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朝天椒收获机设计论文
河南农业大学
朝天椒收获机
设计说明书
学院:
机电工程学院
学生姓名:
指导老师:
设计说明时间：
二零一四年八月一号～十月一号
摘要
朝天椒是我国的重要经济作物。
国内的朝天椒种植面积日益增大，产量快速增长，但收获方式主要还是依靠人力采摘，作业量大、效率低。
针对朝天椒收获过程中手工作业耗时费力、效率低下的问题，我们应用Solidworks软件对朝天椒收获机的框架、采收、分离、清选等装置进行了虚拟三维设计和建模。
以零部件三维模型为基础，通过自下而上和自上而下的建模设计方法建立了朝天椒收获机的虚拟装配体模型。
以SolidWorks三维建模软件为平台对三维装配体模型进行干涉检查，使之能快速有效地得到改进，大大缩短了设计所需的时间。
通过SolidWorks运动算例实现在solidworks环境下收获机三维设计过程的运动仿真，向设计者展现出直观的运动，为朝天椒收获机后续各零部件的结构优化奠定了三维建模的基础；为同类机械产品的数字化设计提供了有效参考。
关键词：
朝天椒收获机；清选部件；方案设计；动力学仿真
Abstract
CapsicumfrutescensvaristheimportanteconomiccropsinChina.Domesticpodpeppercultivationareaisincreasing,rapidoutputgrowth,butharvestwaymainlyrelyonhumanharvest,homeworkaslargeandlowefficiency.
Formanualoperationintheprocessofcapsicumfrutescensvarharvest,therefore,time-consuming,inefficientproblem,weuseSolidworks
softwaretotheframeworkofcapsicumfrutescensvarharvester,collecting,separatingandcleaningdeviceforthevirtual3ddesignandmodeling.Basedonthemodelofthreedimensionalcomponents,throughthebottom-upandtop-downmodelingdesignmethodtoestablishthevirtualassemblymodelofcapsicumfrutescensvarharvester.WithSolidWorks3dmodelingsoftwareasaplatformtothe3dassemblymodelforinterferencecheck,makeitcanbeimprovedquicklyandefficiently,greatlyshortenthetimeneededfordesign.Builtintheassemblyof3dmodelasthefoundation,throughSolidWorksmovementexampleimplementedinSolidWorksenvironmentharvestpatternin3dmotionsimulationofthedesignprocess,designerstoshowintuitivemovement,forthestructureoptimizationofpartsofcapsicumfrutescensvarharvesterfollow-uplaidthefoundationof3dmodeling;Thedigitaldesignformechanicalproductsprovideseffectivereference.
Keywords:
Capsicumfrutescentvarharvester;TheCleaningparts;Theprojectdesign;Dynamicssimulate.
引言……………………………………………………………………………………………………………………………..1
第一章：
辣椒收获机的发展趋势……………………………………………………………………………………2
第二章：
朝天椒收获机的结构设计及工作原理………………………………………………………...3
2.1整机结构设计……………………………………………………………………………………………………………3
