果园用链式开沟机的初步设计.doc

毕业设计毕业设计 果园用链式开沟机的初步设计果园用链式开沟机的初步设计 摘 要 在给定的农艺条件下确定了一种果园用链刀式开沟机的整体参数 并得出开沟机 总功耗为 4 874kW 初步进行了开沟机挂接机构和开沟装置的结构设计与 Pro E 造型 同时对工作链刀倾角 刀片运动轨迹和土粒的运动状态进行了分析 建立了链式开沟 机的功耗模型并用 MATLAB 的 fmincon 函数进行了优化 优化后功耗较设计功耗下降了 22 81 并且得出了在行进速度 0 0412m s 链刀线速度 1m s 工作链刀对水平 o v l v 面倾角 30 时 链式开沟机功耗最小的结论 关键词 链式开沟机 运动学 优化 Abstract The parameters of a new type of chain ditcher was ascertained with the given agricultural need and the power consumption was 4 874kW Structural design and molding with Pro E was carride out preliminarily At the same time analysis to the chain level angle blade linear speed and the lump motion was maded An optimization design model was established and the optimal analysis was carried out by applying MATLAB tools The results showed that the power consumption decreased 22 81 after optimization and it got the minimum when level speed blade linear speed and chain level anglevalued at 0 0412m s 1m s and o v l v 30 respectively Key words Chain ditcher Kinematics Optimization I 目 录 1 前言 1 1 1 开沟机的发展概况 1 1 2 链式开沟机研发现状 2 1 3 课题研究意义 5 2 链式开沟机整体参数确定 7 2 1 链式开沟机的设计参数 7 2 2 链式开沟机工作参数的确定 7 2 3 链式开沟机的功率计算 10 2 3 1 切土阻力 10 2 3 2 开沟机功耗计算 11 2 4 链式开沟机总体参数的确定 13 3 链式开沟机关键部件设计与 PRO E 概念造型 15 3 1 挂接机构设计 15 3 1 1 挂接机构的设计与 Pro E 造型 15 3 1 2 减速器及链传动设计 16 3 2 开沟装置的设计分析与造型 18 3 2 1 链刀组合的设计计算 18 3 2 2 主轴组合设计 22 3 2 3 从动轴组合的设计与 Pro E 造型 22 3 2 4 排土器组合的设计与 Pro E 造型 23 3 2 5 梁的结构设计与 Pro E 造型 24 3 3 液压缸的选用及分析 25 3 3 1 液压缸型号的确定 25 3 3 2 液压缸行程验证 26 3 4 基于 PRO E 的零件质量计算及重心测量方法探求 28 3 4 1 在 PRO E 中定义零件质量属性 28 3 4 2 开沟机重心计算方法的探求 29 4 链式开沟机工作机理研究 31 4 1 链式开沟机水平倾角分析 31 4 2 链式开沟机刀片的运动轨迹分析 32 4 3 土粒在链传动过程中的运动分析 33 4 3 1 转动切削状态下土粒在链传动过程中的运动分析 34 4 3 2 平动切削状态下土粒在链传动过程中的运动分析 34 4 4 基于 MATLAB 的链式开沟机功耗的优化设计与分析 36 4 4 1 目标函数的建立 37 4 4 2 约束条件 41 4 4 3 基于 MATLAB 的开沟机功耗的优化 41 4 4 4 小结与讨论 43 II 5 结论与展望 44 5 1 研究结论 44 5 2 不足与展望 44 致 谢 46 参考文献 附录 附录 前言 1 1 前言 1 1 开沟机的发展概况 从运动机理上可以把开沟机分为两种 犁式开沟机和旋转开沟机 前者的工作部 件不旋转 直接由动力牵引 开沟速度快 效率高 但一般开沟深度较小 土壤硬度 不能太大 且沟形难以保证 后者的工作部件旋转 称为铣削式开沟 沟形规整 适 合各种土壤 但效率较低 1 国内外开沟机主要有以下几种 犁式开沟机 割盘式开 沟机 双圆盘式开沟机 回转链式开沟机以及立式螺旋开沟机 按功率和开沟大小又 可分为自走式和手扶式等 种类较多 2 国外的开沟机研究及生产较早 早期的犁铧工具就是开沟机的雏形 只不过没有 动力驱动 且相关部件和结构原理没有系统地研究 上世纪 50 年代 伴随机械化的普 及 一些发达国家开始使用机械开沟机进行大范围的农耕作业 大大提高了劳动生产 率 随着技术的进步和工作要求的日益增多 开沟设备的研究走进了一个新的时代 较为成型的开沟设备不断涌现 到了 60 年代 旋转式开沟机 