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目 錄 摘 要 ...............................................................................................................................1 關鍵詞 ...............................................................................................................................1 1 前言 ................................................................................................................................1 1.1 馬鈴薯收獲機發(fā)展概況 .............................................................................................2 1.1.1 國內馬鈴薯收獲機發(fā)展概況 ..................................................................................3 1.1.2 國外馬鈴薯收獲機發(fā)展概況 ..................................................................................3 1.2 我國馬鈴薯收獲機發(fā)展趨勢 .....................................................................................4 1.2.1 馬鈴薯生產現狀 ......................................................................................................4 1.2.2 馬鈴薯收獲機發(fā)展趨勢 ..........................................................................................5 1.2.3 我國馬鈴薯生產全程機械化的發(fā)展趨勢 ..............................................................5 2 馬鈴薯收獲機械的類型及技術要求 ............................................................................5 2.1 馬鈴薯收獲機械的類型 .............................................................................................5 2.2 馬鈴薯收獲機的技術要求 .........................................................................................5 2.3 馬鈴薯收獲機發(fā)展的主要制約因素 .........................................................................6 2.4 馬鈴薯收獲機械的發(fā)展建議 .....................................................................................7 3 整體結構的確定 ............................................................................................................7 3.1 總體結構 .....................................................................................................................7 3.2 工作原理 .....................................................................................................................7 3.3 主要性能參數 .............................................................................................................8 4 挖掘部件的設計 ............................................................................................................8 4.1 挖掘鏟的設計 .............................................................................................................8 