【《开沟机的结构设计》9300字】

开沟机的结构设计摘要：开沟机是我国在机械领域中主要机械工种之一，在建设农田的水利工程，铺设民用通讯电缆，石油以及其他管道建设，市政利民建设以及军事工程建设等。这种开沟机他的主要特点是它具有适应面教广,设备前期投资低,可以连续进行操纵性作业,工作效率高成本低等优点。在于施工作业难度较高的地点进行作业时有着重要作用。连续开沟机可以持续作业，一稿工作效率以及回填效率，减少人力资源节物力资源的浪费。这种开沟机他的主要特点是它具有适应面教广,设备前期投资低,可以连续进行操纵性作业,工作效率高成本低等优点。论文主要的工作内容包括分析国内外各种开沟机技术的发展趋势,在其研究目前现状的基础上,对各种开沟机技术的各种数据进行了进一步的理解与分析,在不同的技术应用环境中,工艺的要求以及动力学进行分析的结果,，来总体的研究开沟机的主要机构。关键词：开沟机；挖沟机；开沟机机构目录301401绪论 1306311.1概述 1318271.2国内外开沟机的现状与发展趋势 2167571.2.1国外开沟机的现状与发展趋势 229911.2.2国内开沟机的现状与发展趋势 3146061.3本次设计的目的和意义 3168951.4本次设计的主要内容 352362开沟机总体机构设计 4132932.1开沟机的运动学分析 4135452.2开沟机的动力学分析 6266082.2.1切土阻力 6287642.2.2开沟机所需功率的计算 7321913开沟机构主要部位的设计 10182883.1开沟机机构的设计分析 10232663.1.1挂钩机构的设计 10103423.1.2减速器设计 11235523.2链刀组合的设计计算 1345323.2.1链条设计 14205453.2.2主动链轮和从动链轮设计 15169123.2.3螺旋从动轮的设计 17TOC\o"1-3"\h\u205453.3主轴设计 18205453.4从动轴组合设计 19205453.4.1从动轴设计 20205453.4.2轴承的选择 20205453.5螺旋从动轴组合设计 20205453.5.1螺旋从动轴设计 20205453.5.2螺旋分土器设计 21205453.6刮土器设计 21205453.7机架组合设计 22205453.8连接架的设计 22205454开沟机构的基本结构 23205455开沟机液压马达的选择与校验 2420545总结 2520545参考文献 27第5页共27页1绪论1.1概述我国作为一个人口数量增长大国，国土面积广阔,在我国国土建设中不免会对于机械制造业的需求量产生十分巨大的要求。而开沟机械作为现代化工程机械中的主要生产工种之一，在农业和水利的建设。通讯电缆铺设以及石油管线铺设，市政和地下的施工以及军用电缆的铺设等都具有举足轻重的作用,其前期投资大大减少，效率与利用率高,特别是对于狭小空间的施工中难度相对较高。开沟机适用于土质较硬，施工面积狭小的工作环境，当挖与人工作业不便于施工的情况下，开沟机的作用便能发挥用场，随着经济发展，人工劳作成本越来越高，但是开沟机作业的成本较低于人工劳作成本，而且其成本远低于大型机器作业，所以开沟机能够受到广大施工单位的欢迎。开沟机机构是指在封闭的链条上装走多个向外凸起的切割片，这些封闭的链条可以在构架上进行移动来进行开沟作业。向外凸起的切割片可以对泥土进行挖掘作业，然后将泥土带出，在两侧排出。而此时需要用到的部件便是螺旋分土器，他可以将泥土卸载刀链条的两侧。以液压马达作为动力源，对链轮进行驱动。泥土通过切割片的带动下进行排出。通过多次的工作，是切割片绕沟架尾端进行动作。在沟的两侧的泥土是通过驱动链轮的连续工作后排出的。沟槽便是由挖沟机不断向前工作是所产生的，具体情况如图1-1所示。图1-1开沟机整体结构通过添加提升油缸，使用液压控制。