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旋耕机 设计

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双轴旋耕机的设计,旋耕机,设计

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双轴旋耕机的设计本科毕业论文题 目双轴旋耕机的设计The Design of Biaxial Rotary Cultivator姓 名徐舟学 号2008307202901专 业农业机械化及其自动化指导教师段宏兵职 称副研究员中国武汉二一二年 六月分类号 密级华中农业大学本科毕业论文 双轴旋耕机的设计The Design of Biaxial Rotary Cultivator学生姓名：徐 舟学生学号：2008307202901学生专业：农业机械化及其自动化指导教师：段宏兵 副研究员华中农业大学工学院二一二年六月双轴旋耕机的设计目 录摘要II关键词IIABSTRACTIIIKEY WORDSIII1 前言11.1课题要求11.2 旋耕机的研究现状与发展趋势11.2.1 国内研究现状11.2.2国外研究现状22 旋耕机的总体设计22.1 旋耕机的总体结构设计22.2 传动方式的选择22.3 限深装置的设计33旋耕刀工作参数的确定43.1旋耕机的工作原理43.2 旋耕刀刀型的选用43.3 旋耕机刀轴速度的确定63.4刀座间距b和弯刀总数Z的确定73.4 弯刀的排列设计84旋耕机的工作参数94.1旋耕机的功率消耗94.2 传动参数的确定105侧边齿轮箱的参数设计105.1 齿轮的设计校核105.1.1 齿轮的材料105.1.2圆柱直齿轮的参数设计115.2 齿轮轴系设计校核145.2.1 齿轮轴结构设计145.2.2 齿轮轴上结构配置185.3 刀辊轴的设计计算说明186 设计结论197 设计心得19参考文献21致谢23双轴旋耕机的设计摘要旋耕机是机械化整地的作业的主要农具之一，但目前多数旋耕机翻地以后，还需进行一次耙地作业才能达到农作物生长环境要求。因此，工作效率不高，拖拉机对土壤的二次压实作用也不利于农作物生长。基于国内现有旋耕机技术，提出采用双轴旋耕机技术来解决这个问题。在本次设计中，具体设计了双轴旋耕机总体结构、传动系统、旋耕刀片、四点悬挂装置等。由于幅宽、功率较大，本设计整体采用双侧边齿轮传动，转动平稳、结构基本对称，提高了使用寿命。双轴旋耕机由前后两根旋耕刀刀轴同时工作，一次即可达到耕作要求，从而减少拖拉机对土地的压实次数，提高了工作效率和能源利用率。关键词旋耕机；双轴；双侧边传动；设计The Design of biaxial rotary cultivatorABSTRACTRotary cultivator is one of the main tools in mechanization preparation work. However, the majority of rotary cultivator cant meet the requirement for crops to grow, the cultivator needs to harrow the soil. Therefore, the working efficiency is not high, the tractor will run on the grand twice, compaction is not conducive to the growth of crops. Based on the domestic rotavator technology, then work out the biaxial rotary cultivator technology to solve this problem. I select the Design of biaxial rotary cultivator as my graduation design topic . In this design program, I Designed the overall structure of the rotary cultivator, transmission system, rotary blade, the four point suspension device , etc . As the width and the power needed are