小型农用收割机的机械设计

任务书题 目 小型农用收割机的机械设计 1、本论文的目的、意义收割机是用来割倒麦、稻等作物，并将其禾杆铺放在田间的谷物收获机械。目前的收割机主要应用于平原地区的农作物的大面积收割。而针对四川等丘陵地区、面向农户家庭的小型收割机却较少，而且收割质量不高。因此根据目前农用市场的需求，提出了小型农用收割机的设计。要求：完成对收割机行走、收割和脱粒机构的设计。设计的整机重量应小于 200kg,功率小于 6 马力，割副为 1.0m,并能较好地完成农作物的收割任务。2、学生应完成的任务（1）收集有关收割机及其相关机构设计方面的资料。学习掌握收割机械行走、收割和脱粒三大机构的基本运行原理。并据此提出各部分机构及总体设计方案。 （2）根据提出的机构方案，细化机构的设计。 （3）在提出的机构方案的基础上，根据给定的技术指标完成各大机构中的关键零部件的设计。 （4）完成具有规定格式的设计说明书（不少于 15000 字）一份。提交收割机总体的设计方案图纸3、论文各部分内容及时间分配：（共 17 周）第一部分查阅、搜集相关资料，对资料进行分析、整理。 (3 周) 第二部分基础知识的学习；包括机械原理、机械设计的相关知识，对现有收割机的结构和工作原理有一定的了解。 (3 周) 第三部分完成收割机总体方案和行走、收割及脱粒机构及其关键部件的设计，并给出总体结构布置的图纸。 (6 周)第四部分完成设计说明书。 (2 周) 评阅及答辩 (2 周)摘 要我国是农业大国，水稻的机械化收获对水稻种植是十分重要的，水稻联合收割机是实现水稻机械化收割的重要工具，而水稻联合收割机的小型化、微型化是南方山区、丘陵地区实现农业机械化的关键。因此，研究小型水稻农用收割机具有重要的意义。梳脱式小型农用收割机是利用特殊的梳脱台对作物穗头部分进行脱粒和分离处理的收获工艺。低功耗、高效率、清选干净、分离损失低等优点正被科研人员和用户所关注。本文对梳脱式小型农用收割机的工作流程及总体结构进行了论述，通过对梳脱方式的理论分析，得出影响收割机工作性能的主要参数和结构特点。分析梳脱台的结构参数和运动参数对收获损失的影响；确定机器的主要结构参数和运动参数；计算梳脱滚筒的离地高度和压禾鼻的相对位置；分析梳脱滚筒的角速度和机器前进速度对收获损失的影响。本文对现有的收割机做了大量的总结，并借鉴了先进的收获工艺，比如梳脱工艺，往复式切割器等。并对现有收割机的结构做了改进，省去了清选装置，从而减小了机身的体积和重量；同时采用摩托车的发动机和轮圈，比较符合小型化的设计理念，具有良好的市场前景。本文的设计结果能达到设计的基本要求。关键词：农用机械 ；梳脱收获 ；小功率 AbstractChina is a large agricultural country, the mechanization of rice harvest of rice cultivation is very important, Rice Combine mechanized rice harvest is to achieve an important tool for rice combine harvesters and the small, micro and the South mountain, hilly region of agricultural mechanization Key. Therefore, the study of small rice farm harvester is of great significance.Stripping small-farm harvesters is the use of special stripping Taiwan of parts of threshing grain processing and separation of the harvest. Low-power、 high efficiency、clean-elections、 separation and low loss advantages of being researchers and users of concern.In this paper, the stripping of small agricultural harvesters workflow and the overall structure of the exposition through the means of stripping the theoretical analysis, that affect the performance of the harvester main parameters and structural characteristics. Stripping Taiwan of the structural parameters and motion parameters of the impact of harvest losses. Determine the