3719 旋耕機刀片專用磨損試驗機的研究與設計,旋耕機,刀片,專用,磨損,試驗,實驗,研究,鉆研,設計 .. UNIVERSITY本 科 畢 業(yè) 設 計題目： 旋耕機刀片專用磨損試驗機的研究與設計 學 院：工學院姓 名： 學 號： 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化年 級： 指導教師： 職 稱：教授 二○一二 年 五 月i摘要隨著農業(yè)發(fā)展，旋耕機的研究與生產也越來越廣泛。各種用途的旋耕機都相繼面世。旋耕機的用途的不同自然是有他們的主要工作部位決定的，因此旋耕機刀片的研究就尤為重要重要，各種各樣的道具有外型不一也有同一系列不同材料的刀具。對于一臺旋耕機而言或者說對于生產而言選取一款最適合的刀具是重中之重。所以相應的對比刀具的性能才是選擇的關鍵。通過我對市場的有關方面的調查和了解發(fā)現(xiàn)，先進社會并沒有相關的對比刀具性能的機器，這對于需要選用刀具的單位或者個人而言，沒有明確的信息供他們合理的選著。針對現(xiàn)狀我設計了一臺旋耕機刀片專用磨損試驗機供對比刀具性能實用。我所設計的旋耕機刀片專用磨損試驗機的工作原理是利用電動機提供動力帶動鏈接轉軸的帶輪傳動，使軸高速轉動，從而使得軸上的刀具與磨料高速摩擦，通過對比一段時間的后刀具的磨損情況來對比刀具的耐磨性。本設計的主要特點在于所設計的機構非常簡單，實用性較強，生產此磨損試驗機難度很小。而且此機械工作原理以及操作簡單，其所用的材料普通，所以本機的制造成本不僅很低而且適用性很強，并且對于使用者基本上沒有技術要求。本設計利用Auto CAD軟件繪制相關的圖紙，并用Pro/ Engineer軟件進行實體建模。關鍵詞：磨損機、旋耕機刀片、磨料iiAbstractAgricultural development, the the rotavator the research and production is also more extensive. The various uses of rotary tiller have been published. The rotavator the use of different natural is their main work site decision, rotary tiller blade is particularly important to a wide variety of Tao has a shape different tool of the same series of different materials. For a rotavator or select a most suitable tool is the most important in terms of production. So the key to the performance of the comparison tool is selected. By the market parties to investigate and understand advanced social comparison tool performance machine for the unit or individual of the need to use the tool, there is no clear message for their election. For the status quo, I designed a rotary tiller blades wear testing machine for comparison tool performance and practical.I designed the rotary tiller blade for wear testing machine works by the use of electric motor drive link shaft pulley transmission, axis high-speed rotation, so that the axis of the tool and the abrasive high-speed friction, by comparing the period of time the wear of the tool to compare the wear resistance of the tool.The main features of this design is that the institutional design is very simple, practical strong, difficult to produce this wear test machine is very small. And mechanical work as well as simple operation, and its use of ordinary materials, the manufacturing cost of the machine is not only low but also the applicability of a strong and virtually no technical requirements for the utility. The design using Auto CAD software to draw the relevant drawings and Solid Modeling with Pro / Engineer software.Key words: wear machine, rotary tiller