马铃薯收获机的设计说明

1马铃薯收获机的分析

1.1 马铃薯收获机研究的目的和意义

马铃薯是我国继小麦、水稻、玉米之后的第四大作物，主要分布在、、、蒙、、、、、、、等省区，年产鲜薯近6000多万吨。我国马铃薯种植面积以10 万hm2/年的增长速度逐年增加，2001 年达到472 万hm2，产量居世界第1 位[1-2]。我国是马铃薯生产第一大国，但却是马铃薯成果转化比较差的国家。据联合国粮农组织报告，我国马铃薯平均产量仅为13.9t/hm2，而欧美发达国家平均单产35～43t/hm2。世界马铃薯中心的研究表明：在世界围对马铃薯的需求到2020年将有望增长20%，超过水稻、小麦、玉米的增长。届时发展中国家对马铃薯的需求将是2000 年的2 倍[3-5]。随着市场对马铃薯需求的不断增加，国外一些大公司纷纷在中国从事马铃薯生产与加工业务，国一些生产企业也纷纷加入这一领域，使得马铃薯生产开始向生产基地规模化、标准化迈进[6]。然而，一个残酷的现实却是，占生产总用工70%以上的马铃薯收获作业至今基本上还是停留在传统的人工割秧、镐头刨薯、人工捡拾的阶段，严重影响了马铃薯的规模生产，使之远远满足不了市场的需求。伴随种植面积和产量的增长，马铃薯收获成为一个重要的研究课题。国外对马铃薯收获机械研究投入了相当大的人力和物力。我国现阶段的马铃薯收获机还是以简单挖掘人工拣拾为主。而国外已经实现了机械化与自动化的结合，将液压技术、振动分析、电子技术、传感器技术应用于作业机械中，大降低了劳动者的工作强度。

1.2 国外马铃薯收获机的发展现状

国外马铃薯收获机械化收获起步早、发展快、技术水平高。20世记初，欧美国家出现畜力牵引挖掘机来代替手锄挖掘马铃薯、随后改由拖拉机牵引或悬挂。20年代末出现了升运链式和抛掷轮式马铃薯收获机。在20世纪40年代初，前联、美国就开始研制、推广应用马铃薯收获机械，50年代末即己实现了机械化。70～80年代，德、英、法、意大利、瑞士、波兰、匈牙利、日本和国亦相继实现了马铃薯作物生产机械化。70年代主要是研制大功率自走式根块作物联合收获机，且以收获垄作种植为主[8]。这些机型是大功率拖拉机变型，如荷兰在拖拉机基础上按照甜菜联合收获机的原理制成的双行马铃薯联合收获机，为了加强筛选效果，分离器有四个液压泵带动。

从农业机械化发展过程来看，马铃薯收获机械发展较迟缓，只是在近50年才发展到较高水平。在国外马铃薯收获机械中，挖掘机的生产和使用所占的比例趋于下降，而联合收获机得到迅速发展，形成了用联合收获机直接收获，或用挖掘-捡拾装载机加固定分选装置来进行分段收获的两种全面实现收获机械化的配套系

统，基本上实现了马铃薯收获机械化。而且，国外马铃薯收获机械大多采用升运链条式联合作业，技术上已达到相当高的水平。像俄罗斯、德国、法国、英国美国、比利时和日本等国马铃薯收获机械化程度较高，收获机械性能稳定。

日本对生收获机械已经研制多年并有了一些成熟的机型，第一代机型只把根茎拔出地面，减轻了农民从地下挖出生的劳动量。据有关材料介绍，现在第二代机型已经研制成功并开始使用，它是一种从收获到清理到包装的联合作业机械。在国，对根茎收获机械的研制也取得了较大的成果，他们生产的一种配套于田园管理机的大蒜挖掘机，采用振动的原理，缓冲了阻力，并对根茎上附着的土块起到疏松和抖动的作用，是一种轻型高效的机具。

图1 EURO-V1400L马铃薯收获机图2 Spirit8200马铃薯收获机

发展中国家基本上采用挖掘犁和挖掘机进行收获作业，发达国家的马铃薯作物收获已基本实现了机械化联合作业。如德国、美国的联合收获机在自动化控制马铃薯分离以及减少马铃薯作物损伤等方面都有独到之处。东洋农机公司、日本三A公司久保田公司等都生产适合小地块作业的中小型自走式马铃薯作物收获机[15]。

