劉祚時，邵文娟

（江西理工大學機 電工程學院，贛州 341000）

0 引言

我國地域廣、人口眾多,對于胡蘿卜的需求大,因而我國的胡蘿卜種植面積較大,但分布區(qū)域廣,且各地的種植模式、農藝要求和氣候環(huán)境都不同,致使引進的國外的相應的收獲機構無法在我國很好的被使用,在使用的過程中會出現(xiàn)很多的問題,且從國外引進的機構價格昂貴,國內部分的種植戶難以承受。

目前,國內的胡蘿卜收獲機已經初有輪廓,但存在農機農藝脫節(jié)和漏收損失過大等問題,且國內現(xiàn)有的胡蘿卜收獲機價格雖較國外的更為便宜但對于很多農戶來說仍難以負擔,這些機構大部分都適應于偏北方的地區(qū)以及大面積的種植戶使用,而江西省的田地大部分為小塊農田且分布不集中,本文結合傳統(tǒng)的胡蘿卜的收獲模式及農藝要求,設計了一種適合于江西省的胡蘿卜自動收獲機構[1,2]。

1 總體方案的確定

根據(jù)需求對其功能進行分析細化,可為幾個步驟,如圖1所示。依據(jù)細化的幾大部分,擬定并選取了設計方案：采取皮帶夾持胡蘿卜的方式收獲,機構動力有拖拉機的發(fā)電機提供,采用固定鋒利刀片使胡蘿卜的纓子與根部分離開來,胡蘿卜落入收集箱,纓子自皮帶尾端落入另一收集箱。

圖1 機器細化分析圖

2 挖掘松土裝置的設計

挖掘松土裝置主要是將胡蘿卜周圍的土壤進行松動,便于后續(xù)的夾持傳輸裝置不用花費多大的力就能將胡蘿卜從土壤中拔出,減小了在拔取過程中胡蘿卜纓子被拉斷,力度不夠胡蘿卜被漏收的情況的發(fā)生。

挖掘鏟是挖掘松土裝置的主要零部件,對挖掘鏟的要求為：

1）不能損傷到胡蘿卜的果實。

2）胡蘿卜周圍土壤松土的徹底性。

3）要有足夠的強度和剛度,以保證松土過程的正常進行。

4）合理的結構安排,同時盡量減小其重量,減小材料的耗費。

該機器設計用于種植模式為最大作物間距75mm,行距300mm的胡蘿卜收獲,挖掘鏟呈箭頭狀,挖掘鏟前端窄小,后部逐漸變寬,尾部有間缺。為了減少漏挖及考慮到會出現(xiàn)對行不準確等情況,鏟面的寬度應該控制在苗帶間距2倍以上,故取鏟面的寬度L=155mm；根據(jù)土壤對鋼鐵的摩擦因數(shù)tany=0.4～0.7[3],鏟面鏟刃斜角β可取為60°；由于入土角的大小會影響挖掘鏟的入土性能以及挖掘過程中的挖掘阻力,通過理論分析以及實踐證明,入土角θ的大小一般在20°至30°之間[4]?？紤]到不同的農藝要求,挖掘的深度以及入土角可以通過配合鏟柄上不同位置的孔來進行調整。

整個挖掘松土裝置由挖掘鏟、鏟柄以及連接桿組成,結構如圖2所示。

圖2 挖掘松土裝置示意圖

3 扶起導入裝置的設計

扶起導入裝置主要功能為將胡蘿卜的纓子扶起聚攏后導入到后續(xù)的夾持傳輸裝置,整個扶起導入裝置由兩個扶禾器以及連接架并列組成,如圖3所示,從胡蘿卜纓子的兩側同時將纓子扶起聚攏,在工作的過程中,扶禾器貼近地面,將胡蘿卜的纓子盡可能的都扶起,通過調節(jié)螺栓連接的位置可以改變扶禾器前后的位置以及與地面之間的距離。

圖3 扶起導入裝置示意圖

4 夾持傳輸裝置的設計

夾持傳輸裝置主要是通過皮帶的相對運動夾持住已被聚攏的胡蘿卜纓子,將已松動的胡蘿卜從土地中拔取出來向后上方運動,完成后面的工序。整個夾持輸送裝置由電動機、V形帶、皮帶輪、傳動軸以及張緊裝置組成。

4.1 電動機的選型

夾持傳輸裝置的動力來源來自和拖拉機發(fā)電機相連的小電機,因而需要對使用的小電機進行一個選型,電動機只需要帶動皮帶輪的運轉且在松土后拔取胡蘿卜所需的力較小,考慮到機構的尺寸以及功能的要求,選擇57步進電機,型號為J-5718HB3401,功率為6kW,轉速為650r/min[5]。

4.2 V形帶以及帶輪的設計

傳動裝置采用的是帶傳動,根據(jù)機器的需求以及結構的設計,傳動比i=1,通過設計與計算,可得V形帶選用B型帶3根,帶基準長度為4820mm,輸送帶的速度為1.25m/s,主動輪帶速為650r/min,直徑為160mm,功率為6kW,被動帶輪直徑為160mm。

帶輪的形式結構是與其基本直徑dd以及安裝帶輪的軸的直徑d相關聯(lián)的,因皮帶輪dd≤300mm且D1-d1≤100mm,故采用腹板式的帶輪結構,V形帶的輪槽需要與選用的V帶的型號需要相對應,帶輪的基準直徑dd=160mm,厚度B=61mm,帶輪軸直徑d=40mm[6]。