blade, abrasive目錄1 緒論 ..........................................................................................................................11.1 引言 ................................................................................................................11.2 適用范圍及特點 ............................................................................................12 設計方案的確定和關鍵技術的解決方法 ..............................................................22.1 總體結構與主要工作部分 ............................................................................22.1.1 機架 ......................................................................................................22.1.2 外形 ......................................................................................................22.1.3 與機架有關的部分 ..............................................................................32.2 傳動系統(tǒng) ........................................................................................................32.2.1 V 帶輪傳動 ..........................................................................................32.2.2 軸的設計 ..............................................................................................42.2.3 傳動系統(tǒng)示意圖 ..................................................................................43 本機工作原理與操作方法 ......................................................................................63.1 工作原理 ........................................................................................................63.2 操作方法 ........................................................................................................64 本機的結構特點與先進性 ......................................................................................75 本機的特征 ..............................................................................................................86 計算部分 ..................................................................................................................96.1 動力計算、選配電機 ....................................................................................96.2 V 帶輪傳動設計及計算 ................................................................................96.3 軸的分析 ........................................................................................................116.3.1 軸的選材 ..............................................................................................116.3.2 軸的校核 ..............................................................................................126.4 軸承的選用與校核 ........................................................................................17參考文獻： ..................................................................................................................19致謝 ..............................................................................................................................2011 緒論1.1 引言自古以來，有很多人試圖以機械力代替人力和畜力進行耕作。但直到19世紀歐洲進入蒸汽機時代后，才使動力型農業(yè)機械的誕生成為可能。19世紀30年代，已有人開始研究用蒸汽車輛牽引農機具進行田間作業(yè)。但當時所能造出的蒸汽機牽引車輛（即蒸汽拖拉機的前身）猶如一個水火車頭，它即使不陷在田里，也會把土壓得很實，根本無法耕種，此后人們一直改進創(chuàng)新一直到1920年以后旋耕機才正式走進勞動人名的生活。目前，隨著農業(yè)機械化的飛速發(fā)展，我國農村耕地基本上采用旋耕機。當前，我國農村所使用的旋耕機有各種各樣的的旋耕機，主要區(qū)別還是在于他們的刀具不同，而且同一外形的刀具也有很多不同的生產廠家制造，所以他們的各種性能也會不同。因此為了研究各種刀具的性能我針對這一情況設計出了一款中小型旋耕機刀具專用磨損試驗機。本設計的主要特點在于所設計的機構非常簡單，實用性較強，生產此磨損試驗機難度很小。而且此機械工作原理以及操作簡單，其所用的材料普通，所以本機的制造成本不僅很低而且適用性很強，并且對于實用者基本上沒有技術要求。1.2 適用范圍及特點本產品適用于研究同一系列不同型號的旋耕機刀具性能對比試驗，其工作效率高，生產成本低廉，結構簡單，便于操作。用戶可以自行更換部分簡單的零部件。22 設計方案的確定和關鍵技術的解決方法2.1 總體結構與主要工作部分2.1.1 機架目前國內外機械的機架一般有兩大類，分別是整理鑄造和焊接式機架。整體鑄造機架：其整體性和剛性好，節(jié)省切削加工工時，而且產品質量穩(wěn)定，可以說百年不壞。但是，機架鑄造困難，而且鑄造技術要求高，成本高。焊接式機架：其生產周期短， 重量輕，成品率高。但是， 焊接技術要求高， 焊接后產生變形及應力及中， 必須進行熱處理以消除應力及中。綜合上面兩種機架的優(yōu)缺點以及該磨損試驗機的工作要求，因此本實驗采用焊接式機架。機架的材料：機架的材料應根據(jù)結構、工藝、成本、生產批量和生產周期等要求正確選擇，常用的有：(1) 鑄鐵：容易鑄成復雜的機械零件；價格較便宜；鑄鐵的內摩擦大，有很好的抗震性。其缺點是單件成本較高；鑄件易產生廢品；質量不易控制；鑄件的加工余量大，機械加工費用大。常用的灰口鑄鐵有兩種：HT200適用于外形簡單，單位壓力較大的導軌或彎曲應力較大的床身等；HT150流動性較好，但機械性能稍差，適用于機型復雜而載荷不大的機座。若灰口鑄鐵無法滿足耐磨性要求，應采用耐磨性鑄鐵。（2）鋼：用剛才焊接成機架。鋼的彈性模量比鑄鐵大，焊接機架的壁厚較薄其重量比同樣剛度的機座約輕20%—50%；在單件小批量生產的情況下，生產周期較短，所需設備簡單；焊接機架的缺點是鋼的抗震性較差，在結構上需采取防震措施；鉗工工作量較大；成批生產時成本較高。綜上：選用HT200的灰口鑄鐵滿足該機器的機架要求。2.1.2 外形3機座的典型結構主要有三種：1 方形截面機座結構簡單，制造方便，箱體內有較大的空間安放其他的部件；但剛度稍差，宜用于載荷較小的場合。所以機座應選擇合適的壁厚、筋板和形狀，以保證在重力、慣性力和外力的作用下，有足夠的剛度。2 圓形截面機座結構簡單、緊湊，易于制造和造型設計，有較好的承載能力。3 鑄鐵板裝配式機座鑄鐵板裝配機構，適用于局部性狀復雜的場合，它具有生產周期短、成本低以及簡化木模形狀和制造工藝等優(yōu)點。但剛度較整體箱體機座的差，且加工和裝配工作量大。考慮上訴原因，本機使用的是密封的工作環(huán)境，即把軸與磨料放于一個橫向鐵桶中，使工作部分完全密封。它的優(yōu)點在避免了工作時磨料的飛濺以及保護了軸長期處于外部壞境而產生的負面影響。而且該機器操作簡單方便，更加加強的該機器的適用性。2.1.3 與機架有關的部分該機器除去機架部分外還有一根軸鐵桶以及磨料。在機架底部會有兩個圓弧型凹槽，該凹槽半徑與鐵通外半徑相同，很好的起到了支撐作用。工作時磨料是位于鐵桶內，軸是直接穿過鐵桶的兩端與位于桶外面的軸承鏈接。軸承安裝的兩邊的支架上。2.2 傳動系統(tǒng)2.2.1 V 帶輪傳動V 帶輪是通過電動機帶動的，而 V 帶輪帶動軸轉動，由旋耕機工作數(shù)據(jù)可4知軸的轉速為 270r/min，但是此實驗需要快速得出結果，故使該機器軸的轉速為旋耕機正常工作時轉速的 2.5 倍到 3 倍，即 775～810r/min。這個設計轉速不僅加快刀具磨損可以得到實驗結果，同時也不至于轉速度太快而造成各種不利影響。由小型旋耕機的功率大至可以推斷此機器功率大至介于 3.0～5.5kw ，初步選取的電動機轉速為 1500r/min。因此可以確定傳動比大至為 1.85～1.94，具體參數(shù)后面會詳細計算確定。2.2.2 軸的設計本實驗的傳動軸采用的結構與旋耕機的刀軸結構類似。即在圓柱的外表面焊接刀座，兩端接軸承。這樣就合理的解決了刀具的安裝問題。為減輕質量軸的中心可采用通孔，再保證的正常工作的情況下盡量減輕軸的質量，這樣也可以減少能量的損耗。