large. By the use of double side gear, the rotation is smooth , the basic structure is symmetric, which can improve the service life. When biaxial rotary cultivator works, the two rotary blade cutter axle rotate at the same time, once to meet the cultivation requirements, which can reduce the times of the tractor compact the grand, improve work efficiency and energy utilization simultaneously.KEY WORDSRotary cultivator；Biaxial；Drive by double side gear；DesignIII双轴旋耕机的设计1 前言张之洞曾说，“凡民俊秀皆入学，天下大利必归农”，农业是一个国家赖以发展的根基，农业的发展制约着其他产业的发展，其他产业反过来往往又反过来促进农业的发展，我国是一个农业大国， 同时又是一个农业相对落后的国家，农村人口占全人口的70%左右。解决“三农”问题是我国现代化建设的重中之重。经过几十年的发展，农业生产水平虽然在一定程度上有了较大提升，但是与发达国家之间还有较大的差距。中国农业正处于从传统农业向现代农业转变的关键时期，农业机械化是建设现代农业的重要物质基础，是先进生产力的代表，是提高农业劳动生产率的主要手段。农业机械化是农业科学技术推广应用的重要载体，是农业现代化的必然过程，加快发展农业机械化是推进城镇化建设，全面建设农村小康社会的重要举措，加快发展农业机械化也是保护和提高粮食综合生产能力，增加农民收入的重要措施。播前平整土地是农业的关键一环。其中，土壤耕作机械主要用于农田栽植、播种前的作业，对农作物的生长起着至关重要的作用，对粮食产量起着举足轻重的影响。在一些播种前对土壤有严格要求的农作物而言，播种前，需要进行多次辅助性的整平、耙地作业。机耕作业次数多，既浪费能源，又压实和板结土壤 。一般整地机具（如铧式犁、普通单轴旋耕机）不可能一次作业达到平整土地的技术要求，既使是熟地也不能将垫片粉碎到规定程度。而双轴旋耕机一次作业能使各种土质的土地达到高质量的待播状态。旋耕机作业后，地表平整、松软、细碎，能够满足精耕细作的农艺要求，机耕作业次数少，节约资源，减少对土壤的压实和板结，降低作业成本，减少机具投资，提高机具利用率。因此，高性能、低功耗、多功能适应我国国情的旋耕机具有广阔的发展前景。1.1课题要求为提高大型拖拉机的使用范围，提高工作效率，减少拖拉机对土壤的压实次数，本课题要求设计一种与45Kw以上的轮式拖拉机配套，作业幅宽2400mm，作业深度18cm，作业速度大于5Km/h的双轴旋耕机。1.2 旋耕机的研究现状与发展趋势旋耕机的发展至今已有150多年的历史，最初在英、美国家由34kW内燃机驱动，主要用于庭院耕作，直到L型旋耕刀研制成功后， 旋耕机才进入农田作业。20世纪初，日本从欧洲引进旱地旋耕机后，经过大量的试验研究工作，研制出适用于水田耕作要求的弯刀，解决了刀齿和刀轴缠草的问题，旋耕机得到了迅速发展(孔令德等，1997)。目前，旋耕机主要采用中间传动和侧边传动，水平轴旋耕部件与地轮转向一致，并且旋耕工作部件结构相当完善。耕作配套机械有手扶拖拉机和轮式拖拉机两种类型，而对整地机的主体部分旋耕机国内外已经有了相当成熟的理论研究和实践研究。1.2.1 国内研究现状我国近年来旋耕机的保有量增加很快，普通单轴旋耕机发展已经较为成熟，双轴旋耕机的应用时间较短，还没有大面积推广。现在我国已能生产与132kw拖拉机配套的耕作农具，大型机具开始向宽幅高速发展，但是从整体技术水平来看，我们还与国际水平有很大的差距。我国现在生产双轴旋耕机的企业主要有连云港春飞、河北神耕、北京华春翔农、南昌旋耕机厂等。型号主要有1GKN系列、1GQN系列、1GHL系列、STG系列等几种。工作幅宽1.25m至2.8m。由于受拖拉机技术条件的制约和配套机具本身的研究水平限制，一些国际先进结构还未能得到完全使用：快速挂接器、耕深和水平自控调节、短尺寸广角万向节传动轴、宽幅工作部件液压折叠装置、快速换刀结构等。同时多功能整地机还在一定程度上还不能很好的满足农艺和农业生产的需要，而且我国的耕整技术发展缓慢，电子、自动控制、智能化技术还处于刚刚起步的阶段，还有很大的提升空间。