《一种应用于花生复收的捡拾装置设计》7900字（论文）

XIV 第1章绪论引言花生是世界上广泛基地栽培的主要油料作物之一，也是目前我国主要的绿色农产品之一。在2019年时，我国各地现有花生豆科植物综合种植基地面积约467万公顷，是世界第二大花生种植国。花生是季节性农作物，收获期集中，需要收获机替代人工进行收获，机械收获可以减少人工劳动强度和降低作业成本。虽然现有的花生收获机工作效率较高，但在果土分离及输送花生果实的过程中存在着露果、掉果问题。严重影响了花生的收获率。针对此问题，特设计了一种花生复收机捡拾装置，并确定该捡拾装置最优结构参数。1.2研究目的及意义花生在目前我国的分布区域范围很广,全国各地都已经有人栽培和种植,主要分布于河南省、河北省、山东省、广西省和安徽省等地。根据最近几年的数据统计,河北省一直是我国花生种植基地面积及总产量大省之一,种植花生的面积至今仍保持在400万亩以上。从大体上看，虽然我国的花生种植规模以及花生最终产量非常巨大，但是相对于其他农作物产业来说，近年来花生的整体机械化发展速度却十分的缓慢，最主要的一个因素还是我国的花生生产集中度不够，严重地阻碍了花生整体产业快速的发展，主要表现在花生整体机械化水平远远不能满足现有的花生规模化种植需求，特别是在花生复收过程中，大部分地区仍然采用手工作业的方式进行复收，有的地区甚至为了节约成本都不对收获后的花生种植地进行复收，从而造成花生的损失率增加，致使这些花生产业远远未能达到自己具备足够规模的产品优势带[1-4]。目前花生收获模式的大致可以划分为三种:分别是分段收获模式、两段收获模式、联合收获模式。其中分段收获和两段收获将会是适合我国花生种植情况的发展主流方向，且具有较大的研究价值。分段收获可根据现有的设备条件与当地的花生农艺种植模式分别选择花生挖掘机、花生起收机和花生摘果机等完成花生收获的挖掘、清土、分离和集果等一系列的关键作业工序。分段收获的作业方式在实际应用中具有较强的可操作性和适应性，可以根据不同地区不同的花生种植方式，结合实际情况自由组合完成花生收获整体作业。但是多种花生收获机械轮流作业也是存在较大缺点的，一是会延长整个收获过程，使作业成本增加；二是会导致花生整体收获效率降低、损失率增大等一些问题。此外花生摘果机也是目前我国应用较多的花生收获机械之一，大体上可以分为半喂入式和完全喂入式两种。两段收获是将整个收获流程分为两部分。首先利用花生起收机完成花生植株的起挖、清土和摆放，等待被挖掘的花生植株晾晒充分之后，再使用捡拾收获机对已经晾晒好的植株进行捡拾、清选及摘果。两段收获不仅有效地解决了花生果实含水率高、机械收获困难的问题，还在一定程度上提高了花生收获的效率，降低作业成本，是目前美国、西班牙和阿根廷等国家广泛应用的一种花生收获模式。因此,在研究和开展各类花生复收设备技术研制过程中,必须要充分考虑到我国的实际情况以及各地的花生种植方式,还要通过对各地区不同的收获方式进行分析，来开发一套适合于我国的花生复收设备,从而更好地达到和提高我国花生的整体机械化程度。1.3国内外研究现状国外一些发达国家对花生机械收获技术的研究起步较早，并且他们的收获体系已经非常成熟。在上个世纪三十年代末，欧美国家就已经开始对花生收获机械进行研究，并尝试推广应用。在六十年代初，欧美国家就已经实现了在全国范围内的花生机械化收获水平。其中欧美等国家针对当地花生植株蔓生特点，结合当地的农艺种植要求，对于一年一收的花生，大多采用两段收获法，即先用花生挖掘机将花生植株从土壤里挖出，在进行去土作业后把花生植株条铺在田间，等花生晾干一段时间后，再用捡拾式花生收获机进行捡拾摘果[5-9]。以美国举例，大部分的花生收获机体积很大，所以基本上都是以牵引式联合收获机为主，并且花生联合收获机所需要的牵引力较大。