4U-750馬鈴薯收獲機的設(shè)計-土豆收獲機含13張CAD圖
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中文摘要
4U-750馬鈴薯收獲機
摘 要
馬鈴薯作為中國重要糧食作物之一，薯類的收獲機械化已經(jīng)得到了高度重視。本文對4U-750型牽引式馬鈴薯收獲機進行研究和設(shè)計。
這款馬鈴薯收獲機利用安裝在機器前側(cè)的挖掘鏟，把馬鈴薯挖掘出來，然后通過分離裝置把馬鈴薯和泥土分離開，分離出來的馬鈴薯通過分離輸送篩把馬鈴薯鋪于地面，最后由人工撿拾收集。
馬鈴薯收獲機的整機設(shè)計包括：馬鈴薯收獲機挖掘部件、分離輸送部件、傳動機構(gòu)的設(shè)計。挖掘部件直接或間接與機架形成剛性連接，本機通過對比采用組合式平面三角鏟進行挖掘，對挖掘鏟主要參數(shù)進行設(shè)計。分離部件配置在挖掘鏟后面，通過對比采用桿條式升運鏈搭配抖動輪完成輸送和分離，這部分對抖動輪進行理論設(shè)計，輸送桿條通常選用直徑10mm的細長圓桿。傳動裝置采用鏈輪傳動，由拖拉機提供動力，減速器和鏈輪將動力傳輸?shù)椒蛛x輸送部件上，完成馬鈴薯的收獲。
通過對馬鈴薯收獲機主要部件的設(shè)計以及對地形得分析，可以確定馬鈴薯收獲機的尺寸，這時可以用AutoCAD完成裝配圖以及各個零件圖的繪制。
關(guān)鍵詞：馬鈴薯收獲機；挖掘部件；分離部件；傳動部件；機械設(shè)計
英文摘要
4U-750Potato harvester
Abstract
As one of the most important food crops in China, potato harvest mechanization has been highly valued. This paper will research and design the potato harvester.
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(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)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(nèi)外現(xiàn)狀 1
1.2.1國外現(xiàn)狀 1
1.2.2國內(nèi)現(xiàn)狀 3
1.3馬鈴薯收獲機的研究內(nèi)容 4
2 設(shè)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(shè)計構(gòu)思 7
2.3.1設(shè)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(gòu)的設(shè)計 10
3.1確定傳動機構(gòu) 10
3.2功率的計算及傳動比分配 10
3.3鏈傳動設(shè)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(shè)計內(nèi)容及步驟 11
3.4軸的設(shè)計 19
3.5 鍵的校核 20
4 關(guān)鍵部件的設(shè)計 21
4.1挖掘鏟的設(shè)計 21
4.1.1挖掘鏟的選擇 21
4.1.2挖掘鏟的設(shè)計 22
4.2土薯分離輸送裝置的設(shè)計 25
4.2.1分離裝置的選擇 25
4.2.2輸送裝置設(shè)計 25
4.2.3抖動輪的設(shè)計 26
4.3機架的設(shè)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(jù)2018年中國馬鈴薯大會的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，我國馬鈴薯年種植面積與產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)用的原因之一。設(shè)計一款適應(yīng)中國農(nóng)業(yè)，功能全面的馬鈴薯收獲機可以大大解放農(nóng)民的勞動力，增加生產(chǎn)效率。馬鈴薯聯(lián)合收獲機的設(shè)計開發(fā)是大勢所趨的。
1.2國內(nèi)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(jì)早期，一些歐美國家收獲馬鈴薯已經(jīng)開始使用機械，生產(chǎn)力水平得到大大提高。20世紀(jì)中期，歐美國家基本實現(xiàn)機械化。20世紀(jì)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(chǎn)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(shù)一直以來都處于國際領(lǐng)先地位，德國的格瑞莫（GRIMME）公司以生產(chǎn)馬鈴薯收獲機而聞名于世，這個公司生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)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(shè)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(yīng)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(wù)，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(nèi)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(chǎn)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(shù)研制出了第一代升運鏈?zhǔn)今R鈴薯收獲機，由于地域特殊，并不能很好適應(yīng)，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(nóng)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(nóng)村常用的拖拉機配套使用，適應(yīng)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(yīng)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(yīng)中國土質(zhì)，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(chǎn)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(nèi)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(nóng)業(yè)機械有限公司、山東富邦農(nóng)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(nèi)的馬鈴薯收獲機在這幾年間迅速發(fā)展，在適應(yīng)地形的同時提高效。收獲機生產(chǎn)廠家逐漸增多，收獲機種類也隨之增多，已經(jīng)從單一功能的挖掘發(fā)展到聯(lián)合收獲。但是國內(nèi)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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)化程度低，中國地形復(fù)雜，不同地形需要使用不同機型這就導(dǎo)致中國的馬鈴薯收獲機難以實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。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(nóng)業(yè)收獲機械必然難以為繼，所以我國的馬鈴薯收獲產(chǎn)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(nèi)容
