4U-750馬鈴薯收獲機設計

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This potato harvester uses the digging shovel installed in the front of the machine to dig out the potatoes, and then separate the potatoes and soil through the separation device. The whole machine design of potato harvester includes: the design of digging parts, separating and conveying parts and transmission mechanism.The digging parts directly or indirectly form a rigid connection with the frame. Through comparison, the machine adopts the combined plane triangle shovel to dig, and designs the main parameters of the digging shovel.The separation part is arranged behind the digging shovel. By comparison, the rod type lifting chain is used with the shaking wheel to complete the conveying and separation. In this part, the theoretical design of the shaking wheel is carried out. The conveying rod is usually a slender round rod with a diameter of 10 mm.The transmission device is driven by chain wheel, which is powered by tractor. The reducer and chain wheel transmit the power to separate conveying parts to complete potato harvest. Through the design of the main parts of the potato harvester, the size of the potato harvester can be determined. At this time, the assembly drawing and each part drawing can be completed with AutoCAD. Keywords:The potato harvester;The mining parts;The separating parts;Transmission parts;Machine design 山西農業(yè)大學農業(yè)工程學院本科畢業(yè)設計 目 錄 4U-750馬鈴薯收獲機 1 1 緒論 1 1.1 研究的目的與意義 1 1.2國內外現(xiàn)狀 1 1.2.1國外現(xiàn)狀 1 1.2.2國內現(xiàn)狀 3 1.3馬鈴薯收獲機的研究內容 4 2 設計總體方案 6 2.1馬鈴薯物理特性 6 2.2馬鈴薯種植模式分析 6 2.3馬鈴薯收獲機的設計構思 7 2.3.1設計要求 7 2.3.2機器參數(shù)的確定 8 2.3.3馬鈴薯收獲機所需功率的確定 