基于Solidworks的花生挖掘類收獲機具仿真設計

陳中武，張久雷，劉 華

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州 510630；2.羅定職業(yè)技術學院，羅定 527200）

基于Solidworks的花生挖掘類收獲機具仿真設計

陳中武1，張久雷2※，劉 華1

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州 510630；2.羅定職業(yè)技術學院，羅定 527200）

根據(jù)廣東花生品種、種植農(nóng)藝與收獲工藝要求，吸取國內(nèi)外花生收獲機械的基礎上，利用Solidworks軟件模擬仿真設計了一種花生挖掘類收獲機具。該收獲機具虛擬地懸掛于中小型拖拉機后，由拖拉機帶動該收獲機具進行集花生挖掘、碎土、粘土分離和鋪放等工序為一體的機械化收獲作業(yè)。這種模擬仿真設計方法能以較快的速度完成設計制作，不僅形象方便，還可節(jié)省研發(fā)成本，為廣東花生收獲機的設計開發(fā)提供一定參考。

花生 收獲機 仿真設計 Solidworks

0 引言

花生是廣東最重要的油料作物之一，全省各地均有種植。2013年廣東花生種植單位面積總成本約為16 867元／hm2，比2012年上升4.80%。在測算2012年廣東省花生產(chǎn)業(yè)各投入要素的貢獻率中，科技貢獻為41.7%、物質(zhì)投入貢獻率為42.4%、土地貢獻率為20.7%，而勞動力貢獻率為-1.67%，這說明土地是基礎保障，科技與肥料、農(nóng)藥等農(nóng)資投入對花生產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有很強的促進作用，而人工勞動力急需機械化生產(chǎn)設備來替代[1]。

目前花生生產(chǎn)過程中，耕整、灌溉和植保機械化已基本完善，播種和覆膜機械不斷成熟，但收獲、摘果、脫殼、干燥等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的機械品種少、性能和質(zhì)量還不能完全滿足要求[2]。特別是收獲作業(yè)環(huán)節(jié)，主要靠人工完成，勞動強度大、作業(yè)成本高、效率低、損失大已經(jīng)成為花生規(guī)?；a(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸。因此，需要研制花生收獲機械以解決人工收獲花生存在的問題。

在廣泛調(diào)研產(chǎn)區(qū)農(nóng)戶對花生收獲機械建議的基礎上，查閱國內(nèi)外花生收獲機型并參考其機構原理，結合產(chǎn)區(qū)花生種植實際情況，利用Solidworks三維軟件模擬仿真設計了一種新型花生收獲機具。該模擬仿真的花生收獲機具虛擬地懸掛于中小型拖拉機后，由拖拉機帶動該機具進行挖掘花生及收獲作業(yè)。這種基于Solidworks模擬仿真軟件的設計方法能以較快的速度完成設計制作，不僅形象方便，還可節(jié)省研發(fā)成本，為廣東花生收獲機的設計開發(fā)提供一定參考。

1 花生機械化收獲作業(yè)模式

針對花生收獲環(huán)節(jié)機械化程度不同，將花生收獲機械劃分為三種收獲模式：分段機械收獲模式、聯(lián)合機械收獲模式、兩段機械收獲模式。其中分段機械收獲是指對應花生收獲各工序由不同的收獲機械進行作業(yè)；聯(lián)合機械收獲是指花生收獲各工序均

由一臺機器完成全收獲過程作業(yè)；兩段機械收獲是將花生收獲的全過程分為兩段，即一段是先用挖掘機具進行花生挖掘、鋪放作業(yè)，另一段是用帶撿拾、摘果、果土秧分離、收集、裝車功能為一體的撿拾機械作業(yè)。美國等發(fā)達國家均采用兩段收獲模式[3]?；趶V東南方地區(qū)相對小面積種植、田塊分散、地形復雜多變，大多種植于丘陵地區(qū)的情況，本文模擬仿真設計的花生收獲機械采用此兩段收獲模式，即設計一種集花生挖掘、碎土、粘土分離和鋪放等工序為一體的收獲機具（撿拾機械不在此討論）。