图 1 1 作为一种连续 挖土机械已经相当先进 由于它适宜开挖梯形截面的沟渠 能均匀散开沟内土壤 因 而获得迅速的发展 前苏联 意大利和法国都有不同型号的系列产品 其中以前苏联 的 KH 1200 系列和意大利的 MK 17 系列为代表 由于旋转式开沟机的尺寸大 不宜开 挖窄沟 70 年代末开始 对链式开沟机的研究逐渐兴起 到了 80 年代中期 美国已经 有了较为成型的链式开沟设备 链式开沟机结构简单 组装方便 多为悬挂于农用拖 拉机后端的可拆卸设备 其工作效率突出 且扩大了开沟机的使用范围 伴随着电信 光缆和地下管道铺设规模的扩大化 链式开沟机的使用更为广泛 在国内 天津工程机械研究所和长春工程机械厂于 70 年代中期开始合作 研制出 我国首台轮斗式开沟机 80 年代中期 三 四个厂家曾分别开发了几种开沟机械 但 由于经济性和技术性等原因 未能使开沟机在国内全面推广 现代农装湖州联合收割 机有限公司引进美国 Finn 公司的技术 生产了 244D 多功能田园机 该机采用回转链 图 1 1 河南凤翔 TD50 轮盘式开沟机 链式开沟机的初步设计 2 式的结构 通过装配开沟装置实现田园开沟 但是该机成本较高 2000 年天津工程机械研究院利用 TN654 型拖拉机改装成挖沟机 GC65 并于 2002 年研制成功了 GC65G 型链刀式开沟机 该机可用于水利管沟和电缆铺设工程 虽为机 械传动 但其功率与挖沟效率比 达到了国内外较为先进的水平 该机采用天津拖拉 机厂生产的铁牛 654LA 拖拉机为底盘 后部加设链铲挖沟装置 前部装有回填铲 使 其能同时完成挖沟回填综合作业 挖沟装置和回填铲与拖拉机主体都采用螺栓连接 非挖沟作业期间可拆卸下来 恢复拖拉机功能 同年 天津工程机械研究院根据西气 东输的需要 开发出 WG300 型履带式全液压挖沟机 该机最大挖沟宽度可达 900mm 最 大挖沟深度 2200mm 挖掘链线速度 0 4m s 作业速度最高可达 1400m h 由于链式开沟机 图 1 2 设备简单 组装方便 可作为悬挂于农用拖拉机后端的 可拆卸设备 并且工作效率突出 使用范围广阔 近年来 国内外研制的开沟机多采 用回转链式结构 1 2 链式开沟机研发现状 按照功率大小的不同 链式开沟机有大型 中型和小型之分 它们有各自的特点 小型链式开沟机大多为专用设备 使用专用的底盘 结构紧凑 但是功能单一 如功 率 10kw 的威猛 Vermeer RT100 手扶链式开沟机 大中型开沟机生产率高 功耗大 自 动化程度高 使用专门的大功率配套动力 其动力机可以挂接多种工程机械设备 如 美国凯斯 Case 660 链式开沟机 目前主要的链式开沟机生产厂商均在美国 美国 A F Trenchers 有限公司的产品 AFT 65 型开沟机 图 1 3 采用拖拉机牵引 在崎岖不平的地形上能够显示出很高 的工作性能 开沟设备挂接 50 80 马力的标准拖拉机 且不需要对拖拉机的结构做任 何修改 该机能应用于多种工作场合 降低了设备成本 图 1 2 山东巨菱 KG1100 型链式开沟机 前言 3 美国的 GASE 公司是世界知名的农机生产厂商 其 60 系列开沟机有七个机型 功 率范围 9 7 57 4KW 其最新推出的 960 机型 图 1 3 可根据土壤条件的不同 配备 链式开沟器和岩石轮等开沟装置 根据土壤硬度和管线直径的大小 可为开沟机选配 杯型齿 岩石和冻土齿等不同材质和尺寸的链条和齿块 机器的前部同时装有挖掘装 置和六向推土板 可实现开沟 扩宽和回填的连续作业 大大增强了机器的使用性能 和应用范围 国内的开沟机的研究和使用起步较晚 由中国农业机械化科学研究院研制的 1K 30 悬挂式链式开沟机 图 1 4 和 1KZ 30 型自走式链刀开沟机非常具有代表性 这 两种链式开沟机主要用于开挖农田矩形沟槽 铺设管道或电缆 以及种植山药等农作物 其特点是投资少 一台机器能替代几十个工 人的工作 开沟质量好 沟宽最小可控制到 10cm 深度可达 150cm 沟直壁陡 切削刀 片和链条采用特殊材料与工艺制造 使用寿 命长 另外这两种机型的工作效率也很高 其中自走式的效率更为突出 整机结构简 单 操作方便 维护容易 河北深远机械厂生产的回旋式挖沟机 图 1 5 在国内同类产品中性能较好 该开 沟机采用回旋链刀式开沟器 分为大 中 小三种型号 其小型开沟机的开沟宽度为 10 30cm 深度 50 150cm 工作效率 150 450m h 中型开沟机的开沟宽度为 20 60cm 深度 60 180cm 工作效率 150 500m h 大型开沟机的开沟宽度 30 150cm 深度 50 230cm 工作效率 150 400m h 该机广泛用于农田灌溉渠道挖 掘 煤气管道和石油管道铺设 地下电缆铺设等各种开沟作业 并配套了墙边 路边 专用挖沟设备 图 1 3 AFT 65 链式开沟机 图 1 4 1K 30 型悬挂式链式开沟机 链式开沟机的初步设计 4 链式开沟机的刀片有多种形式 3 有用于岩石及高硬度土壤挖掘的子弹式 图 1 6 用于高硬度土壤的扁平状刀具 用于北方冻土挖掘的形似刨刀的合金刀具及用于 普通硬度土壤的杯形刀片 图 1 7 链式开沟机使用的链条形式较多 通常是在普通链条基础上改进而来的 通用链 条原设计是在无固体介质工况下运转的产品 对于适应性还未达到最佳 