果園水果采摘升降平臺的設計

摘要新疆是農業(yè)大省，又因為新疆晝夜溫差大，水果的糖分積累多于其他省份種植的水果，使得新疆的瓜果香甜可口，所以有水果之鄉(xiāng)的美譽，而南疆又是新疆水果的主產地。在南疆種植的有非常出名的庫爾勒香梨和阿克蘇蘋果等。每年水果成熟的時候需要大量的勞動力爭取采摘的時間，勞動強度大，成本高，效率低。隨著全球農業(yè)科技的發(fā)展，將液壓升降平臺用于水果采摘中可大大提高勞動效率。水果采摘升降平臺是一種新型的液壓升降平臺，旨在提高水果采摘的速度，減少勞動強度。本文將介紹一種新型的自走式液壓升降平臺。主有以下內容，從課題的提出，大量查閱相關文獻資料，了解當前水果采摘的發(fā)展狀況，比較了國內外的發(fā)展趨勢。然后提出了本文的設計方案，進行相關零件的設計計算及校核，繪制了二維工程圖，最后在SolidWorks中建立了其三維模型，為水果采摘升降平臺的設計優(yōu)化提供了一種思路及方法。關鍵詞：水果采摘；升降平臺；三維；SolidWorks；仿真 目錄TOC\o"1-3"\h\u179201緒論 緒論1.1概述隨著當代農業(yè)機械化及自動化的不斷發(fā)展，農業(yè)生產對生產率的要求不斷提高。新疆也是水果種植的大省，每年水果成熟的時候都需要大量勞動力。而且水果采摘作業(yè)比較復雜，季節(jié)性強，若使用傳統(tǒng)的人工采摘形式，勞動強度大、勞動效率低。為提高水果采摘的效率，提供一種結構緊湊，工作平穩(wěn)，操作方便的液壓升降平臺具有極其重要的意義。農業(yè)從業(yè)者的減少及老齡化趨勢的不斷加大，采摘機械的開發(fā)利用具有巨大的經濟效益和廣闊的市場前景。升降平臺的種類有固定式、移動式、導軌式、曲臂式。每種方式又有不同的設計安裝方式。1.2水果采摘研究現狀目前，我國水果采摘大部分是依靠人爬樹或使用梯子采摘，移動較為困難并存在安全問題，大大降低了采收效率。因為水果成熟期較短，采收效率低直接影響水果的品質及貯藏。然而，在工廠用很多先進的升降平臺，如固定式液壓升降平臺，折臂式升降平臺，移動式升降平臺等，對其進行一些改裝，使其能適應果園環(huán)境，有利于實現采收的的方便性，安全性及及時性[20]。升降平臺的核心部件在于液壓提升部設備。因此，國內外對液壓提升設備主要進行動力分析和運動分析，確定液壓缸的主要性能參數和主要尺寸。升降平臺在國內外的汽車、建筑中的應用已經相當成熟了但用于農業(yè)方面的還在起步階段，因此設計適合水果采摘的升降平臺是當務之急。1.3發(fā)展趨勢目前，從國內外農業(yè)機械的研究發(fā)展趨勢及全球科技的發(fā)展趨勢來看，新型使用的水果采摘升降平臺主要有以下趨勢。由于經濟的發(fā)展和升降平臺所提供的便利，應用升降平臺的場合越來越多，設計適應工業(yè)、農業(yè)、軍事等不同領域和場所的專用機械是未來液壓升降平臺的研究方向之一。針對不同需求設計的液壓升降平臺各有其特點。對于農業(yè)用的升降平臺要在行走過程中保持良好的平穩(wěn)性，在上升和下降過程中速度穩(wěn)定，以保障平臺操作者的安全。并且平臺的升降高度應適合使用場所，以滿足使用需求。平臺的各個零件都應符合農業(yè)的條件。在新的發(fā)展時代下，國家大力提倡節(jié)能減排，減少能源消耗和污染排放。在滿足使用需求的條件下應盡可能的減少能源消耗，降低污染物排放。所以開發(fā)環(huán)保節(jié)能型的產品是所有機械發(fā)展的必然趨勢。針對水果采摘升降平臺的應用場合和使用要求可以從以下幾方面入手實現節(jié)能減排：一是用電動機替換內燃機，使用清潔的能源，提高液壓系統(tǒng)效率和防滲漏，降低整體的噪聲；二是整體所使用的材料盡量是可再生材料；三是應用人機工程學改善工作條件，是升降平臺操作簡單，并且安全系數高。機電一體化指將機械、電子、信息處理和控制以及軟件有機地結合起來，以計算機為主要特征的自動化技術。