草地蝗蟲吸捕機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

鄧喜全，杜文亮，陳　偉，劉廣碩，政東紅

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特　010018)

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草地蝗蟲吸捕機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

鄧喜全，杜文亮，陳偉，劉廣碩，政東紅

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特010018)

摘要：為進(jìn)一步提高草地蝗蟲吸捕機(jī)的性能，在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院研制的3CHX18型草地蝗蟲吸捕機(jī)基礎(chǔ)上，對(duì)相應(yīng)工作單元進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。將風(fēng)機(jī)動(dòng)力源由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)改為柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的獨(dú)立動(dòng)力傳動(dòng)型式，提高了機(jī)組傳動(dòng)效率和運(yùn)行的機(jī)動(dòng)性能；同時(shí)，將卸料口改進(jìn)為一種螺旋輸出卸料結(jié)構(gòu)，使卸料更方便、快捷。樣機(jī)試驗(yàn)表明：機(jī)組作業(yè)安全可靠，傳動(dòng)效率達(dá)97.6%，吸吹口氣流達(dá)到目標(biāo)速度，卸料裝置能連續(xù)穩(wěn)定輸出物料，機(jī)器整體性能得到進(jìn)一步提升。

關(guān)鍵詞：蝗蟲；吸捕機(jī)；草地；動(dòng)力源

0引言

蝗蟲屬于節(jié)肢動(dòng)物門、昆蟲綱、直翅目、蝗科，是典型的植食性昆蟲[1]，具有暴發(fā)性、遷飛性和毀滅性等特點(diǎn)?；葹?zāi)是危害農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)安全的世界性重大生物災(zāi)害，歷史上蝗災(zāi)頻繁發(fā)生，與水災(zāi)、旱災(zāi)并稱為“三大自然災(zāi)害”，曾給人民生活造成過(guò)深重災(zāi)難。草原蝗蟲是草原上的主要害蟲，每年都有大量的牧草被啃食，加劇了草畜的不平衡，給農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)造成不可估量的損失。

草地蝗蟲吸捕機(jī)是一種采用物理方法防治草原蝗蟲的新型植保機(jī)械，治理成本較低，不受草原氣候的影響，不污染環(huán)境，幾乎不摧殘蝗蟲天敵，維護(hù)草原生態(tài)的良性循環(huán)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)草原蝗蟲的無(wú)毒無(wú)害化捕集治理。同時(shí)，捕集的蝗蟲還可作為家禽的飼料，推動(dòng)草原蝗蟲資源的進(jìn)一步利用[2-3]。針對(duì)目前草地蝗蟲吸捕機(jī)存在的機(jī)動(dòng)性能差、卸料不方便等問(wèn)題，在調(diào)查研究和實(shí)物觀察的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)有機(jī)器進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)。

1存在的主要問(wèn)題分析

1.1原有蝗蟲吸捕機(jī)的工作過(guò)程

草地蝗蟲吸捕機(jī)的工作過(guò)程是利用JDT654拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸作為動(dòng)力源，通過(guò)PTO傳動(dòng)軸和中間萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸帶動(dòng)變速箱提高轉(zhuǎn)速，變速箱再將動(dòng)力經(jīng)過(guò)V帶傳遞給離心通風(fēng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱風(fēng)機(jī))；風(fēng)機(jī)產(chǎn)生連續(xù)不斷的負(fù)壓氣流，并借助蝗蟲在聲像、氣流等干擾下所具有的跳躍、躲避特性，在行走中對(duì)蝗蟲進(jìn)行吸入捕集，吸入的蝗蟲在沉降室的作用下沉降于底部[4]；卸料時(shí)，將沉降室底部卸料口各螺栓拆卸，打開(kāi)料門裝袋收集?；认x吸捕機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.離心通風(fēng)機(jī)　2.中間萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸　3.卸料口　4.變速箱　5.V帶

1.2存在主要問(wèn)題分析

1)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由拖拉機(jī)油門控制，在實(shí)地試驗(yàn)時(shí)很難協(xié)調(diào)吹吸口氣流速度和機(jī)器前進(jìn)速度，影響機(jī)器前進(jìn)速度和工作效率。

2)由于整機(jī)轉(zhuǎn)向受PTO傳動(dòng)軸影響，拖拉機(jī)牽引草地蝗蟲吸捕機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)彎受到一定的限制，機(jī)動(dòng)性較差。