1.3 国马铃薯收获机的现状分析

近年来，国市场上也出现了一些此类机械，如大蒜挖掘机就有对行松土铲式和不对行平铲式输送方式也有多种。但大多数机型在适应性和质量可靠性方面仍然不同程度地存在着一些问题，主要体现在两个方面，一是损伤作物，因为象大蒜、生此类作物，收获时皮质鲜嫩易损，而损伤后会严重影响其价格;二是适应性差，因各地农艺不同，行距及株距存在着差异，机具难以满足这种要求。

由于进口农机具价格较高，农民难以接受，马铃薯收获机械还是要走国产化道路，而且还要根据中国国情，不能盲目照搬。利用现有的机型，如田园管理机、手扶拖拉机及四轮拖拉机，对国外的机型原理加以消化吸收，研制出适合中国国情的机具。

国根茎作物的机械化收获还有较长的路要走，不仅需要科研部门及企业的大

力研制及投入，还牵涉到农民的认识和接受问题。国是小地块单户作业，农艺的差异较大。农机不可能满足多种农艺要求，只有农民认识和接受了一种机具，采用较为统一的农艺，才能有利于这种机具的大量推广和应用。

国外发达国家（如日本、美国、法国、意大利等国）地下作物的收获已实现机械化，对于长根作物（萝卜、山药等）和短根作物（洋葱、大蒜等）都有不同的收获机械，工艺十分的先进，但机械价位较高，全部引进国无法接受，大多用于沙壤土作业，这些设备不太适应我国地下作物种植的农艺要求和土壤状况。根据以上分析，在国外现有的基础上，结合我国农村市场的实际情况，分析国马铃薯类作物的农艺要求和土壤的物理特性而研制出的多功能马铃薯类收获机。

图3 1650型带臂式联合收获机

1.4 多功能马铃薯收获机的发展趋势

（1）向适应性，通用性发展

如采取在一台马铃薯收获机上换装不同型号的清选、分离装置，摘果装置[19]。采用可互换的滚筒式分离机构和圆盘割刀式分离机构，可用于花生、大蒜、洋葱等多种根茎类作物的联合收获，实现一机多用。采用通用性好的果秧分离机构，适用于不同种类根茎类作物的秧蔓与果实的结构、形状、尺寸将两者分离，以适应多种作物和多种形式马铃薯作物的收获要求。

（2）向智能化方向发展

我国的农机产品要想达到农业生产上的精耕细作，并追赶国际水平，就必须在智能化上下功夫，给农机产品配备精准的多功能的农业系统已经成为农机发展的潮流，经济作物的耕作机械应重点开发根作物的收获，以解决种植面积不断扩大的花生，大蒜，胡萝卜，马铃薯等马铃薯类果实的挖掘类收获机械输送和分离

问题。

（3）向多功能联合型机械发展

增加农业机械的使用方向，避免机械的单一性，实现一机多用，可用于花生、大蒜等多种根茎类作物的联合收获等作业联合在一起，并可增加其收割功能，以提高机具利用率[21]。

（4）简化操作

简化操作减少辅助工作时间，提高工作速度这是提高收获作业生产率的又一途径，如在可能的前提下尽量增大集收集箱的容积，减少装卸的次数，其底部采用可打开的形式，以加快其收获完毕后清扫的时间。

（5）创新改造

在原有单一挖掘机械的基础上创新改造，可增加挖掘机械的科技含量，提高自动化成效，极大限度的加强机械化。如可将单片机控制技术引入挖掘机械，采用微机根据土壤类型，马铃薯的类型自动控制挖掘深度和清选程度，提高收获自动化效率。采用新原理、新结构、新材料、新工艺，以减轻重量、减少阻力延长马铃薯收获机的使用寿命和扩大使用围，及降低生产、使用费用。将是马铃薯收获机械发展的又一特点[22-26]。

2.总体方案的设计

2.1整体布局的设计

其传动图如图4：

图4 传动图

1、万向联轴

2、链轮

3、减速器

4、动力输出轴

5、输送链驱动轴

6、抖动轮轴

其总体结构图如图5：

图5 总体结构图

1、V 带轮

2、V 带

3、机架

4、抖动轮

5、减速器

6、联轴器

7、悬挂架 8、挖掘铲 9、链轮 10、传动链 11、地轮

2.2工作原理

本机主要由V 带、减速器、抖动轮、机架、挖掘铲、传动链、地轮构成。拖拉机产生动力通过减速器和带轮将所需要的动力传送到链轮上，链轮带动链条从而带动分离装置运动，将从挖掘铲部挖出的马铃薯向机器后方运送，同时由于有抖动轮的作用，使得马铃薯在输送的过程中实现马铃薯与土的分离，而达到了分离的目的。最后马铃薯落入收集箱中。

