臥式旋耕機(jī)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、1引言: 旋耕機(jī)是指由動力驅(qū)動刀軸旋轉(zhuǎn)，對田間土壤實(shí)施耕，耙作業(yè)的耕耘機(jī)械。旋耕 機(jī)與其他耕作機(jī)相比，具有碎土充分，耕后地表平整，減少機(jī)組下地次數(shù)及充分發(fā)揮 拖拉機(jī)功率等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在大田和保護(hù)地作業(yè)。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)機(jī)械 化是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的基本方向.隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷改革深入，功能齊全，機(jī)動 性好，操作性好，能夠提高經(jīng)濟(jì)效益的旋耕機(jī)成為了必要需求。 2設(shè)計(jì)要求： 1）負(fù)責(zé)總體設(shè)計(jì)，完成機(jī)架及刀軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 2）要求使用三維CAD軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)并完成模擬裝配，完成必要的裝配圖及零件 圖。 3） 技術(shù)參數(shù)：旋耕軸轉(zhuǎn)速 200-260 r/min 滅茬軸轉(zhuǎn)速 450-500 r/min

2、 3設(shè)計(jì)說明書 3.1按工作部件的配置和作業(yè)方式，旋耕機(jī)可分為下列幾類: 3.1.1工作部件繞與機(jī)具前進(jìn)方向相垂直的水平軸旋轉(zhuǎn)切削土壤，如臥式旋耕機(jī)圖 （3-1 ）。 圖3-1臥式旋耕機(jī) 1-側(cè)邊傳動箱；2-刀軸；3-罩殼；4-拖板 3.1.2工作部件除繞水平軸旋轉(zhuǎn)切土外，同時又繞它自身的軸線旋轉(zhuǎn)，又稱旋轉(zhuǎn)鍬 圖（3-2 ）。 3-2旋轉(zhuǎn)鍬工作圖 3.1.3工作部件繞與地面垂直或傾斜的軸線旋轉(zhuǎn)切土，如立式旋耕機(jī)圖（3-3） 3-3立式旋耕機(jī)工作圖 臥式和立式旋耕機(jī)具有良好的碎土性能和拌和能力，旋轉(zhuǎn)鍬適合原行翻壟。根據(jù) 設(shè)計(jì)要求和適合的土地情況，以及采取的折疊方式，選取旋耕機(jī)為臥式旋耕機(jī)。 3.

3、1.4臥式旋耕機(jī)分類 臥式旋耕機(jī)又分為正臥式旋耕機(jī)和反轉(zhuǎn)臥式旋耕機(jī)，為了適應(yīng)自己設(shè)計(jì)的要求， 和考慮到工作條件，最后定為正轉(zhuǎn)臥式旋耕機(jī)。 3.2臥式旋耕機(jī)的總體設(shè)計(jì) 3.2.1 旋耕機(jī)與拖拉機(jī)的連接 旋耕機(jī)與拖拉機(jī)有三點(diǎn)懸掛，直接連接二種連接方式。 三點(diǎn)懸掛式旋耕機(jī)如圖（3-4），拖拉機(jī)的三點(diǎn)懸掛裝置與旋耕機(jī)的懸掛連接。動 力由拖拉機(jī)動力輸出軸通過萬向節(jié)伸縮傳動軸傳遞至旋耕機(jī)第一軸，驅(qū)動旋耕機(jī)工 作。旋耕機(jī)的懸掛架設(shè)計(jì)參數(shù)主要根據(jù)拖拉機(jī)的三點(diǎn)懸掛裝置參數(shù)，萬向伸縮軸與拖 拉機(jī)動力輸出軸，旋耕機(jī)第一軸之間的夾角1. 2和機(jī)組的田間通過性等約束條件 繪制機(jī)動圖來確定。要求耕作時夾角1. 2不超過1

