柠条联合收割机压扁及切碎装置的设计

-1-柠条联合收割机压扁及切碎装置的设计1绪论1.1课题的提出和意义柠条是豆科锦鸡儿属的一个种,多年生长灌木植物，柠条抗旱、抗寒、耐瘠薄、耐风沙、具有极强的生命力和抗逆性。由于对沙地干旱自然环境条件的适应结果，叶退化为刺。株高1～3m，冠幅1m以上。轴根系，根长4～5m。自然生长状态下，寿命10年左右，如果平茬，寿命20年以上。柠条茎秆灰白色，直径多10～20mm，木质坚硬紧实[1]。鉴于柠条独特的生物特性，多年来它一直是内蒙古西部及山西西北部和陕西、甘肃等防风固沙、防止水土流失的重要选用植物。全国柠条种植面积已达到666.66万hm2，仅山西大同市柠条种植面积达到2万hm2[2]。柠条含有丰富的蛋白质，开花期鲜柠条干物质含粗蛋白14%，粗脂肪3.5%，粗纤维39.3%，无氮浸出物31.3%，粗灰分5.4%。由此可见，柠条还是优良的经济饲料。未实施禁牧前，种植柠条的经济效益主要以牲畜的自然采食来体现，采食率一般在20%～30%之间。然而由于种植柠条的地区都是生态状况较差的地区，这类地区实行了严格的禁牧舍饲圈养后，使柠条的经济价值很难体现。其中最关键的问题就是柠条的机械化平茬收获技术没有得到根本解决。一方面，因为大部分地区圈养牲畜的主要饲草青贮或压缩后的玉米秸秆，牲畜采食种类单一，营养成分不全，导致肉奶品质部高，抗病能力下降，不少牲畜都处于亚健康状态；另一方面，含有多种营养成分的柠条得不到利用。另外，根据柠条生长特性，最好3～4年平茬一次，否则它的生长速度就会减慢甚至消失[3]。为解决这些问题，给生态建设和舍饲圈养创造可持续发展的空间，当务之急是研制一种可实现对柠条进行联合收割的机械。1.2国内外研究现状现在国内外暂时还没有出现对柠条联合收割机成型机械的报道，现有的对柠条联合收割机压扁及切碎装置的设计-2-柠条进行收割的装置只有普通的割草机，还有适用于柠条的平茬机。普通的圆盘锯齿式和甩刀式机具切割后，切口表面形成不光滑的所谓“毛口”，不利于次年发芽生长[3]。这些机械只能把柠条切割，并没有处理和收集装置，切割完以后直接散落到地里，还需要人工进行收集。这些机械的适应性差，很多地方还是需要人工砍切收割。由于柠条茎秆木质化较高，而且茎秆上多硬刺，人工砍割和收集都非常不容易，收割效率极低而且效果非常差。1.3本文的研究内容及方法根据国内外柠条联合收割机研究的发展现状，以及国内对柠条联合收割机的需求，本文对柠条联合收割机的整体设计进行了研究，首先设计有效的拨禾装置把柠条拨入收割台，采用了往复式切割器对柠条进行切割，随后送入立式压扁输送辊系统进行压扁及输送，然后送入立式滚筒切割系统对柠条进行切碎，最后切碎的柠条掉入集料箱实现茎秆的收集。本文着重对切割以后的工作部分进行了研究。整机工作流程图见图1-1。立式割台的立式压扁输送辊配置立式滚刀属独特设计，其特点是立式压扁辊兼作滚刀的喂入辊，结构简单紧凑，问题是秸秆喂入方向与滚刀轴线的垂直性如何，需要进行试验验证；优点是秸秆在切碎后输送相对容易[4]。图1-1整机工作流程图综上所述，我国柠条收割机的研制势在必行，尤其是既能对柠条进行收获，又能对柠条进行切断和收集的联合收割机械的研制更有发展潜力和应用前景。在分析了国内外有关研究现状之后，发现本文针对柠条所设计的立辊式压扁切割系统还没有相关研究，所以有必要进行研究分析。设计中确定了立式滚刀切碎装置，与立辊式压扁方式相配套，结构紧凑、切碎质量好，大大减轻了整个割台部分的前伸量和重量[5]，为柠条收割后的茎秆切碎问题提供了解决方案。拨禾链往复式切割器立式切割滚筒收集料斗夹持输送链立式压扁输送辊-3-2技术任务书(JR)柠条是一种很难收割的防风固沙的植物，经常需要人工砍切收割，即使是使用机械平茬，茎秆也是散落在地里，工作人员在回收的时候经常弄伤自己。本设计主要目的是既能完成收割也要完成收集，在切割完成以后经过简单的碾压，输送进切碎装置中，进行切碎粗加工，最后掉入集料箱中。