孔令亮，易 栓

（1.鎮(zhèn)江市農(nóng)業(yè)機械技術(shù)推廣站，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.鎮(zhèn)江市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

0 引 言

馬鈴薯是我國第四大作物，種植面積大，產(chǎn)量居世界首位，馬鈴薯在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟中占有重要地位。國內(nèi)馬鈴薯機械收獲包括挖掘、輸送、分離、后方鋪放撿拾等流程。國內(nèi)收獲機具以中小型為主，土薯分離性能差，機具性能不穩(wěn)定。我國北方部分地區(qū)馬鈴薯種植區(qū)域比較分散，未形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模，多數(shù)地區(qū)種植面積小，地塊零散。盡管馬鈴薯種植面積穩(wěn)步增長，但土地流轉(zhuǎn)進(jìn)程緩慢，流轉(zhuǎn)機制還待完善，長期以來形成的分散農(nóng)戶種植，影響了大型機具的使用率。中小型機具僅能完成挖掘及集條作業(yè)，種植規(guī)模變大，收獲周期不變，撿拾流程中所需的勞動力較多,當(dāng)前農(nóng)村留守可雇用勞動力逐漸減少，用工矛盾凸顯，人力撿拾裝袋收集成本高，效率低。本文設(shè)計了一款配套中小型收獲機具的升運收集裝置，對該裝置的整體結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵零部件進(jìn)行了設(shè)計并對其進(jìn)行理論計算、建模分析。該裝置具有輸送效率高、質(zhì)量輕、成本低的優(yōu)點。

1 升運收集裝置的總體結(jié)構(gòu)

本裝置固定連接在馬鈴薯收獲機機身上，通過液壓馬達(dá)輸出動力帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，與同步帶嚙合帶動撥齒升運器提升輸送馬鈴薯，輸送到達(dá)頂端后，卸入薯塊收集箱，實現(xiàn)馬鈴薯裝袋或裝筐。

圖1 升運輸送裝置的總體結(jié)構(gòu)

2 傳動及輸送系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 動力源及傳動方式的確定

傳動及輸送系統(tǒng)主要由液壓馬達(dá)、驅(qū)動輪、驅(qū)動軸、升運輸送鏈、擋板等組成。

動力驅(qū)動由拖拉機輸出液壓推動液壓馬達(dá)提供驅(qū)動動力，液壓馬達(dá)具有質(zhì)量輕、布置方便、動力輸出大小可調(diào)等優(yōu)點。

同步帶傳動是一種嚙合型傳動具有精確的定值傳動比傳動、結(jié)構(gòu)簡單、傳動平穩(wěn)、傳動比恒定、傳動效率高等特點。梯形齒同步帶的基體為氯丁膠或聚氨酪橡膠，承載層為玻璃纖維繩芯、鋼絲等環(huán)形帶，具有極好的減震性、高強度性和尺寸穩(wěn)定性，保證了帶齒齒距的恒定性。傳動過程中為多齒嚙合，具有傳動平穩(wěn)性、良好的經(jīng)濟性、耐摩損耐油、安全可靠等優(yōu)點。本裝置選用同步帶傳動。

驅(qū)動輪套裝在驅(qū)動軸上，相鄰齒之間為鏤空結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)既可滿足與同步帶嚙合，還可防止雜物在帶輪的齒間沉積，避免齒間沉積導(dǎo)致齒槽變淺而出現(xiàn)跳齒現(xiàn)象，可延長輸送帶的使用壽命。

2.2 驅(qū)動輪及輸送帶的設(shè)計

普通常用同步帶輪在傳動的過程中，無法固定傳輸鏈的位置，傳輸時容易跑偏，需要另外加裝導(dǎo)向裝置。由于傳輸皮帶的寬度尺寸相對較大，設(shè)計時齒輪的齒寬就會越大，齒輪比較厚，制造成本增加，輪齒磨損后，維修成本高。工作環(huán)境惡劣，常伴有泥沙，莖葉等雜物，落入齒槽后無法自動清除，齒槽越來越淺，無法與傳動同步帶正常嚙合，會出現(xiàn)打滑、跳齒等現(xiàn)象，降低了輸送效率。為了克服普通帶輪的缺點，滿足輸送裝置中對驅(qū)動輪的使用要求，驅(qū)動輪設(shè)計如圖2 所示。

圖2 驅(qū)動輪

2.2.1 確定同步帶傳動的設(shè)計功率Pd

式（1）中：K0—載荷修正系數(shù)，取 1.2；

Pm—工作機上動力源功率，取Pm=3 kW。

代入式（1）得Pd=3.6 kW。

2.2.2 確定輸送帶的型號和節(jié)距

同步帶傳動的設(shè)計功率Pd=3.6 kW，根據(jù)實際情況確定下驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速n1=200 r/min，由同步帶選型圖確定所需采用的同步帶的型號。查閱手冊，選取同步帶的型號為：XH 型，節(jié)距Pb=30 mm。

2.2.3 選擇上下驅(qū)動輪齒數(shù)z1，z2

依據(jù)輸送帶的最小許用齒數(shù)確定，查表確定下驅(qū)動輪齒數(shù)：z1=12，設(shè)傳動比i=1，故上驅(qū)動輪齒數(shù)：z2=12。

