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黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計
馬鈴薯收獲機的設(shè)計
摘要： 馬鈴薯為地下產(chǎn)物，且是塊莖繁殖， 其收獲受季節(jié)和天氣限制。由于馬鈴薯的收獲費時費力、勞動強度大且季節(jié)性強，因此給農(nóng)民造成極大的困難。為了解決上述問題，本文就國內(nèi)外馬鈴薯收獲機現(xiàn)狀、馬鈴薯收獲機的研究和應(yīng)用進行介紹和分析，設(shè)計了組合分離式馬鈴薯收獲機。對該機的主要參數(shù)進行了選擇，對主要零部件的設(shè)計進行了理論計算。
關(guān)鍵詞：馬鈴薯，設(shè)計，挖掘鏟
The design of potato harvester
Abstract： Potato is an under ground plant. Its harvest is limited by the crown of the year and weather. Since the potato harvesting process has some difficult problems for farmers such as being strenuous and time consuming, great in labor intensity and urgent in seasonal demand, the paper analyses the present situation of potato harvest, and a combined separation potato digger has been developed through selection of principal parameters and theoretical calculation for the design of essential parts.
Kewords: potato, design, digging shovel
目 錄
摘 要 I
ABSTRACT II
目錄 III
1.緒論 1
1.1馬鈴薯收獲機發(fā)展概況 2
1.2 我國馬鈴薯收獲機發(fā)展趨勢 3
1.3馬鈴薯收獲機械的類型及技術(shù)要求 4
1.4馬鈴薯收獲機發(fā)展的主要制約因素 5
1.5馬鈴薯收獲機械的發(fā)展建議 5
2. 機具結(jié)構(gòu)特點、工作原理及性能參數(shù) 6
2.1總體結(jié)構(gòu) 6
2.2主要工作原理 6
2.3 主要性能參數(shù) 6
3. 主要部件的設(shè)計 7
3.1挖掘部件的設(shè)計 7
3.2分離部件的設(shè)計 13
4結(jié)論 21
參考文獻 22
致 謝 23
前言
馬鈴薯的營養(yǎng)價值非常高，市場潛力巨大。在國外，大約占40%的馬鈴薯加工成食品后進入消費市場。在國內(nèi)，一向被國人視為不能登大雅之堂的馬鈴薯產(chǎn)品也突然間在市場上風(fēng)靡起來。在北京、上海、廣州及西安等全國大中城市，以馬鈴薯條、馬鈴薯泥為基本原料的麥當(dāng)勞、肯德基食品已占據(jù)我國快餐市場的半壁江山，而從各種渠道進口的其它油炸薯片或膨化食品等也滾滾而來。中國農(nóng)科院副院長屈東玉博士在日前召開的中國馬鈴薯學(xué)術(shù)年會上指出：“馬鈴薯是一種產(chǎn)量高、適應(yīng)性強、經(jīng)濟價值大的作物，應(yīng)把馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)列入國家糧食商品糧基地，享受與水稻、小麥等商品糧基地同樣的財稅待遇，這將是保證我國糧食安全的有效手段。”
馬鈴薯作為經(jīng)濟作物，種植面積越來越大，而傳統(tǒng)的馬鈴薯收獲手段費時費事，勞動強度大且季節(jié)性強，因此給農(nóng)民造成極大的困難。馬鈴薯種植區(qū)大部分在潛山和腰山地區(qū)，落后的人工收獲方式造成馬鈴薯凍害和減產(chǎn)等不必要的損失，農(nóng)民對馬鈴薯收獲機械的要求十分迫切。為了解決上述問題，推廣應(yīng)用小型馬鈴薯收獲機勢在必行。應(yīng)用馬鈴薯收獲機可以大大提高收獲效率，降低勞動者的勞動強度，增產(chǎn)增收，減少收獲損失，為我國馬鈴薯生產(chǎn)奠定良好的基礎(chǔ)。根據(jù)我國馬鈴薯收獲機械多年研制生產(chǎn)經(jīng)驗可以看出， 日本、意大利、美國等國外機具適應(yīng)壟作，很難適應(yīng)我國平作種植形式。各類型機械需要進行多地域、多收獲季節(jié)的田間試驗和多輪改進，才能提高適應(yīng)性。
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1 緒論
馬鈴薯是我國主要作物之一。發(fā)展馬鈴薯生產(chǎn)，對調(diào)整優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、加快脫貧致富及地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展具有非常重要的作用。馬鈴薯為地下產(chǎn)物, 且是塊莖繁殖, 其收獲方式以挖掘機為主。馬鈴薯收獲機可以大大提高收獲效率, 降低勞動強度, 減少損失, 為馬鈴薯生產(chǎn)奠定良好的基礎(chǔ)。但是收獲方式的落后極大的制約了馬鈴薯生產(chǎn)發(fā)展。為促進馬鈴薯生產(chǎn)地發(fā)展，解決機械化收獲問題勢在必行。馬鈴薯收獲機械化的關(guān)鍵矛盾是配套動力與機具性能要求之間的矛盾。鑒于動力的限制，與14kw一下拖拉機配套機具的性能不宜要求功能全，只要完成起薯環(huán)節(jié)，讓署塊基本露于地面即可，其他工序由人工撿拾完成。從發(fā)展看這類機械作為與目前農(nóng)村具有的小型拖拉機相配套的過渡性機型予以開發(fā)、推廣。隨著近年來馬鈴薯種植面積的不斷增加，對馬鈴薯收獲的機械化水平的需求越來越大.