（孔祥莹等，2000）1.2.2国外研究现状在国外，旋耕机发展较早，旋耕机耕作技术已经非常成熟，作业性能稳定，功能齐全。美国和一些欧洲国家、日本、以色列等发达国家在旋耕机上处于国际领先水平，生产双轴旋耕机的有约翰迪尔、久保田、克拉斯、安格科等知名企业。由于国外田间拖拉机的功率达到了360kw以上，使得与之配套的整地机也随之大型化，宽幅机械的生产率高，单位幅宽的成本低，能便于采用先进的生产技术，提高田间作业速度和效率、改善作业性能。大型整地机具已达20m以上，为便于其行走，采用机架折叠或纵向运输，实现宽幅作业窄幅运输。并且耕地速度为815km/h，整地达到1020km/h，播种达到815km/h。国外整地机的产品功能相比国内更加完善，材料和制造工艺水平较高，外观漂亮，平均使用寿命比我国高出1/3以上，但是而且配件难，维修服务各个方面跟不上，对我国国土70%的丘陵土地的情况十分不适用，价格相对较贵，为国产的10倍左右。（李滨等，2006）随着农业机械化程度的增强，工作效率和效益的提高，现有的旋耕机已满足不了农艺要求和生产规模扩大的需要。故对旋耕机的研究有了进一步的深化，出现如下几个方向的发展趋势：（1）向宽幅，高速型旋耕机发展；（2）向操作简单、自动化、智能化方向发展；（3）向节能高效方向发展。（张维安等，2008） 2 旋耕机的总体设计2.1 旋耕机的总体结构设计现在与拖拉机配套工作的双轴旋耕机悬挂方式主要有三点悬挂和四点悬挂两种，按其工作部件的作业和配置方式有卧式与立式两种，传动方式有中间传动和侧边传动。经过参考学校工科基地现有的旋耕机，结合课题要求，仔细分析各种方案的利弊与适用条件，本设计采用双轴卧式、与拖拉机四点悬挂的结构方式。整体上，前后采用两根横梁与左右的支撑板焊接的框架结构。2.2 传动方式的选择对四点悬挂式旋耕机有中间传动和侧边传动两种形式。中间传动采用中间全齿轮传动，利用万向节传动轴将拖拉机动力输出轴的动力传递给圆锥齿轮轴，减速并改变方向后，向下最后传递到前后刀辊轴。这种方案一个缺点时中间齿轮箱处不能安装弯刀，如不设置特殊工作部件，将出现漏耕。为此需要在齿轮箱的下方增设犁体总成以消除漏耕现象。侧边传动利用万向节传动轴将拖拉机动力输出轴的动力传递给圆锥齿轮轴，减速并改变方向后，再次经过两边的万向节将动力传输至两边齿轮箱，最后传递到刀辊轴。对双轴旋耕机而言，侧边传动也还有两种方案备选：单边侧边传动和双边侧边传动。单侧边传动方式是动力经过减速器后，通过万向节输出到一边的齿轮箱，再次分配给前后两根刀轴。因此结构简单，但是平衡性较差，一般容易偏置，使得动力集中于刀辊一侧，使用寿命和安全性得不到保证。双侧边传动的传动方案是：动力经过减速器后，通过万向节输出到两边的齿轮箱，然后经过两边的齿轮箱分配给前后两根刀轴。这种传动结构特点是结构对称性好、工作时受力均匀、左右平衡、布局合理同时可以节省材料、减轻整机的重量机架牢固，适用于宽幅旋耕机。在选定两边的齿轮箱内的动力传递方案时，有链传动、带传动、齿轮传动三种预备方案可供选择。由于链传动虽然可以传递较大的功率，但是具有较强的震动性，工作时，噪音非常大，所以不选用。而旋耕机切削土壤的阻力较大，如果选用带传动的话，需要多条带。最终选用齿轮传动。齿轮传动受力均衡，结构简单紧凑，有利于机构的对称布置和平衡，降低功耗，改善工艺。图2-1 旋耕机传动方式Fig.2-1 The drive structure of biaxial rotary cultivator本设计要求旋耕机的耕幅为2.4m，经思考最后确定采用双侧边齿轮传动方式。整体传动结构如下图（图2-1）所示。2.3 限深装置的设计旋耕机是一种作业范围广的农用机械，根据不用的土壤条件和工作要求，需要有不同的旋耕深度。对于拖拉机带动的旋耕机工作时，如果和具有调节液压悬挂机构的拖拉机配套时,利用位调节手柄在不同位置的定位调整耕深，与具有分置式液压悬挂机构的拖拉机配套时,利用活塞杆上定位卡箍的不同位置调整耕深。本设计中的旋耕机所选动力源的功率为60kw，根据设计任务书的要求，要求旋耕机的耕深为18cm，所以该机的设计旋深最大为20cm，严禁旋耕机超限作业，否则将导致某些零部件的损坏和早期磨损，还将严重影响整体的作业效率，故需设计耕深限制装置。此设计运用的是限深板，限深板安装在齿轮箱的下端，与齿轮箱之间采用螺栓连接，它由一块弧状的钢板和一块扇形的钢板焊接而成。简单实用，通过限深板与土壤之间的接触从而限制耕作深度。3旋耕刀工作参数的确定3.1旋耕机的工作原理旋耕机是一种由动力驱动工作部件以切碎土壤的耕作机械。