甘草收獲機的設計與試驗研究【說明書+CAD+SOLIDWORKS】

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[2]吳敬峰，賈曉光，李珺珂，等.甘草規(guī)模化種植與現代農業(yè)技術的應用[J].中國現代農藥， 2006, 13(7):12-14. [3]許正才.中國甘草產業(yè)競爭力研究[D].:石河子大學，2011:20-31. [4]王學農，馬彩雯.甘草人工種植前景探討[J].農機化，2004（6）:34-35. [5}李曉瑾.簡析甘草資源現狀[J].中藥研究與信息，2002,4（2）:26-29. [6]王 立，李家恒.西北地區(qū)甘草人工栽培技術體系研究[J].林業(yè)科學，1999, 35（1）:129-132. [7]黃明進，王文全.我國甘草要用植物資源調查及質量評價研究[J].中國中藥雜志，2010, 35（8）: 947-951. 塔里木大學 畢業(yè)論文（設計）開題報告 課題名稱 甘草收獲機的設計 學生姓名 冉衛(wèi)剛 學 號 8031212222 所屬學院 機械電氣化工程學院 專 業(yè) 農業(yè)機械化及其自動化 班 級 農機16-2 指導教師 馬少輝 起止時間 2015.11.01-2016.5.29 機械電氣化工程學院教務辦制 填 表 說 明 一、學生撰寫《開題報告》應包含的內容： 1、本課題來源及研究的目的和意義； 2、本課題所涉及的問題在國內（外）研究現狀及分析； 3、對課題所涉及的任務要求及實現預期目標的可行性分析； 4、本課題需要重點研究的、關鍵的問題及解決的思路； 5、完成本課題所必須的工作條件及解決的辦法； 6、完成本課題的工作方案及進度計劃； 7、主要參考文獻（不少于7篇）。 二、本報告必須由承擔畢業(yè)論文（設計）課題任務的學生在接到“畢業(yè)論文（設計）任務書”的兩周內獨立撰寫完成，并交指導教師審閱。 三、開題報告要求手寫體，字數在3000字以上，由學生在本報告冊內填寫，頁面不夠可自行添加A4紙張。 四、每個畢業(yè)論文（設計）課題須提交開題報告一式三份，一份學生本人留存，一份指導教師存閱，一份學生所在學院存檔，備檢備查。 一 本題來源及研究的目的和意義 1.1 課題的來源：自選題 1.2 研究的目的及意義 目前，每年至少要人工栽培2200公頃甘草才能滿足國內外醫(yī)藥市場對甘草的需求。人工種植甘草株數普遍為每0.0667公頃為15000株，同時伴隨著人工移栽勞動強度大，工作效率低，收獲困難等問題[7]。隨著勞動力成本的提高，種植及收獲過程中機械化程度的高低成為了影響甘草機械化、規(guī)?；N植和收益的重要因素[8]。所以，為滿足市場需求，避免亂采、亂挖、過度開采及對野生植被、生態(tài)環(huán)境的破壞，克服甘草收獲期短，保證在有限時間內爭取利益的最大化，建立規(guī)?；?、標準化、機械化的甘草收獲體系己迫在眉睫。 二 課題所涉及的問題在國內外現狀及分析 2.1國外現狀分析 目前為止，國外尚沒有專門針對深根藥材作物的挖掘機械，國外從20世紀40年代開始對根莖類作物收獲機械進行研究。美國、德國、法國、日本和意大利等發(fā)達國家均在短根莖類機械收獲有了研究成果，并且己經達到了蘿卜、馬鈴薯、甜菜、大蒜、花生和洋蔥的機械化收獲水平[9]。意大利的DSC-120以及日本久保田公司研制的DCL-130型馬鈴薯挖掘機實現了馬鈴薯的機械化收獲;美國 Courtesy of Lilli ston Mfg.Co.生產的LP-2和荷蘭Michigan生產的PH-2型花生收獲機實現了花生的機械化收獲;另外還有美國Kelley Manu-facturing公司在KMC3376和KMC3374的基礎上研制出的新型花生聯合收獲機等等[10]。這些機型都滿足工藝技術先進，工作可靠性高等優(yōu)點，但相對而言結構較為復雜，主要適于淺根莖作物的采挖收獲。 2.2 國內現狀 目前國內對于黃茂、甘草等長根莖藥材的挖掘，其收獲方式主要是靠人工挖掘，工作量大，工作效率低，在面對大面積甘草收獲時人工挖掘困難較大，同時機械化采挖效果不好，主要因為挖掘阻力過大。 目前國內甘草生產主要是人工、半人工收獲，主要作業(yè)方式包括人工收獲、改裝犁挖掘收獲、深松機切割收獲和長根莖類中藥材挖掘機收獲。 三、對課題所涉及的任務要求及實現預期目標的可行性分析 3.1 課題任務要求 本裝置主要用于在小塊土地上進行小麥收獲，通過選擇合適的方法設計小麥割曬機的機架，傳動裝置，切割裝置，撥禾裝置等相關設計。 