單人林業(yè)挖坑機(jī)測(cè)試裝置設(shè)計(jì)【含13張CAD圖紙】,含13張CAD圖紙,單人,林業(yè),挖坑,測(cè)試,裝置,設(shè)計(jì),13,CAD,圖紙 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 題 目： 單人林業(yè)挖坑機(jī)測(cè)試裝置設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 專 業(yè)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 單人林業(yè)挖坑機(jī)測(cè)試裝置設(shè)計(jì) 摘要 挖坑機(jī)動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)(扭矩和入土阻力)與其影響因素(鉆頭轉(zhuǎn)速、鉆頭進(jìn)給速度、土壤質(zhì)地、土壤硬度、土壤濕度)以及工作部件結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)理論研究。測(cè)試裝置是進(jìn)行研究的必備條件，為此需要自行研制挖坑機(jī)動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)室內(nèi)測(cè)試裝置。該測(cè)試裝置能根據(jù)測(cè)試要求，改變各影響因素值,采用傳感器電測(cè)方法，通過采集系統(tǒng)，在挖坑作業(yè)全過程中，實(shí)現(xiàn)對(duì)力學(xué)參數(shù)的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)記錄，在營(yíng)林機(jī)械有關(guān)挖坑機(jī)研究領(lǐng)域是一項(xiàng)創(chuàng)新。 挖坑機(jī)鉆頭的幾何參數(shù)和工況范圍，以及它們之間的組合，對(duì)挖坑機(jī)的工作質(zhì)量和功率消耗有著極大的影響。多年來，人們除對(duì)挖坑機(jī)的生產(chǎn)效率、振動(dòng)和噪聲等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試和研究外，還對(duì)工作部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)及土壤狀況對(duì)機(jī)器性能的影響等作過一定程度的研究。因?yàn)橥诳訖C(jī)是一種土壤作業(yè)機(jī)械，工作對(duì)象是土壤,機(jī)器性能的優(yōu)劣與其工作部件和土壤間相互作用關(guān)系有關(guān),即受工作部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)、作業(yè)參數(shù)及土壤狀況等多種因素影響。因此，進(jìn)行挖坑機(jī)工作部件與土壤間相互作用關(guān)系的研究是十分重要而有意義的一項(xiàng)基礎(chǔ)研究。 關(guān)鍵字：挖坑機(jī)，測(cè)試裝置，動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)，測(cè)試 The design review of tester for the Single forestry digging machines Abstract It is an important basic theoretical study for the relationship between the digging machine’s dynamic mechanical parameters (torque and feed resistance) and its influencing factors (drill rotation speed, drill feed speed, soil composition, soil hardness, soil humidity) and working parts, structural parameters. The tester is the necessary condition for the study, therefore the authors developed the new tester of the digging machine’s dynamic mechanical parameters for testing data. The tester can change the values of influencing factors according to experiment demands. The authors logged the data of dynamic mechanical parameters in the whole process of digging exercise through the electromotive method by precision sensors and computer data logger system. This bring forth a new idea in the field of digging machine related to afforestation machinery. The geometric parameter and operating condition range of the drill of digging maching,as well as the combination between them,which have a great influence on the quality of work and power consumption of it.Over the years, people in addition to the production efficiency of digging machines, vibration and noise and other indicators of testing and research, but also on the working parts of the structure parameters, operating parameters and soil conditions on the performance of the machine made a certain degree of impact studies. Because digging machine is a soil working machine, the work object is the soil, the merits of their work performance of the machine components and the interaction between soil related, that is subject to the structural parameters of the working parts, the operating parameters and soil conditions and other factors . Therefore, the work carried out digging machine parts and interaction between soil studies are very important and meaningful one basic research. Key words :digging machine, tester, dynamic mechanical parameters, test 目錄 第一章 緒論 1 1.1引言 1 1.2 國(guó)內(nèi)外挖坑機(jī)的研究現(xiàn)狀與分類、設(shè)計(jì)要求 1 1.2.1 國(guó)內(nèi)外挖坑機(jī)的研究現(xiàn)狀 1 1.2.2 挖坑機(jī)的分類與設(shè)計(jì)要求 7 1.3設(shè)計(jì)小型挖坑機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)的必要性及目的、意義 8 1.3.1 設(shè)計(jì)小型植樹造林挖坑機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)的必要性 8 1.3.2 課題研究的目的和意義 8 第二章 測(cè)試裝置總體設(shè)計(jì)比較和選擇 10 2.1總體方案的確定 10 2.2性能測(cè)試裝置系統(tǒng)各組成部件的比較和選擇 10 第三章 系統(tǒng)各組件設(shè)計(jì) 13 3.1 機(jī)構(gòu)部分 13 3.2 土壤槽 28 3.3電測(cè)裝置 30 第四章 性能測(cè)試實(shí)驗(yàn) 36 4.1 扭矩傳感器測(cè)試實(shí)驗(yàn) 36 4.2 轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)試實(shí)驗(yàn) 37 4.3 拉壓力傳感器測(cè)試實(shí)驗(yàn) 37 第五章 總結(jié)與展望 39 致謝 40 參考文獻(xiàn) 41 附錄 42 第一章 緒論 1.1引言 從國(guó)家林業(yè)局公布的第五次全國(guó)森林資源調(diào)查結(jié)果來看，目前我國(guó)森林資源現(xiàn)狀是：林業(yè)用地面積為 26329.5 萬 hm2；森林面積為15894.1 萬 hm2；活立木總蓄積量為 124.9億 m3；森林蓄積量為 112.7億m3；除臺(tái)灣省外，全國(guó)人工林面積為46666.7 萬hm2；人工林蓄積為 10.1 億 m3。