洋姜联合收获机虚拟设计
摘 要
洋姜是在十七世纪左右传入中国的，在我国的栽培历史悠久。随着科学的研究发展，逐渐发现菊芋成分独特，其营养价值、深加工价值、经济价值、食用价值、饲用价值、药用价值、生态价值均极为突出。消费市场对洋姜的需求量不断增多，但是我国多为零星种植，目前种植作业大部分是靠简单机械耕种挖掘和人力拾捡，所以分散性种植和较为落后的农业机械化发展制约了我国洋姜的大规模生产，导致不能满足市场的需要。
近几年来，土豆马铃薯等地下根茎的联合收获机械发展较为迅速，但是我国地下根茎的机械只要还是以功能单一、设计简单、动力匹配弱的类型为主。通过这些机械将地下根茎作物翻出地面，再由人工拾捡，此种方法生产效率过于低下，劳动强度大且收获速度慢。德国等欧洲农业发达国家机械研发水平较高，我国与之差距较大，因此，本说明书通过阅读大量市场不同收获机械的信息，设计研发了功能完善、收获作业质量稳定高效的洋姜联合收获机。
关键词：洋姜 联合收获机 整机虚拟装配 三维建模
Abstract
Artichoke is China around seventeenth Century introduction, in the cultivation of China's long history.With the development of scientific research, the composition of Jerusalem artichoke is unique, and its nutritional value, deep processing value, economic value, edible value, feeding value, medicinal value and ecological value are very prominent.The demand for ginger in the consumer market is increasing, but most of our country is sporadic, and most of the planting operations are excavated by simple mechanical farming and by manpower. Therefore, the development of scattered planting and backward agricultural mechanization restricts the large-scale production of China's ginger, which can not meet the needs of the market.
In recent years, the joint harvesting machinery of potato and potato and other underground rhizomes has developed rapidly. However, the mechanism of underground rhizome in China is mainly based on the single function, simple design and weak dynamic matching.Through these machines, the underground rhizome crops are turned out of the ground, and then picked up by manual. This method is inefficient, labor intensive and slow harvesting.Germany and other European agricultural developed countries have a high level of mechanical research and development, and the gap is large in our country. Therefore, this instruction has designed and developed a combined harvester with perfect function, stable and efficient harvest operation by reading a large number of different market information of harvested machinery.