1.1 馬鈴薯收獲機發(fā)展概況
馬鈴薯是我國北方主要糧食作物之一， 在內(nèi)蒙、甘肅、寧夏、河北、山西、黑龍江、河南等省大面積種植，特別是內(nèi)蒙、甘肅、河北北部等地因常年干旱少雨，氣候寒冷，沙質(zhì)土壤多，不利于其它作物的生長，馬鈴薯使成為這些地區(qū)的主產(chǎn)糧食作物。近幾年來，馬鈴薯迅速以經(jīng)濟作物走向市場，大量銷售到北京、天津、上海、廣州等各大城市，美國百事食品有限公司等國外企業(yè)也紛紛在我國以承包大面積種薯地形式而參與到馬鈴薯種植和深加工行業(yè)。隨著馬鈴薯向規(guī)模化種植的發(fā)展，農(nóng)民要求機械化收獲的愿望日趨強烈。由于各地土壤、氣候、地形及種植習(xí)慣的差異，種植機械發(fā)展相對滯后，多采用犁翻人工點播種植，行距不統(tǒng)一。小行距平作與大行距壟作形式共存，平作行距在400-550mm 之間，壟作在600—900mm之間。近幾年，隨著早上市鮮薯需求量的增加，收獲季節(jié)提前，馬鈴薯莖葉生長旺盛，薯皮鮮嫩，機械收獲更易破皮和纏繞擁土，使農(nóng)藝要求與機械收獲適應(yīng)性的矛盾更加突出。機械化收獲馬鈴薯技術(shù)，關(guān)鍵問題是收獲機械適應(yīng)性差，傷薯率高。因此，研制開發(fā)性能優(yōu)良，適應(yīng)性強，傷薯率低，多型號，價格適中，并能同大中馬力拖拉機配套的收獲機械是非常必要的。
1.1.1 國內(nèi)馬鈴薯收獲機發(fā)展概況
新中國成立初期, 我國收獲馬鈴薯采用人工刨或舊犁挖掘的落后方式。直到20世紀(jì)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(chǔ)上，研制成功了升運鏈?zhǔn)今R鈴薯收獲機，但是由于受當(dāng)時歷史條件的限制，沒能實現(xiàn)大面積推廣和使用。
20世紀(jì)70年代中期，由于手扶拖拉機的大量推廣應(yīng)用, 國內(nèi)又掀起了為手扶拖拉機配套的馬鈴薯收獲機的研制高潮, 成功研制了鼠籠式馬鈴薯收獲機, 但受當(dāng)時的配套動力限制, 未能生產(chǎn)和推廣。1979年，12國農(nóng)機展覽會后，國家將全部馬鈴薯收獲機樣機都投放在黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學(xué)研究院，從而為馬鈴薯收獲機的研究工作創(chuàng)造了良好的條件。
到 20 世紀(jì) 90 年代中期, 由于國產(chǎn)小四輪拖拉機的大量推廣和應(yīng)用, 研制馬鈴薯收獲機已被列入重要日程。而此后, 其市場需求旺盛, 先后有小型升運鏈?zhǔn)今R鈴薯收獲機和振動式馬鈴薯收獲機投放市場,并占據(jù)了很大的市場份額。
1.1.2 國外馬鈴薯收獲機發(fā)展概況
從農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展過程來看，馬鈴薯收獲機發(fā)展較遲緩，只是近50年才發(fā)展到較高水平。國外馬鈴薯機械化收獲起步早、發(fā)展快、技術(shù)水平高。在2O世紀(jì)4O年代初前蘇聯(lián)、美國就開始研制推廣應(yīng)用馬鈴薯收獲機了，5O年代末期全面實現(xiàn)了生產(chǎn)機械化。7O～8O年代，德、英、法、意大利、瑞士、波蘭、匈牙利、日本和韓國亦相繼實現(xiàn)了馬鈴薯生產(chǎn)機械化。國外馬鈴薯收獲機械的技術(shù)水平相當(dāng)高，不但生產(chǎn)率高而且高新技術(shù)已融于機具之中。如采用振動、液壓技術(shù)進行挖掘；采用傳感技術(shù)控制土壤喂人量、馬鈴薯傳運量以及分級裝載；采用氣壓、氣流、光電技術(shù)進行碎土和分離及利用微機進行監(jiān)控操作等。
原蘇聯(lián)是生產(chǎn)收獲機最早的國家。1960年，馬鈴薯聯(lián)合收獲機保有量是3萬臺，1976年，保有量是6萬臺，1979年，馬鈴薯收獲機械工業(yè)化程度達到77%（其中國營農(nóng)場為84%，集體農(nóng)莊為73%）；到20世紀(jì)90年代除，馬鈴薯收獲機共有16種機型，其中10種是聯(lián)合收獲機，其中勞動生產(chǎn)率比其他2行收獲機提高1-2倍。
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，勞動生產(chǎn)率達到100kg/（h·人）。20世紀(jì)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)合收獲已經(jīng)達到50%以上、20世紀(jì)到90年代，美國已經(jīng)基本實現(xiàn)了馬鈴薯收獲機械化。
