果園用鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的初步設(shè)計(jì).doc

畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì) 果園用鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的初步設(shè)計(jì)果園用鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的初步設(shè)計(jì) 摘 要 在給定的農(nóng)藝條件下確定了一種果園用鏈刀式開溝機(jī)的整體參數(shù)，并得出開溝機(jī) 總功耗為 4.874kw。初步進(jìn)行了開溝機(jī)掛接機(jī)構(gòu)和開溝裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與 pro/e 造型， 同時(shí)對工作鏈刀傾角、刀片運(yùn)動軌跡和土粒的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行了分析；建立了鏈?zhǔn)介_溝 機(jī)的功耗模型并用 matlab 的 fmincon 函數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后功耗較設(shè)計(jì)功耗下降了 22.81%，并且得出了在行進(jìn)速度=0.0412m/s、鏈刀線速度=1m/s、工作鏈刀對水平 o v l v 面傾角=30時(shí)，鏈?zhǔn)介_溝機(jī)功耗最小的結(jié)論。 關(guān)鍵詞：鏈?zhǔn)介_溝機(jī)；運(yùn)動學(xué)；優(yōu)化 abstract the parameters of a new type of chain ditcher was ascertained with the given agricultural need,and the power consumption was 4.874kw. structural design and molding with pro/e was carride out preliminarily.at the same time, analysis to the chain level angle, blade linear speed and the lump-motion was maded. an optimization design model was established，and the optimal analysis was carried out by applying matlab toolsthe results showed that the power consumption decreased 22.81% after optimization,and it got the minimum when level speed , blade linear speed and chain level anglevalued at 0.0412m/s,1m/s and o v l v 30 respectively. key words：chain ditcher；kinematics；optimization i 目 錄 1 前言1 1.1 開溝機(jī)的發(fā)展概況 1 1.2 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)研發(fā)現(xiàn)狀 2 1.3 課題研究意義 5 2 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)整體參數(shù)確定7 2.1 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù) 7 2.2 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)工作參數(shù)的確定 7 2.3 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的功率計(jì)算 10 2.3.1 切土阻力 10 2.3.2 開溝機(jī)功耗計(jì)算 11 2.4 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)總體參數(shù)的確定 13 3 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與 pro/e 概念造型15 3.1 掛接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 15 3.1.1 掛接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與 pro/e 造型 15 3.1.2 減速器及鏈傳動設(shè)計(jì) 16 3.2 開溝裝置的設(shè)計(jì)分析與造型 18 3.2.1 鏈刀組合的設(shè)計(jì)計(jì)算 18 3.2.2 主軸組合設(shè)計(jì) 22 3.2.3 從動軸組合的設(shè)計(jì)與 pro/e 造型 22 3.2.4 排土器組合的設(shè)計(jì)與 pro/e 造型 23 3.2.5 梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與 pro/e 造型 24 3.3 液壓缸的選用及分析 25 3.3.1 液壓缸型號的確定 25 3.3.2 液壓缸行程驗(yàn)證 26 3.4 基于 pro/e 的零件質(zhì)量計(jì)算及重心測量方法探求28 3.4.1 在 pro/e 中定義零件質(zhì)量屬性28 3.4.2 開溝機(jī)重心計(jì)算方法的探求 29 4 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)工作機(jī)理研究31 4.1 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)水平傾角分析 31 4.2 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)刀片的運(yùn)動軌跡分析32 4.3 土粒在鏈傳動過程中的運(yùn)動分析33 4.3.1 轉(zhuǎn)動切削狀態(tài)下土粒在鏈傳動過程中的運(yùn)動分析34 4.3.2 平動切削狀態(tài)下土粒在鏈傳動過程中的運(yùn)動分析34 4.4.