溫室大棚自動(dòng)除雪機(jī)器人,溫室,大棚,自動(dòng),機(jī)器人 畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告(論文) 報(bào)告(論文)題目： 溫室大棚自動(dòng)除雪機(jī)器人 作者所在系部： 機(jī)電工程學(xué)院 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 摘 要 本文首先介紹溫室大棚除雪的意義，背景以及現(xiàn)狀與未來的趨勢(shì)。通過分析市面上已經(jīng)出現(xiàn)的除雪方式的優(yōu)缺點(diǎn)，得出我所設(shè)計(jì)的溫室大棚自動(dòng)除雪機(jī)器人，文中重點(diǎn)闡述了溫室大棚自動(dòng)除雪機(jī)器人的工作原理、結(jié)構(gòu)組成及設(shè)計(jì)和關(guān)鍵部件的選擇及其設(shè)計(jì)三部分內(nèi)容。其中本次設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處是除雪執(zhí)行機(jī)構(gòu)利用離心式吹風(fēng)機(jī)產(chǎn)生風(fēng)量吹拂積雪，同時(shí)吹風(fēng)機(jī)電機(jī)帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過連桿控制吹風(fēng)口仰角的變化，從而使吹雪機(jī)可以吹拂到溫室大棚各角度弧面的積雪，已達(dá)到徹底清除積雪的目的。本除雪機(jī)器人將凸輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與吹雪裝置結(jié)合為一體，結(jié)構(gòu)緊湊，使其高效，迅速，精確的清除大棚積雪，完成復(fù)雜的除雪工作。 關(guān)鍵詞: 溫室大棚 自動(dòng) 除雪 機(jī)器人 凸輪機(jī)構(gòu) I Abstract This paper first introduces the meaning, background and current situation and future trend of snow removal in greenhouse. Through the analysis of the advantages and disadvantages of the snow removal methods that have appeared on the market, the author has obtained the automatic snow removal robot in greenhouse. The paper mainly elaborates the working principle, structure and design of the automatic snow removal robot in the greenhouse, and the selection and design of the key components Three parts. One of the innovations of this design is the snow removal agencies use centrifugal hair dryer to produce air flow blowing snow, while the hair dryer motor drive cam mechanism rotation, through the connecting rod to control the opening angle changes, so that the snow blower can be blowing to the greenhouse Angle of the snow surface, has reached the goal of completely clearing the snow. The snow removal robot combines the cam rotor structure with the snow blower into a compact structure, making it efficient, fast and accurate to clear the snow in the greenhouse to complete the complicated snow removal work. Key words: greenhouse automatic snow removal robot cam mechanism II 目 錄 摘要 I Abstract II 第1章 概述 1 1.1 溫室大棚除雪目的 1 1.2 常用的溫室除雪方法及不足 1 1.2.1 人工除雪方法 1 1.2.2 融雪方法 1 1.2.3 機(jī)械除雪方法 2 1.3 發(fā)展趨勢(shì) 2 第2章 本溫室大棚除雪裝置工作原理及結(jié)構(gòu)組成 3 2.1 除雪裝置工作原理 3 2.2 除雪裝置的結(jié)構(gòu)組成 3 2.3 除雪效果表 4 第3章 除雪裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 5 3.1 底部支撐機(jī)架的設(shè)計(jì) 5 3.1.1 機(jī)架穩(wěn)定性計(jì)算 6 3.1.2 機(jī)架強(qiáng)度校核 8 3.2 橫向移動(dòng)平板小車的設(shè)計(jì) 8 3.2.1 移動(dòng)小車的設(shè)計(jì) 8 3.2.2 觸碰開關(guān)及防撞設(shè)備 9 第4章 設(shè)計(jì)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)及其部件選擇 11 4.1 吹雪機(jī)的設(shè)計(jì) 11 4.1.1 吹雪機(jī)的電動(dòng)機(jī)的選擇 11 4.1.2 