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履帶式播種機(jī)淺耕開溝機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
學(xué) 生：
指導(dǎo)老師：
（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128）
摘 要：本文在分析履帶式播種機(jī)淺耕開溝機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理的前提下，介紹說(shuō)明了履帶式播種機(jī)淺耕開溝機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)步驟。并根據(jù)設(shè)計(jì)原則的要求，首先選擇了淺耕機(jī)的類型，確定淺耕機(jī)的耕幅、傳動(dòng)型式、刀軸轉(zhuǎn)速的選擇等內(nèi)容。然后具體設(shè)計(jì)了淺耕機(jī)的傳動(dòng)裝置——包括齒輪箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵零件的強(qiáng)度校核、耕深調(diào)節(jié)裝置和工作部件總成的設(shè)計(jì)（包含淺耕刀片的選擇以及開溝器的設(shè)計(jì)）。其中淺耕開溝機(jī)構(gòu)以及傳動(dòng)裝置是本次設(shè)計(jì)中的主要內(nèi)容，它包含了大量的工作：資料的整理，參數(shù)的設(shè)定，相關(guān)計(jì)算，繪圖等。
關(guān)鍵詞：履帶式播種機(jī)；旋耕刀片；耕幅；淺耕；開溝；
Design Of Crawler Drill’s Shallow Tillage And Furrowing Structure
Student: Xiang wei
Tutor: Wu MingLiang
(College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128)
Abstract: After analyzing the components and principles of Shallow tillage trenching machine of crawler seeder ,the thesis introduces the principle of design and the procedure of Shallow tillage trenching machine of crawler seeder .According to the plan ,the thesis chooses Shallow tillage trenching machine of crawler seeder’s type, confirms their ploughs ,the connection and disposition method with the selected tractor, transmission pattern, rotation speech of cutter shift , etc. Then Shallow tillage trenching machine’s gearing is designed concretely ,which includes overall design of gear case strength calculation of main parts, the design and choice of plough depth limiting device and working part .The design of Gear Case is the main point of the thesis ,which needs lots of work ,data sorting ,the choice of parameter and relevant calculation and drawing etc.
Key words: crawler seeder;rotary blade;the breadth of furrow;shallow tillage;trenching
1 前言
履帶式播種機(jī)是一種直播機(jī)，它以增產(chǎn)、增收、培肥地力、改善土壤結(jié)構(gòu)、減少雜草、減少病蟲害、為農(nóng)作物創(chuàng)造良好的生活環(huán)境。是我國(guó)正在大面積推廣發(fā)展的新型高效農(nóng)業(yè)機(jī)械也是我國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)容。 它一次性可完成碎土、碎秸桿、起壟、開溝、滅茬、施肥、播種等多項(xiàng)作業(yè)。在我國(guó)南方地區(qū)油菜是主要油料作物，中國(guó)食用植物油自給率僅39.4%，油菜生產(chǎn)的重要性已被提高到國(guó)家戰(zhàn)略安全的高度。傳統(tǒng)的油菜種植方式效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大。而留在農(nóng)村從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者以老弱病殘居多。依靠這種勞動(dòng)力結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式無(wú)法滿足大規(guī)模擴(kuò)大油菜面積、增加油菜總產(chǎn)的要求。因此研制油菜生產(chǎn)系列機(jī)械，組裝、集成油菜高效栽培技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化生產(chǎn)是降低油菜生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率，達(dá)到大規(guī)模擴(kuò)大油菜種植面積、增加菜籽總產(chǎn)、解決中國(guó)食用油安全問(wèn)題的根本途徑。南方冬油菜產(chǎn)區(qū)冬前雨水充足，導(dǎo)致田間雜草叢生，嚴(yán)重影響油菜苗期生長(zhǎng)，而前茬作物收獲后田間留茬高，也嚴(yán)重影響油菜出苗，為此，在現(xiàn)有油菜免耕直播機(jī)的基礎(chǔ)上，通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化組合，研制出了集淺耕、滅茬、開排水溝、播種和施肥一次完成的油菜直播機(jī)—履帶式播種機(jī)。此作業(yè)機(jī)械的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)為淺耕開溝機(jī)構(gòu)。
淺耕開溝機(jī)是一種由動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的土壤耕作機(jī)械。它的耕作部件為旋耕刀輥,刀輥上由多把淺耕彎刀按螺旋線排列以及一個(gè)位于刀軸側(cè)邊的開溝裝置構(gòu)成。淺耕機(jī)開溝機(jī)滅茬開溝切土能力強(qiáng)，耕后地表平整、松軟，能滿足精耕細(xì)作要求，且縮短工序間隔，有利于搶農(nóng)時(shí)抗旱保墑，減少拖拉機(jī)進(jìn)地次數(shù)，減輕對(duì)土壤壓實(shí)，減少能源消耗，降低作業(yè)成本，減少機(jī)具投資，提高機(jī)具利用率，加之近年來(lái)國(guó)內(nèi)還田技術(shù)和免耕少耕技術(shù)的推廣應(yīng)用，淺耕開溝機(jī)構(gòu)得到了迅猛發(fā)展，已成為拖拉機(jī)的主要配套機(jī)具之一。
淺耕機(jī)于19世紀(jì)中葉問(wèn)世以來(lái)，得到了迅速發(fā)展和推廣使用。日本二戰(zhàn)之后為了盡快恢復(fù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,引進(jìn)淺耕機(jī)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。但是由于日本大多為水田,直角形旋耕刀不適宜于進(jìn)行水田耕作。一大批日本學(xué)者開始致力于水田用旋耕刀的研究,如吉田富穗、松尾昌樹、坂井純等人研制出了旋耕彎刀,成功地解決了刀軸纏草等問(wèn)題。為了解決刀軸纏草的問(wèn)題本文對(duì)旋耕彎刀進(jìn)行了設(shè)計(jì)說(shuō)明。對(duì)彎刀的刃口曲線提出了相應(yīng)的要求，目前能達(dá)到這種要求的刃口曲線有阿基米德螺線、等角對(duì)數(shù)螺線、正弦指數(shù)曲線等,其中阿基米德螺線應(yīng)用最廣。
