自走式线辣椒收获机清选部件的设计与研究.docx

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自走式线辣椒收获机清选部件的设计与研究

学号

密级________________

武汉大学本科生毕业论文

自走式线辣椒收获机清选部件的设计与研究

院（系）名称：

动力与机械学院

专业名称：

机械设计制造及其自动化

学生姓名：

指导教师：

二〇一二年六月

BACHELOR'SDEGREETHESISOFWUHANUNIVERSITY

DesignandstudyoftheSelf-propelledChiliPepperHarvester’scleaningparts

College：

Powerandmechanicalinstitute

Subject：

Mechanicaldesign,manufacturingandautomation

Name：

MaoLubin

Director：

LeiJinLecturer

June2012

郑重申明

本人呈交的学位论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。

尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。

对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。

本学位论文的知识产权归属于培养单位。

本人签名：

日期：

摘要

辣椒尤其是线辣椒是我国重要的农作物，但是长期以来我们都是使用人力对辣椒进行采摘，但这样既耗力又没有效率。

而如今农业生产愈加的机械化，辣椒的机械收获也逐渐成为必须，但是辣椒的自动收获还未成熟，尤其我国的辣椒收获机还未取得显著地进展。

本次毕设在对辣椒收获机整体研究的前提下，重点对辣椒收获机中清选部件做了设计与研究。

首先在充分查找资料与老师的指导下确定了清选部件的工作原理，并对其中的重要部件做了设计。

而在确定了设计方案并完成建模后，又分别对两级清选做了仿真分析，并重点对一级清选做了较为充分的仿真分析。

首先通过改变辣椒杆模型在ADAMS中的摆放位置，初步确定了一级清选中的合适的星型轮轴转速；而又通过风机在不同角度下的FLUENT仿真分析，初步确定了二级清选中的合适的风机摆放角度，并都得到了想要的结果。

关键词：

线辣椒收获机；清选部件；方案设计；动力学仿真；流体力学分析

ABSTRACT

PepperinparticularchilipepperisChina'simportantcrops，butforalongtimeweareusingthemanpowertopickonpepper，however,thisnotonlylabor-intensivebutalsoinefficient。

Today,agriculturalproductionisincreasinglymechanized，butthepepperautomaticallyharvestisnotyetripe，inparticular,China'spepperharvesterhasnotyetmadesignificantprogress。

Underthepremiseoftheoverallresearchonchiliharvester，thisarticlefocusesonchiliharvestercleaningparts’sdesigningandstudying。

Firstidentifiedpartscleaningworksbyfindinginformationandguidanceofourteacher，andalsodothedesignofthecomponentsworksoncleaning，aswellasimportantcomponentsofthedesign。

Afterthecompletionofthemodeling，alsomakeasimulationanalysisofthetwocleaning，andfocusonthefistcleaningtodoafullsimulationanalysis。

ThroughchangingtheplacementofpepperrodmodelinADAMS，initiallyidentifiedthesuitablespeedofthestar-typeaxleofthefistcleaningdevice。

ThroughplacingthefaninthedifferentanglesinFLUENT，initiallyidentifiedaappropriateangleofthefanplacedinthesecondcleaningdevice，andalltheworkshavegottheidealresult。

Keyword：

ChiliPepperHarvester；Cleaningselectedparts；ProgramDesign；Dynamicssimulation；Fluiddynamicsanalysis

第一章绪论

1.1国内外辣椒收获机概况及发展现状

1.1.1国外辣椒收获机的研究概况及发展趋势

国外辣椒机械化收获起步和对辣椒收获机研究较早，尤其是美国。

20世纪初，欧美国家出现畜力牵引挖掘机来代替手挖掘土下农作物，但辣椒农作物仍然靠人工采收。

1967年,美国首次对铃状辣椒实行了商业机械化采收。

从1967年开始,随着辣椒品种的不同在全世界范围内已设计生产出了200多个辣椒收获机,整机专利申请近20项。

美国、澳大利亚、保加利亚、加拿大、匈牙利、以色列、意大利、西班牙和前苏联等国都对辣椒收获机械做了相应的研究,这些国家对近30种不同采摘原理的辣椒收获机进行了测试研究,但到20世纪60年代并未收到很好的商业采摘效果。