吉林大学刘 晓论等设计了一种刀式矿土复合型开沟链条 如图 1 8 所示 此设计的创新点在于 结构新颖 链条夹啮链轮 链节上带有排土壤介质的通槽 从而减少了啮合与传动的 阻力 可提高传 动效率 4 图 1 6 子弹头式刀具 图 1 7 杯形刀片 图 1 5 河北深远机械链式开沟机 图 1 8 新型刀式矿土复合型开沟链 前言 5 由于链式开沟机的优越性 本文所研制的开沟机决定采用回转链式开沟机 该机 集开沟和排土于一体 沟深和沟宽都易于调节 当刀片安装角度和排列合理 刃口足 够锐利时 土壤切片主要是剪切破坏 可减小阻力 且当某个刀片损坏时 可方便的 拆卸下来进行更换 1 3 课题研究意义 在国外 连续式开沟机己经使用的很普遍 地下公用设施的施工都用专业开沟机 很少使用单斗挖掘机 在我国 除少数的单位引进国外的连续式开沟机外 国产开沟 机投入使用的较少 随着我国基础设施建设规模越来越大 开沟机施工工程的规模也 越来越大 如光缆 电缆和管道的铺设等方工作 特别是在农业工程领域 大棚作业 林地开沟 果树开沟和施肥等用工量很大的作业 在我国几乎都用人工完成 劳动强 度大 效率低 从而很难提高经济效益 由于果园和林地的环境条件特殊 而现有的 开沟机产品大多数以拖拉机或履带式工程机械为平台 所以 研发一种适用于果园等 环境的开沟机成为必要 表 1 1 1YG 8 8 型遥控微耕机性能参数 1 48 外型 尺寸 整机质量配套功率遥控范围液压提升能力 2 10 3 30 1240 740 670 475kg8 8kW50m120KN 各 档 速 度 Km h 1 67 陕西东明农业科技公司生产的 1YG 8 8 型遥控微耕机是非常适合应用于果园的小 图 1 9 1YG 8 8 型遥控微耕机 链式开沟机的初步设计 6 型机 该机具有一系列优点 遥控 人力两套操纵系统 可以随机操纵 也可以人机 分离 遥控操纵液压升降 降低了操作人员的劳动强度 机具高度仅 65cm 通过性能 好 采用履带行走装置 附着力强 爬坡能力大 稳定性强 能防止机具作业中翻倒 事故 为了响应国家 农业机械化 的号召 提高农民工作效率 本文以 1YG 8 8 型微 耕机为平台 初步设计了一种链刀式开沟机 这种开沟机能充分利用微耕机通过性好 的优点 适合在果园 林地等环境下使用 从而降低农民在开沟 施肥时的劳动强度 提高工作效率 链式开沟机整体参数确定 7 2 链式开沟机整体参数确定 2 1 链式开沟机的设计参数 开沟机工作环境为果园 深度不超过 400mm 沟宽限制在 150mm 300mm 链刀式 开沟机的基本参数为 开沟宽度 200mm 开沟深度 400mm 链条线速度 1 15m s 前进速度 100 300m h 配套动力 8 8kW 动力输出轴转速 2400r m 2 2 链式开沟机工作参数的确定 开沟机工作链刀的速度矢量关系如图 2 1 所示 根据运动学原理 可分别推出开 沟机的生产率 Q 和链刀运动绝对速度 链式开沟机的生产率 2 33 0 QBHv200400150 15 6 0 00333 mmmmm hmhms 1 式中 B 沟宽 H 沟深 机组前进速度 0 v 由图 2 1 可知 工作链刀的绝对速度 图 2 1 工作链刀速度矢量图 链式开沟机的初步设计 8 2 2 22 00 2cos4 1092 027 all vvvv vm s 式中 一刀片绝对速度 a v 一链条相对开沟机的线速度 l v 工作链刀与水平面之间的夹角 现有开沟机的链速一般为 v 1 15m s 参考果园的土壤情况 链速设计为 2m s 由图可得 2 cos tan sin lo l vv v 3 由于实际开沟过程中 所以上式可以简化为 则有 l v 0 vtancot 即 近似互余 2 刀片宽度是刀片在每次切削时 在链宽方向上所切削的土壤宽度 现挖 200mm 宽 的沟 设计由 2 把刀片为一组 并使其排列方式满足不重不漏 则刀片宽度 取 20045 77 5 22 BK bmm 70bmm 式中 K 开沟链宽度 开沟机当量切削厚度 如图 2 1 所示 70 4 67mm 1515 c b 对初步选定的刀刃宽度和链条节距 须要检验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 2 1 p QQ k 4 式中 链刀按排土能力计算的生产率 Q 3 mh 土壤松散系数 根据土壤系数表 土壤类型选择前四类 可确定范围是 p k l 01 1 30 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 m s l v 0 11 01 52 0 0 970 920 850 75 开沟时 链刀组合受到主动链轮的驱动和土壤阻力的作用 刀刃和链节销钉将发 链式开沟机整体参数确定 9 生磨损和振动 为了保证作业质量和避免过分的振动 对链刀的运动速度须作一定的 限制 本文中取链刀线速度为 2 0m s 对于链刀的排土能力的计算 可以通过工作链 刀的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 5 当时arctan r d h L 2 1tan 2 d lr L Qbhv h 5 当时arctan r d h L 2 cot 2 r l d h