4、0地頭轉(zhuǎn)彎提升旋耕機(jī)離地 100250mm時，夾角 1. 2不超過30切斷輸出動力，提升旋耕機(jī)到最高位置時， 機(jī)下的通過高度一般不小于 400mm，萬向節(jié)伸縮軸和軸套至少應(yīng)有 40mm的重疊量。 還應(yīng)考慮到在最大耕深和提升到最高位置時，機(jī)架和旋耕刀不碰到拖拉機(jī)。 圖3-4拖拉機(jī)-三點(diǎn)懸掛旋耕機(jī)機(jī)組的機(jī)動圖 1-拖拉機(jī)動力輸出軸；2-萬向節(jié)伸縮傳動軸；3-旋耕機(jī)第一軸 Hmax-最大提升高度；a 1萬向節(jié)伸縮傳動軸與拖拉機(jī)動力輸出軸的夾角； a2萬向萬向節(jié)伸縮傳動軸與旋耕機(jī)第一軸的夾角 三點(diǎn)懸掛式旋耕機(jī)能與多種的拖來及配套，所以決定使用三點(diǎn)懸掛的方式進(jìn)行 懸掛旋耕機(jī)。 3.2.2旋耕機(jī)與拖拉機(jī)的

5、配置 旋耕機(jī)相對于拖拉機(jī)有正，偏二種配置形式。一般與大中型拖拉機(jī)配套的旋耕機(jī) 的耕幅超過拖拉機(jī)后輪（或履帶）外緣間距10cm以上時采用正配置，與中小型拖拉 機(jī)配套的旋耕機(jī)，一般采用偏配置。目的足消除輪轂，使地表與中小型拖拉機(jī)配套 的旋耕機(jī)，一般采用偏配置。目的足消除輪轂，使地表平整，耕幅超出輪胎（或履 帶）外緣的距離C應(yīng)大于5-10cm,耕幅窄的取最小值。為了適應(yīng)旋耕機(jī)的折疊，采 用正配置的放置方式，同時也可以與大型的拖拉機(jī)配合。 3.2.3耕幅的計(jì)算 為了適應(yīng)國內(nèi)的一般拖拉機(jī)的功率和設(shè)計(jì)的旋耕軸轉(zhuǎn)速200-260r/mi n,前進(jìn)速度 為2-5km/h，拖拉機(jī)功率為88.2KW，旋耕機(jī)耕幅與

6、拖拉機(jī)功率之間有以下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系： B=0.26 0.29 VN 式中 B旋耕機(jī)耕幅（m） N-拖拉機(jī)發(fā)動機(jī)的額定功率（KW） B=0.29* V88.2=2.8m 所以得到耕幅為2.8m。 324旋耕機(jī)的傳動和變速 三點(diǎn)懸掛旋耕機(jī)有中間傳動和側(cè)邊傳動二種形式。中間傳動系統(tǒng)由萬向節(jié)伸縮 傳動軸和中間齒輪箱組成；側(cè)邊傳動系統(tǒng)由萬向節(jié)伸縮傳動軸，中間齒輪箱和側(cè)邊傳 動箱組成圖（3-5）。 圖3-5旋耕機(jī)傳動 a側(cè)邊傳動b中間傳動 1-萬向節(jié)伸縮傳動軸 2-旋耕刀軸 考慮到旋耕機(jī)的折疊情況，采用中間傳動，將齒輪箱安在旋耕機(jī)中間部分。 a萬向節(jié)伸縮傳動軸（農(nóng)用萬向節(jié)傳動軸） 萬向節(jié)伸縮傳動軸是將拖拉機(jī)動力