吹雪機(jī)殼體及扇葉設(shè)計(jì) 12 4.2 減速器的選定及聯(lián)結(jié) 13 4.2.1 減速器的選定 13 4.2.2 聯(lián)軸器的選擇 13 4.3 凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 14 4.4 小車軸承設(shè)計(jì)和校核 16 4.4.1 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16 4.4.2 主軸的校核 17 4.5 鍵的選擇與校核 19 4.5.1 鍵的選擇 19 4.5.2 校核鍵的強(qiáng)度 19 4.6 平板小車變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)選擇 20 總 結(jié) 21 致 謝 22 參考文獻(xiàn) 23 第1章 概述 1.1 溫室大棚除雪目的 隨著國家政府對(duì)三農(nóng)問題的不斷重視，出臺(tái)了一系列農(nóng)業(yè)補(bǔ)助政策，北方溫室大棚的規(guī)模在農(nóng)村越來越大。然而北方冬季多雪，雪覆蓋在溫室大棚棚頂上勢(shì)必影響對(duì)溫室的透光性和保溫性，造成能源浪費(fèi)，抑制了喜陽莊稼的生長，若是遇到大暴雪，厚重的積雪就會(huì)壓垮溫室大棚，棚內(nèi)的莊稼被凍死，這不僅對(duì)經(jīng)濟(jì)造成不可估計(jì)的損失還會(huì)大大降低農(nóng)民的生產(chǎn)積極性，而且還可能存在安全隱患。每年冬季因不正當(dāng)除雪方式所造成的人員受傷，經(jīng)濟(jì)受損都不在少數(shù)。為使廣大農(nóng)民朋友能夠在冬季更安全，更省力，更高效，更低成本的完成除雪任務(wù)，我們需要不斷改進(jìn)現(xiàn)已有的除雪裝置，方式方法。 1.2 常用的溫室除雪方法及不足 1.2.1 人工除雪方法 人工除雪需要投入大量的人力，將棚頂上的積雪收集并運(yùn)輸?shù)胶线m的位置，使其自然融化。根據(jù)市面調(diào)查的數(shù)據(jù)得知，對(duì)于一個(gè)約110米長的大棚，需要4個(gè)人花3.5h才能完成除雪工作，工作時(shí)間長，效率低下，人工成本高。在清掃過程中工作人員可能存在安全隱患之外，還會(huì)對(duì)溫室大棚的骨架和棚膜也會(huì)造成一定程度的損壞。所以這一方法遠(yuǎn)達(dá)不到現(xiàn)代溫室大棚對(duì)除雪工作的要求。 1.2.2 融雪方法 化學(xué)除雪一般采用鹽或冰雪融劑作為融雪劑，融雪劑主要成分為氯化物和尿素，使用效果良好。但是化學(xué)方法除雪，不僅成本高，而且對(duì)環(huán)境也會(huì)造成一定程度的污染。根據(jù)冰雪融公司測(cè)算，1h㎡的溫室一次融10cm厚的雪需要約3.2萬元，融雪劑在一定程度上腐蝕PC板或塑料薄膜等覆蓋材料，影響溫室的使用壽命。因此，這種方法的使用所受到的限制較多。 加熱融雪法分為電加熱法和管道融雪法。電加熱法的工作原理為使純電阻式發(fā)熱元件通電發(fā)熱來使雪融化。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查得知，對(duì)于1h㎡的溫室大棚，融掉10cm厚的積雪需花費(fèi)約1.2萬元；管道融雪法是在水槽下方和溫室大棚棚頂下方布置幾排熱水管道，通過散發(fā)的熱量使大棚棚頂和水槽上方的雪融化，這是目前國內(nèi)外應(yīng)用次數(shù)最多的一種溫室除雪方法。但是這種除雪方法耗資甚巨，運(yùn)行和后期維護(hù)費(fèi)用高，對(duì)于1h㎡的溫室大棚，融掉10cm厚的積雪需花費(fèi)約1.3萬元。 1.2.3 機(jī)械除雪方法 機(jī)械除雪方法是通過對(duì)積雪進(jìn)行推，掃，吹等動(dòng)作而完成清除積雪的一種方法，這是我們比較傳統(tǒng)的除雪方法。目前，我國溫室大棚自動(dòng)除雪裝置的研制和發(fā)展處于起步階段，一般是在借鑒一些道路除雪設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，取得一定的成果。吳天鳳等人研制的基于慧魚模型的棚頂自動(dòng)除雪機(jī)器人，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、壓縮機(jī)等組成，雖然理論比較先進(jìn)，但難以應(yīng)用和普及；劉海峰研制的溫室大棚自動(dòng)卷簾除雪機(jī)，利用V形刮板刮雪實(shí)現(xiàn)除雪功能，但是刮雪板與大棚薄膜之間的動(dòng)作配合難以有效保證，所以除雪效率低下；周增產(chǎn)等人研制的整體輸送式溫室大棚除雪裝置，其除雪功能通過幕布和刮雪器實(shí)現(xiàn)，但是整套除雪裝置成本很高。綜合上述裝置的特點(diǎn)來看，除雪工作原理、技術(shù)方法越趨成熟，但在具體工作過程中，往往受到裝置本身問題、雪層厚度、工作部件配合等條件的限制，使得除雪裝置的應(yīng)用存在許多局限性。如此，在今后的研究中，我們需要考慮眾多實(shí)用性問題，與實(shí)際生活和以往成熟部分有效的結(jié)合起來，不斷的進(jìn)行優(yōu)化，研制出符合溫室大棚本身局限性的除雪裝置。 1.3 發(fā)展趨勢(shì) (1)研究溫室大棚結(jié)構(gòu)，通過力學(xué)性質(zhì)研究，建立標(biāo)準(zhǔn)化模型，以確保溫室大棚的承載能力，提高溫室大棚抗雪能力，為溫室大棚除雪設(shè)備的研究奠定基礎(chǔ)。 (2)在設(shè)備研究中，設(shè)備需要向小型化、高效率、易操作的方向發(fā)展。除雪設(shè)備的研制不僅要保證積雪的清除，保護(hù)溫室大棚結(jié)構(gòu)的不損壞，還要做到清雪高效，人員省力，設(shè)備操作簡易。 (3)向國際化靠攏，向多功能、一體化的方向發(fā)展。為提高機(jī)器的使用率，一機(jī)多用將是除雪機(jī)械的發(fā)展方向。國外現(xiàn)今多使用一體化溫室大棚，智能操控，集溫度，光照，澆水，除雪于一體。