南京林業大學本科畢業設計說明書-1-1-南京林業大學本科畢業設計題目：便攜式林業采種機設計學院：南方學院專業：機械設計制造及其自動化學號：學生姓名：指導教師：職稱：二O一三年六月南京林業大學本科畢業設計說明書-1-2-便攜式林業采種機設計摘要近年來，隨著營林事業的不斷發展，世界各國造林工作量逐年大幅度增長，林業種子的需求量也隨之增加，為滿足林業生產、適應林業高速發展和林業現代化需要，種子工作尤其是采種工作必須不斷提高經營水平。科學采種，以機械化采種代替繁重的手工采種，正受到越來越廣泛的注意。便攜式的林業采種機既可以適應各種復雜的環境又有高的效率，非常適合我國的國情。基于地形復雜、樹林茂密的山林環境有著不可取代的優勢。本文具體的設計了便攜式林業采種機。完成了便攜式林業采種機的理論分析、計算及結構設計。包括便攜式林業采種機的總體設計、發動機的選型、離合器的設計、傳動軸的設計、振動頭的設計等。便攜式林業采種機的工作原理是發動機帶動離合器，通過軟軸和傳動桿連接齒輪，通過錐齒輪組減速器最后連接滑塊把旋轉運動轉化成直線運動。關鍵詞：林業采種；機械化；便攜式林業采種機；南京林業大學本科畢業設計說明書-1-2-DesignofPortableForestrySeedHarvestersAbstractInrecentyears,asthecontinuousdevelopmentofthecauseofforest,allthecountriesintheworldhassubstantiallyincreasedafforestationwork.Thedemandofforestryseedsalsoincreased.Inordertomeettheneedsoftheforestryproduction,meettherequirementsofhigh-speeddevelopmentofforestryandforestrymodernization,especiallytheseedseedworkmustcontinuetoimprovemanagementlevel.Scientificseed,mechanizationseedinsteadofheavymanualseed,isreceivingmoreandmoreattention.Portableforestryseedharvesterscanadapttovariouscomplicatedenvironmentwithhighefficiency,verysuitableforChinasnationalconditions.Basedonthecomplexterrain,woodedmountainenvironmenthasanirreplaceableadvantage.Inthispaper,thespecificdesignoftheportableforestryseedharvesters.Completedtheportableforestryseedharvesterstheoryanalysis,calculationandstructuraldesign.Includingtheportableforestryseedharvestersoveralldesign,engineselection,clutchdesign,shaftdesign,thedesignofthevibrationhead.Theworkingprincipleofportableforestryseedharvestersisdrivenbytheengineclutchisconnectedthroughaflexibleshaft,gearandtransmissionrodisconnectedtotheslider,rotarymotionintolinearmotionthroughthebevelgearreduction.Keywords:forestryseedcollection；Mechanization；Portableforestryseedharvesters南京林業大學本科畢業設計說明書第1頁共52頁目錄第一章緒論.11.1引言.11.2國內外林業采種設備現狀.21.2.1國內林業