Keywords:Jerusalem artichoke、combined harvester、Virtual assembly of the whole machine、3D modeling.
目录
摘 要 IV
Abstract V
第一章 绪论 1
1.1 洋姜的生产消费现状 1
1.1.1 洋姜的生产现状 1
1.1.2 洋姜的消费需求现状 1
1.2 洋姜机械化收获技术与机具 2
1.2.1 国外现状 2
1.2.2 国内现状 3
1.2.3 洋姜收获机械存在的问题 3
1.3 本课题研究的意义、内容及方法 4
1.3.1 研究意义 4
1.3.2 研究内容 6
1.3.3 研究方法 7
第二章 总体方案的确定 8
2.1 洋姜的农业生长特征和收获要求 8
2.2 设计原理 9
2.3 工作过程
2.4 起始参数的确定
第三章 挖掘装置的设计
3.1 挖掘装置的设计要求 10
3.2 挖掘铲的参数设计
3.3 挖掘铲后延的设计
第四章 分离装置的设计
4.1 分离装置的种类与选定
4.2 链杆式分离输送装置的设计
4.3 一级滚筒分离装置的设计 18
4.4 二级滚筒分离装置的设计
第五章 其它重要装置的设计
5.1 纵向运输装置的设计
5.2 横向输送装置的设计
5.3 机架的设计
5.4 镇压轮和承载轮的设计
第六章 关键零部件的静力学仿真分析
6.1 整机功率的确定
6.1.1 洋姜联合收获机的行走功率
6.1.2挖掘装置消耗功率的计算
6.1.3传送装置的功率计算
6.1.4传送带消耗功率的计算
6.1.5横向运送装置功率的计算
6.1.6纵向运送装置消耗功率的计算
6.1.7两级分离装置的参数和功率的计算
6.2 洋姜联合收获机的使用说明和注意事项 31
第五章 洋姜联合收获机的虚拟装配图 32
5.1 32
第六章 洋姜联合收获机主要系统的仿真分析
第七章 结论和展望
7.1结论
7.2创新点
7.3展望
结论 33
参考文献 34
致谢 35
第 1 章 绪论
1.1洋姜的生产消费现状
1.1.1洋姜的生产现状
洋姜耐寒抗旱，块茎在零下30℃的冻土层中可安全越冬。耐瘠薄，对土壤要求不严，除酸性土壤，沼泽和盐碱地带不宜种植外，一些不宜种植其他作物的土地，如废墟、宅边、路旁都可生长。洋姜具有抗逆性强、抗旱抗风沙性强、再生性极强和无病虫害，且产量可观又用途广泛。
至今数十年，我国的洋姜市场发展十分稳定，在2009年到2016年间，洋姜的总产值、总产能和总产量均以百分之十几的百分比持续稳定增长。洋姜的经济和生态效益已经引起了社会的重视，导致洋姜得到了更广泛的种植，所以我国洋姜的生产消费市场十分可观。
1.1.2 菊芋的消费需求现状
洋姜是高寒沙漠种生物量最大的植物，叶、茎、根块均是优质青饲料；洋姜又可作为解决沙化草原人工植被的选择之一；洋姜块茎耐储存，富含氨基酸、糖、维生素等；且洋姜是提取高纯度低聚果糖的最佳原料，果糖发酵后尚可制成酒精，被称为绿色石油，是很好的代用燃料，又是增加汽油燃烧质量的理想提高剂。
洋姜的多种作用被认可后，在近几年我国洋姜的消费和需求总量持续增加，如表2所示，在2009年洋姜的实际消费总量为80万吨，而到了2016年总实际消费量为187万吨，平均每年增长到百分之十二点九一，并且增长率也持续上升。并且2009年的需求量由82万吨增长到了2016年的198万吨，平均每年增长百分之十三点三九，由表可得，洋姜的实际需求量要远高于实际消费总量。
1.2洋姜机械化收获技术与收获机具
在洋姜生产中，收获环节的劳动强度和难度是最大的，用工量占生产总用工量的60%左右，所以要实现洋姜的规模化、机械化生产就得解决好收获机械的问题。洋姜的收获主要有如下几个步骤：挖掘、去土去根、拾捡、装运等。按照机械化程度的不同洋姜的收获可分为人工收获、半机械化收获和机械化联合收获三种。机械收获根据其工作原理的不同和功能的完善程度洋姜收割的方法又细分为分段收获法、分别收获法和联合收获法等三种。
薯类收获机具经历了最初的畜力挖掘犁到半机械挖掘机和机械化程度完善的联合收获机改进和发展。在我国地下块茎作物的收获主要是采用挖掘犁,其中拾捡环节由人工完成，这样就避免不了劳动强度大,生产效率低的诟病。分段收获机械由于成本低，加工制造工艺难度不高，在薯类作物收获中占有很大的比重，其作业工序为是先割除茎叶，然后挖掘、去土去根，铺放成条，最终由人工拾捡。分段收获机械由挖掘装置和分离装置等组成，分离装置按其工作原理的不同又分为摆动筛式、抛掷轮式、抖动链式及滚筒筛式四种。
