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微耕机的结构设计与动力学分析 201 农机化研究 第4期2年4月微耕机的结构设计与动力学分析张柯柯,卢剑锋,张富贵贵州大学机械工程学院,贵阳550003摘要:随着我国农村经济的不断发展及农业结构的不断调整,微耕机的需求量在不断地增加。为此,在收集整理不同土质情况下微耕机的工作数据基础上,通过理论探讨,分析了微耕机的主要结构、工作原理及技术参数的选择;系统地阐述了微耕机的整机设计方法和过程;最后,采用有限元以及图表分析方法对工作部件进行受力分析与校核。关键词:微耕机;结构设计;有限元分析文献标识码:A 文章编号:1003?188X201204-0058?04中图分类号:s222多采用2.20?6.6kW 柴油机或汽油机作为配套动力,O引言传动方式主要分为齿轮传动和皮带型传动,工作部件随着我国农村经济的不断发展及农业结构的不断 一般为弯刀刀片,按一定的规律固定在刀轴上。微耕调整,微耕机以其体积小、质量轻、灵活性强和能适应 机工作时,刀轴由发动机的动力输出轴经变速器驱动多种作业环境等特点,需求量在不断地提升。目前, 旋转,刀片随刀轴转动自地面从上向下切削土壤;随着机组前进,旋转刀片不断切入未耕土壤,切下的土国内对微耕机的研究主要集中在整体性能、制造工艺块被抛向后方,并与挡泥板相撞,进一步破碎再落到和适合当地特色的配套机具研发上。例如,山西省研地面,达到松土碎土的目的。制出的l GD 一40型直流电动多功能微耕机,可实现一机多用;张晓东等研发了一种适合棚室作业特点的微耕机具,可以解决由于棚室空间狭小普通微耕机操作不便和棚室边缘耕作死角问题;云南大学对微耕机刀辊半径设计、旋耕刀具设计和微耕机速比系数优化设计等方面进行了研究等。J 。目前,就中国的农机市场来说,微耕机的机型并未形成完整成熟的体系,技术相对落后,同时没有详细的关于微耕机的设计资料。为此,本文详细综述了微耕机在整体框架设计中所涉及到的技术支持以及参考结论,并对微耕机关键工作部件的参数设计予以1.机架2.发动机3.离合器4.侧减速器5.手把组合详细的分析和讨论,对于微耕机结构的设计工作有一6.限深装置7.中央减速器8.旋耕部件定的参考价值。图I 微耕机的结构简图ne stnIctuofmicfo?ti llage咖lli 腿Fi g.11微耕机的总体设计1.2参数的选择与计算1.2.1动力部分1.1整机的主要结构与工作原理动力部分是整台微耕机的核心部分,发动机功率微耕机主要由工作部件、机架、传动系统和动力的大小决定着整台机器工作的速度、幅宽和耕深等,等部分组成,如图l 所示。目前,国内销售的微耕机可根据单位幅度确定发动机的功率。收稿日期:20l l 一07一121.2.2工作部件基金项目:贵州大学自然科学青年科研基金项目2009?0361 机组前进速度吃。根据行人在田间的行走速作者简介:张柯柯1986一 ,女,浙江台州人,在读硕士研究生,E?mail zl 【kann126.c 。度及农艺需求确定,一般在0.55?0.88m /s 之间。通讯作者:张富贵1973一 ,男,贵州仁怀人,副教授,博士,E?m 且i l2 耕幅B。耕幅与动力输出轴的额定输出功率的zl lfigui “p.sohu .。?58?2012年4月 第4期农机化研究关系为6000秽。 儿Rao。 百 。 丽Bo.26o.29肛m式中A 一旋耕速比,A 鼬 / 吃 ;式中,v一拖拉机发动机的额定功率kw 。一旋耕刀回转角速度rad/s 。3 耕深矗。根据经验及农艺要求,一般旱耕为128 刀片总数量Z。根据经验公式,每台微耕机上16cmo安装的弯刀总数计算公式为4 同一切削小区内的旋耕刀数z。根据经验确定:一般水耕时,旋耕刀为l 或2把;旱耕时,刀数町适肚 半当增加。式中Z一取偶数;5 刀滚转速n。常用刀辊转速为190280r /min。B一弯刀间距,对中间传动微耕机来说,日为左目前,我国大多数的微耕机是按照低刀轴转速和较高右弯刀刀滚的耕幅之和。前进速度的原则设计。