一种新型前置式开沟机的研究设计

题 目 一种新型前置式开沟机的研制 学院 专业学生姓名 学号 指导教师 职称 指导教师工作单位 起讫日期 摘 要 介绍了一种前置式开沟机的工作原理、主要技术参数、整机结构及生产应用情况，并分析了其特点。上世纪80年代,国内研制出比较有代表性的大型圆盘开沟机、小型圆盘开沟机、链条开沟机、螺旋开沟机及抛土开沟犁等机型,并批量生产。其中,生产使用较多的为前置式小型圆盘开沟机。但是这些开沟机存在功耗大、抛土不匀,在泥泞田地无法使用的问题,为此提出一种小型开沟机刀盘的新设计方案,并进行理论分析。 新型前置式开沟机，属于农业机械技术领域。该机包括用于安装连接在手扶拖拉机的前方机架上的机架臂及机架臂上安装的刀盘、皮带轮、齿轮箱，刀盘中心低于手扶拖拉机的前方机架的高度。安装连接在手扶拖拉机的前方机架上的机架臂是向下倾斜的或者中间呈弯曲状态，使开沟机距手扶拖拉机的距离缩短，降低了前方的重力距；还使刀盘距地高度降低，从而降低了开沟机作业时手扶拖拉机的倾斜角度。本实用新型结构新颖，合理、简单，生产制造容易，特别是降低了劳动强度，提高开沟的直线性和工作效率，有利于延长柴油机的使用寿命，有极大的推广实用价值和广阔的市场前景。关键词 开沟； 刀盘； 抛土； 分土板； 滑撬ABSTRACTIntroduce a front-trenching machine works.The main technical parameters.The whole structure and production applications .And analysis of its characteristics.1980s .Domestic development of more representative of the large disc trencher Small disc trencher Chain trencher Spiral trenching machine and throwing soil trenching plow .And mass production .Production and use more as a pre compact disks trencher However, these trencher power consumption. Throwing soil uneven .In the muddy fields can not be used .Put forth a small trencher cutter design and theoretical analysis New front-trenching machine Is the field of agricultural machinery technology .The machine used to install the rack arms and rack arm connected to the walking tractoron the front of the rack cutter installed Pulley Gear box The center of the cutter head is lower than the height of the walking tractor in front of therack .Installation connected to the walking tractor in front of the rack on the rack arm was bentdownward sloping or intermediate .To shorten