1.2.1 国外现状
欧美农业较为发达的国家在二十世纪中期已经开始使用专业的薯类收获机，在二十世纪90年代基本上实现了地下根茎作物的机械化收获，并且原苏联在二十世纪60年代时地下根茎作物的收获机械保有量就达到了3万台，十年后就增长一倍达到了6万台，地下根茎作物的收获机械的种类也增加了十几种，而德国在1940年左右就开始了研发地下根茎作物的收获机械并不断改进，于90年代研发出了具有挖掘、分离和传动输送多功能的联合收获机械。
德国等欧洲国家在二十世纪初时对于地下根茎作物的收获还在使用人力和畜力的方式，随着时间和科学的发展逐渐以拖拉机为动力带动铁铲将地下作物挖掘出来，再由人工捡拾。在二十世纪九十年代后期已经在广泛使用投掷轮式和升运链式地下根茎作物收获机，到达二十一世纪初基本实现地下根茎作物收获的机械化，极大地提高了农民的生产积极性和劳动生产效率。但是国外机械一般是大型联合收获机械，该种机械较适用于大面积平整土地，不适用于我国目前零星种植的情况。
亚洲较为发达的国家，例如日本和韩国在二十世纪七十年代就开始了引进欧美等发达国家的先机农业机械设备，并且在该基础上改进研发出了适合本国国情的小型农业机械，并于八十年代广泛投入使用。
从国外的农业发展历程来看，地下根茎作物的收获机械经历了近一百年的缓慢发展，最终渐渐地形成了适用于不同农作物和不同地形特征的系列化产品，并且产品的机械化、多元化和智能化也在逐渐完善。近年来性能单一、工作效率低的机械逐渐淘汰，主要得意于联合收获机的快速发展，联合收获机占据了大部分的农业机械市场，再加上高精尖技术的采用以及各种各样先进传感设备和微机操控技术使农业收获更加方便快捷。
1.2.2 国内现状
我国在二十世纪七十年代之前对于地下根茎作物的收获都是采用人工挖掘或用畜力带动犁具挖掘再由人工捡拾的落后方法。我国曾经也引进过苏联等农业较为发达国家的地下根茎收获机械，并且对其进行仿制研究改进，例如KTH-2型马铃薯收获机，后来又设计出用于生产的升运链式马铃薯收获机，但是由于当时特殊的政治历史背景没有得到广泛的推广及使用，后来国产的四轮农用车的广泛使用，消费市场对地下根茎作物的需求明显增加，导致地下根茎作物的收获机械需求量也明显增加，与此同时在内蒙古地区投入生产了4U-1型马铃薯集条收获机效果很好，之后市场又渐渐地出现了多种类型的地下作物收获机械。
我国在二十世纪八十年代多次引进各国农业收获机械进行仿制研发，例如引进了日本自行研发的TP-2型、RM-R型集条收获机，法国的M112型集条收获机、超级-B型薯类集条收获机，并且成功的设计出了多种适用于不同作物和不同区域的联合收获机械。
在二十世纪九十年代我国非常重视发展现代化农业，发布了很多对农业有优惠的政策和增加了对农业种植的补贴，带动了研究者对农业机械创造生产的热情，国家相关的农业机械部门根据国内国外较为成功的地下根茎收获机械进行研究改进。具体的机械主要有意大利的大型机械SP100型双行集条收获机和俄罗斯的KJIK-2-01型马铃薯联合收获机，中型的收获机械包括黑龙江的4S00-1.2型和内蒙古的4U-1型收获机，小型的收获机械包括内蒙古的4U-12.5型和意大利的SP50型。在综合了国内外地下根茎作物收获机械的基础上，成功的研发出了各种型号的薯类收获机械，为我国地下根茎作物收获机械的研发打好了坚持的基础。
近几年来，因为我国农业种植大部分是零星种植，所以研制的地下收获机械主要是中小型的，部分大型的地下根茎作物收获机械只可以用于大面积平坦地域。我国目前比较成熟的大型地下根茎收获机械有黑龙江的4UL-2型薯类收获机和现代农庄的1605型带臂式联合收获机等，该两种收获机械均可以实现有效挖掘、去根去土、除秧筛杂、升运装车的所有工作程序，但是在收获过程中需要运输车辆的同步跟进，所以小面积区域工作困难程度较大，只适用于大面积种植区域的收获。
目前我国市场上现用的洋姜收获机械只能用于挖掘和去根分离，还需要人工拾捡，很大程度上增加了劳动的成本和劳动的强度，并且降低了生产效率，所以设计一个能够集各种功能于一体且性能稳定的洋姜联合收获机十分必要。
1.2.3 洋姜收获机械目前存在的问题
随着国家的逐渐强盛和农业的不断发展，致使国内的粮食问题基本解决，小面积种植粮食作物盈利较低且农业机械化水平较低，不能满足家庭的基本经济需要，所以导致农村大部分劳动力进入城市或者成立个人商业户，小面积种植洋姜等地下根茎农作物的农民越来越少，但是市场上洋姜的价格和其中环节的利润仍然很客观，