1967年,美国首次对铃状辣椒实行了商业机械化采收。

从1967年开始,在全世界范围内已设计生产出了200多个辣椒收获机,整机专利申请近20项。

美国、澳大利亚、保加利亚、加拿大、匈牙利、以色列、意大利、西班牙和前苏联等国都对辣椒收获机械做了相应的研究,这些国家近30种不同采摘原理的辣椒收获机进行了测试研究,但到20世纪60年代并未收到很好的商业采摘效果。

路易斯安那州立大学从1977年开始，由C.Thomas教授领导，主要研究一种叫TabascoPepper辣椒的收获问题。

这种辣椒很小，直径大约75毫米，长度大约300毫米，尖部朝上生长，也很辣与中国的朝天小辣椒相似，主要用于加工辣酱，市场需求量很大。

第一次实验是利用现成的兰酱果收割机，利用振动原理将辣椒采摘，结果不能采摘。

1978年与MCICHENNY辣椒公司合作改而采用高压水喷的办法将辣椒喷摘下来，经实验证明，这种方法虽然可以将成熟的辣椒喷摘下来，但收集却十分困难，加上潮湿而无法清选，而且供水量很大，没有商业利益不能用于生产。

1979年美国农业部工程师D.H.Lenker和机械师D.F.Nascimento合作研制另一种辣椒收获机。

其工作原理是在两条倾斜的宽传送带上安装许多铝质指杆将辣椒梳摘下来，进行一次性收获。

采摘率为95%，采摘过程中约20-30%的辣椒掉落在地上，再用一套耙齿机构进行捡拾，捡拾率为65%。

1979和1980年侧重辣椒物理机械性质和园艺方面的研究，其中包括栽播方法、行株距选择和施肥等方法的研究。

当时一位名叫E.H.Siow的研究生设计了一种指杆式采摘部件前悬挂在高架拖拉机上。

利用振动采摘原理，设置两条回转带，带上安装许多指杆，工作时指杆不断打击植株茎杆，使辣椒脱落。

实验证明，只有50%的成熟辣椒能振动脱落，但由于没有收集装置而全部落在地上。

实验中发现。

如果只杆打击在植株支杆上或直接打击在成熟的辣椒上都能使辣椒脱落。

从而得出结论，辣椒的采摘必须同时采用振动和打击的方法。

1980年,美国10个非盈利性的大学、州、联邦研究机构对辣椒机械化收获做了研究,但并没有获得期望的商业化效益。

1981和1982年C.Thomas教授和B.Geareg工程师在指杆式采摘部件实验的基础上设计了新型机，包括采摘工作部件和辣椒收集系统。

采摘部件由一对倾斜的对滚轴组成，轴上装有许多指杆，工作时两滚轴相对滚动，指杆就由上而下地打击在枝杆和辣椒上。

C.Thomas教授设计了三种指杆，即柔性指杆、刚性指杆和刚性弯曲指杆，实验结果证明以柔性指杆的效果最佳，基本上达到了辣椒采摘的要求。

B.Geareg工程师设计了两种收集系统，一种是由两片固定的厚橡胶来承接摘下的辣椒，实验效果不佳。

接着又设计了圆盘收集系统。

他由两排共八个铝质圆盘构成，每个圆盘均由弹簧支承，并可以绕轴自转，两排圆盘之间还可以张缩，这样就起到了承接和输送的双重作用。

田间实验表明，圆盘收集系统的落地损失率为10-15%，对植株有中轻度的压弯和损伤。

1976年,美国McClendon辣椒公司制造了PeterPiper展开式双螺旋型辣椒收获机。

1980年,美国10个非盈利性的大学、州、联邦研究机构对辣椒机械化收获做了研究,但并没有获得期望的商业化效益。

