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1、摘要:11绪论21.1 研究背景21.2 研究目的和意义31.2.1 研究目的31.2.2 研究意义313辣椒收获机国内外研究现状41.1.1 国外研究现状41.1.2 国内研究现状51.4 研究内容61.5 课题创新点62辣椒收获机的总体方案设计72.1 贵州辣椒的种植模式及特征介绍72.1.1 辣椒的种植模式72.1.2 辣椒及植株的外形参数72.2 设计原则和设计思路82.2.1 设计原则82.2.2 设计思路92.3 整机工作原理92.4 本章小结113关键部件的结构设计与分析123.1 采摘结构的设计123.2 传送装置设计143.2.1 传送带结构设计143.2.2 传送带主要工作
2、参数153.3 清选装置设计163.4 行走机构设计173.4.1 驱动功率计算173.4.2 行走机构的结构设计183.4.3 链传动设计193.4.4 轴承选型193.4.5 主轴设计及校核203.5 本章小结22参考文献23致谢25附录错误!未定义书签。适用山地的小型辣椒收获机的设计摘要：近年来，辣椒种植业在山地地区得到了迅速的发展，目前，其种植的面积在不断的扩大。而靠人力来手工采摘辣椒已经不能够适应目前发展状况，由于秋季农忙季节劳动力紧缺，劳动力成本也随之增加，因此急需研究辣椒收获机械化作业。由于我国装备制造业与欧美等发达国家相比起步较晚，有关农业机械方面的研究还是处于一个刚刚起步的阶
3、段。针对上述问题，提出了一种适用于贵州山地大棚地区的小型辣椒收获机的设计方案，其中收获流程包括采摘、传送、清选、收集四个步骤，并根据朝天椒采收特点和流程设计零部件结构，建立辣椒收获机的三维虚拟样机。关键词:山地地区；小型收获机；辣椒收获1绪论1.1 研究背景在日常生活中，人们比较喜食的调味品之一就是辣椒，因为其中具有丰富的营养元素，对人体健康有利，是人们日常生活中最常见的蔬菜种类之一山。辣椒种植面积仅次于白菜,但辣椒效益、产值及其营养价值已远远高于白菜等经济作物。同时，辣椒含有一种天然的色素，即所谓的辣红素，作为一种天然色素的辣红素，其具有广泛的用途，从辣椒中提取辣红素是高新技术产业发展之一，
4、受到国家的鼓励和支持，随着这项技术的日益成熟，辣椒的需求量将会大幅增长。同时辣椒中营养元素含量丰富，如含有胡萝卜素、维生素C等，其具有抗癌作用，有利于人体的健康。相关的研究表明辣椒具有如下的功效：食欲能够得到增强、消化能够得到促进，并且能够使得癌细胞有效的得到抑制。同时辣椒种植适应性广、产业链长，从而受到世界各国农业生产部门的高度重视。朝天椒的主要用途有两个方面，一是将辣椒作为蔬菜食用，这是辣椒主要的消耗形式，二是将辣椒制干加工，也占了一大部分比例。辣椒的初级加工产品主要有辣椒酱、辣椒油、辣椒粉、辣椒干。对辣椒进行深加工，可以得到如下的产品：辣椒籽油、辣椒素、辣椒碱以及辣椒红素。随着人们生活水
5、平的提高，辣椒加工技术的发展，提高了辣椒深加工产品的附加值，因此对辣椒的需求量逐年提高。朝天椒产业作为贵州的重要产业之一，属于20132020年特色农产品区域布局规划，是地方财政和农民收入的重要来源之一。因贵州地形地貌十分复杂，山地为74.2%、丘陵为10.3%、高原为7.3%、平原为8.2%,主要以山地和丘陵为主,农业种植模式多为隔坡梯田，为中间间隔树林带或道路的阶梯状种植区域,地形复杂且起伏较大，不适合大中型农业机械进行田间作业。且贵州辣椒种植产业多以个体户和零散种植为主，以家庭为单位，种植区域分散，多以大棚种植在农业技术和农业设备的经济投入十分有限。随着中国现代化进程的推进，城市各行各业
6、需要大量青壮劳动力，这促使农村劳动力进一步流入城市和工厂，造成农业从事人员极大减少，农村劳动力严重不足。现辣椒的采摘方式比较落后，仍是以人工采收为主，采摘人员劳动强度大，采摘效率低，这极大限制了贵州辣椒产业的高速发展。针对贵州山地丘陵地区的辣椒产业，急需一种适应山地大棚地形和朝天椒种植农艺，采摘效率高，成本低的辣椒收获设备。此类辣椒收获机的研发，需要考虑贵州的山地大棚地形和分散种植的特点，再结合朝天椒植株和辣椒物理特性参数对朝天椒的采摘、分离、清选和收集进行研究，将多个工序合理整合集中到一台设备;整机结构要求紧凑精简,操作方式方便灵活,符合人体工学，功能完备，能极大减轻人员劳动强度，提升辣椒采