目前國內外工程機械最顯著發(fā)展趨勢是機械的機電一體化。針對于液壓升降平臺在有坡度的地面工作時可以裝備帶傾斜儀的防側翻裝置。為及時對重要零部件進行維修檢查，可以配置傳感器，通過監(jiān)控分析傳感器信號，進行故障預測，及時排除潛在故障，保證機器正常使用。此外，由于人們對于機器要求的不斷增加，研發(fā)出能夠更加實現平穩(wěn)升降、節(jié)省人力、占用空間小、安全可靠并能迅速做出反應的液壓升降平臺車也是必然的趨勢。1.4設計內容結合果園的實際情況，參考現有的升降平臺，設計一種果園水果采摘升降平臺。對機構中的自走式部分和液壓升降部分進行設計計算，最終確定整體結構。通過對鉸架的各項受力分析，確定平臺與鉸架的載荷要求，最終完成液壓升降平臺的設計要求。此外，各零部件采用國家標準零部件，保證互換性。1.5設計意義果樹種植產業(yè)是不僅是新疆農業(yè)中重要產業(yè)之一，也是全國農業(yè)中重要產業(yè)之一。因為果樹近低不定等特點，為保護果樹枝干不受較大損壞，且減少水果收獲是的撞擊損傷設計一種水果采摘升降平臺以解決水果采摘時所遇到的問題。水果采摘升降平臺將改變傳統(tǒng)的勞動方式，改善農民的生活勞動狀態(tài)。在收獲時，由自動化、機械化采摘代替人工傳統(tǒng)的勞作，不僅能夠大大提高采摘效率、降低勞動強度，還能解決農業(yè)的勞動力不足的問題，提高經濟效率。2方案分析2.1升降方案分析比較經過查閱相關資料，對水果采摘升降平臺的設計初步擬定方案。如圖2-1所示，該方案將液壓缸一端通過軸固定在鉸架上，這樣液壓缸的一端能繞另一端在某個小角度內旋轉，能保證液壓缸具有較好的壓桿穩(wěn)定性，而且液壓缸作用在鉸架的實心截面處，使鉸架受力分配比較均勻[14]。另外，在此方案中，液壓缸的作用點較低，所以液壓缸的形成只需變化很小，便可以使載物臺實現較大幅度的升降，易于滿足設計要求，因此它能提高工作人員的工作效率。圖2-1液壓升降平臺方案2.2自走方案分析由于本次設計的是一種水果采摘升降平臺，工作環(huán)境在果園。工作環(huán)境及所需功率相較之農田有很大區(qū)別，主要充分考水果采摘升降平臺應該利于移動，重量不宜過大，我們用提高傳動裝置的效率的方式，并且傳動平穩(wěn)，從而來減少能耗，降低運行費用。所以選擇電動機作為行走的動力源，通過帶輪進行傳動，以達到要求。在滿足功能的前提下應盡量簡化以降低費用。2.3電動機的選擇根據本次設計要求，平臺總重為180kg,額定載荷為150kg。由此得平臺行走所需功率為0.5kw-0.6kw。選取直流電機型號為CV750-30-B，功率為0.75kw,輸入轉速為1450r/min，輸出轉速為50r/min。2.4確定傳動方案本設計的傳動方案采用的是帶傳動，是以電機驅動減速器，減速器與后輪軸以V帶傳遞動力。后輪所在的軸為動力輸入軸，從而帶動后輪旋轉，使整個平臺向前運動。之所以選用帶傳動是因為帶具有良好的撓性，可緩和沖擊，吸收振動。過載時帶輪與帶輪之間會出現打滑，避免了其他零件損壞，加之工作環(huán)境相對良好。由于本次設計選用的為減速電機，不必再計算減速器，只需計算帶傳動的相關數據。2.5帶輪及V帶的參數減速器輸出轉速為50r/min，后輪直徑為0.6m，要保證平臺平穩(wěn)動速度控制在0.7m/s-0.8m/s之間，則傳動比為i=1:2。由機械設計[1]圖8-11V帶選Z型帶，表8-9初選小帶輪直徑dd1為100mm。根據（2-1）式（2-1）得大帶輪直徑dd2為200mm。根據（2-2）式（2-2）初定V帶輪的中心距a0為420mm。由（2-3）式計算V帶得基準長度（2-3）由表8-2得Ld=1330mm。按（2-4）式計算實際中心距（2-4）得實際中心距a=430mm。為保證傳遞功率，選取V帶根數為Z=2進行傳動。2.6V帶輪的設計對于小帶輪，由則小帶輪選取為實心帶輪；對于大帶輪選用孔板帶輪，帶輪的材料選擇為HT200。