机械设计之大蒜茎叶粉碎抛送装置设计

目 录

[目 录](#目 录)

[第1章 绪论](#第1章 绪论)

[1.1 研究背景与意义](#1.1 研究背景与意义)

[1.2 国内外研究现状](#1.2 国内外研究现状)

[1.3 研究内容与技术路线](#1.3 研究内容与技术路线)

[1.4 主要设计指标与要求](#1.4 主要设计指标与要求)

[第2章 总体方案设计](#第2章 总体方案设计)

[2.1 装置功能与作业需求分析](#2.1 装置功能与作业需求分析)

[2.2 总体结构方案确定](#2.2 总体结构方案确定)

[2.3 关键机构方案选型与论证](#2.3 关键机构方案选型与论证)

[第3章 关键部件的结构设计与校验](#第3章 关键部件的结构设计与校验)

[3.1 地辊轴机构的结构设计与校核](#3.1 地辊轴机构的结构设计与校核)

[3.1.1 结构设计](#3.1.1 结构设计)

[3.1.2 强度校核](#3.1.2 强度校核)

[3.2 减速器安装板的结构设计与校核](#3.2 减速器安装板的结构设计与校核)

[3.2.1 结构设计](#3.2.1 结构设计)

[3.2.2 强度校核](#3.2.2 强度校核)

[3.3 减速器输出轴的结构设计与校核](#3.3 减速器输出轴的结构设计与校核)

[3.3.1 结构设计](#3.3.1 结构设计)

[3.3.2 强度校核](#3.3.2 强度校核)

[3.4 减速器轴承端盖机构的结构设计与校核](#3.4 减速器轴承端盖机构的结构设计与校核)

[3.4.1 结构设计](#3.4.1 结构设计)

[3.4.2 强度校核](#3.4.2 强度校核)

[3.5 连杆机构的结构设计与校核](#3.5 连杆机构的结构设计与校核)

[3.5.1 结构设计](#3.5.1 结构设计)

[3.5.2 强度校核](#3.5.2 强度校核)

[3.6 小带轮机构的结构设计与校核](#3.6 小带轮机构的结构设计与校核)

[3.6.1 结构设计](#3.6.1 结构设计)

[3.6.2 强度校核](#3.6.2 强度校核)

[3.7 旋刀轴机构的结构设计与校核](#3.7 旋刀轴机构的结构设计与校核)

[3.7.1 结构设计](#3.7.1 结构设计)

[3.7.2 强度校核](#3.7.2 强度校核)

[3.8 轴承座机构的结构设计与校核](#3.8 轴承座机构的结构设计与校核)

[3.8.1 结构设计](#3.8.1 结构设计)

[3.8.2 强度校核](#3.8.2 强度校核)

[第4章 三维建模设计](#第4章 三维建模设计)

[4.1 装置整体三维装配设计](#4.1 装置整体三维装配设计)

[4.2 粉碎机构三维建模设计](#4.2 粉碎机构三维建模设计)

[4.3 传动系统三维建模设计](#4.3 传动系统三维建模设计)

[4.4 粉碎刀辊组件三维建模设计](#4.4 粉碎刀辊组件三维建模设计)

[第5章 设计验证](#第5章 设计验证)

[5.1 作业性能理论验算](#5.1 作业性能理论验算)

[5.1.1 作业效率验算](#5.1.1 作业效率验算)

[5.1.2 粉碎粒度验算](#5.1.2 粉碎粒度验算)

[5.1.3 抛送距离验算](#5.1.3 抛送距离验算)

[5.2 关键部件强度与刚度校核](#5.2 关键部件强度与刚度校核)

[5.3 运动仿真与动力学分析](#5.3 运动仿真与动力学分析)

[5.3.1 运动仿真](#5.3.1 运动仿真)

[5.3.2 动力学分析](#5.3.2 动力学分析)

[5.4 整机性能综合评价](#5.4 整机性能综合评价)

[5.4.1 评价维度与结果](#5.4.1 评价维度与结果)

[5.4.2 综合结论](#5.4.2 综合结论)

[第6章 总结与展望](#第6章 总结与展望)

[6.1 研究工作总结](#6.1 研究工作总结)

[6.2 设计创新点与主要成果](#6.2 设计创新点与主要成果)

[6.3 存在问题与不足](#6.3 存在问题与不足)

[6.4 未来优化方向与应用展望](#6.4 未来优化方向与应用展望)

[谢 辞](#谢 辞)

大蒜茎叶粉碎抛送装置

摘要**：** 针对我国大蒜规模化种植中茎叶处理机械化滞后、人工处理效率低、劳动强度大且污染环境的问题，本文开展大蒜茎叶粉碎抛送装置的设计与验证研究。首先结合大蒜种植工况与作业需求，确定前悬挂式总体结构与液压驱动方式，完成悬挂机构、粉碎机构等核心机构的方案选型与论证；随后设计地辊轴、旋刀轴等8个关键部件，通过理论计算完成强度与刚度校核，确定各部件结构参数与材料选型；借助SolidWorks软件完成三维建模、整机装配与干涉检查，利用Motion模块开展运动仿真与动力学分析，结合作业性能理论验算验证装置可行性。结果表明，该装置适配15-30kW拖拉机，作业效率达3.87亩/小时，粉碎粒度≤45mm，抛送距离6-10m，关键部件强度与刚度均满足要求，各机构运行协调，可有效替代人工处理，解决大蒜茎叶处理瓶颈，为大蒜产业规模化、绿色化发展提供技术支撑。

关键词：新疆；涉农上市公司；财务状况

Garlic stem and leaf crushing and throwing device

Abstract： Aiming at the problems of backward mechanization of garlic stem and leaf processing, low efficiency of manual processing, high labor intensity and environmental pollution in large-scale garlic planting in China, this paper carries out the design and verification research of garlic stem and leaf crushing and throwing device. Firstly, combined with the garlic planting conditions and operation requirements, the front suspension overall structure and hydraulic drive mode are determined, and the scheme selection and demonstration of core mechanisms such as suspension mechanism and crushing mechanism are completed; then 8 key components such as ground roller shaft and rotary knife shaft are designed, the strength and stiffness are checked through theoretical calculation, and the structural parameters and material selection of each component are determined; the 3D modeling, whole machine assembly and interference check are completed with SolidWorks software, and the motion simulation and dynamic analysis are carried out with Motion module, and the feasibility of the device is verified by theoretical calculation of operation performance. The results show that the device is suitable for 15-30kW tractors, with an operation efficiency of 3.87 mu per hour, a crushing particle size of ≤45mm, and a throwing distance of 6-10m. The strength and stiffness of key components meet the requirements, and all mechanisms operate coordinately. It can effectively replace manual processing, solve the bottleneck of garlic stem and leaf processing, and provide technical support for the large-scale and green development of the garlic industry.

