《一種應用于花生復收的撿拾裝置設計》7900字（論文）

XIV 第1章緒論引言花生是世界上廣泛基地栽培的主要油料作物之一，也是目前我國主要的綠色農產(chǎn)品之一。在2019年時，我國各地現(xiàn)有花生豆科植物綜合種植基地面積約467萬公頃，是世界第二大花生種植國?；ㄉ羌竟?jié)性農作物，收獲期集中，需要收獲機替代人工進行收獲，機械收獲可以減少人工勞動強度和降低作業(yè)成本。雖然現(xiàn)有的花生收獲機工作效率較高，但在果土分離及輸送花生果實的過程中存在著露果、掉果問題。嚴重影響了花生的收獲率。針對此問題，特設計了一種花生復收機撿拾裝置，并確定該撿拾裝置最優(yōu)結構參數(shù)。1.2研究目的及意義花生在目前我國的分布區(qū)域范圍很廣,全國各地都已經(jīng)有人栽培和種植,主要分布于河南省、河北省、山東省、廣西省和安徽省等地。根據(jù)最近幾年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計,河北省一直是我國花生種植基地面積及總產(chǎn)量大省之一,種植花生的面積至今仍保持在400萬畝以上。從大體上看，雖然我國的花生種植規(guī)模以及花生最終產(chǎn)量非常巨大，但是相對于其他農作物產(chǎn)業(yè)來說，近年來花生的整體機械化發(fā)展速度卻十分的緩慢，最主要的一個因素還是我國的花生生產(chǎn)集中度不夠，嚴重地阻礙了花生整體產(chǎn)業(yè)快速的發(fā)展，主要表現(xiàn)在花生整體機械化水平遠遠不能滿足現(xiàn)有的花生規(guī)模化種植需求，特別是在花生復收過程中，大部分地區(qū)仍然采用手工作業(yè)的方式進行復收，有的地區(qū)甚至為了節(jié)約成本都不對收獲后的花生種植地進行復收，從而造成花生的損失率增加，致使這些花生產(chǎn)業(yè)遠遠未能達到自己具備足夠規(guī)模的產(chǎn)品優(yōu)勢帶[1-4]。目前花生收獲模式的大致可以劃分為三種:分別是分段收獲模式、兩段收獲模式、聯(lián)合收獲模式。其中分段收獲和兩段收獲將會是適合我國花生種植情況的發(fā)展主流方向，且具有較大的研究價值。分段收獲可根據(jù)現(xiàn)有的設備條件與當?shù)氐幕ㄉr藝種植模式分別選擇花生挖掘機、花生起收機和花生摘果機等完成花生收獲的挖掘、清土、分離和集果等一系列的關鍵作業(yè)工序。分段收獲的作業(yè)方式在實際應用中具有較強的可操作性和適應性，可以根據(jù)不同地區(qū)不同的花生種植方式，結合實際情況自由組合完成花生收獲整體作業(yè)。但是多種花生收獲機械輪流作業(yè)也是存在較大缺點的，一是會延長整個收獲過程，使作業(yè)成本增加；二是會導致花生整體收獲效率降低、損失率增大等一些問題。此外花生摘果機也是目前我國應用較多的花生收獲機械之一，大體上可以分為半喂入式和完全喂入式兩種。兩段收獲是將整個收獲流程分為兩部分。首先利用花生起收機完成花生植株的起挖、清土和擺放，等待被挖掘的花生植株晾曬充分之后，再使用撿拾收獲機對已經(jīng)晾曬好的植株進行撿拾、清選及摘果。兩段收獲不僅有效地解決了花生果實含水率高、機械收獲困難的問題，還在一定程度上提高了花生收獲的效率，降低作業(yè)成本，是目前美國、西班牙和阿根廷等國家廣泛應用的一種花生收獲模式。