BYD-1水草收割船驱动装置设计说明书

BYD-1水草收割船驱动装置设计

摘 要

针对河道、水塘等水域具有航道窄、面积小，一般的大型水草收割机难以实现水草收割的现状，本文设计了一种结构紧凑，机构传动平稳，效率高，适合在中小尺度水域作业的小型水草收割船的驱动装置。

论文概述了水草收割机的发展背景、研究现状及分类；完成了水草收割船的驱动装置的设计取，主要包括明轮驱动及各部位驱动部分的机构设计；阐述了总体设计方案、工作原理、参数计算以及试验校核；同时按照任务要求完成了装置总装图与各主要零部件图的绘制。

结果表明：所设计的小型水草收割船具有结构合理、紧凑，适应性强，切割效率高等优点。这种新型的水草收割船可在水下实现切割，捡拾、传送一体化连续作业方式，能够达到清除泛滥的水草，净化水质的目的。总的来说，是一种较为理想的水草收获机具。

关键词：小型水草收割船；明轮机构设计；液压泵；液压马达；动蹼式明轮；

ABSTRACT

Aimed at the river, pond waters with narrow fairways, small area, large-scale aquatic weed harvesters generally difficult to achieve the status of harvested plants, this paper discusses the design of a compact structure, smooth transmission, high efficiency, suitable for small scale water of small aquatic reaping boat driving device.

The paper outlines the harvester development background, research status and classification; completed aquatic reaping boat driving device design, mainly including the paddle wheel drive and parts of drive mechanism design; described the overall design scheme, working principle, parameter calculation and test verification; at the same time according to the task requirements completed device assembly drawings and the main components of drawing.

The results show that: the smaller aquatic reaping boat has the advantages of reasonable structure, compact, strong adaptability, high cutting efficiency. The new aquatic reaping boat in the water to realize the cutting, collecting, transmitting continuous integration mode of operation, to clear the flood water, the purpose of purifying water quality. In general, it is an ideal aquatic weed harvester.

Key words：Small aquatic reaping boat paddle; mechanism design; hydraulic pump; hydraulic

motor; hydraulic cylinder；

目 录

引 言 .................................................................................................................................................................. 1 1 绪 论 ............................................................................................................................................................ 1

1.1 课题研究背景 ....................................................................................................................................... 1 1.2 水草收割船的发展过程 ....................................................................................................................... 2 1.3 课题研究的目的及意义 ....................................................................................................................... 2 2 明轮简介 ........................................................................................................................................................ 2

2.1 明轮装置的特点 ................................................................................................................................... 2 2.2定蹼式明轮 ............................................................................................................................................ 3 2.3动蹼式明轮 ............................................................................................................................................ 3 2.4动蹼式明轮的工作原理 ........................................................................................................................ 4 3 明轮机构的分析计算 .................................................................................................................................... 4

3.1 BYD-1水草收割船的基本参数 ........................................................................................................ 4 3.2 行进阻力计算 ....................................................................................................................................... 5

3.2.1 公式的确定 ................................................................................................................................ 5 3.2.2 粘性阻力系数的计算 ................................................................................................................ 6 3.2.3 兴波阻力系数的计算 ................................................................................................................ 7 3.2.4 输送带阻力的计算 .................................................................................................................... 7 3.3 明轮推进力分析 ................................................................................................................................... 8 3.4 明轮偏心率的确定 ............................................................................................................................... 8 3.4 明轮尺寸参数的确定 ......................................................................................................................... 10 4 明轮轴的设计 ...............................................................................................................................................11

4.1 轴的材料及结构 ..................................................................................................................................11

4.1.1轴的材料 ....................................................................................................................................11 4.1.2轴的结构 ....................................................................................................................................11 4.1.3轴的支承结构 ........................................................................................................................... 12 4.2 轴的设计与校核 ................................................................................................................................. 12 4.2 轴承的设计与校核 ............................................................................................................................. 15 4.3 联轴器的选择 ..................................................................................................................................... 16 5 液压件及内燃机的选择 .............................................................................................................................. 16