到目前為止，淺耕開溝機(jī)產(chǎn)品雖然在理論上可以配套58.8－73.5kw的拖拉機(jī)，但實(shí)際上因受傳動(dòng)系統(tǒng)強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)尺寸、機(jī)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，配套合理范圍僅達(dá)48kw的拖拉機(jī)；耕深亦局限在旱耕12－16cm，水耕14－18cm。20世紀(jì)90年代以來(lái)，為適應(yīng)市場(chǎng)需要，有些企業(yè)試圖開發(fā)大型旋耕機(jī)，但因水平有限，僅采用原有產(chǎn)品外延放大和堆砌材料的方法，沒(méi)有著重結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和參數(shù)的優(yōu)化，因而走了彎路。因此，現(xiàn)有旋耕機(jī)產(chǎn)品在品種上尚有大型和深耕型的空缺。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，不少農(nóng)機(jī)學(xué)者在旋耕機(jī)方面進(jìn)行了大量的研究工作。為了促進(jìn)驅(qū)動(dòng)型耕作機(jī)械的發(fā)展，本人選擇了淺耕開溝機(jī)構(gòu)作為自己的畢業(yè)設(shè)計(jì)論文課題，借鑒了不少知名學(xué)者的重要研究成果，書寫成文。由于資料搜集的局限性和水平有限，錯(cuò)誤和不足之處在所難免，歡迎讀者批評(píng)指正。
1.1 開發(fā)淺耕機(jī)的目的和意義
土壤耕作是種植業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的重要一環(huán)，對(duì)于農(nóng)作物增產(chǎn)具有重要作用。因此，土壤耕作機(jī)械的發(fā)展一直受到人們的關(guān)注。由于土壤耕作是一項(xiàng)能耗很大的作業(yè)，傳統(tǒng)的土壤耕作機(jī)械，如犁，耙等都需要多次書耕作會(huì)對(duì)土壤造成破壞，不利于水土保持，消耗較大。長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直在探討新的工作制度，松土和局部松土，不耕和少耕。在這種形勢(shì)下，驅(qū)動(dòng)型耕作機(jī)械誕生了。這種機(jī)械之所以引人注目，一是強(qiáng)化土壤耕作過(guò)程，可以滿足不同條件下的不同土壤類型；二是一次耕作可以聯(lián)合作業(yè)；三是有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，質(zhì)量好；四是作業(yè)時(shí)幾乎不需要牽引功率，減少了功率的消耗。
驅(qū)動(dòng)型機(jī)具有多種，如旋耕機(jī)，振動(dòng)土壤耕作機(jī)械等，目前廣泛使用的，應(yīng)用前景最好的就是旋耕機(jī)。耕機(jī)切土、碎土能力強(qiáng)，一次旋耕能夠達(dá)到一般犁耙作業(yè)幾次的碎土效果，耕后地表平整、松軟，能滿足精耕細(xì)作要求，且縮短工序間隔，有利于搶農(nóng)時(shí)抗旱保墑，減少拖拉機(jī)進(jìn)地次數(shù)，減輕對(duì)土壤壓實(shí)，減少能源消耗，降低作業(yè)成本，減少機(jī)具投資，提高機(jī)具利用率，加之近年來(lái)國(guó)內(nèi)還田技術(shù)和免耕少耕技術(shù)的推廣應(yīng)用，淺耕開溝機(jī)得到了迅猛發(fā)展，已成為拖拉機(jī)的主要配套機(jī)具之一。
1.2 國(guó)內(nèi)外旋耕機(jī)的發(fā)展動(dòng)態(tài)、存在問(wèn)題及發(fā)展方向
1.2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀
1)國(guó)外自20世紀(jì)50年代開始研制并推廣聯(lián)合作業(yè)機(jī)。在西歐各地氣候條件復(fù)雜且變化急驟,適播期短,搶農(nóng)時(shí)適時(shí)耕種成為十分突出的問(wèn)題。因而在德、法、英等國(guó)家生產(chǎn)和使用整體型聯(lián)合作業(yè)機(jī)比較普遍。北美一帶氣候條件好,土地面積大、適播期長(zhǎng),仍使用寬幅單項(xiàng)作業(yè)機(jī),但近幾年美國(guó)凱斯和迪爾公司也推出了為大功率拖拉機(jī)配套使用的寬幅、高效聯(lián)合整地機(jī)械。在日本、韓國(guó)等地,因地塊小,使用耕整、施肥、播種、鋪膜聯(lián)合作業(yè)機(jī)較多。
2)總的看,國(guó)外驅(qū)動(dòng)型耕作機(jī),近幾年發(fā)展很快。其趨勢(shì)是:整機(jī)和工作部件多系列、多品種化,生產(chǎn)批量趨小;適應(yīng)少免耕法新農(nóng)藝,以旋耕機(jī)為主體的整地、施肥、播種聯(lián)合作業(yè)機(jī)得以優(yōu)先發(fā)展;向?qū)挿?、大功率、高效能發(fā)展;采用新結(jié)構(gòu)、新部件和增加附件,如快速掛卸裝置、動(dòng)力輸出軸離合器、保護(hù)器等;由機(jī)械式傳動(dòng)向液壓傳動(dòng)、氣力傳動(dòng)方向發(fā)展;機(jī)電一體化、微電子技術(shù)用于作業(yè)機(jī)組的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、顯示和控制,自動(dòng)調(diào)節(jié)耕深、機(jī)組水平、作業(yè)速度等
1.2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
我國(guó)的驅(qū)動(dòng)型耕耘機(jī)械,自農(nóng)村實(shí)行家庭聯(lián)產(chǎn)承包以來(lái),因地塊小,所以近些年飛速發(fā)展。目前旋耕機(jī)生產(chǎn)廠100余家,年產(chǎn)量達(dá)40萬(wàn)臺(tái)左右。近幾年,我國(guó)也同國(guó)際發(fā)展趨勢(shì)一樣,受作業(yè)成本增加、地塊縮小等因素的影響,聯(lián)合作業(yè)機(jī)的研制和推廣迅速崛起。全國(guó)各地結(jié)合當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)藝要求研制了以旋耕機(jī)、滅茬機(jī)為主體的聯(lián)合作業(yè)機(jī),品種繁多、功能各異例如有湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的2BYF-6型油菜免耕直播聯(lián)合機(jī)及2BYD-6型油菜淺耕直播施肥聯(lián)合播種機(jī)，沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)的2BG-2型玉米壟作免耕播種機(jī)，河北農(nóng)業(yè)大學(xué)2BMF-4型玉米免耕播種機(jī)等一系列優(yōu)秀的作品。淺旋耕條播機(jī)，旋耕施肥播種機(jī)，松旋起壟機(jī)，滅茬施肥起壟機(jī)，滅茬旋耕機(jī)，耕整播種聯(lián)合作業(yè)機(jī)等已有60多種規(guī)格型號(hào),年產(chǎn)量在1.5~2萬(wàn)臺(tái)左右。目前,黑龍江省已研制推廣了多功能旋松起壟機(jī)、松旋起壟機(jī)、滅茬起壟機(jī)、玉米大壟滅茬起壟機(jī)、耕整播種聯(lián)合作業(yè)機(jī)，而湖南省的稻茬田油菜免耕播種機(jī)取得了極大地突破，并逐漸向形式結(jié)構(gòu)的多樣化發(fā)展。但由于受國(guó)內(nèi)特殊的稻田環(huán)境等因素的影響，從整體技術(shù)水平看,與國(guó)際先進(jìn)水平相比,仍有許多需要改進(jìn)的地方。其主要表現(xiàn)在:
