甘草收獲機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究【說明書+CAD+SOLIDWORKS】

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[2]吳敬峰，賈曉光，李珺珂，等.甘草規(guī)模化種植與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的應(yīng)用[J].中國現(xiàn)代農(nóng)藥， 2006, 13(7):12-14. [3]許正才.中國甘草產(chǎn)業(yè)競爭力研究[D].:石河子大學(xué)，2011:20-31. [4]王學(xué)農(nóng)，馬彩雯.甘草人工種植前景探討[J].農(nóng)機(jī)化，2004（6）:34-35. [5}李曉瑾.簡析甘草資源現(xiàn)狀[J].中藥研究與信息，2002,4（2）:26-29. [6]王 立，李家恒.西北地區(qū)甘草人工栽培技術(shù)體系研究[J].林業(yè)科學(xué)，1999, 35（1）:129-132. 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1 1.1研究背景及意義 1 1.2國內(nèi)外甘草收獲機(jī)械的研究現(xiàn)狀 2 1.3目前存在的問題 3 1.4甘草收獲機(jī)械的發(fā)展趨勢 3 1.5研究內(nèi)容 4 1.6研究方法及技術(shù)路線 4 2甘草收獲機(jī)總體的設(shè)計(jì) 4 2.1甘草的機(jī)械化收獲 4 2.2甘草收獲機(jī)的設(shè)計(jì)要求 4 2.3甘草收獲機(jī)的組成和工作原理 5 3甘草收獲機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì) 6 3.1柵條式挖掘鏟的設(shè)計(jì) 6 3.2分離裝置的設(shè)計(jì) 9 總 結(jié) 10 致 謝 11 參考文獻(xiàn) 12 塔里木大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 1緒論 1.1研究背景及意義 甘草的別名叫甜草、甜根子等，因?yàn)槲兜捞鹈蓝怨怕劽?，世間還有“靈草”、“國老”的美名。甘草為豆科多年生草本植物，一般適宜生長在向陽干燥的沙質(zhì)土壤及鈣質(zhì)草原地帶，能夠起到顯著的防風(fēng)固沙作用。甘草性味甘，生者入藥既能瀉火解毒，也可以潤肺祛痰，一般用于治療食物中毒、咽喉腫痛等病癥;炙后入藥則可以益氣補(bǔ)中、緩和藥性。甘草的藥性緩和，既可升，也可降，并能夠與許多藥物配合使用，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。除此之外，甘草也是荒漠、半荒漠地區(qū)防止水土流失、改良土壤、防風(fēng)固沙的重要植物。近些年來，隨著對(duì)甘草不斷的深入研究，甘草的新用途也正在不斷的被發(fā)現(xiàn)，并且己經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到食品、煙草、飲料、釀造、化工、國防等行業(yè)，從而進(jìn)入了人們?nèi)粘Ｉ钪械姆椒矫婷鎇1]。 由于甘草有自身的特定的生長環(huán)境，所以主要分布在我國的內(nèi)蒙古、、寧夏、甘肅等省區(qū)，其中地區(qū)地域遼闊，土地資源較豐富，以至于甘草分布面積、產(chǎn)量居首位，是我國甘草規(guī)?；l(fā)展的適宜產(chǎn)區(qū)之一[2]。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局2008年的資料統(tǒng)計(jì)，我國甘草產(chǎn)業(yè)2008年工業(yè)總產(chǎn)值為7.38億，這其中的主營業(yè)務(wù)收入為6. 84億，銷售總產(chǎn)值為6.78億[3]。我國是世界上重要的甘草生產(chǎn)地區(qū)，但在近幾年來，由于國內(nèi)外市場需求量的激增，野生甘草的面積大幅下降，剩余量日益減少，甘草供不應(yīng)求，從而導(dǎo)致甘草的人工養(yǎng)殖近幾年來開始興起，但產(chǎn)量仍然與市場的需求量相差較遠(yuǎn)。 