4UT2型马铃薯收获机起获与分离部分设计

题 目：4UT_2型马铃薯收获机起获与分离部分设计毕 业 论 文（设 计）用 纸毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它摘 要近年来，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。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。马铃薯收获是一项非常繁重的工作，尤其是马铃薯的分离更是一项繁琐的工作。为了减轻农民的劳动强度，节约时间，通过对国内外马铃薯收获机械的研究和讨论，对比他们的结构和工作特点的基础上确定了一种新型马铃薯联合收获机械的起获与分离设计方案。目前，国内马铃薯联合收获机械研究还比较少，与国外先进的联合收获机械还有很大的差距。改进后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。新型的马铃薯收获机的挖掘部件采用鸭掌铲，其挖净宽达99.8%上。关键词 马铃薯；联合收获机；挖掘；分离装置。佳木斯大学教务处 第 V 页毕 业 论 文（设 计）用 纸AbstractIn 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. Potato harvest is a very heavy work, especially the potato separation is a tedious work. In order to reduce the labor intensity and save time, designer determined a new dig and separate part of potatoes united harvest machine, through research and discussion on the potatoes harvest machinery in abroad and home , contrast of their structure and characteristics .Recently,the study of potato harvester is little in domestic,there is large gap between home and the international. 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 digging part of new potato harvester is a shovel like the duck palm ,which can dig 99.8 percen of the potatoes.Keywords potato;combine harvester; dig; separating device.毕 业 论 文（设 计）用 纸目 录摘 要IAbstractII第 1 章绪论11.1马铃薯种植概况11.2马铃薯的价值21.2.1马铃薯的营养价值21.2.2马铃薯的工业价值21.2.3课题研究背景21.3马铃薯收获机概述31.3.1国外马铃薯收获机发展历史31.3.2国内马铃薯收获机发展历史51.4本课题研究的意义、 内容及方法71.4.1研究意义71.4.2研究内容81.4.3研究方法9第 2 章挖掘部件的设计102.1挖掘铲的设计要求102.2挖掘铲的设计102.2.1铲体总宽度112.2.2铲刃夹角112.2.3铲面倾角122.2.4铲体总长度14第 3 章喂入轮与拨土轮的设计173.1喂入轮的设计173.2拨土轮的设计18第 4 章分离装置的设计214.1分离装置的选型214.2分离装置的结构设计24第 5 章旋齿分离器运动分析285.1问题的提出285.2整机结构及工作过程285.3旋齿分离器的运动分析295.4公式的验证和问题的讨论33第 6 章结论与建议356.1结论356.2建议36参考文献37致 谢39附录140附录244佳木斯大学教务处 第 49 页毕 业 论 文（设 计）用 纸第 1 章 绪论1.1 马铃薯种植概况 马铃薯原产于南美洲的安第斯山，17 世纪由荷兰人带到我国台湾。