Qb h v L 6 当时 r 2 l Qb h v 7 其中 h 链刀的高度 松散土壤的自然休止角 r 土壤的自然休止角 是指土壤在自然条件下不滑坡的最大倾斜角度 实际土壤试 验中可以利用休止角测定仪进行土壤休止角的测量 但需要根据土壤的具体情况确定 根据相关文献给出的常见土壤休止角 表 2 2 结合实际开沟情况 认为亚粘土的休 止角为 30 40 取 35 r 表 2 2 土壤自然休止角 土的名称干的度数湿润度数潮湿的度数 细砂 253020 重粘土 453515 亚粘土 轻粘土 504030 轻亚粘土 403020 腐植土 403525 填方的土 354527 链式开沟机的初步设计 10 链刀的高度 h 110mm 链刀节距 4 42 01mm 168 04mm d L 由于 a 50 arctan3533 20968 209 r d h L 因此取式 2 5 计算 164 04 1tan 110 2 1tan 5035 197 494 22 110 d lr L Qbhvbb h 由 得 计算可得 1 p QQ k p Q k Q 0 060bm 为了保证土壤切削后能够正常的被链刀带出沟 链刀的宽度 b 不能小于 60mm 切削断面面积 切削断面面积是在任意位置上 切削宽度与切削厚度的乘积 2 2 4 6770326 9 c Abmmmmmm 8 2 3 链式开沟机的功率计算 开沟过程中 刀片在土壤中连续运动进行切削 被切削下来的土壤 其中一部分 在切削刃前面形成土堆 被刀片带着向前移动 一部分土壤在挤压力的作用下越过切 削刃前面的土堆进入杯形刀体内 由此可见 在开沟过程中刀片除了遇到切削阻力外 还会遇到土壤进入杯形刀体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总阻力 6 开沟机功耗及阻力的计算方法还不完善 主要通过借鉴其它切削经验公式来计算 且不同的参数下所使用的经验公式也不同 因此探求合适的阻力计算公式是非常关键 的 2 3 12 3 1 切土阻力切土阻力 切削总阻力计算公式 7 2 9 1 35 90 9 8 0 1 10 01 1 180 rscH FCbe 式中 土壤坚实度计的冲击次数 取 15 s C s C 切削厚度 刀片宽度 c b 刀片切削角 对于圆弧形刀片刀片切削角等于后角 2 链式开沟机整体参数确定 11 刀片尖角计算系数 取 0 81 H e H e 将上式中的切削厚度 刀片切削角和刀片厚度作相应的调整后得到单个刀片的切 削阻力 1 35 2 90 9 8 0 1 10 01 1 180 rscH FCbe 1 35 9012 9 8 15 0 1 4 67 10 01 70 1 0 81 180 2 41 035N 10 开沟机链刀总切削阻力 2 41 035 10410 35 tr FF ZN 11 式中 z 链条上同时与土壤作用的刀片数 工作时有 5 组 即约 10 把刀片同时 切土 由于刀片受到各种冲击的影响 在设计时应加入动载系数 一般情况下动载系数 0 k 取 1 3 1 5 8 则 2 0 1 3 410 35533 455 tt FkFNN 12 2 3 22 3 2 开沟机功耗计算开沟机功耗计算 2 3 2 1 开沟装置总功耗 a 开沟机的总切削功耗为 2 533 4552 1066 91 tta PF vNm sW 13 链式开沟机的总切削比功 2 3 2 0 1066 91 320 393 0 0417 0 084 tt PPW kW J ms Qv Sm sm 14 式中 比功 单位立方米作业量的切削功耗J 沟的断面面积s 表 2 3 土壤容重 链式开沟机的初步设计 12 土壤级别土壤名称难易系数容重 砂和粉砂土 种植土 0 75 15000 16000 12000 轻粘土 小石头 夹有碎石当砂土 0 9 16000 17000 17500 亚粘土 重粘土 干黄土 1 0 18000 17500 18000 重粘土 硬黄土 含石块的粘土 石块与粗卵石 1 3 19500 20000 19500 密实硬黄土 轻质泥灰土 不坚实页岩 岩石 2 0 19500 19000 20000 20000 33000 b 沿沟深方向提升土壤的功耗 每次切削下来的土壤层的重心都相同 距地面为 0 5H 则 2 0 5 0 00333 18000 0 5 0 4 111 988 rp PQH KW 15 式中 土壤颗粒在链刀与沟侧壁间滞塞的可能系数 取 1 p K p K 土壤容重 土壤容重 9 是土壤在未破坏的自然结构下 单位容积中的重量 通常以表 3 N m 示 土壤容重大小反映土壤结构 透气性 透水性能以及保水能力的高低 一般耕作 层土壤容重 1 1 8 103N m3 土层越深则容重越大 各种土壤的容重数据见表 2 3 c 被运送土壤与沟道土壤的摩擦功耗 02 0 5 cos f PQHH 2 0 00333 18000 0 5 0 40 015 0 9 cos5014 390W 16 式中 土壤的内摩擦系数 见表 2 4 2 表 2 4 土壤摩擦系数 土壤名称内摩擦系数外摩擦系数 砂0 58 一 0 75 0 73 粘土0 7 一 10 5 一 0 75 链式开沟机整体参数确定 13 小块砾石0 9 一 1 1 泥土灰0 75 一 