小型果園開溝機的設計說明書,小型,果園,開溝機,設計,說明書,仿單 XXXXXX XXX（設計）任務書 學生姓名 學 號 年級專業(yè)及班級 指導教師及職稱 學 院 20XX年 11月 20日  畢業(yè)論文（設計）題目 小型果園開溝機的設計 選題來源 □結合科研課題 課題名稱： ■生產實際或社會實際 □其他 選題性質 □基礎研究 ■應用研究 □其他 題目完成形式 □畢業(yè)論文 ■畢業(yè)設計 □提交作品，并撰寫論文 主要內容和要求 設計一開溝機用來開設果園的施肥溝，以減輕勞動強度,提高生產效率。要求開溝寬為200mm，溝深400~500mm可調，效率為500~800千米/小時?？紤]到作業(yè)空間的限制，開溝機擬為手扶跟隨式作業(yè)，采用3輪行走底盤，動力為柴油機。 要求： 1、設計圖紙不得少于4張（0#）。 ２、設計計算說明書不得少于1.5萬字。正文的主要結構層次: 1）前言：主要寫設計的目的、意義、研究的現(xiàn)狀、本畢業(yè)設計的主要內容。 2）總體方案的擬定與計算：要有方案的比較、選優(yōu)、必要的簡圖和設計計算，驗證能達到上述設計目標。 3）關鍵零件的強度的計算與分析：如齒輪、軸、工作部件等，可以用計算機輔助設計計算，但要寫清采用的計算軟件，對設計的已知條件和結果可以用圖形、表格等方式整理。 4）典型零件的結構設計說明：要有必要的插圖，文字針對插圖進行說明。 5）設計總結：是對整個畢業(yè)設計主要成果的總結。在總結中應明確指出本畢業(yè)設計的優(yōu)點和缺點（或沒有考慮周全的地方)，對其應用前景和社會、經濟價值等加以預測和評價，并指出今后進一步改進設計的方向與設想。 6）致謝：對老師和給予指導或協(xié)助完成畢業(yè)設計工作的組織和個人表示感謝。內容應簡潔明了、實事求是。 注：此表如不夠填寫，可另加頁。 主要參考文獻與外文資料 1.文獻檢索關鍵詞：開溝機 挖溝機 園藝機械 園林機械 工程機械 2.程詳之.園林機械.北京:高等教育出版社,1995.12. 3.李寶筏.農業(yè)機械學.北京:中國農業(yè)出版社,2003.8. 4.王乃康.現(xiàn)代園林機械. 北京:中國林業(yè)出版社,2001.1. 工作進度安排 階段 起止日期 階段工作內容 1 2010．12．20—2011.1.4 查閱文獻收集資料、調研 2 2011.1.5—2011.4.15 完成總裝圖、部裝圖和零件圖的設計繪制 3 2011. 4中旬 中期考核 4 2011.4.16—2011.5.20 撰寫設計計算說明書 5 2011.5.21—2011.5.28 畢業(yè)設計審查 6 2011.5.28—2011.6.4 畢業(yè)設計答辯 要求完成日期：20 年 月 日 指導教師簽名： 審查日期：20 年 月 日 專業(yè)委員會簽名： 批準日期：20 年 月 日 學院指導委員會簽名（公章）： 接受任務日期：20 年 月 日； 學生簽名： 注：簽名欄必須有相應責任人親筆簽名。此表可從教務處網站下載中心下載。 小型果園開溝機的設計 目錄 1緒論 1 1.1 國內外開溝機的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 1 1.1.1我國開溝機發(fā)展 1 1.1.2 國外開溝機發(fā)展 5 1.1.3在海底開溝機的用途 7 1.2 鏈式開溝機的研究現(xiàn)狀 7 1.3 本論文研究意義 9 2鏈傳動概述及鏈刀式開溝機設計的初步理論 10 2.1 鏈傳動概述 10 2.1.1 鏈傳動基本原理 11 2.1.2鏈傳動的特點 12 2.1.3鏈傳動的應用 14 2.2 鏈傳動的失效分析 15 2.3 開溝機設計的初步理論 16 2.3.1土壤的主要物理力學性質 16 2.3.2土壤工作部件力學 18 2.3.3小結切割過程的分土壤切削阻力分析 19 3鏈刀式開溝機工作部件的設計 20 3.1 開溝機的工作原理 20 3.2 鏈式開溝機的特點 22 3.3 工作部件基本參數(shù)的選擇 22 3.4 工作部件切削土壤的力 27 3.5 發(fā)動機功率的確定和底盤的選擇 28 3.6 鏈刀式開溝機的整體參數(shù)計算與確定 31 3.7開溝器的結構 32 3.7.1開溝器的結構分析 32 3.7.2 開溝器的工作原理 33 4結論與展望 34 4.1結論 34 4.2觀察研究后根據鏈式開溝機的傳動環(huán)境與切削的分析提出見解 34 4.2.1 根據土壤介質鏈傳動的特點提出見解 34 4.2.2 土壤質地、濕度、硬度對土壤介質鏈傳動的影響 35 4.2.3 研究后對開溝鏈傳動的切削分析 35 4.2.4根據分析改進開溝鏈傳動的方式為逆時針切削方式 36 4.3寫論文的感受 36 參考文獻 38 致謝 39 1 緒論 1.1 國內外開溝機的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 開溝機的歷史悠久，早期的犁鏵工具[1]就是開溝機的雛形，只不過沒有動力驅動。到了上世紀 50 年代開始，伴隨著機械化的普及，而且在一些相關的部件和結構原理沒有成型和系統(tǒng)的研究戰(zhàn)后的發(fā)達國家開始使用機械開溝機進行大范圍的農耕化作業(yè)，大大提高了勞動生產率?，F(xiàn)在隨著技術的不斷進步和日益增多的工作要求，開溝設備的研究走進了一個新的時代，較為成型的開溝設備不斷涌現(xiàn)。但國內的開溝機的研究和使用起步比較晚。到了60 年代，旋轉式開溝機[2]已發(fā)展成為一種先進的連續(xù)挖土機械。適宜開挖梯形截面的農用溝渠。由于它牽引阻力小，能均勻散開溝內土壤，工作效率高，因而獲得迅速的發(fā)展和廣泛的使用。開溝機在歐洲、美洲各發(fā)達國家和亞洲的日本等國廣泛的應用在土方施工領域，僅美國年需求量就達數(shù)千臺。開溝機發(fā)達的國家主要有德國、意大利、美國、俄羅斯和日本等國。前蘇聯(lián)、意大利、法國和西德等國都有不同型號的系列產品，有的遠銷國外。