胡萝卜联合收获机根叶分离切割装置的设计Word格式.doc
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目录
摘要 I
Abstract II
1绪论 3
1.1研究课题的目的与意义 3
1.2国外研究状况分析 2
1.3国内研究状况分析 3
1.4研究内容及设计要求 4
2总体方案的确定 5
2.1拟定的方案 5
2.2总体方案的分析与确定 6
2.3传动系统方案的确定 7
2.4胡萝卜收获机切割装置方案的确定 8
3传动系统的设计计算 10
3.1功率及传动比的分配 10
3.1.1牵引速度 10
3.1.2种植要求 11
3.2减速器的选择 12
3.3带传动部分的设计计算 13
3.4带速的选择 15
3.5传动轴的设计 16
4切割装置的设计 17
4.1切割刀具的结构设计 17
4.2切割装置的工作过程分析 19
5支撑架的设计 22
6结论 23
参考文献 25
致谢 26
II
胡萝卜联合收获机根叶分离切割装置的设计
摘要
结合国内胡萝卜的种植模式及农艺要求，借鉴国外已有机型的机构功能原理，对一种偏置式胡萝卜联合收获机根叶分离切割装置进行了设计。
切割动力由拖拉机动力输出轴经减速器和传动装置获得，切割装置是由两组双曲柄多并行连杆机构组成，每一组机构均是由主动曲柄盘和从动曲柄盘的转动来带动六个结构尺寸相同的刀具连杆做往复合成运动。
根据联合收获机本身结构特点，合理地设计和布置两组机构的几何参数和工作参数，使两组刀具在工作过程中既不相互干涉，又能相互配合完成连续剪切的功能，对夹持输送带上的胡萝卜实现根叶的切割分离。
关键词：
胡萝卜；
联合收获机；
传动装置；
切割装置
DesignofDrivingandCuttingDeviceBelongedtoCarrotCombine
Abstract
Accordingtotheplantmodeandagriculturalrequirementofcarrot,asortofcuttingdeviceusedtoseparaterootsandleavesofcarrotwasdesignedbasedontheprincipleofcarrotharvestfromforeigncountries.ThecuttingpowerisderivedfromtheP.T.Ooftractortoreducer.Cuttingdevicesconsistoftwosetofconnectingrode,andeachconnectingrodeincludessixsamecutterswhichtakecompositemotionwiththedriveofcrankplate.Basedonthestructuralcharacteristicsofthecarrotharvester,geometricparametersandworkparametersofthecuttingdevicewerereasonablydesigned,soasthatthecutterscanoperatethecontinuallycuttingfunctionundertheconditionofnointerferencewitheachother.Carrotrootscanbeseparatefromleavessuccessfullybythecuttingdevice.
Keywords:
carrot;
combineharvester;
drivingdevice;
cuttingdevice
青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）
1绪论
1.1研究课题的目的与意义
胡萝卜作为主要经济作物之一，在全球分布较广，我国是全世界胡萝卜收获面积最多的国家，总产量占世界胡萝卜总产量的1/3。