10 6 一 0 75 饱含水分的粘土0 18 一 0 42 碎石 0 90 84 d 螺旋排土器移动土壤的功耗 2 0 5 0 00333 18000 0 4119 88 hB PC QLW 17 式中 用实验的方法确定的螺旋排土器土壤阻力系数 对大多数土壤取 4 5 0 C 移动土壤到开沟边的最大距离 一般取 0 4 0 5 本文取 0 4 B L 则开沟机装置总功耗为 2 0 12 119 8814 39011 9881066 91 3466 194 0 7 0 5 hfrt PPPP WWWW PW 18 式中 开沟链的传动效率 1 配套动力到开沟装置的传动效率 2 2 3 2 2 机组前进功耗 传动机构功耗 2 19 0 0 40 4 3466 1941386 478 W PPWW 对于机组前进所受的阻力 Fa 可以做受力分析 如图 2 2 则 sin cos att FGFF 图 2 2 机组前进状态受力分析 链式开沟机的初步设计 14 475533 455 sin50 0 07533 455 cos50 2 401 254N 20 式中 G 一机器自重 滚动阻力系数 取 0 07 9 机组前进功耗 2 0 3 401 2540 042 1386 4781407 543 0 8 a aW F vNm s PPWW 21 式中 机器行走的传动效率 3 链式开沟机的总功耗为 2 0 3466 1941407 5434873 737 a PPPWWW 22 2 4 链式开沟机总体参数的确定 根据相关农艺要求 开沟深度不超过 400mm 沟宽限制在 150mm 至 300mm 设计参 数定为沟宽 B 200mm 沟深 H 400mm 土壤为亚粘土 整机前进速度为 150m h 理论生 产率 15 6 链条线速度 2 0m s 工作链刀与水平方向所成角度约为 50 根据 3 mh 这些条件 得出所设计的开沟机参数 如表 2 5 所示 表 2 5 开沟机总体参数 链刀切削厚度 4 67mm 单个刀片的切削阻力 41 035N 开沟机的总切削功耗 1 067kW 开沟装置总功耗 3 466kw 机组前进功耗 1 408kW 总功耗 4 874kW 小结 本章介绍了链式开沟机的工作原理 根据工作环境 农艺要求以及动力学分析结 果 确定了沟宽 沟深 整机前进速度 链速 生产率 切土阻力 切削功耗 总功 耗 比功 切削厚度等基本参数 链式开沟机整体参数确定 15 链式开沟机关键部件设计及 Pro E 概念造型 15 3 链式开沟机关键部件设计与 Pro E 概念造型 本文所研制的开沟机以陕西东明农业科技有限公司生产的 1YG 7 5 型多功能遥控 微耕机为平台 主要由微耕机 附加减速箱 挂接机构和开沟装置四部分组成 开沟 装置通过挂接机构连接在微耕机后部 微耕机输出轴的动力经链传动后 输入到开沟 装置主轴 链式开沟机的结构如图 3 1 所示 图 3 1 链式开沟机结构图 3 1 挂接机构设计 3 1 13 1 1 挂接机构的设计与挂接机构的设计与 Pro EPro E 造型造型 农具的连接方式有牵引式和悬挂接两种 10 牵引式连接是将农具铰接在拖拉机后 端牵引杆的挂钩上 农具的重量由它本身的地轮支撑 工作时农具的升降和耕深是由 农具手通过操纵机构来实现的 这使得农机的结构复杂 笨重 机组的机动性和通过 性较差 并且劳动强度大 目前 牵引连接方式只用于少数农具和运输作业 悬挂式连接是将农具悬挂在拖拉机 上 它们组成一个整体 驾驶员可以在 拖拉机上直接控制农具的升降和进行耕 深控制 这样就使农具的结构简单 重 量轻 机组的机动性好 无需另外加配 农具操作人员 有利于提高劳动生产率 当悬挂式连接采用液压系统作为提升动 力后 可以实现耕深自动调节 改善了 劳动条件和提高了作业质量 悬挂式连 接还可以改变拖拉机的受力状态 有利 于改善拖拉机机的牵引性能 11 图 3 2 东方红 75 液压悬挂机构 链式开沟机的初步设计 16 本文的开沟装置通过挂接机构连接在微耕机后部 通过微耕机的液压系统控制液 压缸 可以实现整个装置的升降 微耕机动力输出轴的动力经链传动后 输入到开沟 装置主轴和主动链轮 参考已有开沟机的挂接机构 并充分考虑微耕机的结构尺寸和 应用环境的要求 设计开沟机的挂接机构如图 3 4 所示 挂接机构主要由支架和下部的两个支撑杆组成 支架上有固定主轴轴承座的螺栓 孔 安装液压缸的耳环和连接梁的铰接孔 安装时先将架的尾端铰接在微耕机尾座上 然后再将支撑杆下部的销与微耕机底盘上的耳环连接起来 这样的设计主要是充分利 用微耕机已有的尾座支架 尽量不做改动 从而降低成本 针对此挂接机构 需对微 耕机做以下调整 将后支架的离地高度调为 420mm 通过改变倾角实现 设计过程必须做到以下三点 图 3 4 挂接结构造型图 图 3 3 挂接机构结构图 链式开沟机关键部件设计及 Pro E 概念造型 17 保证主轴离地高度约 500mm 保证主轴轴线与微耕机后座孔的距离 400mm 将底盘向后延长 50mm 目的是为了焊接支撑杆的耳环 保证连接强度 3 1 23 1 2 减速器及链传动设计减速器及链传动设计 如图 3 6 所示 微耕机后动力输出轴的转矩通过链传动传递给开沟装置的主动链 轮 设计减速箱的目的是为了解决原微耕机的行进速度过高 三个挡位 档 1480m h 