机动式空心钻筒植树挖坑机设计[含CAD图纸和文档可编辑]
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上海电机学院毕业设计（论文）开题报告课题名称 机动式空心钻筒植树挖坑机的设计 学 院 机械学院 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 BJ1202 学 号 121002280222 姓 名 刘星辰 指导教师 马雪芬 定稿日期： 2016 年 2月20 日6机动式空心钻筒植树挖坑机的设计1选题背景及其意义本课题来源于生产实际,目前，我国正在大力加强植树造林建设，特别是江苏沿海地区，政府部门每年都规划植树造林，然而植树造林存在一个问题，需要大量的人力来投入，而现在，国家倡导绿色造林，为了更有效的植树造林,出现了机械造林。本课题是设计一台植树挖坑机，与东风EQ140汽车底盘相匹配，用于植树造林，代替人力劳动，实现机械化造林。我国在“十二五”规划中把生存环境建设摆到了突出的战略位置。我国三峡长江流域防护林体系建设工程、退耕还林工程中面积为26329.5万公顷,森林面积为15874.1万公顷，近年来人们越来越重视身边的生态环境，“植树造林,保护环境”已成为全民参与的一项大型义务活动，所以单靠手工种树，已经不能满足生态和发展的需求，机械化造林劳动效率高，减轻劳动强度，还能保证质量，降低成本，不仅能得到很好的经济效益，又会带来巨大的生态效益和社会效益。在国内，悬挂式挖坑机的生产和应用较为广泛，该类挖坑机通常具有较大的功率，机动性强，能挖较大较深坑，大多应用与大面积植树造林，但我国生产的技术水平比较低，在陡坡和复杂地区很难正常进行植树挖坑作业，只能依靠手提式挖坑机。手提式挖坑机在我国刚刚崭露头角，很多方面不够完善特别是在人机关系方面。相比之下，国外研究状况要好一些。有日本生产的自走式高性能挖坑整地机采用柴油机作为动力，适用于坡度高达56的陡坡作业，每天可挖坑植树300400个。美国生产的悬挂式三钻头挖坑机钻头之间的距离是可调节的，适用于平原地区大面积植树造林，工作效率高。但国外的挖坑机大都价格昂贵。结合中外挖坑机的特点，本设计主要设计方向是质优价廉，人机协调的悬挂式挖坑机。2文献综述（国内外研究现状与发展趋势）2.1国内外研究现状中国植树挖坑机产业发展出现的问题中，许多情况不容乐观，如产业结构不合理、产业集中于劳动力密集型产品；技术密集型产品明显落后于发达工业国家；生产要素决定性作用正在削弱；产业能源消耗大、产出率低、环境污染严重、对自然资源破坏力大；企业总体规模偏小、技术创新能力薄弱、管理水平落后等。我国植树造林机具现状我国植树造林机械赴较晚，主要在南方为种植橡胶实现产业化，有为东方红-75、热特-25型拖拉机配套的植树挖坑机，而北方地区为栽植果树和防护林，也研制了为中型轮式拖拉机如上海-50、神牛-25型拖拉机配套的开沟机、植树挖坑机，这种机具既可以挖植树穴坑，也可以挖梯形沟槽用于果树施沟肥。对大面积的机械植树造林，多采用铧式系歹开沟机，如1K-40、1K-50和1K-60型开沟机。我国植树造林机械虽有多个品种，但由于栽种树苗多在山地、坡地，土质条件复杂，影响了机械的使用效果，基本上用人工挖坑栽苗，使用生产的植树挖坑机批量较小。我国目前投入生产和主要使用的植树挖坑机拥有多种形式的配套动力和挖头结构。