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200 年 月 第 期 山藥挖掘收獲機(jī)的設(shè)計(jì) 楊佳佳 （塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院， 阿拉爾 843300） 摘 要：長期以來，山藥都是靠傳統(tǒng)的人力收獲，山藥的根莖較長，深入地下，難以采收，如果收獲技術(shù)不夠成熟，根莖破損率就會很高。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬制造和運(yùn)動仿真在農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)中得以實(shí)現(xiàn)，從而大大縮短了設(shè)計(jì)周期，降低生產(chǎn)成本，提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性。本設(shè)計(jì)利用三維設(shè)計(jì)軟件，對農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。 本文設(shè)計(jì)了一種山藥收獲裝置，結(jié)構(gòu)簡單合理，能夠完成山藥的機(jī)械化收獲作業(yè)。不僅極大地提高山藥收獲效率，而且對深土農(nóng)作物的規(guī)模化種植起到了推廣作用。 本次的設(shè)計(jì)對傳統(tǒng)山藥收獲機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，著重設(shè)計(jì)了山藥收獲機(jī)的整體結(jié)構(gòu)、傳動方式、工作方式，論述了裝置在收獲過程中的的工作原理。在完成設(shè)計(jì)構(gòu)想之后，基于SolidWorks進(jìn)行了三維模型建立。整個(gè)過程包括各零件圖三維設(shè)計(jì)、裝配體三維圖。 關(guān)鍵詞：三維設(shè)計(jì)；傳動方式；動態(tài)仿真 中圖分類號： 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號： - 3 - 0 引言 山藥對當(dāng)?shù)貧夂蛞蟛粐?yán)，但喜溫暖濕潤，忌積水，怕干旱。宜種植于肥沃疏松、土層深厚、排水良好的砂質(zhì)壤土上種植。原產(chǎn)地位于河南焦作，現(xiàn)在分布于中國西北，華北，和長江流域的湖南江西等地。由于其營養(yǎng)比較豐富，一直以來都被視為比較理想的補(bǔ)虛佳品，不僅可作為主糧，又可作為蔬菜食用。有很高的藥用價(jià)值和食用價(jià)值 。隨著現(xiàn)代社會人們更加注重養(yǎng)生和健康，而山藥的藥用價(jià)值和使用價(jià)值使得其成為很多人的選擇。特別是近幾年，山藥的種植面積和種植規(guī)模不斷上升。因此，山藥生產(chǎn)和收獲的機(jī)械化越來越得到行業(yè)的重視[1]。 長期以來，山藥的收獲都是靠傳統(tǒng)的人力收獲方式，山藥的根莖較長，難以采收，如果收獲技術(shù)不夠成熟，根莖破損率就會很高。我國大部分地區(qū)收獲山藥的方法是：從山藥種植壟的一端開始，先挖出60-70cm左右的土坑來，人坐在坑的邊上，然后用特制的山藥鏟，沿著地面上山藥生長的20cm處的兩邊開始挖，將根兩邊泥土鏟出，一直挖到山藥溝下見到根莖的尖端為止，最后輕輕鏟斷剩下的細(xì)根，手握著根莖的中上部分，小心拔出山藥的根莖。一定要小心精細(xì)鏟土，避免山藥根莖的損傷和折斷。采收山藥時(shí)，一定要按著山藥種植的順序，一株一株地挨著挖，這樣才能有效減少破損率，又能避免漏收。由于山藥一般在下層土壤延伸，最深可延伸到地下70～100cm處，靠人力收獲相當(dāng)費(fèi)力。最重要的是人力收獲的過程中容易挖到山藥塊莖，影響山藥的品質(zhì)和市場。而且勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低。為此，山藥收獲的機(jī)械化問題就亟待解決。 山藥收獲技術(shù)如果能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械化，將有力地推動山藥生產(chǎn)的規(guī)?；?，顯著降低山藥生產(chǎn)成本，節(jié)省勞動力和農(nóng)活作業(yè)量，使山藥種植戶增加更多的收入，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。 本課題研究了我國山藥收獲機(jī)械化的發(fā)展現(xiàn)狀，山藥收獲機(jī)的未來研究方向。為山藥收獲方式以及推廣山藥收獲機(jī)械化，促進(jìn)山藥生產(chǎn)效率提供了理論依據(jù)。 