胡萝卜自动收获机的结构设计

2022-06-28刘祚时邵文娟

制造业自动化 2022年6期

刘祚时，邵文娟

（江西理工大学机电工程学院，赣州 341000）

0 引言

我国地域广、人口众多,对于胡萝卜的需求大,因而我国的胡萝卜种植面积较大,但分布区域广,且各地的种植模式、农艺要求和气候环境都不同,致使引进的国外的相应的收获机构无法在我国很好的被使用,在使用的过程中会出现很多的问题,且从国外引进的机构价格昂贵,国内部分的种植户难以承受。

目前,国内的胡萝卜收获机已经初有轮廓,但存在农机农艺脱节和漏收损失过大等问题,且国内现有的胡萝卜收获机价格虽较国外的更为便宜但对于很多农户来说仍难以负担,这些机构大部分都适应于偏北方的地区以及大面积的种植户使用,而江西省的田地大部分为小块农田且分布不集中,本文结合传统的胡萝卜的收获模式及农艺要求,设计了一种适合于江西省的胡萝卜自动收获机构[1,2]。

1 总体方案的确定

根据需求对其功能进行分析细化,可为几个步骤,如图1所示。依据细化的几大部分,拟定并选取了设计方案：采取皮带夹持胡萝卜的方式收获,机构动力有拖拉机的发电机提供,采用固定锋利刀片使胡萝卜的缨子与根部分离开来,胡萝卜落入收集箱,缨子自皮带尾端落入另一收集箱。

图1 机器细化分析图

2 挖掘松土装置的设计

挖掘松土装置主要是将胡萝卜周围的土壤进行松动,便于后续的夹持传输装置不用花费多大的力就能将胡萝卜从土壤中拔出,减小了在拔取过程中胡萝卜缨子被拉断,力度不够胡萝卜被漏收的情况的发生。

挖掘铲是挖掘松土装置的主要零部件,对挖掘铲的要求为：

1）不能损伤到胡萝卜的果实。

2）胡萝卜周围土壤松土的彻底性。

3）要有足够的强度和刚度,以保证松土过程的正常进行。

4）合理的结构安排,同时尽量减小其重量,减小材料的耗费。

该机器设计用于种植模式为最大作物间距75mm,行距300mm的胡萝卜收获,挖掘铲呈箭头状,挖掘铲前端窄小,后部逐渐变宽,尾部有间缺。为了减少漏挖及考虑到会出现对行不准确等情况,铲面的宽度应该控制在苗带间距2倍以上,故取铲面的宽度L=155mm；根据土壤对钢铁的摩擦因数tany=0.4～0.7[3],铲面铲刃斜角β可取为60°；由于入土角的大小会影响挖掘铲的入土性能以及挖掘过程中的挖掘阻力,通过理论分析以及实践证明,入土角θ的大小一般在20°至30°之间[4]。考虑到不同的农艺要求,挖掘的深度以及入土角可以通过配合铲柄上不同位置的孔来进行调整。

整个挖掘松土装置由挖掘铲、铲柄以及连接杆组成,结构如图2所示。

图2 挖掘松土装置示意图

3 扶起导入装置的设计

扶起导入装置主要功能为将胡萝卜的缨子扶起聚拢后导入到后续的夹持传输装置,整个扶起导入装置由两个扶禾器以及连接架并列组成,如图3所示,从胡萝卜缨子的两侧同时将缨子扶起聚拢,在工作的过程中,扶禾器贴近地面,将胡萝卜的缨子尽可能的都扶起,通过调节螺栓连接的位置可以改变扶禾器前后的位置以及与地面之间的距离。

图3 扶起导入装置示意图

4 夹持传输装置的设计

夹持传输装置主要是通过皮带的相对运动夹持住已被聚拢的胡萝卜缨子,将已松动的胡萝卜从土地中拔取出来向后上方运动,完成后面的工序。整个夹持输送装置由电动机、V形带、皮带轮、传动轴以及张紧装置组成。

4.1 电动机的选型

夹持传输装置的动力来源来自和拖拉机发电机相连的小电机,因而需要对使用的小电机进行一个选型,电动机只需要带动皮带轮的运转且在松土后拔取胡萝卜所需的力较小,考虑到机构的尺寸以及功能的要求,选择57步进电机,型号为J-5718HB3401,功率为6kW,转速为650r/min[5]。

4.2 V形带以及带轮的设计

传动装置采用的是带传动,根据机器的需求以及结构的设计,传动比i=1,通过设计与计算,可得V形带选用B型带3根,带基准长度为4820mm,输送带的速度为1.25m/s,主动轮带速为650r/min,直径为160mm,功率为6kW,被动带轮直径为160mm。

