硕士学位论文4U–1400FD型马铃薯联合收获机分级装袋装置及机架的研究与设计

分类号 密 级 U D C 单位代码 10733 甘肃农业大学学 位 论 文4U1400FD型马铃薯联合收获机分级装袋装置及机架的研究与设计Research and design of grading and bagging device and the fame of 4U-1400FD potato combine harvester指导教师姓名 （甘肃农业大学工学院 兰州 730070） 学科专业名称 农业机械化工程 研究方向 农业工程技术与装备 申请学位级别 硕 士 论文提交日期 年 月 日 论文答辩日期 年 月 日 学位授予日期 年 月 日 答辩委员会主席 评 阅 人 2010年 6月 日分类号 密 级 U D C 单位代码 10733 甘肃农业大学（小初华文行楷）硕士学位论文（初号宋体加黑）中文题目（二号黑体）英文题目（16pt Time New Roman，Bold）作者姓名（二号华文行楷）（以下字体均为小四宋体）指导教师姓名 姓名 职称 （单位名称 单位所在城市 邮编） 学科专业名称 研 究 方 向 论文答辩日期 年 月 日 学位授予日期 年 月 答辩委员会主席 姓 名 职 称 评 阅 人 姓 名 职 称 姓 名 职 称 姓 名 职 称 年 月 日甘肃农业大学硕士论文 摘要我国是全世界马铃薯种植面积最大的国家，但马铃薯收获的机械化水平很低。近年来，马铃薯收获机的研制与推广有了较大发展，但大多属于中小型条铺式挖掘机，需人工捡拾薯块，必要时进行手工分级，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。为此，我们研制了一种4U-1400FD型分级装袋式马铃薯联合收获机。该机集薯块挖掘、土薯分离、薯秧分离、薯块分级、装袋于一体，可大幅度减轻人的劳动强度，减少人工耗费和商品薯的处理环节，显著提高生产效率，降低伤薯率。本文根据该机的功能和马铃薯联合收获及分级技术要求，运用三维建模软件Pro/E建立虚拟样机模型，主要对4U-1400FD型马铃薯联合收获机的分级装袋装置和机架进行系统研究与设计，包括分级装袋装置原理方案设计，分级装袋装置和机架结构方案设计,对主要零部件进行受力分析和强度校核，运用ANSYS有限元分析软件对分级链轮及机架进行受力分析，分析了收获机在以3km/h4.83km/h速度作业时机架的应力分布、最大应力及其产生部位。分析计算结果与样机试验结果表明，分级装袋装置原理与结构及机架结构设计合理；分级精度较高，工作良好；机架强度储备足够，工作安全可靠。用AutoCAD软件绘制了二维零部件图样。关键词：马铃薯；联合收获机；分级；装袋；机架；设计；有限元分析SummaryChina is largest country of growing potato in the world, However, the mechanization of potato harvest is in the low level. In recent years, the development and popularization of potato harvester has made great progress, but the most harvesters belong to section, the potato picked up by men, , graded by handwork when necessary, low productivity, large labor intension, and the overall low level of mechanization, seriously hinder the further development of the potato industry. So the 4U-1400FD potato harvester with a grading device was researched. This machine can complete potato digging, potato and soil separation, potato cleaning, grading and bagging process in one time, the labor intension of human can substantially reduce, labor cost and the processing sectors of commodity potato were