马铃薯分段收获机毕业论文.doc

毕业论文（设计）(优秀论文)题 目： 马铃薯分段收获机的设计 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它目 录摘 要IAbstractII1绪 论11.1马铃薯分段收获机研究的目的和意义11.2国内外马铃薯收获机的发展现状11.3我国马铃薯收获机的发展趋势32马铃薯收获机的种类以及技术要求42.1马铃薯收获机的类型42.2马铃薯收获机的技术要求53总体方案设计73.1整体布局设计73.2工作原理74传动系统的设计84.1传动比的确定84.2减速器的选择84.3带的选择和带轮的设计84.4系数选择和计算结果125挖掘铲的设计145.1设计依据145.2马铃薯收获机挖掘铲结构的选则145.3平面一体铲主要参数的确定146分离装置的设计196.1分离输送器的机构及工作过程196.2栅条数量的确定206.3分离器输送线速度的确定206.4从动轴直径的确定217机架部分的设计228结 论23参考文献24致 谢25马铃薯分段收获机的设计摘 要马铃薯也叫土豆，是一种根茎类作物，最近几年来，我国每一年的土豆种植面积都接近500万公顷，年产量在7500万吨左右，位居世界第一位。马铃薯生产的季节性强，适合于机械化生产，机械化播种技术在发达国家得到了很好的发展。但是在我国，特别是比较贫困的地区，仍然使用人力来收获土豆，而且比例相当大，人力收土豆的强度巨大，而且效率低下更是不言而喻。为了普及土豆收获机的使用，提高生产效率和降低成本，本文针对国内外马铃薯收获机的原理进行了研究和分析，结合我国的实际国情设计出了小型的简单并且实用且惠及平民的马铃薯分段收获机，同时对主要零部件进行了参数选择和理论计算。最终产品可实现挖掘完整、输运流畅，分离效果明显。生产率为3亩/h，收净率 ³98%，破损率 £1%，性能达到技术规范要求。关键词：马铃薯收获机；挖掘铲；分离；输送装置The Design of the Partitioned Potato HarvesterAbstractPotato is a kind of rhizome plant, in recent years, the cultivated areas of potato in our country is about 5.000.000 hm2, the annual productivity is bout 75.000.000 ton, and ranking number 1. Potato production depends strongly to season, and fitted to mechanized production, Mechanization planting technology is developing well in the developed country. The percentage of manual production in our country is larger yet, also the labor strength and efficiency. In order to popularize the use of potato harvester, and improve the productivity and lower cost, the thesis gives a study and analysis of the potato harvester of the domestic and overseas, combining with our national conditions to design a small simple and practical potato partitioned harvester, and finished the parameter selection for the main components and theoretical