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机械毕业设计论文
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机械毕业设计1500小型自动耕地机设计,机械毕业设计论文
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1 小型自动耕地机设计 目录 1绪论 . 1 1.1 国内外 耕地机 的发展及研究现状 . 1 1.1.1 我国 耕地机 发展 . 1 1.1.2 国外 耕地机 发展 . 5 1.1.3 在海底 耕地机 的用途 . 7 1.2 链式 耕地机 的研究现状 . 7 1.3 本论文研究意义 . 9 2链传动概述及链刀式 耕地机 设计的初步理论 . 10 2.1 链传动概述 . 10 2.1.1 链传动基本原理 . 11 2.1.2 链传动的特点 . 12 2.1.3 链传动的应用 . 14 2.2 链传动的失效分析 . 15 2.3 耕地机 设计的初步理论 . 16 2.3.1 土壤的主要物理力学性质 . 16 2.3.2 土壤工作部件力学 . 18 2.3.3 小结切割过程的分土壤切削阻力分析 . 19 3链刀式 耕地机 工作部件的设计 . 20 3.1 耕地机 的工作原理 . 20 3.2 链式 耕地机 的特点 . 22 3.3 工作部件基本参数的选择 . 22 3.4 工作部件切削土壤的力 . 27 3.5 发动机功率的确定和底盘的选择 . 28 nts小型自动耕地机设计 2 3.6 链刀式 耕地机 的整体参数计算与确定 . 31 3.7 耕地 器的结构 . 32 3.7.1 耕地 器的结构分析 . 32 3.7.2 耕地 器的工作原理 . 33 4结论与展望 . 34 4.1 结论 . 34 4.2 观察研究后根据链式 耕地机 的传动环境与切削的分析提出见解 . 34 4.2.1 根据土壤介质链传动的特点提出见解 . 34 4.2.2 土壤质地、湿度、硬度对土壤介质链传动的影响 . 35 4.2.3 研究后对 耕地 链传动的切削分析 . 35 4.2.4 根据分析改进 耕地 链传动的方式为逆时针切削方式 . 36 4.3 写论文的感受 . 36 参考文献 . 38 致谢 . 39 nts 3 1 绪论 1.1 国内外 耕地机 的发展及研究现状 耕地机 的历史悠久，早期的犁铧工具 1就是 耕地机 的雏形，只不过没有动力驱动。到了上世纪 50 年代开始，伴随着机械化的普及，而且在一些相关的部件和结构原理没有成型和系统的研究战后的发达国家开始使用机械 耕地机 进行大范围的农耕化作业，大大提高了劳动生产率。现在随着技术的不断进步和日益增多的工作要求， 耕地 设备的研究走进了一个新的时代，较为成型的 耕地 设备不断涌现。但国内的 耕地机 的研究和使用起步比较晚。到了 60 年代，旋转式 耕地机 2已发展成为一种先进的连续挖土机械。适宜开挖梯形截面的农用沟渠。由于它牵引阻力小，能均匀散 耕地 内土壤，工作效率高，因而获得迅速的发展和广泛的使用。 耕地机 在欧洲、美洲各发达国家和亚洲的日本等国广泛的应用在土方施工领域，仅美国年需求量就达数千台。 耕地机 发达的国家主要有德国、意大利、美国、俄罗斯和日本等国。前苏联、意大利、法国和西德等国都有不同型号的系列产品，有的远销国外。从 70 年代末期开始，以链式 耕地机 的研究逐渐兴起，到了 80 年代中期，美国等国已经有了较为成型的链式 耕地 设备。随着改革开放的不断深入，生产建设全面启动，城市土方施工工程规模越来 越大，各方面都面临着巨大的挖沟工作量。经过 40 多年的发展，在 耕地机 应用方面，以其生产效率高，成本低，设备简单，组装方便，多为悬挂于农用拖拉机后端的可拆卸设备而被广泛应用。其工作效率突出，且扩大了使用范围，随着电信事业广播光缆的铺设需要，链式 耕地机 的使用更为广泛，目前已经在多个领域使用，比如，在狭窄的果园，以及在海底 耕地机 也有了重要的应用。 1.1.1 我国 耕地机 发展 我国 耕地机 械起步较晚，经历了从犁铧式 耕地机 、圆盘式 耕地机 、螺旋式 耕地机 和链式 耕地机 的四个发展历程。在我国除极少数单位引进国外的连续式 耕地机 外 ,国产 耕地机 仍处于设计研发的初步阶段。 nts小型自动耕地机设计 4 首先，在上世纪 50 年代主要是犁铧式 耕地机 。这种 耕地机 结构简单，工作可靠，零部件少，单位功率低，生产率高，作业成本低， 耕地 深度为 30cm 到 80cm。主要缺点是机体笨重，牵引阻力大，犁铧入土后，土垡随翻土板曲面上升，翼板将土推向两侧，侧压板将沟壁压紧，形成梯形断面的沟 3。 