7、傳遞給三點(diǎn)懸掛旋耕機(jī)的傳動件，它能適應(yīng)旋 耕機(jī)的升，降而變化的夾角和長度。由于旋耕機(jī)作業(yè)時承受變載荷，工作條件嚴(yán)酷， 因此萬向節(jié)伸縮傳動軸的關(guān)鍵部分-十字軸應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和可靠性。一般使用 載重卡車用十字軸總成。按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全技術(shù)要求，農(nóng)用萬向節(jié)傳動軸應(yīng)帶塑料防 護(hù)罩。 b中間傳動齒輪箱 拖拉機(jī)的輸出動力經(jīng)萬向節(jié)伸縮傳動軸傳給圓錐齒輪副減速并改變方向后，經(jīng)三 個圓柱齒輪傳遞到輸出軸，帶動刀刀軸分為左，中，右三個部分安裝在齒輪箱兩側(cè)。 這種齒輪箱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是布局緊湊合理，傳動路徑短，以其為核心部件形成旋耕機(jī)對稱 機(jī)架，剛性較強(qiáng)。適用于寬幅旋耕機(jī)。缺點(diǎn)是箱體寬度內(nèi)不能布置旋耕刀，會出漏耕 帶。

8、325臥式旋耕機(jī)的機(jī)架結(jié)構(gòu) 中小型臥式旋耕機(jī)的機(jī)架主體都是由中間傳動箱體，左右主梁，側(cè)板和側(cè)邊傳動 箱體（或雙側(cè)板）組成的倒U型平面結(jié)構(gòu)，且基礎(chǔ)件由左右主梁與中間箱體分段聯(lián)結(jié) 組成，雖然結(jié)構(gòu)簡單緊湊，但強(qiáng)度和剛性一般。對于本次的設(shè)計(jì)，為了達(dá)到折疊的要 求，機(jī)架要分為三部分，左，中，右，要連接，且可以實(shí)現(xiàn)可以回轉(zhuǎn)，滿足折疊要求， 機(jī)架與刀軸連接要有軸承槽。圖（3-6）。 圖3-6平面框式機(jī)架示意圖 根據(jù)耕幅的要求和折疊的功能要求，中間的機(jī)架長度定為2m，寬度定為700mm, 采用焊接鋼材，同時在兩端要焊接銷連接的栓，兩端下部分焊接支架。 三點(diǎn)懸掛式旋耕機(jī)總體布置如圖（3-7），為中間傳動旋耕機(jī)，

9、傳動箱前下方裝有 消除漏耕的小犁體。 圖3-7旋耕機(jī)三點(diǎn)懸掛 三點(diǎn)懸掛有U型框架式，A型框架式，連桿式和桿式，每種掛接器的尺寸必須符 合GB17121的相關(guān)規(guī)定，四點(diǎn)剛性掛接器，可以將機(jī)具剛性的固定在拖拉機(jī)。 本設(shè)計(jì)中機(jī)架將采用 A型框式掛接器如圖（3-8）,國標(biāo)GB/T17127.1-1998規(guī)定 了 U型框架式掛接器的尺寸及與機(jī)具有關(guān)的尺寸。根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊上冊表1-4-5 和表1-4-6 可得: 掛接器立柱銷垂直距離hl為687mm；下連接銷內(nèi)肩間距L1為1168mm; 下連接銷內(nèi)肩外間距L2為1361mm; 掛接器立柱銷直徑為30mm; 圖3-8 A型框架 3.3臥式旋耕機(jī)的運(yùn)動參

10、數(shù) 3.3.1旋耕刀的運(yùn)動軌跡，旋耕速度比和耕層底部凸起高度 正轉(zhuǎn)旋耕機(jī)作業(yè)時，旋耕刀上各點(diǎn)的運(yùn)動軌跡均為余擺線。刀端點(diǎn)的運(yùn)動軌跡圖 （3-8）可用下列方程式表示： X=Rcos3 t + vmt Y=- Rsin 3t 式中Vm-機(jī)組前進(jìn)速度（m/s） R-旋耕刀的回轉(zhuǎn)半徑（mm） co-旋耕刀的回轉(zhuǎn)角速度（rad/s） 3 t旋耕刀的轉(zhuǎn)角（rad） 旋耕刀端點(diǎn)的回轉(zhuǎn)切線速度與機(jī)組前進(jìn)速度之比定義為旋耕速比兀 入=r mv 帶入上式得 X= R（cos 3 t + /okt） Y=-R sin ot 上述公式表示，當(dāng)入值不同時，旋耕刀的運(yùn)動軌跡和切削土壤的形狀各不相同，旋耕速 比越大，切土節(jié)