由于弯刀切土时会撕裂附近的土层,因此刀座间6 刀片的选择及刀片的设计。微耕机的刀片的距6在保持不产生实际漏耕带的原则下,刀座的间距形式主要有L形刀片、直刀、松土齿或弯形刀片等。6可较弯刀间距B大一些,其计算公式为其中,L形刀片主要用于耕作湿草原、沼泽、草根土和66+6含有植物残茬的土壤;直刀适用于耕作草根土以及草通常情况下,6:15?20mm 。本植物不多而且耕深系数为12一15cm 的新开垦的土为了能让耕整机正常工作,可留有一定的功率余地;松土齿刀片不经常使用;弯刀比较适合用在南方量,因此取工作刀片总数可小于计算出的数值。的土壤条件或用于熟地的耕作作业。9 弯刀在刀轴上的排列。一般采用多头螺线排微耕机刀片的回转半径用R表示,其数值的选择列,要求刀滚每转过360。/z 7有一把弯刀入土,使扭矩直接会影响到刀辊阻扭矩的大小。为了减小阻扭曲较为匀衡,减小扭转波动幅度,尽量使刀轴左右弯刀的大小,应该在满足农艺耕深的要求的条件下尽可能交替人土,减小旋耕刀对微耕机重心的转矩,以保持采用比较小尺寸的刀片的半径。根据国内外的经验机器工作时的直线性。左右弯刀交替入土可减小对设计来看,一般耕深为12一16cm时,刀片的半径采用刀滚轴承的侧压力,切割区内几把弯刀的切土量力求240260mm。相近,尽可能地增大轴向相邻两弯刀间夹角,以避免以弯刀为例 如图2所示 ,弯刀的刀刃设计包括堵塞。切沟墙的侧切刃A 日和切沟底的正切刃BC两部分。国产的各种弯刀侧切刀均为阿基米德螺线,其方程为7口ppo+a式中p。一螺线起点的极径mm ;a7一螺线极角每增加1弧度时极径的增量mm;沪螺线上任意点的极角rad 。螺线终点处的极径为p。风+a口。螺线起点的极径lp。为避免无刃部分切土,可由下式求得,即厂 ?- ? ?二;1.正切刃2.前端部3.弯折线4.侧切刃5.侧切部p0R2+S2一2尺一n26.安装孔7.刀柄8.刀滚中心9.后缘弯刀的正切刃是一空间曲线,为使沟底较为平图2弯刀的结 构示意图整,正切刃曲线位于刀滚的圆柱面上,即在侧视图上The Btmctu即of macheIeFig.2其投影为圆弧,两段刃口间以圆弧线联接。1.3传动装置7 切土节距S。土垡的水平纵向厚度称为切土节传动 式主要可以分为齿轮传动和皮带型传动两距5,计算公式为种类型。?59 ?农机化研究 第4期2012年4月1.3.1齿轮传动型 全分开来测定是非常困难的,但可以测出阻力在x?l ,采用齿轮传动的微耕机是指通过法兰盘连接发动 一z坐标轴分力的合力,即把Q 。;,Q 。i 和Q。i 投影到3个机和变速箱,动力由湿式摩擦离合器或者锥面摩擦离 坐标轴上,分别合成,3个分力Q扪仉和仉。合力Q ;计算公式为合器直接传递到变速箱内。变速箱内有主轴、副轴和倒挡轴等,通过拨动主轴和倒挡轴上的双联直齿轮的Qi钿5砭了西位置,可实现快挡、慢挡和倒挡的转换。采用齿轮传动的方式比较稳定可靠,安全系数高。整机的质量适中,在硬地、大田块或浅水田等地域作业具有明显的优势,但其制造成本较高。1.3.2皮带传动型采用皮带传动的微耕机一般是指发动机动力输出采用侧向布置,通过皮带传递到变速箱内,动力的离合通过皮带的张紧来实现。变速箱体一般为整体式结构,上部为变速部分,下部为动力输出部分,两部分之间多数采用链条传动。采用皮带传递的方式可以减小对发动机的冲击力,具有一定的保护作用。整机具有质量轻、结构简单紧凑、制造成本低、价格便宜等【c特点,适合山区、丘陵或平原等不同地域的作业。但图3 刀片工作时其侧切部分和正切部分的受力图存在着皮带容易产生老化断裂的问题,且由于质量较0ft le wor k f eThe e 蚰alyBie of咖bl adeFig.3轻,对于硬、板地入土效果 较差,耕作困难2。13I 。结合上述计算公式,为方便计算需要确定旋耕刀1.4机架的阻力合力的作用点。根据国外试验资料,弯刀阻力微耕机机架是微耕机的重要组成部分,起到控制的平均半径R7与弯刀端点回转半径尺的关系为R方向、安装汽油机与减速器以及连接刀辊等作用。