因此,在研究和開展各類花生復收設備技術研制過程中,必須要充分考慮到我國的實際情況以及各地的花生種植方式,還要通過對各地區(qū)不同的收獲方式進行分析，來開發(fā)一套適合于我國的花生復收設備,從而更好地達到和提高我國花生的整體機械化程度。1.3國內外研究現(xiàn)狀國外一些發(fā)達國家對花生機械收獲技術的研究起步較早，并且他們的收獲體系已經(jīng)非常成熟。在上個世紀三十年代末，歐美國家就已經(jīng)開始對花生收獲機械進行研究，并嘗試推廣應用。在六十年代初，歐美國家就已經(jīng)實現(xiàn)了在全國范圍內的花生機械化收獲水平。其中歐美等國家針對當?shù)鼗ㄉ仓曷攸c，結合當?shù)氐霓r藝種植要求，對于一年一收的花生，大多采用兩段收獲法，即先用花生挖掘機將花生植株從土壤里挖出，在進行去土作業(yè)后把花生植株條鋪在田間，等花生晾干一段時間后，再用撿拾式花生收獲機進行撿拾摘果[5-9]。以美國舉例，大部分的花生收獲機體積很大，所以基本上都是以牽引式聯(lián)合收獲機為主，并且花生聯(lián)合收獲機所需要的牽引力較大。具有代表性的機型有美國弗吉尼亞Amadas公司制造的2100型六行牽引式花生聯(lián)合收獲機，美國KMC公司制造的KMC3376和KMC3374牽引式花生聯(lián)合收獲機;自走式花生聯(lián)合收獲機的代表機型有美國Amadas公司生產(chǎn)的9997和9960SP四行花生收獲機等[10-14]。另外,目前美國正在計劃將一些高科技技術應用到花生收獲機上[15]。相比較于歐美國家，日本和韓國的花生種植方式、規(guī)模面積和氣候條件都具有較大的差異性，所以它們大多數(shù)采用聯(lián)合收獲的方式，并且花生收獲機的機型多為半喂入自走式，能夠將花生收獲作業(yè)一次性完成。但是這些機型的結構很復雜，功能高度集成，所以花生收獲的成本較高。我國對于花生復收機的研究尚淺，技術有待提高。就目前而言，市場上還沒有能夠滿足生產(chǎn)要求的花生復收機，嚴重影響了我國花生收獲的整體機械化水平。由于我國大部分花生生產(chǎn)區(qū)在收獲時氣候為多雨天氣，不能夠在田間對挖掘的花生進行晾干，因此花生復收機的推廣應用較差。但也存在一些已經(jīng)研制過花生復收機，這其中就包括山東省煙臺農機所研制的4HF-1100型和膠南縣農機研究所研制的4HF-1000型等花生復收機。這些花生復收機主要與泰山-25型拖拉機配套使用，每小時可復收花生0.16公頃，一次收凈率為75%到85%。這類花生復收機曾在山東省的臨沂、日照等地進行推廣和實驗，但效果不怎么理想。目前，花生復收機已經(jīng)在我國基本停止研究和生產(chǎn)。第2章總體方案設計2.1作業(yè)工藝在河北省內,花生在不同的季節(jié)有著不同的種植方式。以夏播花生為例，播種方式分為人工點播和機械化播種。機械播種時,起壟、播種、施肥、鎮(zhèn)壓等多道工序一次或多次就能完成。人工播種一般是在耕整地之后用點播的方式進行播種。對于河北省內來說，壟作的壟距一般為75cm到85cm,壟面寬度為45cm到55cm。壟上播種兩行花生，壟上的小行距為25cm到30cm,壟之間的大行距在50cm左右。2.2總體方案確定根據(jù)河北省大部分的花生作業(yè)工藝，確定花生復收機總體設計方案。本復收機采用四輪拖拉機帶動，機架前設計有復收鏟，挖掘出的花生進入去土滾筒里，打掉花生上帶有的泥土，下面設計了落果漏土振動篩，以分離花生散果并送入后面的集果箱中。