德國20世紀(jì)在40年代主要生產(chǎn)和使用拋擲式收獲機；50年代主要生產(chǎn)和使用升運鏈?zhǔn)绞斋@機和撿拾裝載機，進行分段收獲；到1970年保有量達到6205臺；70年代開始生產(chǎn)聯(lián)合收獲機，機型有20多種，均是原聯(lián)合收獲機的變型，其保有量達到6萬臺；90年代開始生產(chǎn)收獲-撿拾裝載機和具有自動分選裝置的聯(lián)合收獲機。
日本在1955年以前使用畜力挖掘機，1955年到1965年生產(chǎn)懸掛式的拋擲式和升運鏈?zhǔn)绞斋@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，并研制適合日本國情的聯(lián)合收獲機。
目前，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(shù)上已達到相當(dāng)高的水平。由于國外馬鈴薯采用機械化壟作種植形式，適應(yīng)這種特點而設(shè)計的收獲機械在中國難以適應(yīng)平作收獲。以內(nèi)蒙百事食品(中國)有限公司種薯基地進口機為例，其全部實現(xiàn)機械化作業(yè)，種植方式采用壟作，行距為900mm，收獲機械為牽引式雙行聯(lián)合作業(yè)，多級鏈輸送，配套動力在59．7kW以上，一次完成挖掘，土、石、薯、秧分離，并可實現(xiàn)薯塊大小自動分撿、自行裝車等功能該機為全液壓操縱，各機構(gòu)可實現(xiàn)自動折疊運輸，傷薯率極低。機體與薯塊可能接觸部位均用橡膠件保護。又如，芬蘭康克公司生產(chǎn)的雙行馬鈴薯收獲機為牽引式，配套動力為33．6kW以上，在拖拉機右側(cè)實現(xiàn)挖掘，土、薯、莖葉分離，薯塊直接裝袋裝箱。同時，該機可作為撿拾機使用，后部工作臺為液壓升降式，薯塊或石頭可直接運至田地頭。日本生產(chǎn)的主要為單行履帶自走式聯(lián)合作業(yè)機，行走與輸送鏈HST無級變速，發(fā)動機為水冷4沖程3缸柴油機。
1.2 我國馬鈴薯收獲機發(fā)展趨勢
1.2.1 馬鈴薯生產(chǎn)現(xiàn)狀
馬鈴薯原產(chǎn)于南美洲的安第斯山，17世紀(jì)由荷蘭人帶到我國臺灣。它是重要的糧食兼用和工業(yè)原料作物。目前，全世界主要種植馬鈴薯的國家有148個，總面積達1838萬hm，總產(chǎn)量3億噸。近年來，種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、馬鈴薯加工業(yè)的蓬勃發(fā)展、西式快餐大量興起、方便食品的不斷涌現(xiàn)、加工產(chǎn)品的大量開發(fā)以及經(jīng)濟效益的提高，極大地調(diào)動了農(nóng)民的種植積極性。我國馬鈴薯種植面積以10萬hmm /年的增長速度逐年增加，2001年達到472萬hm，產(chǎn)量居世界第一位；2003年，黑龍江省種植面積60萬hm產(chǎn)量達到960萬噸。所以從機械化角度來看，馬鈴薯種植和收獲機械蘊涵著巨大的商機。
1.2.2 馬鈴薯收獲機發(fā)展趨勢
（1） 在我國，馬鈴薯收獲機向集機電和液壓技術(shù)為一體的大型化方向發(fā)展，從而提高自動化程度和生產(chǎn)效率，獲得最佳的經(jīng)濟效益。
（2） 向聯(lián)合作業(yè)方向發(fā)展，實現(xiàn)多功能作業(yè)，降低作業(yè)成本和設(shè)備投入費用。
（3） 向自走式發(fā)展，裝有分級裝置，降低勞動強度。
（4） 注重產(chǎn)品質(zhì)量，提高可靠性，實現(xiàn)互換性。
1.2.3 我國馬鈴薯生產(chǎn)全程機械化的發(fā)展趨勢
（1） 要加大公關(guān)力度，提高機具性能指標(biāo)，使其盡快達到國際先進水平。實現(xiàn)定型生產(chǎn)，占領(lǐng)國內(nèi)市場，替代進口產(chǎn)品。
（2） 提高“三化”水平，增加作業(yè)功能，以滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求。
（3） 提高機電、液壓一體化和檢測水平，開展聯(lián)合作業(yè)機具的研制。
（4） 提高生產(chǎn)企業(yè)的加工工藝水平，保證設(shè)備制造質(zhì)量。
我國馬鈴薯種植面積大幅攀升，這對我國馬鈴薯收獲機機械生產(chǎn)無疑是一個非常好的機遇，但同時也是一種挑戰(zhàn)?？偟膩碚f，馬鈴薯收獲市場潛力巨大，如果能充分抓住這個大好時機，認(rèn)清國內(nèi)馬鈴薯收獲機械的應(yīng)用現(xiàn)狀，有選擇地引進和吸收國內(nèi)外先進技術(shù)，并及時開發(fā)出適合我國國情的馬鈴薯聯(lián)合收獲機，將為我國馬鈴薯生產(chǎn)奠定良好的基礎(chǔ)。
1.3 馬鈴薯收獲機械的類型及技術(shù)要求
1.3.1 馬鈴薯收獲機械的類型