相比其它作物，我国目前胡萝卜机械化作业水平非常低，收获方式还是主要以人工收获和半机械化分段收获为主，机械收获中主要利用挖掘犁将胡萝卜挖掘出来的单一功能的分段收获或利用马铃薯收获机或胡萝卜收获机进行兼收等。
因此，设计出专门用于胡萝卜的联合收获机械是我国农业机械研究人员面临的一项重要课题。
胡萝卜联合收获机能够实现胡萝卜的挖掘、输送、去土、根叶分离、集收等多项功能。
其中根叶分离的切割装置是收获机的重要功能部件，也是设计的难点和重点。
本项目的研究目的就是结合我国实际情况，借鉴欧美发达国家及日本、韩国等地区的现有的胡萝卜联合收获机型，研究设计出专门用于胡萝卜联合收获机的根叶分离切割装置，实现胡萝卜联合收获过程中将根叶切割分离的功能，并与其它部件合理衔接[1]。
根叶分离的切割装置是胡萝卜联合收获机整机设计的重要组成部分，这对于研制开发出实现适合我国国情的胡萝卜联合收获奠定了基础，对于提高工作效率、降低农民的劳动强度以及提高农民的经济效益具有重要意义。
胡萝卜既是我国重要的蔬菜作物和粮食作物，也是重要的出口创汇产品和农业结构调整重点发展和扶持方向。
但我国胡萝卜作物生产机械化发展严重滞后，长期依靠人工或半机械化作业，特别是收获作业，大部分地区仍以人工为主，机械化联合收获几乎还是空白。
人工挖掘和捡拾劳动强度大、用工多、效率低、损失大，国内对胡萝卜机械化收获技术设备的需求日趋迫切。
机械化根叶分离切割刀具部件是胡萝卜、马铃薯、大蒜等块茎类作物机械化收获的关键部件。
现代机械化收获技术要求收获机具能一次完成挖掘、拍土、切割、清选、集果等项作业的联合作业，切割技术的好坏直接影响到后续作业的质量。
随着社会生产对收获技术要求的提高，切割刀具部件研究越来越引起设计者的重视。
因此，研究、开发出适合我国国情的，且技术先进、经济实用的胡萝卜联合收获机切割装置，可以提高劳动生产率，减轻劳动强度，增加农民收入，调整农业产业结构[2]。
因此，本课题对于胡萝卜联合收获机整机的设计具有重要的意义。
1.2国外研究状况分析
欧美等国家对胡萝卜机械化收获起步早、发展快、技术水平高。
在20世纪40年代初，前苏联、美国就开始研制推广应用胡萝卜收获机了，尤其在两段收获方式的研究技术方面比较成熟。
50年代末期全面实现了生产机械化。
70—80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胡萝卜生产机械化。
国外胡萝卜收获机械的技术水平相当高，不但生产率高，而且高新技术已融于机具之中：
采用振动、液压技术进行挖掘；
采用传感技术控制土壤喂人量、胡萝卜传运量以及分级装载；
采用气压、气流、光电技术进行碎土和分离；
利用微机进行监控操作，其收获形式为典型的联合收获—胡萝卜收获机一次将胡萝卜挖掘、去土并通过切割刀具使根叶分离，并且通过抖动运输装置进行进一步的去土和集装。
较有代表性的是美国迪沃夫公司生产的胡萝卜联合收获机、日本久保田公司生产的胡萝卜收获机（图1-3）及美国KMC公司生产的系列胡萝卜挖掘机，由于国内外的胡萝卜品种不同，其机械也是针对胡萝卜种植的特点设计的，其挖掘部件多为平面铲，输送部件则多为带式和链杆式，独特的托辊振动筛用于分离泥土和杂物。
图1-3日本久保田胡萝卜收获机
总之，在国外几个主要生产胡萝卜的发达国家，都形成了用联合收获机直接收获，或用挖掘—传输—去土—割秧—清选来实现全面实现收获机械化的配套系统，基本上实现了胡萝卜联合收获机械化。
由于欧美等国家作业面积大，因此其胡萝卜收获装备具有大型化、高效率、价格昂贵、适应大面积作业等特点，并且都已实现无人驾驶、GPS导航系统控制。
1.3国内研究状况分析
我国胡萝卜栽培已有700多年的历史，我国种植区域主要分布在华北、华中、西南、西北和东北的部分省份，其中山东、河南、浙江和云南种植最多。
我国胡萝卜等经济作物种植面积和产量在世界上都居于世界前列，在国际农产品贸易中占有举足轻重的地位[3]。
然而胡萝卜等经济类作物收获机械发展相对滞后，主要是由于胡萝卜等经济类作物机械化水平低，尤其是收获环节机械化水平更低，造成生产成本居高不下，一些作物生产成本甚至高出国外五六倍．导致国际市场对我国经济作物需求减少，出口量萎缩，也直接影响了农民种植的积极性[4]。
