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溫室韭菜收割機的設(shè)計
劉豪1 范修文1
(1. 塔里木大學機械電氣化工程學院， 阿拉爾 843300）
摘要：本文通過對溫室韭菜收割機的設(shè)計同時介紹了韭菜收割機的意義、發(fā)展、工作原理及其主要參數(shù)。并詳細的分析了收割機的構(gòu)成、以及收割機的收割方式，并分析了韭菜收割機的收割原理和收割過程。韭菜收割機的設(shè)計過程從對韭菜收割的機械化轉(zhuǎn)換，總結(jié)普通農(nóng)業(yè)機械的運動模式和功能實現(xiàn)，到具體機構(gòu)的設(shè)計構(gòu)思和分析計算，產(chǎn)品模型的建立，工程分析和設(shè)計制造，一步一步完整走過，讓整個設(shè)計路程圓滿而成果豐碩。其中，數(shù)字化的設(shè)計方法和基于特征的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)讓設(shè)計過程高速而有效，對這個設(shè)計過程起到了關(guān)鍵性的作用。所以溫室韭菜收割機有很好的發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：溫室韭菜；收割機；設(shè)計
中圖分類號:TD451 文獻標識碼：A
0引言
我國吃韭菜有著悠久的歷史，好多菜肴都有韭菜?？梢娢覈嗣駥虏说臒釔壑?。隨著科技的進步，各種糧食蔬菜都大面積種植，源自于有著機械收割裝置，限制韭菜種植面積發(fā)展的重要因素就是在于機械化問題。我國勞動人民在長期的生產(chǎn)實踐中對收割工具有許多發(fā)明創(chuàng)造，據(jù)古書記載在三千五百年前已經(jīng)發(fā)明了鐮刀，在十三世紀中葉創(chuàng)造了推鐮等高效工具。但這些成就在長期的封建和半封建、半殖民地的社會中得不到應(yīng)有的發(fā)展和重視。
當韭菜種植面積大時靠人們用鐮刀收割，效率太低，在收割時菜農(nóng)一直蹲著非常累，而且如果大面積種植，收割的勞動力比較少，而且工價很高，又加大了韭菜的做種植成本，相應(yīng)的單位面積的效益也隨之降低了。
隨著種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和設(shè)施栽培的迅速發(fā)展，韭菜的種植面積逐年增加，在面積上已經(jīng)由過去的占蔬菜面積的2%-3%發(fā)展到現(xiàn)在的5%-6%。一畝地一年畝產(chǎn)韭菜3000斤，一斤一塊錢，除去成本和人力一畝地可以獲取1500塊錢，收割韭菜一斤一毛錢，要損失300元錢，況且農(nóng)村這樣的工人也很難找，大面積種植時，人工收割成本會很高，如果有一臺機器來代替這樣的工作，不但可以減少菜農(nóng)成本，還可以推廣大面積種植?？梢姮F(xiàn)在研制一臺韭菜收割機器十分重要。
1總體設(shè)計思路
溫室韭菜收割機的設(shè)計是通過往復式的割刀來實現(xiàn)溫室韭菜的收割。首先是通過分禾器實現(xiàn)韭菜的分禾和喂入，進而撥禾輪使其扶正，然后再通過傳送滾筒實現(xiàn)韭菜的夾緊最后喂入割刀系統(tǒng)，緊接著實現(xiàn)傳送完成整個韭菜收割的過程。
1.1設(shè)計原理
