釀酒葡萄收獲機(jī)收集輸送裝置的設(shè)計(jì)與理論分析

黨永強(qiáng)，李成松，楊蘭濤，何 苗，朱新月，徐 亭

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院/農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832003)

0 引言

新疆土地資源豐富，氣候條件得天獨(dú)厚，光照充分，晝夜溫差大，有利于葡萄營養(yǎng)成分酚類物質(zhì)和單寧等一些有效成分的積累[1]，非常利于釀酒葡萄的生長。目前，釀酒葡萄已成為農(nóng)民增收的有效途徑[2]。隨著新疆農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，葡萄的種植面積逐年增加[3]，但其收獲方式主要依靠人工，存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、采收費(fèi)用高，且葡萄成熟期與棉花、辣椒等經(jīng)濟(jì)作物相近，雇工困難，易錯(cuò)過釀酒葡萄的最佳收獲時(shí)期而影響其品質(zhì)等問題[4]，因此釀酒葡萄的機(jī)械化收獲是葡萄產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展的必然趨勢。

由于國內(nèi)外釀酒葡萄種植模式和栽培特點(diǎn)存在一定差異，國外收獲機(jī)械不適用于國內(nèi)釀酒葡萄的機(jī)械化收獲[5]。石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院研發(fā)了4PZ-1型自走式釀酒葡萄收獲機(jī)[6]，致力于推動(dòng)國內(nèi)葡萄種植業(yè)的發(fā)展，提高種植戶收益。收集輸送裝置是釀酒葡萄收獲機(jī)的重要組成部分，主要用于將振落的葡萄粒收集并輸送至料箱，其工作性能的好壞直接影響到整機(jī)的工作性能[7]。鑒于原有的葡萄收獲機(jī)體積過大，導(dǎo)致整機(jī)換行作業(yè)困難，本文設(shè)計(jì)了一種基于圓環(huán)輸送鏈的釀酒葡萄收獲機(jī)收集輸送裝置，旨在減小釀酒葡萄收集輸送裝置的空間結(jié)構(gòu)，為釀酒葡萄收獲機(jī)的繼續(xù)研發(fā)提供支持。

1 設(shè)計(jì)方案與工作原理

1.1 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)采用鏈輪與圓環(huán)鏈配合傳動(dòng)的方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、傳力大、傳動(dòng)比準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)耐用和維修保養(yǎng)容易等特點(diǎn)[8]，可實(shí)現(xiàn)釀酒葡萄收獲機(jī)收集輸送裝置的靈活傳動(dòng)。

釀酒葡萄收集輸送裝置由收集輸送部分和驅(qū)動(dòng)部分兩部分組成，如圖1所示。收集輸送部分主要由導(dǎo)軌、戽斗、擋板、出料口、圓環(huán)輸送鏈等組成；驅(qū)動(dòng)部分主要由鏈輪、雙排滾子鏈、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)等組成。

1.2 工作原理

工作時(shí)，收獲機(jī)騎跨在葡萄行上進(jìn)行作業(yè)，收集輸送裝置的導(dǎo)軌分布在葡萄藤兩側(cè)，導(dǎo)軌上分布著柔性戽斗。為滿足工作需要，底部導(dǎo)軌平行向內(nèi)側(cè)收縮，底部戽斗相互嚙合，形成密閉底部。工作過程中，振動(dòng)分離裝置振落的大部分葡萄粒及雜質(zhì)在重力的作用下直接落入下方戽斗內(nèi)，其余葡萄粒經(jīng)下滑板滑入底部戽斗內(nèi)。驅(qū)動(dòng)部分鏈輪在液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)圓環(huán)鏈運(yùn)動(dòng)，裝有葡萄的戽斗在圓環(huán)鏈的帶動(dòng)下以順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，在頂部擋板、兩側(cè)擋板及后擋板的貼合護(hù)送下將釀酒葡萄顆粒輸送至出料口，從而進(jìn)入料箱，最終完成葡萄粒收集輸送的單個(gè)工作循環(huán)。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 戽斗

相對于傳送帶式輸送機(jī)構(gòu)，斗式輸送機(jī)構(gòu)所占用的空間尺寸比較小，工作效果較好[9]，因此該裝置選用斗式輸送方式。

戽斗長期的擠壓和拉伸變形會(huì)影響其使用壽命，為緩沖戽斗的擠壓力或拉伸力，將戽斗尾部設(shè)計(jì)成裙式。如圖2所示：戽斗保持原有的三角形形狀，自前端頂點(diǎn)向下傾斜，葡萄粒落入三角形區(qū)域后滾落至長方形區(qū)域中[10]。因工作時(shí)戽斗緊貼葡萄藤作業(yè)，為保證戽斗不刮傷葡萄植株且自身不被損傷，其應(yīng)具有一定彈性和耐摩性。因此，該設(shè)計(jì)中戽斗采用食用型聚氨基甲酸酯材料[11]。