具有代表性的机型有美国弗吉尼亚Amadas公司制造的2100型六行牵引式花生联合收获机，美国KMC公司制造的KMC3376和KMC3374牵引式花生联合收获机;自走式花生联合收获机的代表机型有美国Amadas公司生产的9997和9960SP四行花生收获机等[10-14]。另外,目前美国正在计划将一些高科技技术应用到花生收获机上[15]。相比较于欧美国家，日本和韩国的花生种植方式、规模面积和气候条件都具有较大的差异性，所以它们大多数采用联合收获的方式，并且花生收获机的机型多为半喂入自走式，能够将花生收获作业一次性完成。但是这些机型的结构很复杂，功能高度集成，所以花生收获的成本较高。我国对于花生复收机的研究尚浅，技术有待提高。就目前而言，市场上还没有能够满足生产要求的花生复收机，严重影响了我国花生收获的整体机械化水平。由于我国大部分花生生产区在收获时气候为多雨天气，不能够在田间对挖掘的花生进行晾干，因此花生复收机的推广应用较差。但也存在一些已经研制过花生复收机，这其中就包括山东省烟台农机所研制的4HF-1100型和胶南县农机研究所研制的4HF-1000型等花生复收机。这些花生复收机主要与泰山-25型拖拉机配套使用，每小时可复收花生0.16公顷，一次收净率为75%到85%。这类花生复收机曾在山东省的临沂、日照等地进行推广和实验，但效果不怎么理想。目前，花生复收机已经在我国基本停止研究和生产。第2章总体方案设计2.1作业工艺在河北省内,花生在不同的季节有着不同的种植方式。以夏播花生为例，播种方式分为人工点播和机械化播种。机械播种时,起垄、播种、施肥、镇压等多道工序一次或多次就能完成。人工播种一般是在耕整地之后用点播的方式进行播种。对于河北省内来说，垄作的垄距一般为75cm到85cm,垄面宽度为45cm到55cm。垄上播种两行花生，垄上的小行距为25cm到30cm,垄之间的大行距在50cm左右。2.2总体方案确定根据河北省大部分的花生作业工艺，确定花生复收机总体设计方案。本复收机采用四轮拖拉机带动，机架前设计有复收铲，挖掘出的花生进入去土滚筒里，打掉花生上带有的泥土，下面设计了落果漏土振动筛，以分离花生散果并送入后面的集果箱中。捡拾装置包括复收铲、去土滚筒、脱果辊、振动筛等部分。结构如图2-1所示。1.复收铲2.传动链3.机架4.去土滚筒5.脱果辊6.振动筛7.集果箱图2-1花生复收机捡拾装置示意图它的工作过程如下：首先拖拉机将动力传递给主动链轮，花生复收机向前前进，复收铲进入土壤，对土壤里的散落的果实进行捡拾，通过复收铲运输到去土滚筒中，由后轮通过链条提供动力的脱果辊轴对带有土壤的花生进行去土作业，之后大部分花生直接送入集果箱，小部分小尺寸花生在振动筛上做二级分离，最后这部分花生再进入集果箱。从而对土壤里的花生完成整个捡拾分离过程。第3章捡拾装置结构设计3.1复收铲秦皇岛、张家口和承德等地是河北省内花生的主要种植地。花生播种一般分为露天播种和薄膜覆盖播种。花生的种植要求是每穴播种2-3粒，播种深度在50mm左右。对于露天播种的方式，其播种深度最低不能低于30mm，最深处不能超过70mm。行距一般采用偶数行。根据上述河北省各地花生的种植方式，特设计了一种复收铲，用于挖掘土壤中的遗落的花生散果。复收铲的挖掘性能直接影响了整机的捡拾效果。所以复收铲的设计尤为重要。

复收铲的作用是把遗落的花生和土壤一起挖掘上来，并输送到后端果土分离装置中。一般情况下对复收铲的要求是:在尽量少铲起土壤的条件下把遗落的花生进行复收。在复收铲作业过程中，它的挖掘深度可以在工作时保持稳定，并能根据复收情况进行调节，以便于土堡能够沿着铲面顺利通过；而对于黏度大的土壤，复收铲在作业时应具有较强的破土能力，以便可以顺利地进行捡拾作业。为了避免作业时出现壅土现象，要求复收铲应具有自洁功能;另外还需保证阻力小，刃口的耐磨性良好。