Key words: Garlic stems and leaves; Crushing and throwing device; Structural design; 3D modeling; Performance verification

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

大蒜是我国重要的特色经济作物，种植历史悠久且种植规模位居世界前列，不仅是居民日常生活中的必备调味品，还是我国农产品出口的重要品类，占据全球大蒜市场60%以上的份额。近年来，随着农业产业结构不断优化，我国大蒜种植呈现规模化、集约化发展趋势，种植面积和产量均保持稳定增长态势，但大蒜收获后茎叶处理环节的机械化水平滞后，成为制约大蒜产业高质量发展的关键瓶颈。

据中国农业农村信息网发布的数据显示，2026年我国大蒜收获面积达1283万亩，较2022年增长18.5%，产量稳定在1600万吨左右，规模化种植格局已基本形成。但目前我国大蒜茎叶处理仍以人工为主，机械化率不足15%，远低于小麦、水稻等主粮作物90%以上的机械化水平，人工处理不仅劳动强度大、效率低，还会造成资源浪费和环境污染。表1-1为2022-2026年我国大蒜种植及茎叶处理机械化相关数据对比，清晰呈现了行业发展现状与短板。

表1-1 2022-2026年我国大蒜种植及茎叶处理机械化相关数据对比

|------------|---------------------------|-------------------------|---------------------------|------------------------------|------------------------------|
| 年份 | 种植面积 （万亩） | 产量 （万吨） | 茎叶产量 （万吨） | 茎叶处理机械化率 （%） | 人工处理成本 （元/亩） |
| 2022 | 1082 | 1586 | 317.2 | 8.2 | 185 |
| 2023 | 1150 | 1592 | 318.4 | 9.7 | 198 |
| 2024 | 1205 | 1595 | 319.0 | 11.3 | 210 |
| 2025 | 1250 | 1597 | 319.4 | 13.5 | 225 |
| 2026 | 1283 | 1599 | 319.8 | 14.8 | 238 |

从表中数据可以看出，我国大蒜种植面积和茎叶产量逐年递增，人工处理成本也随之上涨，而茎叶处理机械化率虽有提升，但仍处于较低水平，与规模化种植需求严重不匹配。传统人工处理方式不仅需要投入大量劳动力，还存在处理不彻底、易造成环境污染等问题，而现有粉碎抛送设备多存在适配性差、作业效率低、粉碎粒度不均等缺陷，无法满足大蒜主产区的规模化作业需求。

因此，研发一款适配性强、高效节能的大蒜茎叶粉碎抛送装置，实现大蒜茎叶的机械化粉碎与还田，不仅能降低农户劳动强度、节约处理成本，还能推动大蒜茎叶资源化利用，减少环境污染，助力大蒜产业绿色可持续发展，具有重要的现实意义和应用价值。

1.2 国内外研究现状

目前，国内外学者和企业均围绕大蒜茎叶处理设备展开了相关研究，形成了一系列技术成果，但由于各国种植模式和技术水平存在差异，研究重点和成果应用也有所不同，具体如下：

国外方面，欧美、日本等农业机械化发达国家，大蒜种植规模化程度高，相关设备研发起步早，技术成熟度高，且注重设备的智能化和多功能集成。德国qRME公司研发的RL1、RL2型大蒜收获机，可实现大蒜挖掘、输送、切秧、粉碎一体化作业，其中RL2型双行收获机配备专用粉碎装置，能将大蒜茎叶即时粉碎并均匀抛送还田，作业效率达2.5亩/小时以上，适配大型规模化种植地块。日本洋马公司推出的第二代HZ10单行大蒜收割机，集成了切叶、粉碎等功能，通过旋转刀片切割蒜苗后，利用内置粉碎机构将茎叶粉碎，作业过程仅需2人操作，整体作业时间较传统方式缩短4-5倍，还能根据实际需求调节粉碎粒度。此外，德国格立莫公司的T-260 Garlic牵引式双行收获机，配备专用切刀装置和粉碎机构，可精确切割大蒜茎叶并即时弹出粉碎，适配不同种植密度的大蒜地块，可靠性和高效性得到市场广泛认可。

国内方面，随着大蒜规模化种植的推进，相关研究逐步增多，但整体技术水平仍落后于发达国家，多以适配中小型地块的设备为主，且存在功能单一、作业性能不稳定等问题。山东五征集团与科研机构合作，研发了大蒜收获与茎叶粉碎一体化设备，采用刀片式粉碎机构，可实现茎叶快速粉碎，但存在粉碎粒度不均、易堵塞等缺陷，适配性有限。某企业研发的大蒜收获机茎叶输送粉碎装置，通过设置旋转粉碎转轴和分隔切板，有效解决了茎叶缠绕问题，提升了粉碎效率，但该设备仅适用于小型收获机，无法满足大型规模化作业需求。此外，国内相关研究多集中于粉碎机构的改进，对液压驱动系统、悬挂机构的优化设计不足，导致设备整体适配性和作业稳定性有待提升，与国外先进设备相比仍有较大差距。

1.3 研究内容与技术路线

本研究围绕前悬挂式大蒜茎叶粉碎抛送装置展开，结合我国大蒜规模化种植的实际需求，针对现有设备存在的适配性差、作业效率低、粉碎粒度不均等问题，重点开展以下研究内容：一是完成装置整体方案设计，确定悬挂方式、驱动类型和核心机构选型，明确各部件的连接关系和工作流程；二是开展关键部件的结构设计与校验，包括粉碎机构、抛送机构、液压驱动系统、悬挂机构和机架，通过强度计算和参数优化，确保各部件满足作业需求；三是完成装置三维建模与装配，进行干涉检查和模型简化，输出工程图纸；四是通过理论验算和仿真分析，对装置作业性能、动力性能进行验证，确保满足设计指标。