2.2.3 傳動系統(tǒng)示意圖此機器的傳動原理就是靠電動機帶動 V 帶輪，從而使得軸轉動，傳動示意圖如下：563 本機工作原理與操作方法3.1 工作原理本機的工作原理是V帶輪快速帶動轉軸，使得軸做快速的回轉運動，軸上的刀具下半部分侵入磨料的當中，因此使得刀具與磨料發(fā)生摩擦，通過較長一段時間的摩擦看最后各個刀具的磨損量，從而得到自己需要的數(shù)據(jù)。本實驗的磨料選擇細沙，他可以通過可開口的鐵桶放入，實驗前后可對細沙更換。軸上的刀具裝在一個支架上面，做其他實驗時更換不同的到的刀片就可。3.2 操作方法設備安裝好后，檢查一下各部件是否穩(wěn)定。先把不同廠家的刀具的安裝在軸的刀架上面，利用螺釘螺母把刀具緊固，然后通過鐵桶的開口部分注入細沙，使得細沙均勻分布，細沙的深度需滿足刀具的下半部分可以完全侵入，完成此工作后把鐵桶開口部分關閉。確認無誤后啟動電動機，當機器工作時觀察一段時間，看看是否正常工作，如果工作出現(xiàn)問題應立即關閉電動機從新檢查各部位是否出現(xiàn)問題，從而改正。機器正常工作后，操作人員可設置一個工作時間，等到時間之后再把電機關閉即可。74 本機的結構特點與先進性本機器是綜合各方面因素才設計的，目前社會上還沒有出現(xiàn)過旋耕機刀片專用的磨損試驗機，此設計可以說是一個創(chuàng)新，是史無前例的。本機機架部分外形適用簡單，即使安裝各配件后整理仍然簡單，而且各部位涉及的零件都可以直接選用標準件，有事的生產的成本的大大的降低了。綜上：本機的結構簡單、緊湊，實用性強，裝、拆、檢修方便，而且各個結構的尺寸都比較小，生產此機器的成本低。并且此機器是旋耕機刀片專用磨損試驗機，針對性強，為各個廠家選擇最合適的旋耕機刀片具有歷史性的意義。85 本機的特征綜上所述，本機具有以下特征：1、傳動簡單，中途損耗小誤差?。?、電動機的功率較小，節(jié)省工作能耗；3、軸傳動采用V帶輪傳動；4、工作部位采用整體外殼結構，密閉性好，噪音??；5、本機的結構簡單、緊湊，實用性強，裝、拆、檢修方便；整理機型如下圖：96 計算部分6.1 動力計算、選配電機由經驗可知，該實驗可選取電動機：型號 －61－4 同步轉速1500r/min 2JO滿載時1460r/min 質量164kg 功率13kw 功率因數(shù)0.886.2 V 帶輪傳動設計及計算 V帶輪傳動工作時，帶的兩側面是工作面。由于拉力是變化的，同時引起帶寬尺寸的改變，從而使帶沿輪槽做徑向移動。在從動輪上，帶由松變緊，拉力逐漸增大，帶向槽內運動，主動輪則相反。因此，V 帶輪傳動有周向滑動和徑向滑動同時存在，相應的都有周向和徑向的摩擦力的存在。定V帶輪型號和帶輪直徑工作情況系數(shù) 由表11.5 4.1?AK計算功率 （式11.19） cP134.??KA kW28cP選帶型號 由圖11.15 B 型 小帶輪直徑 由表11.6 取大帶輪直徑 m140?D（式11.15）80154.1n22 ??）（）（ ?（設 ） 取 mm%?? 260?D大帶輪轉速 260154).1(n1n22 ??D）（ min/r8n2計算帶長求 mD021m??10求 ?2140612???D初取中心距 mm 50a帶長 （式11.2）a2m?L?65002??基準長度 由圖11.4 m20d?L中心距和包角求中心距 （式11.3）2mm841a?????）（ DLL??20?+ 683mm2260?）（ ?a小輪包角 （式11.4）??a18012?????634?5.169?求帶根數(shù)帶速 10654106n????Ds/m1??傳動比 i i852 875.帶根數(shù) 由表11.9 由表11.7 WPk21.0?9.0ka?由表11.12 由表11.11 L 5?PLa0Ck)(z??取z=302.1985.21??）（求軸上載荷11張緊力 （式11.21）2ac0qvk5.2vz???）（PF=500 329.721.098.31??）（ ?0FN(由表11.4 q )m/20?軸上載荷 （式11.23）sinz1?FQ25.69i7.3?NFQ9.16?帶輪的結構如下圖：6.3 軸的分析6.3.1 軸的選材軸是機械中重要的零件之一，主要用于傳動零件傳動運動和動力。工作時主要受交變彎曲和扭轉應力的復合作用，有時也受拉壓應力；軸與軸上零件有相對運動，相互間存在摩擦和磨損；軸在高速運轉過程中產生振動，是軸承受12沖擊載荷；多數(shù)軸在工作工程中，常常要承受一定的過載載荷。長期交變載荷作用易導致疲勞斷裂（包括扭轉疲勞和彎曲疲勞斷裂）；承受大載荷和沖擊載荷會引起過量變形、斷裂；長期承受較大的摩擦，軸頸及花鍵表面易出現(xiàn)過量磨損。良好的力學綜合性能，以防過載斷裂、沖擊斷裂；高疲勞強度，降低應力集中敏感性，以防疲勞斷裂；足夠的剛度，以防工作過程中，軸發(fā)生過量彈性變形而降低加工精度；表面要有高硬度、高耐磨性，以防磨損失效；特殊性要求-----如高溫中工作的軸，抗蠕變形能要好；在腐蝕性工作介質的軸，要求耐腐蝕性能好等。由以上原因，我所選取的軸使用的材料為合金鋼。合金鋼 a80MPB??ab1270][P???ab013][MP??ab175][P???6.3.2 軸的校核軸的外形以及尺寸大至如下：圖中用于標注的虛線與軸中心線的交點為軸承、刀具以及 V 帶輪等部件的中心點。下面的計算所用的距離均以各個部件的中心點為準。13由經驗可知，旋耕機刀片磨損過程中所損耗的能量占總能量的 ，在前面31我們已經計算出 V 帶輪作用在軸上的載荷為 ，下面我們算出刀具NFQ9.16?所受到的力。計算如下：WPk13?（ 為刀具進入磨料部分的中點的速度） vF( 為軸的角速度， r 為軸的中心到刀具入料部分中點的距離，r?取 )m25r?（n 為 V 帶輪轉速 800r/min）602??代入數(shù)據(jù)得：NF5.8?