4.1.1 設計依據 ..................................................................................................................8 4.1.2 平面鏟主要參數的確定 ..........................................................................................9 4.2 切土圓盤的設計 .......................................................................................................13 5 分離部件的設計 ..........................................................................................................13 5.1 轉動輸送篩式分離裝置 ...........................................................................................14 5.2 擺動篩式分離裝置 ...................................................................................................16 6 結論 ..............................................................................................................................19 參考文獻 .........................................................................................................................19 致 謝 .........................................................................................................................20 1 馬鈴薯收獲機的設計 學 生：周少軍 指導老師：羅海峰 (湖南農業(yè)大學工學院，長沙 410128) 摘 要：馬鈴薯為地下產物，且是塊莖繁殖，收獲受季節(jié)和天氣限制。由于馬鈴薯的收獲費 時費力、勞動強度大且季節(jié)性強，因此給農民造成極大的困難。為了解決上述問題，本文就國內 外馬鈴薯收獲機現狀、馬鈴薯收獲機的研究和應用進行介紹和分析，設計了組合分離式馬鈴薯收 獲機。對該機的主要參數進行了選擇，對主要零部件的設計進行了理論計算。 關鍵詞：馬鈴薯；收獲機；農業(yè)機械；機械；挖掘鏟 The Design of the Potato Harvester Student: Zhou Shaojun Tutor: Luo Haifeng (College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China) Abstract: Potato is an underground plant. Its harvest is limited by the crown of the year and weather. Since the potato harvesting process has some difficult problems for farmers such as being strenuous and time consuming, great in labor intensity and urgent in seasonal demand. The paper analyses the present situation of potato harvest, and a combined separation potato digger has been developed through selection of principal parameters and theoretical calculation for the design of essential parts. Key words: potato; harvester; agricultural machinery; machinery; digging shovel 1 前言 馬鈴薯的營養(yǎng)價值非常高，市場潛力巨大。在國外，大約占 40%的馬鈴薯加工成 食品后進入消費市場。在國內，一向被國人視為不能登大雅之堂的馬鈴薯產品也突然 間在市場上風靡起來。在北京、上海、廣州及西安等全國大中城市，以馬鈴薯條、馬 鈴薯泥為基本原料的麥當勞、肯德基食品已占據我國快餐市場的半壁江山，而從各種 渠道進口的其它油炸薯片或膨化食品等也滾滾而來。中國農科院副院長屈東玉博士在 2 日前召開的中國馬鈴薯學術年會上指出：“馬鈴薯是一種產量高、適應性強、經濟價 值大的作物，應把馬鈴薯主產區(qū)列入國家糧食商品糧基地，享受與水稻、小麥等商品 糧基地同樣的財稅待遇，這將是保證我國糧食安全的有效手段。 ” 馬鈴薯作為經濟作物，種植面積越來越大，而傳統的馬鈴薯收獲手段費時費事， 勞動強度大且季節(jié)性強，因此給農民造成極大的困難。