(1)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行性能水平低。因受拖拉機(jī)技術(shù)的制約和配套農(nóng)具本身研究開發(fā)水平的限制,一些國(guó)際已采用的先進(jìn)結(jié)構(gòu)尚未采用,如快速掛接,短尺寸廣角萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸,可調(diào)機(jī)罩、耕深和水平自控調(diào)節(jié),快速換刀結(jié)構(gòu)和安全減振裝置等。
(2)可靠性差。國(guó)產(chǎn)旋耕機(jī)無(wú)故障使用時(shí)間最長(zhǎng)為370h,僅為國(guó)外的2/3。
(3)(材料和制造工藝水平低。材料以市場(chǎng)供應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn),但滿足不了設(shè)計(jì)要求;而國(guó)際上已普遍采用新材料、新工藝,如高強(qiáng)鑄鐵、低合金鋼模鍛。如西德杜齊耕作機(jī),刀齒強(qiáng)度為10,并箱形零件薄壁鑄造新工藝、熱處理新工藝、多刀加工中心和柔性加工自動(dòng)線等。
(4)機(jī)型雜亂,三化水平低,重復(fù)低水平設(shè)計(jì),缺乏科學(xué)嚴(yán)密的試驗(yàn)。從國(guó)際和國(guó)內(nèi)今后耕作機(jī)械的方向和走勢(shì)看,從學(xué)術(shù)觀點(diǎn)上,以減少能源消耗、降低作業(yè)成本和維持糧食單產(chǎn)為目標(biāo)的少耕、免耕技術(shù)和以增加糧食產(chǎn)量為目標(biāo)的精耕細(xì)作兩者之間,進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的爭(zhēng)論。近年來(lái)兩者共同尋求更合理的以節(jié)省能源、降低投入、增加產(chǎn)量為統(tǒng)一目標(biāo)的耕作技術(shù)與配套設(shè)備。因此,研制耕作施肥播種為一體的聯(lián)合作業(yè)機(jī),成為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外共同的發(fā)展方向。
1.2.3 發(fā)展方向及需要解決的問(wèn)題
目前淺耕機(jī)逐漸向向聯(lián)合作業(yè)方向發(fā)展。黑龍江省農(nóng)機(jī)院研制了耕整播種聯(lián)合作業(yè)機(jī),一次完成滅茬、施肥、播種、鎮(zhèn)壓、噴藥等聯(lián)合作業(yè)。且已開始研制麥茬免耕播種機(jī),急需研制高茬免耕地、滅茬、開溝、播種、復(fù)土的土壤耕作部件。向電子自動(dòng)控制播種方向發(fā)展。存在的問(wèn)題及研究方向1)國(guó)內(nèi)播種機(jī)存在的問(wèn)題有以下幾點(diǎn):播種部件的結(jié)構(gòu)型式繁雜、三化水平低。其工藝水平低、制造質(zhì)量差、鑄鐵質(zhì)量大、塑料部件壽命短,粗制濫造現(xiàn)象嚴(yán)重。主要研究方向:從配套機(jī)型上看,給大、中型拖拉機(jī)配套急需更新?lián)Q代。應(yīng)研制開發(fā)中、小型聯(lián)合作業(yè)播種機(jī);研制為大功率拖拉機(jī)配套的大豆寬幅窄行密植和大壟密植精量播種機(jī);急需提高工藝水平提高制造質(zhì)量,廣泛采用新工藝、新材料。
1.2.4 設(shè)計(jì)依據(jù)：
淺耕開溝機(jī)構(gòu)中耕深50≤H≤100(單位：mm)
淺耕寬度：B=1800mm
開溝機(jī)構(gòu)畦溝溝深：100≤h≤150(單位：mm)
溝寬B’=200mm
功效：5~6畝/h
切土節(jié)距S=4~6
余擺線λ>1
設(shè)計(jì)的淺耕開溝機(jī)構(gòu)應(yīng)掛接在履帶式行走底盤上，且溝深可調(diào)。
建議①：開溝刀盤與淺耕刀輥在一根軸上
建議②：淺耕機(jī)構(gòu)采用旋耕，開溝機(jī)構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)刀盤
建議③：開溝刀盤上采用起壟刀
注意①：考慮沿田埂周邊開畦溝時(shí)，土壤不拋灑出田埂上及外延
注意②：應(yīng)考慮刀片的安裝方向
注意③：應(yīng)考慮刀輥的旋轉(zhuǎn)半徑，開溝刀盤旋轉(zhuǎn)半徑，軸上的布置位置及關(guān)系，開溝鏟與淺耕機(jī)構(gòu)機(jī)架的連接關(guān)系，整個(gè)機(jī)構(gòu)與底盤的連接關(guān)系。
2 總體方案確定及主要參數(shù)的選擇
2.1 淺耕開溝機(jī)工作部件支架的選定
依據(jù)南方農(nóng)作物種植農(nóng)藝要求，箱面寬度為2.0m,，可配套側(cè)邊傳動(dòng)幅寬為2.0m的大型旋耕機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)作為主體支架。
2.2 淺耕開溝機(jī)耕幅及配套動(dòng)力的確定
根據(jù)主機(jī)動(dòng)力輸出功率和旋耕作業(yè)時(shí)單位幅寬功耗可對(duì)配套動(dòng)力進(jìn)行初步選定,而幅寬過(guò)大(刀片增多)將導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)載,合適的幅寬則可保證主機(jī)功率的充分利用。實(shí)際中配套動(dòng)力的初選可采用經(jīng)驗(yàn)公式B=0.26~0.29N?,但最終的確定必須經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。事實(shí)上,對(duì)于同一種旋耕機(jī),主機(jī)功率大的配套并不一定有好的作業(yè)質(zhì)量,相反卻有可能造成功率的浪費(fèi),通過(guò)試驗(yàn)?zāi)芎侠泶_定對(duì)應(yīng)幅寬的最佳配套功率,可以避免“大馬拉小車”的情況。耕幅與拖拉機(jī)的功率有關(guān)，并影響旋耕機(jī)與拖拉機(jī)的配置方式。耕幅B與拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸的額定輸出功率大體成以下關(guān)系（已考慮拖拉機(jī)提升能力在內(nèi)）：
B=0.26～0.29N?
式中N——拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率（KW）
本設(shè)計(jì)中考慮到南方農(nóng)作物的農(nóng)藝學(xué)特點(diǎn)，為使淺耕開溝機(jī)構(gòu)具有更好的適應(yīng)性故選取: B=2.0m
故N=47.5KW~59.1KW.參考耕幅相同的旋耕機(jī)，1GQN-200，1GQNB-200所配套的動(dòng)力為55-75馬力，考慮到所設(shè)計(jì)的淺耕機(jī)耕深較旋耕機(jī)要淺，因此可配套動(dòng)力為60馬力的牽引機(jī)構(gòu)。
2.3 淺耕開溝機(jī)構(gòu)與履帶式底盤的掛接方式
淺耕開溝機(jī)構(gòu)與履帶式底盤的掛接方式有三點(diǎn)懸掛，直接連接和牽引等三種連接方式，我國(guó)各種類型的旋耕機(jī)構(gòu)目前采用前兩種聯(lián)接方式。三點(diǎn)懸掛式旋耕機(jī)的懸掛方法類似鏵式犁，動(dòng)力由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸通過(guò)萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸傳遞至淺耕機(jī)構(gòu)的中間齒輪箱，然后再由萬(wàn)向節(jié)軸傳遞至側(cè)邊齒輪箱驅(qū)動(dòng)刀軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.4 淺耕開溝機(jī)最優(yōu)傳動(dòng)方案的選擇
