【山药收获机设计8700字（论文）】

目录TOC\o"1-3"\h\u18904摘要 山药收获机设计摘要：山药是公认的无公害蔬菜和保健蔬菜，在我国具有悠久的栽培历史。它是深根植物，收获机时需要耗费大量的体力劳动和时间。目前国内山药收获机机械仍处于设计开发阶段，只是采用开沟机在山药边挖沟松土，还需要大量的人力参与作业，机械化程度很低。因此开发设计了一种能实现山药的自动出土、并能与土壤分离的收获机机，必将减轻农民劳动强度，提高山药的收获机效率，提升山药的品质和产值，从而促进产业化生产的发展。本文介绍了国内外收获机机机械发展概况，分析了收获机机机械研究现状，在此基础上，以山药收获机机为研究对象，进行了山药收获机机的收获机机装置设计，完成了收获机机装置总体方案和总体结构设计，进行了相关参数分析与计算，完成了传动机构、输送装置等主要零部件结构设计，完成了相关图纸的绘制。关键词：山药收获机机；收获机机装置；机械化1绪论1.1研究目的及意义随着科学技术和经济的快速发展，已经工业革命的相机展开，农村青壮年劳动力为了赚钱，相继进入工厂去打工，造成农业产品缺少劳动力进行收割生产。山药作为农业产品重要组成的一部分，山药作为季节性消耗食品，需要做到及时收获机，及时销售，并且在收获机过程中需要保证山药表面没有损坏。果蔬的收获机过程要消耗大量的人力，物力，收获机成本很高。我国山药收获机过程主要由人工完成，人工收获机效率低，并且会在收获机过程损坏果实表面。因此，研发山药自动收获机机势在必行，从而解放劳动力，并提高收获机效率、减少山药在收获机过程中的损坏。山药作为日常生活常见食品之一，由于其收获机过程中容易损坏，并且种植条件相对苛刻，因此完成了山药销售价格相对较高。截止目前为止，我国山药收获机主要以人工收获机为主，而人工收获机效率低，山药本身容易损坏，但是人工收获机能根据果实程度进行对果实分类处理。我国的山药收获机械化已进行了初步尝试，但大部分还处于机械开沟的初级阶段，依旧需要大量的人工劳动参与开挖和收获，不能满足家庭农场及专业合作社等经营主体的规模化种植需求。目前具有单一功能的开沟装置技术越来越成熟，种植户采用侧边开沟，人工辅助挖掘的收获方式也越来越广泛。然而，在侧边收获过程中，由于开沟距离选择的不合适，导致侧边土壤塌方致使山药出现折断和破损损伤的现象较为普遍。市场上目前还没有成型的适于山药高效收获的装备，因此，急需开发适宜山药高效收获的机械装备来解决目前面临的生产难题。项目研究和开发对于促进和提升我国大力实施的“脱贫攻坚”方略和“乡村振兴”战略具有重大意义，对于加速贫困区农户改善种植结构、带动农户脱贫致富、实现藏粮于技、藏粮于机、致富于农的顺利实现提供坚实的技术基础和装备保障。综上所述，研制山药收获机可以降低山药生成成本，增大山药生产效率。1.2长根茎类收获机机械技术发展与研究现状虽然长根茎类蔬菜机械化的收获机技术发展已经有多年的历史，但是人类历史上的最早的收割方式主要是气动振摇式和机械振摇式来将果实拧断获取果实，但是这种方式有很大的弊端，无法保证果蔬的完整性，并且耗时，效率比较低。虽然人们对种植进行了创新，借助一些工具进行收获机作业，但是仍然依靠借助劳动力，结合目前的情况，仍需要快速研发机器收获机。(1)国外研究现状国外从本世纪三十年代以来就对根茎类收获机机械进行钻研，如美、法、德、日本等些个先进国家均已研发出了不一样的收获机的机具，现已完成对根茎类作物的机械化收获机。