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分析甜菜收獲機器的設(shè)計
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甜菜是新疆重要的優(yōu)勢經(jīng)濟作物，它不僅是制糖工業(yè)的主要原料之一，而且其莖葉和糖渣是家畜的優(yōu)良飼料。得天獨厚的自然優(yōu)勢以及種植技術(shù)的不斷改進，使新疆甜菜生產(chǎn)水平和栽培面積在國內(nèi)處于較高水平。但甜菜栽培與收獲方式主要以人工為主、機械為輔，用工量大，成本高，產(chǎn)量低，效益差，特別是甜菜收獲機械等問題一直未能得到推廣和解決，極大地限制了甜菜產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。所以，甜菜收獲機械的研制與推廣，對于提高我區(qū)機械化水平、提高勞動生產(chǎn)率、增加農(nóng)民的收入及提高收獲質(zhì)量等方面都具有重大的意義。[1]
一、甜菜收獲機的發(fā)展現(xiàn)狀分析
�。ㄒ唬﹪馓鸩耸斋@機的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢國外甜菜收獲機械化始于50~70年代，如法國、德國、波蘭、俄羅斯等國家，采用自走式甜菜聯(lián)合收獲機，前部完成清理纓葉、切纓，后部完成挖掘、集垛（堆），一次完成甜菜收獲全過程。[2]一般采用的收獲工藝有三種：由一臺機具完成切纓、挖掘、撿拾、清理裝載等全部工序的聯(lián)合收獲工藝，具有機械化程度高，用工少，生產(chǎn)效率高的特點；由2臺專機分別來完成的兩段收獲工藝，這種機具結(jié)構(gòu)簡單，工作效率高，適應(yīng)低洼潮濕地等作業(yè)條件；由3臺專用機具來完成的三段收獲工藝。目前國外甜菜收獲機的發(fā)展趨勢是提高生產(chǎn)率，向?qū)挿�、高速、大功率自走式�?lián)合作業(yè)機械方向發(fā)展，注重新型工作部件的研究及液壓、電子、計算機等新技術(shù)的應(yīng)用，如采用液壓和機電一體化自動裝置，以提高機器的適應(yīng)性。[3]
（二）我國甜菜收獲機的發(fā)展現(xiàn)狀我國曾試驗過聯(lián)合收獲，但未能推廣。目前，甜菜收獲仍然以用機械作業(yè)完成挖掘、運輸，人工作業(yè)完成撿拾集堆、切削、裝車相結(jié)合的傳統(tǒng)甜菜收獲方式為主，并逐步推廣分段收獲方式。[4]分段收獲是將挖掘→撿拾→集堆→切削→裝運等工序，選用不同的機具與拖拉機配套。其特點是各種機具結(jié)構(gòu)簡單，所需動力小，作業(yè)質(zhì)量好，但整個收獲過程占有的機具多，作業(yè)次數(shù)多等。目前，甜菜收獲機之所以沒有在國內(nèi)普及，其主要原因在于甜菜收獲機切頂?shù)馁|(zhì)量不高，再加上甜菜收獲機的構(gòu)造因其所完成的收獲作業(yè)項目而異，還因其工作部件的配置而異。
二、甜菜物理特性和機械特性的分析
研究甜菜物理特性和機械特性，可以為甜菜收獲機械的研制和使用等提供相應(yīng)的力學參數(shù)。
（一）甜菜物理特性的分析甜菜的大小和形狀有很大差異；特別是在大小和重量方面的差別是很大的。所以甜菜在切頂?shù)倪^程中所需要的夾緊力以及切削量也是千差萬別的。甜菜塊根可分為根頭、根頸和根體三部分（見圖1）。其中，根頭含糖率最低，根頸含糖率較高，根體中含糖率最高，到根尾含糖率又降低。從橫切面看，中部含糖率最高，內(nèi)層次之，外層最少。[5]由此可以看出，甜菜塊根的含糖量并不是均勻的，在切頂?shù)倪^程中，要準確把握好切頂?shù)奈恢�，才能減少切頂損失。經(jīng)測得的甜菜塊根最大直徑為12cm，長度為22cm，長徑比不大。據(jù)統(tǒng)計，甜菜塊根的平均重量約為1.5kg；平均直經(jīng)約為10cm；最大直徑約為20cm；塊根平均長度約為20cm；最大長度約為32cm。[6]（
