小型家用山藥挖掘裝置的設(shè)計(jì)與研究

周中升，郝欣妮，朱亞?wèn)|

（揚(yáng)州市職業(yè)大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225009）

0 引 言

山藥的藥用價(jià)值及食用價(jià)值已在醫(yī)學(xué)和日常飲食中得到了充分的體現(xiàn)，具有健脾益胃、恢復(fù)體力、降血糖等作用。但是山藥在收獲時(shí)僅靠人工挖掘效率較低。機(jī)器挖掘成品率不能保證，甚至?xí)斐蓽p產(chǎn)，導(dǎo)致農(nóng)民不愿意大面積種植。為此，加大對(duì)山藥挖掘裝置的機(jī)械化研究投入，提高山藥挖掘完整度的研發(fā)變得很有必要[1-3]。

目前，由于山藥根莖較長(zhǎng)，對(duì)土壤環(huán)境有一定的要求，導(dǎo)致市面上常見(jiàn)的一些山藥挖掘裝置不能很好地匹配地形，挖掘效率不高，常出現(xiàn)挖坑深度較淺、山藥損壞嚴(yán)重等問(wèn)題。因此，研制一種能夠提高挖掘成功率、適合于山藥地理環(huán)境、挖掘深度可調(diào)的小型挖掘裝置勢(shì)在必行[4-6]。本次研究設(shè)計(jì)的小型家用山藥挖掘裝置體積小，保證質(zhì)量，價(jià)格低廉，適合于家用挖掘且挖掘效率高。

1 山藥挖掘裝置工作原理

提高山藥挖掘效率與減少山藥挖掘?qū)е碌臄嗔褑?wèn)題是研發(fā)現(xiàn)有山藥挖掘裝置的首要目標(biāo)。本山藥挖掘裝置采用雙側(cè)螺旋鉆桿開(kāi)溝，具有提高勞動(dòng)效率、減少人工挖掘、降低勞動(dòng)成本的特點(diǎn)。動(dòng)力源則采用家用拖拉機(jī)作為牽引動(dòng)力，動(dòng)力源與挖掘裝置之間通過(guò)轉(zhuǎn)軸連接，在螺旋鉆桿的作用下向下挖掘，并將傳送出的土壤通過(guò)簡(jiǎn)易的震動(dòng)裝置打散，將泥土向上輸送。通過(guò)橫軸的送土器將土壤輸送至山藥的兩側(cè)，輸送的過(guò)程中產(chǎn)生震動(dòng)，使得山藥上僅留有少量土壤，方便拾取山藥。

挖掘裝置的整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，工作時(shí)，拖拉機(jī)提供動(dòng)力源，皮帶輪與送土器連接，送土器與螺旋鉆桿之間主要由齒輪嚙合構(gòu)成，將螺旋鉆桿挖出的土壤經(jīng)由送土器送出，為保證土壤挖出后不再進(jìn)入溝渠，通過(guò)架子與連接蓋板將土壤推至機(jī)器兩側(cè)。拖拉機(jī)尾部旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)花鍵軸，由差速箱將通過(guò)傳動(dòng)軸經(jīng)齒輪嚙合傳送至螺旋鉆桿，完成土壤的開(kāi)溝挖掘。

圖1 山藥挖掘裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整體的設(shè)計(jì)主要從3 個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)：首先是動(dòng)力源部分，在實(shí)際使用中，機(jī)器需要跟隨挖掘位置隨時(shí)移動(dòng)，從成本考慮，選用農(nóng)用拖拉機(jī)將會(huì)大大降低研究成本。其次，山藥挖掘需將山藥兩側(cè)的土壤清除，由齒輪嚙合帶動(dòng)螺旋鉆進(jìn)行溝渠的開(kāi)挖，作用機(jī)理與犁田翻土機(jī)類似，效率較高。最后，送土裝置設(shè)計(jì)，將挖出的土壤通過(guò)橫向螺旋鉆桿送出至螺桿的兩側(cè)，提高了工人撿拾的效率。

2 主要零部件及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主要零部件的設(shè)計(jì)

