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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（說(shuō)明書(shū)）
2014 屆
題 目 開(kāi)溝機(jī)設(shè)計(jì)
專 業(yè)
學(xué)生姓名
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)教師
論文字?jǐn)?shù)
完成日期
湖 州 師 范 學(xué) 院 教 務(wù) 處 印 制
原 創(chuàng) 性 聲 明
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指導(dǎo)老師簽名： 日 期：
開(kāi)溝機(jī)設(shè)計(jì)
摘要：本文分析比較了國(guó)內(nèi)外開(kāi)溝機(jī)械的工作方法和原理，結(jié)合我國(guó)現(xiàn)有的開(kāi)溝方式及現(xiàn)有小型旋耕機(jī)大量使用的現(xiàn)狀，比較了前置和后置式開(kāi)溝方式設(shè)計(jì)圓盤(pán)式開(kāi)溝部件，試設(shè)計(jì)一款開(kāi)溝機(jī)。
本開(kāi)溝機(jī)采用一個(gè)柴油機(jī)作為主動(dòng)力源，利用一個(gè)齒輪分速裝置輸出兩個(gè)轉(zhuǎn)速，一個(gè)提供開(kāi)溝機(jī)的前進(jìn)，另一個(gè)控制開(kāi)溝機(jī)開(kāi)溝部分的旋轉(zhuǎn)，從而工作機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)相互獨(dú)立，不相干涉。開(kāi)溝刀盤(pán)動(dòng)力采用鏈傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕巧，運(yùn)行靈活。采用上拋，并設(shè)置擋土板，從而達(dá)到覆土要求，開(kāi)溝刀盤(pán)后接開(kāi)溝鏟，達(dá)到了溝底平整的要求，設(shè)置弧形擋板，滿足了操作安全性及碎土系數(shù)需要。再利用一個(gè)液壓裝置，控制開(kāi)溝部分的開(kāi)溝深度調(diào)節(jié)。
關(guān)鍵詞：開(kāi)溝；刀盤(pán)；液壓裝置
Ditching machine design
Abstract: This paper analyzes and compares the domestic and trenching machinery working methods and principles, combined with the existing status quo and the existing way of ditching the extensive use of small rotary tiller, comparing pre- and post-way design disc opener opener parts, try to design a trencher.
The trenching machine uses a diesel engine as the primary power source, the use of a two speed gear unit output differentials, the one offering the forward ditching machine, rotary ditching machine ditching another control portion to work with each other agencies and travel agencies independent, do not interfere. Ditching cutter is powered by a chain drive, the structure is simple, lightweight, flexible operation. Using the throw, and set the retaining plate, so as to achieve the casing requirements, ditching trenching shovel knife after-hours access to reach the ditch formation requirements set curved baffle, operational safety and to meet the needs of the pulverizer coefficient. Re-use a hydraulic device, the control section ditching ditching depth adjustment.
Keywords:Ditching; Cutter; Hydraulics
目 錄
第1章 緒論 1
1.1研究背景及意義 1
1.2開(kāi)溝機(jī)概述 1
1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3
1.3.1國(guó)外現(xiàn)狀 3
1.3.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 3
第2章 開(kāi)溝機(jī)總體設(shè)計(jì) 5
2.1設(shè)計(jì)要求 5
2.2總體方案設(shè)計(jì) 5
2.2.1開(kāi)溝機(jī)類型選擇 5
2.2.2動(dòng)力系統(tǒng)方案確定 5
2.2.3開(kāi)溝深度調(diào)節(jié)裝置方案確定 6
2.2.4總體結(jié)構(gòu) 6
第3章 動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7
3.1功率計(jì)算及發(fā)動(dòng)機(jī)選型 7
3.1.1 切土阻力 7
3.1.2 開(kāi)溝機(jī)功耗計(jì)算 8
3.1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)選型 10
3.2傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10
3.2.1傳動(dòng)比分配 10
3.2.2運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 10
3.2.3 V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì) 11
3.2.4齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)與校核 14
3.3 軸及軸上零件的設(shè)計(jì)與校核 18
3.3.1軸的設(shè)計(jì)與校核 18
3.3.2滾動(dòng)軸承的選擇與校核 21
3.3.3鍵的選擇與校核 22
第4章 開(kāi)溝裝置的設(shè)計(jì) 24
4.1開(kāi)溝刀設(shè)計(jì) 24
4.1.1刀片型號(hào) 24
4.1.2切土進(jìn)距及刀片數(shù)量 25
4.1.3刀片直徑計(jì)算 26
4.1.4刀片正反轉(zhuǎn)的確定 27
4.1.5刀盤(pán)轉(zhuǎn)速 27
4.1.6刀盤(pán)結(jié)構(gòu)及刀片布置原則 27
4.2開(kāi)溝鏟 28
4.3擋土板 29
第5章 開(kāi)溝深度調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì) 30
