李贊松，曹成茂，婁帥帥，吳問天，詹 超

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，合肥 230036)

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太子參聯(lián)合收獲機(jī)的設(shè)計(jì)

李贊松，曹成茂，婁帥帥，吳問天，詹 超

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，合肥 230036)

針對(duì)目前已有的地下根莖類收獲機(jī)無(wú)法滿足南方丘陵山區(qū)小田塊地下太子參的收獲要求，設(shè)計(jì)了一款可以一次性實(shí)現(xiàn)挖掘、輸送、分離、篩選及收集的太子參聯(lián)合收獲機(jī)。為此，闡述了該機(jī)的總體結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)，給出了該機(jī)的傳輸裝置、分離篩選裝置和傳動(dòng)系統(tǒng)等重要部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，并優(yōu)化了關(guān)鍵參數(shù)。

太子參；聯(lián)合收獲機(jī)；性能參數(shù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引言

太子參是一種藥用范圍很廣的中藥材，經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高。近年來，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，丘陵山區(qū)太子參的種植面積不斷擴(kuò)大。太子參傳統(tǒng)的收獲主要是靠人工采收或用簡(jiǎn)易的機(jī)械挖掘后再撿拾，勞動(dòng)強(qiáng)度大，收獲損失率高，生產(chǎn)效率低,一定程度上制約了太子參產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。我國(guó)是一個(gè)太子參種植和消費(fèi)大國(guó)，但國(guó)內(nèi)太子參收獲機(jī)械的研究還很少，技術(shù)還不完善[1-2]，歐美地區(qū)多采用大型側(cè)牽引式聯(lián)合收獲機(jī)[3]。國(guó)外從20世紀(jì)40年代開始根莖類聯(lián)合收獲機(jī)械研究，如美國(guó)、德國(guó)、日本、意大利等發(fā)達(dá)國(guó)家均研制出了不同的地下作物收獲機(jī)械，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)根作物(蘿卜，甜菜等)和短根作物(馬鈴薯、花生、大蒜、洋蔥等)的機(jī)械收獲[4-9]。國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)60年代開始引進(jìn)國(guó)外莖塊挖掘機(jī)械，主要用于花生、薯類等短根莖作物的收獲[10-11]，目前已研制了多種類型的根莖中藥材挖掘機(jī)械[12-14]，主要是針對(duì)北方根莖類作物收獲的牽引式機(jī)械[15-19]，這些機(jī)械能夠較好地適應(yīng)北方大田塊地下根莖類作物的收獲,但不能適應(yīng)南方丘陵山區(qū)小田塊機(jī)械化收獲。為此，針對(duì)太子參的收獲要求，設(shè)計(jì)了一款適合丘陵山區(qū)且可以一次性實(shí)現(xiàn)挖掘、輸送、分離、篩選及收集裝箱的太子參聯(lián)合收獲機(jī)。

1 太子參聯(lián)合收獲機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

太子參聯(lián)合收獲機(jī)主要由松土鏟、搖篩、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、凸輪偏置機(jī)構(gòu)、第1級(jí)履帶式振動(dòng)分離篩、第2級(jí)網(wǎng)格狀振動(dòng)分離篩、碎土滾筒、藥箱、發(fā)動(dòng)機(jī)、帶輪、鏈輪、行走系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等組成，如圖1所示。其主要工作過程:入土部件松土鏟將參土混合物送入搖篩，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)搖篩使參土混合物初步分離后送入第1級(jí)履帶式振動(dòng)分離篩；第1級(jí)履帶式振動(dòng)分離篩將參土混合物進(jìn)一步分離和碎土后，送入第2級(jí)網(wǎng)格狀振動(dòng)分離篩再次進(jìn)行參土分離，分離后的太子參經(jīng)輸送帶送入藥箱，完成太子參的收獲。

1.松土鏟 2.切刀 3.搖篩 4.搖桿 5.限位輪

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 松土鏟設(shè)計(jì)

由于入土部件松土鏟與作物生長(zhǎng)田塊之間產(chǎn)生的是剪切變形，設(shè)計(jì)時(shí)要求松土鏟具有較高的強(qiáng)度及較小的入土阻力,因此松土鏟前刃設(shè)計(jì)成有一定角度的楔型。整個(gè)松土鏟沿一定水平傾角焊接在收獲臺(tái)框架上，且沿一定的弧度向上拱起，其目的是使參土混合物在輸送的同時(shí)進(jìn)行碎土。通過調(diào)節(jié)限位輪來控制松土鏟吃土的深度，從而滿足不同品種的太子參收獲需要。松土鏟設(shè)計(jì)選用材料為60Si2Mn，其強(qiáng)度大、耐磨性好,如圖2所示。

