馬鈴薯收獲機升運收集裝置的設計與研究

孔令亮，易 栓

（1.鎮江市農業機械技術推廣站，江蘇 鎮江 212000；2.鎮江市產品質量監督檢驗中心，江蘇 鎮江 212000）

0 引 言

馬鈴薯是我國第四大作物，種植面積大，產量居世界首位，馬鈴薯在農業經濟中占有重要地位。國內馬鈴薯機械收獲包括挖掘、輸送、分離、后方鋪放撿拾等流程。國內收獲機具以中小型為主，土薯分離性能差，機具性能不穩定。我國北方部分地區馬鈴薯種植區域比較分散，未形成產業規模，多數地區種植面積小，地塊零散。盡管馬鈴薯種植面積穩步增長，但土地流轉進程緩慢，流轉機制還待完善，長期以來形成的分散農戶種植，影響了大型機具的使用率。中小型機具僅能完成挖掘及集條作業，種植規模變大，收獲周期不變，撿拾流程中所需的勞動力較多,當前農村留守可雇用勞動力逐漸減少，用工矛盾凸顯，人力撿拾裝袋收集成本高，效率低。本文設計了一款配套中小型收獲機具的升運收集裝置，對該裝置的整體結構及關鍵零部件進行了設計并對其進行理論計算、建模分析。該裝置具有輸送效率高、質量輕、成本低的優點。

1 升運收集裝置的總體結構

本裝置固定連接在馬鈴薯收獲機機身上，通過液壓馬達輸出動力帶動驅動輪轉動，與同步帶嚙合帶動撥齒升運器提升輸送馬鈴薯，輸送到達頂端后，卸入薯塊收集箱，實現馬鈴薯裝袋或裝筐。

圖1 升運輸送裝置的總體結構

2 傳動及輸送系統的設計

2.1 動力源及傳動方式的確定

傳動及輸送系統主要由液壓馬達、驅動輪、驅動軸、升運輸送鏈、擋板等組成。

動力驅動由拖拉機輸出液壓推動液壓馬達提供驅動動力，液壓馬達具有質量輕、布置方便、動力輸出大小可調等優點。

同步帶傳動是一種嚙合型傳動具有精確的定值傳動比傳動、結構簡單、傳動平穩、傳動比恒定、傳動效率高等特點。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、鋼絲等環形帶，具有極好的減震性、高強度性和尺寸穩定性，保證了帶齒齒距的恒定性。傳動過程中為多齒嚙合，具有傳動平穩性、良好的經濟性、耐摩損耐油、安全可靠等優點。本裝置選用同步帶傳動。

驅動輪套裝在驅動軸上，相鄰齒之間為鏤空結構，該結構既可滿足與同步帶嚙合，還可防止雜物在帶輪的齒間沉積，避免齒間沉積導致齒槽變淺而出現跳齒現象，可延長輸送帶的使用壽命。

2.2 驅動輪及輸送帶的設計

普通常用同步帶輪在傳動的過程中，無法固定傳輸鏈的位置，傳輸時容易跑偏，需要另外加裝導向裝置。由于傳輸皮帶的寬度尺寸相對較大，設計時齒輪的齒寬就會越大，齒輪比較厚，制造成本增加，輪齒磨損后，維修成本高。工作環境惡劣，常伴有泥沙，莖葉等雜物，落入齒槽后無法自動清除，齒槽越來越淺，無法與傳動同步帶正常嚙合，會出現打滑、跳齒等現象，降低了輸送效率。為了克服普通帶輪的缺點，滿足輸送裝置中對驅動輪的使用要求，驅動輪設計如圖2 所示。

圖2 驅動輪

2.2.1 確定同步帶傳動的設計功率Pd

式（1）中：K0—載荷修正系數，取 1.2；

Pm—工作機上動力源功率，取Pm=3 kW。

代入式（1）得Pd=3.6 kW。

2.2.2 確定輸送帶的型號和節距

同步帶傳動的設計功率Pd=3.6 kW，根據實際情況確定下驅動輪轉速n1=200 r/min，由同步帶選型圖確定所需采用的同步帶的型號。查閱手冊，選取同步帶的型號為：XH 型，節距Pb=30 mm。