基于 matlab 的鏈?zhǔn)介_溝機(jī)功耗的優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析36 4.4.1 目標(biāo)函數(shù)的建立37 4.4.2 約束條件41 4.4.3 基于 matlab 的開溝機(jī)功耗的優(yōu)化41 4.4.4 小結(jié)與討論 43 ii 5.結(jié)論與展望44 5.1 研究結(jié)論44 5.2 不足與展望44 致 謝46 參考文獻(xiàn) 附錄 附錄 前言 - 1 - 1 前言 1.1 開溝機(jī)的發(fā)展概況 從運(yùn)動機(jī)理上可以把開溝機(jī)分為兩種：犁式開溝機(jī)和旋轉(zhuǎn)開溝機(jī)。前者的工作部 件不旋轉(zhuǎn)，直接由動力牽引，開溝速度快、效率高，但一般開溝深度較小，土壤硬度 不能太大，且溝形難以保證；后者的工作部件旋轉(zhuǎn)，稱為銑削式開溝，溝形規(guī)整、適 合各種土壤，但效率較低1。國內(nèi)外開溝機(jī)主要有以下幾種：犁式開溝機(jī)、割盤式開 溝機(jī)、雙圓盤式開溝機(jī)、回轉(zhuǎn)鏈?zhǔn)介_溝機(jī)以及立式螺旋開溝機(jī)；按功率和開溝大小又 可分為自走式和手扶式等，種類較多2。 國外的開溝機(jī)研究及生產(chǎn)較早。早期的犁鏵工具就是開溝機(jī)的雛形，只不過沒有 動力驅(qū)動，且相關(guān)部件和結(jié)構(gòu)原理沒有系統(tǒng)地研究。上世紀(jì) 50 年代，伴隨機(jī)械化的普 及，一些發(fā)達(dá)國家開始使用機(jī)械開溝機(jī)進(jìn)行大范圍的農(nóng)耕作業(yè)，大大提高了勞動生產(chǎn) 率。隨著技術(shù)的進(jìn)步和工作要求的日益增多，開溝設(shè)備的研究走進(jìn)了一個(gè)新的時(shí)代， 較為成型的開溝設(shè)備不斷涌現(xiàn)。到了 60 年代，旋轉(zhuǎn)式開溝機(jī)（圖 1-1）作為一種連續(xù) 挖土機(jī)械已經(jīng)相當(dāng)先進(jìn)。由于它適宜開挖梯形截面的溝渠、能均勻散開溝內(nèi)土壤，因 而獲得迅速的發(fā)展。前蘇聯(lián)、意大利和法國都有不同型號的系列產(chǎn)品，其中以前蘇聯(lián) 的 kh-1200 系列和意大利的 mk-17 系列為代表。由于旋轉(zhuǎn)式開溝機(jī)的尺寸大、不宜開 挖窄溝，70 年代末開始，對鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的研究逐漸興起，到了 80 年代中期，美國已經(jīng) 有了較為成型的鏈?zhǔn)介_溝設(shè)備。鏈?zhǔn)介_溝機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，組裝方便，多為懸掛于農(nóng)用拖 拉機(jī)后端的可拆卸設(shè)備。其工作效率突出，且擴(kuò)大了開溝機(jī)的使用范圍。伴隨著電信 光纜和地下管道鋪設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大化，鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的使用更為廣泛。 在國內(nèi)，天津工程機(jī)械研究所和長春工程機(jī)械廠于 70 年代中期開始合作，研制出 我國首臺輪斗式開溝機(jī)。80 年代中期，三、四個(gè)廠家曾分別開發(fā)了幾種開溝機(jī)械，但 由于經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性等原因，未能使開溝機(jī)在國內(nèi)全面推廣?，F(xiàn)代農(nóng)裝湖州聯(lián)合收割 機(jī)有限公司引進(jìn)美國 finn 公司的技術(shù)，生產(chǎn)了 244d 多功能田園機(jī)。該機(jī)采用回轉(zhuǎn)鏈 圖 1-1 河南鳳翔 td50 輪盤式開溝機(jī) 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的初步設(shè)計(jì) - 2 - 式的結(jié)構(gòu)，通過裝配開溝裝置實(shí)現(xiàn)田園開溝，但是該機(jī)成本較高。 2000 年天津工程機(jī)械研究院利用 tn654 型拖拉機(jī)改裝成挖溝機(jī) gc65，并于 2002 年研制成功了 gc65g 型鏈刀式開溝機(jī)。該機(jī)可用于水利管溝和電纜鋪設(shè)工程，雖為機(jī) 械傳動，但其功率與挖溝效率比，達(dá)到了國內(nèi)外較為先進(jìn)的水平。該機(jī)采用天津拖拉 機(jī)廠生產(chǎn)的鐵牛 654la 拖拉機(jī)為底盤，后部加設(shè)鏈鏟挖溝裝置，前部裝有回填鏟，使 其能同時(shí)完成挖溝回填綜合作業(yè)。