1、目 录摘 要 .11 前言 .11.1 龙须草的经济价值 .22 国内外研究情况 .32.1 国内研究情况 .42.2 国外研究情况 .53 课题的研究意义 .54 总体结构及工作原理 .54.1 设计思路 .56 切割系统的设计 .76.1 仿人工夹持扶草轮的设计 .76.1.1 凸轮轮廓的设计 .96.2 切割器的选择设计 .106.2.1 往复式切割器影响切割质量的因素分析 .106.2.2 技术参数的分析和评价 .117 传动系统的结构设计和传动比的确定 .127.1 传动系统结构设计 .127.1.1 传动比确定 .137.2 收割机功率需求分析和传动效率 .147.2.1 收割机的
2、功率分析 .147.2.2 收割机的传动效率 .157.3 减速器的设计 .167.3.1 齿轮的设计 .167.3.2 轴的设计以及校核 .187.4 滚动轴承的选型及验算 .267.4.1 计算主动轴轴承 .267.4.2 计算从动轴轴承 .267.4.3 键联接的选择及校核 .267.4.4 联轴器的选择 .278 链轮传动的设计 .278.1 计算减速器与曲柄轴之间的链轮传动 .278.2 曲柄轴与拨草轮之间的链轮传动 .299 结论 .30参考文献 .31致 谢 .330龙须草收割机的设计摘 要：本文分析比较了国内外龙须草的种植方式，并且结合我国龙须草现有的种植方式和龙须草收割机械的
3、使用现状，对龙须草的生物力学特性及仿生切割机理进行了研究，设计了一款龙须草收割机械。该收割机能减少人力的消耗，提高机械的工作效率，本论文为龙须草收割机械的设计提供了一定的理论依据和技术基础，将会对龙须草的种植和收割起到一定的推动作用。关键词：切割；龙须草；仿人工；The Design of Eulaliopsis Binata Harvester Abstract: In this article ,it analyzes and compares the planting and harvesting of binata at hpme and abroad, combined with t
4、he existing planting methods and status quo of harvesting machinery of binata of our country ,the biomechanical properties and biomimetic cutting mechanism of binata was studied,then the author design a kind of harvesting machinery .Therefore, manpower consumption is reduced and the efficiency of th
5、e mechanical work is improved ,this thesis provides the theoretical basis and technical basis for the design of harvesting machinery of binata,it will play a role in promoting the planting and harvesting of binata.Key words: cutting ; eulaliopsis binata; artificial imitation1 前言龙须草（Eulaliopsis binat