2.2.3 選擇上下驅動輪齒數z1，z2

依據輸送帶的最小許用齒數確定，查表確定下驅動輪齒數：z1=12，設傳動比i=1，故上驅動輪齒數：z2=12。

2.2.4 確定驅動輪的節圓直徑d1，d2

2.2.5 檢驗帶速v

依據設計手冊查得，同步帶最大傳動速度vmax=40 m/s，v

2.2.6 尺寸型號確定

驅動輪：z1=12，d1=120 mm。

同步帶：型號XH，節距Pb=30 mm，帶寬bs=30 mm s=30 mm，β=30°。

2.3 撥齒升運器的設計

撥齒升運器由撥齒、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 撥齒升運器

輸送機械具有三大要素：牽引構件、承載構件和運行方向。承載構件是為物料或物品的運行提供基本條件的構件，通常包括盛放物料或物品的裝置、器具等。承載構件常用的有：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傾角θ≤40°的場合；C型托板適用于輸送機傾角θ＞40°且物料流動性較好的情況；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合。

農業物料大傾角升運中有多種方式，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具土薯分離不徹底，雜物較多，鈴薯收獲輸送過程中盡可能的土薯分離徹底，采用撥齒式升運輸送。

當升運角為0°時，升運物料面積最大，可以得到最好的升運效果；當升運角為90°時，升運高度等于升運裝置長度，可以得到最大的升運高度，但此時升運物料面積為0，為了得到最好的升運效果與使用效果，結合收儲袋的長度、收集箱高度、裝置離地高度，升運角度選取49°。在此升運角時，為避免薯塊輸送時外溢，將直線撥齒改為頂端圓弧撥齒。

2.4 升運輸送鏈的設計與建模

升運輸送鏈由梯形輸送帶、連接支撐桿、撥齒升運器、鋼片、沉頭鉚釘等組成。如圖4 所示。

圖4 升運輸送鏈

梯形輸送帶的設計選擇，如圖5 所示。

圖5 輸送帶

連接支撐桿由金屬套筒、硬質輕型塑料桿組成，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身質量。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避免因連接支撐桿在同步帶上布置的數量增多而增加機身的質量和成本。馬鈴薯的基本尺寸在30~80 mm，在設計中把不大于25 mm 的馬鈴薯不計損失，支撐桿直徑為10 mm，綜合以上因素，連接支撐桿間距設定為35 mm。

3 驅動輪的有限元分析

3.1 有限元分析簡介

有限元法(FEM)是隨著計算機的發展而不斷發展起來的一種分析工程設計的可靠數學方法，利用求解偏微分方程的方法求解流動、電磁場以及結構力學等線性問題與非線性問題。廣泛應用于機械設計中計算零部件的應力分析、頻率分析、熱分析和優化分析。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無縫集成，可以方便地對機械模型進行分析并迅速得到分析結果，無需進行昂貴費時的現場測試，縮短設計周期，降低測試成本，提高產品質量。

3.2 有限元分析法的步驟

（1）利用Solidworks 構建實體模型；

（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 材料力學性能

（3）根據實際工況確定約束類型及約束位置；

（4）添加相應載荷，大小為500 N；

（5）劃分網格，采用默認的劃分即可；

（6）分析構件，查看分析結果。

3.3 結 論

根據零件的工作情況對該零件進行靜力分析，結果如圖6、7 所示，模型的最大von Mises 為410 MPa，材料屈服強度為620 MPa，零件的安全系數約為1.5，零件設計安全。

4 結 語

本文對馬鈴薯收獲機升運輸送裝置進行了設計、計算、研究分析，該裝置可以滿足中小型機具薯塊輸送收集的要求，具有工作效率高、成本低，實用性強的優點。通過對關鍵零部件帶輪的安全性能的分析，分析顯示部件設計安全可靠，能夠滿足工況使用要求。但是對于其只針對于靜態分析，分析結果還有一定的局限性，后續可對機具進行動態模擬分析、優化，對驅動軸進行輕量化研究。