平貝母收獲機反向升運器的設計與試驗

王　密 ， 莊衛東，宋　江

(黑龍江八一農墾大學 工程學院，黑龍江 大慶　163319 )

0　引言

平貝母為百合科貝母屬多年生草本植物平貝母(Fdtillaria ussuffensis Maxim的干燥鱗莖，又名平貝，為中國藥典收載品種[1],有清熱潤肺、止咳化痰的作用，為一種常用中藥，主產于黑龍江、吉林、遼寧省東部山區丘陵地帶，至今人工種植平貝母已經有40年多的歷史[2-3]。因其為藥農帶來了良好的經濟效益和廣闊的市場，日益受到人們的關注。我國平貝母的收獲過程基本上還是傳統的人工挖掘和細揀，然后再用篩子進行分離和清選，這種半機械化的收獲方式勞動強度大，生產效率低，往往不能在平貝母最佳收獲期完成收獲，致使中藥材種植的經濟效益下降[4]。

升運器是平貝母收獲機的關鍵部件，作用是將挖掘起的平貝母混合物升運到一定的高度，承接后續的篩分作業。目前，傳統地下作物升運器主要有桿條式升運器、皮帶式升運器及抖動鏈式升運器，如南京農業機械化研究所研制的鏈桿式升運器[5]、石河子大學研制的振動帶式升運器[6]、南京農業大學研制的篩鏈式升運器等[7]。以上升運器大都用于馬鈴薯等大塊莖地下作物[8-11]，不適宜平貝母升運作業。

課題組針對平貝母收獲的農藝要求，研制了一種皮帶式升運器，由主動輥、從動輥及輸送帶組成。為了增大貝土的輸送量，減小升運器占用空間，在輸送帶上布置了等距離的橫筋[12]，但存在平貝母種植地土壤粘濕、易進到主從動輥之間引起皮帶側滑等問題。為此，在本課題組研究的基礎上，設計了一種鏈條刮板式反向升運器，可有效避免升運過程中出現的堆土、打滑等問題。

1　升運器的結構及工作原理

鏈條式刮板反向升運器主要由刮板、主動軸、從動軸、鏈條及鏈輪等組成，如圖1所示。

1.主動軸　2.刮板　3.鏈條　4.托板　5.從動軸　6.鏈輪

工作時，挖掘鏟將0.04～0.05m的貝土混合物挖起，貝土隨著拖拉機的行進，土壤之間產生的推力作用使其流進升運器托板內；當鏈輪帶動刮板轉至與貝土接觸時，將其推至兩刮板之間形成的矩形槽內，繼而隨著托板的導向被推至篩分機構與升運機構之間的進料口處，完成貝土的升運工作。

2　升運器主要結構的設計

升運器是地下根莖類作物聯合收獲時將作物與土壤的混合物提升到一定高度的機構。鑒于地下工作情況復雜，常采用鏈式輸送，具有使用壽命長、工作效率高等特點。其主要參數包括升運器轉速、寬度及角度等[13]。

2.1　工作參數的設計

2.1.1升運器寬度的確定

平貝母幅寬和挖掘鏟寬度為1.2m，為了滿足收獲的工藝要求和平貝母收獲機的生產率要求[14-15]，在符合收獲機合理布局的前提下，確定升運器的寬度B=1.2m。

2.1.2升運器線速度的計算

圖2中剖面部分所示為收獲機最大喂入量時兩個刮板之間推送貝土的最大橫截面積。根據圖2中的幾何關系，得到升運器輸送量計算公式為

(1)

式中Q—升運器單位時間內的輸送量(m3/h)；

ν—升運器的線速度(m/h)；

h—刮板的高度(m)；

B—升運器寬度(m)；

θ—升運器傾角(°)；

α—平貝母混合物休止角(°)；

L—兩個刮板的間距(m)。

圖2　兩個刮板之間的最大貝土橫截面積

按平貝母最大喂入量計算，Q=13.75m3/h。根據挖掘鏟挖掘深度范圍為0.040.05m，確定刮板高度h=0.12m，兩刮板的間距L=0.2m，升運器傾角θ=45°，平貝母混合物休止角α=30°[16]。將已知量帶入式(1)，得升運器線速度v=0.26m/s。

2.1.3升運器角度的確定

利用MatLab軟件對升運器線速度、傾斜角度與拖拉機行進速度之間的關系進行處理后，如圖3所示。當拖拉機行走速度變化時，升運器線速度變化幅度相當明顯；而當升運器傾角變化時，其線速度變化幅度相對較小。

圖3　線速度與升運傾角和輸送量關系圖

根據收獲機械初步計劃生產率要求，將拖拉機行走速度最大定為1.8km/h，對應的線速度與升運傾角關系如圖4所示。隨著升運角度的增大，線速度呈線性增長，從中選取4組升運傾角與線速度的對應關系作為試驗指導，如表1所示。

圖4　線速度與升運傾角關系圖

升運傾角/(°)線速度/m·s-1升運傾角/(°)線速度/m·s-1350.52401.06451.60502.13

2.2　結構參數的設計

2.2.1升運器托板的設計

根據升運器寬度和每次挖掘平貝母混合物的高度，確定托板寬1.28m、高0.1m。為了增強托板強度，在其下方放上等間距的φ20圓鋼作為支撐，并將圓鋼固定在機架上，如圖5所示。圓鋼到托板底面的距離分別為0.07m和0.32m。