采種設備現狀概況.21.2.2國外林業采種設備現狀概況.51.3本文主要研究工作.8第二章便攜式林業采種機總體設計方案確定.92.1國內現有的同行設備的對比.92.1.1國內大型設備的對比.92.1.2國內小型設備的對比.92.2便攜式林業采種機的總體設計.10第三章便攜式林業采種機結構設計.123.1發動機的選型.123.2離合器的設計.133.3傳動軸的設計.223.4振動頭的設計.223.5把手的設計.36第四章便攜式林業采種機的校核.39第五章設計總結與展望.45致謝.46參考文獻.47附錄.48南京林業大學本科畢業設計說明書第2頁共52頁第一章緒論1.1引言1949年新中國成立以來，我國先后共開展了七次全國森林資源清查。第七次全國森林資源清（20042008年）結果顯示，全國森林面積19545.22萬公頃，活立木總蓄積149.13億立方米，森林蓄積137.21億立方米，森林覆蓋率20.36%，比1949年的8.6%凈增11.76個百分點。我國森林面積居俄羅斯、巴西、加拿大、美國之后，列世界第五位；森林蓄積量居巴西、俄羅斯、美國、加拿大、剛果民主共和國之后，列世界第六位。我國人工林保存面積6168.84萬公頃，蓄積19.61億立方米，人工林面積列世界第一位。總體上看，我國森林資源仍存在總量不足、質量不高、分布不均衡的問題。我國的森林覆蓋率只有世界平均水平30.3%的2/3，人均占有森林面積不到世界人均占有量0.62公頃的1/4，人均占有森林蓄積量僅相當于世界人均占有蓄積量68.54立方米的1/7強1。以上表明我國林業資源現狀不容樂觀。為了促進森林更新，提高營造林質量，急需大量、優質林木種子。林木種子的采收具有很強的季節性，適宜的采種期很短。采收過早，種子沒有完全成熟，種實青癟，品質低劣，不耐貯藏；采收過晚，種子脫落飛散，或造鳥獸危害，造成損失。因此，在采種作業時，除了要做到適時采種，還必須盡可能的加快采種速度，提高采種效率和采種質量2。林木種子的采收方法按被采種樹木所處的狀態可以分為兩大類：一類是從伐倒木上采種；另一類是從生長的立木上采種。從伐倒木上采種既方便又安全，而且采集效率高，但這種采種方法對母樹的破壞是毀滅性的。從生長的立木上采種，困難較大，長期以來采種技術很難有新的突破2。目前，林業采種以人工上樹采種和大型機械采種為主。人工上樹采種工效低、危險性大，而且易使母樹遭受損傷，影響來年結實。大型機械設備龐大、成本高，不適合我國國情。因此，研制一種體積小、重量輕、價廉耐用的便攜式林業采種機是當務之急3。南京林業大學本科畢業設計說明書第3頁共52頁1.2國內外林業采種設備現狀1.2.1國內林業采種設備現狀概況在國內，林木種子的采集仍以人工上樹的作業方式為主，工效低、危險性大，而且易使母樹遭受損傷,影響來年結實3。我國的采種技術和裝備研究開展較晚，但是經過多年的努力，也取得了不少的成果，其中不乏一些先進的采種設備，國外目前正在使用的技術裝備，基本上國內都開展了研究。50年代已有采種鉤、采種鐮、鋸齒嚙合式擼種器等。后來，又研制出上樹機具、人力移動采種梯、振動機等。有關單位研制出一些新型的采種機械，如CJ-50高空作業采種機、CJ-1型落葉松立木采種工具、TD-40型抖動式林木采種裝置、電動林木采種機等4。CJ-1型落葉松立木采種工具包由上樹工具、采摘和收集工具，安全防護用具組成。上樹工具為一具雙刺腳蹬，重1.4kg，固定在腳和小腿上。采摘工具和球果收集裝置。采摘工具采用的梳齒式采摘剪，由工作頭和工具柄構成，工作頭設計為圓形內梳齒和平行圓弧齒的形狀，用鋁合金制成。工具柄設計為多節可伸縮式，總長度3.6m，用玻璃布基層壓管制成。在采種梳橫梁前方加裝了由彈性鋼絲支撐的布袋，袋口直徑為30cm，深25cm。被梳下的球果可直接掉人袋內。CJ-1型立木采種工具包具有輕便安全、操作簡單、采集同步、制造使用成本較低等優點，但勞動強度大，效率低。適用于種子園、母樹林和用材林等的種子采集工作，效率為2.45kg/h，經濟社會效益和生態效益顯著5。CJ-50高空作業采種機（如圖1）由原黑龍江省木材采運研究所研制，屬升降臺式采種輔助設備。選用林業中使用普遍的CJ-50履帶式集材拖拉機作為底盤，在其上裝有一具折臂式升降機構，升降機構末端裝有供工作人員站立的工作臺。整機為液壓驅動，在底盤的變速箱側面布置有取力裝置帶動液壓油泵工作。