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CAD图和说明书全套资料 山地茶园松土、施肥一体机设计[三维SW][CAD图和说明书全套资料]

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2 0 1 1年 4月农 业 机 械 学 报第 42卷 第 4期 9S T - 460型草地振动式间隔松土机改进设计与试验 董向前 1 宋建农 1 王继承 1 李永磊 1 刘洪来 2 ( 1. 中国农业大学工学院, 北京 100083;2. 中国农业大学动物科学技术学院, 北京 100193) 【 摘要】 针对原 9S T -460型草地振动式间隔松土机在草原试验中出现的问题 , 对机具的传动系统、激振部件 以及松土部件进行改进设计, 并进行了草原试验。 试验结果表明, 改进的机具运行平稳可靠、草地作业效果好, 能 够满足退化草场改良的需要。作业后草地的土壤容积密度降低、含水率增加, 作业后的草地 3年内平均每公顷年 增收 155元。 关键词:松土机 草场改良 优化 试验 中图分类号:S 222. 12+9文献标识码:A文章编号:1000- 1298( 2011) 04-0062-04 I mp r o v e dD e s i g na n dE x p e r i me n t o f 9S T - 460 V i b r a t i o n S p a c i n gS c a r i f i e r f o r G r a s s l a n d D o n gX i a n g q ia n 1 S o n g J i a n n o n g1 Wa n gJ i c h e n g 1 L i Y o n g l e i 1 L i uH o n g l a i 2 ( 1. C o l l e g eo f E n g i n e e r i n g , C h i n aA g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y , B e i j i n g100083, C h i n a 2. C o l l e g eo f A n i ma l S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y , C h i n aA g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y , B e i ji n g100193, C h i n a ) A b s t r a c t A i m e dtot h e p r o b l e m s r e v e a l e di nl a te s t g r a s s l a n dt e s t s o f th e 9S T - 460 v i b r a t io ns p a c i n gs c a r i f i e r , o p t i m i z a t i o n s w e r e c a r r i e do u t o n t h e t r a n s m i s s i o nm o d e o f t h e p a r t s , v i b r a t i n g a n dl o o s e n i n g c o m p o n e n t s . T h er e s u lt so fc o m p a r i n gte s tin d ic a te dt h a tt h ei m p r o v e dd e v i c er a ns te a d i lya n ds h o w e dg o o d p e r f o r m a n c e . T h e b u l k d e n s i t y o f s o i l d e c r e a s e db u t w a t e r c o n te n t i n c r e a s e da f t e r s c a r i f y i n g .T h ey e a r l y a v e r a g ee c o n o m icb e n e f i t i n c r e a s e db y 155R M B /h m 2 inn e x t 3 y e a r s a f t e r s c a r if y i n g , w h i c h w e l l f u l f i l le d t h er e q u i r e m e n ts o f g r a s s la n di m p r o v e m e n t p r o c e d u r e . K e yw o r d s S c a r if i e r , G r a s s la n di m p r o v e m e n t , O p t i m i z a ti o n , E x p e r i m e n t 收稿日期:2010- 06- 11 修回日期:2010- 09- 25 “十一五”国家科技支撑计划资助项目( 2006B A D 28B 0802) 作者简介: 董向前,博士生, 主要从事农业机械设计及理论研究, E - m a i l : d x q 0558126. c o m 通讯作者: 宋建农,教授, 博士生导师, 主要从事农业装备工程研究, E - m a i l : s o n g j n c a u . e d u . c n 引言 针对我国草场生态比较脆弱, 草场土壤坚实度 非常大的特点 ,研究开发的 9S T - 460型草地振动式 间隔松土机 ,实现了对高坚实度草原土壤的疏松作 业 ,达到草原改良和草场生态恢复的目的 。但该机 存在传动系统设计和机具选用的激振部件配置不合 理导致机具运行不稳, 需要经常对传动部件进行更 换 ,不能提供稳定的激振动力, 导致机具作业效果不 好 ,土壤翻垡现象严重等问题, 为了更好满足草场虚 实作业的要求,提升现有机具的作业性能 ,需要对机 具的结构进行改进设计。 1 整机结构与特点 图 1为草地振动间隔松土机结构简图。机具采 用三点悬挂装置与拖拉机挂接, 由前导圆盘切根装 置、松土部件、摆动安装架和曲柄连杆激振机构等组 成工作单体 , 横向配置 4组工作部件, 每组间隔 600 m m ,单组松土部件工作幅宽 280 m m 。 机具的主要技术特点: 由前导圆盘切根装置切 断牧草横向生长的根系 ,形成条状土垡 ; 土垡在振动 松土铲作用下 ,完成土壤强制疏松 ,而后铺放于原来 位置 ; 为防止土垡过于疏松和跑墒 ,在土垡铺放后由 镇压装置进行压实 11 。 图 1 9S T -460型草地振动式间隔松土机结构简图 F i g . 1 S t r u c t u r ed i a g r a mo f9S T - 460 v i b r a t i o n s p a c i n gs c a r i f i e r f o r g r a s s l a n d 1. 变速箱 2. 悬挂架 3. 限深轮 4. 前导圆盘切根装置 5. 松土部件 6. 镇压轮 7. 