7、摘效率。因此研究能够适应贵州山地大棚地形，和朝天椒种植农艺的辣椒收获机具有非常重要的现实意义，能够提高产业综合效益，促进辣椒产业发展，提高贵州农业机械化综合水平。1.2 研究目的和意义1.2.1 研究目的随着当今社会经济、科技的不断提升,应用于农业生产机械设备也不断普及。作为辣椒生产大省的贵州在种植收获方式上仍比较落后，现急需一种适应贵州山地大棚地区的辣椒收获机。国外很早就对辣椒收获设备进行了研究，现已有几类比较成熟的辣椒收获机；而国内对辣椒收获机的研究相对较晚，现有新疆石河子大学和甘肃农业大学成功研制出了适应当地需求辣椒收获的设备，但这些设备无法应用于贵州地区。在分析和研究国内外辣椒收获机械
8、后，充分考虑到贵州当地的复杂地形和种植区域分散的特点，研制一款小型手扶式辣椒收获机，用以解决中大型辣椒收获设备无法应用于山地大棚地形的问题，优化采摘人员的劳动作业强度，提高辣椒的采摘效率，降低整体采收成本，提高辣椒产业整体效益，减轻农村劳动力不足，响应农业现代化的发展主题和“中国制造2025”的国家规划要求。1.2.2 研究意义（1）提高采摘效率与降低成本贵州辣椒收获方式主要以人工和简易机械设备为主，作业人员需要在田间弯腰对辣椒进行逐株采摘，采摘速度慢、效率低、成本高。本文研究设计一种集采摘、传输、除杂、收集于一体的收获设备以提高辣椒采摘效率和综合效益。（2）改善采摘条件朝天椒植株高度一般低于
9、700mm,且辣椒结果位置遍布整个植物，很多时候采摘人员需要弓腰对辣椒进行逐个或逐串采摘，再将采摘后的辣椒放入随身背负的竹篓，持续频繁的弯腰使得采摘过程十分辛苦。研制适应于当地辣椒收获的机械设备无疑是极大的减轻人员的劳动负担，使整个采摘过程轻便简洁，只需对操作人员进行简单的培训就可以完成辣椒收获过程。（3）解决农村劳动力短缺随着中国经济建设快速发展，农村的大量劳动力进入城市，加入到中国现代化建设进程当中，这造成农村劳动力结构以老人和妇女为主，劳动力严重不足。现农业生产活动不能单靠人力，在劳动力缺乏的农村，需要向现代化农业、技术化农业过渡。辣椒收获机的出现在一定程度上可以缓解劳动力不足的现状。1
10、.3 辣椒收获机国内外研究现状目前，国内外辣椒收获机的分离机构主要有以下几种：（1）梳齿式分离机构。这是一种强制性分离机构，当辣椒采摘机沿着辣椒垄行前进工作时，梳齿插入辣椒茎秆，强行地把辣椒从茎秆上捋下，实现果实与茎秆的分离，这种采摘装置只是把果实分离下来，根茎仍生长在地里。（2）滚筒式分离机构。将辣椒茎秆带果实切割后送至倾斜滚筒式分离装置，滚筒在回转过程中对辣椒茎秆进行多次起落摔打，使果实脱落，实现果茎分离，这种分离方式辣椒破损比较严重。1.3.1 国外研究现状国外农业生产机械化水平较高，对辣椒采摘机的研究应用较早，主要以美国为主，美国农业生产的土地面积大，而劳动力紧缺，导致人工成本不断增加
11、，在这种情况下，最早从20世纪70年代起研究辣椒的机械化采摘，到目前的研究历程已有40年左右，美国第一次借助机械化对铃状辣椒进行采摘是在一九六七年。自20世纪70年代到现在，全球超过200个类型的辣椒收获机已被设计生产，有不低于两百项的整机专利申请，美国、澳大利亚，加拿大、以色列、保加利亚,西班牙、匈牙利和意大利等国都对辣椒收获机械化作业进行了研究，他们测试研究了50种左右采摘原理不一样的辣椒收获机。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
12、此我国在研究开发辣椒收获机时，应根据地域条件及辣椒的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。Massey辣椒收获机有限股份公司生产的辣椒收获机主要采用倾斜长杆梳指式采摘机构，生产的收获机机型有三行自走式带集料箱的辣椒收获机和四行牵引式不带料箱辣椒收获机，该机型主要用于收获墨西哥胡椒,图1-1为MaSSey三行自走式辣椒收获机。MCClendOn辣椒公司生产的收获机采用倾斜展开双螺旋式和橡胶指式采摘机构，生产的机型有两行、四行、六行自走式辣椒收获机，展开双螺旋式用于采摘青辣椒，橡胶指式用于采摘干红椒，依靠气力输送和清选，机上配置有卡片式清选装置。图12为M