它是重要的粮菜兼用和工业原料作物。 目前， 全世界主要种植马铃薯的国家有 148 个，总面积达 1838 万 hm2，总产量 3 亿 t。近年来，种植业结构调整、马铃薯加工业的蓬勃发展、西式快餐大量兴起、方便食品的不断涌现、加工产品的大量开发以及经济效益的提高，极大地调动了农民种植积极性。我国马铃薯种植面积以 10 万 hmm2/年的增长速度逐年增加，2001 年达到 472 万 hm2，产量居世界第 1 位；2003 年，黑龙江省种植面积 60万 hm2， 产量达到 960 万 t。 所以从机械化角度来看，马铃薯种植和收获机械蕴涵着巨大的商机。 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hm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hm，总产为3.1亿t，平均单产16t/hm。近年来，世界马铃薯的种植面积一直保持在2000万hm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。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hm2。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。1.2 马铃薯的价值马铃薯不仅具有很高的营养价值，而且还在工业上有着广泛的应用。1.2.1 马铃薯的营养价值 马铃薯是全球继小麦、水稻、玉米之后的第四大粮食作物，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；其他矿物质含量是苹果的10倍以上。因此，在日常生活中，以马铃薯为原料的食品已经成为时尚。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”。1.2.2 马铃薯的工业价值 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，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。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。1.2.3 课题研究背景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，尤其是马铃薯联合收获机的挖掘与分离部分的设计，一直是这一课题中的关键部分，也是整个课题的当头难题。本文也就这一难题，设计出了一种新型马铃薯收获机的挖掘与分离系统。1.3 马铃薯收获机概述马铃薯生产机械化难点在于收获，特别面对农村以小型拖拉机为主的动力现状，使收获机械的发展难度增加，有不少尚待解决的问题。马铃薯的收获工作主要包括以下几个方面的内容：1挖掘泥土；2将疏松的泥土 小土块 石块等从薯块中分离出去；3除掉地面上的茎与杂草；4将薯块进行分级及装载等。除了带有剔选工作台的联合收割机外，分级工作一般不在田间进行。按工艺过程完成的程度，马铃薯收获机械可分为：简单挖掘机、马铃薯挖掘机和马铃薯联合收获机。随着马铃薯栽培技术的推广和种植规模的扩大，促进了相关机械的发展，包括马铃薯收获机械的发展。1.3.1 国外马铃薯收获机发展历史马铃薯收获机作业的发展经历了手工收获，半机械化收获和联合收获三个阶段。在机械化收获机具中，又经历了挖掘犁，挖掘机和联合收获机的发展历程。目前，发达国家马铃薯的收获已经基本实现了联合作业，而发展中国家基本上还是采用挖掘犁和挖掘机进行收获作业。20世纪初，欧美国家首先出现了畜力牵引式挖掘机代替了传统的手工挖掘薯块的马铃薯收获形式，随后又改为拖拉机牵引或悬挂式。20年代末又相继出现了升运链式和抛掷轮式的马铃薯挖掘机。国外马铃薯机械化收获起步早、发展快、技术水平高。