三重分筛式半夏收获机设计

三重分筛式半夏收获机设计
张璋;赵刚;江亚;江志刚
【摘要】Pinellia tuber harvester now as the only tool for harvesting of Pinellia ternata , occupy a very important position in agricultural machinery industry;Aiming at the existing pinellia tuber harvester harvesting efficiency is not high , poor accuracy, energy harvesting larger shortcomings, in order to improve the accuracy of pinellia tuber harvest , to avoid manual two screening process , Pinellia ternate decreased receipt cost , provides a novel energy-saving pinellia tuber har-vester design .This paper first from the device structure and working principle of the deviceare described , the specific pa-rameters and the detailed design of the main parts , then based on the PRO/E for the main components of the device mod-eling and kinematics simulation was carried out at the end of the device , the economic benefits and energy efficiency are analyzed .This new kind of pinellia tuber harvester not only mechanism of small size , pinellia tuber harvest effect is good , and the operation of the apparatus is easy to control , can realize high quality pinellia , the efficiency of the harvest , to meet the market demand for Pinellia tuber harvester .%半夏收获机作为收获半夏的唯一工具，在农业机械行业中占据着非常重要的地位。

为此，针对目前半夏收获机存在的收获效率不高、收获精度差、耗能较大等缺点，为提高半夏收获精度，达到免除半夏人工二次筛分过程、降低收货成本的目的，提出设计了一种新型节能半夏收获机。

为此，首先从装置结构及其工作原理角度对该装置进行了描述，并详细设计了主要零部件的具体参数；随后基于 Pro／E 对主要部件建
模并对装置进行了运动学仿真；最后，对装置的经济效益进行了分析。

此种新型半夏收获机不仅机构尺寸小、半夏收获效果好，而且装置的运行便于控制，能很好地实现半夏高质量、高效率的收获，可满足市场上对半夏收获机的需求。

【期刊名称】《农机化研究》
【年(卷),期】2015(000)012
【总页数】5页(P130-134)
【关键词】半夏收获机;三重分筛;经济效益;Pro/E
【作者】张璋;赵刚;江亚;江志刚
【作者单位】武汉科技大学机械自动化学院，武汉 430081;武汉科技大学机械自
动化学院，武汉 430081;武汉科技大学机械自动化学院，武汉 430081;武汉科技
大学机械自动化学院，武汉 430081
【正文语种】中文
【中图分类】S225.99;TH24
半夏是一种天南星科药用植物，块茎入药能燥湿化痰、降逆止呕，具有非常大的药用价值。

因此，半夏的种植有着良好的经济效益和广阔的市场前景，日益受到人们的关注，逐步形成了规模化产业。

如山西运城地区，半夏种植面积逐年扩大，成为当地重要的经济作物和出口创汇产品[1－2]。

目前，国内外的半夏收获机大都借鉴相似机来设计，相似机主要包括马铃薯、花生、大蒜及甜菜等作物收获机[3－4]。

但此类机都不适合半夏收获的要求:一方面，此
类收获机体积过大，收获过程不便，且收货时间过长，浪费了较多的人力物力;另
一方面，分离机构适应的块茎尺寸较大，不适合半夏块茎的分离，收获的半夏精度
都不高。

因此，需要针对半夏的种植和作物特性设计专用的半夏收获机。

根据对半夏种植基地的实地考察，笔者设计出了一种新型节能半夏收获机，不仅解决了在半夏收获过程中收货时间长、收获精度不高等问题，而且该半夏收获机结构简单、收获效率高、分筛精度较好，在收获半夏方面有着良好的应用前景。

该装置运行过程中唯一的动力源来自于与之配套使用的拖拉机头，其输出轴与拖拉机头铰接。

半夏收获机在拖拉机头的带动下，机架底端与地面平行的两侧安装的车轮不断向前运转，同时输出轴传递的动力通过链条传动带动旋耕耙轴旋转，从而使得旋耕耙齿快速转动将土壤中的半夏块茎连同土壤一起打散;旋耕耙齿下方的挖掘铲将混有沙土、茎叶的半夏一同挖掘，堆积在挖掘铲上;挖掘铲下端面开有尺寸合适的方形通孔，半夏在挖掘铲中堆积的过程中通孔可对挖掘的半夏进行初步筛选。

当半夏堆积到超过背板高度时掉落在输送链条上，输送链条上设置有挡板，使得半夏不会在运输过程中掉落;同时，输送链条上设计有凹槽，可使得其在输送半夏过程中通过设置的凹槽对半夏进行再一次的筛选，经两次筛选后的半夏在运动到输送链条最高点之后由于重力作用掉落到半夏接收器中。

半夏接收器下方装有可旋转的搅拌轴，搅拌轴的不断旋转将混有沙土、茎叶的半夏进一步筛分;筛分后的半夏随后在运输管的不断运动中，打散的沙土、茎叶通过运输管上部斜管和下部斜管的下端面的分离孔自行分离出来，完成第3次的筛选，筛选完毕的半夏集中储存于集料箱中。