兼有耕翻和碎土功能，一次作业即能达到土碎地平的效果，而犁耕很难一次造成土壤松碎、地表平整而满足播种或插秧的要求，必须再经过整地才能进行种植作业。因此，用旋耕机耕地可大大缩短耕整地的时间，有利于抢农时和提高功效。（李宝筏等，2003）旋耕机工作时，其刀片随着刀轴由拖拉机动力输出轴驱动作回转运动，同时又随机组前进作等速直线运动（如图3-1所示）。刀片切削土壤时，刀片的绝对运动是由机组的前进运动与刀轴的回转运动所合成。为了使机组能正常工作，刀片在整个切土过程中不能产生推土现象，要求其绝对运动的轨迹为余摆线。在这一余摆线绕圈最大横弦以下任意一点的水平分速度的方向与机组前进方向相反。这样刀片将切下的土块向后抛掷与挡泥罩以及平土拖板相撞击，使土块进一步破碎再落到地面。由于机组不断前进，刀片就连续不断地对未耕地进行松碎。 图3-1 旋耕刀工作图Fig.3-1 The Working principle diagram of biaxial cultivator在机组前进速度不变的情况下，旋耕机所需功率随刀轴转速的增加而增加，较理想的配合是低刀轴转速和较高的前进速度，虽然功耗要增加些，但因生产率提高了，仍可降低单位面积的能耗。近年来，刀轴转速降低的趋势较为明显。另外旋耕机的刀轴转速一般在200-285r/min，随着土壤比阻不同，旋耕机的刀轴转速也不同，粘性重的土壤比阻大，转速应偏低，砂性土壤比阻小，转速可偏高。在本设计中，要求旋耕机的作业速度大于5Km/h（约为1.4m/s）。3.2 旋耕刀刀型的选用常见的旋耕刀刀片有弯刀、凿型和直角刀片（如图3-2）。弯形刀片（分左弯和右弯）切削工作时，先由侧切刃沿纵向切削土壤，并且是先由离轴心较近的刃口开始切割，由近及远，最后由正切刃横向切开土壤，这种切削过程，可把草茎及残茬压向未耕地，进行有支持切割。这样，草茎及残茬较易切断，即使不被切断，也可利用刃口曲线的合理形状，使其滑向端部离开弯刀，不易缠草，具有松碎土嚷和翻土覆土能力，国内生产的旋耕机大多配用弯形刀片。凿型刀片碎土能力较强，但易缠草，适用于土质较硬、杂草较少的土地的耕作。直角刀片与凿型刀性能相近，国内生产使用较少。（李宝筏等，2003）图3-2 旋耕刀的类型Fig.3-2 The type of rotary blade弯刀的结构：弯刀主要有侧切面、正切面、过渡面组成，见图3-2。侧切面具有切开土垡，切断或推开草茎及残茬的功能；正切面除了切土外还具有翻土、碎土、抛土等功能。图3-3 弯刀的结构简图Fig.3-3 The sketch of acinaciformed blade 刀片正切刃幅宽b( 工作幅宽)： b 的大小影响旋耕机的工作质量及功率消耗， 若b 增大， 旋耕刀滚的刀片数减少， 则相邻刀片间距增大， 有利于减少堵塞现象， 功率消耗不变， 但碎土质量差， 为了保证碎土质量，就要减小机器的行进速度， 故b 不宜过大。为了保证耕深及适宜的刃口长度， 刀片切削半径R0 的大小可由下式确定： (3-1)式中：a最大设计耕深。弯刀回转半径，的确定与设计耕深和传动箱结构有关， 耕深增大， 要求增大， 切削扭矩也随之增大，耕深越大，要求就越大。 因此在满足耕深的要求及传动箱结构尺寸允许的情况下， 应尽量取小值。常取240260mm，本设计取=260mm S切土节距：在同一纵向平面内切土的旋耕刀， 在其相继切土的时间间隔内， 机组前进的距离称为切土节距。根据试验， 旱耕熟地(含水量20%30% ) ， S 取10 12 cm 左右; 耕轻、中粘度土壤(含水量大于35% ) ， S 取6 9 cm; 粘重土壤、多草地，S 取4 6 cm。 查农业机械设计手册，得刀片最大进给量 （3-2） 式中: 旋耕机的前进速度 取=5 刀轴转速 同一切割小区内的弯刀 取=2计算得S= 从而可以计算出R0=mm本设计选用的弯刀，参数已经标准化，目前弯刀已经有了国家统一标准：旋耕机械GB/T 5669-2008。根据R0 值，查阅GB/T 5669-2008，结合耕深要求，选用T245弯刀，它的回转半径为245mm。(袁栋等，2008)3.3 旋耕机刀轴速度的确定旋耕机刀刃的运动是由拖拉机向前的直线运动和弯刀旋转的复合运动，前进速度为1.4m/s，轨迹为余摆线，可用下式表示：X=Vm t+R (3-3) Y=R (3-4)式中: R旋耕刀端点转动半径； 到轴旋转角速度；Vm旋耕机前进速度；t时间R=245 图3-3 旋耕刀运动示意图Fig.3-3 The schematic diagram of rotary blade 绝对速度： （3-3） 根据文献，轻型和中型土壤的平均切削速度约为3-4m/s，针对我国华中地区的土壤多为沙土，所以选定平均切削速度为 4-5 m/s左右。 