3.2 課題設計預期目標的可行性分析 目標：目前大多數發(fā)達國家的根莖類作物收獲機械正向大型化、智能化、機電一體化和更穩(wěn)定、更安全的方向發(fā)展。更有甚者不斷將高、精、尖技術應用到農業(yè)機械上來，引領農業(yè)機械向更智能化的方向發(fā)展。但就目前來我國的農業(yè)機械技術和發(fā)達國家還有一定的差距，并且作物種植模式有差異，所以一味的追求國外的先進技術和設備是不現實的，怎樣確保國產機具的水平過渡，確定適合自己的收獲理念才是關鍵。 可行性分析：北疆種植的兩年以上的甘草根系都在300mm以下的的土壤中;通過犁溝從剖面看，葡旬莖數量雜多而且互相纏繞，主要集中在300mm深的土層中。所以，300mm以上的深度為甘草機械化采挖的目標深度，最為理想的采挖深度300-400mm。國內相關技術比較成熟，可以實現設計要求，綜上所述，設計是可行的。 四 本課題需要重點研究的關鍵的問題及解決的思路 4.1 本課題需要研究的重點問題 需要滿足減少對甘草的破壞及收獲速度的影響等要求。甘草收獲機主要組成：機架，傳動裝置，切割裝置，分離裝置等。 4.2 本課題需要研究的難點問題解決的思路 難點問題：切割裝置它是甘草收獲機的核心部件，它是本次設計中的重點。具體的解決的思路如下：查找相關資料進行方案的確定，進行機構的構想和可行性分析，最后做出總體設計。 五 完成本課題需要的工作條件及解決的辦法 （1）校圖書館、萬方數據庫和中國知網閱相關資料，了解玉米免耕播種機的發(fā)展現狀。 　 （2）從了解的信息中確定設計方案。 　 （3）查閱相關資料，了解根莖類收獲機械，以確定方案中所需的收獲機構。 (4) 遇到關鍵性的問題向老師請教 　 （5）畫出裝配圖。利用AutoCAD軟件繪制二維裝配圖和零件圖以及三維圖。 　 （6）參考資料中的計算方法及公式等進行計算校核。 六 工作方案及進度計劃 工作方案： 1、對整體結構進行分析確定 2、對挖掘裝置的設計、研究（重點） 3、對分離裝置、傳動裝置等設計 4、選擇相關零部件并進行計算和校驗。 5、修改完善總裝圖和零件圖裝配。 進度計劃： 第1～2周 查閱相關文獻，撰寫開題報告。 第3～4周 根據國內外現有的甘草收獲機械，確定甘草收獲機的總體設計方案，繪制總體結構簡圖。 第5～6周 根據工作要求，計算并查閱相關手冊，選擇和設計各零部件。 第7～9周 運用AutoCAD軟件，繪制二維零件圖和裝配圖。 第10～11周 運用三維設計軟件完成整機各零部件的三維建模并進行運動仿真。 第12周 從工藝性能，經濟性能，實用性能等方面對產品進行綜合評價、校核、修正。 第13周 完成設計說明書。 第14周 整理材料，準備答辯。 七 參考文獻 主要參考文獻: [1]周劍，馮曉靜，劉洪杰，等.甘草種植產業(yè)發(fā)展現狀及對策研究[J].安徽農業(yè)科學，2012, 40(19):10065一10066. [2]吳敬峰，賈曉光，李珺珂，等.甘草規(guī)?；N植與現代農業(yè)技術的應用[J].中國現代農藥， 2006, 13(7):12-14. [3]許正才.中國甘草產業(yè)競爭力研究[D].:石河子大學，2011:20-31. [4]王學農，馬彩雯.甘草人工種植前景探討[J].農機化，2004（6）:34-35. [5]李曉瑾.簡析甘草資源現狀[J].中藥研究與信息，2002,4（2）:26-29. [6]王 立，李家恒.西北地區(qū)甘草人工栽培技術體系研究[J].林業(yè)科學，1999, 35（1）:129-132. [7]黃明進，王文全.我國甘草要用植物資源調查及質量評價研究[J].中國中藥雜志，2010, 35（8）: 947-951. [8]周振華.機械化收獲長根莖類中藥材的經濟效益及推廣前景分析[J].中國農機化，2006（3）: 17-18. [9]申屠流芳，孫星釗.中粘壤土塊莖類作物收獲機的研究與開發(fā)[J].農機化研究，2003（10）: 54-55. [10]尚書旗，王延耀，周亞龍.花生收獲機的應用現狀與推廣[J].農機科技推廣，2004（8）: 10-11. [11]周 劍，馮曉靜，李建平，等.甘草采挖收獲機械化現狀分析[J].農機化研究，2008（9）: 217 -219 . [12]朱林秀，周振華.長根莖類中藥材收獲機的研制推廣[J].農機推廣與安全，2006（9）:32-33. [13]劉曉峰，張 禹.