单人林业挖坑机测试装置设计【13张CAD图纸、文档资料齐全】

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内容简介:
南京林业大学南京林业大学本科毕业设计本科毕业设计题题 目:目: 单人林业挖坑机测试装置设计单人林业挖坑机测试装置设计 学学 院:院: 南方学院 专专 业:业: 机械设计制造及其自动化 学学 号:号: n090301119 学生姓名:学生姓名: 魏垂宪 指导教师:指导教师: 贾志成 职职 称:称: 讲 师 二二 O 一三年一三年 六六 月月南京林业大学本科毕业设计说明书2单人林业挖坑机测试装置设计单人林业挖坑机测试装置设计摘要挖坑机动态力学参数(扭矩和入土阻力)与其影响因素(钻头转速、钻头进给速度、土壤质地、土壤硬度、土壤湿度)以及工作部件结构参数之间的关系,是一项重要的基础理论研究。测试装置是进行研究的必备条件,为此需要自行研制挖坑机动态力学参数室内测试装置。该测试装置能根据测试要求,改变各影响因素值,采用传感器电测方法,通过采集系统,在挖坑作业全过程中,实现对力学参数的动态实时记录,在营林机械有关挖坑机研究领域是一项创新。挖坑机钻头的几何参数和工况范围,以及它们之间的组合,对挖坑机的工作质量和功率消耗有着极大的影响。多年来,人们除对挖坑机的生产效率、振动和噪声等指标进行测试和研究外,还对工作部件的结构参数、工作参数及土壤状况对机器性能的影响等作过一定程度的研究。因为挖坑机是一种土壤作业机械,工作对象是土壤,机器性能的优劣与其工作部件和土壤间相互作用关系有关,即受工作部件的结构参数、作业参数及土壤状况等多种因素影响。因此,进行挖坑机工作部件与土壤间相互作用关系的研究是十分重要而有意义的一项基础研究。 关键字:挖坑机,测试装置,动态力学参数,测试南京林业大学本科毕业设计说明书The design review of tester for the Single forestry digging machinesAbstractIt is an important basic theoretical study for the relationship between the digging machines dynamic mechanical parameters (torque and feed resistance) and its influencing factors (drill rotation speed, drill feed speed, soil composition, soil hardness, soil humidity) and working parts, structural parameters. The tester is the necessary condition for the study, therefore the authors developed the new tester of the digging machines dynamic mechanical parameters for testing data. The tester can change the values of influencing factors according to experiment demands. The authors logged the data of dynamic mechanical parameters in the whole process of digging exercise through the electromotive method by precision sensors and computer data logger system. This bring forth a new idea in the field of digging machine related to afforestation machinery.The geometric parameter and operating condition range of the drill of digging maching,as well as the combination between them,which have a great influence on the quality of work and power consumption of it.Over the years, people in addition to the production efficiency of digging machines, vibration and noise and other indicators of testing and research, but also on the working parts of the structure parameters, operating parameters and soil conditions on the performance of the machine made a certain degree of impact studies. Because digging machine is a soil working machine, the work object is the soil, the merits of their work performance of the machine components and the interaction between soil related, that is subject to the structural parameters