5.1深度調(diào)節(jié)液壓缸的選用及分析 30
5.1.1 液壓缸型號(hào)的確定 30
5.1.2 液壓缸行程驗(yàn)證 30
5.2深度調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 32
5.2.1供油方式 32
5.2.2平衡及鎖緊 32
5.2.3液壓系統(tǒng)原理圖 32
總 結(jié) 33
參考文獻(xiàn) 34
致 謝 35
35
湖州師范學(xué)院本科畢業(yè)論文
第1章 緒論
1.1研究背景及意義
我國(guó)是一個(gè)典型的農(nóng)業(yè)大國(guó)，作物種植面積非常大，同時(shí)我國(guó)也是一個(gè)人口大國(guó)，對(duì)食品的需求量也非常的大，隨著國(guó)家工業(yè)化進(jìn)程，從農(nóng)田中解放出更多的生產(chǎn)力，提高生產(chǎn)效率，我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械也在國(guó)家的扶持和工程師的研究中飛速發(fā)展，開(kāi)溝作為農(nóng)田作業(yè)的一個(gè)環(huán)節(jié)，在作物生長(zhǎng)過(guò)程中的影響甚大，與此同時(shí)，其工作量大，人工開(kāi)溝耗時(shí)耗力。所以，開(kāi)發(fā)出一種開(kāi)溝機(jī)械，就能極大的解決這個(gè)問(wèn)題。本文就南方地塊小，一般開(kāi)溝機(jī)機(jī)型過(guò)長(zhǎng)，不能靈活運(yùn)行的情況，擬開(kāi)發(fā)出一款微型開(kāi)溝機(jī)，解決在小型田地作業(yè)的需要。
圖1 開(kāi)溝機(jī)
油菜、棉花等作物是直根系忌濕作物，土壤水分適宜與否，對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育影響甚大，水分過(guò)多會(huì)造成缺氧，直接引起植株生理代謝過(guò)程變化，針對(duì)油菜、棉花等作物生長(zhǎng)特性，一般要求如下：1、開(kāi)溝要及時(shí)，以便抗旱排澇；2、溝深、溝寬要符合要求并均勻一致；3、拋土要均習(xí)。在開(kāi)溝過(guò)程中能將泥土均勻拋向溝的兩邊，對(duì)種子的覆蓋率能達(dá)90%以上；4、溝要直以利于排灌；5、溝底、溝壁要光滑。
目前，南方各水稻主產(chǎn)區(qū)大都以兩季連作，10月份晚稻收獲后的田塊留待第二年開(kāi)春后翻耕種植早稻。在過(guò)冬的近5個(gè)月時(shí)間恰好是冬油菜的全生育期，但由于油菜的種植工序較多，尤其手工開(kāi)溝勞動(dòng)強(qiáng)度大，勞動(dòng)力投入多，許多農(nóng)民想盡量擴(kuò)大種植冬油菜面積卻又因勞動(dòng)力不足而耽誤了，加上近些年來(lái)，大部分農(nóng)村青年都外出打工，人力不足最終導(dǎo)致油菜種植面積還相對(duì)減少，經(jīng)濟(jì)效益低，導(dǎo)致目前有限的耕地未能得到充分、合理利用。為了充分、合理利用南方土地資源，加快種植業(yè)向農(nóng)機(jī)械化、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展，因此設(shè)計(jì)一種開(kāi)溝性能好且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的開(kāi)溝機(jī)械，解決農(nóng)民當(dāng)前開(kāi)溝難的問(wèn)題，提高種植效率和勞動(dòng)生產(chǎn)率，快速實(shí)現(xiàn)油菜種植機(jī)械化，具有重要意義。
1.2開(kāi)溝機(jī)概述
開(kāi)溝機(jī)產(chǎn)品可分為開(kāi)溝機(jī)和輪盤(pán)式開(kāi)溝機(jī)：
（1）開(kāi)溝機(jī)
開(kāi)溝機(jī)主要由傳動(dòng)皮帶輪、傳動(dòng)軸、變速齒輪箱、刀軸和機(jī)架構(gòu)成。開(kāi)溝機(jī)主要是與拖拉機(jī)配套使用，并由拖拉機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)工作來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)家對(duì)基本建設(shè)力度加大，地下管道、電（光）纜鋪設(shè)工程數(shù)量激增，質(zhì)量要求提高?？咳斯ら_(kāi)挖，不僅效率低下，溝槽開(kāi)挖質(zhì)量欠佳，且不能滿足“微創(chuàng)”要求。因?yàn)殚_(kāi)溝機(jī)的使用越顯得重要。開(kāi)溝機(jī)主要有兩種：第一種為開(kāi)種溝而設(shè)計(jì)的開(kāi)溝器，開(kāi)溝器為小型從動(dòng)部件，靠牽引作用力而開(kāi)出適合種子發(fā)育的種床，溝形表現(xiàn)為小、窄、淺等特點(diǎn)，開(kāi)溝器常作為播種機(jī)一附屬部件而掛靠其上；第二種為開(kāi)排水溝或其它用途的開(kāi)溝機(jī)，開(kāi)溝機(jī)相對(duì)較大型，挖溝機(jī)一般以主動(dòng)型部件為主，消耗功率大，體積大，溝深且寬。范圍廣泛，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、使用拆裝方便，開(kāi)溝質(zhì)量好、效率高并具有開(kāi)溝、碎伐、均勻排土一次完成的特點(diǎn)，適宜棉、麥、油菜等旱地田間開(kāi)挖排水溝用。一種小型鏈?zhǔn)酵跍蠙C(jī)，它包括有一固定在機(jī)架上的發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出軸上通過(guò)皮帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分別與一中間軸和一液壓泵相連；所述的中間軸通過(guò)一鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)或皮帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與一鏈刀主軸相連，該鏈刀主軸上通過(guò)鏈刀主鏈輪相連著開(kāi)挖用的鏈刀機(jī)構(gòu)；所述液壓泵的壓力油出口經(jīng)多路閥分兩路分別連通于液壓油缸和驅(qū)動(dòng)橋上的液壓馬達(dá)，液壓油缸上的伸縮杠桿機(jī)構(gòu)與鏈刀機(jī)構(gòu)相連；所述的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸上通過(guò)皮帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)分別與一中間軸和一液壓泵相連，所述的中間軸通過(guò)一鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與一鏈刀主軸相連；所述的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸與中間軸相聯(lián)的皮帶輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上加裝有由手把、拉鎖裝置和張緊輪構(gòu)成的離合機(jī)構(gòu)，張緊輪靠近設(shè)置在皮帶邊上，并通過(guò)拉索裝置與手把相連；它具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，方便運(yùn)輸；成本低，可靠性好的特點(diǎn)