带轮的形式结构是与其基本直径dd以及安装带轮的轴的直径d相关联的,因皮带轮dd≤300mm且D1-d1≤100mm,故采用腹板式的带轮结构,V形带的轮槽需要与选用的V带的型号需要相对应,带轮的基准直径dd=160mm,厚度B=61mm,带轮轴直径d=40mm[6]。

4.3 张紧装置的设计

考虑到V形带运转一段时间后会出现磨损以及塑性变形等问题,会致使皮带出现松弛等现象,且随着机构使用时间的增长,皮带会愈加的松弛,为了保证机构的正常运作,在输送的途中加入张紧轮装置,通过张紧轮将皮带张紧,且由于皮带的输送距离较长设置了两组张紧装置；为了减少需要经常检修的麻烦,在张紧轮装置上加入弹簧,根据弹力自动调节张紧轮的位置,结构如图4所示,装置安装在皮带轮的外侧,通过弹簧的弹力使得张紧轮与皮带外圈紧贴压紧,保持皮带的张紧以持续的运转下去。

图4 张紧装置结构示意图

由于需要根据弹力自动调节张紧轮的位置,张紧轮轴不能完全固定在机架上,如图5所示在机架上开了一个T型的槽口,张紧轮轴的尾端装了一个键状的卡位块,通过槽口与卡位装置的配合,可将张紧装置装在机架上。

图5 张紧装置限位部件示意图

5 对顶装置的设计

对顶装置的设计要求：

1）只允许胡萝卜的茎叶通过,胡萝卜的根部不能通过。

2）对胡萝卜根部的顶端的磨损尽量减小。

3）具有最够的强度与刚度。

由于胡萝卜的生长情况各不相同,茎叶的长短以及根部的大小都相同,在切除茎叶的时候就会出现切口不一致甚至损伤果实的现象,因而需要将胡萝卜的根部拉齐,在胡萝卜缨子根部附近同一位置对胡萝卜的茎叶进行切除,通过对顶装置使在胡萝卜持续上升的过程中其根部顶端拉齐,从而保证胡萝卜根茎切割的质量[7]。

对顶装置由左挡板以及右挡板组成,在安装的时候与传输带成一定的角度,结构如图6所示,在两个挡板上装置了数个滚子,设置滚子是为了减小在拉齐过程中胡萝卜根部顶端的磨伤。

图6 对顶装置示意图

6 茎叶分离装置的设计

茎叶分离装置主要是将胡萝卜的茎叶和根部分离开来,以便于后期胡萝卜的处理及销售。在传统的方案中,多采用两个圆盘刀通过电机或轴的带动,相对转动以切割开茎叶与根部,这种方案需要消耗更多的能量以及材料,还需要考虑在一段距离的运动传递过后的偏差；故经过思考后,选择在对顶装置的上边面上固定安装一个锋利的刀片,可以省去多层传递的麻烦与误差,结构如图7所示,V型的切口更有利于切割,通过胡萝卜与刀片之间的相对运动,将胡萝卜的茎叶和根部分离开来,且调节螺栓的位置可以改变刀片固定的位置[8]。

图7 茎叶分离装置示意图

7 机架以及收集装置的设计

7.1 机架的设计

机架是整个机构的依附,支撑着整个机构的运行,它的设计影响着机器的性能以及正常工作,对机架的要求如下：

1）足够的刚度以及强度,是确保机器正常运行的基础。

2）在确保造型美观的同时,要尽量减轻其重量,减小材料和能源的消耗,使其经济性好。

3）结构设计合理,易于制造和加工,不影响安装在机架上的零部件的安装调整以及检修。

整个机架由六个部分组成：一号机架是主体部分,如图8所示,其余所有的机架都是装在一号机架上的,在一号机架的左侧和后侧都设置了与拖拉机相连接的结构,且松土装置以及车轮都是安装在一号机架上的,其余的机架主要是为了维持传输装置以及其相关配件。

图8 总装配图

行走轮装置前后两部分都通过万向节与一号机架连接,在机构转向时能够,灵活的旋转,以跟着拖拉机改变行进的方向。

7.2 收集装置的设计

收集装置分为两部分：胡萝卜果实收集以及胡萝卜缨子收集,两个部分前后并列放置,可从机构的尾端将其放入取出。果实收集部分以及缨子收集部分的上端呈现一条连贯的斜线,如图8所示,倾斜的角度与对顶装置的角度一直,且果实收集部分与对顶装置的距离控制在200mm以上,以减小胡萝卜与收集装置之间磕碰的损伤,进过茎叶分离装置后,胡萝卜根部自由落入果实收集箱内,缨子自夹持输送装置的尾端落入缨子收集箱中[9]。