reduced, the production efficiency was significantly improved and the ratio of the injured potato was reduced. According to the function of the machine and the technical requirements of potato harvester and classification, the virtual prototype model was established by using 3D modeling software Pro / E, the device of grading and bagging of 4U-1400FD potato harvester and the frame were mainly researched and designed, including the principle design of grading and bagging device, and the structure design of frame. The main components were analyzed and its intension was checked and the chain wheel and frame were analyzed with software ANSYS, the stress distribution，the maximum stress and the resulting parts were analyzed in the working speed of 3km/h to 4.83km / h. The calculation results and the prototype test results show that the design of the principle and structure of grading and bagging device and the structure of frame are reasonable; the grading accuracy is higher, work well; the strength reserves of the frame is adequate, and it can work safely and reliably. The software of AutoCAD was used to complete the component draft drawings of the machine.Key words: potato; combine harvester; grading; bagging; frame; design; ANSYS目录引言1第一章 绪论21.1马铃薯收获概况21.1.1 国外马铃薯收获机的发展概况21.1.2 国内马铃薯收获机的发展概况31.2 本课题研究意义61.3 本课题研究内容61.4 本课题研究方法71.5 技术路线8第二章 4U-1400FD型马铃薯联合收获机总体设计92.1 4U-1400FD型马铃薯联合收获机基本结构92.2 4U-1400FD型马铃薯联合收获机工作过程92.3 4U-1400FD型马铃薯联合收获机基本参数确定10第三章 4U-1400FD型马铃薯联合收获机分级装袋装置设计163.1 4U-1400FD型马铃薯联合收获机分级装置设计163.1.1 块茎物料分级方法概述163.1.2 马铃薯分级主要技术要求173.1.3 辊轴链板式分级装置工作原理173.1.4 主要参数确定183.2 主要零部件设计183.2.1 主动轴结构设计183.2.2 链及链轮结构设计213.2.3 分级辊轴结构设计263.2.4 从动轴结构设计263.3 辅助装置设计263.4 装袋装置设计27第四章 4U-1400FD型马铃薯联合收获机机架有限元分析284.1 机架总体结构分析的意义284.2 机架有限元模型的建立284.2.1 机架结构及模型建立284.2.2 网格化分294.3 加载并求解294.3.1 约束294.3.2 载荷294.3.3 求解314.4 有限元分析结果31第五章 Pro/E环境下虚拟模型的建立325.1 Pro/E简介335.2 三维实体建模34第六章 样机试验及效益评价366.1 样机初步试验366.2 经济、技术效益评价366.3 推广应用前景38第七章 结论和建议3971 结论3972 建议39致谢41参考文献42作者简介47导师简介48独创性声明49附录50IV甘肃农业大学硕士论文 引言 引言马铃薯是重要的粮菜兼用和工业原料作物，由于它耐旱、耐脊薄、高产稳定、适应性广、营养成份全和产业链长而受到全世界的高度重视1，它是继小麦、水稻和玉米之后的第四位重要粮食作物。