2 總體方案設計

2.1 總體布局

如圖1所示，花生收獲機主要由拖拉機和其后的收獲機具組成。拖拉機選用廣東農(nóng)村普遍使用的中小型配套動力機型，收獲機具如圖2所示。作為花生收獲機的核心機構，本文仿真設計的花生收獲機具樣機主要由機架、拉桿、升運分離傳送帶、三角帶、帶輪、搖桿、分離簸篩、萬向輪、搖桿、集鋪彎板、偏心輪、挖掘鏟、傳動軸套、掛桿、變速箱等組成。

2.2 傳動方案

基于廣東省農(nóng)村花生種植分散經(jīng)營的現(xiàn)狀和農(nóng)民的消費水平的限制，以及農(nóng)村現(xiàn)擁有的大量的中小型拖拉機的特點，決定了在今后一段時期內(nèi)，廣東省仍然要以中小功率的花生收獲機為設計生產(chǎn)和推廣對象，中小型花生收獲機械將是花生收獲機市場上的主導產(chǎn)品。本文仿真設計的花生收獲機具選用功率為30 kW以下的中小型拖拉機為配套動力，拖拉機動力輸出軸輸出動力傳動方案如圖3所示。傳動路線為：動力由拖拉機動力輸出軸傳入變速箱，經(jīng)變速箱減速增扭后將動力分別傳動給帶輪和凸輪。其中，通過凸輪的動力經(jīng)與凸輪鏈接的連桿機構傳遞給簸篩進行快速往復運動；通過帶輪的動力經(jīng)過皮帶、鏈輪、鏈條傳輸給升運輸送裝置，以此帶動作物運動至簸篩。

圖1 花生收獲機總體布置圖

圖2 收獲機具總體結構示意圖

圖3 傳動方案

2.3 工作過程

作業(yè)時，將收獲機具懸掛于拖拉機后面，拖拉機牽引收獲機具前行，帶動尖嘴弧形挖掘鏟入土，將花生及粘土一起鏟出，并在拖拉機前行慣性作用下經(jīng)挖掘鏟柵條繼續(xù)向后移動至升運分離輸送帶上，在挖掘鏟柵條和升運分離輸送帶的提升輸送下，花

生與粘土進行初次分離，然后繼續(xù)向后移動至分離簸篩處，與粘土再次分離，經(jīng)集鋪彎板裝置后，基本與粘土分離的花生即鋪放于地表上，由人工或相應機械拾取收集即可完成花生收獲。

3 主要工作部件仿真設計

3.1 挖掘鏟裝置仿真設計

花生挖掘鏟裝置是收獲機具關鍵零部件之一，其作用是切斷花生根系及粘土，并將其混合物挖掘起來，在慣性動力下傳輸給挖掘鏟柵條和粘土分離輸送裝置。挖掘鏟工作時既要保證足夠的入土深度，把土中所有的花生挖掘出來，又要防止挖掘鏟纏草和壅土現(xiàn)象，以減少進入柵條和粘土分離裝置的粘土和雜草，浪費功耗；還要考慮前行阻力小、挖掘深度穩(wěn)定、耐磨損、碎土性好、自潔性好以及制作工藝方便等[4-5]。因此本文的花生挖掘鏟的仿真設計為尖嘴弧形挖掘鏟，結構如圖4和圖5所示。尖嘴弧形挖掘鏟由5個尖嘴弧形刀具組成，尖嘴弧形挖掘鏟的尖嘴刀具設計可減少鏟尖與土壤的接觸面積，以減少阻力增加切入土效果，弧形設計可有效提升碎土能力，便于后續(xù)的粘土分離工作。

3.2 分離傳輸裝置仿真設計

分離傳輸裝置是將柵條移動過來的花生粘土混合進行初次的粘土分離，并輸送至下一個工序。分離傳輸裝置主要由鋼條、前、后鏈輪、鏈條、帶輪、三角帶和掛齒組成，結構如圖6所示。

