馬鈴薯收獲機(jī)升運(yùn)收集裝置的設(shè)計(jì)與研究

孔令亮，易 栓

（1.鎮(zhèn)江市農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣站，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.鎮(zhèn)江市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

0 引 言

馬鈴薯是我國(guó)第四大作物，種植面積大，產(chǎn)量居世界首位，馬鈴薯在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。國(guó)內(nèi)馬鈴薯機(jī)械收獲包括挖掘、輸送、分離、后方鋪放撿拾等流程。國(guó)內(nèi)收獲機(jī)具以中小型為主，土薯分離性能差，機(jī)具性能不穩(wěn)定。我國(guó)北方部分地區(qū)馬鈴薯種植區(qū)域比較分散，未形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模，多數(shù)地區(qū)種植面積小，地塊零散。盡管馬鈴薯種植面積穩(wěn)步增長(zhǎng)，但土地流轉(zhuǎn)進(jìn)程緩慢，流轉(zhuǎn)機(jī)制還待完善，長(zhǎng)期以來(lái)形成的分散農(nóng)戶種植，影響了大型機(jī)具的使用率。中小型機(jī)具僅能完成挖掘及集條作業(yè)，種植規(guī)模變大，收獲周期不變，撿拾流程中所需的勞動(dòng)力較多,當(dāng)前農(nóng)村留守可雇用勞動(dòng)力逐漸減少，用工矛盾凸顯，人力撿拾裝袋收集成本高，效率低。本文設(shè)計(jì)了一款配套中小型收獲機(jī)具的升運(yùn)收集裝置，對(duì)該裝置的整體結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)并對(duì)其進(jìn)行理論計(jì)算、建模分析。該裝置具有輸送效率高、質(zhì)量輕、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

1 升運(yùn)收集裝置的總體結(jié)構(gòu)

本裝置固定連接在馬鈴薯收獲機(jī)機(jī)身上，通過(guò)液壓馬達(dá)輸出動(dòng)力帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，與同步帶嚙合帶動(dòng)撥齒升運(yùn)器提升輸送馬鈴薯，輸送到達(dá)頂端后，卸入薯塊收集箱，實(shí)現(xiàn)馬鈴薯裝袋或裝筐。

圖1 升運(yùn)輸送裝置的總體結(jié)構(gòu)

2 傳動(dòng)及輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力源及傳動(dòng)方式的確定

傳動(dòng)及輸送系統(tǒng)主要由液壓馬達(dá)、驅(qū)動(dòng)輪、驅(qū)動(dòng)軸、升運(yùn)輸送鏈、擋板等組成。

動(dòng)力驅(qū)動(dòng)由拖拉機(jī)輸出液壓推動(dòng)液壓馬達(dá)提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，液壓馬達(dá)具有質(zhì)量輕、布置方便、動(dòng)力輸出大小可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。

同步帶傳動(dòng)是一種嚙合型傳動(dòng)具有精確的定值傳動(dòng)比傳動(dòng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)比恒定、傳動(dòng)效率高等特點(diǎn)。梯形齒同步帶的基體為氯丁膠或聚氨酪橡膠，承載層為玻璃纖維繩芯、鋼絲等環(huán)形帶，具有極好的減震性、高強(qiáng)度性和尺寸穩(wěn)定性，保證了帶齒齒距的恒定性。傳動(dòng)過(guò)程中為多齒嚙合，具有傳動(dòng)平穩(wěn)性、良好的經(jīng)濟(jì)性、耐摩損耐油、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。本裝置選用同步帶傳動(dòng)。

驅(qū)動(dòng)輪套裝在驅(qū)動(dòng)軸上，相鄰齒之間為鏤空結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)既可滿足與同步帶嚙合，還可防止雜物在帶輪的齒間沉積，避免齒間沉積導(dǎo)致齒槽變淺而出現(xiàn)跳齒現(xiàn)象，可延長(zhǎng)輸送帶的使用壽命。

2.2 驅(qū)動(dòng)輪及輸送帶的設(shè)計(jì)