從 70 年代末期開始，以鏈式開溝機的研究逐漸興起，到了 80 年代中期，美國等國已經有了較為成型的鏈式開溝設備。隨著改革開放的不斷深入，生產建設全面啟動，城市土方施工工程規(guī)模越來越大，各方面都面臨著巨大的挖溝工作量。經過 40 多年的發(fā)展，在開溝機應用方面，以其生產效率高，成本低，設備簡單，組裝方便，多為懸掛于農用拖拉機后端的可拆卸設備而被廣泛應用。其工作效率突出，且擴大了使用范圍，隨著電信事業(yè)廣播光纜的鋪設需要，鏈式開溝機的使用更為廣泛，目前已經在多個領域使用，比如，在狹窄的果園，以及在海底開溝機也有了重要的應用。 1.1.1我國開溝機發(fā)展 我國開溝機械起步較晚，經歷了從犁鏵式開溝機、圓盤式開溝機、螺旋式開溝機和鏈式開溝機的四個發(fā)展歷程。在我國除極少數(shù)單位引進國外的連續(xù)式開溝機外,國產開溝機仍處于設計研發(fā)的初步階段。 首先，在上世紀50年代主要是犁鏵式開溝機。這種開溝機結構簡單，工作可靠，零部件少，單位功率低，生產率高，作業(yè)成本低，開溝深度為30cm到80cm。主要缺點是機體笨重，牽引阻力大，犁鏵入土后，土垡隨翻土板曲面上升，翼板將土推向兩側，側壓板將溝壁壓緊，形成梯形斷面的溝[3]。 然后，到了上世紀70年代又出現(xiàn)了圓盤式開溝機，它以兩個高速旋轉的銑削圓盤，圓盤周圍是銑刀，一般以75 馬力到100馬力拖拉機牽引工作，前進速度 50m/h到150m/h，應用較廣，牽引阻力小，適應性強，作業(yè)質量好，但行走慢，傳動復雜，結構龐大，制造工藝要求高，單位功率消耗大，生產率比犁鏵式開溝犁低，它的開溝斷面是上口寬溝底窄的倒梯形，配套動力要求選擇功率大而行駛速度低拖拉機。由黑龍江建設兵團三師十八團研制的單圓盤開溝機簡圖[3]。 接著，上個世紀九十年代主要以螺旋開溝機為主，江蘇省農機局技術中心研制的1KLZ-27 型螺旋開溝機采用立式螺旋開溝刀具，開溝部件為直接安裝在一根直立軸管上的兩組螺旋刀片，集立銑、周向提升、螺旋葉片慣性拋散等原理于一體，使開溝過程中的切削、提升、拋散一次完成，其結構簡圖如圖 1.1所示。該機工作時土塊呈條狀沿螺旋線導向兩面拋落，以圓錐對數(shù)螺線為基礎的立錐式刀具，增強了對不同區(qū)域、不同土質的適應性，刀片采用組合式結構，刀柄、刀刃選用不同的材料，提高了使用壽命[4]。 1三角帶（三條）2附加大皮帶盤 3三角帶（一條）4機架 5尾輪 6擋土柵 7括泥板 8開溝具 圖 1.1 1KLZ-27 型螺旋開溝機簡圖 發(fā)展到1999年，在天津工程機械研究所開發(fā)研制出了GC65G型鏈式開溝機。該機的主要參數(shù)如下：拖拉機型號為TN-654L，發(fā)動機功率為 48KW，主機額定牽引力為 18KN，最小轉彎半徑為 4500mm，開溝最深為 1800mm，最寬為 400mm，寬可通過更換挖掘鏈節(jié)來調節(jié)，挖掘鏈速為 1.8m/s，回填鏟寬度為 1800mm，總體尺寸為長 7500mm，寬 2230mm，高 2860mm。它是由鏈條帶動多片鏟高速小厚度切削，主機低速前進，實現(xiàn)連續(xù)挖掘作業(yè)。該機進行挖土工作時，將土帶到溝面上，并擠向兩側，螺旋葉片形狀的排土輪由鏈輪驅動，向兩側分土，清溝器端部設有浮動刮產，可將散土收回刀鏟處，刮平溝底[5]。 于此同時在國內進行鏈式開溝機研究的還有西北農業(yè)大學機電學院的楊有剛、劉迎春，他們在2002年研制的在滾子鏈鏈板上加鏈刀附件的開溝機如圖1.2所示[6]。 1鏈刀工作部件 2分土板 3扶手 4手輪 5尾輪 6動力底盤 圖1.2 滾子鏈鏈板上加鏈刀附件的開溝機簡圖 2002 年中國農業(yè)機械化研究院耕作種植機械研究所的一種 1K（Kz）-30型鏈式開溝機如圖 1.3 所示。它主要由齒輪箱、傳動鏈、開溝切削刀和分土器等組成?？梢娺@種鏈式開溝機也是在滾子鏈基礎上形成，這種形式的開溝機對土壤的性能要求較高，遇到帶有沙石的土壤很難作業(yè)，開溝比較寬，消耗功率大，深度也不夠，鏈條易磨損疲勞失效，使用壽命也達不到預期的效果[7]。 圖1.3 1K（Kz）-30型鏈式開溝機 1.1.2 國外開溝機發(fā)展 國外最早生產開溝機的國家主要是美國和前蘇聯(lián)。其發(fā)展過程大致也是從犁鏵式開始的，目前主要是鏈式開溝機。在國外,開溝機的使用已經非常普遍,許多地下公用設施施工都用專業(yè)開溝機以下簡單介紹幾個國外的鏈式開溝機來說明在國外開溝機的特點及大至發(fā)展方向。 國外開溝機的種類很多，適應各種不同施工的需要。最小的開溝機功率僅有幾千瓦，最大的功率達到1100kW，質量136t。國外專用開溝機需求量逐年增大，僅美國就有 Ditch Witch、Vermeer、Case、Roccaw、Trencor Jetco、Eagle、Tesmec、Cleveland 和 Carptal 等十多家公司生產開溝機，共有一百多種[1]。僅以幾家有代表性的公司產品為例說明其發(fā)展和研究狀況。 美國 CASE 公司挖溝機。美國的 CASE 公司成立于 1842 年，由發(fā)明家Jerome I①ncrease Case 建立。CASE 公司經過 100 多年完善，現(xiàn)已發(fā)展成為全世界處于領軍地位的中、小型建筑工程機械設備制造商。 圖1.4 65型鏈式開溝機 美國傳特公司的65型鏈式開溝機，如圖1.4所示。開溝傳動系統(tǒng)采用多級變速器，CAT發(fā)動機，型號65型開溝鏈條驅動，重型機械驅動，高扭矩，低速度以達到最大切割齒、挖掘深度、增強生產力和延長切割齒壽命，具有牢固的組合式開溝臂，獨特的可更換的耐磨鋼板系統(tǒng)和鏈輪，方便單雙鏈條的應用，重型獨立驅動履帶，三段式履帶伴側固定，可升降駕駛室，密封性好，舒適的空調設備?？刂破鳌⒂嬃勘?、和感應器及駕駛室的升降應用最新技術，視野好，駕駛舒適安全[8]。 圖1.5 SM550C型鏈式開溝機 法國“馬萊”公司是一家專門生產、租賃埋地電纜和管線鋪設設備的公司。