小型甘蔗根起拔機(jī)的研究與設(shè)計(jì)

方賽拼 王 濤 李麗萍 李 粵

FANG Sai－pin WANG Tao LI Li－pingLI Yue

（海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南 海口 570228）

（Hainan University College of Mechanical and Electrical Engineering，Haikou，Hainan 570228，China）

甘蔗生產(chǎn)的全程包括：耕整地、種植、中耕、植保、收獲和裝運(yùn)［1］。海南省現(xiàn)實(shí)行的甘蔗種植方式一般是蔗苗與宿根，即1年新植，2年宿根［2］。在甘蔗生產(chǎn)后期處理中，有必要對(duì)甘蔗地進(jìn)行深耕松土，因甘蔗根長(zhǎng)期存留在土地里，不易腐化而影響下季甘蔗幼苗的生長(zhǎng)，使得產(chǎn)量下降。因此，在種植前須對(duì)甘蔗根進(jìn)行挖除，以提高生產(chǎn)效率。

海南大部分甘蔗區(qū)為坡地，受地形、規(guī)模大小和生產(chǎn)技術(shù)等因素的限制，在種植甘蔗前大多靠人工挖除甘蔗根。在生長(zhǎng)過(guò)程中甘蔗根系深入土中，鋤根阻力大，人工挖除生產(chǎn)效率低。實(shí)現(xiàn)甘蔗根的機(jī)械化挖除，對(duì)提高勞動(dòng)效率、增加土壤肥力具有重要意義。前人［3，4］已研究并設(shè)計(jì)了棉稈、蕓豆的起拔裝置，主要研究土壤、棉稈直徑、起拔角度等對(duì)棉稈起拔阻力的影響，并設(shè)計(jì)出滿足棉稈、蕓豆收獲需要的機(jī)械裝置，但關(guān)于甘蔗根起拔機(jī)械的研究設(shè)計(jì)尚未見(jiàn)諸報(bào)道。海南省蔗田地形復(fù)雜、連片種植少，因此在甘蔗收獲后不適于采用大型拖拉機(jī)處理甘蔗根。針對(duì)以上問(wèn)題，研究并設(shè)計(jì)一種小型甘蔗根起拔機(jī)。

1 整體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

圖1 小型甘蔗根起拔機(jī)的整體結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Small sugarcane roots pulling machine overall structure

小型甘蔗根起拔機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，底座采用四輪支撐方式，增加裝置的穩(wěn)定性，便于該機(jī)械在田間行走，并在前端正中間開(kāi)半圓槽，便于起拔機(jī)工作時(shí)能將甘蔗根順暢地拔出地面。電動(dòng)機(jī)置于底座上，由蓄電池驅(qū)動(dòng)并向外提供起拔動(dòng)力。由于收獲時(shí)蔗農(nóng)會(huì)留些甘蔗根莖，甘蔗根莖距地面高度大約為10 cm。為避免起拔機(jī)在工作時(shí)碰到甘蔗根莖，設(shè)計(jì)底座高于甘蔗根莖5 cm。鋼絲繩一端繞在電機(jī)一端的主動(dòng)輪，另一端繞過(guò)滑輪與起拔桿連接，起拔桿穿過(guò)橫梁套在拉拔器的上套環(huán)。經(jīng)過(guò)拉絲機(jī)冷拔過(guò)后的較粗硬的鐵絲一端纏繞在支撐架上，另一端緊拴在橫梁左右兩端的手柄上，從而將橫梁固定在支撐架上。

1.2 工作過(guò)程

將起拔機(jī)推進(jìn)需要作業(yè)的甘蔗田，使小車(chē)輪平穩(wěn)放置在田間甘蔗列與列之間的壟溝里。海南省一般采用平植方式，即一列甘蔗幼苗基本在同一直線上，但由于甘蔗幼苗在后期生長(zhǎng)過(guò)程中受臺(tái)風(fēng)或者人為的破壞，導(dǎo)致部分甘蔗根傾斜一定的角度，因此該機(jī)械工作時(shí)需要兩人完成，一人推車(chē)，一人將拉拔器固定在甘蔗根莖上。移動(dòng)小車(chē)輪，人為地將錐桿對(duì)準(zhǔn)甘蔗根莖，蓄電池向電機(jī)供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)輪拉動(dòng)并回收鋼絲繩，通過(guò)鋼絲繩帶動(dòng)滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)，鋼絲繩拉起起拔桿，將拉拔器拉起。由于橫梁固定在支撐架上，當(dāng)上套環(huán)沿起拔桿向上運(yùn)動(dòng)到橫梁時(shí)不再向上運(yùn)動(dòng)，但由于鋼絲繩繼續(xù)拉動(dòng)起拔桿，這時(shí)上擺臂會(huì)帶動(dòng)拉爪運(yùn)動(dòng)并通過(guò)下擺臂使下套環(huán)沿著起拔桿向下運(yùn)動(dòng)。由于螺紋的中徑大于套環(huán)的內(nèi)直徑，當(dāng)下套環(huán)到達(dá)下螺紋段時(shí)便停止運(yùn)動(dòng)，同時(shí)收緊拉爪，于是3個(gè)拉爪頭和錐桿共同夾住甘蔗根莖，在拉力的作用下，將甘蔗根連根拔起。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)和蓄電池的選擇