圖2 河北深遠(yuǎn)機(jī)械開(kāi)溝機(jī)
（2）輪盤(pán)式開(kāi)溝機(jī)
輪盤(pán)式開(kāi)溝機(jī)主要用于管道和電纜電線等地下鋪設(shè),該機(jī)械特點(diǎn)是開(kāi)溝速度快,深度自由調(diào)節(jié),對(duì)路面破壞小,極大的提高了生產(chǎn)力,節(jié)省人力物力,其特點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)效益顯著，投資少、見(jiàn)效快，一臺(tái)機(jī)器是人工的幾十倍、小型挖掘機(jī)的幾倍。開(kāi)溝機(jī)開(kāi)出的溝，可窄到10公分，深達(dá)2米，且溝直、壁陡，人工和挖掘機(jī)無(wú)法開(kāi)出這樣的溝；較人工和挖掘機(jī)有更高的作業(yè)效率（是挖掘機(jī)的3-5倍）和經(jīng)濟(jì)效益，特別在挖窄深溝的情況（埋管或埋電纜）下，該機(jī)的作業(yè)效果就更顯突出。整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，維護(hù)容易。
圖3 河南鳳翔TD50輪盤(pán)式開(kāi)溝機(jī)
1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.3.1國(guó)外現(xiàn)狀
國(guó)外很早就開(kāi)始有機(jī)肥的應(yīng)用研究， 如歐美、日本、意大利、法國(guó)等，并且有著廣泛的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，對(duì)開(kāi)溝機(jī)的要求也越來(lái)越高，開(kāi)溝裝備研究工作步入一個(gè)新時(shí)代，先進(jìn)的新型設(shè)備不斷涌現(xiàn)。從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用性能兩方面來(lái)看，目前基本上以蘇聯(lián)和意大利為代表的兩大類型。蘇聯(lián)從1975年開(kāi)始推出一系列的旋轉(zhuǎn)開(kāi)溝機(jī)產(chǎn)品：TP-171A全液壓銑切式開(kāi)溝機(jī)、MK-47犁刀-銑切式開(kāi)溝機(jī)。意大利主要生產(chǎn)DARL系列的單圓盤(pán)開(kāi)溝機(jī)心及DBR系列的雙圓盤(pán)開(kāi)溝機(jī)。兩大類型的開(kāi)溝機(jī)主要區(qū)別在于：前者是開(kāi)挖大型溝渠的大型機(jī)械，且能一次性成溝，所采用的是切拋分開(kāi)型的刀齒；后者是臨時(shí)性的小溝渠，采用的是切拋合一型的刀齒[7-11]。
例如，美國(guó) Burkeen 公司有 3 種開(kāi)溝機(jī)，功率范圍在 9.7～34.3 kW 之間，B－30B 型開(kāi)溝機(jī)的功率為 34.3 kW，挖溝裝置與駕駛位置間采用橡膠減振隔離，網(wǎng)狀 ROPS 防止駕駛員被拋起物擊傷，獨(dú)特的液壓驅(qū)動(dòng)鏈張緊裝置可實(shí)現(xiàn)挖溝深度的改變。美國(guó) Vermeer 公司生產(chǎn)的以 RT450 為代表的開(kāi)溝機(jī)，開(kāi)溝深度可達(dá) 1.52 m，開(kāi)溝寬度為 13～30 cm，靜力液壓系統(tǒng)制動(dòng)，可適用于多種工況。 Maxon 公司已生產(chǎn)出 10 種 Parsons 品牌開(kāi)溝機(jī)目前，國(guó)外挖溝機(jī)的代表機(jī)型有：切削開(kāi)溝機(jī)、螺旋助推式開(kāi)溝機(jī)、側(cè)置式公路開(kāi)溝機(jī)、圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)式開(kāi)溝機(jī)，主要特點(diǎn)是以大功率，重機(jī)型為主，功耗大，體積也大?，F(xiàn)國(guó)外開(kāi)溝機(jī)生產(chǎn)已向多樣化趨勢(shì)發(fā)展，且更趨專機(jī)專用，開(kāi)溝機(jī)只用于開(kāi)溝作業(yè)，而當(dāng)機(jī)械不開(kāi)溝時(shí)只能閑置。這種情況并不符合我國(guó)的國(guó)情。
1.3.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀
我國(guó)開(kāi)溝機(jī)的種類很多，60年代開(kāi)始從國(guó)外引進(jìn)，從七十年代開(kāi)始正式研制旋轉(zhuǎn)開(kāi)溝機(jī)，通過(guò)自身研究和借鑒國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，目前逐步形成了適合我國(guó)國(guó)情的開(kāi)溝機(jī)系列，到現(xiàn)在已經(jīng)有幾十種型號(hào)。其主要型式有四種：
（1）鏵式犁開(kāi)溝機(jī)
鏵式犁開(kāi)溝機(jī)屬于從動(dòng)型工作部件，利用“刨削”原理，沿直線運(yùn)動(dòng)對(duì)土壤進(jìn)行刨削。加工過(guò)程相對(duì)鏵式犁切削速度要大。鏵式犁型開(kāi)溝機(jī)主要應(yīng)用于蔬菜的栽種和植樹(shù)造林等，我國(guó)主要有KGTP和京HK-14兩種類型，KGTP工作原理；隨著機(jī)組前進(jìn)，犁尖入土，開(kāi)軸的土沿著犁體上升。冀板將土推向兩面三刀側(cè)、冀尾板將溝壁壓緊，形成梯形斷面的溝渠，達(dá)到列溝培土的目的。京HK-14開(kāi)溝機(jī)在工作時(shí)，前面的犁鏵起土，分土板片土扣翻到兩面三刀側(cè)，形成農(nóng)藝要求的一種溝型[12]。該機(jī)型入土阻力小，質(zhì)量輕，工作性能好，可以開(kāi)出成型溝，但溝型斷面不平整。
（2）鏈齒式開(kāi)溝機(jī)
1992年，江西省農(nóng)機(jī)研究所和江西農(nóng)業(yè)大學(xué)針對(duì)果園開(kāi)溝，設(shè)計(jì)了與豐收180GV拖拉機(jī)配套的1K-30型鏈齒式開(kāi)溝機(jī)[13]，開(kāi)溝機(jī)通過(guò)鏈條上的刀齒逆向切削土壤，切削垡片由鏈齒出溝面，再由雙向攪龍輸送到溝兩測(cè)，完成開(kāi)溝作業(yè)。
1K-30型開(kāi)溝機(jī)主要特點(diǎn)；開(kāi)溝理管時(shí)，溝形一次成型，種植山藥可不開(kāi)溝只松土，刮土板改變刀齒排列，達(dá)到深松土60～100cm，可節(jié)省大量人力。配套拖拉機(jī)功率17～37kw,開(kāi)溝深度600mm、1000mm、1500mm，開(kāi)溝寬度140mm、160mm、200mm、300mm，工作速度200～600m/h。
（3）螺旋式開(kāi)溝機(jī)
2000年?yáng)|北農(nóng)業(yè)大學(xué)針對(duì)了泥炭（沼澤地的產(chǎn)物）的開(kāi)采而設(shè)計(jì)了一種1KL-100型立式螺旋式開(kāi)溝機(jī)[14]，其工作部件采用錐螺旋式攪龍切拋土，可開(kāi)挖出較大型梯形溝渠。在立式開(kāi)溝機(jī)的思路上，2001年昆明市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所又研制出1KS-22型雙軸立式旋轉(zhuǎn)開(kāi)溝機(jī)。采用雙軸結(jié)構(gòu)，兩套旋轉(zhuǎn)方向相反的刀軸同時(shí)切拋上下溝土，能開(kāi)出小型矩形溝渠。
（4）圓盤(pán)式開(kāi)溝機(jī)