1 設(shè)計(jì)方案及結(jié)構(gòu) 1.1設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化分析及確定 通過對山藥收獲機(jī)的現(xiàn)狀研究，對市場上已經(jīng)開發(fā)成功的山藥收獲機(jī)的分析，總結(jié)山藥收獲機(jī)需要滿足的條件，分析現(xiàn)有山藥收獲機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定山藥收獲機(jī)的最佳優(yōu)化方案。 首先總結(jié)設(shè)計(jì)山藥收獲機(jī)要完成的任務(wù)：1）通過山藥收獲機(jī)能實(shí)現(xiàn)山藥收獲的簡易化，提高山藥收獲的效率。2）此裝置在收獲山藥的時(shí)候不能損壞山藥的塊莖。3）山藥收獲機(jī)的設(shè)計(jì)要盡量簡易，方案要符合實(shí)際情況。設(shè)計(jì)方案可以投入生產(chǎn)，并且可以推廣。 其次通過對上述現(xiàn)有山藥收獲機(jī)的研究與考察，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段山藥收獲機(jī)有兩個(gè)無法實(shí)現(xiàn)的難題：1）裝置在開溝后仍然需要大量的人力勞動來完成后續(xù)的采收。2）在后續(xù)人力采收的工程中，比較容易損壞山藥的塊莖。想要克服這些問題，必須盡量使山藥收獲機(jī)開溝后，山藥所在土塊要有所松動，使山藥與土壤的結(jié)合不在緊密。在裝置作業(yè)之后，人工收山藥的過程中，能夠更直接。這樣就能提高山藥的完整性，盡量少的破壞山藥的塊莖。 1.2 整體結(jié)構(gòu) 山藥收獲機(jī)的組成部分大致可由支撐部分、動力部分、工作部分和傳動部分。 支撐部分：主要就是山藥收獲機(jī)的機(jī)架和山藥收獲機(jī)與拖拉機(jī)連接部分，用于支撐整個(gè)山藥收獲機(jī)能夠順利切協(xié)調(diào)的完成收獲工作。 動力部分：用于連接拖拉機(jī)傳輸?shù)膭恿Γ褎恿μ峁┙o山藥收獲機(jī)的傳動部分。 傳動部分：傳輸動力，并起到減速作用。 工作部分：這部分入土，用螺旋鉆桿開溝，達(dá)到收獲山藥的目的。 裝置選擇在山藥的兩側(cè)同時(shí)開溝，并且在開溝后利用一個(gè)簡易的裝置，來松動山藥種植行的土塊。這樣山藥采收的后續(xù)過程就能很大程度上減少人力，而且如果山藥所在土塊松動之后，人們后續(xù)收山藥的方式就不僅僅是從溝下一點(diǎn)一點(diǎn)挖掘，而是可以更直觀的，更簡易的收獲山藥。這樣一來，就減少了山藥塊莖的破壞。這個(gè)簡易的裝置不能給收獲機(jī)帶來太大的阻力，在此裝置之前的開溝裝置，能夠很好地提供前進(jìn)的空間。利用送土器，在開溝后之后，將提升到地面的泥土放置到溝的兩側(cè)，機(jī)器走過的地方就開出了一道深溝。這樣，人就可以下去把山藥撿拾出來。設(shè)計(jì)構(gòu)想簡圖如下圖1： 圖1 山藥收獲機(jī)整體結(jié)構(gòu) 1.2 總體設(shè)計(jì) 山藥挖掘收獲機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意，如圖2所示。 圖2 山藥收獲機(jī)結(jié)構(gòu) 1—花鍵軸，2—差速箱，3—絲杠，4—傳動軸，5—滑套，6—齒輪，7—齒輪，8—軸承座，9—齒輪，10—螺栓，11—架子，12—機(jī)架，13—送土器，14—螺旋鉆桿，15—帶輪，16—軸承座，17—螺帽 2.1.2 山藥收獲機(jī)的工作原理 以拖拉機(jī)為動力源，在拖拉機(jī)的尾部安裝一個(gè)螺旋鉆桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行鉆土，前面的兩個(gè)螺旋鉆桿開溝，起到收獲機(jī)的開溝作用。在開溝之后利用安裝在機(jī)架后面的送土器將土放置到溝的兩側(cè)，起到提升山藥種植行土塊的作用，機(jī)器走過的地方就開出了一道深溝。 2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì) 2.1 傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要就是：根據(jù)拖拉機(jī)的輸出功率和輸出軸所需輸出功率，經(jīng)過傳動機(jī)構(gòu)的傳輸達(dá)到一個(gè)整機(jī)和諧工作的設(shè)計(jì)過程。即傳動齒輪和傳動軸的合理選擇。 2.2 送土器的設(shè)計(jì) 送土器的設(shè)計(jì)，可以更好的將螺旋鉆桿松動的土塊提升到溝的兩側(cè)，大大提升了山藥收獲裝置的優(yōu)越性。送土器要橫跨山藥種植行，與機(jī)架連接，起到固定的作用。送土器通過皮帶輪與拖拉機(jī)的皮帶輪相連，這樣拖拉機(jī)就能帶動送土器工作了。