生姜收获机械设计.doc

青岛农业大学

毕业论文（设计）

题目：生姜收获机械设计

姓名：

学院：机电工程学院

专业：农业机械化及其自动化

班级：日

目录

摘要 ......................................................................................................................................... I ABSTRACT .............................................................................................................................. II 1绪论 .. (1)

1.1研究背景 (1)

1.2国内外研究现状 (1)

1.3选题的目的和意义 (3)

1.4研究方案 (3)

2 生姜的种植农艺及收获机方案的选定 (5)

2.1种植农艺 (5)

2.2机具方案的选定 (6)

3悬挂架、限深轮、挖掘铲的选定与设计 (9)

3.1悬挂架的选定与设计 (10)

3.2限深轮的选定与设计 (16)

3.3挖掘铲的选定与设计.............................................................................................. . (12)

4传动部件的方案选定及设计 (16)

4.1一级传动方案的选定 (16)

4.2V带轮的设计计算 (16)

4.3锥齿轮的设计算 (18)

4.4二级传动方案的选定 (20)

4.5链轮的设计计算 (20)

4.6导向铺禾杆的设计 (22)

4.7圆盘割刀的选定与设计 (22)

5结论及建议 (24)

5.1结论 (24)

5.2建议 (24)

参考文献 (25)

致谢 (26)

生姜收获机的设计

摘要

本设计通过对目前各类型生姜收获机械资料的查阅和研究，对现有的技术方案进行创新和改进，设计了一台结构简单具有清垄和挖掘功能的牵引式生姜收获机，这种机械可以与不同马力的动力机械配套使用，这样就不会造成动力机械闲置。在设计过程中，利用ProE软件的三维建模，对各个部件的观察并最终确定最佳方案。在此次生姜收获机的设计中主要完成以下的工作：完成悬挂架和铲架以及挖掘铲的设计计算；完成割台传动系统（皮带轮、链轮、锥齿轮）的设计和计算；完成割刀的设计计算；完成整体的配置方案及装配。

关键词:生姜;收获机;挖掘

The Design of the Ginger Harvester

Abstract

This design through the review and study the various types of ginger harvester data,innovation and improvement of the technical scheme of the existing,traction type ginger harvesting machine with simple structure and Ridge Clearing and mining function design,this machine can be used with power machinery supporting different horsepower,So as not to cause power machinery idle.In the design process,using three-dimensional modeling software ProE,observation of the various components and determine the optimal scheme. Mainly completed the following work in the design of the ginger harvester:complete the suspension frame and a shovel digging shovel frame and the design calculation;To complete the cutting table transmission system (pulley, sprocket, gear) design and calculation;complete the design of the calculation of cutting knife;complete the configuration scheme of overall and assembly.

Key words: Ginger; Harvester; Mining

1绪论

1.1研究背景

生姜原产于东南亚(印度和马来西亚一带)热带雨林区的森林边沿地带。目前，我国是世界上种植生姜面积最大的国家，其次分别是印度尼西亚、印度及澳大利亚等国。欧美发达国家及日本、韩国的生姜种植面积在逐年减少，但对生姜的需求却越来越旺盛，这些国家年需求量在400万吨以上，且每年以20% 以上的速度增长。由于生产技术及产业结构调整等原因，目前，全球生姜年生产量在2500万-2800万吨,市场需求缺口很大。

生姜作为我国重要的蔬菜品种，具有良好的药用和食用价值，其在我国的栽培历史悠久，种植范围很广，目前已形成许多著名产区，除东北、西北等寒冷地区不种植外，在我国的中部、东南部至西南部的各地区均有生姜产区。且以南方诸省居多。自98 年以来，国际的生姜市场日趋活跃，呈现出供不应求、价格坚挺之势。其中对中国的生姜需求逐渐增大。目前，因日韩美等国家对中国生姜需求旺盛，使得农民的种姜积极性增加，2011年全国各地的生姜种植面积都有不同程度的增加。经初步估算，2011年全国的生姜种植面积要比2010年多40％左右。以山东部分地区为例，其生姜种植面积比2010年增加了50％左右，全国各个生姜主产区的生姜种植面积都有不同程度增加，其产量增加了不少。