镇压轮调节机构 8. 曲柄连杆激振 机构 9. 摆动安装架 2 关键部件改进设计 2. 1 传动系统 图 2为动力传输示意图 ,动力按箭头方向传递 。 图 2a 为原机动力传输示意图 ,该套动力传递方式中 采用万向节 、 锥齿轮和链轮传动。拖拉机输出动力 经万向节传输至变速箱,经变速箱锥齿轮变速变向 , 分配至两侧传动主轴 , 传动主轴 至曲柄连杆激振 机构之间采用链传动。这种设计能够实现精确和 较远距离的动力传输, 但是由于链传动只能用于平 行轴间的传动,相距较远两轴难以保证平行,经常会 出现因两轴安装不平行导致链条在运行中出现断裂 的现象 。而且工作部件为 4组, 需要用 2组链传动 , 不能保证 2条链的松紧度一致 ,运行中会出现一条 链平稳运转 ,另一条链出现跳齿和脱链的现象 ,使机 具不能平稳正常的作业。 图 2 动力传输示意图 F i g . 2 S t r u c t u r eo f p o w e r t r a n s mi s s i o n ( a )原机动力传输图 ( b )改进后的动力传输图 图 2b 为改进后的动力传输图, 拖拉机输出动力 经由万向节与变速箱输入轴相连, 动力经变速箱锥 齿轮变速变向,横向采用齿形联轴器 A 传递给两侧 的第 、组工作部件; 由于第和组工作部件相 距较远, 采用一个中间轴加两个小万向节 B 传动连 接。 该套动力传输方式中, 齿形联轴器的承载能力 大, 补偿两轴相对位移性能好 ,且工作可靠, 适宜用 作变速箱至传动主轴之间的传动 。中间传动方式为 一根轴加上 2个万向节, 万向节在传递过程中允许 两轴间有一点的偏差 ,这样对 4组激振部件在安装 过程中的定位要求不需很精确,实现简单、 可靠的传 动。 2. 2 激振装置 机具采用二维振动松土原理对土壤进行疏松, 振动系统采用强迫振动形式, 振动机构为曲柄连杆 机构 2 。 图 3 曲柄连杆激 振机构示意图 F i g . 3 C r a n kl i n kv i b r a t i o n me c h a n i s m 1. 轴承座 2. 偏心曲轴 3. 连 杆 图 3为原机曲柄连杆 激振 机 构 的 结 构 示 意 图 1 。机构采用偏心曲轴 与连杆配合作用 , 两组工 作部件通过联轴器相连 , 两根曲轴安装相位 相差 180 , 连杆分别驱动两个 摆动安装架并带动松土部 件进行振动。 机构通过轴承座固定 于机架 , 曲轴的一端与连 杆相连 , 另一端由联轴器 与另一组部件相连 , 两组 激振部件中安装有链轮 , 动力通过链轮传递过来 ,带动曲轴转动 ,进而带动连 杆作摆动 。运动过程中, 轴承座端由于不断受到径 向冲击力 ,长时间工作会发生疲劳断裂 ,偏心曲轴与 连杆直接相连会导致连杆孔径拉长变形 。 图 4为改进后偏心轴连杆式振动装置示意 图 3 。此装置由偏心轴和连杆组成 , 曲轴与连杆之 间安装有轴承 ,曲轴的两端各有一个轴承座 ,两个轴 承座面对面安装, 平均分担曲轴和连杆在运动过程 中所产生的冲击力。曲轴和连杆之间装有轴承, 依 靠轴承带动连杆运动 ,消除了曲轴与连杆之间的磨 损。 由于不同激振组件之间的动力传递增加了中间 轴和万向节,这样可以缩短曲轴的长度 ,而且由于万 向节传递中允许一定的角度偏差 , 可以提高整体激 振部件的可靠性和稳定性。 2. 3 松土部件 原机松土铲 ( 图 5) 采用前端折弯的平面式铲 形, 材料为 65M n 钢 , 前端弯折利于铲的入土 , 但由 63第 4期 董向前 等:9S T - 460型草地振动式间隔松土机改进设计与试验 图 4 偏心轴连杆式振动装置示意图 F i g . 4 D i a g r a mo f e c c e n t r i cs h a f t l i n kv i b r a t i o nd e v i c e 1. 轴承端盖 2. 轴承座 3. 连杆 4. 连杆定位圈 5. 轴承挡 圈 6. 偏心轴 图 5松土铲 F i g . 5 B r e a ks h o v e l 于 65M n 钢的冷变形塑性 低 、 回火脆性好, 不易弯折 加工 , 在作业中松土铲在 弯折部分会发生断裂 , 因 此改进设计使用组合式松 土部件 。图 6为改进设计 松土部件示意图 ,由铲架、 图 6 松土部件示意图 F i g . 6 S t r u c t u r eo f s c a r i f i c a t i o np a r t s 1. 铲架 2. 松土铲 3. 沉头螺 钉 4. 铲尖 松土铲和铲尖组成。因松 土部件在坚硬的土壤中工 作 , 铲尖除了应具有较强 的松碎土壤的能力, 还要 有足够的强度 、刚度和耐 磨性能, 故铲尖设计为尖 头凿形铲, 它利用楔子原 理碎土, 工作中土体受铲 面的挤压, 当挤压力大于 土体的剪切强度时, 土体 被剪切破坏 4 。 铲架设计成倒梯形框 架式结构,铲架两边侧板分别向内折弯 5 , 使铲架 前端较后端略窄 ,上端较下端略宽,从而减少土垡条 通过铲架时与铲架侧板的接触面积, 提高土垡条在 松土铲上的通过性 。草原试验发现, 土垡条在通过 松土铲时,由于振动产生向上窜垡,土垡条容易堵塞 松土铲架,采用倒梯形框架式结构有效地解决了这 一问题 。 2. 4 改进后整机 图 7为改进后机具结构图 , 由机架 、限深轮、 前导圆盘切刀 、 松土铲工作架 、 松土部件、镇压轮、 偏心轴连杆式振动装置 、变速箱 、 动力输入轴等组 成 , 机具横向配置 4组工作部件, 通过三点悬挂装 置与拖拉机配套作业 , 表 1为机具的主要技术参 数 。 图 7 振动间隔松土机结构图 F i g . 7 S c h e m a t i cd i a g r a mo f v i b r a t i o ns p a c i n gs c a r i f i e r 1. 机架 2. 限深轮 3. 前导圆盘切根装置 4. 松土铲工作架 5. 松土部件 6. 镇压轮 7. 偏心轴连杆式振动装置 8. 变 速箱 9. 动力输入轴 表 1 振动间隔松土机主要技术参数 T a b . 1 T e c h n i c a l p a r a me t e r so f v i b r a t i o n s p a c i n gs c a r i f i e r 参数数值 外形尺寸( 长 宽 高) /m m m m m m1 898 2 5401 440 整机质量/k g1 800 工作幅宽/m m2 400 作业行数4 作业深度/m m150 200 工作频率/H z6 10 作业效率/h m 2h- 1 0. 6 1. 0 配套动力/k W48 3 草地试验 3. 1 试验区概况 试验点选择在河北沽源国家草地生态系统野外 科学观测研究站, 该点位于内蒙古典型草地东南舌 状延伸地带, 其自然景观为干草地 ,年均温 1, 年 平均降水量 430 m m ,主要集中于 7 9月, 约占全年 降水量的 80%,年均最高温度同时出现在雨季。该 试验区草地类型为 : 羊草 + 克氏针茅 + 杂类草,土壤 类型属于栗钙土 5 。 3. 2 草地试验 试验区南北长 2 000 m , 东西宽 500 m , 面积为 100 h m 2 ,松土作业时间在 2007年 5月份草地解冻 后草地植被返青前 。 