根据联合国粮农组织最新统计，2006年全世界马铃薯种植面积为2000万hm，总产量为3.3亿吨，中国是马铃薯种植发展最快的国家之一，2006年全国马铃薯种植面积达到501.53万hm，占世界马铃薯种植面积的25%，亚洲的60%，是全世界马铃薯种植面积最大的国家，种植范围遍及全国2-4。但我国马铃薯机械化收获尚处于发展阶段，近年来我国马铃薯收获机有了较快发展，主要是中小型挖掘机，只能完成挖掘、分离、条铺等工序，还需要人工捡拾5-8，少数几种马铃薯联合收获机均属于侧臂输出式，适合大地块作业。根据我国大部分马铃薯种植区土地自然条件，装袋式马铃薯联合收获机更具有适用性。目前各种马铃薯挖掘机和联合收获机均无分级功能，分级一般都是人工完成或在特定场地通过专用分级机完成的，增加了商品薯的处理环节和对薯块的损伤，且效率较低。因此，结合我国国情，为了减少商品薯的处理环节，提高马铃薯收获的工作效率和劳动生产率,减轻农民的劳动强度，研究设计一种分级装袋式马铃薯联合收获机是非常必要的，具有重要意义9-10。 48甘肃农业大学硕士论文 第一章 绪论第一章 绪论1.1马铃薯收获概况在马铃薯生产中,难度最大的要属收获作业,且用工量约占生产总用工量的40%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。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。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，分离部分土块、作物残株和杂质，并将若干行薯块集铺成一个狭窄条铺。第二阶段包括从条铺捡拾薯块、最后清除泥土和杂质，并将干净的薯块收入薯箱；联合收获是先用除秧机割去茎叶，而后用联合收获机一次性挖掘薯块、分离土壤、输送薯块并进行集装。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，薯块损伤少，工作时动力及人工耗费少，与杂质(土块、石块)分离，适于在不同土壤条件下工作。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11-14。1.1.1 国外马铃薯收获机的发展概况国外马铃薯机械化收获起步早、发展快、技术水平高。20世纪初，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15-20。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21。近些年来，欧美的马铃薯收获机型仍然是以大功率机组为主。但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、马铃薯、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22-24。目前，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，都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图1-1 Spirit 2行升运式马铃薯收获机 图1-2 Spirit 4100 1行偏置集薯箱式马铃薯收获机Fig.1-1 Spirit 2-row elevator potato harvester Fig.1-2 Spirit 4100 1-row offset bunker potato harvester选设备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、日本和荷兰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、1-2为比利时AVR公司生产的马铃薯联合收获机。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，发达国家的马铃薯收获已基本实现了机械化联合作业。1.1.2 国内马铃薯收获机的发展概况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铺放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25-36。