1990年以后,随着人工采收成本及企业对辣椒的大量需要,又开始对辣椒收获的机械化提上了日程。

1992年,西班牙设计了符合自身条件的展开双螺旋式辣椒收获机,于1993年对该辣椒收获机商业化,并做了相应的辣椒采摘测试。

1998年,PIKRITE公司与美国Bucknell大学合作,在番茄收获机的基础上改装设计生产了商用的红辣椒收获机,收获效果较好。

以美国为主,辣椒收获机的技术相对成熟,所研究的机型大多为自走式和牵引式。

针对于美国用得最多的几种辣椒收获机类型,按采摘原理划分为长杆梳指型、带状梳指型、展开双螺旋线型和滚筒弹指型。

主要代表机型为PIKRITE公司生产的pikrite4000系列辣椒收获机、OXBO公司生产的VPCII型辣椒收获机以及OXBO国际公司与以色列Yung-Etgar农业机械所合作开发的GH80型自走式辣椒收获机。

辣椒收获机的两个主要工作装置为采收装置和清选装置。

美国最早研究的辣椒收获机械的采摘装置为展开双螺旋线式,该装置由一对或多对螺旋卷杆组成。

随后又研制了长杆梳指式采摘装置、带状梳齿式采摘装置以及滚筒弹指式采摘装置。

清选装置则大多为气流式与辊子式的复合形式及气流式与滚筒式的复合形式。

1.1.2中国辣椒收获机的研究概况与发展趋势

我国的辣椒机械化收获发展严重滞后,作物的收获基本处在人工或半机械化采收的时期。

据最新相关资料介绍,2000年以前国内只有少数农户进行了自发研制。

如河南省唐河县源潭镇刘庄村村民丁山峰研制的辣椒机和河南省社旗县社旗镇居民代桂武研制的三樱椒采摘机,这两种机型均是在辣椒成熟收割后,由人工喂料进行场上采摘;山西省襄汾县赵康镇北王村村民薛岳强研制了一种田间作业的辣椒收割机,该机以二冲程发动机为动力,结构比较简单,可以进行辣椒田间收割。

从以上试验机型来看,研制出的机型不适合大面积种植规模作业。

2005年以来,随着辣椒种植面积的不断扩大,对机械化收获的迫切需求,新疆一些研究部门和企业陆续对辣椒收获机进行了研究开发。

如新疆兵团农二师二十一团研制了线辣椒采摘装置;2009年,隆平高科引进OXBO公司生产的OXBOVPCII型辣椒收获机进行线辣椒收获试验;新疆机械研究院研制了自走式不对行辣椒收获机,进行了田间试验;石河子大学机电学院申请并获得了3项辣椒收获机的专利,已开发出一种一次完成采摘、分离、清选和装箱的辣椒联合收获机。

2011年新疆生产建设兵团科技局对石河子大学机械电气工程学院承担的兵团科技攻关计划项目“4LS-1.6型牵引式线辣椒收获机的研制”进行了科技成果评价，专家组一致认为，此项目达到了国内领先水平，同意通过项目验收和科技成果鉴定。

这项成果目前已获得国家专利3项。

在辣椒收获机上采用机械和风力复式分选装置为国内首创，提高了辣椒产品的清洁度；液压升降采摘装置，方便地控制采摘高度，保证采摘质量，更有利于转弯和田间运输，提高作业效率；大容量的自卸料箱，减轻了劳动强度，节约了卸料时间，提高了产品田间运输的效率；采用可调的牵引装置，还提高了机组的机动性、通过性和运输安全性。

4LS-1.6型牵引式线辣椒收获机是由石河子大学机械电气工程学院于2008年着手研制，2009年项目即列入兵团重大工业攻关计划、国家科技人员服务企业行动专项计划。