不同的植树环境要求挖坑机具有与之相适应的动力和连接方式、结构型式及重量限制、钻头型式等。根据作业方式的不同我们可以简单地将挖坑机分为便携式与机载式两大类，便携式挖坑机包括手提式、背负式，机载式挖坑机包括悬挂式与牵引式等类型。挖坑机的钻头根据形状可分为螺旋式钻头、螺旋带型钻头、叶片型钻头和螺旋齿式钻头等。 （1） 手提式挖坑机 手提式挖坑机的结构一般由机架、操作装置、发动机、离合器、减速器、钻头等部分组成。如图 1-1所示。离合器是发动机和工作部件间的连接装置，一般采用离心式摩擦离合器。当发动机达到一定转速时，离合器主动盘重锤所产生的离心力克服了弹簧的拉力，离合器就自动接合，并经减速器将动力传递给钻头。减速器是挖坑机的重要部件，其作用是将发动机的转速变为钻头的工作转速，有圆柱齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器和摆线针齿减速器等类型。以采用摆线针齿减速器较普遍，它具有减速比大、体积小、重量轻、噪声低和传动平稳等特点。操纵装置常采用可拆卸式的手柄结构，可单人或双人操作。钻头由钻尖、刀片、导土片和钻杆组成。钻尖起定位作用，刀片用于切削土壤，导土片则主要起升土作用。作业时钻头垂直向下运动，在扭矩和轴向力的作用下切削土壤，切下的松碎土壤沿导土片工作面上升，运到地表后被抛离到坑的周围。 手提式挖坑机结构紧凑，机体与汽油发动机装配成整体，体积小、重量轻，机动灵活，由单人或双人手提操作，适宜于拖拉机不能通过的地形复杂的山地、丘陵和沟壑地区，挖坑直径和深度都比较小，也可用于果树的追肥及埋设桩柱手提式挖坑机在我国起步较晚，但发展较快，双人操作的便携式挖坑机在我国使用比较普遍，生产的型号也比较多，如 3WB-3、3WS-5、WL200等，挖坑直径约为 100400mm、坑深为 200600mm。 手提式挖坑机的适应性很强，不但作为植树挖坑之用，也可在建筑工地、地质矿山电力交通等部门用于埋设桩、柱、勘探、打眼等作业。由于家庭及街道作业的缘故国外的手提式挖坑机兴起较早，例如日本生产的 A-7 型手提式挖坑机质量仅为 7.0kg，采用H35D 发动机；A-8D 型挖坑机可挖坑径范围为 20200mm。德国生产的 BT120C 型挖坑 机发动机功率 1.3kW，质量 8.2kg，钻头转速 190r/min。 图1-1 WL-200 型手提式挖坑机（2）背负式挖坑机 背负式挖坑机如图 1-2所示，单人操作，轻便，灵活，适用于山地、丘陵地带作业，适用于平缓地带。此类挖坑机是利用防振架将发动机背在背后，通过挠性传动软轴，将发动机扭矩传给钻头。操作人员需配有专用的防震护具。 图 1-2 背负式挖坑机（3） 悬挂式挖坑机 悬挂式挖坑机有多种形式。可以通过液压悬挂装置挂在拖拉机后面，由拖拉机动力输出轴经传动系统驱动钻头进行挖坑作业，也有用液压马达直接驱动钻头进行作业的。一般结构都是由传动轴、减速器、钻头、拉杆和机架等组成（见图 1-3），钻头一般采用双螺旋型。有的挖坑机装有两个或两个以上的钻头，称多钻头挖坑机，能充分利用拖拉机的功率来提高生产率。为使钻头在工作时不因遇到石块、树根等障碍物超负荷时受损，在传动轴上装有牙嵌式离合器，在超负荷状态下，离合器自动脱离，从而切断动力的传递。 