能够使开沟机对侧面以及上下进行作业，使用刮土器来清理土壤.开沟机主要有以下几个方面的优势：提高了工作效率开沟机在进行作业的同时，它能将挖掘与排土集于一体，大大的提高了工作效率，其他机械工种进行单一的机械作业，它的工作效率救远远比不上开沟机，尤其是对环境艰苦，开挖深度较深的情况下有着不俗的作用。可以控制超挖量由于工作时会出现各种情况，所以本来的设计量并不能完全符合设计要求，超出设计的作业量的部分称之为超挖量，当单斗挖掘机进行作业时，作业沟的宽度与回填量难以把握，所以往往会出现宽度大，回填多的情况。但是专用开沟机作业时机可以根据不停的作业需求选取不同的直径装置，作业量减少，且成本降低。工作速度快，效率高以6小时每天的工作时间来看，开沟机的速度远快于其他器械，能够以较短的时间完成作业安排，需要的人工较少，以极高的效率完成既定任务。工作要求不高开沟机可以胜任大部分的工作环境，即使是较硬的地面，不需要爆破就可以进行工作回填效率高单斗挖掘机进行作业时，需要辅助以人工，对排出泥土进行二次作业，二开沟机自带回填装置施工成本大大减少，使收益提高。1.2国内与国外的现状与发展趋势1.2.1国外的现状与发展趋势国外的实体经济发展较快，已欧美等发达国家为例，经过几十年的发展，英美德法等主要发达国家在开沟机的发展中都有着举足轻重的地位，其中德国对大型开沟机作业的研究较为深入，其中链式开沟机的宽度可达0.25-3m，深度可达0.3-10m。开沟机可分为三种工作形式，分别为链式，滚筒式和圆盘式。表1-1开沟机工作形式类型适用范围链式挖宽（m）挖深（m）主要用途0.2-0.250.5-10埋设管道，开垦农田，排水沟，自由面铺设滚筒式宽3-4，直径1-4路基，平基，大坝建设圆盘式0.2-0.40.8-1.5用于窄沟的挖掘1.2.2国内的现状与发展趋势相比较于国外发达国家来说，我国国内的开沟机发展起步较晚。在1975年，我国首次引进了国外的挖沟机，在1975-1982年期间，我国的农垦大学研究院参考了他的工作原理以及机构原理，通过对相关部件的改进，研制出了多种挖沟机，但由于动力配置原因，这些机器并没有得到推广。在80年代中期，引进了国外少量的开沟机用于给排水行业。我国由水利部牵头，对开沟机进行了研发，但由于工业起步晚，没有取得实质性的进展，但起到了开头的作用，随着时代的进步，我国改革开放取得重大成功，终是研发出了成本较低，可用性高的机器。2000年之后，我国的综合国力有了质的提升，在科研领域投入的资金更多，对开沟机的研究也越来越深入，由天津工程机械研究院领头，对TN654型号的拖拉机进行改造，在2年后成功研制出了GC65G型链刀式开沟机，他的主要用途在水利管道的铺设以及电缆铺设等工程。随着时代的日益进步科学技术的飞速发展，市场竞争已经不单单是本国国内的竞争，已经上升到全球竞争的层面。这促进着消费结构不断向多元化，个性化发展，需要设计出适应时代潮流的产品，减少产品的研究周期，使得产品能够符合时代发展的脚步，然而在这同时也需要提高产品的质量，同时也要降低成本，满足利润需求。1.3本次设计的目的和意义开沟机作为我国机械作业的主要工种之一，在建设农田的水利工程，架设高压电缆和通信电缆，地下管道类的作业，建造军事工程以及政府工程等，都有着举足轻重的地位，由于我国国土面积幅员辽阔，在各种施工作业中，不免会需要用到开沟机，对开沟机进行深入的研究探讨对我国开沟机的发展有着少许意义，本次课题所研究的开沟机，对我国国土建设有着重要意义，他的体积小，功能齐全，能够独立完成完成开沟，排土，回填等工作，以单一的机器完成多种作业，降低了成本，提高了工作效率。1.4本次设计的主要内容本设计主要是开沟机开沟机构的总体方案设计，包括其工艺设计、装配图设计、总体布置。然后对开沟机的各组成部分进行运动和结构设计，材料的选择，零件强度与刚度的校核。