某秸稈粉碎機的結構設計及計算案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u29207某秸稈粉碎機的結構設計及計算案例概述 1238851.1設計參數(shù)計算 2120051.2結構設計 3247341.3結構組成 4305601.1.1犁土刨根裝置 443561.1.2橫向秸稈切碎裝置 5177391.1.3智能化控制裝置 651361.1.4行走配套履帶車 6223721.4主要零部件的設計計算 7264171.5輸出執(zhí)行部分設計 8123841.5.1液壓原理 964641.5.2液壓電機的選型 9181171.5.3流量配比的模型 1195921.6主控制的控制系統(tǒng) 13140561.6.1粉碎機控制系統(tǒng)的概述 14167831.6.2液壓閉環(huán)控制的原理 15188691.6.3控制系統(tǒng)主程序設計 151.1設計參數(shù)計算根據(jù)前面資料可以初選鋸片的切割速度在15m/s-30m/s之間，考慮此設備可以適應秸稈的不同干燥程度，此處初步選擇為鋸片線速度V0為15m/s，鋸片的直徑為φ282mm，鋸片的轉速（1.1）以鋸片的轉速確定電機的轉速然后選擇所需要的電機速度和配套的減速機的速比和齒輪速比以及皮帶輪的速比。初選電機的功率為15KW.電機為二級電機，轉速為3000rad/min.初定兩鋸片中心距為210mm,即齒輪中心距為210mm,齒輪模數(shù)M為3，兩齒輪齒數(shù)和為鋸片傳動軸與主軸之間傳動選擇柔性傳動，皮帶傳動，皮帶輪傳動比為1.5，圖1.1皮帶輪傳動示意圖主軸與電機減速機為齒輪傳動，傳動比為1/1.33，1.2結構設計本切割機需要具備的功能及配套的實現(xiàn)裝置如下表表1.1所示。表1.1功能及實現(xiàn)裝置一覽表序號功能實現(xiàn)裝置1犁土刨根犁土刨根裝置2橫向秸稈輸送橫向秸稈輸送裝置3橫向秸稈絞碎橫向秸稈切碎裝置4縱向秸稈喂進縱向秸稈喂進裝置5縱向秸稈切碎縱向秸稈切碎裝置6秸稈還田或者收集秸稈收集裝置7智能化控制智能化控制裝置8行走行走配套履帶車1.3結構組成1.1.1犁土刨根裝置圖1.3犁土刨根裝置示意圖土刨根裝置的組成，犁土刨根裝置上圖中從左到右分別為（1）軸承端蓋軸承端蓋由螺栓固定在機架上，起固定軸承的作用，起轉動軸的橫向力的承受體的作用，蓋上面加工有油杯孔，上配有油杯，可以通過油槍加注潤滑油潤滑軸承，軸承端蓋與機架之間采用橡膠密封墊，或者涂密封膠防止漏油，（2）軸承軸承起支撐傳動軸的作用，兩側機架上均設有軸承，分別支撐傳動軸兩端，軸承外圈與機架采用過渡配合，軸承內(nèi)圈與傳動軸采用緊配合，確保軸和軸承轉動時沒有相對位移，保護軸承，保證傳動精度，軸承外側靠端蓋固定，內(nèi)側靠緊軸臺階，軸承的摩擦屬于滾動摩擦，摩擦系數(shù)一般為0.0008-0.002之間，阻力非常小。（3）端蓋透蓋由螺栓固定在機架上，起固定軸承的作用，與軸承端蓋一起將軸承定位，確保軸承不會軸向串動，透蓋與機架采用過渡配合，端面上加橡膠密封墊并涂密封膠，防止接觸面漏油，透蓋中心加工孔，讓傳動軸穿過，并加工與其配套的唇形密封圈的安裝孔，中間密封靠唇形密封圈和隔套之間的接觸密封。（4）端蓋A端蓋A穿在傳動軸上，起固定軸承和刨刀的作用，端蓋A的長度根據(jù)需要定位的零件的距離確定，厚度根據(jù)需要確定，端蓋A與傳動軸采用過渡配合，長度方向上也采用公差±0.01mm，來確保定位精度，防止定位的零件定位不準確發(fā)生穿動現(xiàn)象。（5）刨刀刨刀可以自制也可以外購，刨刀為易損件，要留備件，以便有損壞時更換，刨刀用螺栓固定在傳動軸上，安裝時要確保螺栓緊固到位，防止松動，每處刨刀為4把，均勻分布在傳動軸上，然后每間隔一定的距離設置一組，此處共有15組刨刀。