馬鈴薯種植區(qū)大部分在潛山和 腰山地區(qū)，落后的人工收獲方式造成馬鈴薯凍害和減產等不必要的損失，農民對馬鈴 薯收獲機械的要求十分迫切。為了解決上述問題，推廣應用小型馬鈴薯收獲機勢在必 行。應用馬鈴薯收獲機可以大大提高收獲效率，降低勞動者的勞動強度，增產增收， 減少收獲損失，為我國馬鈴薯生產奠定良好的基礎。根據我國馬鈴薯收獲機械多年研 制生產經驗可以看出，日本、意大利、美國等國外機具適應壟作，很難適應我國平作 種植形式。各類型機械需要進行多地域、多收獲季節(jié)的田間試驗和多輪改進，才能提 高適應性 。[1] 發(fā)展馬鈴薯生產，對調整優(yōu)化農業(yè)產業(yè)結構、加快脫貧致富及地區(qū)經濟發(fā)展具有 非常重要的作用。馬鈴薯為地下產物, 且是塊莖繁殖, 其收獲方式以挖掘機為主。馬 鈴薯收獲機可以大大提高收獲效率, 降低勞動強度, 減少損失, 為馬鈴薯生產奠定良 好的基礎。但是收獲方式的落后極大的制約了馬鈴薯生產發(fā)展。為促進馬鈴薯生產地 發(fā)展，解決機械化收獲問題勢在必行。馬鈴薯收獲機械化的關鍵矛盾是配套動力與機 具性能要求之間的矛盾。鑒于動力的限制，與 14kw 一下拖拉機配套機具的性能不宜 要求功能全，只要完成起薯環(huán)節(jié)，讓署塊基本露于地面即可，其他工序由人工撿拾完 成。從發(fā)展看這類機械作為與目前農村具有的小型拖拉機相配套的過渡性機型予以開 發(fā)、推廣。隨著近年來馬鈴薯種植面積的不斷增加，對馬鈴薯收獲的機械化水平的需 求越來越大。 1.1 馬鈴薯收獲機發(fā)展概況 馬鈴薯是我國北方主要糧食作物之一， 在內蒙、甘肅、寧夏、河北、山西、黑 龍江、河南等省大面積種植，特別是內蒙、甘肅、河北北部等地因常年干旱少雨，氣 候寒冷，沙質土壤多，不利于其它作物的生長，馬鈴薯使成為這些地區(qū)的主產糧食作 物。近幾年來，馬鈴薯迅速以經濟作物走向市場，大量銷售到北京、天津、上海、廣 州等各大城市，美國百事食品有限公司等國外企業(yè)也紛紛在我國以承包大面積種薯地 形式而參與到馬鈴薯種植和深加工行業(yè)。隨著馬鈴薯向規(guī)?；N植的發(fā)展，農民要求 機械化收獲的愿望日趨強烈。由于各地土壤、氣候、地形及種植習慣的差異，種植機 械發(fā)展相對滯后，多采用犁翻人工點播種植，行距不統一。小行距平作與大行距壟作 3 形式共存，平作行距在 400-550mm 之間，壟作在 600—900mm 之間。近幾年，隨著 早上市鮮薯需求量的增加，收獲季節(jié)提前，馬鈴薯莖葉生長旺盛，薯皮鮮嫩，機械收 獲更易破皮和纏繞擁土，使農藝要求與機械收獲適應性的矛盾更加突出。機械化收獲 馬鈴薯技術，關鍵問題是收獲機械適應性差，傷薯率高。因此，研制開發(fā)性能優(yōu)良， 適應性強，傷薯率低，多型號，價格適中，并能同大中馬力拖拉機配套的收獲機械是 非常必要的 。[2] 1.1.1 國內馬鈴薯收獲機發(fā)展概況 新中國成立初期, 我國收獲馬鈴薯采用人工刨或舊犁挖掘的落后方式。直到 20 世紀 60 年代中期,馬鈴薯收獲機具的研制工作才逐步發(fā)展起來。研究人員在研究原西 德、原蘇聯、日本、瑞士等國外機具的基礎上，研制成功了升運鏈式馬鈴薯收獲機， 但是由于受當時歷史條件的限制，沒能實現大面積推廣和使用。 20 世紀 70 年代中期，由于手扶拖拉機的大量推廣應用, 國內又掀起了為手扶拖 拉機配套的馬鈴薯收獲機的研制高潮, 成功研制了鼠籠式馬鈴薯收獲機, 但受當時的 配套動力限制, 未能生產和推廣。1979 年，12 國農機展覽會后，國家將全部馬鈴薯 收獲機樣機都投放在黑龍江省農業(yè)機械工程科學研究院，從而為馬鈴薯收獲機的研究 工作創(chuàng)造了良好的條件。 到 20 世紀 90 年代中期, 由于國產小四輪拖拉機的大量推廣和應用, 研制馬鈴 薯收獲機已被列入重要日程。而此后, 其市場需求旺盛, 先后有小型升運鏈式馬鈴薯 收獲機和振動式馬鈴薯收獲機投放市場,并占據了很大的市場份額。 1.1.2 國外馬鈴薯收獲機發(fā)展概況 從農業(yè)機械化發(fā)展過程來看，馬鈴薯收獲機發(fā)展較遲緩，只是近 50 年才發(fā)展到 較高水平。國外馬鈴薯機械化收獲起步早、發(fā)展快、技術水平高。在 2O 世紀 4O 年代 初前蘇聯、美國就開始研制推廣應用馬鈴薯收獲機了，5O 年代末期全面實現了生產機 械化。7O～8O 年代，德、英、法、意大利、瑞士、波蘭、匈牙利、日本和韓國亦相繼 實現了馬鈴薯生產機械化。國外馬鈴薯收獲機械的技術水平相當高，不但生產率高而 且高新技術已融于機具之中。如采用振動、液壓技術進行挖掘；采用傳感技術控制土 壤喂人量、馬鈴薯傳運量以及分級裝載；采用氣壓、氣流、光電技術進行碎土和分離 及利用微機進行監(jiān)控操作等。 原蘇聯是生產收獲機最早的國家。1960 年，馬鈴薯聯合收獲機保有量是 3 萬臺， 1976 年，保有量是 6 萬臺，1979 年，馬鈴薯收獲機械工業(yè)化程度達到 77%(其中國營 農場為 84%，集體農莊為 73%)；到 20 世紀 90 年代除，馬鈴薯收獲機共有 16 種機型， 4 其中 10 種是聯合收獲機，其中勞動生產率比其他 2 行收獲機提高 1-2 倍。 美國在 1948 年以前用收獲機來收獲馬鈴薯，然后人工撿拾。直到 1967 年，開始 使用聯合收獲機，勞動生產率達到 100kg/(h·人)。 20 世紀 80 年代初期，聯合收獲機和 分段收獲的面積占馬鈴薯種植面積的 85%，其中聯合收獲已經達到 50%以上、20 世 紀到 90 年代，美國已經基本實現了馬鈴薯收獲機械化。 