碩士學位論文4U–1400FD型馬鈴薯聯(lián)合收獲機分級裝袋裝置及機架的研究與設計

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1、 分類號 密 級 U D C 單位代碼 10733 甘肅農業(yè)大學 學 位 論 文 4U–1400FD型馬鈴薯聯(lián)合收獲機 分級裝袋裝置及機架的研究與設計 Research and design of grading and bagging device and the fame of 4U-1400FD potato combine harve

2、ster 指導教師姓名 （甘肅農業(yè)大學工學院 蘭州 730070） 學科專業(yè)名稱 農業(yè)機械化工程 研究方向 農業(yè)工程技術與裝備 申請學位級別 碩 士 論文提交日期 年 月 日 論文答辯日期 年 月 日 學位授予日期 年 月 日 答辯委員會主席 評 閱 人

3、 2010年 6月 日 分類號 密 級 U D C 單位代碼 10733 甘肅農業(yè)大學

4、 （小初華文行楷） 碩士學位論文 （初號宋體加黑） 中文題目（二號黑體） 英文題目（16pt Time New Roman，Bold） 作者姓名（二號華文行楷） （以下字體均為小四宋體） 指導教師姓名 姓名 職稱 （單位名稱 單位所在城市 郵編） 學科專業(yè)名稱 研 究 方 向 論文答辯日期 年 月 日 學位授予日期 年 月

5、 答辯委員會主席 姓 名 職 稱 評 閱 人 姓 名 職 稱 姓 名 職 稱 姓 名 職 稱

6、 年 月 日 甘肅農業(yè)大學碩士論文 摘要 我國是全世界馬鈴薯種植面積最大的國家，但馬鈴薯收獲的機械化水平很低。近年來，馬鈴薯收獲機的研制與推廣有了較大發(fā)展，但大多屬于中小型

7、條鋪式挖掘機，需人工撿拾薯塊，必要時進行手工分級，生產(chǎn)效率低，勞動強度仍較大，且總體機械化水平很低，嚴重制約著馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。為此，我們研制了一種4U-1400FD型分級裝袋式馬鈴薯聯(lián)合收獲機。該機集薯塊挖掘、土薯分離、薯秧分離、薯塊分級、裝袋于一體，可大幅度減輕人的勞動強度，減少人工耗費和商品薯的處理環(huán)節(jié)，顯著提高生產(chǎn)效率，降低傷薯率。 本文根據(jù)該機的功能和馬鈴薯聯(lián)合收獲及分級技術要求，運用三維建模軟件Pro/E建立虛擬樣機模型，主要對4U-1400FD型馬鈴薯聯(lián)合收獲機的分級裝袋裝置和機架進行系統(tǒng)研究與設計，包括分級裝袋裝置原理方案設計，分級裝袋裝置和機架結構方案設計,對主要零部

8、件進行受力分析和強度校核，運用ANSYS有限元分析軟件對分級鏈輪及機架進行受力分析，分析了收獲機在以3km/h～4.83km/h速度作業(yè)時機架的應力分布、最大應力及其產(chǎn)生部位。分析計算結果與樣機試驗結果表明，分級裝袋裝置原理與結構及機架結構設計合理；分級精度較高，工作良好；機架強度儲備足夠，工作安全可靠。用AutoCAD軟件繪制了二維零部件圖樣。 關鍵詞：馬鈴薯；聯(lián)合收獲機；分級；裝袋；機架；設計；有限元分析 Summary China is largest country of growing potato i

9、n the world, However, the mechanization of potato harvest is in the low level. In recent years, the development and popularization of potato harvester has made great progress, but the most harvesters belong to section, the potato picked up by men, , graded by handwork when necessary, low productivit

10、y, large labor intension, and the overall low level of mechanization, seriously hinder the further development of the potato industry. So the 4U-1400FD potato harvester with a grading device was researched. This machine can complete potato digging, potato and soil separation, potato cleaning, gradin

11、g and bagging process in one time, the labor intension of human can substantially reduce, labor cost and the processing sectors of commodity potato were reduced, the production efficiency was significantly improved and the ratio of the injured potato was reduced. According to the function of the m

12、achine and the technical requirements of potato harvester and classification, the virtual prototype model was established by using 3D modeling software Pro / E, the device of grading and bagging of 4U-1400FD potato harvester and the frame were mainly researched and designed, including the principle

13、design of grading and bagging device, and the structure design of frame. The main components were analyzed and its intension was checked and the chain wheel and frame were analyzed with software ANSYS, the stress distribution，the maximum stress and the resulting parts were analyzed in the working sp

14、eed of 3km/h to 4.83km / h. The calculation results and the prototype test results show that the design of the principle and structure of grading and bagging device and the structure of frame are reasonable; the grading accuracy is higher, work well; the strength reserves of the frame is adequate, a

15、nd it can work safely and reliably. The software of AutoCAD was used to complete the component draft drawings of the machine. Key words: potato; combine harvester; grading; bagging; frame; design; ANSYS 目錄 引言 1 第一章 緒論 2 1.1馬鈴薯收獲概況 2 1.1.1 國外馬鈴薯收獲機的發(fā)展概況 2 1.1.2 國內馬鈴薯收獲機的發(fā)展概

16、況 3 1.2 本課題研究意義 6 1.3 本課題研究內容 6 1.4 本課題研究方法 7 1.5 技術路線 8 第二章 4U-1400FD型馬鈴薯聯(lián)合收獲機總體設計 9 2.1 4U-1400FD型馬鈴薯聯(lián)合收獲機基本結構 9 2.2 4U-1400FD型馬鈴薯聯(lián)合收獲機工作過程 9 2.3 4U-1400FD型馬鈴薯聯(lián)合收獲機基本參數(shù)確定 10 第三章 4U-1400FD型馬鈴薯聯(lián)合收獲機分級裝袋裝置設計 16 3.1 4U-1400FD型馬鈴薯聯(lián)合收獲機分級裝置設計 16 3.1.1 塊莖物料分級方法概述 16 3.1.2 馬鈴薯分級主要技術要求 17 3.1.