6、a ）系多年生缩根性植物，又名蓑草、拟金菜或羊胡子草。主要分布在中国、印度、菲律宾、阿富汗、越南和缅甸等国家，在我国亚热带分布较广 。龙须草富含纤维素,可编织各种工艺品,也是堪与木材媲美的优良造纸原料。21开发利用它对节约木材,保护森林资源,提高纸张品位,加速山区农民脱贫致富进程,具有十分重要的意义。龙须草适应范围广、耐旱、耐脊、蓄水固土能力强,因而也是良好的水土保持资源植物。在 50 年代初开始替代木材用于造纸，1t 龙须草可抵 2.5 m3木材，龙须草作为理想的草代木原料在造纸工业中发挥出重大作用；龙须草除了做造纸原料外，还大量用于纺绳、编织手工艺品等用途，远销美国、日本、德国、香港等12
7、0 多个国家和地区；龙须草本身根系发达，叶片茂密，抗逆性和生命力强，具有适应范围广、耐旱、耐脊、蓄水固土能力强等特点，在土壤生态环境较差的沙土、盐碱土、砾石地上均能生长良好，因此被选作南方山丘区水土保持的先锋草种。同时它还是山区群众脱贫致富的一项“短、平、快”绿色产业资源，不与农业争地，开发利用前景十分广阔 。胡浩斌 等 2006 年对龙须草里的化学成分进行提取研究发现，在龙须637草石油醚提取物中有较强的抑菌作用，具有较高的药用价值和开发前景。在我国主要分布于广西北部、西部、西南部,云南大部,贵州的黔南、黔东南、黔西南及安顺、铜仁等地,四川东部、东北部、南部,湖北西北部,湖南南部、西南部,陕
8、西汉中、安康地区及河南南阳地区。在上述各省、自治区的其它县市及江西、福建、台湾、广东、甘肃、青海、宁夏等省局部地区亦有龙须草的踪迹。其中在云南、广西、贵州、湖南四省区主要分布在海拔 2600m 以下的山地,而在湖北、四川、陕西、河南多相对集中地分布于海拔 800m 以下。龙须草富含纤维素,可编织各种工艺品,也是堪与木材媲美的优良造纸原料。开发利用它对节约木材,保护森林资源,提高纸张品位,加速山区农民脱贫致富进程,具有十分重要的意义。龙须草适应范围广、耐旱、耐脊、蓄水固土能力强,因而也是良好的水土保持资源植物。1.1 龙须草的经济价值作为造纸原料：龙须草收获部分无茎无节,全草可用于造纸。从各种理
9、化性质看,它都是堪与木材媲美的优质造纸原料,远为其它草类纤维所不及。它纤维含量高(56.78%)、灰分含量低、杂细胞少、多戊糖含量较多,因而制浆收获率高,打浆比较容易;其木素含量比木材低,使制浆过程更显简单、漂白容易;其纤维细而长,长宽比高达202,有利于增加纸张的抗张强度、耐破度和耐折度;而且其纤维细胞壁的初生壁呈网状排列、次生壁中层不分层、外层较厚有 8 一 9 层,故具有厚薄不匀、层次多少不一的特征,进而在厚薄相间之处出现类似于皱纹的折纹,使之用于生产手工用纸也能产生一些“润墨”效果。故龙须草既可作为机制纸又可作为手工纸的原料。如湖北汉阳造纸厂 1960 年就用龙须草生产凸版印刷纸、复写
10、原纸,近年来又在陕西洋县投资 50 万元以扶持洋县龙须草生产基地、帮助建厂,并每年从洋县购进 6000t 原料以生产高档出口纸。丹江口市是湖北省的龙须草主要产地之一,市委市政府将开发利用龙须草作为全市农村脱贫、财政过亿的支柱产业来抓。四川、湖北的一些手工纸厂早就用龙须草配以麻浆抄制供书画用的传统手工纸。其它如云南大理、下关、河口,贵州凯里、贵阳、都匀、兴义、惠水、河南中牟、四川成都、重庆等造纸厂都以龙须草或部分以龙须草为原料依托,产生了很好的经济效益。2龙须草叶片狭长、韧性好、是良好的编织材料且编织品具有能任意折叠、草色洁白、柔软轻便、冬暖夏凉的特点。在古代龙须草就被用来搓制草绳、编织蓑衣、草
11、鞋、凉席等物。湖南的龙须草席在北宋就已是远近闻名的产品,现今更是在国际国内市场上享有很高的声誉。近年来广大产地山民又开发出了更多更好的编织产品,行销国内外。如草帽、提包、提篮、书包、床垫、枕套、及飞机、轿车、沙发的靠垫、座垫和宾馆、饭店用的草毯等。作为人造丝、人造棉的原材料,在云南等地亦有悠久的历史,且原料转化率不低于 80%。 1.3 栽培技术简单,宜接经济效益可观，龙须草至今仍保持着很强的野生适应性,而且它作为一种经济资源植物具有栽培技术易学易会、投资小、见效快、效益高的特点。具体表现为(l)繁殖方式多样:既可以种子萦殖(其中还有直播、容器育苗、苗床育苗几种方式),又可以分莞族殖,且可移栽
