机械毕业设计（论文）-链式开沟机的设计（全套图纸） .pdf

- 1 - 1kl-350 型链式开沟机的设计 1 引言引言 农田开沟排水是平原低洼地区种植旱熟作物排涝除渍，保苗夺丰收的必要措施，人 工开沟劳动强度大，开沟质量不稳，20 世纪从 80 年代起，国内各农机科研、生产单位 研制了各种形式的 开沟机，比较有代表性的有大刀盘开沟机、小刀盘开沟机、聊条开 沟机、立式开沟机、螺旋开沟机等机型，现在生产上使用的较多的是小刀盘开沟机。但 上述所有开沟机都存在功率大，高湿烂田抛土不匀，甚至无法开沟的问题。从开沟机的 结构形式分析，立式开沟机从沟形，沟深及抛土效果明显优于圆盘式结构的开沟机，但 切土产生的力矩不平衡，导致拖拉机产生激烈振动、跑偏、走直性能差，传动件易损坏， 抛土方向单一等问题，由于以上种种原因，使广大地区至今没有适应性强的开沟机型， 为解决现有开沟机型存在的不足，以能最大限度的满足农艺措施提出的要求，我们设计 了一种开沟能力强、功率损耗小的开沟机 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 1kl- 350 型链式开沟机的设计 - 2 - 1.1 研究意义目的研究意义目的 开沟机是工程机械的主要机种之一，广泛应用于农田水利建设、通讯电缆及石油管 线的铺设、市政施工以及军事工程的建设。开沟机具有专用性强，设备投资少，可连续 开掘，工作效率高等特点，特别是对于窄而深的沟渠，开沟机的优势更加明显。开沟机 尤其适应于土质较硬、施工场地狭小，人工无法开挖而挖掘机等土方机械无法作业的地 方。同时开沟机的施工成本低于挖掘机等土方机机械的施工成本，甚至比人工施工还低 而深受广大施工单位的欢迎。 在国外，连续式开沟机己经使用的很普遍，地下公用设施施工都用专业开沟机，很 少使用单斗挖掘机。在我国除极少数的单位引进国外的连续式开沟机外，国产开沟机投 入使用的较少。随着生产建设全面启动，开沟施工工程的规模越来越大，如基础建设施 工开沟、光缆、电缆、管道铺设等方面都面临着巨大的开沟工作量。特别是在农业工程 领域，果树施肥、农田开沟、蔬菜园开沟，都是用工量很大的作业，我国几乎都用人工 完成。果园、农田等的地表不平整，有杂草、树枝及石块等，地下有树根，开沟条件比 较恶劣，一般开沟机难以适应。因此研制适合我国土壤情况的开沟设备，对提高开沟的 效率、减少人力和物力资源的浪费、提高劳动生产率有重要意义。 1.2 国内外开沟机的发展及研究现状国内外开沟机的发展及研究现状 1.2.1 国内状况国内状况 我国开沟机械起步较晚，经历了从犁铧式开沟机、圆盘式开沟机、螺旋式开沟机和 链式开沟机的四个发展历程。在我国除极少数单位引进国外的连续式开沟机外,国产开 沟机仍处于设计研发的初步阶段。 首先，在上世纪 50 年代主要是犁铧式开沟机。这种开沟机结构简单，工作可靠， 零部件少，单位功率低，生产率高，作业成本低，开沟深度为 30cm 到 80cm。主要缺点 是机体笨重，牵引阻力大，犁铧入土后，土垡随翻土板曲面上升，翼板将土推向两侧， 侧压板将沟壁压紧，形成梯形断面的沟。 然后，到了上世纪 70 年代又出现了圆盘式开沟机，它以两个高速旋转的铣削圆盘， 圆盘周围是铣刀，一般以 75 马力到 100 马力拖拉机牵引工作，前进速度 50m/h 到 - 3 - 150m/h，应用较广，牵引阻力小，适应性强，作业质量好，但行走慢，传动复杂，结构 庞大，制造工艺要求高，单位功率消耗大，生产率比犁铧式开沟犁低，它的开沟断面是 上口宽沟底窄的倒梯形，配套动力要求选择功率大而行驶速度低拖拉机。由黑龙江建设 兵团三师十八团研制的单圆盘开沟机简图。 接着，上个世纪九十年代主要以螺旋开沟机为主，江苏省农机局技术中心研制的 1klz-27 型螺旋开沟机采用立式螺旋开沟刀具， 开沟部件为直接安装在一根直立轴管上 的两组螺旋刀片，集立铣、周向提升、螺旋叶片惯性抛散等原理于一体，使开沟过程中 的切削、提升、抛散一次完成，其结构简图如图 1.1 所示。该机工作时土块呈条状沿螺 旋线导向两面抛落，以圆锥对数螺线为基础的立锥式刀具，增强了对不同区域、不同土 质的适应性，刀片采用组合式结构，刀柄、刀刃选用不同的材料，提高了使用寿命4。 发展到 1999 年，在天津工程机械研究所开发研制出了 gc65g 型链式开沟机。该机 的主要参数如下： 拖拉机型号为 tn-654l， 发动机功率为 48kw， 主机额定牵引力为 18kn， 最小转弯半径为 4500mm，开沟最深为 1800mm，最宽为 400mm，宽可通过更换挖掘链节 来调节， 挖掘链速为 1.8m/s， 回填铲宽度为 1800mm， 总体尺寸为长 7500mm， 宽 2230mm， 高 2860mm。它是由链条带动多片铲高速小厚度切削，主机低速前进，实现连续挖掘作 业。该机进行挖土工作时，将土带到沟面上，并挤向两侧，螺旋叶片形状的排土轮由链 轮驱动，向两侧分土，清沟器端部设有浮动刮产，可将散土收回刀铲处，刮平沟底5。 于此同时在国内进行链式开沟机研究的还有西北农业大学机电学院的杨有刚、 刘迎 春，他们在 2002 年研制的在滚子链链板上加链刀附件的开沟机。 