然后，到了上世纪 70 年代又出现了圆盘式 耕地机 ，它以两个高速旋转的铣削圆盘，圆盘周围是铣刀，一般以 75 马力到 100 马力拖拉机牵引工作，前进速度 50m/h 到150m/h，应用较广，牵引阻力小，适应性 强，作业质量好，但行走慢，传动复杂，结构庞大，制造工艺要求高，单位功率消耗大，生产率比犁铧式 耕地 犁低，它的 耕地 断面是上口宽沟底窄的倒梯形，配套动力要求选择功率大而行驶速度低拖拉机。由黑龙江建设兵团三师十八团研制的单圆盘 耕地机 简图 3。 接着，上个世纪九十年代主要以螺旋 耕地机 为主，江苏省农机局技术中心研制的1KLZ-27 型螺旋 耕地机 采用立式螺旋 耕地 刀具， 耕地 部件为直接安装在一根直立轴管上的两组螺旋刀片，集立铣、周向提升、螺旋叶片惯性抛散等原理于一体，使 耕地 过程中的切削、提升、抛散一次完成，其结构简图如图 1.1 所示。该机工作时土块呈条状沿螺旋线导向两面抛落，以圆锥对数螺线为基础的立锥式刀具，增强了对不同区域、不同土质的适应性，刀片采用组合式结构，刀柄、刀刃选用不同的材料，提高了使用寿命 4。 nts 5 1 三角带（三条） 2 附加大皮带盘 3 三角带（一条） 4 机架 5 尾轮 6 挡土栅 7 括泥板 8 耕地 具 图 1.1 1KLZ-27 型螺旋 耕地机 简图 发展到 1999 年，在天津工程机械研究所开发研制出了 GC65G 型链式 耕地机 。该机的主要参数如下：拖拉机型号为 TN-654L，发动机功率为 48KW，主机额定牵引力为 18KN，最小转弯半径为 4500mm， 耕地 最深为 1800mm，最宽为 400mm，宽可通过更换挖掘链节来调节，挖掘链速为 1.8m/s，回填铲宽度为 1800mm，总体尺寸为长 7500mm，宽 2230mm，高 2860mm。它是由链条带动多片铲高速小厚度切削，主机低速前进，实现连续挖掘作业。该机进行挖土工作时，将土带到沟面上，并挤向两侧，螺旋叶片形状的排土轮由链轮驱动，向两侧分土，清沟器端部设有浮动刮产，可将散土收回刀铲处，刮平沟底 5。 于此同时在国内进行链式 耕地机 研究的还有西北农业大学机电学院的杨有刚、 刘迎春，他们在 2002 年研制的在滚子链链板上加链刀附件的 耕地机 6。 2002 年中国农业机械化研究院耕作种植机械研究所的一种 1K（ Kz） -30 型链式 耕地机 如图 1.3 所示。它主要由齿轮箱、传动链、 耕地 切削刀和分土器等组成。可见这种链式 耕地机 也是在滚子链基础上形成，这种形式的 耕地机 对土壤的性能要求较高，遇到带有沙石的土壤很难作业， 耕地 比较宽，消耗功率大，深度也不够，链条易磨损疲劳失效，使用寿命也达不到预期的效果 7。 1.1.2 国外 耕地机 发展 国外最早生产 耕地机 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开始的，目前主要是链式 耕地机 。在国外 ,耕地机 的使用已经非常普遍 ,许多地下公用设施施工都用专业 耕地机 以下简单介绍几个国外的链式 耕地机 来说明在国外 耕地机 的特点及大至发展方向。 国外 耕地机 的种类很多，适应各种不同施工的需要。最小的 耕地机 功率仅有几千瓦，最大的功率达到 1100kW，质量 136t。国外专用 耕地机 需求量逐年增大，仅美国就有 Ditch Witch、 Vermeer、 Case、 Roccaw、 Trencor Jetco、 Eagle、 Tesmec、 Cleveland 和 Carptal 等十多家公司生产 耕地机 ，共有一百多种 1。仅以几家有代表性的公司产品为例说明其发展和研究状况。 美国 CASE 公司挖沟机。美国的 CASE 公司成立于 1842 年，由发明家 Jerome Ints小型自动耕地机设计 6 ncrease Case 建立。 CASE 公司经过 100 多年完善，现已发展成为全世界处于领军地位的中、小型建筑工程机械设备制造商。 图 1.4 耕地机 美国传特公司的 65 型链式 耕地机 ，如图 1.4 所示。 耕地 传动系统采用多级变速器，CAT 发动机，型号 65 型 耕地 链条驱动，重型机械驱动，高扭矩，低速度以达到最大 切割齿、挖掘深度、增强生产力和延长切割齿寿命，具有牢固的组合式 耕地 臂，独特的可更换的耐磨钢板系统和链轮，方便单双链条的应用，重型独立驱动履带，三段式履带伴侧固定，可升降驾驶室，密封性好，舒适的空调设备。控制器、计量表、和感应器及驾驶室的升降应用最新技术，视野好，驾驶舒适安全 8。 法国“马莱”公司是一家专门生产、租赁埋地电缆和管线铺设设备的公司。无论是城市道路、公路、铁路、山路、河岸等伴埋电缆或管道，都可以使用马莱的 耕地 、铺设联合作业机进行快速施工。