8 2.3.4工作原理 9 3 傳動機構的設計 10 3.1確定傳動機構 10 3.2功率的計算及傳動比分配 10 3.3鏈傳動設計 11 3.3.1鏈傳動的優(yōu)缺點 11 3.3.2傳動鏈條的選擇 11 3.3.3鏈傳動的設計內容及步驟 11 3.4軸的設計 19 3.5 鍵的校核 20 4 關鍵部件的設計 21 4.1挖掘鏟的設計 21 4.1.1挖掘鏟的選擇 21 4.1.2挖掘鏟的設計 22 4.2土薯分離輸送裝置的設計 25 4.2.1分離裝置的選擇 25 4.2.2輸送裝置設計 25 4.2.3抖動輪的設計 26 4.3機架的設計和選材 28 參 考 文 獻 31 致 謝 33 4U-750馬鈴薯收獲機 1 緒論 1.1 研究的目的與意義 我國是馬鈴薯種植最大的國家，根據2018年中國馬鈴薯大會的生產數(shù)據，我國馬鈴薯年種植面積與產量分別在533.3萬（8000多萬畝）和9000多萬噸，均居世界首位[1]。盡管我國馬鈴薯的種植面積很大，但產量似乎并不盡如人意，在世界上種植馬鈴薯的國家之中，我國的機械化水平最低，同時這也造成我國的馬鈴薯產量低的原因。我國馬鈴薯機械化率只有42.6%，這使得我國在馬鈴薯的市場競爭中不僅沒有優(yōu)勢，反而造成土地資源的浪費，人力資源的浪費。所以實現(xiàn)馬鈴薯機械化收獲是順應馬鈴薯市場需求的必要條件。 我國地形廣闊，不同地區(qū)種植模式不同導致馬鈴薯機收難，也是造成國外先進機械在中國難以廣泛應用的原因之一。設計一款適應中國農業(yè)，功能全面的馬鈴薯收獲機可以大大解放農民的勞動力，增加生產效率。馬鈴薯聯(lián)合收獲機的設計開發(fā)是大勢所趨的。 1.2國內外現(xiàn)狀 1.2.1國外現(xiàn)狀 國外的馬鈴薯收獲機械發(fā)展比較早，機械化的程度比較高。在20世紀早期，一些歐美國家收獲馬鈴薯已經開始使用機械，生產力水平得到大大提高。20世紀中期，歐美國家基本實現(xiàn)機械化。20世紀末，一些亞洲國家，如日本，韓國也開始實現(xiàn)馬鈴薯收獲機械化[2]。機械化收獲大大解放了人們的雙手，提高了收獲效率。 國外機械目前采用兩種收獲機械。一種是馬鈴薯聯(lián)合收獲機直接收獲，另一種是挖掘拾撿裝載機[1]。比利時、美國、德國采用自走式聯(lián)合收獲機，如圖 1所示。圖中可以看出，這款收獲機可以在收獲過程中將馬鈴薯的除秧、收獲、裝載運輸集為一體。韓國、日本、意大利、波蘭等國家由于地形原因，山地種植多，所以主要使用挖掘機。國外中小型聯(lián)合馬鈴薯收獲機的特點為生產效率高，體積小，與拖拉機配套使用過程中，對牽引機械馬力要求不高。 圖 1 自走式聯(lián)合收獲機 第二次工業(yè)革命期間，前蘇聯(lián)最早發(fā)明出馬鈴薯收獲機械，首先發(fā)明出半懸掛式的馬鈴薯收獲機，隨后為了提高效率又發(fā)明了自走式的馬鈴薯收獲機。德國的馬鈴薯收獲機技術一直以來都處于國際領先地位，德國的格瑞莫（GRIMME）公司以生產馬鈴薯收獲機而聞名于世，這個公司生產的產品質量上乘，受到各國一致好評。以VENTOR4150型4行收獲機為例，其功率達到390kW，配備15噸料斗，整地效率和分離效率高[1]。圖 2為格瑞莫公司設計制造的一款馬鈴薯收獲機。從圖中可以明顯看出該收獲機體型巨大，適應于大面積平地種植的馬鈴薯進行收獲，并且可以一次性完成收獲和收集兩個任務，還節(jié)省時間，解放勞動人民的雙手。 圖 2 格瑞莫馬鈴薯收獲機 1.2.2國內現(xiàn)狀 在發(fā)展之初，馬鈴薯收獲多采用人工收獲或者畜力挖掘，現(xiàn)代化水平低，造成人民勞動強度大，然而生產效率低。所以馬鈴薯收獲機械化開始發(fā)展。起初我們借鑒國外先進技術研制出了第一代升運鏈式馬鈴薯收獲機，由于地域特殊，并不能很好適應，隨后馬鈴薯種植面積擴大，馬鈴薯收獲機也開始向智能化，聯(lián)合化的方向發(fā)展[2]。