中藥材機械化作業(yè)技術[J].農業(yè)機械化與電氣化，2006（5）:47-48. [14]劉玉和.根莖類中藥材起獲機械[J].新農業(yè)，2006 （ 8 ):60. [15]孫彥君，司振江，周 宙.4WZ-140型根莖類中藥材振動挖掘機[J]，2005（6）:70. [16]盛國成，賀春燕.4WGX-120/150型根莖類藥材挖掘機的研制[J].農業(yè)機械，2012（16）: 112-114. [17]新鄉(xiāng)地隆藥業(yè)[EB/OL].(2014-2-2)[2014-3-5]. [18]初旭宏，王俊發(fā).根莖類中藥材收獲機械的研究現狀與發(fā)展趨勢[J].現代化農業(yè)，2008（ 10 ): 32-33. 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[21]裴進靈.馬鈴薯機械化生產技術概況與發(fā)展[J].當代農機，2008（7）:11-12. 學生簽名 年 月 日 指導教師審閱意見 指導教師簽名 年 月 日 16 屆畢業(yè)設計 甘草收獲機的設計 學生姓名 冉衛(wèi)剛 學 號 8031212222 所屬學院 機械電氣化工程學院 專 業(yè) 農業(yè)機械化及其自動化 班 級 16-2 指導老師 馬少輝 日 期 2016.05 塔里木大學機械電氣化工程學院制 前 言 隨著地區(qū)甘草需求量的日益增大，甘草的人工種植規(guī)模也越來越大，與此同時急需面對解決的問題就是甘草的機械化收獲。本文結合北疆地區(qū)甘草的種植模式以及國內外長根莖藥材收獲機械的研究現狀，設計了一種適應于北疆地區(qū)砂質土壤的甘草收獲機械，一次性完成甘草的挖掘、分離、鋪放等工作，提高了機具的工作效率。 本文主要在以下幾個方面做了深入研究: (1)介紹了目前國內外甘草及長根莖藥材機械化收獲的現狀和未來發(fā)展趨勢，闡述了研究的意義、目的及所需解決的關鍵問題。 (2)根據北部地區(qū)甘草收獲機械化的設計要求，確定了甘草收獲機的功能及整機結構方案。 (3)通過對現有市面上挖掘鏟的種類及挖掘性能的分析研究，設計了一種柵條式挖掘鏟，將固定三角鏟面及柵條相結合，并通過理論計算確定其參數值。 (4)通過分析本次甘草收獲機械的挖掘深度及分離狀態(tài)，設計了一種振動式分離輸送裝置，將甘草與土壤分離并且從地下輸送至地表。 關鍵詞:甘草收獲機；挖掘鏟；分離裝置 目 錄 1緒論 1 1.1研究背景及意義 1 1.2國內外甘草收獲機械的研究現狀 2 1.3目前存在的問題 3 1.4甘草收獲機械的發(fā)展趨勢 3 1.5研究內容 4 1.6研究方法及技術路線 4 2甘草收獲機總體的設計 4 2.1甘草的機械化收獲 4 2.2甘草收獲機的設計要求 4 2.3甘草收獲機的組成和工作原理 5 3甘草收獲機關鍵部件的設計 6 3.1柵條式挖掘鏟的設計 6 3.2分離裝置的設計 9 總 結 10 致 謝 11 參考文獻 12 塔里木大學畢業(yè)設計 1緒論 1.1研究背景及意義 甘草的別名叫甜草、甜根子等，因為味道甜美而自古聞名，世間還有“靈草”、“國老”的美名。甘草為豆科多年生草本植物，一般適宜生長在向陽干燥的沙質土壤及鈣質草原地帶，能夠起到顯著的防風固沙作用。甘草性味甘，生者入藥既能瀉火解毒，也可以潤肺祛痰，一般用于治療食物中毒、咽喉腫痛等病癥;炙后入藥則可以益氣補中、緩和藥性。甘草的藥性緩和，既可升，也可降，并能夠與許多藥物配合使用，具有很高的應用價值。除此之外，甘草也是荒漠、半荒漠地區(qū)防止水土流失、改良土壤、防風固沙的重要植物。近些年來，隨著對甘草不斷的深入研究，甘草的新用途也正在不斷的被發(fā)現，并且己經被廣泛的應用到食品、煙草、飲料、釀造、化工、國防等行業(yè)，從而進入了人們日常生活中的方方面面[1]。 由于甘草有自身的特定的生長環(huán)境，所以主要分布在我國的內蒙古、、寧夏、甘肅等省區(qū)，其中地區(qū)地域遼闊，土地資源較豐富，以至于甘草分布面積、產量居首位，是我國甘草規(guī)?；l(fā)展的適宜產區(qū)之一[2]。根據國家統計局2008年的資料統計，我國甘草產業(yè)2008年工業(yè)總產值為7.38億，這其中的主營業(yè)務收入為6. 84億，銷售總產值為6.78億[3]。