目前，國產(chǎn)馬鈴薯收獲機械較成熟的產(chǎn)品主要有兩種類型：一是升運鏈桿條式，該類型機是目前國際通用型式，美國、芬蘭、德國、俄羅斯等國大型收獲機， 日本自走式、韓國懸掛式收獲機普遍采用該型式，特點是容易實現(xiàn)單雙行收獲和聯(lián)合作業(yè)；二是柵條擺動分離篩式收獲機．該類型機是意大利、日本的早期結(jié)構(gòu)型式，不易實現(xiàn)雙行收獲和聯(lián)合作業(yè)。目前，國產(chǎn)機還不能實現(xiàn)聯(lián)合作業(yè)。以上兩種類型機也有不足之處，就是只能實現(xiàn)挖掘、土薯分離和集條功能，還不能完成排石、去秧、集箱或直接裝車等功能。
1.3.2 馬鈴薯收獲機的技術(shù)要求
國內(nèi)馬镥薯收獲機械技術(shù)發(fā)展還處于起步階段，但各類型機均應(yīng)具備以下技術(shù)要求：
(1)挖凈率
要求挖深在150—200ram之間，每行挖掘?qū)挾仍?50—500ram之間，挖凈率應(yīng)不低于98％。
(2)明薯率
收獲機必須具有良好的分離機構(gòu)，能將薯塊與土壤分離，使分離后的薯塊集堆或集條以便于人工撿拾．明薯率應(yīng)達95％。
(3)破損率
收獲時應(yīng)盡量減少馬鈴薯破皮、切傷等損失，破損率應(yīng)小于5％ 。
(4)生產(chǎn)率
機械收獲的目的在于減輕勞動強度，提高生產(chǎn)率，適時收獲。因此，收獲機作業(yè)時應(yīng)具有一定的作業(yè)速度。
(5)其它要求
馬鈴薯收獲機在盡可能減少自身動力消耗的情況下，其配套動力應(yīng)具有一定
的儲備。分離機構(gòu)應(yīng)具有排石、去秧功能，以適應(yīng)土壤、地形等方面的變化，以及收獲后田地應(yīng)平整，不能影響以后農(nóng)田作業(yè)要求。
1.4 馬鈴薯收獲機發(fā)展的主要制約因素
1.4.1 動力配套問題
11—14kW拖拉機雖是目前農(nóng)村擁有量最多的動力機械，但問題的核心是小型拖拉機不適宜于配套單行收獲機，動力不能滿足一次完成挖掘、分離、薯塊集堆或集條作業(yè)，更談不上完成去秧、排石、裝箱等功能。實踐表明，不管收獲機械如何改進，馬鈴薯收獲仍然需要較高動力消耗，現(xiàn)在與小型拖拉機配套的收獲機普遍存在動力不足的問題。雖然與18—22kW以上拖拉機配套的單行收獲機和38kW 以上拖拉機配套的雙行收獲機克服了動力不足、適應(yīng)性差的問題，作業(yè)質(zhì)量也較好，但農(nóng)戶擁有該類型拖拉機數(shù)量有限，在一定程度上制約了馬鈴薯收獲機械的發(fā)展。
1.4.2 生產(chǎn)規(guī)模與種植形式
目前，農(nóng)村小規(guī)模生產(chǎn)方式制約了大中型馬鈴薯收獲機的發(fā)展，收獲機市場出現(xiàn)了先小型，后小中型并舉的現(xiàn)象。馬鈴薯種植形式不統(tǒng)一也直接影響收獲機作業(yè)性能。
1.4.3 機具性能問題
目前我國各地研制的收獲機普遍存在可靠性差，作業(yè)質(zhì)量不穩(wěn)定，適應(yīng)性不強，功能不全等問題。
1.5 馬鈴薯收獲機械的發(fā)展建議
(1) 機具類型多樣化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。
我國馬鈴薯收獲機械的設(shè)計開發(fā)要適合國情，不但要適應(yīng)我國廣大農(nóng)村現(xiàn)有的配套動力條件，還要適應(yīng)各地不同的農(nóng)藝要求。
(2) 提高機具可靠性。
馬鈴薯收獲機械在惡劣的條件下工作，零部件易腐蝕、磨損或斷裂，因此在設(shè)計時應(yīng)從結(jié)構(gòu)特性、制造工藝和材料處理等幾方面綜合分析，改善零件的可靠性，進而提高整機的可靠性。
(3) 多功能聯(lián)合收獲。
目前許多機型只有挖掘功能，沒有分離清選和輸送功能，生產(chǎn)率相對較低，實際收獲時的成本較高。因此，要通過消化吸收國外先進技術(shù)，進一步優(yōu)化挖掘、分離、清選和輸送功能，提高生產(chǎn)率。同時要提高機具的適應(yīng)能力，完善根茬、殘膜的收集功能，使其真正實現(xiàn)多功能聯(lián)合作業(yè)。
(4) 加強基礎(chǔ)性能的研究。研究土壤性質(zhì)，可準(zhǔn)確確定機具的受力特性，理地選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)；研究馬鈴薯性狀，可減少其破損量，提高分選效率。深入研究土壤和馬鈴薯特性有助于優(yōu)化機器結(jié)構(gòu)，提高其使用性能。
2 機具結(jié)構(gòu)特點、工作原理及性能參數(shù)
2.1 總體結(jié)構(gòu)