目前我國農機市場以中小型馬鈴薯收獲機為主，如4U-2、4U-170等機型，通常以農村常用的拖拉機配套使用，適應性強，收獲效率高。如圖 3所示，這款收獲機是我國自主研發(fā)的適應我國種植模式的聯(lián)合收獲機，可以很明顯的看到收獲機前的兩個地輪，使用地輪是對國外機械的一種改進，可以很好適應中國土質，解決了國外機械在中國難以為繼的局面。 圖 3 4U-170型馬鈴薯收獲機 在馬鈴薯收獲生產廠家中，中機美諾科技股份有限公司在中國是具有代表性的企業(yè)，作為中國最早從事馬鈴薯收獲裝備的企業(yè)，其研發(fā)的美諾1700和1710系列馬鈴薯收獲機，實現(xiàn)了國內大中型馬鈴薯收獲機的突破[1]。圖 4為美諾的一款代表機型1700。除美諾之外，青島洪株農業(yè)機械有限公司、山東富邦農業(yè)機械有限公等企業(yè)也是中國具有代表型的馬鈴薯收獲機的研發(fā)廠家。 圖 4 美諾1700 國內的馬鈴薯收獲機在這幾年間迅速發(fā)展，在適應地形的同時提高效。收獲機生產廠家逐漸增多，收獲機種類也隨之增多，已經從單一功能的挖掘發(fā)展到聯(lián)合收獲。但是國內馬鈴薯收獲機械由于國家重視程度低，資金投入少，仍存在一些問題。首先國內收獲機對比國外來看，機械化程度不高，大多數(shù)使用中小型，雖然受限于地形地勢，但總體來看還是處于低效率的。其次，機械標準化程度低，中國地形復雜，不同地形需要使用不同機型這就導致中國的馬鈴薯收獲機難以實現(xiàn)標準化生產。最后，我國的馬鈴薯收獲機在機械化，創(chuàng)新化，智能化程度上比國外要落后。隨著我國綜合國力的提升，低水平的農業(yè)收獲機械必然難以為繼，所以我國的馬鈴薯收獲產業(yè)鄉(xiāng)創(chuàng)新化、集成化方向發(fā)展是必然趨勢也是重大挑戰(zhàn)。 1.3馬鈴薯收獲機的研究內容 通過收集資料對4U-750型馬鈴薯收獲機有了一定的認識，在認識的基礎上，要設計一款馬鈴薯收獲機，這款馬鈴薯收獲機應滿足機械收獲的條件，完成馬鈴薯的挖掘，土薯分離，運輸，和集條，并且以拖拉機為輸出動力，這正好可以與現(xiàn)代農村的設備相匹配。根據馬鈴薯的農藝要求，完成馬鈴薯收獲機關鍵部件的理論設計和計算機繪圖。 設計的技術路線如下: 35 2 設計總體方案 2.1馬鈴薯物理特性 馬鈴薯作為日常生活中餐桌上一道必不可少的美食，它含有高淀粉含量，是一種地下生長的作物，與花生不同的是，馬鈴薯生長喜水喜肥，所以才有高淀粉含量。由于馬鈴薯的生長特點，導致馬鈴薯含水量較高，含水量高決定其儲存方式以及收獲方式需要小心，否則極其容易造成馬鈴薯外表損傷。馬鈴薯對種植地要求不高，土壤隨著含水量不同，對應的形態(tài)也不盡相同。固態(tài)時，土壤含水量低互不粘結，土薯分離比較容易；在塑性狀態(tài)時，土壤含水量高容易粘結，土薯分離容易，但機器很難在田間行走。所以實踐表明，在濕度低，土質疏松的田地更適合機械化收獲馬鈴薯。馬鈴薯與機械化收獲有關的一些物理，力學特性如表 1所示[27]。 表 1馬鈴薯物理特性 特性 數(shù)值 生長深度（cm） 13~22 薯塊分布寬度（cm） 18~30 長度（mm） 60~120 寬度（mm） 46~75 厚度（mm） 37~56 單個薯塊重量（g） 37~56 薯塊容重（kg/m^3） 20~290 破壞薯塊的靜壓（kN） 650~750 莖葉拉斷力（平均）（kN） 0.3~0.9 2.2馬鈴薯種植模式分析 我國幅員遼闊，地形復雜，馬鈴薯種植方式也因地形而異。而且我國各地馬鈴薯的品種多種多樣，用途不一，這就導致各個地區(qū)馬鈴薯收獲的作業(yè)要求也不一樣。而且有的地區(qū)采用覆膜種植來增加產量，收獲時地膜或者雜草的纏繞等對馬鈴薯聯(lián)合收獲機的工作性能會產生較大的影響，所以各種復雜的作業(yè)環(huán)境對馬鈴薯聯(lián)合收獲的作業(yè)要求就提出了一個較大的考驗[22]。 