项目组在陈永成教授的带领下，深入基层调研，查阅相关资料，2010年完成样机试制，并由兵团农机鉴定站农业机械检验测试中心在石总场三分场六连进行了田间作业技术测定。

1.2国内外关于辣椒收获机清选部件的研究现状和发展趋势

清选分离是将收获的辣椒中含有的茎秆、椒叶等杂质从辣椒中分离出去，是辣椒收获过程中最重要的作业项目之一。

它是辣椒收获机的核心部件，在很大程度上决定了辣椒收获机的工作质量。

其主要生产指标有含杂率、损失率及破碎率等。

我国对谷物小麦收获机的研究较早，技术较成熟，清选分离装置也多种多样，有风选、筛选、风筛选、风筛窝眼选和比重选等形式。

但由于谷物小麦的形态参数和物理、机械特性与辣椒有很大区别，这就决定了辣椒清选分离系统与之有明显的差别。

由于国外对清选分离部分研究较多，清选分离装置较为成熟，下面主要从结构、工作原理及特点3个方面介绍国外清选分离装置的几种形式。

1.2.1国外对该课题的研究现状

（1）旋转刀片与气流组合式清选分离装置

旋转刀片与气流组合式清选分离装置由料箱、逐禾轮、物料输送带、异形轮、刀片、回收输送带、出杂调节板、风机、栅格输送带和杂质输送带等组成。

其中异形轮及刀片是此分离装置的关键部件。

刀片夹在两个异形轮中间，并有轴带动旋转。

异形轮由螺栓固定在铁板上。

出杂调节板可根据排出杂质的多少或大小来调节其排出口的大小。

辣椒及茎叶由进料箱喂入，落入输送带上，输送带上装有挡板以防止辣椒滚落，当辣椒被输送到逐禾轮处时，由于长茎秆被逐禾轮搅动，物料能顺利均匀地落入下面的斜板上。

斜板上间隙布置的异形轮组中的旋转刀片将夹入异形轮间的茎秆切断，使辣椒与茎秆分离，配合斜板的振动，辣椒茎秆不断落入异形轮的切槽中，长茎秆切断成短茎秆。

辣椒果实与短茎秆及椒叶等杂质的混合物在斜板的振动与物料的自身重力下落入栅格输送带上，物料在下落过程中被风机将椒叶等轻小杂质清选出去，短茎秆则由栅格输送带上的间隙排除，其余辣椒被输送到集料箱。

该分离装置可以将茎秆上的辣椒通过切断茎秆的方法将辣椒果实与茎秆脱离，由于多组刀片的共同作用能将长茎秆切成短小的茎秆，便于辣椒果实的清选分离。

对处理长茎秆效果很好。

但是该装置结构较复杂，刀片磨损较为严重。

（2）双风机气流式清选分离装置

双风机气流式清选分离装置，由净果输送带、物料输送带、杂质输出管、及两个风机和组成，结构简单。

物料由输送带输入，当物料落入到输送带的过程中，叶片及轻小杂质被下面风机产生的气流吹出并由上面风机吸入，最后由杂质输出管排出。

干净的辣椒由输送带1运入集料箱。

风选式分离装置结构简单。

但由于风机气流只能把轻小的叶片等杂质吹出，而茎秆却不能被分离。

适用于采摘得比较干净，含茎秆比较少的辣椒机，而且辣椒的水分量应较大，否则水分小，较轻的辣椒也会被气流吹出，使辣椒损失率提高。

（3）滚筒式清选分离装置

滚筒式清选分离装置由旋转杆、固定杆，螺旋刷搅龙，轴、外齿圈和内齿圈等组成。

螺旋刷及滚筒外围的杆是该分离机构的关键部件。

为了不伤损辣椒，螺旋刷搅龙的材料可以用灵活柔软的塑料，而滚筒外部的杆可用外表光滑的空心不锈钢管。

驱动螺旋刷的轴可以水平放置也可以倾斜放置。

旋转杆装在齿轮上，齿轮两侧为外齿圈及内齿圈。

分离装置在轮的驱动下，带动滚筒及旋转杆转动。

轴的转向与滚筒的转向相反。

筒式分离装置只能将比辣椒小的杂质分离出去，而较长的茎秆则无法分离，所以用该装置分离的辣椒含杂率高，损失率高。

适用于采摘得比较干净，含茎秆少的辣椒机。

（4）气流式清选分离装置

气流式清选分离装置，由气体管道、物料输送管道、输送带、气体管道、集装箱和气锁等组成。

由管道输送的辣椒及杂质混合物通过气锁落入输送带，而

气流则由气体管道进入风机以循环利用。

由物料输送管道输入的辣椒及杂质混合物经气锁运入输送带，带上装有挡板，防止辣椒滚落，当辣椒及杂质混合物运入输送带顶端并落入集装箱的过程中，椒叶等轻杂质被气体管道的气流吹出箱外。