由于现在对柠条的力学研究还很少，所以本设计中有部分参数和计算公式需要套用相似机械的经验数据或公式。本设计的关键问题是压扁输送辊的长度设计、碾压输送速度、及压扁输送辊和滚筒式切碎装置的安装角度。若碾压输送速度过快，则后面的切碎质量无法保证，速度过慢则会产生茎秆的堆积，两种情况均对机器作业不利，最终确定输送线速度为sm/5.3，滚筒切割转速为min/2100r，压扁输送辊与滚筒式切碎装置的安装角度定为与竖直面成30。3设计计算说明书(SS)3.1传动方案的确定传动方案的设计是本次设计的难点和重点，只有传动方案设计合理，才能保证整体机构的运作，各个环节才能有效配合，高效率、高质量的实现柠条的联合收割。本次设计的柠条联合收割机传动部分的难点在于各部分所需转速不相同，压扁输送辊对的转向相反，要实现相对运动，拨禾链组也要实现相对运动。本文所设计的传动方案简图如图2-1所示：柠条联合收割机压扁及切碎装置的设计-4-1.往复式切割器2.压扁输送辊-13.滚筒切碎器4.压扁输送辊-25.拨禾链图2-1柠条联合收割机传动简图此柠条联合收割选取65马力柴油发动机，输出转速2400r/min,经过一级减速器减速，传入各个机构。两个压扁输送辊安装在同一平面内，形成一个压扁输送辊对，为了方便表示，把后面的压扁输送辊-2画到了侧面。转速的传递是：柴油机输入的转速传入一级减速器后，首先不经过减速，转速通过减速器主动轴直接传出，再通过一组皮带轮和锥齿传入滚筒切碎器；从滚筒切碎器传出的转速通过一组二级皮带轮减速，传入压扁输送辊-1；主动轴传出的转速通过一组直齿轮改变方向，经由一个锥齿轮组和一个二级皮带轮减速传入压扁输送辊-2，这样就实现了压扁输送辊对的相对运动。同理，由减速器从动轴传出的转速经过一系列的齿轮和皮带轮传动，可以实现拨禾链的相对运动，往复式切割器则再通过一组曲柄摇杆机构，实现往复运动。-5-3.2传动皮带轮的设计计算3.2.1减速箱主动轴传出的皮带轮组小带轮转速2400r/min，大带轮转速2100r/min,14.121002400i。（1）V带型号的选择：V带星号应根据计算功率caP和小带轮转速1n来选取，。计算功率是根据传递的功率P，并考虑载荷的性质以及每天运转时间的长短等因素来确定的。PKPaca（1）式中：csP——计算功率，kW；P——传递的额定功率，kW；AK——工作情况系数。其中：P=kW5.12，AK=1.3，则计算出csP=kW25.16。（2）确定带轮的基准直径1dd、2dd：初选主动带轮的基准直径1dd。根据V带型号，选取1dd为B型140mm，则根据传动比算出2dd=160mm。（3）确定中心距a和带的基准长度dL：根据传动结构需要初定中心距0a。)(2)(7.021021ddddddadd（2）则最小0a=210mm。0a确定后，由带传动几何关系，按下式计算所需带的基准带长'dL：02122104)()(22'addddaLddddd（3）得出'dL=891.48。根据'dL选取和'dL最相近的V带的基准长度dL，则dL=900mm。再根据dL来计算实际中心距。由于V带传动的中心距是可以调整的，故可采用下式做近似计算：2'0ddLLaa（4）柠条联合收割机压扁及切碎装置的设计-6-计算得最小中心距a=214mm(4)验算主动轮上的包角1：1203.57180211adddd（5）计算得1=1206.174，符合要求。（5）确定带的根数zLcaKKPPPz)(00（6）式中：K——包角系数，考虑包角不同时的影响系数；LK——长度系数，考虑带的长度不同时的影响系数；0P——单根V带所能传递的功率，kW；0P——单根V带1i时的功率增量，kW。计算得z=4.75根。3.2.2滚筒到减速轴的皮带轮组小带轮转速2100r/min，传动比i3.76，则大带轮转速为558.5r/min。（1）P=2kW，根据公式（1）可得csP=2.6kW。