3传动比的确定与减速器的选择

3.1传动比的确定

该多功能马铃薯收获机的配套动力为40.5～50KW 的拖拉机，其输出轴的转速为540r/min ，通过一级减速器和带传动，设其总的传动比68.2=i 减速器的传动比21=i 。带传动的传动比34.12=i 为了能满足分离器上的线速度为1.3m/s 的要求， 因为出入n n i = 所以min /5.20168

.2540r i n n ===入出

s rad n /1.2130

5.20114.330=?=

=出出πω 所以链轮半径mm m v r 62062.01.213.1====出ω 3.2减速器的选择

由于其传动比为2，所以可以从市场上选择传动比为2的减速器，其型号为ZDY ，ZDZ100型圆柱齿轮减速器。

4.带轮和链轮的设计

4.1带轮的设计

因为工作机是多功能马铃薯收获机，故属于载荷变动较大的机械，原动机是交流电动机（普通转矩鼠笼式），工作时间小于10小时/天，启动形式为软启动。收获机的工作功率为1.5KW 。 故：W 8.15.12.1k P K P A ca =?== A K ----工作情况系数 取A K =1.2。

（1） 选择V 带的型号 根据计算功率ca P 和小带轮转速1n ，故选择A 型带。

（2） 确定带轮基准直径：

1）初选主动轮的基准直径D 1

根据所选V 带型号参考，选取min 1D D ≥，选m m D

801=。 2）验算带的速度V

100060V 11?=

n D π

100060270

8014.3???= s m /1304.1=

3）计算从动轮直径D2 12iD D =

mm 2.1078034.1=?= 取D2为107mm

（3）确定传动的中心距和带长

初定中心距，

由 ()()2202127.0D D a D D +<<+ 即：()()107802107807.00+<<+a

即：3749.1300<

所以可取 mm a 3500=

根据公式（8—20）计算基准带长：

()()

02

12210422a D D D D a L d -+++='

π

()()35048010710780235022?-+++?=π

mm 01.1068=

选取带的基准长度，查表得：mm L d 1153=

根据公式（8—21）计算实际中心距：

mm L L a a d d 4.392202.106811533002'

0≈-+=-+≈ 考虑安装调整和补偿初拉力的需要，中心距的变动围为： mm L a a d 333015.0m in ≈-= mm L a a d 6.38403.0m ax ≈+=

（4）验算主动轮的包角

根据公式（8—6）及对包角的要求，应保证：

()ο

ο60180121?--

≈a D D a ()οο6035080107180?--= ??≥=120175

（5）确定V 带的根数

由公式（8—22）知

()5.300=?+=K P K K P P Z L ca α

取Z=4根。

式中： 0P ——在包角=180度，特定长度，工作平稳情况下，单根普通带的

许用功率值； αK ——考虑包角不同时的影响系数，简称包角系数；

L K ——考虑带的长度不同的影响系数，简称长度系数； 0P ?——计入传动比的影响时，单根V 带所能传递的功率的增量； 查得：0P =0.45 αK =0.98 L K =0.91 0P ?=0.024

（6）确定带的初拉力

单根V 带的初拉力由公式（8—23）确定：

2

015.2500qV

K VZ

P F ca

+???

? ??-=

α

2413.11.0198.05.24413.18.1500?+???

??-??=

N 247= （7） 求带传动作用在轴上的压力 由公式（8—24）

221

0αSin

ZF Q =

ο87sin 24742???= N 1974=

式中： Z ——带的根数；

F ——单跟带的初拉力；

1α——主动轮上的包角。 （8）V 带计算结果

V 带规格：A 型，长1153mm

V 带根数：4根

中心距： 392.4mm

(9)材料的选择

带轮常用材料是铸铁，因为带速v ＜25m ／s ，所以选用HTl50。

(10) 带轮的形式

带轮的结构由带轮直径大小而定，因小带轮基准直径D ≤（2.5～3）d ，所以采用实心式。同样大带轮的基准直径D ≤（2.5～3）d ，所以大带轮也用实心式。

（11）带轮尺寸的计算

小带轮的轴孔直径，小带轮与减速器相连，

故取d =40mm 。

因为，mm d mm B 80265=<=

所以 B L =

小带轮的宽度：

()f e z B 21+-=

()1021514?+?-=

mm 65=

小带轮的直径： f D D 21

+= 5.3280?+=

mm 87=

大带轮的轴孔直径，大带轮与链轮主动轴直径一致。

设大带轮轴孔直径mm d 45=。

大带轮的宽度：mm B 65=

大带轮的直径：f D D 21+=5.32107?+=

mm 114=

小带轮的结构如图7：

图7 小带轮

大带轮的结构如图8：

图8 大带轮

4.2链轮的设计

a) 链轮的设计目的

设计该链轮的主要目的是为了能带动分离机构的运动。通过链轮使得链的线速度为1.6m/s 。为了达到这一目的，所设计的链轮传动比应为1，即两链轮的直径应当相等。由前面的计算已经得出链轮的直径r=62mm 。