普通常用同步帶輪在傳動(dòng)的過(guò)程中，無(wú)法固定傳輸鏈的位置，傳輸時(shí)容易跑偏，需要另外加裝導(dǎo)向裝置。由于傳輸皮帶的寬度尺寸相對(duì)較大，設(shè)計(jì)時(shí)齒輪的齒寬就會(huì)越大，齒輪比較厚，制造成本增加，輪齒磨損后，維修成本高。工作環(huán)境惡劣，常伴有泥沙，莖葉等雜物，落入齒槽后無(wú)法自動(dòng)清除，齒槽越來(lái)越淺，無(wú)法與傳動(dòng)同步帶正常嚙合，會(huì)出現(xiàn)打滑、跳齒等現(xiàn)象，降低了輸送效率。為了克服普通帶輪的缺點(diǎn)，滿足輸送裝置中對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的使用要求，驅(qū)動(dòng)輪設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 驅(qū)動(dòng)輪

2.2.1 確定同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率Pd

式（1）中：K0—載荷修正系數(shù)，取 1.2；

Pm—工作機(jī)上動(dòng)力源功率，取Pm=3 kW。

代入式（1）得Pd=3.6 kW。

2.2.2 確定輸送帶的型號(hào)和節(jié)距

同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率Pd=3.6 kW，根據(jù)實(shí)際情況確定下驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速n1=200 r/min，由同步帶選型圖確定所需采用的同步帶的型號(hào)。查閱手冊(cè)，選取同步帶的型號(hào)為：XH 型，節(jié)距Pb=30 mm。

2.2.3 選擇上下驅(qū)動(dòng)輪齒數(shù)z1，z2

依據(jù)輸送帶的最小許用齒數(shù)確定，查表確定下驅(qū)動(dòng)輪齒數(shù)：z1=12，設(shè)傳動(dòng)比i=1，故上驅(qū)動(dòng)輪齒數(shù)：z2=12。

2.2.4 確定驅(qū)動(dòng)輪的節(jié)圓直徑d1，d2

2.2.5 檢驗(yàn)帶速v

依據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)查得，同步帶最大傳動(dòng)速度vmax=40 m/s，v

2.2.6 尺寸型號(hào)確定

驅(qū)動(dòng)輪：z1=12，d1=120 mm。

同步帶：型號(hào)XH，節(jié)距Pb=30 mm，帶寬bs=30 mm s=30 mm，β=30°。

2.3 撥齒升運(yùn)器的設(shè)計(jì)

撥齒升運(yùn)器由撥齒、撥齒支撐板組成，撥齒焊接或栓接在撥齒支撐板上，撥齒支撐板鉚接在同步帶上。如圖3 所示。

圖3 撥齒升運(yùn)器

輸送機(jī)械具有三大要素：牽引構(gòu)件、承載構(gòu)件和運(yùn)行方向。承載構(gòu)件是為物料或物品的運(yùn)行提供基本條件的構(gòu)件，通常包括盛放物料或物品的裝置、器具等。承載構(gòu)件常用的有：托板式器具、帶式容具、斗狀容具、槽形器具。輸送托板主要有T 型、C 型、TC型。T 型托板適用于輸送機(jī)傾角θ≤40°的場(chǎng)合；C型托板適用于輸送機(jī)傾角θ＞40°且物料流動(dòng)性較好的情況；TC 型輸送托板即適用于傾角θ＞40°且物料的粘性和粒度較大的場(chǎng)合。

農(nóng)業(yè)物料大傾角升運(yùn)中有多種方式，馬鈴薯常用方式多為間隔托板式輸送，考慮到中小型馬鈴薯收獲機(jī)具土薯分離不徹底，雜物較多，鈴薯收獲輸送過(guò)程中盡可能的土薯分離徹底，采用撥齒式升運(yùn)輸送。

