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G032 牧草 切根机 设计 传动 装置

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目录1.引言11.1我国草业的现状及研发前景11.2工作原理31.3牧草生长不良原因分析32.牧草复壮促生破土切根机的研究与设计32.1总体结构和工作原理分析32.2悬挂架42.3直切刀的选择52.4传动装置的选择与设计92.4.1传动装置的选择92.4.2齿轮变速箱的工作原理102.4.3齿轮变速箱的设计102.5切根机切根宽度和深度的设计142.5.1切根宽带的设计142.5.2切根深度的调节142.6滑块机构152.7凸轮机构15结论16参考文献17致谢18牧草切根机的设计传动装置1. 引言牧草业是我国现代农业的重要组成部分。我国草地面积广阔，但近年来三化面积逐步扩大。牧草产量降低。针对这一情况设计研究牧草复壮促生机具。以改良牧草的生长情况。破土切根技术是指在不破坏天然草地植被的情况下,对草原表皮进行破土切缝的一种草地培育措施。此技术大大改良了退化草场, 解决了草畜矛盾,为我国畜牧业的发展打下了良好的基础。我国对牧草切根这一破土切根复壮促生技术发展较晚,起步于20世纪80年代,通过对国外的先进经验和国内大量的试验数据积累, 黑龙江省穆棱林业局解全民等研制出自走式果岭梳草切根机, 中国农业大学草业机械工程技术研究中心主任王德成教授研制出9QD2430 型草地点线式破土切根机和9QP2830型草地盘齿式破土切根机,中国农业大学张淑敏等研制的多功能点、条式牧草切根机。虽然我国对牧草切根机进行了大量的试验和研究设计,但相对于欧美等发达国家来说,我国在草地畜牧业上的投入相对较少,在技术水平、制造手段和工艺设计等方面还存在很大差距, 我国牧草切根机的设计仍然不够成熟,仍需进一步改进和完善。本设计针对我国天然草场严重退化现状,采用以机械化切根再不破坏土壤表皮的条件下达到牧草复壮促生，来改善我国的牧草生长。 1.1我国草业的现状及研发前景草业是现代农业的重要组成部分。它关系到种植业跟养殖业，也关系到我国的乡村生态发展，是农业的基础产业。但我国现在的牧草种植地土壤三化情况严重，大大影响了我国牧草业的产量和发展。据2006 年国家统计局统计资料，我国草原面积4亿公顷 ，占全国总土地面积的41.67%，占世界草地面积的12.5%，是耕地面积的3.7倍，林地面积的3.1倍。其中，可利用草地资源31333万公顷占国土面积的32.64%。我国的草地生产力条件得天独厚，生产潜力巨大，依靠丰富的草地资源发展畜牧业对建设小康社会、调整产业结构、保障粮食安全体系和促进经济发展与农民增收等诸多方面都具有重要意义。但由于不合理的利用制度和不当的放牧方法，我国草原出现大面积退化、沙化和盐碱化情况。国内外大量事实证明，对天然草场进行改良和建立人工草场是提高草场生产能力、解决草畜矛盾并使畜牧业生产稳定、高速、优质发展的一项关键措施。退耕还草、保护和建设生态环境都与草场改良和建立人工草场相关。运用机械化技术手段改良退化草场可以兼顾生态效益与经济效益，具有效率高、效果好的特点。天然草场经改良后与未经改良的草场相比产草量提高很多。因此对退化草场进行改良既是发展畜牧业的必然要求，也符合国家保护生态环境的要求。