大蒜收割机结构设计

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年月日
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年月日
大蒜收割机结构设计
摘要
近几年因为经济的发展和农业结构的调整，不仅使得大蒜生产业扩大，也加大了大蒜的种植面积，其中大蒜的收获是生产业中最重要的一个步骤。

大蒜收获机械化的程度、收获的质量成为评估大蒜产业发展的主要依据。

我国多数地区获取大蒜还是以人力为主，大蒜种植面积小的是用小铲来采掘。

大蒜收成时期短，农民的劳动强度大。

所以，本课题是对我国获取大蒜中现有的实际问题研究，为了减少劳动强度和满足市场的要求，所以设计了一款可以满足我国需求的大蒜收割机。

大蒜收割机的基本部分是由挖掘组织、输送组织、打捆组织等组成。

挖掘铲把土中的大蒜掘出，送到分离输送链上，输送链把大蒜和土块分开，分离掉土壤的大蒜经过输送组织送到打捆组织中的打结器把大蒜捆作束结。

把达到数量的大蒜捆好后，堆叠在田里，可以实现减少拾捡大蒜的时间、减小劳作强度的需求。

研究大蒜收割机的主要的部件进行设计的，对挖掘铲的结构设计还有确定其参数，对其在挖掘过程中受力分析。

还有对输送打捆部分设计，横向输送带的结构设计和理论分析以及对打捆部分的简单了解。

关键词：大蒜收割机，打捆收获，挖掘铲，横向输送带
Garlic Harvester Design
Abstract
In recent years, because of the economic development and the adjustment of agricultural structure, making the garlic industry to expand production, but also increased the acreage of garlic, garlic harvest which is produced in industry, the most important step.Garlic harvest mechanization process, based primarily on the quality of the production as a measure of the garlic industry expanded.The majority of our regions to get garlic of human, garlic acreage are small with a small shovel for digging.Garlic harvest has a short period, a large farmers' labor intensity.Therefore, the study is to obtain garlic existing problems to our country, in order to reduce labor intensity and to meet market requirements, designed to meet a demand of garlic harvester.
The basic part of the garlic harvester by excavation organizations, transport organizations, bundling organizations and other components.The shovel dig the garlic in the soil, sent on a separate conveyor, the garlic and soil separate by conveyor, Isolated from soil of garlic through transport organization to knot-tying device of organization to bundled garlic .After the amount of garlic to achieve strapped stacked in the fields, picking up the garlic can reduce the time and reduce the demand for labor strength.The main components of garlic harvester research design, and design structural of shovels and determine the parameters of its stress analysis in the mining process.Then design a part of transport, structural design and theoretical analysis of the transverse conveyor and a simple understanding of the bundling portion.
Key words: garlic harvesters, baling harvest, mining shovel, transverse conveyor belt
目录
第一章绪论 (1)
第二章大蒜收割机总方案 (3)
2.1 整体结构 (3)
2.2 工作原理 (3)
第三章大蒜收割机的挖掘分离部件的设计 (5)
3.1 挖掘部件设计 (5)
3.1.2曲柄的转速 (7)
3.1.3挖掘铲的结构及参数设计 (8)
3.1.4挖掘过程分析 (11)
3.2基于SolidWorks的振动式挖掘铲运动仿真 (17)
3.3链杆式分离输送链 (18)
3.3.1分离输送链杆条参数确定 (18)
3.3.2分离输送链结构设计 (19)
第四章输送打捆机构设计 (20)
4.1横向输送机构 (20)
4.1.1横向输送理论分析 (21)
4.1.2横向输送带结构设计 (25)
4.1.3横向输送机构的驱动设计 (26)
4.2自动打捆机构 (28)
4.2.1打捆机构的工作原理 (29)
4.2.2打捆机构主要参数 (30)
第五章总结 (32)
参考文献 (33)
谢辞 (33)
第一章绪论
中国的大蒜销售到世界各地，是世界领先的生产商之一，国内生产的大蒜主要是在鲁西南地区。

因为大蒜的种植季节之初集中在大约秋分的时候，收获也是主要在这半个月的时间里，在四月上旬可能会结束。

大蒜的种植面积广，并且还是人工得到的，任务繁重而且时间紧迫，因此所需要的劳动强度也是很大的，在大蒜收割机技术和装备迈入进步与成熟的道路上的最大阻力就是收取效率的低下和严重的损失[1]。