图 1-3 3WH-60 型悬挂式挖坑机悬挂式挖坑机由于动力较大，功效高，可挖较大的坑穴，主要用于平缓地形或拖拉机可以通行的地域，钻头的升降通过拖拉机液压系统操纵，挖坑直径和深度都比较大。坑径多为 600mm1000mm、深度可达到 1000mm。诸如内蒙古赤峰田丰农林机械厂生产的 3WH-60 型（如图 1-3）、3WC-60 型悬挂式挖坑机，通辽林业机械制造厂生产的 3WG-60型、4Z-130 型挖坑机，山东大丰机械厂生产的“大丰王”系列挖坑机 WKJ-60/70，配套不同动力的拖拉机可以挖掘不同直径不同深度的树坑。适合于平原、坡度小的山地、丘陵等地况作业，具有性能好、作业效率高的特点。 （4） 牵引式挖坑机 牵引式挖坑机的机器装在小车上，由拖拉机牵引，挂接方便，不受拖拉机结构限制，但结构复杂，机动性差； 我国在 2001 年由达拉特旗白土梁生态治理有限公司成功研制 并生产出 JYZ-80 型牵引式液压植树机。图 1-4 为一种拖拉机牵引式深孔钻。 图 1-4 牵引式深孔钻 国外一些专家学者对挖坑机钻头也做了大量的研究：Macpherson 用波动理论建立的钻杆纵向、扭转振动模型与实际测量结果进行比较。而 Millheim 等应用 DAlembert 原理在静力分析的基础上引入惯性力和摩擦力，运用有限元方法建立钻柱三维动态模型用以研究钻柱动态行为对钻头轨迹的影响，给出了影响钻头轨迹的主要因素。Y.Altintas等建立了可描述不同形状螺旋钻刀片的动力学通用模型，用时变力系数的傅立叶级数展开给出了用于钻削稳定性解析预测钻削过程的动力学模型及其一般数学表达式。E.Armarago 等提出了用正交切削数据计算切削过程剪切应力、剪切角、后刀面平均摩擦系数，把正交切削参数转换到倾斜钻削，预测倾斜钻削力的方法。S.Jensen 给出的切削力模型考虑了进给速度、钻尖处的几何形状以及对柔性工件的动态特性有影响的主轴轴向振动因素。 2.2发展趋势植树挖坑机未来的发展趋势主要在以下几个方面：（1）一机多能在我国，植树造林具有季节性和区域性的特点，机具作业时间短，间隔时间长，单一性能机具的年利用率很低，因此在今后的设计中，应尽量考虑一机多用问题。具体措施：一是更换不同的钻头，适应不同的土壤条件和工作环境；二是设计通用机架，在更换其它工作部件后即可完成其他营林作业项目，提高其利用率。（2）人机和谐凡是人使用的各种机械设备，都应进行完善的人-机工程学设计，以使其符合人的心理与生理学特性，从而最大限度地减轻使用者的操作疲劳和心理负担，能够使人舒适和高效率地工作，使整个人-机系统具有最和谐的人机关系和最优的综合效能。同时，要尽量减少噪音对操作者的影响，还需要考虑手提式挖坑机反向转矩对操作者的安全问题，尽量把转矩通过机械装置释放一些，提高操作者的安全系数。（3）应用范围挖坑不仅适用于平原、沙地和丘陵，还能够用于山地和沟壑；不仅适用于坡度56以下的陡坡林地的整地挖坑，而且还适用于35以下的坡地挖坑造林。3研究内容本次设计的挖坑机是一种搭载在东风汽车底盘的空心钻筒挖坑机，由分动机构、支撑机构、回转机构、工作机构组成；由汽车发动机通过分动机构提供动力，液压系统来控制各个部分的运动，从而实现挖坑作业。主要研究内容包括以下部分：3.1 支撑机构支撑机构主要包括液压缸和支撑导轨。液压泵将发动机的机械能转换为液压能使液压缸工作支撑起整个工作机构，同时需要导轨的导向作用，来确定工作机构工作时的平稳。