在我国的黑龙江、吉林、辽宁三省及内蒙古自治区东部的呼伦贝尔市、兴安盟、通辽市和赤峰市等地区，分布着以羊草在主要植被的温性草甸草原区，草场总面积约1224.4万公顷，是我国发展草原畜牧业十分宝贵的草场资源。该地区由于长期无养息超载放牧和家畜踩踏啃食，土壤板结严重，土壤板结层深达2535cm，土壤坚实度达到2.874.87kg/cm。同时，羊草等多年生根茎型禾本牧草的根茎分布于50200mm的土层或更深的地方，其地下横走茎每年延伸可达 11.5m，盘根错节的根系致使土壤透气性减弱， 含水量和孔隙度下降，容重增大。研究表明在此地区更益采用在亚表层切根、深层松土的方法对退化草场进行改良。实施切根松土改良就是在不破坏原植被的前提下，通过机械手段切断横向须根，划开板结层，进行草场底层松土，改善土壤的透气、蓄水条件。切断后的草根能充分吸收养分，提高草产量。深入研究我国根茎型退化草场退化状况和机械化改良工艺，以驱动型土壤耕作机械设计理论为基础，研制开发适用于我国牧区普通牧民适用的驱动型退化草场破土切根改良专用机，即具有经济效益意义又具有生态效益意义。通过对这一问题的解决。为我国畜牧业的发展打下了一个良好的基础 在整个机具的研发过程中，对草场破土切根机性能的研究是尤为重要的，而在整机性能当中刀具的破土性能更是重中之重。我国对牧草切根这一破土切根复壮促生技术发展较晚，起步于20世纪80年代，通过对国外的先进经验和国内大量的试验数据积累，黑龙江省穆棱林业局解全民等研制出自走式果岭梳草切根机，中国农业大学草业机械工程技术研究中心主任王德成教授研制出9QD2430型草地点线式破土切根机和9QP2830型草地盘齿式破土切根机，以及中国农业大学张淑敏等研制的多功能点、条式牧草切根机。虽然我国对牧草切根机进行了大量的试验和研究设计,但相对于欧美等发达国家来说，我国在草地畜牧业上的投入相对较少，在技术水平、 制造手段和工艺设计等方面还存在很大差距，我国牧草切根机的设计仍然不够成熟，仍需进一步改进和完善。本文根据机具研发要求，设计出一套破土切根装置，和破土根刀具。工作性能优越。操作简单。1.2工作原理本文针对我国天然草场严重退化现状，提出机械化切根复壮分蘖促生自我繁育工艺,研制开发适用于我国草场的切根机。该机具采用三点悬挂架连接于农业拖拉机尾部。通过链条连接拖拉机动力与齿轮变速箱，从而是动力传递到工作机具。通过齿轮变速箱改变调节工作动力。再经凸轮机构传达到直切刀。破土切根。采用直切方式，破土阻力小，切割快。满足初始的设计要求。该机具可调性高，可以试用于不同的牧草生长地。直切刀之间的间隔可以通过套筒装置调节，以适应于行宽不同的土地，进行多行同时切割。工作量适宜，减少了相应的工作时间。通过限深轮可以适应不同深度的切割。1.3牧草生长不良原因分析退化草原草根与土壤板结严重，其坚实度高，土壤中盘根错节的根系致使土壤透气性减弱，持水能力和孔隙度下降，容重增大，不利于牧草的生长。草原松土可以提高土壤通气性，透水性。板结的草地中植物的根系处在缺氧状态，不能正常呼吸，土壤中的二氧化碳又排不出来，耕松后加强了与大气的气体交换，促进好气性微生物的活动，有利于有机质分解为可吸收的养分。同时耕耘后的土壤透水性增加，有利于根系水分的吸收。松土后，土壤能较多的吸收光能，提高地温，且有利于团粒结构的形成利于牧草的生长。2.牧草复壮促生破土切根机的研究与设计以下分析牧草复壮促生破土切根机的研究与设计。