德國 20 世紀在 40 年代主要生產和使用拋擲式收獲機；50 年代主要生產和使用升 運鏈式收獲機和撿拾裝載機，進行分段收獲；到 1970 年保有量達到 6205 臺；70 年代 開始生產聯合收獲機，機型有 20 多種，均是原聯合收獲機的變型，其保有量達到 6 萬臺；90 年代開始生產收獲-撿拾裝載機和具有自動分選裝置的聯合收獲機。 日本在 1955 年以前使用畜力挖掘機，1955 年到 1965 年生產懸掛式的拋擲式和升 運鏈式收獲機。70 年代開始引進英國、美國等發(fā)達國家的聯合收獲機，并研制適合日 本國情的聯合收獲機。 目前，國外馬鈴薯收獲機械大多采用升運鏈條式聯合作業(yè)，技術上已達到相當高 的水平。由于國外馬鈴薯采用機械化壟作種植形式，適應這種特點而設計的收獲機械 在中國難以適應平作收獲。以內蒙百事食品(中國)有限公司種薯基地進口機為例，其 全部實現機械化作業(yè)，種植方式采用壟作，行距為 900mm，收獲機械為牽引式雙行聯 合作業(yè)，多級鏈輸送，配套動力在 59．7kW 以上，一次完成挖掘，土、石、薯、秧 分離，并可實現薯塊大小自動分撿、自行裝車等功能該機為全液壓操縱，各機構可實 現自動折疊運輸，傷薯率極低。機體與薯塊可能接觸部位均用橡膠件保護。又如，芬 蘭康克公司生產的雙行馬鈴薯收獲機為牽引式，配套動力為 33．6kW 以上，在拖拉 機右側實現挖掘，土、薯、莖葉分離，薯塊直接裝袋裝箱。同時，該機可作為撿拾機 使用，后部工作臺為液壓升降式，薯塊或石頭可直接運至田地頭。日本生產的主要為 單行履帶自走式聯合作業(yè)機，行走與輸送鏈 HST 無級變速，發(fā)動機為水冷 4 沖程 3 缸柴油機。 1.2 我國馬鈴薯收獲機發(fā)展趨勢 1.2.1 馬鈴薯生產現狀 馬鈴薯原產于南美洲的安第斯山，17 世紀由荷蘭人帶到我國臺灣。它是重要的糧 食兼用和工業(yè)原料作物。目前，全世界主要種植馬鈴薯的國家有 148 個，總面積達 1838 萬 hm ，總產量 3 億噸。近年來，種植業(yè)結構調整、馬鈴薯加工業(yè)的蓬勃發(fā)展、2 西式快餐大量興起、方便食品的不斷涌現、加工產品的大量開發(fā)以及經濟效益的提高， 極大地調動了農民的種植積極性。我國馬鈴薯種植面積以 10 萬 hm /年的增長速度逐2 5 年增加，2001 年達到 472 萬 hm ，產量居世界第一位； 2003 年，黑龍江省種植面積2 60 萬 hm 產量達到 960 萬噸。所以從機械化角度來看，馬鈴薯種植和收獲機械蘊涵2 著巨大的商機 。[3] 1.2.2 馬鈴薯收獲機發(fā)展趨勢 (1)在我國，馬鈴薯收獲機向集機電和液壓技術為一體的大型化方向發(fā)展，從而 提高自動化程度和生產效率，獲得最佳的經濟效益。 (2)向聯合作業(yè)方向發(fā)展，實現多功能作業(yè)，降低作業(yè)成本和設備投入費用。 (3)向自走式發(fā)展，裝有分級裝置，降低勞動強度。 (4)注重產品質量，提高可靠性，實現互換性。 1.2.3 我國馬鈴薯生產全程機械化的發(fā)展趨勢 (1) 要加大公關力度，提高機具性能指標，使其盡快達到國際先進水平。實現定 型生產，占領國內市場，替代進口產品。 (2) 提高“三化 ”水平，增加作業(yè)功能，以滿足農業(yè)生產需求。 (3) 提高機電、液壓一體化和檢測水平，開展聯合作業(yè)機具的研制。 (4) 提高生產企業(yè)的加工工藝水平，保證設備制造質量。 我國馬鈴薯種植面積大幅攀升，這對我國馬鈴薯收獲機機械生產無疑是一個非常 好的機遇，但同時也是一種挑戰(zhàn)?？偟膩碚f，馬鈴薯收獲市場潛力巨大，如果能充分 抓住這個大好時機，認清國內馬鈴薯收獲機械的應用現狀，有選擇地引進和吸收國內 外先進技術，并及時開發(fā)出適合我國國情的馬鈴薯聯合收獲機，將為我國馬鈴薯生產 奠定良好的基礎。 2 馬鈴薯收獲機械的類型及技術要求 2.1 馬鈴薯收獲機械的類型 目前，國產馬鈴薯收獲機械較成熟的產品主要有兩種類型：一是升運鏈桿條式， 該類型機是目前國際通用型式，美國、芬蘭、德國、俄羅斯等國大型收獲機， 日本 自走式、韓國懸掛式收獲機普遍采用該型式，特點是容易實現單雙行收獲和聯合作業(yè)； 二是柵條擺動分離篩式收獲機．該類型機是意大利、日本的早期結構型式，不易實現 雙行收獲和聯合作業(yè)。目前，國產機還不能實現聯合作業(yè)。以上兩種類型機也有不足 之處，就是只能實現挖掘、土薯分離和集條功能，還不能完成排石、去秧、集箱或直 接裝車等功能。 2.2 馬鈴薯收獲機的技術要求 國內馬镥薯收獲機械技術發(fā)展還處于起步階段，但各類型機均應具備以下技術要 6 求： (1)挖凈率 要求挖深在 150—200ram 之間，每行挖掘寬度在 350—500ram 之間，挖凈率應不 低于 98％。 (2)明薯率 收獲機必須具有良好的分離機構，能將薯塊與土壤分離，使分離后的薯塊集堆或 集條以便于人工撿拾．明薯率應達 95％。 (3)破損率 收獲時應盡量減少馬鈴薯破皮、切傷等損失，破損率應小于 5％ 。 (4)生產率 機械收獲的目的在于減輕勞動強度，提高生產率，適時收獲。因此，收獲機作業(yè) 時應具有一定的作業(yè)速度。 (5)其它要求 馬鈴薯收獲機在盡可能減少自身動力消耗的情況下，其配套動力應具有一定的儲 備。分離機構應具有排石、去秧功能，以適應土壤、地形等方面的變化，以及收獲后 田地應平整，不能影響以后農田作業(yè)要求 。[4] 2.3 馬鈴薯收獲機發(fā)展的主要制約因素 (1)動力配套問題 11—14kW 拖拉機雖是目前農村擁有量最多的動力機械，但問題的核心是小型拖 拉機不適宜于配套單行收獲機，動力不能滿足一次完成挖掘、分離、薯塊集堆或集條 作業(yè)，更談不上完成去秧、排石、裝箱等功能。