（农业机械化工程专业论文）组合刀式果园施肥开沟机的研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑皇垦盔些盘堂或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：俐乞 签字日期： f f 年厂月3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑j 垦盔些盘堂有关保留及使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门( 机构) 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权塑兰堡盔些盘堂可以将论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等方法加以保存或编成学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 学位论文作者签名：彳请伍仟 签字日期： 1 ，年厂月弓日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 新躲译、舞 签字日期：v ，年月日 电话： 邮编： 摘要 我国是世界最大的苹果生产国和消费国，但由于受我国果园规模特点和栽植方式 的影响，果园管理作业几乎都要靠人工来完成，效率低，劳动强度大。随着我国苹果 栽培模式的变革，一些新建果园采用矮砧密植型栽培模式，并对传统的乔砧密植型果 园进行间伐提干改型，为果园机械化作业提供了发展条件。 施肥是果树生产管理中的重要技术措施，其施肥部位及开沟的形式合理与否直接 影响着果树的生长、产量、果品质量及经济效益。本课题针对现代果园施肥开沟现状 及其需求，通过对国内外开沟机发展现状调查分析，结合园艺技术，研究设计了专门 用于果园施肥的开沟机。本论文所做主要工作包括： 1 根据果树根系分布状况及果园施肥开沟的园艺要求，确定了开沟机的总体设 计参数，分析了开沟机的工作原理。通过运动学和动力学分析，确定了其沟宽、沟深、 前进速度、生产率、链速、切土厚度、切削阻力和总功耗等基本参数。 2 在确定开沟机基本参数的基础上，对其主要零部件进行了设计，包括组合刀 具、挂接机构、主轴组合机构、传动梁支架、链条支撑梁和螺旋搅龙排土器等。并重 点对开沟机变速箱进行了设计、分析与计算，通过变速箱可实现开沟机作业速度与地 头转弯、行走运输速度之间的快速切换。对于在不同的土壤条件及所开沟参数要求不 同的情况下，可以改变开沟机的作业速度。 3 利用a l p 软件创建了施肥开沟机开沟刀的三维参数化特征模型，通过内嵌于 a l p 的a n s y s 技术模块对开沟刀模型进行有限元静力学分析，并根据分析结果进行 优化，采用组合刀具，得到开沟刀的安全系数为2 4 9 4 和2 5 3 3 ，均达到设计要求， 减少了工作阻力，且节省了材料。对果园开沟机各零部件进行三维设计，并进行组装， 完成装配图。 4 筛选相关零部件，完成样机的加工试制和试验。同时，利用n y t 7 4 0 2 0 0 3 标准对开沟机作业质量进行评定，主要包括开沟深度、开沟深度稳定性、沟面宽度和 沟底浮土厚度。通过相关数据的测量和计算得出，所开沟符合n y t 7 4 0 2 0 0 3 作业质 量标准，满足园艺要求，能够带来显著的经济效益和社会效益。 关键词：果园；开沟机；a l p ；有限元分析；优化设计 r e s e a r c ho nt h e0 r c h a r df e r t i l i z a t i o nt r e n c h e rw i t hk n i f ec o m b i n a t i o n c a n d i d a t e ：h uj i a j i a s p e c i a l t y ：a g r i c u l t u r a lm e c h a n i z a t i o ne n g i n e e r i n g s u p e r v i s o r ：l i uj u n f e n g a b s t r a c t c h i n ai st h ew o r l d sl a r g e s ta p p l ep r o d u c e ra n dc o n s u m e r , a p p l ei n d u s t r yo c c u p i e sa p i v o t a lp o s i t i o ni nt h ew o r l d h o w e v e r , d u et ot h es i z eo ft h eo r c h a r dp l a n t i n gm e t h o do f c h