谷物联合收割机的总体设计

第10章谷物联合收割机的总体设计一、谷物联合收割机总体设计的重要性谷物联合收割机的设计包括零，部件的设计和总体设计两个方面。一台机器设计的好坏，固然与每个零、部件的设计有关，但对整机的性能起决定性影响的却是总体设计。如果在设计中对整机缺乏通盘考虑，即使各部件的设计是良好的，但合在一起却不一定获得良好的结果。因此在设计时，必须首先考虑总体设计，从整机的性能出发，对各部件提出要求，使各部件能相互协调，使联合收割机能满足技术任务书提出的要求。二、谷物联合收割机总体设计的任务：1)根据设计任务，选择整机的结构型式和工艺流程，初步拟定总体布置和各部件的结构方案；2)确定整机的主要参数；3)进行总体布置，绘制平面布置图、割台和拨禾轮升降的机动图、整机尺寸链图和外形图；4)进行传动路线设计,绘制传动图；5)设计和布置操纵机构、电路、液压系统管路和附件等；6)设计测试和控制机构；7）从整机性能出发，对各部件设计提出要求，拟定各部件的主要参数，控制重量和轮廓尺寸范围。总设计师应瞄准国际水平，通观全局，并及时掌握各部件的设计进度，随时了解各部件设计中的问题，尽快协调参数给予合理解决。10.1谷物联合收割机的总体参数10.1.1割幅、前进速度和喂入量谷物联合收割机的割幅和前进速度主要根据脱粒机的设计喂入量、作物的单位面积产量和谷草比来确定，它们之间的关系如下式所示：(10-1)11CWvBqmC——常数，其作用是将单位产量化成kg/m2，当W以t／hm2为单位时，C=10；当W以斤／亩为单位时，C=l333;a.割幅B的选择原则由上式可知，当其他条件不变时，割幅B和前进速度vm之间成反比关系。对于既定的设计喂入量，是选择较小割幅配以较快的前进速度，还是采用较大的割幅配以较慢的速度，这要根据具体情况进行具体分析。b.vm的选择原则大多数联合收割机在行走传动中都采用变速器与变速箱排档相配合，使行走速度可以分档无级变速。以便充分发挥机器的效能和保证工作质量。设计几个割幅不同的割台，如JL1065就有3.0m,3.6m,4.2m,4.8m四种割台。c.列线图计算不直观，还可以用列线图求割幅B和前进速度vm。所谓列线图就是以各参数为坐标轴，用图线表示各参数之间关系的图。图10—1谷物联合收割机前进速度列线图可根据q、β求出谷粒喂入量Q，再通过产量W求出面积生产率A，再通过割幅B就可求出vm。现有谷物联合收割机的割幅和前进速度的范围为：小型全喂入谷物联合收割机的割幅为1.7~2.5m，大中型为3.0~5m，少数大型机达6、7m；半喂入谷物联合收割机的割幅为1.0~1.75m。谷物联合收割机的工作速度是：全喂入自走式一般为4~6km／h(1.11~1.65m／s)，全喂入悬挂式为3~4km／h(0.83~1.11m／s)，半喂入自走式为1.3~3km／h(0.35~0.83m／s)。10.1.2滚筒长度、分离器尺寸和收缩比对全喂入谷物联合收割机工作部件的研究表明，逐稿器的分离损失率是限制联合收割机喂入量提高的关键。随着喂入量的增加，茎秆层变厚，损失率加大，当喂入量超过额定值时，损失率急剧增加(图10-2)。谷粒在茎秆层中占的体积很小，假如忽略不计，则逐稿器上茎秆层的厚度h可按下式求得。(10-2)δ——谷物中谷粒的含量，以质量百分比计。(β为谷草比)；η一逐稿器宽度利用系数；γ—茎秆在自然状态时的容重，分离小麦时γ=15~25kg／m3；vj——茎秆层沿逐稿器运动的平均速度，根据测定，一般情况下vj=0.4m／s。jzvBqh)1(1从式中可以看出，h与Bz、η成反比，增加h减少，同样η增加h也减少。和滚筒长度有关，与纹杆滚筒配合工作时，逐稿器的宽度可等于或稍大于滚筒的长度。采用钉齿滚筒时，B也不应大于滚筒长度的1.4倍。η主要与机器的收缩比C(割幅与脱粒部分宽度之比)有关。C=B/LgC=1.5~2.5时，取η=0.9；C=2.5~3.5BzBz时，取η=0.8。