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1、马铃薯挖掘机的设计由于部分原因，说明书已删除大部分，完整版说明书，CAD图纸等，联系153893706摘 要：马铃薯挖掘机的研究和应用进行介绍和分析，设计了组合分离式马铃薯挖掘机。对该机的主要参数进行了选择，对主要零部件的设计进行了理论计算和结构优化。马铃薯为地下产物，且是块茎繁殖， 其收获受季节和天气限制。由于马铃薯的收获费时费力、劳动强度大且季节性强，因此给农民造成极大的困难。为了解决上述问题，本文就国内外马铃薯收获机现状、马铃薯收获机的研究和应用进行介绍和分析，设计了组合分离式马铃薯收获机。对该机的主要参数进行了选择，对主要零部件的设计进行了理论计算。关键词：马铃薯；挖掘机；结构优化Th
2、e Design of Potato Excavator Student: Tutor: (Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)Abstract: Potato is an under ground plant. Its harvest is limited by the crown of the year and weather. Since the potato harvesting process has some difficult problems
3、for farmers such as being strenuous and time consuming, great in labor intensity and urgent in seasonal demand, the paper analyses the present situation of potato harvest, and a combined separation potato digger has been developed through selection of principal parameters and theoretical calculation
4、 for the design of essential parts. Key words: potato; excavator; optimize the structure1 前言马铃薯的营养价值非常高，市场潜力巨大。在国外，大约占40%的马铃薯加工成食品后进入消费市场。在国内，一向被国人视为不能登大雅之堂的马铃薯产品也突然间在市场上风靡起来。在北京、上海、广州及西安等全国大中城市，以马铃薯条、马铃薯泥为基本原料的麦当劳、肯德基食品已占据我国快餐市场的半壁江山，而从各种渠道进口的其它油炸薯片或膨化食品等也滚滚而来。中国农科院副院长屈东玉博士在日前召开的中国马铃薯学术年会上指出：“马铃薯是一
5、种产量高、适应性强、经济价值大的作物，应把马铃薯主产区列入国家粮食商品粮基地，享受与水稻、小麦等商品粮基地同样的财税待遇，这将是保证我国粮食安全的有效手段。”马铃薯作为经济作物，种植面积越来越大，而传统的马铃薯收获手段费时费事，劳动强度大且季节性强，因此给农民造成极大的困难。马铃薯种植区大部分在潜山和腰山地区，落后的人工收获方式造成马铃薯冻害和减产等不必要的损失，农民对马铃薯挖掘机械的要求十分迫切。为了解决上述问题，推广应用小型马铃薯挖掘机势在必行。应用马铃薯挖掘机可以大大提高收获效率，降低劳动者的劳动强度，增产增收，减少收获损失，为我国马铃薯生产奠定良好的基础。根据我国马铃薯挖掘机械多年研制
