畢業(yè)設(shè)計（論文）-果園除草機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要： 果園除草機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計全套圖紙加V信153893706或扣3346389411摘要：根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前果園的除草作業(yè)效率極低，株間的雜草清除是困擾果農(nóng)的大問題，為了提高果園的機(jī)械化水平，本文通過研究分析具有避障功能的果園除草機(jī)器人的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了智能化的果園除草，能以極高地效率完成果園株間的雜草清除。本設(shè)計詳細(xì)分析了普通除草機(jī)的整機(jī)結(jié)構(gòu)、動力傳動以及刀軸的運(yùn)動軌跡，對除草機(jī)的機(jī)架結(jié)構(gòu)、傳動系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。本文所設(shè)計的果園除草機(jī)器人，能夠達(dá)到避障除草的目的，有效地清除株間的雜草，其具有較為廣闊的應(yīng)用前景和市場。關(guān)鍵詞：果園除草機(jī)避障液壓油缸根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前果園的除草作業(yè)效率極低，株間的雜草清除是困擾果農(nóng)的大問題，目前果農(nóng)的老齡化趨勢嚴(yán)重，為了提高果園的機(jī)械化水平，減輕勞動強(qiáng)度，本課題以設(shè)計能完成果樹株間除草的避障除草機(jī)為目標(biāo)，通過分析避障除草機(jī)的要求，提出了本設(shè)計的具體實施方案。在此基礎(chǔ)上對避障除草機(jī)的主要組成部分進(jìn)行了設(shè)計與校核，完成了課題的任務(wù)要求。具體內(nèi)容包括以下部分，首先分析了當(dāng)前國內(nèi)外果樹株間除草機(jī)的現(xiàn)狀，明確了避障除草機(jī)的總體要求。針對如何實現(xiàn)避障功能問題，提出了整個機(jī)架帶動刀軸側(cè)移的避障方法，然后分析了整機(jī)行機(jī)速度與油缸避障速度之間的關(guān)系，并對整機(jī)各部分的轉(zhuǎn)速功率進(jìn)行了分析計算，并校核了齒輪的強(qiáng)度，確保了整機(jī)的可靠性。分析了本文所設(shè)計的果園除草機(jī)器人，能夠達(dá)到避障除草的目的，有效地清除株間的雜草，其具有較為廣闊的應(yīng)用前景和市場。MechanicalStructureDesignofTheOrchardWeedingRobotAbstract：Accordingtothefindingsoftheinvestigation,weedingoperationsinorchardsareextremelyinefficientatpresent,andweedingbetweenplantsisamajorproblemthattroublesfruitfarmers.Inordertoimprovethemechanizationleveloforchards,inthispaper,thedetailedstructureofobstacle-avoidingorchardweedingrobotisstudied,andtheintelligentweedinginorchardisrealized.Thisdesignhasanalyzedthewholemachinestructure,thepowertransmissionandthemovementtrackofthecuttershaftofthecommonweedingmachineindetail,hascarriedontheoptimizationtotheweedingmachinestructure,atthesametimehasaddedtheintelligentobstacleavoidancefunctionintheweedingmachine.Framestructure,transmissionsystemTheorchardweedingrobotdesignedinthispapercanavoidobstaclesandeliminateweedseffectively.Ithasawideapplicationprospectandmarket.Keyword:orchard;weeding;aviodobstacles第一章緒論1.1本研究的意義及目標(biāo)經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略和精準(zhǔn)扶貧以及富民過程中的重要依托門REF_Ref20606\r\h[1]。黨的十九大，習(xí)近平總書記再次強(qiáng)調(diào)兩山論即綠水青山就是金山銀山的重要性。