我國是世界上重要的甘草生產地區(qū)，但在近幾年來，由于國內外市場需求量的激增，野生甘草的面積大幅下降，剩余量日益減少，甘草供不應求，從而導致甘草的人工養(yǎng)殖近幾年來開始興起，但產量仍然與市場的需求量相差較遠。 的氣候是溫帶大陸性干旱氣候，其特有的氣候環(huán)境，特別適宜甘草的生長;另外甘草的植物生態(tài)幅度寬泛，分布較廣，能夠在多種環(huán)境下生長，具有很強的環(huán)境適應能力，其獨特的氣候環(huán)境和生長屬性致使成為我國甘草資源儲量最豐富的地區(qū)。根據自治區(qū)甘草資源的調查統計顯示，全疆86個縣(市)，除了位于高寒地區(qū)的阿合奇和塔什庫爾干兩縣沒有甘草生長以外，其余的84個縣市地區(qū)內均有甘草的生長，占全疆縣市總數的97%，甘草生長的總面積為56.24萬公頃，而在這其中小部分生長的面積為20.52萬公頃，以甘草為建群種集中成片生長的面積有55.72萬公頃，甘草的根莖儲量為65.21萬噸[4]。 20世紀50年代末，由于大規(guī)模的墾荒，甘草資源得以開發(fā)應用，發(fā)現了許多優(yōu)質品種的甘草，同時巨大的產量很快使甘草躍居為藥材出口及制品產量之首，成為了我國的甘草主產區(qū)[5]。但是，由于國內藥用量的增長和對外出口數量的逐年增加，造成了甘草采挖量迅速上升，其結果是野生甘草被亂墾亂挖導致過度使用，最后致使甘草資源減少的同時種植面積也急劇減小，同時沙塵暴、干早等自然災害相繼頻頻發(fā)生，不僅給人們的生活帶來了許多困難，也嚴重影響了經濟的可持續(xù)發(fā)展[6]。為了避免情況的持續(xù)惡化，大范圍的人工種植甘草技術應運而生。 目前，每年至少要人工栽培2200公頃甘草才能滿足國內外醫(yī)藥市場對甘草的需求。人工種植甘草株數普遍為每0.0667公頃為15000株，同時伴隨著人工移栽勞動強度大，工作效率低，收獲困難等問題[7]。隨著勞動力成本的提高，種植及收獲過程中機械化程度的高低成為了影響甘草機械化、規(guī)?；N植和收益的重要因素[8]。所以，為滿足市場需求，避免亂采、亂挖、過度開采及對野生植被、生態(tài)環(huán)境的破壞，克服甘草收獲期短，保證在有限時間內爭取利益的最大化，建立規(guī)?；藴驶?、機械化的甘草收獲體系己迫在眉睫。 1.2國內外甘草收獲機械的研究現狀 1.2.1國外甘草收獲機械的研究現狀 目前為止，國外尚沒有專門針對深根藥材作物的挖掘機械，國外從20世紀40年代開始對根莖類作物收獲機械進行研究。美國、德國、法國、日本和意大利等發(fā)達國家均在短根莖類機械收獲有了研究成果，并且己經達到了蘿卜、馬鈴薯、甜菜、大蒜、花生和洋蔥的機械化收獲水平[9]。意大利的DSC-120以及日本久保田公司研制的DCL-130型馬鈴薯挖掘機實現了馬鈴薯的機械化收獲;美國 Courtesy of Lilli ston Mfg.Co.生產的LP-2和荷蘭Michigan生產的PH-2型花生收獲機實現了花生的機械化收獲;另外還有美國Kelley Manu-facturing公司在KMC3376和KMC3374的基礎上研制出的新型花生聯合收獲機等等[10]。這些機型都滿足工藝技術先進，工作可靠性高等優(yōu)點，但相對而言結構較為復雜，主要適于淺根莖作物的采挖收獲。美國的W S.Kang和M.LDawelbeit (1999年)還對馬鈴薯和花生收獲機的振動式挖掘犁鏟進行了深入研究，為了降低阻力，進行了動力參數的優(yōu)化試驗，試驗結果確定了對犁鏟阻力造成影響的主次因素為振動頻率、振幅和機器前進速度。 通過以上可以看出歐美等發(fā)達國家對于短根莖的花生及馬鈴薯的機械化收獲有了一定的研究成果，但是還沒有專門針對長根莖藥材如甘草的機械化收獲作出一定的成果。國外一些挖掘機的設計并不是針對甘草的收獲作業(yè)，也很難適應我國甘草獨特的作業(yè)要求，而且價格偏高，并不能滿足國內的需求，特別是地區(qū)甘草根莖深600mm,土質較硬的機械化收獲要求。 1.2.2國內甘草收獲機械的研究現狀 目前國內對于黃茂、甘草等長根莖藥材的挖掘，其收獲方式主要是靠人工挖掘，工作量大，工作效率低，在面對大面積甘草收獲時人工挖掘困難較大，同時機械化采挖效果不好，主要因為挖掘阻力過大。 目前國內甘草生產主要是人工、半人工收獲，主要作業(yè)方式包括人工收獲、改裝犁挖掘收獲、深松機切割收獲和長根莖類中藥材挖掘機收獲[11]。 甘草整個收獲過程均采用人工作業(yè)，其中包括人工前期處理、人工深挖收獲、人工后期加工。