6、生产经验可以看出， 日本、意大利、美国等国外机具适应垄作，很难适应我国平作种植形式。各类型机械需要进行多地域、多收获季节的田间试验和多轮改进，才能提高适应性。马铃薯是我国主要作物之一。发展马铃薯生产，对调整优化农业产业结构、加快脱贫致富及地区经济发展具有非常重要的作用。马铃薯为地下产物, 且是块茎繁殖, 其收获方式以挖掘机为主。马铃薯挖掘机可以大大提高收获效率, 降低劳动强度, 减少损失, 为马铃薯生产奠定良好的基础。但是收获方式的落后极大的制约了马铃薯生产发展。为促进马铃薯生产地发展，解决机械化收获问题势在必行。马铃薯挖掘机械化的关键矛盾是配套动力与机具性能要求之间的矛盾。鉴于动力的限制，与
7、14kw一下拖拉机配套机具的性能不宜要求功能全，只要完成起薯环节，让署块基本露于地面即可，其他工序由人工捡拾完成。从发展看这类机械作为与目前农村具有的小型拖拉机相配套的过渡性机型予以开发、推广。随着近年来马铃薯种植面积的不断增加，对马铃薯收获的机械化水平的需求越来越大。 2 马铃薯收获机发展概况马铃薯是我国北方主要粮食作物之一， 在内蒙、甘肃、宁夏、河北、山西、黑龙江、河南等省大面积种植，特别是内蒙、甘肃、河北北部等地因常年干旱少雨，气候寒冷，沙质土壤多，不利于其它作物的生长，马铃薯使成为这些地区的主产粮食作物。近几年来，马铃薯迅速以经济作物走向市场，大量销售到北京、天津、上海、广州等各大城市
8、，美国百事食品有限公司等国外企业也纷纷在我国以承包大面积种薯地形式而参与到马铃薯种植和深加工行业。随着马铃薯向规模化种植的发展，农民要求机械化收获的愿望日趋强烈。由于各地土壤、气候、地形及种植习惯的差异，种植机械发展相对滞后，多采用犁翻人工点播种植，行距不统一。小行距平作与大行距垄作形式共存，平作行距在400-550mm 之间，垄作在600900mm之间。近几年，随着早上市鲜薯需求量的增加，收获季节提前，马铃薯茎叶生长旺盛，薯皮鲜嫩，机械收获更易破皮和缠绕拥土，使农艺要求与机械收获适应性的矛盾更加突出。机械化收获马铃薯技术，关键问题是收获机械适应性差，伤薯率高。因此，研制开发性能优良，适应性强
9、，伤薯率低，多型号，价格适中，并能同大中马力拖拉机配套的收获机械是非常必要的。新中国成立初期, 我国收获马铃薯采用人工刨或旧犁挖掘的落后方式。直到20世纪60年代中期,马铃薯收获机具的研制工作才逐步发展起来。研究人员在研究原西德、原苏联、日本、瑞士等国外机具的基础上，研制成功了升运链式马铃薯收获机，但是由于受当时历史条件的限制，没能实现大面积推广和使用。20世纪70年代中期，由于手扶拖拉机的大量推广应用, 国内又掀起了为手扶拖拉机配套的马铃薯收获机的研制高潮, 成功研制了鼠笼式马铃薯收获机, 但受当时的配套动力限制, 未能生产和推广。1979年，12国农机展览会后，国家将全部马铃薯收获机样机都
10、投放在黑龙江省农业机械工程科学研究院，从而为马铃薯收获机的研究工作创造了良好的条件。到 20 世纪 90 年代中期, 由于国产小四轮拖拉机的大量推广和应用, 研制马铃薯收获机已被列入重要日程。而此后, 其市场需求旺盛, 先后有小型升运链式马铃薯收获机和振动式马铃薯收获机投放市场,并占据了很大的市场份额。2.1 国外块茎挖掘机的发展现状国外块茎挖掘机械化收获起步早、发展快、技术水平高。20世记初，欧美国家出现畜力牵引挖掘机来代替手锄挖掘块茎、随后改由拖拉机牵引或悬挂。20年代末出现了升运链式和抛掷轮式块茎挖掘机。在20世纪40年代初，前苏联、美国就开始研制、推广应用块茎挖掘机械，50年代末即己实