比如，Italy研发的DRC-150型收获机机、日本生产的DCL-160型山药挖掘机以及美国的CourtesyofLillistonMfg.Co研发的花生粒收获机机。图1为美国研发的四行式大蒜联合采挖机，它的工作原理是把4个机具连接在了一块。图2为4S-65花生收获机机。图1四行切秧式大蒜联合收获机机图2为4S-65花生收获机机最近几年，国家对农业机械生产方面的能力逐渐重视起来，如果农民购买了农业用具，国家就会有补助的利民政策，于是就有相当多的收获机机被发明出来。这些机械中，一部分是用来挖掘大蒜的，一部分是用来收获机花生、土豆等短根茎类农作物的，但是，收获机长根茎类药材的机械却少之又少。前期这类药材的收获机是用一些简单的器具采挖，然后再让人工去收集，用人工挖这些长根茎类药物，需要挖到地下50cm左右，难度非常大。甘草、黄芪、沙蓬等中药材地下根的长度大都在50cm左右，目前国内收取方式主要有人工收取，部分地区采用改装犁挖掘收取或中药材挖掘机收取等。225个强健的劳动力才能收取1hm2的药材，收成效率低，人工损耗大。如果用耕具去挖掘和收集的话，不仅需要人为的去处理，而且耕种的深度需50cm左右，最后让人将挖松的药材根茎拔出。目前比较先进的根茎类中药材收获机机是由甘肃的临夏县所设计的ZW-180型采挖机，这个机械通过切割部件、栅条分离机构疏松泥土，把药材的根和茎与泥土所分开，再通过人为收集。但是它的缺点是动力损耗太大，药材的损失率高。葡萄收获机机如图1-2所示的葡萄收获机机，是由日本冈山大学研发并进行生产制造，如图所示的葡萄收获机机能够在葡萄地上进行匀速的运动并收获机葡萄，该葡萄收获机机末端执行器具有5个自由度，能做轻松的收获机不同位置的葡萄，更换不同的末端执行器能够实现不同的功能。图3葡萄收获机机国内研究现状我国机械制造业起步较晚，从而造成我国的农业收获机机技术稍微落后。我国最早出现的农业摘菜机器在1990年。自此之后，我国的研究生和各大高校以及相关企业都投入大量的经费进行农业收获机机的研究。如图1-3所示，是由陈怀民教授设计的收获机机结构简图，其主要由控制系统、行走系统、执行机构、传输机构等组成，该长根茎类收获机机末端执行器自由度也有5个，工作高度在3-5米。收获机速度是人工收获机速度的20倍左右。图4林木球果收获机机原理图2山药收获机机装置的总体方案设计2.2山药收获机机装置类型选择长根茎类收获机机装置方面的设计研发国外相对较国内较早，近些年国内针对不同地理位置的不同长根茎类收获机装置方面的研究也取得不同程度的成果。目前根据长根茎类与泥土分离的方法以及收装置驱动方式的不同，按照分离方式主要分为抓拉式以及吸附式等，而机械式、电动式、液压式和气压式是收获机机的不同驱动方式。目前看来，在长根茎类的收获机作业过程中，主要通过长根茎类收获机机的机械臂部位进行操作，简单来说，机器人利用类似于人类的手来拧断长根茎类的果枝或者是借助末端装置来切断果茎。但是这种末端装置需要对收获机长根茎类以及工作环境等等进行考虑。目前人们为了防止在收获机的过程中对收获机长根茎类造成碰伤等问题，都会对接触长根茎类的手指内侧进行通过尼龙或橡胶等材料进行特殊设计，与此同时会控制收获机时的手指数量，虽然手指数量越多收获机的效果越好，但实手指的控制系统也越反正，同时受工作环境影响也越大。因此对收获机机的末端设计时，需要综合考虑收获机果实特性、抓手手指数量、系统控制难度以及收获机率等。