of the working parts, the operating parameters and soil conditions and other factors . Therefore, the work carried out digging machine parts and interaction between soil studies are very important and meaningful one basic research.Key words :digging machine, tester, dynamic mechanical parameters, test南京林业大学本科毕业设计说明书目录目录第一章 绪论 .11.1 引言 .11.2 国内外挖坑机的研究现状与分类、设计要求 .11.2.1 国内外挖坑机的研究现状 .11.2.2 挖坑机的分类与设计要求 .71.3 设计小型挖坑机性能测试系统的必要性及目的、意义 .81.3.1 设计小型植树造林挖坑机性能测试系统的必要性 .81.3.2 课题研究的目的和意义 .8第二章 测试装置总体设计比较和选择 .102.1 总体方案的确定 .102.2 性能测试装置系统各组成部件的比较和选择 .10第三章 系统各组件设计 .133.1 机构部分 .133.2 土壤槽 .283.3 电测装置 .30第四章 性能测试实验 .364.1 扭矩传感器测试实验 .364.2 转速传感器测试实验 .374.3 拉压力传感器测试实验 .37第五章 总结与展望 .39致谢 .40参考文献 .41附录 .42南京林业大学本科毕业设计说明书第 1 页 共 47 页第一章第一章 绪论绪论1.1 引言引言从国家林业局公布的第五次全国森林资源调查结果来看,目前我国森林资源现状是:林业用地面积为 26329.5 万 hm2;森林面积为 15894.1 万 hm2;活立木总蓄积量为 124.9亿 m3;森林蓄积量为 112.7 亿 m3;除台湾省外,全国人工林面积为 46666.7 万 hm2;人工林蓄积为 10.1 亿 m3。从以上调查数字可以看出,全国森林覆盖率为 16.55%,仅相当于世界森林覆盖率(27%)的 61.3%; 我国人均森林面积和人均森林蓄积分别相当于世界人均水平的 1/5 和 1/8,远远低于世界平均水平。我国在“十五”规划中,把生态环境建设摆到了突出的战略位置。我国三北及长江流域防护林体系建设工程、退耕还林工程、速生丰产用材林基地建设工程等六大林业重点工程的制定和实施,体现了党中央、国务院对我国生态环境建设的高度重视,受到社会各界广泛关注,农民群众普遍欢迎。近年来,人们越来越重视身边的生态环境,“植树造林,保护环境”已成为全民参与的一项大型义务活动。然而,人工造林效率低、速度慢且劳动强度大,而机械化造林则是大势所趋,不仅可以提高劳动效率、减轻劳动强度,还能保证造林质量、降低生产成本、提高经济效益。化向更大规模、更广领域、更高水平方向发展。1.2 国内外挖坑机的研究现状国内外挖坑机的研究现状与分类、设计要求与分类、设计要求1.2.11.2.1 国内外挖坑机的研究现状国内外挖坑机的研究现状在国内,悬挂式挖坑机的生产和应用较为广泛,内蒙古赤峰田丰农林机械厂、山东大丰机械有限公司、哈尔滨林业福马机电设备公司及宁夏自治区农业机械研究所等 10 余家单位进行了研究、制造和销售。该类挖坑机通常具有较大的功率,机动性较强,能挖较大和较深的坑,大多应用于大面积植树造林,应用范围也比较广。 内蒙赤峰田丰农林机械厂生产的 3WH-60 型悬挂式挖坑机(如图 1-1 所示),结构合理,使用方便灵活,易于操作,每小时可挖 80150 个坑。其可与多种型号 36.8kW 以上拖 拉机配合使用,用于大面积植树造林及工业挖坑。挖坑直径 250600mm,深度01200mm,适用于平原、丘陵及沙地作业。南京林业大学本科毕业设计说明书第 2 页 共 47 页图 1-1 3WH-60 型县挂式挖坑机山东大丰机械厂生产的“大丰王”系列挖坑机 WKJ-60/70(如图 1-2 所示)可与 18.4k36.8kW 的多种拖拉机配合使用,挖坑直径 400800mm(可根据用户要求特别制作),深度 650800mm,转速 248 r/min,每小时可挖 60 个坑。图 1-2 WKJ-60/70 挖坑机哈尔滨林业福马机电设备公司生产的悬挂式挖坑机(如图 1-3 所示)可与铁牛40.4kW 或 18.4kW 以上的具有动力输出和悬挂装置的拖拉机配套,挖坑直径为250600mm,挖 坑深度为 0800mm,挖坑效率为 120 坑/h。图 1-3 悬挂式挖坑机手提式挖坑机在我国刚刚崭露头角,适用于家庭或地形复杂地区的小面积植树造林,南京林业大学本科毕业设计说明书第 3 页 共 47 页也可用于打桩和树木追肥挖坑。如哈尔滨林业福马机电设备公司生产的 3WS-2.8 型手提式挖坑机(如图 1-4 所示),采用 051A-1 型发动机,最大功率为 2.8kW,转速为280320r/min,挖坑尺寸(坑径深度)为 320mm500mm,质量为 17.6kg。该机主要应用于地形复杂的山地、丘陵区和沟壑区,在坡度 35以下的荒山荒地、次生林地以及黄土高原的沟坡进行挖坑或整地。图 1-4 3WS-2.8 型手提式挖坑机国内的一些林业高等院校和科研院所也对挖坑机进行了一些研究分析,关于挖坑机的论文大约有几十篇,涉及钻头升土理论及钻头临界转速的研究、钻头螺旋面强度的分析以及螺旋升角的选择问题,还得出了在不同条件下的挖坑机的动态力学参数,指出了钻头转矩的主要影响因素,对挖坑机的一些结构参数的确定起到了指导作用,为国内挖坑机的优化设计提供理了论支持。