NJ01-005@1G－100稻田旋耕机的结构设计
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机械毕业设计全套
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NJ01-005@1G－100稻田旋耕机的结构设计,机械毕业设计全套
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1 第一章 概述 大田的耕作机械主要有铧式犁和旋耕机两种。 传统的耕作方式是三年一深耕 (犁耕 )、一年一旋耕 (浅耕 )。旋耕机由于具有耕地和耙地的双重作用 ,在耕地机械中占有重要的地位。 旋耕机是一种由动力驱动的土壤耕作机械，旋耕机的耕作部件为旋耕刀辊 ,是由多把旋耕刀在刀轴上按螺旋线排列而成。旋耕机于19 世纪中叶问世 ,但直到本世纪 20 年代欧洲研制成功直角旋耕刀 以后 ,旋耕机才在欧洲旱地得到推广使用 ,日本二战之后为了尽快恢复经济发展 ,决定从欧美引进旋耕机用于农业生产。由于日本大多为水田 ,直角形旋耕刀不适宜于进行水田耕作。 一大批日本学者开始致力于水田用旋耕刀的研究 ,如吉田富穗、松尾昌树、坂井纯等人研制出了旋耕弯刀 ,成功地解决了刀轴缠草等问题。旋耕弯刀的刃口曲线的要求是：弯刀耕作时 ,先由侧切刃沿纵向切削土壤 ,并且是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。这种切削过程可以把草茎及残茬压向未耕地 ,进行有支持切割 ,草茎及残茬即使不被切断 ,也可以利用刃口曲线的合理形状使其从端部滑离弯刀 ,弯刀不致于缠草。这样 ,弯刀适合于在多草茎的水田耕作。能达到这种要求的刃口曲线有阿基米德螺线、等角对数螺线、正弦指数曲线等 ,其中 ,阿基米德螺线应用最广。 旋耕机切土 、 碎土能力强，一次旋耕能够达到一般犁耙作业几次的碎土效果，耕后地表平整 、 松软，能满足精耕细作要求，且缩短工序间隔，有利于抢农时抗旱保墒，减少拖拉机进地次数，减轻对土壤压实，减少能源消耗，降低作业成本，减少机具投资，提高机具利用率，加之近年来国内还田技术和免耕少耕技术的推广应用，旋耕机得到了迅猛发展，已成为拖拉机的主要配套机具之一。 nts 2 第二章 对旋耕机的展望及发展现状 2.1 对旋耕机的展望 现有旋耕机产品虽然在理论上可以配套 58.8 73.5kw 的拖拉机，但实际上因受传 动系统强度及结构尺寸、机架结构强度的限制，配套合理范围仅达 48kw 的拖拉机；耕深亦局限在旱耕 12 16cm，水耕 14 18cm。因此，现有旋耕机产品在品种上尚有大型和深耕型的缺门。 20 世纪 90 年代以来，为适应市场需要，有些企业试图开发大型旋耕机，但因水平有限，仅采用原有产品外延放大和堆砌材料的方法，没有着重结构的改进和参数的优化，因而走了弯路。结合各种因素分析，今后旋耕机应向以下几个方向发展。 随着水稻集约化、规模化生产的发展，水田耕整用宽幅高速型旋耕机成为发展方面。水田土壤含水率高，抗剪切、抗压强度特别低，附着力、外摩擦力也接近为零，切土部件与土壤之间存在润滑水膜。因此，大块水田使用大型拖拉机旋耕机组水耕时，为充分发挥其功率，实现高效率、高效益，需要工作幅宽 3m 以上的宽幅旋耕机。但宽幅又受到道路行驶和入库停机不便的制约，解决途径有二：一是旋耕机采用宽度伸缩或折叠式结构；二是采用适中的幅宽，提高作业速度，从现有的 2 5km/h 提高到 4 8km/h。为满足以上要求，需要改进旋耕机及工作部件的结构和参数，研制宽幅高速旋耕机及灭茬、旋耕、旋耙和深施化肥的复式作业机械。 大中型拖拉机具有强劲的动力输出、较大的荦引 力和悬挂提升能力，为配套旱地耕作型联合作业提供了先决条件。而旋耕机作为驱动型耕作机械，易于更换和附加工作部件，形成灭茬、深松、碎土、做畦、起垄、开沟、精量半精量播种、深施化肥、铺膜、镇压和喷药等多项作业的结构紧凑的联合作业机组，大幅度提高了生产效率，降低了作业成本。国内现有小批量生产和投放市场的系列旋耕复式作业机具主要配套中型拖拉机，在型机具尚待研制开发。 深耕型旋耕机耕深一般不超过 20cm。为了满足增厚土壤熟化层、改善深层透气性以及栽培薯类、根茎类作物需要深耕的农艺要求，近年来国外开发了全幅深旋耕机和间 隔窄幅深旋耕机，耕深达到 30nts 3 60cm 或 90 120cm。国内该型产品的开发刚起步，目前已经批出加深型中间传动卧式旋耕机，耕深达 30cm。加大旋耕深度的主要难点是引起动力机作业负荷和功率消耗急剧增大，机械强度不足和机组功率不平衡。而大功率拖拉机具有双速独立动力输出轴，可以全功率输出，同时具有多个慢速挡以及爬行挡，这也为配套深耕旋耕机提供了条件。卧式深耕旋耕机在国内外正处于转型期，而国内专家学者认为反转旋耕是一种大有前途的耕耘方式，潜土逆转应用在深耕旋耕机上将更能体现其优越性，目前需进一步开展这方面的研究工作 ，完善理论，积累经验，开发出成功的产品。 