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条铺式收获机，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，研究人员在研究原西德、原苏联、日本、瑞士等国外机具的基础上，成功了研制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21。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，如图1-3所示，4SW40型收获机，如图1-4所示，并在当地进行了试点推广。1978年在北图1-3 4U-1型马铃薯收获机 图1-4 4SW-40型马铃薯挖掘机 Fig.1-3 4U-2 potato harvester Fig.1-4 4SW-40 potato harvester 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TOP2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 。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37。近些年来，在消化引进国外机型的基础上，国内农机厂家先后开发出一些中小型马铃薯挖掘机38-40，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，如图1-5所示，进地一次即可完成挖掘、升运、分离、放铺等多项工序，把马铃薯集放成条，再通过人工拣拾，能满足我国东北地区黏重土壤的特殊要求，采用独立小铲，碎土好，避免了土壤堆积和杂草缠绕，升运部件配有升运链抖动机构，大大提高了抖动和分离效果；内蒙古自治区农牧业机械试验鉴定站推出的4UM-2马铃薯收获机如图1-6所示；哈尔滨市大顺农机公司开发的4SG系列悬挂式薯类收获机，适于马铃薯、甘薯和甜菜的收获，悬挂在小四轮拖拉机后面，能一次完成薯块的挖掘、升运，土壤分离3道程序，薯块收净率高；由内蒙古商都牧机厂研制的，获国家专利的4V-125型多功能挖掘机，可一次完成马铃薯或农作物根茬与残膜图1-5 4U-2型马铃薯收获机 图1-6 4UM-2 马铃薯收获机Fig.1-4 4U-2 potato harvester Fig.1-3 4SW-40 potato harvester的挖掘、输送、分选和集堆等多项作业；在内蒙古农业大学与山西忻州地区农机推广站合作开发的4SM-40、80型马铃薯挖掘机，已通过省级鉴定，并列为内蒙古推广产品和新产品开发项目。该机吸收了国外同类产品的先进技术，可与国产拖拉机配套，作业性能适合我国北方地区平作种植马铃薯的农艺要求，可一次完成薯块的挖掘、分离与条铺等项作业，具有明薯率高和薯块破损少等优点。图1-7 现代农装生产的1650型带臂式马铃薯联合收获机Fig. 1-7 The 1650 potato combine harvester with arm produced by Modern Agricultural Equipment co.Ltd目前，我国马铃薯联合收获机械的研制也取得了一定的进展41-42。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，如图1-3，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26。1.2 本课题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，年总产量近8000万吨，已成为世界马铃薯生产大国，机械化作业是马铃薯生产的必然趋势。1) 马铃薯机械化收获是产业化，规模化发展的需要。目前我国马铃薯种植面积大幅攀升，马铃薯收获机械还存在巨大的发展空间。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业种植要求的新机具，尤其是马铃薯联合收获机械，显得尤为重要43；2) 马铃薯收获在马铃薯产业链中是最费工，耗时的一项作业，消耗的工作量占整个产业链工作量的40%，收获期短，劳动强度大。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。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牲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。