撿拾裝置包括復收鏟、去土滾筒、脫果輥、振動篩等部分。結構如圖2-1所示。1.復收鏟2.傳動鏈3.機架4.去土滾筒5.脫果輥6.振動篩7.集果箱圖2-1花生復收機撿拾裝置示意圖它的工作過程如下：首先拖拉機將動力傳遞給主動鏈輪，花生復收機向前前進，復收鏟進入土壤，對土壤里的散落的果實進行撿拾，通過復收鏟運輸?shù)饺ネ翝L筒中，由后輪通過鏈條提供動力的脫果輥軸對帶有土壤的花生進行去土作業(yè)，之后大部分花生直接送入集果箱，小部分小尺寸花生在振動篩上做二級分離，最后這部分花生再進入集果箱。從而對土壤里的花生完成整個撿拾分離過程。第3章?lián)焓把b置結構設計3.1復收鏟秦皇島、張家口和承德等地是河北省內花生的主要種植地?；ㄉシN一般分為露天播種和薄膜覆蓋播種?；ㄉ姆N植要求是每穴播種2-3粒，播種深度在50mm左右。對于露天播種的方式，其播種深度最低不能低于30mm，最深處不能超過70mm。行距一般采用偶數(shù)行。根據(jù)上述河北省各地花生的種植方式，特設計了一種復收鏟，用于挖掘土壤中的遺落的花生散果。復收鏟的挖掘性能直接影響了整機的撿拾效果。所以復收鏟的設計尤為重要。

復收鏟的作用是把遺落的花生和土壤一起挖掘上來，并輸送到后端果土分離裝置中。一般情況下對復收鏟的要求是:在盡量少鏟起土壤的條件下把遺落的花生進行復收。在復收鏟作業(yè)過程中，它的挖掘深度可以在工作時保持穩(wěn)定，并能根據(jù)復收情況進行調節(jié)，以便于土堡能夠沿著鏟面順利通過；而對于黏度大的土壤，復收鏟在作業(yè)時應具有較強的破土能力，以便可以順利地進行撿拾作業(yè)。為了避免作業(yè)時出現(xiàn)壅土現(xiàn)象，要求復收鏟應具有自潔功能;另外還需保證阻力小，刃口的耐磨性良好。

目前挖掘鏟按其鏟面的形式可以分為槽形挖掘鏟、曲面挖掘鏟和平面挖掘鏟。由于平面型挖掘鏟具有良好的碎土能力和入土性能，能夠自動清理鏟面上多余的土壤、鏟面簡單等特點，所以最終設計了平面復收鏟。如圖3-1所示，復收鏟的工作原理是：在拖拉機的前進過程中，前端的入土鏟進入土壤，對土壤中遺落的散果進行復收，之后鏟出的花生通過篩孔板運送到后端的坡道，掉入到后面的去土滾筒進行后續(xù)的作業(yè)。1入土鏟；2篩孔板；3固定孔圖3-1復收鏟結構簡圖作業(yè)時，復收鏟需要克服挖掘阻力，而復收鏟鏟刃傾角的參數(shù)會對挖掘阻力和花生的復收效果產(chǎn)生一定的影響。其中鏟刃傾角的合理設計是為了克服鏟土作業(yè)過程中的阻力，保證復收鏟的挖掘效果，使得花生可以順利的被挖掘出。根據(jù)物理定律，理論上鏟刃傾角越小，對土壤的挖掘效果更好，但鏟刃傾角過小的話，可能會在挖掘過程中對土壤中的花生造成傷害，所以為了保證鏟土效果又做到不傷害花生散果，經(jīng)過對鏟刃傾角的反復設計，最終確定鏟刃傾角為25度。復收鏟的鏟體寬度也是撿拾作業(yè)時一個關鍵技術參數(shù)，它的設計要與花生種植特點相結合。鏟寬應該稍微大于花生的種植壟寬，從而防止漏挖的現(xiàn)象出現(xiàn)，但鏟寬也不能夠過于寬大，否則可能會出現(xiàn)挖掘阻力過大的情況。而復收鏟的鏟寬主要與花生在收獲后地下的分布情況和花生復收機行走路線偏差有關。由于是復收，所以可以忽略花生復收機行走所造成的路線偏差。根據(jù)河北省大部分地區(qū)大壟雙行種植方法，為了提高挖掘效率，最終將復收鏟的鏟寬設計為1480mm。