5.1 联接明轮轴的液压马达的选择 ......................................................................................................... 16 5.2 联接收割机的液压马达的选择 ......................................................................................................... 16 5.3 联接传送带的液压马达的选择 ......................................................................................................... 16 5.4 电动液压泵站的选择 ......................................................................................................................... 17 5.4 发电机组的选择 ................................................................................................................................. 17 6 结 论 .......................................................................................................................................................... 18 参考文献 ............................................................................................................................................................ 19 致 谢 ............................................................................................................................................................ 20

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引 言

水草在养殖、生态和景观三方面有重要的价值体现，正是因为水草有如此多的作用，吸引了人们去种植。由于种植量大，同时缺乏相应的管理措施，导致人工种植的水草一度发展到疯狂的状态。

为了保持水域的生态平衡，维持水质的清澈，需要在景观水域中大量种植水草，但是在每年5～9月的高温时段，水草生长非常迅速，必须及时进行收割清理，否则会对水质造成二次污染。目前，水草治理方法主要有化学清除法和物理收割法两种。化学清除法会引起水质污染与恶化，破坏水域的生态环境，并对其他生物的生存造成很大影响。所以，人们大都采用更为环保的人工收割和机械收割的物理方法来治理水草。但由于人工收割效率低下，往往打捞的速度跟不上水草生长的速度，因而机械收割就成为理想的水草治理方式。

目前，市场上的水草收割机产品有WH1800型河道清草机、SGY一2．5型水草收割机、GC2230型河道割草保洁船、GC200O型小型河道割草作业机械、9GSCC 1.4型水生植物收割机船队和LW5000多功能水草收割船等，但这些产品外型大，长度都大于8 m，需要多人及辅助机械协同作业，适用于大型水域水草的收割。而景观水域的设计通常都采用自然造型，有各种不同的曲线，且水面较为狭小，不利于大型机械作业。

现在，这些水域中的水草的收割都由人工完成，劳动强度大，效率低。而且往往在水草疯长时，人工收割跟不上生长速度，一部分水草因未及时收割而腐烂水中，造成水质恶化。现在大型的水草收割船一般有2～3人进行操作。但随着水草收割机的小型化，它的收割和集草都要在同一条船上进行，由于空间有限，最多只能由一人操控，若都是手动操作的话，会不太方便，所以应该提高水草收割机的自动化程度，特别是遥控式的水草收割机不仅能进一步减小船体的尺寸，增大储草空间，而且安全。

所以智能化的小型水草收割机的需求量会越来越大，小型轻便、美观环保的水草收割机将是一个重要的发展方向。本文主要对小型水草收割船的明轮部分进行结构设计。

1 绪 论

1.1 课题研究背景

目前，国内外对水草收割机的研究没有系统的、科学的分类。市场上所有水草收割机几乎都是大型机械，满足大型湖泊水草的收割与修理，但不适合小型河道和湖泊等小水面水域中水草的收割。

小型化和智能化是水草收割机的重要发展方向。

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1.2 水草收割船的发展过程

国外关于水草收割机的研制比较早，荷兰等国早在50年代就开始使用专门的水利机械进行河道的清淤除草作业。荷兰的IHC CO Konljn机械厂1958年研制出H系列两栖式挖泥船共6种机型，随后又相继开发出M系列、S系列和FB系列等多种清淤机械；荷兰的HERDER公司也开始研制各种机型的河道除草机。起初他们一般是把切割器安装在液压挖掘机或农用拖拉机上，把沟渠、河道内的蒲草、杂草切割后捞起放于岸边，其整机需停在岸边或沿岸边行驶进行作业，这就是陆用割草机。由于陆用割草机的使用范围有较大限制．河道、沟渠旁常揎有树木，无法停机，远离岸边的水草又无法切割到，因此研制一种能在河道中航行的水中割草机应运而生。60年代．英国的Rolbe公司开发出Oibeaux系列水中割草机，英国的John wider(工程)公司也开发出自己的系列产品。3O多年来，这些产品至今还在世界各地广泛使用。

