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200 年 月 第 期
山藥挖掘收獲機(jī)的設(shè)計(jì)
楊佳佳
（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 阿拉爾 843300）
摘 要：長(zhǎng)期以來(lái)，山藥都是靠傳統(tǒng)的人力收獲，山藥的根莖較長(zhǎng)，深入地下，難以采收，如果收獲技術(shù)不夠成熟，根莖破損率就會(huì)很高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬制造和運(yùn)動(dòng)仿真在農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)中得以實(shí)現(xiàn)，從而大大縮短了設(shè)計(jì)周期，降低生產(chǎn)成本，提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性。本設(shè)計(jì)利用三維設(shè)計(jì)軟件，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
本文設(shè)計(jì)了一種山藥收獲裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理，能夠完成山藥的機(jī)械化收獲作業(yè)。不僅極大地提高山藥收獲效率，而且對(duì)深土農(nóng)作物的規(guī)模化種植起到了推廣作用。
本次的設(shè)計(jì)對(duì)傳統(tǒng)山藥收獲機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，著重設(shè)計(jì)了山藥收獲機(jī)的整體結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)方式、工作方式，論述了裝置在收獲過(guò)程中的的工作原理。在完成設(shè)計(jì)構(gòu)想之后，基于SolidWorks進(jìn)行了三維模型建立。整個(gè)過(guò)程包括各零件圖三維設(shè)計(jì)、裝配體三維圖。
關(guān)鍵詞：三維設(shè)計(jì)；傳動(dòng)方式；動(dòng)態(tài)仿真
中圖分類(lèi)號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：
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0 引言
山藥對(duì)當(dāng)?shù)貧夂蛞蟛粐?yán)，但喜溫暖濕潤(rùn)，忌積水，怕干旱。宜種植于肥沃疏松、土層深厚、排水良好的砂質(zhì)壤土上種植。原產(chǎn)地位于河南焦作，現(xiàn)在分布于中國(guó)西北，華北，和長(zhǎng)江流域的湖南江西等地。由于其營(yíng)養(yǎng)比較豐富，一直以來(lái)都被視為比較理想的補(bǔ)虛佳品，不僅可作為主糧，又可作為蔬菜食用。有很高的藥用價(jià)值和食用價(jià)值 。隨著現(xiàn)代社會(huì)人們更加注重養(yǎng)生和健康，而山藥的藥用價(jià)值和使用價(jià)值使得其成為很多人的選擇。特別是近幾年，山藥的種植面積和種植規(guī)模不斷上升。因此，山藥生產(chǎn)和收獲的機(jī)械化越來(lái)越得到行業(yè)的重視[1]。
長(zhǎng)期以來(lái)，山藥的收獲都是靠傳統(tǒng)的人力收獲方式，山藥的根莖較長(zhǎng)，難以采收，如果收獲技術(shù)不夠成熟，根莖破損率就會(huì)很高。我國(guó)大部分地區(qū)收獲山藥的方法是：從山藥種植壟的一端開(kāi)始，先挖出60-70cm左右的土坑來(lái)，人坐在坑的邊上，然后用特制的山藥鏟，沿著地面上山藥生長(zhǎng)的20cm處的兩邊開(kāi)始挖，將根兩邊泥土鏟出，一直挖到山藥溝下見(jiàn)到根莖的尖端為止，最后輕輕鏟斷剩下的細(xì)根，手握著根莖的中上部分，小心拔出山藥的根莖。一定要小心精細(xì)鏟土，避免山藥根莖的損傷和折斷。采收山藥時(shí)，一定要按著山藥種植的順序，一株一株地挨著挖，這樣才能有效減少破損率，又能避免漏收。由于山藥一般在下層土壤延伸，最深可延伸到地下70～100cm處，靠人力收獲相當(dāng)費(fèi)力。最重要的是人力收獲的過(guò)程中容易挖到山藥塊莖，影響山藥的品質(zhì)和市場(chǎng)。而且勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低。為此，山藥收獲的機(jī)械化問(wèn)題就亟待解決。
山藥收獲技術(shù)如果能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械化，將有力地推動(dòng)山藥生產(chǎn)的規(guī)?；?，顯著降低山藥生產(chǎn)成本，節(jié)省勞動(dòng)力和農(nóng)活作業(yè)量，使山藥種植戶(hù)增加更多的收入，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。
本課題研究了我國(guó)山藥收獲機(jī)械化的發(fā)展現(xiàn)狀，山藥收獲機(jī)的未來(lái)研究方向。為山藥收獲方式以及推廣山藥收獲機(jī)械化，促進(jìn)山藥生產(chǎn)效率提供了理論依據(jù)。
1 設(shè)計(jì)方案及結(jié)構(gòu)
1.1設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化分析及確定