试验前对草地土壤的物理特性进行测定, 作业 后进行围栏保护, 每隔一段时间对草地土壤的特性 进行测定 ,每年 9月份对草地的产量进行一次测定。 采用收获法对试验区和对照区草地生产力进行 测定 ,采用环刀取土法测定土壤容积密度和含水率。 3. 3 结果与分析 试验所用的动力为 T N 654型拖拉机, 功率为 47. 8 k W, 试验中机具作业稳定 , 传动系统 、激振部 件和松土均能正常工作 , 作业效果良好 。与原机相 64农 业 机 械 学 报 2 0 1 1年 比 ,作业后的断条率下降 1. 3%, 植被破坏率下降 0. 8%,生产率为 0. 85 h m 2 /h ,作业幅宽为 2. 4 m ,作 业平均深度为 185 m m , 松土比例为 43. 4%, 满足草 场耕作要求 。 草地经过间隔松土作业后, 土壤容积密度显著 下降, 0 20 c m容积密度下降 13. 71%, 20 40 c m 容积密度下降 14. 38%; 容积密度下降导致土壤的 孔隙度增加 ,土壤毛管持水能力增加 ,使土壤含水率 在各个不同时段与对照相比均有所提高 6 。从牧 草春季返青到秋季枯黄的整个生育期其土壤含水率 平均增加 2. 15%, 尤其在 5月中旬至 6月期间, 其 含水率变化更为显著 ,如图 8所示。 作业后的草地经过连续 3年的效果观察与分 析 ,经济效益概算如表 2所示 。草地经过作业后的 图 8 作业后土壤含水率的变化 F i g . 8 S o i l w a t e r c o n t e n t c h a n g ea f t e r s c a r i f y i n g 第 2年所得增产直接效益就可以收回作业所需费 用。若三年后综合计算 ,每改良 1 h m 2草地则可以获 益 466元, 年均获益 155元。参照内蒙古草地有关 报道 ,松土改良草地提高生产力可持续 8 10年 7 。 表 2 草地振动松土作业经济效益概算 T a b . 2 E c o n o mi cb e n e f i t se v a l u a t i o na f t e rs c a r i f y i n g 年份 费用 /元h m- 2 对照产草量 /k g h m- 2 试验产草量 /k gh m- 2 增产率 /% 净增干草量 /k g h m- 2 当年草价格 /元k g - 1 新增收益 /元h m- 2 累计新增收益 /元h m- 2 20073001 165. 71304. 811. 93139. 10 . 7097. 3-202. 7 200801 203. 81599. 532. 87395. 70 . 70277. 074. 3 20090787 . 81223. 055. 24435. 20 . 90391. 7466. 0 4 结论 ( 1) 改进设计后的传动系统、激振部件和松土 部件工作可靠、 性能稳定, 适宜于草地振动间隔松土 机的工作需要。 ( 2) 草地试验表明, 改进后机具的作业效果良 好, 作业后的断条率和植被破坏率均有所下降。 ( 3) 经过振动间隔松土作业后 , 草地土壤容积 密度降低 、 土壤含水率提高, 作业后的草地增收效果 明显 。 参考文献 1 武广伟, 宋建农, 李永磊, 等. 草地振动式间隔松土机设计与试验 J . 农业机械学报, 2010, 41( 2) : 42 46. WuG u a n g w e i , S o n gJ i a n n o n g , L iY o n g l e i , e ta l .D e s i g na n de x p e r i m e n to nv i b r a t i o ns p a c i n gs c a r i f i e rf o rme a d o w J . T r a n s a c t i o n so f t h eC h i n e s eS o c i e t yf o r A g r i c u l t u r a l Ma c h i n e r y , 2010, 41( 2) : 42 46.( i nC h i n e s e ) 2 殷涌光, 程悦荪, 李俊明. 振动式二维切削土壤减小阻力机理 J . 农业机械学报, 1992, 23( 2) : 11 16. Y i nY o n g g u a n g , C h e n gY u e s u n , L i J u n m i n g . T h er e a s o n s o f r e s i s t a n c er e d u c t i o nf o r v i b r a t o r yc u t t i n gs o i l i nt w o d i r e c t i o n s J . T r a n s a c t i o n so f t h eC h i n e s eS o c i e t yf o r A g r i c u l t u r a l Ma c h i n e r y , 1992, 23( 2) : 11 16.( i nC h i n e s e ) 3 宋建农, 董向前, 王继承, 等. 偏心轴连杆式振动装置: 中国, Z L 200920110110. 8 P . 2010- 05- 12. 4 李艳龙, 刘宝, 崔涛, 等. 1S Z - 460型杠杆式深松机设计与试验 J . 农业机械学报, 2009, 40( 增刊) : 37 40. L i Y a n l o n g , L i uB a o , C u i T a o , e ta l . D e s i g na n df i e l de x p e r i m e n to n1S Z -460 l e v e r - t y p es u b s o i l e r J . T r a n s a c t i o n so ft h e C h i n e s eS o c i e t yf o r A g r i c u l t u r a l Ma c h i n e r y , 2009, 40( S u p p . ) : 37 40.( i nC h i n e s e ) 5 刘洪来, 张卫华, 王堃. 开垦对农牧交错带地带性和非地带性草地土壤性质的影响 J . 农业工程学报, 2009, 25( 10) : 272 277. L i uH o n g l a i , Z h a n gWe i h u a , Wa n gK u n . E f f e c to fr e c l a m a t i o no ns o i lp r o p e r t i e so fz o n a la n di n t r a z o n a lg r a s s l a n d si na g r o - p a s t o r a l e c o t o n e J . T r a n s a c t i o n s o f t h eC S A E , 2009, 25( 10) : 272 277.( i nC h i n e s e ) 6 冯雨峰, 刘洪来, 吕进英, 等.原地放垡振动间隔松土对羊草草地质量的影响 J . 