完全實(shí)現(xiàn)智能化，人員只需根據(jù)具體情況制定一定程序即可。而在此系統(tǒng)下，除雪裝置必將機(jī)電一體化，智能除雪。這需要由機(jī)械系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來才得以實(shí)現(xiàn)。這些都還處于研究和試驗(yàn)中，但不可否認(rèn)的是，終究這些都將實(shí)現(xiàn)。 (4)從低成本，環(huán)保，節(jié)省能源的角度出發(fā)，研制環(huán)保型的融雪劑。從而使傳統(tǒng)融雪劑的方法脫穎而出，研制出可生物降解、低成本的融雪劑，從而減少對(duì)環(huán)境的污染。現(xiàn)在有研究人員利用造紙液生產(chǎn)的復(fù)合融雪劑，進(jìn)行酯、酒副產(chǎn)物生產(chǎn)的融雪劑、酒副產(chǎn)物生產(chǎn)的融雪劑和其他非氯化物型融雪劑以及混合型融雪劑的開發(fā)。從根本上替代現(xiàn)在所使用的融雪劑，即可達(dá)到低成本融雪功能，又不污染環(huán)境。 (5)將除雪機(jī)、環(huán)保型融雪劑和人工除雪有機(jī)結(jié)合。集中人力和物力聯(lián)合開發(fā)除雪機(jī)械，早日研制出高性能、高效率的溫室大棚除雪裝置，減少人工除雪，實(shí)現(xiàn)全方位自動(dòng)化除雪。  第2章 本溫室大棚除雪裝置工作原理及結(jié)構(gòu)組成 2.1 除雪裝置工作原理 橫向移動(dòng)小車及軌道安裝于可移動(dòng)機(jī)架上，可移動(dòng)機(jī)架可使整體機(jī)構(gòu)移動(dòng)于多個(gè)溫室大棚之間，做到一機(jī)構(gòu)多大棚的除雪功用。橫向移動(dòng)小車通過變頻電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)皮帶促使其在大棚橫向移動(dòng)，在導(dǎo)軌兩端安裝有觸碰開關(guān)，以及彈簧。彈簧防止觸碰開關(guān)被小車撞壞，觸碰開關(guān)用來保障小車做往返運(yùn)動(dòng)，直至清除干凈積雪。小車上安裝平板，通過安裝于平板上的吹雪機(jī)動(dòng)力再由減速器減速帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)，使連桿促使吹雪口完成大棚縱向角度變化，從而可吹到每一角度面的積雪。 由于本除雪裝置需要達(dá)到低成本，高效率，自動(dòng)化等要求，在能夠滿足農(nóng)民需求的基礎(chǔ)上，我們所做的具體設(shè)計(jì)如下：1.機(jī)架安裝萬向輪，可使整體裝置移動(dòng)于各溫室大棚之間，一臺(tái)裝置，就可滿足長溫室大棚，多溫室大棚的除雪；2.由吹雪機(jī)的電機(jī)提供動(dòng)力促使凸輪結(jié)構(gòu)完成仰角問題，結(jié)構(gòu)緊湊，可清除各部位積雪；3.觸碰開關(guān)，凸輪結(jié)構(gòu)均保證裝置的自動(dòng)化除雪，高效，自動(dòng)，安全。 2.2 除雪裝置的結(jié)構(gòu)組成 除雪裝置主要組成部分：整體機(jī)架、橫向移動(dòng)小車、觸碰開關(guān)及防撞壞裝置、吹雪裝置、凸輪結(jié)構(gòu)、吹風(fēng)口控制裝置等。整機(jī)結(jié)構(gòu)組成如圖2-1所示。 1.溫室大棚；2.吹風(fēng)軟管；3.凸輪連桿；4.凸輪；5.聯(lián)軸器；6.一級(jí)減速器；7.小車導(dǎo)軌； 8.吹雪機(jī)；9.變頻調(diào)速電機(jī)；10.觸碰開關(guān)及防撞裝置；11.支板；12.機(jī)架；13.萬向輪 圖2-1 整體機(jī)構(gòu)示意圖 2.3 除雪效果表 雪的等級(jí) 小雪 中雪 大雪 暴雪 清除率 100% 97% 92% 87% 小雪：24小時(shí)內(nèi)降雪量小于2.5毫米的降雪過程。 中雪：24小時(shí)內(nèi)降雪量2.5～5.0毫米的降雪過程。 大雪：24小時(shí)內(nèi)降雪量5～10毫米的降雪過程。 暴雪：24小時(shí)內(nèi)降雪量大于10毫米的降雪過程。 鑒于近五年來北方?jīng)]有大暴雪和特大暴雪的氣象記錄，所以沒有收錄其中。以上為清除率為市場(chǎng)調(diào)查得知，當(dāng)降雪末尾時(shí)或雪停之后應(yīng)當(dāng)進(jìn)行除雪工作，不然等到雪停后一段時(shí)間空氣轉(zhuǎn)冷，雪層變得很硬，將使除雪工作變得有些棘手。 第3章 除雪裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 在一開始接到課題時(shí)，原本設(shè)計(jì)為一可在棚頂移動(dòng)除雪裝置，結(jié)推，吹為一體，利用寬履帶使其在棚頂行走。而且除雪機(jī)器人要在棚頂移動(dòng)需要復(fù)雜的鎖緊裝置和PLC控制知識(shí)，其挑戰(zhàn)也確實(shí)不小。在實(shí)地調(diào)查時(shí)，發(fā)現(xiàn)棚頂弧度較為陡峭，不利于棚頂除雪裝置在其棚頂移動(dòng)，而且除雪裝置在重量上要足夠輕盈，否則會(huì)壓垮棚頂結(jié)構(gòu)，對(duì)棚頂造成損壞。既然除雪裝置在重量上的局限性，某種程度上限值了除雪裝置的大小和除雪效率。我不得不放棄這個(gè)設(shè)計(jì)。而后開始現(xiàn)在這個(gè)設(shè)計(jì)，當(dāng)然在此過程中也同樣經(jīng)歷了很多次的修改，從一開始移動(dòng)小車鏈傳動(dòng)，過長的鏈到現(xiàn)在帶傳動(dòng)、導(dǎo)軌的軌跡限定；一開始的雙電動(dòng)機(jī)分別帶動(dòng)風(fēng)機(jī)和凸輪機(jī)構(gòu)，一提供除雪執(zhí)行，一提供整個(gè)除雪機(jī)的角度變化，成本高，工作原理不可靠。