復收鏟的入土角也是影響整個挖掘性能的重要因素之一。如果復收鏟的入土角過小，則會造成復收鏟的入土性能變弱；如果復收鏟的入土角過大，則復收鏟的入土性能也會提高，但過大的入土角會增加復收鏟工作時的阻力，從而影響復收鏟的排土能力變差，影響花生復收機整機的工作效率。根據(jù)河北省花生種植的農藝要求，一般的花生穴播深度在50mm左右。為了確保在挖掘過程能夠盡量復收所有遺漏的花生散果，根據(jù)入土角和入土長度之間的反比例關系，最終確定入土角在10度到20度之間。在進行撿拾工作時可根據(jù)實際情況通過調節(jié)裝置進行調節(jié)?？紤]到在挖掘過程中可能會造成壅土現(xiàn)象，所以在入土鏟后面設計了篩孔板，可以對部分土壤和雜質進行簡單地分離，使得挖掘過程順暢的進行，以保證花生復收機的整體復收效率。3.2去土滾筒去土滾筒的要求是：它能使花生可以和土壤快速分離，是撿拾裝置最關鍵的設備之一。在此分離裝置中，去土滾筒的篩孔可以是圓形孔或者方形孔，相比較與圓形孔，方形孔更適合此分離裝置，根據(jù)花生莢果的平均尺寸，去土滾筒篩孔大小通過計算可確定為30mm，其篩孔間隙為3mm。結構如圖3-2所示。1．固定板2.滾筒下篩孔3．擋板4．滾筒上篩孔圖3-2去土滾筒結構簡圖3.3脫果輥脫果輥是撿拾裝置中使果土分離最重要的結構之一。去土裝置的效率是花生復收機是否可以有效完成撿拾作業(yè)的前提，如果不及時清除土壤，很容易堵塞去土滾筒的篩孔，使花生復收機無法正常工作。如圖3-3所示，本次設計的脫果輥連續(xù)在脫果輥軸上，為了可以有效的進行對花生的去土作業(yè)，在輥軸圓面上穿插8個長度為470mm直徑為20mm圓鋼，每個圓鋼之間的夾角為45度，相鄰圓鋼之間的中心距為100mm。圓鋼的設計角度可以有效的完成去土作業(yè)，并對花生的撥送效果較好。此設計由復收機的前進通過齒輪傳動提供動力轉動，因此在工作的過程中可以觀察土壤黏度、硬度、去土情況來控制脫果輥的轉動速度。圖3-3脫果輥結構簡圖3.4振動篩振動篩是為了完全清理小體積花生中所帶的細小土壤和一些雜質，此振動篩如圖3-4所示。振動篩分為兩層，第一層為橫軸梳土柵條，第二層為交叉梳土柵條。經(jīng)過去土滾筒的分離，花生所帶雜質體積變小，所以可設計上層每個梳土柵條之間的中心距為10mm。下層交叉梳土柵條組成邊長為5mm的正方形。工作時，體積較大的花生從第一層進入集果箱，體積較小的花生掉入第二層交叉梳土柵條，經(jīng)過分離篩選后再進入集果箱。通過復收篩的振動以及兩層梳土柵條的設計可以有效的實現(xiàn)花生和土壤以及雜質的分離。使撿拾的花生可以較為干凈的進入集果箱。從而完成整個花生撿拾的過程。1.上層梳土柵條2.交叉梳土柵條3.出口圖3-4振動篩結構簡圖振動篩作為花生撿拾過程最重要的裝置，它的運動軌跡和梳土柵條的寬度是保證分離效果的最要影響因素。在設計過程中，通過調整偏心輪的偏心距來改變振動篩的振幅，通過調整對花生復收機的傳動齒輪的轉速來改變振動篩整個的振動的頻率。而撿拾的花生是否可以快速不堵塞的進入集果箱取決于另一重要因素，那就是花生復收機振動篩整個的篩體與水平面的夾角。如果篩體與水平面的夾角過于大，可能會造成振動篩對花生與土壤、雜質分離不及時，從而造成帶有土壤的花生進入集果箱，影響最后的收凈率。而篩體與水平面的夾角過于小可能會造成撿拾的花生停留在振動篩上，不能夠及時的進入后面的集果箱，從而也會在一定程度上影響整個的撿拾效率。