17、3 輥軸鏈板式分級裝置工作原理 17 3.1.4 主要參數(shù)確定 18 3.2 主要零部件設計 18 3.2.1 主動軸結構設計 18 3.2.2 鏈及鏈輪結構設計 21 3.2.3 分級輥軸結構設計 26 3.2.4 從動軸結構設計 26 3.3 輔助裝置設計 26 3.4 裝袋裝置設計 27 第四章 4U-1400FD型馬鈴薯聯(lián)合收獲機機架有限元分析 28 4.1 機架總體結構分析的意義 28 4.2 機架有限元模型的建立 28 4.2.1 機架結構及模型建立 28 4.2.2 網(wǎng)格化分 29 4.3 加載并求解 29 4.3.1 約束 29 4.3.2 載荷

18、 29 4.3.3 求解 31 4.4 有限元分析結果 31 第五章 Pro/E環(huán)境下虛擬模型的建立 32 5.1 Pro/E簡介 33 5.2 三維實體建模 34 第六章 樣機試驗及效益評價 36 6.1 樣機初步試驗 36 6.2 經(jīng)濟、技術效益評價 36 6.3 推廣應用前景 38 第七章 結論和建議 39 7．1 結論 39 7．2 建議 39 致謝 41 參考文獻 42 作者簡介 47 導師簡介 48 獨創(chuàng)性聲明 49 附錄 50

19、IV 甘肅農業(yè)大學碩士論文 引言 引言 馬鈴薯是重要的糧菜兼用和工業(yè)原料作物，由于它耐旱、耐脊薄、高產(chǎn)穩(wěn)定、適應性廣、營養(yǎng)成份全和產(chǎn)業(yè)鏈長而受到全世界的高度重視[1]，它是繼小麥、水稻和玉米之后的第四位重要糧食作物。根據(jù)聯(lián)合國糧農組織最新統(tǒng)計，2006年全世界馬鈴薯種植面積為2000萬hm，總產(chǎn)

20、量為3.3億噸，中國是馬鈴薯種植發(fā)展最快的國家之一，2006年全國馬鈴薯種植面積達到501.53萬hm，占世界馬鈴薯種植面積的25%，亞洲的60%，是全世界馬鈴薯種植面積最大的國家，種植范圍遍及全國[2-4]。但我國馬鈴薯機械化收獲尚處于發(fā)展階段，近年來我國馬鈴薯收獲機有了較快發(fā)展，主要是中小型挖掘機，只能完成挖掘、分離、條鋪等工序，還需要人工撿拾[5-8]，少數(shù)幾種馬鈴薯聯(lián)合收獲機均屬于側臂輸出式，適合大地塊作業(yè)。根據(jù)我國大部分馬鈴薯種植區(qū)土地自然條件，裝袋式馬鈴薯聯(lián)合收獲機更具有適用性。目前各種馬鈴薯挖掘機和聯(lián)合收獲機均無分級功能，分級一般都是人工完成或在特定場地通過專用分級機完成的，增加

21、了商品薯的處理環(huán)節(jié)和對薯塊的損傷，且效率較低。因此，結合我國國情，為了減少商品薯的處理環(huán)節(jié)，提高馬鈴薯收獲的工作效率和勞動生產(chǎn)率,減輕農民的勞動強度，研究設計一種分級裝袋式馬鈴薯聯(lián)合收獲機是非常必要的，具有重要意義[9-10]。 48 甘肅農業(yè)大學碩士論文 第一章 緒論 第一章 緒論 1.1馬鈴薯收獲概況

22、 在馬鈴薯生產(chǎn)中,難度最大的要屬收獲作業(yè),且用工量約占生產(chǎn)總用工量的40%以上,因此要實現(xiàn)馬鈴薯生產(chǎn)機械化就必須重點解決收獲機械化問題。馬鈴薯的機械收獲過程主要包括：挖掘、分離、撿拾、清選、分級和裝運等工序。機械收獲馬鈴薯的方法有分別收獲法、分段收獲法和聯(lián)合收獲法三種。其中分別收獲法的工藝路線為挖掘-分離-撿拾-清選；分段收獲由兩個階段組成：第一階段包括挖起土垡，分離部分土塊、作物殘株和雜質，并將若干行薯塊集鋪成一個狹窄條鋪。第二階段包括從條鋪撿拾薯塊、最后清除泥土和雜質，并將干凈的薯塊收入薯箱；聯(lián)合收獲是先用除秧機割去莖葉，而后用聯(lián)合收獲機一次性挖掘薯塊、分離土壤、輸送薯塊并進行集裝。不論采

23、用哪一種收獲方法，—般對收獲技術提出如下要求：高生產(chǎn)率，高質量，薯塊損傷少，工作時動力及人工耗費少，與雜質(土塊、石塊)分離，適于在不同土壤條件下工作。馬鈴薯收獲機具經(jīng)歷了挖掘犁、挖掘機和聯(lián)合收獲機的發(fā)展歷程[11-14]。 1.1.1 國外馬鈴薯收獲機的發(fā)展概況 國外馬鈴薯機械化收獲起步早、發(fā)展快、技術水平高。20世紀初，歐美國家出現(xiàn)畜力牽引挖掘機來代替手鋤挖掘薯塊、隨后改由拖拉機牽引或懸掛。20年代末出現(xiàn)了升運鏈式和拋擲輪式馬鈴薯收獲機。在20世紀40年代初，前蘇聯(lián)、美國就開始研制、推廣應用馬鈴薯收獲機械，50年代末即己實現(xiàn)了機械化。70～80年代，德、英、法、意大利、瑞士、波蘭、匈牙

