甘薯收获机设计.docx
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甘薯收获机设计
青岛农业大学
毕业论文（设计）
题目：
甘薯收获机设计
姓名：
学院：
机电工程学院
专业：
农业机械化及其自动化
班级：
学号：
指导教师：
2013年6月14日
目录
摘要.............................................................................2
Abstract........................................................................3
1绪论.................................................................,.......4
1.1前言................................................................,....4
1.2国内外甘薯收获机概况及发展现状................................,......5
1.3本课题研究的意义、内容及方法...................................,.....8
2方案论证.............................................................,.....10
3传动机构设计、计算及校核.....................................,.......13
3.1配套动力选择.....................................................,.....14
3.2传动机构设计与校核..................,,..........................,.....14
4甘薯收获机的总体原理及挖掘部分设计...........................,.....20
4.1甘薯的生长农艺学特征及收获要求.................................,.....20
4.2甘薯收获机的整体结构及工作原理.................................,.....20
4.3挖掘部分的设计...................................................,.....21
5总结.................................................................,.....22
6参考文献...........................................................,......23
7鸣谢................................................................,......25
甘薯收获机设计
摘要
甘薯作为重要的粮食来源，用途非常广泛。
甘薯的营养价值不断地被认识到的同时，人们对甘薯产品的需求量也日益扩大，同时甘薯的种植面积也在迅速地增加。
甘薯种植和收获过程需要很大的劳动强度，这就使得薯农对甘薯的机械化作业要求更加的强烈。
甘薯的收获方法主要分机械收获和人工收获两种。
人工收获具有费时、费力、损坏多和漏薯等缺点。
随着经济发展，劳动力工价上涨，使得人工收获的成本又高了。
而甘薯比马铃薯生长要深，致使马铃薯收获机械收获甘薯时效果不佳。
目前我国红薯收获机械面临的主要难题是：
减小阻力、防堵问题；提高明薯率，减少漏薯率和伤薯率。
针对中国的土地分配特点，小型的甘薯收获机械适应性较强、结构简单、使用可靠、操作方便、成本低，较为适合。
这使得甘薯收获效率增加的同时，降低了劳动强度，减少了成本，对于甘薯的机械化起到了关键作用。
关键词：
甘薯；收获机；效率；明薯率
Thedesignofsweetpotato’sharvesting-machine
Abstract
Sweetpotatoasthemajorsourceofvegetables，isusedwidely.Aspeopleunderstandingthevalueofsweetpotatoesdeeperanddeeper,thedemandforthesweetpotato’sproductsisgrowing.Theacreageofsweetpotatoincreasesrapidlytoo.Sweetpotato’scultivationislabor-intensive.ThismakestherequirementsofMechanizedcultivationofsweetpotatobecomesintense.Sweetpotato’scultivationmethodismainlydividedtwokinds:
mechanicalharvestingandartificialharvesting.Artificialharvestingistime-consuming,laborious,andmoredamageandpotatoes,drainandothershortcomings.Withthedevelopmentofeconomy,thecostsofthelaborrise.Thatmakesthecostsofartificialharvestinghigher.Sweetpotatogrowsdeeperthanpotato.Itresultsinthepotato’sharvest-machinedobadinharvestingsweetpotato.Atpresent,ourcountry’schallengesinsweetpotato’sharvestingasfollow:
dragreduction，preventingblock，risingtheratesofsweetpotato’sappearing,looseanddamage-rates.Thesmallersweetpotatoharvesting-machineiswind-adaptability,simple-structure,reliability,easy-to-operate,low-cost,whichtakingintoaccounttheChineseallocationofland,ismoreappropriate.Itcannotonlyreducethecostbutalsorisetheefficiencyofharvesting.Itplaysakeyroleinsweetpotato’smechanicalharvesting.
Keywords:
sweetpotato;harvest-machine;efficiency;theratesofsweetpotato’sappearing.