送土器的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，材料選用Q235 鋼，送土器經(jīng)齒輪傳動(dòng)后最終轉(zhuǎn)速設(shè)置為400 r/min。該設(shè)計(jì)主要是將挖掘出的土壤快速輸送至山藥兩側(cè)，因此齒與齒之間寬度設(shè)置較寬，約為150 mm，增大了送土面積，提高了送土效率。同時(shí)該裝置頂部還設(shè)有蓋板裝置，可以將送出的土壤壓平打散，減少二次人工挖掘時(shí)間。

圖2 送土器結(jié)構(gòu)圖

螺旋鉆桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3 所示，同樣選擇Q235 鋼，考慮山藥挖掘深度一般在1 000 mm 左右，故設(shè)計(jì)時(shí)將鉆桿總長(zhǎng)設(shè)計(jì)在1 500 mm，挖掘?qū)挾仍O(shè)置為400 mm，轉(zhuǎn)速設(shè)定在200 r/min。為了提高挖掘效率，將螺旋鉆桿齒與齒之間的寬度設(shè)置為100 mm，增加與土壤的接觸面積，加快了作業(yè)效率。

圖3 螺旋鉆桿結(jié)構(gòu)圖

2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由于動(dòng)力來(lái)源于拖拉機(jī)，因此在挖掘部分選擇通過(guò)齒輪嚙合來(lái)增加動(dòng)力及改變動(dòng)力傳輸方向，使挖掘裝置有足夠的動(dòng)力來(lái)完成挖掘工作，此外挖出土壤的輸送則通過(guò)皮帶輪實(shí)現(xiàn)，兩部分綜合考慮下，對(duì)螺桿及相對(duì)應(yīng)的齒輪大小進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，最終確定相關(guān)參數(shù)。

常用拖拉機(jī)額定功率為18 kW，對(duì)應(yīng)的輸入軸的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為2 000 r/min。工作時(shí)，山藥挖掘裝置的軸端將拖拉機(jī)的動(dòng)力傳輸至齒輪，再由齒輪傳送給軸帶動(dòng)螺旋鉆桿進(jìn)行挖掘，最后由皮帶輪帶動(dòng)送土器將挖出的土壤排出。下面以齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)為例，說(shuō)明齒輪傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。

圖4 齒輪傳動(dòng)裝置圖

根據(jù)齒輪傳動(dòng)動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)圖，首先選擇齒輪材料，本次設(shè)計(jì)中，小齒輪材料選用40 鉻，硬度值選為260 HBS，大齒輪材料選用45 鉻，硬度值選為240 HBS。

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查取齒寬系數(shù)ψd=0.4，進(jìn)而知齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力σHlim分別為:

由于許用接觸應(yīng)力最大值為齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力乘以0.9，故得許用接觸應(yīng)力最大值為：

查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中齒面強(qiáng)度計(jì)算部分，取常系數(shù)Ad為756，則小齒輪分度圓直徑d1計(jì)算公式：

求得分度圓直徑d1≥104.5 mm，考慮齒輪嚙合強(qiáng)度，我們?nèi)1為200 mm。其中，功率輸出扭矩T為405 N·m，齒寬系數(shù)ψd查表取0.4，齒數(shù)比(μ+1)/μ取值約等于1。

本次設(shè)計(jì)取齒數(shù)z1為40，傳動(dòng)比i2=2 時(shí)，得：

模數(shù)m1∶d1取值200，齒數(shù)z1取值40，可得：

齒間載荷分配系數(shù)KHa、齒向載荷分配系數(shù)KFa由公式4 計(jì)算得：

式中，由公式14 計(jì)算得端面重合度εa值為1.7，齒輪螺旋角β 為10°。

齒面強(qiáng)度接觸系數(shù)KHβ計(jì)算方法如下：

式中，A、B、C、b系數(shù)分別取值1.7、0.16、0.61、2，求得KHβ=1.46。

齒輪強(qiáng)度載荷系數(shù)計(jì)算如下：

其中，使用系數(shù)KA、動(dòng)載系數(shù)Kν通過(guò)機(jī)械手冊(cè)查得，分別為1.7、1.2。

重合程度Zε計(jì)算如下：

式中，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查取可知εβ=1.25＞1，εβ=1，前述可知εa取值為1.7，代入公式可得Zε=0.77。