圖4 花生挖掘鏟裝置

圖5 尖嘴弧形刀具

圖6 分離傳送裝置

圖7 花生分離簸篩及鋪放裝置

3.3 分離簸篩及鋪放裝置

分離簸篩裝置是將分離輸送裝置移動過來的花生粘土混合物進行再次的花生粘土分離，并輸送至集鋪彎板裝置上進行鋪放?；ㄉ蛛x簸篩及鋪放裝置主要由傳動齒輪、機架、凸輪、曲柄連桿機構、角度調(diào)節(jié)裝置及集鋪彎板等組成，如圖7所示。工作時，經(jīng)變速箱減速增扭后的動力傳遞給凸輪，凸輪動力與凸輪鏈接的曲柄連桿機構配合運動，傳遞

給簸篩進行快速的往復運動，便可實現(xiàn)在分離簸篩裝置上花生與粘土的分離，然后進入集鋪彎板裝置，將花生鋪放于地表，為后續(xù)拾取和收集工序做準備。

4 花生收獲機構整體仿真設計（整機效果圖）

本文利用Solidworks軟件仿真設計了機架、尖嘴弧形挖掘鏟裝置、升運分離傳送帶裝置、分離簸篩裝置、曲柄連桿機構裝置、集鋪彎板裝置、凸輪、帶輪、三角帶、鏈輪、鏈條、減速器、軸承、傳動齒輪箱、傳動軸以及地輪、三點懸掛機架等零部件，并進行了虛擬樣機裝配及仿真運行，效果良好。圖8所示為花生收獲機具整體仿真效果圖。

圖8 花生收獲機具虛擬樣機圖

4 結論

1）花生收獲使用分段收獲技術，配套中小型拖拉機聯(lián)合作業(yè)，適合南方地區(qū)相對小面積種植、田塊分散、地形復雜多變，大多種植于丘陵地區(qū)的花生生產(chǎn)模式；

2）采用尖嘴弧形挖掘鏟方式收獲作業(yè)，入土性能、碎土效果好，功耗小、適應性強；

3）利用模擬仿真軟件可較快的完成設計制作，其虛擬樣機技術所展現(xiàn)的結構原理、作業(yè)方式不僅形象方便、可為樣機設計開發(fā)提供參考，還可大大降低研發(fā)成本。

[1]段洪洋，張祿祥，劉序，等.2013年廣東花生產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢與對策建議[J].廣東農(nóng)業(yè)科學，2014（4）：8-10.

[2]周桂元，梁炫強.廣東花生產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、存在問題及對策建議[J].花生學報，2010，39（1）：36-41.

[3]關萌，趙寶權，高連興.花生收獲機械的類型及特點[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備，2013（10）：34-39.

[4]呂冰，呂釗欽.振動式花生收獲機的設計[J].農(nóng)機化研究，2012（12）：111-114.

[5]王志軍，陳士新，曹明亮.馬鈴薯收獲機結構設計探討[J].湖南農(nóng)機，2008(7)：l-3.

Based on the Solidworks of Simulation Design On Digging Type Peanut Harvester

Chen Zhong-wu1,Zhzng Jiu-lei2,Liu hua1
(1.Guangdong institute of Modern Agricultural Equipent Guangzhou 510630 2.Luoding PolyTechnic Luoding 527200)

According to the requirement of Guangdong peanut varieties,planting and harvesting process,a kind of digging peanut harvester is simulation designed with software of Solidworks based on the original design experience.The harvester which be driven to digging,broken soil,clay separation and Laying,virtual suspension in tractor back and can be applied with medium and small sized tractor.This simulation design method can be completed at a faster rate design,not only the image is convenient,but also save the development costs,to provide some reference for the design and development of Guangdong peanut harvester.

peanut harvester,simulation design,solidworks

陳中武（1972-），男，廣東羅定人，工程師，主要從事農(nóng)業(yè)機械方面研究開發(fā)

※通訊作者：張久雷（1981—），男，山東沂水人，高級技師。Email:406011313@qq.com