13、cClendon四行自走式辣椒收获机。图I-IMaSSey三行自走式辣椒收获机图图1-2 MCCIendon四行自走式辣椒收获机1.3.2国内研究现状我国的辣椒机械化收获发展严重滞后，辣椒的收获还基本上处在人工或半机械化采收的时期,随着辣椒加工行业的发展，目前主要靠人工收获的方式将不适应大面积种植的需要，发展辣椒收获机械化作业是一种必然的趋势。辣椒机械化收获不仅仅只实现机械采摘，还应当保证辣椒的含杂率较低，辣椒的收获损失率较低。2009年，新疆机械研究院参照国外的收获机，研制了自走式不对行辣椒收获机，如图1-3所示，该机型的采用滚筒弹指式采摘采摘装置，机上装有清选叶子等轻杂的风机，没有清除茎秆
14、的装置，该辣椒收获机进行了田间试验。发现地上掉落的辣椒比较多，辣椒中含有的茎秆也比较多，究其原因，发现辣椒秧茎倒伏比较严重，对辣椒采摘效果造成较大影响，导致地面损失较大，高含杂率将仍需要人工进行分选，相比并没有太大的降低人工成本。图1-3新疆机械研究院自走式辣椒收获机图1-4光大农机公司生产的辣椒收获机2010年，石河子光大农机有限公司研制了一台小马力的自走式辣椒收获机，如图1-4所示，采摘形式为一条与地面成一定倾角的梳齿带，只是简单的实现了采摘、运送、集料等功能，该机也进行了下地收获作业，作业后地面掉落大量的辣椒，造成较为严重的收获损失，仍需要进一步的改进。图1-5石河子大学研制的牵引式辣椒
15、收获机石河子大学机电学院也申请并获得了3项辣椒收获机的专利，研制了一台牵引式辣椒收获机，如图1-5所示，该机型的采摘装置为弹指滚筒式，机上装有清选茎秆的星型轮清选装置及清选轻小杂质的风机，该机型为一次完成采摘、分离、清选、装箱的辣椒联合收获机网。该机进行了下地试验，采摘后的辣椒中茎秆也较多，经清选装置清选后明显减少了茎秆、椒叶的含杂率，但由于采下的茎秆中附着的辣椒较多，造成了一定的清选损失。1.4 研究内容本课题以山地小型辣椒收获机为研究对象，以贵州朝天椒的相关参数、农业机械设计理论、有限元分析方法为基础以SolidWorks软件为技术手段开展整机总体方案设计。(1)通过对贵州种植的朝天椒进行
16、调研，并查阅相关栽培技术文件，确定辣椒的种植参数，其中包括辣椒种植模式、植株外形参数、椒果尺寸等。(2)分析国内外现有成熟的辣椒收获设备，通过SolidWorks三维建模软件设计。1.5 课题创新点根据贵州山地大棚地形特点，再结合朝天椒物理参数，设计了一种小型辣椒收获机，结构精简，采收流程完整，整体尺寸3000X2050X3530mm。相较于现有辣椒收获机，尺寸减小，方便应用于地形复杂，区域分散的种植区。2辣椒收获机的总体方案设计2.1 贵州辣椒的种植模式及特征介绍本文研究的辣椒收获机主要采摘对象为贵州种植的主流辣椒品种一一朝天椒，其中辣椒的种植模式、种植农艺和辣椒植株的物理特性都是机器设计的
17、主要依据，其中辣椒行距、株高、株幅和整机的外形尺寸、采摘结构、底盘高度密切相关，辣椒与茎秆的连接力和辣椒自身物理特性决定着采摘机构的功率和结构。分析与研究辣椒种植模式及特征为辣椒收获机的设计提供理论依据与支撑，对后续研究的展开具有重要的意义。2.1.1 辣椒的种植模式自进入21世纪以来，贵州的辣椒种类主要以线椒类和朝天椒类为主，其中线椒类主要品种包括：二金条、川腾1号、干椒1号、辛香4号等；朝天椒类主要品种包括：七星椒，韩国天宇3号，小米椒和朝天椒等网。查阅相关的辣椒栽培技术文献和资料，分别对线椒类和朝天椒类主要品种的种植模式进行分析。其中线椒类的种植模式包括：二金条每亩栽4000窝，株距24
18、0330mm,行距450600mm；川腾1号每亩栽3700窝，株距300mm,行距500600mm网;干椒1号每亩栽3000窝，株距350mm,行距500600mm叫辛香4号每亩栽3000窝，株距250350mm,行距50Omml。朝天椒类的种植模式包括：七星椒每亩栽35004000窝，株距250mm,行距60Omml；韩国天宇3号亩栽3500窝，株距350mm,行距600mm1121；小米椒亩栽3000窝，株距300400mm,行距6001000mm；朝天椒亩栽4000窝，株距300350mm,行距500-650mm41o本课题通过分析研究贵州主流辣椒品种的种植相关参数，综合考虑以行距600