現(xiàn)在將其一體化，由吹雪機(jī)一個(gè)電機(jī)同時(shí)提供除雪執(zhí)行和凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，至此即降低成本，滿足工作要求，又使我們機(jī)構(gòu)更緊湊。簡便之中完成我們的除雪任務(wù)。每一次的改動(dòng)都是一次進(jìn)步。 現(xiàn)設(shè)計(jì)的溫室除雪裝置主要分為三個(gè)部分，分別為提供支撐及整體移動(dòng)的機(jī)架、提供橫向移動(dòng)的平板小車和進(jìn)行除雪任務(wù)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。具體的一些設(shè)計(jì)參數(shù)可根據(jù)溫室大棚結(jié)構(gòu)及溫室大棚所在地位置進(jìn)行修改。 3.1 底部支撐機(jī)架的設(shè)計(jì) 如圖3-1所示，考慮到成本，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，可移動(dòng)等問題，機(jī)架采用□50×5的材質(zhì)焊接而成?？招匿摬募瓤杀ＷC機(jī)架剛度及強(qiáng)度，又可以減輕重量，方便移動(dòng)。在頂部加裝平板，為橫向移動(dòng)小車提供安裝位置。在機(jī)架支撐桿部位，焊接橫桿，不光增加強(qiáng)度，也方便人員登上平板進(jìn)行后期維護(hù)維修作業(yè)，并可對(duì)設(shè)備自身進(jìn)行清雪作業(yè)。在最下方，安裝4個(gè)可固定萬向輪，在工作時(shí)可固定整體設(shè)備，提供穩(wěn)定性；非工作時(shí)，為整體裝置提供移動(dòng)能力，滿足較長溫室大棚除雪工作以及多個(gè)溫室大棚之間的交替除雪工作。在焊接過程中，注意防止穿透以及進(jìn)行時(shí)效處理，以保證整體機(jī)架的強(qiáng)度和剛度。 24 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 圖 3-1 機(jī)架示意圖 3.1.1 機(jī)架穩(wěn)定性計(jì)算 圖 3-2 除雪機(jī)器人平面圖 方法?計(jì)算整個(gè)裝置的重心位置，以機(jī)架平板為X軸，最左邊豎直支架為-Y軸。 鑒于除雪機(jī)在導(dǎo)軌上有兩個(gè)極限位置，在除雪機(jī)工作過程中，總重心位置在Z軸方向沿一直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)除雪機(jī)位于導(dǎo)軌中心時(shí)，所受的側(cè)傾的分力最大，所以以位于導(dǎo)軌中心點(diǎn)為例進(jìn)行分析。 本裝置的各個(gè)組成部分均為均質(zhì)物體。（A代表各個(gè)部件的橫截面面積） 各個(gè)組成部分橫截面面積和形心坐標(biāo)如下： 整個(gè)裝置的形心位置計(jì)算如下： (3-1) 機(jī)架和吹雪機(jī)的重量比約為3.3:2，則把整個(gè)裝置沿著X軸分為5.2份，機(jī)架部分約為2384mm.因?yàn)?793mm<2384mm,所以整個(gè)裝置在工作過程中不會(huì)發(fā)生側(cè)傾。 方法?將機(jī)架的重心、吹雪機(jī)的重心比作杠桿的兩端，整個(gè)工作裝置的形心位置（1793,225)為杠桿支點(diǎn)。建立坐標(biāo)系如方法?所示。除雪機(jī)工作時(shí)在導(dǎo)軌上有兩個(gè)極限位置，我們下面的計(jì)算以位于導(dǎo)軌中心點(diǎn)為例進(jìn)行分析。 機(jī)架的的形心坐標(biāo)計(jì)算如下： 機(jī)架形心坐標(biāo)（948，-462） 吹雪機(jī)的形心坐標(biāo)計(jì)算如下： 吹雪機(jī)形心坐標(biāo)（3130,374） 則機(jī)架的力臂長度為 吹雪機(jī)的力臂長度為 機(jī)架和吹雪機(jī)的比重比為3.2:2，則機(jī)架與吹雪機(jī)的力矩比為 10893.2:13452=1.3:1 結(jié)合方法?，?得出結(jié)論，在吹雪機(jī)工作時(shí)機(jī)架不會(huì)發(fā)生側(cè)傾。 3.1.2 機(jī)架強(qiáng)度校核 用45鋼，10根豎著放，位置為300×290。 截面特性：Ix=30.75cm4, Wx=12.3cm3, Iy=30.75cm4, Wy=12.3cm3,單位G=7.07Kg/m, S=7.63cm2 （1）計(jì)算其抗壓強(qiáng)度。，由于45鋼豎立，僅受重物壓力和地面支持力，其受到的剪切力可忽略不計(jì)。 45鋼的屈服極限為355MPa,45鋼的截面積為7.63 cm2. (3-2) 由拉伸/壓縮強(qiáng)度計(jì)算公式可知。 可知道架子上重物質(zhì)量小于110.5 t時(shí)，架子不會(huì)被壓塌。 （2）抗彎曲強(qiáng)度計(jì)算。45鋼許用彎曲強(qiáng)度為180MPa, 要求查表知對(duì)45鋼橫截面對(duì)X軸和Y軸的抗彎矩截面系數(shù)相等，為12.3 cm3。重物的重力為一個(gè)作用于架子中心的集中力F，將整個(gè)支架的四分之一隔離出來單獨(dú)分析，根據(jù)力矩平衡原理可知， 假設(shè)平衡力矩完全由45鋼提供，則由彎曲強(qiáng)度計(jì)算公式 (3-3) 可解得 由結(jié)果可知道架子上重物質(zhì)量小于1.8073t時(shí)，架子不會(huì)被壓彎。 （3）由于45鋼不受剪切力，故不計(jì)算抗剪切強(qiáng)度計(jì)算。 綜上（1）、（2）和（3），可以確定當(dāng)架上重物質(zhì)量小于1.8073 t時(shí)，架子穩(wěn)定。對(duì)于動(dòng)態(tài)載荷，當(dāng)其極限載荷小于15547.2 N就可靠。 工作部分的重量小于1.8073t,所以機(jī)架可以正常工作。 3.2 橫向移動(dòng)平板小車的設(shè)計(jì) 3.2.1 移動(dòng)小車的設(shè)計(jì) 如圖3-3所示，橫向移動(dòng)小車由導(dǎo)軌，小車車架，變頻調(diào)速電機(jī)，帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，觸碰開關(guān)等組成。