1.導(dǎo)軌 2.戽斗 3.鏈輪 4.從動(dòng)軸 5.從動(dòng)鏈輪 6.雙排滾子鏈 7.主動(dòng)鏈輪 8.驅(qū)動(dòng)馬達(dá) 9.頂部擋板 10.出料口 11.出料口橡膠接頭 12.兩側(cè)擋板 13.后擋板 14.下滑板 15.圓環(huán)鏈 16.導(dǎo)輪 17.走輪 18.上壓板 19.連接板 20.下壓板圖1 釀酒葡萄收獲機(jī)收集輸送裝置結(jié)構(gòu)

圖2 戽斗結(jié)構(gòu)

如圖3所示：戽斗安裝時(shí)，通過螺栓與連接板連接，連接板固定在圓環(huán)鏈上，圓環(huán)鏈由上壓板和下壓板通過螺栓夾緊。連接板上布置有行走輪和導(dǎo)向輪，協(xié)助圓環(huán)鏈在導(dǎo)軌內(nèi)做循環(huán)運(yùn)動(dòng)，將戽斗內(nèi)收集的葡萄顆粒送至料箱。行走輪和導(dǎo)向輪采用尼龍材料以減少軌道內(nèi)的摩擦和沖擊，且避免因長期與葡萄汁接觸而引發(fā)的腐蝕現(xiàn)象[12]。

2.2 導(dǎo)軌

圓環(huán)鏈能在輸送導(dǎo)軌的較小半徑轉(zhuǎn)彎處平穩(wěn)通過，輸送導(dǎo)軌設(shè)計(jì)為由直段、傾斜段及多個(gè)圓弧段構(gòu)成，如圖4所示。導(dǎo)軌可利用多個(gè)圓弧段縮短輸送路線，減小收集輸送裝置的體積，提高其結(jié)構(gòu)緊湊性[13]。

1.螺栓 2.下壓板 3.圓環(huán)鏈 4.上壓板 5.螺母 6.導(dǎo)輪 7.行走輪 8.連接板 9.戽斗圖3 戽斗安裝示意圖

圖4 導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)

導(dǎo)軌選用4mm厚鋼板，截面尺寸如圖5所示。其中，截面長90mm，寬60mm，開口寬度為22mm。底部導(dǎo)軌長度的設(shè)計(jì)由振動(dòng)采收裝置采收區(qū)域的長度決定，而采收區(qū)域的長度取決于振動(dòng)裝置中肋條長度，因此，確定導(dǎo)軌底部直段長度為2 000mm[14]。設(shè)計(jì)圓弧段的最小轉(zhuǎn)彎半徑為300mm，相比雙鉸接鏈輸送方式，該導(dǎo)軌轉(zhuǎn)彎半徑減小50%，極大地縮短了裝置的空間結(jié)構(gòu)。

圖5 導(dǎo)軌截面

導(dǎo)軌的安裝高度應(yīng)保證落下的葡萄顆粒全部被收集[15]。在設(shè)計(jì)安裝時(shí)，導(dǎo)軌的最低高度，即底部導(dǎo)軌距地面的豎直高度應(yīng)低于葡萄串的最低高度500 mm[16]。

2.3 圓環(huán)鏈

圓環(huán)鏈的選擇不合理，將會(huì)增加圓環(huán)鏈動(dòng)力損失，加速圓環(huán)鏈磨損，并造成圓環(huán)鏈斷裂現(xiàn)象[17]，如圖6所示。為保證工作過程中圓環(huán)鏈與鏈輪嚙合良好，運(yùn)行平穩(wěn)，確定圓環(huán)鏈的規(guī)格為Φ10×40-C級，最外寬34mm，鏈條節(jié)距40mm。圓環(huán)鏈采用合金鋼20CrMo，并經(jīng)調(diào)質(zhì)和表面硬化處理[18]。

圖6 圓環(huán)鏈結(jié)構(gòu)

2.4 鏈輪

工作過程中，鏈輪需承受較大的靜載荷和動(dòng)載荷[19]。因此，需對鏈輪主要結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。其尺寸計(jì)算如下：

選擇鏈輪齒數(shù)z=17，則鏈輪節(jié)距角為

(1)

鏈輪節(jié)圓直徑為

(2)

式中p—圓環(huán)鏈鏈條節(jié)距(mm)，p=40;

d—圓環(huán)鏈鏈條直徑(mm)，d=10。

根據(jù)生產(chǎn)的需要，鏈輪的實(shí)際節(jié)圓直徑應(yīng)略大于其理論值，設(shè)計(jì)其尺寸為D0= 435 mm。

鏈輪的外徑為

Dg=D0+2d=455mm

(3)

立環(huán)立槽的直徑為

(4)