（6）傳動軸傳動軸為動力的承載主體，帶動刨刀旋轉，承受扭矩，傳動軸的尺寸根據(jù)上面所需要固定的零件，以及需要承受的扭矩確定，還要考慮刨刀工作時需要考慮的撓度，要在一定的范圍內(nèi)，確保使用的穩(wěn)定性，傳動軸在制作時候要經(jīng)過熱處理加強其力學性能。（7）皮帶輪皮帶輪根據(jù)軸徑以及需要傳動的皮帶尺寸查表確定，可以鑄造，也可以用棒料或者鋼板加工，皮帶輪內(nèi)孔根據(jù)孔徑加工鍵槽，鍵將傳動軸和皮帶輪固定在一起，起到傳動扭矩的作用。（8）端蓋B端蓋B將皮帶輪固定在傳動軸上，防止皮帶輪串動，端蓋B上加工螺栓通孔，傳動軸上加工螺栓孔，兩個對稱布置，以防止傳動軸轉動時螺栓松動，端蓋脫落造成事故，此處也可以將端蓋B改成圓螺母加止動墊圈結構。功能簡介：皮帶帶動皮帶輪轉動，皮帶通過鍵將扭矩傳遞給傳動軸，傳動軸轉動帶動刨刀轉動，刨刀將秸稈根莖轉動刨出地面，然后被后邊的運輸裝置運輸?shù)椒鬯楣の弧?.1.2橫向秸稈切碎裝置圖1.5橫向秸稈切碎裝置示意圖橫向秸稈切碎裝置主要由兩根傳動方向相反的鋸片以及配套的傳動固定件組成，其主要零件構成如下：（1）皮帶輪皮帶輪通過端蓋和軸臺肩固定在傳動軸上，中間有鍵槽，通過鍵將皮帶輪和傳動軸固定。（2）齒輪齒輪配套使用，齒輪模數(shù)為3,通過隔套固定在傳動軸上特定位置，中間通過鍵和傳動軸相連，保持與傳動軸同樣的轉速，兩個齒輪為配套齒輪，中心距根據(jù)齒輪的模數(shù)和齒數(shù)計算確定，配套調(diào)整合理，此處為210mm,小齒輪寬度略大于大齒輪，小齒輪因為結構小重量輕中間不加工工藝孔，大齒輪由于尺寸大，如果制造為實心齒輪那么重量會很大，對傳動軸造成不必要的負擔，所以在中間留有工藝孔，以減輕重量并保留大齒輪必要的力學性能，工藝孔的設置參照機械設計手冊中樣式。（3）傳動軸傳動軸尺寸根據(jù)上面零件和機架尺寸確定，傳動軸為兩根，上面裝有傳動的皮帶輪、齒輪、隔套、鋸片等，中間加工通常鍵槽，所有鋸片和隔套透通過此鍵槽固定，并帶動鋸片旋轉，此鍵槽尺寸根據(jù)需要設置。（4）鋸片鋸片為齒式，固定在傳動軸上，鋸片可以外購，鋸片表面經(jīng)過熱處理，保證其必要的強度和硬度，鋸片為易損件，要留足夠配件，或者使用一段時間提前訂購配件，以防止損壞以后無件可用。（5）端蓋起固定皮帶輪的作用，如上面提到此處同樣可修改為圓螺母加止動墊圈結構（6）軸承端蓋固定軸承，上設置油杯起潤滑軸承的作用（7）透蓋固定軸承，中間設置唇形密封圈孔，密封軸承，防止?jié)櫥托孤?。?）隔套隔套有兩種，一種為固定鋸片使用，中間留有鍵槽，尺寸可調(diào)整，一種為通孔固定別的零件使用。（9）軸承起支撐傳動軸，減小傳動時摩擦阻力的作用（10）油杯、螺栓等標準件功能簡介：主要是將運輸裝置運輸?shù)酱颂幍慕斩捛兴?，兩組鋸片以不同速度旋轉，以20m/s的線速度，將運輸過來的秸稈鋸切為需要的小段，段長可以根據(jù)設置鋸片間距來調(diào)整，鋸片間距通過調(diào)整之間設置的距離套來調(diào)整，兩鋸片向不同方向旋轉確保了可以將秸稈鋸切碎，如為同一方向旋轉可能上面秸稈會被甩到下面料槽中，造成鋸切不完整。1.1.3智能化控制裝置智能化控制裝置主要構成如下：（1）攝像頭攝像頭為外購，攝像頭設置在本設備前面和后邊，主要用來收集圖形。（2）圖像處理器圖像處理器主要講攝像頭收集到的圖片處理，然后發(fā)送到識別模塊（3）識別模塊將圖像處理器發(fā)送過來的圖片進行識別（4）智能控制模塊主要控制本設備的執(zhí)行元件，比如粉碎機的抬起和下降，履帶車的前進和后退轉彎，粉碎機主電機的旋轉等（5）預警模塊主要對設備故障和特殊環(huán)境進行識別和報警功能簡介：智能化控制裝置，主要是設備在進入智能化控制模式的情況下，控制執(zhí)行元件進行必要的動作，完成智能農(nóng)作物秸稈粉碎機的自動運行。