周中升,郝欣妮,朱亞東
(揚州市職業(yè)大學,江蘇 揚州 225009)
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。
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。
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
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。
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。