如下圖3-2所示： 圖3 送土器 2.3 軸的初步設(shè)計(jì) 根據(jù)山藥收獲過程中，開溝軸的實(shí)際工作情況，工作過程中，軸的轉(zhuǎn)速為200～300r/h左右。 3 山藥收獲機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有：1、山藥收獲裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2、開溝螺旋鉆桿工作部分的設(shè)計(jì)，使收獲裝置更有效采收山藥。3、齒輪機(jī)構(gòu)的傳動設(shè)計(jì)，符合拖拉機(jī)功率傳輸，使開溝軸得到適合的輸出功率。 3.1 箱體機(jī)架的設(shè)計(jì) 根據(jù)山藥收獲作業(yè)的要求，需要確定符合采收山藥裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出特殊而且簡單的機(jī)架，機(jī)架不僅要起到對螺旋鉆桿和送土器的支撐作用，而且還對螺旋鉆桿起到提升和下降作用。如下圖4： 3.2 傳動方案的確定 傳動方案確定不僅要考慮輸入功率和輸出功率的轉(zhuǎn)換，還要考慮山藥收獲時(shí)的具體情況，比如山藥種植行之間的距離基本能確定工作周之間的距離，然結(jié)合減速器的校核，一起確定工作軸傳動齒輪的分度圓直徑。 裝置選擇配備24匹，17.7千瓦的拖拉機(jī)，裝置作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2000r/min。拖拉機(jī)與收獲裝置采用錐齒輪傳動，拖拉機(jī)傳動軸通過兩個(gè)錐齒輪將動力傳送到山藥收獲裝置的傳動軸上，傳動軸通過齒輪將動力傳送到螺旋鉆桿上，兩個(gè)螺旋鉆桿同速轉(zhuǎn)動。通過考察，確定山藥收獲裝置的開溝深度為1000mm，開溝寬度為400mm，開溝速度為400～500m/h[6] 。 4 結(jié)論 1. 此次此次設(shè)計(jì)的任務(wù)是山藥挖掘收獲機(jī)的設(shè)計(jì)。長期以來，山藥都是靠傳統(tǒng)的人力收獲，山藥的根莖較長，深入地下，難以采收，如果收獲技術(shù)不夠成熟，根莖破損率就會很高。通過這次設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段山藥收獲機(jī)有兩個(gè)無法實(shí)現(xiàn)的難題：1、裝置在開溝后仍然需要大量的人力勞動來完成后續(xù)的采收。2、在后續(xù)人力采收的工程中，比較容易損壞山藥的塊莖。根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)出簡單而且特殊的機(jī)架，在機(jī)架上安裝螺旋鉆桿進(jìn)行開溝。 畢業(yè)設(shè)計(jì)是作為我在大學(xué)學(xué)習(xí)階段的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，是對所學(xué)基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識的一種綜合應(yīng)用，是一種綜合的再學(xué)習(xí)、再提高的過程，這一過程對我的學(xué)習(xí)能力和獨(dú)立工作能力也是一個(gè)培養(yǎng)。這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)工作總體來說，時(shí)間較長，畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容也較充實(shí)，每個(gè)同學(xué)都有各自重點(diǎn)深入的部分。 通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)我對山藥收獲機(jī)有了進(jìn)一步的了解，也對三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks，可以熟練地進(jìn)行軟件的操作。更重要的是學(xué)會了利用所學(xué)知識進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的方法和過程。 在設(shè)計(jì)過程中也曾遇到很多的問題，但通過查閱相關(guān)的書籍、手冊以及老師的精心指導(dǎo)，都得到了解決，設(shè)計(jì)過程基本順利完成。 圖4 收獲裝置機(jī)架 參考文獻(xiàn)： [1] 繆明.山藥機(jī)械化種植技術(shù)的研究與開發(fā)[J];江蘇農(nóng)機(jī)化.2002（2）：40-42. 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