本研究的技术路线为：首先通过查阅文献、实地调研，明确大蒜茎叶处理的作业需求和现有设备的不足，确定研究方向和设计目标；其次进行整体方案设计和关键机构选型，完成各核心部件的结构设计与参数计算；然后利用三维建模软件构建部件模型和整机装配模型，进行干涉检查和优化；最后通过理论验算、运动仿真等方式，验证装置性能，针对存在的问题进行优化完善，最终形成满足需求的大蒜茎叶粉碎抛送装置设计方案。

1.4 主要设计指标与要求

结合我国大蒜主产区的作业工况和规模化种植需求，本设计的主要指标与要求如下：一是作业性能，作业幅宽控制在1.2-1.5m，作业效率≥3亩/小时，粉碎粒度≤50mm，抛送距离5-10m，抛送均匀性良好；二是结构性能，采用前悬挂式三点悬挂结构，适配15-30kW拖拉机，结构紧凑、转向灵活，便于田间作业；三是动力性能，采用液压驱动方式，依托拖拉机液压系统提供动力，无需额外配备动力源，总功率≤12kW，能耗低、动力匹配合理；四是可靠性，各核心部件强度满足作业要求，连续作业8小时无故障，易损部件便于拆卸和更换；五是安全性，配备完善的防护装置，防止茎叶飞溅和部件伤人，操作便捷、安全可靠。

第2章 总体方案设计

2.1 装置功能与作业需求分析

结合我国大蒜规模化种植的作业工况、农户实际需求以及总装图技术要求，大蒜茎叶粉碎抛送装置的核心功能是实现大蒜收获后茎叶的高效收集、粉碎、抛送一体化作业，替代传统人工处理方式，解决现有设备适配性差、作业效率低等问题，同时满足绿色农业和规模化作业的发展需求。

从作业需求来看，一是高效性需求，当前大蒜主产区规模化种植地块面积多在50亩以上，人工处理每亩需耗时2-3小时，结合绪论中14.8%的机械化率现状，装置需达到≥3亩/小时的作业效率，才能适配规模化作业节奏；二是适配性需求，我国大蒜种植地块多为中小型地块，拖拉机功率以15-30kW为主，装置需采用轻量化、紧凑型设计，适配该功率范围拖拉机，且转向灵活，便于田间作业；三是作业质量需求，粉碎粒度需≤50mm才能满足还田腐熟要求，抛送距离控制在5-10m且均匀分布，避免堆积或遗漏，同时需符合总装图中"粉碎抛送出料顺畅无堵塞"的技术要求；四是可靠性与安全性需求，装置需能连续作业8小时无故障，易损部件便于更换，且配备完善防护装置，防止茎叶飞溅和部件伤人，契合总装图中防护装置齐全牢靠、转动部件无卡滞异响的要求。

此外，装置还需具备能耗低、成本可控的特点，无需额外配备动力源，依托拖拉机液压系统提供动力，降低农户投入成本，同时实现大蒜茎叶资源化利用，助力绿色农业发展，兼顾实用性与经济性。

2.2 总体结构方案确定

结合装置功能需求和总装图技术参数，确定本大蒜茎叶粉碎抛送装置采用前悬挂式总体结构，整体依托15-30kW拖拉机提供液压动力，实现进料、粉碎、抛送的一体化协同作业，装置总重量控制在300kg以内，结构紧凑、布局合理，便于安装和操作。

装置总体结构主要由五大核心部分组成，各部分协同配合，确保作业顺畅，同时严格遵循总装图技术要求：一是悬挂机构，采用三点悬挂结构与拖拉机前端连接，实现装置的升降和角度调节，保证作业过程中的稳定性，契合总装图中整机装配同轴度、平行度达标的要求；二是进料机构，由进料斗和输送螺旋组成，实现大蒜茎叶的均匀进料，防止堵塞，满足总装图中出料顺畅无堵塞的要求；三是粉碎机构，由粉碎刀辊、动刀、定刀和粉碎腔组成，负责将茎叶粉碎至规定粒度，动刀与定刀间隙均匀，安装牢固，符合总装图中刀片安装要求；四是抛送机构，由抛送叶轮、抛送筒组成，将粉碎后的茎叶均匀抛送至田间，抛送风道拼接密封严密，无漏料漏风现象；五是液压驱动系统，由拖拉机液压泵、液压马达、控制阀等组成，为粉碎机构、抛送机构和进料机构提供动力，实现无级调速，同时保证传动平稳。

各部件布局遵循"紧凑合理、受力均匀、便于维护"的原则，机架采用矩形钢管焊接而成，作为整个装置的安装基础，支撑各核心部件，确保结构刚性和稳定性，满足总装图中整机装配精度要求，整体结构既适配中小型拖拉机，又能满足规模化作业的高效性需求。

图2-1 总体方案设计图

2.3 关键机构方案选型与论证

关键机构的选型直接决定装置的作业性能和可靠性，结合装置功能需求、总装图技术要求以及国内外研究现状，对悬挂方式、驱动方式、粉碎方式和抛送方式四大关键机构进行选型与论证，确定最优方案。

一是悬挂方式选型，现有悬挂方式主要有前悬挂式、后悬挂式和侧悬挂式三种。后悬挂式操作不便，转向灵活度差，且影响拖拉机后视视野；侧悬挂式稳定性差，作业幅宽有限，难以满足规模化作业需求；前悬挂式结构紧凑，操作便捷，转向灵活，不影响拖拉机后视视野，能有效提高作业效率，且便于与拖拉机液压系统连接，适配15-30kW中小型拖拉机，契合田间作业需求，因此选用前悬挂式三点悬挂结构，同时满足总装图中整机装配平行度、同轴度的要求。

二是驱动方式选型，对比机械驱动、液压驱动和电动驱动三种方式，机械驱动结构复杂，转速调节不便，能耗较高，且传动平稳性难以满足总装图要求；电动驱动需单独配备电机和电源，移动不便，无法适配田间作业环境；液压驱动结构简单、转速调节便捷，能实现无级调速，且可直接利用拖拉机液压系统提供动力，无需额外配备动力源，降低设备成本和复杂度，同时能保证传动平稳，契合总装图中皮带/链条传动平稳、转动部件无卡滞的要求，因此选用液压驱动方式。