而經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)業(yè)不斷升級，種植規(guī)模不斷擴(kuò)大，是我國林業(yè)產(chǎn)業(yè)中的支柱產(chǎn)業(yè)。但隨著種植面積增大，每年所需撫育工作量增多，經(jīng)濟(jì)林作物周邊雜草不僅會搶奪土壤中養(yǎng)分與水分，還會寄生各類蟲害，因而除草作業(yè)成為經(jīng)濟(jì)林撫育工作中主要環(huán)節(jié)REF_Ref20687\r\h[2]。經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)業(yè)是我國林業(yè)產(chǎn)業(yè)中的支柱產(chǎn)業(yè)。數(shù)據(jù)顯示，2014年以來，我國經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)品種植規(guī)模不斷擴(kuò)大，產(chǎn)量逐年增長。截至2018年，包含水果在內(nèi)的我國經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)品產(chǎn)量達(dá)1.87億t，總種植面積超4.15億ha。5年間，我國經(jīng)濟(jì)林產(chǎn)品總產(chǎn)量增幅約為14.1%，林產(chǎn)飲料、林產(chǎn)調(diào)料等種植產(chǎn)業(yè)均在不同年份得到了大力發(fā)展REF_Ref20766\r\h[3]。本設(shè)計旨在研究一種具有避障功能的果園除草機(jī)器人，該機(jī)器可以在果園行間進(jìn)行除草作業(yè)，同時可以完成果樹株間的除草作業(yè)。通過運(yùn)動分析和結(jié)構(gòu)計算，設(shè)計出最優(yōu)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，來保證既能達(dá)到要求，又盡量輕量化。1.2國外現(xiàn)狀國外從1950就開始研究機(jī)械除草技術(shù)，特別是美國、德國、日本、荷蘭等國在除草機(jī)技術(shù)領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位，機(jī)具品種齊全，性能可靠，能很好地滿足生產(chǎn)運(yùn)用作業(yè)要求，隨著激光側(cè)距、視覺識別技術(shù)、液壓控制技術(shù)等的長足發(fā)展，給帶避障功能的除草機(jī)器人的發(fā)展提供了技術(shù)支持REF_Ref6071\r\h[4]。1990年代末，美國加州大學(xué)將機(jī)器人視覺系統(tǒng)技術(shù)融入到耕作機(jī)械中，研制出了具有一定精準(zhǔn)度的除草機(jī)械，同時這款機(jī)械還配有噴施除草課劑的功能，在這之后的幾年時間里，R.D.Lamm等研究學(xué)者在針對棉田雜草特點(diǎn)上基于噴藥除草機(jī)械的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)研制出了針對性強(qiáng)的棉田除草機(jī)械，這種機(jī)械是依靠視覺識別系統(tǒng)來對雜草種類進(jìn)行識別，然后再根據(jù)除草機(jī)械的位移信息采集系統(tǒng)收集到的環(huán)境信息，控制噴藥系統(tǒng)完成作業(yè)過程REF_Ref6433\r\h[5]。除草機(jī)械利用視覺識別和控制系統(tǒng)系統(tǒng)實現(xiàn)避障和精準(zhǔn)除草的功能。瑞典的Bjornstrand和Albert-JanBaerveldt研究了一種基于機(jī)器視覺的除草機(jī)器人。機(jī)器人安裝了兩個攝像機(jī)，黑白攝像機(jī)主要是對作物行線進(jìn)行識別，指引機(jī)器人沿著作物行線行駛，彩色攝像機(jī)主要是用于識別雜草和植株REF_Ref6763\r\h[6]。國外的避障系統(tǒng)經(jīng)歷了人工避障、機(jī)械避障、機(jī)械液壓避障、激光側(cè)距液壓避障、攝像頭目視識別避障這幾個過程。目前，國外最主流的避障除草機(jī)采用的是機(jī)械液壓避障方式，這種避障方式的準(zhǔn)確性、效率以及故障率處于一個最合理的狀態(tài)，除草時清除單行株間的雜草，而不是株間和行間一起除草，這樣除草機(jī)可以以較快的速度前進(jìn)，作業(yè)效率高，除草部分采用液壓驅(qū)動刀盤回轉(zhuǎn)的方式。國內(nèi)進(jìn)口的機(jī)型多為這種配置，并引來了不少國內(nèi)除草機(jī)制造廠的仿制。歐美等發(fā)達(dá)國家的除草機(jī)械能夠與其果園種植模式完美結(jié)合，機(jī)械化水平、科技化水平、人性化水平、適應(yīng)性水平高。值得我們學(xué)習(xí)借鑒，但其價格過于昂貴，體積大，不能與我國的老式果園種植模式匹配。1.3國內(nèi)現(xiàn)狀我國在果園除草機(jī)器人研究方面起步較晚，技術(shù)落后。