毕业设计（论文）-锤爪式秸秆粉碎还田机的设计

摘要作物秸秆是农作物生产系统中—项重要的生物资源，作物秸秆资源的利用既涉及到整个农业系统中的土壤肥力、水土保持，也涉及到环境安全以及再生资源的有效利用等可持续发展问题。秸秆机械还田是解决秸秆处理问题的有效途径之一。另外保护性耕作是国际农业技术发展的重要趋势，秸秆还田技术是机械化保护性耕作中一项关键技术。使用机械化秸秆还田技术可以有效地解决农忙期间争农时、争劳力的矛盾，有力推动农业全程机械化进程，避免由于焚烧秸秆产生的环境污染。在对秸秆粉碎及灭茬基本理论分析的基础上，提出锤爪式秸秆还田机总体结构设计方案。本机具主要由悬挂装置、变速箱、皮带传动、秸秆粉碎机构等组成。还田机上的锤爪能够粉碎粗壮的玉米秸秆，极大的提高还田机粉碎质量。关键词：农业机械；秸秆;粉碎;锤爪。ABSTRACTThecropstrawisanimportantbiologicresourceinagriculturalproductionsystem．Theapplicationofthecropstrawresourceisinvolvedwithnotonlythesoilfertility，waterandsoilconservationinthewholeagriculturalsystem，butalsosustainingdevelopmentproblemssuchastheenvironmentalsafetyandtheeffectiveutilizationoftheregenerativeresources．Thestrawreturninmechanicalmethodisoneoftheeffectivewaystosolvethestrawprocessing．Besidestheprotectioncultivationisthemostimportantinternationalagriculturaltechnologydevelopmenttendency．Thesmashedstrawtechnologyisoneessentialtechnologyofthemechanizedprotectioncultivation．Usingsmashedstrawmachinescalleffectivelysolvetheproblemsthatstrivingfortimeandlabourduringthebusyingfarmingtime，andCanmaketheagriculturalentiremechanizationcometotruth．Italsocallavoidenvironmentpollutioncausedbystrawsettingonfire．Onthebasicofstudyingtheelementarytheoryofsmashingstraw，theintegralstructuredesignplanofHammerclawstypesmashedstrawmachinewasintroduced．Themachineismainlycomposedofhangingsystem，gearbox,belttransmissionsystem，stalk-soilreturningrollerandsoon.Hammerclawsinthemachinecancrushesthestrawupwithitshugemaseandinertia,andgreatlyimprovethecrushingquality.Keywords:Farmmachinery;Straw;Smash;Hammerclaw.