收獲前先割去莖葉，沿甘草種植行兩側進行深挖，待根莖露出地面400mm多后，再拔出甘草根莖，完成收獲[12]。這種純人工的收獲方式每畝地至少需要用225個強壯勞動力才能滿足收獲要求。然而，甘草的采收期較短，北方地區(qū)1011月份開始上凍，從甘草成熟到上凍僅有一個月左右的時間，所以需要搶收，人工收獲的低效率自然會對收獲產生影響，進而影響到甘草種植規(guī)?；膶崿F。 甘草收獲過程中采用人工前期處理，割去地上的莖葉，然后采用改裝燁式犁進行深挖松土，每次耕一行，耕深400mm左右，再由人工將松后的甘草根莖拔出[13]。這種機械和人工相配合的收獲形式在直播地一般可起收400mm左右的甘草，400mm以下的毛根基本放棄，損失率10%-15%左右，損失較大。 目前有些地區(qū)收獲甘草時先使用深松機先將藥材根莖所在的土壤切斷同時松土，再采用人工拔取的方式收獲，然后人工后期處理[14]。由于一般深松機的刃口都在沿垂方向有一定的傾斜角度，特別是V型深松機刃口傾斜角度更大，會將一部分藥材的根莖攔腰切斷，從而達不到預定的收獲深度，造成了比較大的損失;同時，由于深松機的刃口設計是針對土壤的，鋒利度不夠，造成了切割后的甘草切口不整齊，影響了產品品質。 通過以上對國內外甘草收獲情況的分析，截至目前為止，國外尚沒有專門針對深根藥材作物的挖掘機械，而國內藥材挖掘機的機械的性能不甚理想，工作性能也不穩(wěn)定，很難滿足挖掘藥材的要求，而且生產深根藥材挖掘機的廠家很少，沒有形成批量和規(guī)模。所以，目前地區(qū)甘草的挖掘收獲作業(yè)大部分依靠人工挖掘，需要消耗大量的人力、物力，這種狀況嚴重影響了甘草的經濟效益及中藥材產業(yè)的規(guī)?；l(fā)展。 1.3目前存在的問題 因為甘草自身的特性和特殊的生長環(huán)境，機械化收獲需要考慮多種條件，目前甘草藥材的機械化收獲存在如下問題: （1）種植環(huán)節(jié)上沒有構成機械化，品種雜亂而且種植不成規(guī)模，造成產量不穩(wěn)定、效益浮動大，從而導致土地和人力資源的巨大浪費。尤其是種植面積的分散造成機械化作業(yè)困難。 （2）甘草收獲機械的設計不夠完善和穩(wěn)定。尤其是挖掘的深度不能夠滿足甘草挖掘規(guī)格標準的要求，導致了甘草的損傷率高。 （3）挖掘阻力大，造成挖掘困難和拖拉機油耗過高。 （4）要求在挖掘過程中機械挖土的下刀角度，有較好入土角，能將甘草挖起，工作面的優(yōu)化設計，避免纏草，奎土，具備一定碎土、漏土的功能。 （5）合理的地下傳動機構能穩(wěn)定地將甘草及土壤送往分離裝置，提高效率，減小挖掘阻力，避免土壤奎堵，提高整機的工作效率。 綜上所述，合理設計挖掘部件和分離裝置的結構，從而降低牽引阻力和油耗，提高機械的工作效率是解決目前甘草收獲機械存在問題的主要方向。 1.4甘草收獲機械的發(fā)展趨勢 目前大多數發(fā)達國家的根莖類作物收獲機械正向大型化、智能化、機電一體化和更穩(wěn)定、更安全的方向發(fā)展。更有甚者不斷將高、精、尖技術應用到農業(yè)機械上來，引領農業(yè)機械向更智能化的方向發(fā)展[18]。但就目前來我國的農業(yè)機械技術和發(fā)達國家還有一定的差距，并且作物種植模式有差異，所以一味的追求國外的先進技術和設備是不現實的，怎樣確保國產機具的水平過渡，確定適合自己的收獲理念才是關鍵。 目前甘草收獲機械的發(fā)展趨勢主要是: （1）加強地域及種植模式的研究，通過研究土壤性質，確定甘草品種的機械化種植，提高機械化收獲的可能性及合理。 （2）合理設計關鍵部件的結構，以提高零部件的可靠性和穩(wěn)定性。 （3）機具能耗的合理分配，降低動力消耗，降低機械化收獲的成本。 （4）學習國外機械化收獲的先進技術，提高設計理念，將技術融合到適合我國種植情況的實際水平中，提高機具的工作效率。 1.5研究內容 （1）研究甘草自身的物理特性。 （2）主要挖掘機構和地下一級分離裝置的設計。 （3）對主要挖掘機構等進行有限元分析。 1.6研究方法及技術路線 本文結合國內外藥材收獲機械的研究現狀，研究甘草收獲機及其關鍵零部件的設計方法及理論。 （1）通過文獻理論分析目前國內外甘草收獲機械和長根莖類收獲機械的研究現狀，發(fā)現現有甘草收獲機械的工作原理、技術特點以及存在的主要問題。 （2）采用理論結合實踐的方法對關鍵部件進行初步設計，并制造出試驗模型，通過不同參數的對比試驗確定工作原理及參數。 （3）運用SOLIDWORKS畫圖軟件建立三維模型，對關鍵零部件受力分析，對運動部件模擬仿真，依據結果進行結構優(yōu)化。 2甘草收獲機總體的設計 2.1甘草的機械化收獲 目前長根莖草藥的收獲過程主要包括:清除莖葉、挖掘、分離、撿拾、二次分離和裝載運輸等工序。根據收獲過程的機械化程度，其收獲方法大致分為:人工收獲、半機械化收獲和機械化收獲三種。在機械化收獲中，按收獲工藝過程的連續(xù)程度，又可分為分段收獲和聯合收獲兩種。 目前國內的甘草機械化收獲主要以人工收獲和部分機械化收獲為主，人工收獲在消耗大量勞力的同時工作效率很低，所以本文設計的甘草收獲機械為半機械化收獲，主要同時完成甘草的挖掘、一次分離、二次分離作業(yè)，最后需要人工完成撿拾。 2.2甘草收獲機的設計要求 2.2.1甘草的種植模式 甘草的適應性和抗逆性很強，適宜于通透性好的沙壤土、沙土、輕壤土，在日光足，砂質土壤更適合甘草的種植。甘草種子育苗期通常是在4月下旬至5月中旬為適宜，行距150-200mm，深度為20-25mm，稍微鎮(zhèn)壓，待根長到300-350mm達到移栽標準。幼苗移栽時剔除側根，按行距為250mm，株距100-150mm種植，完成后填土壓實[19]。 2.2.2甘草收獲機的收獲要求 （1）挖掘深度 北疆種植的兩年以上的甘草根系都在300mm以下的的土壤中;通過犁溝從剖面看，葡旬莖數量雜多而且互相纏繞，主要集中在300mm深的土層中。所以，300mm以上的深度為甘草機械化采挖的目標深度，最為理想的采挖深度300-400mm。 （2）損傷率 甘草的損傷率主要包括在挖掘以及分離輸送過程中的折斷損傷和遺漏損失。甘草的機械化收獲應保證損傷率小于等于3%。 （3）工作效率 甘草的挖掘深度較深，最深能達到500mm，同時要保證損傷率不能過高，所以工作效率難免受到影響。設計的甘草收獲機械效率需滿足1.5km/h 。 2.3甘草收獲機的組成和工作原理 2.3.1甘草收獲機的組成 針對北疆地區(qū)甘草的種植模式和收獲機的收獲要求，綜合考慮現有甘草收獲機的優(yōu)缺點，設計了一種適合北疆地區(qū)甘草種植模式的中型甘草收獲機，三維效果圖如下所示，由機架、挖掘鏟組件、動力裝置、分離裝置、破碎裝置等構成，可一次完成挖掘、分離及鋪放作業(yè)。 三維實體效果圖 2.3.2甘草收獲機的工作原理 該作業(yè)機可一次性完成甘草的挖掘、分離、鋪放作業(yè)，作業(yè)機由88KW以上的拖拉機牽引，作業(yè)速度為1. 5-2.Okm/h，動力輸出軸的轉速選用540r/min，作業(yè)機的工作幅寬為600mm，工作時，由拖拉機牽引并且傳輸動力，挖掘鏟將300-400mm深度的甘草鏟起并運送到分離裝置上進行分離輸送，分離裝置的作用主要是將部分土壤與甘草分離且輸送至地表。 3甘草收獲機關鍵部件的設計 3.1柵條式挖掘鏟的設計 3.1.1挖掘鏟的功能及常見形式 甘草挖掘鏟的作用就是順利挖掘出甘草，并將它提升至一定高度輸送給分離裝置。挖掘鏟工作時既要保證挖掘出土層中的所有甘草且不得鏟斷甘草，又要盡量減少進入分離裝置的土壤量以至于降低能量消耗，其次還要避免挖掘鏟上纏草和奎土，最后順利地將甘草輸送到分離裝置[20]。不同地區(qū)所對應有不同的土壤條件，簡單的讓挖掘鏟滿足不同地區(qū)的挖掘要求非常困難。目前市場上根據機具工作時挖掘鏟的運動情況而分為固定式挖掘鏟、回轉式挖掘鏟、往復式挖掘鏟和振動式挖掘鏟。根據不同的作業(yè)幅寬及不同結構的鏟刀可分為單片鏟、多片鏟和雙鏟。根據不同的鏟面形狀分為固定面平鏟、凹面鏟、槽形鏟等。 3.1.2挖掘鏟的性能分析及結構確定 目前挖掘鏟的結構主要就是固定三角平面挖掘鏟與振動式挖掘產。振動式挖掘產在淺層挖掘的情況下能有效減小挖掘阻力，但是本次設計的挖掘深度較深，振動挖掘鏟工作穩(wěn)定性不能保證，且耗能較大。固定挖掘鏟結構簡單，制造方便，不需要動力傳動。但是缺點是碎土能力差，不能分離土壤，產生奎土現象?？廉a生的主要原因:土壤濕度大，鏟面過長，有較大土塊和石塊[21]。 設計初期通過原理試驗確定挖掘鏟結構形式，試驗確定造成鏟面奎土的原因與土質、挖掘速度和鏟面長度有直接關系。當取鏟面長度不同時做試驗比較，明顯鏟面過長造成的奎土現象更為嚴重，縮短鏟面能有效降低奎土現象，但是卻不能將土壤輸送到要求的高度。 挖掘鏟主要是為了滿足土壤輸送高度的情況下盡量縮短鏟面的長度而設計的試驗，試驗過程中發(fā)現二階平面鏟可以對土壤在輸送過程中進行破碎，但是如果加大挖掘量，過大的挖掘角度也會導致土壤的停滯和奎堵，雖然解決了輸送高度問題，但是過大的輸送角度導致奎土的現象并沒有有效的解決。 