從上世紀(jì)70年代開始有學(xué)者借鑒國外先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行研究，但是由于我國果園種植規(guī)模小，而且種植模式繁多，一般的機(jī)器難以適應(yīng)。由于上世紀(jì)我國勞動力充足，株間的除草全部由人工完成，沒有意識到機(jī)械化水平的重要性，也錯過了發(fā)展的良好。2004年，楊照華等人研究了基于機(jī)器視覺的雜草自動識別理論，提出了適合雜草圖像濾波、分割、特征提取及模糊遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器的設(shè)計方法，建立了雜草自動識別系統(tǒng)。對戶外采集的五種雜草進(jìn)行識別，識別率達(dá)93.5%REF_Ref8259\r\h[7]。目前，國內(nèi)的機(jī)械式除草機(jī)中，除草工作部件多為單翼鏟或者雙翼鏟，也有圓盤式和彈齒式的除草機(jī)，但是數(shù)量較少REF_Ref9646\r\h[8]。新疆石河子大學(xué)的張斌REF_Ref22363\r\h[9]研制出了一種可以實現(xiàn)自動讓樹功能的果園除草機(jī)，該除草機(jī)核心組成部分有讓樹除草裝置、彈齒耙、動力系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)以及耕深調(diào)節(jié)裝置。這種除草方式的優(yōu)點(diǎn)是既可以將果園果樹行間的雜草進(jìn)行清除，對除去的雜草進(jìn)行覆蓋以達(dá)到減少病蟲害的效果，同時也還可以起到松土、增加土壤中氧氣含量的作用。當(dāng)前除草機(jī)器人當(dāng)中主要有兩種方式，一種為建模分析的方式，在使用該種方式進(jìn)行應(yīng)用時REF_Ref12216\r\h[10]，當(dāng)圖片信息進(jìn)入到該系統(tǒng)后就會將其導(dǎo)入相應(yīng)的三維軟件中，另一種對數(shù)字圖像處理技術(shù)的應(yīng)用。南京林業(yè)大學(xué)的陳勇等人發(fā)明了一種可以進(jìn)行行株間同時除草作業(yè)的機(jī)器人，其工作原理主要由導(dǎo)航攝像機(jī)、雜草識別攝像機(jī)、行間及行內(nèi)除草機(jī)構(gòu)、GPS模塊和控制器組成。在GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的控制下，除草機(jī)器人沿作物行線行駛作業(yè)，當(dāng)機(jī)器視覺系統(tǒng)識別出雜草時，除草機(jī)構(gòu)的末端執(zhí)行器閉合，執(zhí)行器底部刀盤以高速旋轉(zhuǎn)的速度伸入士壤，攪斷雜草根部REF_Ref12866\r\h[11]。當(dāng)識別出作物時，除草機(jī)構(gòu)的末端執(zhí)行器張開從而避開作物。我國的除草刀分為幾種，第一種是用還田機(jī)進(jìn)行除草、還田機(jī)上的切刀高速旋轉(zhuǎn)，將雜草切碎還田，這種除草方式，消耗動力大；第二種是旋轉(zhuǎn)刀盤除草，并排布置的水平刀盤在皮帶輪的帶動下高速旋轉(zhuǎn)，將雜草切斷，這種除草方式，消耗動力小，作業(yè)效率高；第三種是旋耕機(jī)除草，旋耕松土的同時，將地面上的雜草掩埋，這種除草方式，效率低；第四種是在旋耕機(jī)的刀軸上安裝籠狀除草刀輥，這種除草方式結(jié)構(gòu)簡單，除草成本低。我國避障除草機(jī)的避障方式也是五花八門，最初的機(jī)器是在除草機(jī)后邊站立一個人，手動控制除草刀盤的左右位置，可以達(dá)到避障的功能；后來的避障方式進(jìn)行了改進(jìn)，在除草刀盤外轉(zhuǎn)加一個可以回轉(zhuǎn)的擋圈，擋圈的直徑大于刀盤的回轉(zhuǎn)直徑，擋圈與機(jī)架連接處有旋轉(zhuǎn)軸，還有一個拉簧，沒有障礙物時，拉簧將刀盤拉到株間。有障礙物時，刀盤被果樹樹干頂開，果樹錯過以后，在拉簧的拉動下，刀盤重新回到株間。近年來，將液壓技術(shù)運(yùn)用到了除草機(jī)上，在刀盤前端一個液壓閥的觸發(fā)桿，觸發(fā)桿在刀盤的行進(jìn)方向的前端，刀盤在株間行進(jìn)時，觸發(fā)桿先碰到樹干，觸發(fā)液壓閥進(jìn)行刀盤的避礙動作，當(dāng)觸發(fā)桿超過樹干并與樹干脫開后，液壓閥歸位，刀盤回到樹干中間。1.4本章小結(jié)通過對比國內(nèi)外果園避障除草機(jī)的的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀，看到了中國果園除草機(jī)器人與歐美發(fā)達(dá)國家的差距，尤其是在智能化方面，國內(nèi)的除草避障容易損壞機(jī)身或樹干，而國外的智能化程度高，傳感器應(yīng)用合理，避障效果好。同時根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)狀的分析對比得出了本設(shè)計的研究內(nèi)容，就是對果園除草機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。