采收船振动挖掘系统的结构设计研究

陕西西安科技大学工程训练中心　张可朋　郝昱宇　王鹏

采收船振动挖掘系统的结构设计研究

陕西西安科技大学工程训练中心张可朋郝昱宇王鹏

通过对荸荠采收船振动挖掘系统主要零部件——滚筒和中心轴的结构设计，计算得出其零部件的主要尺寸参数，根据激振频率和激振力的估算，为后续选择激振器提供基础，进而进行计算校核，最终得出激振器的相关尺寸，并根据激振系统的振动强度，设计了橡胶减振器。

振动挖掘系统；荸荠采收船；结构设计

引言

荸荠作为一种药用和食用价值较高的作物，是我国江南一带农村重要的经济作物。目前荸荠的采收工作主要为手工和半机械化作业，机械采收的研究较少，因此存在采收工作量大、收获时间紧及作业条件差等缺点。本文针对荸荠的采收工作提出采收船的结构设计，通过现有振动式泥土分离的方法，确定该采收机的基本结构和工作过程，化解其采收工作的难度等问题。

1　振动挖掘系统零部件结构的设计及选用

振动挖掘系统是荸荠采收船的主要工作部件，主要包含滚筒、挖掘齿、中心偏心轴、带链传动部分等，在挖掘时提供激振力，通过输出不同的激振力及激振频率，来保证挖掘效果。

滚筒为5mm的钢板卷制而成，其外侧均布4排挖掘齿和振动齿，如图1所示。其结构尺寸为：挖掘齿和振动齿采用φ15× 400mm圆钢，挖掘齿的铲齿在入土时角度大约为20°，而振动齿可加大振动范围，在采收运送荸荠时起导向作用，防止荸荠滑落水中。

图1　挖掘滚筒结构

图2　中心轴结构及安装位置

中心轴是振动挖掘系统提供动力的振动源，轴端左侧与带轮相连，两侧为滚子轴承，电机（P=7.35kW）带动偏心块产生振动力，电机转速为n=6000r/min，传递扭矩T=9.55MPa/n≈12.7kN·mm，中心轴主要承受激振力：F=（5～7）G2=19.5～27.5kN，取F=28kN。

式中：τT—扭转切应力，MPa；WT—轴的抗扭截面系数，mm3；n—轴的转速，r/min；P—轴传递的功率，kW；d—计算截面处的直径，mm；［τT］—许用扭转切应力，MPa。

采用内偏心轴的主要设计目的是方便激振力的调整，在验证校核时，中心轴按45钢实心轴，调质处理至HB38～45，查表确定［τT］=25MPa，计算求得d应该大于等于13.5mm。考虑到轴上的键槽及轴的长度，中心轴的最小直径为dmin=20mm。通过校核中心轴的刚度和挠度，最终确定中心轴直径d=50mm。

由于挖掘器在工作过程中，振动轴承所承受的负荷较大，因此需要选择专用的振动轴承，这里选择双排圆柱滚子轴承（NU2210E），主要参数：内圆直径d=50mm，外圆直径D=90mm厚度B=23mm，Cr=74.2kN，C0r=88.8kN，采用油脂润滑。

2　激振频率及激振力的计算

激振频率与荸荠生长的自然频率有关，两者相同或接近，此时能达到共振，激振效果较好且激振力较小。一般采用实验的方法来进行估测自然频率，根据荸荠生长的土壤特性及含水分、沙量等，试验得出在频率为100Hz附近，土壤的液化时间和效果均比较理想，故选择100Hz为激振频率。

机械激振器又名惯性激振器，是利用偏心块旋转，产生离心力作为激振力，其优点有激振力大、结构简单、易于调节等，主要形式有单轴式偏心机械激振器和双轴式偏心机械激振器两种。

机械激振器偏心单轴激振力的计算：激振频率ωn=100Hz激振质量m估=400kg，一般激振力F=（5.5～8）G2，取最大值，则激振力F=19.8～28.6kN，ω=2π，ωn=6370rad/s。

3　减振器的计算与选择

采收荸荠时，振动能有效加快土壤液化，提高采收速度。但过大的振动对驾驶室的操作不利，所以需要在悬臂与挖掘器之间添加减振机构。减振方式有：隔离法、阻尼法、动力减振法、冲击法等。考虑到减振的位置、成本及效果，采用橡胶减振器进行减振。

图3　橡胶减振器安装位置

根据减振的效果选择丁腈橡胶（NBR）为减振器材料，丁腈橡胶（NBR）经常作为动力机械与工作机械的减振器，具有耐油耐热性好，阻尼较大，与金属的粘合性好等特点。根据安装零件的位置和形状，其结构形式为圆柱形。NBR的参数如下：

硬度：邵氏硬度H=30～70；

温度影响系数：λt通过查温度变化曲线图获得；

弹性模量：H=55～70时，G=（10～17）×105N/m2，E=（38～65）× 105N/m2；

静态弹性模量：Es=λtmE，Gs=λtmG；

形状影响系数：m=f（n），一般取2～5；

动态弹性模量：Ed=dλtmE，Gd=dλtmG；

动态系数：d=1.5～2.5；

静态载荷下：压缩变形＜15%，剪切变形＜25%；

动态载荷下：压缩变形＜5%，剪切变形＜8%。

综合以上参数分析计算，该丁腈橡胶（NBR）减振器总体尺寸为：外圆直径D=180mm，内圆直径d=90mm，长度L=85mm，内圈与金属粘结固定轴承。

4　小结

本文首先对荸荠采收船主要零部件——中心轴和减振器进行了设计研究，对振动挖掘系统主要的零部件（滚筒和中心轴）进行了结构设计，并对主要的形状和安装尺寸进行了校核计算；其次考虑到挖掘速度过低、激振速度过慢的问题，选择计算合适的激振频率和激振力，并根据该系统的振动强度，设计了橡胶减振器，为后续的研究奠定了基础。

［1］王尚红.根茎收获机械的现状与前景［J］.山东农机，2001 （2）：16-17.

［2］王俊发，马旭，马浏轩等.根茎类中药材收获装备现状及其收获工艺［J］.农机化研究，2009（12）：242-244.

［3］贺林.振动频率和成样方法对饱和中砂动力特性的影响［D］.大连：大连理工大学，2009.

［4］王贵一.橡胶减震器的设计原理和性能测试［J］.特种橡胶制品，1998（6）：42-47.

［5］周海林，刘宝琛，王星华.振动注浆中的砂土液化研究［J］.中国铁道科学，2003.

张可朋，1986年出生，陕西省华阴市人，助理工程师，研究方向：机械设计制造、数控加工技术等。