4YB-Ⅰ型甘蓝收获机的总体设计

4YB-Ⅰ型甘蓝收获机的总体设计
王志强;郭维俊;王芬娥;张绢;李小强
【摘要】为实现我国甘蓝收获的机械化,降低农民的劳动强度,本设计从实际需要出发,应用Pro/E软件,对4YB-I型甘蓝收获机整机及主要部件进行了三维实体设计,并对其主要工作部件收集机构、圆盘割刀、压顶导正机构、提升机构等进行了设计计算,确定了主要技术参数.模拟结果表明:该收获机可实现对整棵甘蓝的收集、拔取、切根及运输.
【期刊名称】《甘肃农业大学学报》
【年(卷),期】2011(046)003
【总页数】5页(P126-130)
【关键词】甘蓝收获机;总体设计;收集机构;螺旋输送器;圆盘刀
【作者】王志强;郭维俊;王芬娥;张绢;李小强
【作者单位】甘肃农业大学,甘肃兰州730070;陇东学院,甘肃庆阳745000;甘肃农业大学,甘肃兰州730070;甘肃农业大学,甘肃兰州730070;甘肃农业大学,甘肃兰州730070
【正文语种】中文
【中图分类】S225.92
自20世纪80年代以来,甘蓝机械化收获技术的研究发展迅速,目前,日本和我国台湾地区对甘蓝收获机的研究方向大致分为3类:一是小型单行一次性收获,二是与拖
拉机及其挂车配套的大型多行联合一次性收获,三是多次选择式机器人收获机,这种
机型目前还处在试验研究阶段.由于一次性收获的缺陷损失和对甘蓝造成损伤等原因,在鲜售蔬菜的收获上应用还不广泛,大多停留在加工用甘蓝的收获方面.与国外相比,我国蔬菜的机械化水平还相当落后,机械化收获领域尚属空白,甘蓝的收获仍然完全靠人力作业,远远不能适应当前蔬菜生产发展的速度和规模.没有蔬菜生产的机械化,就没有我国的农业现代化[1],因此,加快蔬菜生产的机械化尤为重要和迫切.鉴于此,为了提高生产效率,减轻农民的劳动强度,本研究应用Pro/E软件对4YB-Ⅰ型甘
蓝收获机整机及主要部件进行三维实体设计,对机械收获甘蓝中产生的损伤以及在
切根率上进行改进,设计一种集收集机构、提升机构、切根机构、压顶导正机构、
输送机构等为一体的甘蓝收获机[2],以期为甘蓝机械化收获技术的应用和普及提供
理论依据.
1 总体结构及工作过程
1.1 总体结构
本研究应用Pro/E软件对4YB-Ⅰ型甘蓝收获机整机及主要部件进行三维实体设计.由图1可以看出,4YB-Ⅰ型甘蓝获机的整体结构主要由机架、收集机构、圆盘割刀、压顶导正机构、输送机构、提升机构等组成[3-4].
1.2 工作过程
4YB-Ⅰ型甘蓝收获机为悬挂式作业,悬挂在15～20 kW的拖拉机右侧面.在拖拉机
向前行走时,首先要确保收获机对准一行甘蓝,收获机前面的收集机构保证大部分甘
蓝能够尽量多而准的收集收获.甘蓝由收获机前端的收集机构收集向后运输,压紧导
正机构将其压在螺旋输送轴上向后运输并提升,当运输到一次切割刀的时候,甘蓝从
地里被拔起,从而同时对根完成一次切割.继续向后运输,完成对根的二次切割,将甘蓝表面的烂叶除掉,然后通过输送皮带把切割干净的甘蓝运送到收集箱内.
图1 4YB-Ⅰ型甘蓝收获机结构图Fig.1 The struclure of 4YB-Ⅰcabbage
harvester注:1.收集机构;2.前皮带轮;3.压紧装置;4.机架;5.后皮带轮;6.地轮子;7.输送带轮;8.齿轮箱;9.二次切割刀;10.提升机构;11.链轮;12.一次切割刀;13.球铰式万向节;14.压顶导正机构;15.输送机构;16.挡板;17.悬挂装置.