2.2行车装置……………………………………………………………………………………….…………………………4
2.3采收装置…………………………………………………………………………………………………………………..4
2.3.1采收台的结构设计……………………………………………………………………………………4
2.3.2弹齿的结构设计…………………………………………………………………………………………5
2.3.3弹齿滚筒的结构设计…………………………………………………………………………………5
2.3.4螺旋滚筒的结构设计…………………………………………………………………………………6
2.4清选装置…………………………………………………………………………………………………………………..7
2.4.1一级清选装置…………………………………………………………………………………………….7
2.4.1.1星形轮的结构设计………………………………………………………………………………7
2.4.1.2星形轮组的结构设计…………………………………………………………………………..8
2.4.1.3清选装置的机架设计…………………………………………………………………………..8
2.4.1.4一级清选装置工作原理……………………………………………………………………….9
2.4.2二级清选装置……………………………………………………………………………………………..9
2.5辣椒去柄装置……………………………………………………………………………………………………………11
第三章：
三维虚拟建模及零部件的有限元分析…………………………………………………………..12
3.1三维虚拟建模过程……………………………………………………..…………………………………………..12
3.2弹齿的静态分析……………………………………………………………………………………………………..13
第四章：
朝天椒收获机的特点…………………………………………………………………………………….14
结论………………………………………………………………………………………………………………………………14
参考文献………………………………………………………………………………………………………………..15
引言
朝天椒是对椒果朝天（朝上或斜朝上）生长这一类群辣椒的统称，是按果实生长状态分类的。
朝天椒的特点是椒果小、辣度高、易干制，主要作与福建辣椒王等干椒品种利用，与羊角椒、线椒构成我国三大干椒品种系列。
全国干椒栽培面积，朝天椒已跃居首位。
目前我国辣椒种植总面积达到140万hm2左右，辣椒面积70%左右，约100万hm2，其中朝天辣椒占辣椒的25%左右，约25万hm2。
朝天椒的特点是椒果小、辣度高、易干制，主要作为干椒品种利用，与羊角椒、线椒构成我国3大干椒品种系列。
朝天椒在我国大部分地区都有较悠久的栽培历史。
河南、河北栽培面积较大，贵州、重庆、山西、陕西、天津、安徽、山东、内蒙古次之，四川、湖南、新疆等省市也有栽培[1]。
庞大的朝天椒种植覆盖面积带来了丰厚的收入与充足的原材料。
然而朝天椒采摘问题严重制约了朝天椒种植的发展。
现今朝天椒的收获基本上还是依靠人工采摘，占用劳动力极大。
因朝天椒采摘时节正值棉花等作物成熟，人工采收的成本逐年上升，已占到朝天椒田间生产投入的30%以上。
我国的辣椒机械化收获发展严重滞后,限于早期国内较为落后的机械工业基础，作物的收获基本处在人工或半机械化采收的时期。
传统的辣椒采收机械主要针对线椒进行设计，结构简单、收获效率低、破损率高。
并且朝天椒的特性与线椒差异较大，传统的辣椒收获机更不适宜对朝天椒进行采收。
因此，我们通过对朝天椒特性的分析研究，设计出适宜采收朝天椒的收获机。
第一章辣椒收获机的发展趋势
近几年，我国农业机械化发展速度较快，农业机械化支撑农业发展的能力显著增强，加速了农业增长方式的转变和农业现代化进程，促进了农业劳动生产率和农业综合生产能力的提高。
但是，由于受我国农村经济发展水平、农业劳动力转移程度、农业经营规模和农机工业水平等多因素的影响，农业机械化发展出现了一些问题。
因此，有必要对农业机械化发展存在的问题进行深入分析，并寻找解决问题的对策，以促进我国农业机械化健康发展[2]。
国外发达国家经验证明，农业机械化是农业生产方式从传统农业向现代农业转变的主导力量。
在美国和日本等发达国家，农业从业人员占社会从业人员的比重都小于5%。
每千名农业劳动者拥有的拖拉机数量在550-1840台之间；农业劳动率高，其农业劳均增加值在2万-4万美元之间。
由此可见，不同农业生产要素反映出不同的农业生产能力。