我國馬鈴薯種植通常采用壟作或者平作，在有灌溉條件的地區(qū)多采用壟作，在平地多采用平作，除此之外還有壟間套作，因地形而異。我國山西大部分地區(qū)地形平坦，水源充足，適合于平作，有的地區(qū)也采用壟作。 2.3馬鈴薯收獲機的設計構思 2.3.1設計要求 通過對馬鈴薯收獲機的調查，找出一款適合于山西種植形式的馬鈴薯收獲機，根據市場需求做出如下要求： 1、確保馬鈴薯收獲機的作業(yè)質量，設計的馬鈴薯收獲機在田間實際作業(yè)時能夠順利地完成挖掘、輸送分離、鋪放等功能[23]。 2、配套動力要與農村現(xiàn)有的拖拉機相匹配。 3、通用性強、可靠性高，能夠在實現(xiàn)作業(yè)功能的基礎上降低作業(yè)成本。 根據中國農業(yè)行業(yè)標準，馬鈴薯收獲機作業(yè)質量的規(guī)定，馬鈴薯作業(yè)地的土壤絕對含水率不大于25%，馬鈴薯聯(lián)合收獲機的作業(yè)質量要求和馬鈴薯挖掘機的作業(yè)質量要求如表 2和表 [12]。 表 2 馬鈴薯聯(lián)合收獲機作業(yè)質量要求 檢測項目 質量指標要求，% 傷薯率 破皮率 含雜率 損失率 ≤3.5 ≤4 ≤4 ≤4 表 3 馬鈴薯挖掘機作業(yè)質量要求 檢測項目 質量指標要求，% 傷薯率 破皮率 明薯率 ≤3.0 ≤3.5 ≤96 2.3.2機器參數(shù)的確定 4U-750馬鈴薯收獲機主要技術參數(shù)如表 ： 表 4 主要技術參數(shù) 項目 參數(shù) 長寬高/（mm） 結構質量/kg 配套動力/KW 作業(yè)幅寬/mm 作業(yè)深度/mm 作業(yè)速度/（m/s） 1000x1160x950 170 58.8 600-800 180-220 1.6 2.3.3馬鈴薯收獲機所需功率的確定 機器的行走、挖掘鏟在挖掘時的工作阻力以及驅動工作部件的工作是馬鈴薯收獲機的主要消耗的功率，其總功率計算公式為： (1) 式中——機器所需的總功率 ——機器向前滾動消耗的功率 ——挖掘鏟消耗的功率 ——機器傳動消耗的功率 （1） 機器的牽引功率為，既： （2） 式中——機器滾動阻力（N） ——挖掘鏟工作阻力（N） ——實際工作速度（m/s） 機器滾動阻力可由下式計算： （3） 式中——機器滾動摩擦系數(shù)，取 ——機器使用質量，取 可求得 得。 （2）若以1.06m/s得速度前進得話，，由此可得：。 2.3.4工作原理 工作時，拖拉機通過懸掛機構牽引馬鈴薯收獲機前進，拖拉機提供傳動所需的總動力，減速器作為傳動機構一部分，通過輸出軸將動力傳動到鏈輪，鏈輪通過軸使分離輸送裝置的抖動輪抖動，升運桿向后輸送；隨著拖拉機的前進，挖掘鏟挖出土垡，土垡沿挖掘鏟至升運桿上進行分離，在抖動輪的抖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，以便人工撿拾[24]。 3 傳動機構的設計 3.1確定傳動機構 傳動機構如圖 5所示。本次設計的馬鈴薯收獲機選擇后懸掛80-100馬力的拖拉機配套作業(yè)；減速器選用ZDY100-2-I型圓柱形齒減速器，輸出轉速為500r/min。馬鈴薯收獲機所需動力通過拖拉機的輸出軸傳送到減速器輸入軸，然后通過減速器輸出軸傳送到小鏈輪，通過鏈輪帶動分離輸送機構進行工作，工作的時候要對行。 圖 5 傳動機構圖 1.萬向連軸2.鏈輪3.減速器4.動力輸出軸5.輸送鏈驅動軸6.抖動輪軸 3.2功率的計算及傳動比分配 通過查《機械設計手冊》，確定減速器，鏈輪，軸的傳動效率如下： 減速器傳動效率:=0.97 鏈傳動效率:=0.96 軸傳動效率：=0.98 總的傳動效率： 計算鏈輪輸出功率為： 一般進行傳動比分配時，我們應該盡量使得各級傳動的承載能力大致相等，為了在降低生產成本的同時適應馬鈴薯的種植模式，我在這里設計總傳動比為i=5，減速器傳動比為i=2，鏈傳動比為i=2.5。 