小型螺旋式果园开沟机的设计

任务书设计题目：小型螺旋式果园开沟机的设计1设计的主要任务及目标本课题希望学生针对果园开沟的实际需求，完成小型螺旋式梨园开沟机的总体机构和功能设计。2设计的基本要求和内容（1）主要设计内容：完成螺旋式果园开沟机的设计。（2）工作要求：1）根据给定的设计任务书及设计参数进行开沟机总体机构设计，开题报告一篇。2）完成开沟机的主体结构设计，包括动力及传动的选择和计算。3）完成开沟机附属机构，绘制开沟机零件图及装配图，撰写毕业设计论文一篇。3主要参考文献1朱新民.1KL-27型螺旋开沟机J.农牧与食品机械，1991（4）：242胡崇伟.1KL-25型立式旋转开沟机的改进建议J.农业机械，2002（5）:583李平.立柱式柱形螺旋开沟机工作部件机理与图形的参数化设计.硕士学位论文.哈尔滨:东北农业大学，20044进度安排设计各阶段名称起止日期1指导老师下达研究课题的任务书2013.12.252014.01.102查阅相关文献资料，提交开题报告2014.01.112014.03.083完成文献综述，外文翻译;确定总体设计方案2014.03.092014.04.124完成总体设计，绘制零件草图2014.04.132014.05.015完成零部件设计、撰写设计说明书2014.05.022014.06.01小型螺旋式果园开沟机的设计摘要:果树的生产发展对提高农民生活水平，促进我国农业发展具有重要意义。果树施肥是一项用工量很大的作业，尤其施有机肥料，我国几乎都用人工完成。果园开沟是施加肥料、改良果品品质的重要工序。人工开沟不仅费时、费力、劳动强度大，而且效率低下。而立式螺旋开沟机集立铣、轴向提升、螺旋叶片惯性抛散等原理于一体，使开沟过程中的切削、提升、抛撒一次完成，具有结构简单，部件紧凑，动力消耗少等特点。本课题针对梨园开沟的实际需求，开展了小型螺旋式梨园开沟机的总体机构和功能设计。关键字：果树,开沟,传动方案,螺旋ThedesignofditchingmachinespiralinpeargardenAbstract:Thedevelopmentofpearproductiontoimprovethelivingstandardsoffarmersandpromoteagriculturaldevelopmentinourcountryisbecomingofgreatsignificance.Fertilizationforpearsisagreatamountofwork,inparticular,organicmaterials,almostallcompletedbymanpowerinChina.Trenchinginpeargardenisimposedfertilizer,animportantimprovementoffruitqualityprocesses.Ditchingbymanpowerisnotonlytime-consuming,laborious,laborintensivebutinefficient.Spiraltrenchingsetmanyprincplesinonesuchaasverticalmillingaxialupgradespiralleavesscatteredthroughinertiaandsoon.Sothat,cuttingpromotion,throwingarecompletedinoneprocessofditching.Ithasmanyadvantagessuchassimplestructure,compactcomponents,lesspowerconsumption,etc.Thesubjectforthepracticalneedsofditchinginpeargardencarriesoutthedesignofsmallspiraltrenchersoveralstructureandfunctions.Keywords:appletree,ditching,;Transmissionprogram,Spiral目录1绪论-11.1我国国内开沟机械的发展现状-11.2国外开沟机的发展状况-41.3开沟机械的发展前景-51.4本设计的目的和方法-52.