3)動(dòng)力在傳遞過(guò)程中，中間傳動(dòng)過(guò)程能量損失多，且使用、安裝費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

4)沉降室底部的料門用多個(gè)螺栓連接，需松開(kāi)螺栓才能完成卸料，使用不便，并容易導(dǎo)致蝗蟲逃逸。

分析以上問(wèn)題，擬將原風(fēng)機(jī)動(dòng)力源由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)型式改為自帶獨(dú)立動(dòng)力傳動(dòng)型式；同時(shí)，改進(jìn)卸料口結(jié)構(gòu)，以方便卸料。

2關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1動(dòng)力源的改進(jìn)設(shè)計(jì)

將原機(jī)部分動(dòng)力傳動(dòng)部件拆除，在原來(lái)變速箱的位置安裝柴油機(jī)，直接帶動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。改進(jìn)后要求吸風(fēng)口的氣流速度最小達(dá)14m/s，吹風(fēng)口氣流速度大于等于吸風(fēng)口氣流速度且其差值不大于3m/s[5]。

2.1.1動(dòng)力選擇及傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

風(fēng)機(jī)的工作參數(shù):額定功率13kW，轉(zhuǎn)速2 020r/min，風(fēng)量5 567～7 740m3/h?？紤]到功率儲(chǔ)備，實(shí)際選用的柴油機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1　柴油機(jī)參數(shù)

風(fēng)機(jī)的功率比較大，柴油機(jī)在啟動(dòng)、關(guān)閉過(guò)程中空載，需安裝一套空載啟動(dòng)裝置?？紤]機(jī)器的整體性，風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)向與柴油機(jī)轉(zhuǎn)向相匹配，初步確定動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的總體方案如下：柴油機(jī)通過(guò)離合器，經(jīng)過(guò)V帶，帶動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖2所示。

1.柴油機(jī)　2.離合器　3.V帶　4.風(fēng)機(jī)　5.機(jī)架

為了在傳動(dòng)中實(shí)現(xiàn)動(dòng)力自動(dòng)離合，選用一種離心式飛輪離合器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，如圖3所示。離合器直接與柴油機(jī)飛輪通過(guò)螺栓連接，其可傳遞功率為15kW，帶輪直徑240mm，則

式中n1—風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；

d1—風(fēng)機(jī)皮帶輪直徑(mm)；

n2—柴油機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)；

d2—離合器帶輪直徑(mm)。

風(fēng)機(jī)皮帶輪直徑為176mm, 根據(jù)傳動(dòng)比計(jì)算得柴油機(jī)轉(zhuǎn)速n2=1 481r/min，小于柴油機(jī)在80%標(biāo)定轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)速，滿足使用要求。

圖3　離心式飛輪離合器

2.1.2起動(dòng)系統(tǒng)

柴油機(jī)安裝位置不宜手啟動(dòng)，為了方便機(jī)器的使用，采用電啟動(dòng)柴油機(jī)，因此需要電瓶作為電源。根據(jù)起動(dòng)機(jī)的型號(hào)，選配相應(yīng)的電瓶參數(shù)，如表2所示。

表2　電瓶參數(shù)

連接導(dǎo)線、開(kāi)關(guān)、電閘等部件，根據(jù)接線圖(見(jiàn)圖4)及電路原理圖(見(jiàn)圖5)，經(jīng)過(guò)實(shí)物安裝并連接柴油機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)后，如圖6所示。

圖4　接線圖

圖5　電路原理圖

圖6　起動(dòng)系統(tǒng)

2.1.3配套拖拉機(jī)動(dòng)力的選擇

改進(jìn)后機(jī)器不用動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，需保證拖拉機(jī)在合適的機(jī)器作業(yè)速度范圍內(nèi)發(fā)揮足夠的牽引力及牽引功率，以克服配套機(jī)器的行走阻力, 并要留有10%～20%的功率儲(chǔ)備，以適應(yīng)機(jī)器短期阻力增大[6]，則有