根據初期的原理試驗對挖掘鏟的分析，固定鏟面的形式及輸送長度決定了試驗的要求，所以本次設計的挖掘鏟結構為固定三角鏟與柵條挖掘鏟相結合，縮短了鏟面的長度，也保證了輸送的高度，還可以起到分離土壤的作用。 3.1.3柵條式挖掘鏟的設計原則 根據甘草收獲機械的收獲條件，柵條式挖掘鏟的設計應遵循下列原則: （1）應保證挖掘深度，將甘草從根部完全挖出，避免甘草的損傷。 （2）鏟刃拆卸方便，有利于及時更換。 （3）鏟面長度和傾角設計合理，保證將甘草順利輸送到分離裝置上。 （4）柵條間距設計合理，保證在不漏甘草的情況下間距最大化，減小土壤阻力和分離的土壤量。 3.1.4柵條式挖掘鏟的組成和工作原理 為了解決挖掘鏟作業(yè)時奎土現象嚴重，工作阻力大等問題，根據挖掘鏟的常見形式和性能分析，設計了柵條式挖掘鏟，它主要由固定刀臂、犁刃、三角鏟面、柵條等組成。 在甘草收獲機的帶動下，挖掘鏟將甘草崛起，甘草與土壤的混雜物沿鏟面上升輸送通過柵條到分離裝置上;挖掘鏟上的柵條與三角鏟面是線接觸，對輸送的土壤有很好的破碎作用，部分土壤通過柵條間距漏下，減小了分離的土壤量和挖掘阻力;前端的犁刃可以根據磨損狀況隨時更換;挖掘鏟側面的固定加強板形成方形的加強結構，使得固定刀臂在對深度板結土壤工作時結構更加穩(wěn)定可靠。 3.1.5挖掘鏟總寬度確定 甘草的種植分布寬度決定了挖掘鏟的作業(yè)幅寬，在滿足作業(yè)幅寬的條件下避免從行間挖掘起過多土壤，因此甘草種植分布的寬度及其行距是設計中要考慮的因素，同時還要考慮收獲機前進時，地輪避開甘草壟寬，根據甘草種植模式和實際調查所提供的數據表明，西北地區(qū)183團種植的甘草植苗行距200-300mm，雙行壟寬為400-500左右[23]，因該機為雙行單壟挖掘，綜合考慮以上因素，確定鏟體總寬度為600mm，由固定三角鏟面及兩邊固定刀臂組成，前端留出犁刃的裝卸位置。 3.1.6挖掘鏟鏟面水平傾角的確定 鏟面的水平傾角是挖掘鏟的重要參數，它需要保證甘草和土壤能夠沿鏟面上升到一定高度而且不會回滾下落，以至于將其輸送到鏟后面的分離裝置上。挖掘鏟的水平傾角理論上是越小越好，但是傾角越小后面的分離裝置所承擔的負荷也就越大，分離距離也就越長;相反傾角越大則挖掘阻力越大如圖所示[24]。不同土壤條件下傾角越大，阻力也都越大。 挖掘鏟鏟面水平傾角的理論值可由圖中掘起物在鏟面上的受力平衡方程確定： Pcos α-T-Gsin α≥0 R-Gcos α-Psinα=0 （3-1） T=fR 式中:P--甘草與土壤上升所需動力，N。 R--鏟面對土壤反作用力，N。 G--挖掘物重力，N。 T--鏟面對挖掘物的摩擦力，N。 f--土壤對鋼的摩擦系數。 從上面平衡方程式可得: α≤arctan (P- fG)/( fG+G) （3-2） 上述α值計算出的理論值為α<33.3°，如果實際值超過理論值，甘草與土壤的混合物就有可能擁堵在鏟面從而產生造成更大的阻力，實際通過實驗發(fā)現α值與挖掘鏟提升甘草與土壤混合物的高度、土壤質地狀態(tài)、松碎土壤狀態(tài)都相關。根據鏟面傾角與阻力的關系圖分析，傾角越大，阻力也就越大，傾角在10-20°之間時阻力值上升相對較小，同時根據后面分離裝置要求提升挖掘物的高度要求來看，確定鏟面傾角為15°。 3.1.7挖掘鏟鏟刃斜角的確定 鏟尖刃口斜角參數Y是影響切土阻力、溝底形狀的因素，其受力特性如圖3-7所示。為使雜草和根莖都能滑離鏟刀，使土壤在鏟刃上的滑切能力克服摩擦力[25]，即: Psin（90°-γ）≥F （3-3） 式中:P--作用在鏟刃的阻力，N; F--土壤對鏟刃的摩擦力，N; γ--土壤對鏟刃的摩擦角，度(°)。 由摩擦定律可知將其帶入(3-3)式中，得同時γ角的大小與土壤沿鏟刃的滑切速度Vt的關系為[26]： Vt=Vmcosγ （3-4） 式中:Vm--機組前進速度，km/h。 由上可知，Y角越小，滑切速度越大，防掛草能力越強，但是鏟尖也越尖，易于磨損，開出的溝形尖部深，兩側淺。一般土壤對鏟刃的摩擦角勢為26.5-35°。在本設計中，取=30°，則根據以上公式可得為60°。 3.1.8挖掘鏟鏟長的確定 挖掘鏟鏟長的確定非常重要，只有正確選擇挖掘鏟的長度，才能降低牽引阻力，避免和減少挖掘鏟奎土現象的發(fā)生，提高機器的分離和工作效率。