土壤特性分析-62.1土壤的分类-62.2土壤的理想化假设-62.3小结-73开沟机总体结构设计-83.1螺旋开沟机结构-83.2设计要求-83.3动力及传动的选择与计算-93.3.1传动原理-93.3.2链传动的设计计算-93.3.3小链轮的设计-113.3.4联轴器的选择-113.3.5减速器的选择-113.4螺旋刀具组合的设计-123.4.1螺旋叶片的设计要求-123.4.2切土刀片的设计-153.4.3理想化假设-163.4.4开沟器切削土壤的运动学分析-173.4.5土壤质点力学模型的建立与动力学分析-183.4.6螺旋刀具的受力分析-193.4.7螺旋主轴的轴径-203.4.8校核螺旋主轴-204.附属结构的设计-224.1托架的设计-224.2挡板的设计-225.螺旋开沟器运动参数的确定-245.1开沟器功耗分析-245.2转速分析-245.3临界转速分析-255.4排土临界转速-25结论与讨论-26参考文献-27致谢-2901绪论1.1我国国内开沟机械的发展现状我国开沟机械起步较晚，经历了从犁铧式开沟机、圆盘式开沟机、螺旋式开沟机和链式开沟机的发展历程。现在主要对犁铧式、圆盘式、链式和螺旋式四钟开沟机的发展做简要介绍。在上世纪50年代主要是犁铧式开沟机。这种开沟机结构简单、工作可靠、零部件少、单位功率低、生产率高、作业成本低，开沟深度为0.03m到0.08m。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。现在犁铧式开沟机在小麦田宽密植开沟播种方面仍有应用。图1.1犁铧式开沟机结构简图70年代出现了圆盘式开沟机，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，生产率比犁铧式开沟犁低，它的开沟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。由于其自身的特点，圆盘式开沟机主要应用于地面工程开沟。近年来，圆盘式开沟机仍被广泛的研究，1有学者成功设计出KX240双圆盘旋转式开沟机，中国农业大学将错开双圆盘开沟器用于玉米根茬地的试验研究。图1.2单元盘开沟机简图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GC65G型链刀式开沟机可用于水利管沟和电缆铺设工程，该机为机械传动，但其功率与挖沟效率比达到了国外的较为先进水平，现有小批量生产。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0.9m，最大挖沟深度2.2m，挖掘链速度04m/s，作业速度最高可达1400m/h。2000年东北农业大学针对了泥炭（沼泽地的产物）的开采而设计了一种1KL-100型立式螺旋式开沟机，其工作部件采用锥螺旋式搅龙切抛土，可开挖出较大型梯形沟渠。在立式开沟机的思路上，2001年昆明市农业机械研究所又研制出1KS-22型双轴立式旋转开沟机。采用双轴结构，两套旋转方向相反的刀轴同时切抛上下沟土，能开出小型矩形沟渠。2图1.31KZ30型自走式链式开沟机图1.41KL27型立式螺旋开沟机简图1.2国外开沟机的发展状况在国外主要以大型开沟机为主，苏联、意大利、法国、日本等国都有不同型号的系列产品，从结构特点和使用性能两方面来看，目前基本上以苏联和意大利为代3表的两大类型。苏联从1975年开始推出一系列的旋转开沟机产品：TP-171A全液压铣切式开沟机、MK-47犁刀-铣切式开沟机。意大利主要生产DARL系列的单圆盘开沟机心及DBR系列的双圆盘开沟机。