、细调距横梁 12、门架 13、滑动升降梁 14、滑动槽梁

高地隙烟草喷雾机由调距液压缸(9)带动粗调距横梁(10)和细调距横梁

(11)发生相对运动从而实现调节喷雾机的两轮之间的距离,用于适应不同地区作物的多种种植行距。安装在喷雾机车顶的起吊电机(3)连接升降钢丝的一端,升降钢丝另一端绕过固定在门架(12)上的滑轮组(2)连接在滑动升降架(1)的起吊螺栓上,使折叠喷杆随着滑动升降架沿着滑动升降梁(13)做垂直方向往复运动以调节喷头与农作物的距离,满足农作物不同生长时期的高矮要求以确定最佳喷洒高度。喷雾机的左喷杆架和右喷杆架分别设计为相同的三段式结构,所述左、右喷杆架分别由大喷杆架(6)、中喷杆架(7)和尾喷杆架(8)组成。伸缩电机(4)的一端固定在滑动升降架(1)上,另一端通过折叠式喷杆铰链(5)

与大喷杆架(6)连接。工人通过在驾驶室内操纵手柄控制伸缩电机实现喷杆的展开和折叠,保证喷药幅度。

3.4烟草喷雾机框架结构

根据烟草喷雾机的车顶主要承受各个零件的重力作用,喷雾机主要框架采用材料为Q235的冷拔无缝异型钢管焊接而成。查机械设计手册【1】得冷拔无缝异型钢管的国标号为GB/T3094-2000。喷雾机车顶和车底的四根主梁采用108mm108mm、厚度为S6mm、长度为2188mm的冷拔无缝异型钢管,喷雾机四立柱采用92mm92mm、厚度为S6mm、长度为1330mm的冷拔无缝异型钢管,而喷雾机后桥位于柴油机和药箱中间两个立柱采用60mm60mm、厚度为S6mm、长度为1330mm的冷拔无缝异型钢管。

3.4.1轮距调节结构

烟草喷雾机的左右两轮轮距调节结构如图3-2所示。

由于喷雾机的柴油机、油箱、药箱、起吊电机等零部件均安装在其后桥,喷雾机后桥必须有一定的长度来满足各个零部件的安装要求,因此设计时根据计算取后桥长度为2200mm。在喷雾机的后桥安装两个调距液压缸才可以满足机构的稳定性等要求。喷雾机调距时,工人通过在驾驶室内操纵调距液压手柄控制两调距液压缸,调距液压缸带动粗调距横梁和细调距横梁发生相对运动。当达到一定的要求距离时用螺栓将粗细调距横梁连接固定,从而实现调节喷雾机的两轮之间的距离。这样可以适应不同地区作物的多种种植行距。

图3-2 喷雾机轮距调节结构

3.4.2折叠式喷杆结构

烟草喷雾机的折叠式喷杆结构如图3-3所示。

喷雾机的左喷杆架和右喷杆架分别设计为相同的三段式结构,所述左、右喷杆架分别由大喷杆架、中喷杆架和尾喷杆架组成。伸缩电机的一端固定在滑动升降架上,另一端通过折叠式喷杆铰链与大喷杆架连接。分别在滑动升降架左右两端固定一个垂直于其轴线的方钢管,用来限制喷杆折叠是的位移,防止喷杆和车身发生碰撞。在方钢管和大喷杆架之间连接一个拉伸弹簧,利用拉伸弹簧的弹性恢复来辅助完成喷杆的折叠。并且在喷杆铰链处安装一个螺栓,限制喷杆展开角度。工人通过在驾驶室内操纵手柄控制伸缩电机实现喷杆的展开和折叠,保证喷药幅度。

图3-3 喷雾机折叠式喷杆结构

3.4.3喷杆垂直滑动升降结构

烟草喷雾机的喷杆垂直滑动升降结构如图3-4所示。

该喷雾机利用滑轮组和起吊电机来完成喷杆在垂直方向上的往复运动。升降钢丝的一端连接安装在喷雾机车顶的起吊电机,升降钢丝另一端绕过固定在门架上的滑轮组连接在滑动升降架的起吊螺栓上。在滑动升降架上固定一个带有垂直槽的滑块,而滑块和滑动升降梁配合,使折叠喷杆随着滑动升降架沿着滑动升降梁做垂直方向往复运动以调节喷头与农作物的距离,达到满足农作物不同生长时期的高矮要求以及确定最佳喷洒高度。

