毕业设计马铃薯联合收获机分离装置（含外文翻译）

毕业论文（设计）用纸摘 要 马铃薯是一种世界性经济作物，是继小麦、水稻和玉米之后的第四位重要粮食作物。随着市场对马铃薯需求的不断增加，马铃薯的产业化，机械化种植、收获、深加工机械已经成为各国的重要课题。据统计2006年全世界马铃薯种植面积约为2000万hm2，其中我国的种植面积达501.53万hm2，随着我国马铃薯种植面积和总产量均跃升至世界首位，我国家也成为世界上马铃薯消费增长最快的国家之一。但是在我国大部分地区占生产总用工70%以上的马铃薯收获作业至今基本上还是停留在传统阶段（主要靠人畜力，小面积收获常采用铁锨或锄头人工挖掘，较大面积收获采用畜力挖掘犁）许多地区的机械化收获水平较低严重影响了马铃薯的规模生产，使之远远满足不了市场的需求。近年来，马铃薯收获机械的研制与推广有了较大发展，但目前国内机型以小型、配套动力小，结构简单、轻便为主，大多属于条铺式，即将薯块翻出地面后人工捡拾，生产效率低，劳动强度仍较大，且总体机械化水平很低，严重制约着马铃薯产业的进一步发展。研制机具的技术水平也与国外相差甚大，劳动强度还是较大，严重制约了马铃薯产业化的发展。因此，为了适应发展的要求，本文通过对目前马铃薯收获机械的了解，设计了一种马铃薯联合收获机，集挖掘、分离、输送、分级、清选、为一体的单行马铃薯联合收获机。这种新型的的马铃薯联合收获机分离装置采用了弧形拨齿式分离装置。这种装置结构简单，分离效果好，克服了抖动链式和筛式分离装置在小型马铃薯收获机械上和中粘性土壤中使用的限制，提高了土薯分离效率。大大减小了劳动强度，提高了生产效率。 关键词：马铃薯；联合收获机；分离装置；分级装置；传动系统 Abstract With the market demand for potatoes continuously increased,its industrialization and mechanization planting,harvesting,deep processing mechanism become an important subject in different countries.According to statistics,the worlds potatoes planting area is about 20 millionhm2 in 2006,in which our countries planting area reached 5.0153 million hm2,with the potatoes planting area and the total yield all jumped to the first place in the world,our country become one of the quickest growing potatos consumer in the world.But in the most areas of our country, there are more than 70%total work of the potatoes harvesting are basically stopped in the traditional artificial seeding cutting,digging,picking stage,the level of mechanization of harvest in some areas relatively low,its seriously influence the potatoes scale production and make it far not meet the demand of the market.In recent year,the research and extension of the potato harvest machinery has made a great development,but at present,our machine type mainly in small type,small mating power,simple structure and light.There is a big gap between our country and foreign country about the technology level of the equipment research,the labor intensity is still great,they are seriously hold back the potatoes industrial development.So in order to adaptation the globe and international competition,through the comprehensive research on the present potatoes harvestmachinery at home and abroad,we improved the design of a new type single lined potatos combine harvest,which integrated the