the distance away from the walking tractor trencher Reducing the front of the gravity . Cutter reduced the height from the ground, thereby reducing the tilt angle of the walking tractor in the operation of the trencher .The new structure is novel Reasonable simple easy to manufacture. In particular reducing the labor intensity and improve the linearity and efficiency of theditching .Help extend the service life of diesel engines, there is a great promotion of practical value and broad market prospects .Key words：Ditch; Cutter; Throwing soil; Sub-soil plate; Skid 目 录第一章 引言1第二章 技术参数2第三章 主要结构及工作原理3第四章 与老式开沟机在性能上的对比44.1机架44.2刀盘总成44.2.1 对刀盘的设计要求44.2.2 刀盘直径D影响抛洒效果54.2.3 刀盘直径D影响整机的能量消耗54.2.4 刀盘直径D影响传动机构的形式和尺寸54.2.5 刀片的结构形状64.2.6 刀片的数目及其排列74.2.7刀片的安装角度及其功耗分析84.3分土板104.4限深机构104.5传动机构11第五章 开沟机维修保养与安全操作注意事项12结束语13致 谢14参考文献15附录:16 15第一章 引言开沟机是用于麦田开沟排水、抛土覆盖麦苗的农业机械，它在保苗夺丰中所起的作用是明显的。但有些开沟机在连续大雨后，小麦和油菜田急需排涝时，却因田地泥泞几乎不能下田作业，导致当年大面积减产。因此，农民急切需要一种功耗低、抗湿性能好、抛土均匀、抛土颗粒大小合理、所开沟形好、操纵轻巧灵活的开沟机。为此笔者研制出一种全新的与8.8kw手扶拖拉机相配套的1KS-30小型前置式开沟机。投产至今已产销万余台，其销量已超过其它开沟机的总和。新型前置式开沟机与原有机型相比，具有的优点：一是功耗低20%30%；二是抗湿性能显著提高，只要拖拉机能下田，该机就能正常作业；三是通用性好，大量采用通用件，特别对易损件刀片，亦采用了通用刀片；四是整机轻巧，操纵灵活方便，无需配重；五是抛土均匀，抛土距离适当，抛土颗粒均匀。 第二章 技术参数 配套动力：东风12型手扶拖拉机 外形尺寸/mm：16009501050 刀尖旋转直径/mm：720 刀盘转速/rpm：444 适用范围：土壤坚实度15kg/cm2以内 土壤含水率40% 沟宽/mm：上口 170-200 下口 120-140 沟深/mm：100-300 开沟速度/m/min：档 12.5 档 22.5 抛土幅宽/m：两侧各2.5以上 重量/kg：68第三章 主要结构及工作原理主要结构 1KS-30型小型前置式开沟机的结构如图1KS-30-00-00所示。 （1）机架。由机架、滑撬座、紧固板、三角拉、拉簧扣、加强块、分离轴、插座、机架臂焊合而成。在机架臂上开有四个安装、调整齿轮箱位置的“U”形孔；在机架座上钻3个M12的螺孔。 （2）传动部分。由齿轮箱总成、四槽小带轮、单槽大带轮、摩擦离合器、B1880三角带3根、B1854三角带一根及离合器操纵机构。 （3）分土板部装。由骨架焊合、分土板组合、上托架及支撑架等组成。（4）刀盘总成。由刀盘焊合、底刀与削壁刀构成。（5）限深机构。由滑撬焊合、滑柱、指引针等构成。工作原理 该机通过机架座上3个M12螺孔用以跟东风-12型手拖机架连接。由手扶拖拉机动力输出轴输出动力，挂上离合器后，经皮带传动到齿轮箱总成变速后，带动刀盘旋转刀片切削土壤，土壤经刀盘抛出，由分土板分向两侧，开沟深度由限深机构控制。这样完成了开沟及抛土覆盖的作业。第四章 与老式开沟机在性能上的对比4.1机架 老式小型前置式圆盘开沟机，其机架为方框式结构，刀盘位于方框之间，刀盘轴的两端分别由轴承支承在机架上。当开沟作业，土壤经刀盘抛出时，部分土壤被机架挡住，影响了抛土距离，同时部分泥土落于沟底，影响了农艺要求。而本机型机架由一根单悬臂构成，刀盘轴亦为单悬臂，这样在机架右侧无阻挡物，大大提高了抛土性能4.2刀盘总成4.2.1 对刀盘的设计要求 刀盘设计亦要满足农艺要求（即所开沟型，深200300mm、宽50200mm，沟底光滑无积泥，两侧抛土距离2.5m左右），其难度较大。这是因为：首先由于地区不同其土壤土质、土壤含水率也不同。苏南地区土壤含水率远大于苏北地区，常州、无锡农田含水率可高达60%。其次由于天气状态不稳定，开沟季节田中有时干有时潮。这些因素的交叉组合使得土壤状况、硬度、湿度较为复杂。再者，土壤的植被有的多有的少，如在绿肥田和前茬残留秸秆较多，容易使刀片缠草。要想使开沟机作业达到一定的要求，有较大难度。而且开沟季节一般较短，为适应农时需要，需在一定时间内将沟开完。农民为了达到最大利益，要求开沟机成本低。基于以上因素，要求开沟机的刀盘结构有所变动，此刀盘本体为框架结构如图1所示，刀片为通用刀片，开沟宽度可调，工作原理为削土与刮土相结合。4.2.2 刀盘直径D影响抛洒效果 刀盘直径D是旋转开沟机的一个重要设计参数，它对开沟机的工作性能有着多方面的影响，目前尚没有反应这些影响的计算公式，只能根据实验给出定性分析。 开沟机同时完成削刮和抛洒土壤的两道工序。选择刀盘直径D的首要条件是能获得最佳的抛洒效果。4.2.3 刀盘直径D影响整机的能量消耗首先，D影响锐削弧长；其次，D影响土壤切片的形状；再则，D影响开沟机的扭转不均匀系数。4.2.4 刀盘直径D影响传动机构的形式和尺寸从减重便于操纵开沟机而言，D应小些，但必须满足D/2H( H为沟深，农艺要求沟深为300mm )，否则易向后抛土，造成安全隐患。 综合以上情况取D=660mm，即当沟深最大=300mm时，刀盘回转中的高出地表水平面=30mm；当沟深最小=200mm时，刀盘回转中的高出地表水平面 =130mm，如下图2所示。图2 刀盘回转示意图 老式前置式小型圆盘开沟机中，刀盘为8mm钢板切割成圆形，其结构笨重，使得开沟机操纵不便，刀盘转动惯量大，对离合器的冲击较大。为克服这一弊端，本机型刀盘为框架结构，可以是圆形或多边形，可以用管材、型材或钢焊结成框架，也可以用板材冲压或浇注成型。 在实施本方案的过程中，我们开始用20mm的无缝钢管折弯圆形，中间加辐条焊合。经校核其截面模量于老式机型几乎一致，其抗扭强度满足要求。在实际开沟中，当操作机工误捏手柄转向时，开出一条20mm长的蛇形沟，然后检查，刀盘完好无损。因此，使用空心钢管既可使刀盘减重，又能满足强度要求，但是当开沟机使用较长一段时间后，发现空心钢管的管壁跟泥土摩擦，使得管壁某处磨损严重，甚至穿洞后又锈蚀严重，导致强度削弱。故最后本方案选用20mm实心圆折弯。但与老式开沟机刀盘相比，是加工制造要求较高，不但焊接要牢固可靠，无假焊、虚焊，还要满足较多的形位公差要求。4.2.5 刀片的结构形状开沟机的刀片是开沟机的主要工作部件，刀片的结构形状和参数对开沟机的工作质量，功率消耗有很大的影响。