圖2 松土鏟結(jié)構(gòu)三維圖

2.2 收獲臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

太子參聯(lián)合收獲機(jī)收獲臺(tái)主要是由松土鏟、搖篩、搖桿、切刀、四連桿機(jī)構(gòu)及收獲臺(tái)框架等組成，如圖3所示。

1.松土鏟 2.切刀 3.搖篩 4.四連桿機(jī)構(gòu) 5.收獲臺(tái)框架 6.凸輪偏置機(jī)構(gòu)

工作時(shí)，松土鏟將參土混合物向搖篩運(yùn)輸，凸輪偏置機(jī)構(gòu)通過曲柄搖桿將動(dòng)力傳遞給搖篩，帶動(dòng)搖篩運(yùn)動(dòng)。由于收獲臺(tái)工作時(shí)兩臂受力較大，設(shè)計(jì)時(shí)兩臂采用16mm厚鋼板，收獲臺(tái)上面的支撐框架采用10#的槽鋼焊接。設(shè)計(jì)該收獲臺(tái)有效收獲幅寬為900mm，收獲臺(tái)的前端支架與松土鏟焊接處向上500mm處磨成切刀狀，不僅能夠減小收獲臺(tái)入土阻力，而且能起到切草及切土的作用。

2.3 振動(dòng)分離篩的設(shè)計(jì)

由于南方丘陵地帶氣候各異，太子參收獲時(shí)土壤含水率因地區(qū)差異而不同，因此設(shè)計(jì)兩級(jí)不同的振動(dòng)篩篩孔大小，從而有效地使參土混合物分離, 如圖4所示。第1級(jí)履帶式振動(dòng)分離篩網(wǎng)孔較大，由8個(gè)六齒鏈輪傳動(dòng)，第2級(jí)網(wǎng)格狀振動(dòng)分離篩網(wǎng)孔較小，由10個(gè)六齒鏈輪傳動(dòng)；同時(shí)兩振動(dòng)分離篩上裝有碎土滾筒，碎土滾筒可以使一些較大的參土混合物留在振動(dòng)篩上繼續(xù)抖動(dòng)分離；分離篩在六齒鏈輪和碎土滾筒的相互作用下使參土混合物一邊抖動(dòng)分離，一邊向下一級(jí)運(yùn)輸，從而實(shí)現(xiàn)參土混合物逐步分離篩選。

1.第2級(jí)網(wǎng)格狀振動(dòng)分離篩主軸 2.第2級(jí)網(wǎng)格狀振動(dòng)分離篩

2.3.1 第一級(jí)履帶式振動(dòng)分離篩

由于太子參收獲時(shí)需要反復(fù)抖動(dòng)使參土分離，普通分離篩網(wǎng)格易折斷，不能滿足太子參的收獲需求。在設(shè)計(jì)時(shí)選用強(qiáng)度較高的魚鱗片狀履帶式振動(dòng)分離篩。該履帶式振動(dòng)分離篩是由1片片魚鱗片狀小塊連接而成的，其強(qiáng)度高、承載力大、分離效果好?？紤]太子參的長(zhǎng)度及參土混合物等各方面因素，分離篩網(wǎng)格的大小設(shè)計(jì)為40mm×40mm；為保證將參土混合物能順利的輸送，分離篩表面帶有小凸塊，該小凸塊可以使參土混合物抖動(dòng)分離時(shí)輔助碎土，且不傷太子參。履帶式振動(dòng)分離篩采用六齒鏈輪傳動(dòng)，在傳動(dòng)過程中分離篩上下產(chǎn)生移動(dòng)幅度的跳動(dòng)，便于參土分離。第1級(jí)履帶式振動(dòng)分離篩主要結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.3.2 第2級(jí)網(wǎng)格狀振動(dòng)分離篩