因为国外制造业的工作环境和收获方式，与我国存在着很大的不同，所以国外制造商所生产的收割机很难满足国内的需求。

近年来，我国研究设计了一款大蒜收割机是科研机构和部分的大型企业在国外的先进技术的基础上研制的，总体上来说，在技术水平上还是有待提高和完善的，与发达国家相比差距还是较大的[2]。

现在来说，国内的获取工作还是主要靠人力对大蒜进行挖掘来完成的，部分偏远地区还是在用大蒜挖掘犁来工作。

可是现在的需求仍然很难满足的原因是因为大蒜的伤害率高、低下的工作效率[3]。

所以现在的当务之急就是生产出能适应我国的大蒜收割机设备。

（1）国外研究现状
这几年国外在致力研究收割机，希望能早点运用到实际中去，提高效率。

法国的ERME公司主要是生产农业机械，他们设计的收割机是联合式的，其中包括了打捆式与切秧式，动力都是由拖拉机带动的液压系统来驱动的[4]；美国著名的一家TopAir公司生产的收割机是用来收割大蒜与洋葱的，他们的收割机是分段式工作的，主要生产的有大蒜挖掘铺条机与大蒜捡拾机。

其中铺条机的动力是拖拉机的后驱动轴带动，液压系统来控制的，提高生产率，但缺点是不能完全的分离土壤，并且还要和捡拾机一块工作。

该公司的捡拾机的动力也是拖拉机的后驱动轴带动的，也是液压系统来控制，也会提高生产率，但缺点是收割过程时会带着蒜秧工作，在清理之后蒜秧太长[5]。

（2）国内研究现状
虽然我国在近几年也生产出几种收割机，但是在技术上还是有所欠缺。

现在收获的大蒜主要还是靠大蒜挖掘犁，挖掘犁有畜力，人力以及手扶拖拉机这3种方式去牵引，挖掘犁是把大蒜挖出土层翻到地上，没有分离大蒜土壤与铺放的功能，是
需要人工拾捡的，属于半机械化的收割。

而拖拉机工作时会使得轮胎压伤植株，明蒜率较低，损失率很高，通常大约在8%。

而生产出的4DS-1000型、4DS-2型等大蒜收割机虽然不是解决了所有的问题，但在压蒜还有拖拉机取力困难等问题上还是很好的解决了，而且收割机的可靠性高，由于获取的季节短，每次在收获季节的时候都要加快收割，所以需要的收割机要稳固耐用。

总体来看，鲁西南地区的大蒜收割机械化技术和设备研发都还刚刚迈入这一领域，很多设备还处于原型试验调试阶段，值得一提的是设备还需进一步的提升的主要依靠是其作业的适合度、可靠度是不是与成本达到了最小化等方面。

所以，研发的大蒜收割机要满足鲁西南地区的情况，这是推动我国收获机械技术、自动化技术的生产，是对未来大蒜的生产业扩展有重要的意义。

第二章大蒜收割机总方案
2.1 整体结构
此次所设计的大蒜收割机是打捆式。

利用抖动式挖掘分离输送链连接打捆机构来获取大蒜的样式是本设计的主要技术，取代手工挑选和减少拾蒜的农民在田地采集剪切的时间，从而使劳作强度相对的减少，提高工作效率。

最大的革新是将大蒜植株捆绑打包组合，农民可以把蒜束运送到场外，并同时可以完成蒜株干燥，剪茎、根的后续工作。

收割机的组成部分基本是由挖掘分离输送机构、横向输送机构、自动打捆机构等，整体结构如图2-1所示。

图2-1 大蒜收割机结构图
2.2 工作原理
大蒜收割机可以同时完成大蒜的挖掘、运输、打捆还有收获成堆等工作步骤。

详细的工作过程表示为：挖掘大蒜——运送大蒜——分离蒜土——打捆蒜秆——运送捆束。

该收割机工作时，挖掘铲把土壤中的大蒜挖起，与此同时，挖掘铲也完成了疏松土壤与清土的工作，初次进行分离蒜土的工作；之后把大蒜送到输送链上，
输送链在运送大蒜的过程中同时还能使大蒜上的大部分土壤掉离，这时是主要的蒜土分离工作，通过振动来让土块掉落；经过了振动式输送链后，大蒜被送到了横向输送带，在输送带上的大蒜进行最后的清土工作，把附着在大蒜上的土壤抖掉，能得到附着着极少土壤的大蒜，同时也为后续工作带来方便，输送带把大蒜送到打捆机构处，打捆机构对大蒜植株打捆，就完成了收割机的工作。