其铺设速度 0.5 2km/h，可以实现正挖，侧挖，低噪音 ，无扬尘环保作业。它的 耕地机 宽度窄，最大限度减小对交通的阻碍破坏。它的真空吸尘式耕地机 ，可以边 耕地 边吸渣土和尘土，是城市环保型的先进作业机器。图 1.5为“马莱”公司生产的 SM550C 型链式 耕地机 9。 可见，国内 耕地机 的研究，现在多数还局限在犁铧、螺旋式 耕地机 方面，但是，这种设备不能切挖陡直窄深沟。中国农业机械化研究院耕作种植机械研究所了一种 1K（ Kz） -30 型链式 耕地机 ，不过未见其链式 耕地机 传动机理及仿生的研究。并且，这种耕地机 链条和链轮齿的啮合与非土壤介质中的啮合传动方式没什么区别，仍然是传统的nts 7 链 条与链轮齿的啮合传动方式。未能掌握了土壤介质中链传动机理，未能表明考虑减少啮合阻力的结构框架，不能减少土壤介质的移动阻力，不能达到节能和环保的目的。国外 耕地机 的研究，从掌握的资料上可以看出，链式 耕地机 也只是传统的链条与链轮齿的啮合方式。并且国外 耕地机 械的生产已向更加多样化发展，但国外机械更趋向于专机专用， 耕地机 械只用于 耕地 ，当机械不 耕地 时，机械只能闲置，而根据我国的具体国情，该机械不仅可用于 耕地 ，并且能恢复拖拉机功能，保证通用性较好。 1.1.3 在海底 耕地机 的用途 目前，我国正处于海上油气的起步阶段，用于海 底管线铺设的水下开淘施工机械亟待开发。纵观国外已有众多族类的水下管线 耕地 施工机械设备，哪些机型技术水平先进成熟，经济性能合理，更适合我国近海油气开发的具体国情，今后我国海底开淘机械领域的研究开发方向如何确定等，都是值得深入研究和探讨的。 海底管道 耕地机 械是伴随着海洋油气勘探和开发，从陆地向海洋挺进而出现的水下施工作业机械。由于世界各地具体海域的条件各异，在众多族类的水下管线 耕地 埯工机械设备中，目前还没有一种能够在任何水深、管径、海底土质下都能经济地进行施工作业的万能型海底开淘机械。 四十年代中期，墨西哥湾等 地早期油气开发海域的水深一般较浅，故当时的 耕地机械设备主要是为满足于 30 50m 以浅的施工作业需要雨研制的。六十年代以后，欧洲北海油气资源的大规模开采得以实施，特别是七十年代中期一批较大水深的海底管道极需铺设，如 Fories 油田 (126m)、 Frigg 油田 (153m)、 Brent 油田 (159m)和 Flags 油田 (158m)等，促使出现了用于 100m、 150m，乃至 300m 水深的水下 耕地 施工机械。到七十年代末期，为跨越北海的挪威海沟铺设海底油气管道，最大作业水深达 500m 的水下开掏机也随之诞生。 目前，在海底 耕地机 族类中，土壤液化埋管设备的最大作业水深一般在 50m 以浅。水力冲射 耕地机 械则视所取排泥方式的不同可分别达到 50m、 75m、 tobm、 150m、 180m 和 300m 等不同的量级雨使用较多的则是水深 100m 左右。海底管道 耕地 犁的设计作业水深一般在 150 250m 左右，尽管 90 年代初开发的海底管道犁已可达到 1000m 水深 (如NOs 公司的 APP 犁 )的作业能力但实际应用还是在 200m 左右。海底电缆 耕地 犁的作业nts小型自动耕地机设计 8 水深则通常在 1000m 左右。水下机械 耕地机 是现有机型中设计作业水深最大的机种，一般为 350 500m。如： Kvaerner Myren 型 (500m， 1978 年 )、“热心海狸”型 (350m， 1979年 )、 MUT 型 (365m 1980 年 )和 DD 型 (350m， 1986 年 )。以 Heerema 集团的“热心海狸”型为倒， 1981 至 1986 年间，共在 16项工程中开挖各类口径管沟 288.2km，其中最大作业水深在 150m 的工程有 6 项，占工程总数的 37.5%10。 1.2 链式 耕地机 的研究现状 1999 年杨有刚等分析了链刀前置式 耕地机 的起步加速特性。根据力学原理，建立了耕地机 起步加速瞬间的运动方程，在获得其前后轮接 地载荷的基础上，对 耕地机 的稳定性问题进行了讨论，为整机稳定性设计提供了理论依据（杨有刚等， 1999。） 2001 年天津工程机械研究院刘俊英对 耕地机 铲刀的耐磨合金堆焊工艺进行了探讨，针对普通钢轧制的铲刀耐磨性较差的缺点，提出采用表而强化的方法制造复合材质的铲刀。铲刀基体仍用热轧件，而在其磨损部位的表而堆焊耐磨材料，强化后的堆焊铲刀成本为未强化的 3-4 倍，但其使用寿命是用户自制的未强化铲刀寿命的一巧倍，同时还可减少停机换刀的时间及人工费，经济效益明显（刘俊英， 2001。） 