當挖掘鏟與地面傾角和提升高度確定后，挖掘鏟的入土長度L1可根據幾何關系確定，L:可根據能量守恒定理求出。 可以理論計算出挖掘鏟的總長度，實際情況為挖掘鏟在保證甘草和土壤提升高度的前提下總長度要短用來減小摩擦阻力，這樣能使甘草和土壤在鏟末端的相對速度不會為零，從而保證一定的輸送速度，降低了奎土的概率。本設計中將挖掘鏟設計成三角形固定鏟面和柵條段兩部分，當挖掘物沿鏟面上升時，因為帶有角度的鏟面對土壤有劈裂和剪切作用，可以使其在挖掘時破碎，后面部分土壤通過柵條段的間隙中漏下，從而減小了在鏟末端土壤的重量，減小了阻力和提高了分離效率。 當提升高度為200mm，機具前進速度vm為1.5m/s鏟面傾角為15°時，可得L=200mm，在本設計中取三角形固定鏟面長為100mm。根據甘草特性及實驗設定柵條間距為60mm，彎曲段與鏟面的夾角為15°。 3.1.9挖掘鏟固定刀臂設計 挖掘鏟固定刀臂的設計主要是為了連接底面的挖掘鏟以及在工作過程中縱向切開土壤、雜草和藥材的根莖。固定刀臂刃口與豎直方向有一定的夾角，便于挖掘鏟在工作時順利切開土壤，防止奎土和堵塞;其次是合理的設計夾角能雜草及藥材的根莖沿刃口向上滑移，更易于雜草及根莖的切斷[28]。 3.2分離裝置的設計 3.2.1分離裝置的設計思路及作業(yè)要求 甘草收獲機分離裝置的作用是將挖掘鏟輸送過來的甘草和土壤的混合物中分離出甘草。由于挖掘深度過深，分離角度又不能過大以免造成奎土，所以一級分離裝置基本是在地下完成工作，所以在地下有限的空間內要保證分離裝置的傳動可靠，分離機構工作穩(wěn)定可才靠是最主要的，其次一級分離裝置的作用是將甘草輸送至地表。 本次設計的目的是為了將300mm深及600mm寬且滿足1. 5 km/h行進速度的作業(yè)環(huán)境下實現甘草的分離與輸送。一級分離與輸送裝置的設計思路主要滿足3個方面:一是將挖掘出來的甘草和土壤進行分離;二是將分離后的甘草輸送至地表;三是把分離后的土壤還田。同時，甘草分離與輸送裝置的設計在作業(yè)時必須要滿足以下要求:一是分離效果必須要出眾，將甘草與土壤徹底分離;二是在輸送過程中對甘草的損失要小，損傷率要低于3%;三是裝置結構要合理可行、簡單可靠，便于裝卸及維修。 3.2.2分離裝置作業(yè)寬度的確定 根據目前甘草的種植模式普遍是行距為250mm，為此滿足甘草的種植行距，同時滿足一定的工作效率，根據作業(yè)要求認定輸送裝置的工作幅寬為600mm。如果按照600mm的工作幅寬設定，并且滿足300mm的挖掘深度和1. 5 km/h的行進速度，可以計算出每秒分離的土壤量將達到0.1m3。所以說滿足一定的分離量和作業(yè)阻力也是必須考慮的因素，因此將幅寬定為600mm。 總 結 根據北疆地區(qū)甘草種植的模式和分布情況以及現有甘草收獲機存在的問題，本文設計了一種中型適用于西北地區(qū)砂質板結土壤的甘草收獲機。通過對挖掘鏟和分離裝置進行結構分析和理論計算，且對分離裝置及樣機的試驗研究，主要得出以下結論: （1）分析了目前國內外甘草收獲機械的研究現狀、存在問題及未來發(fā)展的趨勢，針對存在的問題設計了一種中型的甘草收獲機，介紹了其主要的組成及工作原理。 （2）通過對挖掘鏟的功能和形狀分析，設計了一種柵條式挖掘鏟，結構簡單可靠，能有效減小挖掘阻力，經理論計算確定了其結構及主要參數。 （3）通過對分離裝置的功能和工作要求的分析，設計了一種輥筒式分離裝置，經理論分析計算確定了其結構及主要參數。 致 謝 本論文的研究工作是在導師馬少輝的精心指導下完成的。在這幾年的學習過程中，導師在各方面給予了我無盡的關心、幫助和教誨，使本論文的研究工作得以順利完成。從課題初期的選定，方案的制定，樣機的制作及論文的撰寫定稿，無不凝聚著導師的心血。導師淵博的知識、敏銳的思維、嚴謹求實的科學態(tài)度和善于發(fā)現問題、解決問題的能力，都給我莫大的啟迪和教育。至此設計完成之際，學生表示深深的謝意。 感謝同窗好友在四年的學習和生活中給予的幫助和支持。 最后還要特別感謝我的父母及朋友，正是他們無微不至的關心和照顧，孜孜不倦的鼓勵和教導，才能使我順利的完成大學的學習生活。我也將付出最大的努力去好好工作，來回報所有關心我的人! 參考文獻 [1]周劍，馮曉靜，劉洪杰，等.甘草種植產業(yè)發(fā)展現狀及對策研究[J].安徽農業(yè)科學，2012, 40(19):10065一10066. 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