本任務(wù)設(shè)計的馬鈴薯挖掘機與80-100馬力的拖拉機配套作業(yè)，掛接方式為后懸掛，作業(yè)時需對行。該機主要由懸掛機架、轉(zhuǎn)動輸送篩、挖掘鏟及鏟架、切土圓盤刀、傳動機構(gòu)、擺動篩等機構(gòu)組成。鏟架通過螺栓安裝在懸掛機架的側(cè)板上，在鏟架上安裝有挖掘鏟。在機架上焊有2點懸掛的地方，與拖拉機的懸掛機構(gòu)相連。在機架中部安裝有傳動機構(gòu)，它由傳動箱、一對錐齒輪和傳動軸組成。傳動機構(gòu)通過傳動軸與拖拉機的動力輸出軸連接，拖拉機的動力傳動到轉(zhuǎn)動輸送篩和擺動分離篩上，使轉(zhuǎn)動輸送篩轉(zhuǎn)動，將挖掘出的馬鈴薯輸送到擺動篩上達到分離效果。轉(zhuǎn)動輸送篩的主動軸的轉(zhuǎn)動作用由鏈條帶動，從而使轉(zhuǎn)動篩達到轉(zhuǎn)動的效果。傳動機構(gòu)末端上有一偏心輪，偏心輪使與其相連的連桿一端作回轉(zhuǎn)運動，在連桿另一端帶動擺動篩使其擺動，使馬鈴薯和土壤達到分離的效果。
2.2 主要工作原理
拖拉機通過懸掛機構(gòu)牽引馬鈴薯收獲機前進，拖拉機的動力輸出軸與收獲機的機傳動機構(gòu)通過傳動軸相連接，在拖拉機啟動后，結(jié)合動力輸出軸使其轉(zhuǎn)動，并通過傳動機構(gòu)傳送動力，使轉(zhuǎn)動輸送篩轉(zhuǎn)動、擺動篩轉(zhuǎn)動擺動；在拖拉機前進過程中，挖掘鏟挖出土垡，土垡沿挖掘鏟傳到轉(zhuǎn)動輸送篩上進行初次分離，然后由傳動篩輸送到擺動分離篩上再次分離，在擺動篩的擺動作用下薯塊和泥土分離，并將薯塊成條狀鋪放在挖掘機的后面，以便撿拾。
2.3 主要性能參數(shù)
馬鈴薯主要性能參數(shù)見表1所示：
表1 馬鈴薯主要性能參數(shù)
工作寬度
1800 mm
作業(yè)行數(shù)
2 行
作業(yè)深度
200 mm
主軸轉(zhuǎn)速
540 r/min
配套動力（拖拉機）
80-100 馬力
作業(yè)速度
0.6 ～ 1 m/s
純小時生產(chǎn)率
0.25 ～ 0.60 hm·h
集薯類型
鋪條
理論明薯率
> 95%
理論挖凈率
> 98%
理論破損率
< 3%
行距
700 ～ 900 mm
3 主要部件的設(shè)計
3.1 挖掘部件的設(shè)計
挖掘部分的作用是把薯塊和土壤一起挖起，并把薯塊和土壤輸送到分離篩上。對挖掘部件的要求如下：
a 在盡量少挖取土壤的情況下挖凈薯塊；
b 挖掘深度穩(wěn)定不損傷薯塊，并可根據(jù)需要進行調(diào)整；
c 挖掘鏟應(yīng)有較強的碎土能力，對粘重土壤保證土垡能順利通過，以便為分離薯塊中的土壤提供有利條件；
d 要求挖掘部件的牽引阻力小，刃口的耐磨性好。
為滿足上述要求，采用了組合式挖掘部件。這種挖掘部件由三角平面多鏟、鏟架和切土圓盤刀組成。挖掘鏟與鏟架通過螺釘連接，鏟架固定在機架上。切土圓盤刀安裝高度可調(diào)節(jié)。
3.1.1 挖掘鏟的設(shè)計
挖掘鏟是挖掘機的主要部件，而挖掘鏟的參數(shù)的選擇是馬鈴薯挖掘機的設(shè)計基礎(chǔ)。
3.1.1.1 設(shè)計依據(jù)
主要依據(jù)是薯塊的分布寬度、結(jié)薯深度和薯塊成簇性等生長狀況（圖1）, 以及土壤土質(zhì)和根系的抓土程度。
按收獲農(nóng)藝相關(guān)指標(biāo)——挖凈率、傷薯率、明薯率等, 對挖掘鏟的設(shè)計要求是:
a 將所有薯塊掘起, 保證挖凈且不鏟薯。
b 能流暢地將掘起物送往分離裝置。
c 盡早漏土, 減小挖掘阻力, 避免機前壅土,且減小篩分部件負荷, 提高整機收獲的明薯率。
圖1 馬鈴薯根系和薯塊一般分布狀況
固定式三角平面多鏟是挖掘機的主要工作部件之一，結(jié)構(gòu)比振動式挖掘鏟和主動圓盤挖掘部件結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，不需要動力傳動。其缺點是容易產(chǎn)生壅土現(xiàn)象。
壅土現(xiàn)象產(chǎn)生的原因：
a 土壤板結(jié)，有大土塊、大石塊和雜草纏繞；
b 懸掛連接尺寸不正確，挖掘鏟工作傾角過大或過??；
c 挖掘深度和前進速度超過設(shè)計值。
但在土壤條件好的情況下，正確使用挖掘機是可以避免和減少壅土現(xiàn)象發(fā)生的。因此，固定式三角平面多鏟在國內(nèi)外仍得到廣泛應(yīng)用。
3.1.1.2 平面鏟主要參數(shù)的確定
三角平面多鏟的鏟面為平面，且常用在鏈桿式挖掘機上。因此，該機采用三角平面多鏟，由11個三角平面鏟組成，材料為65Mn。固定方式是通過鏟柄固定在鏟架上，并在各鏟之間留有滑草間隙。
挖掘鏟主要參數(shù)：圖2、圖3
γ--鏟刃斜角
α--鏟的傾角
L--鏟的長度
B--鏟的寬度
h—鏟后端高度
圖2 挖掘鏟參數(shù)1
圖3 挖掘鏟參數(shù)2
受力分析：
鏟刃斜角γ為了保證鏟刃的自動清理，可由圖4的受力分析確定。
圖四 受力分析
圖5 鏟尖受力分析
由公式 P sin(90° ?γ ) ＞ F （1）
使土壤在鏟刃上的滑切能力克服摩擦力，土壤與鏟刃做相對運動。
公式中
P — 作用在鏟刃的阻力(N)
F — 土壤對鏟刃的摩擦力(N)
F = Ntg
— 土壤對鏟刃的摩擦角
由摩擦定律知
F = Ntg
N = Pcos(90°- γ)，
將其代入(1)式得
γ＜ 90°- (2)
