新型马铃薯收获机的设计.docx

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新型马铃薯收获机的设计

目录

I

ii

1.1研宄目的与意义1

l.ui

1.1.2研宄意义1

1.2马铃薯收获机国内外研宄现状2

1.2.1马铃薯收获机的国外研宄现状2

1.2.2马铃薯收获机的国内研宄现状4

1.3我国马铃薯收获机械研究存在的问题5

1.4研宄内容6

1.5研宄方法6

1.6技术路线6

2总体方案设计8

2.1马铃薯收获的农艺要求8

2_1.1马铃薯的基本物理特性8

2.1.2马铃薯主产区的栽培技术8

2.2总体结构设计10

2.3工作过程与原理12

2.4主要技术参数12

3新型马铃薯收获机关键部件的设计选型13

3.1机架的设计13

3.2挖掘机构的设计14

3.2.1挖掘机构的设计要求14

3.2.2挖掘机构的参数设计14

3.2.2.1挖掘铲的样式14

3.2.2.2挖掘机构的作业指标15

3.2.2.3挖掘机构的参数确定16

3.3抖动分离输送系统的设计20

3.3.1分离输送装置的设计20

3.3.1.1分离输送装置的作用及设计要求20

3.3.1.2分离输送装置机构形式的确定20

3.3.1.3链杆式分离输送器的参数设计21

3.3.2偏心凸轮抖动装置的设计24

3.4横向运输器的设计26

3.4.1横向运输器的结构确定26

3.4.2横向运输器的设计要求与相应措施27

3_4.3横向运输器参数的确定27

3.4.3.1横向运输器的尺寸参数的确定27

3.4.3.2横向运输器线速度的确定28

3.5定量堆放装置28

3.5.1定量堆放装置的结构与工作过程28

3.5.2马铃薯收集箱参数的设计29

3.5.3定量堆放调节装置压缩弹簧参数确定29

4动力传递系统的设计31

4.1变速器的设计32

4.1.1变速器的结构设计32

4.1.2变速器的齿轮传动计算32

4_2链传动选型及参数计算34

4.2.1链传动的主要参数34

4.2.2主要链传动参数计算35

5关键零部件静力学仿真分析38

5.1静力学分析软件简介38

5.2马铃薯收集箱静力学仿真分析步骤及结果分析38

5.3挖掘机构静力学仿真分析步骤及结果分析41

6样机试制与性能试验44

6.1■删44

6.2田间性能试验44

6.2.145

6.2.2试验条件45

6.2.3试验指标45

6.2.4试验结果及分析46

7结论与展望50

7.1^50

7.2创新点50

7.3MM50

辨嫌51

致谢56

攻读学位期间发表论文情况57

中文摘要

马铃薯是我国的五大主食之一，也是世界上继小麦、玉米和水稻之后第四位重要的粮食作物。

目前，中国己成为世界上马铃薯种植面积最大的国家，种植范围遍及全国。

然而，我国马铃薯偏低的收获水平却严重制约着马铃薯产业的进一步发展。

马铃薯的收获是一项相对繁重的工作，国内的马铃薯研究与开发工作与国外相比，还处在起步和发展的阶段。

国内开发使用的马铃薯收获机械结构都相对简单，普遍存在薯土分离不够好、伤薯率较高和工作效率偏低等问题。

同时，目前马铃薯收获机械完成收获工作之后，薯块会在田间不规律的洒满一地，捡拾会耗费农民大量的时间和劳动力，不利于提高马铃薯的机械化进程。

针对以上问题，采用农机和农艺相结合的方法，设计了一种能够进行马铃薯薯块定量堆放的新型收获机械。

本机在实现马铃薯完整挖掘收获后可以将马铃薯定量堆放于田间一侧，缩短捡拾时间。

此外，本机偏心凸轮抖动装置的优化设计，不仅改善了薯土分离效果，也降低了伤薯率。

新型马铃薯收获机主要包括机架、变速器、挖掘机构、链杆式分离输送器、偏心凸轮抖动装置、横向运输器、定量堆放装置和动力传递系统。

收获机与拖拉机通过三点悬挂连接，并由拖拉机带动前进。

由链杆式分离输送器和偏心凸轮抖动装置进行薯土分离和输送工作；利用横向运输器进行混合物的再分离和马铃薯薯块的输送工作；利用定量堆放装置将马铃薯成堆堆于田间一侧，方便以后的捡拾。