本文設(shè)計(jì)中所采用的支架是大型旋耕機(jī)的支架，而對(duì)于旋耕機(jī)其傳動(dòng)形式一般有全齒輪傳動(dòng)及齒輪-帶輪，齒輪-鏈輪等傳動(dòng)形式。動(dòng)力傳動(dòng)的路線大致有兩種，第一種是拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸→萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸→中間齒輪箱→旋耕刀輥，第二種是 拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸→萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸→中間齒輪箱→側(cè)邊傳動(dòng)箱（鏈傳動(dòng)及齒輪傳動(dòng)）→旋耕刀輥。
一般耕幅小于拖拉機(jī)拖拉機(jī)后輪寬度的旋耕機(jī)多用于側(cè)邊傳動(dòng)，耕幅大于拖拉機(jī)后輪外緣寬度的旋耕機(jī)，多采用中間傳動(dòng)。根據(jù)前面的設(shè)想，這里我們選用側(cè)邊傳動(dòng)。
圖1 傳動(dòng)方案一
Fig. 1 The first transmission scheme
方案一可行性分析：動(dòng)力由動(dòng)力輸出軸→萬(wàn)向節(jié)→中間齒輪箱輸入軸→經(jīng)一對(duì)錐齒輪減速→再由圓柱齒輪三級(jí)減速→在由側(cè)邊鏈傳動(dòng)箱將動(dòng)力傳遞至→刀軸
優(yōu)點(diǎn)：側(cè)邊鏈傳動(dòng)可時(shí)間較遠(yuǎn)距離的精準(zhǔn)傳動(dòng)且噪音小。
缺點(diǎn)：中間齒輪箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜，側(cè)邊鏈傳動(dòng)相比齒輪傳動(dòng)無(wú)法傳遞較大的力。
圖2 傳動(dòng)方案二
Fig. 2 The second transmission scheme
方案二可行性分析：動(dòng)力傳入到中間齒輪箱的輸入軸→經(jīng)一對(duì)錐齒輪減速后→萬(wàn)向節(jié)→由側(cè)邊齒輪箱里的圓柱齒輪減速后→傳遞至刀軸。
優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)精準(zhǔn)，可傳遞較大的扭矩，且易于制造。
缺點(diǎn)：傳動(dòng)距離有限。
綜合考慮兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，方案2結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可傳遞較大的功率及扭矩，且易于制造，其傳動(dòng)距離滿足性能要求，故選擇方案2做為傳動(dòng)方案。
2.5 淺耕開溝機(jī)的刀軸轉(zhuǎn)速選定
在機(jī)組前進(jìn)速度不變的情況下，淺耕機(jī)滅茬及耕地的效率隨刀軸轉(zhuǎn)速的增加而增加，較理想的配合是較高的刀軸轉(zhuǎn)速和較高的前進(jìn)速度，雖然功耗要增加些，但因生產(chǎn)率提高了，仍可降低單位面積的能耗。近年來(lái)，刀軸轉(zhuǎn)速有增加的趨勢(shì)。淺耕機(jī)的刀軸轉(zhuǎn)速逐漸增加至300r/min，隨著土壤比阻不同，旋耕機(jī)的刀軸轉(zhuǎn)速也不同，粘性重的土壤比阻大，轉(zhuǎn)速應(yīng)偏低，砂性土壤比阻小，轉(zhuǎn)速可偏高。
為了提高生產(chǎn)率及地區(qū)適應(yīng)性，減少能耗，本設(shè)計(jì)旋耕機(jī)刀軸轉(zhuǎn)速選擇300r/min左右的轉(zhuǎn)速,在后文中將根據(jù)傳動(dòng)方式確定具體的刀軸轉(zhuǎn)速。
3 淺耕彎刀的選取及排列方式
3.1 旋耕刀的結(jié)構(gòu)組成
旋耕刀主要有側(cè)切面、正切面、過(guò)渡面三部分組成，旋耕刀各部位名稱下圖，側(cè)切面具有切開土垡，切斷或推開草莖、殘茬的功能；正切面除了切土外還具有翻土、碎土、拋土等功能。
圖3 刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖
Fig 3 The Knife structure design drawing
3.2 淺耕刀片的選擇
3.2.1 刀片型號(hào)的選擇
旋耕刀是淺耕機(jī)構(gòu)的主要工作部件，刀片的形狀和參數(shù)直接影響旋耕的工作質(zhì)量，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)旋耕刀刃口曲線形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)作了大量的研究，就橫軸旋機(jī)上的刀齒而言主要有剛性和彈性兩大類，剛性刀按其外形分有直刀、L形刀、彎刀、鑿形刀等類型。根據(jù)GB/T5669-1995，旋耕刀分為Ⅰ型刀，Ⅱ型刀和Ⅲ型刀。
Ⅰ型刀主要用于水旱田耕作。刀輥回轉(zhuǎn)半徑R有225、245、260mm三種；
Ⅱ型刀主要用于水田綠肥，稻茬，麥茬較多的田地作業(yè)。刀輥回轉(zhuǎn)半徑有195、210、225、245、260mm五種；
Ⅲ型刀主要用于淺耕滅茬作業(yè)，刀輥回轉(zhuǎn)半徑R有150、175mm兩種。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用ⅢT175型淺耕彎刀，刀輥回轉(zhuǎn)半徑為175mm，其結(jié)構(gòu)如上圖所示。
3.2.2 刀座間距和彎刀總數(shù)的設(shè)計(jì)和計(jì)算
彎刀端部對(duì)土壤適當(dāng)?shù)乃毫褦D壓作用可以降低功耗。但撕裂過(guò)大又使土塊均勻性較差，并使用同一截面相繼入土刀片的切土節(jié)距加大而功耗增加。適當(dāng)提高刀座間距和選用刀幅較寬的刀齒，可以減少刀齒總數(shù)和降低功耗,翻閱相關(guān)研究文獻(xiàn)及考慮到南方作物的農(nóng)藝學(xué)特點(diǎn)，現(xiàn)選用單刀幅寬b=45毫米。彎刀總數(shù)可按下式計(jì)算:
（1）
=1000=44.4(把) 取整=44
式中：B 耕幅（米）
刀座間距（毫米）
Z 每切削平面內(nèi)刀齒數(shù)
彎刀總數(shù)取整偶數(shù)
3.2.3 彎刀在刀軸上的優(yōu)選排列設(shè)計(jì)
彎刀的排列是否合理，在很大程度上決定了旋耕作業(yè)質(zhì)量的好壞，旋耕阻力的大小和功率消耗等重要性能指標(biāo)。本設(shè)計(jì)吸取了國(guó)內(nèi)外樣機(jī)的先進(jìn)技術(shù)，采用了以幅寬中央為基準(zhǔn)，左右分成幾個(gè)小區(qū)段的勻稱、對(duì)稱和左右螺旋線排列。著重考慮了刀軸回轉(zhuǎn)入土的動(dòng)平衡，也考慮了靜平衡等角布置；左右彎刀應(yīng)相繼順序交替對(duì)稱入土，盡量減少刀齒數(shù)目，以求受力均衡、穩(wěn)定，力求土塊大小勻稱，區(qū)段適中，表層平整；相鄰兩刀齒的夾角應(yīng)盡量大些，以免夾土、堵泥，又便于制造。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)綜合分析可提出了三種可行的排列，對(duì)其進(jìn)行比較，并對(duì)個(gè)別刀齒作調(diào)整，從而改善旋耕機(jī)的動(dòng)力性能。最后優(yōu)選出一種比較合理先進(jìn)的排列方案。從上述理論和優(yōu)選結(jié)果，所設(shè)計(jì)的刀齒排列方案應(yīng)盡量滿足以下要求：
a、刀軸每轉(zhuǎn)過(guò)18o左右應(yīng)有一把彎刀入土，保證均勻性。
b、要以幅寬中央為基準(zhǔn)，左右分開幾個(gè)區(qū)段呈均勻、對(duì)稱和左右螺旋線排列，不平衡橫力矩分布比較均勻。
c、左右彎刀從幅寬中央基準(zhǔn)線兩邊相繼交替對(duì)稱入土，軸向受力平衡、穩(wěn)定性好。
