試論甜菜收穫機器的設計

　　甜菜是新疆重要的優勢經濟作物,它不僅是製糖工業的主要原料之一,而且其莖葉和糖渣是家畜的優良飼料。得天獨厚的自然優勢以及種植技術的不斷改進,使新疆甜菜生產水平和栽培面積在國內處於較高水平。但甜菜栽培與收穫方式主要以人工為主、機械為輔,用工量大,成本高,產量低,效益差,特別是甜菜收穫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業的進一步發展。所以,甜菜收穫機械的研製與推廣,對於提高我區機械化水平、提高勞動生產率、增加農民的收入及提高收穫質量等方面都具有重大的意義。[1]

　　一、甜菜收穫機的發展現狀分析

　　***一***國外甜菜收穫機的發展現狀及趨勢國外甜菜收穫機械化始於50~70年代,如法國、德國、波蘭、俄羅斯等國家,採用自走式甜菜聯合收穫機,前部完成清理纓葉、切纓,後部完成挖掘、集垛***堆***,一次完成甜菜收穫全過程。[2]一般採用的收穫工藝有三種:由一臺機具完成切纓、挖掘、撿拾、清理裝載等全部工序的聯合收穫工藝,具有機械化程度高,用工少,生產效率高的特點;由2臺專機分別來完成的兩段收穫工藝,這種機具結構簡單,工作效率高,適應低窪潮溼地等作業條件;由3臺專用機具來完成的三段收穫工藝。目前國外甜菜收穫機的發展趨勢是提高生產率,向寬幅、高速、大功率自走式聯合作業機械方向發展,注重新型工作部件的研究及液壓、電子、計算機等新技術的應用,如採用液壓和機電一體化自動裝置,以提高機器的適應性。[3]

　　***二***我國甜菜收穫機的發展現狀我國曾試驗過聯合收穫,但未能推廣。目前,甜菜收穫仍然以用機械作業完成挖掘、運輸,人工作業完成撿拾集堆、切削、裝車相結合的傳統甜菜收穫方式為主,並逐步推廣分段收穫方式。[4]分段收穫是將挖掘→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構簡單,所需動力小,作業質量好,但整個收穫過程佔有的機具多,作業次數多等。目前,甜菜收穫機之所以沒有在國內普及,其主要原因在於甜菜收穫機切頂的質量不高,再加上甜菜收穫機的構造因其所完成的收穫作業專案而異,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,可以為甜菜收穫機械的研製和使用等提供相應的力學引數。

　　***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。所以甜菜在切頂的過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,內層次之,外層最少。[5]由此可以看出,甜菜塊根的含糖量並不是均勻的,在切頂的過程中,要準確把握好切頂的位置,才能減少切頂損失。經測得的甜菜塊根最大直徑為12cm,長度為22cm,長徑比不大。據統計,甜菜塊根的平均重量約為1.5kg;平均直經約為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,甜菜切頂機構採用夾緊固定裝置,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、甜菜切頂機的結構設計

　　***一***甜菜切頂機設計方案的確定由於分段式收穫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模式。甜菜切頂機作為分段式收穫工藝的關鍵機具之一,必須滿足甜菜切頂的要求;在滿足結構、功能的前提下,同時也要考慮其工作效率。通過對現有各種切頂機關鍵部件的分析,我們發現,在甜菜收穫機上採用的甜菜切頂裝置,主要由驅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比較緊湊,但切割質量不太穩定。目前,各甜菜產區普遍採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,並去除根頭剩餘乾枯葉柄,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,便於田間保藏。[8]我們曾考慮採用機械進行多刀切削,但是多切刀的佈置形式和位置對甜菜切頂的質量有較大的影響,且結構也相對複雜,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穫工藝路線,即:首先將甜菜櫻葉由打櫻機打去,然後由甜菜挖掘機將甜菜挖掘後裝運至糖廠進行切頂作業,或在裝運輸送的過程中進行切頂作業。

　　***二***甜菜切頂機的結構設計根據甜菜塊根的幾何形態、含糖量分佈及機械特性等特徵,針對目前國內外切頂裝置存在切頂不準確等缺陷,經反覆理論分析和模擬試驗研究,我們設計了一種小型甜菜切頂裝置。此甜菜切頂裝置採用皮帶傳輸,甜菜經過“V”形帶和倒“L”形擋板構成的定向裝置定向,最後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。

　　***三***進料機構結構設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。全部統一向下,保證下面輸送帶上的甜菜塊根青頂部分全部統一向前。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,專門設計了側擋板和託輥。其輸送帶動力均由皮帶輪提供,為了簡化傳動結構“,V”帶與皮帶輪之間採用錐齒輪傳動。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。其結構示意圖如圖4所示。

　　***四***輸送機構結構設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。其結構示意圖如圖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,而且便於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。根據甜菜的幾何形態特徵,其平均長度為200mm,最大長度約為320mm,為此我們選用頻寬B為500mm的皮帶輸送,從而保證甜菜在皮帶上順利通過。

　　***五***切頂機構結構設計切頂機構主要由機架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。其結構示意圖如圖6所示。切頂機構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,經過固定在切削圓盤上的切刀完成切頂動作,最後經過排出鬥將切削好的甜菜排出,屬於垂直喂入式動力切頂機。其中,切削圓盤是該機構的主要工作部件,其主要引數有: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於這些引數。研究資料表明,甜選單位切削麵積的最小能耗為3.10***kg-cm***/cm。[9]該切頂機構主要還是採用一刀平切的方法,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節,能比較合理的控制切頂損失。

　　四、結語

　　1.本文針對甜菜的物理特性和機械特性以及含糖量分佈等特徵,設計出了採用皮帶輪傳輸、“V”形帶和倒“L”形擋板構成定向裝置定向及利用固定圓盤式切刀切削為主要結構的切頂機。

　　2.研究並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;輸送部分輸送帶頻寬為500mm;隔板之間的距離為26cm。

　　3.本文所設計的甜菜切頂機的特點是:進料輸送部分具有導向功能;切頂部分採用垂直喂入的方式,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點,能適應對各類採用分段收穫方式的甜菜塊根進行切頂作業;基本上能滿足製糖企業和小型農戶對甜菜切頂的要求,也能降低多切會給農民帶來的損失。