目录摘要 1ABSTRACT 21引言 51.1秸秆还田机械及其国内外研究现状 51.2课题的意义 91.3课题研究的内容 101.4研究技术路线 102总体方案设计 112.1技术要求 112.2总体结构与工作原理 112.3配套动力计算 122.3.1玉米秸秆粉碎功耗估算： 122.3.2拖拉机的选择 132.4主要技术参数 133传动系统设计 153.1齿轮转动设计 153.2带传动设计 223.3轴的设计和校核： 253.4轴承的选择 303.5联轴器的选择 323.6键的选择和计算 334秸秆粉碎机构设计 344.1粉碎机构工作原理 344.3刀具的选择和设计 344.4刀辊的设计 344.4.1刀具的排列密度 344.4.2刀具的排列方式： 345机身及附属装置设计 345.1机身的设计 345.1.1喂入口高度与留茬高度的选择 345.1.2工作腔间隙计算 345.2悬挂架的设计 345.3滚压轮设计： 34结论 34参考文献 34致谢 341引言1.1秸秆还田机械及其国内外研究现状秸秆是粮食生产中的主要副产品之一，同时也是工、农业生产的重要资源，是极为丰富并能直接利用的可再生资源。作为～种资源，作物秸秆可用作肥料、饲料、燃料及造纸、制炭、建材等的原料。目前，我国的秸秆开发利用主要是从三个方面来进行的：一是秸秆还田，包括整株还田和粉碎还田两种：二是作为家畜饲料，包括直接饲喂、粉碎饲喂及氨化、青贮、微贮等处理后饲喂；三是作为相关工业原料利用，如用于造纸、制炭、编织等。据统计，我国目前秸秆年产量约为6．2亿吨，利用率仅为33％，约2亿吨，而在这被利用的部分中，大部分未经处理，经过技术处理后利用的约为1600万吨，仅占被利用部分的2．6％。一方面，土壤有机质含量在逐年减少；另一方面，大量的农作物秸秆被弃之不用，放火焚烧，既造成浪费又污染环境。把多余的秸秆还到农田中去，是解决这个问题的有效途径。提高农作物秸秆的综合利用，是发展高产、优质、高效农业和帮助农民致富的迫切需要和重要途径。农作物秸秆资源的利用涉及到整个农业生态系统中的土壤肥力、环境安全以及农村能源的有效利用问题，引起世界各国的普遍关注，成为发展可持续经济的重要方面。因此，开发利用秸秆，已经成为一个刻不容缓的问题，已经成为农业生产资源开发的新焦点。秸秆资源数量巨大，开发价值大，开发利用前景十分可观。持续农业已成为世界各国农业发展的共同趋势。面持续农业就是：“管理保护自然资源基础，并调整技术和机构改革方向，以便确保获得和持续满足目前几代人和今后世世代代人的需求，这种(农业、林业和渔业部门的)持续发展能保护土地、水资源、植物和动物遗传资源，并且不会造成环境退化，同时技术上适当，经济上可行，能够被社会接受。”作物秸秆问题也涉及到土壤肥力、水土保持、环境保护、再生资源有效利用等可持续发展问题。土地作为农业生产的最基本生产资源，其可持续利用是永恒的主题。我国大部分农田由于长时间以来耕作方式单一，使土壤底部形成了坚硬的犁底层，加之多年不施用农家肥，以及大量使用化肥和农药，造成了土壤的污染，致使我国土地的有机质逐年下降，农作物减产或产量不稳，不利于可持续农业和生态农业的发展。农田生态环境恶化将带来不堪设想的灾难，因此加强秸秆还田的工作必须予以足够的重视。目前秸秆还田可分为秸秆粉碎翻压还田、秸秆覆盖还田、堆沤还田、焚烧还田、过腹还田等5大类形式(陈传琳，2004)。秸秆粉碎翻压还田是在作物收获后，将作物秸秆在下茬作物播种或移栽前翻入土中。秸秆覆盖还田是将作物秸秆或者残茬直接铺盖于土壤表面。堆沤还田是将作物秸秆制成堆肥、沤肥等，作物秸秆发酵后施入土壤。焚烧还田是将秸秆直接焚烧，灰烬还田。过腹还田是用秸秆饲喂牛、马、猪、羊等牲畜后，以畜粪尿旌入土壤。堆沤还田和过腹还田为传统习惯方式，效果不错，但因受时间，劳力、牲畜养殖规模等条件限制，能被利用的秸秆数量有限，大部分的秸秆还是被白白浪费掉了，只有依靠机械化技术才能实现大量秸秆就地及时直接还田。秸秆粉碎翻压还田和秸秆覆盖还田是秸秆直接还田的两种方式，采取直接还田的方式比较简单，方便、快捷、省工，还田数量较多，因此一般采用直接还田的方式。机械化秸秆还田方式主要包括机械化秸秆直接粉碎还田、机械化整秆还田、机械化整秆覆盖和机械化根茬粉碎还田等。