完整版丘陵山地薯类收获机设计本科毕业设计.docx
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完整版丘陵山地薯类收获机设计本科毕业设计
毕业论文（设计）
题目：
丘陵山地薯类收获机设计
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摘要
Abstract
致谢27
丘陵山地薯类收获机设计
摘要
本设计针对国内外薯类收获机的现状及其性能特点，设计研究出了一种新型薯类收获机，采用弹性挖掘铲挖掘的方法、输送链式薯土分离装置，研究了收获机最佳方案。
从提高收获效率和达到农艺要求出发，进行了总体结构的设计和主要参数的计算，分析了收获机的动力传动过程，并对传动系统进行详细的设计和计算，设计了三星振动分离装置和弹性挖掘铲，分析了收获机工作时各部件之间的配合。
该机具整机布置合理，收获效率高，适合收获各种土壤条件下生长的马铃薯、红薯等薯类作物。
关键词：
弹性铲；输送链；挖掘；振动分离
DesignofPotatoHarvesterofConformedHill
Abstract
Thedesignthroughthepresentsituationandcharacteristicsofthepotatoisolation,wasdesigned.This.Theefficiencyofgainsandtheagronomicrequirementsisimprovedinthispaper,Todesigntheoverallstructureandcalculatethemainparameters,weanalysisthethepowertrainprocess,designandcalculatetransmissionsystemdetailedly,Atthesametime,theeccentricvibrationisolationdevicesandminingspadearedesignedforimprovingthecharacteristicoftheofthecomponentsisasloanalysisedtoenhancethequalityoftheavarietyofsoilconditions.
Keywords:
ResilientShovel;Links-styleTransport;Excavate;VibrationIsolation
1绪论
1.1设计的目的和意义
近些年来，随着农业产业结构的不断调整，薯类农作物已经在我国经济作物中占有相当的比例。
因此，随之而来的收获机械也被研制出来，并在一定地域范围内投入农业生产。
薯类收获机在整个研制乃至最终投入农业生产的过程中，务必保证其特有的技术参数，如挖净率≥97%、明放率≥96%（机械收获后明放于地表的薯块）、伤损率（收获中被机械损伤深达表皮以后的薯块）≤3%、破损率（收获中有肉眼可见表皮损伤的薯块）≤3%等的基本要求指标[1]。
丘陵地貌大多是地块较小，地形不平整，山地地貌更是崎岖不平，甚至有些地方根本无法进行农业生产，这与平原相比较难实现机械化作业，尤其是大型机械装备的普及与应用。
鉴于此，丘陵山地的薯类收获机设计成为必然要求。
该设计能大大提高农业生产效率、降低劳动者的劳动强度、提高农民朋友的总体经济效益等。
1.2薯类收获机的国内外发展现状
1.2.1薯类收获机的国内发展现状
解放初期,我国收获马铃薯采用人工刨或用犁挖掘的落后方式。
在20世纪60年代初期，有关农机部门开始了研制工作,引进了国外马铃薯收获机械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。
20世纪80年代我国又引进了西德RM2R型、瑞士SUPERB型配套动力为30kW的马铃薯集条收获机[2]。
黑龙江省农机所参照瑞士机型设计出了4UTL22型块茎作物收获机,可用于收获马铃薯和甜菜等。
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。
此后，因市场需求旺盛，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，以及新型农用液压挖掘机。