其中北京林业大学的刘会敏、茅也冰、王乃康教授进行过对于单人挖坑机的测试装置进行了深入研究,利用先进的测试手段,通过电测方法和计算机数据采集系统进行试验,搞清挖坑机的动态力学参数(如钻头的工作扭矩和入土阻力等)与工作装置结构参数(如钻尖型式、刀片型式与角度、螺旋翼片型式与升角等)、作业参数(如钻头转速、进给速度等),以及土壤条件(如土壤质地、土壤湿度、土壤硬度等)的相互作用关系,并从相互作用的普遍性原则出发,建立定量化的数学模型,这将对挖坑机的结构参数、作业参数的优化设计、生产率和机器适用性的提高起到重要作用。相比之下,国外的研究状况要好一些。由日本生产的自走式高性能挖坑整地机采用柴油机作动力,行走脚与轮胎组合行走装置为全液压式,平时用轮胎行驶,坡地靠行走脚行走,适用于坡度高达 56的陡坡林地作业。作业时,4 只脚可上下、左右移动,并能保证包括驾驶室在内的机器上半部始终呈水平状态。该机的液压臂端部可安装液压式割灌机或挖坑机,每天可挖植树坑 300400 个,实现了一机多用。日本生产的 A-7 型手提南京林业大学本科毕业设计说明书第 4 页 共 47 页式挖坑机(如图 1-5(a)所示)质量仅为 7.0kg,采用 H35D 发动机;A8D 型挖坑机(如图 1-5(b)所示)可挖坑径范围为 20200mm。图 1-5 日本生产的挖坑机德国生产的 BT120C 型挖坑机(如图 1-6 所示)发动机功率 1.3kW,质量 8.2kg,钻头转速 190r/min,发动机转矩 1.7Nm,钻头的转矩 79.0Nm。图 1-6 德国产 BT120C 型挖坑机英国生产的 05H8300 型悬挂式挖坑机(如图 1-7 所示)和美国生产的悬挂式三钻头挖坑机(如图 1-8 所示)钻头之间的距离是可调节的(即行距可调),适用于平原地区的大面积植树造林,工作效率很高。南京林业大学本科毕业设计说明书第 5 页 共 47 页图 1-7 英国产 05H8300 式挖坑机 图 1-8 美国产悬挂式钻头挖坑机美国和加拿大生产的手提式挖坑机,发动机与钻头采用分离式,通过液压传动驱动钻头工作。美国生产的 HYD-TB11H 型液压挖坑机(如图 1-9 所示)质量为 170kg,最大流量为 22.7L/min,最大转速为 141r/min,钻头最大扭矩 349Nm。南京林业大学本科毕业设计说明书第 6 页 共 47 页图 1-9 美国产 HYD-TB11H 型液压挖坑机美国生产的 MDL-5B 型挖坑机(如图 1-10 所示)发动机采用动力为 4.1kW 的 BS Intek Pro OHV。图 1-9 和图 1-10 所示的挖坑机在工作时发动机离操作者有较远的距离,大大减少了噪音对操作者的影响,充分考虑了人-机工程学原理;有的手提式挖坑机安装了 1 个支点(即轮子),使挖坑机的携带比较方便,工作时还可以把挖坑机的反向转矩释放给轮体,减小操作者手上的反向力矩,增加其安全性,并减轻了操作者的疲劳程度。 图 1-10 美国产 MDL-5B 型挖坑机挖坑机的发展趋势: 1.一机多能 南京林业大学本科毕业设计说明书第 7 页 共 47 页 在我国,植树造林具有季节性和区域性的特点,机具作业时间短,间隔时间长,单一性能机具的年利用率很低,因此在今后的设计中,应尽量考虑一机多用问题。具体措施:一是更换不同的钻头,适应不同的土壤条件和工作环境;二是设计通用机架,在更换其它工作部件后即可完成其他营林作业项目,提高其利用率。 2.人机和谐 凡是人使用的各种机械设备,都应进行完善的人-机工程学设计,以使其符合人的心理与生理学特性,从而最大限度地减轻使用者的操作疲劳和心理负担,能够使人舒适和高效率地工作,使整个人-机系统具有最和谐的人机关系和最优的综合效能。同时,要尽量减少噪音对操作者的影响,还需要考虑手提式挖坑机反向转矩对操作者的安全问题,尽量把转矩通过机械装置释放一些,提高操作者的安全系数。 3.应用范围 挖坑不仅适用于平原、沙地和丘陵,还能够用于山地和沟壑;不仅适用于坡度 56以下的陡坡林地的整地挖坑,而且还适用于 35以下的坡地挖坑造林。1.2.21.2.2 挖坑机的分类与设计要求挖坑机的分类与设计要求挖坑机的种类很多。如果按与配套动力的挂接方式对其进行分类,可分为悬挂式挖坑机;手提式挖坑机、牵引式挖坑机和自走式挖坑机。按挖坑机上配置的钻头数量可分为单钻头、双钻头和多钻头挖坑机。挖坑机的钻头根据形状可分为螺旋式钻头、螺旋带型钻头、叶片型钻头和螺旋齿式钻头等。 对于悬挂式挖坑机,机器悬挂在拖拉机上主要用于地形平缓或拖拉机可以通行的地方,钻头的升降由拖拉机手通过拖拉机液压系统操纵,挖坑直径和深度都比较大,也可以多钻头同时作业。 对于手提式挖坑机,机器与汽油发动机装配成整体,由单人或双人手提操作,质量较轻,适用于拖拉机不能通过的地形复杂的山地、丘陵和沟壑地区,挖坑直径和深度都比较小,也可用于果树的追肥及埋设桩柱。牵引式挖坑机的机器装在小车上,由拖拉机牵引,挂接方便,不受拖拉机结构限制,但结构复杂,机动性差。 自走式挖坑机设计成整体自走式,挖坑机本身自带动力,通过性较好,技术含量和自动化程度较高,价格昂贵。南京林业大学本科毕业设计说明书第 8 页 共 47 页后两种挖坑机由于局限性较大,在我国应用较少。单钻头挖坑机在我国应用比较普遍,多钻头挖坑机则比较少见。挖坑机的钻头形状多为螺旋式或螺旋带型。随着挖坑机技术的发展,对挖坑机的设计和功用方面也有了一些要求1.挖坑机所挖出的坑径与坑深应满足栽植树木的要求。挖出的坑径要有较好的垂直度,坑壁应整齐,但不宜太光滑,否则不利于根系的生长。 2.在贫瘠的土地上挖树坑时,要求出土率在 90%以上,以便在坑内添加肥料和表土回填,改善树木的生长条件;在肥土层较厚的土地上挖植树坑时,可以有 25%40%的松土留在坑内。挖坑时,抛出土应在坑的周围,抛土半径不应太大,以便回填方便。 3.根据造林技术要求,有时挖坑与造林不是相继进行的。此时,挖坑土壤可不出坑,只要求钻头破碎草皮、切断灌根、排出石块、疏松土壤,以便蓄水保墒与熟化土壤,这种挖坑又叫穴状整地。