parameters of the main structure of machinery and motion parameters. Stripping roller calculate the height of the pressure nose and the relative position. Stripping of the angular velocity of drum machines and forward speed on the impact of harvest losses.In this paper, the existing harvesters had done a lot of summing up and draw on advanced harvesting techniques, such as stripping, reciprocating cutting knives. Combine the existing structure and made improvements, eliminating a cleaning device, thereby reducing the volume and quality of the fuselage, while the use of motorcycle engines and wheels, compared with the design concept, has good market prospects. I can achieve the results the design of the basic design requirements. key words：Agricultural machinery ；Stripping harvest ；Small Power目 录第 1 章 绪论 111 研究目的和意义 112 国内外梳脱式收割机的研究概况 213 本论文的主要研究内容 41.3.1 本设计的意义 41.3.2 本设计的成果及要求 4第 2 章 作物脱粒过程的理论分析 521 作物喂入和脱粒过程的分析 52. 2 抽出阶段速度与加速度的分析 62. 3 抽出过程中作物所受打击次数的分析 92. 4 梳脱装置的工作原理及参数分析 102.4.1 梳脱台的工作原理 102.4.2 梳齿的运动轨迹及运动方程 112.4.3 梳脱滚筒气体流场的形成和流场效应 112.4.4 压禾鼻高度 h 的影响 142.4.5 喂入口水平开度 B 的影响 142.4.6 滚筒中心高度 H 的影响 152.4.7 蜗壳渐开形状及排风的影响 162. 5 往复式切刀的参数分析 162.5.1 刀片几何形状的分析与设计 162.5.2 切割器功率计算分析 18第 3 章 梳脱式小型农用收割机的总体设计 193. 1 技术关键与技术路线 193.1.1 技术关键 193.1.2 技术路线和方案 193.2 总体设计与分析 203.2.1 收割机技术特点及参数设计 203.2.2 总体结构 203.2.3 梳脱收获工艺流程 22第 4 章 功率计算及发动机的选择 234. 1 梳脱滚筒的功率计算 234. 2 复脱装置的功率计算 234. 3 行走机构的功率计算 244. 4 发动机的选择 244.4.1 本设计收割机的总功率的计算 244.4.2 发动机机型的确定 25第 5 章 收割机关键部件的设计 265. 1 梳脱装置的设计与计算 265.1.1 梳脱滚筒的设计与计算 265.1.2 梳齿的设计与计算 275.1.3 压禾鼻 h 的确定 275. 2 茎杆处理的设计 285.2.1 茎杆的处理方案 285.2.2 往复式切割器的设计 285. 3 复脱装置的设计 295. 4 行走装置的设计 315.4.1 收割机行走装置的工作原理 315.4.2 行走轮圈的设计 32第 6 章 总结与展望 336. 1 总结 336. 2 展望 34致谢 35参考文献 36第 1 章 绪论1.1 研究目的和意义谷物联合收割机是粮食生产过程中的主要机具之一，在收获作业中处于十分重要的地位。目前我国小麦机械化收获水平已经达到 70%，而与之相比，大部分地区水稻机械化收获呈现出发展速度较慢、整体水平仍然偏低的基本态势，机械化收获面积仅为总种植面积的 18%左右。这一问题的形成主要与水稻机械化收获难度较大，作业环境、作物形态十分复杂，关键技术较难突破，缺乏先进、适用的技术和机具相关。我国水稻的播种面积和产量分别占到谷物总面积和总产量的 34%和 44%，是我国种植面积最大和总产量最高的粮食作物，因此水稻机械收获技术和机具问题一旦得到有效的解决，必将为我国今后农业机械化发展打开一个巨大的应用空间。谷物联合收割机一般采取全喂入和半喂入这两种喂入收获工艺。目前，我国的稻麦联合收割机多为全喂入型，该类机型用于小麦收割效果较好。但收割水稻时，水稻叶青籽茂、含水率高、籽粒带芒，谷物和茎秆混合在一起流动性差，给后续分离和清选造成很大困难，易造成凹板堵塞，滚筒缠草，脱出物成团状，谷物和茎秆不易分离，动力消耗大，损失增加等一系列的问题，有的机具收获损失率达到 5%-10%甚至更多。