胡蘿卜自動(dòng)收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉祚時(shí)，邵文娟

（江西理工大學(xué)機(jī) 電工程學(xué)院，贛州 341000）

0 引言

我國地域廣、人口眾多,對(duì)于胡蘿卜的需求大,因而我國的胡蘿卜種植面積較大,但分布區(qū)域廣,且各地的種植模式、農(nóng)藝要求和氣候環(huán)境都不同,致使引進(jìn)的國外的相應(yīng)的收獲機(jī)構(gòu)無法在我國很好的被使用,在使用的過程中會(huì)出現(xiàn)很多的問題,且從國外引進(jìn)的機(jī)構(gòu)價(jià)格昂貴,國內(nèi)部分的種植戶難以承受。

目前,國內(nèi)的胡蘿卜收獲機(jī)已經(jīng)初有輪廓,但存在農(nóng)機(jī)農(nóng)藝脫節(jié)和漏收損失過大等問題,且國內(nèi)現(xiàn)有的胡蘿卜收獲機(jī)價(jià)格雖較國外的更為便宜但對(duì)于很多農(nóng)戶來說仍難以負(fù)擔(dān),這些機(jī)構(gòu)大部分都適應(yīng)于偏北方的地區(qū)以及大面積的種植戶使用,而江西省的田地大部分為小塊農(nóng)田且分布不集中,本文結(jié)合傳統(tǒng)的胡蘿卜的收獲模式及農(nóng)藝要求,設(shè)計(jì)了一種適合于江西省的胡蘿卜自動(dòng)收獲機(jī)構(gòu)[1,2]。

1 總體方案的確定

根據(jù)需求對(duì)其功能進(jìn)行分析細(xì)化,可為幾個(gè)步驟,如圖1所示。依據(jù)細(xì)化的幾大部分,擬定并選取了設(shè)計(jì)方案：采取皮帶夾持胡蘿卜的方式收獲,機(jī)構(gòu)動(dòng)力有拖拉機(jī)的發(fā)電機(jī)提供,采用固定鋒利刀片使胡蘿卜的纓子與根部分離開來,胡蘿卜落入收集箱,纓子自皮帶尾端落入另一收集箱。

圖1 機(jī)器細(xì)化分析圖

2 挖掘松土裝置的設(shè)計(jì)

挖掘松土裝置主要是將胡蘿卜周圍的土壤進(jìn)行松動(dòng),便于后續(xù)的夾持傳輸裝置不用花費(fèi)多大的力就能將胡蘿卜從土壤中拔出,減小了在拔取過程中胡蘿卜纓子被拉斷,力度不夠胡蘿卜被漏收的情況的發(fā)生。

挖掘鏟是挖掘松土裝置的主要零部件,對(duì)挖掘鏟的要求為：

1）不能損傷到胡蘿卜的果實(shí)。

2）胡蘿卜周圍土壤松土的徹底性。

3）要有足夠的強(qiáng)度和剛度,以保證松土過程的正常進(jìn)行。

4）合理的結(jié)構(gòu)安排,同時(shí)盡量減小其重量,減小材料的耗費(fèi)。

該機(jī)器設(shè)計(jì)用于種植模式為最大作物間距75mm,行距300mm的胡蘿卜收獲,挖掘鏟呈箭頭狀,挖掘鏟前端窄小,后部逐漸變寬,尾部有間缺。為了減少漏挖及考慮到會(huì)出現(xiàn)對(duì)行不準(zhǔn)確等情況,鏟面的寬度應(yīng)該控制在苗帶間距2倍以上,故取鏟面的寬度L=155mm；根據(jù)土壤對(duì)鋼鐵的摩擦因數(shù)tany=0.4～0.7[3],鏟面鏟刃斜角β可取為60°；由于入土角的大小會(huì)影響挖掘鏟的入土性能以及挖掘過程中的挖掘阻力,通過理論分析以及實(shí)踐證明,入土角θ的大小一般在20°至30°之間[4]。考慮到不同的農(nóng)藝要求,挖掘的深度以及入土角可以通過配合鏟柄上不同位置的孔來進(jìn)行調(diào)整。

整個(gè)挖掘松土裝置由挖掘鏟、鏟柄以及連接桿組成,結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 挖掘松土裝置示意圖

3 扶起導(dǎo)入裝置的設(shè)計(jì)

