马铃薯收获机升运收集装置的设计与研究

孔令亮，易 栓

（1.镇江市农业机械技术推广站，江苏 镇江 212000；2.镇江市产品质量监督检验中心，江苏 镇江 212000）

0 引 言

马铃薯是我国第四大作物，种植面积大，产量居世界首位，马铃薯在农业经济中占有重要地位。国内马铃薯机械收获包括挖掘、输送、分离、后方铺放捡拾等流程。国内收获机具以中小型为主，土薯分离性能差，机具性能不稳定。我国北方部分地区马铃薯种植区域比较分散，未形成产业规模，多数地区种植面积小，地块零散。尽管马铃薯种植面积稳步增长，但土地流转进程缓慢，流转机制还待完善，长期以来形成的分散农户种植，影响了大型机具的使用率。中小型机具仅能完成挖掘及集条作业，种植规模变大，收获周期不变，捡拾流程中所需的劳动力较多,当前农村留守可雇用劳动力逐渐减少，用工矛盾凸显，人力捡拾装袋收集成本高，效率低。本文设计了一款配套中小型收获机具的升运收集装置，对该装置的整体结构及关键零部件进行了设计并对其进行理论计算、建模分析。该装置具有输送效率高、质量轻、成本低的优点。

1 升运收集装置的总体结构

本装置固定连接在马铃薯收获机机身上，通过液压马达输出动力带动驱动轮转动，与同步带啮合带动拨齿升运器提升输送马铃薯，输送到达顶端后，卸入薯块收集箱，实现马铃薯装袋或装筐。

图1 升运输送装置的总体结构

2 传动及输送系统的设计

2.1 动力源及传动方式的确定

传动及输送系统主要由液压马达、驱动轮、驱动轴、升运输送链、挡板等组成。

动力驱动由拖拉机输出液压推动液压马达提供驱动动力，液压马达具有质量轻、布置方便、动力输出大小可调等优点。

同步带传动是一种啮合型传动具有精确的定值传动比传动、结构简单、传动平稳、传动比恒定、传动效率高等特点。梯形齿同步带的基体为氯丁胶或聚氨酪橡胶，承载层为玻璃纤维绳芯、钢丝等环形带，具有极好的减震性、高强度性和尺寸稳定性，保证了带齿齿距的恒定性。传动过程中为多齿啮合，具有传动平稳性、良好的经济性、耐摩损耐油、安全可靠等优点。本装置选用同步带传动。

驱动轮套装在驱动轴上，相邻齿之间为镂空结构，该结构既可满足与同步带啮合，还可防止杂物在带轮的齿间沉积，避免齿间沉积导致齿槽变浅而出现跳齿现象，可延长输送带的使用寿命。

2.2 驱动轮及输送带的设计

普通常用同步带轮在传动的过程中，无法固定传输链的位置，传输时容易跑偏，需要另外加装导向装置。由于传输皮带的宽度尺寸相对较大，设计时齿轮的齿宽就会越大，齿轮比较厚，制造成本增加，轮齿磨损后，维修成本高。工作环境恶劣，常伴有泥沙，茎叶等杂物，落入齿槽后无法自动清除，齿槽越来越浅，无法与传动同步带正常啮合，会出现打滑、跳齿等现象，降低了输送效率。为了克服普通带轮的缺点，满足输送装置中对驱动轮的使用要求，驱动轮设计如图2 所示。

图2 驱动轮

2.2.1 确定同步带传动的设计功率Pd

式（1）中：K0—载荷修正系数，取 1.2；

Pm—工作机上动力源功率，取Pm=3 kW。

代入式（1）得Pd=3.6 kW。

2.2.2 确定输送带的型号和节距

同步带传动的设计功率Pd=3.6 kW，根据实际情况确定下驱动轮转速n1=200 r/min，由同步带选型图确定所需采用的同步带的型号。查阅手册，选取同步带的型号为：XH 型，节距Pb=30 mm。