為了有效的解決花生復收機振動篩體與水平面夾角問題，特在導槽的下方設計了一種簡單的調節(jié)裝置?？梢愿鶕?jù)復收的整體實際情況，來調節(jié)篩體與水平面夾角，從而來控制撿拾的花生進入集果箱的速度。第4章鏈傳動和軸設計計算4.1滾子鏈的設計滾子鏈的主要結構有滾子、套筒、銷軸、內鏈板和外鏈板。其中內鏈板緊壓在套筒兩端，銷軸與外鏈板鉚牢，稱為內鏈節(jié)和外鏈節(jié)。這樣內鏈節(jié)和外鏈節(jié)就會形成一個鉸鏈。滾子與套筒之間、套筒與銷軸之間都是間隙配合。內鏈板與套筒之間、外鏈板與銷軸之間都是過盈鏈接。考慮到此花生復收機對鏈傳動的應用只是用于帶動花生復收機振動篩的振動，為了在撿拾的過程中方便控制振動篩的振動頻率，特設計等比傳動，鏈輪1、鏈輪2、鏈輪3的齒數(shù)定為34。根據(jù)花生復收機鏈傳動的實際要求，查閱機械設計手冊，最終確定鏈條1的中心距為924mm。為了鏈條連成環(huán)形時，正好是外鏈板與內鏈板相接，接頭處可用開口銷或彈簧夾鎖緊，所以選取鏈節(jié)數(shù)為偶數(shù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，最終確定鏈節(jié)數(shù)為178，滾子外徑7.92mm。同理鏈條2的中心距為1488mm，鏈節(jié)數(shù)為268，滾子外徑7.92mm。4.2鏈輪設計計算1.材料選擇：采用45號鋼經(jīng)正火處理，齒面硬度HRC20到HRC30。2.齒頂圓直徑3.齒根圓直徑4.分度圓弦齒高5.最大齒根距離6.齒側圓弧半徑4.3軸的設計本設計所需要的軸很多，所以只對其中一根軸進行設計實驗。在撿拾裝置中，選擇其中一根后輪軸進行設計和校核計算。因為用于旋轉運動的傳動部件必須安裝在軸上，以傳遞運動和動力。所以軸的設計和校核尤為重要。因為這臺機器的扭矩很小，它只依靠軸來承受機架上的附件。屬于只承受彎曲距離而不傳遞車削距離的軸，即主軸。為了有效的降低軸上的作用載荷，所以要合理設計載荷的位置。軸可以看成一個固定的鉸鏈支架和一個可移動的鉸鏈支架。如圖4-1所示。圖4—1支撐簡圖這兩個支點應盡可能靠近車輪或鉸鏈支點。這樣，軸的軸承彎曲距離更小，軸的直徑就會減小，整機的重量也會減輕。軸上的零件是固定的。由于機床運動速度小、凸點小、軸向沖擊小，軸向固定相對簡單。為滿足軸上各部件的安裝，初步確定各軸段尺寸為（左起）：第一節(jié)軸承對應軸徑為30mm，長度為40mm；第二節(jié)軸徑為35mm，長度為50mm；第三節(jié)軸承對應軸徑為40mm，長度1265mm；第四節(jié)軸徑為20mm，長度為50mm。分析軸上的軸應力,可以明顯地分析得出此軸只需要承受一個小的徑向作用力,沒有必要承受到其他不同軸向的應力場的作用,因此我們選取帶有深溝或半球面的軸承，主要目的是為了承受一個小的徑向作用力,但也很有可能需要承受較小的其他軸向作用力。根據(jù)相關理論分析，可初步確定選用深溝球軸承。根據(jù)inventor軟件可以對軸進行一些應力分析，對軸進行簡單的強度校核，其結果如圖4-2所示。圖4—2分析圖經(jīng)數(shù)據(jù)分析可知，此軸的強度足夠，可以滿足設計。4.4鍵的校核鍵是通常用于執(zhí)行外周軸和結固定和扭矩傳遞的標準元件。鍵主要分為平鍵、楔鍵、和切向鍵。平鍵聯(lián)接由于其具有結構簡單、拆卸方便等特點和優(yōu)勢,因此得到了廣泛應用。