由于耕深18cm，刀辊半径R=245mm，如图3-3所示：切削土壤时相应的转动角：=arcsin(1一HR)= 15，切人点A1的绝对速度大小： 带入数值得： 取 =5.5m/s ，解得=5.7m/s弯刀转速计算：旋耕刀的速度，得=224r/min，确定选用=220r/min，此时，弯刀的转速=5.6m/s。3.4刀座间距b和弯刀总数Z的确定弯刀端部对土壤适当的撕裂挤压作用可以降低功耗。但撕裂过大又使土块均匀性较差，并使同一截面相继入土刀片的切土节距加大和功耗增加。适当提高刀座间距和选用刀幅较宽的刀齿，可以减少刀齿总数和降低功耗。本方案中选用的T245弯刀，单刀幅宽b=50mm，在旋耕刀刀轴同一径向上，安装左右弯刀各一把，在旋耕机前进方向上，有效工作距离为100mm。在一根刀轴上，安装的左弯刀数量=2400/100=24，在刀轴两端，因为有支撑板的影响，取=23。3.4 弯刀的排列设计弯刀的排列是否合理，在很大程度上决定了旋耕作业质量的好坏。为了使旋耕机作业时受到的阻力小、耕作质量好、刀轴受力均匀、避免漏耕和堵塞现象的发生，刀片在刀轴上的排列应满足下列要求：(1)在同一回转平面内，若配置两把以上的刀片，要求每切割小区内几把弯刀的切土量相近，以保证碎土质量好，耕后沟底平整。(2)刀轴回转一周过程中，刀轴每转过一个相等的角度时，在同一相位角，必须是一把弯刀入土，使扭矩较为均衡、减少扭矩波动幅度，保证工作稳定性和刀轴负荷均匀。(3)轴向相邻刀齿间距，以不产生漏耕带为原则，一般均大于单刀幅宽18。(4)左弯刀片和右弯刀片应交替入土，使刀轴两端的轴承所受的侧压力平衡，以减少旋耕刀对旋耕机重心的转矩，保持旋耕机组工作时的直线性。(5)相继入土的刀片在刀轴上的轴向距离越大越好，尽可能地增大轴向相邻两弯刀之间的夹角，以避免发生干扰或堵塞。根据上述刀片排列的要求，我国现在生产的旋耕机刀片一般采用双螺旋线规则排列，虽能较好地满足以上基本要求，并且简化结构参数；但是实际应用仍会出现新的问题。经过参考农业机械学（李宝筏主编），选用如下的刀齿排列方案： (1)由于旋耕机工作时向侧边输土，刀片在刀轴上按两条螺旋线从左到右顺时针或逆时针排列，造成了侧向输土的条件。可以使两条螺旋线不要连续，而且旋向不一样，把整个刀轴上的刀片排列分成几个区段(区段数为偶数)。区段分得越多，虽然侧向输土越少，但是刀片排列越复杂、排列越没有规律性，会给使用者安装刀片带来了很大困难。所以区段也不能分得过多或过少，应据刀轴的长度而定，相邻区段螺旋线的旋向相反；(2) 由于刀片排列是按两条螺旋线排列的，为不产生漏耕，一般在同一回转平面内，设置两把刀(一把右弯刀，一把左弯刀)，两把刀的间隔角为180，本次选用的T245弯刀，切土节距为50mm，因此相邻刀座间距为100mm较为合适。焊接刀座时加热不对称，刀轴必然发生弯曲变形。所以在刀片排列时要尽量使同一回转平面内对称设置。此种方案的优点是弯刀从幅宽基准线两边交替入土，轴向受力平衡，稳定性好，土块均匀；耕后地表面起垄适中，表层平整；(3)由于刀片排列一般是在同一回转平面内设置两把刀，刀片又有一定的厚度，因此产生重耕。如果能把两把刀在轴向相间一个或稍大点的刀片厚度，就可使其既不产生漏耕又不产生重耕，还可节省刀片数量、减少功率消耗、降低耕作阻力。故在同一回转平面内只设置一把刀。4旋耕机的工作参数4.1旋耕机的功率消耗对同一种旋耕机，输出功率过大的拖拉机与并旋耕机的结合不一定有好的作业质量，相反却有可能造成功率的浪费，通过试验能合理确定对应幅宽的最佳配套功率，可以避免“大马拉小车”的情况。耕幅与拖拉机的功率有关，并影响旋耕机与拖拉机的配置方式。旋耕机作业时，拖拉机功率的大部分用于驱动刀滚作业，其数值可实测确定。影响功率消耗的因素很多，主要有刀轴转速，机组前进速度，耕深，土壤含水率和土壤坚实度，土质等，此外，残茬，旋耕刀的类型及排列诸因素对此也产生不同程度的影响。可用经验公式（农业机械设计手册P184）估算刀滚工作时消耗的功率： （4-1）式中： 耕深(cm)； 机组前进速度(m/s)； 耕幅(m)； 旋耕比阻()，其中：查阅表2.2-4，有关旋耕机比阻的数值，=10，耕深修正系数 =1.1，土壤含水修正系数= 0.92，残茬植被修正系数=1.0，作业方式修正系数=0.7。已知=18cm，B=2.4m，=1.5m/S计算得=7.1将以上值带入经验公式得=46KW。