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马铃薯挖掘机,主要是小型挖掘机,如西安圣农农业机械有限责任公司开发的4U21型马铃薯收获机,适用于我国北方干旱半干旱地区种植马铃薯的农户及小型农场收获马铃薯使用,生产效率高,特别是收获垄上的种植马铃薯更能显示其优越性。
1.2.2薯类收获机的国外发展现状
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。
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。
总之，国外的马铃薯收获机研制技术已达到相当高的水平。
1.2.3我国薯类收获机的发展前景
由于，薯类在我国的种植面积广泛、营养丰富均衡、高产量高等诸多特点，机械化收获薯类必然向着多极化发展。
一般来说主要有两种趋势：
（1）在地块较大、地貌平整的地区大型收获机、大功率收获机、联合收获机等类型的机械适宜研发投产使用。
（2）在地块较小、地貌不整齐的区域，如丘陵山地等地区，小型小功率型收获机适合作业。
虽然薯类收获机的发展具有如此特点，但是在设计制造薯类收获机的过程中要遵循的一些原则性要求不会变，如功率利用率要高、挖掘阻力要小、整机结构简单便于制造使用维修，另外也必须要满足一些农艺要求如明薯率要高、挖掘率高、损伤率低等。
1.3丘陵山地薯类收获机的主要研究内容
1.3.1研究内容
针对小型薯类收获机的现状进行研究分析，设计丘陵薯类收获机的的挖掘及土壤分离部件，达到收获效率高，经济效益实惠，适合丘陵作业。
对丘陵山地薯类收获机总体进行设计，使收获机的挖掘部件和输送装置得到更好的改善，达到操作简单、安全可靠、使用寿命长等要求。
重点进行薯类挖掘部件、输送分离部件的设计和主要参数的计算，
1.3.2技术路线
（1）、查询有关薯类收获机械的相关资料，确定丘陵山地薯类收获机设计的主要目的。
（2）、确定丘陵山地薯类收获机的总体设计方案以及收获机的创新思想。
对丘陵山地薯类收获机的挖掘部件、薯土分离装置的重点研究。
（3）、对薯类收获机的挖掘铲的类型、分离装置的类型进行分析，确定最佳研究方案。
（4）、研究薯类收获机挖掘铲运动速度、输送链运动速度和拖拉机前进速度的主要参数（传动比等）与薯类收获质量的精确，确定达到最佳收获状况。
（5）、进行结构与运动参数改进。
2整体结构设计
2.1结构方案论证
根据马铃薯的生长状况和挖掘要求可知，马铃薯收获的过程：
挖掘马铃薯、分离泥土、铺放晾晒等工序。
在该过程中拖拉机推着刀轴向前运动会造成到刀轴受力过大、铺放马铃薯不方便、传递动力消耗过大，所以采用后悬挂式。
设计方案一
图2-1丘陵山地薯类收获机原理简图
1.固定式挖掘铲2.机架曲柄3.摆动筛式分离装置
如图2—1所示：
1）动力传动过程：
有拖拉机动力输出轴输出动力通过机械传动最终到机架曲柄上，这样实现了来自拖拉机动力传至曲柄，曲柄做圆周运动导致分离装置摆动。
主要工作部件有固定式挖掘铲、传动装置、薯土分离装置等。
2）工作原理：
由拖拉机动力输出轴为原动力，采取悬挂式田间作业。
当拖拉机向前行驶时挖掘铲将薯类（如马铃薯）和土壤一起挖起，通过前面土壤的堆积将薯土混合物推向摆动筛式分离装置，分离器将马铃薯和土壤彻底分离，最后散落在地面上。
3）方案分析：
（1）虽然整体装配简单，运动路线清晰，但在实际作业过程中，机具有明显的前后摆动，导致拖拉机的发动机受严重冲击，从而影响到发动机的使用寿命；
（2）在收获过程中容易漏挖果实；
（3）摆放不整齐，明薯率低，影响到机组的前进通过性；[3]
综上所述，该方案还有改进的地方。
所以方案不可取。
设计方案二
图2-2丘陵山地薯类收获机原理简图
1.固定式挖掘铲2.输送链式分离装置
如图2-2所示
1）工作原理：
随着机组前进，挖掘铲向前推进，掘起垄中的薯类果实和土壤的混合物；拖拉机的总动力通过机械传动最终到链轮，薯类果实和土壤混合物被推进到输送链上，在经过输送链的振动分离后将土马铃薯马铃薯分离，最后将薯类果实散落到地面。
2）方案分析：
（1）固定挖掘产不灵活，适应性差。
（2）果实最终零乱的落在地面上，这样不便于机组的正常前进，也不能便于人工的收集。
（3）薯土分离效果差、明薯率低，最终不能满足农艺要求[4]。
综上所述，该方案还有改进的地方。
所以方案不可取。