半喂入式联合收割机作业性能较好，但由于存在结构复杂，制造工艺要求高，售价高等原因，受到目前农村经济水平的制约，较难普及推广。为了解决传统联合收割机收获工艺存在的问题，提高联合收割机的生产效率、可靠性、经济性，函待开发一种新型换代产品。因此，割前脱粒收获工艺的出现为人们所关注，梳脱式谷物联合收割机的研究开发也就成为当今国际农机界迅速发展的前沿技术，它将是联合收割机发展史上的一次技术革命。梳脱收割机收获的机理给机械化收获技术带来了光明的前景，这种收获工艺的显著特征是梳脱台将处于田间自然生长状态下的作物籽粒从其茎秆上直接梳脱下来，梳脱物料中主要是籽粒、断穗头和少量短茎叶，使复脱清选装置的处理量大为减少，工作效率得以充分发挥。由于茎秆不进入脱粒滚筒，因打击、搓揉茎秆而做的无用功也相应减少，降低了机器的功率消耗。最终使整机的作业质量和使用可靠性大为提高。梳脱收获方式的另一特点还在于弥补了传统全喂入式联合收割机在收割水稻时脱粒不完全、分离不干净的问题。也克服了传统半喂入式联合收割机结构复杂，造价昂贵，使用经济性较差的缺点。因此，梳脱收获方式成为水稻收获的一种有效的途径。在国内外引起了广泛的重视和研究，梳脱式谷物联合收割机作为一种较为理想的换代产品,有着广阔的市场前景。针对于我国盆地丘陵地区谷物的种植环境,一般的联合收割机很难进行收割。盆地丘陵谷物的种植面积小,地势不平坦,并带有一定坡度,十分不利于现有的大中型联合收割机的收割。所以现在盆地丘陵地区的农业机械化程度相当低,农民的劳动强度非常大。为了能满足盆地丘陵地区农民对谷物进行机械化收割，市场急需一种小型的收割机的出现，这种小型收割机不仅结构简单小巧、收割效率好，还应该价格便宜、操作方便。综合现有收割机的收获特点，设计一种小功率的梳脱式农用收割机具有很好的社会生产价值。这种收割机继承了梳脱式收割机的脱粒优点，还能广泛应用于盆地丘陵地区的谷物收割。12 国内外梳脱式收割机的研究概况梳脱式收割机在国外研究较早，研究历史较长。第二次世界大战后，国外一些研究机构就开始对其进行研究，其中包括前苏联、英国、菲律宾、澳大利亚等国都曾先后从事过这方面的研究工作12。前苏联农机研究院在 20 世纪 80 年代初进行了研究，发明了旋转滚筒梳脱装置，依靠梳脱齿与作物的相对运动脱下作物的穗头部分，并向后抛扔。在试验中发现，当作物穗幅差较大时，矮作物的谷粒前抛现象严重，过高作物不能进入梳脱腔，损失剧增，而前苏联的作物倒伏较多，单滚筒梳脱装置不适应倒伏作物的收获。后经多年研究，研制了双滚筒型梳脱装置，喂入轮和梳脱滚筒作前后配置，喂入轮较高，两者的转动方向相反，作物在两个滚筒的间隙中梳脱，滚筒旋转产生的气流对梳脱下的物料有较好的辅助输送作用3。英国西尔索研究所(SRI) 20 世纪 80 年代中期采用梳脱收获方法，研制出装有板齿滚筒脱粒装置的梳脱台，该滚筒脱粒装置在一个蜗壳下旋转实现梳脱作业。在滚筒和蜗壳的联合作用下，主喂入口产生了较强的负压气流场，在这种气流下梳脱下来的物料飞溅损失大大减少并利于向后输送。1986-1987 年的田间试验结果表明，采用该装置可显著提高机器的作业效率，降低分离损失，又能利用原有联合收割机的底盘，互换性好，易于形成商品，代表着未来收获工艺的发展趋势之一。从 1990 年起，英国的 ShelbourneReynolds Engineering 工程公司购买了该项技术，将新型收获装置作为各种传统型联合收割机的附件开始进行商业化生产，替换了全喂入联合收割机割台。菲律宾国际水稻所(IRRI)从 1989 年开始与英国西尔索研究所 (SRI)合作，致力于开发适合东南亚地区水稻收获的梳脱式收割机，旨在为发展中国家提供一种新型水稻收割机。经过几年的研究，先后开发了第一代 SG450 型梳脱收集型机具，该机采用分段收获方式，首先梳脱收割机将水稻籽粒或穗头梳刷下来装在收集箱内，再送到另一台与之相配套的脱粒机上进行复脱，需配备较多人力，效率低。1994 年该所研制出第二代 ST600 产品则采用了联合作业形式。我国梳脱式收割机的研究己有较长历史，早在上世纪 50 年代，国内不少收获机械专家和企业家就对梳脱原理产生了浓厚兴趣，北京、浙江、广东、黑龙江等省就开始了这项研究，但都没能解决梳脱滚筒落粒损失高的问题，研究工作处于徘徊状态。由于田间直接脱粒收获工艺的强大吸引力，才使研究工作没有完全停止，许多学者一直在进行着不懈的探索和研究，努力将这一原理应用于实际生产，但因为梳脱损失率高或机具结构过于复杂而未能取得成功。上世纪 80 年代初国家科委曾下达科研项目，由浙江省天台县和浙江农业大学合作进行专门研究，他们在国内首先采用吸风机配合弓齿滚筒来解决籽粒飞溅损失大的问题，割前脱粒式联合收割机研究初见端倪。随着研究的深入，发现机器对作物的适应性差，存在喂入口处经常发生堵塞而无法正常工作的现象。