草地蝗虫吸捕机的改进设计与试验

邓喜全，杜文亮，陈　伟，刘广硕，政东红

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特　010018)



草地蝗虫吸捕机的改进设计与试验

邓喜全，杜文亮，陈伟，刘广硕，政东红

(内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特010018)

摘要：为进一步提高草地蝗虫吸捕机的性能，在内蒙古农业大学机电工程学院研制的3CHX18型草地蝗虫吸捕机基础上，对相应工作单元进行了改进设计。将风机动力源由拖拉机动力输出轴驱动改为柴油机直接驱动的独立动力传动型式，提高了机组传动效率和运行的机动性能；同时，将卸料口改进为一种螺旋输出卸料结构，使卸料更方便、快捷。样机试验表明：机组作业安全可靠，传动效率达97.6%，吸吹口气流达到目标速度，卸料装置能连续稳定输出物料，机器整体性能得到进一步提升。

关键词：蝗虫；吸捕机；草地；动力源

0引言

蝗虫属于节肢动物门、昆虫纲、直翅目、蝗科，是典型的植食性昆虫[1]，具有暴发性、迁飞性和毁灭性等特点。蝗灾是危害农牧业生产安全的世界性重大生物灾害，历史上蝗灾频繁发生，与水灾、旱灾并称为“三大自然灾害”，曾给人民生活造成过深重灾难。草原蝗虫是草原上的主要害虫，每年都有大量的牧草被啃食，加剧了草畜的不平衡，给农牧业生产造成不可估量的损失。

草地蝗虫吸捕机是一种采用物理方法防治草原蝗虫的新型植保机械，治理成本较低，不受草原气候的影响，不污染环境，几乎不摧残蝗虫天敌，维护草原生态的良性循环，实现了对草原蝗虫的无毒无害化捕集治理。同时，捕集的蝗虫还可作为家禽的饲料，推动草原蝗虫资源的进一步利用[2-3]。针对目前草地蝗虫吸捕机存在的机动性能差、卸料不方便等问题，在调查研究和实物观察的基础上，对现有机器进行了改进设计与试验。

1存在的主要问题分析

1.1原有蝗虫吸捕机的工作过程

草地蝗虫吸捕机的工作过程是利用JDT654拖拉机的动力输出轴作为动力源，通过PTO传动轴和中间万向节传动轴带动变速箱提高转速，变速箱再将动力经过V带传递给离心通风机(以下简称风机)；风机产生连续不断的负压气流，并借助蝗虫在声像、气流等干扰下所具有的跳跃、躲避特性，在行走中对蝗虫进行吸入捕集，吸入的蝗虫在沉降室的作用下沉降于底部[4]；卸料时，将沉降室底部卸料口各螺栓拆卸，打开料门装袋收集。蝗虫吸捕机的结构如图1所示。

1.离心通风机　2.中间万向节传动轴　3.卸料口　4.变速箱　5.V带

1.2存在主要问题分析

1)风机转速由拖拉机油门控制，在实地试验时很难协调吹吸口气流速度和机器前进速度，影响机器前进速度和工作效率。

2)由于整机转向受PTO传动轴影响，拖拉机牵引草地蝗虫吸捕机工作时转弯受到一定的限制，机动性较差。

3)动力在传递过程中，中间传动过程能量损失多，且使用、安装费时费力。

4)沉降室底部的料门用多个螺栓连接，需松开螺栓才能完成卸料，使用不便，并容易导致蝗虫逃逸。

分析以上问题，拟将原风机动力源由拖拉机动力输出轴驱动型式改为自带独立动力传动型式；同时，改进卸料口结构，以方便卸料。

2关键部件的设计

2.1动力源的改进设计

将原机部分动力传动部件拆除，在原来变速箱的位置安装柴油机，直接带动风机转动。改进后要求吸风口的气流速度最小达14m/s，吹风口气流速度大于等于吸风口气流速度且其差值不大于3m/s[5]。

2.1.1动力选择及传动系统设计

风机的工作参数:额定功率13kW，转速2 020r/min，风量5 567～7 740m3/h。考虑到功率储备，实际选用的柴油机参数如表1所示。

表1　柴油机参数

风机的功率比较大，柴油机在启动、关闭过程中空载，需安装一套空载启动装置。考虑机器的整体性，风机的转向与柴油机转向相匹配，初步确定动力传动系统的总体方案如下：柴油机通过离合器，经过V带，带动风机转动，如图2所示。

1.柴油机　2.离合器　3.V带　4.风机　5.机架

为了在传动中实现动力自动离合，选用一种离心式飞轮离合器，其结构简单、运行可靠，如图3所示。离合器直接与柴油机飞轮通过螺栓连接，其可传递功率为15kW，带轮直径240mm，则