無論是城市道路、公路、鐵路、山路、河岸等伴埋電纜或管道，都可以使用馬萊的開溝、鋪設聯(lián)合作業(yè)機進行快速施工。其鋪設速度0.5～2km/h，可以實現(xiàn)正挖，側挖，低噪音，無揚塵環(huán)保作業(yè)。它的開溝機寬度窄，最大限度減小對交通的阻礙破壞。它的真空吸塵式開溝機，可以邊開溝邊吸渣土和塵土，是城市環(huán)保型的先進作業(yè)機器。圖1.5為“馬萊”公司生產的SM550C型鏈式開溝機[9]。 可見，國內開溝機的研究，現(xiàn)在多數(shù)還局限在犁鏵、螺旋式開溝機方面，但是，這種設備不能切挖陡直窄深溝。中國農業(yè)機械化研究院耕作種植機械研究所了一種 1K（Kz）-30 型鏈式開溝機，不過未見其鏈式開溝機傳動機理及仿生的研究。并且，這種開溝機鏈條和鏈輪齒的嚙合與非土壤介質中的嚙合傳動方式沒什么區(qū)別，仍然是傳統(tǒng)的鏈條與鏈輪齒的嚙合傳動方式。未能掌握了土壤介質中鏈傳動機理，未能表明考慮減少嚙合阻力的結構框架，不能減少土壤介質的移動阻力，不能達到節(jié)能和環(huán)保的目的。國外開溝機的研究，從掌握的資料上可以看出，鏈式開溝機也只是傳統(tǒng)的鏈條與鏈輪齒的嚙合方式。并且國外開溝機械的生產已向更加多樣化發(fā)展，但國外機械更趨向于專機專用，開溝機械只用于開溝，當機械不開溝時，機械只能閑置，而根據我國的具體國情，該機械不僅可用于開溝，并且能恢復拖拉機功能，保證通用性較好。 1.1.3在海底開溝機的用途 目前，我國正處于海上油氣的起步階段，用于海底管線鋪設的水下開淘施工機械亟待開發(fā)。縱觀國外已有眾多族類的水下管線開溝施工機械設備，哪些機型技術水平先進成熟，經濟性能合理，更適合我國近海油氣開發(fā)的具體國情，今后我國海底開淘機械領域的研究開發(fā)方向如何確定等，都是值得深入研究和探討的。 海底管道開溝機械是伴隨著海洋油氣勘探和開發(fā)，從陸地向海洋挺進而出現(xiàn)的水下施工作業(yè)機械。由于世界各地具體海域的條件各異，在眾多族類的水下管線開溝埯工機械設備中，目前還沒有一種能夠在任何水深、管徑、海底土質下都能經濟地進行施工作業(yè)的萬能型海底開淘機械。 四十年代中期，墨西哥灣等地早期油氣開發(fā)海域的水深一般較淺，故當時的開溝機械設備主要是為滿足于30～50m以淺的施工作業(yè)需要雨研制的。六十年代以后，歐洲北海油氣資源的大規(guī)模開采得以實施，特別是七十年代中期一批較大水深的海底管道極需鋪設，如Fories油田(126m)、Frigg油田(153m)、Brent油田(159m)和Flags油田(158m)等，促使出現(xiàn)了用于100m、150m，乃至300m水深的水下開溝施工機械。到七十年代末期，為跨越北海的挪威海溝鋪設海底油氣管道，最大作業(yè)水深達500m的水下開掏機也隨之誕生。 目前，在海底開溝機族類中，土壤液化埋管設備的最大作業(yè)水深一般在50m以淺。水力沖射開溝機械則視所取排泥方式的不同．可分別達到50m、75m、tobm、150m、180m 和300m 等不同的量級．雨使用較多的則是水深100m左右。海底管道開溝犁的設計作業(yè)水深一般在150～250m左右，盡管90年代初開發(fā)的海底管道犁已可達到1000m水深(如NOs公司的APP犁)的作業(yè)能力．但實際應用還是在200m 左右。海底電纜開溝犁的作業(yè)水深則通常在1000m左右。水下機械開溝機是現(xiàn)有機型中設計作業(yè)水深最大的機種，一般為350～500m。如：Kvaerner—Myren型(500m，1978年)、“熱心海貍”型(350m，1979年)、MUT型(365m．1980年)和DD型(350m，1986年)。以Heerema集團的“熱心海貍”型為倒，1981至1986年間，共在16項工程中開挖各類口徑管溝288.2km，其中最大作業(yè)水深在150m的工程有6項，占工程總數(shù)的37.5%[10]。 1.2 鏈式開溝機的研究現(xiàn)狀 1999年楊有剛等分析了鏈刀前置式開溝機的起步加速特性。根據力學原理，建立了開溝機起步加速瞬間的運動方程，在獲得其前后輪接地載荷的基礎上，對開溝機的穩(wěn)定性問題進行了討論，為整機穩(wěn)定性設計提供了理論依據（楊有剛等，1999。） 2001年天津工程機械研究院劉俊英對開溝機鏟刀的耐磨合金堆焊工藝進行了探討，針對普通鋼軋制的鏟刀耐磨性較差的缺點，提出采用表而強化的方法制造復合材質的鏟刀。鏟刀基體仍用熱軋件，而在其磨損部位的表而堆焊耐磨材料，強化后的堆焊鏟刀成本為未強化的3-4倍，但其使用壽命是用戶自制的未強化鏟刀壽命的一巧倍，同時還可減少停機換刀的時間及人工費，經濟效益明顯（劉俊英，2001。） 2001年劉長榮等在現(xiàn)有開溝機的基礎上進行改裝，與8.8kw手扶拖拉機配套使用，設計出在狹小的葡萄園中開出施肥溝的果園開溝機，開溝機由尾部操縱手柄通過四連桿機構來控制工作部件的升降，操作靈活方便。并對開溝機切土阻力及整機功耗進行了分部計算（劉長榮等，2001。） 2004年吉林大學王云超以美國凱斯公司生產的鏈式開溝機為研究對象忽略了刀片的影響，建立挖溝器的三維模型，運用有限元及ADAMS虛擬仿真軟件等研究了開溝機的動臂裝置一挖溝器的動態(tài)特性。得出挖溝器的各階固有頻率以及在不同頻率沖擊力作用下對應的挖溝器的位移和應力響應特性曲線（王云超，2004。） 2004年到2005年江創(chuàng)華等對履帶式開溝機的關鍵部件傳動軸進行了改進設計，該種傳動軸及工作裝置支承結構，避免了軸既要傳遞轉矩，又要支撐工作裝置的重量，同時在計算臂架的強度時，考慮了機器轉彎給臂架帶來的附加應力。與傳統(tǒng)工作裝置直接支撐在傳動軸上相比，傳動軸的直徑減小1/2，重量減少1/3，制造成本約減小1/2，是一種比較適合于大型軸類傳動的結構形式（江創(chuàng)華和趙建輝，2005）。 2005年劉迎春等設計了一種用于果園的鏈式施肥開溝機。