现在旋耕机的研究另外两个热点是 ,一个是国家今年提出可持续发展的战略 ,降低污染和资源重用已成为当前农业机械设计的最终目的。秸杆还田无疑是一个重要的研究方向 ,其中已出现了反转灭茬旋耕机等新的旋耕机机型。另一个热点是随着温室技术的发展 ,农村已大力推广大棚的使用 ,如太原北郊蔬菜办已提出很多优惠政策来吸引菜农使用大棚。这样 ,小型大棚机械的研制成为目前的研究重点。据报道 ,日本已研制出重量仅为 8.6 公斤的小型旋耕机 ,妇女都可以使用。 2.2 旋耕机的的发展现状 2.2.1 国外旋耕 机的发展现状 纵观国外旋耕机现状，由于拖拉机功率的提高，具有水平轴旋耕部件的旋耕机更加先进、合理，大大提高了旋耕机生产率。上世纪 90 年代前国外旋耕机的技术参数如下页表所示。 从表列出的国外大公司的旋耕机的主要参数看，其单位能耗高达 280KJ/m 700KJ/m,大约高于翻整地机械能耗的 3 倍 6 倍。 国外旋耕机的基本技术参数 为了降低旋耕机的单位能耗，现在普遍采用了改进工作部件的几何参数、选用符合旋耕工作部件作业条件的运动参数等方法进行优化设计，以达到降低能耗的目的。 此外，为了降低能耗，提高旋 耕机的工作效率，在满足农艺要nts 4 求的前提下，必须采用适合分层作业的生产工艺，设计上强下弱的松土工作部件。目前得到广泛应用的分层作业机具采用的是被动（松土）工作部件和主动（旋耕）工作部件。 2.2.2 国内旋耕机的发展现状 我国近年来旋耕机的保有量增加很快，为了适应当前的生产形式（规模），为不同机型拖拉机配套，生产了作业幅： 1.25m2.8m多种型号的旋耕机。如南昌旋耕机厂的 1GN 系列和 1G 系列多种型号旋耕机。连云港旋耕机集团公司生产的 1GE2-210 型旋耕机，1GQN-250S 型旋耕机等。 在黑龙江省农业生产中 ，使用的机型还有 1GHL-280 型松旋起垄机、 1GS Z-201/280 型组合式旋耕多用机、 1GZJ-210 型旋耕灭茬起垄通用机及 1GQH-280D 型灭茬旋耕多用机等。很多机型为了适应黑龙江省农艺要求，在旋耕机后部安装了起垄犁铧。为了装配各种不同的工作件组合设计了专门的机架，以提高旋耕机的应用水平。 nts 5 第三章设计及其计算 近几十年来，随着农业科学技术的发展，旋耕机的研究和应用有很大的进展，出现了多种形式的产品： 1、 按旋耕刀轴的位置可分为横轴式（卧式） 、 立轴式（立式） 、斜轴式。 2、 按与拖拉机连接型式可分为牵引式 、 悬挂式 、 直接连接式。 3、 按刀轴传动形式可分为中间传动 、 侧边传动。 3.1 旋耕机的工作原理与设计原则、思想 3.1.1 工作原理 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 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。 3.1.2 设计原则、思想 nts 6 进行广泛的市场调研，分析市场上现有的国内外机型的优缺点，尽可能利用先进的、成熟的技术，力求有所创新，并充分考虑农民的需求及承受能力和现有工厂条件，也就是说以满足工作性能为基础，达到可靠性、适用性、先进性、经济性及系列化的统一，争取好的经济效益。 3.2 旋耕机的结构及主要技术参数 .(表 1) 旋耕机主要由万向节总成、悬挂架总成、齿轮箱、左弯刀、右主梁总成、右弯刀、左主梁总成、左刀轴总成、右刀轴总成、机罩拖板总成等组成。 表 1 主要技术参数 旋耕机型号 旋耕机 配套动力 铁牛 -55 耕幅 1.84m 耕深 14cm 刀片型式 弯刀 刀片数量（把） 54 输入转速 532r/min 刀轴转速 240r/min 与主机挂接型式 标准三点悬挂（ I 类） 前进速度 2.17km/h 结构质量 402Kg 外形尺寸 长 1374mm 宽 2077mm 高 1328mm 生产率 6 亩 /时 注： 1、 耕深 ：按旋耕机在土壤绝对含水率为 15% 75%的壤土、轻粘土的情况下测得值。 2、 生产率按理论计算值的 70%计算（作业时的最大耕幅）。 nts 7 3.3 旋耕机的设计 3.3.1 总体设计 总体设计包括类型的选择、旋耕机耕幅的确定、与拖拉机的挂接型式及配置型式、传动型式、前进速度、刀轴转速等内容。总体设计要体现设计原则和设计思想，实现旋耕机与拖拉机的合理匹配，达到可靠性、适用性、先进性、经济性及系列化的统一。 3.3.2 旋耕机类型的选择 卧式顺铣（正转）旋耕机具有良好的碎土、覆盖绿肥功能和水田适应性，耕后地表平整，消耗 功率较小。卧式正转旋耕机可用于稻茬田秋季播麦前耕作，水稻插秧前整地，犁耕后耙地碎土，秋耕玉米茬等作业。在稻麦两熟撒播的麦田，采用刀滚直径较小，转速偏高的旋耕机（盖麦机）浅耙，碎土盖麦，有良好的增产效果。所以使用较为普遍，旋耕机也采用这种类型。 3.3.3 旋耕机耕幅的确定 根据主机动力输出功率和旋耕作业时单位幅宽功耗可对幅宽进行初步选定 ,幅宽过大 (刀片增多 )将导致发动机工作过载 ,合适的幅宽则可保证主机功率的充分利用。