草地蝗虫吸捕机自动卸料装置设计

乌兰图雅，闫建国，图 雅，杜文亮

（内蒙古农业大学机电工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018）

0 引言

蝗灾与旱灾、水灾并称为“3 大自然灾害”，它们的暴发会带来严重危害及损失[1-2]。为了维护草地生态的良性循环，提高产草量，减少草地的化学农药污染，我国在控制蝗灾方面做了大量的试验研究和有益的探索，设法寻找草地灭蝗的新途径[3-5]。草地蝗虫吸捕机是一种采用物理方法防治草原蝗虫的新型植物保护机械，主要适用于草原3～5 龄蝗虫的吸捕或虫情预报的采样收集，以及蝗虫养殖户对蝗虫的捕捉。该机能在不同品种和不同虫口密度下控制蝗虫对草原的危害，不受草原气候的影响，不污染环境，几乎不摧残蝗虫天敌，维护草原生态的良性循环，同时实现了对蝗虫的无毒无害化捕集治理，是一种较为理想的蝗虫防治与捕捉机械[6]。

课题组前期对蝗虫吸捕机的吸嘴、吸头、收集箱、卸料装置及动力源等进行研究，发现卸料装置的排料性能直接影响吸捕和后续加工质量，同时也影响卸料装置的能耗和效率。研究发现，现有的蝗虫吸捕机主要存在卸料性能差、效率低、劳动强度大等问题[6-8]。综合考虑蝗虫的性质、吸捕机吸捕特性及螺旋输送原理，设计一种螺旋式自动卸料装置。一方面提高蝗虫吸捕机的卸料性能；另一方面提高整机的自动化程度，减轻劳动强度，提高效率。

1 整体结构与问题分析

1.1 草地蝗虫吸捕机总体结构及工作原理

草地蝗虫吸捕机的结构如图1 所示，主要由吸捕装置、收集装置、卸料装置、风机、动力部分、传动装置、液压装置、行走装置和机架等部件组成。

工作时，拖拉机通过主牵引梁牵引吸捕机前进，柴油发动机带动风机叶轮高速转动，风机产生的正负压气流使吸头吸口处产生回旋气幕。蝗虫在回旋气幕和聚虫挡板的作用下集结到吸头处随负压气流一起被吸入分离室，在导向板的作用下使蝗虫沉降到卸料口，收集到一定量，人工操作卸料装置进行卸料装袋。

1.2 存在的主要问题

（1）收集箱底部和卸料装置喂料斗直接连接，收集箱中的蝗虫全部挤压在喂料斗内，导致喂入量过大且不可控，蝗虫之间的挤压力较大，影响卸料装置的排料性能。

（2）无法直接获取收集箱中蝗虫的收集量，无法保证及时排料。

（3）现有的蝗虫吸捕机卸料采用手摇式螺旋输送装置，劳动强度大、卸料效率低。

2 卸料装置设计

2.1 主要参数

根据前期研究可知，当收集箱中的蝗虫质量达到60 kg 时需要卸料，预定在1 min 之内卸料完成（原卸料装置用3.3 min），则卸料螺旋输送装置的生产率为3.6 t/h[9]。

2.1.1 螺旋叶片外径D

参照一般螺旋输送机的设计与理论，并根据蝗虫卸料的特殊使用条件，采用式（1）计算。

中心轴直径过大，螺旋槽内的空间变小，蝗虫在狭小的空间内运动时堆积量大，其通过性差，虫体间的相互挤压程度高，容易挤碎蝗虫。中心轴直径过小，其强度和刚度不能满足使用需求。综合考虑，取中心轴直径d=60 mm。

2.1.3 螺旋叶片类型及螺距S

常用的螺旋叶片有实体表面、带式、月牙式和锯齿式4 种类型，其中实体螺旋叶片推送力大，生产率高，因此本设计选取实体螺旋面。

螺距按式（3）计算。

式中S—螺旋叶片螺距，mm

随着螺距的增大，蝗虫的运动速度增大，可以提高生产率。同时，螺距较大时，螺旋槽内的空间变大，蝗虫在松散的状态下运动，其相互挤压程度减弱，但此时输送装置所消耗的功耗增大。综合考虑，螺距取S=200 mm。

2.1.4 螺旋轴转速n

在满足卸料要求的条件下，螺旋轴转速不宜过高，以免物料与机壳和螺旋叶片撞击，因此转速不能超过某一极限转速。

2.1.5其他参数确定

螺旋叶片与机壳间的间隙直接影响卸料装置的输送性能，间隙过大，机壳内蝗虫的残留量较大，输送效率低；间隙过小，对蝗虫的挤压力变大，容易挤碎。根据相关文献及手册选择5 mm。

2.1.6填充系数φ验算通过式（5）验算卸料器的填充系数。

将相关参数代入式（6）得到螺旋卸料装置所需功率为0.52 kW，考虑到蝗虫在输送过程中与螺旋叶片、机壳之间的摩擦及蝗虫之间相互挤压摩擦所消耗的功率与调速，选择1.1 kW 变频电动机。工作时，由电瓶提供电源，启动电动机。

2.2 卸料装置自动控制系统设计

螺旋卸料装置的结构示意如图2 所示。为了实时监测沉降室内蝗虫的质量并控制蝗虫的排料量，在沉降室和螺旋卸料装置喂料口中间安装带有插板的垫圈式环形测力传感器。使用时，先标定沉降室内蝗虫质量达到60 kg 时测力传感器所受到的压力，并以此压力值设定传感器卸料报警阈值。当测力传感器测试系统报警后吸捕机停止工作，并打开插板，驱动电动机，带动螺旋轴旋转进行排料。通过插板开合的大小可以控制螺旋卸料装置的喂入量，同时也能避免沉降室内的蝗虫直接集中挤压在喂料斗。

图2 螺旋卸料装置Fig.2 Spiral discharging device

3 结束语

（1）通过前期试验及分析总结了现有草地蝗虫吸捕机卸料装置存在的问题。针对存在的问题，对螺旋卸料装置进行了改进设计，确定了核心参数。通过计算获得螺旋叶片外径为200 mm、螺距为200 mm、中心轴直径取60 mm、螺旋轴极限转速为111.86 r/min、运行转速为90 r/min 及螺旋叶片与机壳间隙取5 mm。螺旋卸料装置的生产率为3.6 t/h，比原卸料装置提高43.5%。

（2）设计了卸料装置自动控制系统，实现了沉降室内蝗虫质量的实时监测、定量喂料及自动卸料功能。

（3）鉴于季节原因，样机没有在实地中进行吸捕试验，还需进一步测试验证。