a r a c t e r i s t i c s ，o r c h a r dm a n a g e m e n ta l m o s tr e l i e so nh u m a ne f f o r t ，a n di ti si n e f f i c i e n ta n d l a b o r - i n t e n s i v e w i t ht h ec h a n g eo fa p p l ec u l t i v a t i o np a t t e r n s ，s o m en e wt y p eo fh i g h d e n s i t yo r c h a r d sa d o p t sd w a r fr o o t s t o c kc u l t i v a t i o np a t t e r n s ，a n dt r a d i t i o n a lo r c h a r dj o e a n v i lt y p ei sf o re v e r yl i n eo ft r e ef e l l i n ga n dp r u n i n g ，w h i c hp r o v i d e st h ec o n d i t i o n sf o r c a r r y i n go u to r c h a r dm e c h a n i z a t i o no fa u x i l i a r yo p e r a t i o n s f e r t i l i z a t i o ni sa n i m p o r t a n t f r u i t p r o d u c t i o nm a n a g e m e n t t e c h n i c a lm e a s u r e s ， l o c a t i o na n df o r mo ff e r t i l i z e rf u r r o wa r er e a s o n a b l eo rn o tt h a td i r e c t l yi m p a c t so nt h e g r o w t ho ff r u i tt r e e s ，y i e l d ，f r u i tq u a l i t ya n de c o n o m i ce f f i c i e n c y t h et o p i ci sf o rt h e m o d e ms t a t u sa n dn e e d so ft h eo r c h a r df e r t i l i z a t i o n t h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fd i t c h i n g m a c h i n ea th o m ea n da b r o a dw a si n v e s t i g a t e da n da n a l y z e d c o m b i n e dw i t hh o r t i c u l t u r a l r e q u i r e m e n t s ，i th a sb e e nd e s i g n e ds p e c i f i c a l l yf o rt h ed i t c h i n gm a c h i n ed i t c h i n go r c h a r d f e r t i l i z a t i o n t h ep a p e r sm a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt ot h eg a r d e n i n gr e q u i r e m e n t s r o o td i s t r i b u t i o na n dd i t c h i n go r c h a r d f e r t i l i z a t i o n ，t h eo v e r a l ld e s i g np a r a m e t e r so fd i t c h i n gm a c h i n ea r ed e t e r m i n e d ，a n dt h e w o r k i n gp r i n c i p l eo fd i t c h i n gm a c h i n ei sa l s od e s c r i b e d t h r o u g ht h ek i n e m a t i c sa n d d y n a m i c sa n a l y s i s ，i t sg r o o v e 7 w i d t ha n dd e e p ，f o r