以及如何选择液压马达，以及液压马达的主要参数参数。2开沟机总体机构设计根据链式开沟机原理，采用链节距的三列链，总宽为300mm，机器前进运动速度，把宽为，高为的圆弧状刀片，将两个相同形状的刀片编为一组，安装在机构上，在机器的链条上呈对称形状进行安装。2.1开沟机的运动学分析求解开沟机的生效效率公式为：上述公式中字母B代表的是开沟机作业时沟体的宽度，H则代表的是沟体的深度，代表的是开沟机工作时的前进速度。对链刀线速度的具体数值的求解公式为：上述公式中代表的是开沟机工作时的前进速度，且其具体数值取。字母是代表链条在传动过程中，其线速度的具体数值。字母代表的是链条与地面所产生的夹角，其具体数值取=45°。当前市面上所有的开沟机的链速度都在是之间，所以本文设计时将链速的值暂定为8.5m/s。可得当远大于时，可以认为≈，≈。图2-1开沟机切削厚度示意图因为所选择的挖沟机构为一组两个刀片在两个外链节上都有分布，因此每组中相同相位之间的距离应为。当每次刀片进行切割时，沿着链节宽度方向切割的泥土宽度就称为切削宽度。开挖一条300mm宽的沟，将两个叶片设计成一组，这样布置的华就不会产生重复和遗漏，则刀片切削宽度可计算为对于初始所选择的叶片宽度与链距应该对他的卸载和传输能力进行查验。当开沟机正常作业时他的切宽b应满足下面公式的条件：上述公式中字母Q代表的意思为根据链刀的排土能力进行计算的生产效率（）。字母代表的意思为泥土的松散系数。通过查阅土壤系数表可以得出其具体的是指为表中的前四类数值，可以对的值确定在1.03—1.32之间。字母代表的是与链条的运动速度相关的松散系数，可见表2-1表2-1土壤散开系数0.21.11.52.10.970.910.840.73当开沟机进行正常作业时，叶片在进入泥土时会受到泥土和主动链轮的阻力影响，叶片会不可避免的产生磨损。因此，当叶片进入土壤时，必须对其行进速度进行限制，通过粗略计算，将速度设定为3.4m/s。通过对开沟机工作时的水平倾角与泥土的休止角的比较，通过公式进行计算，可得出：在的条件下时：在的条件下时：在时的条件下时：在上述公式中，字母h代表的是链刀工作时的高度，字母代表的是松散泥土的然休止角。其具体的参数如下表2-2所示。表2-2土壤自然休止角泥土类别干燥环境下的度数温和环境下的度数潮湿环境下的度数沙士鹅卵石大块砂砾中型砂砾细小砂砾重粘土壤土，轻粘土轻壤土腐殖质土工程用土413631292444514141344144313631364231364636242624211432252628在开沟机正常作业的情况下，通过对开沟机与泥土之间的夹角的观察，认为泥土的休止角为30°到40°之间时作业更加合适，所以取中间35°进行测试。当链高为150mm，，因为，所以由上述公式可知=所以可得为了使土壤经过切削沟能够被链刀正常的带出作业的沟中，链刀宽度b不能小于3mm。2.2开沟机的动力学分析图2-2切割齿受力分解图开沟作业时，刀片与土壤接触时会产生切割阻力，土壤进入刀体带动土壤产生的阻力。后两组阻力即为土壤承载阻力，土壤承载阻力和切割阻力称为总阻力。2.2.1切土阻力开沟机的切削总阻力为：SKIPIF1<0其中字母SKIPIF1<0的意思为对泥土的冲击次数，以SKIPIF1<0=14为准。字母SKIPIF1<0代表链刀的切削厚度；字母SKIPIF1<0代表的是链刀的刀片宽度；字母SKIPIF1<0代表的是刀片的切削角对于刀片的切削角等于后角SKIPIF1<0；字母SKIPIF1<0为刀片尖角计算公式的系数，其具体数值为SKIPIF1<0=0.78。将上述公式中的参数进行相应的调整后所得到的单个刀片的切削阻力为：SKIPIF1<0SKIPIF1<0SKIPIF1<0开沟机的链刀总切削阻力：SKIPIF1<0在上面的公式中：z—运行时链条上的叶片数。