19、mm,株距350mm的朝天椒种植模式为研究对象。2.1.2 辣椒及植株的外形参数影响辣椒收获机设计的辣椒植株外形参数包括株高、株幅、椒果纵径、椒果横径。辣椒椒果与植株外形示意如图2.1所示。通过查阅相关文献可知，线椒株高为450650mm,株幅为450650mm,椒果果长为150190mm,椒果果径为1023mm;朝天椒类株高为3507(X)mm,株幅为450800mm,椒果果长为3570mm,椒果果径为1030mm510WO.椒果果径；H0.椒果果长；WI.株幅；HI.株高图2.1椒果与辣椒植株示意图本文所设计的辣椒采摘机考虑对朝天椒品种进行收获作业，综合辣椒相关外形参数，以株高为700mm
20、,株幅为800mm,椒果果长为190mm,椒果果径IOmm的辣椒外形参数为研究对象。2.2 设计原则和设计思路2.2.1 设计原则对于辣椒收获机的设计方案，设计原则应考虑到以下几个方面：（1）收获机的重点和难点是将辣椒从茎秆上分离下来，在采摘时应考虑到辣椒的采净率和破损率，设计采摘装置时应考虑辣椒的力学性能，确定合适的采摘功率，在提高采净率的同时还保证低破损。（2）本课题设计的辣椒收获机主要应用于贵州地区，在设计车载行走部分时，需考虑到爬坡，抗震功能，在选择发动机时不仅需要考虑收获机的采摘、传输、清选和行走的功率，还需额外考虑爬坡和越障的功率。（3）根据本章2.1.1小结的辣椒种植模式中的株距
21、参数，设计时需考虑到整机宽度应小于两倍平均株距（2600mm）,以免收获机作业时将还未采摘过的辣椒压倒伏，不利于后续作业。（4）整机设计理念应符合人体工学，收获机的高度不宜过高，以免遮挡操作人员前方视线，操作方式应简洁直观，前进速度应符合大部分人步行速度。（5）辣椒收获机在设计时应采用标准化和模块化的理念，尽量选用互换性高和符合国家规定的零部件，结构设计时还要考虑到加工方式和工艺性能，降低生产成本和后期维护难度。2.2.2 设计思路本文主要通过收集国内外辣椒收获机和辣椒相关的参考资料，结合贵州现有辣椒产业现状和辣椒种植模式，以及贵州地形特点和辣椒物理特性，综合考虑确定辣椒的采摘方式和结构、整机
22、功能、操作控制方式和整体结构布局；再根据设计方案和功能要求，使用SolidWorks建立辣椒收获机三维零部件，并合理地组装零部件以形成整机的虚拟样机；再在整机三维模型的基础上，使用有限元分析方法对关键零部件进行强度、刚度和动态分析，其中包括采摘结构和机架，针对分析结果，有根据的对其结构和尺寸进行修改和优化，最后绘制整机需要加工零件的二维工程图纸。2.3 整机工作原理（1）整体原理辣椒收获机主要的工作部件为展开式双螺旋采摘装置、皮带传送装置、清选机构、行走机构和收集机构组成。田间作业时，整机沿着辣椒植株方向前进，辣椒进入采摘机构的双螺旋杆之间，螺旋杆持续旋转，对在茎秆上的辣椒进行拉扯和拍打，将辣
23、椒从茎秆上分离下来，因螺旋杆倾斜安装，随着整机前进，采摘机构可将辣椒从植株上由下而上的采净。采摘下的辣椒随着螺旋杆的旋转运动，朝着旋向的方向抛出，进入到传送皮带上，辣椒再随着皮带传输到后方的清选机构中，辣椒通过两段中间隔有空隙的滑道,将混在辣椒中的椒叶通过风机清选出来，最后辣椒经过下段滑道进入收集袋，完成整个收获过程。（2）采摘原理当朝天椒植株通过整机前端的八字型导向板，进入到运动的双螺旋杆中间时,两侧的螺旋杆不停旋转拍打植株上的辣椒，将辣椒从植株上捋下来。因两侧螺杆旋向不同，分别往各自外侧旋转,脱落的辣椒将随着螺杆旋向落在螺旋杆两外侧。原理如图2.2所示。图2.2辣椒采摘原理图朝天椒采摘原理