一般土壤對鏟刃的摩擦角為 =26.5°～35°，故取γ =55°為易。γ過大，莖桿和雜草不能被切斷，而且會引起鏟前堵塞；但是γ減小時，要達到同樣的挖掘?qū)挾?，則必須增加鏟的長度，這會增加工作阻力，并且需加強鏟的強度。
挖掘鏟的傾角α和鏟的長度L可由圖(4)的受力分析求得。
根據(jù)土壤在挖掘鏟上的受力分析可建立如下平衡方程式：
Pcosα?F?Gα=0 (3)
N ? Gcosα ? Psinα = 0 (4)
F = tg (5)
式中
P — 沿著挖掘鏟移動掘起物所需的力(N)
N — 鏟對土壤的反作用力(N)
G — 鏟面上土壤的重力(N)
F — 土壤對鏟的摩擦力(N)
— 土壤對鏟的摩擦系數(shù)
將式(3)、(4) 、(5)聯(lián)立解得
(6)
P=Gtg(α+) (7)
挖掘鏟在工作過程中必然受到阻力的影響，工作阻力不僅只是由于鏟起的土壤沿鏟移動而產(chǎn)生的，同時，由于切割土壤的作用也會產(chǎn)生阻力，因此這部分力為
P =KA (8)
如果不考慮土壤沿著鏟面移動速度的影響，則鏟的總阻力為
R=P+ P
=Gtg(α+)+KA (9)
式中
— 土壤對鋼的摩擦角
= tg
K — 犁溝土壤比阻（N/m）
輕質(zhì)土K =16000～20000N/m
中等輕質(zhì)土K =20000 ～24000N/m
中等堅實土K =24000 ～30000N/m
A —鏟面上土壤的橫斷面積（m）
鏟面的水平傾角α的理論值可由圖6中對鏟面移動的掘起物作用力的平衡方程確定。
圖6 鏟面水平傾角及鏟的末端離地高度示意圖
P cosα-T -G sinα =0
R -Gcosα-P sin =0
式中
P — 沿鏟面移動掘起物所需的力
R — 鏟面對土壤的反作用力
G — 掘起物的重力
T — 鏟面對掘起物的摩擦力
T = R (為土壤對鋼的摩擦系數(shù))
由此可得
α =arctg（ P － G）/（ P + G）
如果超過上述值，則掘起物就會壅在鏟面上，使薯塊從鏟側(cè)滾落，同時也加大了工作阻力。實際中，α角根據(jù)挖掘鏟需要提升掘起物的高度和對松碎土壤的要求來確定，α角增大，有利于破碎土塊，但鏟的工作阻力增加；α角過小，影響入土深度。根據(jù)試驗，取α=18°～ 25°。
鏟的長度L可由挖掘深度h與傾角α計算，
即：
L = h / sinα （10）
鏟的寬度B為130mm，邊鏟取寬度B=165mm，總鏟寬度B=1800mm。由條件可知，所要求的挖掘深度h =200mm，在此深度條件下馬鈴薯才能完全從土壤里挖掘出來，且不致鏟壞馬鈴薯。
取鏟的傾角α= 23°， = 30°（中等輕質(zhì)土），則鏟的長度L =355～650mm，取L =340mm；鏟的總阻力R =35～42kN。
挖掘鏟主要參數(shù)見表2：
表2 挖掘鏟主要參數(shù)
鏟的傾角α
23°
鏟的寬度B
130 mm
邊鏟寬度B
165 mm
總鏟寬度B
1800 mm
三角平面鏟個數(shù)
11個（包括邊鏟2個）
鏟間隙
27 mm
鏟的長度L
340 mm
鏟刃斜角γ
55°
挖掘阻力受土壤類型、挖掘深度、鏟的形狀和鏟的傾角等影響很大，因此該機采用三角平面多鏟，由11個三角平面鏟組成，各單鏟之間留有27mm的間隙，間隙過大，易漏掉馬鈴薯，間隙過小會增大挖掘阻力。
3.1.2 切土圓盤的設(shè)計
在工作時，平面鏟挖起的土垡容易散落在機器兩側(cè)，造成薯塊丟失。為了客服這一缺點，本設(shè)計的挖掘鏟兩側(cè)裝有切土圓盤。圓盤不僅能阻擋薯塊丟失，而且還切斷莖葉和雜草，防止在鏟側(cè)堵塞。該機切土圓盤設(shè)計直徑為D =530mm，厚度t=6mm，用65Mn鋼制成。切土圓盤可以將壟兩側(cè)切割為土垡，切斷互相纏繞的草蔓，避免在工作時平面鏟挖起的土垡散落在機器兩側(cè)，造成薯塊丟失，同時還可通過調(diào)整切土圓盤的安裝高度來調(diào)節(jié)挖掘深度。如果調(diào)高切土圓盤的高度，挖掘深度增加；反之，則挖掘深度隨之減少。
3.2 分離部件的設(shè)計
配置在挖掘鏟后面的分離部件在工作時承受的負荷大，其單位寬度的喂入量達100～150kg/s.m，且要求分離掉的土壤達70%～80%。該部件工作可靠，對薯塊的損傷小，并在分離的同時把剩余部分向后輸送，以便進行下一步的清選和分離。
作業(yè)時為了防止石塊卡在挖掘鏟和轉(zhuǎn)動輸送篩之間，避免轉(zhuǎn)動輸送篩喂入口堵塞，在挖掘鏟和轉(zhuǎn)動輸送篩之間設(shè)計了防石裝置。被分離物料的成份主要有土壤、薯塊、莖秧、雜草等。根系土壤交織粘合在一起，要想在較小的結(jié)構(gòu)尺寸下提高分離明薯率，亦是設(shè)計難題之一。
本設(shè)計采用轉(zhuǎn)動輸送篩和擺動篩組合式分離裝置，轉(zhuǎn)動輸送篩為有效分離面積較大的桿式鏈組成，它相當(dāng)于柵格式閉合回轉(zhuǎn)篩。在輸送篩上輸送邊的中部設(shè)有偏心抖動輪，起到邊輸送邊抖動掉土壤的效果。擺動篩連接在輸送鏈的后部, 垂直機器前進方向振擺, 完成二次篩分和向機后鋪放薯塊的作用。