实际中幅宽的初选可采用经验公式B=0.260.29N,但最终的确定必须经过试验验证。事实 上 ,对于同一种旋耕机 ,主机功率大的配套并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。耕幅 B 与拖拉机动力输出轴的额定输出功率大体成以下关系（已考虑拖拉机提升能力在内）： B=0.260.29N 式中 N 拖拉机发动机的额定功率（ KW） B=1.653m1.843m 3.3.4 旋耕机与拖拉机的挂接型式 nts 8 旋耕机与拖拉机有三点悬挂 、 直接连接和牵引式等三种连接方式，目前我国多采用 前两种连接方式。 三点悬挂式旋耕机的悬挂方法类似铧式犁，动力有拖拉机动力输出轴通过万向节传动轴传递至旋耕机第一轴，驱动刀轴工作。旋耕机悬挂装置参数主要根据万向节伸缩轴与前后轴间的夹角大小和旋耕机的通过性能来确定，要求耕作时该夹不超过 10；地头转弯提升至旋耕刀离地 100-250mm 时，夹角不超过 30。切断动力输出轴动力，提升旋耕机到最高位置时，机下的通过高度一般不小于 400mm，万象节伸缩轴和轴套至少应有 40mm 的重叠量，还应考虑在最大耕深和提升到最高位置时，机架和旋耕机 不碰到拖拉机。 三点悬挂式旋耕机 能与多种拖拉机配套，挂接方便，使用较多。本设计 旋耕机与拖拉机的挂接采用三点悬挂式。 3.3.5 旋耕机与拖拉机的配置型式 旋耕机与拖拉机的配置有两种形式，正配置和偏配置。当旋耕机的耕幅超过拖拉机后轮外缘 10cm 以上时，采用正配置否则采用偏配置，以消除轮辙，使耕后地表平整，耕幅偏出轮胎外缘的距离大于 510cm。为了减少拖拉机对土地的压实，且由于旋耕机的耕幅184cm,大于所配套拖拉机的后轮外缘 10cm，所以采用正后配置。 3.3.6 旋耕机的传动型式 三点悬挂式旋耕机有中间传动和侧边传动两种形式。中间传动适 合于耕幅为 1.752m，旋耕机的耕幅为 1.84m，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减速并改变方向后，由刀滚齿轮轴带动刀轴旋转。刀轴分为左、右两侧。这种齿轮箱特点是机架牢固、刚性好、布局合理，适用于宽幅旋耕机。缺点是箱体处不能安装弯刀，如不设置特殊工作部件，将出现漏耕。 3.3.7 旋耕机的前进速度 根据机组前进速度和旋耕机的生产率计算，由公式： P=B Vm 得 Vm =P/B=4000/1.84=2.17K m/h nts 9 故旋耕机的前进速度确定为 2.17km/h。 铁牛 -55 使用 档前进。 3.3.8 旋耕机的刀轴转速 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尤为明显。为了提高生产率及地区适应性（见 2.3 项），减少能耗，旋耕机刀轴转速选择 240r/min 。 3.4 旋耕机的部件设计 3.4.1 万向节总成 万向节总成是将拖拉机动力传递给旋耕机齿轮箱的传动件 , 万向节总成的一端为方轴，另一端为套管，方轴可以在套管内自由 伸缩，它能适应旋耕机的升、降变化。由于旋耕机工作负荷为变载荷工作条件差，因此选用的十字轴应具有足够的强度和可靠性。 配套设计时，耕幅为 11.5m 的旋耕机可选用 NJ-130 型汽车十字轴总成；耕幅为 1.52m的选用 CA-10B 型汽车十字轴总成。万向节夹叉轴线与十字轴轴承配合孔的中心线的位置度公差带为 0.2mm，垂直度公差带为 0.2mm，十字节轴承二个配合孔的同轴度公差带0.05mm，也可选用带塑料防护罩的 NC T 型农用万向节传动轴系列产品。 旋耕机的耕幅为 1.84m，选用 CA-10B 型汽车十字轴总成。 3.4.2 悬挂架总成 卧式旋耕机的机架呈矩形，由前梁（左 、 右主梁）左 、 右支臂及作为刀轴的后梁所组成。前梁为铸造圆管，中间有齿轮箱，两侧为支臂。悬挂架总成是旋耕机与拖拉机挂接的部件，为了适应与不同的拖拉机配套，在悬挂架上有与拖拉机下悬挂点联接的可安装在不同位置的下悬挂销以及与拖拉机上悬挂点联接的不同位置的孔。 3.4.3 齿轮箱 nts 10 齿轮箱是旋耕机的主要传动部件，其功能是将动力传递给旋耕机的刀轴，并降速到刀轴所需的转速。旋耕机在使用中要求达到额定耕深时齿轮箱的输入齿轮轴 (件 2)处于水平状态，且万向节传动轴的夹角不 大于 10，这就意味着当与之配套的拖拉机选定之后，齿轮箱的输入轴在高度方向上的位置也就基本确定下来了。另外为了适应不同地区的需要，可以通过更换一对锥齿轮 (件 2 和件 8)来达到不同的刀轴转速。 3.4.4 左、右主梁总成及机罩拖板总成 由于开发的是加强型旋耕机，所以除左、右主梁总成外，在机罩拖板总成中设计有后梁，它们侧板共同构成了旋耕机的机架机罩能挡住旋耕刀抛出的土块，并使其在撞击过程中进一步破碎，同时还可以保护操作者的安全，改善劳动条件。罩壳一般成凸弧形，布置在刀滚的后上部。罩壳与刀滚之间的空隙，前端 约 3040mm，后端约 7080mm. 