24、利、日本和韓國亦相繼實現(xiàn)了馬鈴薯生產(chǎn)機械化。70年代主要是研制大功率自 走式根塊作物聯(lián)合收獲機，且以收獲壟作種植為主[15-20]。這些機型是大功率拖拉機變型，如荷蘭在拖拉機基礎上按照甜菜聯(lián)合收獲機的原理制成的雙行馬鈴薯聯(lián)合收獲機，為了加強篩選效果，分離器有四個液壓泵帶動。美國在1948年以前用收獲機來收獲馬鈴薯，然后人工撿拾，直到1967年，開始使用聯(lián)合收獲機，20世紀80年代初期，聯(lián)合收獲機和分段收獲的面積占馬鈴薯種植面積的85%，其中聯(lián)合收獲已達到50%以上。20世紀90年代，美國已基本實現(xiàn)了馬鈴薯收獲機械化。前蘇聯(lián)是生產(chǎn)馬鈴薯收獲機最早的國家，生產(chǎn)了許多半懸掛式機型，如KKY–2型、

25、KOK–2型、KKP–2型等馬鈴薯收獲機，機器體積較龐大笨重，到20世紀90年代初，馬鈴薯收獲機共有16種機型，其中10種是聯(lián)合收獲機，90年代中期，開始生產(chǎn)自走式聯(lián)合收獲機，其勞動生產(chǎn)率比其它2行收獲機提高1～2倍[21]。近些年來，歐美的馬鈴薯收獲機型仍然是以大功率機組為主。但這些機型只能在大面積土地上使用，不適用于中小地塊，有些國家和地區(qū)生產(chǎn)一些小型挖掘機械，如意大利的SP100機型為小型壟作收獲機械。 在亞洲生產(chǎn)馬鈴薯收獲機械的國家較少。日本在1955年以前使用畜力挖掘犁，1955年～1965年生產(chǎn)懸掛式的拋擲式和升運鏈式收獲機，70年代開始引進英國、美國等發(fā)達國家的聯(lián)合收獲機，并研

26、制適合日本國情的聯(lián)合收獲機，對于根菜（蘿卜、家山藥、馬鈴薯、胡蘿卜等）機械收獲的研究從1960年開始；近幾年韓國、日本生產(chǎn)了一些小型馬鈴薯收獲機，如韓國高山機械工業(yè)公司生產(chǎn)的小型單行和雙行土豆、地瓜挖掘機械[22-24]。 目前，在國外馬鈴薯收獲機械中，挖掘機的生產(chǎn)和使用所占的比例趨于下降，而聯(lián)合收獲機得到迅速發(fā)展，都形成了用聯(lián)合收獲機直接收獲，或用挖掘-撿拾裝載機加固定分 圖1-1 Spirit 2行升運式馬鈴薯收獲機 圖1-2 Spirit 4100 1行偏置集薯箱式馬鈴薯收獲機 Fig.1-1 Spirit 2-row elevator

27、 potato harvester Fig.1-2 Spirit 4100 1-row offset bunker potato harvester 選設備來進行分段收獲的兩種全面實現(xiàn)收獲機械化的配套系統(tǒng)，基本上實現(xiàn)了馬鈴薯收獲機械化。而且，國外馬鈴薯收獲機械大多采用升運鏈條式聯(lián)合作業(yè)，技術上已達到相當高的水平。像俄羅斯、德國、法國、英國、美國、比利時、日本和荷蘭等國馬鈴薯收獲機械化程度較高，收獲機械性能穩(wěn)定，圖1-1、1-2為比利時AVR公司生產(chǎn)的馬鈴薯聯(lián)合收獲機。國外一些馬鈴薯收獲機械不但生產(chǎn)率高而且將高新技術已融于農具之中，如采用振動、液壓技術進行挖掘，采用傳感技術控制喂入

28、量、馬鈴薯傳運量及分級裝載；采用氣壓、氣流、光電技術進行碎土和分離以及利用微機進行監(jiān)控和操作等，發(fā)達國家的馬鈴薯收獲已基本實現(xiàn)了機械化聯(lián)合作業(yè)。 1.1.2 國內馬鈴薯收獲機的發(fā)展概況 我國對馬鈴薯收獲機械的研制雖較早，但發(fā)展緩慢，目前處于中小型懸掛式集條鋪放收獲機的研制推廣階段，所研制機具的技術水平與國外相差甚遠[25-36]。20世紀60年代初期，我國有關農機部門引進了國外馬鈴薯收獲機，并進行了生產(chǎn)性能試驗，力圖吸收消化國外技術，開發(fā)同類產(chǎn)品，主要引進機型有西德VR-2、波蘭RCF-2、英國Johson、瑞士Samro Junior和前蘇聯(lián)KTH-2型馬鈴薯收獲機。之后，黑龍江省研制出

29、了兩種條鋪式收獲機，并進行了試生產(chǎn)。20世紀60年代中期，馬鈴薯收獲機具的研制工作才逐步發(fā)展起來，研究人員在研究原西德、原蘇聯(lián)、日本、瑞士等國外機具的基礎上，成功了研制升運鏈式馬鈴薯收獲機，但由于受當時歷史條件的限制，沒能實現(xiàn)大面積推廣和使用[21]。20世紀70年代，內蒙古農機所研制出了與40.4kW拖拉機配套的4U–1型馬鈴薯集條收獲機，如圖1-3所示，4SW–40型收獲機，如圖1-4所示，并在當?shù)剡M行了試點推廣。1978年在北 圖1-3 4U-1型馬鈴薯收獲機 圖1-4 4SW-40型馬鈴薯挖掘機 Fig.1-3 4U-2 potato harvester

30、 Fig.1-4 4SW-40 potato harvester 京舉辦的12國展覽會上，引進了不少國外馬鈴薯收獲機具廠商參展。其中有西德哈格多恩農機有限公司生產(chǎn)的RM–R型集條收獲機，日本東洋農機株式會社生產(chǎn)的TOP–2型集條收獲機，法國莫羅公司生產(chǎn)的M112型集條收獲機。其中大型機具的配套動力在30kW以上，生產(chǎn)率為0. 312hm2 /h，中型機具的配套動力在22～30kW，生產(chǎn)率為0. 25hm2/h，小型機具的配套動力在15kW，生產(chǎn)率為0.06～0.16 hm2/h 。20世紀80年代，我國又引進了西德RM–R型、瑞士SUPER–B型配套動力為30k