1绪论
1.1前言
1.1.1甘薯种植概况
甘薯生长周期一般为一年。
不同地区对其有不同的称呼。
它最初起源于南美洲、非洲南亚地区，目前有100多个国家广有种植。
在16世纪末的时候，甘薯被从南洋传入中国的福建、广东，而后又向长江、黄河流域及台湾省等地传播[1]。
甘薯的主要部分：
块根，可作粮食、饲料和工业原料，作用广泛。
世界甘薯种植区域主要产区分布在北纬40度以南。
亚洲居首位，非洲次之，美洲巨第三。
1994年世界甘薯总面积为938万公顷，总产量为12433.9万t。
而据联合国粮农组织统计，2002年世界甘薯总种植面积为976.5万公顷，总产量为1.36亿吨，平均鲜薯单产13.9吨/公顷。
FAO2009年数据显示，世界甘薯栽种面积为8.53Mhm2，总产量108Mt。
美国每年种植甘薯的面积大约为3.6万hm2[2]。
就我国甘薯的种植的范围来看，南起海南省，北到黑龙江，西至四川西部山区和云贵高原均有分布。
以淮海平原、长江流域和东南沿海各省最多。
根据我国甘薯的生长及种植习惯，一般将甘薯种植区划分为三大区：
北方春夏薯区（占45%）、长江中下游流域夏薯区（占35%）、南方薯区（占20%）[3]。
每年我国的甘薯种植总面积和总产量均居世界首位，平均鲜薯单产19.0吨/公顷[4]。
1.1.2甘薯机械化收获技术与收获机具
甘薯收获的最佳时节是当茎叶微微泛黄时。
此后甘薯的生长变得较慢，同时甘薯的尺寸一般都已经达到市场要求。
如果再晚收获就会使根部的损伤转移到块茎，进而影响甘薯的质量。
在好的生长环境下，在种植后的90~100天内，甘薯的尺寸就可以达到市场要求。
在甘薯生产中，难度较大的是收获作业，因此要实现甘薯生产的机械化就必须首先解决收获的机械化问题。
甘薯的机械化收获过程包括：
挖掘、输送、分离、铺放、捡拾等工序。
根据收获过程的机械化程度不同，收获过程分为人工收获、半机械化收获、机械化收获三种[5-6]。
半机械化过程是指挖掘、输送、分离和铺放由机械完成，其余工序，例如：
打秧捡拾等，都由人共完成。
机械化收获是指整个收获过程全部由机械完成，包括：
打秧、挖掘、输送、分离、收集、运输等。
但是，不论哪种方法，一般对收获技术有以下要求：
高生产率，高明薯率，低损伤率，低人工消耗，适应不同的土壤工作。
目前，我国的甘薯收获还是处于半机械化收获时代，甚至有些地区是人共收获时代。
收获时效率低下，耗时费事，破损率高等问题突出[7-10]。
1.2国内外甘薯收获机概况及发展现状
1.2.1国外甘薯收获机概况及发展现状
图1.2改进的摆动式茎叶切割机
图1.1铸造式的挖掘犁
国外甘薯机械化收获研究起步早、发展快、技术水平高。
至今，国外的甘薯收获机自动化程度已比较高。
期间，甘薯的机械化的研究经历了一系列阶段，收获方法也更新了多种。
最初小面积种植的时候，通常使用铸造式的挖掘犁（图1.1）收获，甘薯在被犁刀挖掘的同时，锯齿状的犁刀对块根又有一个切割作用，将其从茎叶的根部切下，然后将块根铺放到邻近的一侧。
但是这种类型的挖掘犁适应性不强，铺放的甘薯毫无规律不便捡拾，并且挖掘出的块根有可能被土壤再次埋住，明薯率较低。
研究表明，由于它的漏挖和埋薯造成的损失平均高达20%，由此可见，它远远不能达到要求。
而且这种挖掘犁的根茎切割效果很差。
针对这种现象，国外又出现了一种新的带有除秧功能的机器（图1.2）。
这种改进的机器增加了连枷式切割器。
这种切割器是一种由一个长的木柄（或棒）和一个安装在上面的稍短的、能自由摆动的棍棒组成的除茎工具。
它的切割宽度也根据行距进行调整，专门用于块根的茎根切割。
但是它只是用于切割，不能进行挖掘收获作业。
所以它的收获方法仍属于分段收获，工序较多，作业效率也比较低。
图1.5具有茎叶切除功能的甘薯联合收获机
图1.4两级杆条链式甘薯收获机
图1.3使用带有可装卸平台的马铃薯收获机收获甘薯
此时，由于国外马铃薯的大面积种植，国外马铃薯挖掘机的研制相对先进。