圓盤(pán)式開(kāi)溝機(jī)屬旋轉(zhuǎn)式開(kāi)溝機(jī)，將開(kāi)溝部件做成圓盤(pán)式結(jié)構(gòu)，利用動(dòng)力輸出軸帶動(dòng)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)切削土壤，我國(guó)從七十年代開(kāi)始正式研制，通過(guò)自身研究和借鑒國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，目前逐步形成了適合我國(guó)國(guó)情的開(kāi)溝機(jī)系列[15]。定型為東方紅-75拖拉機(jī)配套的1KD-100單圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)開(kāi)溝機(jī)和1KD-100雙圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)開(kāi)溝機(jī)，為鐵牛-55拖拉機(jī)配套了1K-80雙圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)開(kāi)溝機(jī)。結(jié)合我國(guó)國(guó)情出發(fā)的：即要求重量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，又要求能耗小，生產(chǎn)率高。到80年代，圓盤(pán)式開(kāi)溝機(jī)又生產(chǎn)出一系列產(chǎn)品：1KSQ-35型（配套8.8千瓦拖拉機(jī)）、1K-0型、1K-35-1A型、1K-35型、1KH-35型等[16]。
近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)綠色農(nóng)業(yè)的大力倡導(dǎo)，有機(jī)肥在農(nóng)業(yè)上得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展，特別是在果園的應(yīng)用上，使開(kāi)溝機(jī)的研究方向逐漸向果園有機(jī)肥開(kāi)溝機(jī)方向發(fā)展。果樹(shù)園林業(yè)是現(xiàn)代化大農(nóng)業(yè)的重要組成部分和富民工程的重要途徑，施肥是果樹(shù)生產(chǎn)管理中的重要技術(shù)措施，其合理與否直接影響果樹(shù)生長(zhǎng)、產(chǎn)量、果品質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)效益。因此，研制出一種適于果園施肥開(kāi)溝的機(jī)械，對(duì)減少人力和物力資源的浪費(fèi)、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率具有重要意義。
第2章 開(kāi)溝機(jī)總體設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)要求
采用一個(gè)柴油機(jī)作為主動(dòng)力源，利用一個(gè)齒輪分速裝置輸出兩個(gè)轉(zhuǎn)速，一個(gè)提供開(kāi)溝機(jī)的前進(jìn)，另一個(gè)控制開(kāi)溝機(jī)開(kāi)溝部分的旋轉(zhuǎn)。再利用一個(gè)液壓裝置，控制開(kāi)溝部分的開(kāi)溝深度調(diào)節(jié)。
開(kāi)溝機(jī)的總體參數(shù)選定如下：
開(kāi)溝機(jī)工作環(huán)境為果園、深度不超過(guò)400mm，溝寬限制在150mm～300mm。鏈刀式開(kāi)溝機(jī)的基本參數(shù)為：
開(kāi)溝寬度 200mm
開(kāi)溝深度 400mm
鏈條線速度 1～15m/s
前進(jìn)速度 100～300m/h
配套動(dòng)力 8.8kW
動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速 2400r/m
2.2總體方案設(shè)計(jì)
2.2.1開(kāi)溝機(jī)類型選擇
為了適用于多種土質(zhì)、工作環(huán)境以及與通用的手扶拖拉機(jī)匹配，本次選用圓盤(pán)式開(kāi)溝機(jī)。
2.2.2動(dòng)力系統(tǒng)方案確定
本開(kāi)溝機(jī)采用一個(gè)柴油機(jī)作為主動(dòng)力源，利用一個(gè)齒輪分速裝置輸出兩個(gè)轉(zhuǎn)速，一個(gè)提供開(kāi)溝機(jī)的前進(jìn)，另一個(gè)控制開(kāi)溝機(jī)開(kāi)溝部分的旋轉(zhuǎn)，從而工作機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)相互獨(dú)立，不相干涉。具體傳遞方案如下：即，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)離合器與V帶傳動(dòng)到減速箱，減速箱通過(guò)齒輪分出兩個(gè)轉(zhuǎn)速，一個(gè)傳給車(chē)輪，一個(gè)通過(guò)離合器與V帶傳動(dòng)到開(kāi)溝器。
圖2-1 動(dòng)力傳遞方案
圖2-2 減速箱方案
2.2.3開(kāi)溝深度調(diào)節(jié)裝置方案確定
深度調(diào)節(jié)裝置通過(guò)液壓缸與開(kāi)溝器臂實(shí)現(xiàn)，液壓缸無(wú)桿腔供油開(kāi)溝器提起，有桿腔供油開(kāi)溝器放下，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)開(kāi)溝器高度。
2.2.4總體結(jié)構(gòu)
利用微型耕作機(jī)的動(dòng)力帶動(dòng)整個(gè)開(kāi)溝部件的運(yùn)轉(zhuǎn)，開(kāi)溝的刀盤(pán)采用中間式，在刀盤(pán)上焊接刀座，用螺栓將刀座和旋耕刀聯(lián)接起來(lái)；通過(guò)螺栓將刀盤(pán)與刀軸聯(lián)接起來(lái)，使刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行開(kāi)溝工作，為了滿足旋耕刀工作時(shí)的滑切性能和脫草性能且在稻田進(jìn)行工作，故選用彎刀做為開(kāi)溝工具；為了更好的提高碎土性能和對(duì)操作者進(jìn)行保護(hù)，設(shè)計(jì)左右兩塊弧形擋板，最后設(shè)計(jì)一個(gè)支撐架桿，對(duì)整個(gè)開(kāi)溝部件進(jìn)行固定。總體結(jié)構(gòu)如下圖：
圖1 總體結(jié)構(gòu)圖
第3章 動(dòng)力及傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1功率計(jì)算及發(fā)動(dòng)機(jī)選型
開(kāi)溝過(guò)程中，刀片在土壤中連續(xù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行切削，被切削下來(lái)的土壤，其中一部分在切削刃前面形成土堆，被刀片帶著向前移動(dòng)；一部分土壤在擠壓力的作用下越過(guò)切削刃前面的土堆進(jìn)入杯形刀體內(nèi)。由此可見(jiàn)，在開(kāi)溝過(guò)程中刀片除了遇到切削阻力外，還會(huì)遇到土壤進(jìn)入杯形刀體內(nèi)的阻力及帶動(dòng)土堆的阻力，后二項(xiàng)合稱為裝土阻力。切削阻力與裝土阻力之和稱為總阻力[6]。
開(kāi)溝機(jī)功耗及阻力的計(jì)算方法還不完善，主要通過(guò)借鑒其它切削經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算，且不同的參數(shù)下所使用的經(jīng)驗(yàn)公式也不同，因此探求合適的阻力計(jì)算公式是非常關(guān)鍵的。