2.2.4 確定驅(qū)動輪的節(jié)圓直徑d1，d2

2.2.5 檢驗帶速v

依據(jù)設(shè)計手冊查得，同步帶最大傳動速度vmax=40 m/s，v

2.2.6 尺寸型號確定

驅(qū)動輪：z1=12，d1=120 mm。

同步帶：型號XH，節(jié)距Pb=30 mm，帶寬bs=30 mm s=30 mm，β=30°。

2.3 撥齒升運器的設(shè)計

撥齒升運器由撥齒、撥齒支撐板組成，撥齒焊接或栓接在撥齒支撐板上，撥齒支撐板鉚接在同步帶上。如圖3 所示。

圖3 撥齒升運器

輸送機械具有三大要素：牽引構(gòu)件、承載構(gòu)件和運行方向。承載構(gòu)件是為物料或物品的運行提供基本條件的構(gòu)件，通常包括盛放物料或物品的裝置、器具等。承載構(gòu)件常用的有：托板式器具、帶式容具、斗狀容具、槽形器具。輸送托板主要有T 型、C 型、TC型。T 型托板適用于輸送機傾角θ≤40°的場合；C型托板適用于輸送機傾角θ＞40°且物料流動性較好的情況；TC 型輸送托板即適用于傾角θ＞40°且物料的粘性和粒度較大的場合。

農(nóng)業(yè)物料大傾角升運中有多種方式，馬鈴薯常用方式多為間隔托板式輸送，考慮到中小型馬鈴薯收獲機具土薯分離不徹底，雜物較多，鈴薯收獲輸送過程中盡可能的土薯分離徹底，采用撥齒式升運輸送。

當(dāng)升運角為0°時，升運物料面積最大，可以得到最好的升運效果；當(dāng)升運角為90°時，升運高度等于升運裝置長度，可以得到最大的升運高度，但此時升運物料面積為0，為了得到最好的升運效果與使用效果，結(jié)合收儲袋的長度、收集箱高度、裝置離地高度，升運角度選取49°。在此升運角時，為避免薯塊輸送時外溢，將直線撥齒改為頂端圓弧撥齒。

2.4 升運輸送鏈的設(shè)計與建模

升運輸送鏈由梯形輸送帶、連接支撐桿、撥齒升運器、鋼片、沉頭鉚釘?shù)冉M成。如圖4 所示。

圖4 升運輸送鏈

梯形輸送帶的設(shè)計選擇，如圖5 所示。

圖5 輸送帶

連接支撐桿由金屬套筒、硬質(zhì)輕型塑料桿組成，將金屬套筒套在支撐桿兩端并鉚接在同步帶上。既滿足功能需求又降低成本及機身質(zhì)量。如圖6 所示。

圖6 鏈輥

桿條間隔距離以不漏失薯塊為宜，既保證塊莖不至于在桿條間漏失同時避免因連接支撐桿在同步帶上布置的數(shù)量增多而增加機身的質(zhì)量和成本。馬鈴薯的基本尺寸在30~80 mm，在設(shè)計中把不大于25 mm 的馬鈴薯不計損失，支撐桿直徑為10 mm，綜合以上因素，連接支撐桿間距設(shè)定為35 mm。

3 驅(qū)動輪的有限元分析

3.1 有限元分析簡介

有限元法(FEM)是隨著計算機的發(fā)展而不斷發(fā)展起來的一種分析工程設(shè)計的可靠數(shù)學(xué)方法，利用求解偏微分方程的方法求解流動、電磁場以及結(jié)構(gòu)力學(xué)等線性問題與非線性問題。廣泛應(yīng)用于機械設(shè)計中計算零部件的應(yīng)力分析、頻率分析、熱分析和優(yōu)化分析。Simulation 是Solidworks 公司推出的一套有限元分析軟件，作為嵌入式分析軟件與Solidworks無縫集成，可以方便地對機械模型進(jìn)行分析并迅速得到分析結(jié)果，無需進(jìn)行昂貴費時的現(xiàn)場測試，縮短設(shè)計周期，降低測試成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

3.2 有限元分析法的步驟

（1）利用Solidworks 構(gòu)建實體模型；

（2）建立新算例，定義零件模型材料，材料選用合金鋼，材料性能如表1 所示；

表1 材料力學(xué)性能

（3）根據(jù)實際工況確定約束類型及約束位置；

（4）添加相應(yīng)載荷，大小為500 N；

（5）劃分網(wǎng)格，采用默認(rèn)的劃分即可；

（6）分析構(gòu)件，查看分析結(jié)果。

3.3 結(jié) 論

根據(jù)零件的工作情況對該零件進(jìn)行靜力分析，結(jié)果如圖6、7 所示，模型的最大von Mises 為410 MPa，材料屈服強度為620 MPa，零件的安全系數(shù)約為1.5，零件設(shè)計安全。

4 結(jié) 語

本文對馬鈴薯收獲機升運輸送裝置進(jìn)行了設(shè)計、計算、研究分析，該裝置可以滿足中小型機具薯塊輸送收集的要求，具有工作效率高、成本低，實用性強的優(yōu)點。通過對關(guān)鍵零部件帶輪的安全性能的分析，分析顯示部件設(shè)計安全可靠，能夠滿足工況使用要求。但是對于其只針對于靜態(tài)分析，分析結(jié)果還有一定的局限性，后續(xù)可對機具進(jìn)行動態(tài)模擬分析、優(yōu)化，對驅(qū)動軸進(jìn)行輕量化研究。