由于本次设计方案为双轴旋耕机，第二轴工作时主要起着耙地的作用，此时土壤较为松软，工作阻力较小。此时，旋耕机所需的总功率利用修正系数进行计算：= ，取=1.2，得=54 KW试验资料表明：由于旋耕刀切土时，土壤的反推力和拖拉机前进方向相同，因此拖拉机的行走消耗功率很小。参考下表（表2-2），可以选定拖拉机的相关参数。表2-2 动力输出轴型号和参数（GB1592-86）Table 2-2 The model and parameters of power output shaft动力输出轴型号1#2#3#公称尺寸（mm）标准转速（r/min）允许传递最大功率(kw)355404835100092451000185由上表选定拖拉机的动力输出轴为2型，标准转速为1000r/min的动力输出轴满足要求。4.2 传动参数的确定根据上文(4.1)的相关参数，选定拖拉机的额定转速为1000r/min。因此总传动比为i=1000/220=4.5。一级直齿圆锥齿轮的传动比允许的范围是18，因此可以选用一级直齿圆锥齿轮进行减速传动,然后经减速箱传给两边的万向节,在经过万向节传递到侧边齿轮箱，最终传到旋耕刀刀轴。5侧边齿轮箱的参数设计图5-1 齿轮箱整体结构Fig.5-1 The structure of the gear box本设计选用四个直齿圆柱齿轮传递万向节到第一级齿轮的动力至旋耕刀刀轴。在一个侧边齿轮箱中，有四个传动齿轮。两个相同的大齿轮，两个相同的小齿轮。动力传递至第四级齿轮之后，采用花键轴将动力传递给旋耕刀刀轴。整体结构如右图（图5-1）所示。5.1 齿轮的设计校核5.1.1 齿轮的材料查阅机械设计（濮良贵主编）常用齿轮材料及其力学特性的表，考虑到工厂加工条件和旋耕刀轴要承受很大的转矩，选择大小齿轮材料都为45钢，调质处理，硬度为217255HBS，抗拉强度，屈服强度。查阅表10-8，各类机器所用的齿轮传动的精度等级范围，农用机械的精度等级为811级。本设计选用8级精度。5.1.2圆柱直齿轮的参数设计查阅资料，可得每对圆柱齿轮的传动效率=0.97， 则在第一级齿轮上，这级齿轮传递的功率P1 =P/=54/0.973=59.2KW（1）按齿面接触强度设计由设计计算公式（机械设计P203式10-9a），即 （5-2）确定公式内的各计算数值：a. 试选载荷系数=1.3b.计算小齿轮转矩：=c.查机械设计P205表10-7，选取齿宽系数=1d.查机械设计P201表10-6，选取弹性影响系数=189.8e.由机械设计P209图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限=550MPa，大齿轮的接触疲劳强度极限=550MPa.（材料均为45钢调质处理）f.由计算公式计算应力循环系数假设齿轮一年工作60天，每天工作10小时，使用年限10年。=604801(106010)=1.728108=N1/u=1.728108/1.78=9.708107g.由机械设计P207图10-19知，对调质处理的45钢，取接触疲劳疲劳系数=0.98， =0.98h. 计算接触疲劳许用应力，取失效概率为1，安全系数S=1由机械设计P205式10-12有=0.98550/1=539MPa=0.98550/1=539MPa计算a.试算出小齿轮分度圆直径，由计算公式得=98.6mmb.计算圆周速度vv=m/s=1.14m/sc.计算齿宽bb=198.6=98.6mmd.计算模数、齿高取小齿轮的齿数=23，则大齿轮的齿数=223=46模数如下： 齿高e.计算载荷系数根据v=1.14m/s，8级精度，由 机械设计 P194图10-8，查得动载系数=1.05，直齿轮，=1由机械设计P193表10-2可查得使用系数=1由机械设计P196表10-4可查得齿向载荷分布系数=1.318，同时有 查机械设计P198图10-13可查得齿向载荷分布系数=1.24，故载荷系数=11.0511.318=1.384f.按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由机械设计P204式10-10a得=98.6=100.68mmg.计算模数mm=100.68/23mm=4.38mm（2）按齿根弯曲强度设计由机械设计P201式10-5可知，弯曲强度的设计公式为 (5-3)确定计算参数:a.由机械设计P208图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限=380MPa，大齿轮的弯曲疲劳强度极限=380MPa.b.