在随着生姜种植面积的不断增加，以往传统而落后的人工收获方式已经不能满足当前的生姜收获的要求，因此生姜收获作业的高效性研究已经迫在眉睫。生姜种植农业机械化水平的高低会直接影响到生姜种植也在我国的发展，因此我们要抓紧对生姜收获机械的研制。

1.2国内外研究现状

1.2.1国内研究现状

随着改革开放政策的实行，国内特种农业也在飞速的发展，以往的生姜只会被人当成是一种调味蔬菜，现在生姜的经济性已经逐渐被人所认可。在随着科学技术的发展，

姜种植的面积在逐年增大，并且以生姜种植的周期短、经济效益高等优点渐渐的成为了这些农民家庭的最主要经济收入方式和新的致富之路。由于国内生姜机械行业起步晚，导致了生姜种植及收获机械化程度很低，这严重拖慢了生姜种植产业在国内的发展速度。国内生姜收获机械主要分为两大类、三种型式。其中的一类是挖掘类，另一类是提拉秧类。挖掘类机械在生姜收获时，如果种植生姜的土壤过干，这样挖掘铲的工作阻力会很大，这样挖掘的效果就会很差，这样人工后期的作业时会造成姜块的损坏和姜块不能收获的困难，如果土壤湿度过大收获机械在行走时会变的很困难，挖掘铲的阻力变大挖掘效果变差；提拉秧类机械受土壤的干湿度的影响不是很大但主要会受到生姜的种植密集度的影响较明显，姜苗种植的过密、过疏或者是疏密不均等问题，都会影响收获效果[1]。

尽管现在国内已经有了不少形式的生姜收获机械，但是国内技术并不成熟，现有的机械并不能对生姜收获作业达到全机械化，大部分收获工作还是需要人工去完成。这样农民的收获劳动强度并没有减少，而且还会导致收获时间长和收获效率低等问题, 而且人工作业的随意性使生姜茎块的损失率、破碎率较高, 不利于生姜的贮存。因此, 急需改善和创新新生姜收获机械以解决目前国内生姜收获存在的不足。

1.2.2国外研究现状

生姜受生长环境以及种植农艺的影响导致它多分布于亚热带地区的国家，如中国、印度、东南亚的一些国家。国外从20 世纪40 年代开始根茎类作物收获机械的研究, 如美国、德国、日本、法国、意大利等发达国家均研制出了不同的收获机械。现已实现对长根作物( 萝卜、甜菜等) 和短根作物( 生姜、花生、大蒜、洋葱等) 的机械化收获，国外的根茎类作物收获机械正向大型化、机电一体化、智能化, 更可靠、更安全的方向发展。一些发达国家不断将高、精、尖技术应用到农业机械上来, 农业机械正向智能化方向发展[2]。

针对国产机型存在的不足之处，和对发达国家先进技术的借鉴，本次设计的生姜收获机通过添加清垄功能和运用轮叉式挖掘铲来解决上述问题，在保证机具达到所需工作标准，同时，要保证该机型的价格较为低廉，操作简便，通用性好等特点。

1.3选题的目的和意义

目的：在随着科学技术的发展，高产量生姜品种研制的成功，使得现在生姜亩产量不断提高，所以在全国的各个地区生姜种植的面积在逐年增大，并且以生姜种植的周期短、经济效益高等优点渐渐的成为了这些农民家庭的最主要经济收入和一条新的致富路。但目前，国内生姜收获不能达到机械化的程度，这就很大程度上阻碍了生姜产业的发展[3]。为了适应农业发展，此次毕业设计，通过借鉴现有生姜收获机械，对机具简化改进降低机具成本，并且提高生产效率高,节省劳动力,降低收获成本,增加产量。

