草地蝗蟲吸捕機的改進設計與試驗

鄧喜全，杜文亮，陳　偉，劉廣碩，政東紅

(內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特　010018)

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草地蝗蟲吸捕機的改進設計與試驗

鄧喜全，杜文亮，陳偉，劉廣碩，政東紅

(內蒙古農業大學 機電工程學院，呼和浩特010018)

摘要：為進一步提高草地蝗蟲吸捕機的性能，在內蒙古農業大學機電工程學院研制的3CHX18型草地蝗蟲吸捕機基礎上，對相應工作單元進行了改進設計。將風機動力源由拖拉機動力輸出軸驅動改為柴油機直接驅動的獨立動力傳動型式，提高了機組傳動效率和運行的機動性能；同時，將卸料口改進為一種螺旋輸出卸料結構，使卸料更方便、快捷。樣機試驗表明：機組作業安全可靠，傳動效率達97.6%，吸吹口氣流達到目標速度，卸料裝置能連續穩定輸出物料，機器整體性能得到進一步提升。

關鍵詞：蝗蟲；吸捕機；草地；動力源

0引言

蝗蟲屬于節肢動物門、昆蟲綱、直翅目、蝗科，是典型的植食性昆蟲[1]，具有暴發性、遷飛性和毀滅性等特點。蝗災是危害農牧業生產安全的世界性重大生物災害，歷史上蝗災頻繁發生，與水災、旱災并稱為“三大自然災害”，曾給人民生活造成過深重災難。草原蝗蟲是草原上的主要害蟲，每年都有大量的牧草被啃食，加劇了草畜的不平衡，給農牧業生產造成不可估量的損失。

草地蝗蟲吸捕機是一種采用物理方法防治草原蝗蟲的新型植保機械，治理成本較低，不受草原氣候的影響，不污染環境，幾乎不摧殘蝗蟲天敵，維護草原生態的良性循環，實現了對草原蝗蟲的無毒無害化捕集治理。同時，捕集的蝗蟲還可作為家禽的飼料，推動草原蝗蟲資源的進一步利用[2-3]。針對目前草地蝗蟲吸捕機存在的機動性能差、卸料不方便等問題，在調查研究和實物觀察的基礎上，對現有機器進行了改進設計與試驗。

1存在的主要問題分析

1.1原有蝗蟲吸捕機的工作過程

草地蝗蟲吸捕機的工作過程是利用JDT654拖拉機的動力輸出軸作為動力源，通過PTO傳動軸和中間萬向節傳動軸帶動變速箱提高轉速，變速箱再將動力經過V帶傳遞給離心通風機(以下簡稱風機)；風機產生連續不斷的負壓氣流，并借助蝗蟲在聲像、氣流等干擾下所具有的跳躍、躲避特性，在行走中對蝗蟲進行吸入捕集，吸入的蝗蟲在沉降室的作用下沉降于底部[4]；卸料時，將沉降室底部卸料口各螺栓拆卸，打開料門裝袋收集。蝗蟲吸捕機的結構如圖1所示。

1.離心通風機　2.中間萬向節傳動軸　3.卸料口　4.變速箱　5.V帶

1.2存在主要問題分析

1)風機轉速由拖拉機油門控制，在實地試驗時很難協調吹吸口氣流速度和機器前進速度，影響機器前進速度和工作效率。

2)由于整機轉向受PTO傳動軸影響，拖拉機牽引草地蝗蟲吸捕機工作時轉彎受到一定的限制，機動性較差。

3)動力在傳遞過程中，中間傳動過程能量損失多，且使用、安裝費時費力。

4)沉降室底部的料門用多個螺栓連接，需松開螺栓才能完成卸料，使用不便，并容易導致蝗蟲逃逸。

分析以上問題，擬將原風機動力源由拖拉機動力輸出軸驅動型式改為自帶獨立動力傳動型式；同時，改進卸料口結構，以方便卸料。

2關鍵部件的設計

2.1動力源的改進設計

將原機部分動力傳動部件拆除，在原來變速箱的位置安裝柴油機，直接帶動風機轉動。改進后要求吸風口的氣流速度最小達14m/s，吹風口氣流速度大于等于吸風口氣流速度且其差值不大于3m/s[5]。

2.1.1動力選擇及傳動系統設計

風機的工作參數:額定功率13kW，轉速2 020r/min，風量5 567～7 740m3/h。考慮到功率儲備，實際選用的柴油機參數如表1所示。

表1　柴油機參數

風機的功率比較大，柴油機在啟動、關閉過程中空載，需安裝一套空載啟動裝置。考慮機器的整體性，風機的轉向與柴油機轉向相匹配，初步確定動力傳動系統的總體方案如下：柴油機通過離合器，經過V帶，帶動風機轉動，如圖2所示。