2.1总体结构和工作原理分析牧草切根机主要由悬挂架、 机架、 传动链、 凸轮机构、 切刀驱动机构、 限深轮等组成,结构如下图1所示。悬挂架采用典型的三点悬挂机构，悬挂在大于40 kW的轮式拖拉机上，当拖拉机在草地上工作时，由拖拉机后动力输出轴经万向节传动轴将动力传送到切根机齿轮变速箱，再经过齿轮变速箱通过传动链将动力传递给凸轮机构，再由凸轮机构将动力传递给切刀驱动机构，从而带动切刀垂直入土,一次切根完成后再通过凸轮机构的旋转带动切刀快速出土，从而实现切根作业。当需改变切根速度时可以通过改变链轮的大小来实现，切割行宽可通过与套筒连接的螺旋扭调节，切根深度通过限轮调节。 图1 切根机结构示意图1. 三点悬挂架 2. 变速箱 3. 皮带 4. 凸轮机构 5. 滑块机构 6. 机架 7. 切刀驱动机构 8. 限深轮 9. 直切刀2.2悬挂架该机具用已有的农业轮式拖拉机后置式三点悬挂装置，做为连接装置。该装置适用与好多农用机具。其结构见下图2。图2 三点悬挂装置1.上拉杆 2.下拉杆 3.上悬挂点 4.下悬挂点 5. 上铰结点 6.下铰结点 7. 上悬挂点联结销 8.下悬挂点联结销 9.上铰结点销 10.锁销 11. 提升杆 12.立柱 13.立柱高度14.下悬挂点最低高度 15.下悬挂点水平调节范围 16.下悬挂点跨度 17.锁销孔距离18.提升行程 19.运输高度 20.下悬挂点间隙2.3直切刀的选择在牧草切根中，切根刀具的选择是影响切根质量的重要因素，选择不当不仅使切根时阻力增大，而且还影响作业速度和切根质量。该刀具工作刀面为单面光滑刃口底端为凸曲线型刀刃，在加工过程中刀面要制成有一定弯度的面，图3这样的设计能使切刀的刚度在原有的基础上大大增加，并且能使作业缝宽变大 刀具出土时不会粘土。一是体型小制造工艺简单且具有良好的破土性能。二是圆弧状凸曲线刀头有助于刀具在拖拉机前行过程中对土壤和草根进行滑切，切割阻力小，有利于切根。三是刀具工作过程中对土层翻动少 因此对原生植被的破坏小。且切根的同时对土壤有一定的疏松作用，在切根前行过程中还能对土壤有一定的疏土作用。该切刀具有以下特点：一是切刀结构简单 体本文选用凸轮机构驱动直刀，入土能力强，不撕扯草根，不翻动土壤，且不易粘土。其直切刀结构示意图如下图4所示，工作面主要以圆弧面为主。机器工作时凸轮机构旋转，带动滑块在凸轮上沿凸轮边界滑动，从而强制切根刀垂直进入土壤切根，一次切根完成后再通过凸轮的转动带动切根刀快速垂直出土，大大减少了切割阻力与对土壤表层的切缝。 图 3直切刀的工作面俯视图 图 4 直切刀结构示意图直切刀切根部位的运动分析：（1）入土点B的速度方向如图5所示。凸轮圆周运动的切向速度，有则 解得 图5 凸轮驱动式直切刀运动分析图（2）入土点B的加速度方向如图6所示。则，有 可得 解得 式中在某点的瞬时半径 凸轮的圆周角速度 、滑块在该点的瞬时速度和加速度 、凸轮在该点的瞬时切向素的和径向加速 、直切刀在该点瞬时速度和加速度选取机器前进速度为2m/s，凸轮转速为3r/s，此时凸轮半径为30cm , , 则： m m m m（3）切根刀受力分析在机体作业时，切刀与土壤的夹角越小，刀刃越锋利，切割土壤时的阻力越小，但同时刀刃的强度越低，越容易产生弯曲和折断。