意义：目前国内生姜种植面积比较分散, 种植农艺参差不齐, 这既影响了生姜产量的提高, 也不利于生姜收获的机械统一化。生姜收获时劳动强度大，效率低，工作过程繁琐，作物果实块茎破碎量大等农艺问题亟待解决[4]。改进后的生姜收获机械简化了机具并且简化了工作过程，能减生姜姜块的破碎率，由于机械的结构简单，所以生产造价低廉，并且机具的生产效率高，通用性良好可以与家用拖拉机配套使用。

1.4研究方案

研究内容：

本课题针对目前现有技术的不足，通过对传统收获机械的革新，提供一种能够减轻人的劳动强度，提高工作效率，并且能适应不同地域工作环境，收获效果好的生姜收获机械。

研究目标：

本次设计的生姜收获机主要由松挖装置、切割装置、和传动装置等部分组成。挖掘铲的挖掘深度可以通过限深轮来调节而割刀的切割高度通过割刀高度调节杆装置来实现，从而使机具可以适应不同的种植农艺方式。

研究方法：

充分了解现有的生姜收获方式的优缺点，总结经验，克服不足。设计一种结构简单而且可以与拖拉机配套使用，能适应不同的工作环境的生姜收获机械，从而减轻农民购买时的经济负担和生姜收获时的劳动强度，并且提高生姜收获作业的效率。设计过程中要用到农业机械学、机械制造、机械设计、材料力学、动力传动装置设计等课程方面的知识。

技术路线：

调查研究资料→写出开题报告→确定总体方案→机架、轮子和轮叉铲等的装置设计→传动设备计算选型→切割装置整体方案设计→绘制生姜收获机总装图及零件图→撰写设计说明书

拟解决的问题：

主要解决生姜收获作业时劳动强度大，效率低，工作过程繁琐，作物果实块茎破碎量大，以及生姜收获机具的造价太高机具的闲置的等问题。

特色与创新点：

本次设计的生姜收获机，相对以往的传统收获机械来说结构更简单，生产造价更低廉，可以与家用手扶拖拉机配套使用。

漏姜：漏姜是在生姜收获作业过程中的被遗漏在土壤之中并没有被收获的姜块，造成漏姜的最主要原因是生姜收获机械在挖掘作业时挖掘铲入土角度和入土深度并没有达到挖掘入土深度和挖掘宽度

2 生姜种植农艺和收获机具方案的选定

2.1种植农艺

(1)生姜的种植特征

生姜在全国各地由于种植环境的不同种植方式也有区别。在通常情况下，姜块可以长出的根最多不会超出10根一般都是7-9根。生姜的根系由于吸水和吸肥的能力不是很好的原因它的根系并不会入土很深，当生姜的根入土超过30cm 的时候并不能对水肥吸收。

图2-1 生姜农艺特征

(2)收获要求

1） 为了保证生姜能够全部被挖出或者松土，各个挖掘铲的入土深度和挖掘宽度都要达到要求（挖掘深度为30cm ，挖掘宽度为40cm ），如果入土深度和宽度不能达到要求，就会对姜块造成损坏和漏挖。

2）生姜漏姜率及损伤率

要求，这样就会使得后续人工作业的劳动强度增大而且还会增加生姜收获的损伤率。漏姜量的比例一般少于产量的2%。

损伤：损伤是指在收获过程中那些破损的姜块，一般是机具在收获过程中没有达到收获要求是造成生姜损伤的主要原因，后续人工收获时对姜块早造成的人为损坏也是造成损伤的一部分原因。生姜损伤率一般也要小于产量的2%。

2.2机具方案的选定

2.2.1 方案参考

此次设计的设计方案的选定是通过对目前现有几种生姜收获机械的调研，参照自己的设计方案的要求，对比各个的优缺点来实现机具的设计。

以下是三种不同形式生姜收获机具的结构简图和性能分析：

图1 4JZL-2生姜收获机

1、发动机

2、变速箱

3、皮带轮

4、液压操纵机构

5、油缸

6、横拉杆

7、松土铲8、限深轮9、支架10、支撑履带11、支重轮12、护板

13、驱动轮14、机架总成

该机整体设计思路新颖、性能稳定、操作方便、损失率小及作业成本低 （1）工作原理：通过松土装置使生姜的底部和四周的土壤松动，再用人工方法使生姜拔出地面，减轻了劳动强度，使用操作容易，生产效率提高