式中n1—风机转速(r/min)；

d1—风机皮带轮直径(mm)；

n2—柴油机转速(r/min)；

d2—离合器带轮直径(mm)。

风机皮带轮直径为176mm, 根据传动比计算得柴油机转速n2=1 481r/min，小于柴油机在80%标定转速时的转速，满足使用要求。

图3　离心式飞轮离合器

2.1.2起动系统

柴油机安装位置不宜手启动，为了方便机器的使用，采用电启动柴油机，因此需要电瓶作为电源。根据起动机的型号，选配相应的电瓶参数，如表2所示。

表2　电瓶参数

连接导线、开关、电闸等部件，根据接线图(见图4)及电路原理图(见图5)，经过实物安装并连接柴油机起动系统后，如图6所示。

图4　接线图

图5　电路原理图

图6　起动系统

2.1.3配套拖拉机动力的选择

改进后机器不用动力输出轴驱动风机，需保证拖拉机在合适的机器作业速度范围内发挥足够的牵引力及牵引功率，以克服配套机器的行走阻力, 并要留有10%～20%的功率储备，以适应机器短期阻力增大[6]，则有

FTb≥(1.1～1.2)Fn

Fn=Ff

Ff=fmg

式中PTb—拖拉机标定牵引功率(kW)；

FTb—拖拉机标定牵引力(kN)；

Fn—机器的平均牵引力(N)；

Ff—机器滚动阻力(N)；

v—实际作业速度(km/h)；

m—机器总质量(kg)；

f—滚动阻力系数。

样机工作时总质量m≈1 500kg,机器在草地上滚动阻力系数f=0.07，g=10m/s2, 机器其它阻力忽略不计，实际作业最大速度v=12km/h。故计算得：PTb≥5kW，FTb≥1.5kN。

以SF350拖拉机为参考，在前进速度为1.86km/h时标定的最大牵引功率、最大牵引力分别为19.5kW、10.5kN。当功率一定时，拖拉机牵引力与速度成反比，计算当机器最大作业速度为12km/h时拖拉机的牵引力为1.6kN大于所需牵引力1.5kN,因此选取配套拖拉机动力为25.7kW以上。

2.2卸料口的改进设计

在原来卸料部位加装一套螺旋输出卸料装置，使操作者可以在外侧直接卸料。考虑到整机的气流流动，需保证卸料装置的密封性。

2.2.1螺旋输出卸料装置

螺旋输出卸料装置主要由输送器叶片、手轮、螺旋轴、机壳、轴承及料门等部件组成，如图7所示。工作时，物料从进料口进入，当转动手轮带动转轴转动时，物料受到螺旋叶片推力的作用。该推力的径向分力和叶片对物料的摩擦力，将使物料绕轴转动；但由于物料本身的重力和料槽对物料的摩擦力的缘故，不与螺旋叶片一起旋转，而在叶片法向推力的轴向分力作用下，沿着料槽轴向移动[7]，并从出料口散落。

图7　螺旋输出卸料装置

2.2.2螺旋叶片的选择

在螺旋输出卸料装置中，螺旋叶片的选取尤为重要。根据实际生产和材料的选取，选择输送器叶片的尺寸为190mm×60mm×3mm(输送器叶片外直径×输送器轴径×厚度), 输送器叶片的螺距t为160mm。

输送物料名称为蝗虫，其具体参数如下：

卸料时间/min：3～5

物料容重γ/kg·m-3：396.42

螺旋输送机水平放置。螺旋输送器的生产率(推运量)Q为

式中D—输送器叶片外直径(mm)；

λ—输送器叶片与外壳间隙(mm)；

d—输送器叶片内直径(输送器轴径)(mm)；

t—输送器叶片螺距(mm)；

n—输送器转速(r/min)；

ψ—蝗虫的充满系数；

C—输送器倾斜输送系数。

输送器叶片采用实体螺旋面，C=1，λ=5mm， ψ=0.25[8],基于人机工程学计算摇动输送器的转速n大概为50r/min。故计算出生产率(推运量)Q≈0.3kg/s。

在实际工作中一次收集蝗虫Q总≈60kg时需要进行卸料，则一次卸料时间T为

因此，T满足要求。

3试验结果与分析

3.1试验设备

样机一台，型号3CHX18；光电式转速表，型号DT-2234B，精确度±0.05%，分辨率1r/min(1 000～99 999r/min)；热球式风速仪，型号QDF-3，分辨率0.01m/s，测量范围0.05～30m/s,满量程测量误差±5%；计时器，型号XL-013。