还可以增长逐稿器的长度，前面已讲过。10.1.3联合收割机的结构参数联合收割机的结构参数主要包括行走装置的轴距Lz、轮距(轨距)B0、最小离地间隙H和平均接地压力Pp。轴距和轮距(轨距)直接和通过性、机动性和稳定性有关，往往互相矛盾。1）轴距Lz增大，稳定性增大，机动下降。Lz减少，稳定性减少，机动性提高。Lz=3000~3700mm,JD-7700Lz=3730。2）轮距B01°与割幅相适应Δ——防止轮胎或履带压倒未割作物的保护宽度，保证不压作物。2°与脱粒装置宽度相适应(10-4)3°与作物行距相适应。3）最小离地间隙H影响通过性和稳定性。一般H=250~300mm。(10-3)bBB20bBBt21010.2联合收割机的动力选择10.2.1联合收割机功率消耗(1)联合收割机的动力需求：功率消耗包括行走功率和各工作部件运转时消耗的功率两部分，变化范围大。联合收割机所需功率是各部分所需功率的总和，也就是各部分所需平均功率与储备功率的总和。联合收割机在田间作业时，各部分所需功率在总功率P中所占比例，经实验统计分析，大致如图10-2所示。发动机功率为55kW、图10—2额定喂入量为5kg,／s的自走式全喂人谷物联合收割机的功率平衡和逐稿器损失额定喂入量为5kg／s，自走式谷物联合收割机的实际生产能力与部件功率消耗之间的关系曲线。从图中可以看出，随着机器喂入量的增加，分离、清选、输送装置的功率消耗没有多大的变化，割台的功率消耗增加也不多，消耗功率最多的是脱粒滚筒和行走部分，而且与喂入量成正比增加。各部分的功率消耗以占总功率的百分比来表示。Ng为割台功率消耗；Nt为脱粒滚筒功率消耗；Nx为行走部分功率消耗；N为总功率；Ny为除了脱粒滚筒以外的脱粒装置其余部分功率消耗；N-Nx为发动机功率减去行走功率的剩余部分。两曲线的交点为功率平衡点，交点以左发动机的功率都没有得到充分利用。A0为正常工作条件下；A1为恶劣工作条件下；A2为较好工作条件下。图中逐稿器的分离损失曲线表明机器的允许生产能力。可以看出，A0点以右区域，虽然功率有剩余，但损失已超出，不能作为工作点。发动机有近20％的功率储备(Nb)，即：(10-7)联合收割机负荷的不均匀性和因此引起的功率消耗的变化，可以由田间实际测得的行走速度、喂入量、谷层厚度、滚筒轴上的扭矩和转速的瞬时变化的相关曲线来分析。)%(/)(NNNNNNNyxtgb图10—3全喂入谷物联合收割机喂入量和滚筒扭矩的瞬时变化从图中可以看出，喂入量q与滚筒上扭矩M的变化基本上是一致的，扭矩与转速的乘积即为消耗的功率。引起上述各测量值变异的外界条件属于随机变化的过程，测量值的变异符合正态分布规律。设Mp为扭矩的平均值，σ为其均方差，则扭矩变异系数Wn的值为：(10-8)由误差理论可知，在Mp±3σ的范围内，包括了各扭矩值出现几率的99.7％。根据实验统计，脱粒滚筒功率消耗的变异系数因作物的草谷比和湿度的不同而异，全喂入时最大可达33％，即：%100)/(pnMW(10-9)(10-10）脱粒滚筒最大功率大约为平均功率的2倍。行走功率消耗的变异系数随地面情况和土壤特性而异，一般可达11％～25％，考虑到负荷峰值持续的时间很短，并可用运动部件的动能来补偿；而且脱粒和行走的最大功率也不会同时出现，所以通常总功率的变异系数Wn取值为11％。取1／3的平均功率作为功率储备，即设Kb=3Wn，这样发动机的总功率N的值为：PM33.0PPMMM23maxPPbPnPNNKNWNN33.1)1(3(2)平均功率NP和储备功率Nb：联合收割机所需的平均功率NP和储备功率Nb，一般是依靠试验测定的结果进行分析比较来确定，或者利用经验公式来估算。(a)联合收割机的平均功率：不同形式的联合收割机，其平均功率的经验公式也有所不同；各国的经验公式也有所不同。每1kg／s喂入量所需平均功率称为单位喂入量所需平均功率，用P[kW／(kg·s-1)]表示。