挖溝裝置和回填鏟與拖拉機(jī)主體都采用螺栓連接， 非挖溝作業(yè)期間可拆卸下來，恢復(fù)拖拉機(jī)功能。同年，天津工程機(jī)械研究院根據(jù)西氣 東輸?shù)男枰?，開發(fā)出 wg300 型履帶式全液壓挖溝機(jī)。該機(jī)最大挖溝寬度可達(dá) 900mm，最 大挖溝深度 2200mm，挖掘鏈線速度 04m/s，作業(yè)速度最高可達(dá) 1400m/h。 由于鏈?zhǔn)介_溝機(jī)（圖 1-2）設(shè)備簡單、組裝方便，可作為懸掛于農(nóng)用拖拉機(jī)后端的 可拆卸設(shè)備，并且工作效率突出，使用范圍廣闊。近年來，國內(nèi)外研制的開溝機(jī)多采 用回轉(zhuǎn)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。 1.2 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)研發(fā)現(xiàn)狀 按照功率大小的不同，鏈?zhǔn)介_溝機(jī)有大型、中型和小型之分，它們有各自的特點(diǎn)。 小型鏈?zhǔn)介_溝機(jī)大多為專用設(shè)備，使用專用的底盤，結(jié)構(gòu)緊湊，但是功能單一，如功 率 10kw 的威猛(vermeer)rt100 手扶鏈?zhǔn)介_溝機(jī)；大中型開溝機(jī)生產(chǎn)率高，功耗大，自 動化程度高，使用專門的大功率配套動力，其動力機(jī)可以掛接多種工程機(jī)械設(shè)備，如 美國凱斯(case)660 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)。 目前主要的鏈?zhǔn)介_溝機(jī)生產(chǎn)廠商均在美國。美國 a.f.trenchers 有限公司的產(chǎn)品 aft 65 型開溝機(jī)（圖 1-3）采用拖拉機(jī)牽引，在崎嶇不平的地形上能夠顯示出很高 的工作性能。開溝設(shè)備掛接 50-80 馬力的標(biāo)準(zhǔn)拖拉機(jī)，且不需要對拖拉機(jī)的結(jié)構(gòu)做任 何修改。該機(jī)能應(yīng)用于多種工作場合，降低了設(shè)備成本。 圖 1-2 山東巨菱 kg1100 型鏈?zhǔn)介_溝機(jī) 前言 - 3 - 美國的 gase 公司是世界知名的農(nóng)機(jī)生產(chǎn)廠商，其 60 系列開溝機(jī)有七個(gè)機(jī)型，功 率范圍 9.757.4kw。其最新推出的 960 機(jī)型（圖 1-3）可根據(jù)土壤條件的不同，配備 鏈?zhǔn)介_溝器和巖石輪等開溝裝置；根據(jù)土壤硬度和管線直徑的大小，可為開溝機(jī)選配 杯型齒、巖石和凍土齒等不同材質(zhì)和尺寸的鏈條和齒塊。機(jī)器的前部同時(shí)裝有挖掘裝 置和六向推土板，可實(shí)現(xiàn)開溝、擴(kuò)寬和回填的連續(xù)作業(yè)，大大增強(qiáng)了機(jī)器的使用性能 和應(yīng)用范圍。 國內(nèi)的開溝機(jī)的研究和使用起步較晚。 由中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院研制的 1k-30 懸掛式鏈?zhǔn)介_溝機(jī)（圖 1-4）和 1kz- 30 型自走式鏈刀開溝機(jī)非常具有代表性。這 兩種鏈?zhǔn)介_溝機(jī)主要用于開挖農(nóng)田矩形溝槽、 鋪設(shè)管道或電纜，以及種植山藥等農(nóng)作物。 其特點(diǎn)是投資少、一臺機(jī)器能替代幾十個(gè)工 人的工作；開溝質(zhì)量好，溝寬最小可控制到 10cm，深度可達(dá) 150cm，溝直壁陡；切削刀 片和鏈條采用特殊材料與工藝制造，使用壽 命長。另外這兩種機(jī)型的工作效率也很高，其中自走式的效率更為突出。整機(jī)結(jié)構(gòu)簡 單，操作方便，維護(hù)容易。 河北深遠(yuǎn)機(jī)械廠生產(chǎn)的回旋式挖溝機(jī)（圖 1-5）在國內(nèi)同類產(chǎn)品中性能較好。該開 溝機(jī)采用回旋鏈刀式開溝器，分為大、中、小三種型號。其小型開溝機(jī)的開溝寬度為 1030cm，深度 50150cm，工作效率 150450mh；中型開溝機(jī)的開溝寬度為 2060cm，深度 60180cm，工作效率 150500mh；大型開溝機(jī)的開溝寬度 30150cm，深度 50230cm，工作效率 150400mh。該機(jī)廣泛用于農(nóng)田灌溉渠道挖 掘、煤氣管道和石油管道鋪設(shè)、地下電纜鋪設(shè)等各種開溝作業(yè)，并配套了墻邊、路邊 專用挖溝設(shè)備。 圖 1-3 aft 65 鏈?zhǔn)介_溝機(jī) 圖 1-4 1k-30 型懸掛式鏈?zhǔn)介_溝機(jī) 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的初步設(shè)計(jì) - 4 - 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的刀片有多種形式3，有用于巖石及高硬度土壤挖掘的子彈式（圖 1- 6） 、用于高硬度土壤的扁平狀刀具、用于北方凍土挖掘的形似刨刀的合金刀具及用于 普通硬度土壤的杯形刀片(圖 1-7)。 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)使用的鏈條形式較多，通常是在普通鏈條基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的，通用鏈 條原設(shè)計(jì)是在無固體介質(zhì)工況下運(yùn)轉(zhuǎn)的產(chǎn)品，對于適應(yīng)性還未達(dá)到最佳。