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- 内容简介:
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湖湖 南南 农农 业业 大大 学学 全日制普通本科毕业设计全日制普通本科毕业设计 果园开沟施肥机设计果园开沟施肥机设计 DESIGN OF FERTILIZER DISTRIBUTOR AND DITCHER FOR ORCHARD 学生姓名:学生姓名:蔡光海蔡光海 学学 号:号:200940615106200940615106 年级专业及班级:年级专业及班级:20092009 级农业机械化及其自动化级农业机械化及其自动化 (1 1)班)班 指导老师及职称:指导老师及职称:谢方平谢方平 教授教授 学学 院:院:工学院工学院 湖南长沙 提交日期:2013 年 5 月 湖南农业大学全日制普通本科生毕业设计 诚 信 声 明 本人郑重声明:所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下,进行研究工作所取得的成果,成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计作者签名: 年 月 日 目 录 摘要 1 关键词 1 1 前言 1 1.1 选题背景 1 1.2 果园开沟施肥机的作用与形式 2 1.3 果园开沟施肥机的国内外研究现状 2 1.3.1 国内开沟机施肥机发展概况 2 1.3.2 国内主要开沟机 2 1.3.3 国外开沟机的发展概况 3 1.3.4 开沟机分类 3 2 果园开沟施肥机方案的选择 4 2.1 悬挂式开沟施肥机 4 2.2 自走式开沟施肥机 5 3 方案的确定 5 3.1 设计思路 5 3.2 整体结构和工作原理 6 3.2.1 整体结构 6 3.2.3 工作原理 6 4 结构设计与分析 7 4.1 开沟弯刀 7 4.1.1 开沟弯刀的结构组成 7 4.1.2 侧切刃 7 4.1.3 正切刃 8 4.1.4 材料和技术要求 9 4.2 开沟刀盘 9 4.2.1 开沟刀盘内孔直径 9 4.2.2 安装刀片螺栓孔位置 9 4.2.3 开沟刀盘外径 9 4.2.4 刀片安装数量 10 4.2.5 开沟刀盘总体结构 10 4.3 开沟刀轴 10 4.3.1 开沟刀轴的最小径计算 10 4.3.2 开沟刀轴结构图 11 4.4 动力选型 12 4.5 开沟机传动箱 13 4.5.1 开沟机锥齿轮箱 13 4.5.2 开沟刀滚 14 4.5.3 传动关系图 14 4.5.4 开沟机罩壳 15 4.6 施肥器 16 4.6.1 排肥器星轮 16 4.6.2 排肥器工作原理 17 4.7 深度调节器 18 4.7.1 液压缸的选择 18 4.7.2 深度调节器结构图 19 4.7.3 液压马达选择与安装 19 5 关键零部件校核计算 20 5.1 开沟刀轴的校核沟刀轴的校核 20 5.2 滚动轴承的校核 22 6 结论 23 参考文献 24 致谢 25 1 果园开沟施肥机果园开沟施肥机设计设计 学 生:蔡光海 指导老师:谢方平 (湖南农业大学工学院,长沙 410128) 摘 要:为解决果园开沟施肥工作量大等问题,通过对各种开沟施肥机进行类比,查阅相关资料,确定出一种优化方案,并绘制其主要机构三维模型进行仿真分析与计算说明。实现该果园开沟施肥机的开沟深度可调,施肥量可调,一次完成开沟施肥等工作。 关键词:果园开沟;施肥;开沟刀; Design of fertilizer distributor and ditcher for orchard Student:Cai Guanghai Tutor:Xie Fangping (College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China) Abstract: To solve the heavy workload issues of orchard ditching fertilization ,Campered with kinds of ditching fertilization machine and read relevant literature ,And drew three-dimensional model of the ditching fertilization machine and organs of the simulation analysis and calculation instructions. Achieved orchard ditching fertilization machine trenching depth adjustable,fertilizer adjustable, Complete ditching fertilization once. Key words: Orchard Ditiching; Fertilizing;Rotary blade 1 前言 1.1 选题背景 在果树管理上,施肥是一项作业量大、劳动强度大的作业。