由Z型帶，查表8-11可得bd=8.5mm，ha=2.00mm，hf=7.0mm，e=12mm，f=7mm，由式，d為軸的直徑得da1=84mm，da2=124mm2.7CAD模型圖2-2大帶輪CAD建模圖2-3小帶輪CAD建模2.8本章小結本章主要確定了水果采摘升降平臺行走方案及相關數據的計算。平臺的行走依靠減速直流電機提供的驅動力，經帶傳動將動力傳入后輪軸上，由此推動整個升降平臺的行走。3升降結構的設計3.1總體方案設計總體方案需要結合水果采摘環(huán)境，果園的行距一般為2.5m-3m，果樹高度大部分在2.8m-3.2m之間。這就需要使設計的平臺能在滿足工作高度要求的同時，能在果園中行動自如。本次設計的果園水果采摘升降平臺整體高度為0.8m,寬度為0.8m，工作行程0.5m-0.8m，滿行程時工作臺的整體高度要達到1.8m左右。3.2鉸架的設計1）鉸架1受力分析圖鉸架1受力分析如圖3-1所示，圖3-1鉸架1受分析圖圖中：，，；2）鉸架2受力分析圖鉸架2受力分析如圖3-2所示，圖3-2鉸架2受力分析圖圖中：，。以上圖中所示力的方向皆為事先假設力的方其中規(guī)定水平方向（x方向）上為正，向下為負；豎直方向（y方向）向右為正，向左為負。3.3力和力矩的分析計算鉸架上端鉸支受力先忽略平臺自重，則由圖3-1與3-2得因為所以，而，（令，且有，為軸承滾輪與平臺導軌槽間的摩擦系數），則至此能計算出、、2）整體受力分析計算對平臺、重物及兩鉸架組成的整體進行受力分析：（3-1）（3-2）3）鉸架1、2單獨受力分析對鉸架1單獨進行受力平衡分析：（3-3） （3-4）由（3-3）、（3-4）得（3-5）由（3-2）、（3-4）得（3-6）對鉸架2單獨進行受力平衡分析：（3-7）（3-8）2）力矩平衡分析若規(guī)定逆時針為正，順時針為負，則對鉸架1的C點的轉矩平衡得：（a）對鉸架2的d點的轉矩平衡得：（b）對O點的轉矩平衡得： （c）（d）又因為為軸承滾輪與底座導軌槽間的摩擦系數。因為鉸架3、4與鉸架1、2的受力狀況一樣，不再做詳細的計算。鉸架主要用于支撐升降平臺，是該液壓升降平臺的重要組成構件，因此其使用材料的性能至關重要，選擇型號為Q235的普通碳素鋼，根據以上公式計算初選實心截面基本尺寸為，長度約為1000mm。3.4鉸架彎矩圖分析圖3-3鉸架1受力分析圖3-4鉸架軸力圖圖3-5鉸架縱向剪切力圖圖3-6鉸架1縱向彎矩圖由上述圖有：（3-9）（3-10）其中則鉸架1所受最大拉應力為其中外鉸架1所所受最大壓應力為上式中的、產生于液壓缸作用點截面處，產生于o點截面處。圖3-7鉸架2受力分析圖3-8鉸架2軸力圖圖3-9鉸架2縱向剪力圖圖3-10鉸架2縱向剪力彎矩圖由上述圖有：（3-10）其中則鉸架2所受最大拉應力為；其中鉸架2所受最大壓應力為；其中上式中產生于o點處上半部分界面，產生于o點處下半部分界面。3.5鉸架有限元分析圖3-11鉸架1受力點靜應力分析圖3-12鉸架1受力位移變形分析圖3-13鉸架2受力點靜應力分析圖3-14鉸架2受力位移變形分析表3-1鉸架四點靜應力分析4液壓系統(tǒng)的設計4.1液壓缸的受力分析液壓缸受力公式的導出由（c)、（d)兩式得：、則可算出，。由上（5）、（6）式分別可得（e)(f)將以上（e)、（f)式代入至（a)式得：（g)至此可算出力F，由于這些力是按對稱鉸架的一邊來考慮的，所以F為鉸架與底座成時液壓缸所承受的一半力的大小。則其中：T-液壓缸受力大小4.2液壓缸最大受力時數值及角度計算分析鉸架與底座所成角度為，當為不同大小時，對應各鉸支點受力大小不同，從而液壓缸受力大小應不同?