马铃薯收获机的设计

马铃薯收获机的设计11 马铃薯收获机的分析1.1 马铃薯收获机研究的目的和意义马铃薯是我国继小麦、水稻、玉米之后的第四大作物，主要分布在黑龙江、新疆、甘肃、内蒙、山西、陕西、宁夏、云南、贵州、青海、吉林等省区，年产鲜薯近 6000 多万吨。我国马铃薯种植面积以 10 万 hm2/年的增长速度逐年增加，2001 年达到 472 万 hm2，产量居世界第 1 位 1-2。我国是马铃薯生产第一大国，但却是马铃薯成果转化比较差的国家。据联合国粮农组织报告，我国马铃薯平均产量仅为 13.9t/hm2，而欧美发达国家平均单产 3543t/hm2。世界马铃薯中心的研究表明：在世界范围内对马铃薯的需求到 2020 年将有望增长 20%，超过水稻、小麦、玉米的增长。届时发展中国家对马铃薯的需求将是 2000 年的 2 倍 3-5。随着市场对马铃薯需求的不断增加，国外一些大公司纷纷在中国从事马铃薯生产与加工业务，国内一些生产企业也纷纷加入这一领域，使得马铃薯生产开始向生产基地规模化、标准化迈进 6。然而，一个残酷的现实却是，占生产总用工 70%以上的马铃薯收获作业至今基本上还是停留在传统的人工割秧、镐头刨薯、人工捡拾的阶段，严重影响了马铃薯的规模生产，使之远远满足不了市场的需求。伴随种植面积和产量的增长，马铃薯收获成为一个重要的研究课题。国内外对马铃薯收获机械研究投入了相当大的人力和物力。我国现阶段的马铃薯收获机还是以简单挖掘人工拣拾为主。而国外已经实现了机械化与自动化的结合，将液压技术、振动分析、电子技术、传感器技术应用于作业机械中，大大地降低了劳动者的工作强度。1.2 国外马铃薯收获机的发展现状国外马铃薯收获机械化收获起步早、发展快、技术水平高。20 世记初，欧美国家出现畜力牵引挖掘机来代替手锄挖掘马铃薯、随后改由拖拉机牵引或悬挂。20 年代末出现了升运链式和抛掷轮式马铃薯收获机。在 20 世纪 40 年代初，前苏联、美国就开始研制、推广应用马铃薯收获机械，50 年代末即己实现了机械化。7080 年代，德、英、法、意大利、瑞士、波兰、匈牙利、日本和韩国亦相继实现了马铃薯作物生产机械化。70 年代主要是研制大功率自走式根块作物联合收获机，且以收获垄作种植为主 8。这些机型是大功率拖拉机变型，如荷兰在拖拉机基础上按照甜菜联合收获机的原理制成的双行马铃薯联合收获机，为了加强筛选效果，分离器有四个液压泵带动。从农业机械化发展过程来看，马铃薯收获机械发展较迟缓，只是在近 50年才发展到较高水平。在国外马铃薯收获机械中，挖掘机的生产和使用所占的比例趋于下降，而联合收获机得到迅速发展，形成了用联合收获机直接收获，马铃薯收获机的设计2或用挖掘-捡拾装载机加固定分选装置来进行分段收获的两种全面实现收获机械化的配套系统，基本上实现了马铃薯收获机械化。而且，国外马铃薯收获机械大多采用升运链条式联合作业，技术上已达到相当高的水平。像俄罗斯、德国、法国、英国美国、比利时和日本等国马铃薯收获机械化程度较高，收获机械性能稳定。日本对生姜收获机械已经研制多年并有了一些成熟的机型，第一代机型只把根茎拔出地面，减轻了农民从地下挖出生姜的劳动量。据有关材料介绍，现在第二代机型已经研制成功并开始使用，它是一种从收获到清理到包装的联合作业机械。在韩国，对根茎收获机械的研制也取得了较大的成果，他们生产的一种配套于田园管理机的大蒜挖掘机，采用振动的原理，缓冲了阻力，并对根茎上附着的土块起到疏松和抖动的作用，是一种轻型高效的机具。图 1 EURO-V1400L 马铃薯收获机 图 2 Spirit8200 马铃薯收获机发展中国家基本上采用挖掘犁和挖掘机进行收获作业，发达国家的马铃薯作物收获已基本实现了机械化联合作业。如德国、美国的联合收获机在自动化控制马铃薯分离以及减少马铃薯作物损伤等方面都有独到之处。