b) 链轮的设计

（1）选择链轮的齿数

由已知得链轮的传动速度为1.3m/s ，传动比为1。通过查表

所以取2521==Z Z

(2)初定传动中心距a

根据公式

50)p ~30(0=a 初取p

400=a (3)确定链长

p L 2120210)2(22πZ Z a p Z Z p a L p -+++=

04012580?++=

105=节

(4) 确定链条节距p p l z A K K K p

K =0p

105.134.15

.17.1???=

kw 8.1= 由表查得34.1=z K ；由图按小链轮转速估计，链工作在功率曲线凸峰左侧，

可能出现链板疲劳破坏。由表查得05.1=l K ；选单列链，由表查得1=p K

根据0p 于1n ，由图选用链号为10A ，并且也证实了原估计链工作在额定功率曲线凸峰左侧是正确的。

由表查得链节距p 为15.875mm 。

(5) 验算链速V

1000601

?=Zpn V

60000

5.201875.1525??=33.1= 与原假设相符。 (6) 计算实际中心距

])2(8)2()2[(421222121πZ Z Z Z L Z Z L p a p p --+-++-=

])25105()25105[(4875.152-+-= mm 2.635)8080(97.3=+=

(7) 作用在轴上的压力Q

F Q 3.1=

圆周力v p

F 1000=

N 112833.15.11000=?=

故：N Q 4.146611283.1=?=

(8) 润滑方式

根据v 和p ，选择滴油润滑。

c) 链轮材料的选择

链轮的材料应当能够满足强度和耐磨性的要求。在低速、轻载、平稳传动中，链轮可采用中碳钢制造；中速、中载时，采用中碳钢淬火处理，其硬度＞40HRC ～45HRC;高速、重载、连续工作时的传动，采用低碳钢、低碳合金钢表面渗碳淬火（如用15、20Cr 、12CrNi3等钢淬硬至55HRC ～60HRC ）或中碳钢、中碳合金钢表面淬火。

本多功能马铃薯收获机为中速、中载，所以采用中碳钢淬火处理，其硬度＞40HRC ～45HRC 。

d) 链轮机构的尺寸计算

该链轮为滚子链轮。

(1)分度圆直径

mm z

p d 127180sin ==? (2) 齿顶园直径

mm z

p d a 135)94.754.0(875.15)180cot 54.0(=+=+=?

(3 )齿根园直径

11716.10127=-=-=r f d d d

(4) 最大齿根距离

mm d z

d L r x 6.11616.10752.12390cos =-=-=?

(5) 齿侧凸缘直径

mm

h z

p d g 8.11576.004.1180cos =--

所以取 mm d g 87=

链轮结构如图9：

图9 链轮

5.链轮轴的设计和校核

5.1链轮轴的设计

链轮轴的作用是将大带轮上的动力传送到两个主动链轮上，从而带动分离输送器运动，进而达到分离输送的目的。

该轴的设计步骤如下：

（1） 轴2和轴4部分：这两部分都是装链轮的。因为链轮的厚度为75mm ，所以设计该部分轴长度为70mm 。

（2） 轴1和轴5部分：这两部分都是装轴承的，所选轴承为角接触球轴承，其宽度为24.75mm 。设计两轮侧面距机架壁距离为20mm ，所以设计该部分轴长为50mm 。

（3） 轴6部分：该部分上装轴承端盖，设计其长度为33mm 。

（4） 轴7部分：该部分上装大带轮，所以其设计长度也为70mm 。

（5） 轴3部分：该部分通过计算可得其长度为488mm 。

其结构如图11：

图11 链轮轴

5.2.链轮轴的校核

先作出轴的受力计算简图，取集中载荷作用于带轮、链轮和轴承中点。

(1)带轮上作用力的大小

压轴力 N F P 1974

则 N F R P EH 9.15453923071974cos =?==θ

N F R P EV 5.12273922431974sin -=?

-=-=θ (2) 链轮上作用力的大小

压轴力 N Q 4.1466= 则 N Q R R CH BH 4.11483923074.1466cos =?