1.1.4行走配套履帶車圖1.9行走配套履帶車示意圖行走履帶車主要有履帶、履帶輪、支撐輪、傳動軸、離合器、發(fā)動機、車體等組成、履帶車位外購配套使用。功能簡介：履帶車主要為了配套該粉碎機使用，帶動該粉碎機前行、后退、轉彎、提起和方向該設備。1.4主要零部件的設計計算初步估計各傳動軸參數(shù)計算名稱計算及說明計算結果1.各個軸的轉速n1=3000r/minn2=n1n3=n2n4=n32.各個軸的功率P1=15kwP2=P1P3=PP4=P3各軸轉矩的計算T1=9550×T2=9550×T3=9550×T4=9550×初估各軸的軸徑d1≥C3d2≥C3P2d3≥Cd4≥C5.各軸的運動和動力參數(shù)表表1.2各軸的運動和動力參數(shù)軸號功率(kw)轉矩（N.m)轉速（r/min)1軸1547.7530002軸14.8547.279003軸14.70369.43804軸14.5547.271051.5輸出執(zhí)行部分設計1.5.1液壓原理1.14液壓系統(tǒng)原理圖1-同步液壓缸，2-液控單向閥，3-分流閥，4-三位四通電磁換向閥，5-壓力表，6-液壓泵，7-過濾器，8-油缸，9-二位二通電磁換向閥，10-溢流閥作為秸稈還田粉碎機設備，其整個液壓系統(tǒng)的動力來源于其電機。電機處由恒流量齒輪泵開始，油液從泵里輸出，整個液壓原理圖回路內(nèi)有溢流閥，其整個作用既是調(diào)節(jié)其工作壓力。從泵內(nèi)輸出的油會從三位四通電磁換向閥進入油缸內(nèi)，通過換向閥控制整個電機進行正、反轉，由壓力表可看出壓力的閥值。電機的正反轉是根據(jù)三位四通電磁換向閥來工作進行的，換向閥應該是由電磁鐵的吸力產(chǎn)生力的作用從而推進閥芯的變化用來變化液體的流轉方向。這種閥體在操作過程比較簡單，而且裝配位置很靈活，可以簡單地發(fā)生動作實現(xiàn)的自動化，而且整個過程應用很廣泛。整個控制系統(tǒng)應用的是將換向閥當做直流電磁換向閥進行應用的，整個電磁線圈電壓是24V，整個控制系統(tǒng)是通過電磁線圈電壓的發(fā)電機用來吸合來使得電磁線圈進行電機的正反轉。電機調(diào)整的速率是根據(jù)調(diào)速閥的比例控制的，電液控制是在開關控制以及伺服控制的特殊新種的控制方法。它能夠根據(jù)電信號的大小進行控制整個液壓系統(tǒng)的流量以及壓力還能實現(xiàn)距離之間的把控，又能夠節(jié)省成本還能保護環(huán)境實現(xiàn)經(jīng)濟性控制，各個方面相比于伺服系統(tǒng)都有著很大的優(yōu)勢。所以這類控制系統(tǒng)的設計性能的對技術以及設計的要求不高的工業(yè)設計部門。調(diào)速閥可以通過電液技術進行對閥芯的控制來進行運動，能按照電信號來控制閥體輸入處的大小，從而控制流量的多少。1.5.2液壓電機的選型根據(jù)設計要求，液壓的運行元件需要克服一定的負載按照規(guī)律進行運行，所以應該對各個元件進行運動與負載分析。所以本次設計了三個執(zhí)行機構應當從主機機構進行分析，都屬于回轉機構，其慣性負載是很大的，是整個機構運轉的重要的原因之一。在運行過程中，換向閥位于高位時，液壓油運轉到馬達之內(nèi)，整個驅動過程有著很大的回轉機構，從無轉速到額定轉速。液壓馬上上的負載（1.16）式子當中，Tm是液壓馬達軸的負載力矩；Te是液壓馬達軸的靜阻力矩；Tf是液壓馬到的摩擦阻力矩；Ti是液壓馬達軸的慣性阻力矩；Tb是根據(jù)系統(tǒng)引起的馬達阻力矩。