小型家用山药挖掘装置的设计与研究

周中升，郝欣妮，朱亚东

（扬州市职业大学，江苏 扬州 225009）

山药的药用价值及食用价值已在医学和日常饮食中得到了充分的体现，具有健脾益胃、恢复体力、降血糖等作用。但是山药在收获时仅靠人工挖掘效率较低。机器挖掘成品率不能保证，甚至会造成减产，导致农民不愿意大面积种植。为此，加大对山药挖掘装置的机械化研究投入，提高山药挖掘完整度的研发变得很有必要[1-3]。

目前，由于山药根茎较长，对土壤环境有一定的要求，导致市面上常见的一些山药挖掘装置不能很好地匹配地形，挖掘效率不高，常出现挖坑深度较浅、山药损坏严重等问题。因此，研制一种能够提高挖掘成功率、适合于山药地理环境、挖掘深度可调的小型挖掘装置势在必行[4-6]。本次研究设计的小型家用山药挖掘装置体积小，保证质量，价格低廉，适合于家用挖掘且挖掘效率高。

提高山药挖掘效率与减少山药挖掘导致的断裂问题是研发现有山药挖掘装置的首要目标。本山药挖掘装置采用双侧螺旋钻杆开沟，具有提高劳动效率、减少人工挖掘、降低劳动成本的特点。动力源则采用家用拖拉机作为牵引动力，动力源与挖掘装置之间通过转轴连接，在螺旋钻杆的作用下向下挖掘，并将传送出的土壤通过简易的震动装置打散，将泥土向上输送。通过横轴的送土器将土壤输送至山药的两侧，输送的过程中产生震动，使得山药上仅留有少量土壤，方便拾取山药。

挖掘装置的整体结构见图1，工作时，拖拉机提供动力源，皮带轮与送土器连接，送土器与螺旋钻杆之间主要由齿轮啮合构成，将螺旋钻杆挖出的土壤经由送土器送出，为保证土壤挖出后不再进入沟渠，通过架子与连接盖板将土壤推至机器两侧。拖拉机尾部旋转轴带动花键轴，由差速箱将通过传动轴经齿轮啮合传送至螺旋钻杆，完成土壤的开沟挖掘。

图1 山药挖掘装置的整体结构设计

整体的设计主要从3 个方面进行设计：首先是动力源部分，在实际使用中，机器需要跟随挖掘位置随时移动，从成本考虑，选用农用拖拉机将会大大降低研究成本。其次，山药挖掘需将山药两侧的土壤清除，由齿轮啮合带动螺旋钻进行沟渠的开挖，作用机理与犁田翻土机类似，效率较高。最后，送土装置设计，将挖出的土壤通过横向螺旋钻杆送出至螺杆的两侧，提高了工人捡拾的效率。

2.1 主要零部件的设计

送土器的结构见图2，材料选用Q235 钢，送土器经齿轮传动后最终转速设置为400 r/min。该设计主要是将挖掘出的土壤快速输送至山药两侧，因此齿与齿之间宽度设置较宽，约为150 mm，增大了送土面积，提高了送土效率。同时该装置顶部还设有盖板装置，可以将送出的土壤压平打散，减少二次人工挖掘时间。

图2 送土器结构图

螺旋钻杆的结构设计如图3 所示，同样选择Q235 钢，考虑山药挖掘深度一般在1 000 mm 左右，故设计时将钻杆总长设计在1 500 mm，挖掘宽度设置为400 mm，转速设定在200 r/min。为了提高挖掘效率，将螺旋钻杆齿与齿之间的宽度设置为100 mm，增加与土壤的接触面积，加快了作业效率。

图3 螺旋钻杆结构图

2.2 传动机构的设计

由于动力来源于拖拉机，因此在挖掘部分选择通过齿轮啮合来增加动力及改变动力传输方向，使挖掘装置有足够的动力来完成挖掘工作，此外挖出土壤的输送则通过皮带轮实现，两部分综合考虑下，对螺杆及相对应的齿轮大小进行设计计算，最终确定相关参数。

常用拖拉机额定功率为18 kW，对应的输入轴的旋转速度设置为2 000 r/min。工作时，山药挖掘装置的轴端将拖拉机的动力传输至齿轮，再由齿轮传送给轴带动螺旋钻杆进行挖掘，最后由皮带轮带动送土器将挖出的土壤排出。下面以齿轮传动设计为例，说明齿轮传动装置设计的理论依据。