吉林大學(xué)劉 曉論等設(shè)計(jì)了一種刀式礦土復(fù)合型開溝鏈條，如圖 1-8 所示。此設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于： 結(jié)構(gòu)新穎，鏈條夾嚙鏈輪，鏈節(jié)上帶有排土壤介質(zhì)的通槽，從而減少了嚙合與傳動的 阻力，可提高傳 動效率4。 圖 1-6 子彈頭式刀具 圖 1-7 杯形刀片 圖 1-5 河北深遠(yuǎn)機(jī)械鏈?zhǔn)介_溝機(jī) 圖 1-8 新型刀式礦土復(fù)合型開溝鏈 前言 - 5 - 由于鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的優(yōu)越性，本文所研制的開溝機(jī)決定采用回轉(zhuǎn)鏈?zhǔn)介_溝機(jī)。該機(jī) 集開溝和排土于一體、溝深和溝寬都易于調(diào)節(jié)。當(dāng)?shù)镀惭b角度和排列合理，刃口足 夠銳利時(shí)，土壤切片主要是剪切破壞，可減小阻力，且當(dāng)某個(gè)刀片損壞時(shí)，可方便的 拆卸下來進(jìn)行更換。 1.3 課題研究意義 在國外，連續(xù)式開溝機(jī)己經(jīng)使用的很普遍，地下公用設(shè)施的施工都用專業(yè)開溝機(jī)， 很少使用單斗挖掘機(jī)。在我國，除少數(shù)的單位引進(jìn)國外的連續(xù)式開溝機(jī)外，國產(chǎn)開溝 機(jī)投入使用的較少。隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模越來越大，開溝機(jī)施工工程的規(guī)模也 越來越大，如光纜、電纜和管道的鋪設(shè)等方工作。特別是在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域：大棚作業(yè)、 林地開溝、果樹開溝和施肥等用工量很大的作業(yè)，在我國幾乎都用人工完成，勞動強(qiáng) 度大，效率低，從而很難提高經(jīng)濟(jì)效益。由于果園和林地的環(huán)境條件特殊，而現(xiàn)有的 開溝機(jī)產(chǎn)品大多數(shù)以拖拉機(jī)或履帶式工程機(jī)械為平臺。所以，研發(fā)一種適用于果園等 環(huán)境的開溝機(jī)成為必要。 表 1-1 1yg-8.8 型遙控微耕機(jī)性能參數(shù) 1.48 外型 尺寸 整機(jī)質(zhì)量配套功率遙控范圍液壓提升能力 2.10 3.30 1240740 670 475kg8.8kw50m120kn 各 檔 速 度 km/h 1.67 陜西東明農(nóng)業(yè)科技公司生產(chǎn)的 1yg-8.8 型遙控微耕機(jī)是非常適合應(yīng)用于果園的小 圖 1-9 1yg-8.8 型遙控微耕機(jī) 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的初步設(shè)計(jì) - 6 - 型機(jī)。該機(jī)具有一系列優(yōu)點(diǎn)：遙控、人力兩套操縱系統(tǒng)，可以隨機(jī)操縱，也可以人機(jī) 分離；遙控操縱液壓升降，降低了操作人員的勞動強(qiáng)度；機(jī)具高度僅 65cm，通過性能 好；采用履帶行走裝置，附著力強(qiáng)，爬坡能力大；穩(wěn)定性強(qiáng)，能防止機(jī)具作業(yè)中翻倒 事故。 為了響應(yīng)國家“農(nóng)業(yè)機(jī)械化”的號召，提高農(nóng)民工作效率，本文以 1yg-8.8 型微 耕機(jī)為平臺，初步設(shè)計(jì)了一種鏈刀式開溝機(jī)。這種開溝機(jī)能充分利用微耕機(jī)通過性好 的優(yōu)點(diǎn)，適合在果園、林地等環(huán)境下使用，從而降低農(nóng)民在開溝、施肥時(shí)的勞動強(qiáng)度， 提高工作效率。 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)整體參數(shù)確定 - 7 - 2 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)整體參數(shù)確定 2.1 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù) 開溝機(jī)工作環(huán)境為果園、深度不超過 400mm，溝寬限制在 150mm300mm。鏈刀式 開溝機(jī)的基本參數(shù)為： 開溝寬度 200mm 開溝深度 400mm 鏈條線速度 115m/s 前進(jìn)速度 100300m/h 配套動力 8.8kw 動力輸出軸轉(zhuǎn)速 2400r/m 2.2 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)工作參數(shù)的確定 開溝機(jī)工作鏈刀的速度矢量關(guān)系如圖 2-1 所示，根據(jù)運(yùn)動學(xué)原理，可分別推出開 溝機(jī)的生產(chǎn)率 q 和鏈刀運(yùn)動絕對速度。 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的生產(chǎn)率： （2- 33 0 qbhv200400150/15.6/0.00333/mmmmm hmhms 1） 式中：b溝寬 h溝深 機(jī)組前進(jìn)速度 0 v 由圖 2-1 可知，工作鏈刀的絕對速度： 圖 2-1 工作鏈刀速度矢量圖 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的初步設(shè)計(jì) - 8 - （2-2） 22 00 2cos4.1092.027/ all vvvv vm s 式中： 一刀片絕對速度 a v 一鏈條相對開溝機(jī)的線速度 l v 工作鏈刀與水平面之間的夾角 現(xiàn)有開溝機(jī)的鏈速一般為 v=115m/s，參考果園的土壤情況，鏈速設(shè)計(jì)為 2m/s。 