假设切刀受到来自外界的压力为；来自正面切根刀尖处的土壤阻力为；切刀受到的土壤支持力为；土壤与刀面的摩擦力为；其中为刀面与土壤的摩擦因数，摩擦角为(即)；则切刀切根时的受力分析如图6所示。其中:。各力沿水平方向和垂直方向分解，牧草切根时，切根刀只在垂直方向上移动在水平方向上无移动。水平方向上：。垂直方向上：切刀受到来自外界的压力，此压力是凸轮机构转动时,半径不断变化而产生的。则：( 为此时切刀的加速度 )。受到垂直向上的力为：图6 直切刀受力分析图由图6可以看出处于凸轮正下方的切根刀的加速度：，其中始终为0，则 始终小于0，为。只要此处能满足切根要求，其它处则满足。一般牧草切根深度在200mm左右，假设牧草的切根深度为200mm凸轮的最小半径为；切根刀的质量为。则满足：此切根机设计即为合理。2.4传动装置的选择与设计传动装置的选择是设计的重要部分。做为动力传送转换的重要机构，该机构的选择需要满足机具的需求，又要合理适宜。2.4.1传动装置的选择圆柱齿轮传动承载能力和速度范围大，传动比恒定，外廓尺寸小，工作可靠，效率高，寿命长，维修简便，因而应用范围很广。我们选择齿轮变速箱做为该牧草复壮促生破土切根机的传动装置。2.4.2齿轮变速箱的工作原理齿轮变速箱是通过装在箱体内的一对啮合齿轮的转动，动力从一轴传至另一轴，实现变速的。动力由电动机通过皮带轮传送到齿轮轴，然后通过啮合齿轮（大齿轮带动小齿轮）传送到轴，从而实现变速之目的。变速器有两条轴系两条配线，两轴分别由滚动轴承支撑在箱体上，采用过渡配合有较好的同轴度，从而保证齿轮啮合的稳定性。箱体采用分离式，沿轴线平面分为箱座和箱盖，二者采用螺栓连接，这样便于装修。为了保证箱体上安装轴承和端盖的孔的正确形状，两个零件是在一起加工的。装配时，他们之间采用两销定位，销孔做成通孔。2.4.3齿轮变速箱的设计设计轴的一般步骤为：选择轴的材料、初步确定轴的直径、轴的结构设计。主要的原则是：轴的结构越简单越合理， 装配越简单越合理。如图7所示为齿轮变速箱中的高速轴。轴上与轴承配合的部份称为轴颈，与传动零件配合的部份称为轴头，连接轴颈与轴头的非配合部份称为轴身，起定位作用的阶梯轴上截面变化的部分称为肩轴。设计应满足:1.便于轴上零件的装配。轴的结构外形主要取决于轴在箱体上的安装位置及形式，轴上零件的布置和固定方式，受力情况和加工工艺等。2.保证轴上零件的准确定位和可靠固定。3.具有良好的制造和装配工艺性。轴为阶梯轴便于装拆、轴上沿长度方向开有几个键槽时，应将键槽安排在轴的同一母线上。4.减小应力集中，改善轴的受力情况。轴大多在变应力下工作，结构设计时应减少应力集中，以提高轴的疲劳强度，尤为重要。轴截面尺寸突变处会造成应力集中，所以对阶梯轴，相邻两段轴径变化不宜过大，在轴径变化处的过渡圆角半径不宜过小。图7 轴的结构图 （1）扭转强度，合成强度和钢度的计算这种方法是只按轴所受的扭矩来计算轴的强度。如果还受不大的弯矩时，则采用降低许用扭转切应力的办法予以考虑。并且应根据轴的具体受载及应力情况，采取相应的计算方法，并恰当地选取其许用应力。在进行轴的结构设计时，通常用这种方法初步估算轴径。对于不大重要的轴，也可作为最后计算结果。通过轴的结构设计，轴的主要结构尺寸、轴上零件的位置以及外载荷和支反力的作用位置均已确定，对于钢制的轴，按第三强度理论，强度条件为：轴在载荷作用下，将产生弯曲或扭转变形。若变形量超过允许的限度，就会影响轴上零件的正常工作，甚至会丧失机器应有的工作性能。