二）甜菜機械特性的分析通過對完整甜菜進行不同速度的壓縮試驗，獲得了甜菜在不同壓縮速度下的破裂點，其平均破裂點為5291.077N。其中，壓縮速度對甜菜的彈性特性有明顯的影響，壓縮速度越大，彈性性質(zhì)越明顯；壓縮時間越短，甜菜的破裂位移越小。[7]其壓縮力—位移曲線如圖2所示。因此，甜菜切頂機構(gòu)采用夾緊固定裝置，其夾緊力須控制在破裂點之下，防止甜菜塊根破裂或壓碎。
三、甜菜切頂機的結(jié)構(gòu)設(shè)計
�。ㄒ唬┨鸩饲许敊C設(shè)計方案的確定由于分段式收獲工藝易與中小型拖拉機配套，比較適合我國目前的甜菜生產(chǎn)模式。甜菜切頂機作為分段式收獲工藝的關(guān)鍵機具之一，必須滿足甜菜切頂?shù)囊�；在滿足結(jié)構(gòu)、功能的前提下，同時也要考慮其工作效率。通過對現(xiàn)有各種切頂機關(guān)鍵部件的分析，我們發(fā)現(xiàn)，在甜菜收獲機上采用的甜菜切頂裝置，主要由驅(qū)動圓盤式仿形器和從動平面切刀組成的。這種甜菜切頂裝置雖然機構(gòu)比較緊湊，但切割質(zhì)量不太穩(wěn)定。目前，各甜菜產(chǎn)區(qū)普遍采用以下兩種切削方法：人工多刀切削和一刀平切的方法切削塊根。
1.多刀切削法：是用刀從塊根的根頭最下排葉痕處，像削鉛筆似地向上斜削5~6刀，厚度2~3mm，使根頭微露白。既不能削得過多，造成原料損失；也不能留青頭太多，否則收購時將按夾雜物扣除。
2.一刀平切法和機械切削相同，即在塊根的根頭最下排葉痕處上方1.5cm處平削一刀，削掉葉叢，并去除根頭剩余干枯葉柄，削掉1cm以下的根尾。一刀平切法，省工、效率高，而且刀傷面小，塊根不易感病而腐爛，便于田間保藏。[8]我們曾考慮采用機械進行多刀切削，但是多切刀的布置形式和位置對甜菜切頂?shù)馁|(zhì)量有較大的影響，且結(jié)構(gòu)也相對復雜，效率也沒有得到很大的提高。為了能夠準確切頂，我們按照當前提出的一種新型甜菜收獲工藝路線，即：首先將甜菜櫻葉由打櫻機打去，然后由甜菜挖掘機將甜菜挖掘后裝運至糖廠進行切頂作業(yè)，或在裝運輸送的過程中進行切頂作業(yè)。
�。ǘ┨鸩饲许敊C的結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)甜菜塊根的幾何形態(tài)、含糖量分布及機械特性等特征，針對目前國內(nèi)外切頂裝置存在切頂不準確等缺陷，經(jīng)反復理論分析和模擬試驗研究，我們設(shè)計了一種小型甜菜切頂裝置。此甜菜切頂裝置采用皮帶傳輸，甜菜經(jīng)過“V”形帶和倒“L”形擋板構(gòu)成的定向裝置定向，最后由固定圓盤式切刀完成對甜菜塊根的切削。該切頂裝置主要進料部分、輸送部分和切頂部分三大部分組成。如圖3所示。
�。ㄈ┻M料機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計甜菜切頂裝置的進料部分主要由機架1、皮帶輪2、倒“L”形擋板3、分隔板4“、V”帶輪5和傳輸皮帶6組成。其主要作用就是將雜亂無序的甜菜塊根理順成單一的縱向，且塊根青頂部分在落入傳輸送帶前。全部統(tǒng)一向下，保證下面輸送帶上的甜菜塊根青頂部分全部統(tǒng)一向前。甜菜的大小一般為長度20~40cm，寬度10~25cm。甜菜在輸送過程中，為防止甜菜往兩邊掉落和壓低輸送帶，專門設(shè)計了側(cè)擋板和托輥。