东洋农机公司、日本三 A 公司久保田公司等都生产适合小地块作业的中小型自走式马铃薯作物收获机 15。1.3 国内马铃薯收获机的现状分析近年来，国内市场上也出现了一些此类机械，如大蒜挖掘机就有对行松土铲式和不对行平铲式输送方式也有多种。但大多数机型在适应性和质量可靠性方面仍然不同程度地存在着一些问题，主要体现在两个方面，一是损伤作物，因为象大蒜、生姜此类作物，收获时皮质鲜嫩易损，而损伤后会严重影响其价格;二是适应性差，因各地农艺不同，行距及株距存在着差异，机具难以满足这种要求。由于进口农机具价格较高，农民难以接受，马铃薯收获机械还是要走国产马铃薯收获机的设计3化道路，而且还要根据中国国情，不能盲目照搬。利用现有的机型，如田园管理机、手扶拖拉机及四轮拖拉机，对国外的机型原理加以消化吸收，研制出适合中国国情的机具。国内根茎作物的机械化收获还有较长的路要走，不仅需要科研部门及企业的大力研制及投入，还牵涉到农民的认识和接受问题。国内是小地块单户作业，农艺的差异较大。农机不可能满足多种农艺要求，只有农民认识和接受了一种机具，采用较为统一的农艺，才能有利于这种机具的大量推广和应用。国外发达国家（如日本、美国、法国、意大利等国）地下作物的收获已实现机械化，对于长根作物（萝卜、山药等）和短根作物（洋葱、大蒜等）都有不同的收获机械，工艺十分的先进，但机械价位较高，全部引进国内无法接受，大多用于沙壤土作业，这些设备不太适应我国地下作物种植的农艺要求和土壤状况。根据以上分析，在国内外现有的基础上，结合我国农村市场的实际情况，分析国内马铃薯类作物的农艺要求和土壤的物理特性而研制出的多功能马铃薯类收获机。图 3 1650 型带臂式联合收获机1.4 多功能马铃薯收获机的发展趋势（1）向适应性，通用性发展如采取在一台马铃薯收获机上换装不同型号的清选、分离装置，摘果装置19。采用可互换的滚筒式分离机构和圆盘割刀式分离机构，可用于花生、大蒜、洋葱等多种根茎类作物的联合收获，实现一机多用。采用通用性好的果秧分离机构，适用于不同种类根茎类作物的秧蔓与果实的结构、形状、尺寸将两者分离，以适应多种作物和多种形式马铃薯作物的收获要求。马铃薯收获机的设计4（2）向智能化方向发展我国的农机产品要想达到农业生产上的精耕细作，并追赶国际水平，就必须在智能化上下功夫，给农机产品配备精准的多功能的农业系统已经成为农机发展的潮流，经济作物的耕作机械应重点开发根作物的收获，以解决种植面积不断扩大的花生，大蒜，胡萝卜，马铃薯等马铃薯类果实的挖掘类收获机械输送和分离问题。（3）向多功能联合型机械发展增加农业机械的使用方向，避免机械的单一性，实现一机多用，可用于花生、大蒜等多种根茎类作物的联合收获等作业联合在一起，并可增加其收割功能，以提高机具利用率 21。（4）简化操作简化操作减少辅助工作时间， 提高工作速度这是提高收获作业生产率的又一途径，如在可能的前提下尽量增大集收集箱的容积，减少装卸的次数，其底部采用可打开的形式，以加快其收获完毕后清扫的时间。（5）创新改造在原有单一挖掘机械的基础上创新改造，可增加挖掘机械的科技含量，提高自动化成效，极大限度的加强机械化。如可将单片机控制技术引入挖掘机械，采用微机根据土壤类型，马铃薯的类型自动控制挖掘深度和清选程度，提高收获自动化效率。采用新原理、新结构、新材料、新工艺，以减轻重量、减少阻力延长马铃薯收获机的使用寿命和扩大使用范围，及降低生产、使用费用。将是马铃薯收获机械发展的又一特点 22-26。2.总体方案的设计2.1 整体布局的设计其传 动图如图 4：马铃薯收获机的设计5图 4 传动图1、万向联轴 2、链轮 3、减速器4、动力输出轴 5、输送链驱动轴 6、抖动轮轴其总体结构图如图 5：图 5 总体结构图1、V 带轮 2、V 带 3、机架 4、抖动轮 5、减速器 6、联轴器7、悬挂架 8、挖掘铲 9、链轮 10、传动链 11、地轮2.2 工作原理本机主要由 V 带、减速器、抖动轮、机架、挖掘铲、传动链、地轮构成。