根據動力學原理，導出了開溝機工作狀態(tài)的運動方程，獲得了開溝機前后輪所受外力的數(shù)學表達式對其可能的縱向滑移、前傾和橫向傾翻條件進行了討論，為開溝機的總體設計提供了理論依據（劉迎春和楊有剛，2005。） 2006年羅海峰在現(xiàn)有手扶拖拉機上設計一種開溝機，單邊拋土距離達到1.0m以上，土壤顆粒細碎，覆土厚度均勻，能滿足油菜、小麥、蔬菜等農作物機械化種植。通過對旋耕機的工作原理進行理論分析，找出合理的旋耕拋土運動參數(shù)。對開溝刀在整個切、拋土過程中進行運動學動力學分析，找出開溝切、拋土的運動規(guī)律，為開溝機的設計提供理論依據（羅海峰，2006）。 2006年房恩宏確定了能夠滿足開溝寬度為80mm，深度達2000mm要求的鏈式開溝機的結構，分析了部件的受力情況以及推導了開溝機的整體功率消耗公式。此外，給出了計算鏈式開溝機的具體尺寸的步驟，結合裝配圖的繪制，進行了相應的部分結構和尺寸的合理化調整。在設計完鏈式開溝機的整機框架以后，針對鏈條在土壤中的受力情況，提出了具體的實驗方案，通過實驗，驗證了課題設計的合理性(房恩宏，2006)。 2006盧峰提出一種新型刀式礦土復合型鏈式開溝機的結構方案，并對此結構方案的鏈式開溝機的工作原理、總功率的確定等進行了理論研究。深入剖析了鏈傳動過程中鏈刀切削土壤的切削機理，并建立了土壤顆粒由切下、輸送到拋出的運動模型和所處不同狀態(tài)時速度計算公式，而且針對土壤介質鏈傳動過程中鏈條的受力情況、受力計算進行了詳細的分析和推導(盧峰，2006)。 1.3 本論文研究意義 開溝機是工程機械的主要機種之一，廣泛應用于農田水利建設、通訊電纜及石油管線的鋪設、市政施工以及軍事工程的建設。開溝機具有專用性強，設備投資少，可連續(xù)開掘，工作效率高等特點，特別是對于窄而深的溝渠，開溝機的優(yōu)勢更加明顯。開溝機尤其適應于土質較硬、施工場地狹小，人工無法開挖而挖掘機等土方機械無法作業(yè)的地方。同時開溝機的施工成本低于挖掘機等土方機機械的施工成本，甚至比人工施工還低而深受廣大施工單位的歡迎。 在國外，連續(xù)式開溝機己經使用的很普遍，地下公用設施施工都用專業(yè)開溝機，很少使用單斗挖掘機。在我國除極少數(shù)的單位引進國外的連續(xù)式開溝機外，國產開溝機投入使用的較少。隨著生產建設全面啟動，開溝施工工程的規(guī)模越來越大，如基礎建設施工開溝、光纜、電纜、管道鋪設等方面都面臨著巨大的開溝工作量。特別是在農業(yè)工程領域，果樹施肥、農田開溝、蔬菜園開溝，都是用工量很大的作業(yè)，我國幾乎都用人工完成。果園、農田等的地表不平整，有雜草、樹枝及石塊等，地下有樹根，開溝條件比較惡劣，一般開溝機難以適應。因此研制適合我國土壤情況的開溝設備，對提高開溝的效率、減少人力和物力資源的浪費、提高勞動生產率有重要意義。 據相關農藝要求，所研制的開溝機必須滿足的技術指標為:純小時生產效率不低于80m/h;開挖深度大于30cm、寬度30cm，溝寬和溝深可調:配套柴油機動力至馬力:溝槽必須一次性開挖成型，溝形完整且基本達到人工開挖的效果。 開溝機的開溝裝置是其關鍵部件，而刀片是影響開溝質量、功耗和振動等的重要因素，因此有必要對開溝裝置及刀片結構進行深入的研究分析。本文以開溝裝置為研究對象，以功耗低、適應性強和可操作性好為目標，為研究一種適用于開挖窄兒深的地下溝槽，埋設在地下排水管道或鐵道，郵電，城建等部門用于埋設電纜于管道等要求的鏈刀式開溝機指出依據. 2 鏈傳動概述及鏈刀式開溝機設計的初步理論 2.1 鏈傳動概述 鏈傳動是一種用鏈條做中間撓性件的嚙合傳動，它由主動鏈輪、從動鏈輪和繞在兩輪上的一條閉合鏈條所組成[11]見圖 2-1，它靠鏈條與鏈輪之間的嚙合來傳遞運動和動力。與帶傳動比較，鏈傳動有結構緊湊，作用在軸上的載荷小承載能力較大，效率較高（一般可達96％～97％），能保持準確的平均傳動比等優(yōu)點。工作時有振動和沖擊，瞬時速度不均勻等現(xiàn)象。鏈傳動廣泛應用于在農業(yè)、礦山、冶金、建筑、起重、運輸、石油、化工、紡織等機械設備中被廣泛運用。 圖 2-1 鏈傳動組成圖 鏈傳動適用于兩軸相距較遠，要求平均傳動比不變，但對瞬時傳動比要求不嚴格，工作環(huán)境惡劣（多油、多塵、高溫）等場合。 2.1.1 鏈傳動基本原理 在一般機械傳動中，鏈傳動是在兩個或多于兩個鏈輪之間用鏈作為撓性拉曳元件的一種嚙合傳動。按工作性質的不同，鏈有傳動鏈、起重鏈和曳引鏈三種。傳動鏈主要用來傳遞動力，通常都在中等速度（v≤20m/s）下工作，鏈傳動又可以分為滾子鏈、套筒鏈、齒形鏈和成型鏈。起重鏈主要用在起重機械中提升重物，其工作速度不大于 0.25m/s。曳引鏈主要用在運輸機械中移動重物，其工作速度不大于 2-4m/s。鏈傳動在傳遞功率、速度、傳動比、中心距等方面都有很廣的應用范圍。目前，最大傳遞功率達 5000kw，最高速度達到 40m/s，最大傳動比達到 15，最大中心距達到 8m。由于經濟及其它原因，鏈傳動的傳動功率一般小于 100kw，速度小于 12～15m/s，傳動比小于8[11]。 鏈條是由若干組件（或元件）以鉸鏈副的形式串接起來的撓性件，如圖2-2。 圖2-2 鏈條 2.1.2鏈傳動的特點 鏈傳動是一種具有中間撓性件的嚙合傳動。它兼有齒輪傳動和帶傳動的一些特點?，F(xiàn)通過與齒輪傳動、帶傳動做比較，具體介紹一下鏈傳動的特點[12]。 1、鏈傳動與帶傳動相比較 （1）鏈傳動的傳動比準確，傳動效率較高 鏈傳動沒有彈性滑動和打滑，因此與帶傳動相比,鏈傳動能保持準確的平均傳動和較高的機械效率。對要求轉速恒定的兩軸傳動和多軸傳動，采用鏈傳動更為適宜。 （2）效率較高，η=0.98。 （3）鏈條對軸的作用力較小 鏈傳動的預緊力比帶傳動小得多，因此減輕了施加在軸和軸承上的壓力，減少了軸承的摩擦損失。在低速時，鏈傳動的這一優(yōu)點更為突出。 （4）鏈傳動的尺寸較緊湊 在傳遞相同功率的情況下，鏈條比常用的膠帶要窄些，鏈輪直徑也比帶輪小些，所以鏈傳動的結構尺寸要比帶傳動緊湊。 （5）結構尺寸比較緊湊 （6）鏈條裝拆比較方便 鏈條可以在連接鏈節(jié)處拆開，容易安裝和拆卸。