甘肃定西为国家级马铃薯之乡，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26；3) 随着我国城市化进程的加快,农村大量青壮年劳动力向城市转移，农村劳动力减少，劳动力成本提高，目前中小型条铺式马铃薯收获机需要大量的劳动力来捡拾装袋，己不能满足产业化的需要。因此，研制一种集分级装袋为一体的联合收获机来代替人工作业具有重要意义44；4) 4U-1400FD型马铃薯联合收获机在收获过程中，薯块按分级级别收集装袋，伤薯率低，同时，分级过程可人工辅助拣拾残余土块、茎秆、杂草及坏薯，有利于提高袋装薯的纯净度。1.3 本课题研究内容本课题主要设计了一种能够一次完成马铃薯挖掘，土薯、茎秆、杂草及地膜分离，薯块输送、分级、收集装袋工序的分级袋装式马铃薯联合收获机。整机主要由仿形碎土装置、挖掘装置、土薯分离输送装置、茎秆分离装置、薯块输送装置、薯块分级装置、薯块收集装袋装置、传动系统以及机架、地轮等组成。本论文主要对该机分级装袋装置的原理方案及结构方案进行设计，对分级装袋装置各零部件进行系统地分析和理论探讨，并运用有限元分析软件对分级链轮及机架进行强度分析。1.4 本课题研究方法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的成功之处，研究并确定马铃薯联合收获机主要参数；2) 对收获机分级装袋装置进行系统设计，并确定主要参数；3) 运用Pro/E软件对主要机构实体建模和干涉分析；4) 运用ANSYS软件对主要机构进行强度分析；5) 试制样机；6) 田间试验和各种性能指标测试；7) 改进和完善样机，整理绘制图样。1.5 技术路线问题的提出背景资料考察确定研究的目标总体方案的确定关键参数的确定及关键部件的结构设计建立实体模型性能分析是否满足要求试制样机是调整参数及结构否甘肃农业大学硕士论文 第二章 4U-1400FD型马铃薯联合收获机总体设计第二章 4U-1400FD型马铃薯联合收获机总体设计2.1 4U-1400FD型马铃薯联合收获机基本结构4U-1400FD型马铃薯联合收获机基本结构简图如图2-1所示，主要由牵引装置1、挖掘装置2、土薯分离装置3、6、除秧装置4、8、横向输送装置7、倾斜输送装置11、分级装袋装置10、液压提升装置12、及机架9组成，该机可一次完成薯块挖掘、土薯分离、茎秆分离、薯块分级和装袋等作业。图 2-1 4U-1400FD型马铃薯联合收获机结构简图Fig. 2-1 The structure diagram of 4U-1400FD potato combine harvester1-牵引装置；2-挖掘装置；3-一级土薯分离装置；4-一级除秧装置；5-地轮；6-二级土薯分离装置；7-横向输送装置；8-二级除秧装置；9-机架；10-分级装袋装置；11-倾斜输送装置；12-液压提升装置；2.2 4U-1400FD型马铃薯联合收获机工作过程 该机为牵引式，动力全部由拖拉机提供，行走和挖掘依靠拖拉机牵引，土薯分离输送 、茎秆分离、升运和分级等装置动力由拖拉机动力输出轴提供，仿形碎土辊、挖掘铲及一级土薯分离输送装置的升降由拖拉机液压输出经油缸操纵。工作时，拖拉机牵引整机靠地轮从动行走，仿形碎土辊压碎地表土块并限定挖掘深度，两侧切土圆盘刀切开土壤，挖掘铲将薯块及土垡等一起掘起，初步疏松后送入一级土薯分离输送装置，经一级带杆式土薯分离输送带的抖动、疏松、破碎，使小于带杆间隙的土壤和夹杂物被筛下，茎秆、薯块和大于杆条间距的土块、地膜及夹杂物被输送到一级弹性梳杆摘辊式茎秆分离装置，部分茎秆、杂草、地膜被弹性梳杆阻挡并沿梳杆下滑，在一级土薯分离输送带和一级茎秆分离摘辊的作用下被抛在地上。结块土壤由一级土薯分离输送带落入二级土薯分离输送带后进一步破碎，经二级土薯分离输送装置的抖动筛分被完全筛下，分离输送带上的薯块及尚未除去的茎秆、杂草、地膜等夹杂物经过二级皮带式茎秆分离装置时，茎秆、杂草、地膜等易夹持物被皮带和分离输送带夹持住强制拽落于地面，茎秆上未脱落的薯块则被摘薯杆强制摘下，薯块落入横向链杆式输送器，被横向输送到皮带刮板式升运器，倾斜提升到辊轴链式分级装置，由于沿纵向辊轴间距由小到大变化，故薯块随辊轴纵向运动的过程中，按薯块粒度自小到大分成三级依次落入各装袋装置，被装入各袋中。2.3 4U-1400FD型马铃薯联合收获机基本参数确定确定联合收获机各个工作部件的基本依据有幅宽，作业速度和生产率等参数，它们之间是相互关联、相互影响的45-53。