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        小型甘蔗根起拔機的研究與設(shè)計

        2014-05-03 13:56:44方賽拼李麗萍
        食品與機械 2014年3期
        關(guān)鍵詞:套環(huán)棉稈根莖

        方賽拼 王 濤 李麗萍 李 粵

        FANG Sai-pin WANG Tao LI Li-pingLI Yue

        (海南大學(xué)機電工程學(xué)院,海南 ???570228)

        (Hainan University College of Mechanical and Electrical Engineering,Haikou,Hainan 570228,China)

        甘蔗生產(chǎn)的全程包括:耕整地、種植、中耕、植保、收獲和裝運[1]。海南省現(xiàn)實行的甘蔗種植方式一般是蔗苗與宿根,即1年新植,2年宿根[2]。在甘蔗生產(chǎn)后期處理中,有必要對甘蔗地進(jìn)行深耕松土,因甘蔗根長期存留在土地里,不易腐化而影響下季甘蔗幼苗的生長,使得產(chǎn)量下降。因此,在種植前須對甘蔗根進(jìn)行挖除,以提高生產(chǎn)效率。

        海南大部分甘蔗區(qū)為坡地,受地形、規(guī)模大小和生產(chǎn)技術(shù)等因素的限制,在種植甘蔗前大多靠人工挖除甘蔗根。在生長過程中甘蔗根系深入土中,鋤根阻力大,人工挖除生產(chǎn)效率低。實現(xiàn)甘蔗根的機械化挖除,對提高勞動效率、增加土壤肥力具有重要意義。前人[3,4]已研究并設(shè)計了棉稈、蕓豆的起拔裝置,主要研究土壤、棉稈直徑、起拔角度等對棉稈起拔阻力的影響,并設(shè)計出滿足棉稈、蕓豆收獲需要的機械裝置,但關(guān)于甘蔗根起拔機械的研究設(shè)計尚未見諸報道。海南省蔗田地形復(fù)雜、連片種植少,因此在甘蔗收獲后不適于采用大型拖拉機處理甘蔗根。針對以上問題,研究并設(shè)計一種小型甘蔗根起拔機。

        1 整體結(jié)構(gòu)和工作原理

        1.1 整體結(jié)構(gòu)

        圖1 小型甘蔗根起拔機的整體結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Small sugarcane roots pulling machine overall structure

        小型甘蔗根起拔機整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,底座采用四輪支撐方式,增加裝置的穩(wěn)定性,便于該機械在田間行走,并在前端正中間開半圓槽,便于起拔機工作時能將甘蔗根順暢地拔出地面。電動機置于底座上,由蓄電池驅(qū)動并向外提供起拔動力。由于收獲時蔗農(nóng)會留些甘蔗根莖,甘蔗根莖距地面高度大約為10 cm。為避免起拔機在工作時碰到甘蔗根莖,設(shè)計底座高于甘蔗根莖5 cm。鋼絲繩一端繞在電機一端的主動輪,另一端繞過滑輪與起拔桿連接,起拔桿穿過橫梁套在拉拔器的上套環(huán)。經(jīng)過拉絲機冷拔過后的較粗硬的鐵絲一端纏繞在支撐架上,另一端緊拴在橫梁左右兩端的手柄上,從而將橫梁固定在支撐架上。

        1.2 工作過程

        將起拔機推進(jìn)需要作業(yè)的甘蔗田,使小車輪平穩(wěn)放置在田間甘蔗列與列之間的壟溝里。海南省一般采用平植方式,即一列甘蔗幼苗基本在同一直線上,但由于甘蔗幼苗在后期生長過程中受臺風(fēng)或者人為的破壞,導(dǎo)致部分甘蔗根傾斜一定的角度,因此該機械工作時需要兩人完成,一人推車,一人將拉拔器固定在甘蔗根莖上。移動小車輪,人為地將錐桿對準(zhǔn)甘蔗根莖,蓄電池向電機供電,電機驅(qū)動主動輪轉(zhuǎn)動,主動輪拉動并回收鋼絲繩,通過鋼絲繩帶動滑輪轉(zhuǎn)動,鋼絲繩拉起起拔桿,將拉拔器拉起。由于橫梁固定在支撐架上,當(dāng)上套環(huán)沿起拔桿向上運動到橫梁時不再向上運動,但由于鋼絲繩繼續(xù)拉動起拔桿,這時上擺臂會帶動拉爪運動并通過下擺臂使下套環(huán)沿著起拔桿向下運動。由于螺紋的中徑大于套環(huán)的內(nèi)直徑,當(dāng)下套環(huán)到達(dá)下螺紋段時便停止運動,同時收緊拉爪,于是3個拉爪頭和錐桿共同夾住甘蔗根莖,在拉力的作用下,將甘蔗根連根拔起。