韭菜收割機在驅(qū)動輪的作用下實現(xiàn)韭菜收割機的向前前行，韭菜收割機的前一部分主要是為了實現(xiàn)韭菜的喂入及收割。韭菜通過分禾器實現(xiàn)韭菜的分禾并通過撥禾輪實現(xiàn)韭菜的喂入，喂入之后進入到傳送機構(gòu)。剛剛進入傳送機構(gòu)的韭菜在兩個立起來的傳送滾筒實現(xiàn)韭菜的夾緊更方便的實現(xiàn)韭菜的割斷，進而通過傳送帶的夾持作用實現(xiàn)韭菜的傳送。由于傳送帶的夾持和傳送作用使韭菜進入后部的接收筐中。從而大致完成整個設(shè)計原理。
1.2設(shè)計總體結(jié)構(gòu)
溫室韭菜收割機的結(jié)構(gòu)主要有分禾器、撥禾輪、割刀、曲柄搖桿機構(gòu)、傳送滾、傳送帶、電機、機架等結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。在確定好行距之后，在發(fā)動機的驅(qū)動下經(jīng)過減速器來實現(xiàn)韭菜收割機的驅(qū)動。在進地之后，在分禾器的作用下實現(xiàn)單行的韭菜的喂入，進而經(jīng)過撥禾輪來進行韭菜的扶正，通過與機架垂直的兩個傳送滾進行韭菜的扶正并且夾緊。往復式割刀在曲柄搖桿機構(gòu)的作用下實現(xiàn)動割刀的往復運動進而實現(xiàn)實現(xiàn)韭菜的切割，在韭菜隔斷之后直接通過傳送帶傳送至后面的接收器內(nèi)，從而完成了韭菜的收割。傳送帶的傳動是傳送電機來帶動的，通過齒輪來連接兩個傳送滾的反向轉(zhuǎn)動。傳送帶的主動傳送滾帶動從動傳送滾的運動再通過皮帶和齒輪的連接來實現(xiàn)撥禾輪的轉(zhuǎn)動。在整個韭菜收割的過程中主要機構(gòu)是傳送裝置和割刀裝置，在這兩個裝置的配合使用下使得整個過程變得簡單。此次韭菜收割機的設(shè)計可以實現(xiàn)一機多用的作用，根據(jù)不同作物的要求，要求收割時的割茬也會不一樣。韭菜的收割割茬一般在1cm左右，而其他作物的割茬顯然不同，所以可以通過調(diào)整前輪的高度來調(diào)節(jié)不同作物割茬的要求。對于不同的作物來實現(xiàn)不同的割茬要求，較好的解決了收割機都不同作物的適應(yīng)性，生產(chǎn)效率高。
圖1溫室韭菜收割機結(jié)構(gòu)圖
1分禾器 2撥禾輪 3支撐前輪 4雙傳送帶 5傳送帶電機6主傳送滾筒 7接收筐 8曲柄搖桿機構(gòu) 9驅(qū)動輪
2關(guān)鍵部件的設(shè)計
2.1撥禾輪的設(shè)計
撥禾輪的設(shè)計是韭菜收割的開始，撥禾輪的使用可以收割直立和一般倒伏的作物。撥禾輪的運動軌跡的形狀，決定于撥禾輪的圓周速度Vy與機器前進的速度Vm的比值；為撥禾速度比。只有當≥1時，才有可能將作物莖干引向割刀配合切割，并在割斷后繼續(xù)的向后推送莖桿，一面在割刀上發(fā)生堆積和堵塞。＞1時，撥禾輪的工作情況才是正常的。撥禾輪的工作過程中，需要撥禾輪具有良好的工作質(zhì)量，除了滿足＞1外，還應(yīng)該滿足工作過程中不同階段的要求。切割時，撥禾輪應(yīng)該扶持作物莖桿，以配合進行切割，避免切割器將莖桿向前推到。
要使撥禾輪能夠正常夠其安裝高度就必須滿足：
（1-1）
式中：R—撥禾輪的半徑；
h—割刀離地的高度；
L—為作物高；
H—撥禾輪軸安裝高度。