calculation. The potato harvester performed completely in digging, smoothly in transporting and separating. Its productivity is 3 acres per hour, the losing rate is more than 98%, and damage rate is less than 1%, all of this meeting the technical requirements. Keywords: potato harvester; digging shovel; separation; transportation device26青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）1 绪 论1.1 马铃薯分段收获机研究的目的和意义马铃薯是一种根茎类植物，具有丰富的营养价值。马铃薯对于中国来讲是不可缺少的一类作物，它的种植面积占到了全球的25%左右，对于种植区产业结构的调整具有深远的意义1。2008年，我国土豆的种植面积接近9000万亩，我国中西部的土豆种植区域占到总种植面积的60%左右，对于解决粮食短缺和农民真正富裕的难题做出了重大的贡献。就在同一年，联合国粮农组织也发布相关利好消息，在未来的时代，由于全球粮食供应紧张，但马铃薯可以帮助解决这一难题，我们会渐渐看到马铃薯发挥的巨大作用。另外马铃薯的环境适应性很强，耐旱，耐贫瘠，所以在恶劣的环境中也会有一定的产量的，种植马铃薯是一种很好的选择。我国马铃薯的种植面积的确很大，但是马铃薯收获机的使用率并不高，有些地区的农民依然用最原始的收获方式，如人工割秧、人工捡拾、人工刨薯等2。但是国外像一些比较发达的国家，比如美国、德国已经实现了机械化如自动化的结合，将液压技术、电子技术等高科技技术融入到了土豆收获机械中，提高了效率，从而也降低了工作强度。在我国每到收获的季节，特别是在一些偏僻，小地块的地区，马铃薯还是靠老人和妇女进行人力收获，人力进行马铃薯的收获不仅效率极其低，而且丢失、损伤严重，劳动强度很大，生产成本高3。因此马铃薯分段收获机的发展空间比较大，对于如何制造更加廉价，生产效率更高，更实用的收获机具有重大意义，所以发展农民喜欢用和用得起的小型马铃薯收获机才是硬道理。1.2 国内外马铃薯收获机的发展现状1.2.1 国外马铃薯收获机的发展情况国外马铃薯收获机的发展可以概括为三个字，早、快、高。早是由于工业革命的影响，欧美国家的机械化技术成熟早4，20世纪初，西方国家就已经用畜力作为动力的收获机械，从而代替了部分手工劳动，实现了半机械化的收获方式，提高了马铃薯的收获效率。再后来就有了拖拉机作为牵引力的动力的马铃薯收获机。快是马铃薯收获机的更新速度很快，由简单的畜力牵引到拖拉机牵引，最后到全自动化收获机的时间短。高代表了国外马铃薯收获机的高科技含量越来越高，实现了更多工序，越来越先进。像美国最早是在1948年之前就开始使用土豆收获机来收获土豆，大约在1967年，他们拥有了土豆联合收获机。对于整个国际来说，出现了一个收获的新时代有关报道称在20世纪80年代初，美国利用联合收获机和小型分段收获机的收获土豆面积就可以达到总种植面积的85%以上，其中用联合土豆收获机的收获面积大约是51%，到了90年代，美国几乎是全部机械化作业。德国在20世纪40年代开始使用较简单的抛掷式土豆收获机；50年代后期诞生了升运链式马铃薯收获机和捡拾装载机；在1970年德国拥有土豆收获机的数量是6205台；大约是70年代以后，开始生产使用土豆联合收获机，拥有数十种机型，数量超过6万台；到了90年代以后，开始制造土豆捡拾装载机和具有自动筛选装置的土豆收获机。俄罗斯即原苏联是最早的拥有收获机的国家。1960年就拥有了3万台土豆收获机；1976年，数量达到6万台；20世纪90年代初，拥有16种机型的土豆收获机，其中，十多种是较先进的土豆联合收获机；到了90年代中后期，自走式联合收获机开始了大量的生产和应用。