車輪在導(dǎo)軌中行進(jìn)，使其保證移動(dòng)方向以及保證小車垂直方向的固定。變頻調(diào)速電機(jī)使小車移動(dòng)時(shí)滿足我們所需速度，根據(jù)積雪厚度來調(diào)節(jié)，保障除雪工作的完成。平板小車功能：1.為整體除雪裝置提供橫向移動(dòng)。 2.固定平板，為除雪裝置提供安裝位置，并限制縱向偏移。3.提供除雪速度控制，并依據(jù)積雪厚度調(diào)速。 圖 3-3平板小車示意圖 3.2.2 觸碰開關(guān)及防撞設(shè)備 如圖3-4所示，在變頻調(diào)速電機(jī)提供動(dòng)力，通過帶傳動(dòng)使小車移動(dòng)時(shí)，為滿足小車做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，特在導(dǎo)軌兩端加裝觸碰開關(guān)，在小車與觸碰開關(guān)接觸時(shí)，由于慣性原因可能會(huì)對(duì)觸碰開關(guān)造成損壞。為防止小車在移動(dòng)過程中損壞觸碰開關(guān)因此設(shè)計(jì)防撞壞裝置，裝置由兩塊1mm厚度鐵板構(gòu)成，一塊兩邊裝有可移動(dòng)支架，兩端加裝合金彈簧鋼材質(zhì)的彈簧，其彈簧行程為48mm，為小車改變行進(jìn)方向提供一定緩沖。 圖 3-4 觸碰開關(guān)示意圖 3.3 除雪執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 如圖3-5所示，整個(gè)除雪執(zhí)行機(jī)構(gòu)由吹雪機(jī)、減速器、凸輪、凸輪連接桿、支座、吹風(fēng)軟管等組成。設(shè)計(jì)其凸輪結(jié)構(gòu)與吹雪機(jī)相連，使其結(jié)構(gòu)緊湊，由吹雪機(jī)電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，再由一級(jí)減速器減速后促使凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)凸輪連桿，可以有效降低成本，獲得良好的工作性能，最終使吹風(fēng)口完成仰角變化，使整體機(jī)構(gòu)完成清除各角度部位積雪的工作要求。 1. 吹雪機(jī)；2.聯(lián)軸器；3.一級(jí)減速器；4.凸輪連桿；5.凸輪；6.支座；7.吹風(fēng)軟管 圖 3-5 除雪執(zhí)行機(jī)構(gòu) 第4章 設(shè)計(jì)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)及其部件選擇 4.1 吹雪機(jī)的設(shè)計(jì) 此吹雪設(shè)備是利用高壓離心通風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓原理和其所產(chǎn)生的風(fēng)量吹拂積雪。具有成本低廉，小功耗，便于維護(hù)，適用性強(qiáng)等特點(diǎn)。其主要組成部分包括電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、高壓離心通風(fēng)機(jī)、通風(fēng)軟管等。在溫室大棚除雪工作上使用，不僅功能性好，提高除雪效率，減少人員勞動(dòng)力，保障人員安全，還不易損壞溫室大棚棚頂結(jié)構(gòu)。 4.1.1 吹雪機(jī)的電動(dòng)機(jī)的選擇 （1）選擇電動(dòng)機(jī)類型 按照工作要求和條件，選用臥式電動(dòng)機(jī)。參照表4-1電動(dòng)機(jī)參數(shù)，通過綜合考慮，主要從流量、轉(zhuǎn)數(shù)、噪音等方面，最終選擇1.1-6三相電機(jī)，其轉(zhuǎn)速960r/min，噪聲65dB(A).滿足我吹雪機(jī)工作要求，且轉(zhuǎn)速適當(dāng)，可滿足我凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)要求。 表4-1 電動(dòng)機(jī)參數(shù) 機(jī)號(hào) 配用電機(jī)（KW-P） 轉(zhuǎn)速（r/min） 流量（m/h） 全壓（Pa） 噪聲dB(A) 3A 1.1-4 單相 1450 3500-4000 500-600 68 1.1-4 三相 1450 3500-4000 500-600 68 1.5-4 單相 1450 3500-4000 620-500 70 1.5-4 三相 1450 3500-5000 620-500 70 2.2-4 單相 1450 4100-5400 830-630 70 2.2-4 三相 1450 4100-5400 830-630 70 3.5A 3.0-4 三相 1450 4995-7640 1210-998 70 2.2-4 三相 1450 5100-6700 1200-1000 69 1.1-6 三相 960 3377-4436 523-438 65 圖4-2 選用電機(jī)圖 （2）選擇電動(dòng)機(jī)的容量 電動(dòng)機(jī)所需工作功率為 P= KW (4-1) 因?yàn)? = KW (4-2) 因此 = KW (4-3) 由電動(dòng)機(jī)至運(yùn)輸帶的傳動(dòng)總效率為 η= (4-4) 式中：η，η，η，η，η分別為帶傳動(dòng)、軸承、齒輪傳動(dòng)、聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率。 取η=0.96，η=0.98，η=0.97，η=0.99，η=0.96，則 η=0.96×0.983×0.99×0.96=0.83 所以 P===0.75kW （3）確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 電動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速設(shè)置：n==r/min. 