從以上調(diào)查數(shù)字可以看出，全國(guó)森林覆蓋率為16.55%，僅相當(dāng)于世界森林覆蓋率(27%)的 61.3%； 我國(guó)人均森林面積和人均森林蓄積分別相當(dāng)于世界人均水平的 1/5和 1/8，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界平均水平。我國(guó)在“十五”規(guī)劃中，把生態(tài)環(huán)境建設(shè)擺到了突出的戰(zhàn)略位置。我國(guó)三北及長(zhǎng)江流域防護(hù)林體系建設(shè)工程、退耕還林工程、速生豐產(chǎn)用材林基地建設(shè)工程等六大林業(yè)重點(diǎn)工程的制定和實(shí)施，體現(xiàn)了黨中央、國(guó)務(wù)院對(duì)我國(guó)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的高度重視，受到社會(huì)各界廣泛關(guān)注，農(nóng)民群眾普遍歡迎。近年來，人們?cè)絹碓街匾暽磉叺纳鷳B(tài)環(huán)境，“植樹造林，保護(hù)環(huán)境”已成為全民參與的一項(xiàng)大型義務(wù)活動(dòng)。然而，人工造林效率低、速度慢且勞動(dòng)強(qiáng)度大，而機(jī)械化造林則是大勢(shì)所趨，不僅可以提高勞動(dòng)效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，還能保證造林質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益?；蚋笠?guī)模、更廣領(lǐng)域、更高水平方向發(fā)展。 1.2 國(guó)內(nèi)外挖坑機(jī)的研究現(xiàn)狀與分類、設(shè)計(jì)要求 1.2.1 國(guó)內(nèi)外挖坑機(jī)的研究現(xiàn)狀 在國(guó)內(nèi)，懸掛式挖坑機(jī)的生產(chǎn)和應(yīng)用較為廣泛，內(nèi)蒙古赤峰田豐農(nóng)林機(jī)械廠、山東大豐機(jī)械有限公司、哈爾濱林業(yè)福馬機(jī)電設(shè)備公司及寧夏自治區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所等10余家單位進(jìn)行了研究、制造和銷售。該類挖坑機(jī)通常具有較大的功率，機(jī)動(dòng)性較強(qiáng)，能挖較大和較深的坑，大多應(yīng)用于大面積植樹造林，應(yīng)用范圍也比較廣。 內(nèi)蒙赤峰田豐農(nóng)林機(jī)械廠生產(chǎn)的3WH-60型懸掛式挖坑機(jī)（如圖 1-1 所示），結(jié)構(gòu)合理，使用方便靈活，易于操作，每小時(shí)可挖 80~150 個(gè)坑。其可與多種型號(hào)36.8kW 以上拖 拉機(jī)配合使用，用于大面積植樹造林及工業(yè)挖坑。挖坑直徑 250~600mm，深度0~1200mm，適用于平原、丘陵及沙地作業(yè)。 圖 1-1 3WH-60型縣掛式挖坑機(jī) 山東大豐機(jī)械廠生產(chǎn)的“大豐王”系列挖坑機(jī)WKJ-60/70（如圖1-2所示）可與 18.4k~36.8kW的多種拖拉機(jī)配合使用，挖坑直徑400~800mm（可根據(jù)用戶要求特別制作），深度650~800mm，轉(zhuǎn)速248 r/min，每小時(shí)可挖60個(gè)坑。 圖 1-2 WKJ-60/70挖坑機(jī) 哈爾濱林業(yè)福馬機(jī)電設(shè)備公司生產(chǎn)的懸掛式挖坑機(jī)（如圖1-3所示）可與鐵牛40.4kW 或18.4kW以上的具有動(dòng)力輸出和懸掛裝置的拖拉機(jī)配套，挖坑直徑為250~600mm，挖 坑深度為0~800mm，挖坑效率為120坑/h。 圖 1-3 懸掛式挖坑機(jī) 手提式挖坑機(jī)在我國(guó)剛剛嶄露頭角，適用于家庭或地形復(fù)雜地區(qū)的小面積植樹造林，也可用于打樁和樹木追肥挖坑。如哈爾濱林業(yè)福馬機(jī)電設(shè)備公司生產(chǎn)的3WS-2.8型手提式挖坑機(jī)（如圖1-4所示），采用051A-1型發(fā)動(dòng)機(jī)，最大功率為2.8kW，轉(zhuǎn)速為280~320r/min，挖坑尺寸（坑徑×深度）為φ320mm×500mm，質(zhì)量為17.6kg。該機(jī)主要應(yīng)用于地形復(fù)雜的山地、丘陵區(qū)和溝壑區(qū)，在坡度35°以下的荒山荒地、次生林地以及黃土高原的溝坡進(jìn)行挖坑或整地。 圖 1-4 3WS-2.8型手提式挖坑機(jī) 國(guó)內(nèi)的一些林業(yè)高等院校和科研院所也對(duì)挖坑機(jī)進(jìn)行了一些研究分析，關(guān)于挖坑機(jī)的論文大約有幾十篇，涉及鉆頭升土理論及鉆頭臨界轉(zhuǎn)速的研究、鉆頭螺旋面強(qiáng)度的分析以及螺旋升角的選擇問題，還得出了在不同條件下的挖坑機(jī)的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)，指出了鉆頭轉(zhuǎn)矩的主要影響因素，對(duì)挖坑機(jī)的一些結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定起到了指導(dǎo)作用，為國(guó)內(nèi)挖坑機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理了論支持。其中北京林業(yè)大學(xué)的劉會(huì)敏、茅也冰、王乃康教授進(jìn)行過對(duì)于單人挖坑機(jī)的測(cè)試裝置進(jìn)行了深入研究，利用先進(jìn)的測(cè)試手段,通過電測(cè)方法和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，搞清挖坑機(jī)的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)(如鉆頭的工作扭矩和入土阻力等)與工作裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)(如鉆尖型式、刀片型式與角度、螺旋翼片型式與升角等)、作業(yè)參數(shù)(如鉆頭轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等)，以及土壤條件(如土壤質(zhì)地、土壤濕度、土壤硬度等)的相互作用關(guān)系，并從相互作用的普遍性原則出發(fā)，建立定量化的數(shù)學(xué)模型，這將對(duì)挖坑機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、作業(yè)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)率和機(jī)器適用性的提高起到重要作用。 相比之下，國(guó)外的研究狀況要好一些。由日本生產(chǎn)的自走式高性能挖坑整地機(jī)采用柴油機(jī)作動(dòng)力，行走腳與輪胎組合行走裝置為全液壓式，平時(shí)用輪胎行駛，坡地靠行走腳行走，適用于坡度高達(dá)56°的陡坡林地作業(yè)。作業(yè)時(shí)，4只腳可上下、左右移動(dòng)，并能保證包括駕駛室在內(nèi)的機(jī)器上半部始終呈水平狀態(tài)。該機(jī)的液壓臂端部可安裝液壓式割灌機(jī)或挖坑機(jī),每天可挖植樹坑300~400個(gè)，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用。日本生產(chǎn)的A-7型手提式挖坑機(jī)（如圖 1-5（a）所示）質(zhì)量?jī)H為7.0kg，采用H35D發(fā)動(dòng)機(jī)；A—8D型挖坑機(jī)（如圖1-5（b）所示）可挖坑徑范圍為20~200mm。 圖 1-5 日本生產(chǎn)的挖坑機(jī) 德國(guó)生產(chǎn)的 BT120C 型挖坑機(jī)（如圖1-6所示）發(fā)動(dòng)機(jī)功率1.3kW，質(zhì)量8.2kg，鉆頭轉(zhuǎn)速190r/min，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩1.7N·m，鉆頭的轉(zhuǎn)矩79.0N·m。 圖 1-6 德國(guó)產(chǎn)BT120C型挖坑機(jī) 英國(guó)生產(chǎn)的05H8300 型懸掛式挖坑機(jī)（如圖1-7所示）和美國(guó)生產(chǎn)的懸掛式三鉆頭挖坑機(jī)（如圖 1-8所示）鉆頭之間的距離是可調(diào)節(jié)的（即行距可調(diào)），適用于平原地區(qū)的大面積植樹造林，工作效率很高。 