CJ-50高空作業采種機整機重量為7800kg，最大作業高度14m，最大作業幅度6.4m，工作額定載荷200kg，每小時可采球果3032kg，效率是人工上樹采種的35倍。CJ-50高空作業采種機解決了人工上樹采種爬樹難，勞動強度大，摘取球果困難，破壞母樹樹冠等采種作業中的實際問題，提高了采種作業的效率6。但機體笨重，在林間工作困難。南京林業大學本科畢業設計說明書第4頁共52頁圖1CJ-50高空作業采種機CZ-13林木自行升降式采種機由東北林業大學與黑龍江帯嶺林科所聯合研制，屬升降臺式采種設備。該采種機由底盤、整體式支架、折疊式起升機構、工作臺和液壓與控制系統組成，底盤選用的是北汽生產的輕型越野貨車，具有出色的越野能力和充足的動力輸出，能夠保證人工種子園內的行駛要求。該采種設備專為山地、林地等立地條件差，地面坡度較大的使用環境設計，通過整體式支架的調平功能可以滿足地面坡度為012的種子園采種作業要求。CZ-13林木自行升降式采種機全重為2860kg，最大作業高度13m，最大幅度3m，每小時可采集球果50kg以上，解決了山地大坡度條件下的采種作業難題。RBT14型林木球果采集機器人（如圖2）由東北林業大學研制。是目前國內最先進，自動化與智能化程度最高，技術最復雜的專業采種設備。該機器人大量使用了先進的自動控制和傳感器技術，通過單片機和程序來控制機器人動作和采種作業，不僅代表了國內林業機器人發展水平和專用采種設備的最先進技術，在國際上也代表了最先進的采種技術和設備6，但由于機體笨大，造價高，在林中通過困難。RBT14型林木球果采集機器人由行走機構、機械手、液壓系統和單片機控制系統等構成，機器人全重8750kg，最大采集高度為14m，最大采集半徑6.8m，每小時能采摘落葉松球果50kg，效率是人工采摘的3035倍，工作人員可以站在地面上即可控制機器人進行球果采集作業7-8。工作時，先將機器人停放在距母35m遠處，通過分控制系統操縱機械手對準某一棵母樹。之后，單片機系統控制機械手大、小臂同時柔性升起到達一定高度，采集爪張開并擺動，對準要采集的樹枝，大、小臂同時運動，使采集爪沿著樹枝生長方向趨近1.52m，然后采集爪的梳齒夾攏樹技，大、小臂帶動采集爪按原路向后縮回，梳下枝上的球果，完成一次采摘。單片機再控制采集爪向上或向下移動，對準另一根樹枝后重復上述動作。采集完一顆樹后，轉動機械手對準下一顆母樹，重復上述動作，便可完成一個站位的周邊樹木的采集工作7-10。南京林業大學本科畢業設計說明書第5頁共52頁圖2RBT14型林木球果采集機器人1.車架；2.回轉盤；3.立柱；4.大臂；5.小臂；6.梳齒狀采集抓；7.集果箱TD-40型抖動式林木采種裝置由黑龍江省帶嶺林科所研制，屬于震動式采種工具。其攜帶方便，操作容易，作業安全，對于立地條件復雜、大型機械使用困難及條件惡劣的種子園，具有很好的使用效果。工作時，工作人員利用可伸縮的舉升桿，將雙臂處于張開狀態的抱樹器舉升到所采母樹樹干的一定高度處，拉動抱樹器抱合控制索，抱樹器雙臂抱合，然后將繃索的另一端鉤掛在抱樹器上，再將繃索的另一端固定在距母樹適當位置的立木或樹樁上，并借助緊索器將繃索拉緊。采種人員用擊打棒(長1.8m，直徑56cm)用力打擊繃索，借助繃索產生的拉力搖動樹干，將球果抖落。該抖動式林木采種裝置全重不超過20kg，兩名工作人員即可操作，每小時可完成58棵樹木的種子采集工作11-12，但采種勞動強度大，效率低。圖3采種裝置工藝示意圖1.抱樹器抱合控制索；2.索套開鉤控制索；3.舉升桿；4.抱樹器；5.索套；6.繃索；7.緊索器；8.繃索固定樁黑龍江省林科院和黑龍江省牡丹江特種車輛改裝廠聯合研制了一種體積小，重量輕，價廉耐用的便攜式震動采種機。該便攜式振動采種機由動力部分、傳動部分、振動頭和夾緊裝置等4部分組成（見圖4）。動力部分為一部小型柴油機，輸出的動力通過傳動軸傳至振動頭，帶動振動頭中的偏心軸轉動產生激振波，并經過底板夾緊裝置傳遞給樹干，最南京林業大學本科畢業設計說明書第6頁共52頁終振動波在樹干和樹枝中傳遞到達球果，使球果產生共振，抖落成熟的種子。該采種機全重僅20kg，樹徑在2540cm的樹木均可使用，每小時可完成1015棵樹木的種子采集，平均震動1020s就可將70%的成熟球果中的種子震落，效率是人工采集