d、土塊大小比較勻稱，碎土性能好。
e、相鄰兩個(gè)小區(qū)的刀齒相互交替工作，使相繼入土刀齒的軸向距離較大，使刀軸上的扭矩和彎矩較為分散。
f、每個(gè)區(qū)段由三把彎向相同的彎刀組成，耕后地表面起壟適中、表層平整。
g、每米幅寬約20把彎刀，減少了刀齒數(shù)目，有利于旋耕阻力和金屬耗能的減少
3.3 材料和技術(shù)條件
用GB699—65規(guī)定的65Mn鋼制造。切削部分必須進(jìn)行淬火處理，淬火區(qū)硬度為HRC50~55。旋耕彎刀應(yīng)用樣板進(jìn)行檢查，刃口曲線形狀誤差不得大于3mm。
4 開溝器的設(shè)計(jì)
4.1 開溝部件具體結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定
結(jié)合履帶式底盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用旋耕機(jī)刀軸的空心結(jié)構(gòu)，在刀軸上安裝一圓盤式開溝部件。為能開出形狀規(guī)則﹑深度均勻﹑溝內(nèi)干凈﹑溝型整齊的排水溝，需要考慮多個(gè)方面因素，即對(duì)各工作部件進(jìn)行確定。其中包括刀片型號(hào)及刀片數(shù)量，刀盤的結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)，開溝鏟的結(jié)構(gòu)參數(shù)及擋土板的結(jié)構(gòu)等，現(xiàn)分以下幾個(gè)方面，逐步進(jìn)行選擇設(shè)計(jì)。
4.1.1 刀片型號(hào)
旋耕刀是旋耕機(jī)的主要工作部件，刀片的形狀和參數(shù)直接影響開溝工作質(zhì)量，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)旋耕刀刃口曲線形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)作了大量研究，就橫軸旋耕機(jī)上的刀齒而言主要有剛性和彈性兩大類，剛性刀按其外形分有直刀、L形刀、彎刀、鑿形刀等型。其中直刀主要用于對(duì)已經(jīng)翻耕的土地進(jìn)行碎土作用，L形刀、彎刀(鉈刀)、鑿形刀則用于初耕，L形刀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但工作穩(wěn)定性差，且易纏草;鑿形刀主要適應(yīng)在早作砂性土壤中采用超進(jìn)距旋耕作業(yè)，可節(jié)約動(dòng)力消耗；而彎刀有好的滑切性能，脫草性能好，工作平穩(wěn)，多用于水田耕作和草原耕作，在稻田旋耕得到廣泛應(yīng)用。
針對(duì)以上情形選用彎刀片作為開溝的刀片。
彎刀片由側(cè)切刃(包括側(cè)切面)和正切刃(包括正切面)兩部分組成。其中主要尺寸有:R0為旋耕起始半徑，Rn為側(cè)切刃口上任一點(diǎn)半徑，R1為刀片在彎折處的刃口半徑，Rmax為刀片工作最大回轉(zhuǎn)半徑，θmax為起始半徑到最大回轉(zhuǎn)半徑間的偏置角，b為刀片切土寬度，β為刀片彎折后角(包括左彎和右彎兩種)。
彎刀結(jié)構(gòu)如圖；
圖4 旋耕彎刀結(jié)構(gòu)圖
Fig. 4 The structure of the tiller blade
刀片的選擇：由于彎形刀片對(duì)土壤的適應(yīng)性較強(qiáng)，它的特點(diǎn)是切割能力強(qiáng)，有自清作用，不易纏草，而且有一定的翻土能力。因此刀片選用國(guó)際旋耕機(jī)彎刀ⅡS245.
彎形刀片的刃口的形成原理是根據(jù)阿基米德螺旋線形成的，其材料是用GB699—65規(guī)定的65Mn鋼制造。切削部分必須進(jìn)行淬火處理，淬火區(qū)硬度為HRC50~55。旋耕彎刀應(yīng)用樣板進(jìn)行檢查，刃口曲線形狀誤差不得大于3mm。
4.1.2 切土進(jìn)距及刀片數(shù)量
開溝切土過(guò)程是刀盤作復(fù)雜運(yùn)動(dòng)切割土壤。在刀片旋轉(zhuǎn)的同一縱向平面內(nèi)，前后兩相鄰刀片的切土間距，稱為切土進(jìn)距，記作S。相繼作用與土壤的兩片刀片，描繪出相同的彼此移開一個(gè)切土節(jié)距S的曲線，形成斷面變化的垡片。如圖5所示：
圖5 正轉(zhuǎn)開溝土壤垡片形成示意圖
Fig. 5 The sketch map of the soil slice forming in deasil rotary ditching
切土節(jié)距S由開溝刀盤的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)確定。S是刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)角的時(shí)間內(nèi)
旋耕刀輥軸前進(jìn)的距離，z是刀盤上同一切削面上刀齒的安裝數(shù)量。可計(jì)算為:
（2）
式中:
vm一機(jī)器前進(jìn)速度,m/s
t一機(jī)組前進(jìn)時(shí)間, t
z一旋轉(zhuǎn)切削面刀片數(shù);
一刀輥角速度,rad/s;
n一刀輥轉(zhuǎn)速,r/min
S一切土進(jìn)距,m
垡片的厚度及土壤破碎程度由S值確定，因此切土進(jìn)距的大小直接影響碎土質(zhì)量。
由上式知降低機(jī)組前進(jìn)速度、提高刀軸轉(zhuǎn)速、增加每切割小區(qū)內(nèi)的旋耕刀數(shù)，都能減少切土進(jìn)距，提高碎土質(zhì)量。但機(jī)組前進(jìn)速度過(guò)慢，生產(chǎn)率底;刀軸轉(zhuǎn)速過(guò)快，機(jī)組的安全性能降低;刀數(shù)增加，刀間空隙度小，容易纏草堵泥。因此，切土進(jìn)距不能設(shè)計(jì)過(guò)小，一般在中等粘度的土壤(含水率20%~30%)中作業(yè)，正轉(zhuǎn)作業(yè)切土進(jìn)距4~6cm左右，耕作質(zhì)量即能滿足農(nóng)藝要求?，F(xiàn)取較小值4cm進(jìn)距作計(jì)算，結(jié)合4LZ-0.6型水稻聯(lián)合收割機(jī)履帶底盤的行進(jìn)速度，開溝作業(yè)采用一檔操作其速度約為1.5km/h,代入公式中得：
(片） （3）
圓整計(jì)算結(jié)果，選取單位切割面上刀片數(shù)量為2片。
4.1.3 刀片直徑計(jì)算
刀片最大切削半徑Rmax：Rmax的確定與設(shè)計(jì)耕深和傳動(dòng)箱結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)有關(guān)，耕深增大，要求R增大，切削扭矩也隨之增大，因此在滿足耕深的要求及傳動(dòng)箱結(jié)構(gòu)尺寸允許的情況下，Rmax應(yīng)盡量取小值。
刀片切土寬度b（工作幅寬）：b的大小影響旋耕機(jī)的工作質(zhì)量及功率消耗，若b增大旋耕刀輥的刀片數(shù)減少，則相鄰刀片間距增大，有利于減少堵塞現(xiàn)象，功率消耗不變，但碎土質(zhì)量差，為了保證碎土質(zhì)量，就要減少機(jī)器的行進(jìn)速度，故b不宜過(guò)大。
為了保證耕深及適宜的刃口長(zhǎng)度，刀片切削半徑R0的大小可由下式確定：
（4）
式中：
S—刀片最大進(jìn)給量，mm
a—最大設(shè)計(jì)耕深，mm
開溝刀盤的正切回轉(zhuǎn)半徑與許多結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，現(xiàn)擬開溝結(jié)構(gòu)尺寸如圖6所示：
圖6 開溝部件結(jié)構(gòu)尺寸示意圖
Fig. 6 The sketch map of the structure size of the ditching components
正切面回轉(zhuǎn)直徑取決于最大開溝深度hmaz刀軸傳動(dòng)箱尾部圓角半徑r，開溝機(jī)處于最大開溝深度時(shí)傳動(dòng)箱底部離地間隙δ1，刀軸中心與變速箱的距離L和正切面與變速箱的安全間隙δ2，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:
（5）