故電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可選范圍為： nd= i×n=（6~24）×59.71=（358.26~1453.04） r/min. 符合這一范圍的同步轉(zhuǎn)速有：1680/1450/960 r/min. 綜上計(jì)算得出結(jié)果：減速電動(dòng)機(jī)應(yīng)選擇三相0.75W，轉(zhuǎn)速960r/min，1.1-6三相的臥式電動(dòng)機(jī)。應(yīng)工作需要，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸后端應(yīng)加長，便于連接減速器，帶動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)。 4.1.2 吹雪機(jī)殼體及扇葉設(shè)計(jì) 如下圖4-3（a）所示，殼體為鐵殼，接口處采用圓形接口，方便吹風(fēng)軟管的固定，使用M4的螺栓4個(gè)。其殼體材質(zhì)堅(jiān)固，能夠保證性能的穩(wěn)定可靠，扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)量集中，噪聲小，并且安裝方便。如圖4-3（b）所示扇葉采用多翼型扇葉盤，其安裝簡易，制作方便，產(chǎn)風(fēng)量大等優(yōu)點(diǎn)。 圖 4-3（a） 殼體 圖 4-3（b）扇葉圖 4.2 減速器的選定及聯(lián)結(jié) 4.2.1 減速器的選定 因吹雪機(jī)轉(zhuǎn)速過大，而為使整體結(jié)構(gòu)緊湊，使吹雪機(jī)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)凸輪結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，此處特需要將轉(zhuǎn)速降低，因此需連接減速器。本設(shè)計(jì)對(duì)減速器并沒有特定要求，只需選定即可，只需滿足我工作要求即可。由上文計(jì)算選定可知吹雪機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速為960r/min。查資料可知，減速器傳動(dòng)比范圍為3~6，此處我們選擇最大傳動(dòng)比6.則由減速器減速后慢速軸轉(zhuǎn)速為960/6=160r/min。 4.2.2 聯(lián)軸器的選擇 聯(lián)軸器如圖4-4所示，減速器快速軸與吹雪機(jī)電動(dòng)機(jī)軸連接處由柔性聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)。 圖 4-4 柔性聯(lián)軸器 選擇此種聯(lián)軸器有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）平衡各種相對(duì)位移偏差 （2）經(jīng)濟(jì)性很好 （3）無需維護(hù) （4）材質(zhì)為不銹鋼，在戶外耐腐蝕性較好 4.3 凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 如圖4-5所示，本凸輪機(jī)構(gòu)采用圓盤凹槽結(jié)構(gòu)，圓盤聯(lián)結(jié)于減速器慢速軸，通過轉(zhuǎn)動(dòng)，滾子在凹槽中隨路徑運(yùn)動(dòng)已達(dá)到我們工作需要。 圖 4-5 凸輪 為實(shí)現(xiàn)工作要求，滾子在凸輪凹槽中運(yùn)動(dòng)時(shí)，其凸輪圓盤直徑為700mm，凹槽外邊圓直徑為600mm，內(nèi)圓直徑為500mm，滾子直徑為100mm，而上部下降圓直徑為400mm，300mm.由此滾子在凹槽中運(yùn)動(dòng)時(shí)，其高度會(huì)降低160mm.當(dāng)然，其凹槽因技術(shù)要求，過度面光滑，以便于滾子順暢運(yùn)動(dòng)。 圖 4-6位移偏差示意圖 1. 滾子 2.凸輪連桿 3.控制吹分口端 4.凸輪凹槽 5.凸輪圓盤 6.支座 圖 4-7 凸輪連桿三維示意圖 如圖4-6所示，當(dāng)滾子高度降低160mm時(shí)，同時(shí)凸輪連桿相對(duì)應(yīng)的也會(huì)發(fā)生位移，而其控制吹風(fēng)口端會(huì)上移160mm，角度變化20?.當(dāng)滾子在最高點(diǎn)時(shí)，凸輪連桿控制吹風(fēng)口在低位置，此時(shí)吹雪機(jī)清除的是溫室大棚上半部分積雪；當(dāng)滾子滾轉(zhuǎn)至最低端時(shí)，凸輪連桿控制的吹分口在高位置，此時(shí)吹雪機(jī)清除的是溫室大棚下半部分積雪。由于凸輪連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，滾子隨凹槽軌跡運(yùn)動(dòng)，凸輪連桿隨之運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)吹風(fēng)口上下移動(dòng)，變化角度，不斷清除溫室大棚各角度面積雪。 凸輪以角速度ω按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，基圓半徑rb=25mm，行程h=4mm，根據(jù)反轉(zhuǎn)法原理設(shè)計(jì)凸輪輪廓曲線且步驟如下： （1） 取長度比例尺uL=0.001m/mm，畫出基圓和從動(dòng)件尖頂離軸心O最近是從動(dòng)件的初始位置，從動(dòng)件與凸輪輪廓在點(diǎn)BO(CO)杰出的位置。 （2） 在基圓上自O(shè)CO開始，沿ω的反方向量取推程角Φo=90?遠(yuǎn)休止角Φs=30?，回程角Φo'=60?和近休止角Φs=180?，并將推程運(yùn)動(dòng)角和回程運(yùn)動(dòng)角各分成若干等分，各分成四等分得C1、C2、C3、C4。 （3）過凸輪軸心O作上述各等分點(diǎn)的射線OC1、OC2......這些射線是反轉(zhuǎn)后從動(dòng)件在個(gè)個(gè)位置的曲線。 （4） 將從動(dòng)件的位移曲線上的推程角和回程運(yùn)動(dòng)角扽得分成作圖中對(duì)應(yīng)區(qū)間相同的份數(shù)，得等分點(diǎn)1，2……過各等分點(diǎn)分別做垂直于橫坐標(biāo)軸的直線，它們與位移曲線相交于1'、2'……則11'、22'……為凸輪在相應(yīng)轉(zhuǎn)角位置時(shí)，從動(dòng)件的位移量。 （5） 在各射線OC1、OC2……的延長線上從基圓開始向外分別量取位移量C1B1=11'，C2B2=22' ……于是得B1、B2……各點(diǎn)。 （6）將B0、B1、B2各點(diǎn)連接成光滑的曲線，此曲線即為所求的凸輪輪廓。 （7）根據(jù)圖中Φo=90?與等速運(yùn)動(dòng)標(biāo)尺上h/rb=0.6兩點(diǎn)以直線相連，該直線交αmax的標(biāo)尺與20?，于是αmax=20?對(duì)應(yīng)直動(dòng)從動(dòng)件的推程許用壓力角[α]=30?-38? 因此該凸輪機(jī)構(gòu)的最大壓力角[αmax]< 30?-38?。 根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在推程時(shí)，許用壓力角[a]的值一般是：對(duì)直動(dòng)推桿取[a]=30°，對(duì)擺動(dòng)推桿取[a]=35°-45°我們可以取凸輪壓力角為25°，基圓半徑的計(jì)算公式為： （4-5） 偏心距公式4-6 （4-6） 取許用壓力角， 推程時(shí) 回程時(shí) 代入基圓半徑公式可取，=120mm。 通常取滾子半徑=(0.1-0.5),我們?nèi)?0.3=2.4mm， 偏心距 4.4 小車軸承設(shè)計(jì)和校核 4.4.1 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （1）擬訂裝配方案 在主軸上裝配聯(lián)軸器，軸承，擋油環(huán)，軸套，底盤及去籽飛輪。 （2）根據(jù)定位要求確定各段軸的直徑和長度 預(yù)選深溝球6307軸承，因?yàn)橹鬏S為垂直傳動(dòng)。查機(jī)械手冊(cè)知，d=50mm，D=110mm，B=27mm，da=60mm。 ∴ d n=50342.9=1.71，則該軸承采用脂潤滑。 軸承端面和帶輪端面到殼體內(nèi)壁的距離分別取值為10mm、15mm。 I-II段軸用于裝配底座飛輪，取直徑為26mm，軸長為56㎜。II-III段軸用于軸承及一部分外部延伸軸的安裝，外部延伸軸要方便拆卸的。帶輪需要軸肩定位，則軸肩高度為h=600.07+2=6.05㎜，軸徑取為34㎜。半連軸器右端面與軸承端蓋的外端面間的距離為I=60~70mm， 軸承厚度為t=（1～1.2）d3 取t=10mm。因此軸長取50㎜。III-IV段軸用于安裝軸承和擋油環(huán)，則直徑為30mm.，軸長為36mm。 圖4-8軸的二維零件圖 4.4.2 主軸的校核 (4-7) 求垂直面的支承反力 F==39.02 (4-8) F= F—F=39.05 ②求水平面的支承反力（圖c） F=F==45.46 (4-9) ③繪垂直面的彎矩圖（圖b） M=F=83.55 Nm (4-10) M= F=60.45 Nm ④繪水平面的彎矩圖（圖c） M=F=19.05 Nm (4-11) ⑤求合成彎矩圖（圖e）。 M== 21.35Nm M= = 20.29 Nm (4-12) ⑥求軸傳遞的轉(zhuǎn)矩（圖f） T= F×=16.96 Nm (4-13) ⑦求危險(xiǎn)截面的當(dāng)量彎矩 校正系數(shù)α=[σ-1/σ0]=0.6 α=0.6×106.96=64.18 從圖可見，a-a截面最危險(xiǎn)，其當(dāng)量彎矩為 M==22.07 (4-14) ⑧⑴計(jì)算危險(xiǎn)截面處軸的直徑 軸材料為45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理，得σ=650 MP， 得許用彎曲應(yīng)力=55 MP，則 d≥ mm 考慮到鍵槽對(duì)軸的削弱，將d值加大5％，故 d=1.05×58=60 mm 取軸徑，合適，安全。 4.5 鍵的選擇與校核 4.5.1 鍵的選擇 軸Ⅰ、軸Ⅱ上所需開鍵槽的軸徑分別為： d=26mm，d=34 mm， 軸段長度分別為： L=56mm，L=50mm， 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)P51可得： 選擇A型圓頭普通平鍵，其參數(shù)分別為： 鍵Ⅰ：鍵寬 b=8 mm 鍵高 h=7 mm 鍵長 L取40mm 鍵槽 t=4.0 mm，t=3.3 mm， 鍵槽倒角 r=0.25~0.4 鍵Ⅱ：鍵寬 b=14 mm 鍵高 h=9 mm 鍵長 L取90 mm 鍵槽 t=5.5mm，t=3.8 mm， 鍵槽倒角 r=0.25～0.4 4.5.2 校核鍵的強(qiáng)度 鍵Ⅰ：鍵聯(lián)結(jié)的許用擠壓應(yīng)力為： =50-60， 由平鍵聯(lián)結(jié)的擠壓強(qiáng)度條件 (4-15) 得： 因?yàn)椋? 故鍵Ⅰ是安全的，合適。 鍵Ⅱ：可知 =50-60 由 因?yàn)椋? 故鍵Ⅱ是安全的，合適。 4.6 平板小車變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)選擇 為滿足小車橫向移動(dòng)的速度控制，根據(jù)積雪的厚度來控制電機(jī)速度，以滿足完全清除積雪的工作。現(xiàn)特選用變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)。