背壓負載是根據(jù)液壓電機在運行過程中，回油背壓會造成較大的阻力與阻力矩。在液壓系統(tǒng)中電機還沒有選型之前，可以先不考慮負載用經(jīng)驗法進行確定。所以根據(jù)表2-1來列出集中值僅供參考。表2.1常見的背壓參考值系統(tǒng)類型背壓阻力系統(tǒng)類型背壓阻力中低系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)0.2-0.5MPa閉式系統(tǒng)1-1.5MPa回油路調(diào)速閥0.5-1.5MPa中高壓系統(tǒng)1.2-3MPa按照已經(jīng)有的電機相關參數(shù)，確定各個零部件機構以及轉速值，如表2.2所示。表2.2各執(zhí)行機構力矩以及轉速機構名稱靜阻力矩（）摩擦阻力矩（）慣性阻力矩（）轉速（r/min）出料機構5075050105進料機構25380600240粉碎機構1501200300590根據(jù)上表可以計算出，在粉碎機滿載過程中電機的最大力矩為Thmax：（1.17）由公式（1.2）可以得出進料機構滿載時，電機的最大力矩得出是850。（1.18）由（1.3）可以得出當粉碎機在開啟狀態(tài)下電機最大的力矩是1005。下面進而求出出料機構的馬達的最大轉速ncmax：（1.19）由公式（1.4）可以得出進料機構的最高轉速為105r/min。（1.20）由公式（1.5）可以計算出粉碎機構的電機最高轉速為590r/min。根據(jù)運算可知整個粉碎機構的滿載力矩是1005，整個電機的最高轉速是590r/min，而在實際運用當中，較高轉速的電機型號很少，所以要對其“降速增扭”，在原有的基礎上加一個減速器的傳動圖，如圖1.15所示。液壓泵站，2-液壓管路，3-馬達支座，4-液壓馬達，5-減速器，6-粉碎滾筒1.15粉碎機傳動示意圖根據(jù)1.15所示，根據(jù)轉速器需要知道最大扭矩與速比的要求，初步確定整個減速的速比是2.1，在進行減速器的配置以后整個馬達滿載力矩只需要600N。1.5.3流量配比的模型在進行整個機構的液壓流量分配的數(shù)學模型過程中，流量比例的分配的分析時十分有意義的，實際運用當中會經(jīng)常對一些數(shù)學模型進行假設，對這一些因素較小的變量是需要忽略的，所以要簡歷一個十分精準的數(shù)學模型。調(diào)速閥中的流量方程：（1.21）整個系統(tǒng)中的節(jié)流閥的流量方程：（1.22）式子當中各個字母表示的意義：Q1是通過減壓閥的流量，單位L/min；Q2是通過節(jié)流閥的流量，單位L/min；A1（x）是系統(tǒng)中減壓閥的同流面積，單位是；A2（y）是節(jié)流閥閥口的通流面積，單位是；C是閥口的流量系數(shù)；P1是減壓閥的輸入壓力，單位是MPa；P2是減壓閥的輸出壓力，單位是MPa；P3是節(jié)流閥輸出口的壓力，單位是MPa。在整個電流閥的運行過程當中，可以忽略閥芯的重力以及摩擦力的公式是：（1.23）式子當中，（1.24）公式（1.8）當中，K是閥芯當中彈簧的剛度，單位N/mm；X0是彈簧的原始長度，單位mm；是減壓閥的原始長度，單位mm；X是工作時閥芯的彈簧的開口長度，單位mm。式子（1.9）中，AT是閥芯中油壓的有效面積，單位是mm2；α是定壓閥的噴射角。將公式（1.6）代入到（1.9）中可以得出：（1.25）所以整個閥體內(nèi)調(diào)速閥的流量Q是：（1.26）根據(jù)公式（1.10）可以推出，整個調(diào)速閥的流量穩(wěn)定性與閥口的流量面積A以及閥口系數(shù)C等各個因素有關。