3.3鏈傳動設計 3.3.1鏈傳動的優(yōu)缺點 鏈傳動是具有中間撓性件的嚙合傳動，它兼有齒輪傳動和帶傳動的一些特點。 與帶傳動相比，鏈傳動是沒有彈性的，不會產生彈性滑動，所以傳動的效率比較高；由于它的張緊力小，使得軸與軸承所受載荷??；結構緊湊，在傳動相同功率時，結構尺寸比帶傳動小[26]。 與齒輪傳動相對比，鏈傳動的中心距可以更大；鏈傳動比較穩(wěn)定，氣候變化對鏈傳動影響??；鏈傳動成本低。 鏈傳動缺點有：鏈傳動時隨著傳送過程中總有波動，難以維持恒定的速度運行；若用于高速運轉，則容易產生較大的張力和沖擊載荷；中心距小和頻繁轉動方向的場合會使得鏈條磨損快，減短鏈條使用壽命；所以鏈傳動只能用于平行軸之間的傳動[25]。 綜上所述，鏈傳動可以很好適應馬鈴薯收獲機的工作環(huán)境，所以本次設計選用鏈傳動。 3.3.2傳動鏈條的選擇 根據我國鏈條標準GB1.243.1-83,傳動鏈分為A系和B系，常用A系列。選用單排滾子鏈可以適應工作時的動力傳動要求，并且可以緩和工作時的沖擊。 3.3.3鏈傳動的設計內容及步驟 3.3.3.1鏈條設計及校核 1、已知鏈傳動傳動比為i=2.5；選擇小鏈輪齒數(shù)，大鏈輪齒數(shù)根據，得：。 2、計算設計功率 （4） 式中——工況系數(shù)，查《機械設計手冊》表13-2-6，得 ——傳遞功率， 3、計算單排鏈條傳遞的功率 （5） 式中——小鏈輪的齒數(shù)系數(shù)，查《機械設計手冊》表13-2-7得 ——排數(shù)系數(shù)，查《機械設計手冊》表13-2-8得 4、確定鏈條節(jié)距 根據和由圖13-2-6確定鏈條為，查表13-2-2可知節(jié)距 5、驗算小鏈輪軸孔直徑 （6） ——鏈輪軸孔最大許用直徑，見《機械設計手冊》表13-2-9， 6、初選中心距 一般?。? （7） 7、計算鏈條節(jié)數(shù) （8） 取鏈條節(jié)數(shù)為82節(jié)。 8、計算鏈條長度 （9） 9、計算實際中心距 計算中心距，查表13-2-11得；。 實際中心距為。 10、鏈條速度 （10） 時為低速鏈傳動。 11、計算有效圓周力 （11） 作用在軸上的力（傾斜傳動） 12、確定潤滑方式 根據《機械設計手冊》查表13-2-47、13-2-48和圖13-2-5可選擇定期人工潤滑。 13、滾子鏈失效形式分析及校核 （1） 滾子鏈主要失效形式如表 。 失效形式 原因 疲勞磨損 在鏈傳動中，在應變力下，當達到某循環(huán)次數(shù)時，鏈板發(fā)生斷裂，表現(xiàn)為滾子和套筒表面出現(xiàn)疲勞裂紋和點蝕。 鉸鏈磨損 銷軸與套筒在運轉過程中承受的壓力以及相對滑動共同導致鉸鏈磨損。 鉸鏈膠合 在載荷作用下導致銷軸與套筒之間的油膜破壞，產生膠合。 靜強度破斷 在低速重載工作時，易發(fā)生靜強度不足而斷裂。 表 5 滾子鏈失效形式 （2） 鏈條靜強度計算 馬鈴薯收獲機在運行中，屬于低速重載，此時鏈條靜強度是主要問題，因此僅需對鏈條靜強度進行校核即可[25]。 鏈條靜強度計算公式： （12） 式中——靜強度安全系數(shù)； ——鏈條抗拉載荷，取，見《機械設計手冊》表13-2-2； ——有效圓周力，，見《機械設計手冊》表13-2-5； ——離心力引起的力，，； ——鏈條質量，，見《機械設計手冊》表13-2-2； ——鏈條速度，； ——懸垂力，在和中選較大者； （13） （14） 式中——系數(shù)，見圖13-2-7，取； ——鏈傳動中心距，； ——兩輪中心線對水平面傾角； ——許用系數(shù)，； 可得，，取 得 所以鏈條符合靜強度驗算。 3.3.3.2 鏈輪的設計 本次設計鏈輪的材料選用45鋼，齒面硬度為40~50HRC，熱處理方式采用淬火，回火處理。 鏈輪設計的基本參數(shù)如表 。 