风选式分离装置只能分离椒叶等轻杂质，适用于分离含茎秆少的物料。

风选式分离装置只能分离椒叶等轻杂质，适用于分离含茎秆少的物料。

（5）气流与滚筒组合式清选分离装置

气流与滚筒组合式清选分离装置由分离滚筒、滚筒外的圆杆、滚筒内的搅板、排杂斜板、进料槽、气体导管和出料槽等组成。

圆杆之间有间隙，可将小杂质排出。

气体导管内的气流由风机吹入，一方面可以将叶片等轻杂质吹出机外，另一方面可以加大对滚筒内物料的作用。

辣椒及茎秆椒叶等杂质从进料槽进入滚筒，在气流吹动、滚筒转动及搅板的搅动下进行分离，比辣椒尺寸小的杂质由滚筒外的圆杆间隙中排入排杂斜板排出，椒叶等轻杂质被气流吹出机外，辣椒及部分茎秆则由出料槽输送到集料箱。

该滚筒式分离装置只能将小杂质及椒叶分离出去，而长茎秆则无法分离，适用于含茎秆少的辣椒物料。

1.2.2国内对该课题的研究现状

目前，国内对辣椒机械化收获的研究还处于空白，只有几个事业单位及企业、个人进行了研究。

2007年以前，河南省村民研制出了简易的由人工喂料的辣椒采摘机，山西省村民研制了可以进行田间作业，以二冲程发动机为动力的简单辣椒收割机。

2008年新疆生产建设兵团农一师四团职工研制了手摇式的简易辣椒清选机；2009年新疆机械研究院研制了集采摘和运输功能的自走式的辣椒收获机；2010年新疆光大农机股份有限公司研制了小动力驱动的自走式辣椒收获机；石河子大学机电学院研制出一次完成采摘、清选分离、装箱的牵引式辣椒收获机。

从以上的研究的机型来看，辣椒收获后仍需要人工清理，劳动强度也较大。

国内集采摘、清选分离、装箱于一体的自走式辣椒联合收获机还未研制成功。

1.3研究的目的与意义

国外辣椒收获机械的研制已进入了稳步发展的时期,市场上的成熟产品较多,而我国辣椒收获机的研究还处于空白时期,市场上还没有成型的产品。

国外

大量的辣椒收获试验表明,辣椒的品种对收获的效果有很大的影响,因此我国在研究开发辣椒收获机时,应根据地域条件及辣椒品种研究出适合本地的收获机械。

辣椒收获机在保证效率的同时,还要考虑到收获的质量。

我国在研究开始阶段,辣椒收获机基本靠引进国外技术,在借鉴国外辣椒收获机械的技术时,要结合农艺的要求,开发出具有自主知识产权的辣椒收获机械。

在完成产品批量生产的前提下,降低辣椒收获机的成本。

由于国外大多辣椒收获机对行采摘模式对辣椒行距的种植要求较高。

因此,在收获效率高、损失率低、自动化程度高这样一个大的发展方向上,不对行采摘、采收灵活和成本低的辣椒收获机械将得到人们的青睐。

通过我们的研究设计，完善请选分离部件，实现采摘、清选分离、装箱于一体的自走式辣椒联合收获机，填补我国对于该领域的空缺。

1.3.1研究内容

研究内容主要对辣椒收获机的分离清选的总体设计，优化和分析。

国内外关于谷物收获机械各个系统的研究比较成熟，但是关于辣椒收获机械中的分离清选的精确理论分析和计算还比较欠缺。

因此，针对以上问题，必须在收获机的分离清选工作性能方面有所突破，使其达到功耗小，适应性强、效率高、耐用性强，在满足损伤率和丢失率等农业要求的前提下，降低劳动强度，达到机械化收获的目的。