24、是螺旋杆与辣椒接触的拉力大于辣椒与茎秆之间的连接力。传动系统给采摘机构的螺旋杆提供合适的功率和旋转速度就可以将辣椒采摘下来，同时还保证辣椒的低破损率。辣椒采摘过程中主要受到螺旋杆扭矩的作用力Fn,辣椒受力可以分解为沿着螺旋线的方向和垂直于螺旋线的方向，分别为Fa和Ft,当Ft大于辣椒与茎秆之间的连接力，即可完成辣椒与茎秆的分离过程。Tn95508z、4丁Fr）上式中：Tn螺旋杆的扭矩，Nm;Pn螺旋杆输入功率，kW；di接触点离轴线距离，mm；n一螺旋杆转速，rad/s。辣椒所受拉力：Ft=Fnsin（2.2）上式中：8螺纹升角，单位。辣椒平均连接力为15N,所以当辣椒受力Ft大于15N时可实
25、现辣椒与茎秆的脱离过程，再根据式（2.1）和（2.2）反推可计算出螺旋杆扭矩的作用力Fn,可为展开式双螺旋采摘机构的设计提供理论依据。（3）辣椒收获机清选原理任何事物在空气中会受到气体流动的作用力，当气体流速足够大时，作用力将大于物体重力和外部阻力，这将迫使物体向风力的方向运动。在垂直气流作用下，使物体悬浮的最小气流速度为悬浮速度，这是物体所受浮力和重力相平衡的重要因素。农业作物的气流清选是依据作物中的各组成部分在气流中的不同临界速度或阻力系数来实现的。因不同物料在气流中的运动参数不同，在相同速度的气流作用下，对其产生的作用力和运动规律皆有差异，从而将不同成分分离出来叫本研究通过流体悬浮原理对
26、辣椒收获过程中产生的杂质进行分离。物体所受气流作用力大小为：P=kpSv2（2.3）式中:p物体所受气流作用力大小，单位N；k阻力系数；P空气密度，单位kgcm3;S一迎风面积，单位m2；V一物体相对于气流的相对速度，m/so在垂直气流的作用下，物料的运动方程为：pG=m夕（2.4）上式中：m物料的质量，单位kg;G一物料的重量，单位N。当处于悬浮状态时，可认为dvdt=O,上式可变为P=G,结合式（2.3）可得出：P=kpS2=G=mg（2.5）上式中VP为物料在空气中的悬浮速度，kP为物料在空气中的漂浮系数。这两个关键参数为清选机构的设计提供理论依据。2.4 本章小结（1）对贵州主要种植的
27、辣椒进行了研究，确定了辣椒的种植模式和相关的物理特性参数，为辣椒收获机方案的选择和参数的确定提供了参考依据。（2）明确了收获机的工作过程、总体收获原理、展开式双螺旋采摘原理和清选原理，为收获机的具体零部件的设计提供了依据。（3）根据已有设备和资料，初步确定了辣椒收获机的主要工作参数。（4）提出了辣椒收获机的总体设计方案，确定了整机的结构，空间布局。实现辣椒收获过程的高效采摘、传输、清选、收集等作业流程。3关键部件的结构设计与分析就目前来说，SolidWorks软件是三维CAD系统，它是众多电子软件中唯一一个以Windows为基础进行开发的软件。上世纪九十年代初，由PTC公司与CV公司负责人发起
28、的SOlidWOrkS公司成立,仅仅三年的时间，它便推出了三维机械设计软件，这是它的首个软件。凭借着先进的系统技术，如WindowsO1.E技术、直观式设计技术等，SolidWorks稳坐世界最大、最好装机量的宝座。在进行产品设计时，工作人员如果采用SolidWorks来进行设计，可以大大节省设计的时间和精力,SolidWorks的这些优点，如建模能力强，装配方便等都是它受欢迎的原因，Solidworks软件主要有以下特点：(1)人性化的界面，管理树的便捷设计，都非常适合人们的需求。在进行件、装配和工程图的控制时，可通过管理和修改实现。PropertyManager设计界面非常简单、舒适，不仅
29、对话框简洁，方便使用者进行操作，而且使用者还能更加便捷地进行查看和修改的程序。(2)智能型的装配方式，在大型复杂程序的装配中效果会更加明显。单个软件在调入时不会受到很多限制，可以对其进行多角度的检查。新零件生成时，能够自动参考其他零件的生成过程来进行。装配时，零件也可以根据需要进行修改甚至是重新设计。通过捉配合的智能化装配技术，SolidWorks大大提高装配的总体速度。(3)动态模拟形式，可以对零部件或装配体的运动状态进行实时查看与检测，及时发现部件运动时产生的问(4)具有最快速的有限元分析功能。Simulation插件的工作原理是以有限元设计为基础来进行软件设计分析。它的优点是提高零部件或