第二章果園除草機(jī)器人參數(shù)的確定根據(jù)走仿市場及果園種植戶，實際測量了四款具有避障功能的果園除草機(jī)的具體參數(shù)，并詳細(xì)了解這幾款除草機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，為接下來的設(shè)計提供一定的理論依據(jù)。2.1四款避障除草機(jī)參數(shù)分析廠家及型號配套動力（馬力）刀盤直徑株間/行間避障方式刀盤驅(qū)動方式耕幅cm中農(nóng)博遠(yuǎn)9GY-5060-8050cm株間液壓液壓50鑫農(nóng)9G-2.250以上60cm株間和行間機(jī)械機(jī)械140哈碼匠RMK151自走2250cm株間和行間機(jī)械機(jī)械100哈碼匠G.FM150H4540cm株間和行間機(jī)械和液壓機(jī)械140表2.1四款果園避障除草機(jī)參數(shù)對比通過表2.1對比以上四款果園避障除草機(jī)的配套動力、刀盤直徑、除草位置和避障位置四項參數(shù)得出規(guī)律，純液壓驅(qū)動的除草刀，消耗動力大，耕幅大；幅寬越大，消耗動力越大。因此本設(shè)計果園除草機(jī)器人的初定參數(shù)為幅寬1300mm，耕深30mm，除草刀回轉(zhuǎn)直徑460mm，刀片數(shù)量14把，刀軸轉(zhuǎn)速270r/min，機(jī)組行走速度3-6km/h，除草率90%以上，消耗動力≤50馬力，避障方式為液壓油桿橫向整體移動避障，液壓系統(tǒng)包括齒輪泵、液壓油箱、電磁閥、液壓管路等全部安裝在除草機(jī)器人上。避障的觸發(fā)方式為光電感應(yīng)傳感器。避障行程400mm，整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2.1。圖2.1整機(jī)結(jié)構(gòu)圖2.2整機(jī)運(yùn)動分析計算2.2.1刀軸的運(yùn)動計算確定整機(jī)前進(jìn)速度與刀軸轉(zhuǎn)速除草作業(yè)時，除草刀軸的旋轉(zhuǎn)方向與拖拉機(jī)車輪的旋轉(zhuǎn)方向是一致的，因此刀片的絕對速度是刀軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)加上拖拉機(jī)向前運(yùn)動，兩個運(yùn)動疊加而成的，見圖2.2。為了不產(chǎn)生推土現(xiàn)象，要求刀軸的轉(zhuǎn)速和拖拉機(jī)前進(jìn)的速度呈一定比例關(guān)系，如果拖拉機(jī)前進(jìn)速度過快，就會導(dǎo)致除草機(jī)無法入土，無法粉碎雜草；如果拖拉機(jī)前進(jìn)速度過慢，就會導(dǎo)致動力的浪費(fèi)。圖2.2除草刀動力軌跡分析圖通過查閱農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊REF_Ref24587\r\h[13]得知，刀軸轉(zhuǎn)速的計算公式為（2.1）式中：n表示刀輥轉(zhuǎn)速，r/min；VcVmR表示刀軸回轉(zhuǎn)半徑,m；h表示除茬深度,m上一節(jié)確定的作業(yè)速度為3-6km/h，一般中型拖拉機(jī)的低二檔到低三檔的行進(jìn)速度是這個范圍，取最大值6km/h，換算成單位m/s（2.2）R取0.23m，這是L型刀片的回轉(zhuǎn)半徑。上一節(jié)確定的除草機(jī)耕深選擇0.03m。除草速度Vc綜合計算得到n≥265r/min，上一節(jié)的參數(shù)中選定的刀軸轉(zhuǎn)速是270r/min，符合要求。2.2.2刀片數(shù)量的計算刀片之間的距離設(shè)計100mm，刀片寬度105mm，這樣可以減少漏割，刀片數(shù)量計算如下：（2.3）式中：N,刀片總數(shù)刀片密度，片/mm，0.01REF_Ref24681\r\h[14REF_Ref24685\r\h-15]刀片在刀軸上的分布長度，mm，根據(jù)上節(jié)中確定的幅寬為1300經(jīng)計算可知，刀片數(shù)量取14。滿足設(shè)計要求。2.2.3除草機(jī)總功率的計算除草功率的計算查詢《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊》中計算功耗的公式：（2.4）式中：PqKr，除草比阻，N/H,除草深度，30mm除草寬度，1300mmvm計算得除草消耗的功率9.4kw查詢相關(guān)資料，得知，除草深度30mm左右時，前進(jìn)消耗功率PX=5kwREF_Ref24809\r\h[16]。由此得知除草機(jī)作業(yè)消耗的功率P1（2.5）計算得P液壓系統(tǒng)消耗功率P2（2.6）式中：N，液壓系統(tǒng)壓力，kgf/cm2，1MPa≈10.2kgf/cm式中：Q，流量，L/min，（2.7）式中：q，選定的齒輪泵的排量，ml/轉(zhuǎn)，我們選定的齒輪泵的排量為80ml/轉(zhuǎn)；我們將齒輪泵設(shè)計在變速箱輸出軸上，除草機(jī)需要配套的拖拉機(jī)后動力輸出轉(zhuǎn)速為720r/min，變速箱里的錐齒輪速比初定為20/26，因此，齒輪的轉(zhuǎn)速n（2.8）計算得Q=44034ml/轉(zhuǎn)=44L/min。