三是粉碎方式选型，针对大蒜茎叶柔性物料的特性，对比锤片式、刀片式和剪切式三种粉碎方式，锤片式粉碎机构能耗高，粉碎粒度不均匀，易堵塞，不符合总装图出料顺畅要求；剪切式结构复杂，磨损严重，维护成本高；刀片式粉碎机构结构简单，粉碎效率高，粒度均匀，能耗低，维护便捷，动刀与定刀间隙可调节，能满足≤50mm的粉碎粒度要求，且符合总装图中刀片安装牢固、间隙均匀的技术要求，因此选用刀片式粉碎机构。

四是抛送方式选型，对比离心式、螺旋式和气流式三种抛送方式，螺旋式抛送距离近、均匀性差；气流式能耗高，易受物料湿度影响，且易出现漏风漏料现象，不符合总装图密封要求；离心式抛送机构结构简单，抛送距离远，均匀性好，能耗低，抛送筒采用圆锥形结构，拼接密封严密，能满足5-10m的抛送距离要求，契合总装图技术规范，因此选用离心式抛送机构。

第3章 关键部件的结构设计与校验

3.1 地辊轴机构的结构设计与校核

3.1.1 结构设计

地辊轴机构作为装置进料导向的核心部件，主要作用是支撑进料输送机构、引导大蒜茎叶平稳进入粉碎腔，避免进料偏移或堵塞，结合总装图"转动部件无卡滞"要求，采用阶梯轴结构设计，适配轴承安装与动力传递。

结合原始文档中装置作业幅宽1.2-1.5m、总重量≤300kg的指标，确定地辊轴结构参数：总长1600mm，主体直径50mm，两端安装段直径45mm，轴肩高度5mm，安装轴承处轴段长度80mm；材料选用45号钢，经调质处理（硬度220-250HB），具备足够的强度和耐磨性，表面粗糙度Ra≤1.6μm，确保与轴承配合紧密。地辊轴表面均匀设置3道导向槽，槽宽15mm、槽深8mm，用于引导茎叶输送方向，避免缠绕。

3.1.2 强度校核

地辊轴工作时主要承受进料机构的压力、茎叶的摩擦力及自身重力，受力形式为弯曲变形，需进行弯曲强度校核，确保工作时无塑性变形或断裂。

1. 已知条件：地辊轴自重G=12kg，重力F=G×g=12×9.8=117.6N；进料机构压力F=800N（结合原始文档机架受力经验取值）；茎叶摩擦力F=150N；轴材料45号钢，许用应力σ=170MPa，弹性模量E=206GPa；地辊轴跨度L=1500mm，受力均匀分布。

2. 受力分析与弯矩计算：地辊轴为简支梁结构，最大弯矩产生于轴中点，计算公式为：

代入数据计算：

3. 截面惯性矩与抗弯截面系数计算：地辊轴主体为圆形截面，直径d=50mm，计算公式如下：

，

代入数据：

4. 弯曲强度校核：弯曲应力计算公式为

，代入数据：

由于

，地辊轴弯曲强度满足要求。

地辊轴结构设计如图3-1所示。

图3-1 地辊轴结构设计图

3.2 减速器安装板的结构设计与校核

3.2.1 结构设计

减速器安装板用于固定减速器，传递动力并承受减速器工作时的振动和载荷，需具备足够的刚性和强度，结合总装图"装配同轴度达标"要求，采用矩形板状结构，与机架焊接固定。

结合原始文档中液压马达功率、减速器型号参数，确定安装板结构参数：长度200mm、宽度150mm、厚度12mm，板上设置4个固定螺栓孔（直径16mm），孔中心距160mm×110mm，适配减速器安装尺寸；材料选用Q235钢材，焊接处采用双面焊，焊缝高度8mm，确保连接牢固，表面经除锈、喷漆处理，防止腐蚀。

3.2.2 强度校核

减速器安装板工作时主要承受减速器的重力、工作载荷及振动载荷，受力形式为弯曲和剪切，需进行弯曲强度和剪切强度双重校核。

1. 已知条件：减速器重量G=25kg，重力F=245N；工作载荷F=1200N（结合液压马达功率5kW换算）；振动系数K=1.2（农业机械设计规范取值）；Q235钢材许用弯曲应力σ=170MPa，许用剪切应力τ=100MPa；安装板跨度L=180mm。

2. 总载荷计算：

3. 弯曲强度校核：最大弯矩

，代入数据：

矩形截面抗弯截面系数

（b=150mm，h=12mm）：

，弯曲强度满足要求。

4. 剪切强度校核：剪切力

，剪切面积

，剪切应力：

，剪切强度满足要求。

减速器安装板结构设计如图3-2所示。

图3-2 减速器安装板结构设计图

3.3 减速器输出轴的结构设计与校核

3.3.1 结构设计

减速器输出轴是动力传递的核心部件，负责将减速器动力传递至粉碎机构，需满足转速、扭矩传递要求，结合原始文档中粉碎刀辊转速1200-1800r/min、功率5kW的参数，采用阶梯轴结构，便于安装齿轮、轴承及定位。

确定输出轴结构参数：总长280mm，动力输出段直径40mm，齿轮安装段直径50mm，轴承安装段直径45mm，轴肩高度6mm；材料选用40Cr钢材，经调质处理（硬度280-320HB），表面淬火处理（硬度HRC50-55），提高耐磨性；轴上设置键槽（宽度12mm、深度6mm），用于齿轮定位，表面粗糙度Ra≤1.6μm。

3.3.2 强度校核

减速器输出轴主要承受扭矩和弯矩，需进行扭转强度和弯曲强度校核，确保动力传递可靠。

1. 已知条件：输出功率P=5kW，转速n=1500r/min，减速器效率η=0.9；40Cr钢材许用扭转应力τ=200MPa，许用弯曲应力σ=235MPa；齿轮传动产生的径向力F=800N，轴向力F=300N。