表 6 基本參數(shù) 名稱 數(shù)值 大鏈輪齒數(shù) 小鏈輪齒數(shù) 鏈條節(jié)距 最大滾子直徑 43 17 38.10 22.23 1、 計算齒頂圓直徑 計算公式如下： （15） 可求得，，，，取，。 2、 計算齒根圓直徑 齒根圓直徑可按下式確定： （16） 計算可得， 3、 計算分度圓直徑 分度圓直徑可有下式確定： （17） 可得，。 4、 計算齒高 齒高計算公式為： （18） 可得，，取。 5、 計算尺側凸緣直徑 （19） 計算得。 6、 計算齒面圓弧半徑 最大齒槽形狀： （20） 最小齒槽形狀： （21） 求得，，取。 7、 計算齒溝圓弧半徑 最大齒槽形狀： （22） 最小齒槽形狀： （23） 可求得，取。 8、 計算齒寬 根據公式計算單排鏈輪齒寬為： （24） 得。 9、 倒角寬 由公式 （25） 可得到。 10、 圓角半徑 （26） 可得。 11、 倒角半徑 （27） 12、 齒溝角 （28） （29） 計算可得，，取。 13、 倒角深 （30） 大、小鏈輪的尺寸如表 和表 所示。 表 7 大鏈輪尺寸 設計參數(shù) 數(shù)值 分度圓直徑（mm） 齒頂圓直徑（mm） 齒根圓直徑（mm） 齒高（mm） 齒面圓弧半徑（mm） 齒溝圓弧半徑（mm） 倒角寬（mm） 圓角半徑（mm） 尺側凸緣直徑（mm） 倒角半徑（mm） 倒角深（mm） 齒溝角（°） 522 540 500 10 260 11.3 3.81 1.524 482.15 38.1 19.05 120 表 8 小鏈輪尺寸 設計參數(shù) 數(shù)值 分度圓直徑（mm） 齒頂圓直徑（mm） 齒根圓直徑（mm） 齒高（mm） 齒面圓弧半徑（mm） 齒溝圓弧半徑（mm） 齒寬（mm） 倒角寬（mm） 圓角半徑（mm） 尺側凸緣直徑（mm） 倒角半徑（mm） 倒角深（mm） 齒溝角（°） 207 220 185 10 60 11.3 24 3.81 1.524 165.4 38.1 19.05 120 3.4軸的設計 1、軸的選材 因為軸所受載荷較小，選用45鋼，調質處理。軸傳遞的功率為； 軸的的轉速為；轉距為。 2、 軸的設計過程 （1）初選軸的最小軸徑 最小軸徑公式為： （31） 式中查《現(xiàn)代機械設計手冊》表6-1-12可取,可求得：。 （2）軸的外形結構設計 圖 6 軸 L1段：此處放置軸承，取最小軸徑d1=60mm,基本尺寸為dxDxB=60x130x31mm；右側采用檔圈定位，直徑d=60mm,D=70mm,H=5mm,材料為35鋼。根據軸徑選用深溝球軸承，型號為6312。 L2段：此處放置主動輪，根據主動輪的軸孔設計軸的直徑為70mm,主動輪的右側采用軸肩定位，鍵連接的類型為GB/T 1096 bxhxL=20x12x70mm。 L3段：此處設計為定位軸肩，故取d=80mm。 L4段：此處放置從動輪，根據從動輪的軸孔設計軸的直徑為70mm，鍵連接的類型為GB/T 1096 bxhxL=20x12x70mm。 L5段：根據鏈輪的軸孔設計軸的尺寸為d=60mm，選用鍵進行連接，鍵的類型為GB/T 1096 bxhxL=20x12x18mm。 至此,已經初步確定了軸的各段長度和直徑。 3.5 鍵的校核 我們都知道采用普通平鍵時，一般沒有過大的載荷，不會造成鍵的斷裂，然而卻會造成鍵表面被壓壞，所以僅按工作面上的擠壓應力進行強度校核。 普通平鍵連接的強度校核公式為： （32） 式中——鍵中最弱材料的許用擠壓應力，MPa,取。 T——傳遞的轉矩， K——鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，mm d——軸的直徑，mm L——鍵的工作長度，mm 可求得,所以符合強度校核。 4 關鍵部件的設計 4.1挖掘鏟的設計 4.1.1挖掘鏟的選擇 4.1.1.1挖掘鏟的工作狀況 通過觀察，馬鈴薯收獲機的挖掘鏟總是首先與地面接觸，收獲機通過挖掘鏟把土和薯輸送到抖動篩，完成初步收獲。