农业机械学报, 2010, 41( 8) : 43 46. F e n gY u f e n g , L i uH o n g l a i , L J i n y i n g , e t a l . E f f e c t o f s i t u - v i b r a t i o ns p a c i n gs c a r i f y i n gt e c h n i q u et ol e y mu sc h i n e n s i sg r a s s l a n d J . T r a n s a c t i o n s o f t h eC h i n e s eS o c i e t yf o r A g r i c u l t u r a l Ma c h i n e r y , 2010, 41( 8) : 43 46.( i nC h i n e s e ) 7 刘树强, 史有财, 李茂林. 羊草草地松土复壮效果研究 J . 草业科学, 1989( 6) : 50 53. L i uS h u q i a n g , S h i Y o u c a i , L i Ma o l i n .As t u d yo nr e j u v e n a t i o no f L e y u ms C h i n e n s i s r a n g e l a n db ys o i l l o o s i n g J . P r a t a c u l t u r a l S c i e n c e , 1989( 6) : 50 53.( i nC h i n e s e ) 65第 4期 董向前 等:9S T - 460型草地振动式间隔松土机改进设计与试验 毕业设计任务书福建农林大学毕业设计任务书 金山 学院 填写时间： 2017 年 3 月 23 日课题名称山地茶园松土、施肥一体机设计学生姓名孙帅专业、学号机械146713139毕业设计基本要求、主要设计内容及需要解决的关键问题基本要求：各零部件的设计、制造及组装设计图纸一套设计说明书一份加工样机 可实现在山区茶园自由、灵活移动，高效、快捷作业，且最主要的是能够实现稳定、可靠的松土施肥作业，能在复杂的山区地形的茶园中为茶农带来最便利高效的机械化作业。主要内容：课题研究能适用于多类型、复杂地形茶园的微耕机行走部件的设计1，对松土机构进行分析设计2，对施肥设计机构进行分析计算3，绘制完整的松土、施肥一体机的机架示意图，并对比方案找出合适的机架结构拟解决关键问题：结构方面重点解决不同地形对茶园微耕机行走部件结构的不同要求。材料方面关于材料的选取又得从两个角度去考虑，材料强度； 经济。安全方面这一方面在上面的结构方面及材料方面都有设计，但在实际作业时，安全问题是必须有保证的。计划进度安排2018年2月29日-2018年3月25日接受任务，收集相关资料，撰写并提交开题报告；2018年3月26日-2018年3月31日拟定总体设计方案，方案的分析；2018年3月1日-2018年4月7日方案设计的主要计算；2018年4月10日-2018年4月25日零件的设计以及分析，毕业设计中期检查；2018年4月26日-2018年5月9日完善设计，撰写论文以及查重复率；2018年5月10日-2018年5月15日修改论文，翻译，毕业答辩；应收集的资料及主要参考文献 【1】9ST-460型草地振动式间隔松土机改进设计与试验 - 董向前 宋建农 王继承 李永磊 刘洪来 - 农业机械学报 - 2011, 42(4) 【2】天然草场改良用振动式间隔松土机作业机理 - 董向前 宋建农 王继承 李永磊 武广伟 - 农业工程学报 - 2010, 26(10) 【3】作业速度比对草地振动松土机作业性能的影响 - 董向前 宋建农 王继承 康小军 - 江苏大学学报（自然科学版） - 2014, 35(3) 【4】大豆苗间除草松土机的设计 - 魏兆凯 张修春 - 农机化研究 - 2009, 31(6) 【5】爪式松土机仿真分析与优化设计 - 丛宏斌 李汝莘 俞高红 李明利 杨启勇 薛丽 - 农业工程学报 - 2009, 25(1) 【6】松土机螺旋叶片钻头结构参数与松土质量关系的实验分析 - 李全罡 吴晓峰 曲振兴 李芝茹 张北航 佘光宇 孟凡烨 樊涛 - 林业机械与木工设备 - 2016, 44(5) 【7】温室电动松土机的研制 - 孟炜 李明利 李汝莘 - 山东农业大学学报（自然科学版） - 2009, 40(2) 【8】基于Ansys Workbench的树穴松土机扇形旋片仿真分析 - 吴晓峰 李芝茹 李全罡 樊涛 曹曦明 张北航 - 林业机械与木工设备 - 2015, (1) 【9】深松土壤扰动行为的离散元仿真与试验 - 黄玉祥 杭程光 苑梦婵 汪博涛 朱瑞祥 - 农业机械学报 - 2016, 47(7) 【10】复合式羊草切根机的设计研究 - 焦巍 布库 万其号 陈启渊 顾丽霞 - 农机化研究 - 2016, 38(6) 【11】粉垄增产提质保水及倍用“天地资源”绿色发展的可能性 - 韦本辉 - 农业科学与技术（英文版） - 2017, 18(9) 【12】Yang Shunzhou, mechanical manufacturing technology foundation, central south university press, 201：189-220.【13】Konosuke Tsuga. Development of fully automatic vegetable transplanterJ. Japan Agricultural Research Quarterly, 2000：167-190.指导教师（签名）：_职称：_ 系（教研室）主任（签名）：分管院长（签章）：31 山地茶园松土、施肥一体机设计山地茶园松土、施肥一体机设计 摘要摘要 我国是农业大国同时也是人口大国，对粮食的需求量巨大，虽然是人口大 国，但是大量的人口被束缚在土地上，没有充分的转化为人力资源。因此，我 国农业生产模式从人力向机械化发展，将农业向产业化发展是提高农业经济效 益的必然趋势。农业的机械化、产业化发展是根据现今的科学技术利用先进生 产工具来实现的。目前，我国平原地区农业机械已经实现了半机械化生产，大 大降低了农民朋友的劳动量，但是我国绝大部分土地是在复杂地形，必须丘陵， 山地等，想实现机械化生产还有很大的难度，尤其是田园农业机械化生产相对 落后。我国山地茶园的机械化作业水平还比较低，大多数作业仍依靠手工劳动， 强度大、效率低。近几年，国内引进开发了一些山地茶园耕耘机械，但存在体 积大、适应性差等问题。为此，研制了适宜于国内山地茶园作业的小型松土施 肥机。根据山地茶园内土壤比较松软、空间狭小等特点，方便的动力条件以及 农艺要求，确定小型松土施肥机的结构方案。整机主要由汽油发动机、传动系 统、松土机构、行走装置、操作机构等组成，汽油发动机提供动力，通过离合 器器与减速器连接；减速器将动力传递给工作部件，实现松土作业的目的：通 过人工控制料斗开关控制施肥装置，实现施肥的目的。本课题主要设计了一种 田园复杂地形所使用的松土施肥机，此机型主要有小型化，操作方便，等优点， 适合单人手扶操作，能够很大程度的降低果农劳动强度，提高工作效率。 