（2）确定带轮的基准直径1dd、2dd：初选主动带轮的基准直径1dd。根据V带型号，选取1dd为A型100mm，则根据传动比算出2dd=376mm，根据标准带轮直径，选择2dd=375mm。（3）确定中心距a和带的基准长度dL：根据传动结构需要初定中心距0a。根据式（2）计算可得0a=332.5mm。0a确定后，由带传动几何关系，按下式计算所需带的基准带长'dL：根据式（3）得'dL=1467.6mm，根据'dL选取和'dL最相近的V带的基准长度dL，则dL=1600mm。再根据dL来计算实际中心距。由于V带传动的中心距是可以调整-7-的，根据式（4）得最小中心距a=399mm。(4)验算主动轮上的包角1：根据式（5）得：11205.140，符合要求。（5）确定带的根数z：根据式（6）计算得：z=22.1根。3.2.3减速轴到压扁输送辊的皮带轮组小带轮转速558.5r/min，传动比i2.5，则大带轮转速为233r/min。（1）P=2kW，根据公式（1）可得csP=2.6kW。（2）确定带轮的基准直径1dd、2dd：初选主动带轮的基准直径1dd。根据V带型号，选取1dd为A型112mm，则根据传动比算出2dd=280mm。（3）确定中心距a和带的基准长度dL：根据传动结构需要初定中心距0a。根据式（2）计算可得0a=275mm。0a确定后，由带传动几何关系，按下式计算所需带的基准带长'dL：根据式（3）得'dL=1191mm，根据'dL选取和'dL最相近的V带的基准长度dL，则dL=1250mm。再根据dL来计算实际中心距。由于V带传动的中心距是可以调整的，根据式（4）得最小中心距a=305mm。(4)验算主动轮上的包角1：根据式（5）得：11204.148，符合要求。（5）确定带的根数z：根据式（6）计算得：z=39.2根。3.2.4减速器从动轴到拨禾链齿轮箱的带轮组小带轮转速533r/min，则大带轮转速为192r/min，则传动比为i2.5。（1）P=1.6kW，根据公式（1）可得csP=2.08kW。（2）确定带轮的基准直径1dd、2dd：初选主动带轮的基准直径1dd。根据V带型号，选取1dd为A型100mm，则根据传动比算出2dd=278mm，根据标准带轮直径，选择2dd=280mm。（3）确定中心距a和带的基准长度dL：根据传动结构需要初定中心距0a。柠条联合收割机压扁及切碎装置的设计-8-根据式（2）计算可得0a=266mm。0a确定后，由带传动几何关系，按下式计算所需带的基准带长'dL：根据式（3）得'dL=1159mm，根据'dL选取和'dL最相近的V带的基准长度dL，则dL=1250mm。再根据dL来计算实际中心距。由于V带传动的中心距是可以调整的，根据式（4）得最小中心距a=312mm。(4)验算主动轮上的包角1：根据式（5）得：11209.146，符合要求。（5）确定带的根数z：根据式（6）计算得：z=56.4根。3.3切割器的选择切割器是收获机械的重要部件之一，它的功用是将田间的作物切断。目前，已广泛使用和报道的切割器有：往复式、回转式、甩刀式、带式等。这方面的研究国内外均有报道。基本情况是：1.往复式切割器：往复式切割器由动刀片和定刀片组成，动刀片多数在刀刃上面刻有齿纹，少数在下面刻有齿纹，防止禾株在从剪切口滑出，并有自磨刃作用。在机器前进的同时，动刀片与定刀片组成割幅，定刀片与护刃器成为切割时的两个固定支撑点，动刀片以一定的速度在两支撑点之间做往复切割。往复式切割是目前国内外稻麦收割机上应用最广的一种切割器，现基本标准化。其切割速度一般为1.5～2m/s作业速度低，一般不超过9km/h。这种切割器平均切割速度较低，切割性能好，结构简单，工作可靠，广泛用于谷物收割机上。它的缺点是往复愤性力大，割台振动和噪声大，存在重割和漏割，割茬不整齐。2.回转式切割器：回转式切割器主要用于收获牧草、青饲料等