其中，Δ代表的是鏈條對應(yīng)的值，選擇Δ=26mm；b為圓環(huán)鏈的最大外寬，b=34mm。

在設(shè)計(jì)過程中，考慮到鏈齒的承載能力,采用縮短齒高的方法，所以取Df=370mm。立環(huán)立槽寬為

n=d+δ=14mm

(5)

其中，δ為鏈條的對應(yīng)值，選擇δ=4mm。

齒根圓弧半徑為

R1=0.5n=7mm

(6)

鏈窩長度為

L=1.075p+2d=63mm

(7)

鏈輪中心至鏈窩底平面的距離為

取整為H=212 mm，則鏈窩中心距離為

A=1.075p+d=53mm

(9)

短齒齒厚為

(10)

取整為W=38mm。

為增加鏈齒的承載能力，則有

W=38+12=50mm

(11)

齒形圓弧半徑為

R2=p-1.5d=25mm

(12)

立環(huán)槽圓弧半徑為

R3=0.5d=5mm

(13)

端齒根部圓弧半徑為

R4=0.5d=5mm

(14)

綜上計(jì)算結(jié)果，對鏈輪進(jìn)行三維數(shù)字化建模，如圖7所示。

圖7 鏈輪結(jié)構(gòu)

3 圓環(huán)鏈與鏈輪嚙合理論分析

3.1 嚙合過程

如圖8所示：收集輸送裝置工作時(shí)，圓環(huán)鏈的平環(huán)與驅(qū)動(dòng)鏈輪嚙合，立環(huán)與相鄰的平環(huán)連接[20]。鏈輪在液壓馬達(dá)的帶動(dòng)下，以角速度ω逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)與之嚙合的圓環(huán)鏈以大小相同、方向相反的速度轉(zhuǎn)動(dòng)[21]。該運(yùn)動(dòng)可等同于鏈輪處于靜止的條件下，圓環(huán)鏈在拉力F的作用下以角速度ω順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。圓環(huán)鏈鏈環(huán)1、2、3的圓環(huán)接觸中心分別為O1″、O2″、O3″，如圖8(a)所示。鏈環(huán)1以O(shè)1″為圓心的圓環(huán)與鏈輪剛嚙合時(shí)，鏈環(huán)2與3同時(shí)以O(shè)1″為圓心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，直到鏈環(huán)3以O(shè)2″為圓心的圓環(huán)面與鏈輪曲面接觸。如圖8(b)所示：鏈環(huán)1和2與鏈輪完成嚙合過程，而鏈環(huán)3則以O(shè)2″點(diǎn)為中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)至與鏈輪接觸，從而實(shí)現(xiàn)下一組鏈環(huán)與鏈輪的嚙合。此時(shí)，鏈環(huán)3的O3″點(diǎn)已經(jīng)隨著旋轉(zhuǎn)進(jìn)入如圖8(c)所示的位置，完成鏈環(huán)1、2、3與鏈輪的嚙合過程。鏈輪依次與鏈環(huán)接觸，完成運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力傳遞過程[22]。

(a)

(b)

(c)圖8 嚙合過程

3.2 嚙合力

工作過程中，鏈輪通過與鏈環(huán)嚙合傳遞動(dòng)力，其傳遞力可視為鏈輪與鏈環(huán)所有接觸力的合力[23]。

(15)

其中，α是N與F之間的銳角夾角；f是鏈環(huán)之間摩擦因數(shù)。

由式(15)可解得，在tanα≤f的情況下，鏈輪與圓環(huán)鏈才能順利嚙合，不發(fā)生爬齒現(xiàn)象。則有

α≤tan-1f

(16)

由式(16)可知：曲面A在所有嚙合點(diǎn)的法線與嚙合平環(huán)節(jié)距方向之間的夾角α，都小于或者等于 tan-1f，且α角度越小情況下，嚙合越穩(wěn)定。鏈輪非承載曲面B接觸點(diǎn)的法線方向與嚙合平環(huán)節(jié)距方向夾角α≥tan-1f將使得脫鏈更加容易。

綜上所述，鏈窩曲面上任意一點(diǎn)的法線與X軸的夾角α在小于或等于tan-1f的情況下，鏈輪與鏈環(huán)可以順利嚙合，不發(fā)生爬齒現(xiàn)象。

圖9 平面接觸受力圖

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種釀酒葡萄收獲機(jī)收集輸送裝置，可實(shí)現(xiàn)釀酒葡萄粒的收集與輸送作業(yè)。該裝置采用鏈輪帶動(dòng)圓環(huán)鏈的輸送方式，有效縮短了輸送路線，減小了裝置的結(jié)構(gòu)尺寸。戽斗尾部設(shè)計(jì)為裙式，有效減緩了戽斗的變形。對圓環(huán)鏈與鏈輪嚙合過程和嚙合力進(jìn)行了分析，確定了鏈輪不發(fā)生爬齒現(xiàn)象的條件。研究為釀酒葡萄收獲機(jī)的繼續(xù)研發(fā)提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。