FTb≥(1.1～1.2)Fn

Fn=Ff

Ff=fmg

式中PTb—拖拉機(jī)標(biāo)定牽引功率(kW)；

FTb—拖拉機(jī)標(biāo)定牽引力(kN)；

Fn—機(jī)器的平均牽引力(N)；

Ff—機(jī)器滾動(dòng)阻力(N)；

v—實(shí)際作業(yè)速度(km/h)；

m—機(jī)器總質(zhì)量(kg)；

f—滾動(dòng)阻力系數(shù)。

樣機(jī)工作時(shí)總質(zhì)量m≈1 500kg,機(jī)器在草地上滾動(dòng)阻力系數(shù)f=0.07，g=10m/s2, 機(jī)器其它阻力忽略不計(jì)，實(shí)際作業(yè)最大速度v=12km/h。故計(jì)算得：PTb≥5kW，F(xiàn)Tb≥1.5kN。

以SF350拖拉機(jī)為參考，在前進(jìn)速度為1.86km/h時(shí)標(biāo)定的最大牽引功率、最大牽引力分別為19.5kW、10.5kN。當(dāng)功率一定時(shí)，拖拉機(jī)牽引力與速度成反比，計(jì)算當(dāng)機(jī)器最大作業(yè)速度為12km/h時(shí)拖拉機(jī)的牽引力為1.6kN大于所需牽引力1.5kN,因此選取配套拖拉機(jī)動(dòng)力為25.7kW以上。

2.2卸料口的改進(jìn)設(shè)計(jì)

在原來(lái)卸料部位加裝一套螺旋輸出卸料裝置，使操作者可以在外側(cè)直接卸料?？紤]到整機(jī)的氣流流動(dòng)，需保證卸料裝置的密封性。

2.2.1螺旋輸出卸料裝置

螺旋輸出卸料裝置主要由輸送器葉片、手輪、螺旋軸、機(jī)殼、軸承及料門等部件組成，如圖7所示。工作時(shí)，物料從進(jìn)料口進(jìn)入，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)手輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，物料受到螺旋葉片推力的作用。該推力的徑向分力和葉片對(duì)物料的摩擦力，將使物料繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)；但由于物料本身的重力和料槽對(duì)物料的摩擦力的緣故，不與螺旋葉片一起旋轉(zhuǎn)，而在葉片法向推力的軸向分力作用下，沿著料槽軸向移動(dòng)[7]，并從出料口散落。

圖7　螺旋輸出卸料裝置

2.2.2螺旋葉片的選擇

在螺旋輸出卸料裝置中，螺旋葉片的選取尤為重要。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)和材料的選取，選擇輸送器葉片的尺寸為190mm×60mm×3mm(輸送器葉片外直徑×輸送器軸徑×厚度), 輸送器葉片的螺距t為160mm。

輸送物料名稱為蝗蟲，其具體參數(shù)如下：

卸料時(shí)間/min：3～5

物料容重γ/kg·m-3：396.42

螺旋輸送機(jī)水平放置。螺旋輸送器的生產(chǎn)率(推運(yùn)量)Q為

式中D—輸送器葉片外直徑(mm)；

λ—輸送器葉片與外殼間隙(mm)；

d—輸送器葉片內(nèi)直徑(輸送器軸徑)(mm)；

t—輸送器葉片螺距(mm)；

n—輸送器轉(zhuǎn)速(r/min)；

ψ—蝗蟲的充滿系數(shù)；

C—輸送器傾斜輸送系數(shù)。

輸送器葉片采用實(shí)體螺旋面，C=1，λ=5mm， ψ=0.25[8],基于人機(jī)工程學(xué)計(jì)算搖動(dòng)輸送器的轉(zhuǎn)速n大概為50r/min。故計(jì)算出生產(chǎn)率(推運(yùn)量)Q≈0.3kg/s。

在實(shí)際工作中一次收集蝗蟲Q總≈60kg時(shí)需要進(jìn)行卸料，則一次卸料時(shí)間T為

因此，T滿足要求。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1試驗(yàn)設(shè)備

樣機(jī)一臺(tái)，型號(hào)3CHX18；光電式轉(zhuǎn)速表，型號(hào)DT-2234B，精確度±0.05%，分辨率1r/min(1 000～99 999r/min)；熱球式風(fēng)速儀，型號(hào)QDF-3，分辨率0.01m/s，測(cè)量范圍0.05～30m/s,滿量程測(cè)量誤差±5%；計(jì)時(shí)器，型號(hào)XL-013。