1.3 设计小型挖坑机性能测试系统的必要性及目的、意义设计小型挖坑机性能测试系统的必要性及目的、意义1.3.11.3.1 设计小型植树造林挖坑机性能测试系统的必要性设计小型植树造林挖坑机性能测试系统的必要性国内的一些林业高等院校和科研院所对挖坑机进行了一些研究分析,关于挖坑机的论文大约有几十篇,涉及钻头升土理论及钻头临界转速的研究、钻头螺旋面强度的分析以及螺旋升角的选择问题,还得出了在不同条件下的挖坑机的动态力学参数,指出了钻头转矩的主要影响因素,对挖坑机的一些结构参数的确定起到了指导作用,为国内挖坑机的优化设计提供理了论支持。其中北京林业大学的刘会敏、茅也冰、王乃康教授进行过对于单人挖坑机的测试装置进行了深入研究,利用先进的测试手段,通过电测方法和计算机数据采集系统进行试验,搞清挖坑机的动态力学参数(如钻头的工作扭矩和入土阻力等)与工作装置结构参数(如钻尖型式、刀片型式与角度、螺旋翼片型式与升角等)、作业参数(如钻头转速、进给速度等),以及土壤条件(如土壤质地、土壤湿度、土壤硬度等)的相互作用关系,并从相互作用的普遍性原则出发,建立定量化的数学模型,这将对挖坑机的结构参数、作业参数的优化设计、生产率和机器适用性的提高起到重要作用。1.3.21.3.2 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义挖坑机钻头的几何参数和工况范围,以及它们之间的组合,对挖坑机的工作质量和功率消耗有着极大的影响。多年来,人们除对挖坑机的生产效率、振动和噪声等指标进行南京林业大学本科毕业设计说明书第 9 页 共 47 页测试和研究外,还对工作部件的结构参数、工作参数及土壤状况对机器性能的影响等作过一定程度的研究。因为挖坑机是一种土壤作业机械,工作对象是土壤,机器性能的优劣与其工作部件和土壤间相互作用关系有关,即受工作部件的结构参数、作业参数及土壤状况等多种因素影响. 因此,进行挖坑机工作部件与土壤间相互作用关系的研究是十分重要而有意义的一项基础研究。挖坑机是一种整地挖坑作业机械,通过钻头的旋转和向下进给来完成对土壤的加工处理,使土壤达到人们要求的状态。而土壤的最终状态与钻头的结构形状、作业参数及土壤的初始状态有着相互作用关系。为了深入研究以上各参数间的定量关系,合理选择和确定设计参数,利用先进的测试手段,通过电测方法和计算机数据采集系统进行试验,搞清挖坑机的动态力学参数(如钻头的工作扭矩和入土阻力等)与工作装置结构参数(如钻尖型式、刀片型式与角度、螺旋翼片型式与升角等)、作业参数(如钻头转速、进给速度等),以及土壤条件(如土壤质地、土壤湿度、土壤硬度等)的相互作用关系,并从相互作用的普遍性原则出发,建立定量化的数学模型是非常必要的。它必将对挖坑机的结构参数、作业参数的优化设计、生产率和机器适用性的提高起到重要作用。挖坑机钻头旋转工作时,受到众多阻力的影响,包括钻尖切土阻力、刀片切土阻力、土壤升运阻力等。这些阻力综合表现为钻头工作时所受阻扭矩的大小。故采用装在变速电机与钻头轴箱之间的动态扭矩传感器测得该扭矩。另外,钻头向下作进给运动时,钻头受到土壤的入土阻力,可以通过装在进给运动的两条传动链上的两个拉压传感器测得。扭矩和入土阻力受多种因素影响,在什么情况下使钻头转速、转矩和进给速度、向下的压力达到最佳值,即为本次研究的重点。南京林业大学本科毕业设计说明书第 10 页 共 47 页第二章第二章 测试装置总体设计比较和选择测试装置总体设计比较和选择2.1 总体方案的确定总体方案的确定研究土壤与机器相互作用关系有田间试验和室内试验两种方式。田间试验得在实际作业条件下进行,但实际条件变化多样,影响试验结果,难以得出确定的因果关系,因而很难获得规律性结果。本次试验采用室内试验方法,其优点是它可在人为控制的条件下,进行重复测试,不受自然条件的限制,容易实现相同条件下的“单因子”试验,因而更便于进行精确的测量和研究,找出具有普遍指导意义的性能方程,可作为科学研究、设计和生产的依据。试验采用自行研制的室内试验装置,模拟挖坑机钻头的工作状况,对室内土槽中的土壤进行挖坑作业,通过应用电测技术采集系统进行动态力学参数的数据采集和研究。自行研制的室内试验设备可以模拟挖坑机工作状况,由机械装置、电测装置及土槽等 3 部分组成。能够较好地完成各项研究,填补了该研究领域的空白。测试所考虑的影响因素有钻头转速、钻头进给速度、土壤质地、土壤硬度、土壤湿度 5 个因素。单因素测试是将 5 个影响因素中的其中 4 个因素值固定( 选接近中间值的水平) ,然后,改变第 5 个因素的不同水平进行测试,为保证测试的准确性,每次测试重复几次,取平均值,最后通过数据分析看出在其他条件相同的情况下,同一因素的不同水平对挖坑机动态力学参数(扭矩和进给阻力)的影响.本试验共 5 个因素,每因素有 4 个水平,故单因素试验须做 45=20 次,方可得出初步结论。2.2 性能测试装置系统各组成部件的比较和选择性能测试装置系统各组成部件的比较和选择据挖坑机力学参数测试及研究的需要,测试装置的功能应包括三个方面:能模拟挖坑机实际动态工作状况;能改变工作时的各影响因素值,可根据试验需要,随时改变作业参数的大小及方向;能够实时测试挖坑机钻头工作时的动态力学参数。要完成上述三项功能,对试验装置的设计提出以下要求:在试验装置全部工作过程中能达到稳定的运转工况;能够十分准确而平顺地改变钻头的转速;能够完成钻头升降运动,并能控制其速度;能够安装试验所需的各种动态传感器;能够实现试验用土壤模拟真实土壤的组成及层次结构;能够改变和控制试验土壤的各种参数,原则南京林业大学本科毕业设计说明书第 11 页 共 47 页上在一定时间或次数内恢复土壤的原组构状况;准确控制每次试验数据,保证测量与控制的同步性;测试装置先进、可靠,具有一定的抗干扰性,实时采集数据并保证高准确度;电路控制能够手动或自动完成,并有符合功能要求的电控柜;整个试验装置设置在室内,并可以做到重复再现每次试验。