农业机械是农业生产要素中影响农业劳动生产率的关键因素，对于提高农业生产能力将产生重要作用。
与发达国家相比，我国农业机械化整体水平仍处于农业机械化中级阶段的起步阶段。
农业生产以传统的生产方式为主，现代化的农业机械装备和技术等生产资料投入少，导致了土地产出率和农业劳动生产率低，农民收入水平低。
随着我国工业化水平的提高和农村经济的发展，农村农业劳动力数量、素质和结构正在发生着变化。
农村劳动力向非农产业转移，农业生产劳动力数量在减少，季节性劳动力不足，这种结构性的变化迫切需要发展农业机械化。
因此，积极推进农业机械化是提高劳动生产率和农民收入的必然选择[3]。
国外辣椒收获机械的研制已进入了稳步发展的时期,市场上的成熟产品较多,而我国辣椒收获机的研究还处于空白时期,市场上还没有成型的产品。
国外大量的辣椒收获试验表明,辣椒的品种对收获的效果有很大的影响,因此我国在研究开发辣椒收获机时,应根据地域条件及辣椒品种研究出适合本地的收获机械。
辣椒收获机在保证效率的同时,还要考虑到收获的质量。
我国在研究开始阶段,辣椒收获机基本靠引进国外技术,在借鉴国外辣椒收获机械的技术时,要结合农艺的要求,开发出具有自主知识产权的辣椒收获机械。
在完成产品批量生产的前提下,降低辣椒收获机的成本[4]。
第二章朝天椒收获机的结构设计及工作原理
2.1整机结构设计
整机结构如图1，车身整体尺寸为高2680mm、长5000mm、宽2200mm。
朝天椒收获机结构由行车装置、采收装置、输送装置、清选装置、去柄装置、收集装置等几大部分组成。
收获机的动力由柴油发动机提供。
总体来讲，该机是集采摘、输送、清选、去柄于一体的高效农业收获机械。
1．采收装置2.行车装置3.去柄装置4.清选装置5.收集装置
图1朝天椒整机示意图
2.2行车装置
1.驾驶室2.车轮3.发动机4.车架5.后桥
图2行车装置简图
行车装置由驾驶室、车轮、发动机、车架、后桥等组成，结构设计可靠。
该装置的零件主要是标准件，例如齿轮、发动机、带轮、轴等无需特殊加工。
行车采用后轮驱动，因此不会出现前轮扭矩分配不均产生的偏向问题，车重在前后轮之间分配更平均，提高了行车的操控性。
2.3采收装置
采收装置是朝天椒收获机的重要部分，该装置的工作效率直接决定了辣椒的采收率、破损率。
采收装置主要由弹齿、弹齿滚筒、螺旋滚筒、机架、侧板等结构组成。
其结构造型如图3。
弹齿滚筒式采收台不要求对行收割，可以大大提高采收的效率，适用于大面积种植基地的辣椒收获[5]。
2.3.1采收台的结构设计
采摘台的作业过程是使用弹齿滚筒将果实与部分茎秆、辣椒叶一起“梳”下后，经由螺旋滚筒送入传送带。
朝天椒植株高大约600mm～800mm，工作时，采收台距离地面300mm，采收台的升降通过液压系统控制，升降平稳准确。
采收时，弹齿滚筒带动弹齿进行回转运动，弹齿将植株上的果实、部分茎秆、椒叶
“梳”下后，在惯性作用下，采收物落在螺旋滚筒处，经由螺旋滚筒送入传送带。
1.弹齿2.螺旋滚筒3.机壳4.带轮
图3采收装置简图
2.3.2弹齿的结构设计
弹齿是模拟人手指的采收动作设计，弹齿固定在滚筒上，工作时，发动机通过带传动使滚筒转动，滚筒旋转时带动弹齿做回转运动，弹齿将辣椒从植株上“梳”下。
弹齿间隙为30mm。
弹齿使用直径6mm的延性铁制成，顶部呈160︒倾角弯折。
如图4所示。
弹齿顶部的倾角设计是为了防止采摘时辣椒脱落，也更容易将采摘下的辣椒抛到螺旋滚筒上。
弯折倾角的前半部分由橡胶套保护，可以有效减少对辣椒的损害，同时可以防止弹齿被腐蚀。
图4弹齿结构简图
2.3.3弹齿滚筒的结构设计
弹齿滚筒主要由弹齿、幅板、主轴等组成，其结构如图5所示。
滚筒直径为
240mm，工作长度2100mm。
1.弹齿2.主轴3.幅板
图5弹齿滚筒结构简图
2.3.4螺旋滚筒的结构设计
目前，市场上出现的辣椒采收机，采收部分在将辣椒采收后，果实直接进入传送带输送，辣椒掉落的情况比较严重。
因此，我们在弹齿滚筒后增加了螺旋滚筒，其结构如图6，螺旋滚筒上带有呈螺旋状的叶片，作用是将弹齿滚筒采收的果实集中在一起，在插齿拨动下进入传送带。
螺旋滚筒结构的增加，可以有效地避免辣椒在采收过程中大的损失。
图6螺旋滚筒结构简图
2.4清选装置
2.4.1一级清选装置
辣椒实现机械采收难度的主要在于采摘后辣椒与茎秆混合物的清选过程，清选装置必须保证清选高效、辣椒损伤度低。
本次设计使用星形轮组结构进行一级清选。
一级清选装置是由星形轮在轴上排列成星形轮组，再由星形轮组在机架上排列构成。
星形轮的排列间距过大，则清选快，杂质多；排列间距过小，则分离清选慢，杂质少。
需要经过试验来找到最为合理的间距大小[6]。
