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        根莖類中藥收割機的設(shè)計與研究*

        2023-11-03 08:49:06張永軍李凌鵬敖淑楠郭海軍
        南方農(nóng)機 2023年22期
        關(guān)鍵詞:深度分析

        張永軍 ,柳 晨 ,李凌鵬 ,敖淑楠 ,郭海軍

        (蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學,甘肅 蘭州 730000)

        中藥材具有藥理作用溫和、成分健康等特征,在預(yù)防慢性疾病方面有明顯效果,甚至在整個醫(yī)藥學領(lǐng)域中占有至關(guān)重要的地位。隨著中藥材的藥品價值被專業(yè)人員所證實,國內(nèi)對中藥材產(chǎn)品的需求量呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢。據(jù)相關(guān)部門統(tǒng)計,2019年甘肅省中藥材種植面積465萬畝、產(chǎn)量130萬t,已經(jīng)成為我國北方中藥材主要集散地之一。但值得注意的是,隨著中藥材種植范圍的進一步拓展,對中藥材收割機械設(shè)備性能提出了更高的要求。由于很多中藥材根部較為發(fā)達,主要生長在土壤深層位置,為了提高藥材根莖的完整性,要合理控制挖掘深度,保證挖掘深度高于藥材根深。而且,在挖掘中會出現(xiàn)大量雜草根莖和根莖混凝土,所以挖掘鏟不僅要具備較強的入土性能,還要擁有破碎分離功能,避免出現(xiàn)土壤擁堵現(xiàn)象。針對上述問題,工作人員要全面分析根莖類中藥材生長環(huán)境和生理特征,設(shè)計出振動式挖掘裝置,在確保藥材根莖完整性的基礎(chǔ)上,合理控制挖掘阻力,全面提升碎土效果,降低機械能耗[1]。

        1 挖掘裝置工作原理

        挖掘裝置結(jié)構(gòu)主要包括擺桿、挖掘鏟支撐架、減速器、牽引架、挖掘鏟等結(jié)構(gòu),如圖1所示。挖掘裝置通常設(shè)置在整個設(shè)備的最前端,利用拖掛架連接牽引車,在減速機的輸出軸上分別設(shè)置擺桿連接機架和挖鏟支座,并在帶輪上安裝偏心輪,以確保挖鏟支座與偏心輪的相互連接。掘進裝置正常運轉(zhuǎn)時,通過牽引車動力輸出軸輸出動力,通過減速機后,引導(dǎo)皮帶輪運轉(zhuǎn),并在皮帶輪引導(dǎo)下轉(zhuǎn)動皮帶輪上的偏心輪,使挖掘鏟進行平面運動,并隨牽引車前進工作,自主切割挖土。

        圖1 挖掘裝置結(jié)構(gòu)示意圖

        2 挖掘鏟設(shè)計

        2.1 挖掘鏟結(jié)構(gòu)設(shè)計

        站在運動形式的角度分析,挖掘鏟主要包括振動式挖掘鏟和固定式挖掘鏟;從形狀方面分析,挖掘鏟主要分為平面三角挖掘鏟和柵條挖掘鏟,通常來說柵條挖掘鏟以振動式為主,平面三角挖掘鏟是固定式。振動式柵條挖掘鏟破碎分離效果較強,能避免挖掘過程出現(xiàn)擁堵問題,但其挖掘深度較淺,入土性能較差,在工作中時常出現(xiàn)挖斷問題。而固定式三角挖掘鏟具有較強的入土性能,挖掘深度遠大于藥材根部長度,但其破碎能力較弱,鏟面容易附著大量莖土混合物,從而產(chǎn)生嚴重的擁堵問題[2]。

        通過分析,發(fā)現(xiàn)挖掘鏟主要包括尾部U形導(dǎo)桿、鏟刃、鏟體等,其中,其鏟刃整體為鋸齒形,由很多小型三角鏟組成,依次固定在鏟體上。在鏟體后部設(shè)置U形導(dǎo)桿,不同導(dǎo)桿間距基本相同,工作中通過四桿機構(gòu)帶動整體挖掘裝置運行,運動形式為振動式,能有效控制挖掘阻力,有利于挖掘機挖掘到更深的土壤,拓展和土壤的接觸面積,全面提高其碎土能力,挖掘出大量莖土混合物。在U形導(dǎo)桿和鏟面振動作用下,將土壤運輸?shù)降孛?,將藥材根莖傳輸?shù)椒蛛x裝置中,保證初次分離操作流程順利進行。

