徐　靜，許　燕

(1. 武漢東湖學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北武漢430212；2. 東風(fēng)汽車(chē)公司技術(shù)中心，湖北武漢430100)

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基于模塊化方法的小型水稻聯(lián)合收割機(jī)設(shè)計(jì)

徐靜1，許燕2

(1. 武漢東湖學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北武漢430212；2. 東風(fēng)汽車(chē)公司技術(shù)中心，湖北武漢430100)

摘要：功能少、價(jià)格高及功能單一是制約水稻聯(lián)合收割機(jī)發(fā)展的重要因素。將模塊化方法引入小型水稻聯(lián)合收割機(jī)的設(shè)計(jì)中，在保持同一基礎(chǔ)模塊的前提下，對(duì)其進(jìn)行功能劃分及模塊通用化設(shè)計(jì)，最終組合出了相同功能、不同性能或功能不同的多樣化產(chǎn)品。模塊化方法的運(yùn)用對(duì)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品批量小、價(jià)格貴等問(wèn)題的解決提供了一條“一機(jī)多用”降低成本的新思路，對(duì)小型聯(lián)合收割機(jī)的推廣具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞:模塊化方法小型水稻聯(lián)合收割機(jī)功能劃分模塊通用化設(shè)計(jì)

0引言

目前, 國(guó)內(nèi)的收割機(jī)大多具有體型大、批量小、價(jià)格昂貴且只適用于平原大區(qū)域地形的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)與農(nóng)民迫切希望的小巧輕便、價(jià)格便宜、使用靈活且適用于小面積田塊、地形復(fù)雜的要求相矛盾，這也成為聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)一步普及到家用的發(fā)展瓶頸[1]。

小型聯(lián)合收割機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)適當(dāng)加減模塊，便可組成小麥聯(lián)合收割機(jī)、割曬機(jī)、土地耕整機(jī)等不同用處的機(jī)型。其新的設(shè)計(jì)思想解決了農(nóng)機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、成本高、品種多批量小、維修更換麻煩等一系列問(wèn)題[2]。對(duì)設(shè)計(jì)部門(mén)，可用較少的時(shí)間和代價(jià)開(kāi)發(fā)系列產(chǎn)品，大大降低了成本；對(duì)農(nóng)戶(hù)，小巧靈活,使其適用于小面積、大丘陵甚至山地等復(fù)雜地形，另外，一機(jī)多用，也避免了重復(fù)購(gòu)置不同機(jī)器帶來(lái)的負(fù)擔(dān)；對(duì)售后，在農(nóng)忙季節(jié)機(jī)器出故障，更換功能模塊快速恢復(fù)生產(chǎn)，提高工作效率[3]。因此，開(kāi)展模塊化的小型水稻聯(lián)合收割機(jī)的設(shè)計(jì)研究，具有理論與實(shí)際意義。

1小型聯(lián)合收割機(jī)的工作原理

圖1　聯(lián)合收割機(jī)的構(gòu)成部分

本次設(shè)計(jì)的小型水稻聯(lián)合收割機(jī)主要是由動(dòng)力部分、機(jī)架部分、傳動(dòng)部分、執(zhí)行部分四大部分構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。 聯(lián)合收割機(jī)在進(jìn)行收獲作業(yè)時(shí)，隨著機(jī)器的不斷前進(jìn)，谷物開(kāi)始進(jìn)入割臺(tái)，扶禾器首先深入作物中，將作物梳整扶直推向割臺(tái)，由切割裝置進(jìn)行切割之后，通過(guò)割臺(tái)輸送鏈傳遞給中間輸送裝置夾持鏈，夾持鏈在輸送過(guò)程中僅將穗頭部分喂入滾筒進(jìn)行脫粒。作物在沿滾筒軸向移動(dòng)的過(guò)程中，穗頭不斷受到滾筒弓齒的梳刷和沖擊，籽粒被脫下。脫下的籽粒經(jīng)凹板篩孔落入清選裝置，由底部的攪龍配合清選。清潔的谷粒經(jīng)螺旋輸送器送入裝袋；斷莖稈和雜物等則由排雜口排出機(jī)外；脫粒后的莖稈始終由夾持鏈夾持并從滾筒的出口處排出，這便是聯(lián)合收割的整個(gè)流程。其傳動(dòng)路線如圖2所示。