整机的机构如图1所示，主要技术参数如表1所示。

2.1动力传动系统
该半夏收获机的传动系统采用万向节轴直接由拖拉机的动力输出轴将动力传送到齿轮箱，然后通过链传动分别带动旋耕耙轴、搅拌轴的转动。

因此，该机传动系统工作性能可靠，不存在打滑现象，动力损失非常小。

传动系统示意图如图2所示。

2.2半夏分离系统
半夏分离系统如图3所示。

图3中，接收器上方为一个1 100mm×400mm的矩
形容器，下端与直径为350mm，高度为400mm的圆筒直接焊接;接收到的半夏
掉落在搅拌轴上，由于轴的快速旋转会将半夏与土块、茎叶、石块进行分离。

此组合机结构紧凑，节省空间。

该半夏收获机充分利用半夏自身的重力势能，在上述分离结构的上部斜管和下部斜管的底端面均设计有许多个分离孔，半夏在管道中运动过程中实现半夏与细小石块、沙土、茎叶等的分离。

根据半夏块茎的实际大小，约束条件为药材不能从分离孔中掉出而造成资源的丢失，且细碎的石块、沙土、茎叶可以从孔中分离出去，提高半夏的收获精度。

因此，综合考虑各种因素，分离孔的大小确定为直径10mm，孔
与孔之间的中心距为13mm。

半夏分离过程中，设半夏从圆筒刚进入运输通道的速度为υ1，方向垂直向下;运动到上通道末端速度为υ2，方向平行于第1端面;刚进入下通道时速度为υ3;在进入
集料机时，速度为υ4。

由能量守恒定律，得出半夏在运输通道中3个部分的运动方程式为
由于半夏从圆筒中进入运输通道，为了使半夏不在圆筒与运输通道的联接处堵塞通道，而导致机器不能正常工作，因此d1应足够大，即θ1应足够大;当半夏进入下通道时，在做自由落体运动处同样也可能会造成半夏堵塞而迫使机器不能正常工作，因此d2应足够大。

由约束条件综合考虑，得出: h1=400mm，h2=185mm，
h3=200mm，d1=175mm，d2=100mm，θ1=30°，θ2=11.3°。

2.3 输送系统
输送系统结包括输送链条、齿轮轴、挡板和方形槽，挡板焊接在链条上方，方形槽开在链条上。

结构简图如图4所示。

1)输送链条。

如图4所示，输送机的运动实质上是一副齿轮齿条传动，链条宽度
不能大于机的外观设计总宽度。

为保证链条与齿轮轴正常啮合，不产生干涉，则输送链条齿节距不应该小于齿轮轴的齿间距。

因此，取输送链条节距为75mm，链
宽为1 050mm。

2)齿轮轴。

为与输送链条正常啮合，保证运动的平稳，齿轮轴齿宽、齿高都不应该大于链条与之啮合的槽的宽度、高度。

因此，取齿轮轴齿数为8，分度圆直径
196mm，齿12mm，齿全宽为1 000mm。

3)挡板。

挡板长度不应该大于输送链条长度，为既保证机结构简单、紧凑，又保证半夏能顺利输送，取挡板长×宽×高为1 050mm×5mm×40mm。

4)方形槽。

为保证半夏能与细小石块、沙土、茎叶能有效的分离，且半夏不能从方形槽掉落出去。

取方形槽的长×宽×高为1 010mm×8mm×30mm。

5)输送机的角度和长度。

为保证整个收获机结构简单、紧凑，以及半夏在输送机最高点落下时有足够的势能且搅拌轴能更充分地将土打散，输送机安装角度应满足45°～70°之间。

通过整个收获机的考虑，为保证接收器能顺利接受土壤和半夏混
合物，以及半夏在运输通道里运行时，能保证细土、茎叶、石块和半夏充分分离，由此取传输机角度为60°，长度S=1 600mm。

2.4 主要零部件结构设计
1)挖掘铲。

考虑到半夏种植密度(行距为150～200mm)较大，不宜进行对行收获，因此挖掘部件采用整体式平面铲，其结构如图5所示。

平面挖掘铲的主要参数是
铲面倾角和工作长度，掘起物在铲面上的平衡条件为
式(5)中，P为铲面切土壤所需的力; R为铲对土壤的反作用力; G为铲面上土壤的
重力;α1为铲面倾角;μ为土壤对铲的摩擦因数，μ=tanφ;摩擦角φ=33°。

铲面倾
角的确定原则是:保证崛起且不会翻下路的前提下，使掘起物沿铲面上升到一定高度，从而顺利地输送到铲后面的链式半夏传输装置上。

为了保证铲既容易将土块切开，又使铲后端有足够的离地高度，铲面可弯成两段，倾角分别为α1和α2，工
作长度分别为L1和L2，则
约束挖掘铲参数应满足条件为
10°≤α1≤14°
15°≤α2≤24°
100 mm≤L1≤250mm
100 mm≤L2≤250mm
联立计算得出设计值为:α1=14°，α2=24°，L1=207mm，L2=237mm。