拖板对地表起平整和稍加压实的作用。为了提高碎土率、地表平整度和压实表土的效果，设计中使用了强压式的拖板结构，且其压力可调，以适应不同的土壤条件。 3.4.5 左、右刀轴总成 左、右刀轴总成由弯刀、刀座及轴组成，是旋耕机的主要工作部件。刀轴传动有刚性传动、扭杆传动和弹性传动三种，弯刀及刀座都是标准件，旋耕机选用刚性传动和 IT245 弯刀。 3.4.6 旋耕机对刀片排列的要求 弯刀在刀轴上的排列是影响耕作质量及功率消耗的重要因素之一， 为了使旋耕机在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 2 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）在刀轴回转 1 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nts 11 波动幅度，以保证工作稳定性和刀轴负荷均匀。 3）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。 4）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间的夹角，以避免发生堵塞。 3.4.7 现有旋耕机刀片排列存在的问题 根据上述旋耕机刀轴上刀片排列的要求，我国现生产的旋耕机的刀片一般按双螺旋线规则排列。采用此排列方法较好地满足了以上要求，但是在实际应用中又出现了许多新问题： 1）由于刀轴上的刀片按 2 条螺旋线排列，其中左弯刀按一条螺旋线排列，相间 180，右弯刀按另一条螺旋线排列，而且 2 条螺旋线的旋向一致，所以工作时刀轴旋转弯刀就会将土壤沿着螺旋线的方向输送，因此耕后的地表一边土多，另一边土少，并且旋耕机容易 跑偏。 2）在同一个回转平面内，相间一定角度焊 2 个刀座，很容易产生焊接变形，使刀轴的直线度达不到要求。 3）采用此刀片排列法，刀片的个数多，耕作阻力大，旋耕机制造成本高，旋耕机工作效率低。 3.4.8 解决方法 1）由于旋耕机工作时向侧边输土，主要原因是刀片在刀轴上按 2 条螺旋线从左到右顺时针或逆时针排列，这样就为侧向输土造成了条件，所以解决问题的方法是使 2 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）。我们知道区段分得越多，侧向输土越少；但是区段越多，刀片排列越复杂 ，排列越没有规律性，给使用者安装刀片带来了很大的困难。所以区段不能分得过多，也不能分得过少，具体数量应根据刀轴的长度而定 ,一般区段长度定为 25cm-35cm，相邻区段螺旋线的旋向要相反。nts 12 前进方向图 4 旋耕机刀轴上刀片排列图 2) 由于刀片排列是按 2 条螺旋线排列的，为了不产生漏耕，一般在同一回转平面内，设置 2 把刀 (1 把右弯刀， 1 把左弯刀 )，而且 2 把刀的相间角一般在 90-180，这样焊刀座时加热不对称，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。 3) 旋耕机的刀片排列一般是在同一回转平面内设置 2 把刀，由于刀片有一定的厚度，所以必然产生重耕。如果把这 2 把刀轴向相间一个或稍大点的刀片厚度，这样即不会产生漏耕又不会产生重耕，还可以节省刀片数量，减少功率消耗，降低耕作阻力。 3.5 旋耕刀的设计 3.5.1 旋耕刀的分类 旋耕刀是旋耕机的主要工作部件，旋耕刀按结构形式大致分三种类型：凿形刀，直角刀，弯刀，如图 5；三种刀片相对土壤运动的情况基本 上可以分为两种：第一种，凿形刀及直角刀在切削过程中nts 13 其侧切刃由远及近切削土壤，正切刃先入土，对土壤有较大的松碎作用，但草茎，残茬易缠于刀轴，其中凿形刀尤为严重；第二种，弯刀工作时，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，可以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，也可以利用刃口曲线的合理形状，使其滑向端部离开弯刀，弯刀不易缠草。 图 5 旋耕刀的种类 3.5.2 旋耕刀的结构 旋耕刀主要有侧切面、正切面、过渡面三部分组成，旋耕刀各部位名称见图 6，侧切面具有切开土垡，切断或推开草茎 、 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。 侧切面部分主要由南京农业大学曲国良进行研究 ,提出了多种刃口曲线，刃口曲线传统设计方法见图 6。正切刃部分主要由南京农业大学彭松植进行研究，提出了平面型和曲面型正切面的设计方法。过渡面部nts 14 分主要由江苏理工大学陈均进行研究 ,采用了铁路弯道设计 中的放射螺线作为生成过渡面的曲导线。放射螺线的基本性质是曲线上任一点的曲率半 径与该点距曲线起点的弧长距离之积为常数。 