机械化秸秆直接粉碎还田方式是利用秸秆直接粉碎还田机，将摘穗后仍直立于田间的秸秆，用秸秆粉碎还田机粉碎并抛撒在田间，随后用犁将秸秆翻埋入土还田，它适用于各种土壤条件，秸秆腐解时间短，对农作物生长见效快。机械化整秆还田方式是将摘穗后直立于田间的秸秆，直接用高柱犁或重型犁沿前进方向推倒，同时深耕翻埋，将秸秆在深耕时翻埋入土还田，实现秸秆整秆还田。目前这一技术已在很多地方推广应用。机械化整秆覆盖方式是利用整秆覆盖机，将摘穗后直立于田间的秸秆，按照一定的规律编压覆盖在作物的行间，起到秸秆还田与蓄水保墒共举的目的，这种方法特别适用于降雨量很少的旱地。并且这种方法和机械化整秆还田方式都具有减少一次粉碎程序、保持秸秆水份、降低生产费用等优点。机械化根茬粉碎还田方式是将作物割去茎秆后剩余的根茬用机具就地粉碎混合于耕作层土壤中的一项机械化秸秆还田技术。这种方法比较适用于玉米根茬的粉碎还田机械。秸秆还田机械有多种形式，不同的秸秆应配套使用不同的机械。秸秆还田机械主要有秸秆还田旋耕机，甩刀式碎土灭茬机，装有覆茬器的铧式犁、深翻犁以及秸秆粉碎抛撤机等多种类型。秸秆粉碎还田机与一般的旋耕机结构基本相同，其采用反转旋转，即刀轴的旋转方向与作业机行走轮旋转方向相反，工作时旋耕刀从土壤底部开始向土壤表面逆向切土，机组负荷较均匀，无漏耕现象。作业后地表平整，碎土率高，一次可完成灭茬、秸秆还田、埋青、旋耕碎土、掩埋以及覆盖等作业，作业质量满足要求。甩刀式碎土灭茬机整机结构与一般水平横轴式旋耕机相似，只是工作部件是甩刀而不是刀齿，甩刀用活动铰链与转轴联结，甩刀式碎土灭茬机甩刀逆滚动方向回转，将茎杆切断后拾起后抛，并利用高速旋转时的惯性力来打碎根茬、硬土块或草皮层。装有覆茬器的深耕犁、高架深耕犁，在主犁体上方安装覆茬器，使土垡尚未翻转时，先将土垡表面长有残茬并容易外露的一角切去并使其落入犁沟底部，然后犁体翻转土垡将其掩埋。覆茬器是协助犁体在翻垡时，将地表面的残茬、杂草埋入士中不外露，使秸秆杂草腐烂还田。高架深耕犁可将秸秆整株深埋还田。其工作原理是悬挂了高架犁的机组在摘果后仍保持秸秆直立状态的田间行进时，主机先将秸秆推压倒，在秸秆还未反弹起时犁己将秸秆的根部深耕覆盖在土壤里，同时也带动整株秸秆在犁体翻动土壤过程中都被覆盖在土壤中，从而实现秸秆的整株还田。秸秆粉碎抛撒机是在联合收割机上安装茎杆切碎装置，实现了秸秆粉碎、抛散作业。秸秆粉碎抛撒机的切碎装置由一组切刀和喂入轮组成，或由旋转滚筒加定刀片组成。工作时，茎杆被强制喂入，靠喂入轮和刀片的转速不同来切碎茎杆：按其特性可分为“甩刀式”和“定直径滚刀式”。为了防止茎杆阻塞，可在茎杆切碎装置处，加装茎杆堵塞报警装置，一旦发生堵塞，可随时发现，及时排除故障，避免零件损坏。秸秆粉碎机的抛撒装置由排草风扇、扇形导流板及动力传递机构等组成，使秸秆粉碎并均匀抛撒。茎杆粉碎机一般把茎秆切断成长度小于10cm的小段，其切碎和抛撒性能均达到要求，有利于灭茬器的旋耕作业和秧苗的栽培，并可根据需要，装上或卸下切碎装置。对于割莉脱粒的联合收割机，秸秆可以用高架犁直接整株还田，也可以先脱后割，再将秸秆粉碎还田。机械化秸秆还田技术既可以减少化肥施用量，培肥地力，又能增产稳产。但目前秸秆的处理设备及应用技术的程度还远远不够，一方面对秸秆还田的理论研究还不足，设计比较盲目，对其结构参数、运动参数和动力参数的配置与选择没有理论和实验依据。另一方面，秸秆处理设备还有待于进一步开发，小麦秸秆还田机械产品较少，复式作业机具相对也较少。这项技术是农机推广部门为解决剩余秸秆的利用问题而大力推广的项目。但是在实际操作中，许多农民对机械化还田方式接受程度较低，其原因是农民对秸秆还田可以增肥地力、改善土壤结构、增强农业后劲、改善农业生态环境认识不足，仅限于秸秆还田能否产生明显、直接经济效益；另外，采用现有的秸秆还田技术粉碎效果往往不太理想，部分秸秆还田机械的粉碎效果不如人意：有的地面上留茬；有的抛出的秸秆太长，且无法被翻入土中；还有的虽能将抛出的秸秆翻入土中，但由于未能打碎，致使播种机排种器插入土中深度不够，或阻碍其前进。