图4 齿轮传动装置图

根据齿轮传动动力装置结构图，首先选择齿轮材料，本次设计中，小齿轮材料选用40 铬，硬度值选为260 HBS，大齿轮材料选用45 铬，硬度值选为240 HBS。

根据机械设计手册查取齿宽系数ψd=0.4，进而知齿轮的接触疲劳极限应力σHlim分别为:

由于许用接触应力最大值为齿轮的接触疲劳极限应力乘以0.9，故得许用接触应力最大值为：

查机械设计手册中齿面强度计算部分，取常系数Ad为756，则小齿轮分度圆直径d1计算公式：

求得分度圆直径d1≥104.5 mm，考虑齿轮啮合强度，我们取d1为200 mm。其中，功率输出扭矩T为405 N·m，齿宽系数ψd查表取0.4，齿数比(μ+1)/μ取值约等于1。

本次设计取齿数z1为40，传动比i2=2 时，得：

模数m1∶d1取值200，齿数z1取值40，可得：

齿间载荷分配系数KHa、齿向载荷分配系数KFa由公式4 计算得：

式中，由公式14 计算得端面重合度εa值为1.7，齿轮螺旋角β 为10°。

齿面强度接触系数KHβ计算方法如下：

式中，A、B、C、b系数分别取值1.7、0.16、0.61、2，求得KHβ=1.46。

齿轮强度载荷系数计算如下：

其中，使用系数KA、动载系数Kν通过机械手册查得，分别为1.7、1.2。

重合程度Zε计算如下：

式中，根据机械设计手册查取可知εβ=1.25＞1，εβ=1，前述可知εa取值为1.7，代入公式可得Zε=0.77。

大小齿轮的应力循环次数NL1、NL2计算如下：

式中，th为总工作时间，预计寿命为18 000 h，j为电机单向转动值为1，n1为齿轮旋转速度，值为2 000 r/min。

齿轮接触应力σH计算如下：

式中，弹性ZE由机械设计手册取值为189.8，节点ZH由机械设计手册查取值为2.46，工作齿宽b为2 mm，齿数比μ 为2，计算得σH=478.1 MPa。

根据上述计算结果，可知所得数据均达到预期的要求，设计合理。如出现不符合运动标准情况时，应当对零件的各类指标进行细节调整直至其达到使用要求，并要在假设之后，进行二次计算以确保该零件可以符合预定工作要求。

此外，传动尺寸的计算如下，

由m1=5，z1=40，z2=80，可知

齿轮中心距a为：

对齿轮结构进行验算，可知：

齿廓系数YFa、应力修正系数YSa可根据当量齿数Zν查得，Zν的计算公式如下：

根据机械设计手册查取齿廓系数YFa1=2.63，YFa2=2.28 应力修正系数YSa1=1.58，YSa2=1.75。

重合度系数Yε计算如下：

确定螺旋角参数Yβ：

式中，εβ为轴向重合度，故：

齿根应力极限系数σFlim计算：

根据查取齿根应力的极限图可得最大齿根应力极限系数值：

由于设计中所需的齿轮啮合转动为双向同时转动，故此计算数据应当在原基础上乘以0.85。

安全系数SFmin：根据机械设计手册查取可知：

寿命系数YN：根据公式

得，YN1=0.9，YN2=0.95。

尺寸系数YX查表可知：

齿根应力的极限承受力[σF]计算：

结果约为357 MPa。

结果约为290 MPa。

根据公式，计算齿根应力σF如下：

两齿轮间的齿根应力均远小于齿根应力的极限承受力[σF]。

经计算，此次设计可满足拖拉机额定功率下正常工作，当拖拉机转速在2 000 r/min 时，山药挖掘装置的开挖深度可以达到1 000 mm 左右，挖沟的宽度为400 mm，运行速度约为400~500 m/h，通过计算知在螺旋钻杆挖掘时预计速度约为300 r/min，小型家用山药挖掘装置运行处于正常工作状态，山药挖掘的效率与成品率都有了一定的提高。

本文设计了一种小型家用山药挖掘装置，该装置具有结构简单、操作方便、成本较小的特点。由于采用双排挖掘的结构，能够在提高效率的同时极大程度上保证了山药的完整性，在收获效率以及人工二次开采上都有着明显提高。该装置安装结构仅留有动力连接轴与送土器部分的传送带环节，使设备能够快速完成安装并投入使用，可以在不同的地理环境下生产，有利于机械的推广。

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