3.2.1 轉(zhuǎn)動輸送篩式分離裝置
轉(zhuǎn)動輸送篩分離裝置（運動簡圖見圖7）具有較強的分離性能，并且在傾角達30°時仍有良好的輸送能力，結(jié)構(gòu)簡單，但是金屬用量較大，金屬鏈磨損較快。
輸送篩是由桿條和連接這些桿條的平膠帶、被動式抖動輪、側(cè)壁、架子等部分組成。桿條是由直徑為10mm的圓鋼，按一定間距固定在兩條帶子上組成。在輸送篩上工作面的桿條下，設(shè)置有隨動型的抖動輪，抖動輪直接與輸送篩的升運鏈工作面的桿條相接，由升運鏈桿條帶動，其轉(zhuǎn)動的圓周速度與輸送篩的工作速度相同，橢圓形抖動器的長半徑和短半徑之差使輸送篩工作面的運動方向發(fā)生瞬時的周期性變化，從而抖動輸送篩上的掘起物。
圖7輸送篩運動簡圖
決定抖動強度的因素有抖動器長短半徑之比、抖動器的數(shù)量以及輸送篩的緊度和強度等。輸送篩工作過程中并不完全作直線運動，在抖動器作用的某一瞬間可視為圓周運動。拋起土塊時抖動器所需的最低轉(zhuǎn)速由輸送篩速度來決定。在粘土地工作時，最佳速度為2m/s。
被動式抖動輪在工作時由輸送篩的帶條帶動。抖動輪的形狀設(shè)計為橢圓形，其振幅由前至后逐漸增大。橢圓形抖動輪工作較溫和，產(chǎn)生的沖擊力小，制造方便，工作穩(wěn)定，可以滿足在正常工作條件下的使用要求。
被動式抖動輪結(jié)構(gòu)簡單，但是調(diào)節(jié)振幅和頻率時必須更換不同形狀的抖動輪。
初選橢圓形抖動輪參數(shù)：
R=65mm; r=45mm
式中：R — 抖動輪大節(jié)圓半徑
r — 抖動輪小節(jié)圓半徑
橢圓形抖動輪的周長L按以下近似公式計算：
L=
=
=688 mm
能拋起物體的輸送篩最低線速度計算公式：
式中
K — 小節(jié)圓半徑r與大節(jié)圓半徑R之比
即 K==0.69
— 輸送篩最低線速度
g — 重力加速度
經(jīng)驗表明，K值取0.6～0.7時可獲得較好的分離效果。因此選取R=65mm，r=45mm較為合理。
那么
=1.1 m/s （11）
在收獲機最大收獲速度（1m/s）情況下，如能順利輸送，輸送篩在此條件下最低輸送速度應(yīng)滿足：
=
式中：
— 在收獲機最大收獲速度下輸送篩最低輸送速度
v — 收獲機最大收獲速度
α — 輸送篩工作傾角（本設(shè)計輸送篩傾角為20°）
那么 =
=0.94 m/s （12）
由式（11）、（12）得：
=1.1m/s
為提高輸送篩的輸送和分離能力，應(yīng)適當(dāng)加大輸送篩的線速度。而線速度過大會使工作功率提高，且容易傷薯。取：
V=1.6m/s
被動式抖動輪的轉(zhuǎn)速與輸送篩線速度和抖動輪的周長有以下關(guān)系：
n=
=
=134 r/min
式中
n — 抖動輪轉(zhuǎn)速
L — 抖動輪周長
V — 升運鏈線速度
抖動輪抖動頻率f可按下式計算：
f =Zn/60
=8134/60
=18 Hz
式中
Z — 抖動輪的凸頂數(shù)
n — 抖動輪轉(zhuǎn)速
抖動輪結(jié)構(gòu)見表3
表3 抖動輪結(jié)構(gòu)
抖動輪類型
橢圓形
轉(zhuǎn)速（r/min）
134
抖動頻率Hz
18
大節(jié)圓半徑（mm）
85
小節(jié)圓半徑（mm）
60
系數(shù)K(K=r/R)
0.69
輸送篩線速度（m/s）
1.6
轉(zhuǎn)動輸送篩結(jié)構(gòu)見表4
長度(軸距)（mm）
1542
寬度（兩帶中心距）（mm）
1756
桿條直徑（mm）
10
桿條間隙（mm）
50
工作傾角（°）
15
抖動輪個數(shù)
2
表4 輸送篩結(jié)構(gòu)
平膠帶式輸送鏈?zhǔn)且詭ё拥膹椥宰冃蝸泶娼饘俚慕唤幽Σ?，因此使用壽命長，工作時噪音小。帶式輸送篩是由鏈輪撥動桿條，因而造成桿條的磨損。為了提高膠帶的強度，帶中有用合成纖維制成的筋。
轉(zhuǎn)動輸送篩式分離裝置結(jié)構(gòu)簡單，而且在完成分離工作的同時還可以進行與水平成20°的升運工作。
3.2.2 擺動篩式分離裝置
偏心輪式擺動篩結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，非常適合作輔助清理部件。
篩子采用有效分離面較大的條桿篩, 篩架由曲柄連桿機構(gòu)驅(qū)動。除了篩子結(jié)構(gòu)和安裝角度外，影響擺動篩分離和輸送能力的主要動力因素是篩體的加速度。由平面篩的運動分析可知, 篩體加速度的大小與篩面的傾角有關(guān), 傾角加大則所需的加速度也應(yīng)加大。
初選擺動篩參數(shù)見表5：
表5 擺動篩參數(shù)
篩面傾角
10°～15°
篩條長度
490～520 mm
振幅
26～38 mm
篩總寬
1760～1850 Hz
擺動篩運動簡圖見圖8：