3.1.1 切土阻力
切削總阻力計(jì)算公式 [7]：
式中：—土壤堅(jiān)實(shí)度計(jì)的沖擊次數(shù)，取=15
—切削厚度
—刀片寬度
—刀片切削角，對(duì)于圓弧形刀片刀片切削角等于后角
—刀片尖角計(jì)算系數(shù)，取=0.81
將上式中的切削厚度、刀片切削角和刀片厚度作相應(yīng)的調(diào)整后得到單個(gè)刀片的切削阻力：
開(kāi)溝機(jī)盤(pán)刀總切削阻力：
式中：z—鏈條上同時(shí)與土壤作用的刀片數(shù)。工作時(shí)有5組—即約10把刀片同時(shí)切土。
由于刀片受到各種沖擊的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加入動(dòng)載系數(shù)，一般情況下動(dòng)載系數(shù)
取1.3～1.5[8]，則
3.1.2 開(kāi)溝機(jī)功耗計(jì)算
（1）開(kāi)溝裝置總功耗
開(kāi)溝機(jī)的總切削功耗為：
開(kāi)溝機(jī)的總切削比功：
式中：—比功，單位立方米作業(yè)量的切削功耗
—溝的斷面面積
表2-3 土壤容重
土壤級(jí)別
土壤名稱
難易系數(shù)
容重
Ⅰ
砂和粉砂土
種植土
0.75
15000-16000
12000
Ⅱ
輕粘土
小石頭
夾有碎石當(dāng)砂土
0.9
16000
17000
17500
Ⅲ
亞粘土
重粘土
干黃土
1.0
18000
17500
18000
Ⅳ
重粘土 硬黃土
含石塊的粘土
石塊與粗卵石
1.3
19500
20000
19500
Ⅴ
密實(shí)硬黃土
輕質(zhì)泥灰土
不堅(jiān)實(shí)頁(yè)巖
巖石
>2.0
19500
19000
20000
>20000-33000
沿溝深方向提升土壤的功耗
每次切削下來(lái)的土壤層的重心都相同，距地面為0.5H，則
式中，—土壤顆粒在鏈刀與溝側(cè)壁間滯塞的可能系數(shù)，取=1
—土壤容重
土壤容重[9]是土壤在未破壞的自然結(jié)構(gòu)下，單位容積中的重量，通常以表示。土壤容重大小反映土壤結(jié)構(gòu)、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1～1.8103N/m3，土層越深則容重越大。各種土壤的容重?cái)?shù)據(jù)見(jiàn)表2-3。
被運(yùn)送土壤與溝道土壤的摩擦功耗
式中： —土壤的內(nèi)摩擦系數(shù)，見(jiàn)表2-4
表2-4 土壤摩擦系數(shù)
土壤名稱
內(nèi)摩擦系數(shù)
外摩擦系數(shù)
砂
0.58一0.75
0.73
粘土
0.7一1
0.5一0.75
小塊礫石
0.9一1.1
—
泥土灰
0.75一1
0.6一0.75
飽含水分的粘土
0.18一0.42
—
碎石
0.9
0.84
則開(kāi)溝機(jī)裝置總功耗為：
式中： —開(kāi)溝鏈的傳動(dòng)效率
—配套動(dòng)力到開(kāi)溝裝置的傳動(dòng)效率
（2）開(kāi)溝機(jī)前進(jìn)功耗
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)功耗：
對(duì)于機(jī)組前進(jìn)所受的阻力Fa，可以做受力分析，如圖2-2，則
圖2-2 開(kāi)溝機(jī)前進(jìn)狀態(tài)受力分析
式中：G一機(jī)器自重
—滾動(dòng)阻力系數(shù)，取=0.07[9]
開(kāi)溝機(jī)前進(jìn)功耗：
式中：—機(jī)器行走的傳動(dòng)效率
開(kāi)溝機(jī)的總功耗為：
3.1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)選型
根據(jù)開(kāi)溝機(jī)功耗選用藍(lán)天 1 DN-4型多功能農(nóng)用微型耕作機(jī)
功 率：4.4千瓦
轉(zhuǎn) 速：1800轉(zhuǎn)/分
3.2傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.2.1傳動(dòng)比分配
總傳動(dòng)比為：
3.2.2運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)計(jì)算
（1）各軸的轉(zhuǎn)速
耕種機(jī)動(dòng)力輸出軸為0軸，變速箱主軸為Ⅰ軸，車(chē)輪軸為Ⅱ軸，刀軸為Ⅲ軸，各軸轉(zhuǎn)速為：
（2）各軸的軸功率
（3）各軸輸入轉(zhuǎn)矩T
初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查參考文獻(xiàn)[2]表15-3得，又由 。將有關(guān)值代入公式可見(jiàn)得：
取
同理計(jì)算可得：
3.2.3 V帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)
1）確定計(jì)算功率：
已知：；；
查《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》表13-8得工況系數(shù)：；
則：
2）選取V帶型號(hào)：
根據(jù)、查《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》圖13-15選用A型V帶,
3）確定大、小帶輪的基準(zhǔn)直徑
（1）初選小帶輪的基準(zhǔn)直徑：
（2）計(jì)算大帶輪基準(zhǔn)直徑：
；
圓整取，誤差小于5%，是允許的。
4）驗(yàn)算帶速：
帶的速度合適。
5）確定V帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度和傳動(dòng)中心距：
中心距：
初選中心距
（2）基準(zhǔn)長(zhǎng)度：
對(duì)于A型帶選用
（3）實(shí)際中心距：
6）驗(yàn)算主動(dòng)輪上的包角：
由
得
主動(dòng)輪上的包角合適。
7）計(jì)算V帶的根數(shù)：
，查《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》表13-3 得：
；
（2），查表得：；
（3）由查表得，包角修正系數(shù)
（4）由，與V帶型號(hào)A型查表得：
綜上數(shù)據(jù)，得
取合適。
8）計(jì)算預(yù)緊力（初拉力）：
根據(jù)帶型A型查《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》表13-1得：
9）計(jì)算作用在軸上的壓軸力：
其中為小帶輪的包角。
10）V帶傳動(dòng)的主要參數(shù)整理并列表：
帶型
帶輪基準(zhǔn)直徑(mm)
傳動(dòng)比
基準(zhǔn)長(zhǎng)度(mm)
A
2
1250
中心距（mm）
根數(shù)
初拉力(N)
壓軸力(N)
583
5
110.8
1095.5
3.2.4齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)與校核
選擇最后一級(jí)傳動(dòng)的齒輪進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）齒輪相關(guān)參數(shù)的選擇
選擇齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)
1）根據(jù)設(shè)定的傳動(dòng)方案，采用軟齒面直齒輪傳動(dòng)。