11、现了机械化。7080年代，德、英、法、意大利、瑞士、波兰、匈牙利、日本和韩国亦相继实现了块茎作物生产机械化。70年代主要是研制大功率自走式根块作物联合挖掘机，且以收获垄作种植为主。这些机型是大功率拖拉机变型，如荷兰在拖拉机基础上按照甜菜联合挖掘机的原理制成的双行马铃薯联合挖掘机，为了加强筛选效果，分离器有四个液压泵带动。美国在1948年以前用挖掘机来收获块茎，然后人工捡拾，直到1967年，开始使用联合挖掘机， 20世纪90年代，美国已基本实现了块茎挖掘机械化。前苏联是生产块茎作物挖掘机最早的国家，生产了许多半悬挂式机型，如KKY2型、KOK2型、KKP2型等块茎作物联合挖掘机，机器体积较庞大笨
12、重，到20世纪90年代初，块茎挖掘机共有16种机型，其中10种是联合挖掘机，90年代中期，开始生产自走式联合挖掘机，其劳动生产率比其它行挖掘机提高12倍。近年来，欧美的马铃薯挖掘机型仍然是以大功率机组为主。这些机型只能在大面积土地上使用，不适用于中小地块。有些国家和地区生产一些小型挖掘机械，如意大利的SP100机型为小型垄作挖掘机械。在亚洲生产马铃薯挖掘机械的国家较少。日本在1955年以前使用畜力挖掘犁，1955年196年生产悬挂式抛掷式和升运链式挖掘机，70年代开始引进英国、美国等发达国家的联合挖掘机，并研制适合日本国情的联合挖掘机，对于根菜（萝卜、家山药青芋、胡萝卜等）机械收获的研究从19
13、60年开始，近几年韩国、日本生产了一些小型马铃薯挖掘机，如韩国高山机械工业公司生产的小型单行和双行土豆、地瓜挖掘机械。发展中国家基本上采用挖掘犁和挖掘机进行收获作业,发达国家的块茎作物收获已基本实现了机械化联合作业。如德国、美国的联合挖掘机在自动化控制块茎分离以及减少块茎作物损伤等方面都有独到之处。东洋农机公司、日本三A公司久保田公司等都生产适合小地块作业的中小型自走式块茎作物挖掘机9。2.2 国内多功能块茎挖掘机的现状分析近年来,国内市场上也出现了一些此类机械，如大蒜挖掘机就有对行松土铲式和不对行平铲式输送方式也有多种。但大多数机型在适应性和质量可靠性方面仍然不同程度地存在着一些问题,主要体
14、现在两个方面,一是损伤作物的问题,因为象大蒜、生姜此类作物,收获时皮质鲜嫩易损,而损伤后会严重影响其价格;二是适应性差,因各地农艺不同,行距及株距存在着差异,机具难以满足这种要求。由于进口农机具价格较高,农民难以接受,根茎挖掘机械还是要走国产化道路,而且还要根据中国国情,不能盲目照搬。主机利用现有的机型,如田园管理机、手扶拖拉机及四轮拖拉机,对国外的机型原理加以消化吸收,研制出适合中国国情的机具。国内根茎作物的机械化收获还有较长的路要走,不仅需要科研部门及企业的大力研制及投入,还牵涉到农民的认识和接受问题。国外发达国家（如日本、美国、法国、意大利等国）地下作物的收获已实现机械化，对于长根作物（
15、萝卜、山药等）和断根作物（洋葱、大蒜等）都有不同的挖掘机械，工艺十分的先进，但机械价位较高，全部引进国内无法接受，例如，意大利产的DSC-120和日本宝田公司产的DCL-130型土豆挖掘机，大多用于沙壤土作业，这些设备不太适应我国地下作物种植的农艺要求和土壤状况。根据以上分析，在国内外现有的基础上，结合我国农村市场的实际情况，分析国内块茎类作物的农艺要求和土壤的物理特性而研制出的多功能块茎类挖掘机。综观国内外多功能块茎挖掘机的发展特点及外部环境，专家预测未来多功能块茎收割机的主要发展趋势是：1） 开发节能、高效、可靠、环保型产品的多功能块茎收割机。2） 安全性及通用性是产品发展的重要目标。3）
16、大型化与小型化仍是产品系列化的两极方向。4） 技术进步、操作方便和售后服务将成为企业生存的三大关键因素。2.3 块茎作物收获的主要方法在原始农业生产中，因种植作物不同，其收获方法及使用的工具也不相同11。收获块根和块茎作物时，除了用手直接拔取外，主要是使用尖头木棍(木耒)或骨铲、鹿角锄等工具挖取。根据生产规模，马铃薯的收获可采用不同工具，包括铲形耙、犁或商业马铃薯挖掘机（可从土中将马铃薯挖出并通过摆动或吹气将土薯分离）。重要的一点是，在收获期间应避免出现碰伤或其它损伤，因为这会给贮藏期疾病提供入口。现在人们基本采用单一型联合挖掘机，与拖拉机配套使用12。2.4 多功能块茎挖掘机的发展趋势1）向