秸秆还田作业必须与深耕、深翻及农业措施配套，相应的机械化秸秆还田机具的投资也就比较大。农民怕麻烦也不愿再投入生产资金，因而对推广秸秆还田机械化作业技术造成一定困难。因此，整套设备投资大，这将影响机械化秸秆还田的广泛推广。发达国家在还田机具的研制和生产上起步较早，美国万国公司于20世纪60年代初首次在联合收割机上采取切碎机对秸秆进行粉碎还田，其后研制了与90kw拖拉机配套的60型秸秆切碎机。英国在20世纪80年代初在收获机上对秸秆进行粉碎，并采用犁式耙进行深埋。日本采用的是在半喂入式联合收割机后面安装切草装置，一次能完成收获和秸秆粉碎。在一些发达国家(如德国等)具有严格的法律禁止秸秆焚烧。美国、加拿大等国家的小麦、玉米秸秆大部分用于还田。许多国家(如加拿大等)普遍采用秸秆机械粉碎还田。在南亚、东南亚等一些不发达国家作物秸秆则是动物饲料的主要来源。在美国，秸秆还田十分普遍。不仅小麦、玉米等秸秆大量还田，而且像大豆、番茄等作物秸秆也尽量还田。据美国农业部统计，每年生产作物秸秆4．5亿吨，占整个美国有机残物生产量的70．4％，秸秆还田量占秸秆生产量的68％。这是一项了不起的成就，对于保持美国的土壤与土壤肥力起着十分重要的作用。而英国秸秆直接还田量则占其秸秆生产总量的73％。日本微生物学家岛本觉也先生研究发明的酵素菌技术在日本广泛应用于种植业、养殖业、环境保护等领域，还可直接用于秸秆粉料制作，达到秸秆还田目的，具有良好的经济效益，社会效益和生态效益，目前已在世界上二十几个国家得到迅速推广应用。目前，国外一些国家秸秆还田的研究与利用已处于领先水平。但是，世界上许多国家，甚至一些发达国家，仍然存在着秸秆田间直接焚烧的现象。1.2课题的意义秸秆中含有的氮、磷、钾、镁、钙、硫等元素是农作物生长必需的主要营养元素，是我国重要的有机肥源之一。实践证明：秸秆还田后，土壤中氮、磷、钾养分都有所增加，尤其是速效钾的增加最明显。秸秆中有机质的含量平均为15％左右。据测定，湿玉米秸秆含氮量为0．61％，含磷量为0．27％，含钾量为2．28％，如果每亩地还田秸秆1000kg，则可增加有机质150kg。每亩地一年若还田鲜玉米秸秆1250kg，则相当于4000kg土杂肥的有机质含量，含氮、磷、钾相当于18．75kg碳氨、lO埏过磷酸钙和7．65耗硫酸钾，同时还能补充其它多种营养元素(董佑福等，2003)。秸秆还田还能改善土壤的团粒结构和理化性状(夏萍等，2001)。作物秸秆富含纤维素、木质素等富碳物质，它是形成土壤有机质的主要来源，因而秸秆还田有利于更新和增加土壤有机质。秸秆在耕翻入土之后，在分解过程中进行矿质化，释放养分，同时进行腐殖质化，使一些有机质化合物缩合脱水，形成更复杂的腐殖质，从而改善了土壤的结构及保水、吸水、粘结、透气、保温等性状，提高了土壤本身调节水、肥、温、气的能力。土壤有机质含量增加，养分结构趋于合理，可使其容重降低，土质疏松，通透性提高，犁耕比阻减小。秸秆覆盖和翻压对土壤有良好的保墒作用并可抑制杂草生长，特别是干旱贫瘠地区，对节约水利资源和培肥地力都很重要，而秸秆覆盖还田所具有的蓄水保墒，保持水土的作用，可以达到节水培肥的目的。总而言之，秸秆还田能有效增加土壤有机质含量，改良土壤结构，培肥地力，对于改良土壤有着积极的作用，特别对缓解我国氮磷钾比例失调的矛盾，弥补磷、钾化肥不足，促进农业可持续发展有十分重要的意义。秸秆还田劳动强度大、时间短，为了保证还田质量，减轻劳动强度、提高工作效率，应采用机械进行秸秆还田作业。秸秆还田作业用机具是保证秸秆还田作业的质量、减轻劳动强度、提高工作效率必不可少的工具，也是大面积推广秸秆还田必需的条件。1.3课题研究的内容针对解决目前我国机械化秸秆还田机具存在的问题，结合农机、农艺及农民的实际需求，本课题的任务的是研制一种具有较高粉碎质量的秸秆粉碎还田机。