31、w的馬鈴薯集條收獲機[37]。 近些年來，在消化引進國外機型的基礎上，國內農機廠家先后開發(fā)出一些中小型馬鈴薯挖掘機[38-40]，河北省圍場農機研究所生產(chǎn)的4VM–1A型、4VW–2A型馬鈴薯挖掘機；黑龍江齊齊哈爾市建新機械廠研制的4U–2型牽引馬鈴薯收獲機，如圖1-5所示，進地一次即可完成挖掘、升運、分離、放鋪等多項工序，把馬鈴薯集放成條，再通過人工揀拾，能滿足我國東北地區(qū)黏重土壤的特殊要求，采用獨立小鏟，碎土好，避免了土壤堆積和雜草纏繞，升運部件配有升運鏈抖動機構，大大提高了抖動和分離效果；內蒙古自治區(qū)農牧業(yè)機械試驗鑒定站推出的4UM-2馬鈴薯收獲機如圖1-6所示；哈爾濱市大順農機公司開

32、發(fā)的4SG系列懸掛式薯類收獲機，適于馬鈴薯、甘薯和甜菜的收獲，懸掛在小四輪拖拉機后面，能一次完成薯塊的挖掘、升運，土壤分離3道程序，薯塊收凈率高；由內蒙古商都牧機廠研制的，獲國家專利的4V-125型多功能挖掘機，可一次完成馬鈴薯或農作物根茬與殘膜 圖1-5 4U-2型馬鈴薯收獲機 圖1-6 4UM-2 馬鈴薯收獲機 Fig.1-4 4U-2 potato harvester Fig.1-3 4SW-40 potato harvester 的挖掘、輸送、分選和集堆等多項作業(yè)；在內蒙古農業(yè)大學與山西忻州地區(qū)農機推廣站合作開發(fā)的4SM-40、80型馬鈴薯挖掘機，已通過

33、省級鑒定，并列為內蒙古推廣產(chǎn)品和新產(chǎn)品開發(fā)項目。該機吸收了國外同類產(chǎn)品的先進技術，可與國產(chǎn)拖拉機配套，作業(yè)性能適合我國北方地區(qū)平作種植馬鈴薯的農藝要求，可一次完成薯塊的挖掘、分離與條鋪等項作業(yè)，具有明薯率高和薯塊破損少等優(yōu)點。 圖1-7 現(xiàn)代農裝生產(chǎn)的1650型帶臂式馬鈴薯聯(lián)合收獲機 Fig. 1-7 The 1650 potato combine harvester with arm produced by Modern Agricultural Equipment co.Ltd　 目前，我國馬鈴薯聯(lián)合收獲機械的研制也取得了一定的進展[41-42]。黑龍江省伊春市農業(yè)技術推廣中心

34、農機科研所成功研制了4UL-2型馬鈴薯聯(lián)合收獲機（樣機），該機可一次完成土薯挖掘、碎土分離、清秧除雜、升運卸薯裝車作業(yè)，于2004年9月通過鑒定，但未進行推廣；現(xiàn)代農裝北方（北京）農業(yè)機械有限公司生產(chǎn)的1650型帶臂式聯(lián)合收獲機，如圖1-3，采用機、電、液一體化技術，配置浮動挖掘機構，對地仿形，確保挖掘深度，一次完成切溝、挖掘、輸送分離、莖蔓清除，集中裝車作業(yè)，也可根據(jù)收獲要求側面輸出。該機在挖掘時須有一運輸車跟隨，而且地頭、地邊作業(yè)困難，只能適用于大面積收獲[26]。 1.2 本課題研究意義 目前我國馬鈴薯種植面積正在接近蔬菜種植面積，年總產(chǎn)量近8000萬噸，已成為世界馬鈴薯生產(chǎn)大國，機

35、械化作業(yè)是馬鈴薯生產(chǎn)的必然趨勢。 1) 馬鈴薯機械化收獲是產(chǎn)業(yè)化，規(guī)?；l(fā)展的需要。目前我國馬鈴薯種植面積大幅攀升，馬鈴薯收獲機械還存在巨大的發(fā)展空間。要發(fā)展馬鈴薯產(chǎn)業(yè)，首先應實現(xiàn)馬鈴薯種植及收獲機械化，馬鈴薯種植及收獲機械化離不開性能優(yōu)良的收獲機械，因此研發(fā)適合我國農業(yè)種植要求的新機具，尤其是馬鈴薯聯(lián)合收獲機械，顯得尤為重要[43]； 2) 馬鈴薯收獲在馬鈴薯產(chǎn)業(yè)鏈中是最費工，耗時的一項作業(yè)，消耗的工作量占整個產(chǎn)業(yè)鏈工作量的40%，收獲期短，勞動強度大。馬鈴薯生長期僅80～90天，集中種植區(qū)多在我國北部，氣候寒冷，無霜期短，如收獲過早，生長期不夠，干物質積累少，影響產(chǎn)量和質量，如收獲過晚

36、，易遇霜凍，造成更大損失。甘肅是全國馬鈴薯的主要產(chǎn)區(qū)，但98%以上的馬鈴薯種植和收獲仍然采用人工挖掘或牲畜犁翻開溝點種和收獲等原始的生產(chǎn)方式進行作業(yè)，存在著勞動強度大，費時費工，損失率高，不便貯藏等缺點。甘肅定西為國家級馬鈴薯之鄉(xiāng)，大部分收獲完全靠人工作業(yè)方式，作業(yè)手段落后，勞動強度大，生產(chǎn)效率低，有時在冬季封凍之前不能完成收獲作業(yè)，給馬鈴薯種植戶造成很大的經(jīng)濟損失。因此，馬鈴薯種植區(qū)急切需求能夠適應種植區(qū)氣候、土壤、環(huán)境、作物等特點的馬鈴薯聯(lián)合收獲機械[26]； 3) 隨著我國城市化進程的加快,農村大量青壯年勞動力向城市轉移，農村勞動力減少，勞動力成本提高，目前中小型條鋪式馬鈴薯收獲機需要