12、定植时间长,它可以在春、夏、秋 3 个季节多次移栽。(2)栽培管理简易:龙须草移栽定植不讲究特殊技术,只需在雨季抢时移栽即可,成活率很高;定植后除每年的中耕施肥及间或进行的补苗与老莞改造外,无需更多的田间管理,田间除草一般只要在头 3 年进行,3 年后龙须草形成优势种群,其它杂草难以大量蔓延,而且由于叶片纤维含量高,田间基本上无危险性病虫害。(3)收获贮运方便:在全国大部分地区只需秋季收获 l 次,收获过程简单,只需将龙须草齐基部割下打成捆即可出售,托运及贮藏期也无需防鼠防虫,只避雨淋即可。(4)投入低、见效快、收益高:龙须草无论是育苗移栽还是分莞移栽,第 2 年皆可受益,第 3 年进入收获高
13、峰期,自然状态下分莞移栽的收获高峰可持续 7 年,育苗移栽可持续10 一 12 年，实行科学管理则可以实现一次定植永续利用。可见种龙须草的直接投资仅为种植初始的用种与开荒、移栽用工及定植后的施肥 (一次约 150 一 450 元/ha)与管理,免去了常规作物一年一度的育苗移栽、抗旱排演、杀虫治病等。龙须草野生状态下亩产量 50kg 左右,栽培状态下 200kg 左右,科学栽培可达 800 一 IO00kg,龙须草的现行收购价一般为 400 一 500 元/t。因此对龙须草的开发和利用，在节约木材、水土保持、保护森林资源、促进三农建设提高农民收入等方面都具有十分重要的意义。2 国内外研究情况2.
14、1 国内研究情况国内对龙须草研究与应用从 80 年代中期开始，大部分科研工作者主要从植物分类、造纸性能、栽培管理、形态剖析、基本生物学特性等方面进行相关研究。而对龙须草进行生物力学特性及机械化收割试验等方面的研究几乎属于空白。资料文献表明，我国科研工作者在近二十年来对作物切割性能进行了大量研究：31995 年倪长安等 8对几种型式的圆盘切割器切割玉米茎秆进行了试验研究，分析了工作参数对切割性能的影响，为圆盘式切割器的设计提供了依据；1996 年蔺公振等 9对铡草机的切割器工作性能进行了试验研究，分析了结构参数和运动参数的合理性选择方法； 1998 年韩正晟等 10对回转带式切割器和齿形链式切割
15、器进行了试验研究，研究表明切割器适于小麦、水稻等细茎秆作物和牧草的收割；2005 年杨坚等 11-13、2007 年刘庆庭、向家伟等 14-20 2011 年黄汉东等 21对甘蔗作物的切割开展了大量的试验研究、虚拟仿真和有限元分析，对茎秆切割过程进行了高速摄像分析研究，构建了甘蔗切割力学模型并分析了甘蔗切割作用机理，为甘蔗收割机的研制提供了理论基础和技术指导；2007 年马永康等 22对柠条收割机切割器进行设计与试验，找到了适合柠条收割的复合式切割器结构型式与参数。2007 年廖庆喜等 23-24对芦竹收割机进行了研制，研究发现采用锯齿型切割器对芦竹进行切割是可靠的；2007 年熊永森等 25
16、对小型往复式果园割草机进行了设计和试验研究，研究结果该机型适应于果园的割草作业；2009 年赵春花等 26对牧草茎秆的力学特性进行了试验研究，对牧草的拉伸和剪切（砍切、斜切和滑切）的最大载荷、应力、应变和弹性模量等力学指标进行了测试，研究结果为设计牧草收获机、打捆机及深加工等机具提供了理论依据。之后徐秀英等27对小型牧草收获机双动切割装置进行了改进设计，解决了小型牧草收获机单动刀工作时存在的平衡能力差、切割速度低等问题；2010 年赵湛等 28对超级稻茎秆进行了切割力学试验，分析了切割速度、切割位置以及切割刀具组合对茎秆切割力和功耗的影响。2010 年沈培玉等 29应用 Fluent 软件及