通過收集資料對4U-750型馬鈴薯收獲機有了一定的認(rèn)識，在認(rèn)識的基礎(chǔ)上，要設(shè)計一款馬鈴薯收獲機，這款馬鈴薯收獲機應(yīng)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(nóng)村的設(shè)備相匹配。根據(jù)馬鈴薯的農(nóng)藝要求，完成馬鈴薯收獲機關(guān)鍵部件的理論設(shè)計和計算機繪圖。
設(shè)計的技術(shù)路線如下:
35
2 設(shè)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(dǎo)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(yīng)的形態(tài)也不盡相同。固態(tài)時，土壤含水量低互不粘結(jié)，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(jié)，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(zhì)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(guān)的一些物理，力學(xué)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(fù)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(dǎo)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(chǎn)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(chǎn)生較大的影響，所以各種復(fù)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(shè)計構(gòu)思
2.3.1設(shè)計要求
通過對馬鈴薯收獲機的調(diào)查，找出一款適合于山西種植形式的馬鈴薯收獲機，根據(jù)市場需求做出如下要求：
1、確保馬鈴薯收獲機的作業(yè)質(zhì)量，設(shè)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(nóng)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(chǔ)上降低作業(yè)成本。
根據(jù)中國農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，馬鈴薯收獲機作業(yè)質(zhì)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(zhì)量要求和馬鈴薯挖掘機的作業(yè)質(zhì)量要求如表 2和表 [12]。
表 2 馬鈴薯聯(lián)合收獲機作業(yè)質(zhì)量要求
檢測項目
質(zhì)量指標(biāo)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(zhì)量要求
檢測項目
質(zhì)量指標(biāo)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(shù)參數(shù)如表 ：
表 4 主要技術(shù)參數(shù)
項目
參數(shù)
長寬高/（mm）
結(jié)構(gòu)質(zhì)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(qū)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(zhì)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(gòu)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(gòu)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(gòu)的設(shè)計
3.1確定傳動機構(gòu)
傳動機構(gòu)如圖 5所示。本次設(shè)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(zhuǎn)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(gòu)進行工作，工作的時候要對行。
圖 5 傳動機構(gòu)圖
1.萬向連軸2.鏈輪3.減速器4.動力輸出軸5.輸送鏈驅(qū)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(shè)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(yīng)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(chǎn)成本的同時適應(yīng)馬鈴薯的種植模式，我在這里設(shè)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(shè)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(chǎn)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(jié)構(gòu)緊湊，在傳動相同功率時，結(jié)構(gòu)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?。绘渹鲃映杀镜?。
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(zhuǎn)，則容易產(chǎn)生較大的張力和沖擊載荷；中心距小和頻繁轉(zhuǎn)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(yīng)馬鈴薯收獲機的工作環(huán)境，所以本次設(shè)計選用鏈傳動。
3.3.2傳動鏈條的選擇
根據(jù)我國鏈條標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(shè)計內(nèi)容及步驟
3.3.3.1鏈條設(shè)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(jù)，得：。
2、計算設(shè)計功率
（4）
式中——工況系數(shù)，查《機械設(shè)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(shè)計手冊》表13-2-7得
——排數(shù)系數(shù)，查《機械設(shè)計手冊》表13-2-8得
4、確定鏈條節(jié)距
根據(jù)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(shè)計手冊》表13-2-9，
6、初選中心距
一般取：
（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(jù)《機械設(shè)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?zhǔn)问椒治黾靶：?