17、适应性，通用性发展如采取在一台块茎挖掘机上换装不同型号的清选、分离装置，摘果装置13。采用可互换的滚筒式分离机构和圆盘割刀式分离机构,可用于花生、大蒜、洋葱等多种根茎类作物的联合收获,实现一机多用。采用通用性好的果秧分离机构，适用于不同种类根茎类作物的秧蔓与果实的结构、形状、尺寸将两者分离，以适应多种作物和多种形式块茎作物的收获要求。2）向智能化方向发展我国的农机产品要想达到农业生产上的精耕细作，并追赶国际水平，就必须在智能化上下功夫14，给农机产品配备精准的多功能的农业系统已经成为农机发展的潮流，经济作物的耕作机械应重点开发根作物的收获，以解决种植面积不断扩大的花生，大蒜，胡萝卜，土豆等块茎
18、类果实的挖掘类挖掘机械输送和分离问题。3）向多功能联合型机械发展增加农业机械的使用方向，避免机械的单一性，实现一机多用,可用于花生、大蒜等多种根茎类作物的联合收获等作业联合在一起，并可增加其收割功能，以提高机具利用率15。4）向精量化农业机械发展开发安装有精量收获的传感器以达到提高收获率的目的。5）简化操作简化操作减少辅助工作时间， 提高工作速度这是提高收获作业生产率的又一途径，如在可能的前提下尽量增大集果箱的容积，减少装卸的次数，其底部采用可打开的形式，以加快其收获完毕后清扫的时间。2.5 马铃薯收获机的技术要求国内马铃薯收获机械技术发展还处于起步阶段，但各类型机均应具备以下技术要求：1)挖
19、净率：要求挖深在150200ram之间，每行挖掘宽度在350500ram之间，挖净率应不低于98。2)明薯率：收获机必须具有良好的分离机构，能将薯块与土壤分离，使分离后的薯块集堆或集条以便于人工捡拾明薯率应达95。3)破损率：收获时应尽量减少马铃薯破皮、切伤等损失，破损率应小于5 。4)生产率：机械收获的目的在于减轻劳动强度，提高生产率，适时收获。因此，收获机作业时应具有一定的作业速度。5)其它要求：马铃薯收获机在尽可能减少自身动力消耗的情况下，其配套动力应具有一定的储备。分离机构应具有排石、去秧功能，以适应土壤、地形等方面的变化，以及收获后田地应平整，不能影响以后农田作业要求。3 总体方案的
20、设计3.1 整体布局的设计其传动图如图4：1、万向联轴2、链轮 3、减速器4、动力输出轴 5、输送链驱动轴 6、振动筛轴图4 传动图Fig.4 Driver chart其总体结构图如图5：1、V带轮 2、V带 3、机架 4、抖动轮 5、减速器 6、联轴器 7、悬挂架 8、挖掘铲 9、链轮 10、传动链 11、地轮图5 总体结构图 Fig.5 Overall structure3.2 工作原理本机主要由V带、减速器、抖动轮、机架、挖掘铲、传动链、地轮构成。拖拉机产生此处已删除2) 分离输送器的工作过程链杆式分离输送器是一种分离器兼输送器，其工作过程是，当被掘起的土壤、块茎等向上输送时，在输送链的
21、作用下，土壤被疏松，土壤通过杆之间的间隙筛出来，块茎则被输送器输送到机器的尾部，从而将块茎重新放回地表。达到挖掘块茎的目的。作业时，位于前部的挖掘铲进入土层内将块茎整个掘起，掘起的土块在挖掘铲的作用下发生劈裂破碎，然后输送到分离输送器上。分离输送器杆条在向后运动的同时，还受到抖动器的作用而上下抖动，使大部分土壤变松并落回地里。块茎则被输送器运送到机器的尾部。其结构如图12：1、主动轮 2、分离输送器 3、抖动轮 4、从动轮图15 分离输送器图Fig.15 Separation conveyor8.2 杆条参数的确定在欧洲的许多国家里，杆间距离通常为25-28mm。而在美国，甚至为40-48mm