2）由于此機(jī)構(gòu)中齒輪傳動(dòng)為低速級(jí)齒輪傳動(dòng)，速度不高，故選用7級(jí)精度
3）材料選擇：小齒輪材料為20CrMnTi，滲碳淬火，硬度為300HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)）硬度為240HBS，二者材料差為60HBS。
4）取小齒輪齒數(shù)Z1=20，則大齒輪齒數(shù)Z2=iZ1=2×20=40，取Z2=40
（2）按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)計(jì)算公式：
(13)
確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
1）試選載荷系數(shù)
2）計(jì)算小齒輪的轉(zhuǎn)矩
(14)
3）由參考文獻(xiàn)[2]表10-7選取齒寬系數(shù)
4）由參考文獻(xiàn)[2]表10-6選取材料的彈性系數(shù)
5）由圖10-21e按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限，大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限
6）由式： (15)
計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
設(shè)該齒輪的工作壽命為12年，每年工作180天，每天10小時(shí)，則
7）由參考文獻(xiàn)[2]圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù) ；
8）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
取失效概率為1%，取安全系數(shù)S=1。由式 得 (16)
計(jì)算尺寸：
1）試算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值
2）計(jì)算圓周速度
(18)
3）計(jì)算齒寬b
(19)
4）計(jì)算齒寬與齒高之比b/h
模數(shù) (20)
齒高 (21)
齒寬與齒高之比
5）計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)，7級(jí)精度，由參考文獻(xiàn)[2]圖10-8查得動(dòng)載荷系
直齒輪，假設(shè).由參考文獻(xiàn)[2]表10-3
；
由參考文獻(xiàn)[2]表10-2查得使用系數(shù)；
由參考文獻(xiàn)[2]表10-4查得7級(jí)精度、小齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱布置時(shí)，
(22)
將數(shù)據(jù)代入后得
由，，查參考文獻(xiàn)[2]圖10-13得；故載荷系數(shù)
6）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由式得
7）計(jì)算模數(shù)m
（3）按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式為：
確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
1）由參考文獻(xiàn)[2]圖10-20d查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限
2）由參考文獻(xiàn)[2]圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)
3）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取安全系數(shù)S=1.3由式 得
(27)
4）計(jì)算載荷系數(shù)K
(28)
5）查取齒型系數(shù)
由參考文獻(xiàn)[2]表10-5查得 ，
6）查取應(yīng)力校正系數(shù)
由參考文獻(xiàn)[2]表10-5可查得 ，
7）計(jì)算大小齒輪的并加以比較
小齒輪的數(shù)值大。
設(shè)計(jì)計(jì)算
根據(jù)式（27）得
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)4.96，并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=5，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑,算出小齒輪數(shù)
大齒輪齒數(shù) ， 取
這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)既滿足齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。
（4）幾何尺寸計(jì)算
1）計(jì)算分度圓直徑
2）計(jì)算中心距
（29）
3）計(jì)算齒輪寬度
考慮到盡可能的減少質(zhì)量和縮短變速器的軸向尺寸，應(yīng)該選用較小的齒寬。若使用寬些的齒寬，工作時(shí)會(huì)因軸的變形導(dǎo)致齒輪傾斜，使齒輪沿齒寬方向受力不均勻并在齒寬方向磨損不均勻。
通常更據(jù)齒輪模數(shù)m的大小來(lái)選定齒寬。
直齒：b=KC m, KC為齒寬系數(shù)，取為4.5~9 （30）
斜齒：b= KC mm，KC取6.0~9.5
第一軸常嚙合齒輪副的齒寬系數(shù)，KC可取大些，使接觸線長(zhǎng)度增加、接觸應(yīng)力降低，以提高傳動(dòng)平穩(wěn)性和齒輪壽命。
所以小齒輪齒寬取20mm,大齒輪齒寬取20mm.
（5）驗(yàn)算
(31)
(32)
合適。
3.3 軸及軸上零件的設(shè)計(jì)與校核
3.3.1軸的設(shè)計(jì)與校核
本次設(shè)計(jì)選到刀軸的外徑d為50mm。
由于農(nóng)田土壤的復(fù)雜性，至今尚缺乏表達(dá)旋耕阻力及能耗與土壤動(dòng)力特性、耕作機(jī)具參數(shù)之間明晰的、便于應(yīng)用的關(guān)系式，所以通過(guò)以下半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算
P= （3）
式中：
B——耕幅，mm；
H——耕深，mm；
vm——機(jī)組前進(jìn)速度，km/h；
P0——切土比阻，KN/m；
vd——刀滾外緣線速度，m/s；
δ——未耕土壤密度，mg/m3
切土比阻P0與土壤質(zhì)地、耕深等多種因素有關(guān)，由實(shí)驗(yàn)取得為32.4KN/m,從《農(nóng)業(yè)土壤力學(xué)》一書(shū)中得知未耕土壤密度δ為2.69 mg/m3。
計(jì)算：
P=50×20×1.1×1000×(32.4+6.6×2.65/2) =3.2kw
由公式
T=9550P/n=9550×3.2/256=157Nm
當(dāng)軸回轉(zhuǎn)時(shí)，有三把刀進(jìn)行工作，兩把彎刀和一把直壁刀，由于直壁刀所受的阻力很小，可以忽略不計(jì)，則只要考慮兩把彎刀同時(shí)進(jìn)行切削土壤的情況，一把彎刀通過(guò)焊接在刀盤(pán)上的刀座固定，對(duì)軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形；另一把彎刀通過(guò)焊接在刀盤(pán)上的U型鋼與之相連，對(duì)刀軸同時(shí)產(chǎn)生彎矩和扭轉(zhuǎn)變形。
