周中升，郝欣妮，朱亞東

（揚州市職業(yè)大學，江蘇 揚州 225009）

0 引 言

山藥的藥用價值及食用價值已在醫(yī)學和日常飲食中得到了充分的體現(xiàn)，具有健脾益胃、恢復體力、降血糖等作用。但是山藥在收獲時僅靠人工挖掘效率較低。機器挖掘成品率不能保證，甚至會造成減產，導致農民不愿意大面積種植。為此，加大對山藥挖掘裝置的機械化研究投入，提高山藥挖掘完整度的研發(fā)變得很有必要[1-3]。

目前，由于山藥根莖較長，對土壤環(huán)境有一定的要求，導致市面上常見的一些山藥挖掘裝置不能很好地匹配地形，挖掘效率不高，常出現(xiàn)挖坑深度較淺、山藥損壞嚴重等問題。因此，研制一種能夠提高挖掘成功率、適合于山藥地理環(huán)境、挖掘深度可調的小型挖掘裝置勢在必行[4-6]。本次研究設計的小型家用山藥挖掘裝置體積小，保證質量，價格低廉，適合于家用挖掘且挖掘效率高。

1 山藥挖掘裝置工作原理

提高山藥挖掘效率與減少山藥挖掘導致的斷裂問題是研發(fā)現(xiàn)有山藥挖掘裝置的首要目標。本山藥挖掘裝置采用雙側螺旋鉆桿開溝，具有提高勞動效率、減少人工挖掘、降低勞動成本的特點。動力源則采用家用拖拉機作為牽引動力，動力源與挖掘裝置之間通過轉軸連接，在螺旋鉆桿的作用下向下挖掘，并將傳送出的土壤通過簡易的震動裝置打散，將泥土向上輸送。通過橫軸的送土器將土壤輸送至山藥的兩側，輸送的過程中產生震動，使得山藥上僅留有少量土壤，方便拾取山藥。

挖掘裝置的整體結構見圖1，工作時，拖拉機提供動力源，皮帶輪與送土器連接，送土器與螺旋鉆桿之間主要由齒輪嚙合構成，將螺旋鉆桿挖出的土壤經由送土器送出，為保證土壤挖出后不再進入溝渠，通過架子與連接蓋板將土壤推至機器兩側。拖拉機尾部旋轉軸帶動花鍵軸，由差速箱將通過傳動軸經齒輪嚙合傳送至螺旋鉆桿，完成土壤的開溝挖掘。

圖1 山藥挖掘裝置的整體結構設計

整體的設計主要從3 個方面進行設計：首先是動力源部分，在實際使用中，機器需要跟隨挖掘位置隨時移動，從成本考慮，選用農用拖拉機將會大大降低研究成本。其次，山藥挖掘需將山藥兩側的土壤清除，由齒輪嚙合帶動螺旋鉆進行溝渠的開挖，作用機理與犁田翻土機類似，效率較高。最后，送土裝置設計，將挖出的土壤通過橫向螺旋鉆桿送出至螺桿的兩側，提高了工人撿拾的效率。

2 主要零部件及傳動機構設計

2.1 主要零部件的設計

送土器的結構見圖2，材料選用Q235 鋼，送土器經齒輪傳動后最終轉速設置為400 r/min。該設計主要是將挖掘出的土壤快速輸送至山藥兩側，因此齒與齒之間寬度設置較寬，約為150 mm，增大了送土面積，提高了送土效率。同時該裝置頂部還設有蓋板裝置，可以將送出的土壤壓平打散，減少二次人工挖掘時間。

圖2 送土器結構圖

螺旋鉆桿的結構設計如圖3 所示，同樣選擇Q235 鋼，考慮山藥挖掘深度一般在1 000 mm 左右，故設計時將鉆桿總長設計在1 500 mm，挖掘寬度設置為400 mm，轉速設定在200 r/min。為了提高挖掘效率，將螺旋鉆桿齒與齒之間的寬度設置為100 mm，增加與土壤的接觸面積，加快了作業(yè)效率。

圖3 螺旋鉆桿結構圖

2.2 傳動機構的設計

由于動力來源于拖拉機，因此在挖掘部分選擇通過齒輪嚙合來增加動力及改變動力傳輸方向，使挖掘裝置有足夠的動力來完成挖掘工作，此外挖出土壤的輸送則通過皮帶輪實現(xiàn)，兩部分綜合考慮下，對螺桿及相對應的齒輪大小進行設計計算，最終確定相關參數(shù)。

常用拖拉機額定功率為18 kW，對應的輸入軸的旋轉速度設置為2 000 r/min。工作時，山藥挖掘裝置的軸端將拖拉機的動力傳輸至齒輪，再由齒輪傳送給軸帶動螺旋鉆桿進行挖掘，最后由皮帶輪帶動送土器將挖出的土壤排出。下面以齒輪傳動設計為例，說明齒輪傳動裝置設計的理論依據(jù)。