2.4.1.1星形轮的结构设计
星形轮的齿设计为带有弧度的结构，加快辣椒与茎秆的分离速度，同时减少齿轮对辣椒的损伤。
每个星形轮上有10个齿，星形轮厚度为10mm。
星形轮结构如图7
图7星形轮三维图
2.4.1.2星形轮组结构设计
图8星形轮组示意图
图9星形轮螺旋线排列图
星形轮组的排列方式对清选的效率有很大的影响，星形轮组选用螺旋线布置，星形轮间就比较稀疏，使得辣椒果实与莲杆能够比较彻底的分离，,且螺旋线形式有利于物料向外排出，所以一般采用螺旋线布置形式。
经过模拟测试后，选用星形轮间距D1为90mm，轮轴间距D2为135mm。
星形轮螺旋线排列如图9。
2.4.1.3清选装置的机架设计
分离装置负责将采摘头收集下来的辣椒与杂质混合物快速的分离开来。
在工作过程中，传动振动大，承受负荷大。
所以我们要设计一个稳定可靠的机架来保证清选分离装置的稳定性。
在保证结构稳定、可靠的前提下，尽量减少了机架的
重量。
整体参数：
长850mm、宽650mm、高780mm。
由钢制材料焊接而成，下脚可使用螺栓固定。
结构设计如图10：
图10机架的设计结构图
2.4.1.4一级清选装置工作原理
星形轮组在机架中采用螺旋线排列，工作时，传送进入清选装置的辣椒顺利掉落到下一个装置，而较长的茎秆则会沿着轴传送而出，达到清选分离的目的。
星形轮组结构工作原理：
辣椒体积小，可以从星形轮的间隙中落下，而茎秆则沿着轴与轮的传动排出[7]。
图11星形轮组工作示意简图
2.4.2二级清选装置
在经过星形轮组清选结构处理后，采收的果实中剩余的杂质主要是椒叶与较小的茎秆。
而解决此问题最常用也是最有效的方法就是利用风机增加气流分离装置[8]。
工作时，辣椒从星形轮分离清选机构中落下，在此位置使用风机对辣椒混
合物做二次清选。
农业机械上最常使用的是离心式风机，该类型的风机压力高，可以在复杂的工作管道系统中产生气流。
按照风压的大小，离心式风机可分为低压风机、中压风机、高压风机[9]。
根据实验，我们选择低压风机。
离心式风机的结构主要包括叶轮和窝壳部件。
离心式风机在开始工作时，动力带动叶片高速旋转，进入叶轮的空气也叶轮一同旋转。
由于离心力的产生，部分空气被甩出风机，此时风机内部产生一定的真空度，周围的空气因此不断进入风机，使风机内外气压相同。
1.风机主轴2.轴承座3.扇叶4.风机外壳
图12风机总装三维图
风机外壳是风机的重要组成部件之一。
该次设计风机外壳为简单的圆筒形。
外壳的作用是将气体导向机壳的出口处，同时将一部风气体的动能转化为静压。
风机机壳的性能也决定着气体动能和噪声问题
图13风机机壳三维图
2.5辣椒去柄装置
朝天椒在收获后，需要进行干制处理，得到干辣椒产品。
在干制前的处理中，辣椒柄的去除占用了大量人力。
然而市场上出现的多种辣椒收获机都没有去柄的功能，针对我们在气流清选装置清选后，增加了滚筒式的辣椒去柄装置。
去柄装置的整体装配图如图14。
该装置由去柄滚筒主轴、去柄刀片、支架、去柄滚筒等结构组成。
去柄装置工作原理：
经过前两级清选后，带柄的辣椒从右侧进入去柄滚筒，随滚筒转动，在螺旋叶片和惯性力的作用下辣椒柄进入壁孔，被壁外的去柄刀片切除。
去柄后的朝天椒从左侧落在传送带上，经由传送带进入料箱。
1.去柄滚筒主轴2.去柄刀片3.支架4.去柄滚
图14去柄装置三维图
第三章三维虚拟建模及零部件的有限元分析
3.1三维虚拟建模过程
零件装配是通过定义零件模型之间的装配约束从而确定各零件在空间的具体位置关系来实现的。
装配前应先理清思路，分析清楚整机的层次结构、零部件的约束、自由度和相对运动关系，朝天椒收获机的三维总体设计上采用自上而下的方法建立装配模型。
设计时将框架设为固定，其余零件按照和框架，或是零件之间加以配合的关系予以添加。
设计时需充分运用设计树的功能，将设计零件加以分类，修改时便于及时查找所需要零件的位置。
合理调用toolbox零件库运用toolbox零件自动配合功能加快设计进度，提高设计效率。
图15是设计完成的朝天椒收获机三维模型。
图15朝天椒收获机三维模型
在进行朝天椒收获机的三维建模设计时，为保证设计的零件形状大小合理，需充分运用solidworks检查功能。
利用剖切功能，可以及早发现涉及零部件结构的不合理之处，方便设计者修改。
装配中对可装配体进行静态干涉检查和动态碰撞检查，以保证任意两个零件在空间上不存在相互干涉，通过动态模拟运动零件的运动效果（转动的情况），便于从中发现问题，并及时修改。
3.2弹齿的静态分析
Simulation是solidworks软件的一个部分，能实现应力分析，频率分析，优化设计等功能[10]～[12].