根据课题的进展状况，拟完成以下的研究内容：(1)对锤爪式秸秆还母机研制所需要的基础理论分析，为样机的设计奠定科学依据。(2)提出多锤爪式秸秆还田机总体结构设计方案；根据实际作业要求初步选择与其相配套的动力并以此为依据确定各项设计参数及具体结构。(3)传动系统设计的设计。(4)三维实体建模，绘制工作图。1.4研究技术路线2总体方案设计2.1技术要求在秸秆还田机的设计过程中综合考虑我国农机、农艺的实际情况，确定以下设计原则：（1）玉米、高粱等作物秸秆粉碎合格长度不大于100mm，小麦、水稻等作物秸秆粉碎合格长度不大于150mm.（2）以额定生产率作业时，与拖拉机配套的秸秆粉碎还田机主要性能指标应符合GB/T6678—2001表1的规定。表2-1秸秆粉碎还田机性能指标(3)整个工作过程中，承担主要粉碎任务的锤爪不能接触地面。(4)在保证作业效果、结构强度允许的前提下，尽量合理设计以减轻机具的重量。节省材料、方便运输，还要注意零件的互换性、可装配性等要求。2.2总体结构与工作原理秸秆粉碎还田刀辊是反向旋转(在机器前进方向的右侧看是逆时针方向旋转)，设计转速为1800r／min；选择的拖拉机后置动力输出转速仅为1000r／rain。两者相差较大，这给传动系统设计带来了很大困难。经过多种方案对比，变速箱采用一对锥齿轮啮合实现动力转向90，考虑到皮带传动的效率以及对机具尺寸的影响，皮带传动选择传动比，所以变速箱分配全部的传动比。这样传动方案最大限度地简化了传动路线，降低了功耗，提高了传动的可靠性和平稳性。该锤爪式秸秆粉碎还田机结构示意图如图2-1，采用卧式结构，刀轴呈横向水平配置，安装在刀轴上的甩刀在纵向垂直面内旋转。该机主要由悬挂装置(1)、变速箱(2)、皮带传动系统(3)、秸秆粉碎滚筒(4)、锤爪(5)、滚压轮(6)、壳体(7)、等组成。图2-1锤爪式秸秆粉碎还田机结构示意图2.3配套动力计算2.3.1玉米秸秆粉碎功耗估算：据相关资料可知，在进行玉米秸秆还田时，车速为3.5～6.3km/h，每垄消耗功率为8～l1kW进行根茬还田，大约是华北地区的1.2～1.7倍（栾玉振，田宏炜，吉林农业大学学报）。鉴于华北玉米植株密度小，秸秆没有东北地区的粗壮，消耗功率相应较小，本机具为三垄作业，估算秸秆粉碎功率P=3*9kw=27kw。2.3.2拖拉机的选择配套拖拉机的选择即是发动机的选择，必须依靠工作机的要求来进行。发动机应有适当的备用容量，如选发动机的功率过大，必然会因容量未能充分利用而增加成本，造成浪费；相反，容量过小，则不能保证机具的正常工作，或使发动机长期过载、发热量大而过早损坏。考虑到功率储备，并且传递过程中有功率损失，所以选择的发动机功率必须大于机具的使用功率。根据本机具作业消耗的功率估算需要的拖拉机后输出轴的功率为其中：—万向联轴器的效率，取0.98—锥齿轮传动效率，取0.97—皮带传动效率，取0.93再加上拖拉机和机具行走消耗的功率，需要与本机具相配套的拖拉机的功率在36kw左右，据相关资料，统计国内外几种秸秆还田机的配套拖拉机动力和单位幅宽，机重情况作了对比，单位幅宽功率在0.18~0.28kw/cm,单位幅宽重量为3.25~4.0kg/cm。本机具工作幅宽L=1600mm,按此方法估算，需要的拖拉机功率在=0.2kw/cm*160cm=32kw,与上面的估算相吻合，故要求与本机具配套的拖拉机功率要在36kw~44kw以上，即50~60马力。2.4主要技术参数秸秆粉碎还田机主要技术参数如表2-2表2-2秸秆还田机主要技术参数外形尺寸（长、宽、高）1472mm*1850mm*804mm整机重量640kg工作幅宽1600mm抛撒幅宽1600mm锤爪回转直径250mm刀辊转速1800mm锤爪个数10锤爪刀尖线速度47.1m/s机具行走速度4.5km/h生产效率3~5亩/h配套动力50~60马力3传动系统设计如图2-2，变速箱主轴通过万向联轴器与拖拉机的动力输出轴相连，拖拉机动力输出轴转速n=1000r/nin。