起拔機(jī)工作時(shí)，由于起拔阻力較大，需要低轉(zhuǎn)速、高轉(zhuǎn)矩的電動(dòng)機(jī)。因此宜選擇直流無(wú)刷低速同步電機(jī)，其通過(guò)電流為1.1 A。這是一款無(wú)減速齒輪直接獲得低轉(zhuǎn)速、大扭矩的高效節(jié)能的新型電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、低溫升、小體積、高效率、免維護(hù)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。蓄電池選擇24 V動(dòng)力型蓄電池，其額定容量為75 A·h。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定該電機(jī)在充滿電的情況下，可持續(xù)工作約68 h。

2.2 拉拔器

2.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 拉拔器是該裝置最重要的部分，由起拔桿、橫梁、手柄、拉爪、錐桿、螺桿、擺臂、套環(huán)等結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖2。鋼絲繩通過(guò)銷(xiāo)孔套在起拔桿上，在拉力作用下，上套環(huán)沿著起拔桿向上運(yùn)動(dòng)到橫梁時(shí)停止，通過(guò)擺臂的運(yùn)動(dòng)使下套環(huán)沿著起拔桿向下運(yùn)動(dòng)到下套環(huán)處便停止運(yùn)動(dòng)，同時(shí)收緊拉爪。為了防止發(fā)生甘蔗根莖滑脫現(xiàn)象，拉爪頭設(shè)計(jì)為勾狀。為了更可靠地將甘蔗根拔出來(lái)，起拔桿末端設(shè)計(jì)成錐狀。

2.2.2 材料選擇 參考文獻(xiàn)［5］第62頁(yè)表5－1。幾種傳動(dòng)螺紋中梯形螺紋是最常用的傳動(dòng)螺紋，梯形螺紋牙型為等腰梯形，牙形角梯形α＝30°螺紋的內(nèi)外螺紋以錐面貼緊不易松動(dòng)，工藝性好，壓根強(qiáng)度高，對(duì)中性好。故螺桿選用梯形螺紋。螺桿材料選用40Cr，其力學(xué)性能為：抗拉強(qiáng)度極限σb＝685 MPa，屈服強(qiáng)度極限σs＝490 MPa。

2.2.3 自鎖條件 螺桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)會(huì)保留自鎖性要求，以避免事故發(fā)生。由于螺桿材料選用40Cr，由參考文獻(xiàn)［5］可知，鋼對(duì)青銅的摩擦系數(shù)f＝0.09，已知梯形螺紋牙型角α＝30°，β＝α／2＝15°，自鎖條件為ψ≤φv，其中：ψ 為螺紋升角，簡(jiǎn)稱螺旋升角；φv為當(dāng)量摩擦角。經(jīng)驗(yàn)算，拉拔器滿足自鎖性要求。

圖2 拉拔器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Figure 2 Drawing machine structure diagram

3 其它部件

在拉拔過(guò)程中，滑輪起著省力和支撐鋼絲繩并為其導(dǎo)向的多重作用，因此，要求滑輪具有一定的強(qiáng)度。由參考文獻(xiàn)［6］可知，可用灰鑄鐵或者Q235材料制造滑輪。由于甘蔗田間地面不平，因此設(shè)計(jì)4個(gè)小車(chē)輪可以旋轉(zhuǎn)45°，便于在甘蔗田間行走。通常甘蔗田間的壟溝深度為40 cm，為避免碰到石塊等障礙物，小車(chē)輪的直徑設(shè)計(jì)為50 cm。

4 結(jié)論

本小型甘蔗根起拔機(jī)，適用于地形復(fù)雜、連片種植少、不適于采用大型拖拉機(jī)處理甘蔗根的蔗田地，解決了人工挖除強(qiáng)度大等問(wèn)題。該機(jī)械的特點(diǎn)是小型化，便于攜帶，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，改善了先前起拔機(jī)械存在笨重、操作復(fù)雜等不足。本設(shè)計(jì)在工作過(guò)程中需要兩個(gè)勞動(dòng)力合作，在一定程度上影響工作效率。因此，要進(jìn)一步研究并實(shí)現(xiàn)該小型甘蔗根起拔機(jī)的自動(dòng)套環(huán)，實(shí)現(xiàn)一人操作，提高工作效率。

1 李明，黃暉，鄧干然，等.甘蔗收獲機(jī)械的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展分析［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械，2008（1）：24～26.

2 何根元，符風(fēng)梅.海南甘蔗可持續(xù)發(fā)展研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（36）：20 995～20 996.

3 李怡，張國(guó)忠，周勇，等.棉稈田間起拔力測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（18）：43～50.

4 趙文才，公衍峰，袁玉龍.大型蕓豆起拔機(jī)的研究與設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2008（10）：89～90.

5 濮良貴，陳國(guó)定，吳立言.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.第九版.北京：高等教育出版社，2013.

6 聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.第五版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.