徐　靜，許　燕

(1. 武漢東湖學(xué)院機械工程學(xué)院，湖北武漢430212；2. 東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，湖北武漢430100)

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基于模塊化方法的小型水稻聯(lián)合收割機設(shè)計

徐靜1，許燕2

(1. 武漢東湖學(xué)院機械工程學(xué)院，湖北武漢430212；2. 東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，湖北武漢430100)

摘要：功能少、價格高及功能單一是制約水稻聯(lián)合收割機發(fā)展的重要因素。將模塊化方法引入小型水稻聯(lián)合收割機的設(shè)計中，在保持同一基礎(chǔ)模塊的前提下，對其進行功能劃分及模塊通用化設(shè)計，最終組合出了相同功能、不同性能或功能不同的多樣化產(chǎn)品。模塊化方法的運用對農(nóng)機產(chǎn)品批量小、價格貴等問題的解決提供了一條“一機多用”降低成本的新思路，對小型聯(lián)合收割機的推廣具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞:模塊化方法小型水稻聯(lián)合收割機功能劃分模塊通用化設(shè)計

0引言

目前, 國內(nèi)的收割機大多具有體型大、批量小、價格昂貴且只適用于平原大區(qū)域地形的特點。這些特點與農(nóng)民迫切希望的小巧輕便、價格便宜、使用靈活且適用于小面積田塊、地形復(fù)雜的要求相矛盾，這也成為聯(lián)合收割機進一步普及到家用的發(fā)展瓶頸[1]。

小型聯(lián)合收割機的模塊化設(shè)計，通過適當(dāng)加減模塊，便可組成小麥聯(lián)合收割機、割曬機、土地耕整機等不同用處的機型。其新的設(shè)計思想解決了農(nóng)機產(chǎn)品設(shè)計周期長、成本高、品種多批量小、維修更換麻煩等一系列問題[2]。對設(shè)計部門，可用較少的時間和代價開發(fā)系列產(chǎn)品，大大降低了成本；對農(nóng)戶，小巧靈活,使其適用于小面積、大丘陵甚至山地等復(fù)雜地形，另外，一機多用，也避免了重復(fù)購置不同機器帶來的負(fù)擔(dān)；對售后，在農(nóng)忙季節(jié)機器出故障，更換功能模塊快速恢復(fù)生產(chǎn)，提高工作效率[3]。因此，開展模塊化的小型水稻聯(lián)合收割機的設(shè)計研究，具有理論與實際意義。

1小型聯(lián)合收割機的工作原理

圖1　聯(lián)合收割機的構(gòu)成部分

本次設(shè)計的小型水稻聯(lián)合收割機主要是由動力部分、機架部分、傳動部分、執(zhí)行部分四大部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。 聯(lián)合收割機在進行收獲作業(yè)時，隨著機器的不斷前進，谷物開始進入割臺，扶禾器首先深入作物中，將作物梳整扶直推向割臺，由切割裝置進行切割之后，通過割臺輸送鏈傳遞給中間輸送裝置夾持鏈，夾持鏈在輸送過程中僅將穗頭部分喂入滾筒進行脫粒。作物在沿滾筒軸向移動的過程中，穗頭不斷受到滾筒弓齒的梳刷和沖擊，籽粒被脫下。脫下的籽粒經(jīng)凹板篩孔落入清選裝置，由底部的攪龍配合清選。清潔的谷粒經(jīng)螺旋輸送器送入裝袋；斷莖稈和雜物等則由排雜口排出機外；脫粒后的莖稈始終由夾持鏈夾持并從滾筒的出口處排出，這便是聯(lián)合收割的整個流程。其傳動路線如圖2所示。

圖2　傳動路線展開示意圖

通過對收割機原理的分析可知，其結(jié)構(gòu)缺陷為組成部件多，傳動路徑長且應(yīng)用單一導(dǎo)致其效率較低。而模塊化是通過對產(chǎn)品功能模塊的設(shè)計與組合，達(dá)到結(jié)構(gòu)緊湊、操作更靈活、提高效率的目的；通過提高產(chǎn)品的通用性與互換性，起到滿足產(chǎn)品多樣化的同時降低生產(chǎn)成本。因此，模塊化使小型收割機在滿足不同用戶需求的同時，降低了企業(yè)的設(shè)計成本和生產(chǎn)成本。

2小型聯(lián)合收割機的模塊化設(shè)計

模塊化設(shè)計是指，對一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能、不同性能的產(chǎn)品進行功能分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)顧客的需求，劃分并設(shè)計出一系列功能模塊的產(chǎn)品，以滿足市場的不同需求。通過相似性原理在產(chǎn)品功能上的應(yīng)用,實現(xiàn)了零件結(jié)構(gòu)的通用化與多樣化的有機結(jié)合及多品種、小批量與效率的有效統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化方法。其不會改變收割機的總體動力參數(shù)，僅通過替換或增減一些模塊來對局部的功能模塊進行調(diào)整，從而形成不同的模塊組合。收割機的模塊化設(shè)計的關(guān)鍵是模塊劃分、模塊通用化設(shè)計兩部分。