圖 1-7 英國(guó)產(chǎn) 05H8300 式挖坑機(jī) 圖 1-8 美國(guó)產(chǎn)懸掛式鉆頭挖坑機(jī) 美國(guó)和加拿大生產(chǎn)的手提式挖坑機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)與鉆頭采用分離式，通過液壓傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)鉆頭工作。美國(guó)生產(chǎn)的HYD-TB11H 型液壓挖坑機(jī)（如圖1-9所示）質(zhì)量為170kg，最大流量為22.7L/min，最大轉(zhuǎn)速為141r/min，鉆頭最大扭矩349N·m。 圖 1-9 美國(guó)產(chǎn)HYD-TB11H型液壓挖坑機(jī) 美國(guó)生產(chǎn)的MDL-5B型挖坑機(jī)（如圖1-10所示）發(fā)動(dòng)機(jī)采用動(dòng)力為4.1kW的BS Intek Pro OHV。圖1-9和圖1-10所示的挖坑機(jī)在工作時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)離操作者有較遠(yuǎn)的距離，大大減少了噪音對(duì)操作者的影響，充分考慮了人-機(jī)工程學(xué)原理；有的手提式挖坑機(jī)安裝了1個(gè)支點(diǎn)（即輪子），使挖坑機(jī)的攜帶比較方便，工作時(shí)還可以把挖坑機(jī)的反向轉(zhuǎn)矩釋放給輪體，減小操作者手上的反向力矩，增加其安全性，并減輕了操作者的疲勞程度。 ` 圖 1-10 美國(guó)產(chǎn)MDL-5B型挖坑機(jī) 挖坑機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)： 1.一機(jī)多能 在我國(guó)，植樹造林具有季節(jié)性和區(qū)域性的特點(diǎn)，機(jī)具作業(yè)時(shí)間短，間隔時(shí)間長(zhǎng)，單一性能機(jī)具的年利用率很低，因此在今后的設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量考慮一機(jī)多用問題。具體措施：一是更換不同的鉆頭，適應(yīng)不同的土壤條件和工作環(huán)境；二是設(shè)計(jì)通用機(jī)架， 在更換其它工作部件后即可完成其他營(yíng)林作業(yè)項(xiàng)目，提高其利用率。 2.人機(jī)和諧 凡是人使用的各種機(jī)械設(shè)備，都應(yīng)進(jìn)行完善的人-機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)，以使其符合人的心理與生理學(xué)特性，從而最大限度地減輕使用者的操作疲勞和心理負(fù)擔(dān)，能夠使人舒適和高效率地工作，使整個(gè)人-機(jī)系統(tǒng)具有最和諧的人機(jī)關(guān)系和最優(yōu)的綜合效能。同時(shí)，要盡量減少噪音對(duì)操作者的影響，還需要考慮手提式挖坑機(jī)反向轉(zhuǎn)矩對(duì)操作者的安全問題，盡量把轉(zhuǎn)矩通過機(jī)械裝置釋放一些，提高操作者的安全系數(shù)。 3.應(yīng)用范圍 挖坑不僅適用于平原、沙地和丘陵，還能夠用于山地和溝壑；不僅適用于坡度56°以下的陡坡林地的整地挖坑，而且還適用于35°以下的坡地挖坑造林。 1.2.2 挖坑機(jī)的分類與設(shè)計(jì)要求 挖坑機(jī)的種類很多。如果按與配套動(dòng)力的掛接方式對(duì)其進(jìn)行分類，可分為懸掛式挖坑機(jī)；手提式挖坑機(jī)、牽引式挖坑機(jī)和自走式挖坑機(jī)。按挖坑機(jī)上配置的鉆頭數(shù)量可分為單鉆頭、雙鉆頭和多鉆頭挖坑機(jī)。挖坑機(jī)的鉆頭根據(jù)形狀可分為螺旋式鉆頭、螺旋帶型鉆頭、葉片型鉆頭和螺旋齒式鉆頭等。 對(duì)于懸掛式挖坑機(jī)，機(jī)器懸掛在拖拉機(jī)上主要用于地形平緩或拖拉機(jī)可以通行的地方，鉆頭的升降由拖拉機(jī)手通過拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)操縱，挖坑直徑和深度都比較大，也可以多鉆頭同時(shí)作業(yè)。 對(duì)于手提式挖坑機(jī)，機(jī)器與汽油發(fā)動(dòng)機(jī)裝配成整體，由單人或雙人手提操作，質(zhì)量較輕，適用于拖拉機(jī)不能通過的地形復(fù)雜的山地、丘陵和溝壑地區(qū)，挖坑直徑和深度都比較小，也可用于果樹的追肥及埋設(shè)樁柱。 牽引式挖坑機(jī)的機(jī)器裝在小車上，由拖拉機(jī)牽引，掛接方便，不受拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)限制，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)動(dòng)性差。 自走式挖坑機(jī)設(shè)計(jì)成整體自走式，挖坑機(jī)本身自帶動(dòng)力，通過性較好，技術(shù)含量和自動(dòng)化程度較高，價(jià)格昂貴。 后兩種挖坑機(jī)由于局限性較大，在我國(guó)應(yīng)用較少。單鉆頭挖坑機(jī)在我國(guó)應(yīng)用比較普遍，多鉆頭挖坑機(jī)則比較少見。挖坑機(jī)的鉆頭形狀多為螺旋式或螺旋帶型。 隨著挖坑機(jī)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)挖坑機(jī)的設(shè)計(jì)和功用方面也有了一些要求 1.挖坑機(jī)所挖出的坑徑與坑深應(yīng)滿足栽植樹木的要求。挖出的坑徑要有較好的垂直度，坑壁應(yīng)整齊，但不宜太光滑，否則不利于根系的生長(zhǎng)。 2.在貧瘠的土地上挖樹坑時(shí)，要求出土率在90%以上，以便在坑內(nèi)添加肥料和表土回填，改善樹木的生長(zhǎng)條件；在肥土層較厚的土地上挖植樹坑時(shí)，可以有 25%~40%的松土留在坑內(nèi)。挖坑時(shí)，拋出土應(yīng)在坑的周圍，拋土半徑不應(yīng)太大，以便回填方便。 3.根據(jù)造林技術(shù)要求，有時(shí)挖坑與造林不是相繼進(jìn)行的。此時(shí)，挖坑土壤可不出坑，只要求鉆頭破碎草皮、切斷灌根、排出石塊、疏松土壤，以便蓄水保墑與熟化土壤，這種挖坑又叫穴狀整地。 1.3設(shè)計(jì)小型挖坑機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)的必要性及目的、意義 1.3.1 設(shè)計(jì)小型植樹造林挖坑機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)的必要性 國(guó)內(nèi)的一些林業(yè)高等院校和科研院所對(duì)挖坑機(jī)進(jìn)行了一些研究分析，關(guān)于挖坑機(jī)的論文大約有幾十篇，涉及鉆頭升土理論及鉆頭臨界轉(zhuǎn)速的研究、鉆頭螺旋面強(qiáng)度的分析以及螺旋升角的選擇問題，還得出了在不同條件下的挖坑機(jī)的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)，指出了鉆頭轉(zhuǎn)矩的主要影響因素，對(duì)挖坑機(jī)的一些結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定起到了指導(dǎo)作用，為國(guó)內(nèi)挖坑機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理了論支持。其中北京林業(yè)大學(xué)的劉會(huì)敏、茅也冰、王乃康教授進(jìn)行過對(duì)于單人挖坑機(jī)的測(cè)試裝置進(jìn)行了深入研究，利用先進(jìn)的測(cè)試手段,通過電測(cè)方法和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，搞清挖坑機(jī)的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)(如鉆頭的工作扭矩和入土阻力等)與工作裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)(如鉆尖型式、刀片型式與角度、螺旋翼片型式與升角等)、作業(yè)參數(shù)(如鉆頭轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等)，以及土壤條件(如土壤質(zhì)地、土壤濕度、土壤硬度等)的相互作用關(guān)系，并從相互作用的普遍性原則出發(fā)，建立定量化的數(shù)學(xué)模型，這將對(duì)挖坑機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、作業(yè)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)率和機(jī)器適用性的提高起到重要作用。 1.3.2 課題研究的目的和意義 挖坑機(jī)鉆頭的幾何參數(shù)和工況范圍，以及它們之間的組合，對(duì)挖坑機(jī)的工作質(zhì)量和功率消耗有著極大的影響。