2002 年中国农业机械化研究院耕作种植机械研究所的一种 1k（kz）-30 型链式开 沟机如图 1.3 所示。它主要由齿轮箱、传动链、开沟切削刀和分土器等组成。可见这 种链式开沟机也是在滚子链基础上形成，这种形式的开沟机对土壤的性能要求较高，遇 到带有沙石的土壤很难作业，开沟比较宽，消耗功率大，深度也不够，链条易磨损疲劳 失效，使用寿命也达不到预期的效果。 1.2.2 国外状况国外状况 国外最早生产开沟机的国家主要是美国和前苏联。 其发展过程大致也是从犁铧式开 始的，目前主要是链式开沟机。在国外,开沟机的使用已经非常普遍,许多地下公用设施 施工都用专业开沟机以下简单介绍几个国外的链式开沟机来说明在国外开沟机的特点 1kl- 350 型链式开沟机的设计 - 4 - 及大至发展方向。 国外开沟机的种类很多， 适应各种不同施工的需要。 最小的开沟机功率仅有几千瓦， 最大的功率达到1100kw， 质量136t。 国外专用开沟机需求量逐年增大， 仅美国就有 ditch witch、 vermeer、 case、 roccaw、 trencor jetco、 eagle、 tesmec、 cleveland 和 carptal 等十多家公司生产开沟机，共有一百多种1。仅以几家有代表性的公司产品为例说明 其发展和研究状况。 美国 case 公司挖沟机。美国的 case 公司成立于 1842 年，由发明家 jerome i ncrease case 建立。case 公司经过 100 多年完善，现已发展成为全世界处于领军 地位的中、小型建筑工程机械设备制造商。 图 1.3 65 型链式开沟机 美国传特公司的 65 型链式开沟机，如图 1.4 所示。开沟传动系统采用多级变速器， cat 发动机，型号 65 型开沟链条驱动，重型机械驱动，高扭矩，低速度以达到最大切割 齿、挖掘深度、增强生产力和延长切割齿寿命，具有牢固的组合式开沟臂，独特的可更 换的耐磨钢板系统和链轮，方便单双链条的应用，重型独立驱动履带，三段式履带伴侧 固定，可升降驾驶室，密封性好，舒适的空调设备。控制器、计量表、和感应器及驾驶 室的升降应用最新技术，视野好，驾驶舒适安全8。 - 5 - 图 1.4 sm550c 型链式开沟机 法国“马莱”公司是一家专门生产、租赁埋地电缆和管线铺设设备的公司。无论是 城市道路、公路、铁路、山路、河岸等伴埋电缆或管道，都可以使用马莱的开沟、铺设 联合作业机进行快速施工。其铺设速度 0.52km/h，可以实现正挖，侧挖，低噪音，无 扬尘环保作业。它的开沟机宽度窄，最大限度减小对交通的阻碍破坏。它的真空吸尘式 开沟机，可以边开沟边吸渣土和尘土，是城市环保型的先进作业机器。图 1.5 为“马莱” 公司生产的 sm550c 型链式开沟机。 可见，国内开沟机的研究，现在多数还局限在犁铧、螺旋式开沟机方面，但是，这 种设备不能切挖陡直窄深沟。中国农业机械化研究院耕作种植机械研究所了一种 1k （kz）-30 型链式开沟机，不过未见其链式开沟机传动机理及仿生的研究。并且，这种 开沟机链条和链轮齿的啮合与非土壤介质中的啮合传动方式没什么区别， 仍然是传统的 链条与链轮齿的啮合传动方式。未能掌握了土壤介质中链传动机理，未能表明考虑减少 啮合阻力的结构框架，不能减少土壤介质的移动阻力，不能达到节能和环保的目的。国 外开沟机的研究，从掌握的资料上可以看出，链式开沟机也只是传统的链条与链轮齿的 啮合方式。并且国外开沟机械的生产已向更加多样化发展，但国外机械更趋向于专机专 用，开沟机械只用于开沟，当机械不开沟时，机械只能闲置，而根据我国的具体国情， 该机械不仅可用于开沟，并且能恢复拖拉机功能，保证通用性较好。 1kl- 350 型链式开沟机的设计 - 6 - 1.3 主要内容主要内容 链式开沟机总体参数的确定及结构设计。根据工作环境和农艺要求，初定沟宽、沟 深、整机前进速度、链速、生产率等，通过运动学和动力学分析，获得开沟机的切土阻 力、切削功耗、总功耗、比功、切削厚度等参数，进行开沟机主要部件挂接机构、传动 机构和开沟装置等的结构设计，完成整机的生产试制和土槽及田间功能性试验。 2 技术任务书（技术任务书（jr） 2.1 设计依据及要求设计依据及要求 链式开沟机的工作环境为果园、农田和蔬菜园等，根据相关农艺要求，最大开沟深 度不超过 600mm,沟宽限制在 150mm 至 300mm， 参照国内外现有机型提出了所设计开沟机 的开沟深度为 1000mm,开沟宽度为 350mm，配套动力为 25 马力，动力输出轴转速为 540r/min,开沟机的前进速度为 300m/h。 所设计的开沟机的要求是分析部件的受力情况，算出开沟机各个部件所消耗的功 率，对链式开沟机的主要工作部件进行校核。 2.2 工作原理工作原理 链刀式开沟机的结构见图 21，.它主要由机架、传动、切割、清沟、运土等部分 组成。动力有 4.5200kw。链刀开沟机工作部件的开沟宽度和深度，根据工作要求可以 调节。对不同土壤有较强的适应性，用途比较广泛。 