w a r ds p e e d ，p r o d u c t i v i t y , c h a i ns p e e d ，c u t s o i lt h i c k n e s s ，c u t t i n gr e s i s t a n c ea n dt h et o t a lc o n s u m ep o w e ra n do t h e rb a s i cp a r a m e t e r s w e r ec o n f i r m e d 2 t h eb a s i cp a r a m e t e r so fd i t c h i n gm a c h i n ew a sd e t e r m i n e d ，i t sm a i nc o m p o n e n t s w a sd e s i g n e d i ti n c l u d e sa r t i c u l a t e db o d i e s ，s p i n d l ec o m b i n a t i o nm e c h a n i s m ，t r a n s m i s s i o n s h a f tb r a c k e t ，c h a i na n ds c r e wa u g e rs u p p o r tb e a md u m pe t c a n di tf o c u s e so na n a l y s i s a n dc a l c u l a t i o no ft h et r e n c h e rg e a r b o x t r a n s m i s s i o ns p e e dc a nb ea c h i e v e dw i t ht h ee d g e o faf a r mo p e r a t i o nd i t c h i n gm a c h i n et u r n i n g ，w a l k i n gq u i c k l ys w i t c hb e t w e e nt h e t r a n s p o r tr a t e b u ta l s of o rt h ed i f f e r e n to f t h es o i lc o n d i t i o n sa n dt h ed i t c h i n gp a r a m e t e r s r e q u i r e m e n t s ，y o uc a nc h a n g et h ed i t c h i n gm a c h i n eo p e r a t i n gs p e e d 3 u s i n gt h ef e r t i l i z a t i o na l ps o f t w a r e ，t h r e e d i m e n s i o n a lb l a d ed i t c h i n gm a c h i n e d i t c h i n gp a r a m e t r i cf e a t u r em o d e l sw e r ec r e a t e d t h ea n s y st e c h n o l o g ye m b e d d e di nt h e a i pm o d u l ew a su s e dt oa n a l y z ed i t c h i n gk n i f em o d e lb ys t a t i cf i n i t ee l e m e n t b a s e do n t h er e s u l t s ，t h es t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r so ft h et r e n c h i n gt o o ln e e dt 9b ei m p r o v e d i m p r o v e ds a f e t yf a c t o rf o rd i t c h i n gb l a d ei s2 4 9 4a n d2 5 3 3 ；b o t ho ft h e mm e e tt h ed e s i g n r e q u i r e m e n t s ，r e d u c et h ew o r k i n gr e s i s t a n c e ，a n ds a v et h em a t e r i a l t h ed i t c h i n gm a c h i n e s t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo fm a i np a r t sw e r ec o m p l e t e l yd r a w na n da s s e m b l e d 4 p r o c u r e m e n t - r e l a t e dc o m p o n e n t sa n dt h ep r o c e s s i n go fp r o t o t y p et r i a l a l s o ，t h e s t a n d a r d ? 