（2）性能分析：通过在类似于手扶拖拉机行走系统的基础上来加挂生姜的挖掘系统制成的。自身采用了履带式行走机构，其优点在于既增大了牵引力，又增大了离地间隙。此设计比较适合高垄作物田间作业。可以完成对浇水3～4天后的生姜进行挖掘收获[5]。

工作原理：手扶拖拉机前进时,可先由立式割台将姜苗切除, 并传送到一侧清垄, 随后由环形深松犁将地下生姜根茎松挖, 生姜块被整体移出土而不被翻动,保证了生姜块的完整性。

性能分析： ， 主要是可以完成清垄作业，符合这次设计的要求，故此次设计以此机型为原型。

方案的选定及机构工作原理

图3 日产生姜收获机

1. 驱动轮

2. 机架

3. 发动机

4. 拨禾轮

5. 分禾器

性能分析 ： 该机为自驱动型收获机，集收获、割秧于一体，其机架前端连接有拨禾轮，分禾器位于拨禾轮下方，由机架上的发动机提供动力，驱动各部件运动。

2.2.1

工作原理 ： 该机具是由日本人藤木、弘羲于1 9 9 1 年 申请的专利，生姜收获机沿着生姜种植行前进, 分禾器首先将生姜茎秆导人拨禾轮, 然后由拨禾轮将生姜茎秆喂人夹持带, 再由拨禾轮后端的茎秆切割装置将秧切去并输送到机器侧面, 随着夹持带的运动和机器的前进, 夹持带将生姜茎块从地下拔出,从而完成生姜收获。

通过对国内外资料的查阅以及结合本次设计的中心思想确定本次设计的生姜收获机械为牵引式的，结构简图和工作原理如下:

图四生姜收获机结构简图

1.轮叉铲

2.限深轮

3.悬挂架

4.选用的手扶拖拉机

5.割刀

6.导向铺禾杆

整个装置分为两个部分，前边的为切割装置、后方的是挖掘松土装置。动力是由手扶拖拉机提供，动力机械的行走带动挖掘装置前行，轮叉铲与地面呈一定的角度插入土壤中，轮叉铲的转动可以对生姜起到挖掘和松土的作用。轮叉铲的工作深度是由位于它前方的限深轮来控制（限深轮的高度可以调节），轮叉铲的收起放下可以通过机架上方的伸缩调节装置来手动调节。前端发动机动力输出轴的转速通过三级减速将动力传给割刀使其转动完成对姜杆的切割作业，被割断的姜杆经机构最前端的导向铺禾杆引导倒向姜垄的两侧。

3悬挂架、限深轮、挖掘铲的选定与设计

3.1悬挂机架的选定与设计

悬挂架是挖掘装置实现作业要求的重要部件，此次悬挂架的设计要满足限深轮的悬挂，轮叉铲的悬挂和收放以及与动力机械的连接，而且还要做到整体结构要简单、受力变形小、抗振性能好，此外在满足以上要求的情况下机架的质量要尽量的轻，结构设计要合理以便生产铸造、焊接和便于机架的组装维修等[6]。

在机架的形状设计方面，悬挂机架上设置有两组铰连接，一组是固定铰连接另一组是提升铰连接，固定铰连接是悬挂机架与动力机械固定连接的以便实现挖掘铲的工作，提升铰连接是与伸缩杆连接实现悬挂机架的收起和放下，在悬挂机架的两边有限深轮及挖掘刀的固定装置，可以实现挖掘深度的调节及定位。

在本次设计中，因悬挂机架受力并不大且需焊接部分较多，故不选用铸造的方式，同时，考虑周期，重量成本等原因，悬挂机架多采用焊接方式连接,通过查阅相关资料选择Q235B为此次机架材料。