尤其是施用有机肥时,需在每棵果树两侧、根系集中分布层稍远和稍深处各挖一条连续或断续的、宽深都在500毫米左右的沟。这就需要大量的劳动力来进行开沟施肥。然而随着国内经济的飞速发展,人们生活水平的提高,劳动力的成本也在不断提高以及青壮年劳动力的短缺,果园开沟施肥成为了影响果园收益的一大因素。 2 目前,我国果园开沟施肥大多数采用人工作业,机械化水平低。现有的开沟机大多不适应果园作业,主要表现在果园工作环境复杂,地表有杂草、树枝、石块,地下有石块和根茬以及果园果树之间的间距比较窄,大型拖拉机等无法进行作业,不适应大马力的动力,要实现机械化作业,必须用小功率的拖拉机完成。根据文献报道,国内还没有开发出成本低、功耗低的专用机型,国外虽然有成熟专用的开沟机具,但并不适合国内现阶段农村市场的需求。 为解决果园开沟施肥所面临的实际问题,设计出一种能够集开沟与施肥于一体的果园开沟施肥机是有必要的。 1.2 果园开沟施肥机的作用与形式 果园开沟施肥机是一种果园开沟施肥专用机械,主要运用于果园的开沟、施肥、土回填平、压实等工作,随着我国工业经济的发展和新农村建设步伐的推动了林果业的发展,为开沟施肥机提供了用武之地并促其迅速发展。果园开沟机大体分为自走式、悬挂式两种形式,自走式的果园开沟施肥机主要适合小型果园,悬挂式的果园开沟施肥机主要适合大型果园1。 1.3 果园开沟施肥机的国内外研究现状 1.3.1 国内开沟机施肥机发展概况 我国对开沟机的研究开发比较晚,经历了从犁铧式开沟机、圆盘式开沟机和链式开沟机的发展历程。20 世纪 80 年代中期,国家引进了小量开沟机主要用于农业暗管排水工程,这是早期的技术引进。但由于有机肥的应用还不广泛,只是停留在小农经济水平上,因此,此时的开沟机主要用于农田水利工程以及地下电缆,自来水工程等。近年来,随着国家对绿色农业大大力倡导,有机肥在农业上得到广泛应用和发展,特别是在果园的应用上,使开沟机的研究方向逐渐向有机肥施肥开沟机方向发展。 1.3.2 国内主要开沟机 1991 年,安徽省宣州市孙埠镇农机管理服务站对 8.8KW 手扶拖拉机的配套农具旋耕机进行合理改装,研制出 1KS-20 型卧式弯刀开沟机。1996 年,昆山农业机械化研究所祁天循研制开发了 1KLZ-2 型立式螺旋开沟机。2000 年东北农业大学韩永俊、尹大庆、冯江、王德福等人完成了 1KL-100 型立式螺旋开沟机的设计。2006 年,中国农业机械化科学研究院与山东广饶三元液压机械环保有限公司的多功能的开沟机。2009 年 2 月,新疆农业科学院农业机械化研究所阿布里孜巴斯提、兰秀英、贡献、刘旋峰等人开发研制了 1K40 型偏置式果园开沟机。2010 年 4 月西北农林科技大学机电学院王京风、杨福增、刘世等人进行微型遥控果园开沟机的研发与设计。目前, 3 开沟机技术虽然得到较快的发展,但依然存在很多问题,适用于果园开沟的机具还是比较少1。 1.3.3 国外开沟机的发展概况 国外很早就开始了有机肥的应用研究,如欧美、意大利、法国等,并且有着广泛的应用。随着科学技术的进步和应用范围的扩大对开沟机的要求也越来越高,开沟装备研究工作步入了一个新时代,先进的新型设备不断涌现。国外较早生产开沟机的国家是美国和前苏联,其发展过程是从犁铧式开始的,目前国际上的主要开沟机生产厂商在美国,但是国外开沟机生产已向多样化趋势发展,且更趋专机专用,开沟机只用于开沟作业,而当机械不开沟时只能闲置。这种情况并不符合我国的国情2。 1.3.4 开沟机分类 开沟机是由拖拉机动力输出轴驱动的一种耕作机具。开沟机有装在手扶拖拉机上,也有装在轮式拖拉机或履带拖拉机上的,可分为犁铧式开沟机、旋转开沟机、链式开沟机,这里分别说明其工作原理。 铧式犁开沟机产生于 2O 世纪 50 年代,铧式犁作为最早的开沟设备,被用于农田建设当中。其型式主要有悬挂式和牵引式。这种开沟机结构简单、速度快、效率高、工作可靠、零部件较少,开沟深度为 3050cm,主要缺点是土壤硬度不能太大。否则开出的沟形难以保证,且结构笨重,沟边留下的垡条大且不能分散,需人工修理等。特别是工作时牵引阻力很大,常用斯大林 80 拖拉机才能拖动,有的地方要用两台大拖拉机牵引。 旋转开沟机是在 50 年代后期,与拖拉机向大马力发展的趋势相适应。旋转开沟机得以迅速发展。由于它牵引阻力小,适应性强,能均匀散开沟内土壤,工作效率高,因而得到了迅速发展和广泛应用。这种开沟机的主要工作部件是一个或两个高速旋转的圆盘,圆盘四周是铣刀,铣下来的土壤按不同的农艺要求,将土壤均匀地抛掷到一侧或两侧 515cm 范围内的地面上,也可将土壤成条堆置在沟沿上形成土埂。两圆盘与水平面呈 45,这种旋转开沟机的开沟断面呈上口宽、沟底窄的倒梯形,且沟形整齐,无须辅助加工。缺点是:行走慢(拖拉机以 50400 mh 的超低速前进)、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。 