开沟机是一种连续式挖掘设备，根据行走装置不同可分为轮胎式和履带式。根据工 作装置的不同，可分为链齿式和轮斗式两大类。另外，由于开沟的深度和宽度不同，品 种较多。按排土方式分为地面直排土、胶带输送机排土。地面直排土一般用于小型开沟 机，胶带排土一般用于大型开沟机按开沟机刀型分为链斗式、链铲式、链齿式、圆盘铣 切式、轮斗式和轮齿式等多种形式。 - 7 - 图 2-2 开沟机示意图 主动链轮的驱动动力由拖拉机输出轴输入变速箱， 经变速箱降速增扭之后传递给主 动链轮。变速箱固定在支架上，拖拉机尾轴与变速箱之间以万向节连接，变速箱固定在 拖拉机尾部。工作时，拖拉机以速度 v2 向前行走，通过控制拖拉机输出轴转速和变速 箱，带动主动链轮，使开沟链条以线速度 v1 绕主动链轮转动作业。开沟机工作臂内有 液压张紧缸，在新型开沟链条伸张时，可以张紧链条,通过链条的运动，带动链条上刀 片的运动，从而切削土壤，完成挖沟深度和宽度。 。 2.3 主要性能指标及技术参数主要性能指标及技术参数 链式开沟机由普通拖拉机提供动力，主要由变速器，工作臂梁架，开沟器，液压升 降部件和分土器等部分组成。开沟机工作时，动力由拖拉机后输出轴输出至变速器，经 过变速传递给开沟部分，工作臂通过液压系统控制使其后倾一定角度，置于其上的开沟 链与土壤作用，在机组前进的同时，开沟链斜向下伸出切土，继而开出斜沟，开沟同时， 利用开沟链将沙土带出沟，并由分土器将沙土摊开于沟沿两侧。处于工作状态的开沟机 示意图如图 2-2。开沟链工作时后置前倾一个角度，开沟时，在机组前进的同时，开沟 链条等工作部件旋转,斜向下伸出切土,逐渐开出一段斜沟，同时将沙土带出沟，并由分 土器将沙土推开。 表 1 链式开沟机的基本结构及功能 链式开沟机基本结构 功能 工作部件 工作部件包括完成主要工作的主动型工作部 件和完成辅助工作的从动型工作部件。主动型工作 部件是以特种链条带动的切削刀片。链条带动刀片 做往复运动继而进行挖土工作。 1kl- 350 型链式开沟机的设计 - 8 - 动力传动部件 机械式的驱动系统主要包括万向传动和齿轮 传动两部分，其动力来自拖拉机的动力输出轴。万 向传动是通过带有空间可变角度的成对使用的万向 节传递动力，适用于可变轴线位置的传动，它连接 在拖拉机的动力输出轴和开沟机的减速箱之间。齿 轮传动是一级或两级以上的减速装置，用于成倍地 降低动力输出轴的转速并改变动力传递方向，最终 将动力传递给开沟机链轮并带动开沟链进行开沟工 作。 机身 包括机架和成型器。机架是开沟机的骨架；所 有部件均连接在机架上。目前我国旋转开沟机多采 用平行梁架，用钢管或槽钢焊合而成。成型器位于 机架的尾部，工作时起稳定作用，并可刮出沟底和 沟壁，保持沟型整齐、干净。 安全装置 安全装置的作用是防止旋转开沟机过载 （或过 载时的保护措施） ， 保护拖拉机的动力输出轴和开沟 机的传动系统。 使用最多的是摩擦片式安全离合器， 一般安装在开沟机传动系统的输入端。此外，变速 箱设计有一个倒速档位，可以在过载卡住链条时， 倒速运转，退出卡在重土壤中的链条。 据相关农艺要求，所研制的开沟机必须满足的技术指标为:纯小时生产效率不低于 80m/h;开挖深度大于 10cm、宽度 35cm，沟宽和沟深可调:配套柴油机动力为 50 马力， 开沟机的前进速度为 300m/h,沟槽必须一次性开挖成型，沟形完整且基本达到人工开挖 的效果， 2.4 关键技术及解决方法关键技术及解决方法 (1)开沟链及链生产的设计 链刀组合围绕在主动链轮、机架组合和从动链轮上，它主要由链条刀片和垫块等组 成，考虑到整机的尺寸不能过大，工作部件的总长在 12m 内，两个链轮的中心距不得 大于 1m。 传递功率 p 初定为 3kw,则额定功率为 - 9 - 0 1.7*35.2 a zm k p pkw k k = 查阅的现有资料中开沟机的链速一般为 1-15m/s,则主链轮转速大约在 100 500r/min 之间，初不定出主链轮转速为 540r/min。 开股宽度为 350mm,则刀片切削刃宽度一般不会小于 44mm,而单排链的宽度为 30mm 左右，小于道具刃宽，则在链条上布置是会有重复切削的现象出现，且最后两把刀片扩 宽后的宽度达到了沟宽的 300mm,单排链与之相比也不协调， 受力时链条也容易产生摆动 而不稳定，因此调整方案选用了双排链。 根据功率、转速及刀片安装等综合考虑选用 c 型钢制农机链，p=41.4,由东华链条 厂生产。 （2）传动系统的设计 传动机构的工作原理是将拖拉机后动力输出轴的转矩通过减速箱的齿轮传动装置 传递给开沟装置的主动链轮。 设计减速箱的目的是为了解决原有拖拉机动力输出轴的转 速过高(一般有两至三种：1000min，720rmin，540rmin)的问题，通过减速箱的设 计既能使原有拖拉机的动力输出轴的转动方向改变，又可以达到降低转速的目的。由前 一章的计算可知，链条的运动速度在 2.8ms，神牛50 马力使用 540rmin 的动力输 出，确定减速器的传动比约为 16：1。 拖拉机动力输出轴的旋向为顺时针方向(朝向输出轴端观看)，基于上述初定的要 求，拟采用锥齿轮传动，锥齿轮传动包括直齿锥齿轮传动、斜齿锥齿轮传动和弧齿锥齿 轮传动。