1.3 整机动力传动路线
动力传动路线如图2所示,由万向节、变速箱、齿轮传动、链传动和皮带传动组成.拖拉机动力输出轴的动力,经过万向节和减速箱将动力分成2路,一路由皮带传动传给输送机构;一路由锥齿轮传动1传给变速箱和由皮带传动传给压顶导正机构.变速箱通过直齿轮传动,把动力传递给提升机构,并通过锥齿轮传动2和链传动将动力传递给圆盘刀.
1.4 技术参数
4YB-Ⅰ型甘蓝收获机的主要技术参数如表1所示.
注:1.万向节;2.变速箱;3.锥齿轮传动1;4.皮带传动;5.输送装置;6.锥齿轮传动2;7.链传动;8.直齿轮传动;9.减速箱;10.皮带传动;11.圆盘刀;12.提升机构.
表1 甘蓝收获机的主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of cabbage harvester指标参数指标参数配套动力/kW 15～20 圆盘刀直径/mm 260提升机构/mm 1 200～1 500 与地面角度/° 10外形尺寸(长×宽×高)/mm 2
650×510×1 100 运输机构/mm 1 060×390×510
2 主要工作部件设计
2.1 收集机构的设计
收集机构主要起集中导向作用,随着机器向前行走,导向螺旋轴紧贴地面在水平面内旋转,清除甘蓝根部周围的土壤,为后续的平行螺旋输送器工作做好准备[5-9].收集机构的结构如图3所示,导向螺旋轴前端是锥角为60°圆锥,安装角度与横向呈80°夹角,导向螺旋轴的整体长度为650 mm,螺旋部分长度为420 mm.为了确保平行螺旋输送器和螺旋锥式收集机构同步转动,选择球铰式万向节联结平行螺旋输送器和
螺旋锥式收集机构.
图3 螺旋锥收集机构Fig.3 Bevel collection mechanism
2.2 提升机构设计
2.2.1 平行螺旋输送器的工作原理平行螺旋输送器的工作原理如图4所示,放在两
转数相同方向相反的左右螺旋间的甘蓝,在其接触处产生了摩擦力Q左合及Q右合,它们的轴向分力Q左轴及Q右轴使甘蓝沿着螺旋输送器的方向向前运移,而切向分力Q左切与Q右切互相抵消[10].
图4 平行螺旋输送轴Fig.4 Parallel to the axis of screw conveyor
2.2.2 平行螺旋输送器的设计平行螺旋输送器如图4所示,主要完成对甘蓝的拔取、运送工序,安装角度与水平面呈10°夹角.当收集机构把甘蓝导入平行螺旋输送器后,平行螺旋输送器逐渐伸入甘蓝的根部,甘蓝根被卡入图4中类似于圆的部分,由于螺旋输送器的倾斜安装,甘蓝随着螺旋输送器的逐渐升高被拔出土壤.据统计,甘蓝根的直径为28～35 mm之间,所以,设计两平行螺旋输送器的中心距为105 mm,螺距为35 mm,两平行螺旋输送器中间形成的圆形直径为30 mm.根据机架的长度以及收
集机构的长度,设计平行螺旋输送器的长度为1 500 mm,螺旋部分长1 200 mm. 2.3 圆盘切割刀的设计
2.3.1 切割原理及切割条件双圆盘式切割器由相互压紧的上下2个圆盘刀片组成,
圆盘边缘是刃口,2个圆盘刀在相对回转过程中将根钳住并剪断[11-14].此时根的切割示图如图5所示,为了方便分析,作如下假设:
1) 切割器的2个圆盘均为理想圆盘,甘蓝根在切割处为一理想圆,其直径为d,且在切割过程中根不发生变形.
2) 甘蓝根位置与圆盘刀位置左右对称.