3.5.3 旋耕刀的设计 弯刀刀刃的设计 弯刀刀刃的设计包括切沟墙的侧切刃和切沟底的正切刃两部分。 （ 1）侧切刃的设计 国产的各种弯刀，侧切刃均为等近螺旋线（阿基米德螺线），其方程为 =0+a 式中 0 螺线起点的极径（ mm） ; a 螺线极角每增加 1 弧度，极径的增量 (mm); 螺线上任意点的极角（ rad）。 螺线终点处的极径 n=0+an 在确定 n、 0 及 n 值后可求出 a值。 a= （ n-0） /n 螺线起点的极径 0 为避免无刃部分切土， 0 可由下式求得 0=R+S-2S(2Ra-a) 式中 S 设计切土节距； a 设计耕深 R 弯刀回转半径，为减小阻扭矩，应在满足耕深要求和结构许可的情况下，采用较小的尺寸。 0=245+171.25-2*171.25(2*245*140-140)=116.344mm; 螺线终点处的极径 n 为使螺旋线能与正切刃圆滑过渡， n值一般较弯刀回转半径小 1020mm,n=230mm。 螺线终点的极角 n 可由下式求得： n=（ n-0） /ntgn 式中 n 为螺线终点处的滑切角，常取 50 60。 这样可得 n=（ n-0） /ntgn=(230-116.344)/230tg55=0.706rad; a= （ n-0） /n=(230-116.344)/0. 706=160.986; 将 a代入式 =0+a，并从 0 到 n 之间分成若干份，顺序选nts 15 定若干 代入该式，分别求出对应的 ，即可作出侧切刃螺线。 螺线的静态滑切角 （刀刃的曲线角）即刀刃上某一点的极径与该点切线之间的夹角。其数值应满足不缠草和耕耘阻力小的要求，即 90- 式中 根茎对刀刃的摩擦角。 （ 2）正切刃曲线 正切刃是一空间曲线，为使沟底较平整，正切刃曲线位于刀滚的圆柱面上及在侧视图上其投影为圆弧，两段刃口间以圆弧 线连接。 （ 3）弯刀的其他参数 弯刀工作幅宽 b 增大幅宽可减少旋耕机上的弯刀总数，但过大则影响弯刀的刚度和碎土质量，取 b=50mm。 弯刀横弯半径 r 通常大于 30mm，半径过小，工作时弯折圆弧处易粘土，功率消耗也增加。 磨刃 为便于制造，一般采用双磨面刃， NJ103 75 标准弯刀的双磨面刃，磨刃宽度为 12mm，刃口厚 0.51.5mm。由于刀厚从近刀柄处至刀端逐渐减薄，刃角 i 由 36减小至 7 。 材料和技术条件 用 GB699 65 规定的 65Mn 钢制造。切削部分必须进行淬火处理，淬火区硬度为 HRC5055。旋耕弯刀应用样板进行检查，刃口曲线形状误差不得大于 3mm。刃口的残缺深度不得大于 2mm,每把刀上不得多于 2 处。 3.6 犁体总成 中间传动旋耕机由于中间传动箱较宽，通用的旋耕刀耕不到箱体下面的土壤，影响耕作质量。为解决这个问题，可以在中间传动旋耕机的传动箱的前下方安装窜垡型小犁，或者安装带斜面偏心轴套式旋耕装置，即在传动箱两侧固定偏心轴套，轴套中心线和刀轴中心线相交成一角度，刀轴通过齿轮带动内轴套转动，内轴套外面安装带刀座的外轴套，旋耕刀由偏心旋转的外轴套带动旋转，旋耕刀入土时就偏斜到箱体下切削土壤， 但结构复杂。 1.2 型旋耕机采用前一种。 nts 16 第四章 旋耕机的几项验算 刀齿工作时的切削速度、入土角和最大工作深度是卧轴式旋耕机最基本的工作参数，其性能直接影响着旋耕机的作业质量、功率消耗及生产率的大小。 4.1 旋耕刀片端点的圆周速度 Vo 据设计资料介绍，旋耕刀片端点的圆周速度一般为 3-8m/s。旋耕机选用 IT245 弯刀，则刀片端点的圆周速度分别为 : Vo=2Rn/60000=6.158m/s 式中 :R 刀轴回转半径， R=245; n 刀轴转速，n=240r/min. 轮轴式旋耕机刀齿端点的运 动轨迹和常规旋耕机刀齿端点的运动轨迹一样 ,是由机组的移动和旋耕刀齿的转动合成的。如图 7 所示：以旋耕刀齿端点位于前方水平位置时的刀辊轴心为固定坐标系 的原点 ,轴正方向和机组前进方向一致 ,轴正向垂直向下 ,机组的前进速度为 ,刀辊的转动角速度为 ,则旋耕刀端点的运动方程为 : +（） （） 其中 旋耕机刀齿端点的转动半径 时间 令 /（为旋耕速比） 则 / nts 17 将其代入（）式得 : / +R（ ） （） 刀齿端点回转圆周速度）将其代入（）式得 : （ / +）（） （） 从上式可见 : （）当时 ,（即 ） ,刀齿端点的运动轨迹为 : （ +） 此方程系一正常普通摆线 ,在这种情况下 ,旋耕刀齿就象具有轮爪的轮子一样 ,在地上滚动 ,刀齿只能在地表上凿一小窝 ,而不能耕松土壤。 （）当（即 ）时 ,刀齿端点绝对运动轨迹为一具有绕扣的余摆线 ,如图 7 机组前进速度 越小（越大时）曲线形成的绕扣越大 ;当 趋近于时 ,绕扣的最大横弦趋近于刀齿端点回转直径。此时 ,曲线趋近于以刀齿长度为半径的圆周。在这种情况下 ,旋耕轮原地刨坑。 对旋耕轮而言 ,机组前进速度 只能小于或等于旋耕轮的旋转圆周速度。即 。 由以上分析可见 :只有当 ,（即）时 ,旋耕轮才能正常作业。