的氣候是溫帶大陸性干旱氣候，其特有的氣候環(huán)境，特別適宜甘草的生長;另外甘草的植物生態(tài)幅度寬泛，分布較廣，能夠在多種環(huán)境下生長，具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，其獨(dú)特的氣候環(huán)境和生長屬性致使成為我國甘草資源儲(chǔ)量最豐富的地區(qū)。根據(jù)自治區(qū)甘草資源的調(diào)查統(tǒng)計(jì)顯示，全疆86個(gè)縣(市)，除了位于高寒地區(qū)的阿合奇和塔什庫爾干兩縣沒有甘草生長以外，其余的84個(gè)縣市地區(qū)內(nèi)均有甘草的生長，占全疆縣市總數(shù)的97%，甘草生長的總面積為56.24萬公頃，而在這其中小部分生長的面積為20.52萬公頃，以甘草為建群種集中成片生長的面積有55.72萬公頃，甘草的根莖儲(chǔ)量為65.21萬噸[4]。 20世紀(jì)50年代末，由于大規(guī)模的墾荒，甘草資源得以開發(fā)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)了許多優(yōu)質(zhì)品種的甘草，同時(shí)巨大的產(chǎn)量很快使甘草躍居為藥材出口及制品產(chǎn)量之首，成為了我國的甘草主產(chǎn)區(qū)[5]。但是，由于國內(nèi)藥用量的增長和對(duì)外出口數(shù)量的逐年增加，造成了甘草采挖量迅速上升，其結(jié)果是野生甘草被亂墾亂挖導(dǎo)致過度使用，最后致使甘草資源減少的同時(shí)種植面積也急劇減小，同時(shí)沙塵暴、干早等自然災(zāi)害相繼頻頻發(fā)生，不僅給人們的生活帶來了許多困難，也嚴(yán)重影響了經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[6]。為了避免情況的持續(xù)惡化，大范圍的人工種植甘草技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。 目前，每年至少要人工栽培2200公頃甘草才能滿足國內(nèi)外醫(yī)藥市場對(duì)甘草的需求。人工種植甘草株數(shù)普遍為每0.0667公頃為15000株，同時(shí)伴隨著人工移栽勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，收獲困難等問題[7]。隨著勞動(dòng)力成本的提高，種植及收獲過程中機(jī)械化程度的高低成為了影響甘草機(jī)械化、規(guī)?；N植和收益的重要因素[8]。所以，為滿足市場需求，避免亂采、亂挖、過度開采及對(duì)野生植被、生態(tài)環(huán)境的破壞，克服甘草收獲期短，保證在有限時(shí)間內(nèi)爭取利益的最大化，建立規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化、機(jī)械化的甘草收獲體系己迫在眉睫。 1.2國內(nèi)外甘草收獲機(jī)械的研究現(xiàn)狀 1.2.1國外甘草收獲機(jī)械的研究現(xiàn)狀 目前為止，國外尚沒有專門針對(duì)深根藥材作物的挖掘機(jī)械，國外從20世紀(jì)40年代開始對(duì)根莖類作物收獲機(jī)械進(jìn)行研究。美國、德國、法國、日本和意大利等發(fā)達(dá)國家均在短根莖類機(jī)械收獲有了研究成果，并且己經(jīng)達(dá)到了蘿卜、馬鈴薯、甜菜、大蒜、花生和洋蔥的機(jī)械化收獲水平[9]。意大利的DSC-120以及日本久保田公司研制的DCL-130型馬鈴薯挖掘機(jī)實(shí)現(xiàn)了馬鈴薯的機(jī)械化收獲;美國 Courtesy of Lilli ston Mfg.Co.生產(chǎn)的LP-2和荷蘭Michigan生產(chǎn)的PH-2型花生收獲機(jī)實(shí)現(xiàn)了花生的機(jī)械化收獲;另外還有美國Kelley Manu-facturing公司在KMC3376和KMC3374的基礎(chǔ)上研制出的新型花生聯(lián)合收獲機(jī)等等[10]。這些機(jī)型都滿足工藝技術(shù)先進(jìn)，工作可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，但相對(duì)而言結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要適于淺根莖作物的采挖收獲。