digging,separation,transportation,grading,cleaning selecting,bagging(boxing)in one machine.After improved the design of the potato combine harvester,which separating device used the arc round roller components.This device has simple structure and good separation,overcome the restriction of the jitter chain and screen type separation,that in small type potatoes harvest machine and the use in viscous soil,improve the separation efficiency.The grading devices improve is mainly used the first order and the second order grading mechanism which composed of cylindrical roller and semi lunar groove had different space,realized the big,medium,small potatoes grading and transportation,greatly reduced the labor intensity and improved the product efficiency.After determined the whole improving design scheme,using the CAXA software built the integral three-dimensional modeling and make the motion simulation to the grading deviceing the ADAMS software,analysis the all level potatoes simulated motion situation,verify the feasibility and reliability of the design and proposed the improving suggestion according to the simulation results.Keywords:potato;combine harvester;separating device;grading device;transmission syste目 录摘 要1Abstract2第1章 绪论6第1章 绪论61.1 前言61.1.1马铃薯种植概况61.1.2马铃薯机械化收获技术与收获机具71.2 国内外马铃薯收获机概况及发展现状71.2.1 国外马铃薯收获机的发展现状71.2.2 国内马铃薯收获机的发展现状91.3 本课题研究的意义、内容及方法121.3.1 研究意义121.3.2 研究内容141.3.3 研究方法15第2章 马铃薯收获机的总体原理及挖掘部分设计162.1马铃薯的生长农艺特征及收获要求162.1.1 马铃薯的生长农业特征162.1.2 收获要求162.2马铃薯收获机的整机机构及工作原理162.3 辊式摘穗器原理及参数172.3.1 圆柱型摘穗辊抓取茎秆条件分析172.3.2 圆柱型摘穗辊不抓取果穗条件分析192.3.3 圆柱型摘穗辊直径的确定212.4 本章小节22第3章 损失实验台设计233.1 设计任务233.1.1 设计目的233.1.2 设计要求233.2 机构总体方案233.2.1 机构传动方案233.2.2 总体布局243.3 实验台技术设计243.3.1 整机功率设计243.3.2 电机功率选择253.3.3 结构设计与强度校核263.4设备实物363.5本章小节37第4章 展望38结 论40参考文献41致 谢43附录144附录248 第1章 绪论1.1 前言1.1.1马铃薯种植概况马铃薯(Solanlum tuberosum L.)是一种一年生草本块茎植物，被称做土豆，洋芋，藩芋，山药蛋，荷兰薯等，在粮食产量排名中仅次于玉米、水稻和小麦而跃居第四位。我国马铃薯栽培始于明朝万历年间(15731620年)，已有400多年的栽培历史，现已遍及全国，北起黑龙江，南止海南岛，是一种适宜性强，产量高，营养丰富的宜粮，宜菜，宜饲，宜加工的多用途作物。在19992000年期间，全球马铃薯的种植面积每年保持在1900万hm2左右。根据联合国粮农组织(FAO)的统计，2003年全世界马铃薯种植面积为1890万hm2，总产为3.1亿t，平均单产16t/hm21。近年来，世界马铃薯的种植面积一直保持在2000万hm2左右，种植马铃薯的国家和地区有150个,主要集中在欧洲和亚洲，中国、俄罗斯、乌克兰、印度四大生产国占世界种植面积的一半2。在过去的十几年中，中国的马铃薯种植面积呈不断上升的趋势。2005年已达488.09万hm2，是全世界马铃薯种植面积最大的国家，占全球种植面积的25%以上，占亚洲种植面积的60%左右，平均单产14.5t/hm2。