州r 7 4 0 - 2 0 0 3i su s e dt oe v a l u a t et h eq u a l i t yo ft r e n c h 啦o p e r a t i o n sw h i c h i n c l u d et r e n c h i n gd e p t h ，t r e n c h i n gd e p t ho fs t a b l e ，g r o o v ew i d t ha n dt h et h i c k n e s so f s u r f a c ed u s t t h r o u g ht h er e l e v a n tm e a s u r e m e n t sa n dc a l c u l a t e dd a t a , d i t c h i n gm a c h i n e s d i t c h i n g m e e t st h e q u a l i t ys t a n d a r d so fo p e r a t i o nn y 厂r 7 4 0 2 0 0 3 t h eh o r t i c u l t u r a l r e q u i r e m e n t s ，a n dc a nb r i n gs i g n i f i c a n te c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s k e yw o r d s ：o r c h a r d ；d i t c h i n gm a c h i n e ；a i p ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；o p t i m a ld e s i g n 目录 1 弓i 言1 1 1 课题研究的背景1 1 2 课题研究的意义1 1 3 开沟机研究的国内外现状3 1 4 课题研究方法、内容及技术路线4 1 4 1 课题研究方法和内容4 1 4 2 技术路线5 2 开沟机的总体设计6 2 1 开沟机基本结构和工作原理6 2 1 1 基本结构。6 2 1 2 工作原理一7 2 2 开沟机基本参数的确定7 2 3 开沟机的运动学分析7 2 3 1 生产率8 2 3 2 切土厚度8 2 3 3 切削宽度9 2 4 开沟机的动力学分析1 0 2 4 1 链刀切削土壤阻力的确定1 0 2 4 2 开沟机传动总功率的确定1 2 3 开沟机主要部件的设计研究17 3 1 开沟机挂接机构及支撑部件设计17 3 1 1 挂接机构的设计17 3 1 2 主轴组合的设计18 3 1 3 传动梁支架的设计1 9 3 1 4 链条支撑梁的设计1 9 3 2 螺旋搅龙的设计2 0 3 3 变速箱的设计2 l 3 3 1 各轴转速及传动功率的计算2 2 3 3 2 离合器的选择2 3 3 3 3 轴的设计2 5 3 3 4 齿轮的设计3 0 4 1 有限元法3 1 4 1 1 有限元法概述3 1 4 1 2 有限元法的步骤3 2 4 2a i p 3 2 4 3 开沟刀的参数化设计和有限元分析3 3 4 - 3 1 参数化设计思想3 4 4 3 2 三维建模技术3 4 4 3 3 创建开沟刀三维参数化实体模型3 5 4 3 4 开沟刀的有限元分析3 6 4 3 5 开沟刀的优化设计。4 0 4 4 开沟机的三维造型与样机试制4 3 5 开沟机试验与分析4 4 5 1 试验标准4 4 5 1 1 术语和定义4 4 5 1 2 技术要求4 4 5 1 3 作业质量检测方法4 5 5 2 试验条件4 6 5 3 试验数据4 7 5 4 试验分析4 8 5 5 技术经济指标分析4 8 6 结论与展望。4 9 6 1 结论4 9 6 2 展望4 9 参考文献5 0 在读期间发表的学术论文5 2 作者简历5 3 致谢5 4 组合刀式果同施肥开沟机的研究 1 1 课题研究的背景 1 引言 苹果是世界四大水果产业之一，2 0 0 7 年，苹果总产量仅次于柑橘类、香蕉和葡 萄，居第四位。据联合国粮农组织统计，2 0 0 7 年全世界苹果栽培面积和产量达到4 9 2 1 8 万公顷和6 4 2 5 5 5 万吨，是世界水果总面积和总产量的9 4 0 和1 0 9 9 。