1.柴油機　2.離合器　3.V帶　4.風機　5.機架

為了在傳動中實現動力自動離合，選用一種離心式飛輪離合器，其結構簡單、運行可靠，如圖3所示。離合器直接與柴油機飛輪通過螺栓連接，其可傳遞功率為15kW，帶輪直徑240mm，則

式中n1—風機轉速(r/min)；

d1—風機皮帶輪直徑(mm)；

n2—柴油機轉速(r/min)；

d2—離合器帶輪直徑(mm)。

風機皮帶輪直徑為176mm, 根據傳動比計算得柴油機轉速n2=1 481r/min，小于柴油機在80%標定轉速時的轉速，滿足使用要求。

圖3　離心式飛輪離合器

2.1.2起動系統

柴油機安裝位置不宜手啟動，為了方便機器的使用，采用電啟動柴油機，因此需要電瓶作為電源。根據起動機的型號，選配相應的電瓶參數，如表2所示。

表2　電瓶參數

連接導線、開關、電閘等部件，根據接線圖(見圖4)及電路原理圖(見圖5)，經過實物安裝并連接柴油機起動系統后，如圖6所示。

圖4　接線圖

圖5　電路原理圖

圖6　起動系統

2.1.3配套拖拉機動力的選擇

改進后機器不用動力輸出軸驅動風機，需保證拖拉機在合適的機器作業速度范圍內發揮足夠的牽引力及牽引功率，以克服配套機器的行走阻力, 并要留有10%～20%的功率儲備，以適應機器短期阻力增大[6]，則有

FTb≥(1.1～1.2)Fn

Fn=Ff

Ff=fmg

式中PTb—拖拉機標定牽引功率(kW)；

FTb—拖拉機標定牽引力(kN)；

Fn—機器的平均牽引力(N)；

Ff—機器滾動阻力(N)；

v—實際作業速度(km/h)；

m—機器總質量(kg)；

f—滾動阻力系數。

樣機工作時總質量m≈1 500kg,機器在草地上滾動阻力系數f=0.07，g=10m/s2, 機器其它阻力忽略不計，實際作業最大速度v=12km/h。故計算得：PTb≥5kW，FTb≥1.5kN。

以SF350拖拉機為參考，在前進速度為1.86km/h時標定的最大牽引功率、最大牽引力分別為19.5kW、10.5kN。當功率一定時，拖拉機牽引力與速度成反比，計算當機器最大作業速度為12km/h時拖拉機的牽引力為1.6kN大于所需牽引力1.5kN,因此選取配套拖拉機動力為25.7kW以上。

2.2卸料口的改進設計

在原來卸料部位加裝一套螺旋輸出卸料裝置，使操作者可以在外側直接卸料。考慮到整機的氣流流動，需保證卸料裝置的密封性。

2.2.1螺旋輸出卸料裝置

螺旋輸出卸料裝置主要由輸送器葉片、手輪、螺旋軸、機殼、軸承及料門等部件組成，如圖7所示。工作時，物料從進料口進入，當轉動手輪帶動轉軸轉動時，物料受到螺旋葉片推力的作用。該推力的徑向分力和葉片對物料的摩擦力，將使物料繞軸轉動；但由于物料本身的重力和料槽對物料的摩擦力的緣故，不與螺旋葉片一起旋轉，而在葉片法向推力的軸向分力作用下，沿著料槽軸向移動[7]，并從出料口散落。

圖7　螺旋輸出卸料裝置

2.2.2螺旋葉片的選擇

在螺旋輸出卸料裝置中，螺旋葉片的選取尤為重要。根據實際生產和材料的選取，選擇輸送器葉片的尺寸為190mm×60mm×3mm(輸送器葉片外直徑×輸送器軸徑×厚度), 輸送器葉片的螺距t為160mm。

輸送物料名稱為蝗蟲，其具體參數如下：

卸料時間/min：3～5

物料容重γ/kg·m-3：396.42

螺旋輸送機水平放置。螺旋輸送器的生產率(推運量)Q為

式中D—輸送器葉片外直徑(mm)；

λ—輸送器葉片與外殼間隙(mm)；

d—輸送器葉片內直徑(輸送器軸徑)(mm)；

t—輸送器葉片螺距(mm)；

n—輸送器轉速(r/min)；

ψ—蝗蟲的充滿系數；

C—輸送器傾斜輸送系數。

輸送器葉片采用實體螺旋面，C=1，λ=5mm， ψ=0.25[8],基于人機工程學計算搖動輸送器的轉速n大概為50r/min。故計算出生產率(推運量)Q≈0.3kg/s。