本课题在确定了山地茶园松土施肥机的设计要求等因素后，主要借助于计 算机辅助设计，进行了参数化建模，主要来讲是利用了软件， 绘制了整机零部件的图样，完成了关键零件的强度校核，为样机的制造和保证 工作的可靠性提供了依据。针对国内山地茶园种植的现状，由汽油发动机提供 动力，减小了机组的重量和尺寸。实现人工耕地的运动特点，提高了松土作业 的质量和经济性。传动系统、行走系统的设计保持了较高的通用性，有进一步 开发和推广的价值。 关键词：山地茶园松土施肥机 机械化 结构设计 2 AbstractAbstract To China is a large agricultural country and a large population. The demand for grain is huge. Although it is a large population, a large number of people are confined to the land and have not been fully transformed into human resources. Therefore, the development of Chinas agricultural production mode from manpower to mechanization, and the development of agriculture to industrialization are the inevitable trend of improving agricultural economic efficiency. The development of mechanization and industrialization of agriculture is based on modern science and technology and the use of advanced production tools. At present, agricultural machinery in the plain area of our country has realized the semi mechanized production, which greatly reduced the amount of labor of the farmers friends, but most of the land in our country is in the complex terrain, it must be hilly, mountainous and so on. It is very difficult to realize mechanized production, especially the agricultural mechanized production in farmland is relatively backward. The mechanized operation level of mountain tea garden in China is still relatively low. Most of the operations still rely on manual labor, with great intensity and low efficiency.In recent years, some mountain tea plantation machinery has been introduced, but there are many problems such as large volume and poor adaptability. For this purpose, a small loosen fertilizing machine suitable for mountain tea plantation in China was developed. According to the characteristics of soft soil and small space in the mountain tea garden, the convenient dynamic conditions and the agronomic requirements, the structure of the small soil fertilizing machine is determined. The whole machine is mainly composed of gasoline engine, transmission system, loosening earth mechanism, walking device, operating mechanism and so on. The gasoline engine provides power and connects with the reducer with the clutch. The reducer transfers power to the working parts to realize the purpose of the pine soil operation. The purpose of applying fertilizer. This paper mainly designed a kind of pine soil fertilizing machine used in the complex terrain of the pastoral. This machinemainly has the advantages of miniaturization, convenient operation and so on. It is suitable for single man hand operation, which can greatly reduce the labor intensity of fruit farmers and improve work efficiency. 3 After determining the requirements of the design of the pine soil fertilizing machine in the mountain tea garden, the parametric modeling is carried out with the help of computer aided design, mainly using the AutoCAD software, drawing the drawings of the whole machine parts and parts, completing the strength checking of the key parts, making and protecting the prototype. The reliability of the certification work is provided. In view of the current situation of mountain