马铃薯和甘薯的生长特点有一定的相似[11]，因此，一些农场主就向尝试用马铃薯挖掘机来挖掘甘薯（图1.3）。
最初时期研制的的马铃薯收获机一般是用于单行收获，所以用它收获甘薯时也只适于单行收获。
它的挖掘铲后面是升运链，负责输送土壤和块根到链条上。
在输送过程中，土壤被分离掉，块根被输送到机器后面，然后由人工捡拾。
随着时间的推移和对甘薯收获机的不断探索，国外的甘薯收获进入了半机械化阶段。
又一种新型的两级杆条链式甘薯收获机应运而生（图1.4）。
该机型包含两级输送，一级用来升运甘薯块根，另一级用来对甘薯进行分级包装。
该机安装有分选台，但是分选工作由人共完成。
这种机器不具有茎叶切除功能，收货前人需人工对茎叶进行切除，所以还是不够高效。
同时由于由人工进行分选，所以该机型的功耗较大。
20世纪末，国外的甘薯收获进入了机械化时代，出现了新型的具有茎叶切除功能的甘薯联合收获机（图1.5）[12-13]。
该收获机可以依次完成挖掘、输送、分离、清选、升运等几乎所有工作，与大马力拖拉机配套使用，用液压控制系统来控制运作[14]。
对于发达国家的种植模式而言，联合收获机已经具备了良好的价值。
它可以提高收获效率，节约成本，减少破损率，增加农场主的利润。
但是，这种收获机不论在体型结构还是价格上都不适合中国的情况。
1.2.2国内的甘薯收获机概况及发展现状
图1.64hw-700型简易地瓜收获机
相比国外的甘薯收获技术而言，我国甘薯的收获机械化发展严重滞后，基本还是处于半机械化作业时期，甚至是用镐头刨的人工收获时期。
广大薯农迫切需要解决甘薯收获的机械化问题，把薯农从发中的生产过程中解放出来。
正对这一问题，国内参考国外的技术和相关机械，开始并设计了多种甘薯收获机。
图1.71520型马铃薯收获机
目前，国内的甘薯收获机有招远泰山农机厂研制的4hw-700型简易地瓜收获机（图1.6）；该机为框架结构，后悬挂于拖来机上。
它是采用平犁铲挖掘，后半部分抖土、分离输送物。
它的配套动力为8.8-17.6kw拖拉机，作业幅宽70cm，作业效率为每小时0.20~0.33hm2。
该机的特点是：
（1）结构简单、便于加工制造、质量轻、自身功耗低、节约成本；
（2）收获时甘薯漏薯率较高、明薯率低、挖掘时难度大、适应性也不高。
它收获时甘薯的铺放没有规则性，不便于捡拾。
另还有阜阳市农业机械化研究所研制的4ul系列型甘薯收获机[15]，它也是与拖拉机配套使用。
最近上市的还有4hd-1型花生地瓜收获机，4kjw-1600型，1520型马铃薯收获机的改进型（图1.7），还有分段式等等。
2011年北京市大兴区农业机械研究所王岩松设计的4uc-1型甘薯收获机发表。
该机的伤薯率、明薯率和经济效率方面都得到很大改善。
同时能耗率较低，与国家的“节能减排”政策不谋而合。
但是该机的框架刚性不足，传动栅条易伤薯等问题还是尤为突出。
对此经过一些列的实验研究，终于克服了这些难题。
1.3本课题研究的意义、内容及方法
现在健康观念深入人心，甘薯作为一种低糖的食物，其健康价值较高。
另外甘薯还有抗癌的作用，所以甘薯的价值正逐步体现出来。
随着对其了解的不断深入，人们也在不断增加大了对甘薯产品的需求。
与此同时，为了满足人们的需求，甘薯的种植面积也迅速地增加。
我国是甘薯的种植大国，甘薯的种植面积稳居世界第一。
但是甘薯的种植过程的劳动强度都很大，这使得薯农们对甘薯种植的机械化要求更加的强烈。
而甘薯收获的早迟和作业质量对薯块产量、干率、安全贮藏和加工等有密切关系。
作为甘薯的主要部分：
甘薯的块根，成熟期不够明显。
甘薯的收获一般是在甘薯的叶子微微泛黄，当地平均气温降到12～15℃，晴天土壤湿度较低时进行。
收获后的薯块应随时入窖，或者及时切晒加工。
不论机械还是人工刨挖收获，都要在尽量减少漏收的同时还要避免破伤薯块，否则块根极易在贮存期间感染病害，而导致腐烂。
与此同时，甘薯的块根皮薄而细，收货时非常容易受损伤。