在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。从5060年代马铃薯收获机械在俄国（前苏联）、欧美等国开始大量的生产使用，70年代主要是研制大功率自走式根块作物联合收获机械。在这些机型中，有很多是由大功率的拖拉机变型而成，如荷兰在拖拉机的基础上按照甜菜联合收获机的原理制成的四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。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。观察国外马铃薯收获机械，挖掘机的生产和使用所占的比例趋于下降，而联合收获机得到了迅速的发展。目前，发达国家马铃薯的收获已经基本实现了联合作业。根据国家、收获地块类型不同可分为两种类型：第一类是以俄罗斯、美国等国生产的机型为代表，普遍采用大功率自走式联合收获机。如俄罗斯国家农机研究所生产联合体研制的KCK-4-1型KCK-4A-1型等机型；美国Loganfarm Equipment CO.LTD生产的W9032、W9034、W9038等四行收获机。它们的共同特点是一次完成切蔓、挖掘、分离、筛选、分级、提升、卸料等作业，但是体积较为庞大、显得有点笨重，而且消耗功率也大，仅适合在大面积的土地上使用，不适合中小地块。不过近年来欧美的马铃薯收获机仍然是以大功率宽幅机组为主，这些大型自走式收获机配套动力大，价格昂贵。第二类是以德国、意大利、挪威等国生产的机型为代表与中型拖拉机配套的牵引式马铃薯收获机。如挪威Kverneland NarboAS公司生产的UN2600型系列牵引式两行马铃薯收获机，技术先进，集机械、液压、电控为一体。德国“嘉博曼”公司生产的Pyra-2型2行马铃薯联合收获机，该机装有装卸输送带、茎叶拔除辊、万向轴、照明设备，挖掘器还装有转向轴和压缩空气装置，其配套动力为60KW，如图1-1所示。意大利思培多公司生产的Cpp-BD-150/S型系列悬挂式收获机，可一次完成马铃薯挖掘、分离和铺放作业。德国格瑞莫（GRIMME）公司生产的GT170马铃薯挖掘机采用液压仿行轮，实现挖掘深度可随地面仿行性。意大利生产的SP100机型为小型垄作收获机械。如图1-2所示比利时“迪沃夫”公司生产的马铃薯收获机，它具有速度快，效果好，能将挖、筛、选同时操作等优点。在亚洲生产马铃薯收获机械的国家很少，并且相对起步也比较晚，但是发展速度还比较快，尤其是近几年韩国和日本生产了部分小型马铃薯挖掘机。如韩国高山机械公司生产的小型的单行和双行马铃薯、地瓜挖掘机，相对比较适合中小地块。由此可见，国外一些马铃薯收获机械不但生产率高而且还将高新技术融于农具之中，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。1.3.2 国内马铃薯收获机发展历史我国在马铃薯收获机械研制方面处在一个相对落后薄弱的状况，用于机械化收获的面积不足1%，繁重落后的体力劳动仍然是马铃薯收获和的主要方式。解放初期，我国收获马铃薯主要采用人工刨或旧犁挖掘的落后方式。在20世纪60年代初期，有关农机部门开始了研制工作，引进了西德VR-2、波兰RCE-2、英国Johson、瑞士Samro Junior和前苏联的KTH-2型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。直到20世纪70年代中期，由于手扶拖拉机的大量推广应用，国内又掀起了为手扶拖拉机配套的马铃薯收获机的研制高潮，成功研制了鼠笼式马铃薯收获机，但受当时的配套动力限制，未能生产和推广。后来，最有代表性的是内蒙古农机所研制的与40.4KW拖拉机配套的4U-1型马铃薯集条收获机，进行了小批量生产。20世纪80年代在北京举办的12国农机展览会上，我们国家还引进了不少国外马铃薯机具厂商参展。其中有西德哈格多思农机有限公司生产的集条收获机。瑞士生产的装袋收获机，集堆收获机，日本东洋农机株式会社生产的TPO-2型集条收获机，法国英罗公司生产的M112型集条收获机。其中大型机具的配套动力在30KW以上，中型机具的配套动力在22-30KW，小型机具的配套动力在15KW。