中国即将成为世界第一马铃薯种植大国，我国仅内蒙、甘肃、云南、贵州和黑龙江五省区种植面积就达全国面积的一半以上。其中内蒙大约53.3万hm2、甘肃2006年已达54.88万hm2、云南2005年达52.84万hm2、贵州大约50万hm2、黑龙江大约46.6万hm22。我国马铃薯的种植和栽培反应了我国人民对马铃薯产品的需求和马铃薯生产的强大生命力。我国马铃薯市场潜力巨大，栽培发展迅猛，品种繁多，这一发展趋势与世界马铃薯发展趋势是一致的。目前，就甘肃来说，马铃薯种植面积在全国各省之间排名第一，产量排名第二，成为全国马铃薯生产大省。马铃薯是甘肃省三大粮食作物之一，从上世纪年代中期开始，甘肃省将马铃薯产业作为全省农业发展的区域优势产业来抓，在政策、资金、技术等方面重点支持培育，加快了马铃薯产业的发展，目前全省常年种植面积50万hm2以上，年产鲜薯800多万吨，种植面积在0.67万hm2以上的县有28个，主产区定西市种植面积达到20万hm2，被农业部命名为“马铃薯之乡”。同时，马铃薯产业初步形成甘肃中部、河西、陇南及全省脱毒种薯繁育供应四大优势区域，优势产区生产面积占全省种植面积的70以上34。1.1.2马铃薯机械化收获技术与收获机具在马铃薯生产中,难度最大的要属收获作业,且用工量约占生产总用工量的50%以上,因此要实现马铃薯生产机械化就必须重点解决收获机械化问题。马铃薯的机械收获过程主要包括：挖掘、分离、捡拾、清选、分级和装运等工序。根据收获过程的机械化程度,薯类的收获可分为人工收获、半机械化收获和机械化联合收获三种。机械收获马铃薯的方法有分别收获法、分段收获法和联合收获法三种45。其中分别收获法的工艺路线为挖掘分离捡拾清选；分段收获由两个阶段组成：第一阶段包括挖起土垡、部分分离土块、作物残株和杂质，并将若干行薯块集铺成一个狭窄条铺。收获的第除机割去茎叶，而后用联合收获机一次性挖掘块茎、分离土壤、捡拾块茎并进行集装。不论采用哪一种收获方法，般对收获技术提出如下要求：高生产率，高质量，薯挟损伤少，工作时消耗及所需的劳力少，与杂质(土块、石块)分离，适在不同土壤工作。马铃薯收获机具经历了挖掘犁、挖掘机和联合收获机的发展历程。目前,我国薯类收获基本上是以人工辅助于挖掘犁进行作业,劳动强度大,生产效率低。且我国开发和运用较广的主要是分段收获机械53，它的作业过程，是割除茎叶后，用挖掘机从土壤中挖出茎块并初步分离，铺放成条，然后人工捡拾茎块、集中运送。挖掘机主要工作部件是挖掘铲和分离机构，分离机构有升运链式(抖动链式)、抛掷轮式、摆动筛式和滚筒筛式等。目前开发的产品多是摆动筛式，其结构简单，结构和运动参数选择合理，可以获得较高的明薯率。按收获行数分，现有的马铃薯收获机有单行、双行。按与拖拉机动力连结方式分，有牵引式、半悬挂式和悬挂式3种。1.2 国内外马铃薯收获机概况及发展现状 1.2.1 国外马铃薯收获机的发展现状国外马铃薯机械化收获起步早、发展快、技术水平高。20世记初，欧美国家出现畜力牵引挖掘机来代替手锄挖掘薯块、随后改由拖拉机牵引或悬挂。20年代末出现了升运链式和抛掷轮式马铃薯收获机。在20世纪40年代初，前苏联、美国就开始研制、推广应用马铃薯收获机械，50年代末即己实现了机械化。7080年代，德、英、法、意大利、瑞士、波兰、匈牙利、日本和韩国亦相继实现了马铃薯生产机械化。70年代主要是研制大功率自走式根块作物联合收获机，且以收获垄作种植为主5-7。这些机型是大功率拖拉机变型，如荷兰在拖拉机基础上按照甜菜联合收获机的原理制成的双行马铃薯联合收获机，为了加强筛选效果，分离器有四个液压泵带动。美国在1948年以前用收获机来收获马铃薯，然后人工捡拾，直到1967年，开始使用联合收获机，20世纪80年代初期，联合收获机和分段收获的面积占马铃薯种植面积的85%，其中联合收获已达到50%以上。20世纪90年代，美国已基本实现了马铃薯收获机械化。前苏联是生产马铃薯收获机最早的国家，生产了许多半悬挂式机型，如KKY2型、KOK2型、KKP2型等马铃薯联合收获机，机器体积较庞大笨重，到20世纪90年代初，马铃薯收获机共有16种机型，其中10种是联合收获机，90年代中期，开始生产自走式联合收获机，其劳动生产率比其它2行收获机提高12倍8。近年来，欧美的马铃薯收获机型仍然是以大功率机组为主。这些机型只能在大面积土地上使用，不适用于中小地块。有些国家和地区生产一些小型挖掘机械，如意大利的SP100机型为小型垄作收获机械。在亚洲生产马铃薯收获机械的国家较少。日本在1955年以前使用畜力挖掘犁，1955年1965年生产悬挂式的抛掷式和升运链式收获机，70年代开始引进英国、美国等发达国家的联合收获机，并研制适合日本国情的联合收获机，对于根菜（萝卜、家山药、青芋、胡萝卜等）机械收获的研究从1960年开始，近几年韩国、日本生产了一些小型马铃薯收获机，如韩国高山机械工业公司生产的小型单行和双行土豆、地瓜挖掘机械3342-44。从农业机械化发展过程来看，马铃薯收获机械发展较迟缓，只是在近50年才发展到较高水平。在国外马铃薯收获机械中，挖掘机的生产和使用所占的比例趋于下降，而联合收获机得到迅速发展，形成了用联合收获机直接收获，或用挖掘-捡拾装载机加固定分选装置来进行分段收获的两种全面实现收获机械化的配套系统，基本上实现了马铃薯收获机械化。而且，国外马铃薯收获机械大多采用升运链条式联合作业，技术上已达到相当高的水平。