37、大量的勞動力來撿拾裝袋，己不能滿足產(chǎn)業(yè)化的需要。因此，研制一種集分級裝袋為一體的聯(lián)合收獲機來代替人工作業(yè)具有重要意義[44]； 4) 4U-1400FD型馬鈴薯聯(lián)合收獲機在收獲過程中，薯塊按分級級別收集裝袋，傷薯率低，同時，分級過程可人工輔助揀拾殘余土塊、莖稈、雜草及壞薯，有利于提高袋裝薯的純凈度。 1.3 本課題研究內容 本課題主要設計了一種能夠一次完成馬鈴薯挖掘，土薯、莖稈、雜草及地膜分離，薯塊輸送、分級、收集裝袋工序的分級袋裝式馬鈴薯聯(lián)合收獲機。整機主要由仿形碎土裝置、挖掘裝置、土薯分離輸送裝置、莖稈分離裝置、薯塊輸送裝置、薯塊分級裝置、薯塊收集裝袋裝置、傳動系統(tǒng)以及機架、地輪等組

38、成。本論文主要對該機分級裝袋裝置的原理方案及結構方案進行設計，對分級裝袋裝置各零部件進行系統(tǒng)地分析和理論探討，并運用有限元分析軟件對分級鏈輪及機架進行強度分析。 1.4 本課題研究方法 1) 通過到我省馬鈴薯種植地進行實地考察，查閱大量的文獻資料，吸收并借鑒國內外馬鈴薯收獲機械及其它收獲機械的成功之處，研究并確定馬鈴薯聯(lián)合收獲機主要參數(shù)； 2) 對收獲機分級裝袋裝置進行系統(tǒng)設計，并確定主要參數(shù)； 3) 運用Pro/E軟件對主要機構實體建模和干涉分析； 4) 運用ANSYS軟件對主要機構進行強度分析； 5) 試制樣機； 6) 田間試驗和各種性能指標測試； 7) 改進和完善樣機，整

39、理繪制圖樣。 1.5 技術路線 問題的提出 背景資料考察 確定研究的目標 總體方案的確定 關鍵參數(shù)的確定及關鍵部件的結構設計 建立實體模型 性能分析 是否滿足要求 試制樣機 是 調整參數(shù)及結構 否 甘肅農業(yè)大學碩士論文 第二章 4U-1400FD型馬鈴薯聯(lián)合收獲機總體設計 第二章 4U-1400FD型馬鈴薯聯(lián)合收獲機總體設計 2.1 4U-1400FD型馬鈴薯聯(lián)合收獲機基本結構 4U-1400FD型馬鈴薯聯(lián)合收獲機基本結構簡圖如圖2-1所示，主要由牽引裝置1

40、、挖掘裝置2、土薯分離裝置3、6、除秧裝置4、8、橫向輸送裝置7、傾斜輸送裝置11、分級裝袋裝置10、液壓提升裝置12、及機架9組成，該機可一次完成薯塊挖掘、土薯分離、莖稈分離、薯塊分級和裝袋等作業(yè)。 圖 2-1 4U-1400FD型馬鈴薯聯(lián)合收獲機結構簡圖 Fig. 2-1 The structure diagram of 4U-1400FD potato combine harvester 1-牽引裝置；2-挖掘裝置；3-一級土薯分離裝置；4-一級除秧裝置；5-地輪；6-二級土薯分離裝置；7-橫向輸送裝置；8-二級除秧裝置；9-機架；10-分級裝袋裝置；11-傾斜輸送裝置；12

41、-液壓提升裝置； 2.2 4U-1400FD型馬鈴薯聯(lián)合收獲機工作過程 該機為牽引式，動力全部由拖拉機提供，行走和挖掘依靠拖拉機牽引，土薯分離輸送 、莖稈分離、升運和分級等裝置動力由拖拉機動力輸出軸提供，仿形碎土輥、挖掘鏟及一級土薯分離輸送裝置的升降由拖拉機液壓輸出經(jīng)油缸操縱。工作時，拖拉機牽引整機靠地輪從動行走，仿形碎土輥壓碎地表土塊并限定挖掘深度，兩側切土圓盤刀切開土壤，挖掘鏟將薯塊及土垡等一起掘起，初步疏松后送入一級土薯分離輸送裝置，經(jīng)一級帶桿式土薯分離輸送帶的抖動、疏松、破碎，使小于帶桿間隙的土壤和夾雜物被篩下，莖稈、薯塊和大于桿條間距的土塊、地膜及夾雜物被輸送到一級彈性梳桿摘輥

42、式莖稈分離裝置，部分莖稈、雜草、地膜被彈性梳桿阻擋并沿梳桿下滑，在一級土薯分離輸送帶和一級莖稈分離摘輥的作用下被拋在地上。結塊土壤由一級土薯分離輸送帶落入二級土薯分離輸送帶后進一步破碎，經(jīng)二級土薯分離輸送裝置的抖動篩分被完全篩下，分離輸送帶上的薯塊及尚未除去的莖稈、雜草、地膜等夾雜物經(jīng)過二級皮帶式莖稈分離裝置時，莖稈、雜草、地膜等易夾持物被皮帶和分離輸送帶夾持住強制拽落于地面，莖稈上未脫落的薯塊則被摘薯桿強制摘下，薯塊落入橫向鏈桿式輸送器，被橫向輸送到皮帶刮板式升運器，傾斜提升到輥軸鏈式分級裝置，由于沿縱向輥軸間距由小到大變化，故薯塊隨輥軸縱向運動的過程中，按薯塊粒度自小到大分成三級依次落入各