打捆后的蒜秆捆束落到地面上，再由农民来完成后面的工作。

第三章大蒜收割机的挖掘分离部件的设计
3.1 挖掘部件设计
要满足挖出的大蒜的根部能有最少的带土量、强力的破碎土垡能力、无缠绕的草、伤害率低下的大蒜、耐磨等的要求是通过设计挖掘机构来完成的。

并且它能把
挖掉的蒜土混合物送到后面的输送分离装置，并且，要确保在工作时克服阻力的能
量消耗是减少的。

现在，固定式和振动式的挖掘铲通常是国内根茎类挖掘机用到的
两大类型。

（1）固定式挖掘机构
用途最广的是固定式挖掘铲，而一部分的挖掘机使用的固定式挖掘部件有槽形铲、三角状平面铲及曲面铲等。

而且对这种挖掘铲的破土能力、疏松土壤的程度、
损伤大蒜率和阻力的大小有重大影响的是铲长L、铲宽B、铲刃斜角γ和工作时倾
角a等参数。

（2）振动式挖掘机构
为了让挖掘铲连接连杆机构从而使挖掘铲做往复运动，就需要在工作时土壤对
挖掘铲的阻力变小。

与固定式相比，破土能力较强的是振动式。

此外，铲的振动还
可以起到抛土的作用，后面的分离输送链的速度减小，延长了设备的使用寿命。

可
以知道的是，工作宽度和开采深度是一样的，当振动频率是450次/min时，振动
式的平均牵引力是固定式的1/2～2/3[6]，但不降低总功率。

3.1.1振动挖掘铲工作原理
设计选择的是振动式挖掘机构，挖掘铲连接在机架上，并且曲柄连杆机构中连
杆的一端挂钩在挖掘铲的铲壁上，组成了四杆机构（图3-1）。

当曲柄OB翻转时，驱动了连杆BC、摇杆CD、摇杆EF运动，挖掘铲在摇杆的作用下做往复运动。

挖
掘铲的振距是由连杆BC和摇杆CD的长度去调整大小的。

图3-1 挖掘铲振动示意图
挖掘铲跟着机具是做向前方直线运行的水平运动，并且挖掘铲在振动的时候所作出的直线分运动与机具向前运动的方向是有一定角度的。

振动的方向与机具向前的方向的运动合成，从而可以得出铲的运动轨迹。

因为铲的振动部件是由曲柄机构来实现传动的，所以其速度是由正弦曲线的变更得到的。

因此为了简便分析，把铲的运动轨迹简化看成为正弦曲线。

从图3-1中铲的运动轨迹可以得知，曲柄转动一周挖掘铲前进的距离S和曲线的直线高度h是收获质量的重要因素。

（3-1）
（3-2）
其中—挖掘铲入土的角度；
—挖掘铲振动的方向和水平面的夹角；
—机器整体前进的速度；
n—曲柄的转速。

根据实际的生产状况，一般来说要求S不能大于60mm，h要小于30mm。

3.1.2曲柄的转速
在设计振动式铲的驱动机制的转速时，一定要考虑到能提高破土的能力、降低挖掘工作时的阻力和减少机械对大蒜的伤害率。

现在为了提高破土能力作为设计的准则，初选,,,,。

在挖掘铲的抖动作用把土块向上抛起，接着掉落到了铲面，这时，掉落的土块会受到了铲体的碰撞。

从而增加了铲的破土能力，最直接的方法就是增强铲体对土块的碰撞程度。

让挖掘铲抖动的周期T和土块在空中运动的时间t减少，就等同于把土块在O点抛起，掉落到铲面上一个相对的静止的A点（如图3-2）。

图3-2把土块抛起运动示意图
O点是运动的初点，所以把O点作为原点建立直角坐标系。

从抛射运动可知，A点的坐标是：
（3-3）
（3-4）
因为土块的初速度等于铲的速度，而铲的运动轨迹又可看作正弦曲线，则
（3-5）
由（3-3）和（3-4）公式可知
（3-6）
由图3-2可知，,,代入（3-6）中得，
（3-7）
由正弦曲线的运动规律可知，。