像俄罗斯、德国、法国、英国、美国、比利时和日本等国马铃薯收获机械化程度较高，收获机械性能稳定，图1-1所示为德国Jabelmann（嘉博曼）公司生产的马铃薯联合收获机，图1-2所示为比利时AVR公司生产的马铃薯联合收获机。目前，国外一些马铃薯收获机械不但生产率高而且将高新技术已融于农具之中，如采用振动、液压技术进行挖掘，采用传感技术控制喂入量、马铃薯传运量及分级装载；采用气压、气流、光电技术进行碎土和分离以及利用微机进行监控和操作等。图1-2 Spirit8200马铃薯收获机 图1-1 EURO-V1400L马铃薯收获机Fig.1-1 EURO-V1400L potato harvester Fig.1-2 Spirit8200 potato harvester发展中国家基本上采用挖掘犁和挖掘机进行收获作业,发达国家的马铃薯收获已基本实现了机械化联合作业。如德国、美国的联合收获机在自动化控制、薯块分离以及减少薯块损伤等方面都有独到之处。东洋农机公司、日本三A公司、久保田公司等都生产适合小地块作业的中小型自走式马铃薯收获机52。1.2.2 国内马铃薯收获机的发展现状我国对马铃薯收获机械的研制虽较早，但发展缓慢，目前处于中小型悬挂式集条收获机的研制推广阶段，所研制机具的技术水平与国外相差甚远。20世纪 60年代初期，我国有关农机部门引进了国外马铃薯收获机，并进行了生产性能试验，力图吸收消化国外技术，开发同类产品，主要引进机型有西德VR-2、波兰RCF-2、英国Johson、瑞士Samro Junior和前苏联KTH-2型马铃薯收获机。之后，黑龙江省研制出了两种集条收获机，并进行了试生产。20世纪60年代中期，马铃薯收获机具的研制工作才逐步发展起来，研究人员在研学原西德、原苏联、日本、瑞士等国外机具的基础上，研制成功了升运链式马铃薯收获机，但由于受当时历史条件的限制，没能实现大面积推广和使用8。20世纪70年代，内蒙古农机所研制出了与40.4kW拖拉机配套的4U1型马铃薯集条收获机，并在当地进行了试点推广。1978年在北京举办的12国展览会上，引进了不少国外马铃薯收获机具厂商参展。其中有西德哈格多恩农机有限公司生产的RMR型集条收获机，日本东洋农机株式会社生产的TP2型集条收获机，法国莫罗公司生产的M112型集条收获机。其中大型机具的配套动力在30kW以上，生产率为0.312hm2/h。中型机具的配套动力在2230kW，生产率为0.25hm2/h。小型机具的配套动力在15kW，生产率为0.060.16 hm2/h。1979年，12国农机展览会后，国家将全部马铃薯收获机样机都投放在黑龙江省农业机械工程科学研究院，从而为马铃薯收获机的研究工作创造了良好的条件。20世纪80年代，我国又引进了西德RMR型、瑞士SUPERB型配套动力为30kw的马铃薯集条收获机14。20世纪90年代，我国薯类产区加大了马铃薯收获机械的研制力度，山西省农机推广站与山西省忻州地区农机推广站、黑龙江省农机推广站与大兴安岭地区农机推广站、河北省农机推广站与河北省围场地区农机推广站、内蒙古农机推广站等地农机部门分别引进了国内外马铃薯收获机械进行演示、选型。其中大型机具有俄罗斯生产的KJIK201型马铃薯联合收获机，意大利生产的SP100型双行集条收获机。小型机具有意大利生产的SP50型、内蒙古包头市农机所研制的4U12.5型。中型机具有黑龙江生产的4S001.2型，内蒙古农机所研制的4U1型集条收获机，以及内蒙古农业大学研制的4SW40型收获机14，如图1-3所示。20世纪90年代中期，由于国产小四轮拖拉机的大量推广和应用，研制马铃薯收获机已被列入重要日程。而此后，其市场需求旺盛，先后有小型升运链式马铃薯收获机和振动式马铃薯收获机投放市场，并占据了很大的市场份额。中国农业机械化研究院在综合国内外马铃薯收获机械的基础上，研制成功了各种型号的马铃薯收获机，如1520型马铃薯收获机、4UL-1型马铃薯联合收获机、4UW-120型马铃薯挖掘机1700型马铃薯联合收获机等多种机型，为我国马铃薯收获机的研制奠定了良好的基础。近年来，我国研制的马铃薯收获机，主要是中小型挖掘机9-25为主，如河北省围场农机研究所生产的4VM1A型，4VW2A型马铃薯挖掘机，黑龙江齐齐哈尔市建新机械厂研制的4U2型牵引马铃薯收获机等，如图1-4所示。有些企业出于商业目的，报道马铃薯收获机械工业初试成功的消息。但是就目前我国普遍的动力状况，真正使机具在作业质量过关、性能稳定可靠、推广适用的机型并没有出现1024。目前，国产马铃薯收获机械较成熟的产品主要有两种类型：一是升运链杆条式，该类型机是目前国际通用形式，美国、芬兰、德国、俄罗斯等国大型收获机，日本自走式、韩国悬挂式收获机普遍采用该型式，特点是容易实现单双行收获和联合作业。二是栅条摆动分离筛式收获机，该类型机是意大利、日本的早期结构型式，不易实现双行收获和联合作业。以上两类型机也有不足之处，就是只能实现挖掘、土壤分离和集条功能，还不能完成排石、去秧、集箱或直接装车等功能9。最近几年，我国马铃薯联合收获机械的，研制也取得了一定的进展黑龙江省伊春市农业技术推广中心农机科研所成功研制了4UL-2型马铃薯联合收获机（样机），该机可一次完成土薯挖掘、碎土分离、清秧除杂、升运卸薯装车作业，于2004年9月通过鉴定，但未进行推广。现代农装北方（北京）农业机械有限公司生产的1650型带臂式联合收获机（图1-5），采用机、电、液一体化技术，配置浮动挖掘机构，对地仿形，确保挖掘深度，一次完成切沟、挖掘、输送分离、茎蔓清除，集中装车作业，也可根据收获要求侧面输出。