其中，直齿锥齿轮齿形简单，容易制造，经济成本较低，但承载能力较低，斜 齿锥齿轮承载能力较大，多用于大型机械；弧齿锥齿轮承载能力非常高，运转平稳，装 配误差不明显等。考虑到本文所研制开沟机的实际应用要求，采用直齿锥齿轮。 从减速箱传递出来的动力再经过一对传动比为 1 的链轮传动，输入到主轴上，动力 输入链轮齿数为 25 齿，根据功耗、转速及结构尺寸要求，选定 16a 单排滚子链，节距 254，中心距 443mm。 （3）悬挂机构的设计 拖拉机在田间作业时，与农具的连接方式有牵引式和悬挂式两种。牵引式连接是将 开沟机铰接在拖拉机后端牵引杆的挂钩上，农具的重量由它本身的地轮支撑，工作时农 1kl- 350 型链式开沟机的设计 - 10 - 具的升降和耕深控制，是 l“农具手通过操纵机构束实现。这使得农具的结构复杂、笨 重，机组的机动性和通过性较差，并需配备专门的农具于，劳动强度人。目前，牵引连 接方式只用于少数农具和运输作业。 悬挂式连接是将农具悬挂往拖拉机上，它们组成个整体，驾驶员 r 叮在拖托机上直 接控制农具的升降和进行耕深控制。这样就使农具的结构简单、重量轻机组的机动性 好，无需另外加配农具操作人员，有利于提高劳动生产率，当悬挂式连接采用液压系统 作为提升动力后，可以实现自动调节耕深，改善了劳动条件和提高了作业质量。悬挂式 连接还可以改变拖拉机的受力状态，有利于改善拖拉机的牵引性能。 因此本课题的开沟装置通过挂接机构以三点悬挂方式连接在拖拉机后部， 开沟链的 切削方式为逆时针切削，即链传动轴的方向与作业行走轮旋转方向相反，从下向上切削 土壤，这样可以表现出在作业性能上的很多优越性。由于开始切削时土垡厚度较小，链 传动轴受力比较均匀、平稳，逆切沟底不平度小，并由于减小被切削垡块的平均厚度， 而提高了碎土的质量，因此当碎土质量要求相同时，逆切比正切的生产率要高。通过拖 拉机的液压系统可以实现整个装置的升降，拖拉机动力输出轴的动力经传动机构变向 后，输入到开沟装置主轴和主链轮。 挂接机构由挂接侧板 i、主梁 2、立柱 3、悬挂架 4 等组成，主轴侧板前端通过螺栓 联接在挂接侧板上，主轴侧板中部开有圆孔，开沟装置通过轴承座穿过主轴侧板上的圆 孔与主轴侧板联接，挂接侧板的前端焊接在主梁和立柱上。 3 设计计算说明书（设计计算说明书（ss） 3.1 结构方案分析结构方案分析 从开沟的机理上可以把开沟分为两种：即犁式开沟和旋转开沟。前者的工作部件不 旋转直接由动力牵引，开沟速度快、效率高，但一般深度较小，土壤硬度不能太大， 否则沟形难以保证 i 后者工作部件旋转称为铣削式丌沟，沟形规整、适合各种上壤， 但效率较低(查长流，2002)。国内外开沟机主要有以下几种：犁式开沟机、割盘式丌沟 机、双圆盘式开沟机、回转链式开沟机以及立式螺旋式开沟机，按功率和丌沟大小又可 分为自走式和手扶式等，种类较多。但链式开沟机投资较少，可连续开掘，工作效率高 - 11 - 等特点，特别是对于窄而深的够渠，开沟机的优势更加明显，尤其适应于土质较硬、施 工场地狭小，人工无法开挖而挖掘机等土方机械无法作业的地方。同时开沟机的施工成 本低于挖掘机等土方机机械的施工成本， 甚至比人工施工还低而深受广大施工单位的欢 迎，综合以上所述，我采用链式开沟机为设计对象。 3.2 结构组成及工作原理结构组成及工作原理 3.2.1 结构组成结构组成 1kl-350型链式开沟机的结构如图3-1所示，该机主要由机架、传动链、方梁、 刀片、传动箱、排土器、减速器等组成。 图3-1链式开沟机的结构图 3.2.2 主要技术参数主要技术参数 开沟机工作环境为果园、农田和蔬菜园等，根据相关农艺要求，最大开沟深度不超 过 600ram，沟宽限制在 150ram 至 300ram，并参照国内外现有机型确定链式开沟机的基 本参数列表为： 表 2 链式开沟机的基本参数 配套动力 50马力 外形尺寸 （ 长宽高 ） 27001200700mm 结构重量 500kg 前进速度 300m/h 开沟深度 1000mm 开沟宽度 350mm 挖掘链 东华集团生产的c型钢制农机链ca550sdf1 链条节距 41.4mm 链条节数 40 链条宽度 20mm 1kl- 350 型链式开沟机的设计 - 12 - 链条速度 2.8m/s 3.3 主要工作部件的设计主要工作部件的设计 3.3.1 开沟工作部件的设计开沟工作部件的设计 （1） 驱动链选型 工作部件基本参数的选择如图 3-2 所示。 由于动力载荷作用在链刀上以及切削土壤 磨损因素的结果，使其工作链刀的速度受到一定的限制。对于矿物质土壤工作时，链刀 速度 c v 一般为 12m/s17。 图 3-2 链条的结构图 链刀工作部件水平移动的工作速度 y v 取决于机器的生产率与沟槽的截面积。 bh vy 3 106 . 3 = 式中：理论生产率； b 沟宽（m） ； h 沟深（m） ； 链刀运动的绝对速度 c v 按下式计算： a v = sycyc vvvvcos2 22 + （m/s） 式中： c v 链刀速度 (m/s)； y v 链刀工作部件水平移动的工作速度（m/s） ； s 工作链刀对水平面的倾角，一般取 48 65 ，此角影响链刀之间土壤的 - 13 - 充满程度。 