實踐表明，不管收獲機械如何改進， 馬鈴薯收獲仍然需要較高動力消耗，現在與小型拖拉機配套的收獲機普遍存在動力不 足的問題。雖然與 18—22kW 以上拖拉機配套的單行收獲機和 38kW 以上拖拉機配套 的雙行收獲機克服了動力不足、適應性差的問題，作業(yè)質量也較好，但農戶擁有該類 型拖拉機數量有限，在一定程度上制約了馬鈴薯收獲機械的發(fā)展。 (2)生產規(guī)模與種植形式 目前，農村小規(guī)模生產方式制約了大中型馬鈴薯收獲機的發(fā)展，收獲機市場出現 了先小型，后小中型并舉的現象。馬鈴薯種植形式不統一也直接影響收獲機作業(yè)性能。 (3)機具性能問題 目前我國各地研制的收獲機普遍存在可靠性差，作業(yè)質量不穩(wěn)定，適應性不強， 7 功能不全等問題。 2.4 馬鈴薯收獲機械的發(fā)展建議 (1)機具類型多樣化、系列化、標準化。我國馬鈴薯收獲機械的設計開發(fā)要適合 國情，不但要適應我國廣大農村現有的配套動力條件，還要適應各地不同的農藝要求。 (2)提高機具可靠性。馬鈴薯收獲機械在惡劣的條件下工作，零部件易腐蝕、磨 損或斷裂，因此在設計時應從結構特性、制造工藝和材料處理等幾方面綜合分析，改 善零件的可靠性，進而提高整機的可靠性。 (3)多功能聯合收獲。目前許多機型只有挖掘功能，沒有分離清選和輸送功能， 生產率相對較低，實際收獲時的成本較高。因此，要通過消化吸收國外先進技術，進 一步優(yōu)化挖掘、分離、清選和輸送功能，提高生產率。同時要提高機具的適應能力， 完善根茬、殘膜的收集功能，使其真正實現多功能聯合作業(yè)。 (4)加強基礎性能的研究。研究土壤性質，可準確確定機具的受力特性，理地選 擇結構參數；研究馬鈴薯性狀，可減少其破損量，提高分選效率。深入研究土壤和馬 鈴薯特性有助于優(yōu)化機器結構，提高其使用性能。 3 整體結構的確定 3.1 總體結構 本任務設計的馬鈴薯挖掘機與80-100馬力的拖拉機配套作業(yè)，掛接方式為后懸掛， 作業(yè)時需對行。該機主要由懸掛機架、轉動輸送篩、挖掘鏟及鏟架、切土圓盤刀、傳 動機構、擺動篩等機構組成。鏟架通過螺栓安裝在懸掛機架的側板上，在鏟架上安裝 有挖掘鏟。在機架上焊有2點懸掛的地方，與拖拉機的懸掛機構相連。在機架中部安 裝有傳動機構，它由傳動箱、一對錐齒輪和傳動軸組成。傳動機構通過傳動軸與拖拉 機的動力輸出軸連接，拖拉機的動力傳動到轉動輸送篩和擺動分離篩上，使轉動輸送 篩轉動，將挖掘出的馬鈴薯輸送到擺動篩上達到分離效果。轉動輸送篩的主動軸的轉 動作用由鏈條帶動，從而使轉動篩達到轉動的效果。傳動機構末端上有一偏心輪，偏 心輪使與其相連的連桿一端作回轉運動，在連桿另一端帶動擺動篩使其擺動，使馬鈴 薯和土壤達到分離的效果 。[5] 3.2 工作原理 拖拉機通過懸掛機構牽引馬鈴薯收獲機前進，拖拉機的動力輸出軸與收獲機的機 傳動機構通過傳動軸相連接，在拖拉機啟動后，結合動力輸出軸使其轉動，并通過傳 動機構傳送動力，使轉動輸送篩轉動、擺動篩轉動擺動；在拖拉機前進過程中，挖掘 8 鏟挖出土垡，土垡沿挖掘鏟傳到轉動輸送篩上進行初次分離，然后由傳動篩輸送到擺 動分離篩上再次分離，在擺動篩的擺動作用下薯塊和泥土分離，并將薯塊成條狀鋪放 在挖掘機的后面，以便撿拾 。[6] 3.3 主要性能參數 馬鈴薯收獲機主要性能參數見表1所示： 表1 馬鈴薯收獲機主要性能參數 Table 1 Main performance parameters of the Potato Harvester 項目 數值 項目 數值 工作寬度 1800mm 純小時生產率 0.25～0.60hm ?h 作業(yè)行數 2 行 集薯類型 鋪條 作業(yè)深度 200mm 理論明薯率 ＞95% 主軸轉速 540r/min 理論挖凈率 ＞98% 配套動力(拖拉機) 80-100 馬力 理論破損率 ≤ 5% 作業(yè)速度 0.6～1m/s 行距 700～900mm 4 挖掘部件的設計 挖掘部分的作用是把薯塊和土壤一起挖起，并把薯塊和土壤輸送到分離篩上。對 挖掘部件的要求如下： (1)在盡量少挖取土壤的情況下挖凈薯塊； (2)挖掘深度穩(wěn)定不損傷薯塊，并可根據需要進行調整； (3)挖掘鏟應有較強的碎土能力，對粘重土壤保證土垡能順利通過，以便為分離薯 塊中的土壤提供有利條件； (4)要求挖掘部件的牽引阻力小，刃口的耐磨性好。 為滿足上述要求，采用了組合式挖掘部件。這種挖掘部件由三角平面多鏟、鏟架 和切土圓盤刀組成。挖掘鏟與鏟架通過螺釘連接，鏟架固定在機架上。切土圓盤刀安 裝高度可調節(jié)。 4.1 挖掘鏟的設計 挖掘鏟是挖掘機的主要部件，而挖掘鏟的參數的選擇是馬鈴薯挖掘機的設計基礎。 4.1.1 設計依據 主要依據是薯塊的分布寬度、結薯深度和薯塊成簇性等生長狀況, 以及土壤土質 和根系的抓土程度。 按收獲農藝相關指標——挖凈率、傷薯率、明薯率等, 對挖掘鏟的設計要求是: (1)將所有薯塊掘起, 保證挖凈且不鏟薯； 9 (2)能流暢地將掘起物送往分離裝置； (3)盡早漏土, 減小挖掘阻力, 避免機前壅土,且減小篩分部件負荷, 提高整機收 獲的明薯率。 固定式三角平面多鏟是挖掘機的主要工作部件之一，結構比振動式挖掘鏟和主動 圓盤挖掘部件結構簡單，制造方便，不需要動力傳動。其缺點是容易產生壅土現象。 壅土現象產生的原因： (1)土壤板結，有大土塊、大石塊和雜草纏繞； (2)懸掛連接尺寸不正確，挖掘鏟工作傾角過大或過小； (3)挖掘深度和前進速度超過設計值。 但在土壤條件好的情況下，正確使用挖掘機是可以避免和減少壅土現象發(fā)生的。 因此，固定式三角平面多鏟在國內外仍得到廣泛應用 。[7] 4.1.2 平面鏟主要參數的確定 三角平面多鏟的鏟面為平面，且常用在鏈桿式挖掘機上。