30、装配体的频率、优化等功能，此外，还能增强其疲劳分析与动力学分析的能力。3.1 采摘结构的设计采摘机构作为辣椒收获机的主要工作部件，对辣椒的采摘质量起到关键性的作用，不仅影响辣椒的采净率和损失率，且对整机的作业效率、作业效果和整体结构布局有很大影响。现辣椒采摘装置主要类型有长杆梳指型、带状梳指型、展开双螺旋线型和滚筒弹指型。根据现有辣椒采摘装置的采摘效果和结构特点，本课题采用展开双螺旋线型采摘装置，其中螺旋杆的尺寸、安装位置、转速、驱动功率直接影响着辣椒采摘的效果。因此本机构的设计至关重要，关乎着整机的整体性能。(1)螺旋杆结构设计螺旋杆由中间的圆柱体和焊接在圆柱面的螺旋线型杆组成，中间圆柱体主
31、要提供支撑和两端安装的结构，绕柱的螺旋线杆用于工作时和辣椒接触。最后在零件最外层套装一层薄橡胶螺，降低辣椒的破损率，旋杆的设计如图3.1所示。图3.1螺旋杆零件示意图螺旋杆整体长度为1320mm,布有螺旋线的长度为1200mm,整杆采用与地面倾斜角为45的方式安装，螺旋杆工作高度为1200sin45=848.5mm,大于贵州辣椒植株的高度，满足辣椒采摘的高度要求。除此结构参数之外，本零件还需保证中间轴的直线度误差在允许范围内，整杆两端采用车加工工艺，加工出安装轴承、传动齿、轴肩卡圈的阶梯轴结构，再采用焊接工艺将螺旋线型杆固定在中间轴指定区域。(2)螺旋杆转速和功率的确定辣椒与茎秆的平均连接力为
32、15N,查阅相关辣椒碰撞损坏分析文献确定辣椒的最大碰撞速度为5ms,根据最大碰撞速度可计算出螺旋杆的速度范围【2叫螺旋杆的最大转速计算：(3.1)(3.2)Vm=n(d1+2d2)Vmn=(d1+d2)式中：Vm最大碰撞速度，5m/s；n一螺旋杆最大转速，rad/s；di一中间轴直径，30mm；d2螺旋线型杆直径，20mmo螺旋杆的转速影响辣椒的采摘效果，只有转速在合适的范围才能进行良好的采摘作业，根据现有试验分析，螺旋杆的最佳采摘转速为500rmin左右1.由式(3.2)计算得出，螺旋杆的最大转速为1362rmin,本研究根据螺旋杆的最大转速和最佳采摘转速综合考虑，采摘装置转速确定为两档，分
33、别为450rmin和600rmin。根据辣椒所受拉力大小可计算出采摘装置所需输出扭矩和功率，具体计算公式如下：Ftn(d1+d2)z、=0(33式中：PC-螺旋杆所需功率，kW；Ft-辣椒的临界拉力，15N；n螺旋杆输出转速，600rmin;8一螺旋杆的螺旋升角，30oO经过上式计算得出单根螺旋杆所需功率，采摘装置由两根相同螺旋杆组成，所需输出纯采摘功率为0.112kW,考虑到辣椒茎秆缠绕或卡紧等情况，采摘装置输出功率取为0.6kW3.2传送装置设计3.2.1 传送带结构设计本课题中传送装置主要由带轮、导流板、传送带和侧边挡板组成，本机构两端的带轮分为主动带轮和从动带轮，用于接收和传递动力，并
34、通过带轮孔安装在采摘装置两侧；传送带的带面有垂直橡胶刮板，刮板高度根据辣椒最大果径确定为40mm,用于防止辣椒在传送过程中回落；导流板安装在采摘装置和传送带之间，承接刚采摘下的辣椒并导向传送带，减小辣椒的遗落；侧边挡板安装在传送带外侧，防止传送过程中辣椒从外侧抖落。本机构主要用于承接刚采摘下来的辣椒，并通过传送连接到清选装置，主要起到中间承接和过渡的作用。具体结构原理如图3.2所示。图3.2传送装置原理图传送装置在工作一段时间后，因摩擦和老化,传送带和带轮之间会变得松弛，会造成带轮和带之间的摩擦力减小，将导致传送效率降低甚至完全失效。针对以上问题,本研究在传送带下端从动带轮处增设张紧装置,具体
35、结构由叉杆、螺母、弹簧组成，叉杆的下端为一个弧形槽口，稍大于带轮轴的直径，上端杆部攻有外螺纹，螺母旋紧在叉杆螺纹处，用于限位弹簧和调节叉杆的仰出长度；弹簧用于叉杆复位，便于操作。张紧装置工作原理是将螺杆往下压，推动带轮轴在槽口中往下运动，从而将传送带绷紧，再调节下部的螺母固定，防止叉杆回缩，完成张紧过程。3.2.2 传送带主要工作参数根据贵州朝天椒种植模式和产量，辣椒亩产量平均大约为IOOOkg,种植密度在3000窝每亩左右，最小株距为250mm。根据产量和种植密度的关系，每窝辣椒的产量约为0.333kg；由设计参数可知，整机最大前进速度为lms,每秒约对4窝辣椒进行采摘，每秒采摘辣椒的重量约