利用SolidWorics软件对新型马铃薯收获机的各零部件进行建模，并对整机进行了虚拟装配；利用CAD对整机的装配和零件图进行了二维图的绘制；利用SolidWorks的仿真分析软件（SolidWorksSimulation）对收获机的重要部件进行了静力学仿真分析，并对其进行设计优化，从而使其结构更加合理；利用麦迪工具箱设计了偏心凸轮抖动装置，并通过MATLAB对其轮廓进行验证与优化。

本设计主要是完成了马铃薯的收获工作，并创新性地实现了马铃薯的田间定量堆放。

设计出的定量堆放装置，包括马铃薯收集箱和定量堆放调节装置。

它能够实现马铃薯定量地在田间一侧进行成堆堆放，大大减轻了农民的劳动强度，节约了劳动时间；设计了偏心凸轮抖动装置，并通过试验验证了当本机的偏心凸轮抖动装置振幅为20mm、转动频率为2.5Hz时，既能保证薯块破损程度低，又能保证较好的分离效果。

田间试验结果表明，新型马铃薯收获机的设计合理，具有较好的收获和定量堆放效果，满足作业挖掘深度、明薯率、伤薯率和堆放效果等作业指标。

关键词：

马铃薯收获；凸轮抖动装置；定量堆放；仿真

DesignofaNewTypeofPotatoHarvester

Abstract

PotatoisoneofChina'sfivemajorstaplefoods,andisalsothefourthimportantfoodcropsbesideswheat,comandriceintheworld.Atpresent,chinahasbecomethelargestpotatoplantingareaintheworldandpotatoesareplantedthroughoutthecountry.However,thelowoverallmechanicallevelofthepotatoinourcountry,hasseverelyrestrictsthefurtherdevelopmentofpotatoindustry.Ontheonehand,potatoharvestingisarelativelyheavywork,andcomparedwithwesterncountries，domesticresearchanddevelopmentofpotatoarestillatthestageofstartanddevelopment.Domesticpotatoharvesterhastherelativelysimplestructureandlowefficiency,andhastheproblemscommonlythatseparationofpotatoandsoilisnotgood,injuryrateofpotatoishigh,workefficiencyislowandsoon,whichstillhasaverybigdisparitywithforeignadvancedharvester.Meanwhile，afterthepotatoharvest，potatoeswillgoeverywhereinthefieldirregularly,whichwillbeawasteoftimeandlabortopickthemupandnotbeconducivetoimprovethepotatomechanizationprocess.

Tosolveaboveproblems,combiningagriculturalmachinerywiththeagronomy,anewtypeofpotatoharvesterisdesigned,whichcanpileduppotatoasideonthefieldquantitatively,whichcanshortenworktime.Besides,theoptimaldesignofeccentriccamshakingdevicecannotonlyimprovetheseparationeffectofpotatosoil,butalsoreducetheinjuryrateofpotato.

Themachinemainlyincludesframe,transmission,excavationorganization,chain-bartypeconveyor,eccentriccamditheringmechanism,transverseconveyor,quantitativestackingdeviceandpowertransmissionsystem.Itconnectswithtractorthroughthree-pointsuspensiondevice,andisdrivenbythetractor.Bar-chaintypeconveyorisadaptedfortheseparationofpotatoandsoil.Transverseconveyorisadaptedfortheseparationandtransportationofthemixture.Quantitativestackingdevicewillbeusedtoheappilesinthepotatofieldside,whichmakeitconvenienttopickpotatouplater.