1 9 9 6 年至 2 0 0 7 年，世界苹果收获总面积呈现出“持续下降 的总趋势，1 9 9 6 年世界苹果收获 总面积为6 2 9 3 7 千公顷，此后世界苹果收获总面积不断下滑，2 0 0 4 年降至4 8 3 0 4 千 公顷，比1 9 9 6 年下降了2 3 3 ；此后基本趋于稳定，维持在4 7 6 8 4 9 2 1 千公顷之间。 1 9 9 6 - 2 0 0 7 年世界苹果总产量在波动中稳步上升。1 9 9 6 年世界苹果总产量为5 6 2 9 8 1 千吨，2 0 0 7 年比1 9 9 6 年增长了1 4 1 。 世界苹果主产区主要集中在亚洲、欧洲、美洲，占世界苹果总产量的9 6 以上。 全世界共有9 3 个国家和地区生产苹果，其中，年产量超过1 0 0 万吨的有1 2 个国家， 依次为中国、美国、伊朗、土耳其、俄罗斯、意大利、印度、法国、智利、阿根廷、 巴西和波兰，占世界苹果总产量的7 7 1 6 。世界苹果总产量的2 5 用于加工，很多 苹果生产先进国家超过5 0 0 o - - - 7 5 的产量用于加工，加工制品以果汁、果酒、果酱、 果干和罐头等产品为主。但随着苹果生产成本的不断增加，发达国家的栽培面积和产 量在逐渐降低，而发展中国家在不断增加。 我国是世界最大的苹果生产国和消费国，在世界苹果产业中占有举足轻重的地 位。2 0 0 7 年，我国苹果栽培面积和产量分别占世界的4 0 6 和4 2 8 ，均居世界第一 位。苹果是中国第一大果品产业，也是我国1 1 大优势农产品之一，我国苹果主产区 主要集中在环渤海湾、西北黄土高原、黄河故道和西南冷凉高地。陕西、山东、河北、 甘肃、河南、山西和辽宁是我国七大苹果生产省份，苹果栽培面积为1 7 2 1 万公顷， 占全国栽培面积的8 7 7 。苹果产业已经成为我国北方一些主产区农村经济的支柱产 业之一，在推进农业结构调整、增加农民收入以及促进出口创汇等方面发挥着重要作 用。随着苹果栽培技术、投入水平逐步提高，我国苹果单产水平也在逐年提高，虽然 高于世界平均水平，但与世界先进国家水平相比还有很大差距。目前，我国果园的规 模特点主要是果园分户管理，规模小；果园地势和土壤呈多样性；果园树龄偏大；栽 植规格各异；树形较大，作业间距较小。果园机械化程度普遍偏低，果园机械及其设 施技术发展水平比较落后。这造成了我国果园管理从苗圃培育、果园耕作、施肥、灌 水、修剪、果实套袋到采摘几乎都要靠人工来完成，效率低，劳动强度大乜】。 随着我国苹果栽培模式的变革，与之相适应的技术研发也提到议事日程。现在一 些新建果园采用矮砧密植型栽培模式，并对传统的乔砧密植型果园进行问伐提干改 型，为果园机械化作业提供了发展条件口，。 1 2 课题研究的意义 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 果树园林业是现代化大农业的重要组成部分，是富民工程的重要途径。施肥是果 树生产管理中的重要技术措施，其施肥部位及开沟的形式合理与否，直接影响着果树 的生长、产量、果品质量及经济效益。施用的肥料中有机肥对改良土壤、提高果树产 量与品质具有重要作用。有机肥的种类主要有动物( 包括人类) 粪肥、圈肥、堆沤肥、 绿肥、秸秆、杂肥及腐植酸类等。它是对农家肥料的统称，是利用各种有机物料，就 地取材，就地积造或直接掩埋施用的含碳自然肥料。有机肥具有肥效长能提高化肥利 用率，能改善土壤理化性状和果树根际营养，增强果树的抗旱性，提高果树的抗病抗 逆性和提高果品品质的特点h 1 。近年来，随着化肥投入量的不断增加，家畜养殖存栏 量的逐渐减少，农村劳动力的大量转移，导致有机肥积造量急剧下降，因而，有机肥 投入严重不足。欧美日水果生产国家都十分注重有机肥的施用，使土壤有机质维持在 较高的水平。荷兰、美国、日本等国果树主产区有机质含量一般较高，荷兰的果园土 壤有机质含量平均在2 0 9 k g 以上，日本和新西兰等国苹果园土壤有机质含量达到了 4 0 , - 一8 0 9 k g 。我国无公害苹果技术规程要求果园土壤有机质含量要达到1 5 9 k g 以上。 但是总体上看，我国果园土壤有机质含量与优质、高产、高效生产要求相比，仍然偏 低。根据全国近4 0 0 0 个果园土壤有机质状况调查汇总可以看出，我国大部分果园土 壤有机质含量在1 5 9 k g 以下，不能满足无公害苹果技术规程要求。北方果园有机质 与第2 次土壤普查相比，均有不同程度增长。 因此，需要对我国的果园土壤追施有机肥。而绝大部分成龄果树的根系都分布在 4 0 - - 4 5 c m 深的地方，所以，施肥深度应控制在4 0 c m 左右晦1 。传统的施肥方法是，果 农习惯把有机肥撒于树盘中，用铁锨或小型农机进行浅翻，这种施肥方法，使2 0 c m 以内的吸收根获得大量的有机营养，这样易导致根系上浮，这些上浮的根系极易遭受 冻害、旱害的影响，从而使树体在根系受害后，变得极度衰弱而难以恢复。