链刀绝对速度向量的倾角 按下式计算： ysc sc vv v + = cos sin tan 链刀高度 mhc15 . 0 1 . 0= 。若增加链刀高度，则链刀遇到障碍时，链式工作部件里 的负荷就会增加。所以选用东华集团有限公司的农机链条，即 c 型钢制农机链如图 3-3 所示。 图 3-3 链条结构图 （2） 切土工作部件 刀片节距 c l 可按下式进行初步计算，刀片切削厚度： )sin(= sc l 开沟机运动速度与链刀的切削厚度的协应关系如图 3-3.， 根据该图， 可以得出二者 的关系如下： 11000sin= y v cos 1 tan cos sin cot+= + = c y c yc v v v vv 由于实际开沟过程中， cy vv 时， c sc ccc l ctgh vhb 2 )( 3600 = ()/ 3 hm (3-10) 当 s 时， ccc vhb3600=（)/ 3 hm 式中： c h 链刀高度（m） 松散土壤的自然休止角 c l 刀片节距（m） c b 刀片宽度（m） c v 链刀速度（m/s） 对于土壤的自然休止角，是土壤自然条件下，不滑坡的最大倾斜角度，实际土壤试 验中可以利用休止角测定仪进行土壤休止角的测量，本文根据实际开沟情况，重壤土的 休止角为 3040，具体的情况需根据具体的土壤情况而定，下表给出了常见的土 壤休止角的对照表 19： 表 3-土壤自然休止角（ ）2 土的名称 干的度数 湿润度数 潮湿的度数 砾石 40 40 35 卵石 35 45 25 粗砂 30 32 27 中砂 28 35 25 细砂 25 30 20 重粘土 45 35 15 亚粘土、轻粘土 50 40 30 土的名称 干的度数 湿润度数 潮湿的度数 轻亚粘土 40 30 20 1kl- 350 型链式开沟机的设计 - 16 - 腐植土 40 35 25 填方的土 35 45 27 考虑链刀的高度，取 c h =50mm, c l =76.2mm。 由于 max ( ) =70 0所以有： c c l h arctan+的取值范围是：49.8302.74 所以取上面的（3-8）式。计算 cs c c ccc b h l vhb)6951()tan( 2 1 3600= 从而由式 3-7 有： c b 4 mm 。 从而为保证土壤切削后能够正常被链刀带出沟，链刀的宽度最小不能小于 4mm。 （3） 功率计算 本课题开沟机的开沟链可以近似看作是竖直刮刀形式，根据现有参考资料，有竖直 刮刀的切土阻力的计算式 20为： eif ctut ) 180 90 1)(1 . 01 (8 . 9 35 . 1 += （n） 式中： tu i 苏联道路科学研究所坚实度计冲击值； 切削厚度， （cm） ； c 刀片厚度， （cm） ； 刀片切削角，( 0） ； e刀片尖角计算系数； 对上式进行单位归一化处理 20有： eif ctut ) 180 90 1)(01 . 0 1 ()1 . 0(8 . 9 35 . 1 += 应用本课题中，上式中切削厚度和刀片厚度做相应调整21得： - 17 - ebif ctut ) 180 90 1)(01 . 0 1 ()1 . 0(8 . 9 35 . 1 += 开沟机开沟总切削阻力 k f 是根据所有切削刀在土壤中同时作用的情况进行计算， k f 作 用在链条上的力为： = ttk zff（n） 式中： t f 切削土壤的阻力（n） ； t z 同时与土壤作用的刀片数。 对于采用 b 型刀的挖纵向沟一次切削和分层切削形式的工作部件： cs c t l z z sin = 式中： c z 沟深（m） 。 其它代号与前式相同。 开沟机的传动总功率 n 可按下式计算： （kw） 式中: l n 工作部件链条传动所消耗的功率（kw） ； j n 机器前进所需的功率（kw） ； f n 辅助机械的传动所消耗的功率（kw） 。 工作部件链条传动所消耗的功率 l n ： dc yklykq l nnnn n + = （kw） (3-18) 式中： y n 绞龙推运土壤刀沟旁所消耗的功率（kw） ； c 、 d 链刀工作部件传动效率（75 . 0 7 . 0; 6 . 04 . 0= dc ） ； q n 切削土壤功率。 3 10 aq q vf n = （kw） (3-19) fjl nnnn+= 1kl- 350 型链式开沟机的设计 - 18 - 式中： q f 切削总阻力（n） ； a v 链刀绝对速度（m/s） 。 沿沟升运土壤所消耗的功率 yk n，可按下式求出： 6 10 106 . 3 ) 2 ( + = kh z n c t yk （kw） 式中：工作部件的理论生产率)/( 3 hm； t 土壤容重)/( 3 mt； 土壤容重 21是土壤在未破坏的自然结构下，单位容积中的重量，通常以克/立方厘 米表示。