该机在挖掘时须有一运输车跟随，而且地头、地边作业困难，只能适用于大面积收获。1.3 本课题研究的意义、内容及方法1.3.1 研究意义马铃薯是全球继小麦、水稻、玉米之后的第四大粮食作物1，它作为一种粮食作物在同等条件下其单位面积蛋白质产量分别是小麦的2倍，水稻的1.3倍，玉米的1.2倍；所含VC是苹果的10倍，VB是苹果的4倍；其它各种矿物质含量是苹果的10倍以2。因此，在日常生活中，以马铃薯为原料的食品已成为时尚。马铃薯不但营养齐全而且结构合理尤其是蛋白质的分子结构与人体的蛋白质分子结构基本一致极易被人体吸收利用，其吸收利用率几乎达到100%，此外马铃薯还含有其它粮食作物中所没有的胡萝卜素和抗坏血酸，因此营养学家说“马铃薯是十全十美的全价营养食物”3。马铃薯除了上述的营养价值之外它在工业领域也已成为不可或缺的重要原料，尤其是它的精淀粉、变性淀粉等深加工产品在纺织、印染、造纸、医药、化工、建材和石油钻探等领域也都显示出极高的利用价值4，可以制成添加剂、增强剂、黏结剂、稳定剂等，在有些时候它还可以用来生产酵母、多种酶、维生素、人造血液等产品。马铃薯独特的自然属性和优越的经济社会条件，使它的相关产业也成为全球的朝阳产业5。从长远看马铃薯产业的发展空间很大，前景非常广阔。据世界马铃薯中心研究表明：在世界范围内对马铃薯的需求到2020年将有望增长20%，超过水稻、小麦、玉米的增长，届时发展中国家对马铃薯的需求将是2000年的2倍，几乎占全球总产量的一半6。随着市场对马铃薯需求的不断增加，马铃薯的产业化，机械化种植、收获、深加工机械已经成为各国的重要课题。目前我国马铃薯种植面积正在接近蔬菜种植面积，达500万hm2，年总产量近8000万吨，已成为世界马铃薯生产大国，机械化作业是社会发展的必然趋势。1)马铃薯收获是时间紧，耗工多的一项作业。由于马铃薯生长期仅8090天，集中种植区多在我国北部，气候寒冷，无霜期短，如收获过早，生长期不够，干物质积累少，影响产量和质量，如收获过晚，易遇霜冻，造成更大损失。而目前马铃薯收获主要靠人畜力，效率低，使收获期拖长，造成减产，严重制约马铃薯生产的稳定发展和效益的发挥。因此，稳定、扩大马铃薯种植而积，提高单位面积产量，促进生产发展，必须采用机械化收获24。2)马铃薯机械化收获是产业化发展的需要。要发展马铃薯产业，首先应实现马铃薯种植及收获机械化，马铃薯种植及收获机械化离不开性能优良的收获机械，因此研发适合我国农艺种植要求的新机具，尤其是马铃薯联合收获机械，显得尤为重要6。2005年8月省人民政府和中国农业科学院签订了马铃薯产业科技合作协议，这标志着甘肃省马铃薯产业发展迈上新台阶。但甘肃马铃薯种植、中耕作业以及收获机械化落后，机械化水平达不到1%的水平，严重制约着甘肃马铃薯产业的进一步发展。解决这些问题，把这一特色产业做大做强，就必须依靠科技，把先进的科学实用技术运用到马铃薯的育种、种植、加工等生产环节，延长产业链、提高产品附加值，真正使科学技术成果转化为现实生产力，促进农民增收得实惠、农业发展有后劲。3)随着人力成本的提高、大量农村劳动力向城市转移、我国城市化进程的加快、劳动力的的减少经以及成本的提高等，因此马铃薯种植区急需机械化作业代替人工作业。甘肃是全国马铃薯的主要产区，但98%以上的马铃薯种植和收获仍然采用人工挖掘或牧畜犁翻开沟点种和收获等原始的生产方式进行作业，存在着劳动强度大，费时费工，损失率高，不便贮藏等缺点5，甘肃定西为国家级马铃薯之乡，但其机械化水平仅为1%，大部分收获完全靠人工作业方式，作业手段落后，劳动强度大，生产效率低，有时在冬季封冻之前不能完成收获作业，给马铃薯种植户造成很大的经济损失。因此，马铃薯种植区急切需求能够适应种植区气候、土壤、环境、作物等特点的马铃薯联合收获机械。4)当前，马铃薯收获多采用犁翻人捡，费工、费时，漏薯和伤薯现象严重，制约了农民种植的积极性。马铃薯收获的难题是马铃薯的掘出、集中、分捡(需回收2遍)，为了扩大马铃薯生产的规模，需走机械化发展的道路。我国虽然有十几家马铃薯收获机的科研、生产单位，研制生产出了不同类型的马铃薯收获机械，但其明薯率低、伤薯率较高，劳动强度大，费时费力，输送系统的工作性能直接影响着这些重要指标，因此，对输送系统等部件进行机理研究具有现实意义。5)提高分离率，降低伤薯率以及劳动强度的重点是输送系统的结构和输送工作诸机理的研究，包括输送性能与运动参数分析，参数优化设计。因此，在现有机型基础上不断攻关完善，对输送系统的工作机理进行分析研究，对影响工作性能的运动和结构参数进行优化，以提高分离率，减少伤薯率，降低劳动强度，具有现实应用的意义。6）我国马铃薯种植面积大幅攀升，这对我国马铃薯收获机械生产无疑是一个非常好的机遇，近几年各个行业对马铃薯的需求不断增加，随着全国农业机械化步伐的加快，马铃薯机械化生产的程度要求进一步提高，由此可以看出，马铃薯收获机械还存在巨大的发展空间。1.3.2 研究内容针对国内外马铃薯收获机械的主要问题，研制出一种挖掘、分离、输送等为一体的马铃薯收获机械。对整个机械的机架、行走、传动、分离各部分进行研究设计，并使之能达到既定目的。本论文主要对机架、行走部分进行相应的理论分析与计算，以确定尺寸，完成初步设计。我国马铃薯收获机械技术的研究开发已有几十年的历史，但水平相对较低，制约我国马铃薯收获机械发展的因素主要有以下几方面22:（1）块茎收获所要求的机具技术难度大，结构复杂，满足生产需求困难大。