通過(guò)對(duì)山藥收獲機(jī)的現(xiàn)狀研究，對(duì)市場(chǎng)上已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功的山藥收獲機(jī)的分析，總結(jié)山藥收獲機(jī)需要滿足的條件，分析現(xiàn)有山藥收獲機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定山藥收獲機(jī)的最佳優(yōu)化方案。
首先總結(jié)設(shè)計(jì)山藥收獲機(jī)要完成的任務(wù)：1）通過(guò)山藥收獲機(jī)能實(shí)現(xiàn)山藥收獲的簡(jiǎn)易化，提高山藥收獲的效率。2）此裝置在收獲山藥的時(shí)候不能損壞山藥的塊莖。3）山藥收獲機(jī)的設(shè)計(jì)要盡量簡(jiǎn)易，方案要符合實(shí)際情況。設(shè)計(jì)方案可以投入生產(chǎn)，并且可以推廣。
其次通過(guò)對(duì)上述現(xiàn)有山藥收獲機(jī)的研究與考察，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段山藥收獲機(jī)有兩個(gè)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的難題：1）裝置在開(kāi)溝后仍然需要大量的人力勞動(dòng)來(lái)完成后續(xù)的采收。2）在后續(xù)人力采收的工程中，比較容易損壞山藥的塊莖。想要克服這些問(wèn)題，必須盡量使山藥收獲機(jī)開(kāi)溝后，山藥所在土塊要有所松動(dòng)，使山藥與土壤的結(jié)合不在緊密。在裝置作業(yè)之后，人工收山藥的過(guò)程中，能夠更直接。這樣就能提高山藥的完整性，盡量少的破壞山藥的塊莖。
1.2 整體結(jié)構(gòu)
山藥收獲機(jī)的組成部分大致可由支撐部分、動(dòng)力部分、工作部分和傳動(dòng)部分。
支撐部分：主要就是山藥收獲機(jī)的機(jī)架和山藥收獲機(jī)與拖拉機(jī)連接部分，用于支撐整個(gè)山藥收獲機(jī)能夠順利切協(xié)調(diào)的完成收獲工作。
動(dòng)力部分：用于連接拖拉機(jī)傳輸?shù)膭?dòng)力，把動(dòng)力提供給山藥收獲機(jī)的傳動(dòng)部分。
傳動(dòng)部分：傳輸動(dòng)力，并起到減速作用。
工作部分：這部分入土，用螺旋鉆桿開(kāi)溝，達(dá)到收獲山藥的目的。
裝置選擇在山藥的兩側(cè)同時(shí)開(kāi)溝，并且在開(kāi)溝后利用一個(gè)簡(jiǎn)易的裝置，來(lái)松動(dòng)山藥種植行的土塊。這樣山藥采收的后續(xù)過(guò)程就能很大程度上減少人力，而且如果山藥所在土塊松動(dòng)之后，人們后續(xù)收山藥的方式就不僅僅是從溝下一點(diǎn)一點(diǎn)挖掘，而是可以更直觀的，更簡(jiǎn)易的收獲山藥。這樣一來(lái)，就減少了山藥塊莖的破壞。這個(gè)簡(jiǎn)易的裝置不能給收獲機(jī)帶來(lái)太大的阻力，在此裝置之前的開(kāi)溝裝置，能夠很好地提供前進(jìn)的空間。利用送土器，在開(kāi)溝后之后，將提升到地面的泥土放置到溝的兩側(cè)，機(jī)器走過(guò)的地方就開(kāi)出了一道深溝。這樣，人就可以下去把山藥撿拾出來(lái)。設(shè)計(jì)構(gòu)想簡(jiǎn)圖如下圖1：
圖1 山藥收獲機(jī)整體結(jié)構(gòu)
1.2 總體設(shè)計(jì)
山藥挖掘收獲機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意，如圖2所示。
圖2 山藥收獲機(jī)結(jié)構(gòu)
1—花鍵軸，2—差速箱，3—絲杠，4—傳動(dòng)軸，5—滑套，6—齒輪，7—齒輪，8—軸承座，9—齒輪，10—螺栓，11—架子，12—機(jī)架，13—送土器，14—螺旋鉆桿，15—帶輪，16—軸承座，17—螺帽
2.1.2 山藥收獲機(jī)的工作原理
以拖拉機(jī)為動(dòng)力源，在拖拉機(jī)的尾部安裝一個(gè)螺旋鉆桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行鉆土，前面的兩個(gè)螺旋鉆桿開(kāi)溝，起到收獲機(jī)的開(kāi)溝作用。在開(kāi)溝之后利用安裝在機(jī)架后面的送土器將土放置到溝的兩側(cè)，起到提升山藥種植行土塊的作用，機(jī)器走過(guò)的地方就開(kāi)出了一道深溝。
2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)
2.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要就是：根據(jù)拖拉機(jī)的輸出功率和輸出軸所需輸出功率，經(jīng)過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳輸達(dá)到一個(gè)整機(jī)和諧工作的設(shè)計(jì)過(guò)程。即傳動(dòng)齒輪和傳動(dòng)軸的合理選擇。
2.2 送土器的設(shè)計(jì)
送土器的設(shè)計(jì)，可以更好的將螺旋鉆桿松動(dòng)的土塊提升到溝的兩側(cè)，大大提升了山藥收獲裝置的優(yōu)越性。送土器要橫跨山藥種植行，與機(jī)架連接，起到固定的作用。送土器通過(guò)皮帶輪與拖拉機(jī)的皮帶輪相連，這樣拖拉機(jī)就能帶動(dòng)送土器工作了。如下圖3-2所示：
圖3 送土器
2.3 軸的初步設(shè)計(jì)
根據(jù)山藥收獲過(guò)程中，開(kāi)溝軸的實(shí)際工作情況，工作過(guò)程中，軸的轉(zhuǎn)速為200～300r/h左右。