因为T=t，带入（3-7）整理可得，
（3-8）
由正弦规律知，当时，有
（3-9）
将带入（3-9）中得，
（3-10）
将设计的初始值带到（3-10）中可知，
取n=850r/min。

由图3-2可知当前进程度加大时，挖掘铲漏失的土壤会增大，所以破土能力降低。

反之，进程太小时，就会使得驱动机制的转速太大，或机组向前运动速度过小，不适于机器的管理。

根据通常的情况，我们要限制过程的大小，就是要满足
S60mm来检验上面计算而得到的曲柄转速。

故
（3-11）
由上述计算可知曲柄的转速为850r/min。

3.1.3挖掘铲的结构及参数设计
（1）挖掘铲的宽度
挖掘铲铲宽B是由大蒜在土壤中种植分配的最大宽度和、行间距和大蒜对田中心线的偏差值所断定的。

由田间的调查可知植株的行距是200mm，则挖掘铲铲宽
是
（3-12）
其中—获取大蒜的行数；
—大蒜种植的行间距；
—常态下大蒜和田中心线的偏差范围的宽度，；
—植株行的偏差距离；
—机器沿着种植方向的修正值。

该收割机一次可以得到6行大蒜，并且一般取值==40，σ=8.6。

（2）挖掘铲的长度
挖掘铲的铲长L是由铲的入土角度α、挖掘的深度h来决定的，可以通过他们几何关系（如图3-3所示）求出。

图3-3 挖掘铲长度计算示意图
所以挖掘铲的总铲长L：
（3-13）
其中—挖掘的深度，相当于升起的蒜土混合物的高度（）；
—铲入土的角度，就是挖掘铲与水平面的倾角；
—蒜土混合物在A点的速度；
f—土块和钢材之间的摩擦系数。

f==30°～36°.
按照大蒜的实际的生产状况可知，大蒜的最大高度是50mm，大蒜与地表面还是有一定距离的土层，其深度的修正值为80mm。

为了使蒜土混合物顺利被输送到分离机构，并且要降低铲进入土壤时受到的阻力，需要选择适当的铲入土角度α。

科研人员经过研究得到，α为20°时工作阻力就会变成最小值[7]。

铲的挖掘深度和运动牵引时引起的阻力的关系如图3-4所示。

图3-4 挖掘深度与牵引阻力的关系
通常的摩擦系数是取值为0.5，并且速度的变化在A点的范围是0～。

把铲的
全长的公式带入可知：
（3-14）
所以收割机的相关动力是48Kw，例如JS—650型，工作闸是有Ⅰ档与Ⅱ档的，理想的速度是2.42Km/h、3.64Km/h，铲进入土壤的角度是20°。

所以铲长范围为：
234mmL297mm
可得铲长是260mm。

（3）挖掘铲的结构形式
经研究由于平面式的铲在工作时与土的接触区域较大，会使得在切削过程中的
工作阻力变大。

所以为了减少动力带来的损耗，要把铲设计成多片铲的样子，在每
个小铲片的中间都要留出距离相等的空隙，可以降低接触面积，让些许的土块从铲
缝中掉出去，实现降低阻力的意向，并且可以减少机器的重量。

铲的主要结构如图
3-5所示。

如果铲的部分有损坏严重的情况时，就能替换磨损的小铲片，提高铲的
使用时间。

图3-5 挖掘铲的结构图
3.1.4挖掘过程分析
振动式铲的切削大体过程是：挖掘铲的刃部要比切削的角度稍小的角度前进，挖掘铲把土壤破开同时稍稍向上抬起，在再往上运动的时候，被破开的土块和土地分离，但在铲面的土块沿着斜面被加速向上抬起，挖掘铲的长度是一定的，土块被送到后方的分离输送链（如图3-6所示）[8]。