2.2.2升運器鏈輪的設計

查閱機械設計手冊[17]，計算得到升運器驅動鏈輪大小為136mm，從動鏈輪大小為109mm，齒數分別為23和17。根據鏈傳動的工作情況，為使結構緊湊和延長壽命，應盡量選取較小節距的單排鏈、12A號鏈子，鏈接數LP=102節，中心距α=776mm，鏈輪尺寸如表2所示。

圖5　升運器托板

名稱符號驅動鏈輪從動鏈輪分度圓直徑d136109齒頂圓直徑da135115齒根圓直徑df11596

2.2.3升運器刮板的設計

升運器刮板采用相互交錯的方式布置，總共有9組。隨著鏈條均布，由于挖掘鏟挖掘的深度為0.04～0.05m，則每個刮板寬0.67m。為了防止刮板與托板之間過度摩擦損壞托板，在每個刮板上固定了等寬度的膠皮。

2.3　主動軸的應力狀態分析及校核

2.3.1材料屬性及其邊界條件的設置

由于該升運器采用3條單排鏈，為了便于拆卸，將主動軸分成A、B兩段設計，然后用聯軸器連接。主動軸材料為45鋼，通過查閱機械設計手冊可得：材料密度為7 850kg/m3，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.269。

主動軸的約束位置及受力位置如圖6所示。F1=F2=530N，F3=F4=265N。

老年教育已經發展成為世界各國的一個共同的社會問題。發展老年教育并實現老年教育現代化，是應對老齡社會的一個重要舉措，與會代表就當前推進老年教育現代化的現狀展開探討，看到成效的同時也承認當前實現老年教育現代化存在的問題。

2.3.2主動軸的應力分析結果及校核

主動軸A段的應力分析結果如圖7所示。其中，最大應力為27.1MPa，位于軸的右端鍵槽處，遠遠小于材料的屈服強度235MPa，滿足設計要求。

圖6　主動軸約束及受力位置示意圖

圖7　主動軸A段的應力分布圖

主動軸B段的應力分析結果如圖8所示。其最大應力為12.5MPa，位于軸右端的軸肩處，遠遠小于材料的屈服強度235MPa，滿足設計要求。

圖8　主動軸B段的應力分布圖(Pa)

2.4　刮板的應力狀態分析及校核

2.4.1刮板受力分析

該刮板由推土角鋼和等寬度的膠皮組成，在應力狀態分析之前首先將膠皮看作剛性材料，由于貝土在刮板的推動下堆積，則刮板在推送貝土過程中所需的推動力P(即貝土對刮板的壓力)為

P=G·tanθ+K·F·l+Kp·G

(2)

式中G—兩刮板之間推送貝土質量(kg)；

θ—升運器傾角(°)；

K—土壤比阻，取K=30 000N/m2；

F—貝土的堆積面積(m2)；

l—刮板寬度(m)；

Kp—驅動系數，取KP=0.17。

由計算得貝土對刮板的壓力P=506.8N。

2.4.2材料屬性及其邊界條件的設置

刮板材料為Q235，通過查閱機械設計手冊可得：材料密度為7 850kg/m3，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.33。其約束位置位于刮板與鏈條連接孔處。

2.4.3刮板的應力和位移分析結果及校核

刮板的應力分析結果如圖9所示。其最大應力為123.7MPa，位于螺栓與刮板孔的連接處，小于材料的屈服強度235MPa；但該處應力相對較大，容易造成應力破壞，因此在樣機制作過程中應加強此處的連接強度。

圖9　刮板的應力分布圖(Pa)

刮板的位移變形云圖如圖10所示。其最大變形位于刮板中間部位，位移量為0.34×10-3m，相對于整個刮板其變形量很小，不會影響相鄰刮板的工作，可以忽略不計。

圖10　刮板的位移變形云圖(m)

3　對比試驗及結果分析

3.1　試驗設備及條件

本試驗具備裝有皮帶式升運器的平貝母收獲機1臺；裝有反向升運器的平貝母收獲機1臺；東方紅404拖拉機，功率為29.4kW，行進速度為1.6km/h。試驗地點為黑龍江省牡丹江市海林林業局，土壤類型為暗棕土壤和山地黑鈣土，質地疏松、透氣、透水性好，比較適宜平貝母的種植，也為樣機試驗提供了很好的條件。

3.2　試驗結果與分析

試驗結果對比如圖11所示。圖11中，首先讓拖拉機帶動平貝母收獲機運轉起來，30s后利用其液壓系統將收獲機降到合適的工作高度進行作業；然后測定相同時間內不同升運角度時升運器的輸送量，并記錄試驗結果。

圖11　試驗結果對比圖

結果表明：皮帶式升運器在20°～30°時升運效果較好，但存在明顯的堆土問題，且升運過程中出現物料滑落現象嚴重。鏈條刮板式反向升運器的最佳工作角度為40°～45°，升運過程中較穩定，不存在滑土現象，且單位時間內的輸送量是皮帶式升運器的2倍。由于升運角度的提高，可以有效減少升運裝置在整個收獲機中占用的空間。

4　結論

1)設計了一種鏈條刮板式反向升運器，通過計算確定了其結構參數和工作參數，并對兩代樣機進行了對比試驗。結果表明：該機構運行平穩，工作可靠，解決了升運器工作過程中出現的堆土和側滑等一系列問題。

2)利用Ansys軟件對主動軸和刮板進行有限元分析，其強度滿足工作要求，為后續平貝母收獲機的研制提供了理論依據。