擺動篩的主要參數(shù)有：曲軸轉(zhuǎn)速、曲軸偏心半徑、篩面傾角、篩子擺動方向與水平之間的夾角、篩子擺動方向與篩面之間的夾角。
物料在篩面上一面后滑移，一面被拋起，物料只有被拋起才能達到振動的效果，以使得土塊和馬鈴薯分離。
物料在篩面上的運動形式和方向是由篩子加速度的大小和方向決定的。篩子加速度由下式?jīng)Q定：
a =ωRcosωt
土壤在篩上向下移動的條件為
式中
ω — 曲柄角速度(rad/s)
R — 區(qū)柄偏心半徑(m)；
t — 區(qū)柄轉(zhuǎn)動時間(s)；
g — 重力加速度(m/s2)；
f — 滑動摩擦系數(shù)，土壤和薯塊對金屬篩面的摩擦系數(shù)分別為0.5～0.8 和0.43
γ — 篩子擺動方向與水平面間的夾角(°)
α — 篩面傾角(°)
β — 篩子擺動方向與篩面之間的夾角(°)
為了在篩面上拋起土垡，必須具備下列條件：
（1）篩子速度的法向分量(即對篩面垂直線的投影)應(yīng)該向上；
（2）是篩子加速度的法向分量α應(yīng)該向下，并且其絕對值應(yīng)等于或大于重力加速度的法向分量，即：
a≥ g cosα （12）
或 α=ωR cosωt ≥ （13）
篩面傾角的確定：
圖8 擺動篩運動簡圖
查《農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊（下冊）》可知，對于對于放置在機器后部的輔助分離篩可選定為α=15°；為了保證良好的輸送能力，篩子擺動方向與篩面之間的夾角可選定為=20°；選定曲軸偏心半徑R=35mm。
曲軸轉(zhuǎn)速的確定：
將選定的參數(shù)帶入（12）或（13），取cosωt=0.5可計算曲軸轉(zhuǎn)速：
n==465 r/min
取主軸轉(zhuǎn)速 n=540r/min
擺動篩結(jié)構(gòu)如圖9所示：
圖9 擺動篩結(jié)構(gòu)
結(jié)論
中國作為世界的制造中心，正在由制造大國向創(chuàng)造大國邁進，同時制造業(yè)又是整個工業(yè)和國民經(jīng)濟的基石。制造也和農(nóng)業(yè)的結(jié)合會給中國經(jīng)濟插上騰飛的翅膀。馬鈴薯收獲機在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中起著日益重要的作用。我國加入WTO之后，馬鈴薯種植和收獲農(nóng)業(yè)將面臨激烈的市場競爭和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，同時也面臨著更好的發(fā)展機遇。為了能夠真正的抓住這個機遇，就需要馬鈴薯種植機和收獲機的幫助，就必須用一些技術(shù)先進、挖掘效率高且傷薯率低的設(shè)計制造技術(shù)來提高我國馬鈴薯收獲機制造行業(yè)的競爭能力和綜合經(jīng)濟效益。
本文的對馬鈴薯收獲機的主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，并且參考了一些現(xiàn)有的馬鈴薯收獲機，對前人的設(shè)計進行了改進，期間主要完成了如下工作：
1.材料的搜集整理查閱相關(guān)資料
查閱相關(guān)文章，并對相關(guān)的文章進行搜集、整理，選出與設(shè)計有關(guān)的資料備用，并且找出自己設(shè)計的產(chǎn)品與國內(nèi)外的不同之處，說明其優(yōu)點所在，擬定設(shè)計步驟，采用多方案設(shè)計，通過比較，選出最佳方案。
2.理論與計算設(shè)計，全部參數(shù)的設(shè)計
清楚的表達出挖掘機的結(jié)構(gòu)，及相關(guān)設(shè)計參數(shù)，總體布置設(shè)計。
3. 完成總裝圖，主要部裝圖，撰寫設(shè)計說明書
主要完成與方案相符合的文章的撰寫，包括摘要、前言、設(shè)計步驟、內(nèi)容、參考文獻等。圖紙的繪制、總裝圖、部裝圖。
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致謝
本論文是張偉老師悉心指導(dǎo)下完成的。
在論文的設(shè)計過程中，張偉老師給于了極大的幫助。由于這是我第一次接觸馬鈴薯收獲機，沒有試驗條件，對馬鈴薯收獲機的性能和工作狀況了解還不是很全面，所以在做課題的過程中遇到了不少困難。是張偉老師的認(rèn)真和耐心的指導(dǎo)，以及傳授給我諸多知識和學(xué)習(xí)方法，我才得以順利完成設(shè)計。在此，謹(jǐn)向張老師表示衷心的感謝和誠摯的敬意。
同時，在學(xué)習(xí)和研究中，還得益于與李巖同學(xué)等的探討中獲益匪淺；在生活中，還受到寢室兄弟的關(guān)照，在此向他們表示深深的謝意。
感謝我的母親、朋友他們多年來在學(xué)習(xí)和生活上給予的支持和鼓勵。沒有他們的理解、支持和無私的奉獻，我是很難完成學(xué)業(yè)的。
最后，謹(jǐn)以此文獻給所有關(guān)心和幫助過我的人們!