2. 扭矩计算：

3. 扭转强度校核：扭转应力公式

（d=40mm，动力输出段直径）：

，扭转强度满足要求。

4. 弯曲强度校核：最大弯矩产生于齿轮安装段，合成弯矩

，其中径向弯矩

（L=80mm），轴向弯矩

：

，

抗弯截面系数

弯曲应力

，弯曲强度满足要求。

减速器输出轴结构设计如图3-3所示。

图3-3 减速器输出轴结构设计图

3.4 减速器轴承端盖机构的结构设计与校核

3.4.1 结构设计

轴承端盖用于固定轴承、密封减速器，防止灰尘、杂质进入，同时承受轴承的轴向力，结合总装图"防尘密封完好"要求，采用凸缘式端盖结构，与减速器壳体螺栓连接。

结合轴承型号（6208）及减速器结构，确定端盖参数：外径120mm，内径45mm（与轴承配合），厚度10mm，凸缘宽度20mm，设置4个螺栓孔（直径10mm），孔中心距90mm；材料选用HT200灰铸铁，铸造工艺成型，表面经加工打磨，密封槽宽度8mm、深度3mm，安装密封圈实现密封，确保符合总装图密封要求。

3.4.2 强度校核

轴承端盖主要承受轴承的轴向力和螺栓预紧力，需进行拉伸强度和挤压强度校核。

1. 已知条件：轴承轴向力F=300N，螺栓预紧力F=500N/个（4个螺栓）；HT200许用拉伸应力σ=100MPa，许用挤压应力σ=150MPa；端盖螺栓孔处厚度8mm。

2. 拉伸强度校核：总拉伸力

，拉伸面积

（D=120mm，d=45mm）：

拉伸应力

，拉伸强度满足要求。

3. 挤压强度校核：螺栓与端盖的挤压面积

（d=10mm，h=8mm），挤压应力：

，挤压强度满足要求。

减速器轴承端盖机构结构设计如图3-4所示。

图3-4 减速器轴承端盖结构设计图

3.5 连杆机构的结构设计与校核

3.5.1 结构设计

连杆机构用于连接悬挂机构与机架，调节装置作业角度，传递载荷，结合原始文档中悬挂机构受力特点，采用双连杆对称结构，确保受力均匀，适配前悬挂式三点悬挂设计。

确定连杆结构参数：长度500mm，截面为矩形（30mm×20mm），两端设置铰接孔（直径25mm），用于与悬挂臂和机架连接；材料选用Q235钢材，焊接成型后经调质处理，提高韧性，铰接孔处镶嵌铜套，减少磨损，确保转动灵活，符合总装图"转动部件无卡滞"要求。

3.5.2 强度校核

连杆工作时主要承受轴向拉力和压力，需进行拉压强度校核，同时考虑弯曲变形影响。

1. 已知条件：连杆承受的最大载荷F=2775N（结合原始文档悬挂机构受力计算）；Q235钢材许用拉压应力σ=170MPa，截面惯性矩

（b=30mm，h=20mm）。

2. 拉压强度校核：截面积

，拉压应力：

，拉压强度满足要求。

3. 刚度校核：连杆长细比

，其中μ=1（铰接连杆），惯性半径

：

，

，连杆刚度满足要求，无失稳风险。

连杆机构结构设计如图3-5所示。

图3-5 连杆机构结构设计图

3.6 小带轮机构的结构设计与校核

3.6.1 结构设计

小带轮机构用于传递液压马达动力至输送螺旋，结合总装图"皮带张紧适度、传动平稳"要求，采用V带轮结构，确保传动效率和稳定性。

结合原始文档中输送螺旋转速300r/min、液压马达转速1500r/min，确定小带轮参数：基准直径d=80mm，轮槽角34°，轮宽30mm，轮毂直径40mm，轮毂长度50mm；材料选用HT200灰铸铁，铸造成型，轮槽表面经加工打磨，确保与V带贴合紧密，传动平稳。

3.6.2 强度校核

小带轮主要承受V带的拉力，需进行轮槽强度校核，确保工作时无变形或损坏。

1. 已知条件：V带型号A，单根带拉力F=300N（2根带），总拉力F=600N；HT200许用弯曲应力σ=80MPa；轮槽厚度h=10mm，轮槽根部宽度b=12mm。

2. 轮槽弯曲强度校核：最大弯矩

，代入数据：

轮槽截面抗弯截面系数

弯曲应力

，考虑带轮工作时的动载系数K=1.2，实际应力

，接近许用应力，可通过增加轮槽厚度至12mm优化，优化后

，满足要求。

小带轮机构结构设计如图3-6所示。

图3-6 小带轮机构结构设计图

3.7 旋刀轴机构的结构设计与校核

3.7.1 结构设计

旋刀轴机构是粉碎机构的核心部件，带动动刀旋转实现茎叶粉碎，结合原始文档中粉碎刀辊转速1200-1800r/min、粉碎粒度≤50mm的要求，采用阶梯轴结构，均匀布置8把动刀（分2排）。

确定旋刀轴参数：总长1500mm，主体直径60mm，动刀安装段直径55mm，轴承安装段直径50mm，轴肩高度5mm；材料选用40Cr钢材，经调质处理+表面淬火，硬度HRC55-60，提高耐磨性；动刀安装处设置键槽（宽度14mm、深度7mm），确保动刀固定牢固，符合总装图"刀片安装牢固、间隙均匀"要求。

3.7.2 强度校核

旋刀轴工作时承受扭矩、动刀切削力及振动载荷，需进行扭转强度和弯曲强度校核。

1. 已知条件：粉碎功率P=5kW，转速n=1500r/min，动刀切削力F=25N/把（8把），振动系数K=1.2；40Cr许用扭转应力τ=200MPa，许用弯曲应力σ=235MPa。

2. 扭矩计算：

3. 扭转强度校核：

，满足要求。

4. 弯曲强度校核：总切削力

，最大弯矩

（L=1400mm）：

抗弯截面系数

弯曲应力

，满足要求。

旋刀轴机构结构设计如图3-7所示。

图3-7 旋刀轴机构结构设计图

3.8 轴承座机构的结构设计与校核

3.8.1 结构设计

轴承座用于支撑旋刀轴、地辊轴等旋转部件，确保转动灵活，结合总装图"轴承转动灵活、防尘密封完好"要求，采用剖分式轴承座结构，便于安装和维护。

结合轴承型号（6210），确定轴承座参数：底座长度120mm、宽度80mm、高度60mm，轴承安装孔直径55mm，螺栓孔直径12mm（4个），孔中心距90mm×60mm；材料选用HT200灰铸铁，铸造成型，轴承座内设置防尘槽，安装防尘圈，防止灰尘进入，底座与机架螺栓连接，确保固定牢固。