11、距越小。 根據(jù)本課題的設(shè)計(jì)要求，根據(jù)計(jì)算的公式入=Rom其中R根據(jù)國標(biāo)去IT245為 245mm,根據(jù)旋耕的轉(zhuǎn)速n=200-260 rpm, o =20.2rad / s , 前進(jìn)速度為 5 km / h。 所以 k=245* 0.02 / 1.4 = 3.5 耕后耕層底部出現(xiàn)波浪形的凸起，其高度a除與旋耕速比入和旋耕刀回轉(zhuǎn)半徑R 有關(guān)外，還與旋耕刀軸單元切屑區(qū)域內(nèi)圓周設(shè)置的刀片個數(shù) Z 有關(guān)，其關(guān)系如下： a / R=1-cos n / z（入1） 旋耕機(jī)刀軸單元切屑區(qū)域內(nèi)圓周設(shè)置刀片個數(shù) Z=2 時，凸起高度比較適中， 同時 對于旋耕速比 8.75也是可以適用的。 3.3.2切土節(jié)距和碎土

12、質(zhì)量 土壟的水平縱向厚度S稱為切土節(jié)距，可用下式計(jì)算： S=6000 vm / nz=n R / 5 kz 式中 Vm -機(jī)組前進(jìn)速度（m/s） R -旋耕刀的回轉(zhuǎn)半徑（mm） n -刀軸轉(zhuǎn)速（r/min） 根據(jù)已知條件和公式可以計(jì)算得出： S=3.14*245/5*3.5*2=9cm 切土節(jié)距的大小直接影響碎土質(zhì)量和耕地平整度。由上述公式可知，降低機(jī)組前 進(jìn)速度，提高刀軸的轉(zhuǎn)速和增加每切削小區(qū)內(nèi)的刀片數(shù)，都能減小切土節(jié)距，提高碎 土質(zhì)量。但是機(jī)組前進(jìn)速度過慢，生產(chǎn)率降低；刀軸轉(zhuǎn)速過快，功率消耗大；刀片數(shù) 增多，刀間的空隙小，容易堵泥纏草。因此切土節(jié)距不能選擇過小。同時切土節(jié)距加 大時在一定的

13、耕深a的情況下，耕層底部未耕的凸起高度，即耕底不平度也加大。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求以及使用的場合，決定選取切削節(jié)距為9 cm。 333旋耕刀有效隙角的驗(yàn)算 如圖(3-9)所示，旋耕刀正切刃在切土過程中如果隙角 0則外磨刃面或與未 耕土接觸，或擠入未耕土中，增加功率消耗，嚴(yán)重時甚至使旋耕機(jī)劇烈跳動，耕深變 淺，以致不能正常工作。因此推薦旋耕刀作業(yè)時的有效隙角取13 有效隙角的驗(yàn) 算方法： 1- 電 式中 1 -公稱隙角 -無效隙角 公稱隙角厶1是與旋耕刀正切刃設(shè)計(jì)參數(shù)公稱切土角 V，刃角iv運(yùn)動參數(shù)有關(guān) 的變量。 圖3-9公稱起土角與公稱隙角 = v - 0- i 式中 v -旋耕刀正切刃的公稱切土角，

14、GB/T5669-1995中規(guī)定的 IT245和IT260旋耕刀的V值分別為40 和37.5 0 -圓周切線與余擺切線的夾角 iv -旋耕刀正切刃縱向截面上的刃磨角 上式中v和iv為定值，0值則為變量。由式子可以看出0值增大，則 1變小。0 角是隨著旋耕速度比和旋耕刀回轉(zhuǎn)瞬間位置而變化的變量 0 = arctg Vk(2-k) / 九1+ k 式中九旋耕速比 K-瞬間位置刃口至耕底的距離 d，與刃口回轉(zhuǎn)半徑R的比值，K=d/R 該設(shè)計(jì)中耕深為14cm，當(dāng)外磨刃面回轉(zhuǎn)到地表入土位置時，計(jì)算得刃口與耕底距 離 d，=13.2cm, k=0.539，所以計(jì)算得 0 =16 17 q = 3 43 在