美國的W S.Kang和M.LDawelbeit (1999年)還對(duì)馬鈴薯和花生收獲機(jī)的振動(dòng)式挖掘犁鏟進(jìn)行了深入研究，為了降低阻力，進(jìn)行了動(dòng)力參數(shù)的優(yōu)化試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果確定了對(duì)犁鏟阻力造成影響的主次因素為振動(dòng)頻率、振幅和機(jī)器前進(jìn)速度。 通過以上可以看出歐美等發(fā)達(dá)國家對(duì)于短根莖的花生及馬鈴薯的機(jī)械化收獲有了一定的研究成果，但是還沒有專門針對(duì)長根莖藥材如甘草的機(jī)械化收獲作出一定的成果。國外一些挖掘機(jī)的設(shè)計(jì)并不是針對(duì)甘草的收獲作業(yè)，也很難適應(yīng)我國甘草獨(dú)特的作業(yè)要求，而且價(jià)格偏高，并不能滿足國內(nèi)的需求，特別是地區(qū)甘草根莖深600mm,土質(zhì)較硬的機(jī)械化收獲要求。 1.2.2國內(nèi)甘草收獲機(jī)械的研究現(xiàn)狀 目前國內(nèi)對(duì)于黃茂、甘草等長根莖藥材的挖掘，其收獲方式主要是靠人工挖掘，工作量大，工作效率低，在面對(duì)大面積甘草收獲時(shí)人工挖掘困難較大，同時(shí)機(jī)械化采挖效果不好，主要因?yàn)橥诰蜃枇^大。 目前國內(nèi)甘草生產(chǎn)主要是人工、半人工收獲，主要作業(yè)方式包括人工收獲、改裝犁挖掘收獲、深松機(jī)切割收獲和長根莖類中藥材挖掘機(jī)收獲[11]。 甘草整個(gè)收獲過程均采用人工作業(yè)，其中包括人工前期處理、人工深挖收獲、人工后期加工。收獲前先割去莖葉，沿甘草種植行兩側(cè)進(jìn)行深挖，待根莖露出地面400mm多后，再拔出甘草根莖，完成收獲[12]。這種純?nèi)斯さ氖斋@方式每畝地至少需要用225個(gè)強(qiáng)壯勞動(dòng)力才能滿足收獲要求。然而，甘草的采收期較短，北方地區(qū)1011月份開始上凍，從甘草成熟到上凍僅有一個(gè)月左右的時(shí)間，所以需要搶收，人工收獲的低效率自然會(huì)對(duì)收獲產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響到甘草種植規(guī)?；膶?shí)現(xiàn)。 甘草收獲過程中采用人工前期處理，割去地上的莖葉，然后采用改裝燁式犁進(jìn)行深挖松土，每次耕一行，耕深400mm左右，再由人工將松后的甘草根莖拔出[13]。這種機(jī)械和人工相配合的收獲形式在直播地一般可起收400mm左右的甘草，400mm以下的毛根基本放棄，損失率10%-15%左右，損失較大。 目前有些地區(qū)收獲甘草時(shí)先使用深松機(jī)先將藥材根莖所在的土壤切斷同時(shí)松土，再采用人工拔取的方式收獲，然后人工后期處理[14]。由于一般深松機(jī)的刃口都在沿垂方向有一定的傾斜角度，特別是V型深松機(jī)刃口傾斜角度更大，會(huì)將一部分藥材的根莖攔腰切斷，從而達(dá)不到預(yù)定的收獲深度，造成了比較大的損失;同時(shí)，由于深松機(jī)的刃口設(shè)計(jì)是針對(duì)土壤的，鋒利度不夠，造成了切割后的甘草切口不整齊，影響了產(chǎn)品品質(zhì)。 通過以上對(duì)國內(nèi)外甘草收獲情況的分析，截至目前為止，國外尚沒有專門針對(duì)深根藥材作物的挖掘機(jī)械，而國內(nèi)藥材挖掘機(jī)的機(jī)械的性能不甚理想，工作性能也不穩(wěn)定，很難滿足挖掘藥材的要求，而且生產(chǎn)深根藥材挖掘機(jī)的廠家很少，沒有形成批量和規(guī)模。所以，目前地區(qū)甘草的挖掘收獲作業(yè)大部分依靠人工挖掘，需要消耗大量的人力、物力，這種狀況嚴(yán)重影響了甘草的經(jīng)濟(jì)效益及中藥材產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；l(fā)展。 1.3目前存在的問題 因?yàn)楦什葑陨淼奶匦院吞厥獾纳L環(huán)境，機(jī)械化收獲需要考慮多種條件，目前甘草藥材的機(jī)械化收獲存在如下問題: （1）種植環(huán)節(jié)上沒有構(gòu)成機(jī)械化，品種雜亂而且種植不成規(guī)模，造成產(chǎn)量不穩(wěn)定、效益浮動(dòng)大，從而導(dǎo)致土地和人力資源的巨大浪費(fèi)。尤其是種植面積的分散造成機(jī)械化作業(yè)困難。 （2）甘草收獲機(jī)械的設(shè)計(jì)不夠完善和穩(wěn)定。