非入土式洋蔥收獲機(jī)的研發(fā)與設(shè)計

左勝甲，左勝悅，孫琰玥，王 瀚，李繼成，王櫻燃

洋蔥又稱玉蔥、蔥頭、圓蔥，有很多不同的食用方法，比如炒食、煮食、調(diào)味或腌漬，還有降低血壓、舒張血管、抑制癌癥的保健功效，是一種非常理想和可口的蔬菜［1-2].洋蔥的收獲是洋蔥生產(chǎn)工藝中重要的一環(huán)，傳統(tǒng)的洋蔥收獲大多依靠人力來進(jìn)行洋蔥的挖掘、土壤的清除、去秧收集和運輸.不僅效率低，耗時多，而且工作量大，工作環(huán)境惡劣.這種依靠人力進(jìn)行收獲的方式不僅生產(chǎn)效率低，而且生產(chǎn)成本高，已經(jīng)越來越不適應(yīng)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展和對洋蔥需求逐步增大的趨勢［3]，而我國的洋蔥種植面積是全球第一，產(chǎn)量占全世界的34%［4-5].因此研發(fā)制造出適應(yīng)中國的生產(chǎn)國情，并能大范圍推廣的洋蔥收獲機(jī)，可以減輕洋蔥產(chǎn)業(yè)的勞動強(qiáng)度，減輕農(nóng)民的工作負(fù)擔(dān)，增加農(nóng)民的工作收入，造福于廣大農(nóng)民.洋蔥自動收獲機(jī)一直都備受國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機(jī)械行業(yè)的重視，世界各國已經(jīng)研制出了很多種類的洋蔥收獲機(jī).技術(shù)上比較領(lǐng)先的有美國生產(chǎn)的TopAir洋蔥收獲機(jī)，這種收獲機(jī)的技術(shù)集成度高，體積較大，而且價格較高［6].日本洋馬公司生產(chǎn)的HT20洋蔥收獲機(jī)，體型較TopAir 洋蔥收獲機(jī)小，但是不能多行聯(lián)合收獲，效率比較低，而且價格也比較高［7-8].這兩種洋蔥收獲機(jī)雖然技術(shù)上較為先進(jìn)，但是在實際應(yīng)用中并不適合在我國推廣使用.

我國對洋蔥收獲機(jī)的研究起步較晚，部分研究院所對洋蔥收割機(jī)進(jìn)行了研究探索，但是由于技術(shù)尚不成熟，收獲質(zhì)量并不理想，制造成本高.本文設(shè)計了一種非入土式洋蔥收獲機(jī)，對其收獲原理進(jìn)行了闡述，并對整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，分析計算了非入土式洋蔥收獲機(jī)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)和整機(jī)的工作參數(shù)，并對關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計計算，同時構(gòu)建了整機(jī)的三維虛擬樣機(jī)模型.

1 設(shè)計原則

洋蔥收獲機(jī)的研究設(shè)計不僅要滿足我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)國情，而且還要遵循一定的機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計的基本準(zhǔn)則，以下為其設(shè)計原則.

（1）所設(shè)計的洋蔥收獲機(jī)應(yīng)該有一定的通用性，應(yīng)該盡量適應(yīng)多種土壤硬度的耕地.

（2）所設(shè)計的洋蔥收獲機(jī)應(yīng)具有合適的挖掘力，防止在收獲過程中損傷洋蔥.

（3）有合理的結(jié)構(gòu)，防止在收獲過程中出現(xiàn)遺漏現(xiàn)象.

（4）在滿足洋蔥收獲機(jī)使用強(qiáng)度的情況下，應(yīng)該使收獲機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊，重量盡可能小，以節(jié)省收獲過程中的燃料損失.