1985年，中国农机院为了提高马铃薯收获机械的设计水平，掌握国外先进技术，特派遣本院工程技术人员赴西德马铃薯机具研制生产公司实习马铃薯收获机械，了解了西德马铃薯机械化种植和收获技术，掌握了一些技术要点并达成了合作意向。到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，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，以及新型农用液压式挖掘机，操作简单、性能可靠、实用性强。由此看来，我国对马铃薯收获机械的研制起步较晚，发展也相对缓慢，目前国内机型以小型、配套动力小，结构简单、轻便为主，处于中小型悬挂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。且马铃薯收获机械的研制大都根据经验设计，没有精确的理论和先进的研究手段为基础，因而在实地作业中也存在着一定的问题，如对我国不同地区的耕地条件、农艺要求适应性差；壅土阻塞；分离效果不好，明薯率较低；马铃薯损伤较重，尤其是薯皮损伤较重；在杂草或秧叶还未枯萎的田地进行作业时，部分机型堵塞现象比较严重，直接影响机器的正常工作；个别机型设计原理不够合理，结构松散，使用寿命短等。图1-3 4U-2马铃薯收获机 图1-4 1700型马铃薯收获机Fig.1-3 4U-2 potato harvester Fig.1-4 1700 potato harvester 近年来针对以上不足，和马铃薯生产现状的迫切需要，国内先后有多家科研单位和企业研制马铃薯收获机。如现代农装科技股份有限公司研制的4SW2型马铃薯挖掘机，又如河北围场农机研究所研制的4VM-1A型、4VM-2A型的马铃薯挖掘机，黑龙江齐齐哈尔建新厂研制的4U-2牵引式马铃薯收获机，如图1-3所示，西安圣农农业机械有限责任公司研制的4U-1型马铃薯收获机，内蒙古包头市农机所研制的4U-12.5型大型马铃薯收获机，黑龙江生产的4S00-1.2型中型马铃薯收获机等。这其中最有代表性的是内蒙古农业大学研制的4SW-40型、4SW-60型马铃薯挖掘机和内蒙古呼和浩特市得力新技术设备厂生产的4ULDX-1500型马铃薯收获机。4SW-40型、4SW-60型马铃薯挖掘机，它们分别与2530马力和3040马力拖拉机配套，主要适合于平作或垅作种植的马铃薯挖掘，可一次完成挖掘、薯块分离与铺条等联合作业，具有结构轻巧、工作稳定、挖掘薯块完好、摆放整齐、使用可靠、生产效率高等优点，特别是收获垄上的种植马铃薯更能显示其优越性。4ULDX-1500型马铃薯收获机配有两种传动链轮，使栅条输送带实现高低两种运行速度，适宜不同土质地块上作业；两侧不设切土圆盘，避免机具进行不对垄作业时严重破碎土豆现象；两侧设有分薯板，可将土豆推向侧边，避免压损。该机具有在湿润、干旱和多石地块实现平作、垄作作业功能。此外，中国农机化科学研究院在吸收国外先进技术的基础上还优化设计了两种新型马铃薯联合收割机，一种是背负式联合收割4UL-1型、一种是拖拉机后悬挂式4UW-120型。代表机型还有“十五”国家科技攻关项目科研成果，中农机美诺系列1700型马铃薯收获机，它结束了国内没有大型马铃薯挖掘机的时代，该机可以一次性完成镇压、挖掘、输送分离、除秧、侧输出等作业，如图1-4所示。 1.4 本课题研究的意义、 内容及方法1.4.1 研究意义 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。本课题的研究意义具体体现在以下几个方面：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。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8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。