而膠帶一般均是制成無端的，它要越過皮帶輪邊緣才能套進去，安裝比較困難。特別當帶輪位于軸承之間更是如此。 （7）鏈傳動能在較大傳動比和較小中心距下工作 鏈傳動允許鏈條在鏈輪上的包角可小一些，因此鏈傳動的傳動比范圍比帶傳動大一些，也更能在較小的中心距下工作。 （8）鏈傳動對環(huán)境的適應能力強 鏈條由金屬制成，能在惡劣的環(huán)境條件下工作，諸如在高溫、油污、粉塵和泥沙等場合，鏈傳動遠比帶傳動更為適用。 （9）鏈條的磨損伸長比較緩慢，張緊調節(jié)量較小 鏈條工作期間的磨損伸長比膠帶拉伸變形伸長緩慢并且極限伸長量可以設法控制在一個節(jié)距范圍內，因此不必像帶傳動那樣要求頻繁地調整中心距。在設計張緊裝置時，鏈傳動要求的調節(jié)量也較小。 （10）由于不需要很大的張緊力，所以作用在軸上的載荷較小； （11）鏈傳動在可燃氣氛下工作安全可靠 當在可燃氣氛下工作時，鏈傳動不像帶傳動那樣有膠帶打滑發(fā)熱和帶與輪間摩擦生電的現(xiàn)象，所以不會有引起燃燒的危險。 只有當要求噪聲小，不準有潤滑油、中心距很長，轉速極高時，鏈傳動的使用性能不如帶傳動. 2、鏈傳動與齒輪傳動比較 （1）鏈傳動的制造與安裝精度要求低，成本較小 這是因為鏈傳動是一種只有中間撓性件的非共軛嚙合傳動，鏈輪的齒形可以有較大的靈活性。鏈輪的加工與安裝精度，鏈傳動的中心距都較齒輪傳動.對于已有的鏈傳動，欲改變其技術參數(shù)（如傳動比、中心距等）也比較容易實現(xiàn)。在安裝與維修方面更為簡單，尤其是在遠距離傳動中，有著齒輪傳動無法具備的簡單和輕便。 （2）鏈輪齒受力較小、強度較高、磨損也較輕 通常鏈輪有較多的齒同時與鏈條嚙合，接觸位置接近齒根并且齒槽圓弧大，齒根應力集中小，而直齒圓柱齒輪傳動一般只有 1～2 對齒接觸。因此，鏈輪的承載能力比齒輪大，齒面磨損也比齒輪的齒面輕一些。 （3）鏈傳動有較好的緩沖、吸振性能 由于鏈條具有一定的彈性，再加上鏈條的每個鉸鏈內部均能貯存潤滑油，因此它與只有 1～2 對剛性很大的齒嚙合的齒輪傳動相比，有較好的緩沖和吸振能力. 只有當受空間限制要求中心距?。凰矔r傳動比要求恒定；傳動比大；轉速極高；噪聲要求小時，鏈傳動的使用性能才不如齒輪。 3鏈傳動的缺點 （1）不能保證恒定的瞬時傳動比； （2）只能用于平行軸間同向回轉的傳動； （3）不適宜在載荷變化很大和急促反向的傳動中應用； （4）工作時存在噪聲； （5）制造費用比帶傳動高； （6）磨損鏈節(jié)伸長后運轉不穩(wěn)定，易跳齒。 由以上比較可以看出，鏈傳動的適用范圍很廣。一般說來，適用于大中心距、多軸、傳動比要求精確的傳動，環(huán)境惡劣的傳動，沖擊和振動大的傳動，大載荷的低速傳動，潤滑良好的高速傳動等都可成功地采用鏈傳動。 2.1.3鏈傳動的應用 鏈條最早的應用可追溯到夏商年代，即三千多年以前。今天，隨著現(xiàn)代化的大規(guī)模生產，鏈條工業(yè)正在提供多種多樣的鏈條產品以滿足各方面的需要，鏈條也越來越多的應用在各種各樣的機械設備中，主要有： 1.叉車提升鏈 一般叉車均用兩掛鏈條提升貨物。由于鏈條的鏈節(jié)可靈活轉動，不存在附加彎曲應力，因此鏈輪直徑可以設計得較小，鏈條的使用壽命也較長。 2.摩托車鏈傳動 摩托車與自行車都采用鏈條來傳動。這一傳動特點是：中心距長，速度變化頻繁，要求寬度窄、重量輕、尺寸緊湊、使用可靠。顯然采用鏈傳動是最合適的。 3.發(fā)動機正時鏈 發(fā)動機曲軸與凸輪的傳動要求配氣與點火時間準確，必須保證準確的傳動比。由于鏈傳動有良好的同步性，因此對于曲軸和凸輪間距離較大的內燃機，多采用正時鏈傳動。 4.石油鉆機鏈傳動 石油鉆機上大量采用鏈傳動，一般使用多排滾子鏈傳動，它工作可靠，排除故障速度快，能夠滿足鉆機工作要求。 5.挖掘機鏈傳動 它的使用環(huán)境比較惡劣，經常啟動與停車，使鏈條受到頻繁的沖擊載荷。一般采用大節(jié)距的彎板滾子鏈。而且結構緊湊，使用非常可靠。 6.谷物聯(lián)合收割機上的鏈輸送 在各種農業(yè)機械上，使用了大量的鏈條。 7.油鋸鏈 油鋸鏈是一種帶有刀刃的特殊鏈條，它除了傳遞動力外，本身還是截斷木頭的鋸條。因此，它可使伐木鋸結構緊湊，效率高，使用方便。 2.2 鏈傳動的失效分析 由于設計、制造、使用等方面的差異，鏈條與鏈輪的失效形式是多種多樣的。不過總的來說，可以分成兩種情況：一種是正常失效，鏈條與鏈輪達到了預期的正常使用壽命；另一種是非正常失效，即未達到預期的正常使用壽命就早期損壞報廢。以下敘述了鏈傳動的失效形式： 1．鏈條元件的疲勞破壞 鏈板的疲勞損壞，在中低速的閉式鏈傳動中，鏈板的疲勞斷裂比較常見。鏈板在變載荷作用下，經過一定的循環(huán)次數(shù)就會在板孔兩側的應力集中區(qū)發(fā)生疲勞破壞。鏈條元件的疲勞強度是決定鏈傳動承載能力的主要因素。 2．鏈條鉸鏈的磨損 鏈傳動工作時，滾子套筒的沖擊疲勞損壞。鏈條在與輪齒的嚙入過程中，由于多邊形效應會產生一個由嚙入沖擊引起的動載荷。在滾子鏈中，嚙入沖擊首先由滾子承受，再從滾子傳遞給套筒、銷軸，以及鏈板。這樣，滾子和套筒就受到反復多次的沖擊載荷，經過一定的循環(huán)次數(shù)就會發(fā)生小能量沖擊疲勞破壞。由于沖擊能量和速度的平方成正比，所以在中、高速閉式鏈傳動中，這種失效形式就比較常見。 3． 銷軸與套筒的膠合 鏈條鉸鏈在向輪齒的嚙入過程中，組成鉸鏈副的銷軸與套筒產生相對轉動，并以沖擊方式與輪齒嚙合。當鏈輪轉速升高到一定數(shù)值以上時，鉸鏈的摩擦表面會嚴重發(fā)熱產生膠合現(xiàn)象。膠合是一種焊合現(xiàn)象，一旦發(fā)生，則當相鄰鏈節(jié)欲作相對轉動時，輕則使鉸鏈摩擦表面擦傷，重則或者使銷軸扭斷或者使銷軸或套筒被強制在板孔內轉動，從而使鏈條迅速破壞。 4． 鏈條的磨損 滾子鏈的各元件在工作過程中都會發(fā)生磨損破壞，最常見的磨損是指發(fā)生在銷軸和套筒承壓表面的磨損。 5． 