圖8　轉(zhuǎn)速表

圖9　熱球式風(fēng)速儀

3.2試驗(yàn)條件

2014年11月24日，在呼和浩特市內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械廠進(jìn)行了室外吸吹口氣流速度和螺旋輸出卸料裝置的試驗(yàn)。當(dāng)天天氣晴朗，溫度-2～3℃，微風(fēng)小于3級(jí)，由于時(shí)間、地域限制沒(méi)有蝗蟲作為試驗(yàn)材料，所以選用切碎的玉米秸稈替代。

3.3試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果分析

試驗(yàn)過(guò)程中，柴油機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)工作正常，離心式飛輪離合器在機(jī)器啟動(dòng)、關(guān)閉時(shí)可以實(shí)現(xiàn)空載，沒(méi)有打滑現(xiàn)象產(chǎn)生，整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、安全可靠。

計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)輸出切碎玉米秸稈試驗(yàn)表明：螺旋輸出卸料裝置可以在4min內(nèi)連續(xù)平穩(wěn)地輸出80kg玉米秸稈，并沒(méi)有卡死等問(wèn)題出現(xiàn)。

試驗(yàn)時(shí)，考慮螺旋輸出卸料裝置可能會(huì)影響整機(jī)的密封性問(wèn)題，首先不安裝此套裝置，將卸料口正常密封多次進(jìn)行風(fēng)速、轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，測(cè)得當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1 313 r/min、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 748r/min時(shí)、吸吹口氣流速度，如表3所示。

表3　改進(jìn)前吸吹口風(fēng)速試驗(yàn)

安裝螺旋輸出卸料裝置后，再次進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得當(dāng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速為1 372r/min、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 826r/min時(shí)吸吹口氣流速度，如表4所示。

表4　改進(jìn)后吸吹口風(fēng)速試驗(yàn)

續(xù)表4

根據(jù)風(fēng)機(jī)相似原理，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)量成正比關(guān)系。由吸風(fēng)口平均氣流速度和對(duì)應(yīng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)算可得：安裝螺旋輸出卸料裝置后，大約有1.46% 的風(fēng)量損失，但是吸吹口氣流速度仍能夠達(dá)到目標(biāo)要求。實(shí)際工作中，當(dāng)蝗蟲在沉降室底部不斷積累時(shí)，卸料口密封程度會(huì)進(jìn)一步提高，進(jìn)而風(fēng)量的損失還會(huì)減小。

4結(jié)論與建議

1)風(fēng)機(jī)動(dòng)力源改進(jìn)后用柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)代替拖拉機(jī)后動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)，提高了機(jī)組的傳動(dòng)效率和運(yùn)行的機(jī)動(dòng)性能，并且能夠滿足吸吹口氣流速度達(dá)到目標(biāo)值。

2)卸料口改進(jìn)后，安裝的螺旋輸出卸料裝置使卸料更方便、快捷。

3)介于季節(jié)原因，樣機(jī)沒(méi)有在實(shí)地中進(jìn)行吸捕試驗(yàn)，還需進(jìn)一步實(shí)地測(cè)試。

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Improvement Design and Experiment of Pneumatic Grasshopper Trapper

Deng Xiquan, Du Wengliang, Chen Wei, Liu Guangshuo,Zheng Donghong

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018，China)

Abstract：In order to improve the performance of the pneumatic grasshopper trapper, the corresponding unites were designed and improved based on 3CHX18 Pneumatic grasshopper trapper which was invented by Inner Mongolia Agricultural University of mechanical and electrical engineering. The centrifugal ventilator was used to be powered by tractor power take-off. Now using diesel engine to drive ventilator straightly as a new type of independent power system. The transmission efficiency and maneuverability have been improved. Take the spiral output discharge device instead of discharging port, making it more convenient than before. Experiments showed that this prototype was able to work safely and reliably, the transmission efficiency is up to 97.6%, the speed of suck-head can achieve the target speed, the discharging device can convey materials continuously and stably, and the overall performance of this machine was greatly enhanced.

Key words：grasshopper; suction trap machine; grassland; power source

文章編號(hào)：1003-188X(2016)02-0077-05

中圖分類號(hào)：S499

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：鄧喜全(1989-)，男，遼寧普蘭店人，碩士研究生，(E-mail)xiquandengyideng@163.com。通訊作者：杜文亮(1957-),男，內(nèi)蒙古達(dá)拉特旗人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)duwl5711@vip.imau.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50265002)；內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(NDTD2013-6)

收稿日期：2015-01-29