国内也有一些相关企业及研究机构进入该领域，并且取得了一定的研究成果，如宁波农业机械研究所、桂林象山农机厂、绍兴县农林管理总部联合研究的WH1800型河道清草机，

北京市水利局联合数家单位共同开发的的SGY-2.5型水草收割机，上海电器集团现代化装 备有限公司新液压长研究开发的GC2230型号河道割草保洁船以及GC2000型小型河道割草作业机械。

经历半个世纪的发展历程，水草收割机的设计，由开始的岸边切割水草作业，水中水草作业，水中收割水草作业，到现在的水中切割、收获、后续处理一体化作业模式，功能日益完善，而且经过长时间的摸索和经验积累，其工作模式也发生了很大的改变。其主要是朝着小型化、自动化方向发展。

1.3 课题研究的目的及意义

研发一种适合在河道、池塘等中小尺度水域作业的小型水草收割机。目前市场上的水草收割机一般是大型机械，在大的湖波水域可以进行切割，但不适于在小型水域的作业。

所研制的小型水草收割机，可以有效取代在中小水域的人工收割，有效减轻了劳动轻度，大大调高了切割效率，符合水草收割机小型化与智能化的发展方向。

2 明轮简介

2.1 明轮装置的特点

当明轮在低速主机带动下旋转时，蹼板依次进出水面，蹼板向后拨水产生反用力推船

2

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前进。

水草收割机的工作的环境是水深大于0.6米，平均水深0.8米，水草植物丛生的浅水湖泊。常用的推进装置有螺旋推进器、空气螺旋推进器和明轮推进器。螺旋式推进器在浅水域中效率低，易使船体沉降，且在有水草的水域易出现缠绕问题。空气螺旋推进器的制造工艺和使用维护要求很高且易翻船，而明轮推进器平衡性好、不易出现缠绕、用于中低速小型船舶效率较高适于水中割草作业。

明轮推进器由沿船宽方向水平布置于水线以上的中心轴和在该轴两端旋转的轮及轮周缘上的蹼板构成。一般每一舷侧轮装有7～11叶蹼板。当明轮在低速主机带动下旋转时，蹼板依次进出水面，蹼板向后拨水产生反作用力推船前进。当船舶吃水有限时，明轮的结构比螺旋桨的结构能保证更大的水力断面。因而对于吃水浅的船舶来说，采用明轮推进器能提高推进系数。所以至今在某些内河客货船和拖船上还有使用明轮推进器的。

明轮是一种局部入水的推进器，根据蹼板在明轮上的安装形式，分为“定蹼式明轮”和“动蹼式明轮”。

2.2定蹼式明轮

图2-1 定蹼式明轮简图 图2-2 动蹼式明轮

定蹼式明轮的特点是构造简单结构牢固，小直径时效率差，蹼板在入水时压水，而在出水前提水，因而浪费了大部分能量，必须有很大的直径和低的转速才能得到较高的效率。所以它的直径往往做得很大，入水深度一般不超过半径的1／2，图2-1为定蹼式明轮。

2.3动蹼式明轮

动蹼式明轮的蹼板以铰接方式与轮体相连，通过偏心作复合运动，因为它的蹼板能以

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适宜的角度入水和出水，提高了效率。对于相同尺寸的蹼板，由于动蹼明轮蹼板垂直入、出水的程度要比定蹼明轮高，因而对船体产生的推进力要大，推进效率可提高15％到25％，并且溅水小。其缺点是制造相对复杂，造价高，但在目前的加工条件下个零部件均可制造，并且由于水草收割机一般在浅水水域作业，定蹼式明轮难以适应，所以选用动蹼式明轮作为水草收割机的推进器，图2-2为动蹼式明轮。

2.4动蹼式明轮的工作原理

当动蹼式明轮分布在船的中部两侧位置时，称为动蹼腰明轮。图2表示动蹼腰明轮的结构示意图，将其简化为平面四杆机构来分析，当主动杆AB以角速度∞作圆周运动时，引导连杆BC和蹼板(与连杆销连接)作平面运动，连杆驱动摇杆CD绕偏心轴作圆周运动，蹼板拨水推动船体行进。几组平面四杆机构的协调运动产生了明轮推进力。