图3-4 喷雾机喷杆垂直滑动升降结构

3.5烟草喷雾机框架主要工作部件参数设计及校核

3.5.1喷雾机后桥底部横梁参数设计

根据喷雾机的工作环境和受力,初步选择后桥底部横梁的材料为冷拔无缝异型钢管,其横截面为108mm108mm、厚度为S6mm、圆角r10mm、长度为2188mm。在其两端用108mm108mm、厚为S6mm的钢片焊接封口。

3.5.2喷雾机后桥底部横梁强度校核

(1)喷雾机后桥底部横梁的受力分析

为保证喷雾机的正常工作,喷雾机各个构件应有足够的能力负担起应当承受的载荷。因此,它应当满足强度要求、刚度要求和稳定性要求。在工程问题中,一般说,构件都应有足够的强度、刚度和稳定性,但对具体的构件又往往有所侧重。根据材料力学【7】对该喷雾机后桥框架进行分析,可知后桥底部的横梁受到的主要是其周围各零部件的重力作用,以弯曲变形为主。故喷雾机框架中后桥底

部横梁主要保证强度和刚度。

1)画受力简图

将喷雾机框架中后桥底部横梁从周围的零部件中取出,现将其两端与竖直梁焊接处处理为固定铰链支座,并用均匀分布的重力qN/m来代替周围药箱、柴油机、齿轮泵等各部件对底部横梁的重力作用。因A、B处均为固定铰链支座,其约束力可分别用两个大小未知的正交分力FAx、FAy和FBx、FBy表示。车轮对后桥横梁的支持力用F3表示。在后桥底部横梁的两端还受到竖直立柱的压力F1、F2的作用。后桥底座横梁受力图如图3-5所示。

图3-5 喷雾机后桥底部横梁受力分析图

2)计算均匀分布重力q

药箱对后桥底部横梁的重力G1

药箱的体积V500L。当药箱充满液体时,假设药水的浓度近似于水的浓度1.0103Kg/m3。此时药箱质量

m1v5001.0103103500Kg

取重力加速度g10N/Kg,药箱对后桥底部横梁的重力

G1m1g500105000N

柴油机、齿轮泵等对后桥底部衡量的重力G2

根据喷雾机的工作情况和牵引力的计算初步选择的柴油机的参数如表3-1所示

表3-1 柴油机参数

齿轮泵的排量为40L/min。

柴油机、齿轮泵等对横梁的总重力

G2m2g2244040103040N

均匀分布重力

qG1G2500030403.655N/mm L2200

3)计算立柱对横梁的压力

起吊电机的参数如表3-2所示

表3-2 起吊电机参数

蓄电池选用瑞源蓄电池220V120AH,质量为30Kg。

由于喷雾机是液压驱动控制,设计时将液压回路的输油管、出油管等管路布置在后车顶。通过估算,油管、滑动升降架等部件对的重量共计100Kg。

立柱对后桥底部横梁的压力由公式F1F2

G(3010077)10517.5N 44G计算得, 4F1F2

4)计算后桥底部横梁受到的各个约束反力

由静力平衡方程

FX0,FAxFBx0

0,FAyFByF3F1F2qL0 Fy

1FLFLFLqL20 ,M031By2A2

1FLqL2F3LL10 ,M01B2

其中,q3.655N/mm,F1F2517.5N,L2200mm,L1755mm,带入静力平衡方程,得

F36909N

FAx0N

FAy0.04N

FBx0N

FBy2166.96N

(2)绘制喷雾机后桥底部横梁的剪力图和弯矩图

在横梁的A C、CB两段内,剪力和弯矩都不能用同一个方程式来表示,所以应分两段考虑。选取坐标系如图3-6所示。

图3-6 横梁坐标图

在AC段内,在距离远点为x的横截面的左侧,有支反力FAy、F1和集度为q的均布载荷,但在截面右侧有均布载荷q、载荷F3、F2和支反力FBy。故宜用左侧计算剪力和弯矩。

FsxFAyF1qx 0x755mm

1MxFAyxF1xqx2 0x755mm 2

当x0时,Fs517.5N,MC1041.7N;

当x755mm时,Fs3277N,MC1432Nm。

在CB段内,用截面右侧的外力计算剪力和弯矩比较简便,剪力和弯矩方程为

mm FsxqLxF2FBy 755x2200

12MxqLxF2LxFByLx 755x2200mm 2

Mx是x

dMx0,得 dx

3.655x6391.540

由此解出x1748.7mm,亦即在这一截面上,弯矩为极值。代入CB段内的弯矩公式得最大弯矩

M372.2Nm

当x2200mm时,FS1650N,M0.