Three-dimensionalModelingandvirtualassemblyofthemachinehavebeendonebySolidworks.Two-dimensionaldrawingsoftheassemblyandpartsofthemachinehavebeencompletedwiththehelpofCAD.SolidworksSimulationisadaptedforthesimulation

m

analysisoftheimportantpartsofthemachine,sothatthefurtheroptimizationcanbedonetomakethestructuremorereasonable.WithMcGrradytoolboxeccentriccamditheringdeviceisdesigned,andwithMATLABitsoutlineisverifiedandoptimized.

Thedesignmainlycompletesthepotato5sharvesting,andimplementsthejobofthepotato5squantitativestackingcreatively.Quantitativestackingdevice,includingthepotatoboxesandquantitativecontroldevice，canheapthepotatoinquantitativepilesonasideofthefieldwhichmakesitmoreconvenienttopickpotatoesuplaterandgreatlyreducesthelaborintensityoffarmers.Atthesametime,thecombinationoftheinjuryrateofpotatoandseparationeffectofpotatoandsoilwillactbestwhentheamplitudeoftheeccentricCamdeviceis20mmanditsrotationalfrequencyis2.5Hz.

Fieldexperimentresultsshowthatthedesignofthenewtypepotatoharvesterisreasonable,andithasagoodharvestandquantitativestackingeffectandcanmeettherequirementsofexcavationdepth,excavationrate,theinjuryrateofpotato,quantitativestackingandotherindicators.

Keywords:

Potatoharvest;Camditheringdevice；Quantitativestacking;Simulation

1前吕

1.1研究目的与意义1.1_1研究目的

马铃薯，别名土豆，在我国主要分布在黑龙江、新疆、甘肃、内蒙、山西、陕西、宁夏、云南、贵州、青海、吉林等省区，年产鲜薯近6000多万吨。

我国马铃薯种植面积以10万公顷/年的增长速度逐年增加，2006年达到2000万公顷，总产量3.15亿吨左右，均居世界第1位（谢开云，2008）。

据世界马铃薯中心的研宄表明：

在世界范围内对马铃薯的需求到2020年将有望增长20%，超过水稻、小麦、玉米的增长。

届时发展中国家对马铃薯的需求将是2000年的2倍（安思民，2000）。

然而，我国是马铃薯生产大国却不是强国，国际竞争力差。

我国马铃薯生产仍存在着一系列的问题，如农艺标准不一、品种较为单一、生产技术不够精细、管理水平差和机械化水平低等。

其中，我国马铃薯偏低的收获水平严重制约了我国马铃薯产业的发展（史明明等，2013）。

国内开发的马铃薯收获机械结构都相对简单，工作效率和明薯率不高，且时有伤薯、漏薯现象出现。

同时，目前己有的收获机械在进行马铃薯收获之后，薯块在田间不规律的洒满一地，捡拾耗费农民大量的时间和劳动力，不利于提高马铃薯机械化进程（杨红旗，2011）。

1.1.2研究意义

我国的马铃薯种植面积在逐年增加，目前约占世界总面积的1/4。

然而，马铃薯的产量却不尽如人意，仅占世界的1/6。

产生上述现象的原因较多，主要原因有二：

其一，马铃薯收获的时间紧，需要的劳动力大。

由于马铃薯生长期仅80〜90天，种植区多集中在我国北部，气候寒冷，无霜期短，如收获过早，生长期不够，会大大影响产量和质量；如收获过晚，则易遇霜冻，更易造成大的损失。

目前，在我国许多地区马铃薯收获仍主要靠人畜力，效率偏低，造成马铃薯的收获期拖长，从而导致了马铃薯的减产（洪泽泉，2006）。

因此，马铃薯急需全面地区的机械化收获。

然而，己有的马铃薯收获机械的机械化水平较低，真正能够顺畅、有效的进行马铃薯收获的实用性机械还不是很多，已存在的机械存在着伤薯、漏薯等的现象，收获效果并不尽如人意；其二，马铃薯收获后，大量马铃薯杂乱的洒落于田间，甚至有很多马铃薯埋于土壤之中，造成马铃薯捡拾困难，甚至漏捡的现象。