尤其是挖掘的深度不能夠滿足甘草挖掘規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)的要求，導(dǎo)致了甘草的損傷率高。 （3）挖掘阻力大，造成挖掘困難和拖拉機(jī)油耗過高。 （4）要求在挖掘過程中機(jī)械挖土的下刀角度，有較好入土角，能將甘草挖起，工作面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，避免纏草，奎土，具備一定碎土、漏土的功能。 （5）合理的地下傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能穩(wěn)定地將甘草及土壤送往分離裝置，提高效率，減小挖掘阻力，避免土壤奎堵，提高整機(jī)的工作效率。 綜上所述，合理設(shè)計(jì)挖掘部件和分離裝置的結(jié)構(gòu)，從而降低牽引阻力和油耗，提高機(jī)械的工作效率是解決目前甘草收獲機(jī)械存在問題的主要方向。 1.4甘草收獲機(jī)械的發(fā)展趨勢 目前大多數(shù)發(fā)達(dá)國家的根莖類作物收獲機(jī)械正向大型化、智能化、機(jī)電一體化和更穩(wěn)定、更安全的方向發(fā)展。更有甚者不斷將高、精、尖技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械上來，引領(lǐng)農(nóng)業(yè)機(jī)械向更智能化的方向發(fā)展[18]。但就目前來我國的農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)和發(fā)達(dá)國家還有一定的差距，并且作物種植模式有差異，所以一味的追求國外的先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備是不現(xiàn)實(shí)的，怎樣確保國產(chǎn)機(jī)具的水平過渡，確定適合自己的收獲理念才是關(guān)鍵。 目前甘草收獲機(jī)械的發(fā)展趨勢主要是: （1）加強(qiáng)地域及種植模式的研究，通過研究土壤性質(zhì)，確定甘草品種的機(jī)械化種植，提高機(jī)械化收獲的可能性及合理。 （2）合理設(shè)計(jì)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)，以提高零部件的可靠性和穩(wěn)定性。 （3）機(jī)具能耗的合理分配，降低動(dòng)力消耗，降低機(jī)械化收獲的成本。 （4）學(xué)習(xí)國外機(jī)械化收獲的先進(jìn)技術(shù)，提高設(shè)計(jì)理念，將技術(shù)融合到適合我國種植情況的實(shí)際水平中，提高機(jī)具的工作效率。 1.5研究內(nèi)容 （1）研究甘草自身的物理特性。 （2）主要挖掘機(jī)構(gòu)和地下一級(jí)分離裝置的設(shè)計(jì)。 （3）對(duì)主要挖掘機(jī)構(gòu)等進(jìn)行有限元分析。 1.6研究方法及技術(shù)路線 本文結(jié)合國內(nèi)外藥材收獲機(jī)械的研究現(xiàn)狀，研究甘草收獲機(jī)及其關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)方法及理論。 （1）通過文獻(xiàn)理論分析目前國內(nèi)外甘草收獲機(jī)械和長根莖類收獲機(jī)械的研究現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有甘草收獲機(jī)械的工作原理、技術(shù)特點(diǎn)以及存在的主要問題。 （2）采用理論結(jié)合實(shí)踐的方法對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，并制造出試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，通過不同參數(shù)的對(duì)比試驗(yàn)確定工作原理及參數(shù)。 （3）運(yùn)用SOLIDWORKS畫圖軟件建立三維模型，對(duì)關(guān)鍵零部件受力分析，對(duì)運(yùn)動(dòng)部件模擬仿真，依據(jù)結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。 