2.2.12.2.1性能测试装置的组成性能测试装置的组成根据上述要求,本次研制的试验装置由机械部分、土壤槽、电测装置等三部分组成。参考图 2-1 进行设计。图 2-1挖坑机动态力学参数测试及研究试验装置1.机构部分测试装置机械部分必须能模拟挖坑机的实际工作状况,并可根据试验测试需要改变各种影响因素。所以,机械部分由以下部件组成。试验用钻头是根据理论计算,自行设计、加工的螺旋型钻头。由连接法兰、钻杆、螺旋翼片、切土刀片及钻尖等组成。钻头旋转驱动装置采用变频调速电机,通过蜗轮蜗杆减速器、动态扭矩传感器和联轴器安装试验用钻头,并驱动其旋转。同时通过动态扭矩传感器可以准确测出传动轴上的扭矩。钻头升降驱动装置可以考虑液压升降装置、电机的链传动升降装置和电机的皮带传南京林业大学本科毕业设计说明书第 12 页 共 47 页动升降装置。液压升降装置广泛应用于叉车等机器中,因其下落的过程为变速运动,较难测出挖坑机在一定下落速度下的参数;电机的皮带传动升降装置在这里需要带动挖坑机与小车的上下移动,对皮带的强度要求比较大;电机的链传动升降装置是以链轮带动小车与挖坑机上下以特定的速度移动,可以很好的测出挖坑机在一定的下落速度下的参数,同时链条的强度要比皮带要大,可以实现安全带动升降台与挖坑机升降运动,因此这里钻头升降装置选取电机的链传动升降装置来实现。电机的链传动升降装置由带无级变速器的制动电机及链传动装置组成并且可以实现正反转。钻头升降传动装置是由链轮、链条、传动轴、轴承及轴承壳等组成。动力由电动机经减速器传出,减速器输出轴上的主动链轮经链条传到装在升降机构下部的从动链轮,链轮的动力带动轴另一端的链轮,并同时驱动装在机架两侧的两根链条做上下运动,从而带动固定在封闭链条上的升降台做上下运动,实现钻头的入土和提升。升降台用以安装钻头及旋转驱动装置并实现钻头的提升和入土,小车两侧各有两个滚轮,嵌在由槽钢制成的升降导轨中,小车由组成闭环的两根链条带动,使其沿导轨上下运动;为使小车不出现偏斜,在小车两侧各安装了一个侧向滚轮。机架由钢板、槽钢及角钢等型钢焊接而成,试验装置的各组成部件均安装其上。土壤槽安放在作为测试装置底座的固定底座上,使土壤槽位置固定,以保证试验顺利进行。根据测试要求,所设计的电控柜和控制电路主要用来控制两个电机的动作。钻头旋转驱动装置的电机控制电路,它控制电机的起动、停止、正转及反转;钻头升降驱动装置的电机控制电路,它控制电机的起动、停止、正转及反转,并对行程开关进行控制。2.土壤槽土壤槽是保证试验顺利进行的重要组成部分。钻头的工作轨迹为一圆形,因此,土壤槽的形状以圆形为宜。土壤槽底部设有过滤层,最底层是卵石层,向上依次为小碎石层、河砂层,最上层为试验用工作土壤。 各层间铺有尼龙细网(或其他隔层过滤材料)。土壤槽底部钻出小孔,用来排出多余的水份;为满足钻头工作时抛土半径的需要,在土壤槽上部设计为的护土托盘。试验土槽所用土壤有砂土、砂壤土、粘土和石质山地土等4 种。3.电测装置为了准确测出试验中各参数值的大小,需要设置精密的电测装置,即各种传感器。传感器是将所测得的非电量值转化为电量值的一种仪器。置中共设置 5 个传感器,分别是南京林业大学本科毕业设计说明书第 13 页 共 47 页动态扭矩传感器(1 个)、拉压力传感器(2 个)和转速传感器(2 个)。4.其他装置本试验作用对象为土壤,因而土壤硬度计、土壤水份速测仪、土壤压实装置和小型叉车也是必不可少的。测试台工作时,由电控柜按钮控制钻头旋转和升降电机的起动、停止以及正反转,使钻头平稳工作。首先,起动电控柜上的“钻头正转”按钮,使钻头旋转起来,然后,按下“钻头下降”按钮,此时钻头向下进给,开始挖坑工作;同时,动态扭矩传感器和拉压力传感器上测出的数据。钻头旋转速度和进给速度通过转速传感器由数字仪表上读出。当升降小车下降碰到下止点限位开关时,进给自动停止。此时,一个进给挖坑过程结束,停止数据采集。当按下“钻头上升”按扭时,钻头向上提升,小车碰到上止点限位开关时,小车停止;按下“钻头停止”按扭,结束试验。南京林业大学本科毕业设计说明书第 14 页 共 47 页第三章第三章 系统各组件设计系统各组件设计3.1 机构部分机构部分 测试装置机构械部分必须能模拟挖坑机的实际工作状况,并可根据测试需要改变各种影响因素。所以,机构部分由以下部件组成如图 3-1 所示。1.钻头旋转驱动装置 2.升降台 3.拉压力传感器 4.链条 1 5.土壤槽 6.机架 7.三相异步电动机 8.链轮 l9.链条 2 10.限位开关图 3-1 机构部分结构图南京林业大学本科毕业设计说明书第 15 页 共 47 页 1.钻头旋转驱动装置市场上大部分挖坑机采用发动机作为挖坑机的动力装置,但在实验时需要改变转头的转速,并使其进行匀速的转动,这样才能更好的测出挖坑机的转速与其工作参数的关系,因而,在本实验中,钻头旋转驱动装置采用变频调速电机,通过安装试验用钻头,并驱动其旋转,其结构如图 3-2 所示。目前市场上单人挖坑机的汽油机功率大多为1.3kW,转矩为 1.7kW,根据电机需要的使用要求和目前市场的情况,因而电机选用型号为 YP2112M-4 型变频调速三相异步电动机(无锡新大力电机有限公司生产),此电机的主要参数如表 3-1 所示:表 3-1 变频调速电机参数表电机的特点:额定频率:50Hz,也可根据用户确定额定的电压与频率。电动机调速范围:3100Hz,低于额定频率以下为恒转矩输出,高于额定频率以上为恒功率输出,在矢量控制的条件下,调速范围还可以扩大。工作方式:连续工作制。接法:4KW 以下为 Y 接,4KW 以上为 接,本实验采用 Y 接。此电机具有调频性能好、节能、起动转矩性能好、过载能力强、低速性能好、噪声低、振动小、运行安全可靠、外形美观等特点,对于本实验来说通过准确的调节电机转速从而改变挖坑机钻头转速也是很必要的。