當(dāng)升運(yùn)角為0°時(shí)，升運(yùn)物料面積最大，可以得到最好的升運(yùn)效果；當(dāng)升運(yùn)角為90°時(shí)，升運(yùn)高度等于升運(yùn)裝置長(zhǎng)度，可以得到最大的升運(yùn)高度，但此時(shí)升運(yùn)物料面積為0，為了得到最好的升運(yùn)效果與使用效果，結(jié)合收儲(chǔ)袋的長(zhǎng)度、收集箱高度、裝置離地高度，升運(yùn)角度選取49°。在此升運(yùn)角時(shí)，為避免薯塊輸送時(shí)外溢，將直線撥齒改為頂端圓弧撥齒。

2.4 升運(yùn)輸送鏈的設(shè)計(jì)與建模

升運(yùn)輸送鏈由梯形輸送帶、連接支撐桿、撥齒升運(yùn)器、鋼片、沉頭鉚釘?shù)冉M成。如圖4 所示。

圖4 升運(yùn)輸送鏈

梯形輸送帶的設(shè)計(jì)選擇，如圖5 所示。

圖5 輸送帶

連接支撐桿由金屬套筒、硬質(zhì)輕型塑料桿組成，將金屬套筒套在支撐桿兩端并鉚接在同步帶上。既滿足功能需求又降低成本及機(jī)身質(zhì)量。如圖6 所示。

圖6 鏈輥

桿條間隔距離以不漏失薯塊為宜，既保證塊莖不至于在桿條間漏失同時(shí)避免因連接支撐桿在同步帶上布置的數(shù)量增多而增加機(jī)身的質(zhì)量和成本。馬鈴薯的基本尺寸在30~80 mm，在設(shè)計(jì)中把不大于25 mm 的馬鈴薯不計(jì)損失，支撐桿直徑為10 mm，綜合以上因素，連接支撐桿間距設(shè)定為35 mm。

3 驅(qū)動(dòng)輪的有限元分析

3.1 有限元分析簡(jiǎn)介

有限元法(FEM)是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而不斷發(fā)展起來(lái)的一種分析工程設(shè)計(jì)的可靠數(shù)學(xué)方法，利用求解偏微分方程的方法求解流動(dòng)、電磁場(chǎng)以及結(jié)構(gòu)力學(xué)等線性問(wèn)題與非線性問(wèn)題。廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)中計(jì)算零部件的應(yīng)力分析、頻率分析、熱分析和優(yōu)化分析。Simulation 是Solidworks 公司推出的一套有限元分析軟件，作為嵌入式分析軟件與Solidworks無(wú)縫集成，可以方便地對(duì)機(jī)械模型進(jìn)行分析并迅速得到分析結(jié)果，無(wú)需進(jìn)行昂貴費(fèi)時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，縮短設(shè)計(jì)周期，降低測(cè)試成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

3.2 有限元分析法的步驟

（1）利用Solidworks 構(gòu)建實(shí)體模型；

（2）建立新算例，定義零件模型材料，材料選用合金鋼，材料性能如表1 所示；

表1 材料力學(xué)性能

（3）根據(jù)實(shí)際工況確定約束類型及約束位置；

（4）添加相應(yīng)載荷，大小為500 N；

（5）劃分網(wǎng)格，采用默認(rèn)的劃分即可；

（6）分析構(gòu)件，查看分析結(jié)果。

3.3 結(jié) 論

根據(jù)零件的工作情況對(duì)該零件進(jìn)行靜力分析，結(jié)果如圖6、7 所示，模型的最大von Mises 為410 MPa，材料屈服強(qiáng)度為620 MPa，零件的安全系數(shù)約為1.5，零件設(shè)計(jì)安全。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)馬鈴薯收獲機(jī)升運(yùn)輸送裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)、計(jì)算、研究分析，該裝置可以滿足中小型機(jī)具薯塊輸送收集的要求，具有工作效率高、成本低，實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵零部件帶輪的安全性能的分析，分析顯示部件設(shè)計(jì)安全可靠，能夠滿足工況使用要求。但是對(duì)于其只針對(duì)于靜態(tài)分析，分析結(jié)果還有一定的局限性，后續(xù)可對(duì)機(jī)具進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬分析、優(yōu)化，對(duì)驅(qū)動(dòng)軸進(jìn)行輕量化研究。