二十一世纪初，我国地下根茎作物收获机械的国情是普遍存在动力不匹配、功能单一的现象，并且我国的农业种植体制属于以家庭为单位的小面积作业，考虑到生产成本和地头作业的复杂性，致使大中型的地下根茎作物收获机械不能广泛推广。近年来，我国出台很多惠农政策，在购买大型农业机械方面的补贴力度也是很大，一部分地区开始了土地的重新规划和补偿制度，有效的解决了个体农业户土地不集中的问题，并且方便了农田的高效管理也为大型机械化成产收获铺平了道路。
近些年在我国农业不发达地区，对于洋姜的收获过程基本还是由机械割秧，拖拉机带动铁铲将洋姜耕出，人工捡拾组成。人工捡拾主要是由农村妇女和老人组成，在捡拾过程中避免不了遗漏大量洋姜和损坏洋姜，从而导致生产效率降低又增加劳动成本和劳动强度，这样就对农业规模生产造成阻碍。
洋姜的规模化产业化发展是以机械化收获为前提的，想要发展洋姜产业，一定要先实现洋姜种植及收获机械化，而洋姜的种植及收获机械化必须要以优良的收获机械为基础，我国机械化进程逐渐加快，农村的劳动力大量进入城市，形成了劳动力不足和劳动成本过高的现象，所以目前急需洋姜机械化作业代替人工。
1.3本课题研究的意义、内容及方法
1.3.1 研究意义
洋姜又叫菊芋，原产地是北美洲，在十七世纪时由商人带到中国，现已有几百年的种植历史，但是由于我国不属于农业发达国家，种植业不能大面积区域化。洋姜整体的用途十分广泛，洋姜地上的茎叶可以做牛羊食用的粗饲料，而地下块茎则可以制作咸菜和煮食，嫩叶可以用来制作罐头，且又是工业生产的宝贵原材料。洋姜的作用也十分广泛，块茎和茎叶有利于除湿、益胃和中的药用价值，洋姜因为抗旱抗高温、生命力强、保持水土和抗风沙性强，可以用来绿化沙漠和改善土壤特性。在绿化沙漠时，洋姜种植三年后，可以每隔一年摘取块茎的百分之五十作为收益，不会影响洋姜植被的生长，又由于洋姜高产稳产，适应性强，营养成分丰富和整体产业链较长而深受全世界的高度重视，且有“二十一世纪人畜共用作物”之称。
1）药用价值
洋姜的块茎富含蛋白质、碳水化合物和维生素C，在块茎中百分之七十八的碳水化合物为果糖低聚物。在一公斤的洋姜块茎中含钙元素490毫克、磷元素1190毫克和铁元素85毫克，在地下根茎类蔬菜中位列第一。并且洋姜中还含有丰富的维生素B、C、E，葡萄糖，多缩戊糖，菊粉，镁、钾微量元素和多种氨基酸。其中的菊粉可以用作生产低聚果糖和超高聚果糖，超高聚果糖比较适合糖尿病人食用也具有保肝护胆的作用，低聚果糖则可以改善人体的肠道功能和提高免疫力。
2）能源价值
目前在全球上涨的燃油价格和能源危机的背景下，生物柴油技术引人注目，因为洋姜中富含多种多聚果糖，而经提取后的多聚果糖经过复杂的化学过程可以转化为果寡糖，果寡糖中的高聚果糖加入大肠杆菌后经过模拟细胞工厂的作用，既可以转化为生物柴油了。我国中科院于2007年在这项技术上有了突破，课题组的专家们已经在寻求更为经济、便捷、简单的转化过程和方法，进而最大限度的降低成本实现商品化，让人类解决能源危机的威胁。
3）社会效益
洋姜的组成成分丰富，可以作粮食可以充当蔬菜，又是食品加工和工业生产的原材料，还是优质的饲料，再加上抗性强、保持水土等特征，洋姜的种植适用于高寒贫困地区解决贫困问题和发达地区实现致富。
随着世界经济和技术的快速发展，我国农业机械的研发也面临着新的挑战，怎样可以实时的掌握国内外农作物的成产收获机械的发展情况，对提高我国农业机械化非常重要，我国目前的趋势是要结合国情，加快农业机械化的进展，做到真正的解放劳动力。同时我国新型职业农民的培养、农业产业链结构的改革和机械化配套设施的完善对提高洋姜等农作物的高效种植有着重要意义。
1.3.2 研究内容
（1）考察各种地下根茎收获机械的设计形式，再结合洋姜种植收获的实际情况，对洋姜的挖掘、除根去土、分离、升运等关键部位进行理论设计。
（2）观察多种洋姜收获机械收获洋姜的效率，如漏出率、损坏率等，检查出到哪些部位导致效率低下，并主要加以改进该设计结构。
（3）参阅图书馆相关资料及网络相关视频，设计出适应性强，性能可靠，价格相对便宜的联合收获机械。
1.3.4 研究方法
主要技术路线如下：
查阅国内外地下块茎收获机械的文献资料，调研考察现有机型，提出设计方案，局部结构设计计算，绘制图样结构，撰写论文。
需要解决的问题：
（1）设计合理的挖掘铲参数，优化洋姜收获时掘进阻力大的问题。
（2）对除根去土装置进行重新设计，提高明姜率，降低破损率的同时，使得姜土分离彻底。
（3）整体优化结构设计，避免结构复杂化和操作维修困难化。
