釀酒葡萄收獲機收集輸送裝置的設計與理論分析

黨永強，李成松，楊蘭濤，何 苗，朱新月，徐 亭

(石河子大學 機械電氣工程學院/農業部西北農業裝備重點實驗室，新疆 石河子 832003)

0 引言

新疆土地資源豐富，氣候條件得天獨厚，光照充分，晝夜溫差大，有利于葡萄營養成分酚類物質和單寧等一些有效成分的積累[1]，非常利于釀酒葡萄的生長。目前，釀酒葡萄已成為農民增收的有效途徑[2]。隨著新疆農業產業結構的調整，葡萄的種植面積逐年增加[3]，但其收獲方式主要依靠人工，存在勞動強度大、效率低、采收費用高，且葡萄成熟期與棉花、辣椒等經濟作物相近，雇工困難，易錯過釀酒葡萄的最佳收獲時期而影響其品質等問題[4]，因此釀酒葡萄的機械化收獲是葡萄產業未來發展的必然趨勢。

由于國內外釀酒葡萄種植模式和栽培特點存在一定差異，國外收獲機械不適用于國內釀酒葡萄的機械化收獲[5]。石河子大學機械電氣工程學院研發了4PZ-1型自走式釀酒葡萄收獲機[6]，致力于推動國內葡萄種植業的發展，提高種植戶收益。收集輸送裝置是釀酒葡萄收獲機的重要組成部分，主要用于將振落的葡萄粒收集并輸送至料箱，其工作性能的好壞直接影響到整機的工作性能[7]。鑒于原有的葡萄收獲機體積過大，導致整機換行作業困難，本文設計了一種基于圓環輸送鏈的釀酒葡萄收獲機收集輸送裝置，旨在減小釀酒葡萄收集輸送裝置的空間結構，為釀酒葡萄收獲機的繼續研發提供支持。

1 設計方案與工作原理

1.1 設計方案

本設計采用鏈輪與圓環鏈配合傳動的方式，具有結構簡單、傳力大、傳動比準確、經濟耐用和維修保養容易等特點[8]，可實現釀酒葡萄收獲機收集輸送裝置的靈活傳動。

釀酒葡萄收集輸送裝置由收集輸送部分和驅動部分兩部分組成，如圖1所示。收集輸送部分主要由導軌、戽斗、擋板、出料口、圓環輸送鏈等組成；驅動部分主要由鏈輪、雙排滾子鏈、驅動馬達等組成。

1.2 工作原理

工作時，收獲機騎跨在葡萄行上進行作業，收集輸送裝置的導軌分布在葡萄藤兩側，導軌上分布著柔性戽斗。為滿足工作需要，底部導軌平行向內側收縮，底部戽斗相互嚙合，形成密閉底部。工作過程中，振動分離裝置振落的大部分葡萄粒及雜質在重力的作用下直接落入下方戽斗內，其余葡萄粒經下滑板滑入底部戽斗內。驅動部分鏈輪在液壓馬達的驅動下帶動圓環鏈運動，裝有葡萄的戽斗在圓環鏈的帶動下以順時針方向轉動，在頂部擋板、兩側擋板及后擋板的貼合護送下將釀酒葡萄顆粒輸送至出料口，從而進入料箱，最終完成葡萄粒收集輸送的單個工作循環。

2 關鍵部件的設計

2.1 戽斗

相對于傳送帶式輸送機構，斗式輸送機構所占用的空間尺寸比較小，工作效果較好[9]，因此該裝置選用斗式輸送方式。

戽斗長期的擠壓和拉伸變形會影響其使用壽命，為緩沖戽斗的擠壓力或拉伸力，將戽斗尾部設計成裙式。如圖2所示：戽斗保持原有的三角形形狀，自前端頂點向下傾斜，葡萄粒落入三角形區域后滾落至長方形區域中[10]。因工作時戽斗緊貼葡萄藤作業，為保證戽斗不刮傷葡萄植株且自身不被損傷，其應具有一定彈性和耐摩性。因此，該設計中戽斗采用食用型聚氨基甲酸酯材料[11]。