鏈條的靜強度破斷 低速重載的鏈條當過載時，易發(fā)生靜強度破斷；磨損了的鏈條當在鏈輪上發(fā)生爬高和跳齒時，也易引起靜強度破斷。 6． 鏈條的多沖破壞 反復起動、制動、正反轉和重復沖擊工作的鏈條，其組成元件易發(fā)生大能量低周期沖擊疲勞破壞。 7． 鏈輪齒的磨損、塑性變形和斷裂 由于潤滑不良，特別在開式傳動中，輪齒會發(fā)生較大的磨損。 8． 鏈傳動的非正常失效 由于鏈條制造質量差、安裝精度低、使用不當以及結構方面等原因，會產生眾多的不正常的失效形式，大大縮短了鏈條的使用壽命。 2.3 開溝機設計的初步理論 開溝機屬于土壤挖掘機械，開溝鏈在工作時的工作環(huán)境是土壤，這就要求在鏈式開溝機設計之前要對土壤學和土壤力學等相關學科做必要的理論準備。 2.3.1土壤的主要物理力學性質 土壤由固體、液體和氣體組成（稱為土壤的固相、液相和氣相）。固相部分包括粗細不同的礦物質顆粒和與它緊密結合的有機質。在固體顆粒之間的孔隙中，充有水和空氣。礦物質一般占土壤固相部分質量的95%，它支撐著生長在土壤中的作物。土壤的機械組成通常指直徑3mm以下的細小顆粒，按直徑大小分為砂粒、粉粒和粘粒。隨著所含砂粒、粉粒和粘粒成分的不同，土壤具有不同的物理性質。土壤中含粘粒成份越大，則土粒之間的凝聚力越大，耕作時土壤不易破碎，犁耕的阻力也較小[13]。土壤耕作機械的選用、設計和研究與土壤的物理力學性質有著十分密切的關系。下面對土壤的幾個重要的物理力學性質做以簡要介紹與分析。 1．容重 在自然狀態(tài)下，土壤的單位體積質量即為容重。一般表示為 g = qv（ g /cm3 ） 式中：q —— 為土壤質量重； V —— 為土壤體積。 土壤的容重與土壤內的孔隙度和固體顆粒密度有關。孔隙度越大，則容重越小。當土壤容重為1 g /cm 3時，最利于開挖[14]。 2．濕度 在降雨或灌溉之后，耕作層內的水有一部分在重力作用下，沿著土壤中大的孔隙或裂縫向下滲透，另一部分則在土粒的吸附作用和毛細管作用下，保持在耕層之內。土壤能保持的最大含水量稱為“田間持水量”，用相對濕度和絕對濕度表示。土壤的濕度對開挖質量和牽引阻力有很大影響。土壤過于堅硬，阻力大；如果過于潮濕，土垡不易破碎。 3．堅實度 當壓實非密實土壤時，使其壓痕為1～2cm時所需的力稱為單位壓實力。當以一定斷面形狀（圓形、錐形等）的柱塞壓入土壤，其壓陷深度為時，作用在土壤上的平均壓力稱為土壤的堅實度，則有土壤堅實度同土壤的質地和含水量有密切關系。堅實度越大，土壤承受能力及開挖阻力越大。 4．內摩擦力和外摩擦力 在土壤內部，土粒與土粒之間的摩擦力稱內摩擦力，一般與土粒間的接觸面形狀、作用在接觸面上的正壓力和土壤濕度有關。土壤沿著工作部件表面滑動時，產生的摩擦力稱外摩擦力。當外摩擦力大于內摩擦力和附著力時，工作部件的表面就要粘土。因此，在設計開溝機械時，應盡量減少外摩擦力。 5．土壤的抗剪強度 在外力作用下，土壤會出現(xiàn)相對位移，阻止這種相對位移的土壤內部阻力稱為土壤的抗剪強度。大量試驗表明，當土壤破壞時，正應力和剪應力τ之間存在著線性關系，有。式中：C為土壤的凝聚力，為土壤的內摩。擦角抗剪強度在很大程度上決定著開挖質量和能量的消耗，與土壤顆粒的大小、分布、土壤密度和濕度有很大關系。因而其在開溝機械的設計中也是一個較為重要的參數(shù)[14]。 2.3.2土壤工作部件力學 土壤工作部件力學研究的目的是：定量地描述工作部件對土壤的作用，這種力學有三個發(fā)展階段[14]： 1.認識階段：作用是反復的對之進行觀察和記錄。 2.定性階段：識別了作用而且觀察了特定的反作用，現(xiàn)在正處于此階段。有關土壤工作部件力學的文獻都是用于定性階段。 3.定量階段：用于發(fā)展工作部件力學原理的一致性原理，在表達一種現(xiàn)象的時候，同時讓考察的各量應當有一致的明確程度。這一原理的應用，可防止過分地發(fā)展無用的次性能方程和隨之而來的復雜性。采用精確的性能方程定量地描述開挖作用的程度，需要一種完整的土壤與工作部件力學。適用于土壤工作部件力學的性能方程是少數(shù)的，且其定量評價也不是總能得到的，限制力學發(fā)展的是缺乏表達性能的基本方程式，完全力學可描述一種理想的土壤工作部件力學，對作用可能有影響的所有簡單性能都包括在這個總的力學中。然而，由于每個性能并不是總起作用的，一種性能的出現(xiàn)與消失難于察覺和估計，因而出現(xiàn)了一種建立在單一性能方程基礎的局部力學，它可在土壤動力學中解決特殊問題，在完全力學最終發(fā)展起來之前，只可能發(fā)展局部土壤工作部件力學，局部力學與完全力學的差別之一，完全力學適用于工作部件對土壤進行作業(yè)的一切可以想象到的情況不受限制，而局部力學將受到一些限制，應用局部力學可能解釋觀察到的開挖作用。傾斜工作部件是在應用局部力學分析的一個工作部件，在分析這一簡化部件的作用時，應用了描述開挖作用的四個性能方程[15]： （1）土壤與金屬的摩擦 （2）剪切失效 （3）每個土塊的加速力 （4）切削阻力 在具體分析開挖作用時，首先給出了土塊的受力狀態(tài)，給出了傾斜工作部件與土壤之間的摩擦力，從而應用了第一個性能方程。在確定剪切面與最大主應力之間夾角時，應用分析剪切失效的摩爾圓，從而應用了第二個性能。通過加速度分析得出了引起加速度的速度，計算出加速度，從而得到了每個土塊的加速力應用了第三個性能。土壤的純切削阻力是小的，只有土塊中有石頭或殘根或開挖部件刃口變鈍時，切削阻力才顯重要，不存在上述情況時，在總阻力中忽略切削阻力，從而考慮了第四個性能力程[15]。 2.3.3小結切割過程的分土壤切削阻力分析 切削邊以一定的壓力接觸土壤，使土壤受到擠壓和剪切，當壓力繼續(xù)增大，土壤原始結構遭到破壞，土塊被切斷，這是刀具切土壤時所共有的現(xiàn)象。顯然，切削刃在切削土壤中運動時，遇到的阻力來自三個方面：一 是土壤原始結構遭到破壞的阻力；二 是土壤的內摩擦阻力；三 是土壤與切削刃邊的摩擦阻力。其中前二項之和稱為切削阻力。但是，這三項阻力是同時存在的，很難區(qū)分開來，所以在計算時，將第三項阻力也包括在內。