1.4.2 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、集装等为一体的联合作业机械，该机采用了新型的分离装置进行土薯分离，完成分离后可将薯块通过输送装置输送到机械尾部，然后是薯块覆盖在土壤的表面。本文主要对4TU-2型马铃薯联合收获机的起获与分离系统进行研究，并对该机挖掘与旋齿的主要部件和机构进行系统地设计计算和理论探讨。国内外关于谷物联合收获机械输送系统的研究比较成熟，但是关于马铃薯联合收获机械中的分离系统的精确理论分析和计算还比较欠缺。因此，针对以上问题，必须在薯块挖掘与分离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。其主要内容概括如下：1)在满足马铃薯收获农艺条件的前提下，研究并确定该机挖掘与分离系统各机构的主要参数。2)研究并确定挖掘与分离各组成部分的结构，并对其进行理论分析，使其结构、性能达到最佳。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。4) 用AUTO-CAD画出各个组成部分的零件图纸。1.4.3 研究方法1)通过到我省马铃薯种植地进行实地考察，查阅大量的文献资料，吸收并借鉴国内外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起获与分离输送系统的主要参数。2) 对起获与分离主要机构进行设计，并分析确定主要参数。3）运用CAD软件对主要机构进行二维绘图4）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 结构优化 改进 完善设计第 2 章 挖掘部件的设计2.1 挖掘铲的设计要求马铃薯挖掘铲的主要功用在于掘出薯块并将薯块输送给抖动分离装置，且尽量减少进入机具的泥土量和能量消耗，同时还要防止挖掘铲缠草和奎土，要在不同的上壤条件和湿度下，圆满的完成这一任务或与挖掘铲有关的各项任务是非常困难的，因此对挖掘铲的要求是:(1)将所有薯块挖出，保证挖净;(2)进入机器的土壤量应尽可能少;(3)尽可能使土壤松碎并顺利地将掘起物输送到抖动分离装置;(4)在克服各种阻力时使消耗能量最少，防止缠草和雍上。为了满足以上要求，该机选用了组合式挖掘铲，主要由二阶平面铲、铲架组成。2.2 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。 图2-1挖掘铲受力特性组合式挖掘铲的铲面由二阶平面铲组成，挖掘铲刚性地固定在铲架上，各铲之间留有滑草间隙。挖掘铲的主要参数有:铲体宽度B，铲刃夹角e、铲面倾角Q、铲体长度L，挖掘铲受力特性如图2-1所示。2.2.1 铲体总宽度 挖掘铲的宽度首先要适应薯块分布宽度，保证挖净，同时尽可能少的从行间挖掘起过多土壤，因此在设计中要考虑马铃薯在田间生长的分布宽度及其行距，同时还要考虑收获机前进时，挖掘铲偏离薯块的集结幅度，根据马铃薯栽培学和实际调查提供的数据表明，我国大部分马铃薯品种结薯集中，行距50一70cm，垄宽40一50cm，薯块分布的平均宽度为3040cm，因该机挖掘行数为2行，综合考虑以上因素，确定铲体总宽度为B=120cm(单铲宽度为60cm)。2.2.2 铲刃夹角 选择挖掘铲刃夹角的值时，必须考虑杂草和茎秆都能滑离铲刃，使茎秆滑离刃口的受力如图2-1所示，它必须满足下列不等式: (2一1)式中 茎秆作用于铲刃的摩擦力(N)作用于铲刃的法向压力(N)茎秆对钢的摩擦系数，=tg从图中得到下列不等式: (2一2)作用于铲刃的阻力(N)铲刃张角的大小必须使茎秆和杂草能够沿刃口滑移，角过大，茎秆和杂草不能被切断，会引起铲前堵塞;但角减小时，要达到同样的挖掘宽度，则必须增加铲的长度，这样就会增大工作阻力。因此，在土壤湿度大或杂草多的条件下作业，其角应取小些，据试验表明，挖掘铲的铲刃张角在80-120范围内较适宜，当角大于120后，茎秆和杂草不易与铲刃形成滑移现象，因而容易引起堵塞，摩擦角=40-42 (摩擦系数为0.85一0.9)，如果茎秆和杂草能够滑移铲刃，土壤一定能够滑移铲刃，因为土壤与钢的摩擦角小于茎秆与钢的摩擦角，因此该挖掘铲铲刃夹角=96。