东北农业大学以蒋亦元教授为主的课题组从上世纪 70 年代中期就开展了割前脱粒的研究工作，经过多年的研究先后研制成带式割前脱粒收获机和 4GQT-1800 型自走式水稻割前脱粒收获机4，机具主要由仿形扶禾器、割前脱粒装置、气流吸运系统、复脱分离装置和清选机等组成，该机在减少谷粒损失，降低谷粒破碎方面具有突出优点，机器作业时不仅避免了籽粒飞溅，而且对倒伏作物有一定的扶起作用。但气吸沉积装置体积较大，耗功较多。存在不能实现一次完成脱粒、割草联合作业的缺点和不足，设计机型距实用化尚有一定距离。1992 年中国农机研究院为了对梳脱原理和梳脱装置结构的探讨，研制了一台梳脱式试验台并进行相关试验。1993 年设计试制了一台与泰山 25 型拖拉机配套的悬挂梳脱联合收割机，该机采用单滚筒与搅龙组合的方案，能较好完成梳脱作业，复脱部分考虑了脱下物料中籽粒含量多的特点，采用柔和的轴流复脱滚筒，清选部件采用风筛组合式结构。近几年来在梳脱联合收割机的研发上，还有南京农业机械化研究所、山东工程学院、江苏理工大学，华南农业大学、广东省农机研究所，福建省机械科学研究院等单位相继从事这一研究工作，不同程度地取得了一些有价值的成果。13 本论文的主要研究内容1.3.1 本设计的意义从国外试验和研究的报道上来看，对于梳脱式谷物收割机的研究，英、俄国技术适应性广，工作可靠，生产率高，适于大面积作业。但由于存在谷脱粒损失偏高、谷粒损伤较大、梳脱台的前伸量大、重量大以及难以在联合收割机的行走装置前安装茎秆切割装置，实现一次完成脱粒、切割联合作业的缺点，其机型在我国目前生产经营规模条件下难以直接应用。国内目前研究的梳脱式收割机尚未达到实用化的要求，主要问题有:（1）梳脱台的纵向尺寸长，体积及重量过大，较难适应我国南方小田块的作业要求。（2）梳脱方式与茎秆处理联合作业方案有待进一步探索。（3）复脱清选处理不符合梳脱高效作业的要求。梳脱式小型农用收割机因其结构小、重量轻、收割便捷、市场价格比较便宜，能广泛进入农民家庭，具有很好的市场前景。1.3.2 本设计的成果及要求本课题设计的目标是设计一种能用于盆地丘陵地区谷物收割的梳脱式小型农用收割机。本设计应达到以下几个方面：（1）结构简单小巧，重量应小于 200kg，割幅 1.0m。（2）稻麦收获效果好，收割操作简单。（3）对稻麦茎杆的处理要求切割，侧向铺放。第 2 章 作物脱粒过程的理论分析梳脱式收割机收获是利用谷物在田间的自然生长状态，直接将谷粒从穗头或茎秆上梳脱下来，然后对梳脱下来的混合物(包括籽粒、茎叶和谷物壳等 )进行复脱、分离和清选，从而获得清洁的谷粒。梳脱装置是梳脱收割机的关键部件，主要由梳脱滚筒、压禾鼻和上蜗壳等组成。梳脱滚筒上装有 8 排梳脱板齿，板齿与滚筒径向成一定的角度。工作时，梳脱滚筒随机器前进，同时作顺时针转动，梳脱板齿首先与谷物茎秆接触，然后沿谷物茎秆逐渐运动到谷物穗头，将谷粒从穗头或茎秆上梳脱下来，梳脱下来的物料被抛向梳脱台后方。21 作物喂入和脱粒过程的分析作物喂入、脱粒过程可分为三个阶段:恢复直立状态阶段、穗头被喂入脱粒间隙阶段和作物从脱粒间隙中抽出阶段3。图 2-1 为脱粒过程图:梳脱板齿H滚筒中心高度 h作物高度 V行走速度 Vtt 时刻根部水平位置 图 2-1 脱粒过程示意图当作物与压禾鼻后端的倾斜角度为 a1，此时根部位于 P1 处，此后，作物在自身弹性恢复力和气流吸附力的联合作用下进入齿板齿间开始进行脱粒，此时作物茎秆倾斜角度为 a2，作物根部位于 P2，此阶段称为恢复直立状态阶段。作物穗部在气流吸力、自身惯性力和板齿的冲击、在联合作用下被迅速地拖入板齿间进行脱粒。随着板齿间隙的不断减少，作物受到越来越来强的梳刷作用，当到达板齿根部脱粒的圆孔时，大部分籽粒都可以被脱下，脱粒过程基本完成，此过程称为喂入脱粒阶段。作物穗部进入板齿根部脱粒孔后，随着作物根部的相对后移，拉动作物穗部自下而上沿着齿根圆周向下移动，直至抽出。当脱粒抽出结束时，作物茎秆倾斜角度为 a4 作物根部位于 P4，此过程称为抽出阶段。上述三个过程就构成了作物的喂入、脱粒和抽出的全过程。梳脱式收获充分利用了作物自身在田间的自然生长状态，大大降低了收割所需要的功率。2. 2 抽出阶段速度与加速度的分析设抽出阶段开始时作物根部位于处 3p，茎秆倾斜倾角为 3，穗头部位于齿根圆周处 3C。在 t时刻作物根部移到 P 点处，穗头部位于 C 处，作物茎秆倾角为 , OC 与铅垂线的夹角为 ，D 点为作物与齿根圆切点。当抽出阶段结束时根部位于 P4，穗头部位于 C4，同时也是作物与齿根圆的切点35。