由机械设计P206图10-18查得小齿轮的弯曲疲劳寿命系数=0.97，大齿轮的弯曲疲劳寿命系数=0.97。c.计算弯曲疲劳许用应力，取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由机械设计P205式10-12得=0.97380/1.4=263.286MPa=0.97380/1.4=263.286MPad.计算载荷系数K=11.0511.24=1.302e.根据机械设计P200表10-5查齿形系数、应力校正系数有=2.65，=2.32，=1.58，=1.70f.计算大、小齿轮的并加以比较=2.651.58/263.286=0.0159=2.321.70/263.286=0.0149小齿轮的数值大设计计算：对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲强度算得的模数4.7mm，并就近圆整为m=5mm。按接触疲劳强度算得的分度圆直径=100.68mm，算出小齿轮的齿数=100.68/5=20.136，大齿轮的齿数=20.1362=40.272取 =20，=40 。（3）几何尺寸计算a.计算大、小齿轮分度圆直径=520=100mm=540=200mmb.计算中心距 =（100+200）5/2=150mmc.计算齿轮宽度=0.2100=20mm故各齿轮齿宽分别取=20mm，=20mm（4）齿轮结构设计大齿轮因齿轮齿顶圆直径大于160mm，而又小于500mm，故以选用腹板式结构为宜；小齿轮因齿轮齿顶圆直径小于160mm，故以选用实心式结构为宜。5.2 齿轮轴系设计校核5.2.1 齿轮轴结构设计在齿轮箱中，共有四根轴：两根花键轴和两根支撑轴。第一根花键轴的作用是传递经减速器后传递到万向节的动力到侧边齿轮箱，同时支撑小齿轮，第二根花键轴用来将侧边齿轮箱的动力传递给旋耕刀刀轴。两根支撑轴的作用是支撑两个大齿轮。花键轴的样式如下图（图5-2）所示：图5-2 花键轴结构Fig.5-2 The structure of spline shaft轴上零件的装配顺序为；首先从右边安装直齿轮，接着在直齿轮的右边安装轴套，通过轴套和轴肩来轴向定位齿轮，然后安装轴承，在齿轮箱数上，设计了轴承座，轴承没有承受轴向力，可以用过轴承座和轴承端盖来定位轴承，最后右边装上轴承盖。其次，左边只装上轴承和轴承盖就可以了。此种装配方案的设计和选定，既满足轴的结构简单，有符合轴上零件装配方便的要求。（1）选择轴的材料及热处理选用轴的材料为45钢，调质处理（2）根据轴向定位要求确定轴各段直径和长度为了计算简便，方便制造，两根花键轴制作成一样的结构，并且大小尺寸也相等，由于齿轮传递效率的影响，第一根轴所受到的力最大，因此，如果第一根轴满足设计要求，其他三根也一定满足要求。（3）轴的转向方式：单向旋转轴的工作情况：只承受径向力，无轴向力，因此，只需要按扭转强度条件进行设计即可。轴的转速： 功率： 两侧边万向节传递的总功率，左右均匀对称受力，因此齿轮直径d根据 机械设计P370 式（15-2） (5-4)计算轴的扭转强度条件为 所选轴的材料为45钢，调质处理。查表(15-3)，选取。得选用（4）各段长度计算花键轴与旋耕刀刀轴之间由于刀片在切土过程中，会受到不断地震动，考虑到花键连接时受力较为均匀、应力集中较小、对轴和轮毂的强度削弱较小、对中性好等优点，决定采用花键连接。因为矩形花键的定心方式为以小径定心，定心精度高，定心的稳定性好，能用磨削的方法消除热处理引起的变形。故采用矩形花键。根据键的长度来确定轴的长度。强度计算：a.静连接 (5-5)b. 动连接 (5-6)式中：载荷分布不均系数，与齿数多少有关，一般取=0.70.8，齿数多时取偏小值;Z花键的齿数；l齿的工作长度，单位mm。h花键齿侧面的工作高度，矩形花键，h=(D-d)/2-2c，此处D为外花键的大径，d为内 花键的小径，C为倒角尺寸，单位为mm；渐开线花，。花键的平均尺寸查机械设计表6-3，花键的许用应力，取 按动连接强度计算：（5）轴的疲劳轻度校核截面上的扭转切应力：轴的材料为45#钢调质处理，由机械设计教材表15-1查得： =275MPa； 截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数，按机械设计手册查取得： 因为r/d=0.0.05 D/d=62/60=1.176径插值后可查得： =2.09； =1.6又由机械设计教材附图3-1，可得轴的材料敏性系数为：； 故有应力集中系数按式得：尺寸系数为：查机械设计 P325得扭转尺寸系数为：轴按磨削加工，由附图3-4得表面质量系数为：轴未经表面强化处理，即：轴上外花键的有效应力集中系数为：； 按式机械设计教材3-12得综合系数值为： 又由机械设计教材45#的特性系数为： =0.20.3 取=0.25 =0.10.15取=0.1于是计算安全系数值，按机械设计教材15-615-8得： S=1.