2.2.3 铲面倾角 铲面倾角Q和挖掘铲的长度L可由图3.1求出，根据受力图分析可得方程式: （2-3） (2-4) (2-5)P挖掘铲移动时掘起物所需的力(N);G铲面上掘起物的重力(N);F土壤对铲的摩擦力(N);N挖掘铲对土壤的反作用力(N);p土壤对挖掘铲的摩擦系数，土壤对钢的摩擦系数为:0.577一0.721，p=tan，摩擦角=30-36将(2一3)(2一4)(2一5)三式联立可求得: (2一6) (2一7) 挖掘铲的工作阻力不仅是由掘起的土壤沿着挖掘铲面移动而产生的，而且也是由切割土壤而造成的。铲刃切割土壤所需要的力: ( 2一8)铲体受到总阻力可以用下面的关系式来表达: (2一9)其中:K挖掘垄沟的比阻系数()，见表2-1A铲起来垄台的横截面积()表2-1马铃薯挖掘铲挖掘薯垄时的比阻系数 挖掘比阻系数数土壤性质质比阻最小值(N/时)比阻最大值(N/扩)轻质土壤16000002000000中等轻质土壤20000002400000中等坚实土壤24000003000000 据资料介绍，当铲面上掘起物横断面积A为0.041一0.052，在轻质土壤里=150，摩擦角=36。时，沿挖掘铲铲面移动土壤层重量G为314-405N，移动阻力P为394500N，挖掘切割力为650一930N，则挖掘总阻力R的大小为:1044-1430N，在较困难的情况下，R值可以等于甚至超过3150N。取挖掘深度h为1518cm，铲面倾角a=15。，摩擦角=36。时，计算铲的总阻力为1930-2218N，根据以上分析，4UT一2型马铃薯挖掘机挖掘铲工作总阻力不会超过6500N。如果大于式(2一6)中的值，掘起物就会拥在挖掘铲上并会带着马铃薯从旁边散落，在此种情况下应在挖掘铲两侧装上适当的挡板或改型为槽形铲。实际上，角随挖掘铲需要提升物的高度h和对松碎土壤的要求而定，h的大小因铲后适用的分离装置种类而异。一般角增大，利于碎土，但阻力增加，当=25时，中等坚实土壤就会出现相当大的奎土。因而当h保持不变而角减小的情况下，挖掘铲的长度势必会加长，这样同样也会引起阻力的增加，由此可见，角值越大，挖掘铲的总长度就越短。该马铃薯联合收获机配套牵引力选40.5一50KW拖拉机，因工作速度越大，生产率理论上应该是越高，但是由于挖掘阻力随工作速度的增加而增大，造成上壤的破碎不彻底，影响土薯分离;工作速度太低，生产率太低，影响马铃薯的适时收获，从而工作速度应当有一个合适的范围。根据图2-1，因C点的位置距离沟底稍大于挖掘深度(14一20cm)，综合以上因素取该马铃薯收获机铲面倾角=170, =20。，在二阶平面铲的折弯点B处，掘起物下层土壤被折弯，有利于碎土作用。2.2.4 铲体总长度 挖掘铲铲体长度与铲面倾角a的关系如图2-1，因C点的位置距离沟底稍大于挖掘深度h(1420cm)，一阶平面段长度、二阶平面段长度，其总长度L与倾角的关系式如下: (2一10) 根据公式(2一10)及参考同类挖掘铲的长度，取L=40cm。保证挖进的土壤和马铃薯不会从两边滑落，需在挖掘铲的两侧加设挡板，挡板为平行四边形，焊接在机架上。图2-2挖掘铲结构图经过以上参数的分析确定，运用AUTOCAD软件将中间铲和左右铲的二维视图绘制出来了（如下图所示）。 图2-3 中间铲展开图 图2-4 右侧铲 图2-5 左侧铲第 3 章 喂入轮与拨土轮的设计拨土轮、喂入轮在整机结构中属于辅助装置，他们的主要作用是把挖掘铲挖出的薯块与土壤送入旋齿分离机构，进而把薯块与土壤分离开来。3.1 喂入轮的设计喂入轮主要由喂入轮拨土板、喂入轮幅板、喂入轮轴组成。经过分析该机构与整机的协调性，确定了每个零件的参数与尺寸，并运用CAD软件绘制出来了他们的二维图形（如下图所示）。 图3-1 喂入轮拨土板 图3-2 喂入轮幅板 图3-3 喂入轮轴焊合 喂入轮的组装图3-4所示。 图3-4 喂入轮组装焊合 3.2 拨土轮的设计拨土轮主要由拨土轮拨土板、拨土轮辅板、拨土轮轴组成。经过分析该机构与整机的协调性，确定了每个零件的参数与尺寸，并运用CAD软件绘制出来了他们的二维图形（如下图所示）。 图3-5 拨土轮拨土板 图3-6 拨土轮辅板拨土轮的焊合图如图3-7所示：图3-7 拨土轮焊合拨土轮的整个装配图如图3-8你所示： 图3-8 拨土轮的装配图第 4 章 分离装置的设计4.1 分离装置的选型马铃薯分离装置主要是将挖掘铲送来的薯土混合物进行分离。