图3-1悬挂架

3.2 限深轮的选定与设计

限深轮是控制轮叉铲入土深度和保持机架和动力机械在同一水平直线上运动的重

要部件。由于限深轮与直接地面接触这样可以减轻悬挂架铰连接处的剪切力。

在此次设计限深轮的过程中要注意一下两个方面，一方面在限深轮和土壤之间不能有滑动，相对滑动会增大挖掘阻力而且会影响到轮叉铲的挖掘效率；另外一方面限深轮的高度要合理如果与地面压力太大会造成土壤的压实从而影响轮叉铲在生姜收获作业

时的挖掘松土性和碎土的效果。

此次设计的限深轮是由钢板卷制通过焊接方式制成，焊接而成通过调整位于调整杆上的螺母可改变限深轮的入土深度，限深轮的最大垂向可调距离为150mm，为避免对垄局部施压过大，并能保证限深轮的顺利滚动，限深轮自身的直径不应过小，本设计选取为200mm。

图3-2限深轮

3.3挖掘铲的选定与设计

挖掘铲的设计过程中不能只考虑理论状况要理论联系实际，比如说挖掘铲作业过程中会有杂草石块等杂物，杂草会与挖掘铲发生缠连导致挖掘铲不能达到挖掘要求，而石块会与挖掘铲发生刚性碰撞会导致挖掘铲破损从而影响挖掘作业。

此次挖掘铲的设计要完成挖掘姜块时避免对姜块造成机械的损伤，挖掘铲在收获作业的过程中克服各种阻力时所需要的工作动力要少，可以在不同的环境下比如在不同土壤中圆满的完成挖掘收获作业任务。要达到以上的各个方面的要求这就使得挖掘铲设计时的结构形式和几何参数的设计计算显得尤为重要。

农业作业中运用到的挖掘铲形式各种各样，挖掘铲在工作过程中与连接件可不可以有相对运动将挖掘铲分为固定式、回转式和复合式三种[7]。常见的固定式挖掘铲的结构形式如图：

图3-3 常见固定式挖掘铲

（1）三角平面铲（2）曲面铲（3）条形平铲（4）带圆犁刀的曲面铲

（5）组合式铲（6）带分离栅的曲面铲

三角形平面铲的特点是由于挖掘铲前端呈锥状所以它入土能力强入土阻力小，为了防止杂草的缠连其铲面角度要小于120o；这种铲也存在块茎的测漏问题，由于铲面过平导致了它的碎土能力很差，而且由于铲面过大其入土深度不宜过大，当挖掘量变大是

三角铲容易拥堵，增加挖掘阻力。

条形平铲特点是不易产生遗漏块茎现象，适宜于土壤粘度较小的土壤，但入土较难，容易发生产草现象，碎土能力较弱，拥堵现象较严重。

多片铲特点是它是对三角平面铲的改进设计，收获效率较高，不易发生遗漏现象，入土比较容易，适用于挖掘深度不大的块茎类作物的收获，也存在着碎土能力不强的特点，出土量较大、易产生拥堵现象。

凹面铲的特点是入土性能较好，可以使土壤发生变形断裂，因此具有一定的碎土能力，但碎土性能较凸面铲差一些。

考虑到生姜的种植农艺的，要求生姜收获机械的挖掘深度较深，宽度较大，工作时需要移动大量的土壤，而以上的常见的挖掘铲入土能力、碎土能力、挖掘深度都不能达到生姜收获农艺的要求，如果要达到以上农艺的要求则挖掘铲需要做的很大这样就会很笨重浪费材料，而且铲面太大的话在挖土量大的时候都易发生拥堵就增加了牵引阻力

[8]。为了减少对泥土的搅动以及功率的损失，本次设计采用下图的结构进行设计。

图3-4 轮叉式收获铲示意图 轮叉式挖掘铲优点是结构简单，制造工艺少，而且能达到生姜收获时的农艺要求[9]。 轮叉式挖掘铲主要设计参数有：入土倾角（安装角度）α；铲的直径L 。