老式小型前置式开沟机，其刀片为专用刀片，刀片为易损件，其成本高，需要经常更换，所以要求农机的生产、运输、保管、销售各环节都要保证开沟机刀片的供应，使这种刀片属于量小利薄的产品，供应上难以保证，考虑到我国多数小型农机厂的热处理加工水平，性能和质量往往不能满足要求。这给开沟机的推广使用造成困难，另外还会影响已经购买开沟机农户的正常使用，在后置式开沟机上，曾有过利用通用型旋耕机刀片代替专用开沟机刀片的方案，但该方案遇到两个技术难点：一是该方案采用通用型旋耕机刀片的同时，还需要另设专用的削壁刀，这样，仍然没有解决专用刀片带来的问题。第二，一般通用型刀片的长度都不太严格，用于开沟会造成沟底不平整。所以简单的刀片替换无法解决问题。为了克服现有技术的这一不足，本机型在保证开沟机原有性能的同时应消除安装专用刀片所造成的不便，而改用通用型刀片完成开沟任务。本方案虽然采用的是同一种通用型刀片，但在刀盘上安装时，各刀片安装的位置与角度不同，分别作为削底刀和削壁刀。将通用型刀片安装在刀盘两侧，可作为削壁刀。其中的优化设计是：将削壁刀分为上削壁刀和下削壁刀，其位置交替安装，这样可使用较短的通用刀片，完成深田沟的削壁任务。另外刀盘上的装配孔做成“U”形，用以提高沟底平整度和调节开沟的宽度。这样既满足了使用要求，同时又使得互换性大大加强。4.2.6 刀片的数目及其排列刀片的数目及其排列与其切削土层的厚度和阻扭矩是否均匀，轴向力是否尽量小，同一区域内工作的两把刀片切土量是否相等有关。对前置式开沟机，刀片数目的选择少些好，但刀片数目过少则需增加刀盘的转速n（ 即刀片刀尖的速度 ）。股刀片数目的选取首先要确定合理的刀片刀尖的速度，这关系到开沟机抛土的距离L，L与成正比。L由农艺要求确定，农艺上要求畦宽3m（ 两沟间距 ），则抛土距离L=2.5m左右为宜。其次，刀片数目的多少与切削土层的厚度S有关。而切削厚度的确定取决于农艺对土块粗细度的要求。过细增加功耗，而且使得农作物不透气；过粗则覆盖性差。当然对不同的土质，其切削厚度也不同，一般取20mm左右较适合。农艺要求沟底宽B为50200mm（ 一般取120150mm ），而所选用的通用刀片175条耕机刀片刀尖宽40mm，225旋耕机刀片刀尖宽45mm，故刀片需分左、中、右3路切削，并成对布置，共6把刀。为了消除弯刀片折弯处的半径R在沟底所形成凸台，需加2把底刀，这样保证了沟底的平整，为了保证沟壁的光滑，需在左右各加一把削壁刀，故在刀盘上总共布置了10把刀。为了满足切削厚度，刀盘转速需与行进速度匹配。已知机组前进速度I挡=15m/s，II挡=20m/s；刀片分3路切削，每路2把刀，切土厚度S=20mm。I挡时，刀盘转速=/2S=375r/min；II挡时，刀盘转速=/2S=500r/min，则平均值为 =+/2=438r/min刀盘线速度为V=15m/s其中，D为刀盘直径，D=660mm由于抛土距离L的获得是土粒经分土板折射后所抛射的距离，这里不深入探讨。但当刀盘线速度达到15m/s时，抛土距离L=2.5m左右能够满足。4.2.7刀片的安装角度及其功耗分析刀片阻力的形成在切削过程中刀片受3个力 =+ 式中：为土壤对刀刃的切割阻力；为壤底面对下刀刃的摩擦力；为切削下的土壤对刀片上刃面的摩擦力。其中：取决于刃口厚度。新刀大；当自砺后，刃口锋利，则随之减小，而且还与土壤坚实度K有关，随土壤坚实度的上升而加大。为了保证刀片的强度及耐磨性，刀片有一定的厚度，并且在长时间切削下，下刃面和运动轨迹吻合。在开沟过程中，刀片分层切削，刀片在不同位置，切削土壤的厚度是不同的。沟底最薄约10mm，愈往上愈厚，最厚处20mm。开沟机刀片切下这些土块后，从上方抛出，其对上刃面的摩擦力可不计。则 =+设为刀片下刃面与运动轨迹切线的夹角。