2甘草收獲機(jī)總體的設(shè)計(jì) 2.1甘草的機(jī)械化收獲 目前長根莖草藥的收獲過程主要包括:清除莖葉、挖掘、分離、撿拾、二次分離和裝載運(yùn)輸?shù)裙ば颉８鶕?jù)收獲過程的機(jī)械化程度，其收獲方法大致分為:人工收獲、半機(jī)械化收獲和機(jī)械化收獲三種。在機(jī)械化收獲中，按收獲工藝過程的連續(xù)程度，又可分為分段收獲和聯(lián)合收獲兩種。 目前國內(nèi)的甘草機(jī)械化收獲主要以人工收獲和部分機(jī)械化收獲為主，人工收獲在消耗大量勞力的同時(shí)工作效率很低，所以本文設(shè)計(jì)的甘草收獲機(jī)械為半機(jī)械化收獲，主要同時(shí)完成甘草的挖掘、一次分離、二次分離作業(yè)，最后需要人工完成撿拾。 2.2甘草收獲機(jī)的設(shè)計(jì)要求 2.2.1甘草的種植模式 甘草的適應(yīng)性和抗逆性很強(qiáng)，適宜于通透性好的沙壤土、沙土、輕壤土，在日光足，砂質(zhì)土壤更適合甘草的種植。甘草種子育苗期通常是在4月下旬至5月中旬為適宜，行距150-200mm，深度為20-25mm，稍微鎮(zhèn)壓，待根長到300-350mm達(dá)到移栽標(biāo)準(zhǔn)。幼苗移栽時(shí)剔除側(cè)根，按行距為250mm，株距100-150mm種植，完成后填土壓實(shí)[19]。 2.2.2甘草收獲機(jī)的收獲要求 （1）挖掘深度 北疆種植的兩年以上的甘草根系都在300mm以下的的土壤中;通過犁溝從剖面看，葡旬莖數(shù)量雜多而且互相纏繞，主要集中在300mm深的土層中。所以，300mm以上的深度為甘草機(jī)械化采挖的目標(biāo)深度，最為理想的采挖深度300-400mm。 （2）損傷率 甘草的損傷率主要包括在挖掘以及分離輸送過程中的折斷損傷和遺漏損失。甘草的機(jī)械化收獲應(yīng)保證損傷率小于等于3%。 （3）工作效率 甘草的挖掘深度較深，最深能達(dá)到500mm，同時(shí)要保證損傷率不能過高，所以工作效率難免受到影響。設(shè)計(jì)的甘草收獲機(jī)械效率需滿足1.5km/h 。 2.3甘草收獲機(jī)的組成和工作原理 2.3.1甘草收獲機(jī)的組成 針對(duì)北疆地區(qū)甘草的種植模式和收獲機(jī)的收獲要求，綜合考慮現(xiàn)有甘草收獲機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種適合北疆地區(qū)甘草種植模式的中型甘草收獲機(jī)，三維效果圖如下所示，由機(jī)架、挖掘鏟組件、動(dòng)力裝置、分離裝置、破碎裝置等構(gòu)成，可一次完成挖掘、分離及鋪放作業(yè)。 三維實(shí)體效果圖 2.3.2甘草收獲機(jī)的工作原理 該作業(yè)機(jī)可一次性完成甘草的挖掘、分離、鋪放作業(yè)，作業(yè)機(jī)由88KW以上的拖拉機(jī)牽引，作業(yè)速度為1. 5-2.Okm/h，動(dòng)力輸出軸的轉(zhuǎn)速選用540r/min，作業(yè)機(jī)的工作幅寬為600mm，工作時(shí)，由拖拉機(jī)牽引并且傳輸動(dòng)力，挖掘鏟將300-400mm深度的甘草鏟起并運(yùn)送到分離裝置上進(jìn)行分離輸送，分離裝置的作用主要是將部分土壤與甘草分離且輸送至地表。 3甘草收獲機(jī)關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì) 3.1柵條式挖掘鏟的設(shè)計(jì) 3.1.1挖掘鏟的功能及常見形式 甘草挖掘鏟的作用就是順利挖掘出甘草，并將它提升至一定高度輸送給分離裝置。挖掘鏟工作時(shí)既要保證挖掘出土層中的所有甘草且不得鏟斷甘草，又要盡量減少進(jìn)入分離裝置的土壤量以至于降低能量消耗，其次還要避免挖掘鏟上纏草和奎土，最后順利地將甘草輸送到分離裝置[20]。不同地區(qū)所對(duì)應(yīng)有不同的土壤條件，簡單的讓挖掘鏟滿足不同地區(qū)的挖掘要求非常困難。目前市場上根據(jù)機(jī)具工作時(shí)挖掘鏟的運(yùn)動(dòng)情況而分為固定式挖掘鏟、回轉(zhuǎn)式挖掘鏟、往復(fù)式挖掘鏟和振動(dòng)式挖掘鏟。根據(jù)不同的作業(yè)幅寬及不同結(jié)構(gòu)的鏟刀可分為單片鏟、多片鏟和雙鏟。根據(jù)不同的鏟面形狀分為固定面平鏟、凹面鏟、槽形鏟等。 3.1.2挖掘鏟的性能分析及結(jié)構(gòu)確定 目前挖掘鏟的結(jié)構(gòu)主要就是固定三角平面挖掘鏟與振動(dòng)式挖掘產(chǎn)。