试论甜菜收获机器的设计
甜菜是新疆重要的优势经济作物,它不仅是制糖工业的主要原料之一,而且其茎叶和糖渣是家畜的优良饲料。得天独厚的自然优势以及种植技术的不断改进,使新疆甜菜生产水平和栽培面积在国内处于较高水平。但甜菜栽培与收获方式主要以人工为主、机械为辅,用工量大,成本高,产量低,效益差,特别是甜菜收获机械等问题一直未能得到推广和解决,极大地限制了甜菜产业的进一步发展。所以,甜菜收获机械的研制与推广,对于提高我区机械化水平、提高劳动生产率、增加农民的收入及提高收获质量等方面都具有重大的意义。[1]
一、甜菜收获机的发展现状分析
(一)国外甜菜收获机的发展现状及趋势国外甜菜收获机械化始于50~70年代,如法国、德国、波兰、俄罗斯等国家,采用自走式甜菜联合收获机,前部完成清理缨叶、切缨,后部完成挖掘、集垛(堆),一次完成甜菜收获全过程。[2]一般采用的收获工艺有三种:由一台机具完成切缨、挖掘、捡拾、清理装载等全部工序的联合收获工艺,具有机械化程度高,用工少,生产效率高的特点;由2台专机分别来完成的两段收获工艺,这种机具结构简单,工作效率高,适应低洼潮湿地等作业条件;由3台专用机具来完成的三段收获工艺。目前国外甜菜收获机的发展趋势是提高生产率,向宽幅、高速、大功率自走式联合作业机械方向发展,注重新型工作部件的研究及液压、电子、计算机等新技术的应用,如采用液压和机电一体化自动装置,以提高机器的适应性。[3]
(二)我国甜菜收获机的发展现状我国曾试验过联合收获,但未能推广。目前,甜菜收获仍然以用机械作业完成挖掘、运输,人工作业完成捡拾集堆、切削、装车相结合的传统甜菜收获方式为主,并逐步推广分段收获方式。[4]分段收获是将挖掘→捡拾→集堆→切削→装运等工序,选用不同的机具与拖拉机配套。其特点是各种机具结构简单,所需动力小,作业质量好,但整个收获过程占有的机具多,作业次数多等。目前,甜菜收获机之所以没有在国内普及,其主要原因在于甜菜收获机切顶的质量不高,再加上甜菜收获机的构造因其所完成的收获作业项目而异,还因其工作部件的配置而异。
二、甜菜物理特性和机械特性的分析研究甜菜物理特性和机械特性,可以为甜菜收获机械的研制和使用等提供相应的力学参数。
(一)甜菜物理特性的分析甜菜的大小和形状有很大差异;特别是在大小和重量方面的差别是很大的。所以甜菜在切顶的过程中所需要的夹紧力以及切削量也是千差万别的。甜菜块根可分为根头、根颈和根体三部分(见图1)。其中,根头含糖率最低,根颈含糖率较高,根体中含糖率最高,到根尾含糖率又降低。从横切面看,中部含糖率最高,内层次之,外层最少。[5]由此可以看出,甜菜块根的含糖量并不是均匀的,在切顶的过程中,要准确把握好切顶的位置,才能减少切顶损失。经测得的甜菜块根最大直径为12cm,长度为22cm,长径比不大。据统计,甜菜块根的平均重量约为1.5kg;平均直经约为10cm;最大直径约为20cm;块根平均长度约为20cm;最大长度约为32cm。[6]
（二)甜菜机械特性的分析通过对完整甜菜进行不同速度的压缩试验,获得了甜菜在不同压缩速度下的破裂点,其平均破裂点为5291.077N。其中,压缩速度对甜菜的弹性特性有明显的影响,压缩速度越大,弹性性质越明显;压缩时间越短,甜菜的破裂位移越小。[7]其压缩力—位移曲线如图2所示。因此,甜菜切顶机构采用夹紧固定装置,其夹紧力须控制在破裂点之下,防止甜菜块根破裂或压碎。
三、甜菜切顶机的结构设计
(一)甜菜切顶机设计方案的确定由于分段式收获工艺易与中小型拖拉机配套,比较适合我国目前的甜菜生产模式。甜菜切顶机作为分段式收获工艺的关键机具之一,必须满足甜菜切顶的要求;在满足结构、功能的前提下,同时也要考虑其工作效率。通过对现有各种切顶机关键部件的分析,我们发现,在甜菜收获机上采用的甜菜切顶装置,主要由驱动圆盘式仿形器和从动平面切刀组成的。这种甜菜切顶装置虽然机构比较紧凑,但切割质量不太稳定。目前,各甜菜产区普遍采用以下两种切削方法:人工多刀切削和一刀平切的方法切削块根。1.多刀切削法:是用刀从块根的根头最下排叶痕处,像削铅笔似地向上斜削5~6刀,厚度2~3mm,使根头微露白。既不能削得过多,造成原料损失;也不能留青头太多,否则收购时将按夹杂物扣除。2.一刀平切法和机械切削相同,即在块根的根头最下排叶痕处上方1.5cm处平削一刀,削掉叶丛,并去除根头剩余干枯叶柄,削掉1cm以下的根尾。一刀平切法,省工、效率高,而且刀伤面小,块根不易感病而腐烂,便于田间保藏。[8]我们曾考虑采用机械进行多刀切削,但是多切刀的布置形式和位置对甜菜切顶的质量有较大的影响,且结构也相对复杂,效率也没有得到很大的提高。为了能够准确切顶,我们按照当前提出的一种新型甜菜收获工艺路线,即:首先将甜菜樱叶由打樱机打去,然后由甜菜挖掘机将甜菜挖掘后装运至糖厂进行切顶作业,或在装运输送的过程中进行切顶作业。