很显然，当减小时刃口厚度会变得很小，这样就会急剧减小，此时刀片为削土。是否能通过减小角来达到减小阻力从而减小功耗呢？以下做以论证。在切削过程中，机组以I挡或II挡速度匀速前进，同时刀盘上的刀片以速度n匀速转动。刀片在长时间摩擦下形成下刃面S，土壤对其产生正压力N。取刀片及土壤的摩擦系数=1，土壤的坚实度K以距地表100mm深度时的沙土水稻田为标准，取K=10kg/。假设=，刀厚=5mm，则S=0.52=10mm。若沟底宽H=150cm，则 =KS=150kg刀片刃口宽度为10mm，经自砺后一般刃口厚度为0.5mm，则刃口面积=0.05，故 =K=0.5kg可以看出，/=300。即是的300倍。由此可知，影响F的主要因素为，而不是,故不能通过减小的方法来减小阻力减小功耗。从图3可知，当S在不变时，其宽度b随的上升而加大。 图3 切削过程示意图当=0时，=b；当=时，=。故当减小到时，急剧增加到最大。故不能一味通过减小来减小阻力减小功耗。同样，如果增加到最大，即=时，沟面土壤对刀片的挤压阻力上升为主导地位，此时有 =300kg此甚至为前述的2倍，故也不能一味的通过增大来减小阻力减小功耗。同时，在整个切削过程中，其F是不断地变化的，如图4所示。 图4 F变化示意图若刀片减薄，则整机功耗急剧下降，同时后刃面的面积减小，则可通过减小角来减小切削阻力。实验得知：当刀厚从4mm减小到2mm时，整个功耗下降将近一倍。如果从材质及热处理上能保证刀厚=2mm刀片的强度及耐磨性的话，那么必然能够大大提高机组前进速度V。按全省每年266.67万/农田需开沟，每公顷开沟3000m计，其节约的油耗是巨大的，定能获得更大的社会效益和经济效益。4.3分土板老式小型前置式圆盘开沟机分土板与机架之间有2根支撑杆，当开沟作业时土壤经刀盘抛出时，部分被此支撑杆挡住，影响抛土距离，同时部分泥土落于沟底，影响了农艺要求，而本机型取消此支撑杆，在分土板上方和东风-12型手扶拖拉机之间加装2根拉杆。另外分土板在形状设计上和老机型有所不同，如图5所示。老式的分土板在前段部位设计成直角，这样容易积累土块，土壤碎块不易抛出，积累在分土板上，增加了重量，不利于开沟。而且在增加重量的同时，也大大增加了功耗。新型分土板在设计时前段部位设计成尖角，利于土壤的抛洒，有利于开沟，而且功耗也大大减少。在湿烂田作业时，本机型分土板粘泥比老机型要少得多。 图54.4限深机构老式小型前置式圆盘开沟机的限深机构为一置于开沟机前方面滚筒，在湿烂田作业时，滚筒粘泥，其形状类似凸轮、开沟作业时造成沟底起伏不平、影响农艺要求。而本方案限深机构为滑撬，松开夹套上的紧定螺钉，限深器就可以上、下升降而调节开沟的深度，也可以作水平扭转，以纠正行走轮轮压不均等因素引起的跑偏问题，另外在滑撬上还装有指引针，保证开沟的直线性。4.5传动机构老式小型前置式圆盘开沟机传动机构中齿轮箱体积较大，而本机型中，由于将刀盘线速度增加到15m/s，故减小了齿轮箱体积，并且在齿轮箱中，大齿轮为与东风-12型手扶拖拉机相配套的减速齿轮，如图6所示。其通用性，互换性较好。另外传动到齿轮箱输入轴上离合器皮带轮上的一组皮带护罩，在设计上采用于凸圆弧形，而不是老式小型前置式开沟机的矩形，这样就减小了在护罩上的积土。再者，在摩擦离合器靠机架一侧，安装了可调式插入档板，这样有效地防止泥土进入摩擦离合器，避免了离合器的分离不清。经过以上改进，本机型与老式小型前置式圆盘开沟机相比，具有以下优点：一是功耗低20%-30%；二是抗湿性能显著提高，只要拖拉机能下田，该机就能正常作业；三是通用性好、大量采用通用件，特别是对易损件刀片，亦采用了通用刀片；四是整机轻巧，其重量由原来的98kg降低到65kg，并且其外形尺寸亦缩短，使得重心后移，这样操纵显得灵活方便，无需配重；另外本机型抛土均匀，抛土距离适当，抛土颗粒均匀。