挖掘鏟工作時，既要保證不能剩薯，又要保證不能傷薯，而且還要防止挖掘鏟壅土和鏟草，使得進入機器的土量少，機器能量損耗少。 4.1.1.2挖掘鏟的種類 從鏟的形狀上分類，主要有條形鏟，凸面鏟，三角形鏟，柵條式挖掘鏟。其優(yōu)缺點對比如 表 3。對比而言，選擇組合式三角形平面鏟可以鏟最少的土挖凈薯塊，并且這種鏟常用于升運鏈式挖掘機，有良好的自潔能力和入土性能[27]。挖掘鏟的結構圖如圖 7 挖掘鏟。 圖 7 挖掘鏟 表 3 挖掘鏟類型對比 挖掘鏟形狀 優(yōu)點 缺點 條形鏟 可以均勻進入挖掘面 使用于有振動篩的收獲機 凸面鏟 碎土性能好 挖掘阻力大，容易造成鏟面的磨損 三角鏟 入土性能最好，挖掘阻力小，強度高 挖掘時，碎土功能不好 柵條式挖掘鏟 結構簡潔，碎土功能好 強度不好，不耐用，容易斷裂 1、 挖掘鏟主要參數(shù) 三角平面鏟的主要參數(shù)有：鏟刃斜角、鏟的傾角、鏟的長度、鏟的寬度、鏟的高度[26]。鏟平面受力分析如圖 8 受力分析圖。 圖 8 受力分析圖 4.1.2挖掘鏟的設計 1、 鏟刃斜角 為保證鏟刃的自動清潔，鏟刃斜角應滿足下式： （33） 為土壤對鋼的摩擦角，山西土質為壤土，山西大部分地區(qū)為粉壤土，查《農業(yè)機械設計手冊》可知，現(xiàn)在取，求得 2、 鏟刃傾角 鏟的傾角應小于24°，雖然 角增大有利于破碎土塊，但是同時增大了工作時的阻力，并且也導致挖起物壅在鏟面上，無法輸送至分離裝置。挖掘鏟的牽引阻力總是受土壤類型，挖掘深度，鏟得形狀和傾角的影響，根據圖 8的受力分析圖可列如下方程式： （34） 式中P——沿著挖掘鏟移動掘起物所用的力（N） R——鏟對土壤的反作用力（N） G——鏟面上土壤的重力（N） ——鏟的傾角（°） ——土壤對鏟的摩擦系數(shù)，根據《農業(yè)機械設計手冊》查得 經過推導，可得: （35） （36） 如果超過上值，土壤就會壅在鏟面上，并散落在兩側，不能輸送到分離裝置上。所以取。 3、 鏟的長度 在圖中鏟的長度分為和，可由下式確定： （37） 式中——平均挖掘深度， 可求得。 鏟的后半段通過能量定理可以進行計算，這一段馬鈴薯克服摩擦力做功，到鏟頂部速度為零，計算過程如下： 整個過程動能： （38） 克服摩擦做功： （39） 克服重力做功： （40） 式中——機器前進速度，在條件不利的情況下，一般取值為。 當角為時，挖掘鏟的最佳長度為，較低值適用于砂質土，較高值適用于中等堅實土。當角越大，挖掘鏟的長度可以越短，機器速度可以越高，長度可以越大[27]。 聯(lián)立得： （41） 可得挖掘鏟總長。 4、 鏟的寬度 鏟的寬度主要決定因素為薯地的行距，一般單行馬鈴薯收獲機的寬度應為。山西馬鈴薯行距為，所以鏟的總寬取。在實際配置中，應留滑草間隙，一般雙鏟為，多鏟為。所以設計鏟的總數(shù)為，滑草間隙為，每個鏟的寬度為。 5、 鏟的高度 由鏟的傾角可求得鏟的高度： （42） 4.2土薯分離輸送裝置的設計 分離輸送裝置在工作時要承載的載荷較大，其單位寬度喂入達，要求分離掉的土壤達，再不傷薯塊的情況下，還要求向后輸送，以便進一步清選和分離。 4.2.1分離裝置的選擇 目前，馬鈴薯收獲機在作業(yè)生產上常用的是按幾何尺寸進分離的工作裝置，如桿條式升運器、分離篩、滾筒篩等[26]。現(xiàn)將這幾種分離裝置進行對比如表 0所示。通過對比，發(fā)現(xiàn)桿條式升運器比較適合用于山西土地的收獲。 桿條式升運器是由細長桿和連接這些桿條的鏈連接而成，中間配置有抖動輪。根據收獲條件和使用要求的不同，桿條式升運器可按不同方案進行配置[26]，本設計采用的是被動橢圓輪抖動裝置與升運鏈進行配置。 