我国胡萝卜种植区域分布广阔，地理环境复杂，不少地方已呈现规模化种植。
但是广大农村仍以分散、小片生产方式为主，而且多数山区和丘陵的地方种植模式复杂，既有垄作又有平作，且栽植品种多样，行、株距差距较大制约了收获机械的发展。
目前在我国，目前块茎类收获机械正处在发展时期，联合收获技术还处于研制阶段。
现有的块茎类作物收获有人工收获、牲畜牵引犁、“手拖”牵引犁等收获方法[5]，多采用分段收获，而且机械化程度普遍不高，通常是将一部分块茎类作物从土里翻到地表，其余作业由人工完成。
起步也滞后于花生、大蒜等根茎类收获机械，但主要属于有挖掘犁完成的挖掘翻起作业或由收获机完成挖掘、输送、分离及铺条作业，而后续的去土、切秧、捡拾及装袋等作业则有人工完成，功能简单，并存在能耗大、挖净率低、损伤率高及损失率大等问题。
国内的胡萝卜收获机只能在薯类等作物收获机械的基础上增加和拓展功能而已，特别是对于胡萝卜收获部件中的切割装置，我国在该部件上的研究创新还没有什么作为，我国的胡萝卜收获机的切割刀具易伤果，而且切割不够彻底，对专门用于胡萝卜收获的适应性有有待提高，集成度高的胡萝卜机械化联合收获还是空白[6]。
现在国内已存在多种兼收胡萝卜的收获机，多用小四轮拖拉机或手扶拖拉机配套。
作业时能完成胡萝卜的挖掘、抖土。
但挖掘后仍需要由人工完成捡拾，摘果，工作效率不高。
山东双利集团农业装备研究院研制的4UD—2型根茎类收获机（图1-1）是一种与小四轮拖拉机配套的新型收获机，创建了新的挖掘及分离原理，合理的动力传递及操纵装置。
它是一种全新的挖掘及分离装置为一体式的结构,具有挂接简单、操作灵活、作业效率高、稳定性好、受力均匀收获后作物成行分布等优点；
用于兼收胡萝卜、大蒜等作物，属光谱类根茎收获机械，生产效率高、作业损失少、安全可靠，是目前根茎类收获机械的理想机具[7]。
图1-14UD-2型根茎类收获机
辽宁省农机化研究所研制的TF-VS根茎类收获机（图1-2）与拖拉机配套使用，以其结构简单、价格低、使用成本低却能省去人工收获胡萝卜的大部分劳作而适用现阶段的农村经济。
该机械主要针对胡萝卜机械收获过程中的适应性差、壅土阻塞、秧蔓缠绕、损失率高等技术难题，研制的一种与中等功率拖拉机配套的TF-VS根茎类收获机。
该机主要用于收获胡萝卜、红薯、马铃薯等根茎类收获机械，这一收获机设计中在动力传动系统采用“偏心旋转，中央分离”的专有传动方式，采用异步振动筛将根茎作物从土壤中分离出来，不仅增强了采收作业效果，提高了采收率，而且大大降低了采收时的功率消耗，节省了能源降低了成本，减少对环境的污染，具有适用范围广，作业性能好，操作和维护方便产品可靠性高等特点[8]。
图1-2TF-VS根茎类收获机
1.4研究内容及设计要求
目前，胡萝卜播种机械化技术已基本成熟。
多种系列化的多功能胡萝卜播种覆膜机已在胡萝卜产区得到了大面积的推广和应用，实现了我国胡萝卜播种种植的机械化、产业化。
但胡萝卜收获方式大部分地区仍以人工收获为主，部分地区用胡萝卜挖掘犁。
少部分地区采用胡萝卜收获机，胡萝卜机械化的联合收获几乎为零。
1）研究内容
本课题是研究专门用于胡萝卜收获的联合收获机的根叶分离切割装置，研究内容分两部分：
传动装置和切割装置。
传动装置主要是传动方案的论证、功率分配、传动比的计算以及传动部件的结构尺寸设计；
切割装置主要是确定适合于我国胡萝卜种植模式的方案，刀具的工作原理、运动轨迹分析、受力分析和结构尺寸的设计。
2）设计要求
根据偏置式胡萝卜联合收获机本身结构特点，合理地设计和布置两组机构的几何参数和工作参数，使两组刀具在工作过程中既不相互干涉，又能相互配合完成连续剪切的功能，对夹持输送带上的胡萝卜实现根叶的切割分离。
切割动力由拖拉机动力输出轴经变速箱和传动装置获得，切割装置是由两组双曲柄多并行连杆机构组成，每一组机构均是由主动曲柄盘和从动曲柄盘的转动来带动六个结构尺寸相同的刀具连杆做往复合成运动。