圖4 齒輪傳動裝置圖

根據(jù)齒輪傳動動力裝置結構圖，首先選擇齒輪材料，本次設計中，小齒輪材料選用40 鉻，硬度值選為260 HBS，大齒輪材料選用45 鉻，硬度值選為240 HBS。

根據(jù)機械設計手冊查取齒寬系數(shù)ψd=0.4，進而知齒輪的接觸疲勞極限應力σHlim分別為:

由于許用接觸應力最大值為齒輪的接觸疲勞極限應力乘以0.9，故得許用接觸應力最大值為：

查機械設計手冊中齒面強度計算部分，取常系數(shù)Ad為756，則小齒輪分度圓直徑d1計算公式：

求得分度圓直徑d1≥104.5 mm，考慮齒輪嚙合強度，我們取d1為200 mm。其中，功率輸出扭矩T為405 N·m，齒寬系數(shù)ψd查表取0.4，齒數(shù)比(μ+1)/μ取值約等于1。

本次設計取齒數(shù)z1為40，傳動比i2=2 時，得：

模數(shù)m1∶d1取值200，齒數(shù)z1取值40，可得：

齒間載荷分配系數(shù)KHa、齒向載荷分配系數(shù)KFa由公式4 計算得：

式中，由公式14 計算得端面重合度εa值為1.7，齒輪螺旋角β 為10°。

齒面強度接觸系數(shù)KHβ計算方法如下：

式中，A、B、C、b系數(shù)分別取值1.7、0.16、0.61、2，求得KHβ=1.46。

齒輪強度載荷系數(shù)計算如下：

其中，使用系數(shù)KA、動載系數(shù)Kν通過機械手冊查得，分別為1.7、1.2。

重合程度Zε計算如下：

式中，根據(jù)機械設計手冊查取可知εβ=1.25＞1，εβ=1，前述可知εa取值為1.7，代入公式可得Zε=0.77。

大小齒輪的應力循環(huán)次數(shù)NL1、NL2計算如下：

式中，th為總工作時間，預計壽命為18 000 h，j為電機單向轉動值為1，n1為齒輪旋轉速度，值為2 000 r/min。

齒輪接觸應力σH計算如下：

式中，彈性ZE由機械設計手冊取值為189.8，節(jié)點ZH由機械設計手冊查取值為2.46，工作齒寬b為2 mm，齒數(shù)比μ 為2，計算得σH=478.1 MPa。

根據(jù)上述計算結果，可知所得數(shù)據(jù)均達到預期的要求，設計合理。如出現(xiàn)不符合運動標準情況時，應當對零件的各類指標進行細節(jié)調整直至其達到使用要求，并要在假設之后，進行二次計算以確保該零件可以符合預定工作要求。

此外，傳動尺寸的計算如下，

由m1=5，z1=40，z2=80，可知

齒輪中心距a為：

對齒輪結構進行驗算，可知：

齒廓系數(shù)YFa、應力修正系數(shù)YSa可根據(jù)當量齒數(shù)Zν查得，Zν的計算公式如下：

根據(jù)機械設計手冊查取齒廓系數(shù)YFa1=2.63，YFa2=2.28 應力修正系數(shù)YSa1=1.58，YSa2=1.75。

重合度系數(shù)Yε計算如下：

確定螺旋角參數(shù)Yβ：

式中，εβ為軸向重合度，故：

齒根應力極限系數(shù)σFlim計算：

根據(jù)查取齒根應力的極限圖可得最大齒根應力極限系數(shù)值：

由于設計中所需的齒輪嚙合轉動為雙向同時轉動，故此計算數(shù)據(jù)應當在原基礎上乘以0.85。

安全系數(shù)SFmin：根據(jù)機械設計手冊查取可知：

壽命系數(shù)YN：根據(jù)公式

得，YN1=0.9，YN2=0.95。

尺寸系數(shù)YX查表可知：

齒根應力的極限承受力[σF]計算：

結果約為357 MPa。

結果約為290 MPa。

根據(jù)公式，計算齒根應力σF如下：

兩齒輪間的齒根應力均遠小于齒根應力的極限承受力[σF]。

經計算，此次設計可滿足拖拉機額定功率下正常工作，當拖拉機轉速在2 000 r/min 時，山藥挖掘裝置的開挖深度可以達到1 000 mm 左右，挖溝的寬度為400 mm，運行速度約為400~500 m/h，通過計算知在螺旋鉆桿挖掘時預計速度約為300 r/min，小型家用山藥挖掘裝置運行處于正常工作狀態(tài)，山藥挖掘的效率與成品率都有了一定的提高。

3 結 語

本文設計了一種小型家用山藥挖掘裝置，該裝置具有結構簡單、操作方便、成本較小的特點。由于采用雙排挖掘的結構，能夠在提高效率的同時極大程度上保證了山藥的完整性，在收獲效率以及人工二次開采上都有著明顯提高。該裝置安裝結構僅留有動力連接軸與送土器部分的傳送帶環(huán)節(jié)，使設備能夠快速完成安裝并投入使用，可以在不同的地理環(huán)境下生產，有利于機械的推廣。