(二)甜菜切顶机的结构设计根据甜菜块根的几何形态、含糖量分布及机械特性等特征,针对目前国内外切顶装置存在切顶不准确等缺陷,经反复理论分析和模拟试验研究,我们设计了一种小型甜菜切顶装置。此甜菜切顶装置采用皮带传输,甜菜经过“V”形带和倒“L”形挡板构成的定向装置定向,最后由固定圆盘式切刀完成对甜菜块根的切削。该切顶装置主要进料部分、输送部分和切顶部分三大部分组成。如图3所示。
(三)进料机构结构设计甜菜切顶装置的进料部分主要由机架1、皮带轮2、倒“L”形挡板3、分隔板4“、V”带轮5和传输皮带6组成。其主要作用就是将杂乱无序的甜菜块根理顺成单一的纵向,且块根青顶部分在落入传输送带前。全部统一向下,保证下面输送带上的甜菜块根青顶部分全部统一向前。甜菜的大小一般为长度20~40cm,宽度10~25cm。甜菜在输送过程中,为防止甜菜往两边掉落和压低输送带,专门设计了侧挡板和托辊。其输送带动力均由皮带轮提供,为了简化传动结构“,V”带与皮带轮之间采用锥齿轮传动。其传动比为3:1。两个“V”带互成一定夹角,之间的间距为20cm,从而保证将甜菜块根形态变成单一纵向。为了保证甜菜块根能顺利通过导向装置,倒“L”形挡板与传输皮带6斜落部分之间的最短距离与甜菜块根的最大直径一致,而且传送带与挡板的高度一致。因此,其间最短距离取为20cm。其结构示意图如图4所示。
(四)输送机构结构设计甜菜切顶装置的输送部分主要由传输皮带1分隔板2、皮带轮3和机架4组成。其结构示意图如图5所示。其主要作用就是将定向好的甜菜块根输送至下面切顶部分,而且便于对没有理顺的甜菜块根进行人工辅助矫正,以便更好地完成下面切顶工作。其中,分隔板的目的就是保证甜菜块根从隔板内单向通过,以便切顶部分对甜菜块根进行逐一切顶,其动力也是通过皮带轮传送。为了保证甜菜块根的通过性,分隔板之间的距离取为26cm。根据甜菜的几何形态特征,其平均长度为200mm,最大长度约为320mm,为此我们选用带宽B为500mm的皮带输送,从而保证甜菜在皮带上顺利通过。
(五)切顶机构结构设计切顶机构主要由机架5、动力部分(皮带轮1和电机6)、切削圆盘4和刀片、刀盘轴,齿轮箱及带有导向装置的进料斗3和排出装置7等部分组成,是甜菜切顶机的主要工作部件。其结构示意图如图6所示。切顶机构的作用就是完成最终的甜菜块根切顶工作,其工作原理是:甜菜块根由上面的输送部分垂直喂入到进料斗,经过固定在切削圆盘上的切刀完成切顶动作,最后经过排出斗将切削好的甜菜排出,属于垂直喂入式动力切顶机。其中,切削圆盘是该机构的主要工作部件,其主要参数有:切削速度、切削角、刀刃角。甜菜切顶所用的切削力,即切削能耗主要取决于这些参数。研究资料表明,甜菜单位切削面积的最小能耗为3.10(kg-cm)/cm。[9]该切顶机构主要还是采用一刀平切的方法,将甜菜青顶切去。但是切顶厚度可以通过进料斗高度以及直径进行调节,能比较合理的控制切顶损失。
四、结语
1.本文针对甜菜的物理特性和机械特性以及含糖量分布等特征,设计出了采用皮带轮传输、“V”形带和倒“L”形挡板构成定向装置定向及利用固定圆盘式切刀切削为主要结构的切顶机。
2.研究并确定出甜菜切顶装置的各部分基本尺寸:进料部分两个“V”带互成一定夹角,之间的最小间距为20cm;输送部分输送带带宽为500mm;隔板之间的距离为26cm。
3.本文所设计的甜菜切顶机的特点是:进料输送部分具有导向功能;切顶部分采用垂直喂入的方式,能够起到一定的定位作用,且具有类似模拟田间切削甜菜的功能。切顶原理具有准确切顶、损失较小,且切顶效果较好的优点,能适应对各类采用分段收获方式的甜菜块根进行切顶作业;基本上能满足制糖企业和小型农户对甜菜切顶的要求,也能降低多切会给农民带来的损失。