1.導軌 2.戽斗 3.鏈輪 4.從動軸 5.從動鏈輪 6.雙排滾子鏈 7.主動鏈輪 8.驅動馬達 9.頂部擋板 10.出料口 11.出料口橡膠接頭 12.兩側擋板 13.后擋板 14.下滑板 15.圓環鏈 16.導輪 17.走輪 18.上壓板 19.連接板 20.下壓板圖1 釀酒葡萄收獲機收集輸送裝置結構

圖2 戽斗結構

如圖3所示：戽斗安裝時，通過螺栓與連接板連接，連接板固定在圓環鏈上，圓環鏈由上壓板和下壓板通過螺栓夾緊。連接板上布置有行走輪和導向輪，協助圓環鏈在導軌內做循環運動，將戽斗內收集的葡萄顆粒送至料箱。行走輪和導向輪采用尼龍材料以減少軌道內的摩擦和沖擊，且避免因長期與葡萄汁接觸而引發的腐蝕現象[12]。

2.2 導軌

圓環鏈能在輸送導軌的較小半徑轉彎處平穩通過，輸送導軌設計為由直段、傾斜段及多個圓弧段構成，如圖4所示。導軌可利用多個圓弧段縮短輸送路線，減小收集輸送裝置的體積，提高其結構緊湊性[13]。

1.螺栓 2.下壓板 3.圓環鏈 4.上壓板 5.螺母 6.導輪 7.行走輪 8.連接板 9.戽斗圖3 戽斗安裝示意圖

圖4 導軌結構

導軌選用4mm厚鋼板，截面尺寸如圖5所示。其中，截面長90mm，寬60mm，開口寬度為22mm。底部導軌長度的設計由振動采收裝置采收區域的長度決定，而采收區域的長度取決于振動裝置中肋條長度，因此，確定導軌底部直段長度為2 000mm[14]。設計圓弧段的最小轉彎半徑為300mm，相比雙鉸接鏈輸送方式，該導軌轉彎半徑減小50%，極大地縮短了裝置的空間結構。

圖5 導軌截面

導軌的安裝高度應保證落下的葡萄顆粒全部被收集[15]。在設計安裝時，導軌的最低高度，即底部導軌距地面的豎直高度應低于葡萄串的最低高度500 mm[16]。

2.3 圓環鏈

圓環鏈的選擇不合理，將會增加圓環鏈動力損失，加速圓環鏈磨損，并造成圓環鏈斷裂現象[17]，如圖6所示。為保證工作過程中圓環鏈與鏈輪嚙合良好，運行平穩，確定圓環鏈的規格為Φ10×40-C級，最外寬34mm，鏈條節距40mm。圓環鏈采用合金鋼20CrMo，并經調質和表面硬化處理[18]。

圖6 圓環鏈結構

2.4 鏈輪

工作過程中，鏈輪需承受較大的靜載荷和動載荷[19]。因此，需對鏈輪主要結構尺寸進行設計。其尺寸計算如下：

選擇鏈輪齒數z=17，則鏈輪節距角為

(1)

鏈輪節圓直徑為

(2)

式中p—圓環鏈鏈條節距(mm)，p=40;

d—圓環鏈鏈條直徑(mm)，d=10。

根據生產的需要，鏈輪的實際節圓直徑應略大于其理論值，設計其尺寸為D0= 435 mm。

鏈輪的外徑為

Dg=D0+2d=455mm

(3)

立環立槽的直徑為

(4)

其中，Δ代表的是鏈條對應的值，選擇Δ=26mm；b為圓環鏈的最大外寬，b=34mm。

在設計過程中，考慮到鏈齒的承載能力,采用縮短齒高的方法，所以取Df=370mm。立環立槽寬為

n=d+δ=14mm

(5)