振動(dòng)式挖掘產(chǎn)在淺層挖掘的情況下能有效減小挖掘阻力，但是本次設(shè)計(jì)的挖掘深度較深，振動(dòng)挖掘鏟工作穩(wěn)定性不能保證，且耗能較大。固定挖掘鏟結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，不需要?jiǎng)恿鲃?dòng)。但是缺點(diǎn)是碎土能力差，不能分離土壤，產(chǎn)生奎土現(xiàn)象?？廉a(chǎn)生的主要原因:土壤濕度大，鏟面過長，有較大土塊和石塊[21]。 設(shè)計(jì)初期通過原理試驗(yàn)確定挖掘鏟結(jié)構(gòu)形式，試驗(yàn)確定造成鏟面奎土的原因與土質(zhì)、挖掘速度和鏟面長度有直接關(guān)系。當(dāng)取鏟面長度不同時(shí)做試驗(yàn)比較，明顯鏟面過長造成的奎土現(xiàn)象更為嚴(yán)重，縮短鏟面能有效降低奎土現(xiàn)象，但是卻不能將土壤輸送到要求的高度。 挖掘鏟主要是為了滿足土壤輸送高度的情況下盡量縮短鏟面的長度而設(shè)計(jì)的試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)二階平面鏟可以對(duì)土壤在輸送過程中進(jìn)行破碎，但是如果加大挖掘量，過大的挖掘角度也會(huì)導(dǎo)致土壤的停滯和奎堵，雖然解決了輸送高度問題，但是過大的輸送角度導(dǎo)致奎土的現(xiàn)象并沒有有效的解決。 根據(jù)初期的原理試驗(yàn)對(duì)挖掘鏟的分析，固定鏟面的形式及輸送長度決定了試驗(yàn)的要求，所以本次設(shè)計(jì)的挖掘鏟結(jié)構(gòu)為固定三角鏟與柵條挖掘鏟相結(jié)合，縮短了鏟面的長度，也保證了輸送的高度，還可以起到分離土壤的作用。 3.1.3柵條式挖掘鏟的設(shè)計(jì)原則 根據(jù)甘草收獲機(jī)械的收獲條件，柵條式挖掘鏟的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循下列原則: （1）應(yīng)保證挖掘深度，將甘草從根部完全挖出，避免甘草的損傷。 （2）鏟刃拆卸方便，有利于及時(shí)更換。 （3）鏟面長度和傾角設(shè)計(jì)合理，保證將甘草順利輸送到分離裝置上。 （4）柵條間距設(shè)計(jì)合理，保證在不漏甘草的情況下間距最大化，減小土壤阻力和分離的土壤量。 3.1.4柵條式挖掘鏟的組成和工作原理 為了解決挖掘鏟作業(yè)時(shí)奎土現(xiàn)象嚴(yán)重，工作阻力大等問題，根據(jù)挖掘鏟的常見形式和性能分析，設(shè)計(jì)了柵條式挖掘鏟，它主要由固定刀臂、犁刃、三角鏟面、柵條等組成。 在甘草收獲機(jī)的帶動(dòng)下，挖掘鏟將甘草崛起，甘草與土壤的混雜物沿鏟面上升輸送通過柵條到分離裝置上;挖掘鏟上的柵條與三角鏟面是線接觸，對(duì)輸送的土壤有很好的破碎作用，部分土壤通過柵條間距漏下，減小了分離的土壤量和挖掘阻力;前端的犁刃可以根據(jù)磨損狀況隨時(shí)更換;挖掘鏟側(cè)面的固定加強(qiáng)板形成方形的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，使得固定刀臂在對(duì)深度板結(jié)土壤工作時(shí)結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定可靠。 3.1.5挖掘鏟總寬度確定 甘草的種植分布寬度決定了挖掘鏟的作業(yè)幅寬，在滿足作業(yè)幅寬的條件下避免從行間挖掘起過多土壤，因此甘草種植分布的寬度及其行距是設(shè)計(jì)中要考慮的因素，同時(shí)還要考慮收獲機(jī)前進(jìn)時(shí)，地輪避開甘草壟寬，根據(jù)甘草種植模式和實(shí)際調(diào)查所提供的數(shù)據(jù)表明，西北地區(qū)183團(tuán)種植的甘草植苗行距200-300mm，雙行壟寬為400-500左右[23]，因該機(jī)為雙行單壟挖掘，綜合考慮以上因素，確定鏟體總寬度為600mm，由固定三角鏟面及兩邊固定刀臂組成，前端留出犁刃的裝卸位置。 3.1.6挖掘鏟鏟面水平傾角的確定 鏟面的水平傾角是挖掘鏟的重要參數(shù)，它需要保證甘草和土壤能夠沿鏟面上升到一定高度而且不會(huì)回滾下落，以至于將其輸送到鏟后面的分離裝置上。挖掘鏟的水平傾角理論上是越小越好，但是傾角越小后面的分離裝置所承擔(dān)的負(fù)荷也就越大，分離距離也就越長;相反傾角越大則挖掘阻力越大如圖所示[24]。