tea plantation in China, the gasoline engine provides power and reduces the weight and size of the unit. Realizing the movement characteristics of artificial cultivated land has improved the quality and economy of loose soil operation. The design of the transmission system and the walking system has maintained a high versatility and has the value of further development and popularization. Keywords: Pine soil fertilizing machine in mountain tea garden； mechanical and structural design 4 目目 录录 第一章 绪论 1.1 该课题研究的目的和意义. 1.2 国内外松土施肥机的现状 . 1.3 研究的内容和方法 第二章 方案设计 .3 2.1 施肥松土方案分析 .3 2.2 原理分析 .3 2.3 本章小结 3 第三章 松土施肥机工作参数设计 .5 3.1 松土机总体方案设计 .5 3.2 主要运动参数确定 .6 3.3 主要性能参数确定 .7 3.4 主要结构参数的确根据直角刀的设计 3.5 松土机施肥机功率消耗计算 3.6 汽油发动机的选择 .8 第四章 理论计算 .9 4.1 减震弹簧的设计 .9 4.2 刨土轮两端轴承的选用与校核 .10 4.3 本章小结 15 第五章 结构设计 16 5.1 总体结构外观展示 16 5.2施肥机构设计.17 5.3犁结构设计20 5.4 刨土轮结构设计 5.5 本章小结 5 第六章 总结21 参考文献.22 致 谢 23 第一章第一章 绪论绪论 1.1本课题研究的目的和意义 我国是一个农业大国，土地资源丰富。各种各样的土地上生活着广大劳 动人民，但是我国农业基础设施落后，主要还是靠人力来作业，生产效率偏低。 和发达国家还有很大差距，西方发达国家已经实现了农业机械化，农民可以轻 松的种地，几个人能够管理上千亩土地。现今，我国广大农业生产还全靠人力， 局部地区半机械，另外我国农业劳动力占据很大比重。因此我国应该积极发展 农业机械化，解放广大劳动人民，提高农业生产力。但我国设施农业起步较晚， 发展缓慢，尤其是机械化作业水平低下。大多数劳动和作业仍为原始的手工劳 动，强度大、工作环境差、效率低。近几年针对山地茶园等特殊耕作环境，国 内研制生产了一些小型耕作机械，有的微耕机还设计有多种作业功能，考虑了 兼顾露地作业，提高了机械的使用效率。但是由于产品大多存在一些问题，如 外型尺寸及结构质量大、操作不灵便、边角地带无法工作、漏耕严重：生产率 低、适应性较差、结构复杂；在作业性能、可靠性和耐久性等方面也存在一些 问题。本课题所研究的山地茶园松土施肥机，机型小，操作简便，克服了作业 空间狭小的弊端；对土壤主要起旋耕作用，由发动机带动松土部件工作，在一 定程度上代替了人力，减轻了劳动强度，提高了劳动效率。这对于发展经济、 高效、优质和环保的设施农业具有重要的现实意义。结合江西省的地理环境我 们可以得知，江西地貌大致可以划分为 9 个地貌区和 9 个地貌副区:一为赣西北 中低山与丘陵区。二为鄱阳湖湖积冲击平原区。三为赣东北中低山丘陵区。四 为赣抚中游河谷阶地与丘陵区。五为赣西中低山区。 六为赣中南中低山与丘陵 区。土地总面积 166947 平方公里，占全国土地总面积的 1.74%，居华东各省市 之首。其中山地 60101 平方公里（包括中山和低山），占全省总面积的 36%； 丘陵 70117 平方公里（包括高丘和低丘）占 42% 岗地和平原 20022 平方公里， 占 12%，水面 16667 平方公里，占 10%。由此可见地虽广，却不适合耕种。如何 6 有效高效地利用着有限的资源显得十分的重要，更能看出江西省大力发展中小 型旋耕机的急迫性和重要性。 1.2国内外山地茶园松土施肥机械的研究现状及存在问题 1.2.1国内山地茶园松土施肥机械的研究现状 近几年，针对山地茶园等特殊耕作环境，我国也相继出现了很多适于保护 地作业的小型机具。许多地区由大专院校、科研院所和工厂相结合研制的小型 式旋耕机，适于山地茶园作业。NF-40系列多功能农田管理机配套动力4.41- 5.14kw，质量120kg，它是由江苏扬州市苏扬机械厂生产，可配套多种作业机械， 完成耕作、碎土、开沟、播种、中耕除草、培土、覆膜、喷药、运输等多种工 作，其结构特点是：体积小，质量轻，功能多，操作灵活；行走道路不限，能 在30厘米宽的狭窄路面行走，适用于在小田块、丘陵区、及山地茶园内工作； 有较多档位，可适应不同速度的需要；操作杆可作旋转180度或上下14度的调整， 以适应操作者不同身高以及不同情况的操作需要。沈阳农业大学研制的 IGD- 900型电动旋耕机以交流电机为动力，具有动力强、耕作速度快、不排放有害气 体、噪声低等优点，该机重75公斤（包括30米缆线） ，采用按钮开关，有380伏、 220伏两种动力机型可供选择，装有行走轮、推动方便、转向灵活。工作参数为 耕幅900毫米、耕深大于100毫米、刀片数量为4刀4刀盘。该松土施肥机，它以 汽油机作为动力源，体积小、重量轻、造价低、可靠性高。而且使机组采用功 率，前进速度8min，切土节距10厘米，耕深12厘米，耕幅465毫米。 1.2.2国内外耕耘机械的存在问题 大多产品仍存在以下问题：外型尺寸及结构重量大，操作不灵便。特别 是从露地直接转移到山地茶园内的机械，在山地茶园内转向和转移都十分困难， 而且边角地带无法工作，漏耕严重。生产率低，适应性较差，当土壤含水率 较高（超过20%以上）时，其碎土性能变差，能耗高。作业性能、可靠性、耐 久性等方面还存在一些问题。 1.3 研究的内容和方法 根据目前我国山地茶园耕耘机械的研究现状和存在问题，以及山地茶园土 壤区别于一般大田作业的物理特性，开发研究适宜于山地茶园内作业、能提高 松土性能、因此，研制了山地茶园松土施肥机。该课题的主要研究内容有： 依据，通过理论分析和数学模型确定合理机构作为松土机的松土工作部件。讨 7 论分析影响功率消耗的因素，在保证农艺要求并能减小功耗的前提下，确定这 些参数，并计算松土机所需的功率，根据该功率选择汽油发动机的型号。设计 松土施肥机的整机结构，主要由汽油发动机、传动变速机构、松土工作部件、 行走机构、操作机构等组成。汽油发动机提供动力，通过离合器与减速器连接。 发动机的动力分别传递给松土工作部件，实现松土机耕作土壤的目的。操作机 构包括转向机构和离合器操纵机构，转向机构控制松土机转向。绘制松土机主 要零部件图纸，对关键零件进行强度校核计算。 第二章 方案设计 2.1 施肥，松土方案分析 山地茶园生产耕作困难、劳动强度大、效率低、成本高。 需要一种机械， 可以满足果树下的空间小，障碍物多、边角地带无法耕耘等问题，研制一种体 积小，重量轻，操作方便、使用安全可靠，推动方便、操作搬运高效节能的小 型农用旋耕机。