15、旋耕刀切土的過程中B角在不斷變化，當(dāng)刃口至耕底的距離為d/=(I) /4 即K=(入1) /曲寸，B角達(dá)到該速比下的最大值，0 max = arctg(2 -1/ 2 -1),但通 常耕深dR(入-1)/故,驗(yàn)算時所取的0 maXl為刃口處于地表入土位置時的數(shù)值。 無效隙角厶迄是旋耕刀正切刃外磨刃面成為余擺線的弦時，該弦與余擺線切線構(gòu) 成的夾角圖(3-10) 圖3-10無效隙角 q = arcs in (h 7 2 p) 式中 h縱向截面上外磨刃面的寬度 p 余擺線的曲率半徑 嚴(yán)j (1 - K- J 根據(jù)上式帶入計(jì)算： q = arcs in ( h 72 p) 1 49 滬 1 54 驗(yàn)算

16、結(jié)論是：IT245旋耕刀在許可工作條件范圍內(nèi)使用，其最小有效隙角為 1 54不會發(fā)生外磨刃面干涉未耕土現(xiàn)象，其設(shè)計(jì)是合理的。 3.4臥式旋耕機(jī)的功率消耗 3.4.1刀軸受力計(jì)算與校核 刀輥軸的外徑為 70mm，內(nèi)徑60mm，壁厚5mm,截面面積1020.5mm 刀軸受到的最大扭矩為： T 刀軸=9550* （P 刀軸 /N 刀軸）=88.2/237.4=3548 Nm 旋耕刀產(chǎn)生的阻力矩： 旋耕機(jī)作業(yè)時，旋轉(zhuǎn)的彎刀對土壤進(jìn)行切削、破碎及拋擲，土壤便反作 用 于 彎刀上，從而形成了土壤阻力。由于在整個切削土壤的過程中，耕深由小到大，切割 的土壤面先是由小到大，然后又由大到小，彎刀的位置也在不斷變

17、化著，所以土壤阻 力的大小、方向及作用點(diǎn)在整個切削土壤的過程中都在變化。通常旋耕刀所受的軸向 力垂直于平面很小，可忽略。為了便于分析，在此將阻力 F沿X，Z兩坐標(biāo)軸分解成 Fx,Fz兩分力，又可將F沿作用點(diǎn)Q的法線，切線方向分解成兩分力，即法向力Fn, 切向力Fr,此時，切向力Fr對刀軸的旋轉(zhuǎn)中心產(chǎn)生一阻力矩 M，其大小為： M=Fr * r 式中r-力F的作用點(diǎn)Q至旋轉(zhuǎn)中心的距離圖。 刀軸的力學(xué)模型分析： 7 / / X A / / X / 17 |h ry + Z 1 . ri /X / / / 廠廠h * rr - 1” . 1 L 刀軸工作時每把刀片相間入土，承受彎曲、扭轉(zhuǎn)復(fù)合載荷作用

18、。就受彎而言，刀 軸的力學(xué)模型可簡化為一受若干集中載荷作用的簡支梁，集中載荷的位置和角度由刀 片的排列方式確定，刀軸任意截面處的彎矩方程為： K 1-1 工二一厶） M （.r） = / _ / * 工 丿（ P2 -液壓缸回油腔背壓，初算時無法確定，按機(jī)械工程簡明設(shè)計(jì)手冊表3-6估計(jì), 單位為Mpa; d/D-活塞桿直徑與液壓缸內(nèi)徑之比，可按機(jī)械工程簡明設(shè)計(jì)手冊表3-7??； F-工作循環(huán)中最大外負(fù)載，單位為 N Ffc -液壓缸密封處的摩擦力，單位為 N; 可按下式估算 F +Ffc =F / n cm 式中n cm -液壓缸的機(jī)械效率，一般 n cm=090.97 可求得： D=y4F/