（2）配套动力不能满足机具应用要求。（3）马铃薯种植方式多样化。在种植方式上有垄作、平作；在作物定植上，行距、株距不一；在使用中机组进地行走难和对行作业难等问题，影响作业质量和效果。（4）我国日前还没有标准的马铃薯收获机械试验方法和标准。（5）马铃薯收获机的机理研究和系统的理论欠缺，研究手段相对落后。 针对以上问题，必须在薯块输送工作性能方面有所突破，使其达到功耗小，适应性强、效率高、耐用性强，在满足损伤率和丢失率等农业要求的前提下，降低劳动强度，达到机械化收获的目的。1）马铃薯机械化收获理论研究。 2）减少机具阻力。3)马铃薯柔性输送系统的研究。薯块在输送过程中极易伤害表皮，对储存极为不利，因此需在输送过程中研究应用新结构、新材料，避免在薯块输送过程中损伤马铃薯。1.3.3 研究方法1)通过查阅文献资料，吸收并借鉴部分马铃薯收获机械及其它收获机械输送系统的成功之处，研究并确定马铃薯联合收获机分离输送系统的主要参数。2)对输送系统各主要机构进行设计，并分析确定主要参数。3）主要技术路线如下：文献检索 调研综合分析 提出预设计方案 确定主要参数 绘制图样结构 完善设计第2章 马铃薯收获机的总体原理及挖掘部分设计2.1 马铃薯的生长农艺特征及收获要求2.1.1 马铃薯的生长农业特征 马铃薯成熟块茎一般生长在520cm的土层。块茎的生长宽度一般为400cm左右。马铃薯块茎地下分布情况如图2-1。2.1.2 收获要求（1）挖掘深度应该满足农艺要求,即机具的挖掘深度应该大于马铃薯的种植深度,如果机具的挖掘深度小于种植深度,必定造成马铃薯的漏挖与损伤。一般挖掘深度为：1525cm。（2）明薯率、挖净率与伤薯率明薯率：是说明马铃薯的收获率。这里值得说明的是有些马铃薯一部分露在外面，另一部分则埋在土里，属于明薯还是暗薯不好判定。所以在测试时我们规定露在外观的马铃薯1/4时为明薯，否则为暗薯。漏挖薯：是机具未挖出的马铃薯：它也是机具造成的损失，明薯、埋薯拣拾干净后用人工找出机器没有挖掘出来的残留薯块。损伤薯：从明薯、埋薯、漏挖薯中所有伤薯。根据GB5262农业机械试验条件，马铃薯收获机的作业标准为：明薯率96%、伤薯率6%、挖净率97%较为合适。2.2 马铃薯收获机的整机机构及工作原理 该机有拖拉机牵引，通过拖拉机动力输出轴、伸缩万向节和减速器箱输出轴的两端分别将动力传给拨土轮和分离器的中间旋齿，中间旋齿在通过链轮再传动到其它各旋齿，再由前后旋齿轴分别带动喂入轮和升运链。分离器的四组旋齿交错排列，各组旋齿的相位差为90度，齿距为18mm。机器的起落有拖拉机的液压悬挂装置控制。工作时液压悬挂处于浮动位置，通过调节限深轮的高低位置控制挖掘铲的入土深度。工作时，薯块和土壤沿挖掘铲上升并向后移动，借助拨土轮、喂入轮的作用，送入旋齿分离机构，再旋齿的作用下，被破碎的土壤从旋齿间漏下，薯块及部分硬土块顺次经各旋齿送至升运链，由升运链送入薯箱，然后靠其重量自动放堆。2.3 挖掘部件的设计挖掘部件主要由挖掘铲、铲架、仿形镇压轮、深度调节杆和挖掘头架等组成，如图2-3所示。其中h表示挖掘的深度，可通过调整深度调整组件对挖掘的深度进行控制，l为仿形镇压轮对挖掘铲的提前量（一般为马铃薯株距的0.51.5倍），它的作用是为了消除马铃薯块茎上面土壤的膨胀对挖掘铲入土的影响28。2.3.1 挖掘铲的设计挖掘铲的任务是以带最少的泥土挖掘薯块、捡拾块茎，并尽可能使土壤松碎，把掘起物送到它后面的分离装置上，并要求在克服各种阻力时消耗的能量最少。要在不同的土壤条件和湿度下圆满地完成这一任务或与它有关的各项任务是非常困难的3035。为了满足各项技术要求，该联合收获机采用了组合式挖掘部件，由三角挖掘铲、铲架、分石栅、切土盘组成。挖掘铲刚性的固定在挖掘头上，切土盘通过调整固定杆与挖掘头架的相对位置实现切土深度调整。三角挖掘铲结构简单，制造工艺少。被广泛的应用于马铃薯挖掘中。铲面由三片挖掘铲组成，刚性的固定在铲架上，各铲之间留有滑草间隙。挖掘铲的主要参数有：刃切口夹角、挖掘铲与地面的夹角、铲的长度L、铲的宽度B283639，如图2-4所示。选择挖掘铲刃口夹角的值必须使杂草和茎秆都能滑离铲刃。使茎秆滑离刃口的力如图2-4（c）所示，它必须满足下列不等式：式中 R1作用于铲刃的阻力（N）；1茎秆对钢的摩擦系数；0.850.911=tg?。2.3.2 圆柱型摘穗辊不抓取果穗条件分析 果穗与摘辊初始接触时受力情况与茎秆和摘辊初始接触时受力情况相似。图2-7果穗不被抓取条件同样将果穗端部所受摘辊支反力和抓取力进行水平、竖直分解得到两个力的水平分力和，见图2-7。如要满足摘辊不抓取果穗则应有：。即：，摘辊对果穗的起始抓取角。因为，摘辊对果穗的抓取系数。将以上两式进行整理有：，即： （23）与（22）式相同得： （24）果穗大端直径。因此摘辊不抓取果穗的条件是：摘辊对果穗的起始抓起角的正切值应大于摘辊对果穗的抓取系数。2.3.3 圆柱型摘穗辊直径的确定由（22）式和（24）式，得出圆柱型摘穗辊抓取茎秆而不抓取果穗的条件是： 即： （25）摘辊对果穗与茎秆的抓取系数及因摘辊的材料、表面形状、茎秆材料、果穗苞叶等材料不同而不同，但一般情况下可以认为：。所以摘穗辊直径应满足的条件为： （26）由上式不难看出，随着摘穗辊抓取系数的增大，摘辊直径逐渐减小，一般 。为了减轻收获机割台重量、减小结构尺寸，在获得理想的摘穗效果的前提下，希望摘穗辊直径越小越好。但是圆柱型光摘穗辊抓取系数较小，一般 。