在simulation中建立新算例，定义弹齿的材料为延性铁，设定约束，施加载荷，划分网格，进行分析，最终得到结果为弹齿各部分所受应力大小，产生的位移、应变大小。
如图16～18所示。
图16弹齿的应力云图
图17弹齿的位移云图
图18弹齿的应变云图
第四章朝天椒收获机的特点
辣椒生长周期短，产量高，市场前景好，所以种植面积快速扩大。
其中朝天椒以其优秀的特性成为其中的佼佼者。
朝天椒体型小，辣度很高，辣椒柄处较为坚硬，人工采收效率低。
此次朝天椒收获机的设计是针对采收困难、清选复杂、去柄困难进行的。
在查阅大量的资料后，决定使用弹齿与滚筒的组合进行第一步采收，此设计是针对茎秆坚硬但横向受力较脆的特点，使用弹齿将辣椒从植株上“梳”下，完成第一步的采收。
分离清选装置使用星形轮组结构，正是考虑到了朝天椒体型小，茎秆竖直坚硬。
使用星形轮组与轴的配合，可以使辣椒从星形轮间隙中漏下，而茎秆在轮组运动的带动下被分离出去，完成初步的清选。
风机清选则是传统收获机上必备装置。
因为采收装置将椒叶与茎秆同辣椒一同采下，所以经过初次清选的辣椒混合物中存在大量的椒叶，因此添加气流分选装置进行除杂。
滚筒去柄装置是针对朝天椒坚硬的辣椒柄，在后期的干制中辣椒柄会占用大量劳动力与时间，这项过程在使辣椒处理的过程成本居高不下。
因此，我们设计的滚筒去柄装置，该装置的工作原理是：
当辣椒在倾斜滚筒中翻滚时，辣椒柄进入滚筒上的壁孔，而被安置到去柄刀切除，完成辣椒柄的切除处理。
当然，这部机器的设计也有不足之处。
成熟的辣椒易损伤，本部采收机对辣椒进行了多次处理，很可能会加大对辣椒的损伤，因此我们一次次调整结构的调整，力求对辣椒的损伤降到最低。
结论
本文档详细分析了国内外朝天椒采收机械的现状与发展趋势，然后对自己设计的朝天椒采收机进行三维建模、静态分析、以及优化设计，得到了朝天椒采收机的三维模型以及结构优化尺寸。
朝天椒采收机在建模和装配过程中，三维建模软件发挥了重要的作用，通过软件设计出特殊部件以及调用自带插件生成标准件，经过虚拟装配、调试和修改等过程，完成了机械的设计。
参考文献
[1]刘颖,陈斌,张晓芬,耿三省.我国朝天椒生产的市场前景、存在问题及对策[J].蔬菜,2010,01:
34-35.
[2]余泳昌,梁跃东.推进农业机械化构建和谐新农村——河南农业机械市场调查[J].决策探索,2006,11:
36-37.
[3]冯启高,毛罕平.我国农业机械化发展现状及对策[J].农机化研究,2010,02:
245-248.
[4]胡爽吉,陈永成,袁银霞,韩玲丽.辣椒收获机的研究现状及前景[J].农机化研究,2011,08:
237-240.
[5]段以磊,孔令军,陈永成,雷明举,田括.弹齿滚筒式辣椒采摘装置采摘板椒的机械损伤特性与机理[J].中国农机化学报,2014,01:
79-82.
[6]雷明举,孔令军,陈永成,周红毅,段以磊,田括.弹齿滚筒式辣椒采摘装置的研究设计[J].中国农机化学报,2014,01:
161-165.
[7]袁银霞,陈永成,胡爽吉.对辣椒机械化收获中几种清选分离形式的探究[J].农业机械,2011,04:
98-100.
[8]袁银霞.辣椒收获机分离装置的设计研究[D].石河子大学,2012.
[9]刘艳艳.风筛式清选装置中离心风机的试验研究及仿真分析[D].江苏大学,2009.
[10]濮良贵，纪名刚.机械设计（第八版）[M].北京：
高等教育出版社出版，2008.4
[11]胡凤兰.互换性与技术测量基础.北京：
高等教育出版社出版，2008.4
[12]周开勤.机械零件手册[M].北京：
高等教育出版社出版，2009.11
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