由于每把彎刀的參數(shù)基本一致，則每把彎刀產(chǎn)生的彎矩為T(mén)/2，即78.5Nm,又因?yàn)門(mén)=F×L,從此式可以求出彎刀給軸帶來(lái)的載荷F的大小，由彎刀的最大回轉(zhuǎn)半徑為270mm可求出切削阻力：
F=78.5/0.27=291N
圖A分析了刀盤(pán)對(duì)軸所產(chǎn)生的力效應(yīng)，力F2原來(lái)的作用點(diǎn)在垂直刀盤(pán)所在平面70mm 的平面內(nèi)，利用力的平移定理將其移到刀盤(pán)所在平面內(nèi)，此力在平移后相當(dāng)于對(duì)軸附加了一個(gè)彎矩，其值為
M=F2×70=291×70=20.3Nm
如圖A中所示，根據(jù)力的平移定理將力F1平移至軸心，將附加一個(gè)扭矩，其大小為
T=F1×270=291×270=78.6Nm
將力F2再次平移，F(xiàn)2會(huì)附加一個(gè)和力F1同樣的附加扭矩，大小與方向相同。各力的方向如圖A中所示，作出其扭矩圖，如E所示。
為了計(jì)算的方便將圖A中平移后的兩個(gè)力進(jìn)行合成，如圖B所示，合成后的合力F為F1 ，方向如圖中所示。
以合力F的方向?yàn)榭v軸為方向建立直角坐標(biāo)系xoy對(duì)刀軸進(jìn)行受力分析，如圖C所示，利用平衡條件對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，建立平衡方向有
P1+P2=F
P2×730+M=365F
解之得
P2=117.6N P1=173.4N
力P1、P2將軸心各產(chǎn)生一個(gè)彎矩，其大小為
M1=117.6×365=43Nm
M2=173.4×365=63.3Nm
作出其彎矩圖，如D所示，從彎矩圖中得知其最大彎矩為63.3Nm，從扭矩圖中得知最大扭矩為157.2Nm，根據(jù)彎曲強(qiáng)度條件利用下式對(duì)軸進(jìn)行校核
（4）
因?yàn)榈遁S為空心軸，W查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表15-4得其計(jì)算公式為
W= （5）
其中d為刀軸的大徑，d1為刀軸小徑。
計(jì)算得
W=0.1×503[1-(44/50)4]=6125mm3
則
=10.33Mpa=60Mpa
所以軸的強(qiáng)度能夠滿足彎曲強(qiáng)度要求。
根據(jù)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件利用下式對(duì)軸進(jìn)行校核
（6）
計(jì)算得
=35Mpa
所以軸的強(qiáng)度能夠滿足扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度要求，綜上所述可知，軸能滿足工作時(shí)的強(qiáng)度要求，使刀盤(pán)能正常的工作。
3.3.2滾動(dòng)軸承的選擇與校核
因軸承主故要承受徑向載荷無(wú)受軸向載荷，初步選取球深溝軸承。其主要性能和特點(diǎn):主要承受徑向載荷,也可同時(shí)承受小的軸向載荷。當(dāng)量摩擦系數(shù)最小。在高轉(zhuǎn)速時(shí)，可用來(lái)承受純軸向載荷。工作中允許內(nèi)、外圈軸線偏斜量不大于～，大量生產(chǎn)，價(jià)格最低。
這里選輸出軸上的軸承校核（其它軸承的選擇和校核略）。
為了方便安裝，兩端選用相同型號(hào)的軸承。因軸承承擔(dān)的徑向力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軸向力，參照工作要求，初選6205型號(hào)的軸承。
驗(yàn)算：
軸軸承的使用壽命為：12小時(shí)/天×180天/年×10年=21600小時(shí)
1）對(duì)左端，已知，在理想狀況下無(wú)軸向力，故，所以X=1，Y=0。
根據(jù)GB276-89，選6205型軸承，查得：C = 10.8 KN，=6.95 KN 。
求當(dāng)量載荷P:
查參考文獻(xiàn)[2]表13-6得＝1.2～1.8，取1.8。
(38)
驗(yàn)算6205軸承的壽命
(39)
所以6205型滿足要求。
2）對(duì)左端，已知，在理想狀況下無(wú)軸向力，故，所以
X=1，Y=0。
根據(jù)GB276-89，選6205型軸承，查的：C = 10.8 KN，C0 =6.95 KN 。
求當(dāng)量載荷P
查參考文獻(xiàn)[2]表13-6得fp＝1.2～1.8，取1.8 。
驗(yàn)算6205軸承的壽命
所以6205型滿足要求。
軸承校核完畢。
3.3.3鍵的選擇與校核
此設(shè)計(jì)涉及兩類鍵：平鍵和花鍵，其選擇見(jiàn)裝配圖?，F(xiàn)選擇變速箱輸出軸上的矩形花鍵進(jìn)行校核，其基本尺寸為N×d×D×B＝8mm×36mm×42mm×29mm。
假設(shè)載荷在鍵的工作面上均勻分布，每個(gè)齒工作面上壓力的合力F作用在平均直徑處。
此處為靜聯(lián)接，其校核公式為：
(40)
式中： T — 傳遞的轉(zhuǎn)矩，已知T=692.11N·m；
— 載荷分配不均勻系數(shù)，取=0.8;
Z — 花鍵的齒數(shù)，取z=8;
H — 花鍵齒側(cè)面的工作高度，矩形花鍵中：
(41)
l — 齒的工作長(zhǎng)度，取l=29mm;
— 花鍵的平均直徑，矩形花鍵中：
=（D+d）/2=(42+36)/2=39mm (42)
[] — 花鍵聯(lián)接的許用擠壓應(yīng)力，查參考文獻(xiàn)[2]表6-3得 []=120MPa
則由式（40） 得：
MPa<120MPa 符合要求，校核完畢。
第4章 開(kāi)溝裝置的設(shè)計(jì)
在選取了后置開(kāi)溝方式的基礎(chǔ)上，在原有旋耕機(jī)刀軸上安裝一圓盤(pán)式開(kāi)溝部件[17-20]。為能開(kāi)出形狀規(guī)則、溝內(nèi)干凈、溝型整齊的排水溝，需要考慮多個(gè)方面因素，包括刀片型號(hào)及數(shù)量，刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，開(kāi)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開(kāi)溝刀設(shè)計(jì)
4.1.1刀片型號(hào)
旋耕刀是開(kāi)溝機(jī)的主要工作部件，刀片的形狀和參數(shù)直接影響開(kāi)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。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、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)在旱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(kāi)溝的刀片[21]，其結(jié)構(gòu)如圖
圖2 旋耕彎刀結(jié)構(gòu)圖
彎刀片由側(cè)切刃（包括側(cè)切面）和正切刃（包括正側(cè)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）。
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(kāi)溝切土過(guò)程是刀盤(pán)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。如圖2.6所示,
圖3 正轉(zhuǎn)開(kāi)溝土壤垡片形成示意圖
相繼作用與土壤的兩片刀片,描繪出相同的彼此移開(kāi)一個(gè)切土節(jié)距S的曲線,形成斷面變化的垡片.
