辣椒采摘机的关键部件的设计及相关计算过程案例

辣椒采摘机的关键部件的设计及相关计算过程案例

综述

目录

1.1采摘机构的设计.............................................1

1.1.1滚筒弹齿的结构设计.......................................1

1.1.2传动链的设计.............................................3

1.2脱离清选机构的设计........................................5

1.2.1脱离机构的结构设计.......................................5

1.2.2清选机构的结构设计......................................7

123带传动的设计.............................................8

1.1采摘机构的设计

辣椒收获机采摘部件是整机的核心机构，采摘装置的设计直接影响到工作效

率、采摘效果等重大问题，因此选择采摘方式至关重要。目前国内外主流的采摘

装置有螺旋式、长杆梳指式、带状梳齿式及滚筒弹指式4种形式，本设计采用目

前比较成熟的滚筒弹指式采摘装置，此装置应用在国内外许多辣椒收获机上，采

摘效果好，效率高，且工作幅度广，适用于中大型的收获设备，符合本设计的要

求。

1.1.1滚筒弹齿的结构设计

根据参考目前现有的滚筒弹齿型采摘装置的采摘效果和结构特点,本节对滚

筒弹齿的尺寸、转速、功率进行设计及相关计算。

1.滚筒弹齿结构设计

滚筒弹齿由滚筒、弹齿、法兰盘、滚筒支架组成，滚筒是采摘装置的主要工

作部件，作用是固定住中心轴和法兰盘，使弹齿固定在滚筒上绕中心轴转动。弹

齿则是核心的零件,弹齿的设计是模拟人手采摘辣椒的方式,弹齿固定在滚筒上,

通过滚筒的转动带动弹齿与辣椒进行相对运动，将辣椒从植株上采摘下来，从而

完成采摘工作。为了降低辣椒的破损率，将刚性弹齿套装上一层橡胶，此举能够

保证弹齿有足够的刚度进行高强度作业，还能进行柔性采摘。滚筒弹齿的设计尺

寸如图3-1所示。

1950

1S50

Illi川IIIIIIIIIII川川llllllllllllll

400QrI。1ROI。IA&IQ1。1rI。111I9LQLI。l。一》I。口

50

图3-1滚筒弹齿设计尺寸

根据设定的工作幅度与相关参数，所以设计滚筒弹齿的长度为1950mm.滚

筒直径为400mm,弹齿长度为160mm。通过现有的机器试验得出弹齿之间间距

在50mm为最佳12支这也是本论文的设计依据。采摘装置工作示意图如图3-2所示。

图3-2采摘装置工作六意图

L拾取台2.弹齿1.滚筒4.莪椒植株5.地面

滚筒弹齿式辣椒收获机采摘主要有三个工作过程：第一，链轮转动带动衮筒

作逆时针匀速运动，调整滚筒转速及进给速度，为采摘工作做好准备；第二，辣

椒收获机调整好工作方向，如图3-2所示采摘装置向辣椒植株匀速进给作脱离工

作，弹齿在a点到b点也自转过程中，与辣椒产生较强的拉力，并克服辣椒与茎秆

的连接力，使辣椒脱卷植株，完成脱离工作；第三，辣椒抛送工作过程，如图3-2

所示当辣椒完成脱离后，滚筒继续做圆周运动，辣椒在弹齿惯力的作用下，由b

点转到c点，再由重力和惯性的作用下，辣椒被抛甩到d点拾取台，最后辣椒通过

拾取台上的绞龙把辣椒集中到传输装置上，完成辣椒的采摘、拾取、收集、传输

工作。

2.转速和功率的确定

根据查阅辣椒碰撞损坏分析文献可知，辣椒与茎秆的平均连接力为15N,辣

椒最大的碰撞速度为5m//7入根据最大碰撞速度可以计算出滚筒弹齿的速度范围。

滚筒弹齿最大转速计算：

=nxD}x7r/60(1.1)

〃=送旃(1.2)

式中：

弘---最大碰撞速度，5m/s;

〃---滚筒最大转速，rad/s;