2.2.3 选择上下驱动轮齿数z1，z2

依据输送带的最小许用齿数确定，查表确定下驱动轮齿数：z1=12，设传动比i=1，故上驱动轮齿数：z2=12。

2.2.4 确定驱动轮的节圆直径d1，d2

2.2.5 检验带速v

依据设计手册查得，同步带最大传动速度vmax=40 m/s，v

2.2.6 尺寸型号确定

驱动轮：z1=12，d1=120 mm。

同步带：型号XH，节距Pb=30 mm，带宽bs=30 mm s=30 mm，β=30°。

2.3 拨齿升运器的设计

拨齿升运器由拨齿、拨齿支撑板组成，拨齿焊接或栓接在拨齿支撑板上，拨齿支撑板铆接在同步带上。如图3 所示。

图3 拨齿升运器

输送机械具有三大要素：牵引构件、承载构件和运行方向。承载构件是为物料或物品的运行提供基本条件的构件，通常包括盛放物料或物品的装置、器具等。承载构件常用的有：托板式器具、带式容具、斗状容具、槽形器具。输送托板主要有T 型、C 型、TC型。T 型托板适用于输送机倾角θ≤40°的场合；C型托板适用于输送机倾角θ＞40°且物料流动性较好的情况；TC 型输送托板即适用于倾角θ＞40°且物料的粘性和粒度较大的场合。

农业物料大倾角升运中有多种方式，马铃薯常用方式多为间隔托板式输送，考虑到中小型马铃薯收获机具土薯分离不彻底，杂物较多，铃薯收获输送过程中尽可能的土薯分离彻底，采用拨齿式升运输送。

当升运角为0°时，升运物料面积最大，可以得到最好的升运效果；当升运角为90°时，升运高度等于升运装置长度，可以得到最大的升运高度，但此时升运物料面积为0，为了得到最好的升运效果与使用效果，结合收储袋的长度、收集箱高度、装置离地高度，升运角度选取49°。在此升运角时，为避免薯块输送时外溢，将直线拨齿改为顶端圆弧拨齿。

2.4 升运输送链的设计与建模

升运输送链由梯形输送带、连接支撑杆、拨齿升运器、钢片、沉头铆钉等组成。如图4 所示。

图4 升运输送链

梯形输送带的设计选择，如图5 所示。

图5 输送带

连接支撑杆由金属套筒、硬质轻型塑料杆组成，将金属套筒套在支撑杆两端并铆接在同步带上。既满足功能需求又降低成本及机身质量。如图6 所示。

图6 链辊

杆条间隔距离以不漏失薯块为宜，既保证块茎不至于在杆条间漏失同时避免因连接支撑杆在同步带上布置的数量增多而增加机身的质量和成本。马铃薯的基本尺寸在30~80 mm，在设计中把不大于25 mm 的马铃薯不计损失，支撑杆直径为10 mm，综合以上因素，连接支撑杆间距设定为35 mm。

3 驱动轮的有限元分析

3.1 有限元分析简介

有限元法(FEM)是随着计算机的发展而不断发展起来的一种分析工程设计的可靠数学方法，利用求解偏微分方程的方法求解流动、电磁场以及结构力学等线性问题与非线性问题。广泛应用于机械设计中计算零部件的应力分析、频率分析、热分析和优化分析。Simulation 是Solidworks 公司推出的一套有限元分析软件，作为嵌入式分析软件与Solidworks无缝集成，可以方便地对机械模型进行分析并迅速得到分析结果，无需进行昂贵费时的现场测试，缩短设计周期，降低测试成本，提高产品质量。

3.2 有限元分析法的步骤

（1）利用Solidworks 构建实体模型；

（2）建立新算例，定义零件模型材料，材料选用合金钢，材料性能如表1 所示；

表1 材料力学性能

（3）根据实际工况确定约束类型及约束位置；

（4）添加相应载荷，大小为500 N；

（5）划分网格，采用默认的划分即可；

（6）分析构件，查看分析结果。

3.3 结 论

根据零件的工作情况对该零件进行静力分析，结果如图6、7 所示，模型的最大von Mises 为410 MPa，材料屈服强度为620 MPa，零件的安全系数约为1.5，零件设计安全。

4 结 语

本文对马铃薯收获机升运输送装置进行了设计、计算、研究分析，该装置可以满足中小型机具薯块输送收集的要求，具有工作效率高、成本低，实用性强的优点。通过对关键零部件带轮的安全性能的分析，分析显示部件设计安全可靠，能够满足工况使用要求。但是对于其只针对于静态分析，分析结果还有一定的局限性，后续可对机具进行动态模拟分析、优化，对驱动轴进行轻量化研究。