但 又不能太小 ,太小 ,则生产效率又太低 ,甚至于原地刨坑。 太大 ,又影响作业质量。故 和必须有一合理比值。 4.2 最大耕深 Hmax 从图 7 可知 :刀齿端点的运动轨迹 : + （） （） 将此方程分别对求导数 ,即得刀齿端点的运动速度在轴和轴方向的分量。 -（） （） nts 18 由（）式可知 ,其中 为机器的前进速度。为刀齿端点的圆周速度 ,为刀齿端点的圆周速度在轴上的分量。据前面分析可知 :轮轴式旋耕机刀齿端点的圆周速度只能大于机器前进速度（ ） ,才能正常作业。为了保证刀刃切土 ,刀齿从开始切土到铣切完毕 ,都不应使刀齿顶土 ,这样 ,就必须使刀齿刃口有向后的分速度。 即 -（） 旋耕机的耕深与其结构参数和运动参数 和（）有关。 从图 7 可知 : -将此式代入（）可得 : （ -） / 再将此式代入（）得 : （ -）此式即为刀齿合理的切土条件。 整理得 : （ - /） 由上式可见 :耕深与、 和有关 ,当增大时耕深可增大 , ,也即使或增大 ,功率消耗也增大。但不能太大。太大 ,功率消耗增大。当 /比值减小时 ,耕深也增大。但 减小 ,生产率又下降。若使增大，对轮轴式旋耕机而言 ,轮轴（刀轴）转速不可能太高 ,因此 ,将不能随意增大。故 /必有一合理比值 ,这样 ,就限制了耕深不可能太大。 合理的切土条件是： Hmax R(1-Vm/Vo )(mm) 式中： Hmax 最大耕深 (mm); Vm 机组前进速度 (m/s), Hmax245（ 1-2.17/6.158） =158.665。 旋耕机的耕深选用 140mm. 4.3 切土节距 S 碎土质量好和耕后地表平整，是旋耕作业的优势 ,碎土质量由切土节距、刀片的轴向间距、刀轴转速、拖板形状以及土壤含水量等决定 ,切土节距的大小直接影响碎土质量 和沟底平整度，降低机组前进速度，提高刀轴转速和增加每切割小区内的弯刀数，都能减小切nts 19 土节距，提高碎土质量。但机组前进速度过慢，生产率低；刀轴转速过快，功率消耗大；弯刀数增加，刀间的空隙小，容易堵泥缠草， 所以切土节距不能设计过小。切土节距增大时，沟底不平度也加大。因此需要根据土壤种类和含水率采用适当的切土节距。切土节距按下式计算： S=60000Vm/nz 式中： S 切土节距（ cm）； Z 同一切割小区内的弯刀 S=6000 2.17/（ 240 2） =17.125cm;如图 8 所示。 4.4 沟底凸起高度 旋耕后沟底出现波浪形的土埂，其高度 a1 一般应小于耕深的20%,其值可按下式计算： a1=R1-cos(/z(-1)(mm) 式中： 旋耕速比； =V0 /Vm。 a1=2451-cos(/2(-1)=111.283mm; 4.5 功率消耗 N 旋耕机工作所需功率包括克服切削、破碎及抛土阻力所需的功率和传动部分消耗的功率两部分 ,而以前者为主。 影响旋耕机功耗的因素较多， 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nts 20 类型及排列诸因素也对次产生不同程度的影响。 （ 1）刀周转速 机组前进速度不变的情况下，旋耕机所需功率随刀轴转速增加而近似直线形增大。切土节距相同时，刀轴转速和前进速度越高，所耗功率增长越剧烈。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，仍可降低单位面积的能耗。 （ 2） 前进速度 在刀轴转速保持不变的情况下，旋耕机所需功率随前进速度增加而近似线形增大。 （ 3） 土壤含水率与土壤坚实度 在同一种土壤上试验，所需功率随土壤含水率的增加（或土壤坚实度的减小）而减小。影响旋耕机功耗的因素较多可用下列经验公式估算： N=0.1 K a Vm B(kw) 式中： a 耕深（ cm）； B 耕幅（ m）； K 旋耕比阻（ N/cm）； （ K= Kg K1 K2 K3 K4） 当旱耕时，由 农业机械设计手册 上册 185 页表 2.2 4 得： 表旋耕比阻 K 切土节距（ cm） 69 1215 1821 Kg(N/cm)(一般粘土麦茬，耕深 15cm,土壤含水率 20%) 1316 1113 510 修正系数 耕深修正系数K1 12cm 0.81.0 18cm 1.01.2 土壤含水率修正系数 K2 30% 0.95 40% 0.92 残茬植被修正系数 K3 稻茬 1.01.2 绿肥 0.81.0 作业方式修正系数 K4 旱耕后旋耕 0.660.71 灌水旋耕 0.660.73 nts 21 水耕后旋耕 0.30.5 注：本表试验用旋耕机，刀滚直径 490520mm，刀轴转速200220mm，每切割小区内刀数 2 把。 K= Kg K1 K2 K3 K4 =10*1.0*0.93*0.9*0.69=5.7753N /cm; N=0.1 K aVmB=32.283kw。 4.6 刀片的后角 刀片在切土过程中，刀刃的轨迹曲线与刀背的夹角 称为刀片的后角，后角的作用是使刀片能很好的入土，并避免刀 背挤压未切下的土壤。