设计方案三
图2-3丘陵山地薯类收获机原理简图
1.挖掘铲2.弹簧3.输送链4.铺放栅条
如图2-3所示
1）工作原理：
拖拉机的动力输出轴输出动力经传动系到达链轮上，机组前进的同时，挖掘铲挖掘薯类果实，薯土混合物传到输送链上。
输送链在三星振动轮的振动下将马铃薯和土壤分离开。
分开后的马铃薯在铺放栅条的约束下整齐的摆放在地面上。
整个过程经过了传递动力、挖掘、输送、分离、铺放四道工序。
2）方案分析：
（1）此种方案采用了弹性挖掘铲，很大程度上提高了薯类收获机的适应性。
（2）采用链式分离装置能提高薯土分离效果，在该方案中设计了三星振动轮，使薯土分离效果更明显。
（3）设计了铺放栅条，该装置能提高明薯率、使马铃薯铺放整齐，为机组在前进的过程中清理了障碍，从而提高了作业效率。
2.2结构方案确定
通过对上述拟定方案结合本次设计的主要目的，总结出第三种方案适合。
如图2-4所示，该机主要由挖掘部件4和振动输送分离部件5.6.9组成，可一次性实现马铃薯的挖掘、输送、分离和集条铺放等作业。
拖拉机动力输出轴输出的动力，经过万向节11到达变速器带轮12，经皮带13到达输送链主动轮9，带动输送链7转动,输送链从动轮5三星抖动器7随链条一起转动，镇压轮2、切土圆盘3、地轮8、挖掘铲4在拖拉机的拖动下前进。
被挖掘铲挖出的马铃薯随铲面上升最终落到输送链上，进行下一步的分离输送作业。
该过程中三星振动器在链轮的带动下转动，使得输送链上下抖动，提高土薯分离率。
尾端栅条10起集条作用，使马铃薯挖掘成条铺放与地面上，便于人工捡拾。
实现了马玲薯挖掘、分离、铺放的一次性作业，显著提高了工作效率。
图2-4马铃薯收获机结构简图
1.机架2.镇压轮3.切土圆盘4.挖掘铲5.输送链从动轮6.输送链7.三星抖动器8.地轮9.输送链主动轮10.栅条11.联轴器12.变速器上带轮13.皮带
2.2.1结构组成
该课题设计的马铃薯挖掘机由机架、镇压轮、切土圆盘、挖掘铲、输送链从动轮、输送链、三星抖动器、地轮、输送链主动轮、栅条、联轴器、变速器、带轮、皮带等机构组成。
2.2.2结构原理
挖掘部件采用弹性挖掘铲，铲在拖拉机拉力的作用下入土挖掘，把土薯混合物挖出。
输送分离部件采用升运链式，连杆间隙小于一般薯块的最小特征尺寸，土薯混合物在抖动器的作用下分离，土坯破裂落到地面上，薯块随着升运链上升到尾端落到疏松的土壤表面。
可在保证分离率的同时，提高收净率、降低破损率。
2.2.3结构特点
该方案设计的马铃薯收获机结构简单、分离效果明显、作业效率高、配套动力小，解决了配套动力不足的难题，便于在广大丘陵、山区推广使用。
3主要零部件设计
3.1机架的设计
丘陵山地薯类收获机机架采用钢件焊接而成，整体尺寸是通过拖拉机悬挂装置和挖掘铲工作宽度决定的。
图3-1机架结构简图
3.1.1机架的尺寸确定
由于挖掘宽度在500mm，所以机架的宽度应超过工作宽度的宽度应为700mm～800mm，为了能使刀轴支撑架更好的连接，机架宽度取750mm。
机架的总长度是通过收获后马铃薯蔓输送的路程和拖拉机动力输送过程中动力轴的位置确定的，为了能够达到更好的分离效果输送链选择长度为660mm，拖拉机传递过程中二级带传动的中心距a=760mm，应大于实际应用长度取L=2000mm。
机架的高度应根据拖拉机悬挂架的拉杆高度H1=780mm和动力输出轴离地面的高度H2=510mm确定的，机架离地面的高度为280mm，取机架最高处到最低处的距离为H=500mm。
3.1.2收获机的机架使用和调整
（1）功过拖拉机的的遥控杆控制悬挂架的升降，使机架达到工作状态。
（2）动力输出的遥控干控制动力的输出间接控制了集体的工作。
（3）调整工作的宽度是由机架动力轴上的套筒和刀轴的轴承座调整决定的。
（4）其它调整是通过机体上的调整螺母调整。
（5）机架上焊接的连接钢板应针对主要工作部件的中心位置确定。
3.2挖掘铲的设计
由薯类作物的农艺特征可知，薯类主要为起垄种植。
红薯多为单垄单行种植，马铃薯多为单垄双行。
薯类成熟块茎一般生长在5～30cm的土层，块茎的生长宽度一般为40cm左右。
因而设计旋挖刀的入土深度可在15～30cm内调整[5]。
丘陵山地薯类收获机中挖掘铲采用弹性结构设计，该机构可增加挖掘铲的弹性变形，提高其使用寿命。
3.2.1挖掘铲的选型
挖掘部分的作用是把薯类果实和土壤一起挖起，然后经过输送链分离清选。