变速箱采用闭式直齿锥齿轮传动，齿轮材料为45钢，调制处理齿面硬度58-43HRC。图3-1传动系统示意图3.1齿轮转动设计根据一般闭式传动按传动要求，通常u=1～5，齿数比过大，则大小齿轮的尺寸悬殊，会使传动的总体尺寸增大，根据锤爪式秸秆粉碎还田机设计要求秸秆粉碎刀辊需要较高的转速才能实现秸秆粉碎作用，需要变速齿轮起到增速作用，鉴于所选用的拖拉机后输出轴转速n1=1000rmin,刀棍的转速要达到n2秸秆粉碎刀辊需要较高的转速才能实现秸秆粉碎作用，需要变速齿轮起到增速作用，因此，取μ=0.5。根据齿面接触强度公式(机械设计手册新版，2005)有：d公式中：K-载荷系数,取1.25T1-轴1齿轮传动转矩，Nm，Tu-齿数比σHPσHlim、=安全系数选SH将数据代入公式得

d根据（机械设计手册，2005）确定直齿锥齿轮的基本参数如下：齿数取Z齿数比u=由齿轮计算软件计算直齿圆锥齿轮的基本尺寸，过程如下在基本参数确定之后需要对所选择的齿轮进行强度计算。齿轮强度计算式根据齿轮可能出现的失效形式来进行的，在一般闭式齿轮传动中，齿轮的主要失效形式是齿轮接触疲劳点蚀和轮齿弯曲疲劳折断，所以主要对齿轮的齿面接触疲劳强度和齿根抗弯疲劳强度进行校核计算，详细步骤如下：计算公式：中点分度圆上的切向力：使用系数：根据《机械设计手册》（新版，2005）（下同）第三卷表16.2-36动载系数：可由齿轮精度和中点节线速度确定，本机具为农业机械，齿轮可按9机精度，根据机械设计手册第三卷16.4-28，选取齿轮载荷分布系数：由锥齿轮装配系数表选取有效工作齿宽，则有端面载荷系数：可根据单位齿宽载荷与齿轮精度等级确定，，故选取节点区域系数：由高变位和未径向变位的锥齿轮的节点区域系数图选取中点区域系数：参数和按照机械设计手册新版第三卷表16.4-30计算：弹性系数：根据机械设计手册新版第三册表16.2-43得出：螺旋角系数：直齿圆锥齿轮，故锥齿轮系数：载荷分配系数：计算接触应力：将个数值代入公式得：许用接触应力：试验齿轮的接触疲劳极限：（由机械设计手册新版第三卷图16.2-17得出）寿命系数：，长期工作，取为无限设计寿命。润滑油影响系数：工作硬化系数：尺寸系数：最小安全系数：许用接触应力：齿面接触强度校核结果：符合要求齿根抗弯疲劳强度校核：计算公式:其中，其他数据同前。 复合齿形系数：，根据当量齿数得：重合度系数：锥齿轮系数：载荷分配系数：齿根弯曲应力计算值：将数值代入得：齿根许用弯曲应力：齿根弯曲疲劳基本值：选取寿命系数：（长期工作，故取为无限寿命设计）相对齿根圆角敏感系数：相对齿根表面状况系数：尺寸系数：最小安全系数：许用弯曲应力值：将数值代入得：齿根弯曲强度校核结果：符合要求。3.2带传动设计1.确定计算功率：由《机械设计》第八版（濮良贵，纪名刚）（下同）表8-7查的工作情况系数，故=2.选择V带的带型：根据、由图8-11选用C型。3.确定带轮的基准直径并验算带速1）初选大带轮的基准直径。由表8-6和表8-8，取大带轮的基准直径=250mm2）验算带速。按式（8-13），验算带的速度因为5m/s＜＜30m/s，故带速合适。3）计算小带轮的基准直径。根据式（8-15a），计算小带轮的基准直径根据表8-8，圆整为4.确定V带的中心距和基准长度1）根据式（8-20），初定中心距。2）由式（8-22）计算带所需的基准长度由表8-2选带的基准长度3）按式（8-23）计算实际中心距。5.验算小带轮上的包角6.计算带的根数z1）计算单根V带的额定功率：由和，查表8-4a得查表8-5得，表8-2得，于是2）计算V带的根数z：取4根。7.计算单根V带的初拉力的最小值由表8-3的c型带的单位长度质量q=0.3kg/m，所以应使带的实际初拉力＞。8．计算压轴力：压轴力的最小值为9.查机械设计手册。3.3轴的设计和校核：先确定轴的最小直径。选轴的材料为45钢，调质处理。