在收获设备的碰撞以及输送设备运输过程中，甘薯的块根都可能受损伤，因此要尽可能的减少碰撞和损伤。
目前甘薯的收获方法主要分机械收获和人工收获两种。
人工收获具有费时、费力、损坏多和漏薯等缺点。
随着经济发展，劳动力工价上涨，使得人工收获的成本又高了[17]。
众所周知，中国人口不断增加，而同时随着而来的问题也日益突出：
对农产品需求不断增长，耕地面积的不断减少，水资源日益不足，生态环境日益恶化……。
其中当前主要的问题是，中国人均粮食占有量日益降低，粮食的供求处于紧平衡状态。
此时，甘薯的优势：
投入少，产出多，单位面积可食用的干物质居各种作物之首，显现出来。
同时，甘薯作为一种耐旱，耐瘠薄，丘陵山区也能种植的优良作物，在其他作物较难生长的地方，也能获得较好的产量，使得甘薯有着良好的未来前景[18]。
当前中国国民经济在持续增长，农业产业结构也在不断的调整和优化，甘薯在保障国家粮食安全和能源安全方面的作用日益突现。
甘薯不仅具有种植面积大，增产潜力大的优势，而且保健功能好，转化利用效率高，除用作饲料和保健食品外，还是理想的淀粉资源和能源作物，这就更加稳固了它的市场前景。
专家认为：
甘薯是成为21世纪最理想的食物之一，同时，甘薯也是最重要的可再生能源原料之一。
由此可见，我国甘薯市场潜力巨大。
现在栽培技术发展迅速，新品种繁多，这一发展趋势与世界甘薯发展趋势是一致的。
目前我国红薯收获机械面临的主要难题是：
解决减阻、防堵问题；提高明薯率，减少漏收损失和薯块损伤率[19]。
而甘薯比马铃薯生长要深，致使马铃薯收获机械收获甘薯时效果不佳。
所以不可以直接用马铃薯收获机械收获甘薯。
针对中国的土地分配特点，小型的甘薯收获机械适应性较强、结构简单、使用可靠、操作方便、成本低，较为适合。
这使得甘薯收获效率增加的同时，降低了劳动强度，减少了成本，对于甘薯的机械化起到了关键作用。
通过借鉴国内外的相关技术和收获机械的设计，查阅相关文献资料，研究确定甘薯收获机分离输送系统的主要参数。
对输送系统各主要结构进行设计并分析确定主要参数。
设计绘制全新一款甘薯收获机。
解决马铃薯收获得相关难题，帮助薯农解决困难。
2方案论证
2.1方案论证
针对中国国情，土地还是家庭联产承包责任制。
农民种植的土地地块小、分散。
甘薯在中国分布的地形复杂，有平原、丘陵、山地。
其中，超过甘薯种植面积的百分之五十为平原地，百分之三十为丘陵，近百分之十五为山地。
国外现今先进的大型的、大功率的甘薯收获机，明显的特点是适合大的平原地区。
它要求种植面积广，土地平整适合机作。
一般对于国外的农场种植是适合的。
而中国的土地分散，地块小，不适合大型机器作业。
而小型机技术落后，收获时破损率、漏薯率和明薯率较低，所以，不可以直接的引进中国实用。
图2.34ul系列型甘薯收获机
图2.24ul系列甘薯收获机
tu
目前，以上列出的国内的主要机械大都存在一定的缺点。
如4hw-700型简易收获机，虽然机身机构简单，设计、制造容易，加工成本低，但是收获时甘薯的漏薯率较高、明薯率低、挖掘时难度大、适应性也不高。
并且该机型由于结构的简约致使机型的稳定性不强，特别是薯土分离机构更易于变形，致使该机型的分离效果不好。
4ul系列虽然解决了4hw-700型的不少缺点，设计的范围广了，适用范围也广了，但是同比消耗的功率也大大的提高了。
它的配套动力为8.8~17.6kw拖拉机，作业幅宽70cm，作业效率为每小时0.20~0.33hm2。
该机的特点是：
（1）结构简单、便于加工制造、质量轻、自身功耗低、节约成本；
（2）收获时甘薯漏薯率较高、明薯率低、挖掘时难度大、适应性也不高。
它收获时甘薯的铺放没有规则性，不便于捡拾。
另还有阜阳市农业机械化研究所研制的4ul系列型甘薯收获机（参数详见表2.1），它也是与拖拉机配套使用。
最近上市的还有4hd-1型花生地瓜收获机，4kjw-1600型，1520型马铃薯收获机的改进型，还有分段式等等。