共有5组10片左右的刀片同时对泥土进行切割作业。由于叶片在正常工作时会受到各种反作用力的影响产生阻力，所以在设计时应该考虑到这些问题，添加动载荷系数来避免这些问题，在正常工作下时动载系数SKIPIF1<0的值一般取1.2～1.4，则SKIPIF1<02.2.2开沟机所需功率的计算.正常作业下链条所需要的功率要求：其中字母代表链刀在进行切削泥土作业时所需要的功率；字母代表机器将泥土运送出来所需要的功率；泥土代表机器将泥土输送到指定地点所需要的的功率；字母代表链条所需要的传动效率，正常情况下取=0.8；字母代表机器所需要的动力到开沟装置时的传动效率，正常情况下取=0.8。链刀切削泥土时所需要的功率：在上面的公式中字母代表链刀作业时受到的切削总阻力；字母代表链条上同时对泥土进行作业的刀片数量；字母代表链条运动时他的线速度所以将泥土运送出沟内所需的功率公式中字母Q表示每小时排出泥土的数量；字母H表示H排出泥土的高度，一般情况下H的取值为750mm；字母代表输送效率，一般情况下取=0.85。公式中字母表示理论情况下的生产率，取；字母代表的是泥土的松散系数，取=1.1；字母代表松散单位容积内泥土的质量，取=则综上可得：将泥土运送到沟边的功率为：公式中字母表示的是输送效率，其数值取=0.85；字母L表示排出泥土的宽度，其具体数值为L=500mm。则链条在进行作业时所需要的功率为：2.前进作业时与机械传动所需要的功率前进作业时所需要的功率：公式中字母F代表的是开沟机工作时受到的所有阻力；字母代表的是链刀的线速度，其具体数值为=8.5m/s上述公式中字母代表的是机器在前进作业受到时的阻力；字母代表的是链刀工作时泥土对他的所施加的反作用力；字母代表的是泥土排除是对链刀施加的反作用力。机器前进作业时受到的阻力：公式中字母G代表的是机器本身的重量，取G=4000kg；字母机器前进时受到的滚动阻力的系数，具体数值取=0.07则——《一种新型链式开沟机设计参数和功率的确定》在上述公式中字母代表的是单个刀片在工作时所受到的阻力，其具体数值取=31N；字母=（0.19-0.21）；字母代表的是当刀口经过多次作业之后变的迟钝后，单个单片对正常作业时泥土宽度的影响系数，其数值可见下表。表2-3b和的近似值b(m)0.040.110.140.210.260.310.411.241.191.020.990.950.900.89则=325（sin45°+1.240.22cos45°）=166.03N其中字母Q代表的是理论情况下的生产率，取=；字母q代表的是松散状态下泥土单位体积质量，取则由上述可得：N机器传动效率的值为：3.分土器工作所需功率：公式中字母代表的是分土器的土壤阻力系数，其具体数值为值为=4-5；字母代表的是将土壤移动到开沟边的最大距离，一般取0.45-0.5=4.机械工作时所需要的总功率3开沟机构主要部位的设计3.1开沟机机构的设计分析开沟机构是开沟机进行工作时的主要作业部件，主要由主轴组合，刀具组合，机架组合，从动轴组合，去土机构以及连接各个部分的连接架进行构成。如图3-1所示图3-1开沟机总体结构示意图1.主动轴组合2.刀具构成3.机架组合4.从动轴组合5.排土机构6.机架组合3.1.1挂钩机构的设计牵引式和悬挂式连接式农具连接方式中最为普遍的两个连接方式，他们两种连接方式各有自己的优势与缺点。其中牵引式连接是指将工具连接在拖拉机后方的牵引杆上的挂钩上，由地轮对他本身的重量进行支撑，在其工作进行过程中，农具的升降以及耕种的深度是由手动的进行操作机构来实现的。这使得操作变的复杂，而且机组的机动性相对而言会较差一些。所以，目前牵引式连接只应用于一下较少的农耕用具以及运输行业当中。