0.9尺,直角刀阻力平均作用点更靠近刀的端点,其R机架的设计应考虑使用者的舒适性和安全性,同0.95尺,通过上述分析方法可以确定该刀片的受力时需要符合中华人民共和国机械行业标准微型耕耘点以及受力大小。机技术条件JB/T 10266.1?2001中的有关要求。2.2刀片应力变形分析通过对阻力合力的分析与实践经验相结合,为观2工作部件的受力分析与校核察刀片整体变形和应力分布情况,本文利用ug中的高2.1微耕机刀片的受力分析级仿真来分析有限元应力集中分布情况,判断其是否微耕机在工作时,旋转的刀片对土壤起到切割作满足应力条件和变形条件。条件分析过程的关键有3用的是具有刃角的刃缘部分,对土壤起到破碎和抛掷部分:一是对刀具进行网格划分;二是对刀柄的安装作用的是具有楔角的正切部分的内表面及侧切部分孔添加固定副,固定其在X ,y,z 方向上的移动和转与已切土壤接触的侧面,使得土壤具有反作用力 即动;三是施加矢量力F,本试验取F500N。利用n鹪一土壤阻力 作用在刀片上、。刀具工作时受到的土壤阻tran有限元分析核心进行计算,其结果应力分布如图力是一个空间力系。为了便于分析,现确定一空间坐4所示。除施加受力点以外,最大的应力分布在安装标系:微型耕整机前进的方向为石轴,与前进方向垂直孔两边,其值小于60MPa,远小于刀具材料碳素钢的的刀辊轴线方向为 ,轴,铅直方向为彳轴,刀轴中心坐最大允许应力值。从图5左侧的变形分布图中可以观标为原点D 。刀片工作时,其侧切部分和正切部分的察到,其最大变形仅为0.287mm ,所以刀片可以正常受力如图3所示。图3a 表示在茗一y平面内正切部工作九。分向后抛掷土壤时受到的阻力Q图3b 表示在茗一2.3微耕机刀滚的受力分析与校核彳平面内正切部分切割及挤压土壤时受到的阻力Q 微耕机工作时,刀辊所受的阻力由各旋耕刀的阻图3c 表示y一:平面内刀片在侧切时挤压破碎及相力合成,旋耕阻力的大小、方向和作用点又与刀的转对微耕机前进 向向左或向右抛掷土壤时受到的阻角、土壤、耕深、前进速度和刀轴转速等因素有关。因力Q 。i 。要想将刀片的切割、破碎及抛掷土壤的阻力完此,刀辊所受到的阻力也是不断变化的。为了能使刀?60?2012年4月 农机化研究 第4期滚可以在安全的情况下进行工作,在设计过程当中应由此计算所得的Jp;,P,值可对微耕机的刀辊进行该取最大阻力,。,时的刀辊所受最大力矩来计算。 强度校核,确定传动系零件的材料及几何尺寸。试制的样机还需到生产实践中进行考核。霭4 HR啦l 舟瓠阻 图6散耕机刀辊的受力分析图4 1he sL l lvs t *h? 。 ofcl Iu盯蛐B Fg.6 1lehce扑柚y“s3结语本文通过对微耕机的研究,系统地介绍了微耕机设计的方法和步骤,对主要工作部件进行了受力分析和校核。同时,通过对刀片的有限元分析可知,刀片受力集中在约束处附近 即与刀轴的联接处附近 ,而离约束处远的刀刃刚性较差,所以变形也较大。参考文献:1 时玲,张海东.翟兆斌,等.我国微耕机技术现状与发展方向【J.农机化研究.20045 :1?3.2 目国琦,张铁民,徐相华.等.我国微耕机技术现状与发展趋势 J .安徽农业科 学,2008,36 25 :11137?11139;111483 汪泽】cD一40型直流电动多功能微耕机J .农业装备幽5刀片暨形分斩脚技术,2007.332 :56.1he bladeng.5 de如mMI ;。n &M1y 咄0f4张晓东,杜芝枚IGw 一6.8型棚室用徽耕机的研究设计刀辊的强度可按下述经验方法校核。假设切削阻J 农机使用与维修,20066 :12?14.5 张霞,蔡宗寿,吴德光园艺型耕耘机刀辊半径设计方法力Q 在刀轴上为均布载荷,即Qm /R,Q 力作用点位的研究J .云南 农业大学学报,2006,2l2 :250一252.于点尸 如图6所示 ,即以刀轴中心。为圆心,刀的【6 张霞,蔡宗寿,吴德光.自走式耕耘机刀片设计方法的研回转半径作圆,耕深n的水平线与圆周相交于A 点,究J .云南农业大学学报.2006,211 :103一106.作Dc使厶40c20。,阻力Q 的作用点在半径oG 上7 蔡宗寿,张霞,卢贵忠.自走式耕耘机速比