2001 年刘长荣等在现有 耕地机 的基础上 进行改装，与 8.8kw 手扶拖拉机配套使用，设计出在狭小的葡萄园中开出施肥沟的果园 耕地机 ， 耕地机 由尾部操纵手柄通过四连杆机构来控制工作部件的升降，操作灵活方便。并对 耕地机 切土阻力及整机功耗进行了分部计算（刘长荣等， 2001。） 2004 年吉林大学王云超以美国凯斯公司生产的链式 耕地机 为研究对象忽略了刀片的影响，建立挖沟器的三维模型，运用有限元及 ADAMS 虚拟仿真软件等研究了 耕地机 的动臂装置一挖沟器的动态特性。得出挖沟器的各阶固有频率以及在不同频率冲击力作用下对应的挖沟器的位移和应力响应特性曲线（王云超， 2004。） 2004 年到 2005 年江创华等对履带式 耕地机 的关键部件传动轴进行了改进设计，该种传动轴及工作装置支承结构，避免了轴既要传递转矩，又要支撑工作装置的重量，同时在计算臂架的强度时，考虑了机器转弯给臂架带来的附加应力。与传统工作装置直接支撑在传动轴上相比，传动轴的直径减小 1/2，重量减少 1/3，制造成本约减小 1/2，是一种比较适合于大型轴类传动的结构形式（江创华和赵建辉， 2005）。 nts 9 2005 年刘迎春等设计了一种用于果园的链式施肥 耕地机 。根据动力学原理，导出了耕地机 工作状态的运动方程，获得了 耕地机 前后轮所受 外力的数学表达式对其可能的纵向滑移、前倾和横向倾翻条件进行了讨论，为 耕地机 的总体设计提供了理论依据（刘迎春和杨有刚， 2005。） 2006 年罗海峰在现有手扶拖拉机上设计一种 耕地机 ，单边抛土距离达到 1.0m 以上，土壤颗粒细碎，覆土厚度均匀，能满足油菜、小麦、蔬菜等农作物机械化种植。通过对旋耕机的工作原理进行理论分析，找出合理的旋耕抛土运动参数。对 耕地 刀在整个切、抛土过程中进行运动学动力学分析，找出 耕地 切、抛土的运动规律，为 耕地机 的设计提供理论依据（罗海峰， 2006）。 2006 年房恩宏确定了能够满足 耕地 宽度为 80mm，深度达 2000mm 要求的链式 耕地机的结构，分析了部件的受力情况以及推导了 耕地机 的整体功率消耗公式。此外，给出了计算链式 耕地机 的具体尺寸的步骤，结合装配图的绘制，进行了相应的部分结构和尺寸的合理化调整。在设计完链式 耕地机 的整机框架以后，针对链条在土壤中的受力情况，提出了具体的实验方案，通过实验，验证了课题设计的合理性 (房恩宏， 2006)。 2006 卢峰提出一种新型刀式矿土复合型链式 耕地机 的结构方案，并对此结构方案的链式 耕地机 的工作原理、总功率的确定等进行了理论研究。深入剖析了链传动过程中链刀切削土壤 的切削机理，并建立了土壤颗粒由切下、输送到抛出的运动模型和所处不同状态时速度计算公式，而且针对土壤介质链传动过程中链条的受力情况、受力计算进行了详细的分析和推导 (卢峰， 2006)。 1.3 本论文研究意义 耕地机 是工程机械的主要机种之一，广泛应用于农田水利建设、通讯电缆及石油管线的铺设、市政施工以及军事工程的建设。 耕地机 具有专用性强，设备投资少，可连续开掘，工作效率高等特点，特别是对于窄而深的沟渠， 耕地机 的优势更加明显。 耕地机尤其适应于土质较硬、施工场地狭小，人工无法开挖而挖掘机等土方机械无法作业的地方。 同时 耕地机 的施工成本低于挖掘机等土方机机械的施工成本，甚至比人工施工还低而深受广大施工单位的欢迎。 在国外，连续式 耕地机 己经使用的很普遍，地下公用设施施工都用专业 耕地机 ，很nts小型自动耕地机设计 10 少使用单斗挖掘机。在我国除极少数的单位引进国外的连续式 耕地机 外，国产 耕地机 投入使用的较少。随着生产建设全面启动， 耕地 施工工程的规模越来越大，如基础建设施工 耕地 、光缆、电缆、管道铺设等方面都面临着巨大的 耕地 工作量。特别是在农业工程领域，果树施肥、农田 耕地 、蔬菜园 耕地 ，都是用工量很大的作业，我国几乎都用人工完成。果园、农田等的地表不平整，有杂 草、树枝及石块等，地下有树根， 耕地 条件比较恶劣，一般 耕地机 难以适应。因此研制适合我国土壤情况的 耕地 设备，对提高 耕地 的效率、减少人力和物力资源的浪费、提高劳动生产率有重要意义。 据相关农艺要求，所研制的 耕地机 必须满足的技术指标为 :纯小时生产效率不低于80m/h;开挖深度大于 30cm、宽度 30cm，沟宽和沟深可调 :配套柴油机动力至马力 :沟槽必须一次性开挖成型，沟形完整且基本达到人工开挖的效果。 耕地机 的 耕地 装置是其关键部件，而刀片是影响 耕地 质量、功耗和振动等的重要因素，因此有必要对 耕地 装置及刀片结构进行深入的研 究分析。本文以 耕地 装置为研究对象，以功耗低、适应性强和可操作性好为目标，为研究一种适用于开挖窄儿深的地下沟槽，埋设在地下排水管道或铁道，邮电，城建等部门用于埋设电缆于管道等要求的链刀式 耕地机 指出依据 . 