全国大学生机械工程创新设计大赛获奖案例《振动式打枣机》.docxVIP

振动式打枣机 本案例荣获全国大学生机械工程创新设计大赛一等奖 1.设计目的 水果是我国继粮食、蔬菜之后的第三大种植作物，是许多农村地区经济发展的重要支柱 产业。其中，枣类作物在我国各地均有分布，尤其在新疆和黄河流域，更是当地重要的经济 作物。然而一直以来，枣成熟之后主要依靠人力来进行采摘，这样的采摘方式不仅效率低、 成本高而且劳动强度大。这种采摘方式在劳动力本就短缺的农村地区对经济造成了很大影 响。针对这一问题，许多科研机构都开发了不少釆收枣的装备,但都属于大型设备。这类设 备不仅价格贵，不易操作，而且对农艺的要求很高。为此，我们专门针对农村地区设计了一 种成本低、操作简易、能耗小的振动式打枣机。 2.工作原理 打枣机的三维结构如图1所示，刹车线从下到上依次穿过伸缩杆、承接装置、钩子，然后 通过滑轮与电动机相连。刹车手柄上装有传感器，控制手握刹车手柄的力的大小可改变电 动机转速,从而改变振动强弱。 图1 打枣机的三维结构 1一伸缩杆；2一刹车手柄；3一刹车线；4一滑轮；5一钩子；6-承接装置；7一螺钉;8—电动机；9一螺母；10—弹簧 在使用该打枣机时，可以先调节伸缩杆到合适长度，然后将钩子挂在树枝上，接下来用 手握刹车手柄并施加压力，通过刹车线和滑轮将电动机向上拉起，此时钩子和电动机将树枝 夹住;启动电动机，电动机上装有的一对平行偏心轮将转动转化为振动，实现振动落果。当 关闭电动机，松开刹车手柄后，弹簧会将电动机拉回到初始位置。 刹车手柄上装有传感器，通过编程，当钩子和电动机将树枝夹住后，增加握刹车手柄的力，振动强度会减弱。 设计计算 1） 总体设计构想 振动过程中，收获机以一定振幅和频率击打枣树的主干或侧枝，从激振部位开始产生振 动，并沿主干将激振力传递给侧枝和枣柄，最后传递到枣。在空间上枣将产生多维激励，当 枣的惯性力大于枣-柄连接力时,枣掉落，实现振动釆收。 2） 计算及参数确定 选取新疆塔里木大学植科院在2012年所做实验中的一组关于枣的数据作为计算对象。 数据如表1所示。 表1 枣信息表 序号 连接力/N 质量/g 长度X宽度/mm 1 1. 8 19. 8 26.65X 15.75 2 2. 0 24. 2 28.75X16.45 3 4. 0 30. 1 32. 55X 18. 55 4 3. 8 27. 8 30. 55X17. 35 5 3. 5 31. 9 31. 55X19. 15 6 2. 8 22. 2 30.35X17.85 7 2. 0 18. 3 28.65X16.45 8 5. 2 36. 5 36. 85X21. 35 9 3. 6 30. 5 33.25X19.45 10 3. 4 35. 7 31. 55X19. 25 平均值 3. 21 27. 6 31.07X18. 16 从表1可知：将枣与果柄分开的力的平均值为3.21 N,枣的平均质量为27.6 g,平均长 度为31.07 mm,平均宽度为18. 16 mmo这些数据可用于计算枣脱离果柄所需要的线速度。 枣被采摘下来是由于枣受到的外力大于枣与果柄的连接力。振动式打枣机工作时，在 同一枝干上，可认为枣绕枝干做近似圆周运动，当枣或枣树枝丫受振后会得到一个切线速 度，根据向心力的计算公式： F=mv^2/r 可得 在《振动激励下枣树力传递效果室内模拟试验》一文中，作者以红枣为研究对象,研究了 振动频率和振幅对枣树力传递效果的影响，并进行枣力传递效果的振动试验，根据枣在振动 过程中瞬时加速度的变化，研究其振动采收时力的传递效果，降低激振功耗。该文中的试验 表明，在振幅为7 mm、频率为17 Hz时，枣振动采收过程中力的传递效果较好。 在上述文章发表之前，针对枣类果品振动采收的力传递效果研究未见报道，我们采用了 该论文中的有关数据。 3）电动机、电池、钩子材料的选择方案比较 目标是设计一种便携、低耗、低成本的振动式打枣机，因此将价格、质量、效率、成效等多 重因素进行综合考虑和比较，得出最终方案。 （1）作为优选，根据设计的工作原理及实际中枣树的尺寸，选择额定电压为12 V的550 电动机，如图2所示。 图2 550电动机 （2）作为优选，选择了额定电压为12 V的550电动机后，考虑到功耗、价格、环保等因 素，我们选择了可充放电1000次的12 V.2800 mAh锂电池，如图3所示。 图3 12V2800mAh锂电池 （3）考虑到刹车线要穿过钩子，即钩子需部分中空，因此用3D打印技术制造钩子。因 为本作品对构件的强度和质量都有要求,选好材料至关重要，ABS和PLA两种材料各有各 的优点，结合到本设计的需要，选择PLA材料。 主要创新点 取代传统人工打枣方式，利用振动实现摘枣，既方便又省力。 在刹车手柄处装有传感器，可通过调节力