设作物高度为 h，梳脱滚筒中心高度为 H, l为作物根部到切点的长度， l为穗头顶端到切点(即缠绕于齿根圆上的作物 )的长度，根据几何关系有 :作物根部到切点 D 的距离为 :cosinHrl 缠绕在滚筒上作物的长度为: cosinrlhl对应的圆心角为: cosilHrr此时 C 点所在的位置若以角度来表示则为 : csinhrr(2-1)由图 2-1 所示三角关系可得: costan(1in)Hvtr(2-2)由式(2-2) 得 2 2cos cos(1)inindrdHrttrtt(2-3)由式(2-3) 得:sin(si1)(cos)vt Hr整理得: cos()sinrHvtr两边求 a 对时间 t 的导数:sins()si0ddtrvt tin()cossivdtrtH(2-4)将(2-4)式代入 (2-3)得: 2 2ssincos(1) (1)in()coiinrvHrdtt t 若 C 点所在的位置用线速度表示则为: 2si cos1()cosininvr rurdtrtHr 2sincocosisivrrt（2-5）加速度 a 则为： 2sincoscosi induvdHrrtrtHt 2cos inincossiHdvtrt 整理得： 2222 sincoscosinsinci sinvHrvtdrHavtvt rvt 2(sics)osoinrrvt （2-6）由于 a 和 /dt都是时间 t 的函数，因此需要确定抽出阶段所经历的时间区限。设抽出过程结束时作物茎秆的倾角为 4，则当 4时， lh，因此有如下关系式:4cosinHrh则：42 2arcsiarcsinHrhh由式(2-4) 可得出 : 1o1sitant rv 将 3和 4分别代入上式可得抽出阶段的起始和结束时间 33 3cos11sintanHrt rv 44 4cssitart rv 抽出时间： 3443 34coscos1 insitantanHrrtt rv （2-7）由上述分析可见:抽出速度 u 与前进速度 V、梳脱滚筒高度 H、板齿齿根半径 r，及作物与齿根切点 D 位置有关。抽出速度 u 越小，脱粒时间越短，落粒的损失越小;反之抽出速度 u 越大，脱粒时间越长，落粒的损失越大。因此在收割机的设计时应该控制抽出速度，减小脱粒损失。2. 3 抽出过程中作物所受打击次数的分析谷物在抽出过程中所获得打击次数与脱净程度有直接关系，设作物在抽出过程中所获得的打击次数为 N，则：860nt其中:系数 8 为滚筒上安装的板齿排数 ;n 为转速（ /minr） 。将t 的表达式代入上式可得打击次数为：34 34coscos8 sini60tantanHrrNrv 由上述分析可见：打击次数 N 与速度 V 成反比，与转速 n 成正比。所以当机器作业速度增加时，为了获得同样的打击次数，需按相应比例增加转速。在注意在收割机作业时控制好作业速度和梳脱滚筒的转速。2.4 梳脱装置的工作原理及参数分析2.4.1 梳脱台的工作原理梳脱装置的工作过程如图 2-2 所示:作物在压禾鼻的引导下进入梳脱滚筒的作用区域，利用高速旋转的梳脱元件对作物穗头进行梳刷，梳脱下的物料获得初速度后，在惯性力和气体流场的作用下，沿上蜗壳的内壁向后抛入输送搅龙中。1.压禾鼻 2.梳脱滚筒 3.二次回收装置 4.上蜗壳 5.输送搅龙 6.脱粒机架 7.输送槽图 2-2 梳脱台工作原理2.4.2 梳齿的运动轨迹及运动方程假设机器的前进是匀速直线运动，前进速度为 V，梳脱滚筒的旋转角速度 恒定，梳齿圆周速度为 sV。每一梳齿只在其所在的垂直平面内运动。梳脱台工作时，梳齿的运动可分解为随联合收割机作向前的水平直线运动和梳齿围绕梳脱滚筒中心所作的回转运动。所以梳齿上任何一点的运动是上述二种运动的合成。其上任一点的运动轨迹为余摆线，如图 2-3 所示。显然，该轨迹的形状取决于梳齿的圆周速度 sV与机器前进速度V 的比值: s。图 2-3 不同 值时梳齿的运动轨迹显然 不同，梳齿的运动轨迹也不同，即收割效率也大不相同。若 1 时，则线环宽度为零，这时不能起到拨禾的作用。因此在设计收割机的梳脱滚筒时要根据收割情况确定 值，一般取 1.52。2.4.3 梳脱滚筒气体流场的形成和流场效应当梳脱滚筒高速旋转时，在梳齿的煽动下，周围的气体在无障碍物的情况下作环流运动，如图2-4 所示。设某处流线的曲率半径为 r，速度为 v，而弧微分 nd可认为等 r，因此，可以得到：0dvr，或dv积分后得到： lnllnvrC，即Vr。式中 C积分常数。图 2-4 梳脱滚筒无罩壳转动时的气体环流示意图由此结果可知，气流速度随着中心距离的减小而增加。在忽略粘性的条件下，可用伯努力方程来进行压力 p 分布计算： 221CKvr（2-8）式中: 空气密度，K常数上式(2-8) 表明，随着远离中心，动压力21v迅速减小，而静压力增加得相当快。这一流场效应对滚筒周围的物料有向心吸引力，因而滚筒在旋转时对禾秆具有抽吸能力。在梳脱滚筒上方加蜗壳后，由于蜗壳相对于滚筒的不对称性，使气体流场发生很大变化7。在梳脱滚筒运转过程中，机器同时在空地上行走，由于梳脱滚筒的筒体为完全封闭的柱体，导致气流只能由 A1 口进，A2 口出，这时气体流线大致如图 2-5 所示，滚筒下部环流气体与迎面而来的气流交汇而产生压力差，使气流在喂入口 A1 的外部形成涡旋。在工作过程中来自前部的气流被作物“墙”挡住，这时的气体流场示意图如图 2-6 所示。图 2-5 梳脱滚筒工作时气流场示意图图 2-6 空地上行走时气流的运动假设气体在梳脱滚筒内的流动为定常流动，根据物质守恒定律，气体流动应具有连续性8，因此有:12Av常数(2-9)式中:A1, v1 分别为喂入口处的截面积及该截面上气体的平均速度;A2, v2 分别为出口处的截面积及该截面上气体的平均速度。