第五章 开沟机维修保养与安全操作注意事项 开沟机维修对提高农业机械的动力性、经济性有显著的效果，在实践中利用技巧维修保养开沟机，则能快速达到目的。以下是农机维修保养的窍门： 一、巧除铁质滤芯上的污物。空气滤清器的铁质滤芯也不易清洗干净，可将滤芯浸上柴油然后点火燃烧，等火熄灭后用木棍轻轻敲击滤芯，烟灰便会脱落，这样就可清除滤芯上的污物。 二、巧除机油细滤器内的污物。开沟机机油细滤器内壁的污物不容易清除干净，可以先在转子内壁用黄油贴上一层纸，工作时污物沾在纸上，保养时只要将纸揭下，就可清除污物。 三、巧弯油管。紫铜油管材质比较硬，不容易弯曲安装。可将需要弯曲的部位用炭火烧红，然后立即放入水中冷却，油管就会变得柔软易弯了。 四、巧拆气门销夹。拆卸气门时不注意，气门销夹会弹出丢失或者击伤面部。可用一合适的套筒套在气门弹簧座上，然后用手锤轻轻敲击套筒，气门销夹就可跳入套筒内不致飞出。 五、巧治轮胎慢漏气。取两汤勺滑石粉，拔下气门芯，用硬纸做个小漏斗插入气门，然后将滑石粉倒入内胎，不容易灌进去时，可先取下漏斗转一下车轮后再灌，然后装好气门芯再充足气。 六、巧修高压油管头。高压油管两端的凸头与喷油器、出油阀连接，靠接触面的加工精度和管接螺母的紧固力保持密封，一旦接触面磨损漏油，可从废汽缸垫上剪下一圆形铜皮，在中间扎一小孔，垫在凸头与凹坑之间就可以了。 七、巧除锉刀槽内金属屑。简单的方法是在锉刀表面均匀地涂上一层粉笔灰，就可轻易地清除切屑。 目前，机械化种植即开沟机推广发展很块。但由于机手缺乏开沟机的安全操作技术知识，机械事故和人身伤害事故常有发生。为确保安全，机手在操作使用中应注意以下事项： 一、是机手应自觉地参加当地农机部门举办的油菜开沟机技术培训班。认真学习开沟机的构造、工作原理、维护保养、故障排除及安全操作使用知识，熟练掌握开沟机的安全操作技术要领。 二、是在下田作业前，机手要对手扶拖拉机和开沟机进行全面的检查和维护保养。使之保持良好的技术状态，投入油菜种植开沟作业中。 三、是起动发动机前，要把开沟机的离合手柄放在分离位置上，再开进田里，将离合手柄放在结合的位置上，进行开沟深浅的调整。 四、是在作业到田头地角转弯时，应提前减速，并把开沟机离合手柄放在分离的位置上，再捏拖拉机转向手柄，进行转弯。要做到 一看、二慢、三 转弯。 五、是机具转移时，要切断开沟机的旋转动力。即把开沟机离合手柄放在分离位置上。同时要降低行走速度，转移中如遇到田埂高，要挖低填平后，再低速通过。 六、是在作业中，为防止开沟机工作时泥土飞溅、伤害机手眼睛，机手最好戴上防护眼镜。 七、是在检查调整和维护保养拖拉机以及开沟机时，一定要在发动机熄火停机的情况下进行，以避免事故发生。 结束语该机自96年通过省级科技成果鉴定以来，每年销售产量稳步上升，投产至今已产销一万余台，其销量已超过其它开沟机产销量的总和。它在保苗夺丰中所起的作用是明显的，特别在无锡、常州、镇江等农田含水率高的地区，更受农民朋友青睐。因此，实践证明该机型的推广，满足预期的设计技术要求。致 谢本论文是在导师庞伟老师的悉心指导下完成的。庞老师渊博的知识，严谨的治学态度，一丝不苟的工作作风将使学生受益终生。本人能够顺利完成本课题预定的各项任务与庞老师的悉心指导是分不开的，在此，谨向庞老师致以最真挚的感谢。行文至此，我的这篇论文已接近尾声；岁月如梭，我四年的大学时光也即将敲响结束的钟声。离别在即，站在人生的又一个转折点上，心中难免思绪万千，一种感恩之情油然而生。生我者父母。感谢生我养我，含辛茹苦的父母。是你们，为我的学习创造了条件；是你们，一如既往的站在我的身后默默的支持着我。没有你们就不会有我的今天。谢谢你们，我的父亲母亲！在这四年