动蹼明轮可以借偏心装置控制蹼板，以调节出水和入水的角度，消除了蹼板入水时产生的拍水现象与出水时产生的提水现象；其次，还可以增大明轮的划水面积从而提高推进效率。

3 明轮机构的分析计算

3.1 BYD-1水草收割船的基本参数

工作速度： V1=2.0 km/h (0.556 m/s)； 航行速度： V2=5.0 km/h (1.389 m/s)； 船重： W=5×10 Kg： 吃水深度： T=0.5 m； 船的特征长度： L=5.3 m； 水的密度： ρ=l000 kg/m；

粘性系数： v=1.417×10 m/s (水温低限7℃)； 船的特征宽度： B=1.2 m；

船的排水量： V=W/ρ=5000/1000=5.0 m

船的方形系数： δ=V/LBT=5.0/(5.3×1.2×0.5)=1.57

船的浸湿表面积：

对于无隧道的内河船舶按A．B卡尔波夫公式计算,即

??V(5.1?0.074233

3

-62

3

L?0.4?) 公式（3-1） T4

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代入数据得：

相应的弗鲁德数Fr:

Fr?V 公式（3-2） gL2

式中：g一重力加速度 9.8 m/s 代入数据得：

Fr1?0.556?0.07

9.8?5.31.389?0.193

9.8?5.3Fr2?相应的雷诺数Re：

Re?VL? 公式（3-3）

代入数据得：

0.556?5.3?2.08?106 ?61.417?101.389?5.36Re2??5.20?10

1.417?10?6Re1?3.2 行进阻力计算

3.2.1 公式的确定

根据弗鲁德数可以判断，水草收割机为慢速船，因此在阻力的计算中，只考虑粘性阻力和兴波阻力两项，其它可忽略不计。

其公式为：

Rsk??sk?V22? 公式（3-4）

Rw??w?V22? 公式（3-5）

总阻力为：

R?Rsk?Rw?(?sk??w)?V22? 公式（3-6）

式中：ξsk ——粘性阻力系数；

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ξw ——兴波阻力系数

在总阻力中只有粘性阻力系数、兴波阻力系数未知，其它各参数已确定；从而只需确定这两项。

3.2.2 粘性阻力系数的计算

?sk?(k'??k)(?f0???f)???k 公式（3-7）

式中：kˊ——比例系数 Δk——比例修正系数 ξ

f0——摩擦阻力系数

Δξf——阻力修正系数 Δξk——附加阻力修正系数 1)比例系数kˊ、比例修正系数Δk的确定 根据船型特点：kˊ=1.3、Δk =0 2)摩擦阻力系数ξ

f0的确定

?f0?故：

0.455?0.82?10?3?(6.60?LgRe)2 2.58(LgRe)?f01??f02?0.455?362?3?0.82?10?(6.60?Lg2.08?10)?3.978?10 62.58(Lg2.08?10)0.455?0.82?10?3?(6.60?Lg5.20?106)2?3.353?10?3 62.58(Lg5.20?10)f的确定