3.2 分动机构从汽车发动机输出的动力，通过齿轮传动输入到液压泵中提供动力。 3.3 液压系统液压控制系统由各自独立的液压回路组成，主泵通过各液压回路控制油缸和液压马达，使操作机产生相应动作。 3.4 工作装置工作装置主要包括加压装置，减速装置，和挖坑装置，通过加压装置使整个钻筒上下移动，减速装置中，通过液压马达带动减速器使钻杆以要求的转速旋转带动钻筒进行挖坑工作。3.5 其他辅助装置其他辅助装置有支腿机构和回转机构，配合整个挖坑机在载体上的位置放置和挖坑工作。 4研究方案4.1总体方案本课题设计的挖坑机主要安装在东风EQ140汽车底盘的基础上,由分动装置、回转机构、支腿机构、支撑机构、挖坑装置等组成。总体方案如图4-1所示。分动装置的输入轴它将汽车发动机的动力接出，驱动二个柱塞泵和一个齿轮泵，为挖坑机提供动力。任何机械都是由若干个构件所组成的，组成机械的各个构件之间具有确定的相对运动。如图4.1所示。回转机构采用Q2-3汽车起重机的回转机构，有液压马达驱动，转盘可作270范围内的回转，能使挖坑机的钻头在汽车后方和左右两方的旋转弧线上任一点位置进行挖坑作业。 支腿机构由四只支腿组成，在工作时支撑于地面，以增加作业时整机的稳定性，支腿的放下、支撑和收起均由各自的液压缸驱动。支塔机构用于支撑钻塔，运输时通过支塔液压缸将挖坑装置倾倒置于车厢前部的支架上，工作时将挖坑装置支撑于直立位置。挖坑装置由筒形钻头、减速器、主液压马达加压装置和钻塔等组成。加压装置在钻塔内，其加压油缸的活塞杆与钻杆用特殊的接头连接，可以在钻杆旋转时仍能保证传递向下的进给力，活塞杆向上时，可将钻头从土壤中提升踹。钻头与钻杆连结，钻杆上部为方轴，与减速箱被动齿轮的方孔配合，可在方孔中上下移动而不影响扭矩的传递。液压马达通过减速器驱动钻头，带合金钢切削齿的空心钻筒可以破碎坚硬的地表层。空心钻筒植树挖坑机为全液压系统传动，其液压系统由两个液压马达、三泵、双回路组成，分为主油路和副油路。主油路的动力是两个柱塞泵、直接驱动主液压马达和加压液压缸使筒形钻头工作；副油路则由一个齿轮泵提供动力给其它执行元件（如回转盘、支腿、支塔旋转等）。工作时，支塔处于垂直位置；不工作时（闲置和移动途中）支塔转至一定角度收放于汽车底盘上。 图4-1 为机动式空心钻筒植树挖坑机的示意图4.2工作装置的设计4.2.1挖坑装置（1）钻筒的设计本设计是空心钻筒植树挖坑机，空心钻筒的作用是将刀齿旋转运动带出来的土壤通过钻筒内侧的螺旋线型突起留在钻筒内部而不会掉落在坑内，挖坑动作完成以后，通过挖坑装置回放的小幅振动或人工将土壤从钻筒里掉落。钻筒采用45 钢锻造，直径600mm,在钻筒外缘一共装八把刀齿，为了安装刀齿方便，锻造完成后，在360方向上对称磨八个平面，方便了刀齿刀柄部分螺栓的连接。钻筒无底无盖，为了将旋转运动传递给钻筒，在钻筒上方焊接了4 根钢条，为了保证法兰安装的精度，在钢条上部再焊接一条方形钢板，用来安装法兰。（2）切削刀齿的设计本植树挖坑机的硬质合金切削刀齿,可以在钻筒旋转运动和加压液压缸的压力作用下, 实现刀齿的切土和抛土，从而实现挖坑功能。硬质合金切削刀齿在土中旋转过程中将土壤破碎，向上扛起使其松动。被松碎的土壤在旋转作用下一部分抛离地面，大部分被卷入钻筒中，通过钻筒内的螺旋线旋转形状来留在钻筒内部。