2 链传动概述及链刀式 耕地机 设计的初步理论 2.1 链传动概述 链传动是一种用链条做中间挠性件的啮合传动，它由主动链轮、从动链轮和绕在两轮上的一条闭合链条所组成 11见图 2-1，它靠链条与链轮之间的啮合来传递运动和动力。与带传动比较，链传动有结构紧凑，作用在轴上的载荷小承载能力较大，效率较高（一般可达 96 97），能保持准确的平均传动比等优点。工作时有振动和冲击，瞬时速度不均匀等现象。链传动广泛应用于在农业、矿山、冶金、建筑、起重、运输、石油、化工、纺织等机械设备中被广泛运用。 nts 11 图 2-1 链传动组成图 链传动适用于两轴相距较远，要求平均传动比不变，但对瞬时传动比要求不严格，工作环境恶劣（多油、多尘、高温）等场合。 2.1.1 链传动基本原理 在一般机械传动中，链传动是在两个或多于两个链轮之间用链作为挠性拉 曳元件的一种啮合传动。按工作性质的不同，链有传动链、起重链和曳引链三种。传动链主要用来传递动力，通常都在中等速度（ v 20m/s）下工作，链传动又可以分为滚子链、套筒链、齿形链和成型链。起重链主要用在起重机械中提升重物，其工作速度不大于 0.25m/s。曳引链主要用在运输机械中移动重物，其工作速度不大于 2-4m/s。链传动在传递功率、速度、传动比、中心距等方面都有很广的应用范围。目前，最大传递功率达 5000kw，最高速度达到 40m/s，最大传动比达到 15，最大中心距达到 8m。由于经济及其它原因，链 传动的传动功率一般小于 100kw，速度小于 12 15m/s，传动比小于 811。 链条是由若干组件（或元件）以铰链副的形式串接起来的挠性件，如图 2-2。 nts小型自动耕地机设计 12 图 2-2 链条 2.1.2 链传动的特点 链传动是一种具有中间挠性件的啮合传动。它兼有齿轮传动和带传动的一些特点。现通过与齿轮传动、带传动做比较，具体介绍一下链传动的特点 12。 1、链传动与带传动相比较 （ 1）链传动的传动比准确，传动效率较高 链传动没有弹性滑动和打滑，因此与带传动相比 ,链传动能保持准确的平均传动和较高的机械效率。对要求转 速恒定的两轴传动和多轴传动，采用链传动更为适宜。 （ 2）效率较高， =0.98。 （ 3）链条对轴的作用力较小 链传动的预紧力比带传动小得多，因此减轻了施加在轴和轴承上的压力，减少了轴承的摩擦损失。在低速时，链传动的这一优点更为突出。 （ 4）链传动的尺寸较紧凑 在传递相同功率的情况下，链条比常用的胶带要窄些，链轮直径也比带轮小些，所以链传动的结构尺寸要比带传动紧凑。 nts 13 （ 5）结构尺寸比较紧凑 （ 6）链条装拆比较方便 链条可以在连接链节处拆开，容易安装和拆卸。而胶带一般均是制成无端的，它要越过皮带轮边缘才能套进去 ，安装比较困难。特别当带轮位于轴承之间更是如此。 （ 7）链传动能在较大传动比和较小中心距下工作 链传动允许链条在链轮上的包角可小一些，因此链传动的传动比范围比带传动大一些，也更能在较小的中心距下工作。 （ 8）链传动对环境的适应能力强 链条由金属制成，能在恶劣的环境条件下工作，诸如在高温、油污、粉尘和泥沙等场合，链传动远比带传动更为适用。 （ 9）链条的磨损伸长比较缓慢，张紧调节量较小 链条工作期间的磨损伸长比胶带拉伸变形伸长缓慢并且极限伸长量可以设法控制在一个节距范围内，因此不必像带传动那样要求频繁地调整中心 距。在设计张紧装置时，链传动要求的调节量也较小。 （ 10）由于不需要很大的张紧力，所以作用在轴上的载荷较小； （ 11）链传动在可燃气氛下工作安全可靠 当在可燃气氛下工作时，链传动不像带传动那样有胶带打滑发热和带与轮间摩擦生电的现象，所以不会有引起燃烧的危险。 只有当要求噪声小，不准有润滑油、中心距很长，转速极高时，链传动的使用性能不如带传动 . 2、链传动与齿轮传动比较 （ 1）链传动的制造与安装精度要求低，成本较小 这是因为链传动是一种只有中间挠性件的非共轭啮合传动，链轮的齿形可以有较大的灵活性。链轮的加工与 安装精度，链传动的中心距都较齿轮传动 .对于已有的链传动，欲改变其技术参数（如传动比、中心距等）也比较容易实现。在安装与维修方面更为简单，尤其是在远距离传动中，有着齿轮传动无法具备的简单和轻便。 （ 2）链轮齿受力较小、强度较高、磨损也较轻 通常链轮有较多的齿同时与链条啮合，接触位置接近齿根并且齿槽圆弧大，齿根应nts小型自动耕地机设计 14 力集中小，而直齿圆柱齿轮传动一般只有 1 2 对齿接触。因此，链轮的承载能力比齿轮大，齿面磨损也比齿轮的齿面轻一些。 （ 3）链传动有较好的缓冲、吸振性能 由于链条具有一定的弹性，再加上链条的每个铰链内 部均能贮存润滑油，因此它与只有 1 2 对刚性很大的齿啮合的齿轮传动相比，有较好的缓冲和吸振能力 . 