链式开沟机出现于 20 世纪 70 年代末期,链式开沟机开始兴起。链式开沟机设备简单、组装方便,所开沟沟壁整齐,沟底不留回土,效率高。沟深和沟宽易于调节,可开挖窄而深的地下沟槽,用以埋设地下排水管道。或者用于铁道、邮电、城建等部门埋设电缆与管道等,还可用于果园、蔬菜园及其他农田环境开沟施肥、排水、灌溉。 4 链刀式开沟机的挖掘部件为带刀片的链条,刀齿切割土壤并将其带至地面,再用螺旋输送器将土运至沟的一侧或两侧2。 2 果园开沟施肥机方案的选择 果园开沟施肥机可分为悬挂式和自走式,其中悬挂式的开沟施肥机较适合比较大型的果园开沟施肥,具有效率高、动力强劲等好处、但不适合小型果园。自走式开沟施肥机也就是发动机和开沟机一体化,相对于大型的悬挂式开沟施肥机,他就能够弥补其在小型果园开沟施肥方面的不足、但是其效率比较低,一般都是手扶式的。劳动强度也相对较大。 2.1 悬挂式开沟施肥机 1.拉杆 2.机架 3.输出轴 4.变速箱 4.刀盘轴 5.开沟轴 6.皮带轮 7.皮带 8.带刀盘 9.开沟刀 10.加肥器 11.离合皮带轮 12.土回填板 13.加压弹簧 14.轧实辊 15.挡板 图 1 悬挂式开沟施肥机 Fig 1 Suspension type ditching and fertilizing machine 图 1 所示开沟机是由淮阴工学院发明的果园开沟施肥机3,该开沟施肥机是一种悬挂式开沟机。能实现果园生产中的开沟、施肥、土回填整平、压实等工作一次性完成,使用灵活,生产效率高,能有效的降低劳动强度。 该开沟机需要使用拖拉机进行动力的传递以及开沟施肥机的提放。 5 2.2 自走式开沟施肥机 1.沟深调节机构 2.开沟机构 3.挡板 4.覆土机构 5.行走轮 6.操作控制机构 7.变速箱 8.离合器 9.肥料箱 10.施肥机构 11.发动机 12.机架 图 2 自走式开沟机 Fig 2 Self-propelled ditching machine 图 2 所示是由湖南农业大学以及长沙市劲牛机械有限公司研制的开沟机4,该开沟机是一种自走式的果园开沟机。该开沟机开沟深度可以调节,可以作为开沟机,也可以作为开沟施肥机,功能齐全,能够实现开沟-施肥-覆土一体化作业,效率高,并且自带发动机,无需牵引设备,实用性更强。 该开沟机使用的独立动力,不需要拖拉机牵引。 3 方案的确定 3.1 设计思路 由于此次设计的是小型果园开沟施肥机,主要实现果园开沟施肥机开沟深度,施肥量可调。变速箱直接连接开沟机构,这样开沟机由提升梁、中间齿轮箱体、支撑板、侧边链条箱体、挡板等机件构成。中间齿轮箱体用螺栓固定在变速箱上,使用液压提升机构通过提升梁使开沟施肥机轮子与开沟刀主轴之间的垂直距离实现改变,从而使刀滚升降,调节开沟深度。排肥器排肥星轮和地轮连接,手扶拖拉机在行走过程中通过地轮轴带动排肥星轮转动,排肥星轮转动的时候就能够带动施肥箱内的肥料,星轮槽转动到下方时肥料通过自重落入沟内从而达到施肥的目的,施肥器上设置有调节片用来调节施肥量。 6 3.2 整体结构和工作原理 3.2.1 整体结构 通过前面的设计我有了初步的方案和认识,这里我将前面绘制的装配图以及拖拉机的模型图通过装配后进行进一步的仿真分析以及各个零件图的标注以及工程图的绘制,各个零件之间的装配关系进行了进一步的梳理,整理装配后进行分析,确定出整体机构图。 1.柴油机 2.开沟机 3.液压提升机构 4.液压泵和电机 5.施肥机 6.座椅 图 3 整体布局图 Fig 3 The whole layout 图 3 是果园开沟施肥机的整体设计图,其中开沟机通过变速箱直接连接到机架上,实现动力的传递,变速箱输出动力的转速与功率和开沟机的额定转速相当,其中没经过减速,施肥器的和整机通过螺栓连接,开沟器和整机通过螺栓连接,液压缸和开沟机于机架通过螺栓连接使用电池换向阀控制开沟机开沟深度的调节,使开沟施肥机能在行走时让开沟机提升方便不会和地面接触。 3.2.3 工作原理 整机主要由开沟机,施肥机,以及手扶拖拉机,和液压提升装置构成,在手扶拖拉机行走过程中,变速箱输出动力通过开沟机的锥齿轮箱使纵向动力转变成横向动力,从动轴上面连接着主动链轮,主动链轮通过链条传递到从动链轮上面,从动链轮直接连接在开沟刀轴上面,这样在手扶拖拉机行走时就能够带动开沟刀开沟。液压提升装置连接在机架上,液压装置中的液压缸前端和开沟机的左撑板通过螺栓连接,后端通过连接法兰和机架通过螺栓连接。液压马达通过电动机带动,通过改变电池换向阀的 7 状态从而达到整个开沟机的升降调节。施肥机由施肥星轮通过施肥轴连接地轮。手扶拖拉机在行走过程中通过地轮轴带动排肥星轮转动,排肥星轮转动的时候就能够带动施肥箱内的肥料,肥料通过星轮槽带动当转动到下方时肥料通过自重落入沟内从而达到施肥的目的,施肥器上装有调节片用来调节施肥量。 4 结构设计与分析 4.1 开沟弯刀 开沟刀是开沟机的主要工作部件。其种类有凿形刀、弯刀和直角刀等。弯型刀片(分为左弯和右弯)有滑切作用,不易缠草,具有松碎土和翻土覆盖能力,但消耗功率较大,国内生产的开沟刀大多是弯形刀片。