結(jié)合履帶式底盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以及設(shè)計(jì)任務(wù)要求，各參數(shù)的
設(shè)計(jì)尺寸為:hmax=200mm ; r=55mm ; L=350mm ;=10 mm;80 mm。
計(jì)算得：
為提高拋土距離，盡量選取較大的旋耕半徑，因此取最大回轉(zhuǎn)切削半徑R回為270mm。
4.1.4 刀片正反轉(zhuǎn)的確定
正轉(zhuǎn)旋耕與反轉(zhuǎn)旋耕概念
旋耕機(jī)的刀片，無(wú)論其為何種形狀，它在工作時(shí)的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)均由兩種運(yùn)動(dòng)合成。如圖所示，一種運(yùn)動(dòng)是由于安裝刀片的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)刀片繞軸心旋轉(zhuǎn)所形成的圓周運(yùn)動(dòng)，
另一種運(yùn)動(dòng)是機(jī)器不斷前進(jìn)時(shí)所具有的直線運(yùn)動(dòng)。旋耕機(jī)在工作時(shí)，這兩種運(yùn)動(dòng)同時(shí)在刀片上產(chǎn)生，刀片的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是這兩種運(yùn)動(dòng)合成的結(jié)果。
正轉(zhuǎn)旋耕—旋耕機(jī)的刀輥的旋轉(zhuǎn)方向和拖拉機(jī)前進(jìn)時(shí)輪子的轉(zhuǎn)向相同，旋耕刀由地表向下切土，刀輥的切土反力的水平分力與拖拉機(jī)前進(jìn)方向一致。
反轉(zhuǎn)旋耕—旋耕機(jī)的刀輥的旋轉(zhuǎn)方向和拖拉機(jī)前進(jìn)時(shí)輪子的轉(zhuǎn)向相反，旋耕刀由已耕土中入土，從底部開始往上切土，刀輥的切土反力的水平分力與拖拉機(jī)前進(jìn)方向相反。通過(guò)分析比較，為了提高開溝質(zhì)量和拖拉機(jī)的附著性能，采用正轉(zhuǎn)切削方式。
4.1.5 刀盤轉(zhuǎn)速
采用旋耕機(jī)自身的鏈傳動(dòng)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)得:開溝需要的刀盤轉(zhuǎn)速要求為200~300r/min，開溝刀盤安裝在旋耕刀軸上并與刀軸一起旋轉(zhuǎn)。其轉(zhuǎn)速為296.6r/min。
線速度計(jì)算如下:
（6）
4.2 刀盤結(jié)構(gòu)及刀片布置原則
4.2.1 刀盤結(jié)構(gòu)
由前面刀片直徑計(jì)算得出，刀盤最大回轉(zhuǎn)半徑R回=270mm彎刀最大工作半徑
Rmax=245mm，因此刀盤直徑要略大于原彎刀安裝尺寸。具體尺寸如圖:刀盤最大直徑
R0=220mm，刀盤上刀座布置中心圓直徑R1=95mm，刀盤內(nèi)圓直徑取R2=72mm略大于刀軸外徑。
由前面計(jì)算得出同一切削面上刀片數(shù)量為1~2片，考慮到在近溝邊兩側(cè)的拋土能力較中間強(qiáng)，在刀盤最外側(cè)各安裝兩片，靠近刀盤中間的兩個(gè)切削面各安裝一片刀片，共6片彎刀。同時(shí)為了方便刀盤在旋耕軸上安裝，采用哈夫式刀盤對(duì)接安裝，如圖2. 8示，上下刀盤通過(guò)兩邊焊接的鋼板3螺栓連接，整個(gè)刀盤靠定位孔4固定在旋耕刀軸上。為增加彎刀片的縱向切削面，在刀盤上左右兩邊橫向焊接了U型鋼，向外擴(kuò)展了兩個(gè)切削面，即由緊貼刀盤的兩個(gè)切削面增加到四個(gè)切削面。
圖7 刀盤結(jié)構(gòu)圖
Fig. 7 The structure of blade disc
另外，為使得開出的溝型整齊，在刀軸原有刀座上、開溝刀盤兩側(cè)各加裝一片切壁刀，以利于溝壁光潔成型。切壁刀為一直面弧形刀，弧形刀最大回轉(zhuǎn)直徑R略大于開溝刀盤最大回轉(zhuǎn)直徑R回2~3mm
4.2.2 刀片布置原則
刀片布置原則:
1、同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，若配置兩片以上的刀齒，每片刀的進(jìn)距應(yīng)相等，使之切土均勻；
2、 整個(gè)刀軸回轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，在同一相位角上，應(yīng)當(dāng)只有一片刀入土，
以保證工作穩(wěn)定和刀軸負(fù)荷均勻。
3、左刀和右刀應(yīng)盡量交替入土，以保證刀輥的側(cè)向穩(wěn)定。
安裝方式為左右彎刀各置于刀盤兩側(cè)，保證每隔60角有一刀片入土，且保證左右交替入土，以利于刀盤的受力穩(wěn)定均衡。按照下述規(guī)則安置刀片見圖8：
圖8 切壁刀結(jié)構(gòu)及排列圖
Fig. 8 The structure and display of the wall-cutting blade
4.2.3 開溝鏟
開溝鏟的設(shè)計(jì)及位置確定:為了將已切削的土壤拋出溝底，必須將土壤的水平后拋改為上拋，為此加裝一個(gè)圓弧形開溝鏟，圓弧和刀盤為的同心圓，開溝鏟與刀盤刀片回轉(zhuǎn)面間的間隙盡量取較小值，一般為1~1.5cm。
開溝鏟安裝位置要求:最低點(diǎn)略低于刀盤最低點(diǎn)，保證將溝內(nèi)的土壤拋干凈;水平最高點(diǎn)基本和旋耕刀盤刀盤圓心位置平齊，有利于提高土壤拋擲高度，延長(zhǎng)拋土行程，
保證足夠的拋土寬度。
5 中間齒輪箱的設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核
5.1 選取齒輪的材料
由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，考慮到工廠加工條件和減速器要承受很大的轉(zhuǎn)矩，選擇大小齒輪材料都為20CrMnTi，滲碳淬火處理后，硬度為55～60HRC，抗拉強(qiáng)度，屈服強(qiáng)度。材料加工后有較高的心部強(qiáng)度，主要用于制造承受中等載荷，要求足夠沖擊韌度和耐磨性的汽車﹑拖拉機(jī)齒輪等零件。淺耕機(jī)為工作功率較大的工作機(jī)器，但速度不高，故選用7級(jí)精度（GB10095-88）
5.2 齒輪傳動(dòng)參數(shù)確定
表1 確定齒輪齒數(shù)及傳動(dòng)比
Table1 Choosing the number of the gear teeth and transmission ratio
軸的序號(hào)
1
2
3
4
5
齒數(shù)
傳動(dòng)比
總傳動(dòng)比
Z1
17
Z2
28
Z3
17
Z4
41
Z5
25
表2 選擇傳動(dòng)形式
Table2 Choose the transmission type
傳動(dòng)形式
齒數(shù)
模數(shù)
傳動(dòng)比
圓錐齒輪傳動(dòng)
圓柱齒輪傳動(dòng)
Z1=17
Z2=28
Z3=17
Z4=41
Z5=25
8
8
6
6
6
1.65
1.46
5.3 動(dòng)力計(jì)算
a.各運(yùn)動(dòng)副的效率：
圓錐齒輪傳動(dòng) =0.96
每對(duì)圓柱齒輪的傳動(dòng)效率 =0.97
鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)效率 =0.96
萬(wàn)向節(jié)的傳動(dòng)效率 =0.98
b.動(dòng)力分配
(a)拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸的額定輸出功率：
根據(jù)有關(guān)資料和經(jīng)驗(yàn)估算，其額定輸出功率為：
P額=0.8N發(fā)÷1.36=60×0.8÷1.36=35.3（kw）
（能耗計(jì)算）
(b)算第一軸齒輪的功率、轉(zhuǎn)速和扭矩：
=720(轉(zhuǎn)/分)
0.46×106 N·mm
(c)第二軸功率、轉(zhuǎn)速、扭矩。
==720/1.65=436.4r/min
(d)第三軸功率、轉(zhuǎn)速、扭矩。
(e)第四軸功率、轉(zhuǎn)速、扭矩