由圖可得： + （2- cos tan sin lo l vv v 3） 由于實(shí)際開溝過程中，所以上式可以簡化為：。則有： l v 0 vtancot 即、近似互余。 2 刀片寬度是刀片在每次切削時(shí)，在鏈寬方向上所切削的土壤寬度?，F(xiàn)挖 200mm 寬 的溝，設(shè)計(jì)由 2 把刀片為一組，并使其排列方式滿足不重不漏，則刀片寬度： 取 20045 77.5 22 bk bmm 70bmm 式中：k開溝鏈寬度 開溝機(jī)當(dāng)量切削厚度，如圖 2-1 所示： 70 4.67mm 1515 c b 對初步選定的刀刃寬度和鏈條節(jié)距，須要檢驗(yàn)其輸送和清除土壤的能力。正確選 擇的切削寬度 b 應(yīng)能滿足下列條件： （2- 1 p qq k 4） 式中：鏈刀按排土能力計(jì)算的生產(chǎn)率() q 3 /mh 土壤松散系數(shù) 根據(jù)土壤系數(shù)表，土壤類型選擇前四類，可確定范圍是： p k (l.011.30) 與鏈條運(yùn)動速度有關(guān)的散開系數(shù)，見表 2-1。 表 2-1 土壤散開系數(shù) （m/s） l v 0.11.01.52.0 0.970.920.850.75 開溝時(shí)，鏈刀組合受到主動鏈輪的驅(qū)動和土壤阻力的作用，刀刃和鏈節(jié)銷釘將發(fā) 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)整體參數(shù)確定 - 9 - 生磨損和振動，為了保證作業(yè)質(zhì)量和避免過分的振動，對鏈刀的運(yùn)動速度須作一定的 限制。本文中取鏈刀線速度為 2.0m/s，對于鏈刀的排土能力的計(jì)算，可以通過工作鏈 刀的水平傾角與土壤的自然休止角進(jìn)行比較得出，其比較原理如下5： 當(dāng)時(shí)arctan r d h l （2-1tan() 2 d lr l qbhv h 5） 當(dāng)時(shí)arctan r d h l （2- cot() 2 r l d h qb h v l 6） 當(dāng)時(shí) r （2- l qb h v 7） 其中：h 鏈刀的高度； 松散土壤的自然休止角。 r 土壤的自然休止角，是指土壤在自然條件下不滑坡的最大傾斜角度。實(shí)際土壤試 驗(yàn)中可以利用休止角測定儀進(jìn)行土壤休止角的測量，但需要根據(jù)土壤的具體情況確定。 根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)給出的常見土壤休止角（表 2-2） ，結(jié)合實(shí)際開溝情況，認(rèn)為亞粘土的休 止角為 3040，取=35。 r 表 2-2 土壤自然休止角 土的名稱干的度數(shù)濕潤度數(shù)潮濕的度數(shù) 細(xì)砂 253020 重粘土 453515 亞粘土 輕粘土 504030 輕亞粘土 403020 腐植土 403525 填方的土 354527 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的初步設(shè)計(jì) - 10 - 鏈刀的高度 h=110mm 鏈刀節(jié)距 =4 42.01mm=168.04mm d l 由于 a=50 arctan3533.20968.209 r d h l 因此取式(2-5)計(jì)算： 164.04 1tan()110 2 1tan(5035)197.494 22 110 d lr l qbhvbb h 由 得 ，計(jì)算可得： 1 p qq k p q k q 0.060bm 為了保證土壤切削后能夠正常的被鏈刀帶出溝，鏈刀的寬度 b 不能小于 60mm。 切削斷面面積 切削斷面面積是在任意位置上，切削寬度與切削厚度的乘積： （2- 2 4.6770326.9 c abmmmmmm 8） 2.3 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的功率計(jì)算 開溝過程中，刀片在土壤中連續(xù)運(yùn)動進(jìn)行切削，被切削下來的土壤，其中一部分 在切削刃前面形成土堆，被刀片帶著向前移動；一部分土壤在擠壓力的作用下越過切 削刃前面的土堆進(jìn)入杯形刀體內(nèi)。由此可見，在開溝過程中刀片除了遇到切削阻力外， 還會遇到土壤進(jìn)入杯形刀體內(nèi)的阻力及帶動土堆的阻力，后二項(xiàng)合稱為裝土阻力。切 削阻力與裝土阻力之和稱為總阻力6。 開溝機(jī)功耗及阻力的計(jì)算方法還不完善，主要通過借鑒其它切削經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算， 且不同的參數(shù)下所使用的經(jīng)驗(yàn)公式也不同，因此探求合適的阻力計(jì)算公式是非常關(guān)鍵 的。 .1 切土阻力切土阻力 切削總阻力計(jì)算公式 7： （2-9） 1.35 90 9.8(0.1 )(10.01 )(1) 180 rsch fcbe 式中：土壤堅(jiān)實(shí)度計(jì)的沖擊次數(shù)，取=15 s c s c 切削厚度 刀片寬度 c b 刀片切削角，對于圓弧形刀片刀片切削角等于后角 2 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)整體參數(shù)確定 - 11 - 刀片尖角計(jì)算系數(shù)，取=0.81 h e h e 將上式中的切削厚度、刀片切削角和刀片厚度作相應(yīng)的調(diào)整后得到單個(gè)刀片的切 削阻力： 1.35 2 90 9.8(0.1 )(10.01 )(1) 180 rsch fcbe 1.35 9012 9.8 15 (0.1 4.67)(10.01 70)(1) 0.81 180 （2-41.035n 10） 開溝機(jī)鏈刀總切削阻力： （2- 41.035 10410.35 tr ff zn 11） 式中：z鏈條上同時(shí)與土壤作用的刀片數(shù)。