切削刀齿用螺栓固定在钻筒外侧，在挖坑时利用刀齿的旋转运动将下层的土壤松动，利用钻筒的向下运动将土层卷到空心钻筒中，完毕后利用液压缸的提升和转向作用，使土壤从钻筒中掉落出来,从而完成挖坑任务。4.2.2加压装置和减速装置（1）减速器的选型，根据课题要求进行计算选型需要市场上可以购买到的减速器。适当降低速度，增加扭矩。（2）空心钻筒挖坑机液压系统设计该机为全液压系统传动，其液压系统由两个油马达、三泵、双回路组成，分为主油路和副油路。主油路的动力是两个柱塞泵、直接驱动主液压马达和加压液压缸 使筒形钻头工作；副油路则由一个齿轮泵提供动力给其它执行元件（如回转盘、支腿、支塔旋转等）4.2.3滑动导轨的选择根据减速器箱体和外箱体的尺寸和受力情况，选用燕尾型滑动导轨。导轨材料应具有良好的耐磨性、摩擦系数小和动静摩擦系数差小。4.3拟采取的技术措施机动式空心钻筒植树挖坑机的设计针对市场的需要而设计的，采用利用现成的机器为动力源，采用液压组件作为驱动力，节省空间，结构简单，有利用降低成本。挖坑机结构简单、操作方便，实现了挖坑和行进的自由切换，亦可根据不同的挖坑要求更换钻头，从而满足不同作业的要求。（1） 在传动系统方面，可设计研究自走式挖坑机专用的减速器，集离合切换操作，通过选择现成的减速器组件，可以降低生产成本，可以减小设计空间使设备更具紧凑性。 （2） 进一步改进钻头的可拆卸、更换性，使其更灵活方便；以及对外形结构的优化、附属装置的设计，诸如非工作时段钻头的放置问题、坡度太大造成设备过度倾斜的问题、操作杆可调性、降低操作人员的振动疲劳等，从而使自走挖坑机更具人性化、合理化。 在刀齿的设计中，切削刀齿的设计选择接近于铣刀的设计。由农林业刀具文摘查：刀齿的厚度20mm，一般在接近地表处r=5070,这样可使刀齿具有良好的松土推土性能和较少的能量消耗。在插入土壤时受力较大，为了避免应力集中，故有小加强肋，刀齿刀柄与钻筒处为螺栓连接，提高刀齿的使用寿命，方便刀齿的互换和安装，从而能有效地满足当今市场上对机动式空心钻筒植树挖坑机的需求，且具有如下的优点:传动平稳，传动效率搞，生产效率高，劳动强度低，产品质量好，经济性好，人性化等优点。5进度计划第01周：查询收集资料，了解植树挖坑机的基本结构、组成和工作原理。第02周第03周：确定设计系统总体方案，书写开题报告。第04周第06周：根据原有的技术参数，初定主要设计参数，计算动力装置液压缸的参数，进行液压缸选型。以及液压泵的选择，进行传动装置的运动和动力参数的计算。依据计算数据结果设计减速器内外传动零件，确定其尺寸、参数、材料和结构。第07周第10周：依据植树挖坑机的工作原理和工作要求，具体设计转轴、滑槽、等机体部件。进行分动装置、回转机构、支腿机构、支塔机构、挖坑装置等组成。零部件的具体设计，绘制零件图和装配图。第11周第12周：植树挖坑机论文初稿。第13周第14周：完善论文，论文答辩。参考文献1张利平.液压控制系统及设计M.北京:化学工业出版社,2006.2杨尔庄.液压技术的发展动向及展望J.液压气动与密封,2003,(4):1-7.3 申永胜主编机械原理教程 北京、清华大学出版社19994 张伟社主编机械原理 西北工业大学出版社20015 邹慧君主编机械原理课程设计手册 高等教育
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