日本在1955年以前使用畜力收获土豆，在1955年到1965年期间进入抛投式式和带有升运装置收获机的生产和使用。70年代开始引进英美等发达国家的土豆收获机，并以其国情来生产制造联合收获机。东洋公司出品的自走式土豆收获机装带有液压运输装置和二级分离装置，在水池地和旱地中均可得到良好的运用。1.2.2 我国马铃薯收获机的发展情况在建国初期，我国收获马铃薯的方式依旧是落后原始的方式，比如人工刨和犁挖。但是到了20世纪60年代中期，收获机进入快速发展时期，研究人员通过研究和学习欧美发达国家的农机具，进而研制出了升运链式收获机，但由于客观条件的影响，没有广泛的推广和使用5。在20世纪70年代中期，国内拖拉机开始盛行，这正好填补了国内动力不足的现状，从而促进了收获机发展的高潮，进而出现了像鼠笼式收获机等机型。1979年，举行了12国家农机展览会之后，我们有了很多样机，可供研究人员研究和学习，最终为土豆收获机的发展创造了有利条件6。到了90年代中期，由于新机型拖拉机的发展和使用，又再次促进了土豆收获机的发展，从此以后，土豆收获机的市场需求旺盛，先后有了很多各式各样的土豆收获机大量的进入到市场当中去，并占有了比较大的市场。1.3 我国马铃薯收获机的发展趋势1.3.1马铃薯的生产现状马铃薯的原产地不在中国而在南美，17世纪时由欧洲人引进了宝岛台湾，并在台湾得到了广泛的推广。土豆是一种重要的作物，可以作为粮食又可以作为工业的加工原料，几乎各种环境都可以适应土豆的种植，通过拉长土豆的产业链可以创造巨大的收益，所以土豆的种植受到了广泛的关注7。就目前来说，种植土豆的国家不下150个，种植的总面积接近1838万公顷，总产量约为3亿吨，但对于解决粮食供应的难题还远远不够，近些年来，土豆在我国推广范围较大，被视为一种重要的产业。跟随农业结构的不断调整和商品薯市场的推进和发展，我国土豆种植面积差不多有8000万亩，净产量可达8000万吨，接近世界总产量的26%。马铃薯背后蕴藏着巨大的商机，借助高科技技术，土豆可以衍生出很多产品，可以用在化工和造纸方面，也可以用以生产酵母、霉和人造血液等8，在食品领域其发挥的作用更是不言而喻。如果借助欧美的技术，实现土豆标准化生产进一步推广，加快加大土豆的规模化生产，提高土豆的附加值，所以说前景是巨大的。 1.3.2马铃薯收获机的发展趋势（1）在我国马铃薯收获机向着大型集成化发展，自动化程度大大提高，生产率有了很大提高，收到了不错的效益9。（2）我国土豆收获机向着联合作业的方向迅速前进，技术不断向发达国家靠拢，实现了多功能收获，降低了很多方面的成本。（3）我国土豆收获机向着自走式方向前进，装带有分级装置，效率极高，从而大大降低了劳动成本10。（4）更加注重产品的可靠性和性价比，互换性有了很大提高。2 马铃薯收获机的种类以及技术要求2.1 马铃薯收获机的类型马铃薯收获过程相对于其他作物来说并不复杂，主要包括杀秧、挖掘、薯土分离、收集和装运等步骤11。根据作业过程的分配和工作量的大小，把收获机分为马铃薯挖掘机和马铃薯联合收获机两类。从动力方面考虑，马铃薯收获机又可以分为机械动力和畜力两种类型，实现挖掘和初步分离，最后的收集和装运工作由人工去完成。马铃薯的挖掘形式又可以分为三类，分别是抛掷式、振动轮式和升运链式。（1）抛掷式收获机的工作原理是挖掘机掘起土垡然后在抛掷轮的作用下，将其抛到机器一侧，并在地表铺条，为了避免过于分散，在机器右侧安装挡帘12。如图2-1所示。此种挖掘机结构简单，不堵塞工作部件，重量轻，适合在粘土中工作，缺点是对薯块损伤大，现已逐步淘汰。（2）振动式马铃薯收获机的工作原理是通过曲柄连杆机构，实现分离器的振动，使土壤更容易破碎，分离效果十分明显。如图2-3是孟加拉国生产的马铃薯收获机，如图2-4是意大利思培多农业设备公司生产的马铃薯收获机，都属这种类型。（3）升运链式马铃薯收获机的原理是工作时土豆和土壤一起进入到升运装置中，升运器在输送的过程中边输送，边振动，从而使破碎的土壤从杆缝隙中落下，使薯土分离开来，马铃薯被运送到机器后方形成了铺条，为了方便捡拾和装运，升运筛的后侧可以加一个挡板，有的机器还有横向铺条输运器。