多年來,人們除對(duì)挖坑機(jī)的生產(chǎn)效率、振動(dòng)和噪聲等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試和研究外,還對(duì)工作部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)及土壤狀況對(duì)機(jī)器性能的影響等作過一定程度的研究。因?yàn)橥诳訖C(jī)是一種土壤作業(yè)機(jī)械,工作對(duì)象是土壤,機(jī)器性能的優(yōu)劣與其工作部件和土壤間相互作用關(guān)系有關(guān),即受工作部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)、作業(yè)參數(shù)及土壤狀況等多種因素影響. 因此,進(jìn)行挖坑機(jī)工作部件與土壤間相互作用關(guān)系的研究是十分重要而有意義的一項(xiàng)基礎(chǔ)研究。 挖坑機(jī)是一種整地挖坑作業(yè)機(jī)械，通過鉆頭的旋轉(zhuǎn)和向下進(jìn)給來完成對(duì)土壤的加工處理，使土壤達(dá)到人們要求的狀態(tài)。而土壤的最終狀態(tài)與鉆頭的結(jié)構(gòu)形狀、作業(yè)參數(shù)及土壤的初始狀態(tài)有著相互作用關(guān)系。 為了深入研究以上各參數(shù)間的定量關(guān)系，合理選擇和確定設(shè)計(jì)參數(shù)，利用先進(jìn)的測(cè)試手段，通過電測(cè)方法和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，搞清挖坑機(jī)的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)（如鉆頭的工作扭矩和入土阻力等）與工作裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)（如鉆尖型式、刀片型式與角度、螺旋翼片型式與升角等）、作業(yè)參數(shù)（如鉆頭轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等）,以及土壤條件（如土壤質(zhì)地、土壤濕度、土壤硬度等）的相互作用關(guān)系，并從相互作用的普遍性原則出發(fā),建立定量化的數(shù)學(xué)模型是非常必要的。它必將對(duì)挖坑機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、作業(yè)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)率和機(jī)器適用性的提高起到重要作用。 挖坑機(jī)鉆頭旋轉(zhuǎn)工作時(shí)，受到眾多阻力的影響，包括鉆尖切土阻力、刀片切土阻力、土壤升運(yùn)阻力等。這些阻力綜合表現(xiàn)為鉆頭工作時(shí)所受阻扭矩的大小。故采用裝在變速電機(jī)與鉆頭軸箱之間的動(dòng)態(tài)扭矩傳感器測(cè)得該扭矩。另外，鉆頭向下作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，鉆頭受到土壤的入土阻力，可以通過裝在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的兩條傳動(dòng)鏈上的兩個(gè)拉壓傳感器測(cè)得。扭矩和入土阻力受多種因素影響，在什么情況下使鉆頭轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和進(jìn)給速度、向下的壓力達(dá)到最佳值,即為本次研究的重點(diǎn)。 第二章 測(cè)試裝置總體設(shè)計(jì)比較和選擇 2.1總體方案的確定 研究土壤與機(jī)器相互作用關(guān)系有田間試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)兩種方式。田間試驗(yàn)得在實(shí)際作業(yè)條件下進(jìn)行，但實(shí)際條件變化多樣,影響試驗(yàn)結(jié)果，難以得出確定的因果關(guān)系,因而很難獲得規(guī)律性結(jié)果。本次試驗(yàn)采用室內(nèi)試驗(yàn)方法,其優(yōu)點(diǎn)是它可在人為控制的條件下，進(jìn)行重復(fù)測(cè)試，不受自然條件的限制,容易實(shí)現(xiàn)相同條件下的“單因子”試驗(yàn)，因而更便于進(jìn)行精確的測(cè)量和研究，找出具有普遍指導(dǎo)意義的性能方程，可作為科學(xué)研究、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的依據(jù)。 試驗(yàn)采用自行研制的室內(nèi)試驗(yàn)裝置，模擬挖坑機(jī)鉆頭的工作狀況，對(duì)室內(nèi)土槽中的土壤進(jìn)行挖坑作業(yè)，通過應(yīng)用電測(cè)技術(shù)采集系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和研究。 自行研制的室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備可以模擬挖坑機(jī)工作狀況，由機(jī)械裝置、電測(cè)裝置及土槽等3部分組成。能夠較好地完成各項(xiàng)研究,填補(bǔ)了該研究領(lǐng)域的空白。 測(cè)試所考慮的影響因素有鉆頭轉(zhuǎn)速、鉆頭進(jìn)給速度、土壤質(zhì)地、土壤硬度、土壤濕度5個(gè)因素。 單因素測(cè)試是將5個(gè)影響因素中的其中4個(gè)因素值固定( 選接近中間值的水平) ，然后，改變第5個(gè)因素的不同水平進(jìn)行測(cè)試，為保證測(cè)試的準(zhǔn)確性，每次測(cè)試重復(fù)幾次，取平均值，最后通過數(shù)據(jù)分析看出在其他條件相同的情況下，同一因素的不同水平對(duì)挖坑機(jī)動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)(扭矩和進(jìn)給阻力)的影響.本試驗(yàn)共5個(gè)因素,每因素有4個(gè)水平,故單因素試驗(yàn)須做4×5=20次，方可得出初步結(jié)論。 2.2性能測(cè)試裝置系統(tǒng)各組成部件的比較和選擇 據(jù)挖坑機(jī)力學(xué)參數(shù)測(cè)試及研究的需要，測(cè)試裝置的功能應(yīng)包括三個(gè)方面：①能模擬挖坑機(jī)實(shí)際動(dòng)態(tài)工作狀況；②能改變工作時(shí)的各影響因素值，可根據(jù)試驗(yàn)需要,隨時(shí)改變作業(yè)參數(shù)的大小及方向；③能夠?qū)崟r(shí)測(cè)試挖坑機(jī)鉆頭工作時(shí)的動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)。 要完成上述三項(xiàng)功能，對(duì)試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)提出以下要求：①在試驗(yàn)裝置全部工作過程中能達(dá)到穩(wěn)定的運(yùn)轉(zhuǎn)工況；②能夠十分準(zhǔn)確而平順地改變鉆頭的轉(zhuǎn)速；③能夠完成鉆頭升降運(yùn)動(dòng),并能控制其速度；④能夠安裝試驗(yàn)所需的各種動(dòng)態(tài)傳感器；⑤能夠?qū)崿F(xiàn)試驗(yàn)用土壤模擬真實(shí)土壤的組成及層次結(jié)構(gòu)；⑥能夠改變和控制試驗(yàn)土壤的各種參數(shù)，原則上在一定時(shí)間或次數(shù)內(nèi)恢復(fù)土壤的原組構(gòu)狀況；⑦準(zhǔn)確控制每次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，保證測(cè)量與控制的同步性；⑧測(cè)試裝置先進(jìn)、可靠,具有一定的抗干擾性，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并保證高準(zhǔn)確度；⑨電路控制能夠手動(dòng)或自動(dòng)完成,并有符合功能要求的電控柜；⑩整個(gè)試驗(yàn)裝置設(shè)置在室內(nèi)，并可以做到重復(fù)再現(xiàn)每次試驗(yàn)。 2.2.1　性能測(cè)試裝置的組成 根據(jù)上述要求，本次研制的試驗(yàn)裝置由機(jī)械部分、土壤槽、電測(cè)裝置等三部分組成。參考圖2-1進(jìn)行設(shè)計(jì)。 圖2-1　挖坑機(jī)動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)測(cè)試及研究試驗(yàn)裝置 1.機(jī)構(gòu)部分 測(cè)試裝置機(jī)械部分必須能模擬挖坑機(jī)的實(shí)際工作狀況，并可根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試需要改變各種影響因素。所以，機(jī)械部分由以下部件組成。 試驗(yàn)用鉆頭是根據(jù)理論計(jì)算，自行設(shè)計(jì)、加工的螺旋型鉆頭。由連接法蘭、鉆桿、螺旋翼片、切土刀片及鉆尖等組成。