对比以前的实验装置,通过电动机加无级变速器来实现变速来说,本实验装置更为简单化,通过调节电机的频率来实现转速的改变也使得实验数据更为准确。堵转转矩最大转矩型号额定功率(kW)额定转速(r/min)额定转矩额定转矩质量(kg)YP2112M-44.014402.453.049南京林业大学本科毕业设计说明书第 16 页 共 47 页 1.变频调速电机 2.摩擦式离合器组件 3.传动轴 4.联轴器 5.动态扭矩传感器 6.钻头 7.蜗轮蜗杆减速器图 3-2 钻头旋转驱动装置结构图在电动机带动挖坑机钻头进行工作时,为了保护电动机工作时受到一些损坏,本实验采用摩擦式离合器对电动机进行一些保护,电动机带动离合器的飞盘转动,达到一定转速时飞盘上的摩擦片对压盘产生摩擦力带动压盘转动离合转速为 700r/min,离合器装配图如图 3-3 所示。南京林业大学本科毕业设计说明书第 17 页 共 47 页1.离合器飞盘 2.轴销 3.垫片 4 摩擦片 5.压盘图 3-3 摩擦式离合器装配图压盘与蜗轮蜗杆减速器 7 连接,蜗轮带动传动轴 3 转动,从而使挖坑机钻头减速至170-200r/min 进行转动,同时电动机通过蜗轮蜗杆减速器来降低转速来提高钻头挖坑时的扭矩,以达到挖坑作业时所需要的扭矩,根据现有的蜗轮蜗杆减速器蜗轮齿数为 36,蜗杆头数为 5,所以传动比为 7.2,符合电动机到钻头的减速要求蜗轮蜗杆减速器组件图如图 3-4 所示。南京林业大学本科毕业设计说明书第 18 页 共 47 页1.减速箱体 2.离合器压盘 3.螺钉 4.注油孔盖 5.蜗轮 6.传动轴 1 7.蜗杆 8.圆柱销 9.蜗轮箱盖 图 3-4 蜗轮蜗杆减速箱组件 为了准确测出钻杆上的扭矩,钻头上端与动态扭矩传感器 5 通过联轴器连接,扭矩传感器上端与传动轴通过联轴器连接。工作时钻头入土产生的扭矩通过联轴器传到动态扭矩传感器,扭矩传感器受到扭矩作用向传感器信号接收器上传递出方波信号,根据文献上以前对于扭矩的测试,扭矩均在 80Nm 以下,因此本实验中选用动态扭矩传感器CYK-810(图 3-5)。此传感器的主要参数如表 3-2 所示型号测量范围(Nm)输出方式连接方式响应速度(us)防护等级CYK-8100-100方波USB100IP65表 3-2 动态扭矩传感器 CYK-810 参数表特点:1、检测精度高、稳定性好、抗干扰性强。 2、不需反复调零即可;连续测量正反扭矩。 3、既可测量静态扭矩,也可测量动态扭矩。南京林业大学本科毕业设计说明书第 19 页 共 47 页图 3-5 扭矩传感器 CKY-8102.测试用钻头测试用钻头是根据理论计算,自行设计、加工的螺旋型钻头。由钻杆、螺旋翼片、切土刀片及钻尖等组成,钻头长 800mm,钻杆直径为 20mm,钻头通过联轴器与动态扭矩传感器相连接,再经过联轴器连接到蜗轮蜗杆减速器的传动轴上动态扭矩传感器两根轴的直径均为 18mm,传感器总长度为 108mm,钻头装配图如图 3-6 所示。南京林业大学本科毕业设计说明书第 20 页 共 47 页1.动态扭矩传感器 2.联轴器 3.钻头图 3-6 钻头装配图3.钻头升降驱动装置钻头升降驱动装置由带无级变速器的制动电机及链传动装置组成,如图 3-7 所示。南京林业大学本科毕业设计说明书第 21 页 共 47 页1.三相异步电动机 2.摆线针轮减速器 3.链轮 4.链条 1 5.升降机架 6 限位开关 7.拉压力传感器感器 8.升降台 9.钻头旋转驱动装置 10.光电式转速传感器 11.链条 2 12.传动轴图 3-7 钻头升降装置装配图钻头升降传动装置是由机架、链轮、链条、传动轴、轴承、升降台及轴承端盖等组成。动力由电动机 1 经减速器传出,减速器输出轴上的主动链轮经链条传到位于机架下部的从动链轮,从动链轮的动力带动轴另一端的链轮,并同时驱动装在导轨两侧的两根链条做上下运动,从而带动固定在封闭链条上的升降小车 2 做上下运动,实现钻头的入土南京林业大学本科毕业设计说明书第 22 页 共 47 页和提升,同时通过限位开关来控制升降台的移动范围,当小车触碰到限位开关时,限位开关自动将电机的电断开以保护链轮,保证实验的安全。根据市场上挖坑机目前的作业效率,每分钟挖一个孔,测试所用钻头螺旋刀片为500mm,挖坑机升降台为链传动带动,链轮的直径为 126mm,所以链轮的转速为1.25r/min,根据升降小车与挖坑机旋转驱动装置的重量,估算出电机的功率需要在3.2kW。钻头升降运动的动力选用 MB 系列摩擦式无级变速机型号为 MBW40-Y2.2-B3(上海南睿减速机有限公司),减速机参数如表 3-3 所示。 表 3-3 减速电机参数表此减速电机的特点:1.使用在连续工作制的场合,允许正、反两个方向运转。2.结构紧凑体积小由于采用了行星传动原理,输入轴输出轴在同一轴心线上,使其机型获得尽可能小的尺寸。3.在运转中同时接触的齿对数多,重合度大,运转平稳,过载能力强,振动和噪音低。链传动的计算:1、选择链轮齿数 Z1、Z2 和确定传动比 i电机转速通过减速器减速传到主动链轮上,因而链轮传动比可取 i=1 取链轮齿数Z1=Z2=37确定计算功率:根据链传动的工作情况、主动链轮齿数和链条排数,将链传动所传递的功率修正为当量的单排链的计算功率 (3-1)PKKKPpzaca式中:Ka-工况系数 Kz-主动链轮齿数系数 P-传递的功率由表 9-6 查得 Ka=1.4,由图 9-13 查的 Kz=0.625,单排链,则计算功率为型号额定功率(kW)输出转速级数减速比MBW40-Y2.2-B3414002 级1120南京林业大学本科毕业设计说明书第 23 页 共 47 页 kWkWPKKPzaca625. 23625. 04 . 13、选择链节数和中心距根据及主动轮转速 n1=50r/min 查表 9-11,可选 12A-1。查表 9-1,链kWPca625. 