參土混合物經(jīng)第1級(jí)振動(dòng)分離和碎土滾筒碎土后，送入第2級(jí)網(wǎng)格狀振動(dòng)分離篩進(jìn)行進(jìn)一步的參土分離。該級(jí)分離任務(wù)輕，所以采用網(wǎng)格狀振動(dòng)分離篩，第2級(jí)網(wǎng)格狀振動(dòng)分離篩仍然采用六齒鏈輪傳動(dòng)，六齒鏈輪一邊傳遞動(dòng)力，一邊使經(jīng)過第1級(jí)履帶式分離篩的參土混合物進(jìn)一步分離，太子參經(jīng)輸送帶送入到藥箱。藥箱是由液壓系統(tǒng)控制的，在藥材裝滿時(shí)可以進(jìn)行自卸貨。第2級(jí)網(wǎng)格狀振動(dòng)分離篩的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 履帶式振動(dòng)分離篩整體結(jié)構(gòu)三維圖

圖6 網(wǎng)格狀振動(dòng)分離篩整體結(jié)構(gòu)三維圖

3 太子參聯(lián)合收獲機(jī)主要參數(shù)和傳動(dòng)比設(shè)計(jì)

3.1 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

該機(jī)收獲臺(tái)搖篩是采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化如圖7(a)所示。設(shè)計(jì)lAB=320mm，lBC=450mm，lCD=760mm，lAD=823mm，lAB+lAD

圖7 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)

3.2 松土鏟鏟面水平傾角的設(shè)計(jì)

松土鏟鏟面水平傾角α是該設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，理論上來說α越小越好，但α較小會(huì)使該機(jī)分離裝置承擔(dān)的負(fù)荷較大；相反如果α較大，則該機(jī)的入土阻力則會(huì)大大增加。因此，合理選擇該松土鏟鏟面水平傾角α是該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

松土鏟鏟面的水平傾角可以根據(jù)其受力情況來求出理論值，圖8為參土混合物在松土鏟鏟面上的受力特性圖。

圖8 松土鏟鏟面受力圖

(1)

式中F—參土混合物上升所需動(dòng)力(N)；

N—松土鏟鏟面對(duì)參土混合物的反作用力(N)；

G—參土混合物重力(N)；

μ—參土混合物對(duì)鋼的的摩擦因數(shù)，μ=0.577～0.721。

由上面的平衡方程可得

(2)

通過計(jì)算，理論值α≤33.3°。如果設(shè)計(jì)的實(shí)際值大于該理論值，則該機(jī)工作時(shí)阻力會(huì)大大增加。實(shí)際工作中，由于α的值與松土鏟挖掘的深度、土壤的含水率、土壤的質(zhì)地等多方面因素有關(guān)，同時(shí)為了使分后級(jí)分離裝置安裝更為合理，確定松土鏟鏟面傾角為20°。

3.3 松土鏟鏟刃斜角的設(shè)計(jì)

松土鏟鏟尖刃斜角β是影響切土阻力的重要因素，其受力特性如圖9所示。為了使參土混合物能順利滑離松土鏟，必須使參土混合物在鏟面上的滑切能力要足以克服摩擦力，即

Rsin(90°-β)≥F1

(3)

式中R—作用在松土鏟鏟刃上的阻力(N)；

F1—參土混合物對(duì)鏟刃上的摩擦力(N)；

θ—參土混合物對(duì)鏟刃的摩擦角(°)。

圖9 松土鏟鏟刃受力圖

由摩擦定律可知F1=N1tanθ，N1=Rcos(90°-β)，將其代入(3)得β≤90°-θ。同時(shí)，β角的大小與土壤沿鏟刃的滑移切速度Vt的關(guān)系為

Vt=Vmcosβ

(4)

式中 vm—該機(jī)器前進(jìn)的速度(km/h)。

由式(4)可知：β角越小，滑切速度越大，防堆積能力越強(qiáng)，但同時(shí)鏟尖也越尖，易磨損。一般取參土混合物對(duì)鏟刃的摩察角θ為26.5～35°。本實(shí)驗(yàn)中取θ=30°，則根據(jù)以上公式可得β≈60°。

3.4 松土鏟鏟長(zhǎng)的設(shè)計(jì)

為了避免和減少參土混合物的堆積，提高整機(jī)的分離和工作效率，因此需合理設(shè)計(jì)松土鏟的長(zhǎng)度。由于松土鏟鏟面水平傾角α已經(jīng)確定，從而可以求出松土鏟的鏟長(zhǎng)L1，根據(jù)能量守恒定律可以求出L2，如圖10所示。