所以计算圆柱型摘穗辊直径时抓取系数取0.5。为使摘穗辊具有较强的抓取系数，可在摘穗辊表面上附螺旋凸棱（有的还配有摘穗钩）或者将摘穗辊表面做成各种形状，此时摘穗辊抓取系数可以达到1.0。因而在设计表面具有凸棱或其他形状的摘穗辊时，可以取抓取系数为1.0。本研究所用摘穗辊为表面附有凸棱（配有摘穗钩）的摘穗辊，因此计算摘穗辊直径时取.0。由摘穗辊直径所满足的条件还可以看出：当摘穗辊抓取系数一定的条件下，摘穗辊直径随摘穗辊间隙的增加而减小。一般玉米收获机要求摘穗辊间隙可调。所以计算摘穗辊直径上限时按摘穗辊间隙最大时处理，计算摘穗辊下限时按摘穗辊最小间隙处理。同时摘穗辊直径还应满足摘穗辊能够抓取最小茎秆而不抓取最小果穗。由此确定的摘穗辊直径为：。计算得：。由此计算确定出摘穗辊的直径。2.4 本章小节本章对现有摘穗器进行了分类，并对各摘穗器工作性能做了简要介绍。运用圆柱型辊轧理论推导了辊式摘穗器工作原理及摘穗辊直径。第3章 损失实验台设计3.1 设计任务3.1.1 设计目的纵卧辊式玉米收获机普遍存在摘穗啃伤问题，虽然诸多收获机厂家、科研单位都在进行这方面的研究，但到目前为止还没有任何一家单位针对摘穗啃伤问题进行定量考察，确定螺旋凸棱式摘穗辊对果穗的啃伤程度。为解决上述问题，本研究拟设计纵卧辊式玉米摘穗实验台。3.1.2 设计要求本实验台是为考察纵卧式摘穗辊在摘穗过程中对果穗啃伤的影响。因此要求实验台能够试验各种纵卧式摘穗辊。实验台设计试验摘穗辊长度变化范围为500mm1200mm；直径变化范围为70mm105mm；辊子速度变化范围为500r/min1200r/min；摘穗辊水平面倾角变化范围为2540；摘穗辊螺旋凸棱高度不大于12mm；摘穗辊两轴水平间距调节范围为75mm145mm；摘穗辊两轴竖直间距调节范围为040mm。实验台要求能装配扭拒传感器、速度传感器，随时输出摘穗辊扭拒和转速，且工作可靠、结构简单、成本低、便于调整和维修。3.2 机构总体方案3.2.1 机构传动方案图3-1传动方案简图本机构中的两个摘穗辊采用两台电动机分别驱动，且在一个电机与一个摘穗辊之间联结扭拒传感器和速度传感器。具体传动方案简图见图3-1。3.2.2 总体布局实验台主要由底座、机架、电动机、传动机构、摘穗辊等组成。具体结构布置见图3-2。实验台电器控制系统与实验台分离。图3-2纵卧辊式玉米摘穗实验台结构图1底座 2机架 3电机一总成 4摘穗辊5电机二总成 6传感器 7传动机构3.3 实验台技术设计3.3.1 整机功率设计据统计，正常工作时一对摘穗辊平均消耗功率N为1.11.25kW。但实际工作中收获机的喂入量是不断变化的，所以正常工作时摘穗辊的最大扭拒M1约为平均扭矩的2到2.12倍，当摘穗辊堵塞时扭拒M2约为平均扭矩的3.5倍。所以当设计摘穗辊转速在500r/min1200r/min时，摘穗辊正常工作扭拒范围应为：Nm Nm摘穗辊正常工作时最小扭拒，单位Nm；摘穗辊正常工作时最大扭拒，单位Nm；由于实验台是为考察玉米摘穗啃伤情况的室内试验设备，不存在摘辊堵塞问题，所以设计摘穗辊扭拒为摘穗辊正常工作扭拒的2.12倍即可。实验台设计摘穗辊扭拒范围，单位Nm；所以实验台每根摘穗辊扭拒变化范围为：实验台设计每根摘穗辊扭拒范围，单位Nm。3.3.2 电机功率选择因为实验台采用两台电动机分别带动两个摘穗辊，所以每台电机最低输出功率达到0.625kW即可。普通电机在基频以下变频时是保持转矩不变，功率下降；功率下降基本与改变频率成正比（即与转速成正比）。所以电机额定功率应远大于0.625kW。根据机械设计手册提供的资料，拟选6级三相异步电动机，转数为960r/min 。所以当摘穗辊转速变为500r/min时，电动机转速应为500r/min，为保持电机输出扭拒不变，此时电机输出功率应达到0.625kW；当摘穗辊转速达到1200 r/min时，电机转速为额定转速（960r/min）。此时电机额定功率应为1.5 kW。因实验室现有两台6级三相异步电动机Y2112M6（功率为2.2kW）和Y2132S6（功率为3.0kW），考虑充分利用实验室设备、节约成本，实验台采用现有Y2112M6和Y2132S6两台电机。电机实际功率分别为：kW ；kW； 如表3-1 电机参数型 号额定功率kW满 载 时同步转速r.min-1转动惯量kg.m2重量kg额定电流A转速r.min-1效率%功率因数cosY112M-62.25.696080.50.7410000.0138453.3.3 结构设计与强度校核1、带传动设计普通V型带具有两侧与轮槽附着较好，当量摩擦因数较大，允许包角小，传动比较大，中心距较小，预紧力较小，传动功率大的特点，因此本设计采用普通V型带传动。具体计算内容如下：传动比i=计算设计功率：，由，故。带型选择：根据，初步选用A型。选取带轮基准直径dd1和dd2，取dd190mm由查表有，取。验算带速v：，在5m/s25m/s范围内，合适。确定中心距a和基准长度：初选中心距，符合。即：；带长：对A型带选用基准长度，然后计算实际中心距：这里取。小带轮包角：。确定带的根数Z：由i=1.25，得，因，查得；因，查得；带的根数：；考虑到试验摘辊输入功率是正常工作的2倍，所以取。确定初拉力：单根普通V型带的初拉力为：。计算压轴力：压轴力：。2、带轮设计在无特殊要求情况下带轮材料通常选用灰铸铁（HT150，HT200），因带轮承载能力小，故采用普通A型实心轮设计。