計算得液壓系統(tǒng)消耗的功率P2'（2.9）除草機(jī)總功率的計算除草機(jī)總功率P（2.10）計算得P=28.4kw。配套拖拉機(jī)功率的確定通過查閱拖拉機(jī)國家標(biāo)準(zhǔn)REF_Ref24880\r\h[17]，我們得知，拖拉機(jī)的動力輸出軸標(biāo)定功率應(yīng)該不低于發(fā)動機(jī)標(biāo)定功率的80%，因此我們可以得到拖拉機(jī)額定功率P發(fā)的計算公式（2.11）通過功率與馬力換算公式（2.12）得出配套動力為48.28馬力，適配機(jī)型應(yīng)為500或504拖拉機(jī)。因此，我們可以驗證擬定的參數(shù)是配套功率不大于50馬力，完全可行。2.3本章小結(jié)本章主要是對果園除草機(jī)器人參數(shù)的確定，通過對比四款具有避障功能的果園除草機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)和參數(shù)，先擬定一個大概參數(shù)，然后對所有參數(shù)進(jìn)行計算，驗證參數(shù)的可行性，并進(jìn)行修改。最終確定的參數(shù)是幅寬1300mm，耕深30mm，作業(yè)速度3-6km/h，刀軸轉(zhuǎn)速270r/min，除草率90%以上，配套動力不大于50馬力。在此值得提出的是，選型的參數(shù)是配套動力為50馬力，50馬力拖拉機(jī)的長度3米左右，寬度1.4米左右，高度近2米，該馬力段拖拉機(jī)只能用于新型果園，而傳統(tǒng)的老式果園無法使用，如果老式果園想使用該機(jī)，可以摒棄自動避障功能不用，只使用其除草功能。只除掉行間的雜草，這樣的話使用20-25馬力單缸小拖拉機(jī)便可以帶動。這樣可以實現(xiàn)果園除草機(jī)器人的一機(jī)多用。第三章主要零部件的設(shè)計與計算3.1整機(jī)傳動比的計算我國拖拉機(jī)的后動力輸出軸的常用轉(zhuǎn)速有540/720/760/1000轉(zhuǎn)，50馬力左右的拖拉機(jī)基本上都配有兩個轉(zhuǎn)速可供選擇，720為常用轉(zhuǎn)速，因為除草機(jī)和拖拉機(jī)用萬向節(jié)傳動軸連接，動力傳動比為1，所以除草機(jī)的輸入軸轉(zhuǎn)速nz1也為720r/min。故整機(jī)的傳動比i為（3.1）圖3.1整機(jī)傳動結(jié)構(gòu)示意圖整機(jī)的傳動路線如圖3.1所示，拖拉機(jī)的動力經(jīng)輸入小錐齒輪Z1、一軸大錐齒輪Z2、一軸直齒輪Z3、二軸直齒輪Z4、小鏈輪Z5、大鏈輪Z6傳遞給刀軸。其中，小錐齒輪Z1、一軸大錐齒輪Z2、一軸直齒輪Z3、二軸直齒輪Z4全部在變速箱中，與一軸、二軸、軸承、變速箱體等組成變速箱。小鏈輪Z5和大鏈輪Z6以及鏈條在側(cè)邊箱中。各輪的齒數(shù)如表3.1所示。輪Z1Z2Z3Z4Z5Z6齒數(shù)202623231530表3.1各輪齒數(shù)表3.2整機(jī)傳動各軸功率、轉(zhuǎn)速和扭矩的確定查詢機(jī)械設(shè)計冊得知各傳動副的效率如下：圓錐齒輪傳動η1圓柱齒輪傳動η2圓錐滾子軸承η3深溝球軸承η4由式（2-10）計算得知，輸入小錐齒輪Z1的功率PZ1=28.4kw，輸入小錐齒輪Z1的轉(zhuǎn)速nZ1=720r/min。因此通過功率公式可得出輸入小錐齒輪Z1的扭矩（3.1）一軸大錐齒輪Z2的功率PZ2（3.2）一軸大錐齒輪Z2的轉(zhuǎn)速nZ1（3.3）一軸大錐齒輪Z2的扭矩TZ2（3.4）由于一直大錐齒輪Z2和一軸直齒輪Z3在同一軸上，為鋼性連接，因此其傳遞功率、轉(zhuǎn)速和扭矩值一樣。二軸直齒輪Z4的功率PZ4（3.5）二軸直齒輪Z4的轉(zhuǎn)速nZ4（3.6）二軸直齒輪Z4的扭矩TZ4（3.7）由于二軸直齒輪Z4和小鏈輪Z5同軸，且鋼性連接，因此其傳遞功轉(zhuǎn)速一樣，由于二軸的左側(cè)為小鏈輪Z5，動力向下傳遞給大鏈輪Z6，最終給刀軸，二軸右側(cè)傳遞功率給齒輪泵。同式（2-9）計算得知，齒輪泵的功率為P齒為14kw，因此小鏈輪Z5得到的功率PZ5（3.8）小鏈輪Z5的扭矩TZ5（3.9）查閱機(jī)械手冊得知，鏈輪鏈條的傳遞功率有兩個，一個是根據(jù)工況系數(shù)選擇的f1為0.96，第二個是根據(jù)小鏈輪齒數(shù)系數(shù)確定的f2,Z5齒數(shù)為15齒，因此查表得f2為0.95大鏈輪Z6的功率PZ6（3.10）大鏈輪Z6的轉(zhuǎn)速nZ6（3.11）大鏈輪Z6的扭矩TZ6（3.12）變速箱各軸齒輪功率、轉(zhuǎn)速和扭矩如表3.2輸入軸小錐齒輪Z1一軸大錐齒輪Z2一軸直齒輪z3二軸直齒輪Z4小鏈輪25輸出齒輪z6和輸出軸齒數(shù)202623231530功率kw28.426.7226.7225.3911.3910.39轉(zhuǎn)速r/min720553.85553.85553.85553.85276.92扭矩nm376.69460.73460.73437.80196.40358.31表3.2各輪齒數(shù)、功率、轉(zhuǎn)速、扭矩表3.3齒輪參數(shù)的計算3.3.1齒輪材料和精度的選擇齒輪的材質(zhì)有45、20Cr、40Cr、20CrMnTi、42CrMo等，通過調(diào)研農(nóng)機(jī)配件市場得知，旋耕機(jī)上的齒輪多采用20CrMnTi，因為其有良好的綜合力學(xué)性能。