圖10 松土鏟幾何關(guān)系圖

L1為挖掘段，由幾何關(guān)系得

(5)

L2為輸送段，當(dāng)參土混合物從A點(diǎn)運(yùn)送到B點(diǎn)時(shí)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為克服阻力和重力做功，由能量守恒得

(6)

(7)

式中 θ—參土混合物對(duì)鏟刃的摩擦角 ，θ=26.5°～35°。

綜合得

(8)

由公式(8)可以計(jì)算出該松土鏟的總長(zhǎng)度。由經(jīng)驗(yàn)可知：在能夠保證參土混合物順利輸送的情況下，要盡可能減小松土鏟的長(zhǎng)度，用來減小摩擦力。這樣能夠使參土混合物在松土鏟末端的相對(duì)速度不為零，從而使參土混合物以一定的速度運(yùn)輸，減少參土混合物的堆積。

3.5 傳動(dòng)比的設(shè)計(jì)

太子參聯(lián)合收獲機(jī)在工作時(shí)所受阻力較大，初步設(shè)計(jì)其工作行駛速度為1～3km/h。工作時(shí)，為防止參土混合物堆積，將第1級(jí)履帶式振動(dòng)分離篩和第2級(jí)網(wǎng)格狀振動(dòng)分離篩主軸的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為凸輪偏置機(jī)構(gòu)主軸轉(zhuǎn)速2倍。太子參聯(lián)合收獲機(jī)總體的傳動(dòng)設(shè)計(jì)方案如圖11所示。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)主軸將動(dòng)力通過張緊輪傳遞給主動(dòng)軸，再通過雙排鏈輪減速后將動(dòng)力傳遞給第1級(jí)履帶式振動(dòng)分離篩主軸，帶動(dòng)第1級(jí)履帶式振動(dòng)分離篩運(yùn)動(dòng)；第1級(jí)履帶式振動(dòng)分離篩主軸一部分動(dòng)力通過碎土滾筒1的軸將動(dòng)力傳遞給凸輪偏置機(jī)構(gòu)，凸輪偏置機(jī)構(gòu)通過曲柄搖桿將運(yùn)動(dòng)傳遞給搖篩，第1級(jí)履帶式振動(dòng)分離篩主軸將另一部分動(dòng)力通過鏈輪遞給第2級(jí)網(wǎng)格狀振動(dòng)分離篩，同時(shí)帶動(dòng)碎土滾筒2運(yùn)動(dòng)。

1.發(fā)動(dòng)機(jī)主軸 2.張緊輪 3.主動(dòng)軸 4.第2級(jí)網(wǎng)格狀振動(dòng)主軸

4 結(jié)論

對(duì)設(shè)計(jì)的太子參聯(lián)合收獲機(jī)采用Pro/E進(jìn)行三維建模與仿真，結(jié)果表明：該機(jī)結(jié)構(gòu)合理，方案可行，適用

于太子參、黃芪、錢胡等地下根莖類作物的收獲，可以提高收獲質(zhì)量和地下根莖類作物的收獲效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。在收獲不同的品種的作物時(shí)，可以調(diào)節(jié)限位輪的限位深度，具有適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

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Design of Radix Pseudostellariae Combine Harvester

Li Zansong, Cao Chengmao, Lou Shuaishuai, Wu Wentian , Zhan Chao

(Anhui Agricultural University, College of Engineering, Hefei 230036, China)

According to the situation that the current underground rhizome harvesters can not meet the requirements of Radix Pseudostellariae in small fields in southern hilly region, we design a one-time Radix Pseudostellariae combine harvester which combines mining, transport, separation, screening and collection. This paper illustrates the overall structure and performance parameters of the harvesters, the detailed design of transmission device, separation filter device and transmission system and the key parameters have been optimized.

radix pseudostellariae; combine harvester; performance parameter; structure design

2016-08-05

國(guó)家自然科學(xué)資金面上項(xiàng)目(51475002)；安徽省農(nóng)業(yè)機(jī)械管理局富民工程科技攻關(guān)項(xiàng)目(2016)

李贊松(1990-)，男，安徽太湖人，碩士研究生，(E-mail)1540782060@qq.com。

曹成茂(1964-)，男，安徽六安人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)caochengmao@sina.com。

S225.7+9

A

1003-188X(2017)10-0093-05