只有当受空间限制要求中心距小；瞬时传动比要求恒定；传动比大；转速极高；噪声要求小时，链传动的使用性能才不如齿轮。 3链传动的缺点 （ 1）不能保证恒定的瞬时传动比； （ 2）只能用于平行轴间同向回转的传动； （ 3）不适宜在载荷变化很大和急促反向的传动中应用； （ 4）工作时存在噪声； （ 5）制造费用比带传动高； （ 6）磨损链节伸长后运转不稳定，易跳齿。 由以上比较可以看出，链传动的适用范围很广。一般说来，适用于大中 心距、多轴、传动比要求精确的传动，环境恶劣的传动，冲击和振动大的传动，大载荷的低速传动，润滑良好的高速传动等都可成功地采用链传动。 2.1.3 链传动的应用 链条最早的应用可追溯到夏商年代，即三千多年以前。今天，随着现代化的大规模生产，链条工业正在提供多种多样的链条产品以满足各方面的需要，链条也越来越多的应用在各种各样的机械设备中，主要有： 1.叉车提升链 一般叉车均用两挂链条提升货物。由于链条的链节可灵活转动，不存在附加弯曲应力，因此链轮直径可以设计得较小，链条的使用寿命也较长。 2.摩托车链传动 摩托车与 自行车都采用链条来传动。这一传动特点是：中心距长，速度变化频繁，要求宽度窄、重量轻、尺寸紧凑、使用可靠。显然采用链传动是最合适的。 nts 15 3.发动机正时链 发动机曲轴与凸轮的传动要求配气与点火时间准确，必须保证准确的传动比。由于链传动有良好的同步性，因此对于曲轴和凸轮间距离较大的内燃机，多采用正时链传动。 4.石油钻机链传动 石油钻机上大量采用链传动，一般使用多排滚子链传动，它工作可靠，排除故障速度快，能够满足钻机工作要求。 5.挖掘机链传动 它的使用环境比较恶劣，经常启动与停车，使链条受到频繁的冲击载荷。一般采 用大节距的弯板滚子链。而且结构紧凑，使用非常可靠。 6.谷物联合收割机上的链输送 在各种农业机械上，使用了大量的链条。 7.油锯链 油锯链是一种带有刀刃的特殊链条，它除了传递动力外，本身还是截断木头的锯条。因此，它可使伐木锯结构紧凑，效率高，使用方便。 2.2 链传动的失效分析 由于设计、制造、使用等方面的差异，链条与链轮的失效形式是多种多样的。不过总的来说，可以分成两种情况：一种是正常失效，链条与链轮达到了预期的正常使用寿命；另一种是非正常失效，即未达到预期的正常使用寿命就早期损坏报废。以下叙述了链传动的 失效形式： 1链条元件的疲劳破坏 链板的疲劳损坏，在中低速的闭式链传动中，链板的疲劳断裂比较常见。链板在变载荷作用下，经过一定的循环次数就会在板孔两侧的应力集中区发生疲劳破坏。链条元件的疲劳强度是决定链传动承载能力的主要因素。 2链条铰链的磨损 链传动工作时，滚子套筒的冲击疲劳损坏。链条在与轮齿的啮入过程中，由于多边形效应会产生一个由啮入冲击引起的动载荷。在滚子链中，啮入冲击首先由滚子承受，再从滚子传递给套筒、销轴，以及链板。这样，滚子和套筒就受到反复多次的冲击载荷，nts小型自动耕地机设计 16 经过一定的循环次数就会发生小能量冲击 疲劳破坏。由于冲击能量和速度的平方成正比，所以在中、高速闭式链传动中，这种失效形式就比较常见。 3 销轴与套筒的胶合 链条铰链在向轮齿的啮入过程中，组成铰链副的销轴与套筒产生相对转动，并以冲击方式与轮齿啮合。当链轮转速升高到一定数值以上时，铰链的摩擦表面会严重发热产生胶合现象。胶合是一种焊合现象，一旦发生，则当相邻链节欲作相对转动时，轻则使铰链摩擦表面擦伤，重则或者使销轴扭断或者使销轴或套筒被强制在板孔内转动，从而使链条迅速破坏。 4 链条的磨损 滚子链的各元件在工作过程中都会发生磨损破坏，最常见的 磨损是指发生在销轴和套筒承压表面的磨损。 5 链条的静强度破断 低速重载的链条当过载时，易发生静强度破断；磨损了的链条当在链轮上发生爬高和跳齿时，也易引起静强度破断。 6 链条的多冲破坏 反复起动、制动、正反转和重复冲击工作的链条，其组成元件易发生大能量低周期冲击疲劳破坏。 7 链轮齿的磨损、塑性变形和断裂 由于润滑不良，特别在开式传动中，轮齿会发生较大的磨损。 8 链传动的非正常失效 由于链条制造质量差、安装精度低、使用不当以及结构方面等原因，会产生众多的不正常的失效形式，大大缩短了链条的 使用寿命。 2.3 耕地机 设计的初步理论 耕地机 属于土壤挖掘机械， 耕地 链在工作时的工作环境是土壤，这就要求在链式 耕地机 设计之前要对土壤学和土壤力学等相关学科做必要的理论准备。 2.3.1 土壤的主要物理力学性质 nts 17 土壤由固体、液体和气体组成（称为土壤的固相、液相和气相）。固相部分包括粗细不同的矿物质颗粒和与它紧密结合的有机质。在固体颗粒之间的孔隙中，充有水和空气。矿物质一般占土壤固相部分质量的 95%，它支撑着生长在土壤中的作物。