雖然平鍵定位精度高,但是由于連接部件無法承受軸向力,因此無法起到軸上各個零件的軸向固定作用。導向型平鍵連接的主要故障失效表現(xiàn)形式之一就是工作面的磨損。根據(jù)設計數(shù)據(jù)，查閱參考書初步確定鍵的尺寸鍵寬為8mm，鍵高為7mm，鍵的工作長度為32mm，擠壓面高度為3.5mm。根據(jù)校核公式對鍵進行簡單的數(shù)據(jù)校核后，可以滿足實際應用情況。第5章結論和展望5.1結論針對花生收獲機械出現(xiàn)的漏果和掉果現(xiàn)象，為了解決此問題，本文設計了一種花生復收機撿拾設備。這種花生復收式撿拾裝置能夠實現(xiàn)對收獲后花生種植區(qū)域內遺落的花生散果進行拾撿、清選和集果等操作。其設計結論如下：（1）由于此花生復收機是一種輪胎型行走設備,其操作簡單、靈活、性能好,即便是在雨后濕潤和土壤黏度較大的花生種植區(qū),仍然可以順利地進行復收撿拾等作業(yè)。（2）采用前置式進行復收作業(yè)，視野寬廣，播種行距在270～300mm左右，株距不限，皆可順利實現(xiàn)對花生的撿拾分離。（3）去土滾筒和脫果輥結合的去土方法相對于目前的上下擺拍式和橫向擺拍式去土方法，很明顯地增強了去土效果?？煽氐拿摴伖ぷ魉俣?，可以根據(jù)實際作業(yè)情況進行調速，確保了花生復收機可以穩(wěn)定連續(xù)地進行工作。振動篩可進行二級分離，使得花生收凈率提高。（4）可一次性地完成鏟土、去土、篩選及集果等工序，整個作業(yè)過程不需要太多的人工參與。整個花生復收機大大提高了花生復收效率，撿拾裝置減少了花生二次復收作業(yè)費用，并且降低了收獲的勞動強度。5.2展望目前，河北省花生種植面積都是增長的趨勢，花生機械收獲推廣力度越來越大，但是過高的收獲損失卻限制了整體機械化水平的進一步提高。對于花生復收機來說，現(xiàn)有的研究仍然不能滿足當前的作業(yè)要求。對于全國而言，花生種植方式多種多樣，土壤條件更是較為復雜，這就對花生復收機的通用性提出了更高的要求。所以研制出機械化程度高、復收效率高和通用性較好的花生復收機是發(fā)展的必然趨勢。對此，首先要加強對花生復收機撿拾裝置的基礎性研究，根據(jù)實際情況優(yōu)化花生復收機的結構參數(shù)，提高花生復收機的性能。其次要保證花生復收機與花生種植農藝相結合，為花生復收機的推廣提供條件。相信通過我國科研人員的研究，花生復收機技術會變得越來越先進，而這對于加快花生收獲整體機械化水平發(fā)展、優(yōu)化花生產(chǎn)業(yè)結構、增加經(jīng)濟效益有著重要的現(xiàn)實意義。參考文獻尚書旗,劉曙光,王芳艷,等.花生生產(chǎn)機械的研究現(xiàn)狀與進展分析[J].農業(yè)機械學報，2005,36(03):143-147.李鹍鵬,欒雪雁.我國花生機械化生產(chǎn)發(fā)展問題與對策研究[J].農業(yè)裝備與車輛工程,2012,50(8):18-20.尚書旗,王方艷,劉曙光,等.花生收獲機械的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.農業(yè)工程學報，2004,20(1):20－25．彭三河,劉洋.影響新收帶殼花生含水率的參數(shù)研究[J].長江大學學報(自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