因此，切削阻力就是在切土過程中，土壤作用在切削裝置上的反力。開溝過程中，切割齒在土壤中連續(xù)運動進行切割，被切割下來的土壤，其中一部分在切割刃前面形成土堆，被切割齒帶著向前移動。一部分土壤在擠壓力的作用下越過切割刃前面的土堆進入杯形切割齒內。由此可見，在挖掘過程中切割齒除了遇到切削阻力外，還會遇到土壤進入杯形切割齒內的阻力及帶動土堆的阻力，后二項合稱為裝土阻力。切削阻力與裝土阻力之和稱為挖掘總阻力。 3 鏈刀式開溝機工作部件的設計 3.1 開溝機的工作原理 鏈刀式開溝機的結構見圖3-1.它主要由機架、傳動、切割、清溝、運土等部分組成。動力有4.5～200kW。鏈刀開溝機工作部件的開溝寬度和深度，根據工作要求可以調節(jié)。對不同土壤有較強的適應性，用途比較廣泛。 1牽引用拖拉機 2開溝鏈 3減速裝置 4開溝機懸臂 5排土輪 圖3-1 鏈刀式開溝機 開溝機是一種連續(xù)式挖掘設備，根據行走裝置不同可分為輪胎式和履帶式。根據工作裝置的不同，可分為鏈齒式和輪斗式兩大類。另外，由于開溝的深度和寬度不同，品種較多。按排土方式分為地面直排土、膠帶輸送機排土。地面直排土一般用于小型開溝機，膠帶排土一般用于大型開溝機按開溝機刀型分為鏈斗式、鏈鏟式、鏈齒式、圓盤銑切式、輪斗式和輪齒式等多種形式[16]。 主動鏈輪的驅動動力由拖拉機輸出軸輸入變速箱，經變速箱降速增扭之后傳遞給主動鏈輪。變速箱固定在支架上，拖拉機尾軸與變速箱之間以萬向節(jié)連接，變速箱固定在拖拉機尾部。工作時，拖拉機以速度V2向前行走，通過控制拖拉機輸出軸轉速和變速箱，帶動主動鏈輪，使開溝鏈條以線速度V1繞主動鏈輪轉動作業(yè)。開溝機工作臂內有液壓張緊缸，在新型開溝鏈條伸張時，可以張緊鏈條。 參照傳統(tǒng)的開溝機，對鏈式開溝機其基本結構研究可以對其分為四大部分：工作部件；動力傳動系統(tǒng)；機身和安全裝置等[16]。 （1）工作部件：工作部件包括完成主要工作的主動型工作部件和完成輔助工作的從動型工作部件。主動型工作部件是以特種鏈條帶動的切削刀片。鏈條帶動刀片做往復運動繼而進行挖土工作。 （2）動力傳動部件：機械式的驅動系統(tǒng)主要包括萬向傳動和齒輪傳動兩部分，其動力來自拖拉機的動力輸出軸。萬向傳動是通過帶有空間可變角度的成對使用的萬向節(jié)傳遞動力，適用于可變軸線位置的傳動，它連接在拖拉機的動力輸出軸和開溝機的減速箱之間。齒輪傳動是一級或兩級以上的減速裝置，用于成倍地降低動力輸出軸的轉速并改變動力傳遞方向，最終將動力傳遞給開溝機鏈輪并帶動開溝鏈進行開溝工作。 （3）機身： 包括機架和成型器。機架是開溝機的骨架；所有部件均連接在機架上。目前我國旋轉開溝機多采用平行梁架，用鋼管或槽鋼焊合而成。成型器位于機架的尾部，工作時起穩(wěn)定作用，并可刮出溝底和溝壁，保持溝型整齊、干凈。 （4）安全裝置：安全裝置的作用是防止旋轉開溝機過載（或過載時的保護措施），保護拖拉機的動力輸出軸和開溝機的傳動系統(tǒng)。使用最多的是摩擦片式安全離合器，一般安裝在開溝機傳動系統(tǒng)的輸入端。此外，變速箱設計有一個倒速檔位，可以在過載卡住鏈條時，倒速運轉，退出卡在重土壤中的鏈條。 鏈式開溝機由普通拖拉機提供動力，主要由變速器，工作臂梁架，開溝器，液壓升降部件和分土器等部分組成。開溝機工作時，動力由拖拉機后輸出軸輸出至變速器，經過變速傳遞給開溝部分，工作臂通過液壓系統(tǒng)控制使其后傾一定角度，置于其上的開溝鏈與土壤作用，在機組前進的同時，開溝鏈斜向下伸出切土，繼而開出斜溝，開溝同時，利用開溝鏈將沙土帶出溝，并由分土器將沙土攤開于溝沿兩側。處于工作狀態(tài)的開溝機示意圖如圖3-2。開溝鏈工作時后置前傾一個角度，開溝時，在機組前進的同時，開溝鏈條等工作部件旋轉,斜向下伸出切土,逐漸開出一段斜溝，同時將沙土帶出溝，并由分土器將沙土推開。 圖3-2 開溝機示意圖 3.2 鏈式開溝機的特點 （1） 工作效率高。開溝機屬連續(xù)挖掘工作裝置，集挖掘和排土于一體而挖掘機屬于半連續(xù)挖掘工作裝置，其輔助作業(yè)時間多，如旋轉卸土、再旋轉歸位。所以開溝機的挖溝速度與挖掘機相比，工效可以提高 3～5 倍，尤其對挖掘窄深溝槽，效果更為明顯。 （2） 超挖量小。使用挖掘機挖溝，超挖量大，溝的橫截面呈倒三角形。溝的邊緣不整齊，施工時不僅挖掘量大，回填量也大。而專用挖溝機則可以根據不同管道直徑選擇不同寬度的裝置，溝的橫截面呈矩形。并且挖掘量和回填量都恰到好處據統(tǒng)計，二者相比，取土量后者少，總的施工成本可大大節(jié)約。 （3） 工作速度快，提高工期完成速度。以光纜鋪設為例，用來鋪設 1～2 cm直徑的光纜，現(xiàn)在人工挖掘約 50 cm寬 2 m深溝，每人每天最多可挖15 m長。利用本項目成果的光纜鋪設裝置，每小時可開挖 8 cm寬 2 m深溝200 m。每天按 8 小時計算，提高挖掘工效 100 多倍。并且可挖重土壤，如巖石等。 （4）對于較硬地面，開溝機可以直接作業(yè)，不需要爆破松動。 3.3 工作部件基本參數(shù)的選擇 工作部件基本參數(shù)的選擇如圖3-3所示。由于動力載荷作用在鏈刀上以及切削土壤磨損因素的結果，使其工作鏈刀的速度受到一定的限制。對于礦物質土壤工作時，鏈刀速度一般為1～2m/s[17]。 圖3-3 縱向開溝機工作部件基本參數(shù)和切削土壤狀態(tài)圖 鏈刀工作部件水平移動的工作速度取決于機器的生產率與溝槽的截面積。 (3-1) 式中：——理論生產率 ——溝寬（m） ——溝深（m） 鏈刀運動的絕對速度按下式計算： = （m/s） (3-2) 式中：——鏈刀速度 (m/s) ——鏈刀工作部件水平移動的工作速度（m/s） ——工作鏈刀對水平面的傾角，一般取～，此角影響鏈刀之間土壤的充滿程度。 鏈刀絕對速度向量的傾角按下式計算： （3-3） 鏈刀高度。若增加鏈刀高度，則鏈刀遇到障礙時，鏈式工作部件里的負荷就會增加。 刀片節(jié)距可按下式進行初步計算，刀片切削厚度： (3-4) 開溝機運動速度與鏈刀的切削厚度的協(xié)應關系如圖3-4.