3、轮与轴采用普通平键连接根据机械设计手册普通平键连接得挤压强度条件：(MPa)式中：T传递的转矩，Nmm；D轴的直径，mm；K键与轮槽的接触高度，mm；H键的高度，mm, h=2k；键的工作长度，mm,(A型,C型)；B键的宽度，mm；许用挤压应力，MPa，查表有铸铁键在轻微冲击下=40 MPa。由键的剪切强度理论有：（MPa）,查表有MPa。（1）电动机Y2132S6与带轮采用C型普通平键联接按一般键连接查手册有，L=50；由挤压强度条件：，即。由剪切强度条件：，即。（2）电动机Y2112M6与带轮采用C型普通平键联接按一般键连接查手册有,L=40；由挤压强度条件：，即。由剪切强度条件：，即。（3）带轮与传动轴采用C型普通平键联接按一般键连接查手册有,L=40；由挤压强度条件，即。由剪切强度条件：，即。（4）联轴器与传动轴之间采用C型普通平键联接按一般键连接查手册有,L=25；由挤压强度条件，即。由剪切强度条件：，即。4、轴设计按经验公式初步估算轴径：；选择45钢，则有；每加一个键槽d值应曾大5，设计最小轴径25mm。选择轴的材料为45钢，根据初步确定的轴上各部分尺寸和结构绘制空间受力简图，将简化到轴上的力分解成水平力和垂直力，求出轴承处的支持反力；绘出弯矩图、转矩图，计算当量弯矩；判断危险剖面，按弯扭组合理论对轴的危险剖面进行校核。（1）对传动轴1进行强度校核。由带轮的设计求得，带轮的压轴力：，这里取。收摘玉米时摘辊轴所受的铅直拉力按计算，此时转矩：。求支座反力在铅直面内有：,则；,；。做弯矩图在铅直面内B点有：；在C点有：。画扭矩图。(a)结构简图 (b)受力分析 (c)水平面受力 (d)水平面垮距图(e)转距图 图3-3传动轴1载荷分析按轴的弯扭组合强度校核因轴单向工作，考虑到该轴无规律加载且有冲击，取。查表得：=55Mpa,根据公式，安全。（2）对传动轴2进行强度校核由带轮的设计求得，带轮的压轴力：，这里取，计算转矩。求支座反力在铅直面内有：,则；,，。做弯矩图铅直面内B点有：(a)结构草图 (b)受力简图 (c)水平面受力 (d)水平面弯距图 (e) 转距图 图3-4传动轴二载荷分析图画扭矩图按轴的弯扭组合强度校核该轴单向工作，考虑到该轴无规律加载且有冲击，取。查表得：=55Mpa,根据公式，即：安全。（3）对传动轴3进行强度校核此轴只受摘穗辊的铅直拉力，计算转矩：。求支座反力在铅直面内有：,则；,，做弯矩图铅直面内B点有：。画扭矩图按轴的弯扭组合强度校核因轴单向工作，考虑到该轴无规律加载且有冲击，取。查表得=55Mpa,根据公式，即：安全。(a)结构草图 (b)受力简图 (c)水平受力 (d)水平面弯距图 (e)转距图 图35传动轴3载荷分析图图3-5传动轴三载荷分析图5、轴承选择及校核考虑到总体结构及布局的影响选择带菱形座外球面球轴承（带顶丝），带座轴承代号UCFLU205。由轴的设计计算知实验台轴承仅承受径向力，所以轴承的当量动载荷,在这里取R的最大值，即。用公式h进行计算。由于此试验设备工作温度不高于，所以这里。查机械设计手册有；则h，故205轴承适用。6、联轴器的选择实验台需要装配扭拒传感器。为降低干扰弯拒对传感器的影响，需要采用挠性、弹性或万向节联轴器，保证同心度0.1mm。而LT型联轴器具有定量补偿两轴相对偏移，一般减振、缓冲、电绝缘，外形尺寸较小，重量较轻，承载能力较大，安装精度高等优点，所以本实验台选用LT3型联轴器。7、控制系统设计两台电机购买相同型号的电缆，规格为42.5mm2，考虑安装位置L=20m。变频器选用台达电器生产的产品。由于该系列变频器没有3.0kW的型号，故选择使用3.7kW的变频器，具体型号为VFD037M43A和VFD022M21A两台。主回路上还安装了空气开关和交流接触器等；变频接线、定时器配线及手动正反转转换开关等见二次接线图。配电控制箱采用与主机分离设置。8、机架采用焊接工艺由于机架材料为低碳纲，具有良好的可焊性，且单件生产，所以选用E4303(J422)焊条，进行手弧焊。焊缝应平整，不允许有裂纹、夹渣、烧穿、脱焊及影响机械强度的焊接缺陷。3.4设备实物图3-6 纵卧辊式玉米摘穗实验台设计的纵卧辊式玉米摘穗试验台外观见图3-6。3.5本章小节 本章根据棕卧辊式玉米收获机摘穗啃伤等问题，进行了研究设计。并且提出了相应的方案来解决以上问题。第4章 展望玉米机收是一个系统的工程，不但与玉米收获机的工作性能有关，而且与玉米种植情况、经济发展、国家政策等也有直接的关系。仅玉米收获机本身也存在许多影响玉米收获质量的因素，如收获机类型、摘穗器种类、机具功率等。本论文工作只对卧辊式玉米收获机的工作性能进行了田间试验。在实验台实验方面也只考察了摘穗辊形式、转速、摘辊倾角、摘辊轴竖直间隙对果穗啃伤的影响。然而实际中为了改进玉米收获机工作性能，还需要做许多工作。例如：（1）对不同摘穗器的玉米收获机进行田间试验，考察各种摘穗器对玉米摘穗啃伤的影响，同时考察各种摘穗器的综合性能。（2）对不同玉米产区收获期籽粒含水率、植株特征进行深入探讨，并针对不同玉米产区具体情况进行收获机的改进设计。（3）尝试用其他摘穗方式避免辊式摘穗机构的摘穗啃伤问题。（4）将改进后的摘穗辊进行田间试验，考察其田间应用效果。（5）对螺旋凸棱式摘穗辊的具体参数（摘穗辊根圆直径、凸棱高、螺距等）进行进一步探讨，降低摘穗啃伤程度。（6）对纵卧辊式玉米收获机整机结构进行优化，减小割台尺寸，使其更具灵活性。（7）采用仿生技术对摘穗辊凸棱形状、尺寸及分布形式进行减小