目前国外已经研制出多种无手指夹持的长根茎类收获机机，主要代表有荷兰农业研究人员开发的通过特殊电极迅速产生高温，完成长根茎类收获机，简称为电极切割法；日本研发的通过抓取长根茎类的果茎部分而无需接触收获机长根茎类本体，能很好的防止碰伤长根茎类；除此之外，果梗激光切断装置也能很好的防止碰伤长根茎类，除此之外，果梗激光切断装置也能很好的防止碰伤长根茎类，它则是由果梗聚焦剪切单元和激光控制单元所组成的，该长根茎类收获机机装置能很容易的完成长根茎类的果梗剪切，并且对长根茎类夹紧的控制力精度要求低以及装置的机构设计简单，但是技术要求相对较高。目前国内果园中己有的长根茎类收获机机装置或设备，大部分都是以割刀剪切收获机式、气力收获机式、机械化收获机式等。（1）收获机式主要使用于收获机长根茎类果蒂较结实的长根茎类，具有结构设计简单、携带方便及根据果农意愿直接控制收获机控制机构进行收获机等特性，但是存在收获机效率低、人工劳动强度大等缺点，主要使用小型树林果实或长根茎类高度较低的长根茎类收获机环境。气力收获机式是通过气压将长根茎类吸入到收集装置的柔性运输管道时，产生的冲击力或惯性力完成长根茎类和泥土的分离，由于吸入口与山药没有刚性接触，能很好的避免果实或果树由于操作造成碰撞，主要收获机方式主要用于小山药类型的果实的收获机。机械化收获机式是通过在收获机机器人末端安装简单的收获机工具，如手持刀、电动切割片等，来完成长根茎类的收获机操作，末端装置设计只能在收获机部分起到辅助作用，若遇到长根茎类生长在较高位置时便不容易达到收获机位，因此也会设计升降装置，来辅助收获机的着力点或收获机位置等，主要收获机方式可以运用不同高度的果实。不同长根茎类收获机机装置根据使用的环境以及收获机对象不同具有不同的特点，气压吸附式的收获机方式虽然具有收获机动作灵活、长根茎类定位要求较低，但是对吸附力控制要求较高，力度太小收获机失败，力度过大容易对果实或果山药造成较大伤害。抓拉收获机方式虽然机械结构设计简单、操作方便，但是容易对果实或果山药造成不同程度的伤害。剪切收获机方式虽然机械结构设计简单、操作方便，同时对果实或果山药造成伤害较小，但是对收获机长根茎类的定位要求较高。综上所示，本文设计的山药收获机机采用机械机构。2.3山药收获机机装置总体方案设计本文设计的长根茎类收获机机装置是针对山药这类长根茎类，因此设计的山药长根茎类收获机机装置需要具有如下特性：（1）本文设计的山药收获机机机械臂是主要采用工业常用的关节型机械臂，传统的工业机械臂由大臂、小臂、驱动电机等部分组成。（2）在山药收获机机的小臂设计中，增加一个收缩关节可以增加末端执行器的工作空间。山药收获机收获机机装置设备是基于机械手臂进行设计的山药长根茎类收获机装置，主要用于解决果农收获机高处或大面积的长根茎类的收获机工具，因其设备使用的特殊性，所以在进行收获机装置设计时，需要满足可靠操作性和经济适用性两个基本原则。（1）操作可靠性的原则：因为设计的山药收获机收获机机收获机机器人设备的使用者是文化水平以及技术能力较低的农民，大部分都不具有相关的机电知识和操作技术，因此设计的山药收获机收获机机收获机机器人设备必须具有操作简单和运行可靠等特性。（2）经济适用性的原则：在满足上述的操作简单且运行可靠的基础上，应该在满足使用功能的前提下，尽量控制制造成本，因为该类设备使用对象是果农，而果农大部分是以个体经营为主，因此必须要控制制造成本，若制造成本或维修费用过高，便很难进行推广。