(f)第五軸功率、轉(zhuǎn)速、扭矩
表3 主要技術(shù)參數(shù)
Table3 the Main output parameters of the shafts
軸次
動(dòng)力輸入軸 Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
功率（kw) 35.3
轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分） 720
扭矩（)106 0.46
34.6
720
0.46
33.2
436.4
0.73
32.3
436.4
0.71
31.3
181.1
1.65
30.4
296.9
0.98
5.4 錐齒輪的設(shè)計(jì)與校核
5.4.1 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
傳遞功率P = 34.6kw
傳動(dòng)比 u = 1.65
因?yàn)樵搶?duì)齒輪為閉式傳動(dòng)，閉式傳動(dòng)可按齒面接觸強(qiáng)度估算。
（7）
載荷系數(shù) K=1.6
轉(zhuǎn)矩 N·mm
傳動(dòng)比 u=1.65
齒輪接觸疲勞極限
齒輪接觸強(qiáng)度安全系數(shù)
設(shè)計(jì)齒輪許用接觸應(yīng)力
大端模數(shù)
圓整
大端分度圓直徑
分錐角
外錐距
齒寬系數(shù)
齒寬
取b=39mm
實(shí)際齒寬系數(shù)
中點(diǎn)模數(shù)
中點(diǎn)分度圓直徑
5.4.2 錐齒輪校核
a.錐齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核式
（8）
式中
使用系數(shù)
動(dòng)載系數(shù)
齒向載荷系數(shù)
端面載荷系數(shù)
節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)
中點(diǎn)區(qū)域系數(shù)
彈性系數(shù)
螺旋角系數(shù) σFE
錐齒輪系數(shù)
再和分配系數(shù)
許用接觸應(yīng)力
計(jì)算接觸應(yīng)力
比較得
結(jié)果： 校驗(yàn)通過(guò)。
b.錐齒齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核
計(jì)算公式
（9）
為計(jì)算應(yīng)力，為許用應(yīng)力
數(shù)值同前。
復(fù)合齒形系數(shù)
重合度系數(shù)
齒根抗彎強(qiáng)度的錐齒輪系數(shù) （10）
載荷分配系數(shù)
彎曲應(yīng)力計(jì)算值
齒根許用彎曲應(yīng)力
比較得
結(jié)果： 校核通過(guò)。
5.5 圓柱直齒輪的設(shè)計(jì)與校核
5.5.1 齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)
齒輪3，4，5材料和模數(shù)相同，其中中齒輪3尺寸最小，傳遞功率最大，因此以齒輪3為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)3個(gè)齒輪。
傳遞功率 P3 = 33.2kw
傳遞轉(zhuǎn)矩 T=0.71×106 N·mm
r/min
傳動(dòng)比 i = 2.41
表4 圓柱齒輪簡(jiǎn)化計(jì)算設(shè)計(jì)公式
Table4 Cylindrical gear transmission simplified design formula
齒輪類型
按接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式
按彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式
直齒輪
5.5.2 設(shè)計(jì)計(jì)算
圓柱齒輪傳動(dòng)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)計(jì)算公式
式中符號(hào)
a--中心距（mm）
--小齒輪的分度圓直徑（mm）
K--載荷系數(shù),一般可取1.2～2
--小齒輪傳遞的額定轉(zhuǎn)矩（）
u--齒數(shù)比
--小齒輪齒數(shù)
--許用接觸應(yīng)力（MPa）
--許用彎曲應(yīng)力（MPa）
--齒寬系數(shù)
注：式中（）項(xiàng)中，“+”號(hào)用于外嚙合傳動(dòng)，“-”號(hào)用于內(nèi)嚙合傳動(dòng)。
閉式齒輪結(jié)構(gòu)，硬齒面齒輪，滑移齒輪3采用對(duì)稱布置（軸鋼性較大），齒輪4也采用對(duì)稱布置（軸鋼性較大）取齒寬系數(shù)。
因兩嚙合齒輪均為硬齒面，故設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)同時(shí)按接觸強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度的計(jì)算確定尺寸，并取其中最大值。
a.按接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
各原動(dòng)機(jī)載荷特性：工作時(shí)所受載荷交變不平穩(wěn)，沖擊大。
故載荷系數(shù)K=1.4。
b.按彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
復(fù)合齒形系數(shù) =3.8
圓整 m=5
5.5.3 參數(shù)確定
中間齒輪箱動(dòng)力輸出軸離地高度約為H=600mm，
溝深a=150mm
開溝刀盤的總回轉(zhuǎn)半徑約為280mm
考慮軸中心距要求。動(dòng)力輸出軸所連萬(wàn)向節(jié)傾斜與水平成一定角度，其垂直高度約為100mm，所以軸3至軸5距離=600-100-(280-150)=370mm
（10）
求得 m=5.61
圓整 m=6
故最終確定三個(gè)圓柱齒輪模數(shù) m = 6
分度圓直徑
齒寬 =0.4
表5 分傳動(dòng)箱齒輪尺寸
Table5 Transmission gear box dimension
齒輪序號(hào)
3
4
5
分度圓直徑d(mm)
齒寬b（mm)
102
40
246
45
150
45
由于旋耕機(jī)作業(yè)時(shí)，所受載荷交變，為提高齒輪承載能力且減小齒輪根切最 小齒數(shù)，采用變位齒輪。
查參考文獻(xiàn)[2]，初選 =1.12，0.12
=1.12-0.12=1
204mm
查參考文獻(xiàn)[2]，查取 = 0.58，= 0.55
同理可算出齒輪3的變位系數(shù) = 0.52
已知不產(chǎn)生根切的條件
符合條件
表6 分傳動(dòng)箱齒輪變位系數(shù)
Table6 Gearbox gear modification coefficient
齒輪序號(hào)
3
4
5
變位系數(shù)x
0.52
0.58
0.55
5.5.4 齒輪校核
齒輪3，4，5材料和模數(shù)相同，其中中齒輪3尺寸最小，傳遞功率最大，若齒3校驗(yàn)合格，則均合格。
a.齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核
強(qiáng)度條件
計(jì)算應(yīng)力
（11）
許用應(yīng)力
（12）
查得，
節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)
材料彈性系數(shù)
接觸強(qiáng)度計(jì)算的重合度與螺旋角系數(shù)
使用系數(shù)
動(dòng)載系數(shù)
齒向載荷分布系數(shù)
齒間載荷分配系數(shù)
齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力
解除強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)
潤(rùn)滑油膜影響系數(shù)
工作硬化系數(shù)
接觸強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù)