目前挖掘铲按其铲面的形式可以分为槽形挖掘铲、曲面挖掘铲和平面挖掘铲。由于平面型挖掘铲具有良好的碎土能力和入土性能，能够自动清理铲面上多余的土壤、铲面简单等特点，所以最终设计了平面复收铲。如图3-1所示，复收铲的工作原理是：在拖拉机的前进过程中，前端的入土铲进入土壤，对土壤中遗落的散果进行复收，之后铲出的花生通过筛孔板运送到后端的坡道，掉入到后面的去土滚筒进行后续的作业。1入土铲；2筛孔板；3固定孔图3-1复收铲结构简图作业时，复收铲需要克服挖掘阻力，而复收铲铲刃倾角的参数会对挖掘阻力和花生的复收效果产生一定的影响。其中铲刃倾角的合理设计是为了克服铲土作业过程中的阻力，保证复收铲的挖掘效果，使得花生可以顺利的被挖掘出。根据物理定律，理论上铲刃倾角越小，对土壤的挖掘效果更好，但铲刃倾角过小的话，可能会在挖掘过程中对土壤中的花生造成伤害，所以为了保证铲土效果又做到不伤害花生散果，经过对铲刃倾角的反复设计，最终确定铲刃倾角为25度。复收铲的铲体宽度也是捡拾作业时一个关键技术参数，它的设计要与花生种植特点相结合。铲宽应该稍微大于花生的种植垄宽，从而防止漏挖的现象出现，但铲宽也不能够过于宽大，否则可能会出现挖掘阻力过大的情况。而复收铲的铲宽主要与花生在收获后地下的分布情况和花生复收机行走路线偏差有关。由于是复收，所以可以忽略花生复收机行走所造成的路线偏差。根据河北省大部分地区大垄双行种植方法，为了提高挖掘效率，最终将复收铲的铲宽设计为1480mm。复收铲的入土角也是影响整个挖掘性能的重要因素之一。如果复收铲的入土角过小，则会造成复收铲的入土性能变弱；如果复收铲的入土角过大，则复收铲的入土性能也会提高，但过大的入土角会增加复收铲工作时的阻力，从而影响复收铲的排土能力变差，影响花生复收机整机的工作效率。根据河北省花生种植的农艺要求，一般的花生穴播深度在50mm左右。为了确保在挖掘过程能够尽量复收所有遗漏的花生散果，根据入土角和入土长度之间的反比例关系，最终确定入土角在10度到20度之间。在进行捡拾工作时可根据实际情况通过调节装置进行调节。考虑到在挖掘过程中可能会造成壅土现象，所以在入土铲后面设计了筛孔板，可以对部分土壤和杂质进行简单地分离，使得挖掘过程顺畅的进行，以保证花生复收机的整体复收效率。3.2去土滚筒去土滚筒的要求是：它能使花生可以和土壤快速分离，是捡拾装置最关键的设备之一。在此分离装置中，去土滚筒的筛孔可以是圆形孔或者方形孔，相比较与圆形孔，方形孔更适合此分离装置，根据花生荚果的平均尺寸，去土滚筒筛孔大小通过计算可确定为30mm，其筛孔间隙为3mm。结构如图3-2所示。1．固定板2.滚筒下筛孔3．挡板4．滚筒上筛孔图3-2去土滚筒结构简图3.3脱果辊脱果辊是捡拾装置中使果土分离最重要的结构之一。去土装置的效率是花生复收机是否可以有效完成捡拾作业的前提，如果不及时清除土壤，很容易堵塞去土滚筒的筛孔，使花生复收机无法正常工作。如图3-3所示，本次设计的脱果辊连续在脱果辊轴上，为了可以有效的进行对花生的去土作业，在辊轴圆面上穿插8个长度为470mm直径为20mm圆钢，每个圆钢之间的夹角为45度，相邻圆钢之间的中心距为100mm。圆钢的设计角度可以有效的完成去土作业，并对花生的拨送效果较好。此设计由复收机的前进通过齿轮传动提供动力转动，因此在工作的过程中可以观察土壤黏度、硬度、去土情况来控制脱果辊的转动速度。图3-3脱果辊结构简图3.4振动筛振动筛是为了完全清理小体积花生中所带的细小土壤和一些杂质，此振动筛如图3-4所示。