表 10 分離裝置對比 分離裝置類型 優(yōu)點 缺點 桿條式升運器 分離能力強，適應條件廣 由于是金屬連接而成，容易磨損 分離篩 分離能力強，還可以向后輸送 沖擊力大，對薯皮傷害也大 滾筒篩 節(jié)省能耗，分離效率高 容易產生損傷，對土壤含水量有要求 4.2.2輸送裝置設計 升運鏈采用的鏈帶形式有鉤形鏈、套筒鏈、套筒滾子鏈（標準型或非標準型）、平膠帶和齒形橡膠帶[27]，對比如 表 41。本次設計選用套筒鏈。 表 4 傳動鏈帶型對比 鏈帶型式特點 特點 鉤形鏈 這種鏈條使用壽命較短，易磨損，常用雙排鉤來增加使用壽命 套筒鏈 鏈條耐磨性好，使用壽命長 套筒滾子鏈 這種鏈條耐磨性好，使用壽命比較長，經常采用標準化，方便更換 平膠帶 這種鏈條類似于帶傳動的彈性形變，彈性形變比起金屬的摩擦要更耐用，但是與之配合的桿條易磨損，使用壽命較長 橡膠帶 這種鏈條與平膠帶類似，噪聲小，但是膠帶的強度低，使用壽命不長 線速度越高的升運鏈，沖擊會越大，越容易造成馬鈴薯外表的損傷，而且升運鏈過長會導致馬鈴薯不能及時落到土地上，導致馬鈴薯外部破裂，因此在挖掘機上，升運鏈的長度一般為左右比較合適，在挖掘鏟后面升運鏈線速度一般為。 通過對比我國一些典型的馬鈴薯收獲機，發(fā)現(xiàn)常采用節(jié)距為，細長桿的直徑不宜過細，一般選取或的鋼制成[27]。在本次設計中取升運鏈長度為，線速度為，節(jié)距為，桿條直徑選，升運鏈寬度為。 4.2.3抖動輪的設計 升運鏈在工作時會撥動抖動輪一起轉動，因為抖動輪的形狀不同于齒輪或鏈輪，在轉動過程中會類似于凸輪上下振動，從而達到土薯分離的效果。抖動輪的形狀主要有橢圓形，雙頭的和三頭的。橢圓形抖動輪由于外形過渡平穩(wěn)，在工作時對鏈條產生的沖擊力小，對薯塊的沖擊小，噪聲小，工作性能溫和，而且結構簡單，可以很好的滿足在正常條件下的工作[27]。所以本次的設計選擇使用橢圓形抖動輪進行設計。但調節(jié)振幅和頻率時需要更換不同形狀的抖動輪。 抖動輪設計如下： （1）初選抖動輪大節(jié)圓半徑為，小節(jié)圓半徑為。 （2）抖動輪和升運鏈線速度關系如下: （43） 式中：——抖動輪轉速 ——抖動輪周長 ——升運鏈線速度 由于抖動輪周長為： （44） 可求得。 拋起物體的升運鏈最低線速度為： （45） 式中，可求得。 抖動輪抖動頻率可按下式計算： （46） 式中為抖動輪凸頂數(shù),取,可求得。 抖動輪結構如圖5所示。 圖 9 抖動輪 4.3機架的設計和選材 一般馬鈴薯收獲機的機架尺寸設計受限于壟寬或者行距，根據馬鈴薯種植的行距或者壟寬可以確定馬鈴薯收獲機的外形尺寸：長X寬X高=1800X1160X950mm;兩側板的厚度為80mm，為放置抖動分離裝置的驅動軸與從動軸需要在側板上設計兩個軸孔，同時需要設計放置減速器的位置。減速器的放置需考慮拖拉機的輸出軸位置，所以在機架上方設計兩個橫梁，作為放置減速器以及連接拖拉機的構件。機架下方為挖掘鏟架，需要在機架側面留出放置挖掘鏟架的位置。為了增加機架的橫向剛度，機架后方設計一個支撐桿。整個機架結構圖如圖 10 機架的整個結構通過組裝或者局部焊接的形式完成。各個組件的選材如下，因為采用拖拉機牽引前進，所以前后橫梁要連接牽引裝置和傳動裝置，受力較大，故采用80X80X80mm的空心鋼，如圖 11和圖 12。后方的支撐桿受力小，選用圓鋼，如圖 13。整個機架采用Q235鋼，連接牽引裝置的橫梁組件采用材料為Q235鋼，如圖 14和圖 15。 圖 10 機架 圖 11 前梁 圖 12 后梁 圖 13 支撐桿 圖 14 牽引機構連接板1 圖 15 牽引機構連接板2 參 考 文 獻 [1] 李震,常清,劉繼柱,董小靖.國內外馬鈴薯收獲機械發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].現(xiàn)代制造技術與裝備,2020,56(09):207-208. 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