一種馬鈴薯拾撿篩選裝置的設計

谷曉彤 劉 濤 谷 芳

(西北農林科技大學機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100)

1 拾撿篩選裝置方案設計

1.1 拾撿裝置設計

本方案利用拾撿鏟和帶傳動撥動方式的配合，實現馬鈴薯拾撿。機構結構如圖1所示。

1.機殼；2.拾撿鏟；3.傳送帶；4.撥動齒；5.轉軸；6.主動帶輪圖1 拾撿方案示意圖

該機構在工作之前，使具有一定弧度的拾撿鏟的一部分進入土層。工作時，整個裝置受牽引而前進，土層中的馬鈴薯則沿著斜置的拾撿鏟堆積。此時，主動帶輪做順時針轉動，傳送帶上間隔布置的撥動齒將撥動拾撿鏟上堆積的馬鈴薯以及土塊向上移動，部分土塊在移動過程中從拾撿鏟的空隙掉落，而馬鈴薯被撥動帶轉送到拾撿鏟的開口A處，并由此處掉落至篩選盤上，從而完成拾撿任務。

傳送裝置采用撥動帶，撥動帶上裝有彈性材料制成的撥動齒，相對于輪式撥動板來說，機構的體積減小，對馬鈴薯造成的損傷降低了很多，在其工作過程中有效撥動范圍也更大，效率更高。在撥動之前馬鈴薯已經離開地面而處于拾撿鏟上，撥動齒所需承受的力變小，傳送帶的強度更容易滿足。

1.2 篩選裝置設計

設計篩選裝置機構結構如圖2所示，由兩個四桿機構組成，曲柄作為主動件帶動搖桿1擺動，搖桿1作為B部分的主動件，帶動篩選盤運動，實現馬鈴薯的篩選。馬鈴薯由拾撿鏟的開口處掉落至篩選盤的右端，因曲柄搖桿機構有急回特性，搖桿1的擺動速度不均勻，篩選盤上的馬鈴薯能夠實現向左變速運動，依次經過a-b-c-d-e-f口完成土塊分離。大馬鈴薯通過a、b兩個大口落入左框中，小馬鈴薯和土塊落入右框中，至此，完成馬鈴薯篩選。

1.曲柄；2.連桿；3.搖桿1；4.篩選盤；5.搖桿2

2 主要零部件設計

2.1 拾撿鏟設計與有限元應力應變分析

西南地區馬鈴薯種植模式，壟寬60 cm，壟間距 70～80 cm，壟高20～25 cm，每壟兩行，株距 40～50 cm，行距40 cm。馬鈴薯最大直徑15 cm，最小直徑1 cm以下，平均5～7 cm，且2 cm以下的很少。馬鈴薯密度為1×103～1.2×103 kg/m3。

拾撿鏟齒間距應小于最小馬鈴薯直徑，取2 cm，上端開口應大于平均馬鈴薯最大直徑，取10 cm，總寬根據壟寬60 cm，取70 cm。拾撿鏟底端做成弧形，取半徑為平均最大馬鈴薯半徑的2倍，即R=7。

根據工作需求，作拾撿鏟工作位示意圖如圖3所示，得出各尺寸如圖4所示：

圖3 拾撿鏟工作位示意圖

圖4 拾撿鏟主要尺寸

拾撿鏟厚度設計：

拾撿鏟在土壤中工作，西南地區土質偏黏，工作阻力較大，本設計采用HT150，ρ=7000 kg/m3,以獲得良好的抗變形能力和耐磨性。依據農業機械設計手冊查得，一般土壤的阻力比為2.94×104～7.84×104N/m2，取7.84×104N/m2進行設計。

拾撿鏟在工作時工作載荷有土塊和馬鈴薯重力以及土壤阻力兩部分，拾撿鏟與土壤接觸的橫截面積

S=n×d×h

=18×2×2=72 cm2

土壤阻力

f=7.84×104×7.2×10-3≈56.45 N

重力為均布載荷

g=g土豆+g土豆=0.042+0.025=0.067 kg/cm

根據以上計算，做出拾撿鏟的受力分析圖如圖5所示：

圖5 拾撿鏟受力分析圖

拾撿鏟上的彎矩為

=0.22x2+426.03x(0≤x≤40)

當x=40時，彎矩最大，W≈173.93 N·m

則每一個齒上的最大平均彎矩

實際上每個齒受力分布不均，取安全系數S=2,

則

Mmax=9.7×2=19.4 N·m

設齒厚為d

則

取d=0.7 cm

經尺寸設計計算，拾撿鏟三維結構圖如圖6所示：

圖6 拾撿鏟三維結構圖

圖7 拾撿鏟危險段有限元分析

根據圖5受力分析，可知拾撿鏟齒部為危險段，確定拾撿鏟尺寸后，取其中一個齒進行有限元建模及應力應變分析，結果如圖7所示，可知拾撿鏟強度足夠。

3 總結

圖8 整機裝配圖

針對西南等地區馬鈴薯種植情況，設計出適用于中小型地塊小批量生產的馬鈴薯拾撿、篩選一體裝置。經過分析實際情況、確定設計方案、計算零部件尺寸并校核驗證，以及繪制零件三維結構圖，得到其最終整機裝配圖，如圖所示。通過拾撿裝置和篩選裝置，利用曲柄搖桿機構和帶傳動的方法實現馬鈴薯的有效拾撿和初步大小分級。該設計結構緊湊、質量輕便、操作靈活且功耗低，造成馬鈴薯損傷較少，提高了收獲環節的效率、降低收獲成本，具有一定的應用前景。