工作時(shí)有 5 組即約 10 把刀片同時(shí) 切土。 由于刀片受到各種沖擊的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加入動載系數(shù)，一般情況下動載系數(shù) 0 k 取 1.31.58，則 （2- 0 1.3 410.35533.455 tt fkfnn 12） .2 開溝機(jī)功耗計(jì)算開溝機(jī)功耗計(jì)算 開溝裝置總功耗 a) 開溝機(jī)的總切削功耗為： （2-533.4552/1066.91 tta pf vnm sw 13） 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的總切削比功： （2- 3 2 0 1066.91 320.393 / 0.0417/0.084 tt ppw kw j ms qv sm sm 14） 式中：比功，單位立方米作業(yè)量的切削功耗j 溝的斷面面積s 表 2-3 土壤容重 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的初步設(shè)計(jì) - 12 - 土壤級別土壤名稱難易系數(shù)容重 砂和粉砂土 種植土 0.75 15000-16000 12000 輕粘土 小石頭 夾有碎石當(dāng)砂土 0.9 16000 17000 17500 亞粘土 重粘土 干黃土 1.0 18000 17500 18000 重粘土 硬黃土 含石塊的粘土 石塊與粗卵石 1.3 19500 20000 19500 密實(shí)硬黃土 輕質(zhì)泥灰土 不堅(jiān)實(shí)頁巖 巖石 2.0 19500 19000 20000 20000-33000 b) 沿溝深方向提升土壤的功耗 每次切削下來的土壤層的重心都相同，距地面為 0.5h，則 （2-(0.5)0.00333 18000 0.5 0.4 111.988 rp pqh kw 15） 式中，土壤顆粒在鏈刀與溝側(cè)壁間滯塞的可能系數(shù)，取=1 p k p k 土壤容重 土壤容重9是土壤在未破壞的自然結(jié)構(gòu)下，單位容積中的重量，通常以表 3 /n m 示。土壤容重大小反映土壤結(jié)構(gòu)、透氣性、透水性能以及保水能力的高低，一般耕作 層土壤容重 11.8 103n/m3，土層越深則容重越大。各種土壤的容重?cái)?shù)據(jù)見表 2-3。 c) 被運(yùn)送土壤與溝道土壤的摩擦功耗 02 (0.5)cos f pqhh （2-0.00333 18000 (0.5 0.40.015) 0.9 cos5014.390w 16） 式中： 土壤的內(nèi)摩擦系數(shù)，見表 2-4 2 表 2-4 土壤摩擦系數(shù) 土壤名稱內(nèi)摩擦系數(shù)外摩擦系數(shù) 砂0.58 一 0.75 0.73 粘土0.7 一 10.5 一 0.75 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)整體參數(shù)確定 - 13 - 小塊礫石0.9 一 1.1 泥土灰0.75 一 10.6 一 0.75 飽含水分的粘土0.18 一 0.42 碎石 0.90.84 d) 螺旋排土器移動土壤的功耗 （2- 0 5 0.00333 18000 0.4119.88 hb pc qlw 17） 式中：用實(shí)驗(yàn)的方法確定的螺旋排土器土壤阻力系數(shù)，對大多數(shù)土壤取 45 0 c 移動土壤到開溝邊的最大距離，一般取 0.40.5，本文取 0.4 b l 則開溝機(jī)裝置總功耗為： （2- 0 12 119.8814.39011.9881066.91 3466.194 0.7 0.5 hfrt pppp wwww pw 18） 式中： 開溝鏈的傳動效率 1 配套動力到開溝裝置的傳動效率 2 機(jī)組前進(jìn)功耗 傳動機(jī)構(gòu)功耗： （2- 19） 0 0.40.4 3466.1941386.478 w ppww 對于機(jī)組前進(jìn)所受的阻力 fa，可以做受力分析，如圖 2-2，則 (sin)cos att fgff 圖 2-2 機(jī)組前進(jìn)狀態(tài)受力分析 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的初步設(shè)計(jì) - 14 - (475533.455 sin50 ) 0.07533.455 cos50 （2-401.254n 20） 式中：g 一機(jī)器自重 滾動阻力系數(shù)，取=0.079 機(jī)組前進(jìn)功耗： （2- 0 3 401.2540.042/ 1386.4781407.543 0.8 a aw f vnm s ppww 21） 式中：機(jī)器行走的傳動效率 3 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的總功耗為： （2- 0 3466.1941407.5434873.737 a pppwww 22） 2.4 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)總體參數(shù)的確定 根據(jù)相關(guān)農(nóng)藝要求，開溝深度不超過 400mm，溝寬限制在 150mm 至 300mm，設(shè)計(jì)參 數(shù)定為溝寬 b=200mm、溝深 h=400mm、土壤為亞粘土，整機(jī)前進(jìn)速度為 150m/h，理論生 產(chǎn)率 15.6，鏈條線速度 2.0m/s，工作鏈刀與水平方向所成角度約為 50。