因此，該機采用三角平 面多鏟，由11個三角平面鏟組成，材料為65Mn。固定方式是通過鏟柄固定在鏟架上， 并在各鏟之間留有滑草間隙。 (1)挖掘鏟主要參數如：圖1、圖2 α 圖1 挖掘鏟參數1 Fig l Digging shovel parameter 1 10 2γ 圖2 挖掘鏟參數2 Fig 2 Digging shovel parameter 2 γ—鏟刃斜角 α—鏟的傾角 L—鏟的長度 B—鏟的寬度 H—鏟后端高度 (2)受力分析： 鏟刃斜角γ為了保證鏟刃的自動清理，可由圖 3的受力分析確定。αα 圖3 受力分析 Pig 3 Stress analysis 11 2γ 圖4 鏟尖受力分析 Pig 4 Stress analysis of the scraper tip 由公式 P0 sin(90° ?γ ) ＞ F (1) 使土壤在鏟刃上的滑切能力克服摩擦力，土壤與鏟刃做相對運動。 公式中 P0—作用在鏟刃的阻力 (N) F —土壤對鏟刃的摩擦力(N) F = Ntg? —土壤對鏟刃的摩擦角 由摩擦定律知 F = Ntg N = P0cos(90°- γ) 將其代入(1)式得 γ＜ 90° ? (2)? 一般土壤對鏟刃的摩擦角為 =26.5°～35° ，故取γ =55°為易。γ 過大，莖桿和雜草 不能被切斷，而且會引起鏟前堵塞；但是γ減小時，要達到同樣的挖掘寬度，則必須 增加鏟的長度，這會增加工作阻力，并且需加強鏟的強度。 挖掘鏟的傾角α和鏟的長度L可由圖3的受力分析求得。 根據土壤在挖掘鏟上的受力分析可建立如下平衡方程式： Pcosα?F?G α=0 (3)sin N ? Gcosα ? Psinα = 0 (4) F = tg (5)f? 式中： 12 P — 沿著挖掘鏟移動掘起物所需的力(N) N — 鏟對土壤的反作用力(N) G — 鏟面上土壤的重力(N) F — 土壤對鏟的摩擦力 (N) — 土壤對鏟的摩擦系數f 將式(3)、(4) 、(5)聯立解得： (6)pfGarctgP???? P = Gtg(α+ ) (7)? 挖掘鏟在工作過程中必然受到阻力的影響，工作阻力不僅只是由于鏟起的土壤沿 鏟移動而產生的，同時，由于切割土壤的作用也會產生阻力，因此這部分力為 P1=KA (8) 如果不考慮土壤沿著鏟面移動速度的影響，則鏟的總阻力為 R=P+ P1 =Gtg(α+ )+KA (9)? 式中： — 土壤對鋼的摩擦角? = tgf K— 犁溝土壤比阻(N/m )2 A— 鏟面上土壤的橫斷面積(m ) 輕質土K =16000 ～20000N/m 2 中等輕質土K =20000 ～24000N/m 中等堅實土K =24000 ～30000N/m 2 (3)鏟面的水平傾角α 鏟面的水平傾角α的理論值可由圖5中對鏟面移動的掘起物作用力的平衡方程確定。 TRVh2GPCα 13 圖5 鏟面水平傾角及鏟的末端離地高度示意圖 Pig 5 The end of the horizontal Angle and the shovel shovel from the height map P cosα-T -G sinα =0 R -Gcosα-P sin =0 式中： P—沿鏟面移動掘起物所需的力 R—鏟面對土壤的反作用力 G—掘起物的重力 T—鏟面對掘起物的摩擦力 T = R ( 為土壤對鋼的摩擦系數 ) f 由此可得： α =arctg( P－G )/( P + G )ff 如果超過上述值，則掘起物就會壅在鏟面上，使薯塊從鏟側滾落，同時也加大了 工作阻力。實際中，α角根據挖掘鏟需要提升掘起物的高度和對松碎土壤的要求來確 定，α 角增大，有利于破碎土塊，但鏟的工作阻力增加；α 角過小，影響入土深度。根 據試驗，取α=18° ～25°。 鏟的長度L可由挖掘深度h與傾角α計算，即： L = h / sinα (10) 鏟的寬度B 為130mm，邊鏟取寬度B 1=165mm，總鏟寬度B 2=1800mm。由條件可 知，所要求的挖掘深度h =200mm，在此深度條件下馬鈴薯才能完全從土壤里挖掘出 來，且不致鏟壞馬鈴薯。 取鏟的傾角α= 23° ， = 30°(中等輕質土) ，則鏟的長度L =355～650mm，取? L =340mm；鏟的總阻力R =35 ～42kN。挖掘鏟主要參數見表 2： 表2 挖掘鏟主要參數 Table 2 main parameters of the Digging Shovel 項目 數值 項目 數值 鏟的傾角 α 23° 鏟的寬度 B 130mm 邊鏟寬度 B1 165 mm 總鏟寬度 B2 1800mm 三角平面鏟個數 11 個 鏟間隙 27mm 鏟的長度 L 340 mm 鏟刃斜角 γ 55° 挖掘阻力受土壤類型、挖掘深度、鏟的形狀和鏟的傾角等影響很大，因此該機采 用三角平面多鏟，由11個三角平面鏟組成，各單鏟之間留有27mm的間隙，間隙過大， 易漏掉馬鈴薯，間隙過小會增大挖掘阻力。 14 4.2 切土圓盤的設計 在工作時，平面鏟挖起的土垡容易散落在機器兩側，造成薯塊丟失。為了客服這 一缺點，本設計的挖掘鏟兩側裝有切土圓盤。圓盤不僅能阻擋薯塊丟失，而且還切斷 莖葉和雜草，防止在鏟側堵塞。該機切土圓盤設計直徑為D =530mm，厚度t=6mm ， 用65Mn 鋼制成。切土圓盤可以將壟兩側切割為土垡，切斷互相纏繞的草蔓，避免在 工作時平面鏟挖起的土垡散落在機器兩側，造成薯塊丟失，同時還可通過調整切土圓 盤的安裝高度來調節(jié)挖掘深度。如果調高切土圓盤的高度，挖掘深度增加；反之，則 挖掘深度隨之減少 。[8]9 5 分離部件的設計 配置在挖掘鏟后面的分離部件在工作時承受的負荷大，其單位寬度的喂入量達 100～150kg/s.m ，且要求分離掉的土壤達70%～80% 。