拖拉机产生动力通过减速器和带轮将所需要的动力传送到链轮上，链轮带动链条从而带动分离装置运动，将从挖掘铲部挖出的马铃薯向机器后方运送，同时由于有抖动轮的作用，使得马铃薯在输送的过程中实现马铃薯与土的分离，而达到了分离的目的。最后马铃薯落入收集箱中。马铃薯收获机的设计63 传动比的确定与减速器的选择3.1 传动比的确定该多功能马铃薯收获机的配套动力为 40.550KW 的拖拉机，其输出轴的转速为 540r/min，通过一级减速器和带传动，设其总的传动比 68.2i减速器的传动比 。带传动的传动比 为了能满足分离器上的线21i 34.12i速度为 1.3m/s 的要求，因为 所以出入ni min/5.20168.5rin入出 srad/1.230.14.30出出 所以链轮半径 mvr 62.2出3.2 减速器的选择由于其传动比为 2，所以可以从市场上选择传动比为 2 的减速器，其型号为 ZDY，ZDZ100 型圆柱齿轮减速器。4.带轮和链轮的设计4.1 带轮的设计因为工作机是多功能马铃薯收获机，故属于载荷变动较大的机械，原动机是交流电动机（普通转矩鼠笼式） ，工作时间小于 10 小时/天，启动形式为软启动。收获机的工作功率为 1.5KW。故： W8.15.2.1kPKPAca A-工作情况系数 取 =1.2。（1） 选择 V 带的型号根据计算功率 ca和小带轮转速 1n，故选择 A 型带。（2） 确定带轮基准直径：1）初选主动轮的基准直径 D1 根据所选 V 带型号参考，选取 min，选 mD801。2）验算带的速度 V马铃薯收获机的设计7106VnD27084.3sm/0.13）计算从动轮直径 D22iD2.7834. 取 D2 为 107mm（3）确定传动的中心距和带长初定中心距，由 220217.0 Da即： 1788即： 3749.30，所以可取 ma5根据公式（820）计算基准带长： 0212210 42aDDLd 35870835m.16选取带的基准长度，查表得： mLd1根据公式（821）计算实际中心距： Lad 4.39220.685302'0 考虑安装调整和补偿初拉力的需要，中心距的变动范围为： d1.min mLad6.843.mx（4）验算主动轮的包角根据公式（86）及对包角的要求，应保证： oo601012aDa350871275（5）确定 V 带的根数由公式（822）知马铃薯收获机的设计85.300 KPKPZLca取 Z=4 根。式中： 在包角=180 度，特定长度，工作平稳情况下，单根普通带的许用功率值； 考虑包角不同时的影响系数，简称包角系数；LK考虑带的长度不同的影响系数，简称长度系数；0P计入传动比的影响时，单根 V 带所能传递的功率的增量；查得： =0.45 K=0.98 L=0.91 0P=0.024（6）确定带的初拉力单根 V 带的初拉力由公式（823）确定： 20 15.25qVKZPFca243.098.0413. N7（7） 求带传动作用在轴上的压力由公式（824） 2210SinZFQo87s4N197式中： Z带的根数； 0F单跟带的初拉力；1主动轮上的包角。（8）V 带计算结果表 V 带设计计算列表设计计算项目 结果 说明工作情况系数 k A1.2计算功率 Pca1.8选取 V 带型号 A小带轮直径 D180mm 可选比表中大的值大带轮直径 D 2107mm马铃薯收获机的设计9验算 V 带的速度 V 1.1304m/s初定中心距 a 0350 参考实际机械结构确定初算 V 带所需的基准长度 L