1 整机外形尺寸4U-1400FD型马铃薯联合收获机的总体外型尺寸长宽高：4494mm2183mm2300mm；2 作业速度联合收获机的作业速度是以杂草量、亩产量、田面平整度以及土壤潮湿度而定。为了尽可能的减小漏薯率，提高土薯分离效率，作业速度有一个合适的范围，采用约翰迪尔120马力拖拉机二档匀速行驶，该马铃薯联合收获机作业速度为3km/hvm4.83km/h54。3 生产率根据收获机的幅宽和作业速度，按下式计算联合收获机的生产率T； (2-1)式中：收获机田间利用系数，为0.60.8,取0.7；B幅宽1.4m； 收获机前进速度3km/h4.83km/h； ；4 整机功率4U-1400FD型马铃薯联合收获机所需要的总功率包括行走部件所消耗的行走功率及挖掘、两级土薯分离、除秧装置、横向输送、倾斜输送和分级装置所消耗的总功率。在一定的土壤和作物条件下，两部分的功率耗用均与收获机的前进速度成正比。马铃薯联合收获机的行走功率为： (2-2) 式中： G整机重量(kg),包括整机空载质量、薯块总质量及土壤总质量，经称重，估算薯块质量，土壤质量； 收获机前进速度(m/s),按最大作业速度1.34m/s计算；f滚动阻力系数，主要取决于土壤情况，其值为0.1-0.25；传动效率，为0.95；经计算，得出收获机最大行走功率；联合收获机各工作部件消耗的功率：55-621) 挖掘装置消耗的功率收获机以最大速度速度前进时，切刀与土壤的之间的摩擦力与土壤粘着力、土壤容重，挖掘厚度、物料密度有关。按最大粘着性土壤计算出土壤的滑移摩擦力、土壤间粘着力产生的滑移阻力。土壤粘着力按大小分为五个等级63，见表2-1，土壤容重，挖掘厚度0.2m0.3m，铲面总长0.47m,薯块装载密度=750kg/m3: (2-3)式中：土壤与钢之间的摩擦系数，按重粘壤土及粘土计算一般为0.4-0.9，取0.9；N土壤、薯块、挖掘装置总重量,三部分重量为别为：，；p土壤粘着力，这里按最大土壤粘着力计算,p=3000Pa； s实际接触的粘附面积；得 ， ，设计功率为： （2-4）式中：设计功率，kw；工况系数，1.4；表2-1 土壤粘着力的分级Tab.2-1 The grading of soil adhesion粘着力（Pa）1500500-1500200-50050-20010-50土壤名称最大粘着性土壤强粘着性土壤中粘着性土壤弱粘着性土壤松散土2) 土薯分离装置（两级）消耗的功率土薯分离带以v=1.6m/s54工作时，作用于驱动带轮上的圆周力有输送带自重引起的摩擦力，以及输送块茎时产生的工作阻力。一级土薯分离装置： (2-5)式中：输送带单位长度质量为1.724kN/m；输送带的总长度为2.9m；f摩擦阻力系数为0.3； 单位面积物料质量为1.97；输送带工作长度为1.34m；B输送带的工作宽度为1.4m；得 F=5.2kN =Fv=8.32kw =10.4kw，计算功率： 式中：设计功率，kw；工况系数，1.3；二级土薯分离装置： 式中：输送带单位长度质量为1.73kN/m；L输送带的总长度为2.81m；f摩擦阻力系数为0.3； 单位面积物料质量为2.1 ；输送带工作长度为1.24m；B输送带的工作宽度为1.4m；得 F=5.05kN =Fv=8.08kw =9.5kw，计算功率： 式中：设计功率，kw；工况系数，1.3；3) 一级除秧装置消耗的功率一级除秧装置速度与一级土薯分离装置同步，功率计算： (2-6)式中：F茎杆分离器单位宽度的切向阻力，参照类似设备切向阻力实验测定值（一般F=60N/m64），考虑到马铃薯茎杆可能夹带泥土并带有一些未分离的小薯块，切向阻力较大，因此取F=120 N/m； 茎杆分离器宽度，1.4m； 茎杆分离器线速度，m/s；得 =0.26kw =0.28kw；4) 二级除秧装置消耗的功率二级除秧装置是自行设计的皮带夹持式除秧原理，根据皮带的松紧程度，其受力大小也不同，很难准确的计算出除秧装置所消耗的功率，估算二级除秧装置所需的功率为1kw；5) 横向运输装置消耗的功率速度计算： (2-7)得 v=0.387m/s，其中生产率为7亩小时，亩产量按3500kg计，则Q收获量为25000kg /h；s输送带物料横截面积为（0.4 X0.10）；k填装系数为0.6；物料密度为750kg/m3; 功率计算： 式中：输送带单位长度质量为0.06kN/m；输送带的总长度为2.9m；f摩擦阻力系数为0.3；单位面积物料质量为2.31 ；输送带工作长度为1.3m；B输送带的工作宽度为0.4m得 F=1.25 kN =Fv=0.48kw =0.6kw，计算功率： 式中：设计功率，kw；工况系数，1.3；6) 倾斜运输装置消耗的功率速度计算：得 