振动筛分为两层，第一层为横轴梳土栅条，第二层为交叉梳土栅条。经过去土滚筒的分离，花生所带杂质体积变小，所以可设计上层每个梳土栅条之间的中心距为10mm。下层交叉梳土栅条组成边长为5mm的正方形。工作时，体积较大的花生从第一层进入集果箱，体积较小的花生掉入第二层交叉梳土栅条，经过分离筛选后再进入集果箱。通过复收筛的振动以及两层梳土栅条的设计可以有效的实现花生和土壤以及杂质的分离。使捡拾的花生可以较为干净的进入集果箱。从而完成整个花生捡拾的过程。1.上层梳土栅条2.交叉梳土栅条3.出口图3-4振动筛结构简图振动筛作为花生捡拾过程最重要的装置，它的运动轨迹和梳土栅条的宽度是保证分离效果的最要影响因素。在设计过程中，通过调整偏心轮的偏心距来改变振动筛的振幅，通过调整对花生复收机的传动齿轮的转速来改变振动筛整个的振动的频率。而捡拾的花生是否可以快速不堵塞的进入集果箱取决于另一重要因素，那就是花生复收机振动筛整个的筛体与水平面的夹角。如果筛体与水平面的夹角过于大，可能会造成振动筛对花生与土壤、杂质分离不及时，从而造成带有土壤的花生进入集果箱，影响最后的收净率。而筛体与水平面的夹角过于小可能会造成捡拾的花生停留在振动筛上，不能够及时的进入后面的集果箱，从而也会在一定程度上影响整个的捡拾效率。为了有效的解决花生复收机振动筛体与水平面夹角问题，特在导槽的下方设计了一种简单的调节装置。可以根据复收的整体实际情况，来调节筛体与水平面夹角，从而来控制捡拾的花生进入集果箱的速度。第4章链传动和轴设计计算4.1滚子链的设计滚子链的主要结构有滚子、套筒、销轴、内链板和外链板。其中内链板紧压在套筒两端，销轴与外链板铆牢，称为内链节和外链节。这样内链节和外链节就会形成一个铰链。滚子与套筒之间、套筒与销轴之间都是间隙配合。内链板与套筒之间、外链板与销轴之间都是过盈链接。考虑到此花生复收机对链传动的应用只是用于带动花生复收机振动筛的振动，为了在捡拾的过程中方便控制振动筛的振动频率，特设计等比传动，链轮1、链轮2、链轮3的齿数定为34。根据花生复收机链传动的实际要求，查阅机械设计手册，最终确定链条1的中心距为924mm。为了链条连成环形时，正好是外链板与内链板相接，接头处可用开口销或弹簧夹锁紧，所以选取链节数为偶数，经过数据分析，最终确定链节数为178，滚子外径7.92mm。同理链条2的中心距为1488mm，链节数为268，滚子外径7.92mm。4.2链轮设计计算1.材料选择：采用45号钢经正火处理，齿面硬度HRC20到HRC30。2.齿顶圆直径3.齿根圆直径4.分度圆弦齿高5.最大齿根距离6.齿侧圆弧半径4.3轴的设计本设计所需要的轴很多，所以只对其中一根轴进行设计实验。在捡拾装置中，选择其中一根后轮轴进行设计和校核计算。因为用于旋转运动的传动部件必须安装在轴上，以传递运动和动力。所以轴的设计和校核尤为重要。因为这台机器的扭矩很小，它只依靠轴来承受机架上的附件。属于只承受弯曲距离而不传递车削距离的轴，即主轴。为了有效的降低轴上的作用载荷，所以要合理设计载荷的位置。轴可以看成一个固定的铰链支架和一个可移动的铰链支架。如图4-1所示。图4—1支撑简图这两个支点应尽可能靠近车轮或铰链支点。这样，轴的轴承弯曲距离更小，轴的直径就会减小，整机的重量也会减轻。轴上的零件是固定的。由于机床运动速度小、凸点小、轴向冲击小，轴向固定相对简单。为满足轴上各部件的安装，初步确定各轴段尺寸为（左起）：第一节轴承对应轴径为30mm，长度为40mm；第二节轴径为35mm，长度为50mm；第三节轴承对应轴径为40mm，长度1265mm；第四节轴径为20mm，长度为50mm。