該部件工作可靠，對薯塊的損 傷小，并在分離的同時把剩余部分向后輸送，以便進行下一步的清選和分離。 作業(yè)時為了防止石塊卡在挖掘鏟和轉動輸送篩之間，避免轉動輸送篩喂入口堵塞， 在挖掘鏟和轉動輸送篩之間設計了防石裝置。被分離物料的成份主要有土壤、薯塊、 莖秧、雜草等。根系土壤交織粘合在一起，要想在較小的結構尺寸下提高分離明薯率， 亦是設計難題之一。 本設計采用轉動輸送篩和擺動篩組合式分離裝置，轉動輸送篩為有效分離面積較 大的桿式鏈組成，它相當于柵格式閉合回轉篩。在輸送篩上輸送邊的中部設有偏心抖 動輪，起到邊輸送邊抖動掉土壤的效果。擺動篩連接在輸送鏈的后部, 垂直機器前進 方向振擺, 完成二次篩分和向機后鋪放薯塊的作用。 5.1 轉動輸送篩式分離裝置 轉動輸送篩分離裝置(運動簡圖見圖6)具有較強的分離性能，并且在傾角達30° 時仍有良好的輸送能力，結構簡單，但是金屬用量較大，金屬鏈磨損較快。 輸送篩是由桿條和連接這些桿條的平膠帶、被動式抖動輪、側壁、架子等部分組 成。桿條是由直徑為10mm的圓鋼，按一定間距固定在兩條帶子上組成。在輸送篩上 工作面的桿條下，設置有隨動型的抖動輪，抖動輪直接與輸送篩的升運鏈工作面的桿 條相接，由升運鏈桿條帶動，其轉動的圓周速度與輸送篩的工作速度相同，橢圓形抖 動器的長半徑和短半徑之差使輸送篩工作面的運動方向發(fā)生瞬時的周期性變化，從而 抖動輸送篩上的掘起物。 15 WMNZ△ αα 圖6 輸送篩運動簡圖 Pig 6 Kinematic sketch of the monveyor mesh 決定抖動強度的因素有抖動器長短半徑之比、抖動器的數量以及輸送篩的緊度和 強度等。輸送篩工作過程中并不完全作直線運動，在抖動器作用的某一瞬間可視為圓 周運動。拋起土塊時抖動器所需的最低轉速由輸送篩速度來決定。在粘土地工作時， 最佳速度為2m/s。 被動式抖動輪在工作時由輸送篩的帶條帶動。抖動輪的形狀設計為橢圓形，其振 幅由前至后逐漸增大。橢圓形抖動輪工作較溫和，產生的沖擊力小，制造方便，工作 穩(wěn)定，可以滿足在正常工作條件下的使用要求。被動式抖動輪結構簡單，但是調節(jié)振 幅和頻率時必須更換不同形狀的抖動輪。 (1)初選橢圓形抖動輪參數： R= 65mm r= 45mm 式中： R — 抖動輪大節(jié)圓半徑 r — 抖動輪小節(jié)圓半徑 (2)橢圓形抖動輪的周長L 按以下近似公式計算： 1.5()LRr????????? 3.4.645???? = 688 mm (3)能拋起物體的輸送篩最低線速度計算公式： 1min2gRVk?? 16 式中： K —小節(jié)圓半徑r與大節(jié)圓半徑R之比，即 =0.69rKR? g —重力加速度 —輸送篩最低線速度1minV 經驗表明，K值取0.6～0.7時可獲得較好的分離效果。因此選取 R=65mm，r=45mm較為合理。那么， (11)1min29.80651./Vms???? (4)在收獲機最大收獲速度(1m/s)情況下，如能順利輸送，輸送篩在此條件下最低 輸送速度應滿足： =2mincosv? 式中： —在收獲機最大收獲速度下輸送篩最低輸送速度2minV V—收獲機最大收獲速度 α—輸送篩工作傾角( 本設計輸送篩傾角為 20°) 那么， = =0.94 m/s (12)2minV1cos0?? 由式(11)、(12)得： =1.1m/sin 為提高輸送篩的輸送和分離能力，應適當加大輸送篩的線速度。而線速度過大會 使工作功率提高，且容易傷薯。?。篤=1.6m/s (5)被動式抖動輪的轉速與輸送篩線速度和抖動輪的周長有以下關系： =134 r/min33601.680VnL???? 式中： n —抖動輪轉速 L —抖動輪周長 V —運鏈線速度 (6)抖動輪抖動頻率f可按下式計算：f =Zn/60 =8 134/60=18 Hz? 式中： Z —抖動輪的凸頂數 n —抖動輪轉速 (7)抖動輪結構見表3 17 表3 抖動輪結構 Table 3 Structure of the Shaking Wheel 項目 數值 項目 數值 抖動輪類型 橢圓形 轉速 134r/min 抖動頻率 18Hz 大節(jié)圓半徑 85mm 小節(jié)圓半徑 60mm 系數 K(K=r/R) 0.69 輸送篩線速度 1.6m/s (8)轉動輸送篩結構見表4 表4 輸送篩結構 Table 4 Structure of the Conveyor Mesh 項目 數值 項目 數值 抖長度(軸距) 1542 mm 寬度(兩帶中心距) 1756 mm 桿條直徑 10 mm 桿條間隙 50 mm 工作傾角 15° 抖動輪個數 2 平膠帶式輸送鏈是以帶子的彈性變形來代替金屬的交接摩擦，因此使用壽命長， 工作時噪音小。帶式輸送篩是由鏈輪撥動桿條，因而造成桿條的磨損。為了提高膠帶 的強度，帶中有用合成纖維制成的筋。 轉動輸送篩式分離裝置結構簡單，而且在完成分離工作的同時還可以進行與水平 成20°的升運工作。 5.2 擺動篩式分離裝置 偏心輪式擺動篩結構簡單，工作可靠，非常適合作輔助清理部件。 篩子采用有效分離面較大的條桿篩, 篩架由曲柄連桿機構驅動。除了篩子結構和 安裝角度外，影響擺動篩分離和輸送能力的主要動力因素是篩體的加速度。由平面篩 的運動分析可知, 篩體加速度的大小與篩面的傾角有關, 傾角加大則所需的加速度也 應加大。 (1)初選擺動篩參數見表5： 表5 擺動篩參數 Table 5 Parameters of the Vibrating Screen 項目 數據 項目 數據 篩面傾角 10°～15° 篩條長度 490～520 mm 振幅 26～38 mm 篩總寬 1760～1850 Hz (2)擺動篩的主要參數有：曲軸轉速、曲軸偏心半徑、篩面傾角、篩子擺動方向與 水平之間的夾角、篩子擺動方向與篩面之間的夾角。 