v=0.77m/s，其中Q收获量为25000kg/h；s输送带物料横截面积为（0.2X0.10）；k填装系数为0.6；物料密度为750kg/m3；功率计算：kw56 (2-8)式中：输送量（t/h），25t/h； 输送器水平投影长度（m），2.52m；提升高度（m），1.638m； 运行阻力系数，2.25；所以得 =0.85kw，计算功率： 式中：设计功率，kw；工况系数，1.3；7) 分级装置消耗的功率速度计算：得 v=0.29m/s，式中：Q收获量为25000kg/h；s输送带物料横截面积为（0.8X0.1）；k填装系数为0.4；物料密度为750kg/m3；功率计算：式中：输送带单位长度质量为0.45kN/m；输送带的总长度为4.5m；摩擦阻力系数为0.3； 单位面积物料质量为0.6；输送带工作长度为1.62m；B输送带的工作宽度为0.80m；得 F=1.41kN =Fv=0.41kw =0.51kw，计算功率： 式中：设计功率，kw；工况系数，1.3；所以4U-1400FD型马铃薯联合收获机最大功率消耗为： 甘肃农业大学硕士论文 第三章 4U-1400FD型马铃薯联合收获机分级装袋装置设计第三章 4U-1400FD型马铃薯联合收获机分级装袋装置设计3.1 4U-1400FD型马铃薯联合收获机分级装置设计3.1.1 块茎物料分级方法概述目前块茎物料分级方法主要有以下几种65-66： 1) 软孔带 软孔带分级形式一般应用在块茎(铃薯等)入库保存时，对一些小石块、土、小块茎(一般直径小于25mm)进行初步的筛选。以一定速度转动的软孔带被施加一定的震动，使带上的物料可以被抛离带面，利用物料自身的重力，小的石块、碎土和小的块茎经带孔落到地面；2) 滚筒式分级设备滚筒作回转运动，物料在滚筒内滚转和移动，并在这个过程中分级。滚筒沿轴线方向有很多圆孔或矩形孔，滚筒分为几组，每组小孔孔径不同，从物料进口至出口，后组孔比前组孔径大，小于第一组的物料从第一组孔中掉出收集为一个级别，以下依次类推。根据孔径的大小，可分为25个级别，分级效率较，产量高，可有效的降低物料的混级率，目前广泛实用于蘑菇和青豆的分级；3) 辊轴式分级设备辊轴式分级设备用于球体或似球体的果蔬原料，如苹果、柑桔和番茄等按直径大小不同进行分级，分级过程中依靠改变辊轴的间隙来改变分级粒度；4) 带式分级设备它由圆形或矩形皮带构成的环带式分级输送器，相邻的皮带之间的间隙是逐渐增大的,将经过初清的球形物料精选成大粒、中粒和小粒三级；5) 筛选式分级设备它的平面筛作纵向或横向摆动，机体向出料方向有一倾斜角度，使物料以一定的速度向前运动，在运动过程中进行分级。筛选式分级机构制造和安装都比较容易，结构简单，调换筛面十分方便，适宜于多种物料和同一种物料不同规格的分级。主要缺点为动力平衡很困难，连杆极易损坏，噪声比较大，且是对于薯类块茎作物，筛面振动频率过大，薯皮容易擦伤，筛面振动频率过小，又容易发生“堵塞”现象；6) 光电分级设备以单片机为核心，工作时,系统通过单片机采集水果挡光时间产生的高低压电平的转换,来实现对水果大小的判断系统在水果分选控制上完全可行，操作简便，能够预先设置分选等级,实现多种水果的分选，具有较好的通用性和灵活性，但成本比较高，目前国外主要应用于固定作业的分级设备，对马铃薯分级装置应用比较少。3.1.2 马铃薯分级主要技术要求1) 分级等级与精度应符合要求；2) 在工作过程中，对薯块损伤小，伤薯率小于5，并应剔除破薯、病薯和其它杂物；3) 分级粒度可以根据要求进行调节；4) 结构尽可能简单，操作方便，工作稳定可靠，功耗小。3.1.3 辊轴链板式分级装置工作原理根据马铃薯的形状特性，为了减少马铃薯在分级过程中的损伤，使分级能够快速准确的进行，提高分级精度，设计了辊轴式分级装置，如图3-1所示：它主要由分级辊轴、驱图3-1 在Pro/E 中建立的分级装袋装置Fig.3-1 The grading and bagging device set up in Pro/E动轴、驱动链板、链轮、装袋装置等组成。分级部分是由一系列分级辊轴组成的输送带，每两根辊轴之间设一升降辊轴，此三根辊轴形成两组分级辊轴间隙。工作时，马铃薯进入输送带，小于辊轴间隙的马铃薯则从两相邻辊轴之间的间隙中落到集料斗里，其余马铃薯继续向后运动。在驱动链轮的作用下，输送带上的分级辊轴都向前滚动，升降长辊轴在升降轨道上逐渐上升，长短辊轴之间的间距逐渐增大。此时处在不断增大的辊轴间隙中的马铃薯，在摩擦力作用带动下也转动，这样，其最小外径总有机会对准辊轴间隙，当外径小于间隙时就落到下层筛网上，而后装袋；而大于辊轴间隙的马铃薯继续随带前进，随着分级长辊轴间距的增大而在分级带的不同位置上落下，从而分成若干等级。