在實際工作中一次收集蝗蟲Q總≈60kg時需要進行卸料，則一次卸料時間T為

因此，T滿足要求。

3試驗結果與分析

3.1試驗設備

樣機一臺，型號3CHX18；光電式轉速表，型號DT-2234B，精確度±0.05%，分辨率1r/min(1 000～99 999r/min)；熱球式風速儀，型號QDF-3，分辨率0.01m/s，測量范圍0.05～30m/s,滿量程測量誤差±5%；計時器，型號XL-013。

圖8　轉速表

圖9　熱球式風速儀

3.2試驗條件

2014年11月24日，在呼和浩特市內蒙古農業大學機械廠進行了室外吸吹口氣流速度和螺旋輸出卸料裝置的試驗。當天天氣晴朗，溫度-2～3℃，微風小于3級，由于時間、地域限制沒有蝗蟲作為試驗材料，所以選用切碎的玉米秸稈替代。

3.3試驗過程及結果分析

試驗過程中，柴油機啟動系統工作正常，離心式飛輪離合器在機器啟動、關閉時可以實現空載，沒有打滑現象產生，整機運轉平穩、安全可靠。

計時器計時輸出切碎玉米秸稈試驗表明：螺旋輸出卸料裝置可以在4min內連續平穩地輸出80kg玉米秸稈，并沒有卡死等問題出現。

試驗時，考慮螺旋輸出卸料裝置可能會影響整機的密封性問題，首先不安裝此套裝置，將卸料口正常密封多次進行風速、轉速試驗，測得當柴油機轉速為1 313 r/min、風機轉速為1 748r/min時、吸吹口氣流速度，如表3所示。

表3　改進前吸吹口風速試驗

安裝螺旋輸出卸料裝置后，再次進行試驗，測得當柴油機轉速為1 372r/min、風機轉速1 826r/min時吸吹口氣流速度，如表4所示。

表4　改進后吸吹口風速試驗

續表4

根據風機相似原理，風機轉速與風量成正比關系。由吸風口平均氣流速度和對應風機轉速計算可得：安裝螺旋輸出卸料裝置后，大約有1.46% 的風量損失，但是吸吹口氣流速度仍能夠達到目標要求。實際工作中，當蝗蟲在沉降室底部不斷積累時，卸料口密封程度會進一步提高，進而風量的損失還會減小。

4結論與建議

1)風機動力源改進后用柴油機直接驅動代替拖拉機后動力輸出軸驅動，提高了機組的傳動效率和運行的機動性能，并且能夠滿足吸吹口氣流速度達到目標值。

2)卸料口改進后，安裝的螺旋輸出卸料裝置使卸料更方便、快捷。

3)介于季節原因，樣機沒有在實地中進行吸捕試驗，還需進一步實地測試。

參考文獻：

[1]趙偉.草地蝗蟲吸捕機吸頭改進及蝗蟲吸捕軌跡分析[D].呼和浩特：內蒙古農業大學,2008.

[2]劉建民.草地蝗蟲吸捕機吸嘴的設計及試驗研究[D]. 呼和浩特：內蒙古農業大學,2004.

[3]徐瑞清,周強,王書茂.蝗蟲災害的機械化捕集治理技術發展[J].農業機械學報,2005(11):171-173.

[4]康曉東.草地蝗蟲吸捕機吸捕特性參數的試驗研究[D]. 呼和浩特：內蒙古農業大學,2007.

[5]杜文亮,劉建民,趙衛東.草地蝗蟲吸捕機吹吸式吸嘴的試驗研究[J].農機化研究,2006(3):137-140.

[6]中國農業機械化科學研究院.農業機械設計手冊(下冊)[K].北京:中國農業科學技術出版社，2007:4-85.

[7]徐余偉.螺旋輸送機設計參數選擇[J].磚瓦世界,2008(7):32-37.

[8]王鐵流,郭曉梅,張青娥,等.螺旋輸送機螺旋體的有限元分析與優化設計[J].煤礦機械,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

文章編號：1003-188X(2016)02-0077-05

中圖分類號：S499

文獻標識碼：A

作者簡介：鄧喜全(1989-)，男，遼寧普蘭店人，碩士研究生，(E-mail)xiquandengyideng@163.com。通訊作者：杜文亮(1957-),男，內蒙古達拉特旗人，教授，博士生導師，(E-mail)duwl5711@vip.imau.edu.cn。

基金項目：國家自然科學基金項目(50265002)；內蒙古農業大學科技創新團隊項目(NDTD2013-6)

收稿日期：2015-01-29