分析轴上的轴应力,可以明显地分析得出此轴只需要承受一个小的径向作用力,没有必要承受到其他不同轴向的应力场的作用,因此我们选取带有深沟或半球面的轴承，主要目的是为了承受一个小的径向作用力,但也很有可能需要承受较小的其他轴向作用力。根据相关理论分析，可初步确定选用深沟球轴承。根据inventor软件可以对轴进行一些应力分析，对轴进行简单的强度校核，其结果如图4-2所示。图4—2分析图经数据分析可知，此轴的强度足够，可以满足设计。4.4键的校核键是通常用于执行外周轴和结固定和扭矩传递的标准元件。键主要分为平键、楔键、和切向键。平键联接由于其具有结构简单、拆卸方便等特点和优势,因此得到了广泛应用。虽然平键定位精度高,但是由于连接部件无法承受轴向力,因此无法起到轴上各个零件的轴向固定作用。导向型平键连接的主要故障失效表现形式之一就是工作面的磨损。根据设计数据，查阅参考书初步确定键的尺寸键宽为8mm，键高为7mm，键的工作长度为32mm，挤压面高度为3.5mm。根据校核公式对键进行简单的数据校核后，可以满足实际应用情况。第5章结论和展望5.1结论针对花生收获机械出现的漏果和掉果现象，为了解决此问题，本文设计了一种花生复收机捡拾设备。这种花生复收式捡拾装置能够实现对收获后花生种植区域内遗落的花生散果进行拾捡、清选和集果等操作。其设计结论如下：（1）由于此花生复收机是一种轮胎型行走设备,其操作简单、灵活、性能好,即便是在雨后湿润和土壤黏度较大的花生种植区,仍然可以顺利地进行复收捡拾等作业。（2）采用前置式进行复收作业，视野宽广，播种行距在270～300mm左右，株距不限，皆可顺利实现对花生的捡拾分离。（3）去土滚筒和脱果辊结合的去土方法相对于目前的上下摆拍式和横向摆拍式去土方法，很明显地增强了去土效果。可控的脱果辊工作速度，可以根据实际作业情况进行调速，确保了花生复收机可以稳定连续地进行工作。振动筛可进行二级分离，使得花生收净率提高。（4）可一次性地完成铲土、去土、筛选及集果等工序，整个作业过程不需要太多的人工参与。整个花生复收机大大提高了花生复收效率，捡拾装置减少了花生二次复收作业费用，并且降低了收获的劳动强度。5.2展望目前，河北省花生种植面积都是增长的趋势，花生机械收获推广力度越来越大，但是过高的收获损失却限制了整体机械化水平的进一步提高。对于花生复收机来说，现有的研究仍然不能满足当前的作业要求。对于全国而言，花生种植方式多种多样，土壤条件更是较为复杂，这就对花生复收机的通用性提出了更高的要求。所以研制出机械化程度高、复收效率高和通用性较好的花生复收机是发展的必然趋势。对此，首先要加强对花生复收机捡拾装置的基础性研究，根据实际情况优化花生复收机的结构参数，提高花生复收机的性能。其次要保证花生复收机与花生种植农艺相结合，为花生复收机的推广提供条件。相信通过我国科研人员的研究，花生复收机技术会变得越来越先进，而这对于加快花生收获整体机械化水平发展、优化花生产业结构、增加经济效益有着重要的现实意义。参考文献尚书旗,刘曙光,王芳艳,等.花生生产机械的研究现状与进展分析[J].农业机械学报，2005,36(03):143-147.李鹍鹏,栾雪雁.我国花生机械化生产发展问题与对策研究[J].农业装备与车辆工程,2012,50(8):18-20.尚书旗,王方艳,刘曙光,等.花生收获机械的研究现状与发展趋势［J］.农业工程学报，2004,20(1):20－25．彭三河,刘洋.影响新收带壳花生含水率的参数研究[J].长江大学学报(自科版)农学卷，2009,6(2):75-77.唐蓓,卢泽民,贡军,等.花生收获机清选装置试验研究[J].农机化研究,2016,(3):191-195.Ralph

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