因此本機(jī)上的齒輪也選用該材質(zhì)。齒輪的精度等級選擇8級，8級較7級價格便宜也可以滿足滅茬機(jī)上的精度要求。齒輪的粗糙度選擇1.6-3.2。熱處理采用碳氮共滲工藝，滲碳深度0.8-1.2mm，硬度HRC56-60。3.3.2齒輪模數(shù)的計算齒數(shù)模數(shù)的計算流程：計算齒輪傳動比、傳遞扭矩再根據(jù)齒面接觸疲勞強(qiáng)度公式計算小齒輪大端分度圓直徑，最后通過大端端面模數(shù)公式確定模數(shù)。輸入齒輪軸z1和一軸傘齒輪z2的傳動比μ（3.13）通過查詢機(jī)械設(shè)計手冊中試驗齒輪接觸疲勞極限表得知選取材料的接觸疲勞極限應(yīng)力（3.14）估算時的安全系數(shù)SH（3.15）載荷系數(shù)K=1.2齒面接觸疲勞強(qiáng)度公式（3.16）輸入齒輪軸z1的大端模數(shù)m（3.17）取整后，mZ1實際大端模數(shù)de1（3.18）3.3.3齒寬的計算輸入齒輪軸z1分錐角δ1的計算（3.19）外錐距Re（3.20）查表得齒寬系數(shù)為0.3輸入軸齒輪z1的齒寬bZ1（3.22）取整得25mm。3.4二軸尺寸的設(shè)計軸的材質(zhì)選40Cr，熱處理工藝選定為調(diào)質(zhì)處理，硬度為HRC27-30。A值查表得97，軸采用實心軸查閱機(jī)械設(shè)計手冊得知實心軸危險截面處直徑dZ1（3.23）由此可知，二軸的設(shè)計尺寸最小軸徑選擇35mm。軸的結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。圖3.2二軸結(jié)構(gòu)圖3.5變速箱材質(zhì)選擇變速箱安裝在機(jī)架上，內(nèi)部安裝齒輪和軸，是支撐齒輪傳動的重要部件。變速箱常采用鑄鐵箱體，其特點(diǎn)是可承受較大的沖擊力，常用的鑄鐵材質(zhì)有灰鑄鐵件、球墨鑄鐵件、可鍛鑄鐵件、蠕墨鑄鐵等，這些材質(zhì)抗拉強(qiáng)度蠕墨鑄鐵最高，但是其成本也最高，綜合強(qiáng)度和使用成本兩方面考慮，我們選擇灰鑄鐵件當(dāng)作變速箱的材質(zhì)。查閱資料可知，HT200這個牌號使用的最為廣泛，而且其綜合力學(xué)性能非常高，因此選擇HT200灰鑄鐵。3.6懸掛架的設(shè)計3.6.1懸掛架尺寸的確定由于確定的配套拖拉機(jī)的動力為80馬力，因此通過查詢農(nóng)業(yè)輪式拖拉機(jī)后置式三點(diǎn)懸掛裝置第1部分：1、2、3和4類國家標(biāo)準(zhǔn)REF_Ref25018\r\h[18]，得知動力輸出軸功率小于48kw時，選用1類懸掛，懸掛尺寸如圖3.3。圖3.3懸掛尺寸示意圖1類懸掛的下懸掛點(diǎn)跨度l值為683mm，立柱高度h值為460mm，下懸掛點(diǎn)聯(lián)接銷直徑22mm,上懸掛點(diǎn)聯(lián)接銷孔尺寸19.3mm。3.6.2懸掛架結(jié)構(gòu)的選擇目前我國農(nóng)機(jī)具的懸掛架有兩種類型一種是龍門式懸掛架，如圖3.4；一種是鋼板折彎式懸掛架，如圖3.5，有專門制造龍門懸掛架廠家，根據(jù)配套機(jī)具不同，龍門懸掛架尺寸也不同；鋼板折彎式的懸掛架根據(jù)機(jī)具結(jié)構(gòu)自行設(shè)計。龍門式懸掛架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，但是強(qiáng)度較高，輕量化較好，適用于配套50馬力以上的機(jī)具，而鋼板折彎式的懸掛架結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，成本低，側(cè)向受力時易變形，適用于配套50馬力以下的機(jī)具，因此本機(jī)型選用鋼板折彎式的懸掛架，使用10mm厚的鋼板折彎焊接而成。圖3.4龍門式懸掛架圖3.5鋼板折彎式懸掛架3.7鏈輪的計算側(cè)邊傳動傳輸要從二軸傳遞給刀軸，由于要考慮刀的回轉(zhuǎn)半徑，和變速箱的底部空間，因此本設(shè)計中兩個軸的軸距選擇390mm。此距離有三種方案可以考慮，一是鏈輪傳動，二是齒輪傳動，三是帶輪傳動。我們最終選擇鏈輪傳動，因為鏈輪傳動與帶傳動相比無彈性滑動和打滑現(xiàn)象，平均傳動比準(zhǔn)確，工作可靠，相同情況下，對軸的拉力??；鏈輪傳動與齒輪傳動相比又有著明顯的價格優(yōu)勢。此距離要想使用齒輪傳動至少要4個齒輪，成本較高。鏈輪按節(jié)距不同分為10A、12A、16A等，按鏈排數(shù)分為單排、雙排和三排甚至更多。理論上節(jié)距越大，承受拉力越大，排數(shù)越多，承受拉力也越大。但是隨之成本也會升高。因此我們要選擇合理的鏈條及鏈輪型號。根據(jù)經(jīng)驗我們選擇12A雙排鏈條。