根据《机械设计》（第八版）（濮良贵，纪名刚）（下同）表15-3取,于是得—拖拉机后输出轴功率—万向联轴器传动效率，取考虑到轴1和联轴器连接以及键槽对轴强度削弱的影响，取按弯扭合成强度条件校核求轴上的功率求作用在齿轮上的力求水平面内支反力，作水平面内受力图和水平面内弯矩图求水平面内A，B的支反力对点取矩求得求水平面弯矩，绘制弯矩图求竖直面内支反力，作竖直面内弯矩图，竖直面内受力情况如图。求竖直面内A，B的支反力对A点取矩求竖直面内弯矩，绘制弯矩图求得弯矩求合成弯矩M，作出合成弯矩图将上述水平面，垂直面内以及合成弯矩分别作出图形，由图可以清楚地看出，轴承受最大弯矩断面在截面C处。最大合成弯矩求转矩，做转矩图如图3-4求当量弯矩，作当量弯矩图3-4根据轴的工作情况可知，扭转切应力为脉动循环变应力，取则，按弯扭合成应力校核轴的强度。校核C截面45号钢调质处理时，查表15-1得，，，，，故安全。图3-5轴的载荷分析图用同样方法设计轴2，由于小齿轮和轴的直径相差不大，故把齿轮和轴设计成齿轮轴。3.4轴承的选择根据设计要求，变速箱内部传动中的轴承，要承受较大的径向、轴向联合载荷，考虑到实用，选用圆锥滚予轴承。它因系线接触，承载能力较大，可同时承受较大的径向和轴向联合载荷，内外圈可分离，装拆方便，故选用圆锥滚子轴承，考虑到齿轮轴和箱体的装配，和齿轮轴相配合的轴承选用较大外径的圆锥滚子轴承，而带轮端，需要承受较大的径向力不需要承载轴向力，故选取常用的普通深沟球轴承。滚动轴承的主要失效形式是疲劳点蚀，因此轴承的尺寸应按疲劳强度即寿命计算。根据《机械设计基础》（杨可桢，程光蕴，高等教育出版社，2001）有：式中：—轴承的额定寿命，h—轴承的转速，r/min;—轴承的寿命指数，对滚子轴承C—轴承的额定动载荷，N:P—当量动载荷，N。基本额定动载荷系指当一轴套进入运转并且基本额定寿命为一百万转时，轴承所承受的最大载荷值，通常以C表示，查滚动轴承尺寸和性能参数表可得：为了简化计算，可将式写成：令：则式可转化成：式中：—寿命系数：—转速系数。将式代入得：以安装在变速箱主动轴上的圆锥滚子轴承为例计算轴承的寿命，将代入式中得：故所选轴承能满足工作要求，同理对其他轴承进行寿命计算后得知，均能满足使用要求使用。综上所述，根据轴的结构等要求最终确定本机具变速箱主动轴选用两个单列圆锥滚子轴承30310（GB/T297—1994）；齿轮轴齿轮端选用33013（GB/T33013）,靠近皮带轮端选用两个深沟球轴承6211（GB/T276—1994）配合使用，以增加使用寿命。3.5联轴器的选择常用的联轴器已经标准化或规格化了，选用时，首先按照工作条件选择合适的类型，再根据载荷情况，轴颈，转矩和工作转速选择联轴器的型号。根据实际需要，秸秆粉碎还田机的动力输出轴与拖拉机动力输出轴之间需要有角位移，并要有一定的径向位移，故本机选择十字轴式万向联轴器（机械设计手册编委会，2005）式中：—传递的扭矩，—为采用圆锥滚子轴承时的修正系数，取1.2:；—冲击系数，取2。将数值代入式可得：，由此可确定本机具选择WS8联轴器这种万向联轴器的结构比较简单，由带有轴叉的两半联轴器1、3通过圆柱销7、销钉5和套筒6与十字轴4著称十字轴式的连接，如图3-6所示，这种万向联轴器允许轴间角最大可达45°，常用轴颈范围为8~42mm,转矩为11.2~1120,以传递平稳转矩为宜，联轴器的十字轴采用合金钢制造，热处理后硬度为55~62HRC,其他各零件采用35或45钢制造并经热处理48~52HRC.图3-7万向节联轴器结构示意图3.6键的选择和计算1）轴1与联轴器联接出的键选用和计算根据轴的结构特点、工作条件，轴1要通过万向联轴器的与拖拉机后制动力输出轴联接，考虑到与万向联轴器的配合使用，采用和拖拉机输出轴相同的渐开线花键联接如图3-8，图3-8输入轴渐开线花键尺寸2）轴1与大齿轮连接处出的键选用和计算根据轴1和轴上零件的装配情况，和工作要求，选用普通平键联接。查机械设计师手册表12.2-3，选用，其中，。由表12.-2（键联接的许用挤压应力和压强）查得对于键故安全。