据统计单行马铃薯联收获机械进行收获作业时，每米的长度内进入到挖掘铲上的土壤和薯块的重力约为100其中76%80%的土壤要求在分离器上分离，因此分离器的工作负荷大，工作条件也相比较复杂。目前马铃薯收获机械上用的分离装置种类比较多，主要有抖动链式、筛式弧形拨齿式几种，它们除了分离作用外还起着输送作用。 图4-1抖动链式分离装置结构简图1.从动轮2.抖动轮3.链条4.主动轮抖动链式是目前马铃薯收获机械普遍采用的一种分离装置，它由杆条，连接杆条链子、主动轮、抖动轮、从动轮组成，其结构简图如图4-1所示。这种分离装置主要是过链条抖动和薯块及其夹杂物的几何尺寸不同而行分离，在分离的过程中小夹杂物、动后的碎土块将从抖动链的杆条空隙中漏下，薯块将被输送至后续的装置。国内外的中型收获机械一般采用多级升运链分离机构，国内的小型马铃薯联合收获机也有使用升链作为分离输送部件的，但一般为单级升运链。薯块和土壤混合物被挖掘铲挖出后进入升运链的前端，随着升运链的运动被输送到升运链的后端，在整个输送过程中链条的振和抖动作用，使薯块和土壤混合物碎裂，碎裂后的小土块和土壤颗粒通过升运链的空隙到地面，从而完成薯块和土壤的分离。为了加强升运链条的薯土分离效果，在链条上加抖动轮来加强升运链的振动，从而加强升运链对薯土混合物的破碎作用，提高筛分效果。升运链式薯土分离机构在砂性土壤中工作良好，但是在相对有点粘性的土壤中工作状况是很理想。同时马铃薯联合收获机械由于其纵向尺寸的限制，使升运链的设计长度也受制，这样升运链长度就直接影响了薯土分离效果。再说，如果使用抖动作用过强的抖动会影响到薯土混合物的输送，同时薯块也容易受到损伤。筛式分离装置主要应用在小型马铃薯收获机械上，其主要形式为摆动筛式和滚筒筛分离机构。摆动筛式分离机构主要通过摆动筛的摆动、抛掷作用实现分离目的，它的分能力比抖动链式强，它不仅能够筛分土壤，而且还能把筛面上的混合物向上输送。但是于自身的结构，它的缺点是：筛子做往复摆动时产生的惯性力得不到平衡，对机架产生击力，因此要求机架的强度相对比较高；在分离的过程中容易堵塞筛孔；为了追求更好分离效果，需要加大摆动筛的摆动幅度，可是摆动过程中的振动和抛掷容易造成薯块的伤，所以摆动幅度和频率不能过大，因而限制了作业效率。滚筒筛式分离机构一般作为后续分离输送部件应用在单行马铃薯收获机械上，它在离的过程中通过筛内表面上装有的叶片，在分离的同时提升薯块。它具有坚固耐用、使可靠性好、能量消耗小、没有不平衡惯性力的优点；但分离性能差，金属用量大，在重土壤或土壤含水量较大时容易粘土、堵塞。抖动链式和摆动筛式分离机构相比，滚筒筛分离能力较差，对于带内螺旋的滚筒筛可以过提高滚筒的转速来提高分离能力，但由于速越高，薯块离开分离筛时的速度也越大，抛起的高度也更高,就会造成落地时薯块损率提高。弧形拨齿式分离装置是针对抖动杆条升链式和筛式薯土混合物分离机构在小型马铃联合收获机械中和粘性土壤中工作的缺陷，中国农业大学的研究生赵硕最新设计出来的它也可以单独应用在马铃薯挖掘机中。这种分离装置主要由弧齿、连接杆、和转动轴组其单个机构结构简图如图4-2所示。随着挖掘铲的前进，拨齿处于不断的拨动状态，它拨动加快了土壤的破碎，并使土壤通过拨齿的缝隙掉落到地面，同时薯块被拨动到后面拨齿上，最后通过拨齿抛出，掉落地面或被后续装置进行输送。采用弧形拨齿式分离装在拨齿的破碎、拨动、抛掷作用下，能够使土块更好的破碎，薯土分离的效率和效果也到提高。与此同时，在拨齿拨动、抛掷的过程中还会使薯块与土壤产生摩擦，使附着在面的土壤得到清理。图4-2弧形拨齿分离机构简图1. 弧形拨齿2.连接杆3.空轴 综上所述，进行综合对比分析可以得出，弧形拨齿式分离装置结构简单，分离效果克服了抖动链式和筛式分离装置在小型马铃薯联合收获机械和中粘性土壤中使用的限制。所以，最后设计的马铃薯联合收获机的分离装置是比这种新型分离装置分离效果更好的旋齿分离机构，如图4-3所示。图4-3 旋齿分离示意图4.2 分离装置的结构设计旋齿设计参数主要为旋齿的半径、旋齿展开的总长度，旋齿半径为83mm,旋齿展开总长度为383mm。