正确的施 肥方法是，应该将肥料施于果树根系分布集中的区域1 。 鉴于上述情况，施肥前就需在每棵果树两侧、根系集中分布层稍远和稍深处各挖 一条连续或断续的深度为4 0 c m 左右的沟来，然后进行施肥覆土。此项工作在我国现 在几乎都用人工完成，但人工作业非常困难，工作量大，效率非常低，如图1 1 。 2 图1 1 人工开沟施肥 f i gl ia r t i f i c i a lt r e n c h i n gf e r t i l i z a t i o n 组合刀式果园施肥开沟机的研究 如果采用开沟机进行作业，可大幅度的提高开沟的效率。但对于专门用于果园施 肥开沟来说，由于果园环境比较复杂，一般的开沟机具难以适应。因此，研制出一种 适合于果园施肥开沟的机械，对减少人力和物力资源的浪费、提高劳动生产率有重要 意义。 1 3 开沟机研究的国内外现状 国外最早生产开沟机的国家主要是美国和前苏联。其发展过程大致也是从犁铧式 转变来的，国外生产的开沟机的主要结构形式也多为链式。 美国c a s e 公司，是世界知名的农机生产厂商，其6 0 系列开沟机有七个机型， 功率9 7 5 7 4 k w 。c a s e 9 6 0 机型( 如图1 2 ) 功率为9 9 马力，最高时速可达1 6 8 公里d 时，拥有四档行驶速度，可以方便地转移于各种工作场地。c a s e 9 6 0 型挖沟 机高效、耐用、舒适等特性适合各种严酷的工作环境。根据土壤条件的不同，可配链 式挖沟器和岩石轮等挖沟装置。根据土壤硬度和管线直径的大小，可为挖沟器选配杯 型齿、岩石和冻土齿等不同种材质和尺寸的链条和齿块。在机器的前部同时装配挖掘 装置和六向推土板，可实现开沟、扩宽、回填的连续作业。振动犁、绕线轮、岩石切 割轮、六向推土板、挖掘装置等各种可选附件，大大增强了机器性能和应用范围盯1 。 图1 2c a s e 9 6 0 型开沟机 f i g 1 - 2d i t c h e rm o d e le a s e 9 6 0 此外生产开沟机的厂家还有美国的c h a r l e sm a c h i n e w o r k s 公司、b u r k e e n 公司、 v e r m e e r 公司、传特公司、法国的“马莱”公司等。但国外机械更趋向于专机专用， 开沟机械只用于开沟，当机械不开沟时，机械只能闲置，且价格昂贵。而根据我国的 具体国情，要求该机械不仅可用于开沟，并且能恢复拖拉机功能，保证通用性较好。 在现代社会大力提倡绿色环保、经济节能、人性化设计的大前期下，为了适应新 型果园的发展，对果园机械的设计制造提出了更高的要求。目前国外的施肥开沟机多 采用无污染、经济型、环保型的动力装置，进一步降低了柴油发动机的尾气排放量； 3 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 广泛应用电子技术与信息技术；完善计算机辅助驾驶系统及信息管理系统；采用单一 吸声材料、噪声抑制方法等消除或降低机器噪音；通过不断改进电喷装置，提高液压 元件、传感元件和控制元件的可靠性与灵敏性，提高整机的机电液一体化水平，广泛 采用人机工程学原理设计司机座椅，采用功能集成的操纵手柄、全自动换挡装置及电 子监控与故障诊断系统，改善司机的工作环境，以提高作业效率。例如a e t r e n e h e r s 有限公司生产的a e t r e n e h e r s6 5 型开沟机，美国c h a r l e sm a c h i n ew o r k s 公司生产的 d i t c hw i t c hr t - 3 6 型开沟机，法国“马莱”公司生产的s m 5 5 0 c 型链式开沟机等哺1 。 国内的开沟机的研究和使用起步比较晚，1 9 7 5 年，我国农垦系统引进了意大利 菲亚特公司f l a t 系列旋转圆盘挖沟机，共有4 种类型。此后在1 9 7 5 1 9 8 2 年期间， 农垦系统大学，科研所等十多家单位参考f l a t 挖沟机，分别研制了多种类型挖沟机， 由于技术和拖拉机配套等原因，多数未能成功，只有两三种可以使用，但最终未能推 广。上世纪8 0 年代中期，国家引进了少量挖沟机，主要用于农业暗管排水工程。此 后还有1 9 9 5 年江苏省高邮市平安开沟机厂生产的平安牌1 k s 一3 0 型单悬臂式开沟机， 1 9 9 9 年天津工程机械研究院研制的g c 6 5 g 型链刀式开沟机口1 ，中国农业机械化科学 研究院耕作种植机械研究所研制的具有代表性的链式开沟机1 k z 3 0 型自走式和 1 k 3 0 型悬挂式链式开沟机等n0 i ，这些开沟机多用于水利管沟和电缆铺设工程及农田 矩形沟槽铺设管道或电缆，以及种植山药等农作物。近几年，一些高校中也有在进行 开沟机的研究，如吉林大学、华中农业大学等，但这些开沟机市场上还不多见，多是 处于理论研究阶段，并未推广应用。 