扶起導(dǎo)入裝置主要功能為將胡蘿卜的纓子扶起聚攏后導(dǎo)入到后續(xù)的夾持傳輸裝置,整個(gè)扶起導(dǎo)入裝置由兩個(gè)扶禾器以及連接架并列組成,如圖3所示,從胡蘿卜纓子的兩側(cè)同時(shí)將纓子扶起聚攏,在工作的過程中,扶禾器貼近地面,將胡蘿卜的纓子盡可能的都扶起,通過調(diào)節(jié)螺栓連接的位置可以改變扶禾器前后的位置以及與地面之間的距離。

圖3 扶起導(dǎo)入裝置示意圖

4 夾持傳輸裝置的設(shè)計(jì)

夾持傳輸裝置主要是通過皮帶的相對(duì)運(yùn)動(dòng)夾持住已被聚攏的胡蘿卜纓子,將已松動(dòng)的胡蘿卜從土地中拔取出來向后上方運(yùn)動(dòng),完成后面的工序。整個(gè)夾持輸送裝置由電動(dòng)機(jī)、V形帶、皮帶輪、傳動(dòng)軸以及張緊裝置組成。

4.1 電動(dòng)機(jī)的選型

夾持傳輸裝置的動(dòng)力來源來自和拖拉機(jī)發(fā)電機(jī)相連的小電機(jī),因而需要對(duì)使用的小電機(jī)進(jìn)行一個(gè)選型,電動(dòng)機(jī)只需要帶動(dòng)皮帶輪的運(yùn)轉(zhuǎn)且在松土后拔取胡蘿卜所需的力較小,考慮到機(jī)構(gòu)的尺寸以及功能的要求,選擇57步進(jìn)電機(jī),型號(hào)為J-5718HB3401,功率為6kW,轉(zhuǎn)速為650r/min[5]。

4.2 V形帶以及帶輪的設(shè)計(jì)

傳動(dòng)裝置采用的是帶傳動(dòng),根據(jù)機(jī)器的需求以及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),傳動(dòng)比i=1,通過設(shè)計(jì)與計(jì)算,可得V形帶選用B型帶3根,帶基準(zhǔn)長度為4820mm,輸送帶的速度為1.25m/s,主動(dòng)輪帶速為650r/min,直徑為160mm,功率為6kW,被動(dòng)帶輪直徑為160mm。

帶輪的形式結(jié)構(gòu)是與其基本直徑dd以及安裝帶輪的軸的直徑d相關(guān)聯(lián)的,因皮帶輪dd≤300mm且D1-d1≤100mm,故采用腹板式的帶輪結(jié)構(gòu),V形帶的輪槽需要與選用的V帶的型號(hào)需要相對(duì)應(yīng),帶輪的基準(zhǔn)直徑dd=160mm,厚度B=61mm,帶輪軸直徑d=40mm[6]。

4.3 張緊裝置的設(shè)計(jì)

考慮到V形帶運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)磨損以及塑性變形等問題,會(huì)致使皮帶出現(xiàn)松弛等現(xiàn)象,且隨著機(jī)構(gòu)使用時(shí)間的增長,皮帶會(huì)愈加的松弛,為了保證機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)作,在輸送的途中加入張緊輪裝置,通過張緊輪將皮帶張緊,且由于皮帶的輸送距離較長設(shè)置了兩組張緊裝置；為了減少需要經(jīng)常檢修的麻煩,在張緊輪裝置上加入彈簧,根據(jù)彈力自動(dòng)調(diào)節(jié)張緊輪的位置,結(jié)構(gòu)如圖4所示,裝置安裝在皮帶輪的外側(cè),通過彈簧的彈力使得張緊輪與皮帶外圈緊貼壓緊,保持皮帶的張緊以持續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)下去。

圖4 張緊裝置結(jié)構(gòu)示意圖

由于需要根據(jù)彈力自動(dòng)調(diào)節(jié)張緊輪的位置,張緊輪軸不能完全固定在機(jī)架上,如圖5所示在機(jī)架上開了一個(gè)T型的槽口,張緊輪軸的尾端裝了一個(gè)鍵狀的卡位塊,通過槽口與卡位裝置的配合,可將張緊裝置裝在機(jī)架上。

圖5 張緊裝置限位部件示意圖

5 對(duì)頂裝置的設(shè)計(jì)

對(duì)頂裝置的設(shè)計(jì)要求：

1）只允許胡蘿卜的莖葉通過,胡蘿卜的根部不能通過。

2）對(duì)胡蘿卜根部的頂端的磨損盡量減小。

3）具有最夠的強(qiáng)度與剛度。

由于胡蘿卜的生長情況各不相同,莖葉的長短以及根部的大小都相同,在切除莖葉的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)切口不一致甚至損傷果實(shí)的現(xiàn)象,因而需要將胡蘿卜的根部拉齊,在胡蘿卜纓子根部附近同一位置對(duì)胡蘿卜的莖葉進(jìn)行切除,通過對(duì)頂裝置使在胡蘿卜持續(xù)上升的過程中其根部頂端拉齊,從而保證胡蘿卜根莖切割的質(zhì)量[7]。