通過查詢資料得出： 表 4-2 變頻調(diào)速電機(jī)參數(shù) 電機(jī)型號(hào) 功率W 電壓V 頻率Hz 電流A 起動(dòng)轉(zhuǎn)矩mN.m 額定轉(zhuǎn)矩mN.m 額定轉(zhuǎn)速r/min 時(shí)間定額min 電容 圓軸電機(jī) 光軸電機(jī) 21K6WC1-A1 21K6WC2-GN 6 1PH110(單相) 50 0.22 38 47 1250 連續(xù) 2/250 21K6WS3-A1 21K6WS3-GN 6 3PH380(三相) 50 0.11 38 47 1250 連續(xù) 1.0/ 450 21K6WS2-A1 21K6WS-GN 6 3PH220(三相) 50 0.05 100 47 1250 連續(xù) 21K6WS3-A1 21K6WS3-GN 6 3PH380 50 0.03 100 47 1250 連續(xù) 根據(jù)工作要求，技術(shù)參數(shù)，現(xiàn)特選定21K6WS2-GN型號(hào)變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)，具有自起動(dòng)、加速、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、掣住等能力。此電機(jī)采用精密數(shù)控機(jī)床加工，同心度、位置精度可以達(dá)到IT6級(jí)。箱體四角采用雙立柱形式的高剛性結(jié)構(gòu)，振動(dòng)小可以有效降低噪音。電磁系統(tǒng)經(jīng)過電腦全方位優(yōu)化，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)效率高，溫升低 。采用H級(jí)（180℃）漆包線及絕緣材料，杜絕了漏電、放電的危險(xiǎn)，安全余量大。而且在工作過程中不會(huì)產(chǎn)生煙塵和難聞的氣味，不污染環(huán)境。完全滿足工作要求，并且可靠，安全。 總 結(jié) 本次溫室大棚除雪裝置的設(shè)計(jì)，讓我從以往的純理論知識(shí)到結(jié)合實(shí)際去設(shè)計(jì)、去研究一個(gè)裝置，這已然從根本上讓我進(jìn)步。本設(shè)計(jì)通過可移動(dòng)的機(jī)架滿足整體裝置在較長溫室大棚和多個(gè)溫室大棚之間的除雪工作，其機(jī)架還方便可以上上去，以便于機(jī)架的積雪清除和設(shè)備的維護(hù)，保護(hù)溫室大棚的軟篷骨和棚膜。在機(jī)架上通過橫向移動(dòng)小車保證除雪裝置的橫向位移，為滿足往復(fù)運(yùn)動(dòng)，特在小車導(dǎo)軌兩端加一觸碰開關(guān)，并設(shè)計(jì)觸碰開關(guān)防撞設(shè)備。除雪執(zhí)行機(jī)構(gòu)由吹雪機(jī)、減速器、凸輪機(jī)構(gòu)等組成。由吹雪機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生風(fēng)量吹拂積雪并通過減速器減速后帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)，使凸輪連桿聯(lián)動(dòng)吹雪口，改變吹雪角度，滿足大棚各角度的積雪的清除。整體設(shè)計(jì)，完成了低成本、低功耗、機(jī)構(gòu)緊湊、設(shè)備自動(dòng)化等工作要求。為農(nóng)民的冬季積雪清除解決問題，既可以有效得清除積雪，又省力安全。從最開始的設(shè)計(jì)到現(xiàn)在的設(shè)計(jì)成型，無數(shù)次的改動(dòng)，甚至徹底推翻一切想法，從頭來過，但一次次的改進(jìn)對(duì)我而言都是一次明顯的進(jìn)步，從中汲取到的知識(shí)也是顯而易見的。當(dāng)然，在這過程中少不了老師和同學(xué)的無私幫助，是大家讓我進(jìn)步如此。 致 謝 歷時(shí)兩個(gè)多月的時(shí)間，我終于完成了最終的畢業(yè)設(shè)計(jì)，期間經(jīng)歷了無數(shù)次的修改，在修改過程中除了到圖書館瘋狂查閱資料以外，還要結(jié)合實(shí)際，去做調(diào)查問卷，向溫室大棚棚主了解現(xiàn)實(shí)生活中真正除雪的方法和現(xiàn)況。在此，我由衷的感謝我的畢設(shè)老師---陳明老師。陳老師身為我校圖書館館長，事務(wù)繁忙，雖然很少見到面，但是老師不忘在QQ上和我們交流，進(jìn)行指導(dǎo)。在這無數(shù)次修改中，其中有2/3是陳老師給我指出的，還給了我很多建設(shè)性的指導(dǎo)意見，使我受益良多。其中一番話我記在了心里，不管設(shè)計(jì)什么東西，都要和實(shí)際相結(jié)合，真真正正能在實(shí)際生活中使用并能提高效率，否則就是花架子，只能存在理論上，華而不實(shí)，這是大忌！ 在開題答辯時(shí)，感謝付宏歌等幾位老師，指出了我致命的問題，的確我在開題報(bào)告中給自己定的目標(biāo)過大，否則在畢業(yè)答辯中開題報(bào)告定下的目標(biāo)沒有完成，那就只能掛了?，F(xiàn)在想想都有些后怕。再次感謝幾位老師的悉心指導(dǎo)。在畢業(yè)設(shè)計(jì)階段，原來教過我的老師和現(xiàn)在的同學(xué)也給與了很多實(shí)質(zhì)性的幫助，因?yàn)槿藬?shù)過多，我就不一一列舉了。沒有你們的付出與幫助，我是萬萬不能完成此次畢業(yè)設(shè)計(jì)，在此我深表感謝！ 感謝在我求學(xué)路上遇到過的所有老師、同學(xué)以及幫助過我的人，感謝你們的無私付出與奉獻(xiàn)精神。最后，感謝諸位答辯老師對(duì)我的畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行審核和指導(dǎo)！ 參考文獻(xiàn) [1]于克強(qiáng),王雙喜.我國溫室屋面除雪的研究現(xiàn)狀和趨勢(shì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2011,7（61）：233-239. 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