凿形刀片入土和松土能力较强,功率消耗小,但容易缠草,适用于土质较硬或杂草较少的旱地耕作。直角刀片性能同弯刀相似,国内生产和使用的较少5。由于果园的土地较硬,杂草较多,因此我设计的开沟机选用弯刀。 4.1.1 开沟弯刀的结构组成 开沟刀主要由侧切面、正切面、过度面三个部分组成,开沟刀各部位名称如图,侧切面具有切开土垡,切断或推开草茎、残茬的功能;正切刃除了切土外还具有翻土、碎土、抛土等功能6。 1.刀柄 2.正切刃 3.侧切刃 图 4 开沟刀的结构图 Fig 4 Mechanism of the rotary blade 4.1.2 侧切刃 国产的各种弯刀,侧切刃均为等近螺旋线(阿基米德螺线) 8 其方程为: = 0+ ( 1 ) 0:螺线起点的极径(mm); :螺线极角每增加 1弧度,极径的增量(mm); :螺线上任意点的极角(rad); 螺线终点处的极径: n= 0+ n ( 2 ) 再确定n、0及n值后可求出值: = (n 0)/n ( 3 ) 螺线起点的极径0为避免无刃部切土。 0= R2+ S2 2S(2RH H2)0.5 ( 4 ) 式中:S:为设计切土节距;H:设计耕深;R:弯刀回转半径,为减小阻扭矩,应在满足耕深要求和结构许可的情况下,采用较小尺寸。 对于果园开沟,S 的适宜范围为 4-6cm。这里就取 5cm 作为切土节距。 式中 Vm:开沟机的前进速度,取 Vm=2Km/h;n:刀轴转数;z:弯刀数量,取z=6 通过计算圆整后得0=60;n= 0.5rad; = 320mm。 将 代入式 = 0+ ,并通过 Pro/E的参数方程绘制曲线做出侧切刃螺线。 4.1.3 正切刃 正切刃是空间曲线,为使沟底平整,正切刃曲线位于刀滚的圆柱面上及在侧视图上其投影为圆弧,两段刃口间用圆弧线连接。 在 Pro/E中建立空间直角坐标系,绘制侧切刃螺线,插入基准曲线使用方程建立笛卡尔坐标系将等近螺旋线转换成 Pro/E中的参数方程。 = Tn;0=60;n= 0.5rad; = 320mm。 A=n T 360/(2) ( 5 ) X=(0+ ) cos(A) ( 6 ) Y=(0+ ) sin (A) ( 7 ) Z=0 绘制出一条等近螺旋线 引用螺旋线并绘制 3060 刀柄并在一定尺寸上开 M10 通孔两个用来固定开沟刀,在拉伸侧切刃所在的平面拉伸长度为 10mm 绘制正切刃切除多余部分等。 9 4.1.4 材料和技术要求 用 GB699-65规定的 65Mn 钢制造。切削部分必须进行淬火处理,淬火区硬度为HRC50-55。开沟弯刀应用样板进行检查,刃口曲线形状误差不得大于 3mm。 4.2 开沟刀盘 开沟刀盘用来固定开沟刀,开沟刀盘上的刀片依次为划切、破碎、抛出土壤而形成深沟。由开沟刀盘结构和原理可知,开沟刀盘的质量主要决定于材料的选用和各结构尺寸及安装刀片数量。开沟刀盘为了方便和上述开沟刀片装配,其安装螺栓孔按照 M10 通孔精密配合设计,孔径为 10.6。安装位置为刀座上安装刀盘的螺栓孔沿旋转轴半径方向到旋转轴母线的距离。设计参数为:刀盘内孔直径、安装刀片数量、刀片安装孔位置、刀盘体钢材厚度。 4.2.1 开沟刀盘内孔直径 通过查阅相关资料知道开沟部件正常工作中所消耗的功率为 4-6KW 左右,开沟刀盘的转数在 186-250r/min 左右。计算时转数取最小值,功率取最大值,以保证开沟轴上受到最大扭矩。 Mq= 9550Nn= 338.87(N m) ( 8 ) 按扭矩强度计算轴径,即开沟刀盘内孔直径应该满足: max=T=16MqD131(D12D1)4 ( 9 ) 其中:为开沟轴承受扭转形变的需用切应力值经过计算开沟刀盘内孔并圆整后得D1=50mm 4.2.2 安装刀片螺栓孔位置 刀片与刀盘体通过螺栓与刀盘体上的刀座进行连接,因此,该处的螺栓受工作剪力应该作剪切强度计算,由于开沟刀盘切入土壤为单个刀片依次划切土壤,因此,在最为危险的情况下是一个刀片作用土壤时连接刀片的螺栓上所受到的挤压及剪切力最大,通过计算圆整后的取=400mm 4.2.3 开沟刀盘外径 开沟刀盘外径 D为安装刀片后开沟轴的最大旋转外圆直径。影响开沟刀盘外径的因素很多。这里就以开沟深度,传动箱接地点与刀轴中心点距离,土壤下限量作为参考。 D + 2B 2(H + l e) (10) 10 其中:H为开沟深度,H250mm;L为传动箱接地点与刀轴中心点距离,L=100mm;e为土壤下下限量,取 30mm8 根据各种因素确定选用 500 作为开沟刀盘外径。 4.2.4 刀片安装数量 切土节距 S 的大小是影响开沟破土的主要指标,S 主要由机组前进速度、开沟刀盘转数及其安装刀片个数所决定9,对于果园开沟,S 的适宜范围为 4-6cm。 S =2vmwZ (11) 工作时机器前进速度为 2km/h,开沟转数在 250r/min 左右。 带入公式并圆整可得 Z=6 开沟刀为消耗件在其损坏之后需要更换,开沟刀座的作用是固定开沟刀与开沟刀盘。根据设计的刀片的数量这里在刀盘上一体成型 6个刀座。 4.2.5 开沟刀盘总体结构 通过上述参数的确定,刀盘采用一体式设计开沟刀直接通过螺栓安装在刀盘上面,刀盘的为一个直径 260 的圆。