不同土壤條件下傾角越大，阻力也都越大。 挖掘鏟鏟面水平傾角的理論值可由圖中掘起物在鏟面上的受力平衡方程確定： Pcos α-T-Gsin α≥0 R-Gcos α-Psinα=0 （3-1） T=fR 式中:P--甘草與土壤上升所需動(dòng)力，N。 R--鏟面對(duì)土壤反作用力，N。 G--挖掘物重力，N。 T--鏟面對(duì)挖掘物的摩擦力，N。 f--土壤對(duì)鋼的摩擦系數(shù)。 從上面平衡方程式可得: α≤arctan (P- fG)/( fG+G) （3-2） 上述α值計(jì)算出的理論值為α<33.3°，如果實(shí)際值超過理論值，甘草與土壤的混合物就有可能擁堵在鏟面從而產(chǎn)生造成更大的阻力，實(shí)際通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)α值與挖掘鏟提升甘草與土壤混合物的高度、土壤質(zhì)地狀態(tài)、松碎土壤狀態(tài)都相關(guān)。根據(jù)鏟面傾角與阻力的關(guān)系圖分析，傾角越大，阻力也就越大，傾角在10-20°之間時(shí)阻力值上升相對(duì)較小，同時(shí)根據(jù)后面分離裝置要求提升挖掘物的高度要求來看，確定鏟面傾角為15°。 3.1.7挖掘鏟鏟刃斜角的確定 鏟尖刃口斜角參數(shù)Y是影響切土阻力、溝底形狀的因素，其受力特性如圖3-7所示。為使雜草和根莖都能滑離鏟刀，使土壤在鏟刃上的滑切能力克服摩擦力[25]，即: Psin（90°-γ）≥F （3-3） 式中:P--作用在鏟刃的阻力，N; F--土壤對(duì)鏟刃的摩擦力，N; γ--土壤對(duì)鏟刃的摩擦角，度(°)。 由摩擦定律可知將其帶入(3-3)式中，得同時(shí)γ角的大小與土壤沿鏟刃的滑切速度Vt的關(guān)系為[26]： Vt=Vmcosγ （3-4） 式中:Vm--機(jī)組前進(jìn)速度，km/h。 由上可知，Y角越小，滑切速度越大，防掛草能力越強(qiáng)，但是鏟尖也越尖，易于磨損，開出的溝形尖部深，兩側(cè)淺。一般土壤對(duì)鏟刃的摩擦角勢為26.5-35°。在本設(shè)計(jì)中，取=30°，則根據(jù)以上公式可得為60°。 3.1.8挖掘鏟鏟長的確定 挖掘鏟鏟長的確定非常重要，只有正確選擇挖掘鏟的長度，才能降低牽引阻力，避免和減少挖掘鏟奎土現(xiàn)象的發(fā)生，提高機(jī)器的分離和工作效率。當(dāng)挖掘鏟與地面傾角和提升高度確定后，挖掘鏟的入土長度L1可根據(jù)幾何關(guān)系確定，L:可根據(jù)能量守恒定理求出。 可以理論計(jì)算出挖掘鏟的總長度，實(shí)際情況為挖掘鏟在保證甘草和土壤提升高度的前提下總長度要短用來減小摩擦阻力，這樣能使甘草和土壤在鏟末端的相對(duì)速度不會(huì)為零，從而保證一定的輸送速度，降低了奎土的概率。本設(shè)計(jì)中將挖掘鏟設(shè)計(jì)成三角形固定鏟面和柵條段兩部分，當(dāng)挖掘物沿鏟面上升時(shí)，因?yàn)閹в薪嵌鹊溺P面對(duì)土壤有劈裂和剪切作用，可以使其在挖掘時(shí)破碎，后面部分土壤通過柵條段的間隙中漏下，從而減小了在鏟末端土壤的重量，減小了阻力和提高了分離效率。 當(dāng)提升高度為200mm，機(jī)具前進(jìn)速度vm為1.5m/s鏟面傾角為15°時(shí)，可得L=200mm，在本設(shè)計(jì)中取三角形固定鏟面長為100mm。根據(jù)甘草特性及實(shí)驗(yàn)設(shè)定柵條間距為60mm，彎曲段與鏟面的夾角為15°。 3.1.9挖掘鏟固定刀臂設(shè)計(jì) 挖掘鏟固定刀臂的設(shè)計(jì)主要是為了連接底面的挖掘鏟以及在工作過程中縱向切開土壤、雜草和藥材的根莖。固定刀臂刃口與豎直方向有一定的夾角，便于挖掘鏟在工作時(shí)順利切開土壤，防止奎土和堵塞;其次是合理的設(shè)計(jì)夾角能雜草及藥材的根莖沿刃口向上滑移，更易于雜草及根莖的切斷[28]。 3.2分離裝置的設(shè)計(jì) 3.2.1分離裝置的設(shè)計(jì)思路及作業(yè)要求 甘草收獲機(jī)分離裝置的作用是將挖掘鏟輸送過來的甘草和土壤的混合物中分離出甘草。由于挖掘深度過深，分離角度又不能過大以免造成奎土，所以一級(jí)分離裝置基本是在地下完成工作，所以在地下有限的空間內(nèi)要保證分離裝置的傳動(dòng)可靠，分離機(jī)構(gòu)工作穩(wěn)定可才靠是最主要的，其次一級(jí)分離裝置的作用是將甘草輸送至地表。 