土壤容重大小反映土壤结构、透气性、透水性能以及保水能力的高低，一般耕 作层土壤容重 11.3 克/立方厘米，土层越深则容重越大，可达 1.41.6 克/立方米。 c z 沟深（m） ； 1 k 考虑土壤颗粒在链刀与沟侧壁间滞塞的可能的系数，湿的和粘的土壤 1 k =1，干的和粘结不紧的土壤 1 k =1.051.15;长方形链刀 1 k =1.21.25；菱形链刀 1 k =1.0； 0 h 链刀卸土平均高度（m） sin 0c lh = （m） 式中： c l 刀片节距（m） ； 链刀运动绝对速度对水平面的夹角（o） 。 被运送土壤与沟道土壤摩擦所消耗的功率 kt n ，按下式计算： 6 0 106 . 3 ) 2 ( + = ctgfh z n t c t kt （kw） 式中： t f 土壤与土壤的摩擦系数（见表 3-3） 其它符号与上式相同。 - 19 - 表3- 3 tu i和 t f值 项目 沼泽泥炭土 重粘土 壤土 重壤土 tu i 15 1824 510 918 t f 0.91.0 0.81.0 0.70.8 0.70.8 选择拖拉机的功率 t n ： lt nn)5 . 13 . 1 (= （kw） 式中： l n 工作部件链条传动所消耗的功率（kw） ； 机器前进所需的功率 j n ： h k j vf n 6 106 . 3 = （kw） 式中； f 总的牵引阻力（n） ； yk vv =（链刀工作部件水平移动的工作速度） （m/h） ； h 行走机构传动效率，85 . 0 75 . 0 = h 。 对于机组前进行走阻力 a f ，可以做受力分析图 3-4. 图 3-4 机组前进受力图 式中： 1 开沟链传动效率； 2 机组行走传动效率； 1kl- 350 型链式开沟机的设计 - 20 - 辅助机械的传动所消耗的功率 f n ： )(07 . 0 05 . 0 ( jlf nnn+= （kw） （3-25） 式中： l n 工作部件链条传动所消耗的功率（kw） ； j n 机器前进所需的功率（kw） 。 根据课题中的开沟要求,这种新式链式开沟机的优点是开挖深窄的沟,最大开沟深 度为 1500mm 至 2000mm， 沟宽限制在 80mm 至 100mm。 根据开沟要求， 将设计参数定为: 沟宽 bt =350mm;沟深 ht=1000mm;在土壤类型为重土壤时，理论生产率 20m 3/h，链刀运 动速度 vc=2.8 m /s ,开沟链和水平方向夹角= 60，链刀切削厚度= 1mm，根据这些 条件，得出拟定的开沟机参数如表 3-4。 表 3-4 开沟机参数 链条节距/mm 41.4 同时切土的刀片数 30 单片链刀切土阻力/n 132 切土总功耗/kw 9.9 链条总功耗/kw 3.96 开沟机前进总功耗/kw 4.2 发动机功率/kw 36.75 开沟机工作速度/)/( 1 hm 300 3.3.2 传动系统的设计计算传动系统的设计计算 （1） 动力选型 链式开沟机由普通拖拉机提供动力， 工作时动力由拖拉机后动力输出轴输出至减速 箱，经过变速传递给开沟装置主轴，拖拉机液压系统控制使开沟装置下倾一定角度，链 刀与土壤作用，主轴回转，并带动其上的主动链轮转动，链条紧边上的刀片沿机架组合 向上运动并切削土壤，切削下来的土壤在刀片带动下绕过主动链轮卸载，卸载后的刀片 沿机架上侧往下运动，绕过从动链轮后继续切削土壤，如此连续不断的工作。在主动链 轮处落下来的土壤，经过侧面的螺旋排土器被分到沟的一侧，开沟机同时前行，形成沟 槽。 （2） 链传动的设计计算 - 21 - 链刀组合围绕在主动链轮、机架组合和从动链轮上，该链刀组合主要由链条刀片和 垫块等组成，考虑到整机的尺寸不能太大，工作部件的总长在12m内，两个链轮中心 距不得大于1m. 查阅的现有资料中开沟机的链速一般为115m/s,则主动链转速大约在100 500r/min之间，初步定出主动链轮转速为330转/分。 开沟宽度为350mm,则刀片切削宽度一般不会小于40mm,而单排链的宽度为30mm左 右，小于刀具刃宽，则在链条上布置刀具时会有重复切削的现象出现，且最后两把刀片 扩宽后的宽度达到了沟宽的300mm,单排链与之相比也不协调， 受力时链条也容易产生摆 动而不稳定，因此调整方案选用了双排链。将沟宽350mm增加10mm余量，设计刀片宽度 为44mm,则360mm/44mm=8.18,所以每组至少8把刀片，共三组。若每组占用8对链节，则8 3=24对，中心距超过了1m,若每组占用7对链节，则73=21对。 根据功率、转速及刀片安装等综合考虑选用c型钢制农机链：p=41.4,由东华链条厂 生产，为方便安装刀片，链条上等距分布有带孔的外链板，在竖直副板外加垫块即可扩 大刀片在宽度方向的切削范围，易于调整沟宽，垫块为中空的矩形块，外链板、垫块和 圆弧型刀片通过螺栓联接在一起，均匀的分布在封闭的链条上。 