通过键和旋转轴相互连接。刀盘的主要结构包括开沟刀槽、螺栓孔结构简单加工方便。 1.链接螺纹孔 2.开沟刀盘 3 开沟刀座 图 5 开沟刀盘的结构设计图 Fig. 5 Structure design of ditching cutter 4.3 开沟刀轴 4.3.1 开沟刀轴的最小径计算 开沟刀轴的主要作用就是固定开沟刀盘并传递扭矩,根据开沟部件开沟刀盘上的 11 孔径尺寸,根据开沟刀工作部件的功率在 5KW 左右,转数在 250r/min。 开沟刀轴主要承受扭矩作用,这里选用实心圆轴材料 45钢,其扭转强度条件为 T=TWT=9.55106P0.2d3n T MPa (12) 写成设计公式时轴的最小直径为 d 9.551060.2 T 3 Pn3= C Pn3 mm (13) 式中:T为轴所传递的扭矩,Nmm;WT为轴的扭矩截面系数,mm;P 为轴传递的功率,KW;n为轴的转数,r/min;T为轴材料的许用扭转剪应力,MPa;C 为与轴材料有关的常数,见表 1 表 1 轴的常用材料的T值和 C 值 Table 1 Commonly used shaft / T value and C value 指标 轴的材料 Q235,20 35 45 40Cr,5SiMn /Mpa C 1220 2030 3040 4052 160135 135118 118107 10798 注:当弯矩作用相对于扭矩很小或只传递扭矩时,T取最大值,C 取最小值;反之T取最小值,C 取最大值10。 d 9.551060.2 T 3 Pn3= C Pn3 mm 32.03(mm) (14) 考虑到键槽对轴强度削弱的影响,轴径应该加大 5%,则 D=32.031.05=33.63(mm) 把计算直径圆整成标准直径:35mm 4.3.2 开沟刀轴结构图 根据设计结构知到该轴主要连接开沟刀盘和一个链轮以及轴承等零件,由于轴的最小径为 35mm 查询机械设计手册选择轴承 6007。为了方便固定轴承的位置使用卡环槽固定轴承的径向位置,这里选用 35mm 规格的内卡,固定开沟圆盘也同样式用卡环固定开沟刀盘的内孔直径为 50mm 长度为 60mm 根据开沟刀盘的宽度以及开沟刀安装上去的宽度以及开沟宽度确定该段轴长为 200mm。 12 图 6 开沟刀轴的结构设计 Fig 6 Structure design of ditching knife shaft 4.4 动力选型 影响开沟机开沟的功率的因素很多,有切削和抛掷土壤耗功 N1(KW),开沟作业是推进开沟施肥机前进所消耗功率 N2(KW),开沟机各传动部分所消耗的功率N3(KW),开沟机功率为 N(KW)。有: N=N1+N2+N3 (KW) (15) 查阅相关资料可以得出切削和抛掷土壤耗功 N1=5KW,开沟作业是推进开沟施肥机前进所消耗功率 N2=0.62KW,开沟机各传动部分所消耗的功率 N3=0.97KW,开沟机功率为 6.59KW。在网上查询选择 151 东风型手扶拖拉机。 表 2 东风型手扶拖拉机 Table 2 DONGFENG hand tractor 型号 BF-81 BF-91 MSD-121 MSD-151 拖 拉 机 外形尺寸(长宽高)(mm) 21808901250 26909601250 离地间隙(mm) 204 234 185 轮距(mm) 650730 580800 结构重量(kg) 155(底盘) 350 360 轮胎规格 512 612 612 发 动 机 额定功率 5.88 6.6 8.8 10.3 转速(转/分) 2400 2000 冷却方式 蒸发水冷式 蒸发水冷式 根据表 2 以及开沟机消耗功率可以初步选择东风 151BF-91型手扶拖拉机适合该开沟机。 13 东风型手扶拖拉机 151BF-91型手扶拖拉机是一种自带旋耕刀的手扶拖拉机,产品结构形式单轴、牵引驱动兼用型;配套动力 / S1100、ZS1100 柴油机;柴油机形式单缸、卧式、四冲程、水冷蒸发标定功率 6.6 Kw(12h);标定转速 2200 r/min;离合器 / 干式双片常结合摩擦;发动机至离合器传动;三角皮带 B型变速箱直齿圆柱齿轮(31)2 组成;制动器 / 湿式环状内涨式;转向结构牙嵌式转向离合器;最终传动两级减速直齿圆柱齿轮;结构质量 155kg;外形尺寸长宽高 mm 21808901250;轮距 700 mm;最小离地间隙 204 mm;最小转弯半径 1000 mm;前进/倒退档位数 / 6/2 ;启动方式 / 手摇启动 ;轮胎规格 / 6.00-12;轮胎工作气压 137-196 kpa 。 其输出转数为 250 转左右符合开沟要求。 4.5 开沟机传动箱 手扶拖拉机和开沟机之间可以用螺栓直接固定在拖拉机变速箱体上,因此不需要万向节,直接用动力输出轴传动。提升时开沟机可以绕主梁转动,动力由变速箱传动齿轮通过侧边传动链带动刀盘旋转,一般会有变速齿轮箱,左、右壳体,传动箱,左右支臂和刀盘等组成一个矩形框架,以承受开沟作业产生的力矩。