這里我們用solidworks中的邁迪插件進(jìn)行鏈輪的生成以及尺寸的計算圖3.5solidworks鏈輪生成界面如圖3.5所示，在邁迪鏈輪界面中輸入12A雙排鏈輪，鏈輪的齒數(shù)、功率及轉(zhuǎn)速就可以計算出鏈條的長度為1.22m，鏈條的速度1.43m/s，實際鏈長節(jié)數(shù)取整后為64節(jié)，小鏈輪的包角為166.73大于最小包角要求，有效圓周力為8104.9N，軸上的拉力9920.63N3.8液壓系統(tǒng)的設(shè)計本機(jī)的液壓系統(tǒng)的作用主要是給果園機(jī)器人的避障提供動力。左右移動靠的是液壓油缸的伸縮來完成的。整個液壓系統(tǒng)全部集成到機(jī)器上。液壓系統(tǒng)組成如下圖，包括液壓油箱、齒輪泵、液壓管路、液壓閥、液壓油缸等組成，如圖3.6。圖3.6液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.液壓油箱本機(jī)的液壓油箱為一個容量20L的液壓油箱，安裝在機(jī)架上方，由于液壓油箱高出機(jī)架部分，為避免機(jī)架左右移動時油箱碰到樹冠，需要將液壓油箱安裝到機(jī)架靠左的位置。液壓油箱由箱體、油箱蓋、油口過濾器、出口過濾器、液位顯示器等組成。2.齒輪泵由上一章可知，液壓泵的型號為CBT-E580，泵的排量是80l/r，整個系統(tǒng)的液壓流量是44L/min。3.液壓閥液壓閥是控制整個液壓系統(tǒng)動作的控制元件，液壓閥有手動閥和電磁閥。本機(jī)的避障動作全是由機(jī)器自己根據(jù)環(huán)境來執(zhí)行的，因此本機(jī)選用電磁液壓閥，電磁液壓閥的工作原理是通過電磁線圈產(chǎn)生的磁力來推動閥芯的左右移動從而達(dá)到液壓換向的功能。由于本機(jī)是懸掛式機(jī)器，需要用拖拉機(jī)來提供動力，因為大部分50馬力以下拖拉機(jī)的電器全部為12V，因此本機(jī)的液壓電磁閥選用DC12V，由拖拉機(jī)蓄電池直接供電。4.液壓油缸液壓油缸是整個避障系統(tǒng)里最關(guān)鍵的執(zhí)行部件，液壓油缸由缸體、活塞桿、導(dǎo)向支撐環(huán)、防塵蓋和密封圈組成。見圖3.7。圖3.7油缸結(jié)構(gòu)示意圖本機(jī)中的避障要求檢測到樹干時快速規(guī)避，理論上規(guī)避的速度越快，機(jī)具前進(jìn)的速度才可以越快，因此規(guī)避速度是限制機(jī)具作業(yè)速度的關(guān)鍵參數(shù)。如下圖所示，L1是光電傳感器離機(jī)架的位置，通過查閱文獻(xiàn)資料得知，我國果樹樹干直徑超過300mm的很少，因此我們選擇果樹直徑300進(jìn)行計算，機(jī)器在株間除草作業(yè)時，最右側(cè)除草刀要超過樹干右側(cè)邊緣至少50mm。當(dāng)光電傳感器檢測到樹干時，立刻給液壓換向閥信號，油缸開始動作進(jìn)行避障，因為機(jī)具前進(jìn)速度恒定，因此，留給機(jī)具避障的時間t（3.24）式中，Vm機(jī)具能夠成功避障的條件是，油缸的避障速度VX（3.25）公式經(jīng)過推導(dǎo)：（3.26）通過上式分析可知，機(jī)具行進(jìn)速度越快，要求油缸移動越快，油缸移動越快，就要求整個液壓系統(tǒng)的流量要增加，整機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，就要提高泵的排量，排量越大，價格越高，機(jī)器消耗的動力也越大。因此機(jī)具的行走速度不宜過快。同時如果增大光電傳感器與機(jī)架的安裝距離L1，油缸的移動速度就可以降低，但同時根據(jù)經(jīng)驗，漏耕的面積就會越大，因此本機(jī)的安裝距離L1選則750mm。為了適應(yīng)不同行走速度的拖拉機(jī)，在設(shè)計機(jī)器時，光電傳感器的前后位置應(yīng)該設(shè)計成前后可調(diào)節(jié)的，見圖3.8。計算得（3.27）圖3.8果園除草機(jī)器人與果樹位置關(guān)系圖并于漏耕面積的分析，由圖3.9可知，同等機(jī)具前進(jìn)速度下，油缸的避障速度越快，陰影部分的漏耕面積越小。圖3.9不同速度漏耕面積油缸的移動速度取決于液壓系統(tǒng)的排量、油缸內(nèi)壁直徑D，活塞桿直徑d，見圖3.10。圖3.10油缸尺寸示意圖液壓油從無活塞桿側(cè)進(jìn)入從有活塞桿側(cè)出去的速度V無為（3.28）液壓油從有活塞桿側(cè)進(jìn)入從無活塞桿側(cè)出去的速度V有為（3.29）式中，Q，液壓系統(tǒng)的排量，m3/s，由式（2-7）得知（3.30）D，油缸內(nèi)壁，本設(shè)計的油缸內(nèi)壁0.04m活塞桿直徑，本設(shè)計的活塞桿直徑0.02m計算得：（3.31）（3.32）因為所選的油缸，滿足避障要求。油缸時要分方向，油缸縮回時要快，油缸伸出時可以適當(dāng)慢點(diǎn)，所以安裝時伸出的活塞桿一頭在機(jī)具行進(jìn)方向的右側(cè)。3.9光電開關(guān)傳感器的選型光電開關(guān)傳感器是利用光束如近紅外線和紅外線的來檢測、判別物體。