鉆頭旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置采用變頻調(diào)速電機(jī)，通過蝸輪蝸桿減速器、動(dòng)態(tài)扭矩傳感器和聯(lián)軸器安裝試驗(yàn)用鉆頭，并驅(qū)動(dòng)其旋轉(zhuǎn)。同時(shí)通過動(dòng)態(tài)扭矩傳感器可以準(zhǔn)確測(cè)出傳動(dòng)軸上的扭矩。 鉆頭升降驅(qū)動(dòng)裝置可以考慮液壓升降裝置、電機(jī)的鏈傳動(dòng)升降裝置和電機(jī)的皮帶傳動(dòng)升降裝置。液壓升降裝置廣泛應(yīng)用于叉車等機(jī)器中，因其下落的過程為變速運(yùn)動(dòng)，較難測(cè)出挖坑機(jī)在一定下落速度下的參數(shù)；電機(jī)的皮帶傳動(dòng)升降裝置在這里需要帶動(dòng)挖坑機(jī)與小車的上下移動(dòng)，對(duì)皮帶的強(qiáng)度要求比較大；電機(jī)的鏈傳動(dòng)升降裝置是以鏈輪帶動(dòng)小車與挖坑機(jī)上下以特定的速度移動(dòng)，可以很好的測(cè)出挖坑機(jī)在一定的下落速度下的參數(shù)，同時(shí)鏈條的強(qiáng)度要比皮帶要大，可以實(shí)現(xiàn)安全帶動(dòng)升降臺(tái)與挖坑機(jī)升降運(yùn)動(dòng)，因此這里鉆頭升降裝置選取電機(jī)的鏈傳動(dòng)升降裝置來實(shí)現(xiàn)。電機(jī)的鏈傳動(dòng)升降裝置由帶無級(jí)變速器的制動(dòng)電機(jī)及鏈傳動(dòng)裝置組成并且可以實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。鉆頭升降傳動(dòng)裝置是由鏈輪、鏈條、傳動(dòng)軸、軸承及軸承殼等組成。動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速器傳出，減速器輸出軸上的主動(dòng)鏈輪經(jīng)鏈條傳到裝在升降機(jī)構(gòu)下部的從動(dòng)鏈輪，鏈輪的動(dòng)力帶動(dòng)軸另一端的鏈輪，并同時(shí)驅(qū)動(dòng)裝在機(jī)架兩側(cè)的兩根鏈條做上下運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)固定在封閉鏈條上的升降臺(tái)做上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉆頭的入土和提升。 升降臺(tái)用以安裝鉆頭及旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置并實(shí)現(xiàn)鉆頭的提升和入土，小車兩側(cè)各有兩個(gè)滾輪,嵌在由槽鋼制成的升降導(dǎo)軌中，小車由組成閉環(huán)的兩根鏈條帶動(dòng)，使其沿導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)；為使小車不出現(xiàn)偏斜，在小車兩側(cè)各安裝了一個(gè)側(cè)向滾輪。 機(jī)架由鋼板、槽鋼及角鋼等型鋼焊接而成，試驗(yàn)裝置的各組成部件均安裝其上。土壤槽安放在作為測(cè)試裝置底座的固定底座上，使土壤槽位置固定，以保證試驗(yàn)順利進(jìn)行。 根據(jù)測(cè)試要求，所設(shè)計(jì)的電控柜和控制電路主要用來控制兩個(gè)電機(jī)的動(dòng)作。鉆頭旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置的電機(jī)控制電路，它控制電機(jī)的起動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)；鉆頭升降驅(qū)動(dòng)裝置的電機(jī)控制電路，它控制電機(jī)的起動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)，并對(duì)行程開關(guān)進(jìn)行控制。 2.土壤槽 土壤槽是保證試驗(yàn)順利進(jìn)行的重要組成部分。鉆頭的工作軌跡為一圓形，因此，土壤槽的形狀以圓形為宜。土壤槽底部設(shè)有過濾層，最底層是卵石層，向上依次為小碎石層、河砂層，最上層為試驗(yàn)用工作土壤。 各層間鋪有尼龍細(xì)網(wǎng)(或其他隔層過濾材料)。土壤槽底部鉆出小孔，用來排出多余的水份；為滿足鉆頭工作時(shí)拋土半徑的需要，在土壤槽上部設(shè)計(jì)為的護(hù)土托盤。試驗(yàn)土槽所用土壤有砂土、砂壤土、粘土和石質(zhì)山地土等4種。 3.電測(cè)裝置 為了準(zhǔn)確測(cè)出試驗(yàn)中各參數(shù)值的大小，需要設(shè)置精密的電測(cè)裝置,即各種傳感器。傳感器是將所測(cè)得的非電量值轉(zhuǎn)化為電量值的一種儀器。置中共設(shè)置5個(gè)傳感器，分別是動(dòng)態(tài)扭矩傳感器(1個(gè))、拉壓力傳感器(2個(gè))和轉(zhuǎn)速傳感器(2個(gè))。 4.其他裝置 本試驗(yàn)作用對(duì)象為土壤，因而土壤硬度計(jì)、土壤水份速測(cè)儀、土壤壓實(shí)裝置和小型叉車也是必不可少的。 測(cè)試臺(tái)工作時(shí)，由電控柜按鈕控制鉆頭旋轉(zhuǎn)和升降電機(jī)的起動(dòng)、停止以及正反轉(zhuǎn)，使鉆頭平穩(wěn)工作。首先,起動(dòng)電控柜上的“鉆頭正轉(zhuǎn)”按鈕,使鉆頭旋轉(zhuǎn)起來，然后，按下“鉆頭下降”按鈕，此時(shí)鉆頭向下進(jìn)給，開始挖坑工作；同時(shí)，動(dòng)態(tài)扭矩傳感器和拉壓力傳感器上測(cè)出的數(shù)據(jù)。鉆頭旋轉(zhuǎn)速度和進(jìn)給速度通過轉(zhuǎn)速傳感器由數(shù)字儀表上讀出。當(dāng)升降小車下降碰到下止點(diǎn)限位開關(guān)時(shí)，進(jìn)給自動(dòng)停止。此時(shí)，一個(gè)進(jìn)給挖坑過程結(jié)束，停止數(shù)據(jù)采集。當(dāng)按下“鉆頭上升”按扭時(shí)，鉆頭向上提升，小車碰到上止點(diǎn)限位開關(guān)時(shí)，小車停止；按下“鉆頭停止”按扭，結(jié)束試驗(yàn)。 第三章 系統(tǒng)各組件設(shè)計(jì) 3.1 機(jī)構(gòu)部分 測(cè)試裝置機(jī)構(gòu)械部分必須能模擬挖坑機(jī)的實(shí)際工作狀況，并可根據(jù)測(cè)試需要改變各種影響因素。所以，機(jī)構(gòu)部分由以下部件組成如圖3-1所示。 1.鉆頭旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置 2.升降臺(tái) 3.拉壓力傳感器 4.鏈條1 5.土壤槽 6.機(jī)架 7.三相異步電動(dòng)機(jī) 8.鏈輪 l9.鏈條2 10.限位開關(guān) 圖3-1 機(jī)構(gòu)部分結(jié)構(gòu)圖 1.鉆頭旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置 市場(chǎng)上大部分挖坑機(jī)采用發(fā)動(dòng)機(jī)作為挖坑機(jī)的動(dòng)力裝置，但在實(shí)驗(yàn)時(shí)需要改變轉(zhuǎn)頭的轉(zhuǎn)速，并使其進(jìn)行勻速的轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣才能更好的測(cè)出挖坑機(jī)的轉(zhuǎn)速與其工作參數(shù)的關(guān)系，因而，在本實(shí)驗(yàn)中，鉆頭旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置采用變頻調(diào)速電機(jī)，通過安裝試驗(yàn)用鉆頭，并驅(qū)動(dòng)其旋轉(zhuǎn),其結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。目前市場(chǎng)上單人挖坑機(jī)的汽油機(jī)功率大多為1.3kW，轉(zhuǎn)矩為1.7kW，根據(jù)電機(jī)需要的使用要求和目前市場(chǎng)的情況，因而電機(jī)選用型號(hào)為YP2112M-4型變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)（無錫新大力電機(jī)有限公司生產(chǎn)），此電機(jī)的主要參數(shù)如表3-1所示： 型號(hào) 額定功率（kW） 額定轉(zhuǎn)速 （r/min） 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 最大轉(zhuǎn)矩 質(zhì)量 （kg） 額定轉(zhuǎn)矩 額定轉(zhuǎn)矩 YP2112M-4 4.0 1440 2.45 3.0 49 表3-1變頻調(diào)速電機(jī)參數(shù)表 電機(jī)的特點(diǎn)： 額定頻率：50Hz，也可根據(jù)用戶確定額定的電壓與頻率。 電動(dòng)機(jī)調(diào)速范圍：3~100Hz，低于額定頻率以下為恒轉(zhuǎn)矩輸出，高于額定頻率以上為恒功率輸出，在矢量控制的條件下，調(diào)速范圍還可以擴(kuò)大。 