3 山藥收獲機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有：1、山藥收獲裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2、開(kāi)溝螺旋鉆桿工作部分的設(shè)計(jì)，使收獲裝置更有效采收山藥。3、齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)，符合拖拉機(jī)功率傳輸，使開(kāi)溝軸得到適合的輸出功率。
3.1 箱體機(jī)架的設(shè)計(jì)
根據(jù)山藥收獲作業(yè)的要求，需要確定符合采收山藥裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出特殊而且簡(jiǎn)單的機(jī)架，機(jī)架不僅要起到對(duì)螺旋鉆桿和送土器的支撐作用，而且還對(duì)螺旋鉆桿起到提升和下降作用。如下圖4：
3.2 傳動(dòng)方案的確定
傳動(dòng)方案確定不僅要考慮輸入功率和輸出功率的轉(zhuǎn)換，還要考慮山藥收獲時(shí)的具體情況，比如山藥種植行之間的距離基本能確定工作周之間的距離，然結(jié)合減速器的校核，一起確定工作軸傳動(dòng)齒輪的分度圓直徑。
裝置選擇配備24匹，17.7千瓦的拖拉機(jī)，裝置作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2000r/min。拖拉機(jī)與收獲裝置采用錐齒輪傳動(dòng)，拖拉機(jī)傳動(dòng)軸通過(guò)兩個(gè)錐齒輪將動(dòng)力傳送到山藥收獲裝置的傳動(dòng)軸上，傳動(dòng)軸通過(guò)齒輪將動(dòng)力傳送到螺旋鉆桿上，兩個(gè)螺旋鉆桿同速轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)考察，確定山藥收獲裝置的開(kāi)溝深度為1000mm，開(kāi)溝寬度為400mm，開(kāi)溝速度為400～500m/h[6] 。
4 結(jié)論
1. 此次此次設(shè)計(jì)的任務(wù)是山藥挖掘收獲機(jī)的設(shè)計(jì)。長(zhǎng)期以來(lái)，山藥都是靠傳統(tǒng)的人力收獲，山藥的根莖較長(zhǎng)，深入地下，難以采收，如果收獲技術(shù)不夠成熟，根莖破損率就會(huì)很高。通過(guò)這次設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段山藥收獲機(jī)有兩個(gè)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的難題：1、裝置在開(kāi)溝后仍然需要大量的人力勞動(dòng)來(lái)完成后續(xù)的采收。2、在后續(xù)人力采收的工程中，比較容易損壞山藥的塊莖。根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)單而且特殊的機(jī)架，在機(jī)架上安裝螺旋鉆桿進(jìn)行開(kāi)溝。
畢業(yè)設(shè)計(jì)是作為我在大學(xué)學(xué)習(xí)階段的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，是對(duì)所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)的一種綜合應(yīng)用，是一種綜合的再學(xué)習(xí)、再提高的過(guò)程，這一過(guò)程對(duì)我的學(xué)習(xí)能力和獨(dú)立工作能力也是一個(gè)培養(yǎng)。這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)工作總體來(lái)說(shuō)，時(shí)間較長(zhǎng)，畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容也較充實(shí)，每個(gè)同學(xué)都有各自重點(diǎn)深入的部分。
通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)我對(duì)山藥收獲機(jī)有了進(jìn)一步的了解，也對(duì)三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks，可以熟練地進(jìn)行軟件的操作。更重要的是學(xué)會(huì)了利用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的方法和過(guò)程。
在設(shè)計(jì)過(guò)程中也曾遇到很多的問(wèn)題，但通過(guò)查閱相關(guān)的書(shū)籍、手冊(cè)以及老師的精心指導(dǎo)，都得到了解決，設(shè)計(jì)過(guò)程基本順利完成。
圖4 收獲裝置機(jī)架
參考文獻(xiàn)：
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[4] 王茂成.山藥收獲種植兩用機(jī)[P].中國(guó)專(zhuān)利：201110034816.2，2011.01.25
[5]李善文.山藥收獲機(jī)[P].中國(guó)專(zhuān)利：200510038969.9，2005.04.18
[6] 劉百合,劉保義.超低速拖拉機(jī)與開(kāi)溝機(jī) [J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械, 2010.12:59-60.