本课题研究设计的这款新型马铃薯收获机结构紧凑、配置科学合理。

一方面可顺畅完成马铃薯的收获工作，且明薯率高，损失小，破损率低，收获效率较高；另一方面，

新增的定量堆放装置有效地解决了马铃薯收获后薯块在田间洒满一地而令农民费时费力捡拾的问题，有效地提高了劳动的效率。

1.2马铃薯收获机国内外研究现状1.2.1马铃薯收获机的国外研究现状

国外马铃薯的收获机械起步早、发展快、技术水平比较高。

从20世纪初，在欧美等一些国家，开始采用畜力牵引挖掘机来挖掘马铃薯、随后改由各种型号的拖拉机牵引或悬挂。

20年代末，出现了升运链式和抛掷轮式马铃薯收获机。

20世纪40年代初，美国和前苏联就开始研制、应用和推广马铃薯收获机械，在50年代末机械化即已基本实现。

70〜80年代，美、德、英、法、意大利、瑞士、匈牙利、韩国和日本等国家亦相继实现了马铃薯的生产机械化。

70年代以来主要是研制大功率自走式根块作物联合收获机，且以收获垄作种植为主（张建等，2008）。

前苏联是生产马铃薯作物收获机最早的国家，生产了许多半悬挂式机型，如KKY-2型、KKP-2和KOK-2型等马铃薯作物联合收获机。

到20世纪90年代初，前苏联的马铃薯收获机共有16种机型，其中的10种是联合收获机。

90年代中期，开始生产自走式联合收获机，其劳动生产率比其它行收获机提高1〜2倍（张建，2008）。

美国在1948年以前先用收获机收获马铃薯，然后人工捡拾，直到1967年，开始使用联合收获机。

20世纪80年代初期，联合收获机和分段收获的面积占马铃薯作物种植面积的85%,其中联合收获已达到50%以上。

20世纪90年代，美国己基本实现了马铃薯收获机械化。

目前，美国比较先进的机型有：

美国DoubleL公司生产的的生产851、859、889、953、957等型号马铃薯收获机，美国Lockwood公司生产的472、474、573、674系列马铃薯收获机，美国TKS公司生产的UN2200、UN2700、UN5640、UN5660系列马铃薯收获机等等。

德国格瑞莫（GRIMME）公司以其生产的甜菜和马铃薯的挖掘机械而著称，它不仅生产马铃薯的种植和收获机械，同时也生产马铃薯的中耕及储藏机械，其中，马铃薯联合收获机的生产技术处于国际领先水平。

在亚洲，只有为数不多的国家和地区生产一些小型马铃薯收获机械。

如韩国高山机械公司生产的小型单行马铃薯收获机械。

日本在1955年以前使用畜力挖掘犁，其后又生产了悬挂式抛掷式和升运链式收获机。

70年代日本开始引进英国、美国等发达国家的联合收获机，并研制适合日本国情的联合收获机，同时也开始对根菜（萝卜、青芋等）机

械收获进行了研宄。

（宋言明等，2008）。

图1-1和1-2所示的是两种早期的马铃薯收获机。

图1-1所示的19世纪末由EgbertKobylimki等人制造的蓄力牵引的马铃薯挖掘机，该机在粘重土壤中作业时，土块的筛分受到影响，许多马铃薯被土覆盖，此外还有相当数量的马铃薯受到损伤，机器的阻力也很大。

图1-2为20世纪中期由BamfordsofUttoxeter公司制造的胜利牌马铃薯挖掘机，它是对掘薯抛掷机的改进，以拖拉机为动力，作业时通常将垄台布置在与挖掘垄相邻的宽为2.5米的地带上，然后进行人工捡拾。

它的生产效率较高，但对马铃薯块茎的损伤比较大（李辉，2010）。

图1-1EgbertKobylinski设计的图1-2BamfordsofUttoxeter公司制造的

早期蓄力牵引的马铃薯挖掘机胜利牌马铃薯挖掘机

Fig.1-1EarlypotatoexcavatordesignedbyEgbertKobylinskiFig.1-2ShenglipotatoexcavatormadebyBamfords