工作方式：連續(xù)工作制。 接法：4KW以下為Y接，4KW以上為Δ接，本實(shí)驗(yàn)采用Y接。 此電機(jī)具有調(diào)頻性能好、節(jié)能、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩性能好、過載能力強(qiáng)、低速性能好、噪聲低、振動(dòng)小、運(yùn)行安全可靠、外形美觀等特點(diǎn)，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)來說通過準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩淖兺诳訖C(jī)鉆頭轉(zhuǎn)速也是很必要的。對(duì)比以前的實(shí)驗(yàn)裝置，通過電動(dòng)機(jī)加無級(jí)變速器來實(shí)現(xiàn)變速來說，本實(shí)驗(yàn)裝置更為簡(jiǎn)單化，通過調(diào)節(jié)電機(jī)的頻率來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的改變也使得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確。 1.變頻調(diào)速電機(jī) 2.摩擦式離合器組件 3.傳動(dòng)軸 4.聯(lián)軸器 5.動(dòng)態(tài)扭矩傳感器 6.鉆頭7.蝸輪蝸桿減速器 圖3-2 鉆頭旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖 在電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)挖坑機(jī)鉆頭進(jìn)行工作時(shí)，為了保護(hù)電動(dòng)機(jī)工作時(shí)受到一些損壞，本實(shí)驗(yàn)采用摩擦式離合器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行一些保護(hù)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)離合器的飛盤轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)飛盤上的摩擦片對(duì)壓盤產(chǎn)生摩擦力帶動(dòng)壓盤轉(zhuǎn)動(dòng)離合轉(zhuǎn)速為700r/min，離合器裝配圖如圖3-3所示。 1.離合器飛盤 2.軸銷 3.墊片 4摩擦片 5.壓盤 圖3-3 摩擦式離合器裝配圖 壓盤與蝸輪蝸桿減速器7連接，蝸輪帶動(dòng)傳動(dòng)軸3轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使挖坑機(jī)鉆頭減速至170-200r/min進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電動(dòng)機(jī)通過蝸輪蝸桿減速器來降低轉(zhuǎn)速來提高鉆頭挖坑時(shí)的扭矩，以達(dá)到挖坑作業(yè)時(shí)所需要的扭矩，根據(jù)現(xiàn)有的蝸輪蝸桿減速器蝸輪齒數(shù)為36，蝸桿頭數(shù)為5，所以傳動(dòng)比為7.2，符合電動(dòng)機(jī)到鉆頭的減速要求蝸輪蝸桿減速器組件圖如圖3-4所示。 1. 減速箱體 2.離合器壓盤 3.螺釘 4.注油孔蓋 5.蝸輪 6.傳動(dòng)軸1 7.蝸桿8.圓柱銷 9.蝸輪箱蓋 圖3-4 蝸輪蝸桿減速箱組件 為了準(zhǔn)確測(cè)出鉆桿上的扭矩，鉆頭上端與動(dòng)態(tài)扭矩傳感器5通過聯(lián)軸器連接，扭矩傳感器上端與傳動(dòng)軸通過聯(lián)軸器連接。工作時(shí)鉆頭入土產(chǎn)生的扭矩通過聯(lián)軸器傳到動(dòng)態(tài)扭矩傳感器，扭矩傳感器受到扭矩作用向傳感器信號(hào)接收器上傳遞出方波信號(hào)，根據(jù)文獻(xiàn)上以前對(duì)于扭矩的測(cè)試，扭矩均在80N·m以下，因此本實(shí)驗(yàn)中選用動(dòng)態(tài)扭矩傳感器CYK-810(圖3-5)。 此傳感器的主要參數(shù)如表3-2所示 型號(hào) 測(cè)量范圍 （N·m） 輸出方式 連接方式 響應(yīng)速度 （us） 防護(hù)等級(jí) CYK-810 0-100 方波 USB 100 IP65 表3-2 動(dòng)態(tài)扭矩傳感器CYK-810參數(shù)表 特點(diǎn)：1、檢測(cè)精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾性強(qiáng)。 2、不需反復(fù)調(diào)零即可；連續(xù)測(cè)量正反扭矩。 3、既可測(cè)量靜態(tài)扭矩，也可測(cè)量動(dòng)態(tài)扭矩。 圖3-5 扭矩傳感器CKY-810 2.測(cè)試用鉆頭 測(cè)試用鉆頭是根據(jù)理論計(jì)算，自行設(shè)計(jì)、加工的螺旋型鉆頭。由鉆桿、螺旋翼片、切土刀片及鉆尖等組成，鉆頭長(zhǎng)800mm，鉆桿直徑為20mm，鉆頭通過聯(lián)軸器與動(dòng)態(tài)扭矩傳感器相連接，再經(jīng)過聯(lián)軸器連接到蝸輪蝸桿減速器的傳動(dòng)軸上動(dòng)態(tài)扭矩傳感器兩根軸的直徑均為18mm，傳感器總長(zhǎng)度為108mm，鉆頭裝配圖如圖3-6所示。 1.動(dòng)態(tài)扭矩傳感器 2.聯(lián)軸器 3.鉆頭 圖3-6 鉆頭裝配圖 3.鉆頭升降驅(qū)動(dòng)裝置 鉆頭升降驅(qū)動(dòng)裝置由帶無級(jí)變速器的制動(dòng)電機(jī)及鏈傳動(dòng)裝置組成，如圖3-7所示。 1. 三相異步電動(dòng)機(jī) 2.擺線針輪減速器 3.鏈輪 4.鏈條1 5.升降機(jī)架 6限位開關(guān)7.拉壓力傳感器感器 8.升降臺(tái) 9.鉆頭旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置 10.光電式轉(zhuǎn)速傳感器 11.鏈條2 12.傳動(dòng)軸 圖3-7 鉆頭升降裝置裝配圖 鉆頭升降傳動(dòng)裝置是由機(jī)架、鏈輪、鏈條、傳動(dòng)軸、軸承、升降臺(tái)及軸承端蓋等組成。動(dòng)力由電動(dòng)機(jī)1經(jīng)減速器傳出，減速器輸出軸上的主動(dòng)鏈輪經(jīng)鏈條傳到位于機(jī)架下部的從動(dòng)鏈輪，從動(dòng)鏈輪的動(dòng)力帶動(dòng)軸另一端的鏈輪，并同時(shí)驅(qū)動(dòng)裝在導(dǎo)軌兩側(cè)的兩根鏈條做上下運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)固定在封閉鏈條上的升降小車2做上下運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)鉆頭的入土和提升，同時(shí)通過限位開關(guān)來控制升降臺(tái)的移動(dòng)范圍，當(dāng)小車觸碰到限位開關(guān)時(shí)，限位開關(guān)自動(dòng)將電機(jī)的電斷開以保護(hù)鏈輪，保證實(shí)驗(yàn)的安全。 根據(jù)市場(chǎng)上挖坑機(jī)目前的作業(yè)效率，每分鐘挖一個(gè)孔，測(cè)試所用鉆頭螺旋刀片為500mm，挖坑機(jī)升降臺(tái)為鏈傳動(dòng)帶動(dòng)，鏈輪的直徑為126mm，所以鏈輪的轉(zhuǎn)速為1.25r/min，根據(jù)升降小車與挖坑機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置的重量，估算出電機(jī)的功率需要在3.2kW。 鉆頭升降運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力選用MB系列摩擦式無級(jí)變速機(jī)型號(hào)為MBW40-Y2.2-B3（上海南睿減速機(jī)有限公司）,減速機(jī)參數(shù)如表3-3所示。 型號(hào) 額定功率 （kW） 輸出轉(zhuǎn)速 級(jí)數(shù) 減速比 MBW40-Y2.2-B3 4 1400 2級(jí) 1120 表3-3 減速電機(jī)參數(shù)表 此減速電機(jī)的特點(diǎn)： 1.使用在連續(xù)工作制的場(chǎng)合，允許正、反兩個(gè)方向運(yùn)轉(zhuǎn)。 2.結(jié)構(gòu)緊湊體積小由于采用了行星傳動(dòng)原理，輸入軸輸出軸在同一軸心線上，使其機(jī)型獲得盡可能小的尺寸。 3.在運(yùn)轉(zhuǎn)中同時(shí)接觸的齒對(duì)數(shù)多，重合度大，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，過載能力強(qiáng)，振動(dòng)和噪音低。 