通过对国内外现有机型及发展状况的分析可以看出，专门用于果园施肥开沟的机 械还不多见。因此，研制出一种适合于果园施肥开沟的机械对于果树园林业的发展具 有重要的意义。 1 4 课题研究方法、内容及技术路线 1 4 1 课题研究方法和内容 本课题对园艺要求及果园施肥开沟的现状进行了分析，介绍了开沟机的国内外发 展现状，在此基础上设计现代果园所急需的施肥开沟机，借助三维设计软件进行各个 部件的结构设计和有限元分析，并进行优化，最后进行样机试制与试验。研究的主要 内容包括以下几方面： ( 1 ) 根据现代果园的工作环境和施肥开沟的园艺要求初定开沟机的设计参数， 包括沟宽、沟深、链速、整机前进速度、生产率等。 ( 2 ) 对开沟机进行运动学和动力学分析，得到开沟刀的切土厚度、切土阻力、 切削功耗、总功耗等参数。 ( 3 ) 进行开沟机各个部件的结构设计。设计变速箱以解决拖拉机作业速度与地 头转弯和行走运输速度之间的快速转换控制问题。利用a i p 软件创建其主要零部件的 三维参数化特征模型，并对各零件图进行组装，完成其装配图。 4 析并 1 4 2 5 士学位( 毕业) 论文 2 开沟机的总体设计 2 1 开沟机基本结构和工作原理 2 i 1 基本结构 如图2 - i 所示为施肥开沟机结构示意图。该开沟机为后置链式开沟机，主要由东 方红- 2 0 0 拖拉机、开沟机大架l 、变速箱2 、液压升降机构3 、主梁4 、链条支撑梁5 、 链刀组合机构6 和螺旋搅龙7 组成。用螺栓将拖拉机与开沟机连为一个整体，共同完 成开沟作业。大架固定在拖拉机的后桥上，变速箱安装在大架的上部，螺旋搅龙与链 条支撑梁组合安装在大架的后方。 l234 56 l 大架2 变速箱3 液压升降机构4 主梁5 链条支撑梁6 链刀组合装置7 螺旋搅龙 图2 1 施肥开沟机结构示意图 f i g 2 - ls k e t c ho f f c r t i l i z a t i o nt r e n c h e r 参照传统的开沟机n ，对链式开沟机基本结构研究可以分为四大部分：机身、动 力传动系统、工作部件和安全装置。 ( 1 ) 机身：包括大架、主梁和链条支撑梁。大架是开沟机的固定基础，所有部 件均连接在大架上。主梁上联接液压升降油缸，用于控制链刀的升降。主梁尾部装有 刮土板，可刮出沟底的土，保持沟底平整。链条支撑梁与主梁相联结，用于保持链刀 的正常运动。 ( 2 ) 动力传动系统：传动系统主要包括带传动、链传动和齿轮传动三部分，开 沟机的动力来自拖拉机发动机的动力输出带轮：通过带传动将发动机的动力输入到变 速箱；变速箱通过齿轮传动进行变速，降低动力输出轴的转速并改变动力的传递方向， 增大输出扭矩，最终将动力传递给开沟机主动链轮并带动链刀装置进行开沟作业。 ( 3 ) 工作部件：工作部件包括完成主要工作的主动型工作部件和完成辅助工作 的从动型工作部件。主动型工作部件是以链条带动的切削刀片，链条带动刀片做往复 运动继而进行挖土工作；从动型工作部件包括链条和链轮等。 ( 4 ) 安全装置：安全装置的作用是防止开沟机过载( 或过载时的保护措施) ，保 6 组合刀式果园施肥开沟机的研究 护开沟机的变速箱和其它传动系统。当链刀装置进行分离或挂接的时候可以使变速箱 输入轴停止旋转。本开沟机使用的安全装置是多盘式摩擦安全离合器，安装在开沟机 变速箱的输入端。 2 1 2 工作原理 开沟机工作时，将拖拉机的动力通过柴油机的输出带轮传到开沟机的变速箱输入 轴，经变速箱减速后，传递到输出轴，输出轴的一端通过带传动带动拖拉机行走，一 端带动开沟机进行作业。输出轴上的链轮通过链条带动开沟机上的主轴进行旋转，并 带动其上的主动链轮转动，开始工作时，链刀组合机构先做回转运动，机手通过操作 液压升降机构使主梁开始下倾一定角度，达到所需开沟深度并向前行驶，完成开沟的 工作。开沟刀切削土壤的方式为逆时针切削，即链刀组合机构的旋转方向与拖拉机行 走轮的旋转方向相反，从下向上切削土壤。工作过程中，链条紧边上的开沟刀沿着链 条支撑梁向上运动并切削土壤，切削下来的土壤在开沟刀的带动下绕过主动链轮卸 载，卸载后的开沟刀沿链条支撑梁上侧往下运动，绕过从动链轮继续切削土壤，如此 连续不断的工作。在主动链轮处落下的土壤，经过链条支撑梁下面两侧的螺旋搅龙排 土器被分到沟的两侧，开沟机同时前行，形成沟槽。当开沟机进行地头转弯或运输时， 通过操作液压升降机构使主梁提升到最高位置，拨动换速手柄，使拖拉机能够恢复到 原始状态的行驶速度。 2 2 开沟机基本参数的确定 根据现代果园施肥开沟的相关园艺要求，结合果园的实际工作环境，所开沟的最 大深度不超过6 0 0 m m ，沟宽在1 5 0 m m 至4 0 0 m m 之间，参照园艺要求和国内外现有 开沟机的作业情况，拟定开沟机的基本参数为： 配套动力：1 4 7 k w 开沟宽度：3 0 0 m m 开沟深度：4 0 0 m m 动力输出转速：2 2 0 0 r m i n 前进速度：1 2 0 m h 链条线速度：2 m s 开沟链与水平方向的夹角：a = 4 5 。 