图3-6 振动式挖掘铲受力示意图
图3-7固定式挖掘铲受力示意图
固定式铲是用一定的进土角度破开土壤，刚性铲体对土层起了作用，顺着剪切面有规律的断开与提升。

并且破开土壤、碎掉土块、抬升混合物的工作是同一时间运作的。

此时，挖掘铲对土块的作用力就分解成剪切力、摩擦力、抬高力和加速度力B，还有是在挖掘铲刃上的切削力F(如图3-7)，图中R是总的切削阻力，H、V
分别是总阻力R的分力，是在水平与垂直方向上的。

大蒜收割机在工作的时候挖掘铲所用的牵引力是上述力的水平分力的总和。

由图3-6可知，振动式的铲在切削过程中土块受到的力为法向力、加速度力B
以及土块和铲面摩擦力。

抬升过程时土块受到的力为：在铲的铲刃破开土层后，在挖掘铲的垂直方向上的运动会使在铲面的土块加速向上运动，土块被提升且浮起，这时作用在铲上的力的方向基本和机器运动的方向是垂直的，作用在铲上的牵引力很小。

在进到下一个循环期时，挖掘铲向前运动切削土块，切削阻力作用在刃口部分。

如果铲的背面和与地表面间有充足的隙角，并且挖掘铲抖动的参数与入土角都要选择适当，对比于固定式的铲，振动式的铲向前运动时作用在刃口的切削阻力也很小。

振动式铲在理想抖动过程的理解时，把一个抖动周期分成升起与切削两个阶段，这时受到的唯一的力是切削阻力或土块摩擦力生成的牵引阻力，所以水平分力是比作用在固定式铲的水平切削阻力小很多。

（1）切削阶段
把铲当做研究对象，抖动式铲在切削阶段的受力情况如图3-8所示。

图3-8 切削过程中抖动挖掘铲受力图
可得在切削土块时水平方向上铲的平衡方程为：
（3-15）
其中—铲进入土壤的角度；
—作用在铲的单位宽度的纯切削阻力（）；
—铲宽；
—牵引力（）；
—土块对铲的法向载荷（）；
—土块纯切削阻力（）；
—土块和金属之间产生的摩擦系数，可查表3-1得数。

把土壤当做研究对象，土壤在切削过程中受力的情况如图3-9所示。

图3-9 切削过程中土块受力分析图
土壤在x、y方向上受力的平衡方程为：
（3-16）
（3-17）
其中—挖掘铲的支撑面对土块作用的法向载荷（N）；
β—土壤和地面的夹角；
B—土块的加速度的力（N）；
F—土块的纯切削阻力（N）。

如果铲没有被磨损，铲刃还是锋利的，这时土块对挖掘铲的纯切削阻力是可以不忽略的，则由（3-15）可以得知切削土块的时候作用在铲上的水平上的力的平衡方程就可知土块对挖掘铲没有切削阻力时的铲受到的总阻力是：
（3-18）
（3-19）
由公式（3-16）和（3-18）可得，
（3-20）
将公式（3-19）和（3-20）带入公式（3-17）得，
（3-21）
其中Z是常数，。

可从牛顿第二定律得出，加速度质量是m的土块在时间t中受到的加速度力B 的表达式为：
（3-22）
其中γ—土块的湿容重；
—机器向前运动的速度。

在土块的含水率是15.59%～33.02%之间的时候，土块的纯切削阻力力F是与正压力线性相关的，可以用下方的公式来求F的大小：
（3-23）
其中w—土块含水率；
c—是常数，被土壤的类型和含水率所影响，通常取值的范围是.
´—在忽略附着力的时候土块对挖掘铲的法向载荷。

从上可知，切削阶段时土块对挖掘铲的总阻力W´是：
其中
（2）提升阶段
把铲当作研究对象，在切削阶段时抖动式铲的受力情况如图3-10所示。

图3-10 提升过程中抖动挖掘铲受力图
所以切削土块的时候铲上的水平方向上的力的平衡方程：
（3-24）
把土块当作研究对象，受力图如图3-11所示。

图3-11 提升过程中土块受力分析图
x、y方向上土块的平衡方程是：
（3-25）
（3-26）
式中—土块剪切失效的面积（²），=bh/,b是铲宽，H是挖掘深度；
C—土块内的凝聚力（N）；
—挖掘铲上土壤前受的法向载荷（N）；
—土块里的摩擦系数；B
—土块的加速度力（N）；
G—土层的重量（Kg）。