根據(jù) 3 /mh 這些條件，得出所設(shè)計(jì)的開溝機(jī)參數(shù)，如表 2-5 所示。 表 2-5 開溝機(jī)總體參數(shù) 鏈刀切削厚度 4.67mm 單個(gè)刀片的切削阻力 41.035n 開溝機(jī)的總切削功耗 1.067kw 開溝裝置總功耗 3.466kw 機(jī)組前進(jìn)功耗 1.408kw 總功耗 4.874kw 小結(jié) 本章介紹了鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的工作原理，根據(jù)工作環(huán)境、農(nóng)藝要求以及動力學(xué)分析結(jié) 果，確定了溝寬、溝深、整機(jī)前進(jìn)速度、鏈速、生產(chǎn)率、切土阻力、切削功耗、總功 耗、比功、切削厚度等基本參數(shù)。 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)整體參數(shù)確定 - 15 - 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及 pro/e 概念造型 - 15 - 3 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與 pro/e 概念造型 本文所研制的開溝機(jī)以陜西東明農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的 1yg-7.5 型多功能遙控 微耕機(jī)為平臺，主要由微耕機(jī)、附加減速箱、掛接機(jī)構(gòu)和開溝裝置四部分組成。開溝 裝置通過掛接機(jī)構(gòu)連接在微耕機(jī)后部，微耕機(jī)輸出軸的動力經(jīng)鏈傳動后，輸入到開溝 裝置主軸。鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖 3-1 所示。 圖 3-1 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)結(jié)構(gòu)圖 3.1 掛接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) .1 掛接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與掛接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與 pro/epro/e 造型造型 農(nóng)具的連接方式有牽引式和懸掛接兩種10。牽引式連接是將農(nóng)具鉸接在拖拉機(jī)后 端牽引桿的掛鉤上，農(nóng)具的重量由它本身的地輪支撐，工作時(shí)農(nóng)具的升降和耕深是由 農(nóng)具手通過操縱機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。這使得農(nóng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、笨重，機(jī)組的機(jī)動性和通過 性較差，并且勞動強(qiáng)度大。目前，牽引連接方式只用于少數(shù)農(nóng)具和運(yùn)輸作業(yè)。 懸掛式連接是將農(nóng)具懸掛在拖拉機(jī) 上，它們組成一個(gè)整體，駕駛員可以在 拖拉機(jī)上直接控制農(nóng)具的升降和進(jìn)行耕 深控制。這樣就使農(nóng)具的結(jié)構(gòu)簡單、重 量輕，機(jī)組的機(jī)動性好，無需另外加配 農(nóng)具操作人員，有利于提高勞動生產(chǎn)率。 當(dāng)懸掛式連接采用液壓系統(tǒng)作為提升動 力后，可以實(shí)現(xiàn)耕深自動調(diào)節(jié)，改善了 勞動條件和提高了作業(yè)質(zhì)量。懸掛式連 接還可以改變拖拉機(jī)的受力狀態(tài)，有利 于改善拖拉機(jī)機(jī)的牽引性能11。 圖 3-2 東方紅 75 液壓懸掛機(jī)構(gòu) 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的初步設(shè)計(jì) - 16 - 本文的開溝裝置通過掛接機(jī)構(gòu)連接在微耕機(jī)后部。通過微耕機(jī)的液壓系統(tǒng)控制液 壓缸，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的升降，微耕機(jī)動力輸出軸的動力經(jīng)鏈傳動后，輸入到開溝 裝置主軸和主動鏈輪。參考已有開溝機(jī)的掛接機(jī)構(gòu)，并充分考慮微耕機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸和 應(yīng)用環(huán)境的要求，設(shè)計(jì)開溝機(jī)的掛接機(jī)構(gòu)如圖 3-4 所示。 掛接機(jī)構(gòu)主要由支架和下部的兩個(gè)支撐桿組成。支架上有固定主軸軸承座的螺栓 孔、安裝液壓缸的耳環(huán)和連接梁的鉸接孔。安裝時(shí)先將架的尾端鉸接在微耕機(jī)尾座上， 然后再將支撐桿下部的銷與微耕機(jī)底盤上的耳環(huán)連接起來。這樣的設(shè)計(jì)主要是充分利 用微耕機(jī)已有的尾座支架，盡量不做改動，從而降低成本。針對此掛接機(jī)構(gòu)，需對微 耕機(jī)做以下調(diào)整：將后支架的離地高度調(diào)為 420mm， （通過改變傾角實(shí)現(xiàn)） 。 