===θ

N Q R R CV BV 9093922434.1466sin =?===θ 求垂直面上轴承的支反力画主要截面弯矩图

N R R R R BV CV EV DV 8.57566560600801-=?+?+?= N R AV 3.11565.12278.5752909=-+?=

垂直面受力图 见图（b ）主要截面弯矩图 见图（c ）

(3)求水平面上轴承的支反力，画主要截面弯矩图

N R R R R BH CH EH DH 8.300166560600801=?+?+?=

N R AH 8.8408.30019.154524.1148=-+?=

水平面受力图 见图（d ）主要截面弯矩图 见图（e ） (40截面D 处垂直面，水平面合成弯矩

mm N M D ??=+=5221068.24.210242166940

弯矩图见图（f ）

6. 挖掘装置的设计

6.1挖掘铲的构成

挖掘铲由独立铲片、铲片固定板和角度调节机构组成。铲尖角度设计为钝角，这样可以减小铲前的入土深度，从而降低无效挖掘深度的动力消耗。挖掘铲铲尖的形状采用“w ”型，前进阻力较小，入土性能好。

6.2挖掘铲的设计

挖掘铲的铲片是多片铲的变形，铲片与铲片之间留有间隙，这带来很多优点。

（1）一方面是减少铲尖与土壤的接触面积，达到减少阻力的目的。

（2）另一方面是减轻了机器前部的重量，防止铲尖下陷。

多片铲在工作时发生局部磨损时，更换方便维修成本低。一般单株块茎在土壤中的分布宽度为400mm ，块茎分布的深度一般为在地表下120-200mm 之间。 为了保证铲刃的自动清理功能，铲刃的倾斜角度 可由受力确定，使土壤在铲刃上的滑切力能克服摩擦力，即：

F p >-??)90sin(γ

式中： p 为作用于铲刃上的阻力。 n p 为铲刃上的正压力。 r p 为铲刃上的滑切力。 F 为铲刃与土壤之间的摩擦力，且?tan n P F =，?为摩擦角。 )90cos(γ-??=P P n

代入得：?γ-?<90 一般土壤对钢的摩擦角为??-355.26，取?30，所以?=60γ。

若铲片数量为5个，单个铲片宽度为100mm ，长度为250mm ，铲刃倾斜角度?=60γ，铲面倾角为?=15α，铲间间隙为25mm 。

为了保证挖掘铲挖进的土壤和块茎不会从两侧滑落，因此需要在挖掘铲的两侧加设挡板，挡板为平行四边形，焊接在机架上。

其结构如图14：

图14挖掘铲 7.地轮和机架的设计

7.1地轮的设计

地轮的作用主要是在机器行走过程中的平衡支撑作用。为了克服收获机收获时挖掘铲前部较大的阻力，设计的地轮应当有较好的通过性，且能够保证在凹凸不平的地表情况下准确控制挖掘深度。地轮材料可以选择铸铁，结构采用腹板式。在机架上设置不同的安装位置，可根据种植情况调节深度。

7.2机架部分的设计

收获机组的入土性能、挖掘深度稳定性能、机组牵引性能、运输通过性能及对地表的适应性能等主要工作性能都收多功能马铃薯收获机悬挂装置的影响。本 设计采用三点悬挂式机构，由拖拉机后置三点悬挂和收获机悬挂架机构成一个空间机构，它可以看作在纵垂直面和水平面的四个四连杆机构。这两个四连杆机构

具有各自的瞬心，挖掘工作时，在各种作用力及相对瞬心的力矩作用下，将产生

绕这两个瞬心的转动趋势转动，以保持平衡。悬挂架及机架部分大部分采用矩形管，这样即可以减轻质量、降低成本，而且还能够满足结构的刚度和强度的要求。

8.结论

本文是围绕农用机械产品——马铃薯收获机的设计，实现了马铃薯收获的求产质量。该机的关键部分是挖掘铲的结构设计，因为马铃薯收获的整个过程都是由这部分完成的，收获出来的马铃薯能不能符合要求，完全是看它的性能能不能达到要求。

本次设计的机器性能满足要求，能较好的与农村现有动力配套使用，能较好的把握收获机收获过程中的要求。

通过本次设计，我对产品的设计过程有了一个系统的认识，掌握了基本的设计过程，真正地将所学的理论知识与实践结合起来，提高了独立思考解决问题的能力。由于所掌握的知识的限制和经验的不足，在设计的过程当中，难免有不妥之处。在今后的学习工作中我会继续努力，弥补自己在专业知识上的不足。

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