依照剪力方程和弯矩方程,可做剪力图和弯矩图,如图3-7所示。

图3-7 横梁剪力图和弯矩图

(3)校核喷雾机后桥底部横梁的强度

查询机械设计手册【1】得,108mm108mm的冷拔无缝异型钢管截面面积F23.55cm2,理论重量G18.49kgm1,惯性矩JXJY400.07cm4,截面系数WXWY85.13cm3。喷雾机的材料为Q235,其抗拉许用应力b375MPa,屈服点s235MPa。

由后桥底座横梁的弯矩图可知最大正弯矩在截面mm上,Mm372Nm。最大负弯矩在截面C上,MC1432Nm。

矩形截面对中性轴对称,同一截面上的最大拉应力和压应力相等。计算时只需校核截面C上最大拉应力即可。在截面C上,弯矩对横梁产生的最大拉应力发生在边缘各点,如图3-8所示。

图3-8 横梁截面C 由弯曲强度条件maxMmax得 W

maxMC143216.82106Pa16.82MPa 6W85.1310

从所得结果可以得出,无论最大拉应力或最大压应力都为超过许用应力,故所选材料和框架参数的强度要求均满足。

3.5.3喷雾机后桥顶部横梁紧螺栓参数设计

选择螺栓材料为Q235、性能等级为4.6的M20螺栓,其长度为140mm,小径d117.294mm。查机械设计【5】得材料屈服极限s240MPa,安全系数S1.5,故材料的许用应力

s

S240MPa160MPa。 1.5

采用如图3-9所示的结构,螺栓数z3,沿调距杆对称中心线布置,两螺栓间距离L250mm。

图3-9 调距横梁螺栓组连接

3.5.4喷雾机后桥顶部横梁紧螺栓强度校核

(1)螺栓受力分析

由于喷雾机顶部调距结构受到外力作用较少,粗细调距杆主要是靠普通螺栓连接。当普通螺栓连接装配时,螺母需要拧紧,螺栓除受到预紧力的拉伸而产生拉伸应力外,还受螺纹摩擦力矩的扭转而产生扭转切应力,使螺栓处于拉伸与扭转的复合应力状态下。因此进行仅承受预紧力的紧螺栓强度计算时,应综合考虑拉伸应力和扭转切应力的作用。

根据在单个调距液压缸的F1500N的推力作用下,各个螺栓所受的横向载荷F1相同,其大小为

F1F1500500N 33

假设各螺栓所需要的预紧力均为F0,则螺栓组平衡条件为

fF0ziKsF

式中:接合面的摩擦系数f0.35,接合面数i1,防滑系数KS1.3。根据机械设计手册【1】取得。由此得各螺栓受到的预紧力

F0KsF1.315001857N fzi0.3531

(2)螺栓强度校核

根据第四强度理论得螺栓在预紧力状态下的计算应力为 ca232230.521.3 当普通螺栓连接受横向载荷时,由于受预紧力作用,将在接合面产生摩擦来抵抗工作载荷。这时螺栓仅承受预紧力的作用,而且预紧力不受工作载荷影响。螺栓危险截面的拉伸强度条件ca1.3F0得 2d14

ca1.3F01.3187510.38MPa 22d117.29444

从所得结果得出,选择的螺栓M20X140满足强度要求。

4 结语

4.1课题设计的过程

对自走式高地隙喷杆式喷雾机的框架结构进行设计过程包括三个阶段:前期了解调查学习阶段、中期设计校核修改及查阅资料阶段、后期设计绘图阶段。由于目前国内外市场上对烟草喷药施肥的机器种类还不多,且不够完善,使得本次设计有一定的难度,可参考数据、文献较少,各方面的参数选择设计,都需要自己根据所学知识逐步分析,按照三维设计软件绘图,边画边确定框架各构件的大概尺寸。