DT——采摘滚筒直径与弹齿长度之和(分别为400mm,160mm)o

滚筒弹齿的转速直接影响着采摘效果,在合痘的转速范围才能实现高质量的

采摘作业，经过现有的试验数据分析以及有关人员的测试验证得出，浪筒转速在

170~220r/min之间为最佳。由式(1.2)计算得出，滚筒最大转速为171i7min,根

据滚筒最大转速和最优采摘转速考虑，滚筒转速确定为17()r/min。

根据辣椒的拉力大小可计算出滚筒所需功率，如式(L3)所示：

式中：

Pe滚筒所需功率，kw；

Ft——辣椒的临界拉力，15N;

n\---滚筒输出转速，170r/min。

经过公式计算得出滚筒弹齿装置所需功率，所需要纯采摘功率为2.4kW。考

虑到本机前输出部分是组合式设计，还有传输装置和割刀装置需提供动力，特设

计拖拉机前输出部分工作部件传动功率为12kW。

1.1.2传动链的设计

采摘装置的传动方式是通过链传动实现的，由前面已知，采摘装置所需功率

为2.4kW,拖拉机前输出功率为12kW,设II级传动轴转速为410r/min,

1.确定小链轮齿数，设链速v=3〜8m/s,取Z|二21。

2.计算传动比，如式(1.4)所示。

"41()

=2.4(1.4)

3.计算大链轮齿数,Z2=z=2.4x21=50.4,BXz2=51o

4.拟定中心距%,劭=35”。

5.计算链节数，如式（1.5）所示。

乙2X^1十二z2F

「2p2">

21+512x35〃51-21

2x3.14；

取3106。

6.计算额定功率，如式（1.6）所示。

式中：

KA——工况系数，KA=1.4;

K——小齿轮齿数系数，^=1.11（设链板疲劳）；

Km一一多排链排数系数，取Km=l。

7.选择链号，根掂尸。及〃I选16A滚子链（与链板疲劳假设相符）。

8.确定链节距，查表得p=25.4mm。

9.计算理论中心距,如式（1.7）所示。

P_

4

51+21

2x3.14

=838mm

10.计算中心距调节量,如式（1.8）所示。

刈二（0.002〜0.004）。

=(0.002~O.(X)4)x838mm=1.68~3.35mm

11.计算实际中心距，如式（1.9）所示。

a=。-Na(1.9)

=[838-(1.68-3.35)]mm=836.32〜834.65mm

12.验算链速，如式（1.10）所示。

(1.10)

60x1000

21x410x25.4,“，

=--------------m/s=3.6m/s

60x1000

13.计算工作拉力，如式(1.11)所示。

L1000。1000x12

F=------=---------=3333N(1.11)

v3.6

14.计算作用在轴上的载荷，如式（1.12）所示。

FQ工1.2K,\F=1.2xl.4x3333=5599N(1.12)