1.输送机构，2.连接传动机构，3.挖深掘进机构，4.后置悬挂机构，5.液压减速系统，6.提升油缸，7.输送油缸3山药收获机装置结构设计3.1行走机构的选型与设计山药采摘设备的运行机构主要是四轮行走式和履带式中两类，四轮行走采摘设备具有以下特点：（1）在水平面地面行驶，具有较好的稳定运行状态、行驶速度快以及灵活等特性；（2）底盘机架结构设计简单和整体质量相对较小，车身的整体结构具有较强稳定性；（3）轮式行走机器人研究时间较长，研发技术方面比较成熟，因此具有较好的推广性，后期维护方便从而也降低了使用成本。履带移动采摘机器人具有以下特点：（1）履带移动采摘设备能在不平稳的路面上正常行驶，且受外界环境因素影响较小；（2）由于采用履带装置使得移动采摘设备与地面的接触面较大，因此能很好避免在行驶中出现车身下陷的现象；（3）履带移动采摘设备由于自身的机构设计原因，导致总体重量较大，因此灵活性较低。通过上述轮式行走机构设备和履带移动设备的优缺点介绍，可以看出虽然轮式行走机构具有较好的灵敏度、整体轻便等优势，但是对于不平地面容易出现由于重心不稳而造成翻车现象，虽然履带移动设备的移动灵活性差，车身较重等缺点，但是该设备能在不同行驶地面平稳运行，能很好的适应山药水果采摘环境。因此本文选用履带式作为本次设计的行走机构装置，结构设计简图如图3-3所示。图5山药采摘机械行走履带结构设计3.2采摘装置结构设计山药采摘机其中最重要的一部分是末端执行器，末端执行器处于采摘机伸缩节的末端。当果蔬采摘机处于工作状态时，末端执行器先进行对果实的定位，移动好距离，然后对末端执行器进行控制，最后互相配合完成果实的采摘工作。中国与西方有很多的采摘方式，其中主流方式有两种，分别是利用膝关节部位，垂直方向转动和借助吸附式吸盘。具体来说利用膝关节部位的方式，主要特点就是模仿人类的手臂，要求其要具备果实与树枝的区分，然后掰断树枝，从而采摘果实。这种方式对于采摘对象具有一定的局限性。另一种主流方式是利用空气差，吸附住果实，最后将果实弄断收获机。此类办法有一个要求，必须精准定位果实的位置，并且将以上一连串动作吸附，剪断调整好进行。综上所述，这种技术性比较强的控制动作和算法，使采摘机的开发和研制的难度大大增加了。通过实地调研，对山药外形进行细致的观察，进行对其外形特征的分析，设计了比较实用性的方案—采摘末端执行器。，夹持机构、切割装置、电动系统和传感控制结构式采摘末端执行器的主体部分。同时其中导杆的末端设计有小孔，左右的手指末尾具有与销轴宽度相同的滑槽，安装过程中，销轴会接连穿插小孔和滑槽，这样一来使其导杆能够进行直线的伸缩运动，最后利用销轴来驱动左右的手指绕转轴从而进行摆动。此结构能够转化活塞杆的直线为两个手指的左右摆动，从而进一步完成两个手指的抓取和放松山药的连续动作。设计过程中，本文的手指内轮廓曲线大致在山药曲面曲率大致吻合，同时在其内表面安装有一层柔性的海绵，同时在海绵的基础上再采用橡胶进一步覆盖，最大程度上确保其在抓取山药的同时误伤果实，再者利用橡胶的大摩擦系数，使其抓取过程更加稳定。3.3输出系统的动力设计（1）最大行走功率计算履带移动采摘机满载时的总重量约为750kg~850kg，正常行走时履带与地面之间产生的摩擦驱动力约占整个设备总重的15%~25%，因此可以计算出正常行驶的驱动力约为1.125KN~2.125KN之间。