2011年北京市大兴区农业机械研究所王岩松设计的4uc-1型甘薯收获机发表。
该机的参数如表2.2所示。
由表可知该机的伤薯率、明薯和经济效率方面都得到很大改善。
同时能耗率较低，与国家的“节能减排”政策不谋而合。
但是该机的框架刚性不足，传动栅条易伤薯等问题还是尤为突出。
对此经过一些列的实验研究，终于克服了这些难题。
表2.14UL系列型甘薯收获机主要技术参数
型号
4UL-50
4UL-75
4UL-100
4UL-130
长、宽、高（cm）
130、75、98
130、100、98
130、125、100
130、155、100
配套动力（kw）
13.2~16.2
小四轮拖拉机
14.7~18.4
小四轮拖拉机
22.1~36.8
四轮拖拉机
29.0~40.4
四轮拖拉机
挂接方式
三点悬挂
三点悬挂
三点悬挂
三点悬挂
整机重量（kg）
180
220
280
320
工作幅宽（cm）
50
75
100
130
工作深度（cm）
15~30
15~30
15~30
15~30
工作行数
1
1
2
2
明薯率（%）
＞98
＞98
＞98
＞98
伤薯率（%）
＜1
＜1
＜1
＜1
漏空率（%）
＜0.2
＜0.2
＜0.2
＜0.2
生产率（hm2/h）
0.10~0.20
0.15~0.30
0.20~0.35
0.25~0.45
表2.24UC-1型甘薯收获机
名称
任务书规定值
实测数值
配套动力（kw）
130、75、98
130、100、98
收获宽度（cm）
90
62
垄腰下挖掘深度（cm）
15~20
10~20
生产效率（hm2/h）
0.1~0.2
0.2~0.33
明薯率（%）
≥99
≥99
损失率（%）
≤5
≤0.11
破皮率（%）
≤3.5
≤1
伤薯率（%）
漏挖率（%）
≤1
≤0.2
≤0.1
≤0.1
本课题设计的机型主要参考4uc-1型甘薯收获机，在保证它的明薯率和工作效率的同时，对机器的结构进行了加强设计，同时对机器的输送装置进行了改进。
降低了机器收割过程中对甘薯的伤害，降低了伤薯率。
同时还节省了材料，降低了成本。
图3.1机器动力传动图
1.防缠绕装置2.二级锥齿轮3.从动皮带轮4.减速箱5.主动皮带轮6.链轮7.抖动轮8.链9.主动链轮10.从动皮带轮
3传动机构设计、计算及校核
3.1配套动力选择
挖掘铲的阻力约为800N，铲的挖掘力为1200N。
输送的土垡的重量为4000N。
机器的自身重量约为1000N。
机具的动力传动系统中有一对锥齿轮，一对带轮两级。
取锥齿轮的传动效率为93%，带轮的传动效率为90%。
F=F1+G1+G2
式中：
F-所需的牵引力（N）；
F1-挖掘阻力（N）;
G1-输送的土垡重（N）;
G2-机身重（N）；
参照以上方案的设计，计算后选取配套拖拉机动力为40马力，选用东方红-400拖拉机。
拖拉机的最大输出功率26.5kw，牵引力为8kn。
输送链的输送速度应该大于机器的前进速度。
但是为了提高薯土的的分离效果，其速度也不可以过大。
机器的前进速度为5km/s。
减速器的传动比为2。
链轮的传动比为2。
设带轮的速度为V带，大带轮的半径为R，大带轮的转速为N4，小带轮的转速为N3，半径为r，一级主动锥齿轮的转速为1000r/min，齿数Z1=20，被动锥齿轮的转速为N2，齿数为Z2。
V带=
计算得：
输出轴转速选择1000r/min。
3.2传动结构设计及校核
机器的动力传动如图3.1所示，动力经拖拉机动力输出轴输出后，到达变速箱，在变速箱经一对锥齿轮传递，变速箱输出轴连接一小带轮，小带轮经v带接一大带轮。
然后大带轮带动输送链转动。
3.2.1齿轮传动设计及校核
拖拉机的动力输出轴输出转速1000r/min。
拖拉机的前进速度为5km/h。
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