两大类型的开沟机主要区别在于：前者是开挖大型沟渠的大型机械，且能一次性成沟，所采用的是切抛分开型的刀齿；后者是临时性的小沟渠，采用的是切抛合一型的刀齿。国外开沟机的代表机型有：切削链式开沟机、螺旋助推式开沟机、侧置式公路开沟机、圆盘旋转式开沟机，主要特点是以大功率，重机型为主，功耗大，体积也大。1.3开沟机械的发展前景1.开沟器与土壤的相互作用，构成了一个动态系统，利用计算机技术，加强开沟器的基础性理论研究，实现计算机动态模拟开沟器工作过程，将是今后发展方向之一。2.利用X光技术，研究在开沟器作用下，土壤运动规律是今后的工作。3.根据仿生学原理，研究一种不粘土的开沟器，实现高效节能开沟器也是今后的主攻方向。4.重视播种施肥联合开沟器的研究与设计。为了减少作业环节的重复性行程，减少能量消耗及对土壤的压实破坏，播种施肥联合开沟器是今后的研究方向之一。5.侧深施肥有利于提高化肥有效利用率，减少其对种子的腐蚀作用，实现作物在不同生长期获得充足的养分，是一种急待解决的技术难题27。1.4本设计的目的和方法果园开沟是施加肥料、改良果品品质的重要工序，一般在果园果树的两侧开挖宽和深在03至0.4m的矩形沟。目前，我国还没有适应果园特定作业环境的开沟机，主要仍以人工实施开沟作业，其劳动强度大，生产效率低。市场上销售的开沟机大都不适应果园作业，主要表现在：(1)果园工作环境复杂。地表有杂草、树枝、石块，地下有石块和根茬，易造成开沟刀具缠草和损坏；(2)果园开沟宽度相对建筑工程管道开沟较宽，因此如圆盘式开沟机开挖沟渠较窄，无法满足果园开沟作业需求；(3)果园果树之间的行距比较窄，大型的拖拉机等机械无法进行作业，所以不适应大马力的动力，要实现机械化作业，必须用小功率去完成。本课题针对果园开沟的实际4需求，经查阅大量资料和方案论证，开展了小型螺旋式果园开沟机的总体机构和功能设计。92.土壤特性分析2.1土壤的分类地球表面的整体岩石在大气中经受长期风化作用而破碎后，形成形状不同、大小不一的颗粒，这些颗粒受各种自然力的作用，在各种不同的自然环境下堆积下来，形成土壤6。土壤是由固体、液体和气体组成的三相混合体。固体部分一般由矿物质组成，有时含有有机质(腐烂的动、植物残骸等)。这部分构成土的骨架，称为土骨架。土骨架间布满相互贯通的孔隙，当孔隙完全被水充满时，称为饱和土。当孔隙一部分被水占据，而其余部分被气体占据时，称为非饱和土。当孔隙完全被气体占据时，称为干土。水和溶解于水的物质构成土中的液体部分。空气和其它一些气体构成土中的气体部分，这3部分本身的性质及它们制件的比例关系和相互作用决定土的物理力学性质21。开沟机与土直接作用，土壤既是开沟器的支撑物，又是它的作业对象。一方面开沟机利用土壤对轮胎摩擦力行走，另一方面，土壤会作用于螺旋刀具，对开沟机开沟作业形成阻力。因此，研究土壤特性是研究开沟机的基础。土壤按颗粒细度划分为砾石质土类、砂土类、亚砂土类、粉土类、亚粘土类、粘土类等。2.2土壤的理想化假设开沟器开沟与土壤类型密切相关。由上述分析可知，土壤类型非常复杂，不同地点、不同季节土壤的性质不同，在同一位置挖掘，土质也可能随深度变化而不同。在设计开沟机时很难将全部土壤类别全部考虑在内，故将土壤理想化为一种开沟施工中常见的土壤类型。资料表明：地表1m以内主要是黄粘土，因此将土壤理想化成黄粘土进行分析计算。黄粘土具有以下特性：具有粘性和可塑性。具有胀缩性。压缩性和抗剪强度与土的含水量有密切关系。具有结构性。将土壤理想化为黄粘土的优点在于：5因假设接近实际施工土壤条件，且沟深在1m以内，土层基本没有变化。在此假设下进行分析、计算，具有可行性。黄粘土本身是较难开挖的土壤，将土壤假设为黄粘土，开沟机若能在此条件下开挖作业，必能完成其它土层条件下的开沟作业。将土壤理想化成一种土层结构，可将问题简化，便于分析计算。2.3小结设计了一种立柱形变螺距螺旋式果园开沟机及土槽试验装置。