图1-3和1-4所示的为比利时Dewulf公司的RDS型马铃薯收获机和格瑞莫公司生产的GZ1700马铃薯挖掘机，这两种机型是现代马铃薯收获机的代表，实现了马铃薯的联合收获。

其中如图1-4所示格瑞莫（GRIMME）公司生产的GZ1700马铃薯挖掘机，采用先进的液压仿形轮，实现挖掘深度随地面的仿形性，起到了减少薯块漏挖和过多挖取土壤的功效。

综合而言，从农业机械化发展过程来看，马铃薯收获机械只是在近几十年才发展到较高水平。

在国外的收获机械中，马铃薯联合收获机得到快速的发展，并己基本上实现了马铃薯收获机械化。

国外的马铃薯收获机械大多采用升运链条形式的收获机械，且这些机械在技术上已达到了很高的水平。

像美国、俄罗斯、德国和日本等国家，针对马铃薯的收获机机械化程度较高且收获机械的性能比较稳定。

而且，国外一些马铃薯收获机械将高新技术融于农具之中，如采用传感技术控制喂入量，采用振动、马铃薯传运量以及采用分级装载液压技术进行挖掘等等，这些高新技术的增加无疑大大地提高了生产效率（岑海堂等，2001）。

1.2.2马铃薯收获机的国内研究现状

我国对马铃薯机械化收获的研制虽较早，但发展缓慢，技术的先进程度还无法与国外相比。

我国马铃薯的收获主要是人工收获和机械收获两种。

我国部分地区马铃薯收获主要靠人畜力，小面积收获常采用铁锨或働头人工挖掘，较大面积收获采用畜力挖掘犁（朱礼好，2007），这种作业方式劳动强度较大，损失率高，耗时费工。

因此，实现马铃薯的机械化收获成为必然的发展趋势。

图1-5青岛洪珠生产的4U-83型马铃薯挖掘机Fig.1-54U-83typepotatoharvestermadebyHongzhu

图1-3比利时Dewulf公司的RDS型马铃薯收获机图14德国Grimme公司生产的GZ1700型马铃薯收获机

Fig.1-3RDStypepotatoharvestermadebyDewulfFig.1-4GZ1700typepotatoharvestermadebyGrimme

从20世纪60年代开始，我国开始引进国外的马铃薯收获机械，开发同类产品。

20世纪70年代中期，手扶拖拉机开始在我国大量推广应用，国内于是掀起了与手扶拖拉机配套的马铃薯收获机的研制高潮，鼠笼式马铃薯收获机被成功研制出来，但是由于配套动力的原因，未能得到生产和推广。

20世纪90年代中期，国产小四轮拖拉机在国内得到大量推广和应用，研制马铃薯收获机的工作已被提上日程（王衍才等，2006）。

此后，因市场需求旺盛，

先后有小型升运链式马铃薯收获机和振动式马铃薯收获机投放市场，以及新型农用液压挖掘机。

这些机器具有操作简单、性能可靠、实用性强的优点。

目前，国内的马铃薯收获机主要有以下机型：

青岛洪珠生产的4U-83型马铃薯挖掘机，如图1-5所示。

该机采用20~35马力四轮拖拉机带动，该产品性能好，效率高。

主要用于收获马铃薯、大蒜、地瓜、胡萝卜、花生等地下根茎农作物。

具有收获效率高、不伤皮、可带秧收获、运转轻快无震动、不堵草、漏土快、结构简洁和使用寿命长等特点。

中机美诺1700/1710型马铃薯联合收获机是国内比较有代表性的机型，如图1-6和1-7所示。

该机由中机美诺科技股份有限公司研制生产。

该机的配套动力为73.5〜102.9kW,作业效率为0.533-0.667hm2/h。

其主要特点是它可以一次性完成挖掘、输送分离、除秧、侧输出作业；它采用两级输送分离装置，强制振动机构，两级除秧机构等机构，分离率高；同时采用浮动圆盘刀，能够更加有效地切断杂草，