        2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計

        2.1 電機和蓄電池的選擇

        起拔機工作時,由于起拔阻力較大,需要低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩的電動機。因此宜選擇直流無刷低速同步電機,其通過電流為1.1 A。這是一款無減速齒輪直接獲得低轉(zhuǎn)速、大扭矩的高效節(jié)能的新型電機,具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、低溫升、小體積、高效率、免維護、壽命長等優(yōu)點。蓄電池選擇24 V動力型蓄電池,其額定容量為75 A·h。經(jīng)試驗測定該電機在充滿電的情況下,可持續(xù)工作約68 h。

        2.2 拉拔器

        2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計 拉拔器是該裝置最重要的部分,由起拔桿、橫梁、手柄、拉爪、錐桿、螺桿、擺臂、套環(huán)等結(jié)構(gòu)組成見圖2。鋼絲繩通過銷孔套在起拔桿上,在拉力作用下,上套環(huán)沿著起拔桿向上運動到橫梁時停止,通過擺臂的運動使下套環(huán)沿著起拔桿向下運動到下套環(huán)處便停止運動,同時收緊拉爪。為了防止發(fā)生甘蔗根莖滑脫現(xiàn)象,拉爪頭設(shè)計為勾狀。為了更可靠地將甘蔗根拔出來,起拔桿末端設(shè)計成錐狀。

        2.2.2 材料選擇 參考文獻(xiàn)[5]第62頁表5-1。幾種傳動螺紋中梯形螺紋是最常用的傳動螺紋,梯形螺紋牙型為等腰梯形,牙形角梯形α=30°螺紋的內(nèi)外螺紋以錐面貼緊不易松動,工藝性好,壓根強度高,對中性好。故螺桿選用梯形螺紋。螺桿材料選用40Cr,其力學(xué)性能為:抗拉強度極限σb=685 MPa,屈服強度極限σs=490 MPa。

        2.2.3 自鎖條件 螺桿傳動機構(gòu)會保留自鎖性要求,以避免事故發(fā)生。由于螺桿材料選用40Cr,由參考文獻(xiàn)[5]可知,鋼對青銅的摩擦系數(shù)f=0.09,已知梯形螺紋牙型角α=30°,β=α/2=15°,自鎖條件為ψ≤φv,其中:ψ 為螺紋升角,簡稱螺旋升角;φv為當(dāng)量摩擦角。經(jīng)驗算,拉拔器滿足自鎖性要求。

        圖2 拉拔器結(jié)構(gòu)簡圖Figure 2 Drawing machine structure diagram

        3 其它部件

        在拉拔過程中,滑輪起著省力和支撐鋼絲繩并為其導(dǎo)向的多重作用,因此,要求滑輪具有一定的強度。由參考文獻(xiàn)[6]可知,可用灰鑄鐵或者Q235材料制造滑輪。由于甘蔗田間地面不平,因此設(shè)計4個小車輪可以旋轉(zhuǎn)45°,便于在甘蔗田間行走。通常甘蔗田間的壟溝深度為40 cm,為避免碰到石塊等障礙物,小車輪的直徑設(shè)計為50 cm。

        4 結(jié)論

        本小型甘蔗根起拔機,適用于地形復(fù)雜、連片種植少、不適于采用大型拖拉機處理甘蔗根的蔗田地,解決了人工挖除強度大等問題。該機械的特點是小型化,便于攜帶,結(jié)構(gòu)簡單,操作方便,改善了先前起拔機械存在笨重、操作復(fù)雜等不足。本設(shè)計在工作過程中需要兩個勞動力合作,在一定程度上影響工作效率。因此,要進(jìn)一步研究并實現(xiàn)該小型甘蔗根起拔機的自動套環(huán),實現(xiàn)一人操作,提高工作效率。

        1 李明,黃暉,鄧干然,等.甘蔗收獲機械的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展分析[J].農(nóng)業(yè)機械,2008(1):24~26.

        2 何根元,符風(fēng)梅.海南甘蔗可持續(xù)發(fā)展研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,38(36):20 995~20 996.

        3 李怡,張國忠,周勇,等.棉稈田間起拔力測量系統(tǒng)設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2013,29(18):43~50.

        4 趙文才,公衍峰,袁玉龍.大型蕓豆起拔機的研究與設(shè)計[J].農(nóng)機化研究,2008(10):89~90.

        5 濮良貴,陳國定,吳立言.機械設(shè)計[M].第九版.北京:高等教育出版社,2013.

        6 聞邦椿.機械設(shè)計手冊[M].第五版.北京:機械工業(yè)出版社,2010.

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