2条节距为 p=19.05mm。 4、计算链节数和中心距初选中心距。取 a0=600。相应的mmmmpa95257105.19)5030()5030(0链长节数为 1002373705.19600222202122100apzzzzpaLp取链长节数 Lp=100 节。查表 9-8 得到中心距计算系数 f1=0.25,则链传动的最大中心距为 mmmmzzLpfap5983737100205.1925. 02211计算链速 v,确定润滑方式 smsmpznv/05. 110006005.19379010006011由 v=1.05m/s 和链条 12A-1,查图 9-14 可知应采用滴油润滑。 6、计算压轴力 Fp有效圆周力为:NvPFe285705. 1310001000链轮水平布置时的压轴力系数 Kfp=1.15,则压轴力为mmFKFefpp3286285715. 1 得出链轮的各参数为:分度园直径 d=126mm 齿顶圆直径 da=136mm 齿根圆直径 df=116mm 齿高 ha=10mm 链轮如图 3-8 所示。南京林业大学本科毕业设计说明书第 24 页 共 47 页 图 3-8 链轮尺寸图 4.升降台升降台用以安装钻头及旋转驱动装置并实现钻头的提升和入土,升降台长为 780mm,宽为 412mm,高为 200mm,升降台两侧各有两个圆孔,孔直径为 20mm,升降台采用钢板焊接,安装时套在机架上部分两边的圆柱杆上,升降台由组成闭环的两根链条带使其沿圆柱杆上下运动,同时圆柱杆也起到固定升降台运动方向的作用进行上下运动,同时在测试时圆柱干上需加上润滑油。升降台结构图如图 3-9 所示升降台上开一个直径为 120mm圆孔,让传动轴可以通过孔与钻头连接起来。南京林业大学本科毕业设计说明书第 25 页 共 47 页图 3-9 升降台设计图4.机架机架由钢板、槽钢及角钢等型钢焊接而成,在这里为了更好地表达机架的结构,将机架分为上下两部分。机架上部分,测试装置的各组成部件均安装其上。机架上部分安装链传动机构、升降台和小型三相异步电机,小型三相异步电机安装在由两根长为 250mm的两根 8#槽钢焊接在机构上部分的固定支座上,机架上部分设计如图 3-10 所示;机架下部分安放土壤槽,安放在机架下部分的两根槽钢上,使土壤槽中心对着钻头的中心以保证实验的顺利进行,为防止土壤槽在打孔过程中出现移位,土壤槽通过凸起固定在机架下部分上,机架下部分设计如图 3-11 所示。南京林业大学本科毕业设计说明书第 26 页 共 47 页图 3-10 机架上部分南京林业大学本科毕业设计说明书第 27 页 共 47 页图 3-11 机架下部分6.电控柜和控制电路根据试验要求,所设计的电控柜和控制电路主要用来控制两个电机的动作。钻头旋转驱动装置的电机控制电路如图 3-12 所示,它控制电机的起动、停止、正转及反转;钻头升降驱动装置的电机控制电路如图 3-13 所示,它控制电机的起动、停止、正转及反转,并对行程开关自行控制。图 3-12 钻头旋转驱动装置电机控制电路图南京林业大学本科毕业设计说明书第 28 页 共 47 页图 3-13 钻头升降驱动装置电机控制电路图3.2 土壤槽土壤槽土壤槽是保证试验顺利进行的重要组成部分。钻头的工作轨迹为一圆形,因此,土壤槽的形状以圆形为宜。本次试验的挖坑直径为 150mm、坑深为 200mm。土壤槽直径一般为坑径的 12 倍,因此,定土壤槽的直径为 300mm,深度为 700m。土壤槽设计如图 3-14所示。土壤槽底部设有过滤层,最底层是卵石层,向上依次为小碎石层、河砂层,最上层为试验用工作土壤。 各层间铺有尼龙细网(或其他隔层过滤材料)。土壤槽底部钻出小孔,用来排出多余的水份;为满足钻头工作时抛土半径的需要,在土壤槽上部设计了直径为460mm 的护土托盘,土槽土壤结构图如图 3-15 所示。试验土槽所用土壤有砂土、砂壤土、粘土和石质山地土等 4 种。南京林业大学本科毕业设计说明书第 29 页 共 47 页1.护士托盘 2.把手 3.土壤容器图 3-14 土壤槽设计图1.土壤层 2.过滤网 3.河沙层 4.小碎石层 5.卵石层图 3-15 土槽结构图南京林业大学本科毕业设计说明书第 30 页 共 47 页3.3 电测装置电测装置为了准确测出试验中各参数值的大小,需要采用精密的电测装置,即各种传感器。传感器是将所测得的非电量值转化为电量值的一种仪器。 为了测定不同转速和进给速度下的钻头旋转扭矩和钻头工作时的进给阻力,本试验装置中共设置 5 个传感器,分别是动态扭矩传感器(1 个)、拉压力传感器(2 个)和转速传感器(2 个)。传感器的信号手机与采集如图 3-16 所示图 3-16 传感器数据采集流程图 动态扭矩传感器型号为 CKY-810 型(北京中航科仪测控技术有限公司),量程为 0100N/m 用来测量转动力矩,可将挖坑机钻头旋转工作时,受到众多阻力的影响,包括钻尖切土阻力、刀片切土阻力、土壤升运阻力等。这些阻力综合表现为钻头工作时所受阻扭矩的大小,传感器采用联轴器连接变频调速电机和钻头之间。拉压力传感器采用为 S型拉压力传感器 EVT10A(上海游然传感科技有限公司)如图 3-17,此传感器采用合金钢材质,可承受拉,压两种用途,其精度高,性能稳定。适用于吊秤、配料秤、机改秤等电子测力称重系统,量程为 50Kg,钻头向下作进给运动时,钻头受到土壤的入土阻力测出拉力或压力,将此传感器用吊环装在进给运动的两条传动链上。动态扭矩传感器拉压力传感器转速传感器信号调理数据采集器微机I/O接口微型计算机南京林业大学本科毕业设计说明书第 31 页 共 47 页图 3-17 S 型拉压力传感器转速传感器采用光电式转速传感器,其型号为 LG-9200(深圳市莱讯特科技有限公司)如图 3-18,最大作用距离 40mm,此传感器为从传感器发出可视光线(红色可视光),照射到旋转物上产生反射光,并检测出这个反射光的非接触式转速传感器,因而被测旋转物上要放上反光贴片,即电动机的转轴上要贴上反光贴片进行测量,另外,此传感器可以使用反光贴片在斜侧方向进行测量。