2 總體方案的確定

2.1 總體設(shè)計思想

洋蔥的食用部分是洋蔥的塊莖部分，其塊莖部分有3/4 裸露在土壤之外，1/4 生長在土壤中.其收獲過程較之其他根莖類植物較為復(fù)雜，其收獲工藝過程為：挖掘→去秧→清理土壤→鋪條→清選→裝運.本設(shè)計參考改進(jìn)已有洋蔥收割機(jī)的工作過程，采用無入土鏟的設(shè)計方法，在工作時，整個洋蔥收獲機(jī)在拖拉機(jī)動力的帶動下向前運動，帶動鏟板向前推擠洋蔥，由于洋蔥的塊莖只有1/4 埋在土壤下面，所以這個推擠力完全可以將洋蔥挖掘出土壤［9]，然后洋蔥在輸送帶的帶動下，運輸?shù)綑C(jī)器行走方向的后方，同時傳送帶還對洋蔥果實有一定的清理作用.

這樣設(shè)計的好處在于，挖掘鏟板不用伸進(jìn)土壤中，可以減小洋蔥收獲過程中的挖掘阻力，大大提高了收獲效率.

2.2 洋蔥收獲機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作過程

本研究所設(shè)計的洋蔥收獲機(jī)能夠高效地完成洋蔥果實的收獲，是一種半懸掛式機(jī)具，其三維虛擬模型如圖1 所示，主要部件包括懸掛架、機(jī)架、輸送鏈、動力傳動系統(tǒng)和螺旋輸送裝置.

洋蔥收獲機(jī)采用無入土鏟的方法，工作效率高.比較合理的洋蔥種植的行距為120 mm，株距為80～100 mm，每畦畦寬為1 080 mm，每畦為9行.為了適應(yīng)這種種植的要求，現(xiàn)設(shè)計洋蔥收獲機(jī)的整機(jī)寬度為1 240 mm.在工作過程中，洋蔥收獲機(jī)通過懸掛架懸掛在拖拉機(jī)的后方，通過拖拉機(jī)前進(jìn)的動力牽引收獲機(jī)前進(jìn)，整個機(jī)械運轉(zhuǎn)的動力來自拖拉機(jī)的變速箱，變速箱的后軸動力經(jīng)由圓錐齒輪減速器，為輸送鏈提供動力.拖拉機(jī)的左右兩側(cè)行進(jìn)在兩畦之間的空地上，拖拉機(jī)一次行進(jìn)就可以完成整畦洋蔥的收獲.位于收獲機(jī)前端的鏟板可以將洋蔥果實推擠出土壤，在輸送鏈的帶動下，洋蔥從收獲機(jī)的后方漏出，然后依靠人力完成洋蔥的收獲工作.

圖1 洋蔥收獲機(jī)的基本結(jié)構(gòu)圖

2.3 整機(jī)工作參數(shù)的確定

根據(jù)洋蔥收獲機(jī)實際工作中的行進(jìn)速度、生產(chǎn)效率、工作寬度和設(shè)計生產(chǎn)所需的作用力來制定出本設(shè)計洋蔥收獲機(jī)的工作參數(shù)，洋蔥收獲機(jī)的工作參數(shù)不是獨立的，而是相互制約、相互聯(lián)系的.

（1）收獲機(jī)的外形尺寸.根據(jù)最適合洋蔥種植的農(nóng)藝，確定本設(shè)計收獲機(jī)的外型尺寸長×寬×高為2 050 mm×1 434 mm×750 mm.

（2）行進(jìn)速度.實際工作過程中的洋蔥收獲機(jī)行進(jìn)地面的平整度、土壤含水量及地面上雜草數(shù)量的多少都會影響到洋蔥收獲機(jī)的行進(jìn)速度.為了洋蔥收獲機(jī)有足夠的推擠力且不至于造成能源的浪費，選擇35～40 馬力的四輪式拖拉機(jī)作為本次洋蔥收獲機(jī)計算設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)，它的后輸出軸轉(zhuǎn)速為540 r/min，這個轉(zhuǎn)速用來為洋蔥收獲機(jī)的傳動箱提供動力.帶動洋蔥收獲機(jī)的行進(jìn)速度的范圍為：3 km/h ≤v≤5 km/h.

（3）生產(chǎn)效率.本次設(shè)計的洋蔥收獲機(jī)的工作寬度是1 240 mm，生產(chǎn)效率T用以下公式計算.

其中，η為收獲機(jī)田間利用系數(shù)，取為0.7，B為幅寬1 m，vm為收獲機(jī)行進(jìn)速度，則得T值范圍為0.21～0.35 hm2/h.