对挖掘部件的要求如下：
在尽量少挖取土壤的情况下挖净薯块；挖掘深度稳定不损伤薯块，并可根据需要进行调整；挖掘铲应有较强的碎土能力，对粘重土壤保证土垡能顺利通过，以便为分离薯块中的土壤提供有利条件；要求挖掘部件的牵引阻力小，刃口的耐磨性好。
为满足上述要求，采用了组合式挖掘部件[6]。
这种挖掘部件由三角平面多铲和铲架组成。
三角平面多铲直接与机架刚性连接。
三角平面多铲的铲面为平面，其结构简单，制造容易，且常用在链杆式挖掘机上。
一方面是减少铲尖与土壤的接触面积，达到减少阻力的目的；另一方面减轻机具前部重量，防止铲尖下陷。
多片铲在工作时发生局部磨损时，更换方便维修成本低。
因此，该机采用三角平面多铲，由三个三角平面铲组成，材料为65。
3.2.2铲刃夹角
图3-2挖掘铲参数及受力图
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B[7]。
如图3-2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3-2（d）所示，它必须满足下列不等式：
公式（3—1）
式中R—作用于铲刃的阻力（N）；
—茎杆对钢的摩擦系数；。
从图中可得到下列不等式：
即：
公式（3—2）
一般取，该挖掘铲采用。
3.2.3铲面倾角和铲体总长度L
挖掘铲的倾角α和铲的长度L可由图3-2（b）的受力分析求得。
根据土壤在挖掘铲上的受力分析可建立如下平衡方程式：
公式（3—3）
公式（3—4）
公式（3—5）
式中P—沿着挖掘铲移动掘起物所需的力（N）；
N—铲对土壤的反作用力（N）；
G—铲面上土壤的重力（N）；
F—土壤对铲的摩擦力（N）；
—土壤对挖掘铲的摩擦系数。
将式（3），（4），（5）联立求解得：
公式（3—6）
公式（3—7）
挖掘铲的工作阻力不仅只是由于铲起的土壤沿铲移动而产生的，同时也是由切割土壤所造成的[8]，若不考虑垄台沿着挖掘铲移动速度变化的影响，铲的总阻力可以用下面的关系式来表达：
公式（3—8）
式中—土壤对钢的摩擦角；
K—挖掘垄沟的比阻系数（），轻质土壤K=16000～20000（）；中等轻质土壤K=20000～24000（）；中等坚实土壤K=24000～3000（）
A—挖掘垄沟的横截面积（）。
铲的长度可由挖掘深度h与倾角α计算，即：
公式（3—9）
由农艺要求可知，挖掘深度h=15～25cm时才能将马铃薯完全挖出，并不损坏马铃薯。
最后根据各个公式得：
铲的最大倾角α=25，φ=30（中等轻质土），铲的最大长度为49cm。
取L=40cm；并可计算出挖掘铲在中等轻质土壤，挖掘最大倾角25°时的最大挖掘阻力为3086N。
3.2.4单铲片宽度B
当挖掘铲的、、L选定后，下一步是确定铲宽。
设计要求取总宽度为600mm，取单铲宽度B为160mm，则产片间隙为10mm，挖掘铲的厚度为5mm。
最后得到的挖掘铲的结构图，如图3-4所示。
图3-4挖掘铲平面图
3.3振动分离输送装置的设计
振动分离输送装置采用升运链式。
当被掘起的土垡、薯块及茎杆等向上输送时，在输送链的作用下，土垡被疏松，土壤通过杆间隙筛出，薯块则被输送到侧向输送器。
为增强分离效果，在分离输送器上装有三星抖动器[9]。
因此，链面在三星抖动器的作用下产生振动。
此时分离输送器链轮的链节不是作直线运动，而在某段时间内沿圆弧运动，这种抖动分离输送器相当于一个环形可移动的栅格筛。
三星抖动器由线速度一定的分离输送器带动旋转。
作业时，位于前部的挖掘铲进入土层内将薯垄整个掘起，掘起土垡在平面铲的作用下发生劈裂破碎，然后输送到分离输送器上。
分离输送器杆条在向后运动的同时受抖动器作用而上下抖动，使大部分土壤变松并落到杆条链下部垄沟内，薯块则被顺利运送到尾部落到侧向输送器上。
3.3.1杆条参数的确定
一般马铃薯的块茎为扁圆、椭圆、圆、长筒等形状，为了研究方便我们统一采用长、宽、厚三个特征尺寸来描述块茎物理机械特性，其中厚度尺寸是关键的一个尺寸。
分离输送器的杆条间隙如图3-5所示，
图3-5杆间距示意图
从图中可以看出下面的关系：
公式（3-10）
式中：
L—杆间隙；
L—杆条间隙；
d—杆直径。
要使分离输送器达到筛分土壤保留薯块的目的，杆条间隙的设计应满足c（c为马铃薯最小特征尺寸）的条件，即保证马铃薯最小特征尺寸大于枝条间隙，使块茎不至于在杆条间随土壤漏下。