如下图所示为本课题所研究的松土施肥一体机。 1，机架；2，导向轮；3，传动链；4，料斗；5，发动机；6传动机构；7，犁； 8，后轮；9，刨土轮；10，扶手。 由上图所示，主要有大致是部分组成：机架；导向轮；传动链；料斗；发 动机；6传动机构；犁；后轮；刨土轮；扶手。从结构上来讲，机架作为整台机 器的框架，承载着所有的零部件，具有十分重要的作用；导向轮主要起到导向 8 作用，并且其结构小巧，适合在山地等复杂地形行进，并且在导向轮上还安装 有导杆机构，并且通过链轮传递，在运动过程中能够按照一定的周期进行放料， 保证投放肥料均匀；汽油机主要为整台设备提供动力，其主要有体积小，操作 方便，动力十足等优点，被广泛应用在小型机械上。汽油机传递出的转动通过 传动机构变速，从而达到合理的速度；该设备后轮主要起到承载重量的作用， 在单人操作过程中能够保证整台设备平稳运行，有十分重要的作用，刨土轮主 要在犁将土打开后将土翻松，起到松土的目的，另一方面，我们的施肥机构在 整台设备的前方，肥料撒到土地上后，后面犁可以将土地犁开，松土轮进一步 将肥料和土地打散，均匀的洒在土壤里。本设计在后方增加了扶手，来方便单 人操作。 2.2原理分析 运动部件的设计是山地茶园松土施肥机设计非常重要的一环，从松土的作业 要求和省力两个角度来考虑。即犁头对土壤进行切削；由于惯性力的作用，刨 下来的土块向后移动并与刀头分离；土块落地时被轻度击碎，完成一个松土过 程。另外后方松土轮通过运动对土块进行二次打散，这个过程对土地产生了很 好的松土效果。 设计原理：导向轮前进，推动摆杆往复运动，并周期性的带动料斗播撒肥料， 肥料落地后，后方犁头切开土地，并将土壤抛向后方，抛起的土壤碰到挡泥盖 板后受到撞击而迅速降低速度，使土壤呈细碎状态掉落在地面，达到松碎土壤 的目的。土块翻转盖着肥料，后方刨土轮在汽油机的带动下，高速旋转，并对 土块进行二次击打，让土块粉碎，并且让肥料和土壤充分混合。从而实现松土 施肥的目的。 2.1 本章小结 本章对松土施肥方案进行了分析研究，并对本课题所研究的松土施肥机框 架进行了介绍和分析，对各部分零部件进行了简单的介绍，并对松土施肥机的 原理进行了解剖。整体来讲，本课题所研究的松土施肥机结构简单，玲珑小巧， 操作简单，便于在山地田园作业，是一个非常优秀的方案。 9 第三章 松土施肥机工作参数设计 3.1松土机总体设计方案 蜗轮蜗杆减速器方案示意图 采用汽油发动机机提供动力，通过离合器直接与减速器连接。减速器的输 出端动力经过减速器一级减速后，传到行走轮上，实现松土的目的。为适应山 地茶园作业的空间条件，使松土施肥机的整体结构更加简单、紧凑，采用整式 机架，将汽油发动机安装在机架上，并处在整个机架的中心位置，以保证工作 时的整体平衡性；传动部分使用蜗轮蜗杆，两个中间轴分别位于工作轴的两侧， 以保证机架的平衡，中间轴、和行走轮轴同一个水平面上，工作轴和凸轮 轴；中间轴、和行走轮轴；凸轮轴，这样充分利用不同的高度层次， 缩短了机架的长度，充分利用了空间，结构布局更加合理。在工作轴和中间轴 上安装离合器，通过离合器的啮合与分离实现动力的传递和切断。另外，通 过工作轴上的离合器操纵杆前方的长短不一的两个杆，在离合器分离时与前方 杆件的啮合，可以固定松土机不松土时松土铲所处的位置。另外，还可以在机 架后面安装碎土板，超到破碎土垡和平整地表的作用，以提高耕作质量。施肥 机构为布置在机架下方的一个料斗，通过手动开关控制料斗阀门的打开关闭， 从而控制施肥的作业。 10 3.2主要运动参数的确定 （）机组前进速度 参照山地茶园松土施肥机： 8m/min S V （）汽油机转速： 4000 /minnr 切土量一定时，松土汽油发动机转速越大，功耗越大。因松土犁速度增大，单 位时间切削土壤的次数就要增多，于是受到的土壤阻力就要增大，由于阻力与 转速的平方成正比，故松土功耗与汽油发动机转速近似成二次方函数关系。 3.3主要性能参数的确定 (1)切土节距 s 沿松土机前进方向纵垂面内松土铲连续两次切下的土块厚度，即在同一纵垂面 内松土铲连续两次切土的时间间隔内松土机前进的距离，称为切土节距，用 s 表(mm)。可用下式计算： 式中 Vs 一机组前进速度；H-松土柄转速；通常人工刨土时的土垡厚度在10cm 左右，因此，s 的选择能够满足松土要求。 (2)松土深度最小值(y) 松土铲受到凸轮推动瞬间的位置变化，其中 AB 表示松土铲下端后移 s 距离时所 处的位萱；AK 表示松土铲受凸轮推动所到达的极限位置；表示松土铲的长度： h 表示最大耕深：Y 表示松土铲离开土壤时的松士深度：Z 表示松土铲脱离土壤 时，松土铲在土壤上所移动的距离。 由图可以看出，在相同的最大耕深下，刨土深最大值 Y 越小，沟底凸起高 度较大，沟底不平度增加。因此，选择合适的松土铲长度和最大耕深是决定能 否满足农艺要求的关键。 11 刨土轮轨迹的示意图 (3)刨土深最大值 根据农艺要求，北方旱田耕深一般为16-30cm，而山地茶园的土壤耕作深度要 求不高，与大田耕深相比，其土壤耕作深度一般为10-15cm，结合刨土深最小值 Y，选定松土机的最大耕深 h=14mm。 (4)刨土幅宽 为便于小空间作业，松土幅宽 B 不宜过大，但要保证一定的生产效率，又不能 过小，根据已有机具，考虑该松土机自身的结构特点，选定耕幅 B400mm。 (5)理论生产率 耕幅 B400mm，机组前进速度是8m/min，则生产率可用下式计算： 3.4主要结构参数的确根据直角刀的设计 因此取犁的长度0.6mm（h 最大耕深） 。已知 h=10cm， 将山地茶园的土壤耕作 深度要求。 (6)行走轮直径 d=180mm 3.5松土机施肥机功率消耗计算 功率消耗包括工作部分松土的功率消耗和机组前进的功率消耗。 （）松土功率消耗计算 松土功率消耗可用旋耕机功耗计算公式，即 100 102 rm K BhV Nkw 式3-1 12 式中 Kr 一刀具工作时旋耗土壤比阻（1.2 1.6与耕深有关，耕深大选大值） ；h 一耕深（） ； m V 机具前进速度（m/） ；一耕幅（） 。 根据山地茶园内的作业条件，经查表确定： 已知耕深10，机具前进速度，0.1333，耕幅0.4 ，则 100 1.5 0.4 0.133 10 0.8366 102 Nkw 0.8366 1.045751.05 0.80.8 N kwkw 3.6 汽油发动机型号的确定 考虑到功率储备，并且传递过程中有功率损失，发动机的额定功率应该大于松 土机消耗的总功率。故选用160FLA160FLA 型汽油发动机，其额定功率为2，额定 转速为4000。 整机设计首先保证作业质量，达到人工刨地的作用效果；其次整机结构紧凑， 操作方便，适应山地茶园空间限制；再次考虑到山地茶园果树的使用特点，尽 可能提高其通用性。松土机的基础参数包括运动参数、性能参数和结构参数。 利用建立的松土铲运动方程，分析其空间运动的基本特征。 松土深度与工作部 件结构尺寸间的数学函数关系，并参考松土机的已有参数，在保证农艺要求的 基础上，确定基础参数，根据选定的有关参数，由经验公式计算出松土机所需 的功率。 汽油发动机 13 第四章 理论计算 4.1 减震弹簧的设计 由于松土机工作时工作部件会有振动，也可能遇到杂草缠绕或是石头卡住 的情况，因此在手扶操作过程中为了能够很好的降低操作难度，提高操作舒适 度，在扶手与机架连接处增加了螺旋弹簧。