将拖拉机和农具组合和成为一个整体，这便是悬挂连接，农具在拖拉机上进行了直接的悬挂，减少了其他的部件，工作人员便可以通过直接控制农具来控制自己的操作，使农具的结构更加简单，减轻了他的重量，减少了人员的操作，能够使工作效率进行提高。如果悬挂连接采用液压系统作为动力的话，可以实现对耕种深度的自由调节。如图3-2所示。图3-2液压悬挂机构示意图本文中开沟机的开沟机构是通过挂接式连接机构使其在耕机后面进行组装，通过耕机所带有液压系统来进行液压控制，从而达到能够实现装置的升降，使动力经链传动以后输入到开沟装置中的主轴和主动链轮，其结构图如图3-3所示。图3-3挂接机构结构示意图支架和支撑杆共同构成悬挂机构。支架包括固定主轴的螺栓孔、安装液压缸的装置和连接横梁的孔。安装时，将耕机尾端安装连接在尾座上，然后将支撑杆下部的销与舵杆底盘下的耳环连接。这种设计可以充分利用耕机的尾部支架。3.1.2减速器设计图3-4加减速箱后的传动路线图如图3-4所示，开沟装置的主动轮所必须的动力是由耕机后动力输出轴转矩通过链传动进行传递的。因为耕机的行进速度过高不能得到控制，这边需要减速器进行限制其行进速度，对其进行档位调节。减速器不仅可以限制行进速度，而且可以转变原有耕机的动力输出轴的方向。3.2链刀组合的设计计算主动链轮，机架组合以及从动链轮是镰刀组合所围绕的地方，因为耕机的工作环境问题，整个机器的尺寸不能大于机器作业时的最大尺寸，所以可以对两个链轮之间的距离进行限制，使其最大距离不能超过1米。通过对资料的查阅可以得出开沟机的链条转速速为1到15米每秒。结合开沟机构的输出速度以及作业时的土壤硬度，选定开沟链线速度为2米每秒，开沟机的主轴转速度为409转每分钟。开沟的沟宽为300mm，且刀片的切削连读应在30mm以上，而且链宽应该略小于刀具的刀宽，所以链条形式确定为单排链。其主要尺寸见表3-1表3-1开沟链的主要尺寸为方便对刀片进行安装，在链条上等距的位置上带有若干个双孔直附板的外链板，他的基本形状为腰圆形，并且能够向外延伸使其成为一个矩形的连接板。如图3-5所示，在竖直附板外添加一个垫块使其能够在扩大在宽度方向的切削范围，能够对开沟的宽度进行调整，以垫块为中心的矩形块以及外链板圆弧形刀片，使他们能够通过螺栓连接在一起，可以均匀的分布在封闭的链条上。图3-5刀具组合示意图1.刀片2.垫块3.链条4.机架组合5.从动链轮开沟机构的刀片有多种不同的款式：子弹头式，竖直刮刀式，凿形刀片式，杯形刀片式等。不同的刀片适用于不用的工作环境。子弹头式主要用在在岩石以及土壤硬度较高的作业环境中，竖直刮刀主要用在土壤厚实度较高的环境以及冻土中，圆弧形刀片主要用于普通环境中的土壤，这种类型的刀片也可以用在需要对土壤进行回填的作业环境。3.2.1链条设计由于设计内容将链条节距确定为，所以确定选择链条的形式为：48B（p=76.1），其具体的重量为68.80kg/m。根据机械手册资料所得48B链条的主要参数如下图3-6所示。图3-648B链条参数对48B链条进行优化，为了使该链条能够更加符合本文的设计。将外链板以及三链的总宽度设为350mm，外链板的厚度选择20mm，排距，如下图所示。（1）（2）图3-7链条具体结构示意图（1）侧视图（2）俯视图3.2.2主动链轮和从动链轮设计选用三切齿的链轮进行设计，其有效齿数为，=1.92，由分度圆的直径大小来判断，选择覆板式结构进行设计，链条和链轮具体参数如下。暂定链条长度为：理想中心距离为：===查阅资料可以得出，=0.24966则=76.1实际中心距为：∴求主动链轮中分度圆直径计算公式公式为：：求从动链轮中分度圆直径计算公式为：求主动链轮的齿顶圆直径就计算公式为：求从动链的轮齿顶圆直径的计算公式为：求主动链轮的齿根圆直径计算公式为：求从动链轮齿根圆直径的计算公式为：求主动链轮的轮毂厚度h计算公式为：上述公式中k代表的是常数，其具体数值见下表表3-2常数k取值范围d<4545-9090-140>140k3.14.96.89.9取180mm。