针对果园开沟的生产要求，提出了立柱形变螺距螺旋式果园开沟机的工作原理和主要结构，其结构主要由东风12型手扶拖拉机、螺旋轴组合、立柱式双头变螺距螺旋叶片、挡板组合、双输出减速器和主机架等组成；分析确定了该机的主要结构参数和性能参数，该机以小型农用拖拉机为动力，纯小时生产效率不低于80m/h，淘型为深度300mm、宽度300ram的矩形；同时，研制了一种专门用于土槽功能性试验的装置。63开沟机总体结构设计3.1螺旋开沟机结构如图所示为螺旋开沟机结构示意图。通过主机架将手扶拖拉机与螺旋轴组合，挡板组合连系为一个整体，共同完成开沟作业。主机架固定在拖拉机齿轮箱的后端面，在其正下方为螺旋轴组合，紧贴着螺旋刀具外端面的是挡板组合，它安装在主机架的后下方。27图3.1螺旋式开沟机结构示图3.2设计要求根据生产实际的要求，所开发的螺旋式开沟机的技术参数设定为：果园深开沟配套机具纯小时生产效率不低于80m/h；开挖深度0.3m、宽度0.3m；开沟机所选型的配套主机为小功率的柴油机和汽油机；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。通过查资料得：开沟机主车体为手扶拖拉机。开沟器直接安装在手扶拖拉机变速箱尾部，用螺栓连接。螺旋开沟器由自身减速器驱动，减速器动力由手扶拖拉机动力输出轴经链条传动提供。具体参数如下:7配套动力：8kw动力输出轴转速986r/min沟型断面:沟宽，0.3m;沟深0.30.4m国内曾有学者研制立式螺旋开沟机，它的开沟部件的形式为锥形，开沟断面为倒梯形，如图3.2(a)所示。本课题要求的开沟断面为矩形，因而只需把开沟部件的形式改变为圆柱形即可。当开沟部件为锥形时，土壤在螺旋面上升运，由于倒锥形从下至上是逐渐加宽的，因而不会出现堵塞现象。而如果柱形从下至上是等宽的，如图3-2(b)，每层的螺旋刀片均切土，则当土壤向上升运时，到上面的某一层，可能就会发生堵塞，因此将其设计成变螺距螺旋如图3-1(c)。30图3.2螺旋开沟机工作部分形状简图3.3动力及传动的选择与计算3.3.1传动原理设计的螺旋开沟机配套动力选择手扶拖拉机,动力由拖拉机的动力输出轴经链传动传输到联轴器将动力传输给开沟机的螺旋刀具，从而实现预定的运动。3.3.2链传动的设计计算1）选择链轮齿数出于传动目的和经济型性考虑，先使链传动实现增速，达到一定转速，假定链速为3-8m/s从而可以选择标准减速器，进行安装，减少设计成本28。故综合考虑选择链轮齿数s/m52.6106987.52106pnZv8动力输出轴转速小链轮转速50Zi5.0i,2121；Zmin/9862rnmn/493irn2）确定链节数初选中心距，则链节数为P021212184LZZlZlpp代入数据得向上去整取89.7pLp3）确定链节距链条节距P根据与确定。01nvpiAK2由表7-7查得，按小链轮转速估计，链工作在功率曲线的左侧，由表7-.8查得;由图7-8查得；选单列链，由表7-9查得代入数据51.Kz07.11Kp的。kw427p0根据与，由图7-11选用链号为10A，并且也证实了原估计的链工作在功率1n曲线凸峰左侧是正确的。由表7-12查得链节距p为15.875mm，滚子的外径d=10.16mm。4）验算链速v符合要求s/m52.6106987.52106pnZv5）计算实际中心距21212184ZZllapp代入数据得，故原初选择合适。6354063.Pa6）作用在轴上的压力Q因载荷平稳，Q=1.2F圆周力N7.1532.610Fvp则Q=1.2F=1840.5N综上可知链条的选择：链条型号10A链节距P=15.875mm9大小链轮尺寸：50Z,21链节数：单列8Lp中心距a=666mm轴上压力Q=1840.5N3.3.3小链轮的设计节圆直径m67.12580sin.21sidp齿顶圆直径：.9.1da齿根圆直径：（d：节圆直径：滚子51.667.df1d外径）同理得大链轮尺寸d=253.43mm结合相关手册m4.23am48.2f18知大链轮采用腹板式轮毂长度可用下式计算；dhlk059,大链轮的分度圆直径,计算：取4.253dK,1.6).6(6.4，经计算。8.16.