土壤的机械组成通常指直径 3mm 以下的细小颗粒，按直径大小分为砂粒、粉粒和粘粒。随着所 含砂粒、粉粒和粘粒成分的不同，土壤具有不同的物理性质。土壤中含粘粒成份越大，则土粒之间的凝聚力越大，耕作时土壤不易破碎，犁耕的阻力也较小 13。土壤耕作机械的选用、设计和研究与土壤的物理力学性质有着十分密切的关系。下面对土壤的几个重要的物理力学性质做以简要介绍与分析。 1容重 在自然状态下，土壤的单位体积质量即为容重。一般表示为 g = qv（ g /cm3 ） 式中： q 为土壤质量重； V 为土壤体积。 土壤的容重与土壤内的孔隙度和固体颗粒密度有关。孔隙度越大，则容重越小。当土壤容重为 1 g /cm 3 时，最利于开挖 14。 2湿度 在降雨或灌溉之后，耕作层内的水有一部分在重力作用下，沿着土壤中大的孔隙或裂缝向下渗透，另一部分则在土粒的吸附作用和毛细管作用下，保持在耕层之内。土壤能保持的最大含水量称为“田间持水量”，用相对湿度和绝对湿度表示。土壤的湿度对开挖质量和牵引阻力有很大影响。土壤过于坚硬，阻力大；如果过于潮湿，土垡不易破碎。 3坚实度 当压实非密实土壤时，使其压痕为 1 2cm 时所需的力称为单位压实力 )/( 30 cmkgq 。当以一定断面形状（圆形、锥形 等）的柱塞压入土壤，其压陷深度为 0h 时，作用在土壤上的平均压力称为土壤的坚实度 0p ，则有 )/( 2000 cmkghqp 土壤坚实度同土壤的质地和含水量有密切关系。坚实度越大，土壤承受能力及开挖阻力越大。 4内摩擦力和外摩擦力 nts小型自动耕地机设计 18 在土壤内部，土粒与土粒之间的摩擦力称内摩擦力，一般与土粒间的接触面形状、作用在接触面上的正压力和土壤湿度有关。土壤沿着工作部件表面滑动时，产生的摩擦力称外摩擦力。当外摩擦力大于内摩擦力和 附着力时，工作部件的表面就要粘土。因此，在设计 耕地机 械时，应尽量减少外摩擦力。 5土壤的抗剪强度 在外力作用下，土壤会出现相对位移，阻止这种相对位移的土壤内部阻力称为土壤的抗剪强度。大量试验表明，当土壤破坏时，正应力 和剪应力之间存在着线性关系，有iC tan。式中： C 为土壤的凝聚力，i为土壤的内摩。擦角抗剪强度在很大程度上决定着开挖质量和能量的消耗，与土壤颗粒的大小、分布、土壤密度 和湿度有很大关系。因而其在 耕地机 械的设计中也是一个较为重要的参数 14。 2.3.2 土壤工作部件力学 土壤工作部件力学研究的目的是：定量地描述工作部件对土壤的作用，这种力学有三个发展阶段 14： 1.认识阶段：作用是反复的对之进行观察和记录。 2.定性阶段：识别了作用而且观察了特定的反作用，现在正处于此阶段。有关土壤工作部件力学的文献都是用于定性阶段。 3.定量阶段：用于发展工作部件力学原理的一致性原理，在表达一种现象的时候，同时让考察的各量应当有一致的明确程度。这一原理的应用，可防止过分地发展无用的次 性能方程和随之而来的复杂性。采用精确的性能方程定量地描述开挖作用的程度，需要一种完整的土壤与工作部件力学。适用于土壤工作部件力学的性能方程是少数的，且其定量评价也不是总能得到的，限制力学发展的是缺乏表达性能的基本方程式，完全力学可描述一种理想的土壤工作部件力学，对作用可能有影响的所有简单性能都包括在这个总的力学中。然而，由于每个性能并不是总起作用的，一种性能的出现与消失难于察觉和估计，因而出现了一种建立在单一性能方程基础的局部力学，它可在土壤动力学中解决特殊问题，在完全力学最终发展起来之前，只可能发展局部土 壤工作部件力学，局部力学与完全力学的差别之一，完全力学适用于工作部件对土壤进行作业的一切可以想象到的情况不受限制，而局部力学将受到一些限制，应用局部力学可能解释观察到的开nts 19 挖作用。倾斜工作部件是在应用局部力学分析的一个工作部件，在分析这一简化部件的作用时，应用了描述开挖作用的四个性能方程 15： （ 1）土壤与金属的摩擦 （ 2）剪切失效 （ 3）每个土块的加速力 （ 4）切削阻力 在具体分析开挖作用时，首先给出了土块的受力状态，给出了倾斜工作部件与土壤之间的摩擦力，从而应用了第一个性能方程。在确定剪切面与最大主应 力之间夹角时，应用分析剪切失效的摩尔圆，从而应用了第二个性能。通过加速度分析得出了引起加速度的速度，计算出加速度，从而得到了每个土块的加速力应用了第三个性能。土壤的纯切削阻力是小的，只有土块中有石头或残根或开挖部件刃口变钝时，切削阻力才显重要，不存在上述情况时，在总阻力中忽略切削阻力，从而考虑了第四个性能力程 15。 2.3.3 小结切割过程的分土壤切削阻力分析 切削边以一定的压力接触土壤，使土壤受到挤压和剪切，当压力继续增大，土壤原始结构遭到破坏，土块被切断，这是刀具切土壤时所共有的现象。