取420mm。主动链轮内径从动链轮内径3.2.3螺旋从动轮的设计将螺旋从动轮的齿数设计为9。求其分度圆直径的计算公式公式为：求其齿顶圆直径的计算公式为：求其从动轮齿根圆直径的计算公式为：取120mm。可以确定从动轮内径的值为根据机械设计手册（单行本）——机械传动第12篇115页表12-2-18，如表3-4所示。表3-3链轮材料及热处理材料热处理齿面硬度应用范围15、20渗碳、淬火、回火50-60HRC25含有冲击载荷的链轮35正火160-200HBS正常工作条件下z>25的链轮45、50ZG310-570淬火、回火40-50HRC40没有激烈冲击振动且能够在易磨损条件下工作的链轮15Cr、20Cr渗碳、淬火、回火55-60HRCz<25有动载荷及传递功率较大的链轮40Cr、35SiMn35CrMo淬火、回火40-50HRC重要的、要求强度较高、齿轮耐磨的链轮Q235、A5焊接后退火140HRC中等速度、传递中等功率的链轮不低于HT150淬火、回火260-280HBS精度要求不高的z>50的从动链轮，经必要的热处理，可用于v<3m/s的情况下夹布胶木P<6kW、速度较高、传动要求平稳和无噪声的链轮链轮的材料使用15Cr，热处理渗碳、淬火、回火，齿面硬度为HRC55—60。3.3主轴设计链齿直径为，根据机械手册进行查阅，可得出主轴材料选择45#钢，其参数如下表3-4所示表3-4主轴参数钢材型号热处理方式毛坯直径mm硬度HB抗拉强度屈服点45正火>150-350165-215590280主轴示意图如图3-7所示。图3-7主轴示意图3.4从动轴组合设计3.4.1从动轴设计从动轴的设计考虑到其实在作业时需要在地下进行工作，所以从动轴的总宽度不得超过400mm，所以其设计图如下所示图3-8从动轴结构示意图3.4.2轴承的选择查阅资料可知，在主轴组合中对轴承所选择具体类型为是角接触球轴承（GB/TT294-1994），轴承型号选用的则是71824C，具体参数如下表所示。表3-7所选轴承参数轴承型号基本尺寸/mm额定载荷/极限转速/其他尺寸71824Cd120D150B1628.932.9脂3400油4300129.3140.7r13.5螺旋从动轴组合设计3.5.1螺旋从动轴设计通过计算可以确定该轴的长度应为，综合资料所得，主轴材料所选用的钢材为45#钢，其示意图如下图所示。3-8螺旋从动轴示意图3.5.2螺旋分土器设计螺旋分土器的具体制作方式为冷轧钢板，将6个螺旋形状的钢板与一个钢管将其进行焊接组装而成，其示意图如下图所示。图3-9螺旋分土器结构示意图3.6刮土器设计刮土器是一个通过固定焊接的形式组装在开沟机上的一个升降装置，他的固方式是通过固定钢架（1）进行固定，能过有效的避免抖动，他的具体高度为高度为500mm，它是由支架杆（2）与连接杆（3）与刮土板（4）记进行连接组成的，其主要的结构示意图如下图所示。图3-10刮土器示意图3.7机架组合设计机架组合位于主动链轮之后，主要是由主轴机架板1,，机架主板2，从动链轮支撑板3.连接板4和定位侧板5组成，主轴机架板1是通过螺栓和机架主板2进行连接的，其主要示意图如下图3-11所示。图3-11机架组合示意图以支撑臂为简单杠杆，其受力形式为轴向拉压与剪切。根据这种受力形式，对于其横截面积的形式，从转动惯量的相对值可以看出，圆形截面的抗扭强度是高于工字形截面的，但抗弯强度相对较差，虽然工字形截面的抗弯强度较高，但抗扭强度低于圆形截面。考虑到密封性能，选用半圆连接。3.8连接架的设计连接架是连接开沟机机构和开沟机底盘的连接件，起到固定以及连接的作用。基于此点，所设计的连接架如图3-12所示。图3-12连接架结构示意图4开沟机构的基本结构本次设计的开沟机为链式开沟机，链式开沟机的基