4.3 張緊裝置的設計

考慮到V形帶運轉一段時間后會出現(xiàn)磨損以及塑性變形等問題,會致使皮帶出現(xiàn)松弛等現(xiàn)象,且隨著機構使用時間的增長,皮帶會愈加的松弛,為了保證機構的正常運作,在輸送的途中加入張緊輪裝置,通過張緊輪將皮帶張緊,且由于皮帶的輸送距離較長設置了兩組張緊裝置；為了減少需要經常檢修的麻煩,在張緊輪裝置上加入彈簧,根據(jù)彈力自動調節(jié)張緊輪的位置,結構如圖4所示,裝置安裝在皮帶輪的外側,通過彈簧的彈力使得張緊輪與皮帶外圈緊貼壓緊,保持皮帶的張緊以持續(xù)的運轉下去。

圖4 張緊裝置結構示意圖

由于需要根據(jù)彈力自動調節(jié)張緊輪的位置,張緊輪軸不能完全固定在機架上,如圖5所示在機架上開了一個T型的槽口,張緊輪軸的尾端裝了一個鍵狀的卡位塊,通過槽口與卡位裝置的配合,可將張緊裝置裝在機架上。

圖5 張緊裝置限位部件示意圖

5 對頂裝置的設計

對頂裝置的設計要求：

1）只允許胡蘿卜的莖葉通過,胡蘿卜的根部不能通過。

2）對胡蘿卜根部的頂端的磨損盡量減小。

3）具有最夠的強度與剛度。

由于胡蘿卜的生長情況各不相同,莖葉的長短以及根部的大小都相同,在切除莖葉的時候就會出現(xiàn)切口不一致甚至損傷果實的現(xiàn)象,因而需要將胡蘿卜的根部拉齊,在胡蘿卜纓子根部附近同一位置對胡蘿卜的莖葉進行切除,通過對頂裝置使在胡蘿卜持續(xù)上升的過程中其根部頂端拉齊,從而保證胡蘿卜根莖切割的質量[7]。

對頂裝置由左擋板以及右擋板組成,在安裝的時候與傳輸帶成一定的角度,結構如圖6所示,在兩個擋板上裝置了數(shù)個滾子,設置滾子是為了減小在拉齊過程中胡蘿卜根部頂端的磨傷。

圖6 對頂裝置示意圖

6 莖葉分離裝置的設計

莖葉分離裝置主要是將胡蘿卜的莖葉和根部分離開來,以便于后期胡蘿卜的處理及銷售。在傳統(tǒng)的方案中,多采用兩個圓盤刀通過電機或軸的帶動,相對轉動以切割開莖葉與根部,這種方案需要消耗更多的能量以及材料,還需要考慮在一段距離的運動傳遞過后的偏差；故經過思考后,選擇在對頂裝置的上邊面上固定安裝一個鋒利的刀片,可以省去多層傳遞的麻煩與誤差,結構如圖7所示,V型的切口更有利于切割,通過胡蘿卜與刀片之間的相對運動,將胡蘿卜的莖葉和根部分離開來,且調節(jié)螺栓的位置可以改變刀片固定的位置[8]。

圖7 莖葉分離裝置示意圖

7 機架以及收集裝置的設計

7.1 機架的設計

機架是整個機構的依附,支撐著整個機構的運行,它的設計影響著機器的性能以及正常工作,對機架的要求如下：

1）足夠的剛度以及強度,是確保機器正常運行的基礎。

2）在確保造型美觀的同時,要盡量減輕其重量,減小材料和能源的消耗,使其經濟性好。

3）結構設計合理,易于制造和加工,不影響安裝在機架上的零部件的安裝調整以及檢修。

整個機架由六個部分組成：一號機架是主體部分,如圖8所示,其余所有的機架都是裝在一號機架上的,在一號機架的左側和后側都設置了與拖拉機相連接的結構,且松土裝置以及車輪都是安裝在一號機架上的,其余的機架主要是為了維持傳輸裝置以及其相關配件。

圖8 總裝配圖

行走輪裝置前后兩部分都通過萬向節(jié)與一號機架連接,在機構轉向時能夠,靈活的旋轉,以跟著拖拉機改變行進的方向。

7.2 收集裝置的設計

收集裝置分為兩部分：胡蘿卜果實收集以及胡蘿卜纓子收集,兩個部分前后并列放置,可從機構的尾端將其放入取出。果實收集部分以及纓子收集部分的上端呈現(xiàn)一條連貫的斜線,如圖8所示,傾斜的角度與對頂裝置的角度一直,且果實收集部分與對頂裝置的距離控制在200mm以上,以減小胡蘿卜與收集裝置之間磕碰的損傷,進過莖葉分離裝置后,胡蘿卜根部自由落入果實收集箱內,纓子自夾持輸送裝置的尾端落入纓子收集箱中[9]。

8 結語

通過設計計算最終設計了一款可與拖拉機配套使用的小型胡蘿卜收獲機,該收獲機能夠實現(xiàn)松土、拔取、切纓以及收集的功能,結構較現(xiàn)有的機型更加小巧、操作更為簡單方便且成本較低,可減輕農民的勞動強度,且收集胡蘿卜的纓子可用于喂養(yǎng)牲畜,提高了胡蘿卜的整體利用率。