显然，切削刃在切 削土壤中运动时，遇到的阻力来自三个方面：一 是土壤原始结构遭到破坏的阻力；二 是土壤的内摩擦阻力；三 是土壤与切削刃边的摩擦阻力。其中前二项之和称为切削阻力。但是，这三项阻力是同时存在的，很难区分开来，所以在计算时，将第三项阻力也包括在内。因此，切削阻力就是在切土过程中，土壤作用在切削装置上的反力。 耕地 过程中，切割齿在土壤中连续运动进行切割，被切割下来的土壤，其中一部分在切割刃前面形成土堆，被切割齿带着向前移动。一部分土壤在挤压力的作用下越过切割刃前面的土堆进入杯形切割齿内。由此可见，在挖掘过程中切割齿除了 遇到切削阻力外，还会遇到土壤进入杯形切割齿内的阻力及带动土堆的阻力，后二项合称为装土阻力。切削阻力与装土阻力之和称为挖掘总阻力。 nts小型自动耕地机设计 20 3 链刀式 耕地机 工作部件的设计 3.1 耕地机 的工作原理 链刀式 耕地机 的结构它主要由机架、传动、切割、清沟、运土等部分组成。动力有4.5 200kW。链刀 耕地机 工作部件的 耕地 宽度和深度，根据工作要求可以调节。对不同土壤有较强的适应性，用途比较广泛。 耕地机 是一种连续式挖掘设备，根据行走装置不同可分为轮胎式和履带式。根据工作装置的不同，可分为链齿式和轮斗式两大类。另外，由于 耕地 的深度和宽度不同，品种较多。按排土方式分为地面直排土、胶带输送机排土。地面直排土一般用于小型 耕地机 ，胶带排土一般用于大型 耕地机 按 耕地机 刀型分为链斗式、链铲式、链齿式、圆盘铣切式、轮斗式和轮齿式等多种形式 16。 主动链轮的驱动动力由拖拉机输出轴输入变速箱，经变速箱降速增扭之后传递给主动链轮。变速箱固定在支架上，拖拉机尾轴与变速箱之间以万向节连接，变速箱固定在拖拉机尾部。工作时，拖拉机以速度 V2向前行走，通过控制拖拉机输出轴转速和变速箱，带动主动链轮，使 耕地 链条以线速度 V1绕主动链轮转动作业。 耕地机 工作臂内 有液压张紧缸，在新型 耕地 链条伸张时，可以张紧链条。 参照传统的 耕地机 ，对链式 耕地机 其基本结构研究可以对其分为四大部分：工作部件；动力传动系统；机身和安全装置等 16。 （ 1）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特种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。 （ 2）动力传动部件：机械式的驱动系统主要包括万向传动和齿轮传动两部分，其动力来自拖拉机的动力输出轴。万向传动是通过带有空间可变角度的成对使用的万向节传递动力，适用于可变轴 线位置的传动，它连接在拖拉机的动力输出轴和 耕地机 的减速箱之间。齿轮传动是一级或两级以上的减速装置，用于成倍地降低动力输出轴的转速并改变动力传递方向，最终将动力传递给 耕地机 链轮并带动 耕地 链进行 耕地 工作。 （ 3）机身： 包括机架和成型器。机架是 耕地机 的骨架；所有部件均连接在机架上。nts 21 目前我国旋转 耕地机 多采用平行梁架，用钢管或槽钢焊合而成。成型器位于机架的尾部，工作时起稳定作用，并可刮出沟底和沟壁，保持沟型整齐、干净。 （ 4）安全装置：安全装置的作用是防止旋转 耕地机 过载（或过载时的保护措施），保护拖拉机的动力输出轴 和 耕地机 的传动系统。使用最多的是摩擦片式安全离合器，一般安装在 耕地机 传动系统的输入端。此外，变速箱设计有一个倒速档位，可以在过载卡住链条时，倒速运转，退出卡在重土壤中的链条。 链式 耕地机 由普通拖拉机提供动力，主要由变速器，工作臂梁架， 耕地 器，液压升降部件和分土器等部分组成。 耕地机 工作时，动力由拖拉机后输出轴输出至变速器，经过变速传递给 耕地 部分，工作臂通过液压系统控制使其后倾一定角度，置于其上的 耕地链与土壤作用，在机组前进的同时， 耕地 链斜向下伸出切土，继而开出斜沟， 耕地 同时，利用 耕地 链将沙土带出沟，并由分土器 将沙土摊开于沟沿两侧。处于工作状态的 耕地机 。耕地 链工作时后置前倾一个角度， 耕地 时，在机组前进的同时， 耕地 链条等工作部件旋转 ,斜向下伸出切土 ,逐渐开出一段斜沟，同时将沙土带出沟，并由分土器将沙土推开。 3.2 链式 耕地机 的特点 （ 1） 工作效率高。 耕地机 属连续挖掘工作装置，集挖掘和排土于一体而挖掘机属于半连续挖掘工作装置，其辅助作业时间多，如旋转卸土、再旋转归位。所以 耕地机 的挖沟速度与挖掘机相比，工效可以提高 3 5 倍，尤其对挖掘窄深沟槽，效果更为明显。 （ 2） 超挖量小。使用挖掘机挖沟，超挖量大，沟的横截 面呈倒三角形。沟的边缘不整齐，施工时不仅挖掘
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