其輸送帶動力均由皮帶輪提供，為了簡化傳動結(jié)構(gòu)“，V”帶與皮帶輪之間采用錐齒輪傳動。其傳動比為3：1。兩個“V”帶互成一定夾角，之間的間距為20cm，從而保證將甜菜塊根形態(tài)變成單一縱向。為了保證甜菜塊根能順利通過導向裝置，倒“L”形擋板與傳輸皮帶6斜落部分之間的最短距離與甜菜塊根的最大直徑一致，而且傳送帶與擋板的高度一致。因此，其間最短距離取為20cm。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。
�。ㄋ模┹斔蜋C構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計甜菜切頂裝置的輸送部分主要由傳輸皮帶1分隔板2、皮帶輪3和機架4組成。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。其主要作用就是將定向好的甜菜塊根輸送至下面切頂部分，而且便于對沒有理順的甜菜塊根進行人工輔助矯正，以便更好地完成下面切頂工作。其中，分隔板的目的就是保證甜菜塊根從隔板內(nèi)單向通過，以便切頂部分對甜菜塊根進行逐一切頂，其動力也是通過皮帶輪傳送。為了保證甜菜塊根的通過性，分隔板之間的距離取為26cm。根據(jù)甜菜的幾何形態(tài)特征，其平均長度為200mm，最大長度約為320mm，為此我們選用帶寬B為500mm的皮帶輸送，從而保證甜菜在皮帶上順利通過。
（五）切頂機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計切頂機構(gòu)主要由機架5、動力部分（皮帶輪1和電機6）、切削圓盤4和刀片、刀盤軸，齒輪箱及帶有導向裝置的進料斗3和排出裝置7等部分組成，是甜菜切頂機的主要工作部件。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。切頂機構(gòu)的作用就是完成最終的甜菜塊根切頂工作，其工作原理是：甜菜塊根由上面的輸送部分垂直喂入到進料斗，經(jīng)過固定在切削圓盤上的切刀完成切頂動作，最后經(jīng)過排出斗將切削好的甜菜排出，屬于垂直喂入式動力切頂機。其中，切削圓盤是該機構(gòu)的主要工作部件，其主要參數(shù)有：切削速度、切削角、刀刃角。甜菜切頂所用的切削力，即切削能耗主要取決于這些參數(shù)。研究資料表明，甜菜單位切削面積的最小能耗為3.10（kg—cm）/cm。[9]該切頂機構(gòu)主要還是采用一刀平切的方法，將甜菜青頂切去。但是切頂厚度可以通過進料斗高度以及直徑進行調(diào)節(jié)，能比較合理的控制切頂損失。
四、結(jié)語
1.本文針對甜菜的物理特性和機械特性以及含糖量分布等特征，設(shè)計出了采用皮帶輪傳輸、“V”形帶和倒“L”形擋板構(gòu)成定向裝置定向及利用固定圓盤式切刀切削為主要結(jié)構(gòu)的切頂機。
2.研究并確定出甜菜切頂裝置的各部分基本尺寸：進料部分兩個“V”帶互成一定夾角，之間的最小間距為20cm；輸送部分輸送帶帶寬為500mm；隔板之間的距離為26cm。
3.本文所設(shè)計的甜菜切頂機的特點是：進料輸送部分具有導向功能；切頂部分采用垂直喂入的方式，能夠起到一定的定位作用，且具有類似模擬田間切削甜菜的功能。切頂原理具有準確切頂、損失較小，且切頂效果較好的優(yōu)點，能適應(yīng)對各類采用分段收獲方式的甜菜塊根進行切頂作業(yè)；基本上能滿足制糖企業(yè)和小型農(nóng)戶對甜菜切頂?shù)囊�，也能降低多切會給農(nóng)民帶來的損失。
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