圖2　傳動(dòng)路線展開(kāi)示意圖

通過(guò)對(duì)收割機(jī)原理的分析可知，其結(jié)構(gòu)缺陷為組成部件多，傳動(dòng)路徑長(zhǎng)且應(yīng)用單一導(dǎo)致其效率較低。而模塊化是通過(guò)對(duì)產(chǎn)品功能模塊的設(shè)計(jì)與組合，達(dá)到結(jié)構(gòu)緊湊、操作更靈活、提高效率的目的；通過(guò)提高產(chǎn)品的通用性與互換性，起到滿足產(chǎn)品多樣化的同時(shí)降低生產(chǎn)成本。因此，模塊化使小型收割機(jī)在滿足不同用戶(hù)需求的同時(shí)，降低了企業(yè)的設(shè)計(jì)成本和生產(chǎn)成本。

2小型聯(lián)合收割機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)是指，對(duì)一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能、不同性能的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)顧客的需求，劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊的產(chǎn)品，以滿足市場(chǎng)的不同需求。通過(guò)相似性原理在產(chǎn)品功能上的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了零件結(jié)構(gòu)的通用化與多樣化的有機(jī)結(jié)合及多品種、小批量與效率的有效統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化方法。其不會(huì)改變收割機(jī)的總體動(dòng)力參數(shù)，僅通過(guò)替換或增減一些模塊來(lái)對(duì)局部的功能模塊進(jìn)行調(diào)整，從而形成不同的模塊組合。收割機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是模塊劃分、模塊通用化設(shè)計(jì)兩部分。

2.1小型收割機(jī)的模塊劃分

由上述的收割原理可以看出，聯(lián)合收割機(jī)的工作部件按照所屬的功能不同，大致可以分為：操縱模塊、執(zhí)行模塊、動(dòng)力模塊、傳動(dòng)模塊以及行走模塊。其中，收割機(jī)的操縱、動(dòng)力、傳動(dòng)和行走裝置是作為基本功能模塊，屬于共用部分；連接每個(gè)獨(dú)立模塊的接口部分是輔助功能模塊；執(zhí)行部分是機(jī)器的特殊功能，是單獨(dú)設(shè)計(jì)的模塊[4]。因此，本次設(shè)計(jì)以執(zhí)行模塊為重點(diǎn)展開(kāi)。收割機(jī)在工作時(shí)的主體是執(zhí)行部分，這一部分按照相應(yīng)的功能部件又可劃分為五個(gè)小模塊，分別是：扶禾模塊、切割模塊、夾持輸送模塊、脫粒模塊及清選模塊[5]。如圖3所示。

圖3　功能模塊的分類(lèi)

圖3中各個(gè)功能模塊又各有不同的類(lèi)型與之對(duì)應(yīng)，每種類(lèi)型也可設(shè)計(jì)為不一樣的模塊，把這些類(lèi)型相異的模塊互換重組，可以豐富用戶(hù)的選型范疇[6]。各種功能模塊的對(duì)應(yīng)類(lèi)型如圖4所示。

圖4　功能模塊從屬分類(lèi)圖

2.2模塊通用化設(shè)計(jì)

模塊通用化是指在不改變收割機(jī)的基本功能模塊的基礎(chǔ)上，對(duì)同一系列、同一規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行通用化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而使產(chǎn)品能實(shí)現(xiàn)不同的模塊的調(diào)整或組合。收割機(jī)模塊的通用化設(shè)計(jì)目的是實(shí)現(xiàn)：相同功能模塊之間的替換形成性能不同的產(chǎn)品及通過(guò)增減一些局部的功能模塊組合為功能不同的小型農(nóng)機(jī)兩種產(chǎn)品形式[7]。