當帶輪的中心線垂直時，軸所受的力為最大，下面的計算即為該狀況下軸的受力情況已經載荷的計算和校核。通過受力分析，繪制軸的彎扭矩圖，對危險界面進行校核。簡化軸上載荷如圖：軸的總長度為 1045mm，合金鋼的密度為 ?L 3m/kg108.7???軸的體積為 14LV2r??則軸的總重量mgGm= V?代入數(shù)據(jù)得： N230?在 YOZ 平面內，左右軸承的力設為 ，通過兩軸承的位置我們可以繪21F和制 YOZ 平面的力學模型關系，位置和方向如圖所示：則有以下數(shù)學關系：23019721??F0)398(20)()480(1?????求得： N1?N92則 與圖示方向相反， 與圖示方向相同F(xiàn)2F在 XOZ 平面內，左右軸承的力設為 ，通過兩軸承的位置我們可以''1和繪制 XOZ 平面的力學模型關系，位置和方向如圖所示：15'1F'2則有以下數(shù)學關系：( 前面已算得)03'2'1??FN25.803468' ?????? F求得： 則說明 的實際方向與圖示.'2'1?'2'1與方向相反。由上面所有數(shù)據(jù)可畫出如下所示彎矩圖，扭矩圖：16由彎矩圖、扭矩圖可知 A 點為危險截面。對 A 點進行校核計算：22)(TMYX???因為此轉矩為脈動轉矩，取 代入數(shù)據(jù)得 ][b01??? 13075?代入數(shù)據(jù)可得： m7.6??N對于 A 點則有：（A 處直徑 ）][d1.03b???Mm50d?代入數(shù)據(jù)可得：Pa8.25.763b??）（因為 ][a8121b?????17滿足強度要求。所有軸承選用上述的合金鋼符合要求。6.4 軸承的選用與校核考慮到軸的直徑為 50mm，并且中間鐵桶由支架支撐，對軸承沒有力的作用，選用單列向心球軸承，型號為 0000，輕（2）窄系列 210 型。其參數(shù)為：m50d?90Dm0b?額定動負荷 額定靜負荷 NCk7.6kN81.90?C（1）計算軸承的當量載荷 P：由式： 知，對不受軸向載荷的球軸承，arYFXP?? 0?YX，；2rYZ??由前面計算已知： ；N791FZ4.10?； YY2NZ 37.2809712r1 ???FY14..022r2 ?得 1PZ .21r?2NFYZ 7.04..1022r2 ???（2）校核計算軸承的計算額定功率載荷 ，它與所選用的軸承型號的基本額定載荷'C值必須滿足下式的要求：C；?'h'1670nLP??為壽命指數(shù)，球軸承 ；3??18為軸承的預期使用壽命，查表 ；'hL h60'h?L解得： 2.97kW058.1617083.2'1 ????C6.k4..3'2綜上：軸承滿足使用要求，選用合理。19參考文獻：[1] 趙衛(wèi)軍，任金泉.機械設計基礎課程設計[M].北京.科學出版社，2011.（11）[2] 鄭文緯，吳克堅.機械原理[M].第七版.北京：高等教育出版社，1997.7[3] 陳香久，陳一飛.小型電動機原理使用維修 400 問[M].北京：中國農業(yè)出版社，1998:110（帶輪選擇）[4] 孔凌嘉.簡明機械設計手冊[M].北京：北京理工大學出版社，2008.2[5] 邱宣懷，郭可謙，吳宗澤，等.機械設計[M].第四版.北京：高等教育出版社，1997：118[6] 中國農業(yè)機械化科學研究院.實用機械設計手冊（上）[M].北京：中國農業(yè)機械出版社，1985.7[7] 劉自然，李東梁，武文斌.輥式磨粉機磨輥的受力計算和強度分析[J].糧食與飼料工業(yè)報，2009，NO.12[8] 辛長平.簡明電動機技術手冊[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，2010.2[9] 卜嚴.機械傳動裝置設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.12[10] 上海電器科學研究院[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.1[11] 成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，1998[12] 劉鴻文.材料力學[M].第四版.北京：高等教育出版社，2004.1[13] 中國農業(yè)機械化科學研究院.實用機械設計手冊（上）[M].北京：中國農業(yè)機械出版社，1985.7[14] 蔣曉、沈培玉、苗青.AutoCAD2008 中文版機械設計標準實例教程.北京：清華大學出版社.2008.[15] 何銘新、錢可強.機械制圖.5 版.北京：高等教育出版社.2008.4[16] 哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室.6 版.北京：高等教育出版社.2004.4[17] 劉混舉、趙河明、王春燕.機械可靠性設計.北京：國防工業(yè)出版社.2010.6[18] 金清肅、范順成、范曉珂.機械設計課程設計.武漢：華中科技大學出版社.2006.2[19] 王慧、呂宏、王連明.機械設計課程設計.北京：北京大學出版社.2011.220致謝在此論文撰寫過程中，要特別感謝我的導師張廬陵教授的指導與督促，同時感謝他的諒解與包容。沒有張老師的幫助也就沒有今天的這篇論文。求學歷程是艱苦的，但又是快樂的。感謝我的班主任曾一凡老師，謝謝他在這四年中為我們全班所做的一切，他不求回報，無私奉獻的精神很讓我感動，再次向他表示由衷的感謝。在這四年的學期中結識的各位生活和學習上的摯友讓我得到了人生最大的一筆財富。在此，也對他們表示衷心感謝。謝謝我的父母，沒有他們辛勤的付出也就沒有我的今天，在這一刻，將最崇高的敬意獻給你們！本文參考了大量的文獻資料，在此，向各學術界的前輩們致敬！