链轮可取双切齿，齿数为25，i=1:1,根据分度圆直径大小，选用覆板式结构，链条 和链轮关键参数的计算过程如下： 初定a=17p 1 2 2 342559 o p az l pz =+=+= 链长 * 59*41.4/10002.44 1000 p lp l = m 中心距 1 41.4 ()(59 12.5)963 22 p p alzmm= 链速 330*12.5*41.4 2.8/ 6000060000 nzp vm s= 链轮分度圆直径 1kl- 350 型链式开沟机的设计 - 22 - 1 41.4 331.2 180180 sinsin 25 p d z = mm 齿顶圆直径 180 (0.54cot)350 a dp z =+=mm 齿根圆直径 1 305.8 f ddd=mm 3.3.3 机架机架 机架组合位于主动链轮之后，与链箱和减速器链接起来，其材料选用钢板；100 1005的矩形管等组成焊接式结构。 3.4 主要工作部件的强度校核主要工作部件的强度校核 3.4.1 开沟驱动链的强度校核开沟驱动链的强度校核 (1) 链轮齿表 对齿形要求： 保证链节平稳进入和退出啮合； 减少啮合时冲击和接触应力； 链条节距因磨损而增长后，应仍能与链轮很好地啮合； 要便于加工。 (2) 链轮齿形及特点 端面齿形三圆弧一直线，弧aa、ab、cd 和一直线bc 表 3.5 链轮计算结果 名称 符号 计算公式 滚子定位圆弧半径 1 r 263905050250 1 d.=+=mm 滚子定位半径 2 ooo 471516055.z/= - 23 - 工作段圆弧中心 o2 的坐标 m 922.11)2/sin(d8 . 0 1 =mm t 493. 9)2/cos(d8 . 0 1 =mm 工作段圆弧半径 2 r 863.2405. 0d3025 . 1 1 =+=mm 工作段圆弧中心角 ooo 706145618.z/= 齿顶圆弧中心 o3 的坐标 w 343.24) z/180cos(d3 . 1 1 = o mm v 551. 4)z/180sin(d3 . 1 1 = o mm 节距多边形以上的 h 573. 8p27. 0=mm 齿形半角 2 ooo 235136417.z/= 齿顶圆直径 d ()0.54cot 180/350pz+= mm 齿顶圆弧半径 3 r () mm980.1305. 0 3025. 1cos8 . 0)2/cos(3 . 1d1 = + 工作段直线部分长bc ()=sin8 . 02/sin3 . 1d11.810mm 优点：接触应力小、冲击小、磨损少，不易跳齿与脱链。 轴面齿形：两侧呈圆弧状，以利链节的进入和退出啮合。 加工方法：标准刀具加工，一般为成型铣刀。 (3) 链轮的主要参数 表 3.6 链轮的参数 名称 符号 计算公式 结果(mm) 小链轮 大链轮 链轮齿数 z izz= 12 25 25 配用 链条 节距 p 从手册查询 41.4 滚子外 径 1 d 25.4 排距 t p 48.36 分度圆直径 d ()z/180sin/p o = 331.2 331.2 齿顶圆直径 d 取整 344.6 357.6 齿根圆直径 f d 1 dd 305.8 305.8 1kl- 350 型链式开沟机的设计 - 24 - (4) 链轮的结构型式 图 3-5 链轮结构 (5) 链轮的材料 要求：强度；耐磨；耐冲击（在冲击载荷时） ，选用 45 号钢。 原则： v 有冲击载荷时一般采用低碳钢和低碳合金钢渗碳淬火回火。 v 无剧烈冲击，中等速度较大的链轮，一般采用中碳钢和中碳合金钢淬 火、回火。 v 齿数较多（特大）z50 的链轮采用灰铸铁 v 中小功率传动采用普通或优质碳素钢 大小功率传动采用合金钢 v p6kw,高速链传动采用夹布胶木，噪音较小，传动平稳 v 小链轮的材料与热处理要求应高于大链轮因为小链轮的啮合次数 比大链轮多，所以磨损和冲击比大链轮严重。 - 25 - 3.4.2 传动轴的强度校核传动轴的强度校核 1 轴的强度计算 (1) 按扭转强度条件计算 强度条件： 2 . 0 1055 . 9 3 6 t t t d n p w t = mpa 设计公式： 3 0 3 6 1055 . 9 5 n p a n p d t = （mm） 轴上有键槽放大：35%一个键槽；710%二个键槽。取标准植 t 许用扭转剪应力（n/mm 2） ， t 考虑了弯矩的影响 a0轴的材料系数，与轴的材料和载荷情况有关。 (2) 按弯扭合成强度条件计算 条件：已知支点、距距，m 可求时 步骤： 作轴的空间受力简图（将分布看成集中力， ）轴的支承看成简支梁，支 点作用于轴承中点，将力分解为水平分力和垂直分力 求水平面支反力 rh1、rh2作水平内弯矩图 求垂直平面内支反力 rv1、rv2，作垂直平面内的弯矩图 作合成弯矩图 22 vh mmm+= 作扭矩图t 作当量弯矩图 22 )( tmmca+= 为将扭矩折算为等效弯矩的折算系数 弯矩引起的弯曲应力为对称循环的变应力，而扭矩所产生的扭转剪应力往 往为非对称循环变应力 与扭矩变化情况有关 1kl- 350 型链式开沟机的设计 - 26 - 1 1 1 = b b 扭矩对称循环变化 =6 . 0 0 1 b b 扭矩脉动循环变化 3 . 0 1 1 + b b 不变的扭矩 b 1 ， b 0 ， b 1+ 分别为对称循环、脉动循环及静应力状态下的许用弯 曲应力。 