43、裝袋裝置，被裝入各袋中。 2.3 4U-1400FD型馬鈴薯聯(lián)合收獲機基本參數(shù)確定 確定聯(lián)合收獲機各個工作部件的基本依據(jù)有幅寬，作業(yè)速度和生產(chǎn)率等參數(shù)，它們之間是相互關聯(lián)、相互影響的[45-53]。 1 整機外形尺寸 4U-1400FD型馬鈴薯聯(lián)合收獲機的總體外型尺寸長寬高：4494mm2183mm2300mm； 2 作業(yè)速度 聯(lián)合收獲機的作業(yè)速度是以雜草量、畝產(chǎn)量、田面平整度以及土壤潮濕度而定。為了盡可能的減小漏薯率，提高土薯分離效率，作業(yè)速度有一個合適的范圍，采用約翰迪爾120馬力拖拉機二檔勻速行駛，該馬鈴薯聯(lián)合收獲機作業(yè)速度為3km/h≤vm≤4.83km/h[54]。 3

44、 生產(chǎn)率 根據(jù)收獲機的幅寬和作業(yè)速度，按下式計算聯(lián)合收獲機的生產(chǎn)率T； (2-1) 式中：η—收獲機田間利用系數(shù)，為0.6～0.8,取0.7； B—幅寬1.4m； —收獲機前進速度3km/h～4.83km/h； ； 4 整機功率 4U-1400FD型馬鈴薯聯(lián)合收獲機所需要的總功率包括行走部件所消耗的行走功率及挖掘、兩級土薯分離、除秧裝置、橫向輸送、傾斜輸送和分級裝置所消耗的總功率。在一定的土壤和作物條件下，兩部分的功率耗用均與收獲機的前進速度成正比。 馬鈴薯聯(lián)合收獲機的行走功率為：

45、 (2-2)

46、 式中： G—整機重量(kg),包括整機空載質量、薯塊總質量及土壤總質量，經(jīng)稱重，估算薯塊質量，土壤質量； —收獲機前進速度(m/s),按最大作業(yè)速度1.34m/s計算； f—滾動阻力系數(shù)，主要取決于土壤情況，其值為0.1-0.25； η—傳動效率，為0.95； 經(jīng)計算，得出收獲機最大行走功率； 聯(lián)合收獲機各工作部件消耗的功率：[55-62] 1) 挖掘裝置消耗的功率 收獲機以最大速度速度前進時，切刀與土壤的之間的摩擦力與土壤粘著力、土壤容重，挖掘厚度、物料密度有關。按最大粘著性土壤計算出土壤的滑移摩擦力、土壤間粘著力產(chǎn)生的滑移阻力。土壤粘著力按大小分為五個等級[63]

47、，見表2-1，土壤容重，挖掘厚度0.2m～0.3m，鏟面總長0.47m,薯塊裝載密度ρ=750kg/m3: (2-3) 式中：—土壤與鋼之間的摩擦系數(shù)，按重粘壤土及粘土計算一般為0.4-0.9，取0.9； N—土壤、薯塊、挖掘裝置總重量,三部分重量為別為：，； p—土壤粘著力，這里按最大土壤粘著力計算,p=3000Pa； s—實際接觸的粘附面積； 得 ， ，， 設計功率為： （2-4） 式中：—設計功率，kw； —工況系數(shù)，1.4； ； 表2-1 土壤粘著力的分級 Tab.2-1 The grading of s

48、oil adhesion 粘著力（Pa） >1500 500-1500 200-500 50-200 10-50 土壤名稱 最大粘著性土壤 強粘著性土壤 中粘著性土壤 弱粘著性土壤 松散土 2) 土薯分離裝置（兩級）消耗的功率 土薯分離帶以v=1.6m/s[54]工作時，作用于驅動帶輪上的圓周力有輸送帶自重引起的摩擦力，以及輸送塊莖時產(chǎn)生的工作阻力。 一級土薯分離裝置： (2-5) 式中：—輸送帶單位長度質量為1.724kN/m； —輸送帶的總長度為2.9m； f—摩擦阻力系數(shù)為0.3； —單位面積物料質量為1.97； —輸送帶工作長度為

49、1.34m； B—輸送帶的工作寬度為1.4m； 得 F=5.2kN =Fv=8.32kw =10.4kw， 計算功率： 式中：—設計功率，kw； —工況系數(shù)，1.3； ； 二級土薯分離裝置： 式中：—輸送帶單位長度質量為1.73kN/m； L—輸送帶的總長度為2.81m； f—摩擦阻力系數(shù)為0.3； —單位面積物料質量為2.1 ； —輸送帶工作長度為1.24m； B—輸送帶的工作寬度為1.4m； 得 F=5.05kN =Fv=8.08kw =9.5kw， 計算功率：

50、 式中：—設計功率，kw； —工況系數(shù)，1.3； ； 3) 一級除秧裝置消耗的功率 一級除秧裝置速度與一級土薯分離裝置同步， 功率計算： (2-6) 式中：F—莖桿分離器單位寬度的切向阻力，參照類似設備切向阻力實驗測定值（一般F=60N/m[64]），考慮到馬鈴薯莖桿可能夾帶泥土并帶有一些未分離的小薯塊，切向阻力較大，因此取F=120 N/m； —莖桿分離器寬度，1.4m； —莖桿分離器線速度，m/s； 得 =0.26kw =0.28kw； 4) 二級除秧裝置消耗的功率 二級除秧裝置是自行設計的皮帶夾持式除秧原

51、理，根據(jù)皮帶的松緊程度，其受力大小也不同，很難準確的計算出除秧裝置所消耗的功率，估算二級除秧裝置所需的功率為1kw； 5) 橫向運輸裝置消耗的功率 速度計算： (2-7) 得 v=0.387m/s，其中生產(chǎn)率為7畝／小時，畝產(chǎn)量按3500kg計，則Q收獲量為25000kg /h；s輸送帶物料橫截面積為（0.4 X0.10）；k填裝系數(shù)為0.6；物料密度為750kg/m3; 功率計算： 式中：—輸送帶單位長度質量為0.06kN/m； —輸送帶的總長度為2.9m； f—摩擦阻力系數(shù)為0.3； —單位面積物料質量為2.31 ； —輸送帶工作長度