挡 2100m h 挡 3300m h 的问题 通过附加减速箱的设计既能使原有微 耕机的动力输出轴的转动方向改变 又可以达到降低行进速度的目的 由前一章的计 算可知 链条的线速度 2m s 微耕机上的动力 常柴 L12 柴油机的输出转速为 2400r min 所以设计附加减速器为两级圆柱直齿轮减速器 其设计数据如表 3 1 表 3 1 附加减速箱技术参数 减速级模数传动比齿数比总传动比 12 52 47447 19 231 23337 30 3 传动路线图 图 3 5 微耕机原传动路线图 图 3 6 加减速箱后的传动路线图 加减速器后微耕机的行进速度为 150m h 附加加速器到开沟装置主轴之间选用链 传动 由计算得变速箱输出轴转速 409 32r min 主动链轮的线速度 2m s 且考虑到 变速箱输出与主动轴输入处空间的限制 选用标准传动用 A 系列滚子链 10A 12 链条 及链轮尺寸如表 3 2 3 3 所示 表 3 2 10A 型滚子链的主要尺寸 链式开沟机的初步设计 18 链号 节距 mm 内链节 内宽 mm 内链节 外宽 mm 内链板 高度 mm 排距 mm 单排 质量 Kg m 单排极限 拉伸载荷 N 10A15 8759 4013 8415 0918 111 021800 表 3 3 传动链轮的技术参数 主动轮 Z1 12d1 61 34mm 从动轮 P 15 875mm Z2 22d2 111 56mm 传动比 i 1 863 则链条的线速度 2 219 728 min 22 15 875 1 279 60 100060 1000 n zpr vm s 由计算知 开沟装置功耗 3466 194W 且有 开沟链传动效率 0 88 1 滚动轴承传动效率 0 98 3 对 2 传动链传动效率 0 95 双排 3 则可得出传动链传送功率 12223 4404 98 P PN 有效拉力 10001000 4404 98 3444 097 1 279 PW FN vm s 轴上载荷 1 21 2 1 2 3444 0974959 45 QA FK FN 其中 取 1 2 中等冲击 A K 由于 所以传动链是安全的 2 QQ FF 3 2 开沟装置的设计与 Pro E 造型 开沟装置是工作部件 由主轴组合 从动轴组合 排土器组合 链刀组合 机架 组合 其结构如图 3 7 所示 链式开沟机关键部件设计及 Pro E 概念造型 19 图 3 7 开沟装置造型 3 2 13 2 1 链刀组合的设计计算链刀组合的设计计算 链刀组合围绕在主动链轮 机架组合和从动轮链上 考虑到微耕机总长 1 25m 整机的尺寸不能过大 确定 两个链轮中心距不得大于 lm 查阅现有资料中开沟机 的链速一般为 v 1 15m s 综合考虑微耕机的输出转 速和果园及林地的土壤硬度 选定开沟链线速度 2m s 则由计算得开沟机主轴转速 409 32r m 链刀组合的虚拟装配主要用骨架装配的方法 13 其 Pro E 造型如图 3 8 所示 开沟宽度为 200mm 且刀片切削刃宽度一般不小于 20 mm 由于链宽略小于刀具刃 宽 确定采用单排链 在沟宽方向两把刀片左 右依次排列 综合考虑功率 转速及 刀片安装等因素选用黄山恒久链传动公司生产的开沟机专用链 其主要尺寸见表 3 4 表 3 4 开沟链的主要尺寸 链 板链号 Chain No 节距 Pitch mm t T mm h mm H1 mm H mm E mm E1 mm E2 mm E3 mm d1 mm 2250GL M342 014 931 833 360 369 841 32 925 49 95 销 轴节距 Pitch mm 节距 Pitch mm 内链节 内宽 mm d mm L1 mm L2 mm 每米 净重 Kg m 图 3 8 链刀组合造型 链式开沟机的初步设计 20 2250GL M342 0125 211 126 929 47 78 图 3 9 链节结构图 选定主动链轮齿数 13 从动链轮齿数 11 链条和链轮关键参数的计算过程如下 14 链速 409 32 13 42 01 2 6000060000 nzp vm s 链轮分度圆直径 1 2 42 01 175 554 180 180 sin sin 11 p dmm z 2 1 42 01 149 113 180 180 sin sin 11 p dmm z 3 3 42 01 135 995 180 180 sin sin 10 p dmm z 齿顶圆直径 1 1 180180 0 54cot 42 01 0 54cot 193 534 13 a dpmm z 2 2 180180 0 54cot 42 01 0 54cot 165 758 11 a dpmm z 3 3 180180 0 54cot 42 01 0 54cot 151 978 10 a dpmm z 链式开沟机关键部件设计及 Pro E 概念造型 21 齿根圆直径 111 175 55422 23153 325 f dddmmmmmm 111 149 11322 23126 883 f dddmmmmmm 331 135 99522 23113 765 f dddmmmmmm 图 3 10 圆弧杯形刀片式结构图 链式开沟机的开沟刀片有多种形式 子弹头式 竖直刮刀 凿形刀片 