17、RNG k-湍流模型对农产品物料高速切割粉碎流场进行了数值模拟与试验，对切割粉碎区内物料的压力、运动速度、剪切应变率等性能参数进行了相应分析。2011 年李耀明等 30对玉米茎秆往复切割力学特性进行了试验与分析研究，分析了削切角、切割速度、切割位置、茎秆外皮与节点等因素对切割力及功耗的影响，研究为玉米茎秆切割器的设计提供了理论依据。现有文献资料表明，大部分在对切割器的研究主要针对高、粗、硬特性的作物进行研究，或者是矮、细、嫩特性的作物进行切割研究。而对柔韧性好、纤维多、茎秆细长、植株地面生长特征凌乱复杂等特点的作物切割研究基本上没有，龙须草相对其他作物有非常大的区别，由于其自身特性纤维长、柔韧
18、性好，传统的切割装置和切割方法难以正常实施机械化收割作业，田间试验表明在用传统的切割器进行收割时会出现系列问题，比如缠草、刀片磨损、切割割茬不整齐、单株切割不完整等问题。2.2 国外研究情况目前国外主要有印度对龙须草有一定的研究，主要体现在对龙须草的水土保持、4农艺性状、生物学特性、病虫寄主等方面的研究 31-35。3 课题的研究意义邹冬生等 2000 年在对龙须草的叶片横切面进行显微观察发现，茎秆里含有大量的韧性纤维，正是该韧性纤维的存在造就了龙须草的优良造纸性能。但是由于目前大部分采用手工收割，由于龙须草茎秆自身物理特性的特点，人工收割时劳动强度大、生产率低（人均 12 分地/天） 。我国
19、在龙须草种植开发的研究较晚，因此我国现有龙须草种植面积仅为宜种面积的 6%。近年来龙须草作为一种可再生的优质造纸原料，得到了当地各级政府的高度重视，因此逐步被列为重点扶持开发对象，随着龙须草的大面积种植和推广，高强度的收割作业已经难以适应当前生产的发展。据实地了解，各地种植户曾经尝试用手持式机械切割器对龙须草进行切割，由于龙须草的优良的柔韧性，在收割作业时出现收割刀缠草现象严重、刀片磨损快、刀片更换频繁、作业效果不理想且作业成本高等诸多问题，最终都以失败告终。而另一方面龙须草到了成熟季节农艺要求必须在短时间内收割完，以保持良好的生物特性，目前随着生产规模的扩大，以往的纯手工收割已经难以应付现有
20、的生产，龙须草收割环节成为制约龙须草大面积种植生产发展的瓶颈。 因此本选题对龙须草的生物力学特性及仿生切割机理进行研究和设计，可以为龙须草收割机的设计提供理论依据，为实现龙须草的机械化收割奠定技术基础，提高机械工作效率，减少人力损耗，对龙须草的大面积种植推广将起到重要的推进作用。4 总体结构及工作原理4.1 设计思路本课题设想从龙须草茎秆的生物力学特性入手，在掌握其自身物理性能特性的前提下，从切割机理研究出发，通过模拟人工切割龙须草的方式来提高切割支撑效果，改变传统作物茎秆被动自然状态下的切割为主动夹持状态下的切割，对具有高韧性多纤维细长茎秆特征的龙须草茎秆实施仿人工切割原理，最终提高切割效果
21、。同时对仿人工切割机理进行研究，最终为龙须草收割机械的设计提供技术指导和理论依据。4.2 工作原理仿人工切割：在机组的前方设有两个扶草轮，扶草轮的下方设有伸缩梳整拨齿，通过同步异向的转动，实现对匍匐地面的龙须草茎秆的扶持、拉伸、推送、夹持等动作，最后实现对茎秆的向上梳理和柔性夹持作用，在扶草轮的后下方设有切割器，跟进的切割器刀片完成对夹持状态的茎秆实施有效切割，切断后的茎秆在扶草轮的夹持作用下向后上方推送，通过中间拨草轮的中间传送最后送至集草箱，完成对龙须草茎5秆的仿人工切割作业。总体结构简图如下图：1.扶 手 2.集 草 箱 3.从 动 皮 带 轮 4.输 送 带 5.已 割 龙 须 草 6
22、.底 轮 7.中 间 拨 草 轮 8.主 动 扶 草 轮 9.从 动 扶 草 轮 10.伸 缩 拨 草 杆11.未 割 龙 须 草 12.伸 缩 拨 草 杆 13.往 复 式 切 割 器 14.动 力 及 变 速 箱 15.主 动 皮 带 轮 16 底 盘 17.地 表1.Armrest 2. Hay box3. The driven pulley 4. Conveyor belt 5. Cut agrimony etc.canbe fasten 6. Bottom round straw7. At the end of round dial among grass round 8. Take