2.1小型收割機的模塊劃分

由上述的收割原理可以看出，聯(lián)合收割機的工作部件按照所屬的功能不同，大致可以分為：操縱模塊、執(zhí)行模塊、動力模塊、傳動模塊以及行走模塊。其中，收割機的操縱、動力、傳動和行走裝置是作為基本功能模塊，屬于共用部分；連接每個獨立模塊的接口部分是輔助功能模塊；執(zhí)行部分是機器的特殊功能，是單獨設(shè)計的模塊[4]。因此，本次設(shè)計以執(zhí)行模塊為重點展開。收割機在工作時的主體是執(zhí)行部分，這一部分按照相應(yīng)的功能部件又可劃分為五個小模塊，分別是：扶禾模塊、切割模塊、夾持輸送模塊、脫粒模塊及清選模塊[5]。如圖3所示。

圖3　功能模塊的分類

圖3中各個功能模塊又各有不同的類型與之對應(yīng)，每種類型也可設(shè)計為不一樣的模塊，把這些類型相異的模塊互換重組，可以豐富用戶的選型范疇[6]。各種功能模塊的對應(yīng)類型如圖4所示。

圖4　功能模塊從屬分類圖

2.2模塊通用化設(shè)計

模塊通用化是指在不改變收割機的基本功能模塊的基礎(chǔ)上，對同一系列、同一規(guī)格的產(chǎn)品進行通用化結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而使產(chǎn)品能實現(xiàn)不同的模塊的調(diào)整或組合。收割機模塊的通用化設(shè)計目的是實現(xiàn)：相同功能模塊之間的替換形成性能不同的產(chǎn)品及通過增減一些局部的功能模塊組合為功能不同的小型農(nóng)機兩種產(chǎn)品形式[7]。

2.2.1相同功能模塊的設(shè)計

通過收割機的模塊劃分及功能分析，我們可將收割機的多個功能模塊劃分出多種性能模塊，以滿足不同工作環(huán)境下的使用[8]。這里以脫粒滾筒的模塊化設(shè)計為例進行說明。

脫粒滾筒是脫粒裝置的主要工作部件，當(dāng)收割機需要采用半喂入軸流型脫粒時，弓齒式滾筒具有喂入效率高和脫粒干凈成為最佳選擇；當(dāng)收割機需要采用全喂入軸流型脫粒時釘齒式滾筒對谷物的揉搓作用小，從而降低了谷粒破碎率成為更好選擇。為了方便裝配與應(yīng)用，應(yīng)使可互換的滾筒具有相同的模塊接口[9]。根據(jù)滾筒的結(jié)構(gòu)特點采用間接式接口，即各功能模塊需借助接口模塊才能連接起來，如圖5所示。

圖5　間接式接口

本次采用的接口模塊為通用軸總成，接口為軸上鎖止銷。同時，為了滿足互換性，滾筒模塊在設(shè)計時應(yīng)考慮以下兩點：

兩滾筒的長度應(yīng)相同；

釘齒式滾筒的左右兩幅盤的內(nèi)徑應(yīng)與軸的孔徑相匹配。

兩滾筒之間的轉(zhuǎn)換與接口處設(shè)計如圖6-8所示。

圖8　滾筒接口示意圖

2.2.2增減組合模塊的設(shè)計

將跨系列模塊化設(shè)計的方法運用到所設(shè)計的聯(lián)合收割機的基型之中，通過適當(dāng)?shù)脑鰷p模塊及模塊間的組合，可使其形成不同功能的小型農(nóng)機。表1為幾種典型的模塊組合形式。

表1

幾種典型的模塊組合形式

注：基礎(chǔ)模塊包括動力模塊、操縱模塊和傳動模塊等

圖9　聯(lián)合收割機　　　　　圖10　割曬機示意圖

圖11　脫粒機示意圖　　　　圖12　微耕機示意圖

3結(jié)束語

實踐表明，在對聯(lián)合收割機的設(shè)計過程中采用模塊化的設(shè)計方法對其進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，可達(dá)到最理想的設(shè)計效果。通過對模塊的變更及適當(dāng)?shù)脑鰷p組合，形成了具有相同功能不同性能的聯(lián)合收割機，或功能不同的小型農(nóng)機。這種方法不僅解決了農(nóng)機產(chǎn)品的設(shè)計周期長，且成本較高的問題，還為農(nóng)戶提供了一機多用的方法，減輕了經(jīng)濟負(fù)擔(dān)。

參考文獻

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Modular design of a small combine harvester for rice

XU Jing, XU Yan

Abstract:Considering the factors restricting the development of the combine harvester for rice, such as high price and single function, we adopted the modularity method to design a small combine harvester for rice. Through functional division and design of universal modules, we developed one basic module and other diversified modules with different performance or functions. The modularity method provided a new way to solve the problems of small lot production and high price, that is, to reduce production costs by producing multipurpose harvesters. This study could serve as guidance on the popularization of small combine harvesters.

Keywords:modularity method; small combine harvester for rice; functional division; universal module design

收稿日期：2015-10-12

作者簡介：徐靜(1988-)，女，河南信陽人，助教，從事機械設(shè)計及理論方面教學(xué)工作。

中圖分類號：S225.3

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-6886(2016)02-0033-04