刀片初入土时， 值较小以利入土；刀片在受到土壤阻力最大的位置时，后角大小适度以减少功率消耗，刀齿在完成切土后，后角较大以便向后抛土。后角的大小是由刀背的结构参数与刀刃运动轨迹决定的。 4.7 工作前的安装与调整 旋耕作业之前，旋耕刀的排列安装是一项重要的工作。安装不当，将严重影响作业质量，并因刀片旋转不平衡，会导致机件损坏和机组震动增大，且不安全。为使旋耕机在作业时，避免漏耕和堵塞，刀轴受力均匀，刀片在刀轴上的排列配置，应满足以下要求： 1. 配置两把以上的刀片，应保证切土量相等，以达到碎 土质量好，耕后沟底平整。 2. 在刀轴回转一周过程中，在同一相位角，必须是一把刀入土，以保证工作稳定性和刀轴负荷均匀。 3. 相继入土的刀片，在刀轴上的轴向距离越大越好，以免发生堵塞。 4. 左弯和右弯刀片应尽量交错排列，以使刀轴两端轴承受力平衡。一般刀片按螺旋线规则排列。 旋耕刀的安装方法有三种： 1. 内装法 安装时，全部刀片都朝向刀轴中央，耕后，地面中部凸起。 nts 22 2. 外装法 除最外端的两刀片内装外，其余刀片全部都向外装，耕后，地面中部凹下。 3. 混合装法 刀片内外交错排列，耕后，表面平整。 旋耕刀片 安装时，要注意使刃口朝入土方向。 与轮式拖拉机配套的旋耕机，其耕深由拖拉机的液压系统控制。整体和半分置式液压系统应使用位置调节。分置式液压系统使用油缸活塞杆上的定位卡箍调节耕深，工作时操纵手柄放在 “浮动 ”位置上。 作业时机架应保持左右水平，前后位置使变速箱处于水平状态。其水平调整是通过悬挂装置的左右吊杆来调整水平的。当拖拉机的前进速度一定时，刀轴转速快，碎土性能好；刀轴转速慢，碎土能力差。而刀轴转速一定时，拖拉机速度快，则土块粗大。一般来说，刀轴的速度通常用慢档，要求土壤特别细碎或耕两遍时，可用快档。旋耕作 业耕头遍时，拖拉机用 、 档，耕二遍时，可用 档。 4.8 旋耕机选购时要注意以下几个问题 （）配套要合理。旋耕机功率消耗应低于配套拖拉机的输出功率，旋耕机作业幅宽应能覆盖配套拖拉机之左右轮辙，三点悬挂式旋耕机配套后对拖拉机前后轮受力状况无大的影响。 （）安全可靠。旋耕机转动部分有安全护罩，而且护罩要结实；旋耕机单独放置时应能放稳，不施外力不致翻倾；旋耕机外壳上最好有安全警示标志。要配有内容齐全、正确明了的使用说明书，内容包括技术规格、安全注意事项、正确的装配及使用与操作的说明或适当的图示、调整方法及 调整量说明、维护与保养说明和常见故障的排除方法等。 （）能满足当地农业要求。耕作尝试应能东路水稻或其他要求一定耕深的作物生长的要求，一般旋耕机耕作深度不应小于 10cm。 （）有良好的售后服务。购买地应有修理和配件伛我，购买时须配有有关修理、更换、退货的 “三包 ”服务卡，售后服务承诺应符合农业机械产品修理、更换、退货责任的规定。 （）应尽量选购已获得农业部农业机械推广许可证并贴有农业部农业机械推广许可证证章的旋耕机产品。 nts 23 4.9 旋耕机使用技术要点 旋耕机的结构、性能和使用操作方法与犁耙 大不相同，使用者只有熟悉旋耕机的结构特点、工作原理和性能正确掌握，使用方法才能发挥其功效、防止机具或人身事故的发生。现将其使用技术要点叙述如下： 1、正确选择旋转刀片安装方式 不同刀片安装方法可以得到不同的耕作效果。刀片安装分 3 种：一是常用刀片安装方式，这种排列方式耕作后地表平整，适用于平耕；二是旋耕 -开沟联合作业安装方式，这种排列方法耕后地中间开成一浅沟，土块抛向两侧，以利中间开沟作业的进行；三是畦作刀片安装方式，机器跨沟旋耕时，部分土地被抛向沟中达到填沟的作用。进行旋耕作业时，要根据不同农艺要求，选择合 适的刀片安装方法。 2、万向节传动轴的安装 万向节传动轴由 2 个活节组成，安装时需注意 2 点：一是旋耕机在升起或工作状态时，方轴与套既不要顶死，还要有足够的配合长度；二是必须使方轴及套的夹叉处于同一平面内，以免影响作业质量和造成拖拉机与旋耕机传动系统及相关零件损坏。 3、旋耕机的调整 左右水平调整。拖拉机停放在平地上，将旋耕机降下使刀尖接近地面，看其左右刀尖离地高度是否一致，若不一致，可通过拖拉机悬挂机构左右提升杆调整，使旋耕机处于水平状态，以保证左右耕深一致。 万向节前后夹角的调整。将旋耕机下降到要求耕深时， 看其万向节总成前后夹叉是否水平，夹角是否最小，前后夹角是否相等。可用调节上拉杆长度的方法，保证万向节夹角最小，使之处于最有利的工作状态。 耕深的调节。通过液压悬挂机构升降来调节耕深。为保证旋耕机作业时耕深一致，可用定位手轮将调节手柄档住或将油缸活塞杆上的定位卡箍调整适当后固定。 旋耕机提升高度的调整。由于万向节夹角不宜过大，一般在转弯提升时只要使刀尖离地 20cm 即可，可以不切断动力输出而转弯空行，nts 24 如遇过沟埂或道路运输需提升到较高位置限制，在位调节扇形板上的适当位置固定限位螺钉，使位调节手柄在提升时每次都处于 同一位置，达到相同的提升高度。 4、前进速度选择 旋耕机前进速度选择的原则是满足碎土和沟底平整的要求，即要保证耕作质量，又要充分发挥拖拉机的功率，达到高效、优质、低耗的目的。 