，根據該圖，可以得出二者的關系如下： （3-5） 圖3-4 開溝機作業(yè)速度與切削厚度的協(xié)應 由于實際開溝過程中，，所以上式可以簡化為：，則可知：。即、近似互余。 當在合理切削土壤的條件下可采用下式： (3-6) 式中：——刀片節(jié)距（m） ——刀片厚度（m） 對于B型刀片的寬度，即是暗渠的溝寬B。 B型刀，工作部件的切削厚度： （m） (3-7) 對于預選的刮刀高度和節(jié)距應當驗算其輸送能力，正確的選擇鏈刀高和刀片寬度。則、應當滿足下列條件: (3-8) 式中：——給定的生產率（ ——鏈刀式工作部件按排出能力計算的生產率（ ——土壤松散系數(shù) ——與鏈條運動速度有關的散開系數(shù)。見表 3-1。 表3-1 土壤散開系數(shù) 0.1 1 1.5 2 0.97 0.92 0.85 0.75 由于土壤散開系數(shù)和鏈刀的運動速度有直接關系，所以需要對鏈刀的運動速度進行研究。開溝時，刀鏈受到動力的驅動和土壤阻力的作用，刀刃和鏈節(jié)軸承將發(fā)生磨損和曠動，為了保證作業(yè)質量和避免過分的振動，對刀鏈的運動速度須作一定的限制。根據試驗，前蘇聯(lián)學者推薦的刀鏈線速度 v c值為：沙性土 1～2m/s;泥炭土 3～4m/s[18]。本課題中取鏈刀運動速度為 1.5m/s，則相應的土壤散開系數(shù)為 0.85。 對于鏈刀的排土能力的計算生產率，可以通過鏈條水平傾角與土壤的自然休止角進行比較得出：其比較原理如下： 當時， （ (3-9) 當時， ( (3-10) 當時， （ (3-11) 式中：——鏈刀高度（m） ——松散土壤的自然休止角 ——刀片節(jié)距（m） ——刀片寬度（m） ——鏈刀速度（m/s） 對于土壤的自然休止角，是土壤自然條件下，不滑坡的最大傾斜角度，實際土壤試驗中可以利用休止角測定儀進行土壤休止角的測量，本文根據實際開溝情況，重壤土的休止角為 30°～40°，具體的情況需根據具體的土壤情況而定，下表給出了常見的土壤休止角的對照表[19]： 表 3-2 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) 礫石 40 40 35 卵石 35 45 25 粗砂 30 32 27 中砂 28 35 25 細砂 25 30 20 重粘土 45 35 15 亞粘土、輕粘土 50 40 30 土的名稱 干的度數(shù) 濕潤度數(shù) 潮濕的度數(shù) 輕亞粘土 40 30 20 腐植土 40 35 25 填方的土 35 45 27 考慮鏈刀的高度，取=50mm,=76.2mm。 由于 Max () =700所以有： 的取值范圍是： 所以取上面的（3-8）式。計算 從而由式 3-7 有： ≥4 mm 。 從而為保證土壤切削后能夠正常被鏈刀帶出溝，鏈刀的寬度最小不能小于4mm。 3.4 工作部件切削土壤的力 本課題開溝機的開溝鏈可以近似看作是豎直刮刀形式，根據現(xiàn)有參考資料，有豎直刮刀的切土阻力的計算式[20]為： （N） (3-12) 式中： ——蘇聯(lián)道路科學研究所堅實度計沖擊值 ——切削厚度，（cm） ——刀片厚度，（cm） ——刀片切削角，(0） ——刀片尖角計算系數(shù) 對上式進行單位歸一化處理[20]有： (3-13) 應用本課題中，上式中切削厚度和刀片厚度做相應調整[21]得： (3-14) 開溝機開溝總切削阻力是根據所有切削刀在土壤中同時作用的情況進行計算，作用在鏈條上的力為： （N） (3-15) 式中：——切削土壤的阻力（N）； ——同時與土壤作用的刀片數(shù)。 對于采用B型刀的挖縱向溝一次切削和分層切削形式的工作部件： (3-16) 式中：——溝深（m）。 其它代號與前式相同。 3.5 發(fā)動機功率的確定和底盤的選擇 開溝機的傳動總功率可按下式計算： （kW） (3-17) 式中：——工作部件鏈條傳動所消耗的功率（kW）； ——機器前進所需的功率（kW）； —— 輔助機械的傳動所消耗的功率（kW）。 工作部件鏈條傳動所消耗的功率： （kW） (3-18) 式中：——絞龍推運土壤刀溝旁所消耗的功率（kW）； 、——鏈刀工作部件傳動效率（）； ——切削土壤功率。 （kW） (3-19) 式中：——切削總阻力（N）； ——鏈刀絕對速度（m/s）。 沿溝升運土壤所消耗的功率，可按下式求出： （kW） (3-20) 式中：——工作部件的理論生產率； ——土壤容重； 土壤容重[21]是土壤在未破壞的自然結構下，單位容積中的重量，通常以克/立方厘米表示。土壤容重大小反映土壤結構、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 1～1.3 克/立方厘米，土層越深則容重越大，可達1.4～1.6克/立方米。 ——溝深（m）； ——考慮土壤顆粒在鏈刀與溝側壁間滯塞的可能的系數(shù)，濕的和粘的土壤=1，干的和粘結不緊的土壤=1.05～1.15;長方形鏈刀=1.2～1.25；菱形鏈刀=1.0； ——鏈刀卸土平均高度（m） （m） （3-21） 式中：——刀片節(jié)距（m）； ——鏈刀運動絕對速度對水平面的夾角（）。 被運送土壤與溝道土壤摩擦所消耗的功率，按下式計算： （kW） （3-22） 式中：——土壤與土壤的摩擦系數(shù)（見表3-3） 其它符號與上式相同。 表3-3 和值 項目 沼澤泥炭土 重粘土 壤土 重壤土 1～5 18～24 5～10 9～18 0.9～1.0 0.8～1.0 0.7～0.8 0.7～0.8 選擇拖拉機的功率： （kW） （3-23） 式中：——工作部件鏈條傳動所消耗的功率（kW）； 機器前進所需的功率： （kW） （3-24） 式中；——總的牽引阻力（N）； （鏈刀工作部件水平移動的工作速度）（m/h）； ——行走機構傳動效率，。 對于機組前進行走阻力，可以做受力分析圖3-5. 圖3-5 機組前進受力圖 式中：——開溝鏈傳動效率 ——機組行走傳動效率 輔助機械的傳動所消耗的功率： （kW） （3-25） 式