2)旋耕耙齿。

在半夏收获时，为了将土打散，使得在分离过程中半夏能与其它杂质更好地分离而提高收获精度，根据试验结果，设计了安装在旋耕耙轴轴上旋耕耙齿。

在轴圆周上每45°安装1排，总共8排，每排6根耙齿，每两根耙齿中间由一小
段钢筋焊接，齿直径为10mm，长度为150mm。

3)搅拌轴。

由于在半夏收获时筛分量较大，并且土壤湿度、大土块、石块及残留茎叶等对筛分过程有非常大的影响，因此设计了快速旋转、坚固耐用的搅拌轴，如图6所示。

搅拌轴上固定有10根长度为150 mm、直径为30mm的空心铁管作为搅拌杆，每两根搅拌杆位于同一个平面成180°角设置;空间中的10根搅拌杆从上
往下看每两根成36°角设置，使其能更好地将半夏分离，以避免湿土堵塞分离孔，影响分离效率。

3.1基于Pro/E的结构建模
半夏收获装置整体结构比较复杂，其运输装置、分筛装置都是由一系列小零件通过焊接或螺栓连接而成，在建模前可根据结构特点进行必要的简化，特征建模的草图可以直接创建，也可以通过CAD生成的DWG文件转换。

本文在半夏收获机模型建立方面采用Pro/E来进行建模，首先在Pro/E中绘制出半夏收获机各个部件的
三维图。

半夏收获机的零件非常多，如果是完全进行整机的安装是非常困难的，所以利用Pro/E软件对建模完成的零部件进行虚拟装配是很有必要的。

这样不仅可
以对装置的装配过程进行检验，而且可以为实际中的安装和拆卸提供指导。

装配完成的半夏收获机三维模型简图如图7所示。

3.2 半夏收获装置的运动学仿真
装置的仿真分析能较好地检验其工作性能是否符合要求。

半夏收获机在作业过程中只采用一个拖拉机头作为动力源，经过一系列的齿轮传动来实现整个装置的收获和分筛过程。

为了使读者对该半夏收获装置有一个直观的认识和了解，以下使用
Pro/E的专用模块对该半夏收获机进行运动仿真[5－8]。

首先，给输出轴添加一个伺服电动机，定义半夏收获装置运动的方向、类型、运动参数等;然后对其进行分
析定义，定义装置运动的开始和结束时间;设置装置运动环境完成后，即可以对半
夏收获装置进行运动仿真，在Pro/E中可以看到整个装置完整的运动。

在半夏收获装置的运动学仿真中，通过“运动分析”进行干涉实验，整个装置运转正常，无死点出现，不存在干涉，性能基本达到要求，仿真结果比较符合实际。

4.1创新点
1)输送链条上设计有挡板和方形槽，既能保证半夏完全地输送到分离装置中，避免了半夏的浪费，又能通过方形槽使得半夏与细小石块、沙土、茎叶进一步的分离，加大了收获精度。

2)分离装置底部设计有分离孔，利用半夏在高处的势能，掉入运输通道中后，在通道两层分离孔上运动时可对半夏进行充分筛选，实现高效节能效果。

4.2 经济效益分析
该半夏收获机与目前普遍使用的半夏收获装置相比较，其主要经济效益主要体现在: 1)避免了现有收获装置因泥土较多时而堵住筛选孔，减少停机损失。

按清理每台装置上过多的泥土所消耗的工时2h/天、人工成本30元/h计算，每天可节约60元。

2)具有三重分筛功能。

半夏筛净率提高，减少再次清理的返工成本，按人工二次清理成本30元/t、产量7.5t/hm2计算，节约收获成本225元/hm2。

3)只采用一个动力源，用于装置的挖掘和筛分系统，相比现有收获装置采用两个动力源(分别用于半夏挖掘和滚筒筛)，每台柴油消耗量减少6L/hm2，按柴油价格
7.35元/L计算，每台可以节约成本44.1 元/hm2;按每天收获0.33hm2计算，则每天可节约14.7 元。

该半夏收获机研制成功解决了传统半夏收获机收获时间长、收获精度不高及收获成本较大等问题，弥补了目前使用收获机的很多不足，填补了国内空白。

同时，利用Pro/E软件对半夏收获机零部件的三维建模和虚拟装配，并对整个装置的运行进行了运动学仿真，避免了实际加工中的安装尺寸和安装顺序的错误;通过干涉实验避免了出现干涉现象，大大减少了装置的设计开发过程，缩短了产品的研发周期，节约了制造成本，提高了产品的可靠性，为半夏收获机的设计提供了可靠的依据，为后续的实际加工制造提供了参考。

装置的使用具有非常大的经济效益，节能效果明显，为发展半夏农业、增加农民收入提供了方便，有利于农业产业化，应用前景十分广阔。

【相关文献】
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