15.采用油浴或飞溅润滑。

1.2脱离清选机构的设计

辣椒收获机脱离清选装置是整机的重要部分。由于收获上来的物料中，会有

部分辣椒带着茎秆无法被完全采净的情况，而且还有很多杂质，如椒叶、茎秆、

灰尘泥沙等杂质。设计脱离清选装置能够有利于提高辣椒的采净率、去杂率，提

高整体的采摘效果，为此脱离清选装置的设计也至关重要。目前国内外主流的复

摘清选装置结构主要由滚筒弹齿、星形轮、弧板及定档齿等组成，此装置应用在

国内外许多辣椒收获机上，其复摘效果好，适用于各中大型的收获设备，是作为

本设计的主要参考对象。本设计的复摘清选分离部分安装在整机的后方，利用到

辣椒的物理惯性，特具有结构紧凑，合理利用空间，维护方便等特点。

1.2.1脱离机构的结构设计

根据参考目前现有的脱离机构的工作效果和结构特点，本文设计的脱离机构

主要由两部分组成，分别是脱离摆刷、弧板及卡齿，脱离机构安装在整装置的上

方。本节对脱离装置的尺寸外形进行设计。

1.脱离摆刷的设计

辣椒脱离摆刷是脱离机构的主要部件，辣椒经过传送装置传输就掉入脱离清

选装置内，摆刷经过连杆传动摆动，将带有茎秆未脱离的辣椒进行再次分离。辣

图3-3脱离摆刷尺寸图

辣椒脱离摆刷右视图如图3-4所示。

图3-4摆刷右视图

2.弧板卡齿的设计

弧板及卡齿是脱离机构的另一部分,其尺寸参数主要包括弧板的开合角度与

圆弧弧尺寸半径、安装卡齿的角刚长度及其上孔的排列尺寸，还有长度、排数、

排列关系组合关系等。弧板及卡齿总成图如图3-5所示：

图3-5弧板及卡齿总成图

1.弧板2角钢1.卡齿

弧板及卡齿的尺寸参数如图3-6所示。其中ci=20。，C2=153°,C3=35O,C4=35O,

O

C5=35,门=168mm,r2=180mmo

图3-6弧板及卡齿尺寸

1.2.2清选机构的结构设计

本论文设计的清选装置为两级分离，一级是由星形轮工作清选出椒果与茎秆,

清选出来的椒果自然往下掉落，而茎秆树枝则被星形轮带出机外；第二级是由风

机吹风，将椒果与树叶灰尘等杂质分离。清选机构是利用物料中各物理特征进行

机械分离，清选机构安装在整装置的中下方，同样是利用物料的重力设计的。

1.星形轮组的结构设计

星形轮的作用主要是将椒果与茎秆分离，而星形轮是此结构的重要零件。经

相关试验结果得知，星形轮的几何形状、排列方式、安装密度、转速等对辣椒分

离效果产生很大的影响。为此，合理设计星形轮形状尺寸和轮距以及排距等，才

能尽可能的满足生产效率高、含杂率低的设计要求。星形轮的设计尺寸如图3-7

所示。

0120

图3-7星形轮

为了符合本文重量轻、节约设计的设计理念，选择制作星形轮材料为PVC

材料，不仅符合设计理念，更能有效避免星形轮在高速运转时刮伤辣椒果实。由

前面的已知辣椒外形尺寸，星形轮最大直径要等于或大于辣椒最大长度，以便椒

果能和茎秆有效分离，所以选择星形轮外围最大直径为120mm,为了避免星形轮

轮齿与茎秆发生缠绕，选择轮齿的长度为35mm,同时为保证星形轮有足够的强

度，设计厚度为10mm。此外，为了更好的轴向定位，星形轮中心孔采用方形，

尺寸为30x30mm。

星形轮组的设计排列方式如图3-8所示。

图3-8星形轮组

如图1.8所示，星形轮组由一个个星形轮组合排列而成，呈螺旋线分布。根

据前面第二章设定收获的椒果尺寸，为了能够有效的分离，取轮组两轴轴距H1

122mm,星形轮轮距最小H2最大H3分别为35mm、70mmo

2.星形轮组转速确定

由前面已知，辣椒最大的碰撞速度为5m/s,同样根据最大碰撞速度可以计算

出星形轮的速度范围。

星形轮最大转速计算：

匕

(M3)

Dx4/60

式中：

匕一一辣椒最大碰撞速度，5m/s;

n---轮轴最大转速，rad/s;

Di---星形轮直径，120mm。

星形轮的转速直接影响着清选效果，在合理的转速范围才能实现高质量的清

选分离效果，经过现有的试验数据分析以及有关人员的测试验证得出，星形轮在

135〜l80r/min之间最佳四。由式（L13）计算得出，星形轮可最大转速为796r/min,

根据滚筒最大转速和最优采摘转速考虑，星形轮转速确定为168r/mino

1.2.3带传动的设计

脱离清选装置主要传动方式为带传动，为此对带轮和皮带进行设计计算。经

过拖拉机后输出减速器输出功率为P2=2.5KW,转速450r/min。已知星形轮转速为

168r/min,载荷变动较小，轻载起动，每天工作10~16小时。

1.确定V带截形，设计功率如式（1.14）所示。

P,=/CAP=1.2x2.5kw=3kw(1.14)

式中：

KA---工况系数KA=1.2。

选择V带截型为B型。

2.确定V带轮的基准直径，验算带速如式（1.15）所示。

7%四3.14x125x450

v=m/s=2.94m/s(1.15)

60x100060x1000

式中:

dm----小带轮直径，向二125mm。

3,计算大带轮直径，如式（L16）所示。

,,勺if450°

二出|—L=125mmx----=334.8mm(1.16)

%168

取为2=335mm。

4.计算传动比，如式（L17）所示。

国二变

=2.68(1.17)

5.初定中心距％=（0.7~2）（念+42），得旬=322~920mm,由于本设计后

输出传动轴到清选装置距离比较大，所以取ao=91Omm。

6.初定V带基准长度，如式（1.18）所示。

—+犯+九上%一〃）。.⑻

314(335-125)2

2x910+勺(335+125)+mm

4x910

=2554mm

取Ld=2500mmc

7.计算中心距，如式（1.19）所示。

=<10+25002554>

mm=908mm(1.19)

8.计算小带轮包角，如式（1.20）所示。

4=180'一57.3°><出2一41(1.20)

=180^-57.3°x335T25=J4y

908

9.确定V带根数，如式(1.21)所示。

舄

z=