22、。亚洲的日、韩等国为30-40mm。这个间隙主要于块茎作物的品种和块茎的尺寸由很大关系。一般情况下块茎作物的块茎为扁圆、椭圆、圆、长筒等形状，为了研究方便我们可以统一采用长、宽、厚三个特征尺寸来描述块茎的物理机械特性，其中厚度尺寸是关键的一个尺寸。式中： 要使分离输送器达到筛分土壤，保留块茎的目的，杆条间隙的设计应满足c的条件，即保证块茎最小特征尺寸大于杆条间隙，从而使块茎不至于在杆条间隙间随土壤一起漏下。根据资料和实际的测量，我国块茎的厚度尺寸大多在30-80mm之间，因此若取杆间距L为45mm，杆条直径为10mm，代入式中，可得杆条的间隙为35mm。杆条是由直径为10mm的圆钢，按一定间距
23、固定在两条带子上组成。在输送筛上工作面的杆条下，设置有随动型的抖动轮，抖动轮直接与输送筛的升运链工作面的杆条相接，由升运链杆条带动，其转动的圆周速度与输送筛的工作速度相同，椭圆形抖动器的长半径和短半径之差使输送筛工作面的运动方向发生瞬时的周期性变化，从而抖动输送筛上的掘起物。其结构如图13：图16 杆条间歇图Fig.16 Article intermittent8.3 分离输送器线速度的确定多功能块茎挖掘机抖动分离输送器的线速度和抖动器的性能是影响分离率和块茎损伤率的主要因素。而抖动器的抖动和抛起性能，除了受其本身的几何形状影响外，主要取决于其速度。也就是说，线速度是分离输送器设计的主要参数。
24、通过对分离输送器和抖动器的运动学和动力学分析，来阐述分离输送器与抖动器的运动学关系，并分析抖动器的抖动和抛起性能，为分离输送器线速度的确定提供理论依据。在选定输送器的线速度时，必须考虑它的类型、长度、运动特性（加速度）及由这些因素造成的块茎的损伤问题。输送器的寿命、尺寸及机器的重量都与它的速度有关。分离输送器的线速度和作用在其上的加速度越高，它的尺寸就可以越小，但它对块茎的损伤也就会越大，耐用性会降低。输送器的长度关系到块茎分离和整机的尺寸，因此它必须适当。分离输送器在工作时，其线速度应略大于机器的前进速度，以保证掘起物往后传送的正常进行。试验表明：当线速度高于2m/s，土壤含水量大于等于20
25、%时，分离能力下降。若机器的前进速度为，分离传送器的线速度为，则有：等于分离传送器的线速度比上机器的前进速度， 的取值一般为0.82.5机器工作时的速度为1.2m/s，分离输送器的速度为1.3/s，所以算出的为1.08。在0.8到2.5的范围之内，所以该参数的确定符合要求。9 挖掘铲的设计9.1 挖掘铲的构成挖掘铲由独立铲片、铲片固定板和角度调节机构组成。铲尖角度设计为钝角，这样可以减小铲前的入土深度，从而降低无效挖掘深度的动力消耗。挖掘铲铲尖的形状采用“w”型，前进阻力较小，入土性能好。9.2 挖掘铲的设计挖掘铲的铲片是多片铲的变形，铲片与铲片之间留有间隙，这便带来很多优点。1）一方面是减少
26、铲尖与土壤的接触面积，达到减少阻力的目的。2）另一方面是减轻了机器前部的重量，防止铲尖下陷。多片铲在工作时发生局部磨损时，更换方便维修成本低。一般单株块茎在土壤中的最大分布宽度为400mm，块茎分布的深度一般为在地表一下120-200mm之间。为了保证铲刃的自动清理功能，铲刃的倾斜角度可由受力确定，使土壤在铲刃上的滑切力能克服摩擦力，即： 式中：为作用于铲刃上的阻力。 为铲刃上的正压力。 为铲刃上的滑切力。 为铲刃与土壤之间的摩擦力，且，为摩擦角。 代入得：一般土壤对钢的摩擦角为，取，所以。若铲片数量为5个，单个铲片宽度为100mm，长度为250mm，铲刃倾斜角度，铲面倾角为，铲间间隙为25m