2.2.1相同功能模塊的設(shè)計(jì)

通過(guò)收割機(jī)的模塊劃分及功能分析，我們可將收割機(jī)的多個(gè)功能模塊劃分出多種性能模塊，以滿足不同工作環(huán)境下的使用[8]。這里以脫粒滾筒的模塊化設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說(shuō)明。

脫粒滾筒是脫粒裝置的主要工作部件，當(dāng)收割機(jī)需要采用半喂入軸流型脫粒時(shí)，弓齒式滾筒具有喂入效率高和脫粒干凈成為最佳選擇；當(dāng)收割機(jī)需要采用全喂入軸流型脫粒時(shí)釘齒式滾筒對(duì)谷物的揉搓作用小，從而降低了谷粒破碎率成為更好選擇。為了方便裝配與應(yīng)用，應(yīng)使可互換的滾筒具有相同的模塊接口[9]。根據(jù)滾筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用間接式接口，即各功能模塊需借助接口模塊才能連接起來(lái)，如圖5所示。

圖5　間接式接口

本次采用的接口模塊為通用軸總成，接口為軸上鎖止銷(xiāo)。同時(shí)，為了滿足互換性，滾筒模塊在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下兩點(diǎn)：

兩滾筒的長(zhǎng)度應(yīng)相同；

釘齒式滾筒的左右兩幅盤(pán)的內(nèi)徑應(yīng)與軸的孔徑相匹配。

兩滾筒之間的轉(zhuǎn)換與接口處設(shè)計(jì)如圖6-8所示。

圖8　滾筒接口示意圖

2.2.2增減組合模塊的設(shè)計(jì)

將跨系列模塊化設(shè)計(jì)的方法運(yùn)用到所設(shè)計(jì)的聯(lián)合收割機(jī)的基型之中，通過(guò)適當(dāng)?shù)脑鰷p模塊及模塊間的組合，可使其形成不同功能的小型農(nóng)機(jī)。表1為幾種典型的模塊組合形式。

表1

幾種典型的模塊組合形式

注：基礎(chǔ)模塊包括動(dòng)力模塊、操縱模塊和傳動(dòng)模塊等

圖9　聯(lián)合收割機(jī)　　　　　圖10　割曬機(jī)示意圖

圖11　脫粒機(jī)示意圖　　　　圖12　微耕機(jī)示意圖

3結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐表明，在對(duì)聯(lián)合收割機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中采用模塊化的設(shè)計(jì)方法對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可達(dá)到最理想的設(shè)計(jì)效果。通過(guò)對(duì)模塊的變更及適當(dāng)?shù)脑鰷p組合，形成了具有相同功能不同性能的聯(lián)合收割機(jī)，或功能不同的小型農(nóng)機(jī)。這種方法不僅解決了農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，且成本較高的問(wèn)題，還為農(nóng)戶(hù)提供了一機(jī)多用的方法，減輕了經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。

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Modular design of a small combine harvester for rice

XU Jing, XU Yan

Abstract:Considering the factors restricting the development of the combine harvester for rice, such as high price and single function, we adopted the modularity method to design a small combine harvester for rice. Through functional division and design of universal modules, we developed one basic module and other diversified modules with different performance or functions. The modularity method provided a new way to solve the problems of small lot production and high price, that is, to reduce production costs by producing multipurpose harvesters. This study could serve as guidance on the popularization of small combine harvesters.

Keywords:modularity method; small combine harvester for rice; functional division; universal module design

收稿日期：2015-10-12

作者簡(jiǎn)介：徐靜(1988-)，女，河南信陽(yáng)人，助教，從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論方面教學(xué)工作。

中圖分類(lèi)號(hào)：S225.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-6886(2016)02-0033-04