在矩形机架的上部安装开沟机罩壳,在罩壳的尾轮架上装施肥用的施肥机构1。 4.5.1 开沟机锥齿轮箱 开沟机变速箱是由箱体,开沟机传动轴,开沟刀传动齿轮,啮合套和操纵杆等组成。旋耕刀传动轴的一端装在开沟机变速箱体内,另一端装在开沟刀传动箱体内,在开沟刀传动轴的一端空套着一个带有牙嵌啮合齿的传动齿轮,由弹性挡圈,垫圈定位。在前进档位和空档时,与变速箱内的倒挡齿轮啮合。开沟刀传动轴的花键部分装着啮合套,啮合套的一个端面也有牙嵌啮合齿。通过操纵杆拨动,可与开沟刀传动齿轮上的牙嵌啮合齿轮啮合或者分离。结合时,可将变速箱的动力通过开沟机传动齿轮、啮合齿轮传递给开沟刀。分离时,即切断动力。在啮合套和旋耕刀传动轴之间、用弹簧式定位装置定位。在旋耕刀传动箱内,开沟刀传动轴的一端上,用花键连接着主动轴,并有弹性挡圈限位。 由于手扶拖来机在挡工作档位是传出动力为 250r/min 故开沟机变速箱内不需要在进行变速。 14 4.5.2 开沟刀滚 开沟刀滚的一端深入开沟刀轴传动箱,轴端装着从动链轮。在轴两端的轴承外侧背靠背地装有卡环限位,使用带盖环的轴承以防止轴承里的润滑油外漏或污水进入轴承。 1.开沟刀 2.开沟刀轴 3.链轮 4.开沟刀盘 5.轴承 图 7 开沟刀滚 Fig 7 Ditching knife roller 4.5.3 传动关系图 图 8 是开沟部件的传动图,其中 1主动锥齿轮轴、2 主动锥齿轮、3从动锥齿轮、4从动锥齿轮轴、5 主动链轮、6双排链条、7从动链轮、8开沟刀轴、9开沟刀盘。传动路线为动力通过变速箱变速以后经过离合器传动到主动锥齿轮主动锥齿轮通过从动链轮传递动力给主动链轮,主动链轮通过链条传递动力给从动锥齿轮,最后通过轴传递给刀滚。由于工作档位为一档,在网上查阅相关资料了解到东方红 151 手扶拖拉机的变速箱输出动力的转速在 250 转每分,因为前面所确定的开沟刀转速在 250转左右所以锥齿轮和两轮之间的传动比都是 1:1 传动。 15 1.主动轴 2.主动锥齿轮 3.从动锥齿轮 4.从动轴 5.主动链轮 6.链条 7.从动链轮 8.开沟刀轴 9 开沟刀盘 图 8 开沟机传动图 Fig 8 The transmission relation 4.5.4 开沟机罩壳 图 9 开沟机罩壳 Fig 9 Ditch cover 开沟机由上,下盖板,左右侧板后盖板,挡板和尾轮座驾等组成,安装在矩形机 16 架上。罩壳的尾轮座驾上装有尾轮。开沟作业时开沟机罩壳具有防止土块的飞散和泥土飞溅,保证耕作质量,安全防护等作用。 4.6 施肥器 施肥器主要是用来给开好沟后直接给沟里面施肥的,传统的施肥方式消耗体力又费时,而且化肥利用率不高,易造成土壤板结等现象。施肥器历经多年改进具有体积小,重量轻、操作简便的特点,使用施肥器施肥可以减轻农民的劳动强度、提高化肥利用率、减少环境污染,达到省肥、省力、省时、省钱的好效果。 施肥箱总成的设计 根据实际需要施肥箱设计容量为 45L,箱体采用 2冷轧板弯折焊合而成,施肥箱下部采用加强板子方便和施肥器连接。 图 10 肥箱机构图 Fig 10 The fertilizing box structure diagram 4.6.1 排肥器星轮 排肥器主要工作部件为绕垂直轴转动的水平星轮,工作时,通过传动机构带动排肥星轮转动,肥箱内的肥料被星轮齿槽及星轮表面带动,经肥量调节活门后,输送到排肥口,肥料靠自重落入沟内。该排肥器的肥箱底部装有调节叶片,箱底可以打开,便于消除残存的化肥;星轮的拆卸也很方便:排肥量的调节可以通过调片改变排肥活门的开度来实观14。该排肥器适合排晶状化肥和复合颗粒肥,还可以排施干燥粉状化肥。 排肥器轴为了方便和地轮连接,所以就直接和轮子相连接,这样轮子动的时候就能够带动排肥器工作,排肥器连接的时候采用方形实心。排肥器轴的和两个轮子连接其中两个轮子中一个轮子使用键连接,一个轮子使用轴承连接。这样就能够保证施肥机在转弯的时候不会因为轮子的转速不同而对轴产生影响。 17 排肥器调节板直接使用毫米厚冷轧板折弯而成,这样简单的调节排肥星轮的活门来实现施肥量的调节。 1.排肥轴 2.排肥星轮 3 排肥器 4.螺栓 图 11 排肥器 Fig 11 fertilizing box 4.6.2 排肥器工作原理 1.排肥箱 2.地轮 3.轴承座 4.排肥星轮 5.排肥器 6.轴承 图 12 排肥器机构设计图 Fig 12 Feed mechanism design 图 12 所示排肥器中、整体通过两个轴承座和手扶拖拉机连在一起,2接触地面滚动时能够带动轴转动,轴转动的时候又能够带动 4排肥星轮的转动,从而实现肥料的 18 排出,通过拨动调节板能够实现开口大小的改变从而实现施肥量的调节。当在不需要排肥的地方可以将调节插板拨到最大位置这样就可以实现施肥过程的中断,从而实现在不需要排肥的地方不用排肥节约肥料。 4.7 深度调节器 深度调节器的作用主要是用来调节开沟深度的由于前面设计的开沟机是可以绕着左右支架旋转的这样就只需要调节他的角度就能够实现深度的调节13。由于开沟深度在 15-20cm,所有选用的液压缸行程在 20cm 以上。