由受力分析可得切割力(Qx)和钳持力(Py)的方式分别为:
OX=TX+NX
PY=TY-NY
式中,N表示圆盘刀作用于根的法向反力,与 X方向的夹角为α,在X和Y方向分的分力分别为NX和NY;T表示圆盘刀对根的摩擦力,在X和Y方向分的分力分别为TX和TY,且 T=N f,其中,f表示圆盘刀与甘蓝根间的摩擦系数,一般取 f=0.4～0.7,则圆盘刀钳住根的条件为:TY＞NY,即:Tcosα＞Nsinα,或N f cosα＞Nsinα,所以:当 f ＞tgα或φ＞α时,圆盘刀具有良好的钳持性能.此时,α=,其中,A表示两圆盘中心距;D表示圆盘刀直径;d表示根切割处直径,一般取25～35 mm;φ表示根与切割刀之间的摩擦角.
圆盘中心距A,直径D与钳住角α的关系如图6和图7所示.当 A增大或D 减小时,α减小,这样有利于2个圆盘刀钳住根进行切割,但是由于2个圆盘中心距A及圆盘刀直径D等结构的限制,一般α在35°～40°之间,由于根与刃口摩擦系数
f=0.4～ 0.7,可得φ=19°～35°.因此,2个光滑圆盘刀难以钳住根切割,必须通过改变刃口的形状来提高钳住根的能力.
图5 根的受力分析Fig.5 Stress analysis of the root
图6 圆盘中心距A与α的关系Fig.6 The relationship between disk center distance A and α
图7 圆盘刀直径D与钳住角α的关系Fig.7 The relationship between diameter of disc knife D and α
2.3.2 主要结构参数及运动参数为了保证锯齿式圆盘正常切割,2个圆盘要有一定的重叠量,重叠量过小,易出现“卷刀”(下刀转到上刀盘上面)和“咬刀”(上下刀盘交错咬住)现象.重叠量过大,降低切割器钳持根的能力.经对比分析,圆盘刀直径在220～280 mm之间,2个刀盘根圆重叠20 mm为宜,如图8所示.
图8 锯齿式圆盘Fig.8 Sawtooth-type disc
为了提高切割使用寿命,要求切割刀盘应有良好的自磨锐性能,当锯齿数选32齿时,
圆盘刀半径与根圆半径之差取8 mm.圆盘切割角越小,刃口越锋利,但刃角过小会降低圆盘刀的刚度,易发生“卷刀”现象,因此选取刃角为30°.当上下2个刀盘间隙为0.2 mm时,刀盘具有良好的切割性能.按上述参数设计的锯齿式双圆盘切割器直径应为260 mm.
2.4 压顶导正机构的设计
压顶导正机构由提升输送螺旋滚轮轴上方的一组弹性皮带网、机架两侧的压紧机构和皮带滚轮组成,它与提升输送螺旋机构同步行进压紧甘蓝球,可维持甘蓝球在输送中固定方向,防止倾斜,避免在输送中滚落,并可将倾斜的甘蓝球扶正.切根机构在提升输送螺旋机构上方,为了使甘蓝切割位置水平稳定,甘蓝球连同外包叶则必须由上部压顶导正机构扶正夹送向后输送,由切根茎机构的切刀切断甘蓝根,根被切掉直接落下,甘蓝继续向后输送,又由切根茎机构的切刀将甘蓝球与茎叶部切断分离后将甘蓝球与茎叶部继续夹持后送,直到横向平面输送带机构承接,以自由落体的方式使外包叶及甘蓝球掉落到机体右方.
2.5 输送机构的设计
水平输送机构是收获甘蓝的最后一道工序,经过水平输送带的传动,把甘蓝输送到侧面的集装箱里(图9).
图9 输送机构Fig.9 The conveyor注:1.滚轮;2.机架;3.传送带;4.挡板;5.轴承.
3 结论
本设计采用Pro/E软件对甘蓝收获机的收集、拔取、切根以及运输等关键部件进行了设计及装配优化,得到了具体的参数.收集机构和提升机构均采用螺旋输送结构,提升结构与地面成10°夹角安装,收集机构的安装角度与横向成80°夹角,运输机构应用了皮带运输,保证了收获机的正常工作,经过比较分析,采用直径为260 mm的圆盘锯齿刀,对根部的剪切效率最好.
本设计对甘蓝收获机在理论上做了初步设计,但大量工作还有待进一步研究,有些工
作有待于进一步细化.因此,在以后的研究过程中,重点是制造出样机,并对机器进行田间试验和优化设计.
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(责任编辑许涛)。