大l小链轮采用整体结构，轮毂长度可用下式：小链轮的分度圆直径为d=126.7mm,经计算得；又经过调研手扶拖m645l拉机的动力输出轴轴（连接大链轮）伸长度为150mm,输入轴（连接小链轮）的轴伸长度为60mm,，可以直接安装不需要联轴器。齿形采用三圆弧一直线按照3RGB1244-85规定制造。3.3.4联轴器的选择螺旋刀具主轴输出轴间应该用联轴器进行连接，根据轴径和扭矩进行选择。结合公式：代入数值得m/N7.230Tc为了减少冲击和噪声，结合载荷性质，选则轮胎式弹性联轴器，型号是UL6其参数为：公称转矩UL6联轴器GB5844-86。/5n60385103.3.5减速器的选择对于螺旋开沟机的配套减速器，经链轮加速后输入转速为493r/min按照设计要求螺旋刀具的的输出转速为240r/min，所以取传动比i=2.为了节省设计成本选择标准减速器CWS63型减速器其参数如表1：表1CWS63减速器参数型号额定功率（kw）中心距（mm）蜗轮齿数2Z蜗杆头数2质量(kg)外伸轴长（mm）输出轴径（mm）CWS2.93263314195832k63.4螺旋刀具组合的设计3.4.1螺旋叶片的设计要求螺旋刀具组合为核心工作部件如图3.3，主要包括主轴、变螺距螺旋叶片、端面切土刀片、底面切土刀片组合和底锥。111底锥2端面切土刀片3螺旋叶片4锯齿形刀片5主轴6联接法兰7连接半轴图3.3螺旋主轴组合螺旋刀具在果园开沟作业时，必须保证同时完成对土壤的切削、轴向输送和抛撒等工作过程，因此需满足如下设计要求:(1)由于果园开沟机的沟型要求为矩形，所以立式螺旋开沟机刀具须为圆柱螺旋结构；(2)为避免土壤在输送过程中在上下叶片之间发生堵塞和挤压，螺旋叶片的导程必须自下而上连续增大，因此设计螺旋刀具螺旋叶片为变螺距螺旋叶片；(3)叶片的几何形状必须使被切下的土块能沿叶片轴向输送，不随叶片的旋转而原地打转；(4)为避免主轴仅受连续的侧向力作用，设计螺旋刀具为双头螺旋。因此螺旋刀具设计结构应为双头变螺距式圆柱螺旋刀具，该螺旋刀具的螺旋曲面为变螺距圆柱正螺旋面。1)变螺距圆柱正螺旋面的形成圆柱的直母线绕轴线作等速回转运动时，母线上一动点P沿母线作等加(减)速运动，点P的轨迹就是一条变螺距圆柱螺旋线T，螺旋线的螺旋升角a随动点P的位置变动而变化。设图3.4(a)中圆柱半径为r，圆柱面上螺旋线T的的初始点为，0点的螺旋升角为，沿螺旋线转圈后到达点时在轴向上升高度为。以上参00a0k1p1h数、确定了该螺旋线。将上述内圆柱面展平，它上面的螺旋线T即展r0k1h开为一抛物线，如图3.4(b)所示。设该抛物线的方程为:(3.1)bLe2Z式中:e、b抛物线方程的系数。抛物线上各点的切线斜率即为螺旋线上相应点处切线的斜率。设螺旋上任一点的螺旋升角为a，则其切线斜率为:(3.2)beLdZk2tg当时，带入上式得0L0ak(3.3)0t12)a)O2k0a0图3.4变螺距螺旋线的形成，则代入式（3.1）得1Zh02Lrk(3.4)0etg当螺旋线由p点上升k圈时：（3.5）2Lr将式（3.3）（3.5）代入式(3.1)得：（3.6）0Ztgke因此得到以上升圈数k为参数的螺旋线的方程为:(3.7)ktgrkreZY02sincoX将式(3.5)代入式(3.2)得:（3.8）04tgtrk（3.9）gkeac13上式即为螺旋线由始点上升k圈后该点处的螺旋升角的计算公式。变螺距圆柱正螺旋面的形成即是以变螺距螺旋线T为导线，使母线沿导线运动时与螺旋线轴线所成的角度为900不变，就形成了变螺旋圆柱正螺旋面，制件采用两圆柱之间的部分。螺旋面的参数为螺旋线T的参数加上内圆柱半径:、外圆柱半径R1920。根据相关文献21，螺旋叶片工作时能耗的大小与螺旋角的正切呈比例增长，为了减少输、抛土能耗，应选取较小螺旋角。但螺旋角过小又会影响抛土距离形成沟边奎土和回土。故在螺旋起始段取较小螺旋角，而在螺旋上部取较大的螺旋角。由于变螺距圆柱正螺旋面的螺旋角连续变化，为减少能耗，取较小的初始螺旋角。