按照山药履带采摘机行驶时所需要的驱动功率计算为：P=Fvη∗α式中，v表示山药履带采摘机最大运行速度（ms），本文取1.5ms；F表示山药履带采摘机运行所需驱动力（N），本文取最大值2.125KN；η表示山药履带采摘机各部件间的机械功率，本文取0.8；将上述参数值代入公式（3-1）可得出莓履带采摘机的最大功率值为P=4.78125KW。（2）山药采摘机总功率计算确定山药采摘装置中采用的发动机参数值前，需要对山药采摘机总功率进行计算：N=Ndp+Ncz式中，Ndp表示山药履带采摘机行驶的最大消耗功率为4.78125kW；Ncz表示山药履带采摘机的功率消耗为12kW；3.4挖深掘进机构的设计课题依据考古挖掘的方式，采用链传动带动刀片对山药两侧进行挖深开沟。在借鉴开沟机开沟链刀组合的基础上，开发设计了双排开沟链同时带动链刀挖土，对山药土垄两侧土壤进行挖掘。开沟链刀片有杯形刀片、竖直刮刀、子弹头式等形式。圆弧杯形刀片既能切削土壤也可以带动土壤离开沟底，对各种土质的适应性较好；岩石及高硬度土壤挖掘多采用子弹头式；坚实度高的土壤及冻土多采用竖直刮刀。课题所研制的山药收获机采用圆弧杯形刀片，如图3.9中的链刀。圆弧杯形刀片的后角一般取10~15。后角过大将会使楔角变小，刀片强度降低，刃口的稳定性下降，切削力反而增加；后角过小，后刀面与切削表面之间的摩擦力会增大，切削力也会增大。设计中链刀刀片的后角取为12度。图6链刀链条装配形式3.5振动剥离装置振动剥离装置如图7所示。1.固定座2.连接座3.铲斗4.筛网5.斜板6.支撑台7.振动棒图7振动分离装置的剖视图振动剥离装置包含铲斗、筛选网袋、支撑台架和振动棒;铲斗的前面位置设置有铲头，铲头上包有橡胶的保护套，橡胶保护套能够减少铲头在铲土的过程当中对药材的根茎表皮造成的损伤的危险，铲斗与筛网相连，铲斗具备挖掘药材的根茎的作用，而且纵向犁地的装置具有纵向犁地的作用，使掉入筛网上的土渣比较松散，便于振动;筛网相对于地面倾斜的角度为2~6°，筛网的后面装有挡板，左右两边都设置有斜板，斜板的最下面均等设置有连接底座;支撑台架上均匀装有肋板，肋板有增强支撑的作用，肋板当中设置有固定底座，固定底座与连接底座之间安装有振动棒，且支撑台的上面与斜板相连，它的下面安装在支撑固定架的固定爪子上。按照药材根茎的大小，去调节筛选网的孔径及筛选网相对于地面的倾斜的角度。药材被采收机的前端配置的采挖装置从地里挖出来，挖出来的药材和泥土混合物都移动到振动分离得部件上。因为振动装置的提升有抖动作用，夹杂着的泥土与杂质从筛选网的缝隙掉下。为了在运输过程中使泥土能很好的被分离开，降低对药材根茎的损伤，就需要合理的选取振动剥离部件的结构参数和运动参数[6]。3.6旋切剥离装置旋转切割剥离装置结构如图8所示。它的转动是柴油机提供的，然后传到皮带齿轮3，再经过皮带传送到1齿轮壳，其内部有锥型的两个齿轮。工作前可按照不同根茎类药材的种植土壤，通过紧锁螺栓去调整旋转切割刀具的旋转切割的高度，因为两个旋切剥离装置上的旋转切割电机工作的方向不同，两个旋转切割刀片的转动方向相反，选用这种不相方向旋切的方式不仅可将药材的根与茎旋转、切割、分离，而且可以借用相向的快速旋转切割力将根茎自动放采挖地两侧。1.齿轮壳2.皮带3.皮带齿轮4.机架5.扶禾秆6.刀具7.刀具杆8.限深轮图8旋转切割剥离装置的视图3.7刀具的形状和参数齿轮壳内有两个锥齿轮，改变动力源提供的转速方向。