螺旋弹簧的选取需要根据机器功率 来选定，需要在一定的理论计算基础上获得，不然随便选用弹簧可能强度不够， 寿命不合理，弹性不足等诸多因素。 故此处弹簧的理论计算如下： 当发动机处于空转时，怠速为 1000r/min。由此转速产生的单个闸块离心力为 N Rnm FL93 . 9 10900 2910001024.31 10900 3 223- 3 22 由于当该离合器转速达到 1000r/min 时是闸块处于与从动半离合器的接触与未 接触的临界状态，因此对于弹簧来说其最大载荷 0 FFF LMAX 这里预设计弹簧的工作行程为，令最小载荷既预紧力mmh5 ，求得； 00 5 . 0FFFF LMIN NF93 . 9 0 NFMAX86.19 设贴合转速 n=1000r/min,贴合爪块的质量为0.1kg，离合器外圈半径为100mm, 则离心力 F 为： 22 1000 2 0.1 ()0.0544 60 Fmw rN 弹簧的设计： 设弹簧钢丝的直径 d 及中径 2 D rVA(1)材料选用：50Cp 441MP弹簧材料许用应力： 22 2 2 2 (2)(1)125 6 7367.5 8 6 1 6 P AKX CD P DDd C dd dmm Dmm 14 2 12 6 17 15 DDdmm DDmm 44 21 33 212 n d7.85 1 88 64.4 PPPG P FFFD P 求有效圈 弹簧刚度 3.96/PN mm 44 33 2 d7.85 1 4.45 88 63.96 G n D P 4.4 4.5 k3.96 5 实际刚度= 计算弹簧的极限载荷和极限变形量对于1类弹簧 44 73.3 0.6 73.3 16.7 4.4 i i j P P F P 计算其余尺寸： 1 1 1 2 2 2527 40 =1.49 26.78 320 =11.949 26.78 nn P F P P F P 总圈数 工作负荷下的变形量 21 11.949 1.4910.46FFFmm 0 0 0 d/1 19.949/73.85 1.57 3.85 1.5 128.45 50mm 1.5d50 1.5 1 6.93 7 i PFn Hnpdmm H H Pmm n 节距 自由高度 取标准值 则 01 1 0 22 21 0 50 1.4948.51mm (0.5)(80.5) 17.5 6.93 =arctan2.58 7 n6 7 132.1 coscos2.58 b HHF Hndmm p D D Lmm 安装高度 压并高度 螺旋角 展开长 15 验算： 稳定性验算 0 2 50 8.339.7 6 410.6154 6 10.615 =1.25 444 646 H D C CC 高径比： 疲劳强度验算K 12 min 33 22 max 33 88 40 6 1.25 49.38 d1 88 320 6 1.25 395.02 d1 PD K MP P D K MP 0min max 0.75 n 由表查得 6 0b 10=0.330.33 1520501.6 501.60.75 49.38 1.3641.3 395.02 NMPa nn 时，代入上式 可以满足工作要求。 4.2 刨土轮两端轴承的选用与校核 在垂直轴向平面 V 内有 0 2 . 11185140 121 avr FFF 0 121 rvv FFF 解得 ； NFv41.131 1 NFv44.189 2 在平行轴向平面 H 内有 185140 21 Ht FF 121tHH FFF 解得 ； NFH67.46 1 NFH18.145 2 于是在两轴承的径向方向各承受有力 NFFF HvR 45.13967.4641.131 22 2 1 2 11 NFFF HvR 67.23818.14544.189 22 2 222 16 显然，但又因轴向力不是很大，因此根据蜗杆直径选14 . 1 69 . 3 67.238 54.881 2 R a F F 用型号为 7005AC 的角接触球轴承，为了使蜗杆刚性较好，采用正装。其基本额 定动载荷KNCr 2 . 11 （2）计算轴承当量动载荷 由 AC 型角接触球轴承的派生轴向力计算公式得 r FF68 . 0 d 轴承 1：NFF Rd 83.9445.13968 . 0 68 . 0 11 轴承 2：NFF Rd 3 . 16267.23868 . 0 68 . 0 22 因正装同向，且 2da FF 与 12 83.9481.1043 3 . 16251.881 dda FFF 故轴承 1 被压紧，轴向力NFFFF ddaa 98.94883.94 3 . 16251.881 121 轴承 2 被放松，轴向力NFF da 3 . 162 22 因为 ; 68 . 0 8 . 6 45.139 98.948 1 1 r a F F 68. 0 67.238 3 . 162 2 2 R a F F 查载荷系数表算得径向载荷系数和轴向载荷系数为 轴承 1 1 0.5X ； 1 0.26Y 轴承 2 ； 1 2 X0 2 Y 因轴承运转过程中有轻微的冲击载荷，查表取，算得当量动载荷2 . 1 p f 11111 ()1.1 (0.5 1520.26 426)206 pRa PfX FY FN NFYFXfP aRp 26367.23811 . 1)( 22222 （3） 验算轴承寿命 因为，所以按轴承 1 的受力大小进行验算 21 PP 3 66 1 101011200 3217923000 6060 4000263 h C Lhh nP 满足设计要求。 4.3 本章小结 17 本章主要分两块进行了理论研究:减震弹簧的设计及轴承的校核。这两块也 是本设计的重点内容，是松土施肥机的理论支撑。详细的来讲，减震弹簧的设 计，主要对机器在工作过程中离心力的计算，进而对弹簧的工作行程，直径， 材料，型变量等参数进行了设计与校核。轴承的选用及校核主要是考虑到轴承 的使用寿命与使用场所，并对其受力及使用寿命进行了理论分析。 第五章 结构设计 5.1 总体结构外观展示 本课题所研究的松土施肥机主要借助于计算机辅助设计，主要使用了 Solidworks 软件进行了三维模型的创建。借助于计算机软件进行结构设计能够 极大的缩短设计周期，能够将零部件很直观的表现在设计者面前，能够避免诸 多设计缺陷，深受广大设计爱好者喜爱。另外计算机辅助设计能够提高设计师 的工作效率，为产品的更新换代提供了助力。下图就是本论文所研究的松土施 肥机，并借助软件建立的三位结构模型。由下图可以只管的看出松土施肥机的 外形结构，能够很清楚的展示各部分的组成，为结构优化提供了方便之门。 从上图我们可以直观的看到，本设计结构紧凑，小巧灵活，非常适用于田园山 地等复杂地形，很适合单人操作，极大的解放了劳动力，及提高了劳动人民的 工作效率，是个很好的设计。 18 5.2 施肥机构设计 本课题所研究的松土施肥机械主要分为，松土和施肥两部分。下图展示了 改机器设备的施肥机构。其主要由导向轮，摆杆，链轮，链条，料斗，分料器， 出料口等组成。 如上图所示，其工作原理是：导向轮在向前运动的过程中，带动链条运动， 链条带动分料器上链轮运动，从而使返料器内部结构发生运动，并将料斗里的 肥料通过出料口洒向