螺旋叶片的外螺旋线为变螺距圆柱螺旋线，初始螺旋角为50，在270mm的距离上升1.5圈。内螺旋线的初始角为100，设螺旋沿主轴上升0.3m时螺旋的圈数为2。即r=0.029m，圈，代入公式便可得到螺旋叶片螺2k0m3.0h110a旋线的方程，从而得到螺旋面。2)螺旋刀具的成形方法及刀具材料的选择目前螺旋叶片方法主要有以下几种:单片手工热压成形、胎具热压成形、胎具冷压成形、组合冷拉成形法等26。对于小批量生产螺旋叶片的传统方法是单片手工成形法。其成形工艺步骤为:将坯料加热到700左右，在单片热成形胎具上用手工锤打成形。此种方法成形工艺简单，适用于螺旋叶片板薄的坯料成形，其缺点是生产条件差，劳动强度大，生产效率低。本螺旋叶片的加工成形就采用上述方法。刀片材料选用65Mn钢刀片并进行激光表面处理（激光相变和激光熔凝处理）22。65Mn钢强度高，淬透性较大，脱碳倾向小，适宜制成农机零件和汽车离合器弹簧。65Mn钢性能参数如表2所示23。表2刀具材料性能参数钢号化学成分/%力学性能bsbc65MnCSiMn/MPa/%/J0.620.700.170.370.901.20257354309303.4.2切土刀片的设计如图3.5所示，切土刀片包括锯齿形刀片和底部切土刀片组合。锯齿形刀片用14螺栓连接在螺旋叶片上端面，伸出螺旋叶片5mm，其截面的法线和主轴中心线约呈900，排列间距为沿外螺旋线100mm，共连接刀片32把，刀片材料为YT14。底面切土刀片组合和螺旋叶片的底端面焊合，底锥和主轴的下端面焊合，底锥和底面切土刀片组合的设计有利于初始工作时钻孔作业的完成。螺旋刀具组合中的螺旋叶片的内螺旋面与主轴焊合，外螺旋面与锯齿型切土刀片通过螺栓联接，螺旋叶片的底端面与端部切削刀片组合焊合，主轴底端面与底锥焊合，端部切削刀片组合由刀座、刀片和联接螺栓组成，刀座与水平面夹角呈250在后端面与螺旋叶片的底端面焊合，刀片由联接螺栓固定在刀座上，刀片的刃面与刀座平面夹角呈200。1231连接螺栓2刀座3刀片图3.5端部切削刀片（左）锯齿形刀片（右）3.4.3理想化假设为便于分析土壤运动和受力关系，假设如下：(1)由于开沟过程中开沟机前进速度很低，因此在研究刀具旋转运动时不计车体前进速度Vo，简化计算；(2)为能够同时考虑螺旋叶片与坑壁对土壤微粒的作用，忽略土壤间挤压力，在计算时假设土壤颗粒足够大，并作用在外螺旋线上；(3)在刀具切割土壤的过程中，土壤颗粒不仅作上升运动，而且新切下的土壤会将刀片上的土粒向圆柱轴心挤压，若考虑由此引起的径向力，则分析计算过于复杂，因此忽略径向运动及由此产生的径向力(李婧，2007)；(4)忽略螺旋底面与土壤、土壤与土壤之间的摩擦力。153.4.4开沟器切削土壤的运动学分析以土壤质点为研究对象，土壤质点速度分解侧视图如图3.6图3.6土壤受力分析示意图如图36所示，刀具以角速度旋转，土壤质点在外螺旋线半径R处以圯随叶片一起旋转。则由未切削到的土体阻挡及惯性的作用而进入螺旋面的土粒将被螺旋带着旋转，在法向惯性力的作用的影响下，沿螺旋面向外运动，抛至沟壁。到达沟壁之后，土粒与沟壁接触面之间产生法向压力及切向摩擦力，因此在该力的作用下，土壤质点以速度K相对于螺旋面向上滑动，并以绝对速度屹的垂直分量圪，即垂直速度向上加速运动。圪与水平面的夹角为，因此设土粒运动轨迹是升角为y的螺旋线，K为圪的水平分量，即土壤质点垂直刀轴分速度。由图可得：（3.10）rxetv（3.11）cgcoszRv（3.12）sinz（3.13）t-（3.14）cotvv（3.15）sR（3.16）tg式中：土壤质点绝对角速度；螺旋角；16绝对速度与X轴的夹角；R外螺旋线半径。3.4.5土壤质点力学模型的建立与动力学分析以螺旋叶片上土壤质点D为研究对象，图3.7所示为土壤质点受力分析图。设质点0的质量为锄，其所受的离心力为E，方向指向坑壁。坑壁对土壤的摩擦力为幔，其方向与绝对速度v。的方向相反，与水平面呈y角。螺旋面对土粒的垂直反力为，土粒沿螺旋面滑动产生的摩擦力为犯，其方向与相对速度v，的方向相反。