联合收割机的平均功率NP可以用式(10-12)表示：(10-12)(b)收割机的储备功率：(10-13))(kWqpNP)(kWqPKNKNbPbb(3)配套动力选择：谷物联合收割机配套动力选择应考虑以下问题：(a)额定功率P应有足够的功率储备，其值的确定同前面讲述的功率N相同。(b)采用全程式调速器，以保证在额定转速下，当负荷变化时，转速变化不超过5％～10％，发动机工作可靠和节省油料。发动机常用扭矩储备系数μ或适应系数Ks来评定发动机适应短时超负荷能力的指标。设Me,max为发动机的最大有效扭矩，则：(10-14)(10-15).%/)(max,eNeNeMMMeNesMMK/max,不带校正器的发动机，μ值在5％～15％范围内，带校正器的发动机则可达10％～20％。μ或Ks只能作为非正常工作时应付特殊情况的功率储备，而不能列入正常工作时的功率储备Pb内。(c)发动机有足够的飞轮转动惯量，能克服短时间的超负荷。(d)有良好的防水、防尘和冷却性能。10.3谷物联合收割机的总体配置进行谷物联合收割机的总体配置，就是要合理地布置各个部件的位置，进一步确定机器的总体尺寸；估算机器的重量和重心位置；确定动力的传动路线；设计和布置操纵机构及驾驶台；安排其他附件等。总体布置必须协调各个部件之间以及整机与部件之间的关系，对各个部件的重量、尺寸提出控制要求；核查各个运动零件、部件的运动空间，排除一切机械干涉现象；充分考虑机器的适应性能方面的要求。10.3.1总体布置的要求可以归纳为以下几点：①工艺过程连续、流畅，尤其是要特别注意各个部件工作能力的平衡，注意交接过渡部位的设计，保证谷物流的均匀、连续、流畅，不发生堵塞、超负荷等故障。同时要考虑作业过程中，对未割作物不发生压禾、推禾、脱禾等现象。②正确配置机器的重心。③创造良好的驾驶工作条件。④便于使用、调整、维修。特点⑤注意机器的外形美观。10.3.2全喂入传统型自走式谷物联合收割机的总体布置特点：1)收割台悬挂在脱粒（主）机的正前方，构成T型配置；2)前轮驱动，后轮转向；3)主要工作部件基本按联合收割机的纵轴对称布置；4)驾驶台位于脱粒机的前上方，视野开阔；5)发动机配置在脱粒部分的顶盖上(或驾驶室侧面)，通风散热好；6)粮箱容积大，班次生产率高。10.3.2.1割台、脱粒、清粮部件的相互配置1)收割台与总体的相互配置1°收割台的配置应该尽可能对称，小机型偏右；2°割台应该尽量布置得靠近前轮；3°割台的提升高度一般为400~750mm，JD-7700割台的提升高度为850mm。2）割台各部件的配置（T型）1°护刃器梁至螺旋推运器中心的距离一般Lh=1.2~1.4Dj；（Dj—叶片的外缘直径）2°推运器叶片的外缘与割台的底板和后挡板之间的间隙Δ下=10~20，Δ后〈6；3°推运器叶片外缘至倾斜输送器链耙的距离Llmin=10~60,Llmax=90~170mm；4°拨禾轮弹齿尖与切割器的最小间隙Δg=10~15mm；为了适应多种地区不同高度的作物，约翰·迪尔公司设计的200系列割台，它的推运器可以前后、上下移动，以调节它与割台底板和后挡板之间的间隙，此外，护刃器梁相对于推运器中心还有三个不同的安装位置。10.3.2.2脱粒装置的配置图10—6东风自走式谷物联合收割机脱粒喂入口1）采用喂入轮时，作物在倾斜输送器出口处被喂入轮叶片沿切线方向抛向滚筒，当被滚筒纹杆抓取后，又沿滚筒的切线方向进入凹板，上述两条切线的夹角θ为钝角，喂入平稳顺利。角θ接近90°，滚筒的抓取性能好，脱粒效果好，但茎秆的破碎和功率消耗增大；这样布置还可以获得较大的凹板包角，有较好的分离作用，同时后面的逐稿轮也可适当降低，以减小脱粒机后部的高度。图10—7E—512型自走式谷物联合收割机脱粒喂人口2)不采用喂入轮时，作物按倾斜输送器底板延长线与滚筒表面切线所成的夹角θ’方向向凹板喂入。当H较大时，角θ’增大，喂入平稳顺利，碎茎秆