校核轴的强度mcamax 处；mca较大，轴径 d 较小处。 b cacaca ca d m d m w m 1 . 0 32 1 1 3 3 = 实心种 mpa w抗弯截面模量 mm 3 设计公式：3 1 1 . 0 b ca m d （mm） 如果计算所得 d 大于轴的结构设计 d结构，则应重新设计轴的结构， 对于心轴：t=0，mca=m： 转动心轴，许用应力用 b 1 ； 固定心轴，许用应力用 b 0 。 (3) 轴的安全系数校核计算 疲劳强度校核精确计算（比较重要的轴） 要考虑载荷性质、应力集中、尺寸因素和表面质量及强化等因素的影响。 根据结构设计选择 mca 较大，并有应力集中的几个截面，计算疲劳强度安全 系数 s ss ss sca + = 22 s许用安全系数 其中： )( 1 ma k s + = )( 1 ma k s + = 按const= 综合影响因素材料特性， 、 、 k 、 k 静强度校核校核轴对塑性变形的抵抗能力 - 27 - 考虑瞬间最大瞬时载荷的影响。 s ss ss sca s ss ss s + = 22 ss许用安全系数 ss=1.22 + = a f w m s a s s maxmax 根据上述轴的计算，参照轴的图，可得到轴的受力图 图3-6 轴 图3-7 轴的受力图 t m mv mh rh2 fb 2 提高轴的强度、刚度和减轻轴的重量的措施 轴的结构、 表面质量及轴上零件结构、 布置、 受力位置等都对轴的承载能力有影响， 及影响轴的尺寸。 1kl- 350 型链式开沟机的设计 - 28 - （1）合理布置轴上零件以减少轴的载荷 (2) 改进轴上零件的结构以减小轴的载荷 （3）改进轴的结构以减小应力集中的影响 （4）改进轴的表面质量以提高轴的疲劳强度 4 链式开沟机的链式开沟机的caa 链式开沟机的主要工作过程是刀片切削和提升土壤的过程， 是一个复杂的非线性动 态响应过程，既有土壤的变形破坏，也有刀片与土壤的接触和摩擦等问题，深入分析开 沟机刀片与土壤相互作用的过程对揭示土壤机器系统的作用机理、优化刀片相关参数 以及减小阻力、降低功耗有重要意义。功率是链式开沟机的重要性能指标，在工作过程 中功耗主要由刀片切削土壤产生，开沟机前进速度、链速、开沟装置与水平面之间的夹 角、刀片结构形式、刀片排列方式和土壤的机械特性等因素对刀片的切削功耗有重要影 响。传统的研究机具与土壤相互作用的试验方法，不仅耗费大量人力、财力和时间，且 易受客观条件的限制，使得试验结果的精度受到影响。本文试图通过计算机虚拟仿真的 方法，应用光滑质点流体动力学(spm 理论以及有限单元理论，结合 proe、ansys 等相 关软件，建立刀片与土壤相互作用的虚拟仿真模型，开展链式开沟机刀片切土过程的虚 拟试验研究， 快捷地研究刀片与土壤的相互作用过程， 揭示刀片 土壤的工作机理(homer d a，1993)。 4.1 刀片土壤虚拟仿真模型的基本组成 刀片土壤虚拟仿真模型的基本组成主要有：刀片土壤的三维模型、三维模型的有 限元预处理、切土过程仿真等，其组成框图如图 41 所示 - 29 - 图4.1 仿真模拟组成框图 42基于有限元法的刀片土壤虚拟仿真分析 基于有限元法的虚拟仿真分析是将土壤按照传统显式动力学的方法划分网格、 定义 约束、确定刀片和土壤接触模型后建立相应的仿真模型。切削过程的仿真分析的假设条 件有： (1)过程中整机前进速度和链条线速度恒定不变，即假定刀片绝对速度的 大小和方向都不变。 （2）的质地均匀，不含杂草石块峰实度及含水率一致。 （3）刀片运动过程中的振动，认为刀片始终是在一个平面内运动。 （4）切削过程中假设土壤固定 1；动整机前进速度与链速的合速度方向为 刀片的运动方向。 421刀片、土壤的三维参数化建模 有限元分析软件 ansys 提供众多与 cad 和 cae 软件的接口， 可以实现图像从 cad 软 件向 ansys 的传输，有时这种传输是双向的，既叮从其它 cad 或 cae 软件把图像传输到 ansys也可把图像从 ansys 传输到其它 cad 或 cae 软件。这些 cad 软件包括 proe、 ug、catia、ideas、mdt 等。有两种方式可以实现图像从实体造型软件向 ansys 的输入， 一种是以初始图形交换标准 figesl 输入另一种是购买和配置 ansys 的专用图形数据 转换接口(kushwaha r land shen j，1995)。 由于 ansys 软件本身的曲面建模能力较弱，本论文的有限元计算采用在 proe 软 件中建立圆弧刀片的模型， 以 iges 格式导入 ansys 软件中这一方式建立模型。 使用 iges 文件格式向 ansys 输入实体模型时，首先在 proe 软件中建立好刀片实体模型在建 模时应注意单位的选取和实体与坐标系的方位。 为下一步有限元分析的方便， 在 proe 中以刀片刀柄处为原点，手动创建新坐标系 cso，如图 5-2 所示，然后将模型存为初始 图形标准 iges 文件时选取手动创建的 cso 坐标