杯形刀片 等 子弹头式刀具主要用于岩石及高硬度土壤挖掘 竖直刮刀主要用于坚实度高的土 壤及冻土 北方冻土挖掘还可以使用一种形似刨刀的硬质合金刀具 圆弧杯形刀片适 用于普通硬度土壤 此种刀片既切削土壤也可以带动土壤离开沟底 对各种土质的适 应性较好 是国内外开沟机使用较多的一种刀片形式 本文所设计的开沟机采用圆弧 杯形刀片 对于圆弧杯形刀片 后角对切削阻力影响较大 后角减小时 后刀面与切削表面 之间的摩擦力增大 从而使切削力增大 但是过大的后角将会使楔角变小 刀片强度 降低 刃口的稳定性下降 切削力反而增加 所以后角一般取 10 15 15 因此 设计刀片的后角为 12 宽度 70mm 切削土壤一侧开有 30mm 的刃口 如图 3 12 所示 图 3 12 70 110 的刀片造型图 图 3 11 40 90 的刀片造型图 链式开沟机的初步设计 22 根据不同的沟宽要求 选择不同结构参数的刀片和交错排列方式 也可变单排链为多 排链 但是必须满足下列基本条件 15 必须在刀片宽度方向依次布刀 保证不重切 不漏切 各组刀片中相同相位的刀片只有一把切削土壤 在同一切削面内 刀片尽可能为单侧切削 实验表明单侧切削阻力要比双侧 切削阻力小 切削过程中 某一刀片离开土壤时 必须要有一把另一组相同相位的刀片入 土 以保证切削阻力以及阻力矩基本不变 保证平稳性 为了满足以上条件 所研制的链刀按照图 3 13 所示左右依次排列 3 2 23 2 2 主轴组主轴组合设计合设计 天津静海机械公司生产的开沟机 主轴固定在轴套中 图 3 14 这样增大了径向 尺寸 并且由于开沟机的梁也挂接在套筒上 使得套筒的稳定性得不到保证 从而影 响到主轴的转动以及套筒内轴承的受力 同样 在河北徐水深远机械厂生产的开沟机 采用了类似结构 整个梁通过附带轴承座铰接在主轴上 图 3 15 这样使得主轴的加 工要求复杂 并且拆卸 维修不便 图 3 13 刀片排列形式示意图 链式开沟机关键部件设计及 Pro E 概念造型 23 图 3 14 天津静海开沟机 图 3 15 河北深远机械开沟机 为克服上述缺点 决定使主轴传动和梁的铰接分开 梁的结构见本文 3 2 5 主 轴组合通过调心球轴承外的 SN 型轴承座 16 连接在机架上 动力从主轴组合左端的传 动链轮输入 经过键连接 再从主动链轮输出 这样在主轴组合中仅有一对轴承 维 护 更换方便 并且能够保证开沟装置切削土壤时产生的载荷由轴承座及挂接机构直 接承担 避免了主轴承担所有载荷的情况 从而保证了较高的安全系数 主轴组合结 构如图 3 16 所示 图 3 16 主轴组合结构图 3 2 33 2 3 从动轴组合的设计与从动轴组合的设计与 Pro EPro E 造型造型 从动轴的设计中主要限制条件为开沟机的最小宽度和链轮的直径 根据计算 本 文设计的开沟机最小开沟宽度为 120mm 由于从动轴的载荷小于主动轴和排土器轴系 所以采用较小齿数的链轮 z 11 即可满足要求 并且可以减小梁的受力和使重心前移 另外 轴承的选择也很重要 因为轴向尺寸有限 并且没有轴承座 从动轴组合的 Pro E造型 17 如图 3 18 所示 图 3 17 主轴组合造型图 图 3 18 从动轴组合造型图 链式开沟机的初步设计 24 图 3 19 从动轴组合示意图 综合考虑从动轴系的工作条件和参考 已有的开沟机 所设计的从动轴系如图 3 19 所示 18 从动轴的一端做成螺母形式 便于安装 另一端用六角开槽螺母和开口 销固定 轴承采用 N4907 2RS 型 19 带双 侧密封圈滚针轴承 且轴承直接装在链轮 内 这样可以节省空间和利用链轮的一侧 进行轴向固定 链轮通过轴肩和弹性挡圈 固定 3 2 43 2 4 排土器组合的设计与排土器组合的设计与 Pro EPro E 造型造型 经计算 螺旋排土器的 功耗为 119 88W 为 了避免由于排 土而产生的轴 向力过大 决 定采用两侧排土结构 即左右对称的螺旋排土器分别安装 其两端用轴端挡圈固定 如图 3 20 所示 排土器的半径计算很重要 首先参考排土功耗和转速确定初始半径 然后计算从 链节中心到刀片根部的距离作为排土器的最大半径 以防排土器和刀片发生干涉 由 此 排土器的半径 R 定为 220mm 至于排土器的长度 为了充分排土 排土器内侧应紧 贴球轴承的内圈 外球面球轴承的内圈是伸出的 再综合考虑卸土高度等因素 确定 排土器长度 250mm 壁厚 5mm 此外 由于轴向尺寸的限制 选用 UBPF207 外球面球轴承 用方头螺栓直接连接 在固定板上 轴承内圈与轴用 M8 紧定螺钉紧固 从而实现同步转动 因为两边的排土 器完全对称 转速和结构参数也相同 故不会产生太大的轴向力 3 2 53 2 5 梁的结构设计与梁的结构设计与 Pro EPro E 造型造型 充分参考已有开沟机梁的结构 确定以如图 3 21 所示的结构进行设计 图 3 20 排土器组合造型 链式开沟机关键部件设计及 Pro E 概念造型 25 首先 考虑到微耕机整体尺寸较小和果园 林地通过性差的问题 在现有梁的基础 上将尺寸做合适的缩减 其次 为保证沟深可调和运输状态下开沟机的离地高度 20cm 决定以主轴离地高度 500mm 为设计基础 20 设计步骤如下 1 根据已有资料进行机构尺寸估计 初步设计如下 图 3 21 梁的结构示意图 2 图 3 22 