        2.2 挖掘鏟數(shù)據(jù)確定

        2.2.1 鏟刃張角

        在采收藥材的過程中,為了避免收割機上纏繞大量雜草根莖,造成刀刃存在安全隱患[3]。搶收時,工作人員要采取滑行切割的方式進行搶收。

        挖掘鏟鏟刃受力分析如圖2所示,其中,R0表示鏟刃承受的莖土混合物壓力;E表示挖掘鏟上的點位;P0表示鏟刃所承受的挖掘阻力值;F0表示鏟刃和莖土混合物的相互摩擦力。

        圖2 挖掘鏟鏟刃受力分析

        因此,在應(yīng)用滑切方式進行挖掘時,要滿足如下要求:

        分析上圖,得到如下公式:

        查閱相關(guān)試驗數(shù)據(jù)可知,合理控制鏟刃張角對提高機械設(shè)備工作性能有重要作用,如果鏟刃張角過大,根本無法切割雜草根莖,會堵塞挖掘鏟;如果鏟刃張角較小,想要達到預(yù)期的挖掘?qū)挾龋鸵卣圭P刃寬度,增加挖掘鏟的挖掘阻力。通過公式(2),可知挖掘鏟鏟刃張角應(yīng)小于94°。

        2.2.2 入土角

        挖掘鏟入土角和挖掘鏟入土性能、挖掘深度有直接關(guān)聯(lián)。為了滿足預(yù)期的挖掘效果,使挖掘過程對藥材所產(chǎn)生的影響最小,挖掘鏟在工作中要合理控制入土角度,完整挖掘藥材根莖,保證掘出物在鏟面上進行均勻運動,保證其能順利傳輸?shù)酵诰蜱P后側(cè),避免其掉落,全面分析莖土混凝土的受力情況。根據(jù)入土角理論知識,工作人員要通過平衡方程,計算出挖掘鏟運動作用力。

        試驗顯示:入土角和挖掘深度成正比,入土角越小,挖掘深度下降,挖掘阻力降低,隨著入土性能的增強,會降低其碎土性能,甚至出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象;相反,入土角越大,挖掘深度增加,挖掘阻力增加,降低入土性能,會增加其碎土性能。目前,入土角通??刂圃?5°。

        2.2.3 工作深度

        工作人員在利用人工挖掘技術(shù)后,要全面分析根莖類中藥材根莖實際分布情況,計算得到藥材根莖分布范圍控制在200 mm~500 mm之間,且藥材根須相互結(jié)合。因此,在收割過程中,工作人員要保證挖掘深度超過藥材根莖最大深度,避免切斷主根,給根莖的整體性帶來嚴重影響,降低藥材的藥用價值,故挖掘鏟最大入土深度應(yīng)大于500 mm[4]。

        2.2.4 工作長度

        目前,挖掘鏟長度是由前端環(huán)節(jié)和后端環(huán)節(jié)組成的,其中,前端環(huán)節(jié)為挖掘鏟刃部的鏟體環(huán)節(jié),主要作用是挖藥材根莖,后端環(huán)節(jié)主要是U形導(dǎo)桿,通常用來運輸莖土混合物,保證沿鏟面向后輸送莖土混凝土。用能量守恒定律來計算后端長度:

        計算得出:L1=380 mm,挖掘鏟總長度L=L1+L2=772 mm

        3 行走執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計

        藥材收獲機的行走執(zhí)行機構(gòu)主要分為履帶式和輪式兩種,其中,在大型藥材收獲機上廣泛使用的是輪式行走機構(gòu),其特點是速度快;履帶式行走機構(gòu)一般適用于中小型藥材收割機,其特點是轉(zhuǎn)彎半徑小、靈活性高。同時,行走模塊主要作用是采集收割機的轉(zhuǎn)動速度和直線速度,包括機械液態(tài)控制元件和履帶底盤,通過控制推桿和方向盤兩個環(huán)節(jié),對液壓閥開關(guān)進行調(diào)節(jié),確保兩驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速達到藥材收割機的使用需求[5]。

        4 挖掘裝置運動學仿真

        4.1 建立仿真模型

        通過ADAMS軟件仿真振動式挖掘鏟,構(gòu)建健全的三維實體模型圖,將其應(yīng)用到軟件方面,完善直角坐標體系,規(guī)范X軸運動方向。同時,根據(jù)收割機工作中減速器運行的軸轉(zhuǎn)速,將相同數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)速馬達應(yīng)用到驅(qū)動挖掘鏟運動偏心輪,將其轉(zhuǎn)速控制為300 r/min,旋轉(zhuǎn)方向為順時針旋轉(zhuǎn),仿真時間控制在5 s左右,僅受到重力影響,重力方向垂直向下,全面分析該挖掘裝置在垂直與水平方向的數(shù)據(jù),如速度、位移、加速變化等數(shù)據(jù)情況,判斷該運動特征是否能滿足行業(yè)標準[6]。