图8　转速表

图9　热球式风速仪

3.2试验条件

2014年11月24日，在呼和浩特市内蒙古农业大学机械厂进行了室外吸吹口气流速度和螺旋输出卸料装置的试验。当天天气晴朗，温度-2～3℃，微风小于3级，由于时间、地域限制没有蝗虫作为试验材料，所以选用切碎的玉米秸秆替代。

3.3试验过程及结果分析

试验过程中，柴油机启动系统工作正常，离心式飞轮离合器在机器启动、关闭时可以实现空载，没有打滑现象产生，整机运转平稳、安全可靠。

计时器计时输出切碎玉米秸秆试验表明：螺旋输出卸料装置可以在4min内连续平稳地输出80kg玉米秸秆，并没有卡死等问题出现。

试验时，考虑螺旋输出卸料装置可能会影响整机的密封性问题，首先不安装此套装置，将卸料口正常密封多次进行风速、转速试验，测得当柴油机转速为1 313 r/min、风机转速为1 748r/min时、吸吹口气流速度，如表3所示。

表3　改进前吸吹口风速试验

安装螺旋输出卸料装置后，再次进行试验，测得当柴油机转速为1 372r/min、风机转速1 826r/min时吸吹口气流速度，如表4所示。

表4　改进后吸吹口风速试验

续表4

根据风机相似原理，风机转速与风量成正比关系。由吸风口平均气流速度和对应风机转速计算可得：安装螺旋输出卸料装置后，大约有1.46% 的风量损失，但是吸吹口气流速度仍能够达到目标要求。实际工作中，当蝗虫在沉降室底部不断积累时，卸料口密封程度会进一步提高，进而风量的损失还会减小。

4结论与建议

1)风机动力源改进后用柴油机直接驱动代替拖拉机后动力输出轴驱动，提高了机组的传动效率和运行的机动性能，并且能够满足吸吹口气流速度达到目标值。

2)卸料口改进后，安装的螺旋输出卸料装置使卸料更方便、快捷。

3)介于季节原因，样机没有在实地中进行吸捕试验，还需进一步实地测试。

参考文献：

[1]赵伟.草地蝗虫吸捕机吸头改进及蝗虫吸捕轨迹分析[D].呼和浩特：内蒙古农业大学,2008.

[2]刘建民.草地蝗虫吸捕机吸嘴的设计及试验研究[D]. 呼和浩特：内蒙古农业大学,2004.

[3]徐瑞清,周强,王书茂.蝗虫灾害的机械化捕集治理技术发展[J].农业机械学报,2005(11):171-173.

[4]康晓东.草地蝗虫吸捕机吸捕特性参数的试验研究[D]. 呼和浩特：内蒙古农业大学,2007.

[5]杜文亮,刘建民,赵卫东.草地蝗虫吸捕机吹吸式吸嘴的试验研究[J].农机化研究,2006(3):137-140.

[6]中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册(下册)[K].北京:中国农业科学技术出版社，2007:4-85.

[7]徐余伟.螺旋输送机设计参数选择[J].砖瓦世界,2008(7):32-37.

[8]王铁流,郭晓梅,张青娥,等.螺旋输送机螺旋体的有限元分析与优化设计[J].煤矿机械,2012(12):14-16.

Improvement Design and Experiment of Pneumatic Grasshopper Trapper

Deng Xiquan, Du Wengliang, Chen Wei, Liu Guangshuo,Zheng Donghong

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018，China)

Abstract：In order to improve the performance of the pneumatic grasshopper trapper, the corresponding unites were designed and improved based on 3CHX18 Pneumatic grasshopper trapper which was invented by Inner Mongolia Agricultural University of mechanical and electrical engineering. The centrifugal ventilator was used to be powered by tractor power take-off. Now using diesel engine to drive ventilator straightly as a new type of independent power system. The transmission efficiency and maneuverability have been improved. Take the spiral output discharge device instead of discharging port, making it more convenient than before. Experiments showed that this prototype was able to work safely and reliably, the transmission efficiency is up to 97.6%, the speed of suck-head can achieve the target speed, the discharging device can convey materials continuously and stably, and the overall performance of this machine was greatly enhanced.

Key words：grasshopper; suction trap machine; grassland; power source

文章编号：1003-188X(2016)02-0077-05

中图分类号：S499

文献标识码：A

作者简介：邓喜全(1989-)，男，辽宁普兰店人，硕士研究生，(E-mail)xiquandengyideng@163.com。通讯作者：杜文亮(1957-),男，内蒙古达拉特旗人，教授，博士生导师，(E-mail)duwl5711@vip.imau.edu.cn。

基金项目：国家自然科学基金项目(50265002)；内蒙古农业大学科技创新团队项目(NDTD2013-6)

收稿日期：2015-01-29