减少梳脱过程中前部的籽粒飞溅损失，应适当增大喂入口处的气流速度 v1 即应使 v1 v2，或使A1 A2，由伯努力定理，有 p1 p2。速度头的增大和压力头的减小便使得喂入口处对物料产生抽吸作用，从而使梳齿在速度垂直向上点以下梳脱的籽粒能够被吸入罩壳腔内。根据实验测量，此处的气流速度通常应达到 58 m/s。但该流速也不宜过高，否则，势必要增大上蜗壳和出风口的尺寸来降低出口速度，造成结构庞大。由上述分析可得：为了适当提高喂入口处的风速是减少梳脱台梳脱损失率的关键之一，而控制喂入口尺寸尤为重要。2.4.4 压禾鼻高度 h 的影响压禾鼻垂直高度 h 是指压禾鼻到梳脱滚筒水平中心线的垂直距离。压禾鼻的高度应随作物的自然高度作调整，压禾鼻的高度过高或过低，都将造成梳脱台产生大量的飞溅损失，压禾鼻过高也会造成回带损失。保持其它参数不变，只改变压禾鼻垂直高度的一个因子，对回带和飞溅损失的影响如表 2-1 所示。压禾鼻的端点在滚筒中心线上下一定范围内变化时，对飞溅损失和回带损失影响均比较小;压禾鼻端点位置提升到中心线以上 40mm 时，飞溅损失特别是回带损失会随着该端点位置的提高而迅速增加。收获直立状态的作物，最佳压禾鼻的高度一般在滚筒水平中心线以上 15mm 左右。收获倒伏作物时，视其倒伏程度相应降低压禾鼻的高度以减少前抛损失，这一点对收获逆向倒伏作物时尤为重要。表 2-1 压禾鼻高度对收获损失率的影响压禾鼻高度 /hm飞溅损失率 1y/ 回带损失率 2/%y落粒总损失率/y说明40 0.38 0.45 0.8315 0.32 0.40 0.72-20 0.28 0.37 0.650.5/mvsD8B4Hn0/ir2.4.5 喂入口水平开度 B 的影响喂入口水平开度 B 指压禾鼻内壁与梳齿齿尖圆之间的距离，作物穗部顺利进入喂入口脱粒，一是靠梳齿的抓取作用，二是靠喂入口吸气流的作用。这两种作用和喂入口的水平开度相关，喂入口开度过大时，梳齿有可能抓不到作物穗部，造成漏脱或脱不净的损失;同时喂入口气流速度降低吸力变小，造成掉粒的损失;蜗壳内流场效应减弱，造成回带的损失。喂入口开度过小，喂入不顺畅，未能进入喂入口的部分穗头在喂入口外脱粒造成飞溅的损失。保持其它参数不变，只改变喂入口水平开度的一个因子，喂入口水平开度对损失率影响结果如表 2-2 所示。表 2-2 喂入口水平开度对收获损失率的影响喂入口水平开度/Bm飞溅损失率 1y/ 回带损失率 2/%y落粒总损失率/y65 0.43 0.31 0.7480 0.42 0.37 0.79说 明 0.5/mvsD1h4Hn80/ir110 0.40 0.48 0.88由上述分析可得：选择适当的喂入口开度十分重要，选择不适当对损失的影响十分明显。最佳水平开度与作物密度、机器前进速度(相对喂入量) 有关。一般开度选为 70110mm。2.4.6 滚筒中心高度 H 的影响保持其它参数不变，只改变滚筒中心高度的一个因子，对回带和飞溅损失的影响结果如表 2-3 所示。表 2-3 滚筒中心高度对收获损失率的影响滚筒中心高度 /m飞溅损失率 1y/ 回带损失率 2/%y落粒总损失率/y500 0.42 0.27 0.69550 0.37 0.29 0.66600 0.47 0.32 0.79说明 0.5/mvsD1h8Bn0/ir滚筒中心高度 H 对回带损失的影响较小，而对前飞溅损失影响较大。当滚筒中心高度逐渐升高时，损失也随之增大，这主要是由前端压禾鼻喂入口处的飞溅造成。此外，当滚筒中心高度 H压得过低时，作物被压禾鼻严重压弯而导致籽粒被碰落以及梳脱滚筒回带损失增加。由上述分析可得：建立最佳的脱粒位置可以使机器梳齿在作业时将禾秆上的籽粒完全脱净，减少脱不净的损失，这就要求梳脱滚筒的中心工作高度需在一定的范围内。2.4.7 蜗壳渐开形状及排风的影响蜗壳渐开形状影响喂入口气体流速、蜗壳空间的气体流场强度和籽粒流向。合理的蜗壳渐开形状可减小梳脱的损失率。渐开度过大，流场效应减弱，回带损失增加，喂入口吸力降低，掉粒损失增加;渐开度过小，在相对喂入量大的情况下回带损失增加明显，蜗壳尾部排风顺畅与否十分关键，排风顺畅，可提高流场效应，减少损失，在结构允许的情况下尽可能增加排风截面积。2.5 往复式切刀的参数分析 往复式切割器是联合收割机的主要组成部分，在联合收割机中广泛应用。往复式切割器的工作原理是通过曲柄连杆机构、将圆周运动转变成刀杆的往复运动、作物在动刀片和定刀片之间进行切割14。往复式切割器主要由曲柄、连杆、动刀杆、动刀片、定刀片、护刃器等组成，如图2-7 所示。它具有结构简单，适应性较广等特点，但刀片的切割角的大小，对切割质量有较大的影响。此外，由于工作时曲柄转速高，惯性力大，使机器产生振动而影响零部件的使用寿命和工作质量。同时在切割时，由于振动时茎杆的倾斜和晃动，对部分易落粒的作物产生落粒损失，对于粗茎杆作物，由于切割时间长和茎秆有多次切割现象，出现割茬不够整齐等现象，因此必须对刀片和切割器进行研究。1.定刀片 2.压刃器 3.护刃器 4.动刀片 5.连杆 6.曲柄图 2-7 往复式切割器2.5.1 刀片几何形状的分析与设计往复式切割器是将作物茎秆夹持在动、定刀片之间进行剪切的。