如图2-2所示。图2-1智力的LK抛掷式马铃薯收获机图2-2意大利斯培多农业机械设备公司生产的小型拖拉机用土豆挖掘机图2-3孟加拉国生产的马铃薯收获机 图2-4意大利斯培多农业设备公司生产的侧式土豆挖掘机 2.2 马铃薯收获机的技术要求我国土豆收获机的技术并不是很成熟，目前还在发展的开始阶段，对于土豆收获机的设计要有相关的规范和符合一定的要求13：（1）挖净率土豆的种植深度较浅，挖掘深度大约在1620厘米之间，每一垄的挖掘宽度在80100厘米之间，挖净率不能低于98%。（2）明薯率 马铃薯收获机必须有较好的分离装置，能将马铃薯与土壤分离，完成铺条工作，以便于人工的捡拾和包装，明薯率应达96%以上。（3）破损率马铃薯的皮很薄很容易受伤，所以在收获时应尽量减少马铃薯破皮率或者是切伤等不必要的损失，破损率限制在1%以内。（4）生产率用机械进行作业生产就是为了降低劳动成本，提高效率，所以收获机要达到一定的身缠效率，确保产量。（5）其他要求马铃薯的动力配置也需要有一定的要求，为了适应更多的收获环境，动力储备要足，分离器具有排石功能以适用各种复杂的土壤环境。3 总体方案设计3.1 整体布局设计图3-1整体布局1. 万向联轴器 2.防缠绕轮 3.减速器 4.支撑轴5.抖动轮 6.橡胶轮 7.栅条 8.从动带轮3.2 工作原理本机器重要的部件有V带、带轮、减速器、机架、振动轮、挖掘铲、传送带14。拖拉机产生动力经输出轴，然后通过锥齿轮减速器，将转速降低1.5倍，然后由带轮将所需要的动力传送至从动带轮上，并且传动速度降低2倍把动力传到分离装置和以同等速度传送到防缠绕装置，栅条在动力的作用下运动同时会带动振动轮运动，在运动的过程中实现马铃薯和土壤的分离，同时也把马铃薯送往后方铺条，达到了分离的目的。4 传动系统的设计4.1 传动比的确定 该马铃薯收获机需要的动力是1825KW的拖拉机，其输出轴的转速为540r/min，通过减速器进行一级减速，然后经过带轮传动进行二级减速，设其总传动比i=3，减速器分配的传动比为i1=1.5，带轮分配的传动比为i2=2。经过二级传动后满足分离器上的线速度为1.3m/s的要求。4.2 减速器的选择由于减速器传动比是1.5，所以可以从市场上选择传动比是1.5的减速器，减速器的型号可以选择ZT170或是L型换向齿轮箱。图4-14.3 带的选择和带轮的设计4.3.1带传动的设计计算（1）已知条件和设计内容V带传动设计知道的条件有：带传动需要的工作条件，传动位置与总体尺寸的大小，传递过程中所需要的额定功率P，以及大小带轮的转速n1和n2，或者是它们的传动比i。对于设计的内容包含有选择带的型号，确定V带的基准长度和V带的数，带轮的中心距，带轮的材质，基准直径和其结构尺寸大小，初拉力以及张紧装置等。（2）设计步骤和方法1）确定计算功率计算功率Pca是由传递功率P以及带的工作条件而定13Pca=KAP 公式 (4-1)式中：Pca计算的功率，kW；KA工作情况系数；P 所需传递的额定功率（名义的负载功率），kW.2）选择V带的带型依据计算得到的功率Pca和小带轮的转速n1就可以从表中查到V带的类型。3）确定V带的基准直径dd并验算带速 初选小带轮的直径dd1依据V带的带型从而可以查表得到小带轮的基准直径dd1 ，应使dd1³(dd)min。 验算带速根据公式；计算带的速度。带速不宜过高或过低，一般应使带的线速度V=525m/s较合适，最大的带速不可以超过30m/s。 计算带轮的基准直径由dd2=i dd1进行计算得出一个数值，然后查表对计算所得的数值进行适当的圆整，即可求出带轮的基准直径。4）确定中心距a，并选择V带的基准长度Ld 依据传动总体尺寸的大小或者是要求的中心距，再结合不等式£ £ 可以初步确定出中心距a0的数值。 计算相应的带长Ld0 公式 (4-2)带的基准长度Ld可以依据Ld0的数值查表即可以得到。 计算中心距a及其变动范围。传动的实际中心距近似为 公式 (4-3)还要考虑到带轮带长会有误差，还有制造过程中的误差，带有较大的弹性，使用过程中会有松弛，这就需要对带张紧，所以需要给出带的中心距变化区间。 ；5）验算小带轮上的包角1依据公式可以知道，小带轮上的包角1肯定比大带轮上的包角1小。又根据公式可以证明，小带轮上的总摩擦力也肯定比大带轮上的总摩擦力要小。因此打滑现象不可能先发生在大带轮上只可能最先发生在小带轮上。为了提高传动的效率，应该使6）确定带的根数ZZ = 公式 (4-4)为了让每一根V带都受到均匀的拉力，带的数量不能太多，一般来说V带的数量不得多于10根。否侧，就应该选取横截面积较大的带型，从而减少V带的数量。7）确定带的初拉力F0依据公式，并考虑到离心力和包角等因素，可以求出每一根V带所需要的最小初拉力为 公式 (4-5)对于新安装的V带来说，初始的拉力要为最小拉力的1.5倍，对于运转后的V带要保证初始拉力为最小拉力的1.3倍。在安装V带是一定要保证初始拉力要大于求出的最小值，但是也不要太大。为了保证实际F0在合理的范围内，可以采用在V带与两带轮切点的中间位置，加加一定大小的与带边垂直的力G，让V带在每100毫米上产生1.6毫米的挠度即可。 8）计算带传动的压轴力Fp为了设计带轮的轴承，需要知道一个重要的参数即压轴力Fp，有了压轴力便可以选择合适的轴承。 公式 (4-6)式中，为小带轮的包角。4.3.2 V带轮的设计（1）V带轮的设计内容 依据V带轮的公称直径以及V带轮的转速等已经知道的条件，对带轮的材质进行选择，确定带轮结构，轮槽、轮辐和轮毂的基本几何尺寸还要确定带轮的公差和带轮工作表面的粗糙度数值以满足相关的设计要求。（2）带轮的材料一般的带轮的材质为HT150或HT200。如果带轮的旋转速度很高，那可以使用铸钢材质，另一种是把冲压后的钢板进行焊接，同样可以作为带轮的选材。小功率时可以用铸铝或塑料。（3）带轮的结构形式V带轮的结构的选择是有依据的，跟V带轮的直径有关。如果V带轮的基准直径为dd£2.5d（d为安装带轮的轴的直径，mm）时，可以选择实心式结构；如果直径dd£300mm时，可以选择腹板式结构；如果直径dd£300mm，同时D1-d1³100mm时，可以采用孔板式结构；如果直径dd>300mm，就可以采用轮辐式结构。（4）V带轮的轮槽V带轮的轮槽的结构形式取决于V带的带型，不可以混合使用。V带安装在带轮上之后会发生弯曲变形，这就会使得V带工作表面的夹角有微小的变化。为了使V带的工作面与带轮的轮槽工作面紧密贴合，将V带轮的轮槽的工作面夹角设计成小于40°。V带安装到轮槽中以后，一般不会超出带轮外圆，也不可以与轮槽底部接触。因此规定了轮槽基准直径到带轮外圆和底部的最小高度hmain和hfmin。 轮槽的工作表面的粗糙度数值1.6或者是3.2。（5）V带轮的技术要求铸造、焊接或烧结的带轮在轮缘、腹板、轮辐及轮毂上下不允许有砂眼、裂缝、缩孔及气泡；铸造带轮在不提高内部的前提下，允许对轮缘、凸台、腹板及轮毂的表面缺陷进行修补；转速高于极限转速的带轮要做静平横，反之要做动平衡。4.4 系数选择和计算结果表4-1V带设计计算列设计计算项目计算结果说明计算功率Pca1.69 kW工作系数KA查表知V带的带型A型查表知小带轮的直径dd1118 mm查表知验算带速V22.23 m/s< 25m/s(符合要求)大带轮的直径dd2236 mm查表圆整后取值224mm初定中心距a0684 mm计算带长Ld01909.05 mm带的基准长度Ld2000 mm根据Ld0查表知长度系数KL1.03查表知计算中心距a729.5 mm变动范围718mm £ a £ 751mm计算小带轮的包角171°确定V带的根数3计算圆整后取3单根V带的额定功率Pr0.594 kW带的初拉力F068.94 N计算带的压轴力Fp618.95 N表4-2V带轮设计带轮的材料带轮的形式带轮的轮槽直径要求HT150腹板式与选用的V带相对应dd £300mm5 挖掘铲的设计挖掘铲是土豆收获机最重要的部件之一，而挖掘铲的参数如何合理的选择14，对土豆收获机的性能的体现有着密不可分的联系，也是设计的基础和必须的内容。