（1）入土倾角 α

根据生姜的种植农艺可知 1L 30≈cm ，H=40cm ；

所以tg θ=2

L 1/H=0.375 ； 1tg -=θ020≈ ；

则00170-90≈=θα；

考虑到生姜种植过程中姜苗与中心线的偏离度和拖拉机操作员的操作熟练程度，α取650（065=α）。

（2）铲的直径L

由生姜的种植农艺可知L 230≈cm ；

所以 60cos /302

L 2≈≈θcm ； 由于此轮叉铲的主要目的是为了松土及提拉生姜的目的，并不是为了将生姜完全从土壤中翻出，所以铲的末端并不需要完全达到生姜最大种植深度，而且如果直径L 过大会对轮叉铲的制造工艺、热处理工艺，提出很高的要求，而且叉指在工作中很容易发生变形或者断裂，所以L 取50（L=50cm ）。

图3-5轮叉铲 在挖掘铲的入土过程中，不同材质的金属与土壤之间所产生的摩擦力也打不相同，因此，挖掘铲材质的选择对其刚度、结构及工作性能有重要影响。通常来讲，挖掘铲整体表面磨损导致其发生的几何形状的改变是用来衡量其刚度的重要因素之一，这就对挖掘铲材质的刚度有较高要求。在进行挖掘的过程中，挖掘铲会与埋在地下的石块以及其它较硬的物质发生碰撞，这就可能导致铲刃的开口损伤，。挖掘铲工作过程，入土的挖

掘铲的各种材料和金属之间的土地产生的摩擦力相同的，所以在选择材料上挖掘铲的韧性，结构和性能有一个显着的影响。一般情况下，导致其形成的磨损挖掘铲几何体的总面积的测量是在刚度的重要因素，挖掘铲刚性有更高的要求的变化。在挖掘过程中，用铲子挖在地面上用石头等硬质材料碰撞，从而导致损害挖掘铲破损，而且轮叉铲的工作方式就决定了铲指所受的各个方向应力都会很大，所以，挖掘铲的材质选择既要具有很高的的柔韧性，而且刚度要求也要很高。

综上所述，挖掘铲应具有可靠的刚度及柔韧性，很高的刚度要求，要便于加工制造，综上所述要求，通过查阅资料选用Q390低合金高强度结构钢进行生产制造[10]。

由于此次设计的生姜收获机械是牵引式的，后方挖掘装置的工作动力是由拖拉机行走提供而前方割台圆盘割刀的的工作动力来则自于配套拖拉机械的发动机，一般情况下的拖拉机的动力传递都是是通过V 带轮实现的，所以此次割台的动力传递的一级传动部件选择V 带轮。发动机的动力通过V 带轮的传递后要实现圆盘割刀的工作转动则需要动力的换向传递，一般来说动力换向机构有两种，其中一种是锥齿轮传递，另外一种是涡轮蜗杆 P ————所需要传递的额定功率，KW 。

计算功率P ca 是根据传递的功率P 和带的工作条件确定的； 传动部件的方案选定与设计

4 4.1一级传动部件的选定

传递。涡轮蜗杆传递比较平稳可以实现不传动比的传递，但是涡轮蜗杆的传递机械效率很低而且对材料的耐磨性要求很高，而先对与涡轮蜗杆传递来说锥齿轮传递方式相对较廉价一点而且传递效率较高，所以此次设计选用锥齿轮来实现动力换向传递[12]。

4.2 V 带轮的设计计算

（1）计算功率P ca

P ca =K A P ； 公式（4-1） 式中：P ca ————计算功率，KW ；

K A ————工作情况系数；

通过查表可知 K A =1.2，而本次设计的生姜收获机为牵引式，而且切割台结构较简单，所以割台的设计计算只是通过满足一般通用拖拉机传动要求从而实现生姜收获机的广泛配套使用，通过查阅资料可知手扶拖拉机的额定功率一般为P=5KW ，则 P ca =6KW 。

（2）选择V 带的带型

V 带的带型选择是可以根据所计算的功率P ca 和小带轮转速n 1来确定的，因为割刀的转速是直接通过发动机传递过来的并没有进过变速箱减速，一般拖拉机的发动机标定的转速是2200r/min ，所以通过查表选择A 型V 带轮。