若升降辊轴上升至最高位置而马铃薯仍不能从孔中落下，则最后掉入末端的集料斗中，属于特大马铃薯。中间辊轴上升到最高位置时，分级段到此结束，此后就逐渐下降至最低位置而后再重复以上工作过程67-68。其工作原理如图3-2所示,辊轴在运行中借其轴端安装的橡胶摩擦轮与导轨之间的摩擦公转的同时而绕其轴旋转，从而带动孔中的马铃薯也滚动，提高了分级效率并减少了马铃薯损伤。若马铃薯的规格改变时，中间辊筒的升降距离要相应地调整，为此专门设计有升降调节装置。图3-2 辊轴输送带工作原理Fig.3-2 The principle of roller conveyor1-分级从动部件组合；2-分级长辊轴；3-分级短辊轴；4-水平导轨；5-分级主动部件组合；6-垂直导轨；7-接料装置；8-链板组合；3.1.4 主要参数确定分级装袋装置的主要参数如下：收获量、运行速度、辊轴尺寸、中心距、辊轴间隙： 1) 收获量：根据前面计算得知生产率，按其最高生产率及最高产量52500kg/hm2计算，则Q收获量为25000kg/h； 2) 运行速度：分级链板的运行速度为0.29m/s；3) 辊轴尺寸：分级辊轴直径30mm ,为了减小薯块损伤，辊轴外表面套用橡胶管，分级长辊轴总长970mm，短辊轴总长930mm； 4)中心距：分级装置由一对主动链轮组合，三对从动链轮组合构成，根据整机结构布局，相邻两链轮的横向中心距1400mm,纵向中心距320mm；5) 辊轴间隙：分级辊轴最小间隙40mm，最大间隙100mm，根据分级要求可在40mm100 mm之间调节；3.2 主要零部件设计3.2.1 主动轴结构设计1.轴最小直径的初步计算69-76按扭转强度确定轴的最小直径d,计算公式为： (3-1)式中： P轴所传递的功率，kW； n轴的转速，r/min; 其中： P=0.66kw，n=24.4r/min， 查机械设计(第七版)，表15-3取=110=28.9mm 取d=30mm2. 轴上零件装配方案的确定根据分级装袋装置的要求，主动轴装配方案如图3-3所示:图3-3 主动轴的结构与装配Fig. 3-3 The structure and assembly of driving shaft 3. 载荷分析计算首先根据轴的结构图3-3做出轴的计算简图3-4(a)。在确定轴承的支点位置时，从手册查取a值。对于6206型深沟球轴承，支承点位置要轴承中心位置。因此，作为简支梁轴的支承跨距L=1022mm，根据轴的计算简图做出轴的弯矩图的扭矩图3-4(b)从轴的弯矩图和扭矩图可以看出截面B是轴的危险截面。现计算出截面B处的支反力及M值列于表3-1。表3-1 截面B处的支反力及M值Tab.3-1 the supporting force and M value in B section载荷大小支反力F 弯矩M剪力其中有效圆周力，传动链轮输入，两链轮输出，则：动力输入链的速度 (3-2)图3-4 主动轴的载荷分析图Fig.3-4 The load analysis diagram of shaft分级装置链板的平均速度: (3-3)作用在轴上的压轴力 (3-4)按水平布置取压轴力系数 (3-5)4. 按弯扭全成强度校核轴的强度进行校核时，只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面(即截面B)的强度。根据式3-5及表3-1中的数据，以及轴单向旋转，扭转切应力为脉动循环变应力，取， (3-6)轴的弯扭合成条件为： (3-7)前己选取定轴的材料为45钢，调质处理， 71，因此，故安全。5提高主驱动轴强度的措施1) 合理布置轴上零件减少轴的载荷 为了减少轴所承受的弯矩，传动件靠近轴承，力求缩短支承跨距及悬臂长度；2) 改进轴的结构减小应力集中的影响 为避免轴截面突变处产生应力集中，提高轴的疲劳强度，轴肩处采用较大的过渡圆角半径来降低应力集中；3) 改进轴的表面质量提高轴的疲劳强度 采用45号钢，先粗车，后调质处理。3.2.2 链及链轮结构设计1. 链的结构设计1) 确定链轮齿数分级装置转速平稳，取主从动链轮大小相等，z=4。2) 计算功率由机械设计第七版濮良贵，纪名刚主编，表9-9查得工作情况系数.271，故: (3-8)3) 确定链条链节数初定横向中心距横向中心距根据链节数计算公式 (3-9) 264) 确定链长L及横纵向中心距 (3-10)中心距减小量 (3-11)实际中心距 (3-12)取5) 作用在轴上的压轴力 (3-13) (3-14)按水平布置取压轴力系数，故6) 链板组合的基本结构4U-1400FD型马铃薯联合收获机由分级链板组合组成了输送链，如图3-5所示，链板组合主要由长短