接觸強(qiáng)度最小安全系數(shù)
分度圓上的圓周力
許用應(yīng)力
計(jì)算應(yīng)力
比較得
結(jié)果： 校核合格。
b.齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核
強(qiáng)度條件
計(jì)算應(yīng)力
（13）
許用應(yīng)力
（14）
模數(shù) = 6mm
齒寬 b = 45mm
復(fù)合齒形系數(shù) =3.8
抗彎強(qiáng)度計(jì)算的重合度與螺旋角系數(shù)
齒輪材料的彎曲疲勞強(qiáng)度基本值
抗彎強(qiáng)度計(jì)算的壽命系數(shù)
相對(duì)齒根圓角敏感系數(shù)
相對(duì)表面狀況系數(shù)
抗彎強(qiáng)度計(jì)算的尺寸系數(shù)
彎曲強(qiáng)度最小安全系數(shù)
許用應(yīng)力
計(jì)算應(yīng)力
比較得
結(jié)果： 校驗(yàn)合格。
故，齒輪3，4，5都滿足強(qiáng)度要求。
6 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核
6.1 軸的材料
軸的材料選擇45鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。
查得材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)為：
抗拉強(qiáng)度
屈服點(diǎn)
彎曲疲勞極限
扭轉(zhuǎn)疲勞極限
許用靜應(yīng)力
許用疲勞應(yīng)力
6.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
6.2.1 軸1的設(shè)計(jì)
軸1為錐齒輪軸
軸的轉(zhuǎn)向方式：雙向旋轉(zhuǎn)
軸的工作情況：無(wú)腐蝕條件
軸的轉(zhuǎn)速：
功率： P=34.6kW
根據(jù)式 初算最小值。
所選軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。選取。
取軸承處直徑為 d=45mm
軸1為與小錐齒輪一體的齒輪軸，其軸徑及各段長(zhǎng)度確定要結(jié)合所承受的扭矩及與中間齒輪箱的定位以及與拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸的連接方式等因素綜合考慮。其結(jié)構(gòu)如下圖所示：
圖9 軸1的結(jié)構(gòu)圖
Fig. 9 The structure of the first shaft
6.2.2 軸2設(shè)計(jì)與校核
按轉(zhuǎn)矩初步估算軸徑
軸的轉(zhuǎn)向方式：雙向旋轉(zhuǎn)
軸的工作情況：無(wú)腐蝕條件
軸的轉(zhuǎn)速：
功率：
轉(zhuǎn)矩：
齒輪直徑d根據(jù)式 初算最小值。
所選軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。選取。
因軸兩端有花鍵傳遞動(dòng)力，所以取軸承處直徑
軸2上安裝有一大錐齒輪，其各段長(zhǎng)度及軸徑的確定要依據(jù)所傳遞的功率轉(zhuǎn)速以及與中間齒輪箱的定位等因素確定。其結(jié)構(gòu)如下圖所示：
圖10 軸2的結(jié)構(gòu)圖
Fig. 10 The structure of the second shaft
6.2.3 軸3的設(shè)計(jì)校核
按轉(zhuǎn)矩初步估算軸徑
軸的轉(zhuǎn)向方式：雙向旋轉(zhuǎn)
軸的工作情況：無(wú)腐蝕條件
軸的轉(zhuǎn)速：
功率：
轉(zhuǎn)矩：
齒輪直徑d根據(jù)式 初算最小值。
所選軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。選取。
因軸兩端有花鍵傳遞動(dòng)力，所以取軸承處直徑
軸3上有一圓柱直齒輪，其尺寸與結(jié)構(gòu)根據(jù)與側(cè)邊齒輪箱的定位來(lái)確定，其結(jié)構(gòu)如下：
圖11 軸3的結(jié)構(gòu)圖
Fig. 11 The structure of the third shaft
6.2.4 軸4的設(shè)計(jì)校核
在中間齒輪箱中的第三軸為惰輪軸，不傳遞扭矩，故在軸的設(shè)計(jì)計(jì)算中無(wú)需對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核，在設(shè)計(jì)尺寸時(shí)只需參考同類產(chǎn)品，并滿足使用要求即可。根據(jù)其上安裝直齒輪的尺寸確定其直徑：。其結(jié)構(gòu)如下：
圖12 軸4的結(jié)構(gòu)圖
Fig. 12 The structure of the fourth shaft
6.2.5 軸5的設(shè)計(jì)與校核
按轉(zhuǎn)矩初步估算直徑
軸的轉(zhuǎn)向方式：雙向旋轉(zhuǎn)
軸的工作情況：無(wú)腐蝕條件
軸的轉(zhuǎn)速：
功率：
轉(zhuǎn)矩：
齒輪直徑d根據(jù)式 初算最小值。
選取軸承處直徑為d=55mm。
軸5上安裝有一圓柱直齒輪，此外它還是側(cè)邊齒輪的動(dòng)力輸出軸，你右端花鍵與刀軸相連將動(dòng)力傳遞給刀軸，其結(jié)構(gòu)與尺寸的確定要所傳遞的扭矩及與側(cè)邊齒輪箱和刀軸的定位來(lái)確定。其結(jié)構(gòu)如下：
圖13 軸5的結(jié)構(gòu)圖
Fig. 13 The structure of the fifth shaft
6.3 軸的強(qiáng)度校核
6.3.1 軸的受力分析
軸傳遞的轉(zhuǎn)矩：
齒輪分度圓直徑：
分錐角：
圓周力：
徑向力：
軸向力：
6.3.2 軸的彎曲強(qiáng)度校核
表7 軸的強(qiáng)度校核公式
Table7 Strength checking formula of shaft
載荷
水平面H
垂直面V
支反力F
彎矩M
總彎矩
扭矩T
軸1
軸2
軸3
軸4
軸5
軸1
軸2
軸3
軸4
軸5
按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度進(jìn)行校核時(shí)，通常只校核軸上承受最大彎矩和最大扭矩界面強(qiáng)度。所選軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。因此
經(jīng)驗(yàn)算得
故 安全
7 刀輥軸的強(qiáng)度計(jì)算
7.1 機(jī)組負(fù)荷最大的部件就是刀輥軸
刀輥軸可以用實(shí)心或空心材料制造。實(shí)心軸可以傳遞較大的扭矩。管的尺寸應(yīng)根據(jù)最大傳遞扭矩計(jì)算，并以附加扭曲應(yīng)力驗(yàn)算。
求截面系數(shù)最小斷面的應(yīng)力。通常最小截面系數(shù)在軸端處鏜過(guò)管孔的地方最小。
（下圖所示的c-c截面）
圖14 軸端c-c截面
Fig. 14 The section c-c of axis
旋耕刀輥半軸
扭轉(zhuǎn)應(yīng)力按下式計(jì)算：
式中 = = —— 當(dāng)扭曲時(shí)，最小的截面系數(shù)
：為軸的外徑
—— 管的壁厚（——管的內(nèi)徑）
軸端的花鍵選擇即應(yīng)根據(jù)最大比壓也根據(jù)平均比壓。當(dāng)材料硬度HRC＞35時(shí)，矩形端面花鍵上最大比壓不應(yīng)超過(guò)20MPa。
最大比壓按下式計(jì)算：
（15）
式中 ：為花鍵軸的外徑
：為花鍵孔的內(nèi)徑
：為花鍵的（平均）工作長(zhǎng)度
：花鍵的數(shù)量
7.2 刀輥軸的設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明
選擇40Cr材料，調(diào)質(zhì)處理，
假設(shè)設(shè)計(jì)刀輥軸的外徑=70mm。內(nèi)徑=54mm
圓錐滾子軸承的效率為=0.95，心軸上齒輪傳動(dòng)的效率為=0.98
由=30.4kw ；=296.9r/min 得：
= ××