36、为1.333kgo由传送带的设计参数可知,传送带工作长度为1.5m,传送带轮直径为50mm,带轮转速为200rmin,带面移动速度为：V=dn（3.4）式中：d一传送带轮直径，m；n传送带轮转速，rad/s0由式（3.4）计算得出带面移动速度为0.52ms,传送带满载时的辣椒重量为（1.5/0.52）1.333=3.85kg,求解得出传送带满载时的辣椒重力为38.5N。传送带受力示意图如图3.3所示。图3.3传送带受力示意图传送带满载时所受力为：F=GSin450（3.5）式中：G一满载时传送带上的辣椒重力，N0传送带满载时的最大功率为：Pb=Fv（3.6）通过式（3.5）计算可知传送带满载时
37、所受力为27.2N,由式（3.6）计算可知传送带最大功率为0.014kW传送机构主要参数如表3.1所示。表3.1传送装置主要技术参数整体尺寸1500150mm传送速度31.2mmin传送功率0.014kW3.3 清选装置设计辣椒收获机采摘后的辣椒中混有大量椒叶、茎秆等杂质，不利于后续收集和包装。针对上诉问题，本文提出风力清选杂质的方案，实现辣椒和椒叶的初步分离，以便于后续辣椒的收集和包装。根据气流清选原理可知，椒叶和辣椒的临界悬浮速度不同，根据椒叶和辣椒悬浮速度之间的差值,可以分析确定出风机的风速。根据清选原理，以及孔令军、陈永成、YOngChengChen等网的辣椒风力试验数据可知，椒果的平
38、均悬浮速度VPl大于10ms,椒叶的平均悬浮速度VP2一般为3ms,并以此为根据确定风机的风速应在310ms范围内。本研究综合考虑采用风速范围的中间值6ms为清选装置的设计参数。风机流量计算风机流量表示为单位时间内通过某一段固定管道的气体量，本研究中的风机流量是在出风口进行计算，由出风口的风速和截面大小可计算出所需流量。清选机构的风管结构如图3.4所示。图3.4风管三维效果图风机导管出口流量为：Q=US(3.7)式中：V辣椒杂质分离风速，取6m/s；S一风机导管出口截面积，取两倍11.2X10-3m2.经过上式计算得出风机导管出口流量大小为242.6m3h3.4 行走机构设计行走机构是拖拉机底
39、盘的一部分，一般包括主体车架、前桥、后桥、悬挂系统和车轮等结构切。现行走机构的类型主要包括车轮式行走机构、半履带式行走机构、车轮-履带式行走机构和履带式行走机构28,目前农业机械中车轮式和履带式行走机构应用最多，本文研究的辣椒收获机采用后驱车轮式行走机构。3.4.1 驱动功率计算行走机构的驱动功率主要用于克服田间作业时的最大载重和爬坡时所做的功。当整机以最大速度爬坡时，行走机构的驱动力最大，同时驱动功率也最大,为本机构的设计功率。由于该机操作方式为手扶式人工操作并且工作环境处于山地地带，设计该机的最大前进速度为60mmin;使用SoIidWorks对整机进行三维建模，并对每一个零部件赋予相应的
40、材料属性，再通过装配体质量属性测得总体质量为145.4kg,考虑到收获作业时还需临时装载部分辣椒，满载时总体质量取为300kgo按照行走机构所需的驱动功率计算可得：mag(cos。Xf+sin8)X%z、Pa=-M-a(3.8)Q1000式中：Pa一克服重量行驶所需理论能耗，kW；ma克服的最大总质量，kg,取m=300kg;f一滚动阻力系数，在泥泞土路的滚动系数0.1000.250,取f=0.25;。一最大爬坡角度，贵州平均坡度为18,取=20o；Va最高车速，ms,取Va=Im/s;g一重力加速度，ms2,取g=9.8m/s2；Q-安全系数，取1.2o将参数数值带入式(3.8)中，计算得出
41、行走机构的最大驱动功率Pa为2.03kWo3.4.2 行走机构的结构设计目前在农业生产应用的轮式行走机构主要由三种方式，分别为后轮驱动式、前轮驱动兼转向式、四轮驱动兼转向式P叫本研究采用常见的后轮驱动式行走方式，其主要特点是移动平稳，耗能低，容易控制移动速度和方向，且结构简洁可靠。本机行走机构的结构简图如图3.5所示。图3.5行走机构三维模型3.4.3 链传动设计对于链轮传动部分的设计，该试验装置主动机械特性运转平稳，该部分链轮传动作用于动力模块，电动机带动主动链轮（Zl）转动，进而带动从动链轮（Z2）转动，将动力传递至主轴。（1）选择链轮齿数根据设计手册（GB/T18150-2000）推荐，