中所示线条是链轮的节圆及链条销钉所在的轨迹线 A 确定链刀高度以 及链条的外形尺寸后 在上图的基础上做出刀尖的轨迹线 B 并以此为基础在 Pro E 中做出结构模型 并利用 拖动 功能看能否达到设计的沟深 倾角 图 3 22 链条轨迹线 3 选材 由惯性矩的相对值可以得出 圆形截面有较高的抗扭刚度 但抗弯强度较差 工字形截面的抗弯强度最大 但抗扭很低 只适用于承受纯弯的情况 矩形截面抗弯 抗扭虽然分别低于前二者 但其综合刚性最好 对于既承受拉压 又承受弯曲同时存 在的梁架 本身对刚度要求较高 所以机架组合支撑臂采用矩形管结构 不仅能支撑 链刀组合与从动轴组合 还能在开沟机工作时承受链条紧边受力后在其上滑动产生的 法向载荷 综上 选择梁的主体材料为上海佳艺钢材厂生产的 40 80mm 矩形钢管 两 侧采用 40 70mm 矩形钢管 其结构如图 3 23 所示 链式开沟机的初步设计 26 图 3 23 梁的造型 4 如图 3 23 排土器组合的支撑部分与梁的主体用 M16 螺栓连接 这是为了保证梁的 工艺性 由于梁的尺寸限制 排土器轴系的轴承选用 UBPF207 外球面轴承 用方头螺 栓固定在垫板上 此外 梁体上面的耳环是与液压缸的活塞杆铰接的 横梁的设计是 为了保证强度和刚度 在梁的设计过程中 必须保证以下几点 梁与架铰接的地方 必须与安装好的主轴组合是严格同轴的 以防止链刀组合 跳动过剧 梁上方矩形框的尺寸必须要考虑链刀组合的宽度 高度 且要有一定的余量 为了焊接效果 梁主体要有一定的伸出 但不能与主动链轮发生干涉 3 3 液压缸的选用及分析 3 3 13 3 1 液压缸型号的确定液压缸型号的确定 首先确定梁和架上的液压缸耳环的具体位置 然后即可对初定的杆件在 Pro E 中 进行简单模拟 工作位置和提起位置 测量出开沟装置在两个极限位置的时液压缸的 长度 即两个耳环中心线之间的距离 218mm 395mm 参考已有的微耕机的液压缸 型号和液压缸系列值 21 选用 HSG 型工程用液压缸 技术参数见表 3 5 型号 HSG L 50 25 E 1111 160 218 型号的含义 表 3 5 液压缸技术参数 缸径速比活塞杆直径 额定工作 压力 拉力推力最大行程 501 332516MP2356031420400 HSG 双作用单活塞杆液压缸 L 外螺纹连接 50 25 液压缸内径 活塞杆外径 mm E 压力等级 16MP 1111 缸盖耳环带衬套 杆端外螺纹 两端带缓冲 油口内螺纹连接 160 行程 mm 218 安装距 mm 链式开沟机关键部件设计及 Pro E 概念造型 27 3 3 23 3 2 液压缸行程验证液压缸行程验证 活塞杆的最大允许行程 3 1 2 Lk k EI mm F 将数据带入并化简后 3 2 2 L320 k k d F 式中 活塞杆弯曲失稳临界压缩力 k F kk FPn 安全系数 通常取 3 5 6 这里取 3 5 k n E 弹性模数 钢材的 E 52 2 1 10 N mm 将 P 16MPa 带入 得 56MPa 进而得 267mm 可见所选行程 160mm 在安全范 k F k L 围之内 液压缸往返运动速度之比 2 22 21 2222 22 12 50 4 1 33 5025 4 D vAD vADd Dd 式中 活塞杆的伸出速度 m min 1 v 活塞杆的缩回速度 m min 2 v 液压缸活塞直径 mD 活塞杆直径 md 由此可确定所选压力等级 16MP 是合理的 活塞在缸体内完成全部行程所需要的时间 s 3 3 60V t Q 图 3 24 液压缸造型 链式开沟机的初步设计 28 当活塞杆伸出时 s 3 4 2 15 D S t Q 当活塞杆缩回时 s 3 5 22 15 DdS t Q 式中 液压缸容积 LV 活塞行程 mS 流量 L minQ 缸筒内径 mD 活塞杆直径 md 活塞杆伸出时的理论推力为 3 6 626 11 1010 4 FA pD p 活塞杆缩回时的理论拉力为 3 7 6226 22 10 10 4 FA pDdp 活塞差动前进时的理论推力为 3 8 626 312 1010 4 FAApd p 式中 活塞无杆侧有效面积 1 A 2 m 活塞有杆侧有效面积 2 A 2 m 供油压力 Mpap 活塞直径 mD 活塞杆直径 d 3 4 基于 Pro E 的零件质量计算及重心测量方法探求 3 4 13 4 1 在在 Pro EPro E 中定义零件质量属性中定义零件质量属性 由于 Pro E 中的材料库是美国标准 不符合国标 故本文采用直接定义零件密度 并进而求得质量的方法 以链式开沟机的主轴轴系为例 定义密度并求得质量的方法 如下 首先打开主轴文件 zhuzhou prt 在菜单栏中选择 编辑 设置 单位 设置单位 毫米千克秒 mmks 设置 解译尺寸 如图 3 25 所示 待再生完成后 在 零件 设置 菜单管理器中选择 质量属性 原点 选定坐标系并输入密度值为 7 85e 6 如 图 3 26 所示 单击 确定 这样 主轴的密度就定义好了 链式开沟机关键部件设计及 Pro E 概念造型 29 图 3 25 定义零件单位 图 3 26 定义密度及原点 菜单栏中选择 分析 模型分析 计算 所得结果如下 体积 5 3958076e 05 毫米 3 曲面面积 5 2345675e 0