据资料和实际测量，我国马铃薯块茎厚度尺寸大多在30-80mm之间，因此若取杆间距L为38mm，杆条直径为10mm代入式（3-1）得杆条间隙为28mm[10]。
3.3.2抖动器参数确定及安装
为使薯块在分离输送器上能够分离并向上输送，必须确定抖动器的运动参
数，并正确安装抖动器。
3.3.3三星抖动器参数的确定
本设计中，抖动器采用三星抖动器，其结构如图3-6，按照设计要求[11]，分离输送器的线速度为1.6ms，即三星抖动器的线速度为1.6ms，半径r为60mm，由，得所以抖动频率：
，也就是说抖动器每秒钟抖动4.25次。
图3-6三星轮式振动分离装置
3.3.4抖动器的安装
根据齐姆斯的研究，升运器的功率消耗与抖动器的位置有关，一般抖动器在距升运器前从动轮0.3～0.4m的位置，升运器消耗的功率比较小，因为在0.3～0.4m的位置上最容易形成物料的堆积。
如果在这个位置上的震动发生的最多那么，整个升运器上的力就会降低，从而使功率消耗减小。
4传动系统的设计
4.1动力传动的选择
动力传动是由动力输出轴通过锥齿轮传动传递给带轮，再由带传动传递给输送链轮主动轴[12]。
这种传递功率消耗小，传动稳定。
整个传动系统的总传动比为3.5，其中锥齿轮的传动比为1.75，V带的传动比为2.0。
其中拖拉机的型号选择是根据总功率的大小决定的，对其工作和经济性都有影响。
通常对于长期联系运转，载荷不变或者很少变化，要求所选用拖拉机的功率等于或略大于工作时所需的总功率。
根据传动的稳定可靠和对收获机需要的功率我们先采用12马力拖拉机（输出功率为8.8千瓦）。
（1）.拖拉机输出功率分配
功率的估算公式为
公式（4-1）
式中：
Nt-拖拉机动力功率（Kw）
Pt-拖拉机基本挡位的挂钩牵引力（KN）
V-拖拉机基本挡位的实际工作速度（）
所以Kw
由总体设计可知,拖拉机传给收获机的动力首先传给锥齿轮、皮带轮、最后到链式输送机构。
其中薯类的挖掘收获是主要工作部位,故弹性挖掘铲所耗功率很大,约为2.47KW。
输送输送链消耗功率占约为0.9KW,拖拉机的行驶必须克服来自地面的滚动阻力，拖拉机牵引马铃薯联合收获机时，车轮滚动，轮胎与路面的接触区域产生法向、切向的相互作用力以及相应的轮胎和克服制成路面的变形。
根据滚动阻力系数f的数值，选择在泥泞的条件下，滚动阻力系数为0.100～0.250,取f=0.200[13]。
根据计算机辅助设计软件得到马铃薯联合收获机、拖拉机及其工作人员的重量约为3000kg。
根据滚动阻力的计算公式：
F=fmg，可以得到滚动阻力F=6000N。
牵引功率可以得到为4.8kw。
即功率分配情况为：
故实际消耗功率=弹性挖掘铲挖掘的功率+链式分离装置消耗的功率+牵引功率。
P=2.47KW,P=0.90KW,P=4.80KW
P=P+P+P
=2.47+0.09+4.80
=8.17kW
选用的12马力的拖拉机输出额定功率P=8.8KW大于实际消耗功率P=8.17，即Pca≥P可以选用。
4.2锥齿轮传动部分的设计计算
1、丘陵山地薯类收获机是农业机械，结合农艺要求选用8级精度。
2、选择材料：
选用齿轮材料为40Cr，渗碳淬火处理，芯部硬度为33-45HRC，齿面硬度为小齿轮的是65HRC，大齿轮的是55HRC。
3、选小齿轮齿数=20，大齿轮的齿数=35。
4、该锥齿轮传动的传动比为：
1.75。
4.2.1按齿根弯曲强度设计
公式（4-2）
确定公式内的各个参数
由图10-21d查得小锥齿轮的弯曲疲劳强度极限=640Mpa；大锥齿轮的弯曲疲劳强度=610Mpa；
由图10-18取弯曲疲劳寿命系数=0.87，=0.9。
4.2.2计算弯曲疲劳许用应力
取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式（10-12）得
==MPa=398MPa
=MPa=392MPa
计算载荷系数K。
K==3.321
5）计算当量齿数
z===24.04224，z==38.04238
6）查取齿形系数。
由表10-5查得=2.63；=1.56
7）查取应力校正系数。
由表10-5查得=2.65；=1.5
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