切土進(jìn)距S由開(kāi)溝刀盤(pán)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)確定.S是刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)角的時(shí)間ts內(nèi),旋耕也輥前進(jìn)的距離, z是刀盤(pán)上同一切削面上刀齒的安裝數(shù)量.可計(jì)算為：
S=vmt== = （1）
式中：
vm----機(jī)器前進(jìn)速度，m/s；
t----機(jī)組前進(jìn)時(shí)間， s；
z----同一旋轉(zhuǎn)切削面刀片數(shù)；
ω----刀輥角速度，rad/s；
n----刀輥轉(zhuǎn)速，r/min；
s----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)能前進(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（含水量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，拖拉機(jī)行使速度一般采用一檔操作，其速度為1.1km/h，代入公式中，得：
Z==1.79（片）
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)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，旋耕刀滾的刀片數(shù)減少，則相鄰刀片問(wèn)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，就要減小機(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Ro的大小可由下式確定：
（2）
式中：
S——刀片最大進(jìn)給量，mm；
a——最大設(shè)計(jì)耕深，mm。
圖4開(kāi)溝結(jié)構(gòu)尺寸示意圖
正切面回轉(zhuǎn)直徑取決于最大開(kāi)溝深度 hmax，刀軸傳動(dòng)箱尾部圓角半徑r，開(kāi)溝機(jī)處于最大開(kāi)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 [22]，如下圖：
其數(shù)學(xué)表達(dá)式為；
R≥hmax+r+δ1
R≤L-δ2
在藍(lán)天1dn-4型多功能農(nóng)用微型耕作機(jī)上，各參數(shù)的取值為：
hmax=160mm；r=82.5mm；L=280mm;δ1=20mm；δ2=10mm。
計(jì)算得：252.5≤R≤270
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
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。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(kāi)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。
為了提高開(kāi)溝質(zhì)量和耕種機(jī)的附著性能，采用正轉(zhuǎn)切削方式。
4.1.5刀盤(pán)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(kāi)溝需要的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速要求為200～300r/min，本旋耕刀盤(pán)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為300 r/min，以滿足開(kāi)溝拋土的要求。線速度計(jì)算如下：
u=ω1R=(300×2/60)×0.256=6.86(m/s)
4.1.6刀盤(pán)結(jié)構(gòu)及刀片布置原則
(1)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)
由前面刀片直徑計(jì)算得出，刀盤(pán)最大回轉(zhuǎn)半徑R回=270mm，彎刀最大工作半徑Rmax=245mm，因此刀盤(pán)直徑要略大于原彎刀安裝尺寸。具體尺寸如圖：刀盤(pán)最大直徑R0=220mm，刀盤(pán)上刀座布置中心圓直徑R1=95mm，刀盤(pán)內(nèi)圓直徑取R2=52mm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(pán)最外側(cè)各安裝兩片，靠近刀盤(pán)中間的兩切削面各安裝一片刀片，共6片彎刀。同時(shí)為了方便刀盤(pán)在旋耕軸上安裝，采用哈夫式刀盤(pán)對(duì)接安裝，如圖示，左右刀盤(pán)通過(guò)焊接的鋼板用螺栓連接，整個(gè)刀盤(pán)通過(guò)定位孔用螺栓與刀軸上的刀刀座固定在刀軸上。為增加彎刀片的縱向切削面，在刀盤(pán)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(pán)的兩個(gè)切削面增加到四個(gè)切削面。
另外，為使得開(kāi)出的溝型整齊，在刀軸原有刀座上，開(kāi)溝刀盤(pán)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(kāi)溝刀盤(pán)最大回轉(zhuǎn)直徑（R回）2～3mm，結(jié)構(gòu)如下圖示。
圖5刀盤(pán)結(jié)構(gòu)圖
1， U型鋼 2，刀座 3，連接鋼板 4，定位孔
(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(pán)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(pán)的受力穩(wěn)定均衡?；景凑丈鲜鲆?guī)則安置刀片見(jiàn)下圖。
圖6 刀片排列展開(kāi)圖
4.2開(kāi)溝鏟
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(kāi)溝鏟，圓弧和刀盤(pán)為同心圓，如下圖示。
圖7開(kāi)溝鏟結(jié)構(gòu)圖
開(kāi)溝鏟與刀盤(pán)刀片回轉(zhuǎn)面間的間隙盡量取較小值，一般為1～1.5cm。開(kāi)溝鏟安裝位置要求：最低點(diǎn)略低于刀盤(pán)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(pán)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。
4.3擋土板
從溝面開(kāi)始拋出的土壤，由于各方面的因素，會(huì)導(dǎo)致部分拋出土壤走向的不確定性，以及對(duì)操作的安全性，必須加裝一個(gè)弧形擋板，如下圖示，在略高于刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)的最高點(diǎn)處安裝，擋板的圓弧半徑取較大值：1～1.5m，擋板間的夾角為80○～90○，安裝擋板的作用有利于土壤橫向拋土距離的作用。
圖8 擋土板結(jié)構(gòu)圖
第5章 開(kāi)溝深度調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)
5.1深度調(diào)節(jié)液壓缸的選用及分析
5.1.1 液壓缸型號(hào)的確定
首先確定梁和架上的液壓缸耳環(huán)的具體位置，然后即可對(duì)初定的桿件在CAD中進(jìn)行簡(jiǎn)單模擬（工作位置和提起位置），測(cè)量出開(kāi)溝裝置在兩個(gè)極限位置的時(shí)液壓缸的長(zhǎng)度（即兩個(gè)耳環(huán)中心線之間的距離）：218mm～395mm。參考已有的微耕機(jī)的液壓缸型號(hào)和液壓缸系列值[21]，選用HSG型工程用液壓缸，技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表3-5。
型號(hào) HSG·L-50/25·E-1111-160·218
型號(hào)的含義：
表3-5 液壓缸技術(shù)參數(shù)
缸