對(duì)頂裝置由左擋板以及右擋板組成,在安裝的時(shí)候與傳輸帶成一定的角度,結(jié)構(gòu)如圖6所示,在兩個(gè)擋板上裝置了數(shù)個(gè)滾子,設(shè)置滾子是為了減小在拉齊過程中胡蘿卜根部頂端的磨傷。

圖6 對(duì)頂裝置示意圖

6 莖葉分離裝置的設(shè)計(jì)

莖葉分離裝置主要是將胡蘿卜的莖葉和根部分離開來,以便于后期胡蘿卜的處理及銷售。在傳統(tǒng)的方案中,多采用兩個(gè)圓盤刀通過電機(jī)或軸的帶動(dòng),相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)以切割開莖葉與根部,這種方案需要消耗更多的能量以及材料,還需要考慮在一段距離的運(yùn)動(dòng)傳遞過后的偏差；故經(jīng)過思考后,選擇在對(duì)頂裝置的上邊面上固定安裝一個(gè)鋒利的刀片,可以省去多層傳遞的麻煩與誤差,結(jié)構(gòu)如圖7所示,V型的切口更有利于切割,通過胡蘿卜與刀片之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),將胡蘿卜的莖葉和根部分離開來,且調(diào)節(jié)螺栓的位置可以改變刀片固定的位置[8]。

圖7 莖葉分離裝置示意圖

7 機(jī)架以及收集裝置的設(shè)計(jì)

7.1 機(jī)架的設(shè)計(jì)

機(jī)架是整個(gè)機(jī)構(gòu)的依附,支撐著整個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行,它的設(shè)計(jì)影響著機(jī)器的性能以及正常工作,對(duì)機(jī)架的要求如下：

1）足夠的剛度以及強(qiáng)度,是確保機(jī)器正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。

2）在確保造型美觀的同時(shí),要盡量減輕其重量,減小材料和能源的消耗,使其經(jīng)濟(jì)性好。

3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,易于制造和加工,不影響安裝在機(jī)架上的零部件的安裝調(diào)整以及檢修。

整個(gè)機(jī)架由六個(gè)部分組成：一號(hào)機(jī)架是主體部分,如圖8所示,其余所有的機(jī)架都是裝在一號(hào)機(jī)架上的,在一號(hào)機(jī)架的左側(cè)和后側(cè)都設(shè)置了與拖拉機(jī)相連接的結(jié)構(gòu),且松土裝置以及車輪都是安裝在一號(hào)機(jī)架上的,其余的機(jī)架主要是為了維持傳輸裝置以及其相關(guān)配件。

圖8 總裝配圖

行走輪裝置前后兩部分都通過萬向節(jié)與一號(hào)機(jī)架連接,在機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向時(shí)能夠,靈活的旋轉(zhuǎn),以跟著拖拉機(jī)改變行進(jìn)的方向。

7.2 收集裝置的設(shè)計(jì)

收集裝置分為兩部分：胡蘿卜果實(shí)收集以及胡蘿卜纓子收集,兩個(gè)部分前后并列放置,可從機(jī)構(gòu)的尾端將其放入取出。果實(shí)收集部分以及纓子收集部分的上端呈現(xiàn)一條連貫的斜線,如圖8所示,傾斜的角度與對(duì)頂裝置的角度一直,且果實(shí)收集部分與對(duì)頂裝置的距離控制在200mm以上,以減小胡蘿卜與收集裝置之間磕碰的損傷,進(jìn)過莖葉分離裝置后,胡蘿卜根部自由落入果實(shí)收集箱內(nèi),纓子自夾持輸送裝置的尾端落入纓子收集箱中[9]。

8 結(jié)語

通過設(shè)計(jì)計(jì)算最終設(shè)計(jì)了一款可與拖拉機(jī)配套使用的小型胡蘿卜收獲機(jī),該收獲機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)松土、拔取、切纓以及收集的功能,結(jié)構(gòu)較現(xiàn)有的機(jī)型更加小巧、操作更為簡單方便且成本較低,可減輕農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度,且收集胡蘿卜的纓子可用于喂養(yǎng)牲畜,提高了胡蘿卜的整體利用率。