故可知其安全。5.2.2 齿轮轴上结构配置（1）初选深沟球轴承因为轴承只承受径向力而无轴向力作用，因此选用深沟球轴承。他主要承受径向载荷，也可同时承受较小的轴向载荷，当量摩擦系数最小，价格最低，可以在提高传递效率的同时，降低生产成本。根据上文计算 ，向右的轴径半径增加5mm，则，有轴承产品目录中初步选定0基本游隙组，标准精度等级的深沟球轴承6308，其中尺寸分别为dDT=409023.（2）键的设计根据齿轮的宽度，齿轮与轴的固定采用普通平键联结，根据轴的直径d=42mm，机械设计手册GB 1096-79；查的普通平键的剖面尺寸为:bhl=8812，键槽用铣刀加工。需要强调指出，为了保证轴向定位可靠，与齿轮相配合部分的轴段长度一段应比毂长约短1-3mm，确定安装齿轮处的长度为19mm。5.3 刀辊轴的设计计算说明材料选择45钢，调质处理，旋耕刀结构如下图（图5-3）：图 5-3 旋耕刀刀轴Fig.5-3 Rotary blade shaft查旋耕机械GB/T 5669-2008选择刀辊轴的外径=80mm。内径=50mm深沟球轴承的效率为=0.98，轴上花键传动的效率为=0.98由=54KW ；=220r/min = (5-7)得： = 540.980.98=49.8kw=按最大比压少于20MPa，即 20MPa 来设计刀辊轴的直径。 =19.8620MPa扭曲应力验算 ： (5-8)其中：=（80-50）/2=15 =1.578015=20655.64 =74.34MPa=185MP故所设计的刀辊轴的直径满足要求。刀辊轴的外径为：=80mm刀辊轴的内径为：=50mm外花键的个数为：N=6外花键的平均工作长度为：=30mm6 设计结论本次设计卧式双轴旋耕机是选择了段老师的毕业课题，参考了学校工科基地的各种类型的旋耕机的结构，设计出的一种为了提高旋耕机工作效率和耕作质量的一种双轴旋耕机。它采用四点悬挂的结构与前置拖拉机连接，适用于旱地和水田的犁地和整地的工作。旋耕机工作时，可以一次完成翻垡、整地，作业后，地表平整，可以避免二次耙地带来的对土壤二次压实的不利影响，同时降低了能耗。它的耕深为18 cm，需要挂接在额定输出功率在50KW以上的拖拉机上。设计中所用到的零件标准件较多，大幅降低了生产成本，同时也方便维修。7 设计心得本学期是我在学校求学的最后一个学期，这个学期，我们已经结束了大学所有的必修课程，主要的任务就是完成本次毕业设计。我是从3月份开始设计的，设计前先从段老师那里领取设计任务书，我的设计任务是双轴旋耕机的设计。然后就开始正式设计，我们作的第一步就是广泛的收集资料，了解国内外旋耕机的发展状况，同时参观了校工科基地的旋耕机实物，对旋耕机有了更深的认识。通过广泛的调研和大量的阅读旋耕机的相关资料，我认识到了旋耕机是一种应用很广泛，也很重要的农机器具之一，以及现阶段旋耕机存有的问题和目前发展的方向。在本次设计中，段老师在繁忙的工作之中，给了我耐心的指导，还两次带我们去校工科基地为我们组的同学进行了仔细的讲解。感谢在中期检查时，舒彩霞老师的点拨和鼓励。通过本次设计，使本人对以前所学的知识有了系统的回顾，巩固了对AUTOCAD和CAXA的掌握，还学到了好多新的知识。当然，由于本人水平有限及实践条件的限制，在设计中存在一些问题、错误是难免的，衷心希望老师们批评指正，本人不胜感谢！参考文献1. 王万钧，胡中，乐秀梅等.农业机械设计手册（上册）中国农业机械化科学研究所编北京：机械工业出版社，19882. 孔令德，张认成旋耕刀的研究现状与展望江苏理工大学学报，1997，18(3)：88-923. 孔祥莹，袁文旭，孔令德旋耕机研究综述山西农机，2000，108（3）：354. 李滨，崔东小型农用旋耕机的设计东北林业大学学报，.2006，22（5）:23265. 濮良贵，纪名刚，陈国定等机械设计（第七版）西北工业大学机械原理及机械零件教研室编著北京：高等教育出版社，20016. 李宝筏 农业机械学北京：中国农业出版社，20037. 朱贺，肖红，孔平翻地机械现状与发展趋势探讨农机化研究1991，12： 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