其设计意图如图3-4所示。 图4-4 旋齿结构示意图旋齿分离装置主要有旋齿、旋齿轴、耳座组成。耳座的作用是连接旋齿与旋齿轴，是二者能够很好的结合在一起。耳座有两种类型，它们的结构示意图如图4-5和4-6所示： 图4-5 耳座1 图4-6 耳座2 旋齿分离装置共有3组。旋齿轴焊合3组，旋齿装配3组。他们的二维视图我已经用CAD软件绘制出来了。如下图所示： 首先是旋齿轴焊合3组： 图4-7 第一组旋齿轴焊合 图4-8 第二组旋齿轴焊合 图4-9 第三组旋齿轴焊合然后是旋齿总体装配三组：二维视图如下图所示： 图4-10 第一组旋齿装配图4-11 第二组旋齿装配 图4-12 第三组旋齿装配第 5 章 旋齿分离器运动分析5.1 问题的提出马铃薯在我国北方种植面积较大，收获占用劳力较多，而且与大田收获争劳力，人工收获损失大.我国尚无理想的马铃薯收获机械，目前应用的大都是三十年代的机型.其挖掘部件采用三角铲，分离部分采用抖动链式，整机笨重，工作效果不佳.为进一步解决这一问题，经过两年的马铃薯收获机试验研究，研制成丁4UT一2型马铃薯收获机。新型的4UT一2型马铃薯收获机的挖掘部件采用鸭掌铲，其挖净宽达99.8%上.以分离机构采用旋齿分离器，旋齿分离机构与抖动链式比较有突出的优点，为了给结构设计提供依据，本章对分离器各参数之间的关系进行理论探讨。5.2 整机结构及工作过程该机由拖拉机牵引，通过拖拉机功力轮出轴、伸缩万向节和减速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位，中间旋齿通过齿轮再传动其它各旋齿，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，各组旋齿相位差为，齿距为18mm。图5-1 4UT-2结构示意图4UT-2型马铃薯收获机结构如图5-1所示：1、仿形轮 2、鸭掌铲 3、拨土轮 4、变速箱 5、喂入轮 6、旋齿分离器 7、升运链 8、行走轮 9、署箱机器的起落由拖拉机的液压悬挂装置控制，开始时液压悬挂架处于浮动位置，通过调节仿形轮的高低位置控制挖掘铲的入土深度.工作时，薯块与土壤沿挖掘铲上升并向后移动，借助于拨土轮、喂入轮的作用，送入旋齿分离机构，在旋齿的作用下，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，由升运链送进薯箱，然后靠其重量自动放堆.。5.3 旋齿分离器的运动分析旋齿式分离器工作时.由于旋齿的回转运动使薯块产生离心力而被抛离旋齿，土壤受到旋齿的打击和剪切作用破碎后落至地面，从而达到薯块与土壤分离的目的.薯块在旋齿分离器匕的受力情况如图5-2(a)所示。分离器与水平面的倾斜角为，和:分别为旋齿l和旋齿2的轴心，旋齿的最大半径为r，旋齿上任点一点的运劝轨迹是圆。假设薯块在旋齿最人半径处被抛起，薯块所受到的作用力有:重力mg、法向反力Fn、离心力和摩拣力。若以旋齿最大半径平行于旋齿轴心联线为转角的起始位置，则反力F可表示为：当Fn0时薯块被抛离旋齿，即:薯块抛离旋齿的条件为: 图5-2 旋齿上薯块的运动 为了使薯块能沿旋齿向后运动，当薯块被旋齿1抛起后，应使其速度方向向后落至咬齿2上，即薯块抛离旋齿1时的速度方向与水平面的夹角应小于，见图5-2（b）。由于，薯块向后运动的极限条件为=，即由于 所以 为深证薯块向后运动，旋齿的运动参数必须大于，或者是分离器和水平面的倾斜角。 为了分析薯块在旋齿分离器上的运动情况，作如下假设:1、薯块在旋齿最大半径处完全抛离旋齿，2、薯块与旋齿之间无相对滑动，3、薯块落到旋齿上即获得与旋齿相同的速度. 图 5-3 薯块抛扔情况 如图5-3所示，取坐标xoy，以旋齿最大半径平行于旋齿轴心联线为起始位置.则旋齿任意一点的运动方程式为： （1）式中 一旋齿角速度 一旋齿最大半径 一机器前进速度 一旋齿分离器倾角其速度方程式为: （2）为了减少薯块运动过程中的碰撞而产生碰伤和破碎，要求薯块在旋齿上做平抛运动，这样也可以使土壤在旋齿上的分离时间增长，提高土壤的分离能力.为了达到上述要求，应使薯块在旋齿转到最高点1处