在一般情况下，旋耕时前进速度为 3km/h，即上海 -50 型拖拉机 II 速作业、铁牛 -55 型拖拉机低 III 速作业，旋耕后再耕后再耙地的前进速度可以高一些，即上海 -50 型拖拉机用 III 速作业、铁牛 -55 型拖拉机可用低 IV 速作业。 5、作业注意事项 机组赴必须平稳。在旋耕机升起状态下，结合动力输出轴，挂上工作档，要柔和地松放离合器踏板，同进操纵 液压机构位调节手柄，使旋耕机逐渐入土，到正常耕深。禁止起步前先将旋耕机入土到耕深或猛放入土，因为这会使旋耕机损坏和拖拉机离合器严重磨损，特别严重时会使动力输出轴折断。 检修保养旋耕机时，必须切断动力，以防传动部件伤人。 旋耕作业中严禁倒车，倒车时需将旋耕机升起。 转弯时，必须将旋耕机升起，禁止在耕作中转弯，否则将使刀片变形、断裂，甚至损坏旋耕机。 工作时，禁止在旋耕机上或机后站人。 注意经常检查万向节插销及十字节档圈，已损坏或技术状态不良时应禁止继续使用，以免发生意外。 进行长距离运输或转移时，应拆除与拖拉 机动力输出轴连接的万向节，并将旋耕机升到最高位置。 nts 25 结 论 旋耕机传动的合理性，对旋耕机的整地质量影响很大。水平旋耕部件的动力来源于拖拉机的动力输出轴，中间传动装置是万向节和中央调速器。旋耕入土深度小于旋耕工作部件半径的 10%20%。考虑到旋耕工作部件半径大小所需的相适应的单位能耗，使旋耕部件的旋耕轴距离地表较低。有的旋耕机依据旋耕部件与耕深的相对关系，把中央调速器直接设计安装在旋耕工作部件的轴上。这样保证了农具的最小能耗、最少的材料消耗和较好的工作质量。由于调速器壳体下是未耕地，存在如何保护好调 速器壳体的问题。 国产的 1G-150 旋耕机和 1G-140 旋耕机等多种机型的旋耕轴配置在地表水平面上或的低于地表。为防止调速器外壳的损坏，在壳体上或前犁柱上安有专用的分土铲。分土铲开出的铧沟被补助整地作业消灭。 整地旋耕机的缺点是修理费用高。其主要原因是旋耕部件数量多，易磨损。一般提高旋耕刀寿命的方法是：采用合金熔焊；应用新材料；设计上选择更为合理的配置方案等。 nts 26 致 谢 通过这次设计，我深深感受科技工作者设计出一个新产品的艰辛，不但要查阅大量的资料 ，还要进行现场调研，充分考虑现代社会的发展要求，同时还要考虑农民的承受能力，既要降低价格，又要符合农艺。因为农机科学是一个边缘学科，故农机工作者要紧跟时代步伐。我这次进行旋耕机的设计，虽然进行了三个多月的时间，但自问很多地方根本就不是设计，充其量也就是弄懂了它的工作原理，根本无法进行生产制造，更别说进行工作了，但通过这次毕业设计，我熟悉了进行农机设计的全过程，也就达到了这次设计的核心要求。非常感谢三年来领导和老师对我的教育和培养。 nts 27 参考 文献 1 、农业机械设计手册（上册） .中国农业 机械化科学研究所 编 .机械工业出版社 .1988 年； 2 、机械工程手册 .第 11 卷机械产品（一） .机械工程手册，电机工程手册 编辑委员会 编 .机械工业出版社 .1982 年； 3 、驱动型土壤耕作机械的理论与计算 .李守仁 .杜金天 编 .机械工业出版社 .1997 年； 4 、农业机械手册 .日本农业机械学会 编 .机械工业出版社 .1991 年； 5 、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 .濮良贵，纪名刚 主编 .高等教育出版社 .2001 年； 6 、机械设计课程设计手册（第二版） .清 华大学 吴宗泽 北京科技大学 罗圣国 主编 .高等教育出版社 .1999 年； 7 、机械制图 .董国耀 主编 .北京理工大学出版社 .1998 年； 8 、农业机械学 .李宝筏 主编 .中国农业出版社 .2003 年； 9 、农业机械理论及设计 (上册 ) .镇江农业机械学院 .,吉林工业大学合编 .中国工业出版社 .,1961 年； 10、旋耕刀的研究现状与展望 .孔令德 ,张认成 编 .江苏理工大学学报 .1997.18(3):88-92； 11 、农业机械学 (上 ) 桑正中 编 .中国农业机械出版社 .1987年； 12 、东方红 1GQN 系列旋耕机的研制开发 . 刘保军 耿亚飞 编 . 2002 年； 13 、关于轮轴式旋耕机的几个问题的探讨 . 吴德印 郭占俊 编 . 农业机械化与电气化 . 1998.5： 22 23； 14 、国内外旋耕机的技术状况 . 周建来 李源知 焦巧凤 编 . 农机化研究 . 2000.5（ 2）： 49 51； 15 、浅谈拖拉机与旋耕机合理配套 .李伦 杜峰 韩建刚 编 .拖拉机与农用运输车 .2002（ 6）： 22 25； 16 、旋耕机的市场前景分析 .刘峰梅 李英华 闫林平 编 .探讨与研究 .4； nts 28 17 、新型旋耕碎茬通用机的
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