流量系數(shù)與閥口的形狀等因素相關，但是節(jié)流閥的閥口開度取得一定的數(shù)據(jù)后，從資料上分析，整個節(jié)流閥的流量是一定的值。但是在客觀工作條件下，因為使用時間過長因為液壓油液的污染導致很多雜志摻在其中，都堆積到節(jié)流閥的閥口上，使整個閥口的實際閥口的寬度變小，所以在制造閥口的時候應當盡量將閥口的通道制作光滑，整個閥口的形狀應該做一個半徑很大的圓口。在整個節(jié)流閥的前后工作當中的壓力差是定值的，所以要通過減壓閥的閥口寬度來調(diào)整減壓閥的前后壓力差p1-p2，從另一方面來說可以改變減壓閥彈簧長度來更改整個減壓閥的差值。整個調(diào)速閥系統(tǒng)當中整個分流系統(tǒng)當中的壓力差的減壓閥來自動不長作為整個各個分流過程當中的壓力引起的工作流量變化，使得各個流量閥的流量都保持均勻而又平穩(wěn)。根據(jù)圖1.16所示，整個調(diào)速閥是根據(jù)減壓閥和節(jié)流閥串聯(lián)而形成的，當油液流入減壓閥的閥口的壓力是p1,輸出壓力是p2，當油液通過節(jié)流閥而流出的壓力是p3。整個節(jié)流閥的輸入口與輸出口是想換連接的，整個節(jié)流閥的輸出口與減壓閥的彈簧相互連接，所以整個節(jié)流閥的輸出口的壓力差值是p2-p3。，比例電磁鐵，2-節(jié)流閥閥芯，3-調(diào)速閥出口，4-泄油孔，5-節(jié)流閥閥芯彈簧，6-鼎茶減壓閥閥芯彈簧，7-鼎茶減壓閥閥芯，8-調(diào)速閥進口圖1.16電液比例調(diào)速閥的結構圖當整個電液閥的外負載的流量發(fā)生變化時，整個減壓閥的閥芯因為受力不均會發(fā)生移動，在整個彈簧力的作用下會致使整個調(diào)速閥達到穩(wěn)定的狀態(tài)。所以，整個減壓閥閥芯在處于穩(wěn)定狀態(tài)下，整個彈簧力與閥芯面積的比值時定額差值，所以，。1.6主控制的控制系統(tǒng)1.6.1主控單元主控單元主要是選擇PLC，同時也能夠選擇單片機當做控制核心。PLC作為特殊的電子控制裝置，它是選擇一種可以提供存儲的一種元件將編程的程序放入存儲器保存，整個過程是運算、控制等多種指令；而且能夠經(jīng)過輸入/輸出各種控制對機械產(chǎn)生一種制造的過程。將PLC運用到整個項目之中，方便其開發(fā)，而且在使用過程中十分便捷，整個硬件安裝齊全、而且零件適應性強，整個結構的可靠性也十分強，在整個系統(tǒng)進行安裝時，調(diào)試過程的任務量比較小，整個開發(fā)過程相對簡單。但是其缺點也存在，整個過程開發(fā)成本較高。在對于機械當中可將單片機視為主控的芯片，其他以外的處理信號的元件組成的主控單元，其中利用單片機的優(yōu)點在于能夠按照客戶的要求來對產(chǎn)品的開發(fā)，其整個經(jīng)濟效益比較差。但是單片機的使用又對設計人員水平要求高，整個編程過程中使用的工具也比PLC復雜。所以單片機比PLC其靈活性更高而且經(jīng)濟性更好。單片機的電路如1.17所示：圖4.17單片機主體電路1.6.2輸出電路整個主控電路過程其中運用的是24v的電機，整個電機當中的繼電器將電磁電磁線圈運用磁力將線圈移動、斷開，整個調(diào)速閥是用來控制電流的。繼電器輸出方面，整個輸出電路圖如圖4.18所示。圖4.18輸出電路1.6.1粉碎機控制系統(tǒng)的概述控制系統(tǒng)是整個機構工作系統(tǒng)的核心，是人機交互系統(tǒng)的關鍵平臺之一，結合整個機構的特點與設計任務書的要求，所以要實現(xiàn)機電與液壓一體化的控制。整個控制系統(tǒng)是對工作系統(tǒng)整個液壓系統(tǒng)的