（4）動力計算.洋蔥收獲機(jī)的前進(jìn)動力是來自拖拉機(jī)前進(jìn)的牽引力，在收獲機(jī)前進(jìn)的過程中需要克服收獲機(jī)前進(jìn)的阻力和推擠洋蔥塊莖完成挖掘的阻力.因此，為了保證收獲機(jī)的正常運行，拖拉機(jī)的功率應(yīng)該留有一定的余量.如果拖拉機(jī)的功率遠(yuǎn)大于洋蔥收獲機(jī)所消耗的功率，就會造成能量的浪費，不僅增加成本，還有可能對洋蔥果實造成損害；但是如果拖拉機(jī)功率沒有一定的功率余量，就會使拖拉機(jī)的發(fā)動機(jī)長時間地處于過載工作狀態(tài)，可能導(dǎo)致發(fā)動機(jī)過熱，不能正常工作，甚至有可能造成拖拉機(jī)的損壞.所以合理選擇洋蔥收獲機(jī)的配套動力是整個設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)之一.進(jìn)行拖拉機(jī)功率的配套，也是進(jìn)行收獲機(jī)各軸之間傳遞功率的第一步.由于在傳動過程中存在一定的功率損失，同時也為了保證機(jī)器的正常運行，所選拖拉機(jī)的功率必須大于洋蔥收獲機(jī)多消耗的功率.本設(shè)計選取30～40馬力拖拉機(jī)，其后軸輸出轉(zhuǎn)速為540 r/min.現(xiàn)計算洋蔥收獲機(jī)在工作過程中所需要的總功率.

①洋蔥收獲機(jī)的前進(jìn)功率.在前進(jìn)過程中需要克服地面與收獲機(jī)滑板之間的摩擦力，收獲機(jī)的行走功率為

其中，G為收獲機(jī)整機(jī)重量，包括收獲機(jī)機(jī)械本體的重量和洋蔥果實的重量，取為500 kg；vm為收獲機(jī)行進(jìn)速度，一般按照最大行進(jìn)速度來設(shè)計［10]，取1.39 m/s；f為滑板與土壤之間的滑動系數(shù)，取0.15；η為收獲機(jī)傳動效率，為0.95.將數(shù)值代入上式得Px值為1.97 kW.

②挖掘功率計算.本設(shè)計的洋蔥收獲機(jī)的工作方式不同于其他根莖作物收獲機(jī)械的工作方式，其他種類的根莖類作物收獲機(jī)的工作方式是將鏟板切入土壤之中，將果實翻掘出來，由于破土和翻土的過程會對收獲機(jī)械的前進(jìn)造成比較大的阻力，因此需要比較大的功率.由于洋蔥果實特殊的生長方式，本設(shè)計的洋蔥收獲機(jī)，其挖掘方式是利用鏟板前進(jìn)產(chǎn)生的推擠力將洋蔥果實挖掘出來，然后在撥果輪的帶動下先進(jìn)入收獲機(jī)內(nèi)完成后續(xù)的收獲工序.所以本設(shè)計的洋蔥收獲機(jī)在挖掘過程中消耗的功率會大大減少，其挖掘力為

式中，μ為鏟板與土壤之間的摩擦系數(shù)，一般取0.4～0.9，本次設(shè)計取為0.4；N為洋蔥收獲機(jī)與洋蔥果實的總重量，Np為土壤的黏著力為1 000 Pa，s為黏著面積，將數(shù)值代入上式得

理論挖掘功率為

實際挖掘功率為

其中，η為傳動效率，為0.96.則設(shè)計功率為

kA為工況系數(shù)，取1.4.