犯与，的合力民，为螺旋面对土粒的联合作用力，目，与，呈劬角。在径向，土粒的法向离心力E与反力，平衡，只考虑xz平面力系。由于此时质点并不处于平衡状态，为便于分析，使用质点的达朗伯原理来进行分析。质点D是加速向上的，设土粒在z方向的加速度分量为a，因而所加惯性力的大小设为ma，而a的大小可利用该螺旋线的曲线方程求出。（3.17）11fNdF（3.18）22式中：土壤与螺旋面外摩擦角；1土壤与螺旋面外摩擦系数，；f1tgf土壤与土壤内摩擦角；2土壤与螺旋面外摩擦系数，。f2tf（3.19）RvdmFNtc22（3.20）2ft（3.21）cos-90cos1dmgz（3.22）121fdFfz17图3.7土壤质点受力分析图3.4.6螺旋刀具的受力分析如图3.8为螺旋刀具受力分析图，作用于螺旋微段豳上的法向力为E，切向力为只，则：（3.23）dStF13（3.24）4f式中：最大主内力，可由极限应力圆求出（钱欢欢，1990）；124521tgCC土壤内聚力系数（）；2m/N刀具每转平均进刀量（m）。1t18图3.8刀具受力分析图3.4.7螺旋主轴的轴径确定根据苹果园开沟的具体要求得螺旋主轴径：Ds=58mm,螺旋主轴长度：L=500mm，螺旋角：初始螺旋角为50，内螺旋线的初始角为100,螺旋主轴头数：i=2,螺旋主轴转速：n=240r/min，螺旋叶片外半径R=160mm，螺旋叶片高度h380mm。3.4.8校核螺旋主轴在螺杆的全长上主要受土壤的压力P，克服土壤阻力所需的扭矩。由图知，tM沿螺杆径向所受的压强大小相等方向相反而相互抵消，故计算时对P的影响只考虑轴向压强P对螺杆的作用（即螺杆所受的轴向力P），由于车速很慢，可以忽略车体前进对轴身纵向弯曲的影响。所以，对螺杆的强度计算可归结为压扭联合作用下的复合计算，由于在一般情况下根颈处的承载能力最差。因此，对螺杆的校核可进一步归19结上述复合应力作用下，螺杆根颈断面的强度计算2425。图3.6螺杆的受力分析图(1)由轴向力F产生的压缩应力(其中MPa584.12.152cdDps所以p=0.2112MPa)。kN4.130Apvp螺杆(2)由扭矩产生的剪应力tM(其中为减速器最大传动功率，为螺Padn74.6949603maxmaxNmaxn杆最高转速，为传动效率，本文取)。8.0(3)根据材料力学知识，对于塑性材料合成应力采用第三强度理论计算。因此，其强度约束条件应力为。所以，(其/4-12c096.4.0-146578.-中为螺杆材料的许用应力，一般取)。aMP1.由上知道，此轴满足强度要求。204.附属结构的设计4.1托架的设计如图4.1所示,连接台架由机架连接板加强筋和拉杆组成。机架连接板和减速器连接板焊合，并通过加强筋加固，拉杆底部与减速器连接板连接，它的上部和拖拉机操纵杆相连接。机架连接板中部设有4个螺孔，该4个螺孔分别与拖拉机变速箱后端面的4个螺孔对正，以齿轮箱端面联接螺栓紧固。减速器连接板后部设有4个螺孔，该4个螺孔分别与减速器底端面的4个螺孔对正，以螺栓紧固。1拉杆2机架连接板3加强筋4减速器连板接图4.1托架的结构图4.2挡板的设计如图4.2所示挡板包括后挡板、侧挡板和侧翼板，其中后挡板与螺旋轴组合共同作用将已切削土壤“逼出”沟内，侧挡板除起同样作用外，还可平整沟壁，上挡板的存在避免土壤抛撒过高。后挡板组合通过销轴与连接架联结，并能绕销轴转动，从而调节后挡板和螺旋叶片外缘距离。挡板组合由后挡板侧挡板和侧翼板组成。后挡板呈弧形，通过2mm的钢板滚轧而成，侧挡板由2mm的平钢板加工而成。后挡板呈150圆弧状，它与侧挡板在侧端面呈90焊合，侧翼板与侧档板在侧挡板上侧端面呈夹角焊合。档板组合保证了所切削的上壤随螺旋不断的提升而惯性抛撒到045沟侧。后挡板与螺旋刀具组合锯齿端部圆周的间隙为1Omm，既能保证不与螺旋刀具124321组合发生摩擦，又能保证开沟质量。侧挡板的构型起到平整沟壁和支撑侧翼板的作用，侧翼板的作用是引导土壤排向沟的两侧。