清掃割刀和穩(wěn)定推送的條件當莖桿被割斷夠，要求撥禾輪繼續(xù)起推送作用，如果此時撥禾輪的作用點位于已割作物中心的上方，就能將莖桿穩(wěn)定的向后推送，直到與撥禾輪圓周相切的位置，如果撥禾輪的作用點過高，清掃切割的作用將減弱，如果撥禾輪的作用點在重心之下，則隔斷的作物很可能回繞在撥禾輪向前翻或者被挑起，造成損失。已割斷作物的中心位置一般在頂部向下的1／3處，設(shè)已割部分長L則l=1／3L。因此，要求撥禾齒在割斷作物的中心點以上，則應(yīng)該保證：
（1-2）
為了選擇撥禾輪的轉(zhuǎn)速，首先確定撥禾速度比，前已分析，撥禾輪正常工作的必要條件是≥1，加大撥禾輪的速度比，撥禾輪的作用范圍和作用程度增加，但是也不能過大，它受到兩方面的限制，但是機器的前進速度Vm一定時，增大值，就要提高撥禾輪的圓周速度Vy，這將對作物的沖擊增加，而使作物不能夠很好地切割。經(jīng)實驗證明，韭菜收割的速度一般在1.5m／s。另一方面，當機器前進速度Vm較高時，為了使Vy不超過受脫離損失限制的允許值，撥禾輪的速度比就應(yīng)該減小。當機器前進速度較低時，很有可能在Vy不超過3m／s煩人情況下，大大增加撥禾輪速度比，但是過大則會出現(xiàn)回彈現(xiàn)象。
（1-3）
（1-4）
經(jīng)過專家實驗韭菜收割機的一般取1.3—2.3。這里取1。即：
R為撥禾輪的半徑，為撥禾輪的角速度。
n初取為22r／min，前進速度Vm應(yīng)該根據(jù)機器的生產(chǎn)率、割副、調(diào)配動力等因素而定，在使用中，由于地塊條件畝產(chǎn)量和作物的狀態(tài)等情況的改變而需要改換不同的前進速度。
撥禾輪的直徑與穩(wěn)定推送有很大的關(guān)系，撥禾輪的直徑應(yīng)該滿足：
(1-5)
其中取1.8，L取0.3，h取0.01；
即撥禾輪的直徑取0.4m。
2.2曲柄搖桿機構(gòu)的設(shè)計
具有一個曲柄和一個搖桿的鉸鏈四桿機構(gòu)稱為曲柄搖桿機構(gòu)。通常，曲柄為主動件且等速轉(zhuǎn)動，而搖桿為從動件作變速往返擺動，連桿作平面復合運動。曲柄搖桿機構(gòu)中也有用搖桿作為主動構(gòu)件，搖桿的往復擺動轉(zhuǎn)換成曲柄的轉(zhuǎn)動。
在韭菜收割機的割刀傳動的問題下，結(jié)合實際情況，所以曲柄搖桿機構(gòu)是一種很好的是割刀進行往復運動的很好地方式，其結(jié)構(gòu)簡圖見圖2。
圖2 曲柄搖桿機構(gòu)簡圖
曲柄搖桿機構(gòu)作為韭菜收割時的核心機構(gòu)，AB為曲柄搖桿結(jié)構(gòu)中的搖桿，AB桿在割刀電機的帶動下繞著A點進行轉(zhuǎn)動從而帶動連桿BC進行擺動。D點為一定點，CDE為一彎曲的連桿，在連桿BC的作用下CDE進行擺動，再用連桿EF連接刀具，從而可以實現(xiàn)動刀具的往返運動，今兒實現(xiàn)韭菜的切割。
2.3 切割機構(gòu)的設(shè)計
切割器是主要的工作部件，本次韭菜收割機的設(shè)計我們采用的是往復式切割器。其割刀作往復運動，結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性較廣。目前在谷物收割機、牧草收割機、谷物聯(lián)合收獲機和玉米收獲機上采用較多。它能適應(yīng)一般或較高作業(yè)速度的要求，工作質(zhì)量較好，但其往復慣性力較大，震動較大。切割時，莖稈有傾斜和晃動，因而對莖稈堅硬、易于落粒的作物易產(chǎn)生落粒損失。粗莖稈作物，由于切割時間長和莖稈多次切割現(xiàn)象，則會出現(xiàn)割茬不夠整齊。對于韭菜收割來說，比較適宜。利用往復式割刀來進行收割，其結(jié)構(gòu)簡單，容易設(shè)計。