通過光電裝置瞬間發(fā)射的微弱光束能被安全可靠的準(zhǔn)確的發(fā)射和接收。光是一種電磁射波，傳遞速度約為300000千米/秒，在發(fā)射的一瞬間被其接收，使傳感器快速響應(yīng)。光電開關(guān)的重要功能是能夠處理光的強(qiáng)度變化：利用光學(xué)元件，在傳播媒介中間使光束發(fā)生變化；利用光束來反射物體；使光束發(fā)射經(jīng)過長距離后瞬間返回。光電開關(guān)是由發(fā)射器、接收器和檢測電路三部分組成。發(fā)射器對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于發(fā)光二極管（LED）和激光二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。受脈沖調(diào)制的光束輻射強(qiáng)度在發(fā)射中經(jīng)過多次選擇，朝著目標(biāo)不間接地運(yùn)行。接收器有光電二極管或光電三極管組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面的是檢測電路，它能濾出有效信號和應(yīng)用該信號。光電開關(guān)傳感器光電開關(guān)可分為對射型、漫反射型、鏡面反射型。綜合考慮三種光電開關(guān)的特點(diǎn)以及安裝位置，我們選擇漫反射型光電開關(guān)傳感器，本設(shè)計選擇SULERCH旗下的E3Z-D61-G型光電開關(guān)傳感器，電源類型選擇DC12-36V，NPN型，3-60cm照射范圍，響應(yīng)時間0.5m以下。3.10本章小結(jié)本章中對整機(jī)的主要參數(shù)，如變速箱齒輪和軸的參數(shù)進(jìn)行了計算，對懸掛架、液壓系統(tǒng)的選型進(jìn)行了說明，對避障油缸的移動速度進(jìn)行了計算說明。第四章主要零部件強(qiáng)度的校核4.1輸入軸小錐齒輪Z1的齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核圖4.1Z1齒輪和Z2齒輪強(qiáng)度條件（5.1）齒面接觸應(yīng)力（5.2）式中：ZMZHZEZLSZβZKKAKVKHβ,KHαFt，中點(diǎn)分布圓上的切向力，dm1，中點(diǎn)分布圓直徑，lbm，齒中部接觸線長度，μ，齒數(shù)比許用接觸應(yīng)力（5.3）式中：ZNTZLZWZXSHmin中點(diǎn)分度圓上的切向力（5.4）式中，（5.5）上一章中得知，de1=100mm,計算得dm1因此，F(xiàn)t使用系數(shù)查表得KA中點(diǎn)節(jié)點(diǎn)線速度Vm（5.6）由8級精度和中心節(jié)點(diǎn)線度查表得KVA查表得齒向載荷分布系數(shù)KHβe節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)Z端面載荷系數(shù)（5.7）查表得K中點(diǎn)區(qū)域系數(shù)（5.8）式中，查表F1=2，F(xiàn)dva1，小齒輪當(dāng)量齒輪頂圓直徑dva2，大齒輪當(dāng)量齒輪頂圓直徑dvb1，小齒輪當(dāng)量齒輪根圓直徑dvb2，大齒輪當(dāng)量齒輪根圓直徑Zv1Zv2計算得：ZM查表得螺旋角系數(shù)Zβ錐齒輪系數(shù)ZK載荷分配系數(shù)ZLS彈性系數(shù)ZE試驗齒輪的接觸疲勞極限σ壽命系數(shù)ZN潤滑油影響系數(shù)Z工作硬化系數(shù)ZW尺寸系數(shù)ZX最小安全系數(shù)SHmin計算得σHP=1454.5MPa由于，通過。4.2輸入軸小錐齒輪Z1的齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核強(qiáng)度條件（5.9）齒面接觸應(yīng)力（5.10）式中σF0（5.11）KA，KV，KFβ，mmYFa，YYεYKYLS許用彎曲應(yīng)力（5.12）通用系數(shù)KA=1.25，KV=1.045查齒形系數(shù)YFa及應(yīng)力校正系數(shù)Y復(fù)合齒形系數(shù)（5.13）（5.14）復(fù)合度系數(shù)（5.15）錐齒輪系數(shù)（5.16）載荷分配系數(shù)（5.17）齒根彎曲應(yīng)力計算值（5.18）（5.19）查表得齒根彎曲疲勞強(qiáng)度基本值（5.20）長期工作，取壽命系數(shù)Y查表得：相對齒根圓角敏感系數(shù)Y查表得：相對齒根表面狀況系數(shù)Y查表得：尺寸系數(shù)Y最小安全系數(shù)設(shè)定為S許用彎曲應(yīng)力值（5.21）齒根彎曲強(qiáng)度校核結(jié)果通過。第五章結(jié)論針對目前果園除草機(jī)械化率低、特別是果樹株間除草困難的問題，提出了設(shè)計具有避障功能的果園除草機(jī)器人來進(jìn)行果樹株間雜草的清除的解決方案，運(yùn)用的大學(xué)期間學(xué)習(xí)的機(jī)械制圖、理論力學(xué)、材料力學(xué)、機(jī)械原理等專業(yè)知識理論，采用調(diào)研