通过控制液压缸就可以调节开沟机升降,为了方便操作使用电磁换向阀。 4.7.1 液压缸的选择 根据前面的设计可知开沟机的开沟深度在 2030mm 可调,所以选择长度为在200300之间。初设液压泵的油压为 16MPA,开沟机工作的时候的工作压力在 180N左右有 F = N S (16) F表示液压缸的工作压力,N表示液压缸的有效截面积,S 表示油压 可以计算出 N=1562mm= R 可得 R=19mm 圆整后选择直径 40mm 缸径 根据查表可一直到选择 HSGL0157AEZE255 1.开沟机 2.液压缸 3.溢流阀 4.液压泵 5.电磁换向阀 图 13 液压结构与安装图 Fig 13 Hydraulic structure and installation diagram 19 图 13 为深度调节器的液压结构示意图其中电磁铁 1YA接通时,泵向液压缸左端供油,并推动活塞向前运动从而带动开沟部件向下运动,当深度达到要求值时断开1YA 这时候电池换向阀回到中位,此时不需要供油,当开沟结束时电磁铁接通 2YA,油泵向液压缸右端供油同时推动活塞向右运动。 4.7.2 深度调节器结构图 1.液压缸 2.座端法兰盘 3.活塞端法兰盘 图 14 液压缸深度调节器 Fig 14 Hydraulic depth regulator 图 14 所示为一种液压缸深度调节装置其中连接法兰 1直接和开沟机的机架相互连接,连接法兰 2 和机架相互连接就能够实现开沟机的深度调节,通过调节换向阀就能够实现液压缸的伸缩。在控制的过程中只需要使用调节开关即可调节开沟器的升降简单方便。 4.7.3 液压马达选择与安装 液压泵是液压系统的动力元件,其作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能,液压系统中的油泵,向整个液压系统提供动力。液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。 液压马达直接和电动机之间使用联轴器相互连接根据前面的设计,可以知道液压马达的尺寸是宽度在 100 左右,能够安装在拖动地轮行走的架子上面,在架子上面安装一块板子,由于液压系统只需要给一个液压缸供油这里使用上置式油箱。这样安装的好处是结构紧凑、应用最广。此外还可在油箱外壳上铸出散热翅片,加强散热效果,即提高了液压泵的使用寿命。 液压马达和电动机都使用支架直接安装在板子上面如图 15所示 20 1 开沟机 2.液压缸 3.液压马达 4.座椅 图 15 液压元件安装示意图 Fig 15 Hydraulic components installation diagram 5 关键零部件校核计算 5.1 开沟刀轴的校核沟刀轴的校核 本次设计选到刀轴的外径D为50mm 刀轴总成是旋耕机的主要工作部件,由旋耕刀片、旋耕刀座和旋耕刀轴组成。刀片通过螺丝固定在刀座上。刀轴由无缝钢管制成,轴的两端焊有轴头,用与左右支臂销连,刀轴上焊有刀座并加装一个刀盘15,刀座按多头螺线等距离焊合在刀轴上,用以安装刀片。 刀片是旋耕机的最主要工作部件,起切土和抛土作用,工作中刀片的绝对运动是由机组的前进运动与刀轴的回转运动合成。为使机组正常工作,必须使刀片在整个切土的过程中不断产生推土现象,因此绝对运动的轨迹要求为余摆线,在这条余摆线绕圈最大横弦以下任意一点的水平分速度的方向与机组前进方向相反,这样刀片便将土壤抛向后方。 旋耕机负荷最大的部件就是刀轴,刀轴可以用实心或空心材料制造。空心轴可以在小的重量下传递较大的扭矩,较好的抵抗扭矩。管的尺寸应根据最大传递扭矩计算,并以附加扭曲应力验算。 世界各国专家学者在旋耕机功率消耗的理论推导方面已做了不少工作,提出了诸如单元法、能量法、比功法、比阻法等。由于农田土壤的复杂性,至今尚缺乏表达旋耕阻力及能耗与土壤动力特性、耕作机具参数之间明晰的、便于应用的关系式,所以通过以下半经验公式进行计算 21 B耕幅,mm; H耕深,mm; vm机组前进速度,km/h; P0切土比阻,KN/m; vd刀滚外缘线速度,m/s; 未耕土壤密度,mg/m3 切土比阻 P0与土壤质地、耕深等多种因素有关,由实验取得为 32.4KN/m,从农业土壤力学一书中得知未耕土壤密度 为 2.69 mg/m3。 计算: P=50201.11000(32.4+6.62.65/2) =3.2kw (17) 由公式 T=9550P/n=95503.2/256=157Nm (18) 当轴回转时,有三把刀进行工作,两把弯刀和一把直壁刀,由于直壁刀所受的阻力很小,可以忽略不计,则只要考虑两把弯刀同时进行切削土壤的情况,一把弯刀通过焊接在刀盘上的刀座固定,对轴产生扭转变形;另一把弯刀通过焊接在刀盘上的 U型钢与之相连,对刀轴同时产生弯矩和扭转变形15。 