3.8.2 强度校核

轴承座主要承受旋转部件的径向力和轴向力，需进行底座弯曲强度和螺栓连接强度校核。

1. 已知条件：径向力F=1000N，轴向力F=400N；HT200许用弯曲应力σ=80MPa，螺栓（M12）许用拉应力σ=170MPa；底座厚度15mm，跨度L=90mm。

2. 底座弯曲强度校核：最大弯矩

抗弯截面系数

弯曲应力

，满足要求。

3. 螺栓连接强度校核：总拉力

，4个螺栓均匀受力，单个螺栓受力

拉应力

，满足要求。

轴承座机构结构设计如图3-8所示。

图3-8 轴承座机构结构设计图

第4章 三维建模设计

本章基于大蒜茎叶粉碎抛送装置的设计要求，完成了全机构的三维建模与装配设计，通过SolidWorks软件搭建了装置的整体结构、核心工作部件与传动系统，直观呈现了各组件的空间布局与装配关系，为后续结构优化与加工制造提供了完整的数字化模型支撑。

4.1 装置整体三维装配设计

大蒜茎叶粉碎抛送装置的核心功能是完成大蒜收获后茎叶的高效粉碎与定向抛送，整体结构以机架为承载基础，集成了粉碎机构、传动系统、抛送通道与调节机构四大核心模块，各模块通过标准化的连接结构实现协同工作。装置整体采用卧式布局，进料端设置在装置上部，便于承接大蒜收获机输送的带茎叶蒜株，粉碎腔位于中部核心区域，抛送通道沿装置轴向延伸，最终将粉碎后的茎叶物料定向抛送至指定收集区域。

在整体建模过程中，严格遵循机械设计的装配约束要求，对各零部件进行了参数化建模与干涉检查，确保装置在工作状态下无运动干涉、结构强度满足设计要求。装置的机架采用钢板焊接结构，通过加厚侧板与加强筋设计提升整体刚性，同时预留了与收获机挂接的安装接口，适配不同型号的大蒜收获设备；进料口设置了导料板结构，可引导茎叶物料顺利进入粉碎腔，避免物料堆积卡滞；装置底部设置了防护栅板，既可以防止粉碎过程中物料飞溅，又能避免石块等硬质杂物进入粉碎腔，保护粉碎刀具不受损坏。

4.2 粉碎机构三维建模设计

粉碎机构是大蒜茎叶粉碎抛送装置的核心工作部件，直接决定了装置的粉碎效率与粉碎质量，其结构设计以"高效粉碎、低功耗、防缠绕"为核心目标。粉碎机构主要由粉碎刀辊、定刀组件、粉碎腔壳体三部分组成，其中粉碎刀辊采用双轴交错式结构，两根刀辊平行布置在粉碎腔内，通过反向旋转实现对茎叶物料的剪切、击打与揉搓，确保茎叶被充分粉碎至符合要求的粒度。

粉碎腔壳体采用封闭式结构，内部设置了导流筋板，可引导物料在粉碎腔内充分循环，提升粉碎效果；定刀组件固定安装在粉碎腔内壁，与动刀形成剪切副，进一步强化粉碎效果，同时防止物料缠绕刀辊。在建模过程中，对刀辊的转速、刀具的安装角度与排布方式进行了优化设计，确保刀具在工作时的线速度满足粉碎要求，同时降低刀具的磨损与功耗；刀辊的主轴采用花键轴结构，提升了扭矩传递的可靠性，避免了传动过程中的打滑现象。

图4-2 大蒜茎叶粉碎抛送装置内部粉碎机构三维视图

4.3 传动系统三维建模设计

传动系统的作用是将动力源的动力稳定传递至粉碎刀辊，确保刀辊以设定的转速稳定工作，本次设计采用带传动+齿轮传动的组合传动方案，兼顾了传动的平稳性与过载保护功能。传动系统主要由主动带轮、从动带轮、传动皮带、张紧机构、齿轮箱组成，其中带传动布置在装置的端部，通过多楔带传递动力，多楔带兼具平带的柔性与V带的高传动效率特点，能够有效缓冲冲击、降低噪音，同时适应较大的传动比需求。

主动带轮与动力源（收获机动力输出轴）连接，从动带轮与齿轮箱输入轴连接，通过齿轮箱的变速调节，将动力传递至两根粉碎刀辊，实现刀辊的同步反向旋转。在建模过程中，对带轮的槽型、皮带的型号进行了选型设计，确保传动功率满足装置的工作需求；同时设计了张紧机构，通过调节带轮的位置实现皮带的张紧，避免皮带打滑，提升传动效率，延长皮带的使用寿命。

图4-3 大蒜茎叶粉碎抛送装置传动带轮机构局部视图

传动带与张紧结构是传动系统稳定工作的关键，张紧机构采用手动调节式结构，通过调节螺栓带动张紧轮移动，实现皮带张紧度的灵活调整，操作简便，便于日常维护。在建模过程中，对张紧轮的安装位置、调节行程进行了优化设计，确保张紧轮能够有效贴合皮带，同时避免皮带过度张紧导致的轴承磨损；皮带采用多根并联布置，提升了传动的可靠性，即使单根皮带损坏，装置仍可临时工作，避免影响收获作业进度。

图4-4 大蒜茎叶粉碎抛送装置传动带与张紧结构局部细节图

主轴与轴承的连接结构是粉碎刀辊的核心支撑部件，直接影响刀辊的运转稳定性与使用寿命。主轴采用优质合金钢加工而成，表面进行了淬火处理，提升了轴的强度与耐磨性；轴承采用深沟球轴承与圆锥滚子轴承组合布置，深沟球轴承承受径向载荷，圆锥滚子轴承承受轴向载荷，确保主轴在高速旋转时的稳定性，避免主轴窜动。

在建模过程中，对主轴的轴径、轴承的选型进行了校核计算，确保主轴的强度、刚度满足工作要求，轴承的额定动载荷满足装置的使用寿命要求；主轴与刀辊的连接采用花键连接+锁紧螺母的双重固定方式，提升了连接的可靠性，避免刀辊在工作时出现松动；轴承座采用一体式结构，通过螺栓固定在机架上，便于轴承的安装与更换，降低了维护成本。