5.1 设计依据铲的设计要根据土豆在土壤中的生长宽度、土豆的结果深度和果实的多少等具体状况，还有种植的土壤坚实程度以及根系对土壤的结合力，综合考虑各种因素，进行合理设计15。根据收获农艺相关指标：挖净率、明薯率、结果深度等，挖掘铲的设计要符合以下要求：（1）挖掘深度要大于土豆的生长深度，这就保证了所有的土豆都会被挖出来，另外，挖掘深度够深还会减少土豆被铲子切伤，降低切伤率；（2）在土豆输送的过程中，要保证所有的掘起物全部输送到分离装置中去，完成土豆和土壤的分离；（3）土豆和土壤进入了分离筛中后，必须在铺条之前完成土豆和土壤分离的工序，进而减小了收获过程中的阻力，降低了拥堵的可能性，同时也降低了分离筛的负担，提高了分离效率和净薯率。5.2 马铃薯收获机挖掘铲结构的选则固定式三角平面多铲是土豆这类的收获机经常使用的铲的重要形式之一，结构比其它的一些形式的结构像振动式和圆盘式等简单很多16，制造工艺上也不复杂，不需要动力传动。其缺点是容易出现拥堵的现象，收获过程中也容易切坏马铃薯，造成一定的损失。平面式一体铲也是收获机械中经常使用的挖掘铲形式，其结构比三角铲更简单，制造方便，更重要的一个优点是伤薯率较小。其缺点碎土能力较差。但综合方面分析，还是平面一体铲的优点更大一些。 5.3 平面一体铲主要参数的确定平面一体铲的铲面为平面，且采用了焊接的方式固定在马铃薯收获机的机架上。因此，该机器采用平面一体铲，通过焊接的方式固定在机器上，铲的材质选择50Mn。（1）挖掘铲的主要参数如图：图5-1挖掘产参数（2）挖掘铲受力分析图5-2挖掘铲受力分析图一般来说土壤对铲刃的摩擦角的范围是j=25°35°， 挖掘铲的倾角和挖掘铲的长度L可由图5-2的受力分析求得。根据土壤在挖掘铲上的受力分析可建立如下平衡方程式17： 公式 (5-1) 公式 (5-2) 公式 (5-3)式中：P 沿着挖掘铲移动掘起物所需的力(N) N 铲对土壤反作用力(N) G 铲面土壤重力(N) F 土壤对铲摩擦力(N) 土壤对铲的摩擦系数将公式(5-1)、(5-2) 、(5-3)联立解得： 公式 (5-4) 公式 (5-5)挖掘铲在挖掘的过程中必然会受到土壤阻力的影响，阻力不只是由于铲起的土壤沿挖掘铲面移动产生的18，同时，由于切割和粉碎土壤的过程也会产生阻力，因此这部分力为 公式 (5-6)如果不考虑土壤沿着铲面移动速度的影响，则铲的总阻力为 公式 (5-7)式中：土壤对钢的摩擦角K 犁沟土壤比阻（N/m）A 铲面上土壤的横断面积（m）轻质土K =1600020000N/m中等轻质土K =2000024000N/m中等坚实土K =2400030000N/m（3）铲面的水平倾角铲面的水平倾角的理论值可由图5-3中对铲面移动的掘起物作用力的平衡方程确定。图5-3 铲面水平倾角及铲的末端离地高度示意图 公式 (5-8) 公式 (5-9)式中：沿铲面移动掘起物所需的力铲面对土壤的反作用力掘起物的重力铲面对掘起物的摩擦力 (为土壤对钢的摩擦系数)由此可得： 公式 (5-10)如果选取的值比上述值大，则掘起的土壤和马铃薯就可能大量拥堵的铲的前方，马铃薯会从一侧漏掉，无法实现铺条，同时阻力也会随之变大19。实际中，角根据挖掘铲需要提升掘起物的高度和对松碎土壤的要求来确定，角增大，有利于破碎土块，但铲的工作阻力增加；角过小，影响入土深度20。根据试验，取=18°25°。要求挖掘铲的长度可以将参数h和代入以下公式求得，即： 公式 (5-11)表5-1 土壤相关参数项目数值铲面上土壤横断面积A垄宽×挖深(1×0.2=0.2m2)铲上的土壤重力G1000N总阻力R的安全系数51000tan(23°+ 30°) + 20000×0.2=5.3KN1000tan(23°+ 30°) + 24000×0.2=6.1KN所以5 Rmin £R总£5 Rmax ，即总的阻力的范围是25KN£R总£30KN。铲的左右总宽度B为1000mm。由已知条件可得，挖掘深度h =200mm比较合理，当挖掘深度在20厘米时，挖掘铲就可以完整的将马铃薯从地下挖出来，并且可以保证马铃薯完好无损。