其中，δ為鏈條的對應值，選擇δ=4mm。

齒根圓弧半徑為

R1=0.5n=7mm

(6)

鏈窩長度為

L=1.075p+2d=63mm

(7)

鏈輪中心至鏈窩底平面的距離為

取整為H=212 mm，則鏈窩中心距離為

A=1.075p+d=53mm

(9)

短齒齒厚為

(10)

取整為W=38mm。

為增加鏈齒的承載能力，則有

W=38+12=50mm

(11)

齒形圓弧半徑為

R2=p-1.5d=25mm

(12)

立環槽圓弧半徑為

R3=0.5d=5mm

(13)

端齒根部圓弧半徑為

R4=0.5d=5mm

(14)

綜上計算結果，對鏈輪進行三維數字化建模，如圖7所示。

圖7 鏈輪結構

3 圓環鏈與鏈輪嚙合理論分析

3.1 嚙合過程

如圖8所示：收集輸送裝置工作時，圓環鏈的平環與驅動鏈輪嚙合，立環與相鄰的平環連接[20]。鏈輪在液壓馬達的帶動下，以角速度ω逆時針旋轉,帶動與之嚙合的圓環鏈以大小相同、方向相反的速度轉動[21]。該運動可等同于鏈輪處于靜止的條件下，圓環鏈在拉力F的作用下以角速度ω順時針轉動。圓環鏈鏈環1、2、3的圓環接觸中心分別為O1″、O2″、O3″，如圖8(a)所示。鏈環1以O1″為圓心的圓環與鏈輪剛嚙合時，鏈環2與3同時以O1″為圓心順時針旋轉，直到鏈環3以O2″為圓心的圓環面與鏈輪曲面接觸。如圖8(b)所示：鏈環1和2與鏈輪完成嚙合過程，而鏈環3則以O2″點為中心順時針旋轉至與鏈輪接觸，從而實現下一組鏈環與鏈輪的嚙合。此時，鏈環3的O3″點已經隨著旋轉進入如圖8(c)所示的位置，完成鏈環1、2、3與鏈輪的嚙合過程。鏈輪依次與鏈環接觸，完成運動及動力傳遞過程[22]。

(a)

(b)

(c)圖8 嚙合過程

3.2 嚙合力

工作過程中，鏈輪通過與鏈環嚙合傳遞動力，其傳遞力可視為鏈輪與鏈環所有接觸力的合力[23]。

(15)

其中，α是N與F之間的銳角夾角；f是鏈環之間摩擦因數。

由式(15)可解得，在tanα≤f的情況下，鏈輪與圓環鏈才能順利嚙合，不發生爬齒現象。則有

α≤tan-1f

(16)

由式(16)可知：曲面A在所有嚙合點的法線與嚙合平環節距方向之間的夾角α，都小于或者等于 tan-1f，且α角度越小情況下，嚙合越穩定。鏈輪非承載曲面B接觸點的法線方向與嚙合平環節距方向夾角α≥tan-1f將使得脫鏈更加容易。

綜上所述，鏈窩曲面上任意一點的法線與X軸的夾角α在小于或等于tan-1f的情況下，鏈輪與鏈環可以順利嚙合，不發生爬齒現象。

圖9 平面接觸受力圖

4 結論

設計了一種釀酒葡萄收獲機收集輸送裝置，可實現釀酒葡萄粒的收集與輸送作業。該裝置采用鏈輪帶動圓環鏈的輸送方式，有效縮短了輸送路線，減小了裝置的結構尺寸。戽斗尾部設計為裙式，有效減緩了戽斗的變形。對圓環鏈與鏈輪嚙合過程和嚙合力進行了分析，確定了鏈輪不發生爬齒現象的條件。研究為釀酒葡萄收獲機的繼續研發提供理論基礎和技術支撐。