27、m。为了保证挖掘铲挖进的土壤和块茎不会从两侧滑落，因此需要在挖掘铲的两侧加设挡板，挡板为平行四边形，焊接在机架上。其结构如图图17挖掘铲 Fig.17 Digging Shovel10 地轮和机架的设计10.1 地轮的设计地轮的作用主要是在机器行走过程中的平衡支撑作用。为了克服挖掘机收获时挖掘铲前部较大的阻力，设计的地轮应当有较好的通过性，且能够保证在凹凸不平的地表情况下准确控制挖掘深度。地轮材料可以选择铸铁，结构采用腹板式。在机架上设置不同的安装位置，可根据种植情况调节深度。10.2 机架部分的设计挖掘机组的入土性能、挖掘深度稳定性能、机组牵引性能、运输通过性能及对地表的适应性能等主要工作性
28、能都收多功能块茎挖掘机悬挂装置的影响。本设计采用三点悬挂式机构，由拖拉机后置三点悬挂和挖掘机悬挂架机构成一个空间机构，它可以看作在纵垂直面和水平面的四个四连杆机构。这两个四连杆机构具有各自的瞬心，挖掘工作时，在各种作用力及相对瞬心的力矩作用下，将产生绕这两个瞬心的转动趋势转动，以保持平衡。其结构如图15：图18 机架Fig.18 Rack11 马铃薯收集装置的设计 由于本马铃薯收获机整机结构较为简单，其主要功能以挖掘马铃薯为主，收集装置可以简单化。不过要设计其收集装置的话，可用较为大的蛇皮袋子套于机器后方，要保证蛇皮袋子口完全把机器后方包住，这样是使马铃薯在输送过程中不至于散落在地下而是全部落
29、于袋中。此换袋子过程须人工控制，当袋子装满马铃薯后，人工换袋，继续进行马铃薯收获工作。因考虑到此设备的结构简单，假如设计自动收集装置的话有点困难而且需要改动较大，因此就运用简单的袋装设计来实现对马铃薯的收集。准备的蛇皮袋子须是较为大的袋子，袋口要远大于机器后方宽度，材料也需抗摩擦力强度要求较大。这就是关于收集装置的简单设计。12 结论本次设计的机器性能满足要求，能较好的与农村现有动力配套使用，能较好的把握挖掘机收获过程中的要求。通过本次毕业设计，我对产品的设计过程有了一个系统的认识，掌握了基本的设计过程，真正地将所学的理论知识与实践结合起来，提高了独立思考解决问题的能力。由于所掌握的知识的限制
30、和经验的不足，在设计的过程当中，难免有不妥之处。在今后的学习工作中我会继续努力，弥补自己在专业知识上的缺欠。此次设计，我认为最重要的就是使我明白了，无论做什么事情，要想做好，必须态度端正；要善于学习，时刻学习；做事要严谨、认真，细致、不怕吃苦，还要有创新精神。参考文献1 赵满全,窦卫国,赵士杰等.4SW系列马铃薯挖掘机的研制J.农村牧区机械化,1999,(4).2 蒋炳奎译.根菜挖掘机械M.1979,12.3 中国科学技术情报研究所重庆分所编辑.国外挖掘机械(第二集)M.1977,1l.4 单爱军,刘俊杰,崔冰冰.马铃薯挖掘机现状与发展趋势J.农机化研究.2006,（4）:1920.5 韩建新
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34、课题是在导师翁伟讲师的悉心指导下完成的。四年的学习中翁老师严谨的治学态度、实事求是的工作作风，精益求精的工作精神令我受益匪浅。在生活中翁老师积极乐观的生活态度，做任何事情充沛的精力和执着的态度，这都将对我以后的工作和学习有很大的帮助。至此在论文定稿之日，谨向恩师致以衷心的感谢，感谢导师在各方面的帮助，感谢导师的信任和支持。在论文进行的过程中，还得到了寝室同学以及各位同窗好友无私的帮助和热情的鼓励，在此一并表示衷心的感谢!感谢东方科技学院的各位老师在我四年的学习生活期间，对我思想、生活、学习上的指导和关心，使我不断的成长。最后，特别感谢的是我的父母，他们是我这四年最主要的动力，是他们时刻的关理解和支持才使我能够顺利完成学业！附录：附录1：带轮零件图 A3X1附录2：挖掘铲零件图、主轴零件图 A2X2附录3：装配图、机架图 A0X1