鏈傳動(dòng)的計(jì)算： 1、選擇鏈輪齒數(shù)Z1、Z2和確定傳動(dòng)比i 電機(jī)轉(zhuǎn)速通過減速器減速傳到主動(dòng)鏈輪上，因而鏈輪傳動(dòng)比可取i=1取鏈輪齒數(shù)Z1=Z2=37 確定計(jì)算功率: 根據(jù)鏈傳動(dòng)的工作情況、主動(dòng)鏈輪齒數(shù)和鏈條排數(shù)，將鏈傳動(dòng)所傳遞的功率修正為當(dāng)量的單排鏈的計(jì)算功率 （3-1） 式中：Ka---工況系數(shù) Kz---主動(dòng)鏈輪齒數(shù)系數(shù) P---傳遞的功率 由表9-6查得Ka=1.4，由圖9-13查的Kz=0.625，單排鏈，則計(jì)算功率為 3、選擇鏈節(jié)數(shù)和中心距 根據(jù)及主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速n1=50r/min查表9-11，可選12A-1。查表9-1，鏈條節(jié)距為p=19.05mm。 4、計(jì)算鏈節(jié)數(shù)和中心距 初選中心距。取a0=600。相應(yīng)的鏈長(zhǎng)節(jié)數(shù)為 取鏈長(zhǎng)節(jié)數(shù)Lp=100節(jié)。 查表9-8得到中心距計(jì)算系數(shù)f1=0.25，則鏈傳動(dòng)的最大中心距為 計(jì)算鏈速v，確定潤(rùn)滑方式 由v=1.05m/s和鏈條12A-1,查圖9-14可知應(yīng)采用滴油潤(rùn)滑。 6、計(jì)算壓軸力Fp 有效圓周力為： 鏈輪水平布置時(shí)的壓軸力系數(shù)Kfp=1.15，則壓軸力為 得出鏈輪的各參數(shù)為：分度園直徑d=126mm 齒頂圓直徑da=136mm 齒根圓直徑df=116mm 齒高h(yuǎn)a=10mm 鏈輪如圖3-8所示。 圖3-8 鏈輪尺寸圖 4.升降臺(tái) 升降臺(tái)用以安裝鉆頭及旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置并實(shí)現(xiàn)鉆頭的提升和入土，升降臺(tái)長(zhǎng)為780mm，寬為412mm，高為200mm,升降臺(tái)兩側(cè)各有兩個(gè)圓孔，孔直徑為20mm，升降臺(tái)采用鋼板焊接，安裝時(shí)套在機(jī)架上部分兩邊的圓柱桿上，升降臺(tái)由組成閉環(huán)的兩根鏈條帶使其沿圓柱桿上下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)圓柱桿也起到固定升降臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向的作用進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在測(cè)試時(shí)圓柱干上需加上潤(rùn)滑油。升降臺(tái)結(jié)構(gòu)圖如圖3-9所示升降臺(tái)上開一個(gè)直徑為120mm圓孔，讓傳動(dòng)軸可以通過孔與鉆頭連接起來。 圖3-9升降臺(tái)設(shè)計(jì)圖 4.機(jī)架 機(jī)架由鋼板、槽鋼及角鋼等型鋼焊接而成，在這里為了更好地表達(dá)機(jī)架的結(jié)構(gòu)，將機(jī)架分為上下兩部分。機(jī)架上部分，測(cè)試裝置的各組成部件均安裝其上。機(jī)架上部分安裝鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、升降臺(tái)和小型三相異步電機(jī)，小型三相異步電機(jī)安裝在由兩根長(zhǎng)為250mm的兩根8#槽鋼焊接在機(jī)構(gòu)上部分的固定支座上，機(jī)架上部分設(shè)計(jì)如圖3-10所示；機(jī)架下部分安放土壤槽，安放在機(jī)架下部分的兩根槽鋼上，使土壤槽中心對(duì)著鉆頭的中心以保證實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，為防止土壤槽在打孔過程中出現(xiàn)移位，土壤槽通過凸起固定在機(jī)架下部分上，機(jī)架下部分設(shè)計(jì)如圖3-11所示。 圖3-10 機(jī)架上部分 圖3-11 機(jī)架下部分 6.電控柜和控制電路 根據(jù)試驗(yàn)要求，所設(shè)計(jì)的電控柜和控制電路主要用來控制兩個(gè)電機(jī)的動(dòng)作。鉆頭旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置的電機(jī)控制電路如圖3-12所示，它控制電機(jī)的起動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)；鉆頭升降驅(qū)動(dòng)裝置的電機(jī)控制電路如圖3-13所示，它控制電機(jī)的起動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)，并對(duì)行程開關(guān)自行控制。 圖3-12 鉆頭旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置電機(jī)控制電路圖 圖3-13 鉆頭升降驅(qū)動(dòng)裝置電機(jī)控制電路圖 3.2 土壤槽 土壤槽是保證試驗(yàn)順利進(jìn)行的重要組成部分。鉆頭的工作軌跡為一圓形，因此，土壤槽的形狀以圓形為宜。本次試驗(yàn)的挖坑直徑為150mm、坑深為200mm。土壤槽直徑一般為坑徑的1～2倍，因此，定土壤槽的直徑為300mm，深度為700m。土壤槽設(shè)計(jì)如圖3-14所示。土壤槽底部設(shè)有過濾層，最底層是卵石層,向上依次為小碎石層、河砂層，最上層為試驗(yàn)用工作土壤。 各層間鋪有尼龍細(xì)網(wǎng)(或其他隔層過濾材料)。土壤槽底部鉆出小孔，用來排出多余的水份；為滿足鉆頭工作時(shí)拋土半徑的需要，在土壤槽上部設(shè)計(jì)了直徑為460mm的護(hù)土托盤，土槽土壤結(jié)構(gòu)圖如圖3-15所示。 試驗(yàn)土槽所用土壤有砂土、砂壤土、粘土和石質(zhì)山地土等4種。 1.護(hù)士托盤 2.把手 3.土壤容器 圖3-14 土壤槽設(shè)計(jì)圖 1. 土壤層 2.過濾網(wǎng) 3.河沙層 4.小碎石層 5.卵石層 圖3-15 土槽結(jié)構(gòu)圖 3.3電測(cè)裝置 為了準(zhǔn)確測(cè)出試驗(yàn)中各參數(shù)值的大小，需要采用精密的電測(cè)裝置，即各種傳感器。傳感器是將所測(cè)得的非電量值轉(zhuǎn)化為電量值的一種儀器。 為了測(cè)定不同轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度下的鉆頭旋轉(zhuǎn)扭矩和鉆頭工作時(shí)的進(jìn)給阻力，本試驗(yàn)裝置中共設(shè)置5個(gè)傳感器，分別是動(dòng)態(tài)扭矩傳感器(1個(gè))、拉壓力傳感器(2個(gè))和轉(zhuǎn)速傳感器(2個(gè))。 傳感器的信號(hào)手機(jī)與采集如圖3-16所示 微 型計(jì)算機(jī) 微 機(jī) I/O 接 口 數(shù)據(jù) 采集器 信 號(hào)調(diào)理 動(dòng)態(tài)扭矩傳感器 拉壓力傳感器 轉(zhuǎn)速傳感器 圖3-16 傳感器數(shù)據(jù)采集流程圖 動(dòng)態(tài)扭矩傳感器型號(hào)為CKY-810型(北京中航科儀測(cè)控技術(shù)有限公司)，量程為0—100N/m用來測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，可將挖坑機(jī)鉆頭旋轉(zhuǎn)工作時(shí)，受到眾多阻力的影響，包括鉆尖切土阻力、刀片切土阻力、土壤升運(yùn)阻力等。這些阻力綜合表現(xiàn)為鉆頭工作時(shí)所受阻扭矩的大小，傳感器采用聯(lián)軸器連接變頻調(diào)速電機(jī)和鉆頭之間。拉壓力傳感器采用為S型拉壓力傳感器EVT10A(上海游然傳感科技有限公司)如圖3-17，此傳感器采用合金鋼材質(zhì)，可承受拉，壓兩種用途，其精度高，性能穩(wěn)定。適用于吊秤、配料秤、機(jī)改秤等電子測(cè)力稱重系統(tǒng)，量程為50Kg，鉆頭向下作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)，鉆頭受到土壤的入土阻力測(cè)出拉力或壓力，將此傳感器用吊環(huán)裝在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的兩條傳動(dòng)鏈上。 圖3-17 S型拉壓力傳感器 轉(zhuǎn)速傳感器采用光電式轉(zhuǎn)速傳感器，其型號(hào)為L(zhǎng)G-9200（深圳市萊訊特科技有限公司）如圖3-18，最大作用距離40mm，此傳感器為從傳感器發(fā)出可視光線（紅色可視光），照射到旋轉(zhuǎn)物上產(chǎn)生反射光，并檢測(cè)出這個(gè)反射光的非接觸式轉(zhuǎn)速傳感器，因而被測(cè)旋轉(zhuǎn)物上要放上反光貼片，即電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上要貼上反光貼片進(jìn)行測(cè)量，另外，此傳感器可以使用反光貼片在斜側(cè)方向進(jìn)行測(cè)量。 