2 3 开沟机的运动学分析 根据运动学和几何学原理n 引，推导出开沟机的理论生产率q 、链刀绝对运动速度 y a 、刀片切削厚度6 的数学表达式。 7 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 2 3 1 生产率 机器的理论生产率取决于所开沟槽的截面积与链刀工作部件水平移动的工作速 度，由式( 2 1 ) 计算： q = b h v o = 0 3 x 0 4 x1 2 0 = 1 4 4 m h( 2 1 ) 式中：9 一理论生产率( m 3 1 1 ) 卜开沟宽度( m ) 、卜开沟深度( m ) 根据图2 2 所示的开沟链刀速度矢量图，可得刀片的绝对运动速度。由式( 2 2 ) 计算： 吃= 吃2 + 2 + 2 v l v o c o s t 2 ( 2 2 ) 式中：1 ，i _ 链刀速度( m s ) 1 广链刀工作部件水平移动的工作速度( m s ) r 开沟装置与水平方向的夹角，4 5 0 。5 5 0 之间较为合理1 ，取a = 4 5 0 。 链刀绝对速度向量的倾角) ，按下式计算：t a n y ：生竺翌，一，得y - - 4 4 2 8 。 图2 - 2 开沟链刀速度矢量图 f i g 2 2v e l o c i t yv e c t o rg r a p ho f c h a i nh o b sd i t c h i n g 由于动力载荷作用在链刀上以及切削土壤磨损因素的结果，使其工作链刀的速度 受到一定的限制，对于矿物质土壤工作时，链刀速度仇一般为1 - 2 m s ；对于泥炭土 工作时，圪一般为3 - 4 m s n3 。本课题中参照果园实际土质取v l = 2 m s ，则= 2 0 2 4 m s 。 2 3 2 切土厚度 开沟刀切土厚度6 与刀片节距厶和链条的倾斜角度n 有关， 据几何学原理可得出： 艿= 厶xs i n f l = 厶xv os i n ( a - p ) v l 当v l v 0 时，可以认为v l , , v a ，a - - f l = a 。 这时，式( 2 3 ) 可以变为： 8 由图2 2 和2 - 3 ，根 ( 2 3 ) 组合刀式果园施肥开沟机的研究 万厶x v 0s i n a v l = 5 0 8 x 6 x 1 2 0 x s i n 4 5 。2 = 3 5 9 2 m m 2 3 3 切削宽度 图2 3 开沟装置切土厚度示意图 f i g 2 - 3t h i c k n e s ss k e t c hr a a po fd i t c h i n gs e tc u t t i n gs o i l 初始设计的施肥开沟机，在链条宽度方向上由一把刀切削土壤完成，即开沟刀的 宽度与所开沟的宽度相同，得出切削宽度b = 3 0 0 n u r l 。 对于初步选定的链条节距和刀刃宽度，须要验算其输送和清除土壤的能力。正确 选择的切削宽度b 应能满足下列条件1 ： q q 耳1 4 ( 2 - 4 ) 式中：q l - 链刀按排土能力计算的生产率( m 3 1 1 ) 酶土壤松散系数，根据土壤系数表，土壤类型选择前四类，可确定 局取值范围是：( 1 0 1 1 3 0 ) 么与链条运动速度有关的散开系数，见表2 1 。 表2 - 1 土壤散开系数 t a b l e2 - lc o e f f i c i e n to f s o i ls p r e a d 本课题中取链刀的运动速度为2 m s ，则相对应的土壤散丌系数为0 7 5 。 对于链刀的排土能力的计算生产率，可以通过链条水平倾角与土壤的自然休止角 进行比较得出：其比较原理如下： 当啕+ 删a n 鲁时：q = 3 6 0 0 b 饥 1 - 象t 嘶刊 协5 ， 9 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 大倾斜角度，可利用休止 角测定仪进行土壤休止角的测量。常见的土壤的休止角如表2 2 n 劓。根据实际开沟情 况，本文取休止角为3 5 0 。 表2 - 2 土壤自然休止角 t a b l e2 - 2a n g l eo fn a t u r a lc a e s u r a lo fs o i l 取链刀的高度h d = 5 2 m m ，l d = 3 0 4 8 m m 。 由于a = 4 5 。，所以d + a r c t a i l 丝：3 5 。+ 9 6 8 。= 4 4 6 8 。 k p 扣拽3 兜 由式( 2 - 4 ) 有：q x z q 1 8 1 1 2 4 b 1 9 3