图 3-18 LG-9200 光电式转速传感器传感器测试电路如图 3-19 所示南京林业大学本科毕业设计说明书第 32 页 共 47 页 图 3-19 传感器电路图 模拟电路主要程序段如下: void main()EA=1; /开中断允许 EX0=1; /外部中断 0 允许 IT0=1; /触发方式下降沿触发TMOD = 0x01; /定时器 0 选用方式 1TH0 = 0x4c; /初值的计算50msTL0 = 0x00;TR0 = 1; /启动定时器ET0 = 1; /打开定时器中断允许位init(); gotoxy(0,0); print(name);gotoxy(1,5); xieshuju( );南京林业大学本科毕业设计说明书第 33 页 共 47 页 传感器电路图各部件图如下:图 3-20 信号接收产生装置图 3-21 单片机南京林业大学本科毕业设计说明书第 34 页 共 47 页图 3-22 连接方式图图 3-23 显示电路使用 1602 液晶屏 图 3-23 中 respack-8 是排阻,在这里作为上拉电阻,因为 p0 不像 p1p2p3,它的八个端口不能自行上拉电位。南京林业大学本科毕业设计说明书第 35 页 共 47 页图 3-24 晶振电路 图 3-24 为晶振电路,代表单片机使用自身产生的时钟频率。图 3-25 复位键其他测试所需仪器:土壤硬度计,TE22 型,南京土壤仪器厂生产,主要技术指标:1. 测量深度:0200mm2. 测头面积:1cm23. 弹簧载荷:0.25kN, 0.75kN, 0.50kN 用于不同测试要求4. 记录纸:装一次纸可连续记录 60 次5. 仪器尺寸:624 x 185 x 157mm (L x W x H)6. 仪器重量:5kg土壤水份速测仪,SC69202 型,上海第二天平仪器厂生产,主要技术指标:1. 被测体积: 60cm3,100cm32. 环境温度:5 403. 精度:2% ( 测定土壤含水量的精度与烘干法对比不大于 2%)4. 仪器尺寸:280 x 180 x 480mm (L x W x H)5. 仪器重量:10kg土壤压实装置;天平,HC-TP2211B-5 型,北京医用天平厂生产;小型叉车。南京林业大学本科毕业设计说明书第 36 页 共 47 页第四章第四章 性能测试实验性能测试实验4.1 扭矩传感器测试实验扭矩传感器测试实验 扭矩的数值是将扭矩传感器产生的方波通过 USB 接口传输给电路的接收端,同时闭合扭矩传感器电路上的开关,LCD 显示器即可测出扭矩值,测试实验如图 4-1、4-2 所示。图 4-1 传感器测试电路开机初始状态图南京林业大学本科毕业设计说明书第 37 页 共 47 页图 4-2 扭矩信号测试模拟图 图 4-2 中屏幕所显示数值大小为模拟电路图预设扭矩值大小,测量完成后断开扭矩线路图开关。4.2 转速传感器测试实验转速传感器测试实验转速的数值通过电路接收端接收转速传感器传输出的方波信号来显示具体的数值,通过测试电路来进行显示,电路的初始状态同扭矩传感器的测试实验,将接收转速传感器的方波信号的电路开关闭合,即可显示转速的数值,如图 4-3 所示。南京林业大学本科毕业设计说明书第 38 页 共 47 页图 4-3 转速信号测试模拟图图 4-3 中屏幕所显示数值大小为测试电路图预设转速大小,测量完成后断开转速线路图开关。4.3 拉压力传感器测试实验拉压力传感器测试实验拉压力的数值通过电路接收端接收拉压力传感器传输出的方波信号来显示具体的数值,通过电路来进行显示,电路的初始状态同扭矩传感器的测试实验,将接收拉压力传感器的方波信号的电路开关闭合,即可显示拉压力的的大小,如图 4-4 所示。南京林业大学本科毕业设计说明书第 39 页 共 47 页图 4-4 拉压力信号测试模拟图图 4-4 中屏幕所显示数值大小为测试电路图预设拉压力大小,测量完成后断开转速线路图开关。当扭矩、转速和拉压力测量完成后需将电路复位,使其恢复到开机状态如图 4-5 所示。图 4-5 测试电路复位状态图南京林业大学本科毕业设计说明书第 40 页 共 47 页第五章第五章 总结与展望总结与展望本设计在理论研究和实际分析的基础上,完成了单人林业挖坑机测试装置设计。其中包括钻头旋转驱动装置、升降台升降装置、测试机架、土壤槽的设计和传感器的选用。钻头旋转驱动装置采用调频电机带动摩擦式离合器,然后经蜗轮蜗杆减速器减速,传动到钻头上,通过降低转速增加扭矩从而完成挖坑作业:升降台升降装置采用链传动带动同时通过限位开关来对升降台的行程进行控制:机架整体采用槽钢、角钢和钢杆来进行焊接而成,同时对于土槽的固定做了带有凹槽的圆筒,同土壤槽外部的凸槽进行装配,防止在挖坑作业中土槽进行移位,整体结构紧凑;对于传感器的选用本测试大多选用测量准度比较高,响应时间较短,将传感器通过 USB 连接的形式进行显示,三种传感器均可使用方波来进行信号的传输,通过设计的传感器显示电路图将可以准确的读出传感器传递出的扭矩、拉压力和转速的大小。通过这套测试装置可以通过将各因素与挖坑机入土时的各参数进行分析研究,可以得出各因素与挖坑机的关系,从而可以在未来对挖坑机的部件进行更好的设计,使其有更好的工作效率。但是,由于在毕业设计前期在单位实习,设计过程中由于内容多、时间紧,因而最终没能做出测试仪器,有些方面的考虑难免会出现欠缺,在设计中出现一些错误也在所难免,其理论设计还有许多需要进一步完善的地方,所以希望老师能够理解,对于设计中出现的错误希望老师能予以指正。南京林业大学本科毕业设计说明书第 41
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