23、 the initiative to help grass round 9. Driven rotary wheel grass 10. Telescopic dial 11. Grass stem not cut 12.agrimony etc.canbe fasten the scale dial straw 13. Reciprocating cutter 14. Power and transmission 15.driving pulley 16 chassis 17. The surface图 1 龙须草收割机结构图Fig l Binata harvester structure
24、diagram5 整体方案确定本设计的任务是结合龙须草自身的物理特性要求及生长特点，采用仿人工切割方式对其进行收割，完成对收割机的收割原理方案、动力选型、传动系统和关键工作部件设计进行规范设计。龙须草收割机主要有动力系统，切割系统，传动系统，输送系统和行走系统等组成。收割机的动力由汽油机提供。选择单缸四冲程汽油机，它的最大输出功率为3.5KW，连续输出功率为 3.2KW，标定转速为 3600（rpm）,逆时针旋向，外形尺寸为385365325。切割系统选用单刀片往复运动，将回旋运动变为往复运动采用曲柄连杆机构，借6鉴现有的谷物联合收割机的切割装置进行改进设计。传动系统中动力由汽油机进过单级圆柱
25、齿轮减速器和链轮减速，改变传动方向以后，传递给曲柄主轴，再通过连杆机构带动动刀片做往复切割运动。另外曲柄主轴经过链轮组带动主动扶草轮运动；主轴通过一对链轮带动运送装置运动；中间拨草轮通过主动扶草轮经过一对链轮带动。运送系统采用皮带运输，皮带上装有拨齿将龙须草运送到后方的集草箱中。行走系统目前行走系统采用人工推行，暂时不考虑机动行走，行走轮的直径为250mm。人的正常行走速度为 3-5 千米/小时。龙须草收割机由于采用放人工夹持，对切割装置要求不是很高，但对切割运动速度及相关参数要有兼容收割能力。收割机的动力机型要小巧，工作可靠；操作上要简单便利，整机轻便，价格低廉。根据以上原则，并结合龙须草收
26、割机的农艺要求，本论文所设计的龙须草收割机的主要技术参数：配套动力：汽油机 3.2kW；割幅： 1 m；割茬高度：45mm 左右；切割形式：往复式；刀片刃口：平面形；刀齿间距：39mm；前进方式：手扶推行式；操纵人数：1 人；工效：334m 2/h 左右。6 切割系统的设计6.1 仿人工夹持扶草轮的设计龙须草由于茎秆物料特性表现出韧性好、纤维长等特点，因此传统的切割装置无法适应机械化收割。通过模拟人工切割龙须草的方式来提高切割支撑效果，改变传统作物茎秆被动自然状态下的切割为主动夹持状态下的切割，对具有高韧性多纤维细长茎秆特征的龙须草茎秆实施仿人工切割原理，最终提高切割效果，对扶草轮进行仿人工设计，其内部结构示意图如下所示：71.伸缩拔草杆 2.固定限制挡环 3.弹簧 4.压环 5.套筒 6.滚珠 7.固定凸轮轴 8.扶草轮 9.伸缩轨迹1. Pulling weeds telescopic rod 2. Fixed limit baffle ring 3.spring 4. pressure ring 5. The sleeve 6. ball 7. Fixed camshaft 8. help grass round 9. Expansion path图 2 扶草轮内部结构Fig2 Help sheaves internal structure