綜上所述，本設(shè)計洋蔥收獲機(jī)的最大消耗功率為

3 關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1 鏈傳動的設(shè)計計算

在本設(shè)計的洋蔥收獲機(jī)中，鏈傳動的作用是為洋蔥果實的輸送鏈提供動力.鏈傳動是通過鏈條將具有特殊齒形的主動鏈輪的運動和動力傳遞到具有特殊齒形的從動鏈輪的一種傳動方式.鏈傳動有許多優(yōu)點，與帶傳動相比，無彈性滑動和打滑現(xiàn)象，平均傳動比較準(zhǔn)確，工作可靠，效率高；傳遞功率大，過載能力強(qiáng)，相同工況下的傳動尺寸?。凰鑿埦o力小，作用于軸上的壓力??；能在高溫、潮濕、多塵、有污染等惡劣環(huán)境中工作.鏈傳動也有一定的缺點，僅能用于兩平行軸間的傳動，成本高，易磨損，易伸長，傳動平穩(wěn)性差，運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生附加動載荷、振動、沖擊和噪聲，不宜用于急速反向的傳動中.由于本設(shè)計是設(shè)計一臺農(nóng)用機(jī)械，工作環(huán)境惡劣，而且要求傳動力比較大，對傳動平穩(wěn)性的要求并不高，因此選用鏈傳動.設(shè)計計算如下.

（1）選擇鏈輪齒數(shù)z1、z2.根據(jù)傳動比，假設(shè)鏈速vL=3～8 m/s，選定小鏈輪齒數(shù)z1=18，大鏈輪齒數(shù)z2=25.

（2）確定計算功率Pca.根據(jù)洋蔥收獲機(jī)的實際工作情況，選取工況系數(shù)KA=l.4，則Pca值為2.1 kW.

（3）確定鏈條鏈數(shù)Lp.初設(shè)中心距a0=40p，

p為鏈條節(jié)距，則

取Lp=102.

（4）計算額定功率.查齒數(shù)系數(shù)Kz=0.94，長度系數(shù)Kl=1.005，多列數(shù)系數(shù)Km=1，那么所需傳遞的額定功率為

（5）確定鏈條節(jié)距.根據(jù)額定功率和小鏈輪轉(zhuǎn)速（n1=1 455 rpm），選定鏈號為08A，單排鏈，鏈條節(jié)距p=12.70 mm.

3.2 鏟板的設(shè)計

本次設(shè)計的洋蔥收獲機(jī)采用的挖掘方式是非入土式的，挖掘洋蔥時并不需要將鏟板切入土壤之中，只需要將鏟板在拖拉機(jī)動力的帶動下從土壤上方劃過就可以將洋蔥果實從土壤中推擠出來，完成洋蔥收獲機(jī)的挖掘作業(yè).采用這種挖掘方式，所需要的挖掘力較小，減少拖拉機(jī)所消耗的功率，提高洋蔥果實的收獲效率.挖掘部分的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示.

從圖中可以看出，整個挖掘部分是有多個鏟板和一個連接架組成的，多個鏟板通過焊接的方式與連接架相連，連接架通過兩側(cè)的螺栓孔與整個洋蔥收獲機(jī)的機(jī)架部分連接在一起.

為了防止鏟板部分在挖掘過程中對洋蔥果實造成傷害，在設(shè)計鏟板的過程中，將鏟板的前端設(shè)計成彎曲的，鏟板的鈑金設(shè)計骨架如圖2所示.

圖2 挖掘部分的結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

（1）傳統(tǒng)入土式洋蔥收獲機(jī)存在著挖掘阻力大、能耗高、收獲工藝集成度低等缺陷，本次所設(shè)計的洋蔥收獲機(jī)采用無入土的挖掘方法，在挖掘的同時還能一次性完成清理、去秧和分類收集工作.不僅大大提高了洋蔥收獲過程的效率，節(jié)省了大量勞動力，而且提高了洋蔥收獲的質(zhì)量，減少了洋蔥收獲中的漏果和傷果現(xiàn)象.

（2）該機(jī)設(shè)計整機(jī)尺寸為：2 050×1 434×750 mm，生產(chǎn)效率為0.21～0.35 hm2/h，最大消耗功率為9.29 kW，具有高效、輕便、低能耗的特點.

（3）該機(jī)采用后半懸掛式懸掛在拖拉機(jī)后面，通過拖拉機(jī)后軸為整個機(jī)器提供動力，具有較好的通用性和適應(yīng)性.

綜上所述，本次設(shè)計的洋蔥收獲機(jī)的整體方案選擇合理，結(jié)構(gòu)簡單，易于生產(chǎn)制造及后續(xù)的維護(hù)保養(yǎng)工作，具有較強(qiáng)的市場推廣性和實用性.