轴的弯曲刚度是以挠度或偏转角以及扭转角来度量，其校核公式为：; 式中：、分别为轴的许用挠度、许用转角和许用扭转角。 （2）轴的计算高速轴直径的选取：有公式取高速轴直径为mm。（3）作用在齿轮上的力齿轮分度圆直径为 mm 齿轮所受的转矩为 Nmm齿轮作用力 圆周力 N 径向力N （4）弯矩图弯矩图 1 截面C Nmm （5）扭矩图 扭矩图 1 Nmm Nmm轴用45钢制作。轴的质量影响着轴上零件的运行准确度，很重要。（6）联轴器联轴器是将两轴轴向联接起来并传递扭矩及运动的部件并具有一定的补偿两偏移的能力，为了减少机械传动系统的振动、降低冲击尖峰载荷，联轴器还应具有一定的缓冲减震性能。联轴器有时也兼有过载安全保护作用。刚性联轴器：刚性联轴器不具有补偿被联两轴轴线相对偏移的能力，也不具有缓冲减震性能；但结构简单，价格便宜。只有在载荷平稳，转速稳定，能保证被联两轴轴线相对偏移极小的情况下，才可选用刚性联轴器。挠性联轴器：具有一定的补偿被联两轴轴线相对偏移的能力，最大量随型号不同而异。无弹性元件的挠性联轴器：承载能力大，但也不具有缓冲减震性能，在高速或转速不稳定或经常正、反转时，有冲击噪声。适用于低速、重载、转速平稳的场合。安全联轴器：在结构上的特点是，存在一个保险环节（如销钉可动联接等），其只能承受限定载荷。当实际载荷超过事前限定的载荷时，保险环节就发生变化，截断运动和动力的传递，从而保护机器的其余部分不致损坏，即起安全保护作用。起动安全联轴器：除了具有过载保护作用外，还有将机器电动机的带载起动转变为近似空载起动的作用。（7）联轴器的选择原则转矩对中性：对中性好选刚性联轴器，需补偿时选挠性联轴器；装拆：考虑装拆方便，选可直接径向移动的联轴器；环境：若在高温下工作，不可选有非金属元件的联轴器；成本：同等条件下，尽量选择价格低，维护简单的联轴器；（8）联轴器的材料半联轴器的材料常用45、20Cr钢，也可用ZG270500铸钢。链齿硬度最好为40HRC一45HRC。联轴器应有罩壳，用铝合金铸成。用单排链时，滚子和套筒受力，销轴只起联接作用，结构可靠性好；用双排链时，销轴受剪力，承受冲击能力较差，销轴与外链板之间的过盈配合容易松动。在高速轻载场合，宜选用较小链节距的链条，重量轻，离心力小；在低速重载场合，宜选用较大链节距的链条，以便加大承载面积。链轮齿数一般为1222。为避免过渡链节，宜取偶数。2.5切根机切根宽度和深度的设计2.5.1切根宽带的设计为方便调节两切根刀之间的间距，取不拆卸刀轴而通过移动套筒的方式调节破土间距。设计结构如图8所示。在支撑轴上作等间距的螺纹孔，套筒与刀架固定，套筒在支撑轴上可左右移动。当需调节切根宽度时，通过移动套筒来实现相邻切根刀之间的间距，从而实现切根宽度的调节，当宽度调节完成后用螺栓固定此位置。图8 可调宽带支撑结构示意图1.套筒 2.螺纹孔 3.支撑轴 4.刀轴2.5.2切根深度的调节切根机工作时，要求切根深度可以自由调节，为了方便其调节设计如图9所示。当调节深度时往里按旋转按钮5，通过旋转按钮的旋转带动齿轮旋转 ，带动限深轮上下移动 ，从而起到调节深度的作用。当深度调节到适用位置时，往外拔出旋转按钮，使里面的齿与带动地轮上下移动的齿轮啮合，起到固定此位置的作用。图9可调深度支撑结构示意图1.地轮 2.套筒 3.齿轮 4.套筒 5.旋转按钮2.6滑块机构滑块机构是连接凸轮跟切根刀连接轴的机构。