由上述的公式可得，
（3-27）
（3-28）将公式（3-27）和（3-28）带入公式（3-26），整理可知，
（3-29）
其中。

土块的重量能通过铲的上方土块的体积与密度的乘积计算的。

土壤的横截面能近似看作梯形，如图3-12所示。

图3-12 铲面上土垡尺寸几何关系
从图中的关系可知，土块的重量：
（3-30）
其中，γ是土块的湿容重，d是挖掘的深度，b是铲宽。

L是铲长。

可以得出，铲在抬升混合物的过程中的阻力W为：
其中
3.2基于SolidWorks的振动式挖掘铲运动仿真
首先在SolidWorks中建立挖掘铲的三维实体模型，进行干涉检查，目的是保
障各部件的配合没有差错。

接着建立运动算例。

在运动之前还要进行一些配合条件，否则做不出运动。

例如：轴孔处的设定只能是旋转，不能移动。

此处有两个孔（图
3-13），因为后面的设定不能移动的，只能旋转，而前面的孔是要连接连杆的，所以设定此处会受到力的作用，此力驱动着整个挖掘铲做上下的运动。

收割机还有个向前进的运动，所以挖掘铲的运动轨迹就是连杆驱动的上下运动和收割机向前运动
的合成。

然后对挖掘铲的振动角度的设定是50°。

设置振动频率，设定的是1秒钟
做一次的往复运动。

3.3链杆式分离输送链
收割机是用链杆式抖动分离链，基本是由杆条输送链、主动轮、从动轮、抖动轮和张紧轮构成的。

抖动轮要安装在输送链的张紧轮的下面，抖动轮的中心线要和分离链上的主动轮的中心线有一定的偏差，这样就可以实现在运行中链的上下抖动，破坏土块的强度效果更佳。

而与其他的分离机构相比，比如平面栅条式等，这种使大蒜与土壤分开的性能更好，而且当分离链的两个驱动轴的中心线都和水平面是30°时，还是有很好的向后运送混合物的能力。

3.3.1分离输送链杆条参数确定
为了更好的研究大蒜的参数，可以把蒜头看作是椭圆形，杆条之间的距离是由长轴和短轴两个参数来确定的，如图3-13所示。

图3-13 大蒜直径与杆条间隙的关系图
（3-31）
其中：—杆条的中心距；—杆条之间的间距；d—杆条的直径。

在设计的时候还要让大蒜不能掉下，杆条之间的间距是要比b值要小的，从调
查的一些资料可知部分地区的大蒜的短轴大于50mm的是在全部的85%以上，所以
取值63.5mm，杆条的直径是20mm，那么就满足了要求。

3.3.2分离输送链结构设计
根茎类作物的收割在机械上一般是有钩杆式、链杆式与皮带式升运链，经总结，认为结构简单、价格合适、分开土蒜效果良好的是链杆式。

其结构为两条链相连的
环链，并且在环链上安上一个横杆，间隔大约是50mm，而且横杆要用橡胶或者塑
料包裹在上，目的是可以缓冲横杆对大蒜的冲击作用，吸收振动，其结构如图3-
14所示。

图3-14 链杆式分离输送链结构图
链杆式分离输送链的主要参数是：主动轮=25，从动轮=9，中心距a=1230mm。

要使被挖起的土蒜混合物可以加快分离破碎，使破裂后的土块能从间隙掉落，
需要在链杆式链的下面加上抖动装置，使得相对于链面的工作面产生上下抖动的情况。

因为椭圆形的抖动轮的振幅过小，在工作时其抖动的强度较弱；双头式的抖动
轮的振幅较大，可其工作的平稳性弱，会对大蒜造成的伤害较大，所以要采用弹性
较好的橡胶板做成的三头式抖动轮。

三头式的振幅、抖动的强度是在椭圆形与双头
式的中间，并且三头式还可以有支撑链的作用，使得传动装置可以运行正常[9]，他
的结构如图3-15所示。

抖动轮为驱动型，是要以不变的转速来运动的。

轮的最小
半径与最大半径是，为了可以方便计算，可以把轮看作为圆形，他的等效半径是.。