-3

3)阻力修正系数Δξ

由资料可知，Δξf = (0．4～0．7)×10 4)附加阻力修正系数Δξ

k的确定

k取=(0．1～0．2)×10

-3

为了船的稳定性良好，一般ΔξΔξf、Δξ

ξξ

k均取大值，代入公式得：

-3

-3

-3

-3

sk1 = (1.3—0)×(3.978×10+0.7×10)+0.2×10= 6.25×10 sk2 =(1.3—0)×(3.353×10

-3

+0.7×10)+0.2×10= 5.46×10

-3-3-3

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3.2.3 兴波阻力系数的计算

55T17B?w??w()2()4 公式（3-8）

BL'其中ξwˊ根据图可知：

ξw1ˊ= 0.04×10； ξw2ˊ= 0.95×10；

-3-3

代入数据得：

ξw1 = 0.04×10×

-3-3

= 0.1×10

-3

-3

ξw2 = 0.95×10×

= 2.43×10

-3

R1 = Rsk1 + Rw1 =（6.25×10+0.1×10）×R2 = Rsk2 + Rw2 =（5.46×10+2.43×10）×

-3

-3

-3

×10.3 = 10.1 N

×9.7 = 78.4 N

考虑到浅水对阻力的影响，选取层流系数Q=1.6，修正后的阻力为：

R1ˊ= (1+Q) ×R1 = (1+1.6) ×10.1 = 26.3 N R2ˊ= (1+Q) ×R2 = (1+1.6) ×78.4 = 204 N

3.2.4 输送带阻力的计算

由于输送带在工作时一部分是在水中，在行进中会产生行进阻力。假设输送带为一个平板在水中运动，切割架宽1.2m，割深0.8m，即相当于收割机必须克服一块面积为a----1.2×0.8 m2的平板所产生的阻力。由基尔霍夫理论，输送带产生的阻力可由以下公式计算：

公式（3-9）

2

式中：a——物体垂直于运动方向的截面积，a = 1.2×0.8 = 0.96 m；

c——阻力系数，查得c = 1.12；

输送带阻力只有在收割水草时产生，所以V = V1 = 0.556 m/s

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6 结 论

（1）明轮部分经计算，能够完成相关的任务，设计比较合理。

（2）主要零部件经过强度校核满足强度要求，但是由于回收水草的需要，轴较长，结构不是特别紧凑。

（3）所设计的清除装置尺寸小，运动灵活，适宜在中小尺度的水域生态系统中进行水草收割，能够达到净化水质的作用。

（4）本设计的小型水草收割机船体平稳、灵活，驱动力小，可以大大提高沉水植物的收割速度，有效解决人工收割效率低的问题。

（5）由于水平所限，结构设计难免存在不太合理的地方。

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参考文献

[1] 秦四成编著. 工程机械设计 [M]. 北京：科学出版社，2003.

[2] 《实用机械设计手册》编写组编． 实用机械设计手册 [M]．北京：机械工业出版社，1998.

[3] Machinery's handbook : a reference book for the mechanical engineer, draftsman., toolmaker machinist

[M]. New York: Industrial Press Inc., 1979.

[4] Mechanical analysis and design [M]. New York: Elsevier [M]，1981. [5] 濮良贵编等.机械设计.[M].西安：高等教育出版社，2005. [6] 孙桓编等.机械原理.[M].西安.高等教育出版社，2003.

[7] 徐金详.小型水下清淤机的设计及应用.[J].排灌机械，2003，21（3）：29～32.

[8] 韩青松.基于P ro／E的水草收割机明轮装置建模与仿真.[J].农机化研究，2001，53（8）：105～108 [9] 扬诗鸿．SYG-2.5型水草割草机的设计和研制.[J]．水利电力施T机械，1997，19(4)：12～15． [10] 孙明敏.河道清单机的研制.[J]．中国农机.2005(6)：9l～94．

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致 谢

通过本次毕业设计BYD-1水草收割船驱动装置的设计工作最终圆满结束，我的专业水平和机构设计的能力有了很大的提高。在这里首先要感谢我的指导老师王老师。从课题的选材，方案的确定，机构的设计，论文的撰写的过程中，王老师给我提出了很多宝贵意见，明确规范了设计要求，在毕业设计的各个方面都给予了悉心指导，在此过程中我学会了很多，收获了很多。王老师严格按照毕业设计进度表监督我的进度，给予我鼓励和指导，使我按时按量顺利完成了毕业设计的工作。在此，向王老师表示衷心感谢和深深地敬意。

毕业设计过程中用到了很多以前学过的专业知识，也深深体会到了专业知识的重要性。因此，衷心感谢那些曾经教会我知识财富的老师。感谢学院在毕业前，提供给我这样一个宝贵的锻炼自己的机会，为将来走向社会添了砝码。

还要感谢四年来与我一起走过的同学们，毕设过程中，他们给予了我很大的帮助。因为我们共同设计同一个水草收割机，在此过程中，从开始构思到后面的设计，最终毕设完成，他都给了很大的帮助，在这里向他表示衷心的感谢。

最后，向所有关心和帮助过我的同学们致以诚挚的谢意！

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/dfdv.html