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2总体方案的确定
2.1拟定的方案
方案一：
如图2-1所示该方案的动力传动是由皮带轮带动橡胶输送带夹持胡萝卜向上传输，当到达挡盘位置时，由于挡盘之间的缝隙不能使得胡萝卜通过，只允许其茎叶通过，在通过提升轮使得胡萝卜继续向上提升，使胡萝卜在到达切割圆盘时顶在其下盘面，而其胡萝卜和其茎叶继续向前运动，通过切割圆盘将胡萝卜果实和其叶相分离，最后将胡萝卜运送到集装箱。
图2-1方案一简图
1、皮带轮12、挡盘3、皮带轮24、切割圆盘
5皮带16、皮带27、提升轮
首先，通过方案分析可知该机器的带轮过多，生产加工成本过高，增加了农民的负担；
其次，造成机体的重量加大，增加了作业机械的功耗，不利于提高切割效率，不符合节约高效的设计理念；
其次是零件过多，空间的分配不太合理，胡萝卜收获过程中会出现堵塞的现象。
方案二：
该方案的胡萝卜收获机与拖拉机偏置式连接，动力传动通过拖拉机动力输出轴由万向节传到变速箱的输入轴上，切割装置（图2-2）采用带轮传动的方式。
拖拉机动力传到的齿轮箱以后，动力传动路线产生分流，一路由带轮传送到提升输送装置；
另一路经带轮传动到安装刀具轴驱动切割刀具，带动刀具进行运转，切割装置是由两个刀具的相互运动，运动可以分解为两个运动，绕轴线的回转运动和横向往复运动共同完成切割的效果。
每个刀具上有六个结构尺寸相同的刀片，工作过程每两个刀片的运动通过剪切力的作用达到根叶分离的效果。
图2-2胡萝卜收获机切割装置
2.2总体方案的分析与确定
经过以上两个方案的比较，我们可以看到第一种方案在工作环境良好的条件下适用，而且用的带轮较多，导致机组的重量过大，在收获的过程中占地面积较大，生产成本高，切割的效率降低，对于传输和后续的工作要求比较高，不利于山区和丘陵地区广泛的推广和使用，而且在切割过程中由于刀具结构尺寸的影响，造成果实损伤率较高。
因此不建议选择第一种方案。
方案二是采用与拖拉机偏置式进行连接，从安装位置考虑节省占地面积，而且采用带传动避免在传动过程中出现抖动影响切割效果，胡萝卜联合收获机采用了一种全新的三带式夹持输送机构。
该夹持机构结构较简单，稳定性好，此机械用于单行收获；
切割装置由两个刀具十二个刀片两两相互之间的运动所产生的剪切力来是根叶分离，并且出现不间断，避免了漏切，而且在切割的过程中由于刀具特殊的结构尺寸使得果实的损伤率低，因此该设计选择方案二。
2.3传动系统方案的确定
由图2-3可知，动力从拖拉机动力输出轴出来，通过万向结与减速器相连，在减速器里通过锥齿轮的变向作用使输出轴竖直向上，这样就使得该轴与刀具主动轴以及起到提升和输送作用的带轮所在的轴相平行，这样就在轴与轴之间通过带轮相连接，已完成挖掘、输送、切割时期根叶分离的效果。
图2-3方案一的简图
1、带轮轴2、带轮一3、带轮二4、带轮三
5、轴6、减速箱7、带轮四8、刀具轴9、皮带
由图2-4可知，动力从拖拉机动力输出轴出来后，通过万向节与减速器相连，在减速器里通过锥齿轮的变向作用使输出轴沿水平方向输出，然后将动力分两路，一路是通过带轮传到过渡轴，然后通过锥齿轮的变向将动力提升输送装置所在的轴；
另一路是通过齿轮啮合将动力传到过渡轴，然后再将过渡轴上的动力通过锥齿轮传送到刀具轴，从而达到切割的效果。
图2-4方案二的简图
1、减速器2、联轴器3、传动轴4、带轮
5、轴承6、齿轮7、过渡轴8、锥齿轮9、刀具轴
方案一是为了传送动力的方便将减速器输出轴方向向上，但是该方案存在两个缺点，一是将输出轴向上的固定会出现漏油（密封）和润滑问题；
二是仅仅通过带轮的传动难以实现两刀具轴和两输送带轮轴相反的转动的方向，因为在输送胡萝卜和使其根叶分离的过程，需要两刀具轴的转动方向相反而产生的剪切力使其达到胡萝卜根叶分离的效果。
因此方案一被否定。