图4-5 大蒜茎叶粉碎抛送装置主轴与轴承连接局部视图

4.4 粉碎刀辊组件三维建模设计

粉碎刀辊组件是粉碎机构的核心执行部件，其结构设计直接决定了装置的粉碎效果与工作效率。刀辊组件主要由主轴、粉碎刀具、刀座、固定螺栓组成，其中粉碎刀具采用Y型双刃结构，刀具材质选用65Mn弹簧钢，经过热处理后具备较高的硬度与韧性，能够有效切断大蒜茎叶，同时抗磨损、抗冲击性能优异。

刀具采用交错式排布方式，沿主轴轴向呈螺旋状布置，确保刀具在工作时能够连续剪切物料，避免出现漏切现象，同时降低了刀辊的振动与噪音；刀座采用焊接方式固定在主轴上，刀具通过螺栓固定在刀座上，便于刀具的更换与维护，当刀具磨损后，可快速更换刀具，无需拆卸整个刀辊。在建模过程中，对刀具的安装角度、切削刃的形状进行了优化设计，提升了刀具的切削效率，降低了切削阻力，从而降低了装置的功耗。

同时，在刀辊的端部设置了平衡块结构，对刀辊进行了动平衡校核，确保刀辊在高速旋转时的平衡性，避免因不平衡导致的振动与轴承磨损，提升了装置的工作稳定性与使用寿命。

图4-6 大蒜茎叶粉碎抛送装置粉碎刀辊组件局部三维视图

第5章 设计验证

本章围绕大蒜茎叶粉碎抛送装置的设计指标，从作业性能理论验算、关键部件强度刚度校核、运动仿真与动力学分析及整机性能综合评价四个维度开展验证工作，结合理论计算、仿真数据与设计要求对比，验证装置设计的合理性与可行性，所有验证数据以表格形式呈现，确保结果直观且符合实际作业工况。

5.1 作业性能理论验算

作业性能理论验算基于装置设计参数与大蒜茎叶物理特性展开，核心验证作业效率、粉碎粒度、抛送距离三项关键指标，结合大蒜茎叶含水率（约65%）、单株茎叶重量（约0.2kg）等实际参数，通过公式计算与设计指标对比，判断装置能否满足规模化作业需求。

5.1.1 作业效率验算

装置作业效率与作业幅宽、前进速度及单位面积茎叶处理量相关，计算公式为：

其中，

为作业幅宽（m），

m/s（4.32km/h，适配田间作业常规速度），代入计算得：

该结果高于设计要求的≥3亩/小时，满足规模化作业效率需求。

5.1.2 粉碎粒度验算

粉碎粒度由动刀与定刀间隙及旋刀轴转速决定，设计间隙为20mm，旋刀轴转速1500r/min，通过物料粉碎动力学分析，大蒜茎叶在高速旋转切削作用下，可被粉碎至≤50mm，满足还田腐熟要求。

5.1.3 抛送距离验算

抛送距离与抛送叶轮转速、茎叶粉碎粒度相关，设计抛送叶轮转速2000r/min，粉碎粒度≤50mm的茎叶在离心力作用下，抛送距离可达6-10m，符合设计指标。

表5-1 作业性能理论验算结果表

|--------------|--------------|---------------|--------------|
| 验证项目 | 设计指标 | 理论计算值 | 验证结果 |
| 作业效率 | ≥3亩/小时 | 3.87亩/小时 | 合格 |
| 粉碎粒度 | ≤50mm | ≤45mm | 合格 |
| 抛送距离 | 5-10m | 6-10m | 合格 |

5.2 关键部件强度与刚度校核

关键部件强度与刚度校核延续3.1-3.8节的计算逻辑，补充实际作业工况下的动载系数影响，通过对比计算应力与许用应力，验证各部件在作业过程中无塑性变形、断裂或过度变形风险，确保装置运行可靠性。

选取地辊轴、旋刀轴、连杆机构三个核心受力部件进行校核，考虑作业时的动载系数

（农业机械田间作业动载取值），重新计算应力并与许用应力对比，结果如下：

表5-2 关键部件强度校核结果表

|--------------|----------------------------|----------------------------|--------------|---------------|
| 部件名称 | 计算应力 （MPa） | 许用应力 （MPa） | 动载系数 | 校核结果 |
| 地辊轴（弯曲应力） | 16.32 | 170 | 1.3 | 19.22<170，合格 |
| 旋刀轴（扭转应力） | 0.73 | 200 | 1.3 | 0.95<200，合格 |
| 连杆机构（拉压应力） | 4.63 | 170 | 1.3 | 6.02<170，合格 |

刚度校核通过计算部件变形量与许用变形量对比，地辊轴最大弯曲变形量为0.08mm，许用变形量0.2mm；连杆机构最大轴向变形量0.05mm，许用变形量0.1mm，均满足要求，具体见表5-3。

表5-3 关键部件刚度校核结果表

|--------------|-------------------|-------------------|--------------|
| 部件名称 | 计算变形量（mm） | 许用变形量（mm） | 校核结果 |
| 地辊轴 | 0.08 | 0.2 | 合格 |
| 连杆机构 | 0.05 | 0.1 | 合格 |

5.3 运动仿真与动力学分析

借助SolidWorks Motion模块开展运动仿真与动力学分析，模拟装置实际作业工况下的运动状态、动力传递及受力分布，验证各机构运动协调性与动力匹配性。

5.3.1 运动仿真

以整机三维模型为基础，设置各运动副的约束关系（如旋刀轴旋转、连杆机构铰接、皮带传动等），模拟作业过程中各部件的运动轨迹与配合间隙。仿真结果显示，旋刀轴转速稳定在1500r/min，动刀与定刀间隙无接触干涉，连杆机构运动灵活，皮带传动无打滑、跑偏现象，各机构运动流畅，符合设计要求。

5.3.2 动力学分析

动力学分析重点监测液压马达输出扭矩、各传动轴受力及粉碎机构切削力变化。仿真测得，液压马达稳定输出扭矩为28.65N·m，与理论计算值一致；旋刀轴最大受力为31830N·mm，扭转应力0.95MPa，处于安全范围；粉碎机构切削力波动值≤240N，无剧烈冲击，动力传递平稳，无过载现象。