挡板组合的后挡板呈1500圆弧状，它与侧挡板在侧端面呈90焊合，侧翼板与侧挡板在侧挡板上侧端面呈45夹角焊合，后挡板与螺旋刀具组合锯齿端部圆周的间隙为1Omm。1后挡板2连接板3侧翼板4侧挡板图4.2挡板的结构图1234225.螺旋开沟器运动参数的确定根据果园开沟的所要求的生产效率，得到最低的前进速度，再根据所提供挂接动力的功率，来确定前进速度，设计该螺旋式开沟机的前进速度为100m/h。立式螺旋开沟器刀具为双螺旋结构，在螺旋开沟过程中，被切下的土块在离心力作用下压向坑壁，坑壁对土块产生阻止其旋转的摩擦力，使土块的角速度小于螺旋面的回转角速度，该摩擦力引起土块沿叶片向上加速滑动。螺旋刀具的转速为关键技术参数，需计算满足要求的最小转速，即临界转速26。转速较低时，切下的土屑离心惯性力小，孔壁对土屑的摩擦力不足以使土屑与叶片之间产生相对运动，土屑不能上升，只能随叶片旋转。随着转速的增大，孔壁对土屑的摩擦力也增大，当转速超过某一临界值后，孔壁对土屑的摩擦力足以使土屑与螺旋叶片之间产生相对运动，土屑就会上升。这一转速的临界值称为临界转速。与此同时，设计转速还需满足排土转速。排土临界转速指土壤在叶片上不被挤压而顺利排出所需的最低转速。5.1开沟器功耗分析根据相关文献的研究27，螺旋式开沟机的功率消耗由3部分组成:挖掘功耗、输送功耗与抛撒功耗。1W23W34(sincos)MFR输送功耗包括克服土块重力做功，克服周围土壁摩擦做功及克服螺旋刃22W面摩擦做功3部分，2234202sSdFWvRgH213ZeQV通过建立优化数学模型;利用MATLAB的优化工具包进行优化，得到当v=0.0278m/s，W=13.967rad/s，k0=1.2286圈，tga0=0.1763时达到最低的切削功耗为2.3836Kw。235.2转速分析铣切力随线速度呈抛物线变化规律，当切削速度低于8.5一9m/s时，铣切力随线速度增长缓慢，而当切削速度高于8.5-9m/s时，铣切力随线速度急骤增长。这说明当切削速度接近10m/s时，负荷在土壤中的传播速度接近或超过变形在土壤中传播的速度(变形在土壤中的传播速度为10一11m/s)，不仅铣切力增长，铣切比阻也随之增长28，因而取sv/m9ax切由：2603nvRn切切式中：圆周切向线速度切v将最大的圆周切向速度代入上式得min/537naxr考虑到手扶拖拉机的附加农耕机具的一般作业速度的取值，选取，则svr/m4。n240/minrax5.3临界转速分析根据上节对土壤质点的运动和受力分析，得到土粒沿螺旋升运的临界转速公式:0129.5()zgantfR取土壤的物理参数及螺旋的结构参数为:00max215,.46,0.,3,fRm代入上式得则设计转速。土粒可以向上输运。mi/10r0n5.4排土临界转速排土转速指不使土壤在叶片挤压而阻塞、顺利排出所需的最低转速29，即:11cos30gtnr式中：r螺旋刀具中心管半径，r=0.029m则排土转速计算为：min/4.13nr只有当螺旋刀具的设计转速大于排土临界转速和升土临界转速时，才能保证土壤被24切削后能沿螺旋叶片排出而不会挤压阻塞。结论与讨论本文研究虽然完成螺旋式果园开沟机的结构设计，初步解决了果树园开施肥沟的问题，节约了人力物力，实现了开沟的机械化。由于时间紧，任务重，而且是初次设计，所以难免存在一些问题，特别是在一些参数的选定方面需要改进，可以大幅度的提高起生产的效率。但有待于进一步深入改进和完善。此外由于在机械设计制造的过程中需要综合运用专业知识，需要有丰富的实际工作经验，在本科受教育阶段不能够熟练掌握本设计用到的所有专业知识以及设计软件的使用方法，因此在本设计中肯定存在很多不足甚至是错误，但是本设计再设计原理方面借鉴了很多论文中提到的较好的设计原理，并对其进行归纳和总结应用到本设计中。本设计基本完成了设计所需要的要求，同时在设计过程中加深了对CAD绘图软件的学习和认识。对以后的工作和学习都很有帮助。25参考文献1贾敬贤.梨树高产栽培M