（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(yīng)變力下，當(dāng)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(zhuǎn)過程中承受的壓力以及相對滑動共同導(dǎo)致鉸鏈磨損。
鉸鏈膠合
在載荷作用下導(dǎo)致銷軸與套筒之間的油膜破壞，產(chǎn)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?zhǔn)问?
（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(shè)計手冊》表13-2-2；
——有效圓周力，，見《機械設(shè)計手冊》表13-2-5；
——離心力引起的力，，；
——鏈條質(zhì)量，，見《機械設(shè)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，??；
——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(shè)計
本次設(shè)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(shè)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(cè)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(jù)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(shè)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(cè)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(shè)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(cè)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(shè)計
1、軸的選材
因為軸所受載荷較小，選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理。軸傳遞的功率為；
軸的的轉(zhuǎn)速為；轉(zhuǎn)距為。
2、 軸的設(shè)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(shè)計手冊》表6-1-12可取,可求得：。
（2）軸的外形結(jié)構(gòu)設(shè)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(cè)采用檔圈定位，直徑d=60mm,D=70mm,H=5mm,材料為35鋼。根據(jù)軸徑選用深溝球軸承，型號為6312。
L2段：此處放置主動輪，根據(jù)主動輪的軸孔設(shè)計軸的直徑為70mm,主動輪的右側(cè)采用軸肩定位，鍵連接的類型為GB/T 1096 bxhxL=20x12x70mm。
L3段：此處設(shè)計為定位軸肩，故取d=80mm。
L4段：此處放置從動輪，根據(jù)從動輪的軸孔設(shè)計軸的直徑為70mm，鍵連接的類型為GB/T 1096 bxhxL=20x12x70mm。
L5段：根據(jù)鏈輪的軸孔設(shè)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(jīng)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(yīng)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(yīng)力，MPa,取。
T——傳遞的轉(zhuǎn)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(guān)鍵部件的設(shè)計
4.1挖掘鏟的設(shè)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?zhǔn)酵诰驒C，有良好的自潔能力和入土性能[27]。挖掘鏟的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)計
1、 鏟刃斜角
為保證鏟刃的自動清潔，鏟刃斜角應(yīng)滿足下式：
（33）
為土壤對鋼的摩擦角，山西土質(zhì)為壤土，山西大部分地區(qū)為粉壤土，查《農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊》可知，現(xiàn)在取，求得
2、 鏟刃傾角
鏟的傾角應(yīng)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(dǎo)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(jù)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(jù)《農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊》查得