大小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)NL1、NL2計(jì)算如下：

式中，th為總工作時(shí)間，預(yù)計(jì)壽命為18 000 h，j為電機(jī)單向轉(zhuǎn)動(dòng)值為1，n1為齒輪旋轉(zhuǎn)速度，值為2 000 r/min。

齒輪接觸應(yīng)力σH計(jì)算如下：

式中，彈性ZE由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)取值為189.8，節(jié)點(diǎn)ZH由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查取值為2.46，工作齒寬b為2 mm，齒數(shù)比μ 為2，計(jì)算得σH=478.1 MPa。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，可知所得數(shù)據(jù)均達(dá)到預(yù)期的要求，設(shè)計(jì)合理。如出現(xiàn)不符合運(yùn)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)情況時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)零件的各類指標(biāo)進(jìn)行細(xì)節(jié)調(diào)整直至其達(dá)到使用要求，并要在假設(shè)之后，進(jìn)行二次計(jì)算以確保該零件可以符合預(yù)定工作要求。

此外，傳動(dòng)尺寸的計(jì)算如下，

由m1=5，z1=40，z2=80，可知

齒輪中心距a為：

對(duì)齒輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，可知：

齒廓系數(shù)YFa、應(yīng)力修正系數(shù)YSa可根據(jù)當(dāng)量齒數(shù)Zν查得，Zν的計(jì)算公式如下：

根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查取齒廓系數(shù)YFa1=2.63，YFa2=2.28 應(yīng)力修正系數(shù)YSa1=1.58，YSa2=1.75。

重合度系數(shù)Yε計(jì)算如下：

確定螺旋角參數(shù)Yβ：

式中，εβ為軸向重合度，故：

齒根應(yīng)力極限系數(shù)σFlim計(jì)算：

根據(jù)查取齒根應(yīng)力的極限圖可得最大齒根應(yīng)力極限系數(shù)值：

由于設(shè)計(jì)中所需的齒輪嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)為雙向同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，故此計(jì)算數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)在原基礎(chǔ)上乘以0.85。

安全系數(shù)SFmin：根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查取可知：

壽命系數(shù)YN：根據(jù)公式

得，YN1=0.9，YN2=0.95。

尺寸系數(shù)YX查表可知：

齒根應(yīng)力的極限承受力[σF]計(jì)算：

結(jié)果約為357 MPa。

結(jié)果約為290 MPa。

根據(jù)公式，計(jì)算齒根應(yīng)力σF如下：

兩齒輪間的齒根應(yīng)力均遠(yuǎn)小于齒根應(yīng)力的極限承受力[σF]。

經(jīng)計(jì)算，此次設(shè)計(jì)可滿足拖拉機(jī)額定功率下正常工作，當(dāng)拖拉機(jī)轉(zhuǎn)速在2 000 r/min 時(shí)，山藥挖掘裝置的開(kāi)挖深度可以達(dá)到1 000 mm 左右，挖溝的寬度為400 mm，運(yùn)行速度約為400~500 m/h，通過(guò)計(jì)算知在螺旋鉆桿挖掘時(shí)預(yù)計(jì)速度約為300 r/min，小型家用山藥挖掘裝置運(yùn)行處于正常工作狀態(tài)，山藥挖掘的效率與成品率都有了一定的提高。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種小型家用山藥挖掘裝置，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、成本較小的特點(diǎn)。由于采用雙排挖掘的結(jié)構(gòu)，能夠在提高效率的同時(shí)極大程度上保證了山藥的完整性，在收獲效率以及人工二次開(kāi)采上都有著明顯提高。該裝置安裝結(jié)構(gòu)僅留有動(dòng)力連接軸與送土器部分的傳送帶環(huán)節(jié)，使設(shè)備能夠快速完成安裝并投入使用，可以在不同的地理環(huán)境下生產(chǎn)，有利于機(jī)械的推廣。