設(shè)計(jì)過程必須做到以下三點(diǎn)： 圖 3-4 掛接結(jié)構(gòu)造型圖 圖 3-3 掛接機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及 pro/e 概念造型 - 17 - 保證主軸離地高度約 500mm。 保證主軸軸線與微耕機(jī)后座孔的距離 400mm。 將底盤向后延長 50mm，目的是為了焊接支撐桿的耳環(huán)，保證連接強(qiáng)度。 .2 減速器及鏈傳動設(shè)計(jì)減速器及鏈傳動設(shè)計(jì) 如圖 3-6 所示，微耕機(jī)后動力輸出軸的轉(zhuǎn)矩通過鏈傳動傳遞給開溝裝置的主動鏈 輪。設(shè)計(jì)減速箱的目的是為了解決原微耕機(jī)的行進(jìn)速度過高(三個(gè)擋位：檔 1480m/h，擋 2100m/h，擋 3300m/h)的問題，通過附加減速箱的設(shè)計(jì)既能使原有微 耕機(jī)的動力輸出軸的轉(zhuǎn)動方向改變，又可以達(dá)到降低行進(jìn)速度的目的。由前一章的計(jì) 算可知，鏈條的線速度 2m/s，微耕機(jī)上的動力常柴 l12 柴油機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速為 2400r/min，所以設(shè)計(jì)附加減速器為兩級圓柱直齒輪減速器，其設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如表 3-1。 表 3-1 附加減速箱技術(shù)參數(shù) 減速級模數(shù)傳動比齒數(shù)比總傳動比 12.52.47447/19 231.23337/30 3 傳動路線圖： 圖 3-5 微耕機(jī)原傳動路線圖 圖 3-6 加減速箱后的傳動路線圖 加減速器后微耕機(jī)的行進(jìn)速度為 150m/h。附加加速器到開溝裝置主軸之間選用鏈 傳動。由計(jì)算得變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速 409.32r/min，主動鏈輪的線速度 2m/s，且考慮到 變速箱輸出與主動軸輸入處空間的限制，選用標(biāo)準(zhǔn)傳動用 a 系列滾子鏈 10a12。鏈條 及鏈輪尺寸如表 3-2、3-3 所示。 表 3-2 10a 型滾子鏈的主要尺寸 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的初步設(shè)計(jì) - 18 - 鏈號 節(jié)距 mm 內(nèi)鏈節(jié) 內(nèi)寬 mm 內(nèi)鏈節(jié) 外寬 mm 內(nèi)鏈板 高度 mm 排距 mm 單排 質(zhì)量 kg/m 單排極限 拉伸載荷 n 10a15.8759.4013.8415.0918.111.021800 表 3-3 傳動鏈輪的技術(shù)參數(shù) 主動輪 z1=12d1=61.34mm 從動輪 p=15.875mm z2=22d2=111.56mm 傳動比 i=1.863 則鏈條的線速度 2 219.728 / min 22 15.875 1.279/ 60 100060 1000 n zpr vm s 由計(jì)算知，開溝裝置功耗 3466.194w，且有： 開溝鏈傳動效率 0.88（） 1 滾動軸承傳動效率 0.98（） （3 對） 2 傳動鏈傳動效率 0.95（） （雙排） 3 則可得出傳動鏈傳送功率： 12223 4404.98 p pn 有效拉力 10001000 4404.98 3444.097 1.279/ pw fn vm s 軸上載荷 1.21.2 1.2 3444.0974959.45 qa fk fn 其中，取 1.2，中等沖擊。 a k 由于，所以傳動鏈?zhǔn)前踩摹? qq ff 3.2 開溝裝置的設(shè)計(jì)與 pro/e 造型 開溝裝置是工作部件，由主軸組合、從動軸組合、排土器組合、鏈刀組合、機(jī)架 組合，其結(jié)構(gòu)如圖 3-7 所示。 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及 pro/e 概念造型 - 19 - 圖 3-7 開溝裝置造型 .1 鏈刀組合的設(shè)計(jì)計(jì)算鏈刀組合的設(shè)計(jì)計(jì)算 鏈刀組合圍繞在主動鏈輪、機(jī)架組合和從動輪鏈上， 考慮到微耕機(jī)總長 1.25m，整機(jī)的尺寸不能過大，確定 兩個(gè)鏈輪中心距不得大于 lm。查閱現(xiàn)有資料中開溝機(jī) 的鏈速一般為 v=115m/s，綜合考慮微耕機(jī)的輸出轉(zhuǎn) 速和果園及林地的土壤硬度，選定開溝鏈線速度 2m/s，則由計(jì)算得開溝機(jī)主軸轉(zhuǎn)速 409.32r/m。 鏈刀組合的虛擬裝配主要用骨架裝配的方法13，其 pro/e 造型如圖 3-8 所示。 開溝寬度為 200mm，且刀片切削刃寬度一般不小于 20 mm，由于鏈寬略小于刀具刃 寬，確定采用單排鏈，在溝寬方向兩把刀片左、右依次排列。綜合考慮功率、轉(zhuǎn)速及 刀片安裝等因素選用黃山恒久鏈傳動公司生產(chǎn)的開溝機(jī)專用鏈，其主要尺寸見表 3-4。 表 3-4 開溝鏈的主要尺寸 鏈 板鏈號 chain no. 節(jié)距 pitch mm t/t mm h mm h1 mm h mm e mm e1 mm e2 mm e3 mm d1 mm 2250gl-m342.014.931.833.360.369.841.32.925.49.95 銷 軸節(jié)距 pitch mm 節(jié)距 pitch mm 內(nèi)鏈節(jié) 內(nèi)寬 mm d mm l1 mm l2 mm 每米 凈重 kg/m 圖 3-8 鏈刀組合造型 鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的初步設(shè)計(jì) - 20 -