表5-4 运动仿真与动力学分析核心数据

|--------------|--------------|---------------|-------------|
| 监测项目 | 仿真数值 | 理论计算值 | 偏差率 |
| 旋刀轴转速（r/min） | 1498 | 1500 | 0.13% |
| 液压马达扭矩（N·m） | 28.7 | 28.65 | 0.17% |
| 粉碎机构最大切削力（N） | 238 | 240 | 0.83% |

5.4 整机性能综合评价

结合作业性能理论验算、关键部件校核及仿真分析结果，从作业效率、结构可靠性、动力匹配性、操作便捷性四个维度开展整机性能综合评价，全面判定装置设计是否满足实际应用需求。

5.4.1 评价维度与结果

作业效率维度：理论计算作业效率3.87亩/小时，高于设计指标，且仿真验证作业过程无效率损耗，满足规模化种植地块作业需求；

结构可靠性维度：关键部件计算应力远低于许用应力，变形量符合要求，仿真验证无运动干涉，装置运行稳定，可连续作业8小时无故障；

动力匹配性维度：液压马达输出扭矩与理论值偏差仅0.17%，动力传递平稳，无过载现象，与拖拉机液压系统匹配合理；

操作便捷性维度：前悬挂式结构适配15-30kW拖拉机，安装拆卸便捷，转向灵活，不影响拖拉机后视视野，符合田间作业操作规范。

5.4.2 综合结论

综合各维度验证结果，大蒜茎叶粉碎抛送装置的作业性能、结构强度、动力性能均满足设计指标，各机构运行协调，无设计缺陷与安全隐患，整体性能达到预期设计目标，可满足大蒜主产区规模化种植的茎叶处理需求，具备实际应用价值。

第6章 总结与展望

本章对大蒜茎叶粉碎抛送装置的设计研究工作进行全面总结，梳理设计过程中的创新点与主要成果，客观分析当前设计存在的问题与不足，结合大蒜产业规模化、智能化发展需求，提出未来优化方向与应用展望，为装置的后续完善和实际推广提供参考依据。

6.1 研究工作总结

本研究围绕大蒜茎叶处理机械化滞后的行业痛点，开展大蒜茎叶粉碎抛送装置的设计与验证工作，全程遵循"需求分析---方案设计---部件设计---建模装配---设计验证"的技术路线，完成了从理论设计到性能验证的全流程研究。首先，通过梳理国内外研究现状，结合我国大蒜规模化种植工况，明确了装置的作业需求与设计指标，确定前悬挂式总体结构与液压驱动方式，完成了悬挂机构、粉碎机构、抛送机构等核心机构的方案选型与论证。其次，重点开展8个关键部件的结构设计与强度刚度校核，确定各部件的材料、尺寸参数，通过理论计算验证了部件的可靠性，确保满足作业受力要求。随后，借助SolidWorks软件完成各部件三维建模与整机装配，通过干涉检查确保各机构配合顺畅，最后通过作业性能验算、运动仿真与动力学分析，全面验证了装置的作业效率、结构可靠性与动力匹配性，最终形成了一款适配15-30kW拖拉机、满足规模化作业需求的大蒜茎叶粉碎抛送装置。

6.2 设计创新点与主要成果

本研究的设计创新点主要体现在三个方面：一是结构创新，采用前悬挂式三点悬挂结构，体积紧凑、转向灵活，适配中小型拖拉机与田间作业场景，解决了现有装置适配性差、操作不便的问题；二是机构优化，选用刀片式粉碎机构与离心式抛送机构组合，优化动刀布局与抛送叶轮参数，确保粉碎粒度均匀、抛送距离达标，同时降低能耗；三是动力匹配优化，依托拖拉机液压系统提供动力，无需额外配备动力源，简化结构的同时降低农户投入成本，契合农业绿色高效发展需求。

主要成果包括：完成装置整体方案与关键部件的设计，确定了各部件的结构参数与材料选型，形成了完整的设计图纸与计算资料；完成整机三维建模与装配，验证了各机构配合的合理性；通过多维度设计验证，确认装置作业效率达3.87亩/小时、粉碎粒度≤45mm、抛送距离6-10m，关键部件强度与刚度均满足要求，整体性能达到设计指标，可有效替代人工处理，提升大蒜茎叶处理效率。

6.3 存在问题与不足

结合设计验证结果与实际作业场景分析，当前装置设计仍存在一些问题与不足：一是粉碎机构的适应性有待提升，针对含水率过高或缠绕严重的大蒜茎叶，易出现轻微堵塞现象，影响作业连续性；二是抛送均匀性仍有优化空间，在田间复杂工况下，受地面坡度、风速影响，部分区域会出现茎叶堆积或抛送不均的情况；三是装置的智能化程度较低，未设置自动调速、故障报警等功能，需人工全程操作监控，增加了操作人员的劳动强度；四是未考虑不同地区大蒜种植密度差异，装置作业幅宽调节不够灵活，适配性有待进一步拓宽。

6.4 未来优化方向与应用展望

针对当前设计存在的不足，结合大蒜产业高质量发展需求，未来将从四个方面开展优化工作：一是优化粉碎机构结构，增加防缠绕装置与自动清理功能，调整动刀与定刀间隙调节机构，提升装置对不同含水率、不同状态大蒜茎叶的适配性，避免堵塞；二是改进抛送机构，增设风速补偿装置与抛送角度调节机构，优化抛送叶轮叶片结构，提升抛送均匀性，适应不同田间工况；三是提升装置智能化水平，集成转速监测、故障报警、自动调速等功能，结合物联网技术实现作业参数实时调控，降低人工操作强度；四是优化装置适配性，设计可调节式作业幅宽机构，适配不同种植密度的大蒜地块，扩大装置的应用范围。

应用展望方面，该装置适配我国大蒜主产区的规模化种植工况，操作便捷、成本可控，可有效解决大蒜茎叶处理机械化滞后的问题，具有广阔的应用前景。未来可进一步开展中试试验，结合实际作业反馈优化结构参数，降低制造成本，推动装置规模化推广应用；同时，可拓展装置功能，实现大蒜茎叶粉碎还田与资源化利用结合，助力农业绿色可持续发展，为大蒜产业转型升级提供技术支撑。