本次設(shè)計(jì)的目的是為了將300mm深及600mm寬且滿足1. 5 km/h行進(jìn)速度的作業(yè)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)甘草的分離與輸送。一級(jí)分離與輸送裝置的設(shè)計(jì)思路主要滿足3個(gè)方面:一是將挖掘出來的甘草和土壤進(jìn)行分離;二是將分離后的甘草輸送至地表;三是把分離后的土壤還田。同時(shí)，甘草分離與輸送裝置的設(shè)計(jì)在作業(yè)時(shí)必須要滿足以下要求:一是分離效果必須要出眾，將甘草與土壤徹底分離;二是在輸送過程中對(duì)甘草的損失要小，損傷率要低于3%;三是裝置結(jié)構(gòu)要合理可行、簡單可靠，便于裝卸及維修。 3.2.2分離裝置作業(yè)寬度的確定 根據(jù)目前甘草的種植模式普遍是行距為250mm，為此滿足甘草的種植行距，同時(shí)滿足一定的工作效率，根據(jù)作業(yè)要求認(rèn)定輸送裝置的工作幅寬為600mm。如果按照600mm的工作幅寬設(shè)定，并且滿足300mm的挖掘深度和1. 5 km/h的行進(jìn)速度，可以計(jì)算出每秒分離的土壤量將達(dá)到0.1m3。所以說滿足一定的分離量和作業(yè)阻力也是必須考慮的因素，因此將幅寬定為600mm。 總 結(jié) 根據(jù)北疆地區(qū)甘草種植的模式和分布情況以及現(xiàn)有甘草收獲機(jī)存在的問題，本文設(shè)計(jì)了一種中型適用于西北地區(qū)砂質(zhì)板結(jié)土壤的甘草收獲機(jī)。通過對(duì)挖掘鏟和分離裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和理論計(jì)算，且對(duì)分離裝置及樣機(jī)的試驗(yàn)研究，主要得出以下結(jié)論: （1）分析了目前國內(nèi)外甘草收獲機(jī)械的研究現(xiàn)狀、存在問題及未來發(fā)展的趨勢，針對(duì)存在的問題設(shè)計(jì)了一種中型的甘草收獲機(jī)，介紹了其主要的組成及工作原理。 （2）通過對(duì)挖掘鏟的功能和形狀分析，設(shè)計(jì)了一種柵條式挖掘鏟，結(jié)構(gòu)簡單可靠，能有效減小挖掘阻力，經(jīng)理論計(jì)算確定了其結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)。 （3）通過對(duì)分離裝置的功能和工作要求的分析，設(shè)計(jì)了一種輥筒式分離裝置，經(jīng)理論分析計(jì)算確定了其結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)。 致 謝 本論文的研究工作是在導(dǎo)師馬少輝的精心指導(dǎo)下完成的。在這幾年的學(xué)習(xí)過程中，導(dǎo)師在各方面給予了我無盡的關(guān)心、幫助和教誨，使本論文的研究工作得以順利完成。從課題初期的選定，方案的制定，樣機(jī)的制作及論文的撰寫定稿，無不凝聚著導(dǎo)師的心血。導(dǎo)師淵博的知識(shí)、敏銳的思維、嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度和善于發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，都給我莫大的啟迪和教育。至此設(shè)計(jì)完成之際，學(xué)生表示深深的謝意。 感謝同窗好友在四年的學(xué)習(xí)和生活中給予的幫助和支持。 最后還要特別感謝我的父母及朋友，正是他們無微不至的關(guān)心和照顧，孜孜不倦的鼓勵(lì)和教導(dǎo)，才能使我順利的完成大學(xué)的學(xué)習(xí)生活。我也將付出最大的努力去好好工作，來回報(bào)所有關(guān)心我的人! 參考文獻(xiàn) [1]周劍，馮曉靜，劉洪杰，等.甘草種植產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及對(duì)策研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012, 40(19):10065一10066. 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