試驗證明：在割刀鋒利、割刀間隙正常（動、定刀片間的間隙為0～0.5mm）的條件下，切割速度在0.6～0.8m／s以上時能順利的切割莖桿，若低于此限制速度，則會出現(xiàn)割茬不齊并有堵刀的現(xiàn)象出現(xiàn)。
為了探討切割器在切割莖桿過程中的速度大小，需繪制切割器的切割速度圖，并進行分析，切割器的切割速度簡圖如圖3。
圖3 切割速度簡圖
切割器切割速度的特點是：割刀在一個行程中與兩個定刀片相遇，因而有兩個切割速度范圍，分別為Va1-Vb1及Va2-Va2。從兩個范圍的速度看，雖然沒有最大割刀速度，但仍屬于較高速度區(qū)段，因而切割性能良好。因此，安裝割刀時，應(yīng)當使用銷處左右兩止點位置，定刀片和動刀片的中心線重合。
割刀的速度為一變量，為了便于表示割刀速度的大小，常以平均值即割刀平均速度Vp表示。
（2-1）
式中 n—割刀曲柄速度；
r—割刀曲柄半徑；
s—割刀行程。
有Vp又在0.9和1m／s之間，選擇Vp=1m／s
代入可得：n=394r／min
切割器的功率包括：切割功率Ns和空轉(zhuǎn)功率Nh兩部分。即：
（2-2）
（2-3）
式中：—機器前進的速度；
—機器割副；
L0—切割每平方米面積的莖桿所需功率。
割韭菜L0在10和20馬力間。Nh大小與切割器安裝技術(shù)狀態(tài)有關(guān)，一般每米割副所需空轉(zhuǎn)功率為0.8～1.5馬力。Vm=0.56米／秒，B=0.2米，L0取15馬力Nh=1.2馬力。
代入可得：N=1.37馬力。
3.6 傳送機構(gòu)
韭菜收割的傳送機構(gòu)我選用帶式傳送，帶式輸送機是連續(xù)運輸機的一種，其運輸特點是形成裝載點到裝載點之間的連續(xù)的物料流，所以輸送帶的傳送可以很好地是韭菜從收割點到接收點的傳送，然而普通的傳送并不能完全滿足韭菜收割機的要求。傳送帶分為以下幾個類型：
（1）按放置方向水平、傾斜和組合三種；
（2）按轉(zhuǎn)向分為順時針、逆時針兩種；
（3）按運動狀態(tài)分為勻速和變速兩種。
結(jié)合溫室韭菜收割機特點我們采用組合式的傳送類型來給與傳送。就韭菜收割機而言傳送部分是相對來說比較重要的一個組成部分。本次設(shè)計的主動傳送滾在韭菜收割機的后方，來實現(xiàn)動力的輸入。由于韭菜收割機特殊性，所以必須實現(xiàn)雙傳送來實現(xiàn)韭菜收割機的傳送，動力輸出的同時要實現(xiàn)主動傳送滾的反轉(zhuǎn)，鑒于這一特殊性我們使用齒輪連接兩個傳送滾筒的方式來實現(xiàn)滾筒的反轉(zhuǎn)即可。
3總結(jié)
割刀是溫室韭菜收割機的關(guān)鍵部件，主要是用來實現(xiàn)韭菜的收割。割刀的速度和割刀電機的功率同樣對切割效果有著重要的影響。在設(shè)計割刀的時候同樣要注意割刀材料的選取各個方面。同樣的傳送帶的設(shè)計也是本次設(shè)計的重中之重，選擇傳送帶的樣式以及傳送方法是關(guān)鍵。在經(jīng)過設(shè)計的之后解決各種問題之后，溫室韭菜收割機也是一大進步。
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