取挖掘铲的倾角= 23°，j= 30°(中等轻质土)，则挖掘铲的前后长度L =90150mm，取L =100mm；铲的总阻力R =2530kN。 表5-2挖掘铲的主要参数项目数值项目数值铲的倾角23°铲的长度L 100mm铲的总宽度B1000mm土壤对铲摩擦角j 30°6 分离装置的设计6.1 分离输送器的机构及工作过程（1）机构形式的确定 杆条式分离器是分离器中的一种，是以等距平行的分配杆条，由挠性元件相连接。机构简单，所以是一种应用比较广泛的分离部件。这种分离器是由许多栅条组成，山条间隙组合而形成一个筛状的机构，在工作过程中工作表面的类型对土壤的破碎程度和分离程度有极大的影响，同时还影响到分离输送器的耐用性21。在马铃薯收获机方面，常见的分离器有钩杆式、链杆式和带杆式等。其中带杆式的制造成本低，而且材料轻，造价低，分离效果明显，在收获机方面有很广泛的应用。因此，综合各种因素，该马铃薯收获机采用了带杆式升运器来完成马铃薯和土壤的分离。（2）分离输送器的工作过程 带杆式分离输送器在工作时，既要完成输送，又要完成马铃薯和土壤的分离。工作原理是，当马铃薯和土壤往上输送时，振动轮振动输送链，土壤被粉碎，从栅条的缝隙中落下，而马铃薯被输送到了后面从而完成了马铃薯的铺条，最终完成了马铃薯和土壤的分离。（3）分离器的简图如图所示图6-1 分离输送器简图1.输送链 2.振动轮 3.皮带张紧轮 4.从动轮6.2 栅条数量的确定在许多欧洲种植土豆的国家，栅条之间的间隙取的数值较小，大约在2528mm之间。但是在美国情况就不同了，由于马铃薯的品种优良，栅条之间的距离甚至可以达到4048mm。像亚洲国家栅条的距离是3040mm。间距的大小取决于马铃薯作物的品种和马铃薯的尺寸大小22。一般情况下土豆在地里生长的过程中会有千奇百怪的不规则形状，基本上都接近椭球体，为了研究简便我们经常会使用长、宽、厚三个方向上的尺寸来概述马铃薯的空间几何特性，其中厚度是一个很重要的几何尺寸。分离器的栅条之间的距离如图所示图6-2 杆条间隙简图从图中可以看出在马铃薯和土壤分离的时候，要只留下马铃薯，而使土壤从间隙中分离出去，杆条间隙设计应满足L1 > L2 的条件，保证马铃薯最小方向的尺寸大于栅条的间隙，从而使马铃薯不至于从间隙中漏掉。根据资料和实际的测量可知，我国马铃薯的厚度尺寸大约是3080mm，所以，栅条间隙可以取35mm，栅条的直径可以取10mm，也就是杆与杆的中心距为45mm。6.3 分离器输送线速度的确定 分离器线速度的大小必须要依据土豆的收获机前进速度的大小去决定，该收获机的设计效率是每小时收获三亩土豆，假设的马铃薯种植方式是每亩地种植4垄，每垄的宽度是1米，所以求的拖拉机前进速度是0.427m/s。马铃薯收获机分离器的速度影响到分离效果和伤薯率，确定分离器的速度必须进行相关的运动学和力学的分析，来阐述其分离器和抖动轮的运动学关系，为分离器提供理论依据。分离器在前行工作时，分离器表面的最大线速度不能太小，和拖拉机的速度相比较，分离器的线速度要大一些，防止掘起物会在分离器上堆积，但是，如果速度太高也不太好，以为分离效果的好坏也取决于分离器上的线速度，加之分离速度与土壤的条件也相关，所以在一般情况下，分离器的速度大约是拖拉机前进速度的0.83倍较为合适。机器工作时的前进速度是0.427m/s，分离器的速度可以取1.3m/s。6.4 从动轴直径的确定首先根据公式 公式 (6-1)P转轴的输入功率N转轴的转速求出从动轴的最大扭矩。45#钢的许应切应力为=40MPa，所以根据公式 公式 (6-2)Wt抗扭截面系数（实心轴）， 公式 (6-3)由公式（6-2）（6-3）可知 D>22.51mm安全系数一般取1.52，所以D可以取1.6D=36mm。7 机架部分的设计马铃薯的机架结构对于整机的性能发挥有何大影响，机架必须有稳定的结构，在工作时不能有很大的变形，否则会影响各部件的工作，由于机身并不是很长，也不是很重，所以本机采用三点悬挂的方法，简单方便灵活的进行换行工作，利用了瞬心的结构进行升降，为了保证其结构的刚度和稳固性，机架材料可以选择Q235，钢板的厚度可以选择偏大一