42、选择z=20,z2=iz=30o（2）求计算功率PCPc=KAKZP（3.9）通过查阅手册可知Ka=I,通过计算可知KZ=O.94,功率P的值在电机选择时计算得P=2.07kW,则：Pc=KaKzP=1.94kW（3）确定链节距p小链轮转速为n2=150rmin,查设计手册，选用单排链12A,并且保证PoPc,则节距为p=19.05mm0（4）确定中心距a和链节数1.P由于考虑到添加基质更加方便，所以机架的高度不是很高，可初选ao=3Op,则链节数1.P为，如公式（3.10）：j2a0l+2（2-Z1P1.P=F+T-+CH7310）通过计算得出链节数为85mm取1.p=85mmo则理论中心距
43、a1.为：通过计算可得中心距a1.=566.7mm,（a=0.003a=1.7mm,则实际中心距a=a1.-a=565mm0（5）确定润滑方式链速的确定根据公式（3.12）为：ZIPNlV=（3.12）601000由计算可得链速v=0.95ms,根据设计手册，采用人工定期润滑的方式，工人定期在松边内外链板间隙处用油壶或油刷加油，每班加油一次。3.4.4 轴承选型轴承都深沟球承，为6210,6210额定动载荷Cr=35kN,额定静载荷Cor=23.2o通过以上计算可知轴向力为零，径向力为1.6kN0计算Fa/Cor并确定e值，由于轴向力为零，所以：(3.13)=计算当量动载荷P查表得X=l,Y=
44、O,根据公式(2-14)可知P= XFr+ YFa = 1.57kN(3.14)轴承寿命1.h计算(3.15)式中：1.h轴承寿命，h；n轴承转速，r.min1；ft温度系数；fp载荷系数；C轴承的基本额定动载荷值，N；P轴承所受的当量动载荷，N；寿命指数查表得，fi=1.fp=l.l,=3o根据公式(3-15)可知：1.h=4.7IO6h通过计算得出结果，轴承的使用寿命1.h=4.7Xl()6小时，完全满足使用条件。3.4.5 主轴设计及校核主轴的径向尺寸如图3-6所示:匚图3-6主轴示意图主轴的受力图如下图3-7所示：PFATOfb个日个XZA日BC图3-7主轴的受力图由静力平衡条件求得两
45、端轴承的支反力，A、B端受力如下:(3-16)(3-17)()=OFA=7M(B)=0ffl=里产A、B端受力大小如下：Fa=-26.7N;F=126.7N;作出内力图，确定危险截面：轴的扭矩图和弯矩图如图3-8和3-9所示：1.91Nn图3-8主轴的扭矩图根据弯矩图与扭矩图可知，主轴在截面B处所获得的弯矩和扭矩最大，因此主轴截面B是主轴的危险截面，根据第四强度理论及公式对轴进行校核：将M八7；代入下式：32amJ+ 0757Jd=13MPa(3-18)由于cr=600MPa;r4；因此主轴轴向尺寸满足设计要求。3.5 本章小结本章根据第二章辣椒相关参数与贵州地形特点对整机采摘机构、传送机构、
46、清选清选机构和行走机构进行了设计与建模，并根据各工作部件的功能和使用要求设计了整机传动系统和控制方案，具体如下。（1）介绍了现有常用的四种采摘结构，并根据其优缺点选择展开双螺旋线型采摘结构为本机采摘装置。结合贵州辣椒种植模式，对该装置进行了结构参数设计，进一步确定了工作模式和功率，并对本结构中的传动直齿轮进行了参数设计和强度校核。（2）依据收获要求，对传送机构进行了结构设计并确定了其工作功率；依据风力清选原理确定了气流速度，并完成了清选机构的结构设计；根据整机作业环境和操作方式，计算了行走机构驱动功率，对其结构进行设计和建模，并对驱动轴进行了校核和优化。参考文献11雷明举,孔令军,陈永成,等J.中国农机化学报学14,35(01)：161-165.高若婷.吃辣椒对人体的13大好处和功效J1.东方文化周刊,2017,000(001)E4647.3刘雄，龚婷.辣椒碱调节机体糖脂代谢的机理研究JJournaIofFoodenceandTechnology,36(1).4 HaanpaaM.,TreedeR.-D.CapsaicinforNeuropathicPain:1.inkingTraditionalMedicineandMolecularBiologyJ.EuropeanNeurology,2012,68(5):30.511.ukaszAdaszek5Dagm