在设计过程确实遇到了很多难解之题,比如后桥底部横梁参数设计和强度分析的计算,在这方面主要参考材料力学的相关知识,但是很大一部分计算都是以变性固体的基本假设为前提进行的。由于自身没有足够的设计经验,很多关于实际工作中应考虑进的现实条件均没有计算在内。在看了好多资料后对框架后座横梁复杂的受力情况简化后才找到相似的横梁力学模型分析。在初期设计框架调距结构的时候,需要对整体框架的调隙距离进行模拟,然后根据要求计算出粗细调距杆上螺栓孔的分布和距离。在计算调距液压缸推力的时候,需要对喷雾机整体结构进行力学建模,然后根据虚位移原理求解油缸推力。在校核和粗细调距杆配合螺栓的剪切强度时,需要对主要的杆件进行力学建模,校核完后发现之前选择的螺栓直径较小,变增大直径。在喷杆折叠结构时,起初我设计的结构采用液压结构驱动大喷杆绕滑动横梁上的铰链转动和滑动升降架的垂直往复运动,使得整车液压系统更为复杂,所以后来改为电机驱动更简便、经济的结构。由于开始的时候不知晓本机器大致轮廓尺寸,只能先画好图,中期校核的时候发现机构设计的尺寸不符合弯扭强度,便重新布置尺寸,一步步改变,一步步校核,最后才最终确定了框架的各个构件尺寸。

4.2课题设计的不足

由于时间有限,本人经验不足,掌握的力学求解方法和结构设计经验有限,在设计的过程中存在着很多不足之处:

1. 机构的受力分析采用传统的力学求解,将结构模型简化,使得计算出的结果与实际的求解数值存在一定的误差。

2. 在整体轮距调节结构设计中,没有考虑到调距液压缸推动两车轮分别向左右移动工作过程中和底面之间会产生摩擦等因素,使得喷雾机实现调距作业必须处于停止行进的状态,否则将阻碍机器的正常运行,甚至损坏关键部位。

3. 由于喷雾机的齿轮泵和油箱分别设计在框架的左右两侧,并采用具有直角的油管路径,这使得齿轮泵工作的竖直行程较大,会因为较多的能量损失(压力损失、流量损失等)影响正常传动,使喷雾机传动效率不高。

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[14] 高连兴,史岩,师师兵.拖拉机与汽车.下册,底盘及电器.[M].中国农业出版社.2000.5

致 谢

大学四年的学习生活即将结束,在此,我要感谢所有曾经执导过我的老师和关心过我的同学,他们在我的成长过程中给予了很大的帮助。就本次的毕业设计来说,从自己最开始的无从下手,到后来对课题有了一定的了解,最后提出方案,完成毕业论文。中间有着自己的努力,更离不开我的老师和同学的帮助,经过这一设计,我对自己的专业相关领域的理论知识实践知识在深度和广度上都有了很大提高。

本文能够成功的完成,要特别感谢我的导师黄伟华的关怀和教导,在寒假之前,黄老师就叮嘱我们复习与自走式高地隙喷杆喷雾机的结构和液压转向系统设计相关的书目,如《材料力学》、《机械设计》、《液压与气动传动》等,还要主动查找与该课题有关的国内外发展状况。洛阳实习结束后,我们的毕业设计全面开始,每周黄老师都要求我们汇报工作进展。由于结构的设计具有很大的创新点,我们需要不断地思考,将设计方案讲给老师听,在互相讨论设计方案存在的不足之处,最后确定一种最好的。当然,在我遇到问题时,黄老师也给予很认真细致的回答,引导我解决了设计上的困难。

还要感谢我大学期间的何宇鹏、刘军、李艳、徐波、袁志华、田辉等老师,他们教会我许多的专业知识,受益匪浅,使得我能完成本次的毕业设计,更加巩固了之前学过的专业课。

同样感谢我大学期间所有关心,支持和帮助过我的老师、同学和朋友们。 最后还要感谢我的父母,是他们的辛勤劳动给与了我大学学习的机会,他们的支持和鼓励是我不断前进的动力。


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