經(jīng)過推導(dǎo)，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(cè)，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(dāng)角為時，挖掘鏟的最佳長度為，較低值適用于砂質(zhì)土，較高值適用于中等堅實土。當(dāng)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(yīng)為。山西馬鈴薯行距為，所以鏟的總寬取。在實際配置中，應(yīng)留滑草間隙，一般雙鏟為，多鏟為。所以設(shè)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(shè)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(chǎn)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]?，F(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(jù)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(shè)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(yīng)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(chǎn)生損傷，對土壤含水量有要求
4.2.2輸送裝置設(shè)計
升運鏈采用的鏈帶形式有鉤形鏈、套筒鏈、套筒滾子鏈（標(biāo)準(zhǔn)型或非標(biāo)準(zhǔn)型）、平膠帶和齒形橡膠帶[27]，對比如
表 41。本次設(shè)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(jīng)常采用標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)致馬鈴薯不能及時落到土地上，導(dǎo)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(shè)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(shè)計
升運鏈在工作時會撥動抖動輪一起轉(zhuǎn)動，因為抖動輪的形狀不同于齒輪或鏈輪，在轉(zhuǎn)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(chǎn)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(jié)構(gòu)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(shè)計選擇使用橢圓形抖動輪進行設(shè)計。但調(diào)節(jié)振幅和頻率時需要更換不同形狀的抖動輪。
抖動輪設(shè)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(guān)系如下:
（43）
式中：——抖動輪轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖 9 抖動輪
4.3機架的設(shè)計和選材
一般馬鈴薯收獲機的機架尺寸設(shè)計受限于壟寬或者行距，根據(jù)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(cè)板的厚度為80mm，為放置抖動分離裝置的驅(qū)動軸與從動軸需要在側(cè)板上設(shè)計兩個軸孔，同時需要設(shè)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(shè)計兩個橫梁，作為放置減速器以及連接拖拉機的構(gòu)件。機架下方為挖掘鏟架，需要在機架側(cè)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(shè)計一個支撐桿。整個機架結(jié)構(gòu)圖如圖 10
機架的整個結(jié)構(gòu)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(gòu)連接板1
圖 15 牽引機構(gòu)連接板2
參 考 文 獻
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致 謝
2017年9月，我?guī)еＭ豌裤絹淼竭@個校園，如今我即將帶著知識與夢想走進社會這個大家庭?；叵脒@四年來的點點滴滴，有過最美好的回憶，也有過最糟糕的時候。我永遠難以忘記被掛科支配的恐懼，難以忘記和朋友打打鬧鬧的經(jīng)歷，更難以忘記四年來和舍友每個徹夜暢聊的時刻。以人為鏡，可以知得失，從每個人身上我都或多或少學(xué)到一些東西。至此畢業(yè)之際，我真誠的向各位表達感激。
首先，我要向我的論文指導(dǎo)老師老師致謝。從開題到答辯，多虧了老師的耐心指導(dǎo)，也感激他付出的時間和精力。老師在我完成畢業(yè)設(shè)計的這段時間里，給予我許多指導(dǎo)，在老師的幫助下我才有可能完成我的畢設(shè)，在此向老師致以我最誠摯的敬意。
其次，我非常感激我的舍友和同學(xué)們的幫助，在我畢業(yè)設(shè)計的過程中，我們互相鼓勵，互幫互助，一起克服了很多困難。尤其要感激在我迷茫的時候指點迷津，感激在我困難的時候暖心安慰，有了她們的陪伴我才能完成設(shè)計任務(wù)，在此向她們表示真心的感激。
然后，我要感激各位代課老師對我的幫助與教導(dǎo)，你們讓我四年來不負(fù)韶華，不虛此行，學(xué)到了許多東西。從你們身上我感受到了努力拼搏的奮斗精神，也學(xué)到了認(rèn)真負(fù)責(zé)的敬業(yè)精神。在畢業(yè)之際，我想向你們致敬，我承諾未來一定不辱師門，將你們教給我的東西傳承下去。
最后，我要感謝學(xué)校這個平臺，可以給我一個學(xué)習(xí)的機會，讓我能更好的走進社會，服務(wù)社會。也要感謝父母的支持和幫助，讓我的四年學(xué)習(xí)生活可以更加豐富多彩，沒有他們就沒有我的今天。
在這即將分離的時刻，愿同學(xué)們歷盡千帆，歸來仍是少年。惟愿我的母校再接再厲，再創(chuàng)輝煌。希望我可以心懷夢想，不忘初心的對待以后生活中的每一件事。
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