切断根茎的位置有三把刀具，刀具如图9所示，旋转刀具切割药材秆茎。该刀具采用G16Gr8V，这种材料是在盐浴炉中高温加热到1100～1250℃然后用油冷却，用550～580的温度回火，适合做高速旋转的工具钢。刀具小圆直径=190mm刀尖直径=180mm刀具厚度H=6mm所以，刀具转速而刀具功率P=9.7kw所以，刀具转矩为N·mm图9刀具图10锥齿轮图10为锥齿轮:其主要参数为：M=3D=65mmB=30mmα=20°传动比λ=1刀具转速n=2500r/min此锥齿轮选用标准件。4主要工作参数的选定4.1夹持带线速度u的选定依据中药材的生长环境特点，要想完整的收获药材，就要将秧苗垂直拔起，来避免根茎部分被扯断，所以，夹持带线速度u为：（11）式中V—机组前进速度，u—夹持带线速度，α—夹持带与水平面的夹角4.2夹持带长度L的选定夹持带长度要保证根茎完整的从地下拔出，因此，夹持带长度L应为（12）式中S——挖掘深度4.3推(拉)力的计算根据=0.85MPa，气缸所用直径选定为=64mm，由公式得，直径:=21mm。理论推力为:（13）拉力为:（14）计算知出口张力为:显然4>4>，符合设计要求。4.4活塞杆的选材以及直径的计算活塞杆的型材选用45号钢。取气缸活塞直径为:=20mm。4.5活塞杆直径强度校核为了避免活塞杆在作业过程的时候由于受力太大而遭到损伤，要进行一个强度校核。=418MPa，选定n为8，所以材料许用的应力为:]（15）式中n——安全系数把[]代入公式得:（16）符合设计要求。因的活塞杆为小型柔度杆，气缸活塞杆的稳定性，应该按强度问题去计算。由上可得，活塞杆达到要求。5结语对机具结构存在的不足进行改进，同样改进设计了气动装置，也对影响性能的因素进行了分析：提出了垂直拔起、振动采挖部件的新原理，结构简单，为机械化收获长根茎农作物提供了新的途径。研发了将中药材的拔起、挖掘一次性完成以及实现根茎与泥土分离及根与茎摆放相结合的重要部件。实验表示，采取垂直拔起、振动挖掘的方法，将损失降为2%，本文的研究可以作为参考。针对收获长根茎类作物的难点，满足收获工艺需求的结构被研发设计，为新的收获机械的开发提供了有力依据。并且按照相关的设计理论、原理和设计需求进行了气缸结构的校验和设计计算。经验证及试运行，这个设计方案具有可行性，为研究同一种设备提供了参考。新型中药材采收机的研发能够用于多种复杂地形及各类根茎药材，改良之处包括以下几个方面:旋转切割剥离装置上的切割刀具采取不同方向的切割方式，能使药材的根茎自动旋转切割到挖掘地的两侧；振动剥离装置使用了振动棒振动的方式，可以自动抖落药材根茎上的泥渣与杂质；振动剥离装置上的筛选，从而能够使根与茎自动的振到筛网挡板的位置，有利于采挖后药材根茎的收集。这类药材收获机的特点有紧凑的结构、简单的安装和操作方法、较高的挖掘效力、较好的机动性能等优点。只要正确选择了适合的手扶式拖拉机供给能源，就可以将突破土壤、松散泥土、切断根茎以及根茎与泥土分离等功能一次性完成，从而来实现机械化的药材采收，为需要当季、大规模化的药材收集提供了一种机械化的高效率的途径。

参考文献[1]朱新民.1KLZ-27型螺旋开沟机[J].农牧与食品机械,1991,24:38-38.[2]王茂成.山药收获种植两用机:中国,CN102144450A[P].2011-08-10.21-32[3]周良庸.1K-17型链式