动刀片的几何形状对切割器的工作可靠性和功率消耗有较大的影响。动刀片的结构参数如图 28 所示，当刀片宽度 a 一定时，切割角 a 是决定刀片刃部高度的主要参数，也是影响切割阻力的重要因素。试验表明切割角 a增大，则切割阻力减小，当 a 角由 15增至 4时，切割阻力将减小一半。减小阻力的原因主要有两方面:一是由于切割角 a 增加时，使刀片对茎秆的滑动速度 v，亦增大(因为 1sinv)，二是因为 a 增加时，刀刃沿运动方向切入茎秆的切角 ri变小如图 2-8 所示。但 a 角过大时，将引起茎秆在动、定刀片的夹持中的不稳定(从剪口向前滑出)，切割不可靠。为此，以茎秆被刀片夹住为前提对 a 角的确定进行如下分析:由图 2-9 可看出，茎秆在动刀片及定刀片的夹持中，在两刀刃的接触点对茎秆有正压力 1N , 2N和摩擦力 1F, 2 ( 11Ntg， 22Ftg)。如用 1R表示 与 F 的合力，用 2R表示1的合力，用 R表示 与 2的合力，则茎秆被夹住的条件为:两刃口作用于茎秆的合力 1与2必在同一直线上。AB 图 2-8 刀片的主要参数图 2-9 夹持茎秆受力分析从图 2-9 中的三角形 OAB 可看出：12式中 动刀片对茎秆的摩擦角； 2定刀片对茎秆的摩擦角从四边形 OACB 中看出： 2OACB因为 ，所以可得出茎秆被夹住的基本条件： 12式中 动刀片的切割角； 定刀片的切割角2.5.2 切割器功率计算分析切割器功率，包括:切割功率 gN和空转功率 k两部分。即 gkNV机器前进速度(m/s);B机器割幅(m)0L切割每平方米面积的茎秆所需功率（ 2m/)。经测定:割小麦 0为 100200，割牧草 0L为 200300 2/N 。kN大小与切割器的安装技术状态有关，一般每米割幅所需空转功率为 0. 61. 1 KW。第 3 章 梳脱式小型农用收割机的总体设计传统意义上的收获方式是以全喂入和半喂入式联合收割机为主，其收获工艺是将作物先切割下来，再将作物籽粒及茎秆一同喂入脱粒装置进行脱粒、清选。这样工作部件负荷大，尤其是收获高产水稻时，极易造成堵塞，脱粒不净，总损失率较高。梳脱式小型农用收割机采用一种新型的收获工艺，其原理不同于传统大型联合收割机，它在割断作物茎秆之前充分利用了土壤对作物根部的夹持作用，直接将谷粒和少量的穗头梳脱下来，然后通过复脱装置和清选装置进行复脱和清选，从而减少复脱装置用于粉碎茎秆的功率消耗，减轻了脱粒清选的工作负担。梳脱式小型农用收割机省去了半喂入式收割机复杂的立式夹持输送割台和夹持脱粒机构，简化了整机结构，降低了制造成本，提高了工作效率及可靠性。3. 1 技术关键与技术路线3.1.1 技术关键根据我国山区丘陵稻谷种植情况，需要攻克的技术关键有:（1）采用梳脱式小型收割机的收获工艺，以攻克现有全喂入联合收割机收割水稻难于解决的夹带损失大、总损失高、性能差、功效低的技术难点。（2）研究能适用于山区丘陵地区稻麦收获的梳脱装置，确定其最佳的结构参数和运动参数，降低飞溅损失和回带损失。（3）研究茎秆处理的方案，实现梳脱作业和茎秆处理的联合作业，使其作业流程与现行的稻麦收获工艺衔接。（4）优化总体布局，实现小功率、小结构，操作简单方便。3.1.2 技术路线和方案根据以上所提出的研究内容和关键技术，采取研究的技术路线和方案为:（1）研究谷物梳脱过程的运动规律，分析梳脱装置的结构参数、运动参数对梳脱性能的影响。（2）在符合我国传统稻麦收获习惯的基础上，考虑保持完整茎秆的切割侧向铺放。（3）简化复脱清选装置，达到山区丘陵小型农用收割的要求，充分利用农户的风波进行清选。 （4）采用轮胎式行走方式，简化整机结构，达到行走方便操作简单的目的。（5）合理选择一款功率不大于 6 马力的汽油机以及动力驱动液压系统。3. 2 总体设计与分析3.2.1 收割机技术特点及参数设计整机重量: 200Kg外型尺寸: 150m210m长 宽 高配套动力:5KW割幅:1000mm作业效率:0. 61 亩/h适应范围:550mm1000mm( 作物高度)倒伏角: 0割茬高度范围:100mm250mm总损失率： 2.5%含杂率: 20%破碎率： 0.5行走速度： 0.5/ms耗油量： 1L亩3.2.2 总体结构根据我国山区丘陵地区田地的自然条件、谷物种植环境、经济水平，开发既与现行的稻麦收获工艺衔接，又符合传统的收割习惯，并且具有显著的技术经济优势，还能适应湿软田地作业、整机工作性能可靠的小型农用手扶梳脱式收割机。1.压禾鼻 2.梳脱筒外壳 3.梳脱滚筒 4.梳脱板齿 5.发动机6.储油箱 7.输送链 8.输送链轮 9.复脱滚筒 10.垂直搅龙11.换档杆 12.扶手 13.离合器 14.粮仓 15.行走后轮6.行走前轮 17.切割器 18.输送搅龙 19.风机图 3-1 总体结构图小型农用手扶梳脱式收割机是以匹配功率为 5kW 的摩托车发动机为动力，在田间能一次性进行梳脱、茎秆切割、输送、复脱、和装袋等联合作业。小型农用手扶梳脱式收割机总体结构见图3-1 所示。