物料在篩面上一面后滑移，一面被拋起，物料只有被拋起才能達到振動的效果， 以使得土塊和馬鈴薯分離。擺動篩運動簡圖見圖7： 18 物料在篩面上的運動形式和方向是由篩子加速度的大小和方向決定的。篩子加速 度由下式決定： a =ω Rcosωt2 土壤在篩上向下移動的條件為 cosinfgf???? 圖7 擺動篩運動簡圖 Pig 7 Kinematic sketch of the Vibrating Screen 式中： ω —曲柄角速度(rad/s) R —區(qū)柄偏心半徑(m) t —區(qū)柄轉動時間(s) g —重力加速度(m/s2) f —滑動摩擦系數，土壤和薯塊對金屬篩面的摩擦系數分別為0.5～0.8 和 0.43 γ —篩子擺動方向與水平面間的夾角(°) α —篩面傾角(°) β —篩子擺動方向與篩面之間的夾角(°) (3)篩面傾角和曲軸轉速 擺動篩結構如圖8所示： 19 圖8 擺動篩結構 Pig 8 Structure of the Vibrating Screen 為了在篩面上拋起土垡，必須具備下列條件： a、篩子速度的法向分量 (即對篩面垂直線的投影) 應該向上；b、是篩子加速度的 法向分量α 應該向下，并且其絕對值應等于或大于重力加速度的法向分量，1 即： (12)1 gcosa?? 或 α=ω R cosωt ≥ (13)2csin? 查《農業(yè)機械設計手冊(下冊)》可知，對于對于放置在機器后部的輔助分離篩可 選定為α=15° ；為了保證良好的輸送能力，篩子擺動方向與篩面之間的夾角可選定為 =20°；選定曲軸偏心半徑 R=35mm。? 將選定的參數帶入(12) 或(13)，取cosωt=0.5可計算曲軸轉速： n=465 r/min 取主軸轉速：n=540r/min 6 結論 中國作為世界的制造中心，正在由制造大國向創(chuàng)造大國邁進，同時制造業(yè)又是整 20 個工業(yè)和國民經濟的基石。制造也和農業(yè)的結合會給中國經濟插上騰飛的翅膀。馬鈴 薯收獲機在農業(yè)生產過程中起著日益重要的作用。我國加入 WTO 之后，馬鈴薯種植和 收獲農業(yè)將面臨激烈的市場競爭和嚴峻的挑戰(zhàn)，同時也面臨著更好的發(fā)展機遇。為了 能夠真正的抓住這個機遇，就需要馬鈴薯種植機和收獲機的幫助，就必須用一些技術 先進、挖掘效率高且傷薯率低的設計制造技術來提高我國馬鈴薯收獲機制造行業(yè)的競 爭能力和綜合經濟效益。 本文的對馬鈴薯收獲機的主要參數和結構進行設計，并且參考了一些現有的馬鈴 薯收獲機，對前人的設計進行了改進，期間主要完成了如下工作： (1)材料的搜集整理查閱相關資料 查閱相關文章，并對相關的文章進行搜集、整理，選出與設計有關的資料備用， 并且找出自己設計的產品與國內外的不同之處，說明其優(yōu)點所在，擬定設計步驟，采 用多方案設計，通過比較，選出最佳方案。 (2)理論與計算設計，全部參數的設計 清楚的表達出挖掘機的結構，及相關設計參數，總體布置設計。 (3)完成總裝圖，主要部部件圖，撰寫設計說明書 主要完成與方案相符合的文章的撰寫，包括摘要、前言、設計步驟、內容、參考 文獻等。圖紙的繪制、總裝圖、部件圖。 參考文獻 [1] 張偉，徐樹來，秦春蘭.《農業(yè)機械學》上冊[M].哈爾濱:東北林業(yè)大學出版社,2000 [2] 張偉，徐樹來，秦春蘭.《農業(yè)機械學》下冊[M].哈爾濱:東北林業(yè)大學出版社,2000:456-477 [3] 曹崇文翻譯.《收獲機械》[M].北京:中國農業(yè)機械出版社,1984:2～32 [4] 王啟平.《機械制造工藝學》[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,1995:102～159 [5] 田嘉海，趙清華.《機械原理》[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,1995.12:34～102 [6] 呂金慶.《馬鈴薯挖掘機、挖掘鏟的設計》[M].農業(yè)機械出版社:15～76 [7] 上海市大專院校機械制造工藝學協作組.《機械制造工藝學》:97～125 [8] 農業(yè)部農機化技術開發(fā)推廣總站編.《農機化適用新技術讀本》[M].兵器工業(yè)出版社,2000 [9] 沈再春.《農產品機械與設備》[M].農業(yè)出版社,1993:12～66 [10] 李自華.《農業(yè)機械學》[M].農業(yè)出版社:1～22 [11] 張耀宸主編.《機械加工工藝設計手冊》[M].航空業(yè)出版社，1987：102～180 [12] 戴曙.《金屬切削機床》[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001：65～84 21 [13] 濮良貴，紀名剛.《機械設計》(第七版)[M].高等教育出版社 77～99 [14] 劉鴻文.《材料力學》[M].北京：高等教育出版社,66～88 [15] 中國機械工程學會.《中國機械設計大典》[M].南昌:江西科學技術出版社，2002：903～912 [16] 崔洪斌，方憶湘，張嘉任等.《計算機輔助設計基礎及應用》[M].北京:清華大學出版社， 2002:71～88 [17] 羅錫文.農業(yè)機械化生產學，中國農業(yè)出版社.2002 [18] 李寶筏.農業(yè)機械學，中國農業(yè)出版社.2003 [19] 劉鴻文.材料力學[M],北京:高等教育出版社,1992. 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