52、為1.3m； B—輸送帶的工作寬度為0.4m 得 F=1.25 kN =Fv=0.48kw =0.6kw， 計算功率： 式中：—設計功率，kw； —工況系數(shù)，1.3； ； 6) 傾斜運輸裝置消耗的功率 速度計算： 得 v=0.77m/s，其中Q收獲量為25000kg/h；s輸送帶物料橫截面積為（0.2X0.10）；k填裝系數(shù)為0.6；物料密度為750kg/m3； 功率計算： kw[56] (2-8) 式中：—輸送量（t/h），25t/h； —輸送器水平投影長度（m），2.52m； —

53、提升高度（m），1.638m； —運行阻力系數(shù)，2.25； 所以得 =0.85kw， 計算功率： 式中：—設計功率，kw； —工況系數(shù)，1.3； ； 7) 分級裝置消耗的功率 速度計算： 得 v=0.29m/s， 式中：Q—收獲量為25000kg/h； s—輸送帶物料橫截面積為（0.8X0.1）； k—填裝系數(shù)為0.4； —物料密度為750kg/m3； 功率計算： 式中：—輸送帶單位長度質量為0.45kN/m； —輸送帶的總長度為4.5m； —摩擦阻力系數(shù)為0.3； —單位面積物料質量為0.

54、6； —輸送帶工作長度為1.62m； B—輸送帶的工作寬度為0.80m； 得 F=1.41kN =Fv=0.41kw =0.51kw， 計算功率： 式中：—設計功率，kw； —工況系數(shù)，1.3； ； 所以4U-1400FD型馬鈴薯聯(lián)合收獲機最大功率消耗為： 甘肅農業(yè)大學碩士論文 第三章 4U-1400FD型馬鈴薯聯(lián)合收獲機分級裝袋裝置設計 第三章 4U-1

55、400FD型馬鈴薯聯(lián)合收獲機分級裝袋裝置設計 3.1 4U-1400FD型馬鈴薯聯(lián)合收獲機分級裝置設計 3.1.1 塊莖物料分級方法概述 目前塊莖物料分級方法主要有以下幾種[65-66]： 1) 軟孔帶 軟孔帶分級形式一般應用在塊莖(鈴薯等)入庫保存時，對一些小石塊、土、小塊莖(一般直徑小于25mm)進行初步的篩選。以一定速度轉動的軟孔帶被施加一定的震動，使帶上的物料可以被拋離帶面，利用物料自身的重力，小的石塊、碎土和小的塊莖經(jīng)帶孔落到地面； 2) 滾筒式分級設備 滾筒作回轉運動，物料在滾筒內滾轉和移動，并在這個過程中分級。滾筒沿軸線方向有很多圓孔或矩形孔，滾筒分為幾組，每組

56、小孔孔徑不同，從物料進口至出口，后組孔比前組孔徑大，小于第一組的物料從第一組孔中掉出收集為一個級別，以下依次類推。根據(jù)孔徑的大小，可分為2～5個級別，分級效率較，產(chǎn)量高，可有效的降低物料的混級率，目前廣泛實用于蘑菇和青豆的分級； 3) 輥軸式分級設備 輥軸式分級設備用于球體或似球體的果蔬原料，如蘋果、柑桔和番茄等按直徑大小不同進行分級，分級過程中依靠改變輥軸的間隙來改變分級粒度； 4) 帶式分級設備 它由圓形或矩形皮帶構成的環(huán)帶式分級輸送器，相鄰的皮帶之間的間隙是逐漸增大的,將經(jīng)過初清的球形物料精選成大粒、中粒和小粒三級； 5) 篩選式分級設備 它的平面篩作縱向或橫向擺動，機體向出

57、料方向有一傾斜角度，使物料以一定的速度向前運動，在運動過程中進行分級。篩選式分級機構制造和安裝都比較容易，結構簡單，調換篩面十分方便，適宜于多種物料和同一種物料不同規(guī)格的分級。主要缺點為動力平衡很困難，連桿極易損壞，噪聲比較大，且是對于薯類塊莖作物，篩面振動頻率過大，薯皮容易擦傷，篩面振動頻率過小，又容易發(fā)生“堵塞”現(xiàn)象； 6) 光電分級設備 以單片機為核心，工作時,系統(tǒng)通過單片機采集水果擋光時間產(chǎn)生的高低壓電平的轉換,來實現(xiàn)對水果大小的判斷系統(tǒng)在水果分選控制上完全可行，操作簡便，能夠預先設置分選等級,實現(xiàn)多種水果的分選，具有較好的通用性和靈活性，但成本比較高，目前國外主要應用于固定作業(yè)的

58、分級設備，對馬鈴薯分級裝置應用比較少。 3.1.2 馬鈴薯分級主要技術要求 1) 分級等級與精度應符合要求； 2) 在工作過程中，對薯塊損傷小，傷薯率小于5﹪，并應剔除破薯、病薯和其它雜物； 3) 分級粒度可以根據(jù)要求進行調節(jié)； 4) 結構盡可能簡單，操作方便，工作穩(wěn)定可靠，功耗小。 3.1.3 輥軸鏈板式分級裝置工作原理 根據(jù)馬鈴薯的形狀特性，為了減少馬鈴薯在分級過程中的損傷，使分級能夠快速準確的進行，提高分級精度，設計了輥軸式分級裝置，如圖3-1所示：它主要由分級輥軸、驅 圖3-1 在Pro/E 中建立的分級裝袋裝置 Fig.3-1 The grading and b

59、agging device set up in Pro/E 動軸、驅動鏈板、鏈輪、裝袋裝置等組成。分級部分是由一系列分級輥軸組成的輸送帶，每兩根輥軸之間設一升降輥軸，此三根輥軸形成兩組分級輥軸間隙。工作時，馬鈴薯進入輸送帶，小于輥軸間隙的馬鈴薯則從兩相鄰輥軸之間的間隙中落到集料斗里，其余馬鈴薯繼續(xù)向后運動。在驅動鏈輪的作用下，輸送帶上的分級輥軸都向前滾動，升降長輥軸在升降軌道上逐漸上升，長短輥軸之間的間距逐漸增大。此時處在不斷增大的輥軸間隙中的馬鈴薯，在摩擦力作用帶動下也轉動，這樣，其最小外徑總有機會對準輥軸間隙，當外徑小于間隙時就落到下層篩網(wǎng)上，而后裝袋；而大于輥軸間隙的馬鈴薯繼續(xù)隨帶前進