方案二是将减速器输出轴水平方向放置，这样就避免出现密封漏油和润滑的问题，另外通过过渡轴与刀具轴之间的两套锥齿轮分别与刀具轴相连不仅能够保证动力变向，而且还保证了两刀具轴之间的转动方向相反，能够产生相对运动的剪切力，从而达到切割是根叶分离的效果。
通过两个方案的比较，我们看出方案二能够实现我们预期想要达到的效果，其优点明显比方案一好，因此选择方案二。
2.4胡萝卜收获机切割装置方案的确定
由于专门收获胡萝卜的联合收获机在我国还是空白，因此采用一些兼收胡萝卜的机器时，仅仅是将胡萝卜从地里挖掘出来，使胡萝卜铺放在地里，对于后续的捡拾以及是胡萝卜根叶分离的工作只能由人工来完成，对于大面积作业种植的农民来说，工作量非常之大，因此，对于胡萝卜联合收获机挖掘输送之后的切割使其根叶分离的切割装置的设计就显得尤其的重要，这是决定胡萝卜联合收获机收获效率的关键。
在确定切割装置方案之前，要先弄清胡萝卜收获根叶分离所达到的预期效果，在收获胡萝卜的过程中，首先要保证的是在不损伤果实的情况下尽量使根叶分离的干净彻底，以减少后续进一步的处理，其次，要保证切割效率高，既不要出现漏切的情况，又能够使资源得到充分的利用，故拟定的切割装置方案的选择如图2-5所示：
图2-5切割装置的三维仿真图
（1）
在如上图所示的方案中，我们能够清楚的看到，该切割装置是采用了两个转动方向相反的轴所带的刀具，每个刀具上都带有结构尺寸相同的刀片，由于其刀片结构尺寸的特殊性，来保证在工作的过程中实现根叶分离的效果。
在收获胡萝卜时，将胡萝卜从地里挖出经传送带输送到切割装置的过程中，传送在一边在运动，切割刀具同样也在转动，当胡萝卜输送到切割刀具处时，胡萝卜具有传输带所给的向后运动的速度，同时刀具也在运动，刀具的运动是合成运动，可分解为两个运动：
水平方向的往复运动和数值方向的回转运动，两个刀具上的刀片这种相互之间的运动作用在前进的胡萝卜上产生剪切力，从而使胡萝卜根与叶相分离达到预期的效果。
在上图所拟定的方案中，我们可以看出该方案能够实现根叶分离的效果，但是当刀具轴旋转一圈时，刀具只进行一次切割，明显效率很低，而且根据胡萝卜株距的要求，在传输过程中，有可能会出现漏切的胡萝卜，从而影响整个收获过程，因此要对其方案进行改进来保证切割效率和避免漏切。
方案二：
图2-6切割装置的三维仿真图
（2）
图2-6是对上一个方案的改进，每个刀具上装有六个尺寸相同的刀片，由于其结构尺寸的特殊性，当刀具轴转动时刀具随着转动，首先保证自身转动时，六个刀片不干涉；
其次，在两个刀具配合的过程中，不仅能够保证每个刀具上的刀片两两相配合，靠相对运动产生的剪切力来实现根叶分离的效果，又根据运动过程的分析，在工作的过程中不会出现间断的过程，从而避免了漏切的现象。
综上两个方案相比较，方案二的优点很明显，因此我们选择方案二来进行设计。
3传动系统的设计计算
3.1功率及传动比的分配
3.1.1牵引速度
为保证收获机械的工作效率和机组在田间的正常行走,选用四轮拖拉机的常用工作档位,这里参照类似的市场上现有机器性能参数可选取拖拉机的行驶速度即牵引速度。
3.1.2种植要求
根据胡萝卜种植要求选择株距为5cm，由于其收获方式采用侧置式的特殊需要，种植方式为一垄四行，行距分别为20cm、25cm、20cm，挖深为30cm，垄距为45cm。
3.1.3传动系统功率的分配
要确定传动系统的功率，首先要知道工作部件和提升传输部件所需的功率以及转速，在此基础上通过与拖拉机配套以及胡萝卜的株距和拖拉机收获时的行走速度来确定所需拖拉机的功率。
参考类似的机械的设计参数数据，可知取提升传输部件功率N=5Kw。
公式（3-1）
切割刀具所需功率=9kw，拖拉机转速n。
故：
=+=18公式（3-2）
取：
=20
由于整个收获装置需要液压提升，故拖拉机功率N为：
公式（3-3）
3.1.4传动比的分配
该设计主要是对切割装置进行传动比的设计。
动力输出轴通过减速器到传动轴，再到过渡轴，最后到达刀具轴，根据任务书要求刀具的转速为：
因此总传动比为：
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