由于每把弯刀的参数基本一致,则每把弯刀产生的弯矩为 T/2,即 78.5Nm,又因为 T=FL,从此式可以19求出弯刀给轴带来的载荷 F 的大小,由弯刀的最大回转半径为 270mm 可求出切削阻力: F=78.5/0.27=291N (19) 图 A 分析了刀盘对轴所产生的力效应,力 F2原来的作用点在垂直刀盘所在平面70mm 的平面内,利用力的平移定理将其移到刀盘所在平面内,此力在平移后相当于对轴附加了一个弯矩,其值为 M=F270=29170=20.3Nm (20) 如图 A 中所示,根据力的平移定理将力 F1平移至轴心,将附加一个扭矩,其大小为 T=F1270=291270=78.6Nm (21) 以合力 F 的方向为纵轴为方向建立直角坐标系 xoy 对刀轴进行受力分析,如图 C所示,利用平衡条件对其进行计算,建立平衡方向有 x+1= P1 + P2 = F (22) p M = P2 730 + M = 365F (23) 22 解之得 P2=117.6N P1=173.4N 力 P1、P2将轴心各产生一个弯矩,其大小为 M1=117.6365=43Nm M2=173.4365=63.3Nm (24) 作出其弯矩图,如 D 所示,从弯矩图中得知其最大弯矩为 63.3Nm,从扭矩图中得知最大扭矩为 157.2Nm,根据弯曲强度条件利用下式对轴进行校核因为刀轴为实心轴 W 查机械设计表 15-4 得其计算公式为 max=MmaxW (25) 其中 D 为刀轴的大径 D1 为刀轴小径。 计算得 W=0.15031-(44/50)4=6125mm3 (26) 则 max=633006125= 10.33Mpa = 60Mpa 所以轴的强度能够满足弯曲强度要求。 根据扭转强度条件利用下式对轴进行校核 t=TWt t (27) 计算得 t=157200T6125 t = 35Mpa 所以轴的强度能够满足扭转强度要求,综上所述可知,轴能满足工作时的强度要求,使刀盘能正常的工作。 5.2 滚动轴承的校核 因轴承主故要承受径向载荷无受轴向载荷,初步选取球深沟轴承。其主要性能和特点:主要承受径向载荷20,也可同时承受小的轴向载荷。当量摩擦系数最小。在高转 23 速时,可用来承受纯轴向载荷17。 这里选输出轴上的轴承校核(其它轴承的选择和校核略)。 为了方便安装,两端选用相同型号的轴承。因轴承承担的径向力远远大于轴向力,参照工作要求,初选 6007 型号的轴承。 轴承的使用寿命为:12 小时/天180 天/年10 年=21600小时 1)对左端,已知 F=574,在理想状况下无轴向力,所以 X=1,Y=0。 根据 GB276-89,选 6007 型轴承,查得:C = 10.8 KN,C0 =6.95 KN 。 求当量载荷 P,查表得 fp1.21.8,取 1.8。 P=fp Fr=1033N (28) 验算 6007 轴承的寿命 Lh10660n CP = 63489 21600h (29) 所以 6007 型满足要求。 2)对右端,已知 F1=403,在理想状况下无轴向力,所以 X=1,Y=0。 根据 GB276-89,选 6007 型轴承,查的:C = 10.8 KN,C0 =6.95 KN 。 求当量载荷 P,查表得 fp1.21.8,取 1.8 。 P=fp Fr=547N (30) 验算 6007 轴承的寿命 Lh10660n CP = 42760 21600h (31) 所以 6007 型满足要求。 轴承校核完毕。 6 结论 本次设计是为解决果园开沟施肥工作量大等问题,通过对各种开沟施肥机进行类比,查阅相关资料,确定出一种较化方案,并绘制其主要机构三维模型进行仿真分析与计算说明。实现该果园开沟施肥机的开沟深度可调,施肥量可调,一次完成开沟施肥等工作。应用后置式开沟方式,结构简单,安装方便,开沟抛土性能好,工作效率高,能满足农艺要求,其目的在于小型果园开沟施肥机械化。 从开始的确定课题,书写开题报告,到逐个零件的绘制,让我对自己从事的专业知识有了更近一步的认识和理解。我的毕业设计的课题主要步骤是,收集有开沟施肥机的资料;熟悉图纸和相关加工方法;熟悉图纸是前提条件,只有把图纸熟悉透彻了才能在设计的时候避免一些不必要出现的错误问题。 24 时光如水、生命如歌回想昨日我还是一个悠闲漫步在校园的大一新生,今天我却已是马上要参与毕业答辩的离校毕业生了,回想在广厦求学的日子,我觉得这是我人生中很值得回味的记忆,现在马上要毕业了心中更多的还是不舍,但是说如果这毕业答辩要是过不了,还真能留下来。要说这离校毕业设计对于每个大学生来说却是一门必修课程,在大学这一个求学阶段也只有一次也是最重要和最后的考验。虽然我也想很轻松的度过大学生活,但是我还是想挑战下自己,检验一下自己真正的实力和潜力,很好的去完成这次毕业设计,为美好的大学生活画上圆满的句号。毕业设计跟我们平时上的基础课或者专业课不同,它是一个重要课题,要用到很多综合性的知识,最重要的是让学生体验一下做科学研究的整个过程。也是毕业最重要的一个过程,它最能把理论知识准确运用到实际当中的去,做好了它就是就是一份成功的毕业设计了。 随着答辩日子的到来,我的毕业设计也快接近了尾声了。通过这次毕业设计的编制使我明白了自己原来的
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