60、，隨著分級長輥軸間距的增大而在分級帶的不同位置上落下，從而分成若干等級。若升降輥軸上升至最高位置而馬鈴薯仍不能從孔中落下，則最后掉入末端的集料斗中，屬于特大馬鈴薯。中間輥軸上升到最高位置時，分級段到此結束，此后就逐漸下降至最低位置而后再重復以上工作過程[67-68]。其工作原理如圖3-2所示,輥軸在運行中借其軸端安裝的橡膠摩擦輪與導軌之間的摩擦公轉的同時而繞其軸旋轉，從而帶動孔中的馬鈴薯也滾動，提高了分級效率并減少了馬鈴薯損傷。若馬鈴薯的規(guī)格改變時，中間輥筒的升降距離要相應地調整，為此專門設計有升降調節(jié)裝置。 圖3-2 輥軸輸送帶工作原理 Fig.3-2 The principle

61、 of roller conveyor 1-分級從動部件組合；2-分級長輥軸；3-分級短輥軸；4-水平導軌；5-分級主動部件組合；6-垂直導軌；7-接料裝置；8-鏈板組合； 3.1.4 主要參數(shù)確定 分級裝袋裝置的主要參數(shù)如下：收獲量、運行速度、輥軸尺寸、中心距、輥軸間隙： 1) 收獲量：根據(jù)前面計算得知生產(chǎn)率，按其最高生產(chǎn)率及最高產(chǎn)量52500kg/hm2計算，則Q收獲量為25000kg/h； 2) 運行速度：分級鏈板的運行速度為0.29m/s； 3) 輥軸尺寸：分級輥軸直徑30mm ,為了減小薯塊損傷，輥軸外表面套用橡膠管，分級長輥軸總長970mm，短輥軸總長930m

62、m； 4)中心距：分級裝置由一對主動鏈輪組合，三對從動鏈輪組合構成，根據(jù)整機結構布局，相鄰兩鏈輪的橫向中心距1400mm,縱向中心距320mm； 5) 輥軸間隙：分級輥軸最小間隙40mm，最大間隙100mm，根據(jù)分級要求可在40mm～100 mm之間調節(jié)； 3.2 主要零部件設計 3.2.1 主動軸結構設計 1.軸最小直徑的初步計算[69-76] 按扭轉強度確定軸的最小直徑d,計算公式為： (3-1) 式中： P—軸所傳遞的功率，kW； n—軸的轉速，r/min; 其中： P=0.66kw，n=24.4r/min， 查機械設計(第七

63、版)，表15-3取=110 =28.9mm 取d=30mm 2. 軸上零件裝配方案的確定 根據(jù)分級裝袋裝置的要求，主動軸裝配方案如圖3-3所示: 圖3-3 主動軸的結構與裝配 Fig. 3-3 The structure and assembly of driving shaft 3. 載荷分析計算 首先根據(jù)軸的結構圖3-3做出軸的計算簡圖3-4(a)。在確定軸承的支點位置時，從手冊查取a值。對于6206型深溝球軸承，支承點位置要軸承中心位置。因此，作為簡支梁軸的支承跨距L=1022mm，根據(jù)軸的計算簡圖做出軸的彎矩圖的扭矩圖3-4(b)從軸的彎矩圖和扭矩圖可以看出截

64、面B是軸的危險截面。現(xiàn)計算出截面B處的支反力及M值列于表3-1。 表3-1 截面B處的支反力及M值 Tab.3-1 the supporting force and M value in B section 載荷 大小 支反力F 彎矩M 剪力 其中有效圓周力，傳動鏈輪輸入，兩鏈輪輸出，則： 動力輸入鏈的速度 (3-2) 圖3-4 主動軸的載荷分析圖 Fig.3-4 The load analysis diagram of shaft 分級裝置鏈板的平均速度: (3-3) 作用在軸上的壓軸力 (3-4) 按水平布

65、置取壓軸力系數(shù) (3-5) 4. 按彎扭全成強度校核軸的強度 進行校核時，只校核軸上承受最大彎矩和扭矩的截面(即截面B)的強度。根據(jù)式3-5及表3-1中的數(shù)據(jù)，以及軸單向旋轉，扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力，取， (3-6) 軸的彎扭合成條件為： (3-7) 前己選取定軸的材料為45鋼，調質處理， [71]，因此，故安全。 5．提高主驅動軸強度的措施 1) 合理布置軸上零件減少軸的載荷 為了減少軸所承受的彎矩，傳動件靠近軸承，力求縮短支承跨距及懸臂長度； 2) 改進軸的結構減小應力集中的影響 為避免軸截面突變處產(chǎn)生應力

66、集中，提高軸的疲勞強度，軸肩處采用較大的過渡圓角半徑來降低應力集中； 3) 改進軸的表面質量提高軸的疲勞強度 采用45號鋼，先粗車，后調質處理。 3.2.2 鏈及鏈輪結構設計 1. 鏈的結構設計 1) 確定鏈輪齒數(shù) 分級裝置轉速平穩(wěn)，取主從動鏈輪大小相等，z=4。 2) 計算功率 由機械設計第七版濮良貴，紀名剛主編，表9-9查得工作情況系數(shù).2[71]， 故: (3-8) 3) 確定鏈條鏈節(jié)數(shù) 初定橫向中心距橫向中心距根據(jù)鏈節(jié)數(shù)計算公式 (3-9) ＝ ＝26 4) 確定鏈長L及橫縱向中心距 (3-10) 中心距減小量 (3-11) 實際中心距 (3-12) 取 5) 作用在軸上的壓軸力 (3-13) (3-14) 按水平布置取壓軸力系數(shù)，故 6) 鏈板組合的基本結構 4U-1400FD型馬鈴薯聯(lián)合收獲機由分級鏈板組合組成了輸送鏈，如圖3-5所示，鏈板組合主要由長短