圖3-18 LG-9200光電式轉(zhuǎn)速傳感器 傳感器測(cè)試電路如圖3-19所示 圖3-19 傳感器電路圖 模擬電路主要程序段如下： void main() { EA=1； //開中斷允許 EX0=1； //外部中斷0允許 IT0=1； //觸發(fā)方式下降沿觸發(fā) TMOD = 0x01； //定時(shí)器0選用方式1 TH0 = 0x4c； //初值的計(jì)算 50ms TL0 = 0x00； TR0 = 1； //啟動(dòng)定時(shí)器 ET0 = 1； //打開定時(shí)器中斷允許位 init()； gotoxy(0,0)； print(name)； gotoxy(1,5)； xieshuju(' ')； 傳感器電路圖各部件圖如下： 圖3-20 信號(hào)接收產(chǎn)生裝置 圖3-21 單片機(jī) 圖3-22 連接方式圖 圖3-23 顯示電路使用1602液晶屏 圖3-23中respack-8是排阻，在這里作為上拉電阻，因?yàn)閜0不像p1p2p3，它的八個(gè)端口不能自行上拉電位。 圖3-24 晶振電路 圖3-24為晶振電路，代表單片機(jī)使用自身產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率。 圖3-25 復(fù)位鍵 其他測(cè)試所需儀器： 土壤硬度計(jì)，TE22型，南京土壤儀器廠生產(chǎn)，主要技術(shù)指標(biāo)： 1. 測(cè)量深度：0–200mm 2. 測(cè)頭面積：1cm2 3. 彈簧載荷：0.25kN, 0.75kN, 0.50kN用于不同測(cè)試要求 4. 記錄紙：裝一次紙可連續(xù)記錄60次 5. 儀器尺寸：624 x 185 x 157mm (L x W x H) 6. 儀器重量：5kg 土壤水份速測(cè)儀，SC69202型，上海第二天平儀器廠生產(chǎn)，主要技術(shù)指標(biāo)： 1. 被測(cè)體積: 60cm3，100cm3 2. 環(huán)境溫度：5 – 40℃ 3. 精度：＜2% ( 測(cè)定土壤含水量的精度與烘干法對(duì)比不大于2%) 4. 儀器尺寸：280 x 180 x 480mm (L x W x H) 5. 儀器重量：10kg 土壤壓實(shí)裝置；天平，HC-TP2211B-5型，北京醫(yī)用天平廠生產(chǎn)；小型叉車。 第四章 性能測(cè)試實(shí)驗(yàn) 4.1 扭矩傳感器測(cè)試實(shí)驗(yàn) 扭矩的數(shù)值是將扭矩傳感器產(chǎn)生的方波通過USB接口傳輸給電路的接收端，同時(shí)閉合扭矩傳感器電路上的開關(guān)，LCD顯示器即可測(cè)出扭矩值，測(cè)試實(shí)驗(yàn)如圖4-1、4-2所示。 圖4-1 傳感器測(cè)試電路開機(jī)初始狀態(tài)圖 圖4-2 扭矩信號(hào)測(cè)試模擬圖 圖4-2中屏幕所顯示數(shù)值大小為模擬電路圖預(yù)設(shè)扭矩值大小，測(cè)量完成后斷開扭矩線路圖開關(guān)。 4.2 轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)試實(shí)驗(yàn) 轉(zhuǎn)速的數(shù)值通過電路接收端接收轉(zhuǎn)速傳感器傳輸出的方波信號(hào)來顯示具體的數(shù)值，通過測(cè)試電路來進(jìn)行顯示，電路的初始狀態(tài)同扭矩傳感器的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，將接收轉(zhuǎn)速傳感器的方波信號(hào)的電路開關(guān)閉合，即可顯示轉(zhuǎn)速的數(shù)值，如圖4-3所示。 圖4-3 轉(zhuǎn)速信號(hào)測(cè)試模擬圖 圖4-3中屏幕所顯示數(shù)值大小為測(cè)試電路圖預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)速大小，測(cè)量完成后斷開轉(zhuǎn)速線路圖開關(guān)。 4.3 拉壓力傳感器測(cè)試實(shí)驗(yàn) 拉壓力的數(shù)值通過電路接收端接收拉壓力傳感器傳輸出的方波信號(hào)來顯示具體的數(shù)值，通過電路來進(jìn)行顯示，電路的初始狀態(tài)同扭矩傳感器的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，將接收拉壓力傳感器的方波信號(hào)的電路開關(guān)閉合，即可顯示拉壓力的的大小，如圖4-4所示。 圖4-4 拉壓力信號(hào)測(cè)試模擬圖 圖4-4中屏幕所顯示數(shù)值大小為測(cè)試電路圖預(yù)設(shè)拉壓力大小，測(cè)量完成后斷開轉(zhuǎn)速線路圖開關(guān)。 當(dāng)扭矩、轉(zhuǎn)速和拉壓力測(cè)量完成后需將電路復(fù)位，使其恢復(fù)到開機(jī)狀態(tài)如圖4-5所示。 圖4-5 測(cè)試電路復(fù)位狀態(tài)圖 第 42 頁(yè) 共 46 頁(yè) 第五章 總結(jié)與展望 本設(shè)計(jì)在理論研究和實(shí)際分析的基礎(chǔ)上，完成了單人林業(yè)挖坑機(jī)測(cè)試裝置設(shè)計(jì)。其中包括鉆頭旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置、升降臺(tái)升降裝置、測(cè)試機(jī)架、土壤槽的設(shè)計(jì)和傳感器的選用。鉆頭旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置采用調(diào)頻電機(jī)帶動(dòng)摩擦式離合器，然后經(jīng)蝸輪蝸桿減速器減速，傳動(dòng)到鉆頭上，通過降低轉(zhuǎn)速增加扭矩從而完成挖坑作業(yè)：升降臺(tái)升降裝置采用鏈傳動(dòng)帶動(dòng)同時(shí)通過限位開關(guān)來對(duì)升降臺(tái)的行程進(jìn)行控制：機(jī)架整體采用槽鋼、角鋼和鋼桿來進(jìn)行焊接而成，同時(shí)對(duì)于土槽的固定做了帶有凹槽的圓筒，同土壤槽外部的凸槽進(jìn)行裝配，防止在挖坑作業(yè)中土槽進(jìn)行移位，整體結(jié)構(gòu)緊湊；對(duì)于傳感器的選用本測(cè)試大多選用測(cè)量準(zhǔn)度比較高，響應(yīng)時(shí)間較短，將傳感器通過USB連接的形式進(jìn)行顯示，三種傳感器均可使用方波來進(jìn)行信號(hào)的傳輸，通過設(shè)計(jì)的傳感器顯示電路圖將可以準(zhǔn)確的讀出傳感器傳遞出的扭矩、拉壓力和轉(zhuǎn)速的大小。 通過這套測(cè)試裝置可以通過將各因素與挖坑機(jī)入土?xí)r的各參數(shù)進(jìn)行分析研究，可以得出各因素與挖坑機(jī)的關(guān)系，從而可以在未來對(duì)挖坑機(jī)的部件進(jìn)行更好的設(shè)計(jì)，使其有更好的工作效率。 但是，由于在畢業(yè)設(shè)計(jì)前期在單位實(shí)習(xí)，設(shè)計(jì)過程中由于內(nèi)容多、時(shí)間緊，因而最終沒能做出測(cè)試儀器，有些方面的考慮難免會(huì)出現(xiàn)欠缺，在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)一些錯(cuò)誤也在所難免，其理論設(shè)計(jì)還有許多需要進(jìn)一步完善的地方，所以希望老師能夠理解，對(duì)于設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的錯(cuò)誤希望老師能予以指正。 致謝 本人的畢業(yè)設(shè)計(jì)能順利地完成離不開老師和同學(xué)們的幫助，本設(shè)計(jì)的完成和論文的撰寫得到了賈志成老師的大力幫助。本人在完成畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，賈老師在學(xué)習(xí)和研究上都給予了無微不至的關(guān)心和指導(dǎo)，為本設(shè)計(jì)的順利完成傾注了大量的心血。賈老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)作風(fēng)、熱忱的態(tài)度、創(chuàng)新的思維方法和孜孜不倦的科研精神使我受益非淺，終身難忘。在此，再次向賈老師表示最誠(chéng)摯的感謝，以及我深深的敬意。同時(shí)，我也要感謝四年來辛苦培養(yǎng)我的各位老師們，是你們不知辛苦的教誨，讓我不斷健康的成長(zhǎng)。我還要感謝學(xué)校給我提供這么好的學(xué)習(xí)環(huán)境和機(jī)會(huì)！感謝機(jī)械電子工程學(xué)院的領(lǐng)導(dǎo)和老師對(duì)我的關(guān)心！ 在此我還要感謝所有幫助過我的老師和同學(xué)，感謝舍友四年來在我的學(xué)習(xí)生活中給予的幫助，感謝田家超同學(xué)在電測(cè)裝置模擬方面給予的幫助。 感謝父母多年的培養(yǎng)，他們對(duì)我的支持理解和無私奉獻(xiàn)，一次又一次給了我前行的力量和勇氣。 再次向所有在本設(shè)計(jì)完成期間關(guān)心、幫助過我的人們表示誠(chéng)摯的謝意！ 魏垂憲 2013年5月 參考文獻(xiàn) [1] 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