当动力由皮带传动到凸轮时，再通过凸轮把动力输出，驱使切根刀破土切根。在凸轮与直切刀之间通过滑块连接。在滑块的连接跟调节下，使直切刀能够在一个合适的角度下进行切根。2.7凸轮机构凸轮机构是一种由凸轮、从动件和机架组成的传动机构。凸轮绕轴转动时促使工件沿着预定轨迹做往复运动。也可根据工作性能的要求，将凸轮与机架固定连接（本设计采用），令与从动件以运动副连接的机构为原动件。凸轮机构在运转时凸轮的运动参数是给定的。从动件的运动状况（包括位移，速度，加速度和跃动度等参数）主要取决于凸轮的轮廓曲面参数。反之，为使从动件按某一给定的运动状况运动，需要赋予凸轮相应的轮廓曲面形状。通过对机具功能的考虑和参数的考虑，该机具采用平面凸轮。由于原动力是匀速运动的，且采用刚性结构连接直切刀。但由于凸轮运动的非线性所以可以使直切刀更好的破土和抽出。凸轮机构的基本尺寸主要受两种矛盾的因素所制约。若基本尺寸较大，则相应的机构总体尺寸也较大，造成原材料和加工工时的浪费、机器尺寸过大。而基本尺寸太小，会造成运动失真、机构自锁不良等后果。机构的基本尺寸设计是要寻求合理的结构尺寸，使之能够兼顾矛盾的两个方面。基于凸轮机构的基本尺寸和从动件的运动规律，即可求得凸轮的轮廓曲线坐标。当凸轮机构运转速度较高或者凸轮机构中构件刚性相当小时，构件的弹性变形将对从动件也就是直切刀的实际运动特性产生影响。相关参数的确定凸轮转角比例尺 时间比例尺 从动位移比例尺 结论我国是个地大物博的农业大国，草业占了很大的一部分，对我国的经济有着不可忽略的作用和影响。为适应大面积退化草场的改良需求，我国从1979年开始研制推广草原改良机械和技术。国内有关科研单位经多年实验研究，总结出用于不同地区、气候、土壤和植被条件下的天然草原改良方法。该破土切根机应用机械的方法，对高坚实度板结层的人工或天然根茎型或根茎疏丛型牧草进行破土切根，促进牧草复壮与自我繁殖，具有结构简单，重量轻，制造成本低，操作使用方便，工作稳定可靠等特点。该破土切根机将凸轮机构的轨迹可设计性和运动往返性应用到了田间作业机械中，以较小的驱动力得到了较大的切割力，机组工作阻力小，工作效率高。此外，其切刀采用独特的运动曲线，保证在顺利切断草根的同时不翻动土壤，不破坏土壤表皮，可有效地保护生态环境。该机具作业方式灵活，对于退化严重的牧草，以线的方式进行破土切根，加快其恢复。它采用圆弧式直切刀，破土能力强，切根效果好，可以有效地提高生产效率。1.本设计满足农艺要求，并保证了设计要求。切根刀入土较易，对表层土壤挠动小，并实现了切根深度、切根间距的可调。2.通过对凸轮驱动式直切刀的速度、加速度分析以及直切刀在切根时的力学分析，确定了凸轮驱动式直切刀牧草切根的可行性，并为进一步改进刀具提供了参数依据。3.通过对直切刀受力分析，得出牧草切根是否可行决定于凸轮半径、转速和凸轮半径的变化等。参考文献1 耿浩林，王玉辉，王风玉，等. 恢复状态下羊草( Leym us chinensis)草原植被根冠比动态及影响因子J. 生态学报，2008，28(10): 4649.2 王堃. 我国西北地区退化草地的恢复与重建技术D. 北京:中国农业大学，2001 .3 杨秀海，卓嘎，边多. 藏西北高寒牧区气候特征及草地退化原因分析J. 干旱区资源与环境，2009，23(2): 113118.4 杨军，沈卫强，兰秀英，等. 9SB2214型草原松土补播机的研制与试验J.