，F根據以上所列式子將部分關鍵數據輸入如下表4-1，表4-1關鍵數據12o18o24o30o36o42o48o54o60o-24.5-24.4-24.4-24.4-24.3-24.3-24.2-24.2-24.12447.72375.22268.92122.01923.61657.11295.8794.4212.312.212.613.113.814.816.117.920.423.21223.61258.41310.11382.01479.41610.51788.72036.22322.864.887.6106.8122.9136.3147.1155.3161.0163.8305.0270.0239.8212.9187.6163.3139.8116.998.428.3529.4029.9530.0729.8429.3228.5527.5726.62435435435435435435435435435206351939418310172841625315170139971270511517由上表得，當升降臺處于最低位置時，即12o時，液壓缸受力最大，此時有T=20635N，考慮到工作平臺，工作平臺導軌槽，鉸架等重量，經查閱相關資料[3]，可取一系數K=1.3，則液壓缸所受最大壓力為4.3液壓泵及液壓缸的設計及選型該液壓升降平臺的工作循環(huán)過程是：當工作平臺處于最低位置時，通過電機驅動液壓馬達，使平臺升起。在到達液壓缸最大行程時，平臺停止上升，液壓系統(tǒng)進入保壓階段；在升降過程中，升降臺的傾角不斷變化；打開換向閥，液壓升降臺開始下降，下降到最低點時停止運動，至此水果采摘升降平臺完成整個工作循環(huán)過程。在最低位置時液壓缸的推力最大，隨著平臺的上升，液壓缸的推力逐漸減小。根據設計的具體要求，液壓升降平臺的升降系統(tǒng)的動力源為電機所帶動的液壓泵，執(zhí)行元件為單作用液壓缸，其中液壓泵帶有卸荷閥并與油箱相連接，內部有一部分液壓回路。原理如下：當要使平臺上升時，電磁換向閥7左位接通，液壓泵3將油箱1中的油壓入液壓缸6中，從而將液壓缸活塞頂出，平臺上升。2）當要使工作平臺下降時，電磁換向閥7右位接通，液壓缸6中的液壓油在外載荷的作用下被壓出，經有換向閥和節(jié)流閥流回油箱，節(jié)流閥8則控制液壓油的流速，從而使整個平臺能平穩(wěn)的上升和下降。綜上所述，只需用油管將液壓泵出口連接至液壓缸的進油口即可組成一完整的液壓回路，如圖4-1所示，圖4-1液壓系統(tǒng)原理圖油箱，2.單向閥，3.液壓泵，4.單向閥5 溢流閥，6.液壓缸，7.電磁換向閥，8.節(jié)流閥9.電機其中1、2、3、4、5都集中在液壓泵中。由以上計算得出：液壓升降平臺處于最低高度，即12o時，液壓缸受力最大，此時液壓缸所受力是26826N。選擇缸的直徑為50mm的液壓缸，其所能提供的最大推力為31420N。輸出的壓力位為2，儲油量為1升，重量為12Kg,此外液壓泵配有高壓油管和接頭。由于液壓缸所承受的最大壓力位26826N，所以液壓泵至少要提供26826N的力，根據以上要求選擇液壓泵型號為KCB-200不銹鋼齒輪泵。由上得液壓缸需滿足行程為180mm,而液壓缸的直徑為50mm，則當升降臺達到最大高度時，液壓缸內儲油量為-2-22此外，此時液壓油管中也儲有一定量的液壓油，而液壓油管長度估計為0.8m，內徑為20mm,則油管儲油量為-22=0.251L為保證平臺的安全性，使用兩個液壓缸，則液壓缸儲油量至少應為L，少于液壓缸儲油量1L，故液壓缸儲油量足夠，滿足設計要求。5相關標準件的選型5.1軸承選擇軸承選用深溝球軸承，用在后輪驅動軸上，能同時承受較大的徑向載荷，游隙可調，裝拆方便，適用于剛性較大的軸，左右各一個，對稱安裝。表5-1軸承基本參數代號dDTBC0r/KN6007356219.751416.2滾動軸承的基本額定壽命L(106r)與基本額定動載荷C(N)、當量動載荷P(N)間的關系為：（5-1）對于深溝球軸承，ε＝3。軸上重量的估算：圓盤材料為灰鑄鐵HT250，質量密度為ρ=6.8~7.3g/cm3，取ρ=7g/cm3。帶輪材料為灰鑄鐵HT200，質量密度同上。所以在滿載的情況下軸承承受的總重量為220Kg，軸承所受徑向力2.2KN，不受軸向力。