        4.2 仿真結(jié)果分析

        通過上述仿真分析,能取得完整的挖掘鏟運動分析圖,在圖片上選擇挖掘鏟鏟刃上任意點,將該點作為靜止狀態(tài)的坐標原點,得出其在不同時間X軸方向的移動、速度、加速度變化曲線。X軸方向時間-速度變化曲線如圖3所示。通過分析圖中的內(nèi)容發(fā)現(xiàn),在沒有明顯運動干擾影響的X軸運動中,挖掘鏟的最高運動幅度為300 mm,整體呈復(fù)式運動。同時,挖掘鏟的速度和加速度曲線在X軸上波動幅度較小,說明挖掘鏟運動機構(gòu)具有急劇回位的特點,但這種特征要素較為模糊,工作人員要結(jié)合速度、位移、加速度曲線等特征進行分析。分析發(fā)現(xiàn):在挖掘鏟進行日常運動時,鏟尖在原點位置,挖掘鏟初始速度為250 mm/s,速度持續(xù)不變,挖掘鏟向左側(cè)進行移動,速度呈直線下降趨勢[7]。當挖掘鏟運動到最左側(cè)時,挖掘鏟速度下降到0,加速度最高值為130 mm/s2,挖掘鏟向右側(cè)進行移動,速度增加,加速度下降;當挖掘鏟重新回到初始位置時,挖掘鏟正向速度上升到250 mm/s,加速度下降到0,挖掘鏟向右進行持續(xù)運動,挖掘鏟運行速度降低;當挖掘鏟抵達最右側(cè)時,挖掘速度為0,加速度達到最高值,最高數(shù)值為110 mm/s2,這時挖掘鏟向左側(cè)進行移動,反向增加挖掘鏟速度;當挖掘鏟回歸到原始點位時,速度是反向最高值250 mm/s,加速度下降到0,挖掘鏟重復(fù)向左進行運動。

        圖3 X軸方向時間-速度變化曲線

        同時,在挖掘鏟鏟面上選擇任意點,將該點作為靜止狀態(tài)的坐標原點,得出其在不同時間Y軸方向的移動、速度、加速度變化曲線。其中,Y軸方向的時間-速度變化曲線如圖4所示,可見,在沒有明顯運動干擾現(xiàn)象的Y軸上,挖掘鏟的最高運動幅度為160 mm,運動軌跡曲線呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。并以流暢的Y軸運動速度與加速曲線相互對照,表現(xiàn)出較強的穩(wěn)定性。結(jié)合Y軸加速度、速度、位移等因素變化,發(fā)現(xiàn)當挖掘鏟運動時,挖掘鏟最初速度是180 mm/s,加速度最高值為280 mm/s2,挖掘鏟向上進行運動[8]。運動中速度和加速度下降,當挖掘鏟運動到達最高點時,速度和加速度下降到0,挖掘鏟向下進行運動,這時挖掘鏟加速度和速度呈現(xiàn)反向增加趨勢;當挖掘鏟二次返回原點時,速度和加速度為反向最高值,速度數(shù)值為180 mm/s,加速度是280 mm/s2,促使挖掘鏟向下進行持續(xù)運動,減小其速度和加速度;當挖掘鏟運動到最下側(cè)時,速度和加速度數(shù)值為0,挖掘鏟向上進行運動,速度和加速度呈現(xiàn)正向提升趨勢[9];當挖掘鏟回歸到原點時,速度和加速度達到正向最高值,速度為180 mm/s、加速度為280 mm/s2。

        圖4 Y軸方向時間-速度變化曲線

        5 小結(jié)

        綜上所述,在使用固定式收割機收割根莖類中藥材時,經(jīng)常出現(xiàn)碎土效果差、入土阻力大、挖掘深度不足、動力損耗大等各種問題[10]。據(jù)此,對振動式挖掘裝置的工作效果、運動結(jié)構(gòu)、挖掘參數(shù)等數(shù)據(jù),運用理論計算和數(shù)據(jù)模擬的方法進行綜合分析。經(jīng)實踐證明,改良裝置應(yīng)用鋸齒形平面三角鏟,入土角度控制在20°左右,工作深度大于500 mm,鏟面長度為772 mm,其水平方向運動速度趨勢與余弦函數(shù)曲線基本相同,垂直方向?qū)儆谡液瘮?shù)曲線,其運動結(jié)構(gòu)采用四連桿式結(jié)構(gòu),便于進行平面運行操作。

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