全机主要是梳脱装置、茎秆切割装置、输送装置、复脱分离装置、粮箱、液压系统、传动系统、操纵系统、动力装置和行走装置等组成。梳脱装置由悬挂支臂及液压油缸挂接在机组前方，它主要由梳脱滚筒、蜗壳、压禾鼻、梳脱输送搅龙等组成;梳脱滚筒主要由 8 排梳齿构成，工作时梳脱滚筒作高速旋转，利用梳齿对穗头的梳刷、冲击作用，将籽粒从禾秆上梳脱下来。然后利用梳齿高速旋转所产生的气流和籽粒的惯性力，将梳脱下的籽粒送至梳脱台输送搅龙。茎秆切割处理装置采用新设计的立式割台切割器，由悬挂架及液压油缸挂接在梳脱装置后下方。机器作业时，梳脱后的茎秆经往复式切割器切割后横向输送到机器的一侧排出。输送槽位于收割机的左侧、前端与梳脱台相联接，后端挂接在复脱装置机架上，输送槽主要由输送槽架、主动链轮、被动链轮、输送链、齿耙、橡胶刮板等组成。复脱分离装置与底盘机架相连接，固定在机架后上方。主要由复脱滚筒、凹板筛、滚筒盖、垂直搅龙等组成。行走底盘主要由发动机、液压无级变速器、行走带轮、机架、行走轮圈、液压转向系统组成。3.2.3 梳脱收获工艺流程小型农用手扶梳脱式收割机的收获工作过程简述如下，机器在田间作业时，作物在压禾鼻、分禾器的引导下进入梳脱滚筒作用区域内，此时梳脱滚筒按顺时针作高速旋转，其上的 8 排梳板齿自穗头颈部以下梳刷至穗头顶端。在梳刷冲击作用下，作物上的谷粒及少部分穗头被梳刷下来并获得初速度，这些物料在惯性力和梳脱滚筒旋转所产生的气流场作用下，沿上蜗壳的内壁向后抛送落入梳脱台搅龙。梳脱后的茎秆被茎秆切割装置切断，经横向输送从机器的一侧排出，并整齐铺放;与此同时梳脱台搅龙将梳脱物料 (籽粒、短茎秆及少量茎叶)送到输送槽入口，由倾斜的输送槽将其升运到复脱分离装置内;在复脱滚筒钉齿打击和揉搓下，谷粒被进一步脱粒并分离;脱粒分离后的谷粒连同部分颖壳和小茎秆穿过凹板落下，谷粒落到垂直搅龙内，经出谷搅龙输送至粮箱，待粮箱装满后即可停车卸粮。从而完成梳脱、茎秆切割、输送、复脱、分离和装袋等联合收获作业的全过程。第 4 章 功率计算及发动机的选择4.1 梳脱滚筒的功率计算梳脱滚筒所耗功率可以用公式（41）近似计算: 10mPBvNkw（41）式中：P梳脱滚筒单位宽度的切向阻力，一般 40/PNm，1梳脱滚筒宽度(m)； sv梳脱滚筒圆周速度( s)。由本设计的收割机技术参数要求有： 1B=1.0m, sv=3 /；所以,梳脱滚筒所耗功率:1403.12Nkw4.2 复脱装置的功率计算复脱装置在工作中的功率消耗在两个方面： 滚筒空转功率消耗，亦称为无用功率 1L，它包括轴承内摩擦和空气对滚筒旋转的阻力所消耗的功率。它与滚筒的转速 如下的关系:312LAB(4-2)式(5-2)中， A 为表示轴承摩擦所形成的阻力矩，在轴承种类、传动方式和滚筒重量有关，一般取2(.964)10Nm, 2与滚筒转动的迎风面大小有关，一般为3.8s。所以，23316510.28Lkw根据测定，一般空转功率耗用约占滚筒功率耗用的 5-7%或更大，这取决于滚筒的形式。脱粒的有效功率 2，它是直接消耗在脱粒工作上的。因为谷物通过凹板和滚筒间隙的时间极为短促，一般说可以看作带有打击的性质，速度的变化也是急剧的。由脱粒筒的功率计算公式可得： 2012sSvLPf（4-3）式（4-3）中： 0为实际喂入量； 1sv为滚筒圆周速度； f为谷物经过凹板时的摩擦系数。根据第四章对梳脱滚筒的梳脱量的计算可得 0.98S3m；圆周速度 13/svm；摩擦系数 f0.6。所以，220.983.0516Lkw复脱滚筒的功率 22.8.2.48NLkw4.3 行走机构的功率计算行走机构所耗功率主要是用于行走过程中克服摩擦阻力做功，可得计算公式如下： mMgfv（4-4）式（4-4）中，M 为机器质量； g 为重力加速度； f为与地面的摩擦阻力，V 为行走速度。由设计要求可知： 20k； 9.8/Nkg； 0.5f带入式（4-4 ）中得：33209.8510.Nw4.4 发动机的选择发动机是为机器作业提供动力的，选择合适的发动机能保证机器的正常运作，同时能节约燃油，达到最高的能量利用率。4.4.1 本设计收割机的总功率的计算通过上一节对收割机三大运动部件运作的功率计算，可以大致计算出收割机工作的总功率 123.64Nkw。为了保证收割机能在很湿软的田地进行收获，本收割机的发动机功率确定为 5，满足设计要求功率不超过 6 马力。4.4.2 发动机机型的确定结合结构设计需要，所选发动机应满足体积小巧、结构紧凑。因为本设计是小功率的农用收割机，所以确定在摩托车发动机里选择。摩托车发动机的体积小、价格便宜，这不仅降低生产成本，也便于售后的维修。参考众多摩托车发动机，川龙牌摩托车发动机（型号 CL152FMH）符合设计要求。其参数如表 4-1：表 4-1 川龙牌摩托车发动机技术参数形式 单缸、自然风冷 排量124ml缸径行程 52.455.5 mm 标准功率及相应转速5.0/8000kw/（r/min）最大扭矩及相应转速7.0/6000/minNr 最低空载稳定转速150/inr最低燃油消耗率 367gkwh润滑方式 压力、飞溅复合式点火方式 CDI 启动方式 脚起动或电起动离合方式 双离合 变速方式