19、冗 P1 n cm1- P2 / P1 1-(d/D) 可得結(jié)果： P1 = 9.8 Mpa；P2 = 0.4 Mpa d/D=0.7F=5000N 通過計(jì)算得: D = 26.9mm 活塞桿直徑可由d/D值算出，由計(jì)算得的D與d值分別按機(jī)械工程簡明手冊表 3-8與表 3-9圓整刀相近的標(biāo)準(zhǔn)直徑，以便采用標(biāo)準(zhǔn)的密封元件。 選取液壓缸內(nèi)徑D尺寸為32mm,活塞桿直徑d尺寸為25mm在中低壓系統(tǒng)中，壁 厚根據(jù)結(jié)構(gòu)工藝性的要求來確定，通常不必校核。 選取材料為灰鑄鐵，許用應(yīng)力(7單位Mpa 按材料力學(xué)的壁厚圓筒公式進(jìn)行壁厚計(jì)算： 三 D/2 V( 7 +0.4Py-1.3 7)-1 計(jì)算得： 三 1

20、3.12 液壓缸壁厚算出后，即可求出缸體的外徑 D1 D1 三 D+2S =45.12 取 D1 為 50mm 液壓缸工作行程的確定，可根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際工作的最大行程來確定，并參照機(jī) 械工程簡明手冊表 3-11 選取標(biāo)準(zhǔn)值?？紤]到本使用場合，選取液壓缸活塞桿行程為 400mm。 缸蓋厚度的確定，一般液壓缸多為平底缸蓋，其有效厚度可按下式計(jì)算 無孔時 T 三 0.433 D2 VPy/門 有孔時 T三 0.433 D2 VpD2 / 7(D2一 d0) 式中 t -缸蓋有效厚度，單位為mm； D2 -缸蓋止口內(nèi)徑，單位為mm； d0 -缸蓋孔的直徑，單位為 mm； 通過計(jì)算得： t= 31mm

21、最小導(dǎo)向長度 H 的確定 當(dāng)活塞桿全部外伸時，從活塞支撐面中點(diǎn)到缸蓋滑動支撐面中點(diǎn)的距離 H 稱為最小 導(dǎo)向長度，最小導(dǎo)向長度 H 應(yīng)滿足下列要求 H 三(L/20) +(D/2)= 36mm 取H為36mm 式中L -液壓缸的最大行程，單位為 mm； D -液壓缸的內(nèi)徑，單位為mm 活塞寬度B，一般取B= （0.61.0） D=0.8*32=25.6mm ;缸蓋滑動支撐面的長度I,當(dāng) D80mm,取 1= （0.61.0） D=0.7*32=22.4mm ; 缸體長度的確定 液壓缸缸體內(nèi)部長度應(yīng)等于活塞的行程與活塞的寬度之和，為825.6mm。缸體外形 長度還要考慮兩端端蓋的厚度，為855.6mm。一般液壓缸缸體長度不應(yīng)大于內(nèi)徑的 2030倍。 4.總體裝配圖 如圖(3-21,3-22 ) 圖3-21總裝配圖正視圖 圖3-22 總裝配圖右視圖 結(jié)論 本設(shè)計(jì)要求對旋耕機(jī)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)旋耕機(jī)的折疊，解決超寬問題，并且分析了 旋耕機(jī)的工作原理，旋耕刀的運(yùn)動軌跡，旋耕機(jī)的功耗及配套動力的選用，在旋耕機(jī) 配套動力選用中論述了不同土質(zhì)旋耕比阻的差異，以及旋耕機(jī)其他配合使用的機(jī)架， 罩殼，漏耕裝置，在折疊部分采用了液壓的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)合理的液壓缸，滿足折疊的要 求。本設(shè)計(jì)中難度最大在于折疊部分，這部分對傳動的要求比較高