（1）在满足辣椒收获农艺条件的前提下，研究并确定分离清选各机构的主要参数。

（2）研究并确定分离清选系统各组成部分的结构，并对其进行理论分析，使其结构、性能达到最佳。

（3）辣椒收获机的分离清选的总体设计，优化和分析。

（4）选的动力学仿真分析。

1.3.2研究方法

（1）通过视频短片到辣椒种植地进行研究考察，查阅大量的文献资料，吸收并借鉴国内外辣椒收获机械分离清选装置及其它收获机械的成功之处，研究并确定辣椒收获机系统的主要参数。

（2）对分离清选装置进行研究设计。

（3）对分离清选的动力学仿真分析。

1.3.3技术路线

第二章自走式线辣椒收获机的清选部件的设计说明

2.1清选部件的总体结构设计方案确定及工作原理

2.1.1清选部件的的设计方案确定

清选分离是将收获的辣椒中含有的茎秆、椒叶等杂质从辣椒中分离出去，是辣椒收获过程中最重要的作业项目之一。

它是辣椒收获机的核心部件，在很大程度上决定了辣椒收获机的工作质量。

其主要生产指标有含杂率、损失率及破碎率等。

我国对谷物小麦收获机的研究较早，技术较成熟，清选分离装置也多种多样，有风选、筛选、风筛选、风筛窝眼选和比重选等形式。

但由于谷物小麦的形态参数和物理、机械特性与辣椒有很大区别，这就决定了辣椒清选分离系统与之有明显的差别。

由于国外对清选分离部分研究较多，清选分离装置较为成熟。

清选分离部件性能的好坏要从辣椒含杂率、损失率及破碎率等方面综合考虑，同时结合新疆线辣椒的物理形态等方面。

考虑分析上文介绍过的国外的一些清选部件，我们可以知道，旋转刀片与气流组合式的清选分离装置是根据辣椒茎秆辣椒尺寸的差异来进行分离的，而新疆线辣椒的茎秆与果实尺寸差异不大，不适合用该方式进行分离；风机气流式分离清选装置能够将椒叶等轻小杂质排出，适用于采摘得比较干净且水分含量较大的辣椒；滚筒式分离装置一般都与气流式组合使用，可以将泥土碎石及椒叶等杂质分离；带式分离装置可以将长茎秆分离出去，结合气流式可以将椒叶等轻杂质分离，效果更佳；由此可见，气流式、滚筒式及其组合式的分离装置只能把泥土、碎石及椒叶等杂质分离出去，而较长茎秆则无发进行分离。

为了将混合物中的长茎有效进行分离，设计使用星形轮轴，在轮轴转动过程中，通过星形轮的梳理，可以保证长茎大杂整齐的排列在两相邻轮间，沿着定向传动，并最后清理出去，而为了不损伤辣椒，星形轮轮齿采用圆弧状，并采用较软的材料。

2.1.2自走式线辣椒收获机清选部件的工作原理

清选部件作为整机的重要工作部分，主要由星型轮、风机、轴辊、链轮等组成。

清选部件主要采用气流一星型轮式两级复选式清选：

一级星型轮式分离，主要是辣椒与大杂（如茎秆）分离；二级气流分离，主要是辣椒与小杂（如椒叶）分离。

通过两级分离装置，降低了辣椒含杂率，提高了整机的机械性能。

（1）一级清选的工作原理

一级清选属于星型轮式分离，主要用于分离采摘线辣椒混合物中的大杂。

分离过程中，数排轴通过转动链的带动旋转，每根轴上固定有数个星型轮，星型轮通过轴的带动旋转，来拨动线辣椒与茎秆、椒叶等混合物，混合物在旋转星型轮的作用下按星形轮的排列方向排列，并沿着旋转方向前进，行进的过程中椒叶与线辣椒混合物（线辣椒、椒叶及其他杂质）从星型轮排列间隙漏下，茎秆沿着星型轮旋转方向排出。

（2）二级清选的工作原理

二级清选属于气流分离，主要是辣椒与小杂（如椒叶）分离。

分离过程中，从一级清选星型轮排列间隙漏下的椒叶与线辣椒混合物（线辣椒、椒叶及其他杂质）掉入类似漏斗的滑道，此滑道主要是集中漏下的线辣椒，滑道的出口具有风机对着，气流从风机里吹出，将椒叶等杂质吹出、而线辣椒果实不被吹出。

2.2