查表得：X=1，Y=0當量動載荷為P=1×2200=2200N用小時數表示軸承壽命為：（5-2）n表示軸承工作轉速，查表得n=50r/min.h農業(yè)機械軸承的預期壽命為：=3000—8000h。所以所選軸承可以長期使用。5.2聯(lián)軸器的選擇聯(lián)軸器是機械傳動中常用的部件。它主要用來聯(lián)接軸與軸，以傳遞運動與轉矩；有時也可用作安全裝置。聯(lián)軸器用來把兩軸聯(lián)接在一起，機器運轉時兩軸不能分離；只有在機器停車并將聯(lián)軸器傳動系統(tǒng)的斷續(xù)，以便運行變速及換向等。聯(lián)軸器所聯(lián)接的兩軸，由于制造及安裝誤差，承載后的變形以及溫度變化的影響等，往往不能保證的對中，而是存在著某種程度的相對位移。這就要求設計聯(lián)軸器時，要從結構上采取各種不同的措施，使之具有適應一定范圍的相對位移的性能。整個設計中只有一處需要用到聯(lián)軸器，即電機外伸軸與液壓泵外伸軸，選用的聯(lián)軸器為彈性柱銷聯(lián)軸器。彈性柱銷聯(lián)軸器是利用若干個非金屬材料制成的柱銷置于兩個班聯(lián)軸器凸緣的孔中，以實現連接。柱銷通常用尼龍制成，而尼龍具有一定的彈性。依靠彈性柱銷的變形，允許有微量的徑向位移和角位移。電機外伸軸徑為24mm，液壓泵外伸軸徑為20mm，所以選用的聯(lián)軸器型號為LT4，所用聯(lián)軸器材料為HT200。5.3鍵的選擇本次設計的鍵是聯(lián)軸器在電機外伸軸與液壓泵外伸軸周向定位所使用的鍵。鍵、軸和聯(lián)軸器的材料都是鋼，由《機械設計課程設計手冊》P-54表4-2查得許用擠壓應力[σp]=100~120MPa，取其平均值，[σp]=110MPa。鍵的工作長度l=L-b=53mm。鍵與輪轂鍵槽的接觸高度k=0.5h=4mm。由《機械設計基礎》P-158式（10--26）可得（5-3）由許用應力，故可見鍵合適安全。6主要零件建模6.1鉸架鉸架是本次設計最主要零件之一，該水果采摘平臺的升降及整機的安全性主要依靠鉸架的剛度，鉸架設計時應能承受理論設計的載荷。本章只展示與液壓缸相連的鉸架模型，如圖6-1所示：圖6-1鉸架16.2上板上板是作為采摘人員的操作平臺，上板表面必須有防滑措施，以保證采摘人員的安全。本次設計的上板加了防滑紋，并且應有與鉸架滾輪相配合的滾輪槽。上板模型如圖6-2所示：圖6-2上板6.3大帶輪及小帶輪本次設計的水果采摘升降平臺是以電機驅動可由操作人員控制行走的液壓升降平臺。傳動方案是以帶傳動，大帶輪及小帶輪模型如圖6-3所示：圖6-3大帶輪及小帶輪6.4底箱底箱是整個平臺的支撐，并且內部會放置整個液壓系統(tǒng)及蓄電池。底箱的模型如圖8-4所示：圖6-4底箱6.5整裝圖建模將各零件模型按一定配合關系組合在一起，生成整體的三維圖模型，本次設計的重點是機械部分，所以電路部分不在模型中。整體裝配圖如圖6-5所示：圖6-5整體裝配圖總結本次畢業(yè)設計我經歷查閱相關資料，果園實地考察，設計方案擬定等等步驟。最終經過幾次修改完成了畢業(yè)設計。本設計適用于果園或大棚中的水果采摘，不僅節(jié)省了勞動力，降低了勞動強度，也大大提高了水果采摘效率。幫助果農節(jié)省采摘時間，最大限度的保證了水果的新鮮入庫。在設計過程中，我也碰到了自己無法獨立解決的問題，但很感謝老師和同學們的耐心幫助，使我的畢業(yè)設計順利完成。經過本次設計，我也充分認識到了自己的不足，但通過不斷查閱相關資料，鞏固了大學所學的理論知識，并且能將所學到的理論知識與實際情況相結合起來，做到學以致用。致謝歷時將近兩個月的時間終于將這篇論文寫完，在論文的寫作過程中遇到了無數的困難和障礙，都在同學和老師的幫助下度過了。尤其要強烈感謝我的論文指導老師—王旭峰老師，王老師從選題指導、論文框架到細節(jié)修改都給予了細致的指導，提出了很多寶貴的意見與建議，不厭其煩的幫助進行論文的修改和改進。另外，在校圖書館查找資料的時候，圖書館的老師也給我提供了很多方面的支持與幫助。