3）轴2、刀棍轴和皮带轮联接出的键选用和计算由轴1的装配情况使用要求选用普通平键联接，查机械设计师手册表12.2-3，选用，其中，。由表12.-2（键联接的许用挤压应力和压强）查得对于键其中故安全。4秸秆粉碎机构设计4.1粉碎机构工作原理玉米秸秆首先被拖拉机前横梁推斜，机组再行进一段距离后，秸秆还田机横梁A点就抵住玉米秸秆，由于拖拉机的地隙高于秸秆还田机的喂入口高度，A点起一定的支承作用，这时甩刀砍切秸秆比在纯无支承状态砍切要好一些。目前，秸秆还田机基本都是采用锤爪、弯刀等以高速砍、切、撞、搓、撕的方式将玉米秸秆直接粉碎还田。粉碎工作部件的旋转方向与机具前进方向相反，如图4-1所示。图4-1秸秆粉碎工作过程粉碎部件从茎秆根部处进行砍切作业，每次砍切都削去一部分茎秆，最终将茎秆切断后，使其失去地表的约束，在高速旋转的粉碎部件带动下卷入粉碎室(罩壳与粉碎部件组成的工作腔)进一步砍切、打击、撕裂、揉搓成碎段或纤维状，然后由抛出口均匀地抛撒在田里。其特点是机具结构单、可行，粉碎效果好，易于秸秆的腐烂。这种切碎方式属于无(或单)支承切割，动刀刀端的切割线速度要求比较高。而当工作部件旋转方向正转时，即转向与机具前进方向一致时，粉碎刀辊不能正常工作，被甩刀切下的秸秆直接向下飞出，不通过工作腔进一步粉碎，同时抛撒也不均匀。4.3刀具的选择和设计秸秆还田是目前我国推广的节能型农业机械的重要措施之一，他可以节省大量劳动力，增加土壤的有机质，大幅度提高粮食产量。目前许多农场和农户普遍反映，大中型秸秆还田机的粉碎质量较差，而小型还田机由于动力不足，其粉碎质量也不十分理想，再加上设计制造中的问题，刀片的安装，排列方式等引起震动，使得与之配套的拖拉机的寿命缩短。根据研究影响粉碎质量的主要部件是刀片的设计。现在大部分秸秆粉碎还田机所使用的甩刀，即刀具不是固定在刀棍上而是通过销轴连接，刀具可以绕着刀棍轴线旋转一定角度，这样可以增大刀具对秸秆的粉碎效果，据统计甩刀有直刀片、L型及其改进型、T型刀片、爪型刀片。直刀片：如图4-2，直刀式甩刀：由于稻麦类秸秆细而柔韧，所以此类秸秆的粉碎主要以切断为主。打击为辅，且稻麦秸秆质量轻，因此采用多支承切断，在满足动力负荷的情况下，动定刀的间隙要小，排列密度要大，一般采用多排动、定刀排列。直刀式动定刀片，采用高锰钢制成，双面开刃，且刃口较锋利，对麦稻类秸秆．尤其是谷物联合收割机收后条铺堆放秸秆和甘蔗叶秸秆均具有较好的粉碎性能。图4-2直刀片及其排列1定刀2动刀3销轴L型及其改进型：如图4-3图4-3L型刀具及其改进（a）L型横断切（b）L改进型斜切T型刀：如图4-4，它的工作原理高速旋转的甩刀冲击并将地上的秸秆切断后打入机壳内，在流经壳内时与机壳内定刀齿相遇受到剪切。在下落的过程中又被后来的刀片击碎而达到切碎的目的。刀片一般采用高锰钢经热处理淬火制成，双面开刃。具有较强的耐磨和抗冲击韧性，对玉米、高粱等硬质秸秆具有较好的粉碎性能。图4-4T型刀片1.横刀片2.纵刀片锤爪式甩刀：如图4-5它的主要工作原理是利用高速旋转的锤爪来冲击砍切、锤击、破碎秸秆。由于锤爪质量较大，其质心靠外，旋转时转动惯量很大，粉碎效果很好，锤爪一般采用高强度耐磨铸钢，强度大，耐磨损，抗冲击力强，锤爪式甩刀的适用性强，对玉米、高粱、棉花等硬质秸秆具有较好的粉碎性能，对麦稻类等软质秸秆也具有一定的粉碎效果。图4-5锤爪式甩刀鞭式甩刀刀片：该种甩刀的工作原理是利用高速旋转的刀片来冲击砍切秸秆，同时其鞭式结构产生较大的动能，在粉碎地表秸秆的同时，还能对秸秆根茎进行浅层切碎。总结以上各中刀具的优缺点，考虑到本机具主要粉碎玉米等比较粗硬的秸秆，需要较大功率，工作条件极其恶劣，刀齿需要承受很大的冲击力，才能达到秸秆粉碎的目的，因此刀齿既要具备足够的强度和耐磨性，又要具备较高的韧性。故粉碎甩刀选择锤爪式甩刀，其质量较大、重心靠近刀端、转动惯量大、打击性能好。利用锤爪的高速旋转来捣碎、撕剪秸秆，粉碎效果比较好。由于秸秆还田机刀片经常与泥土，秸秆等摩擦，工作条件极为恶劣所以要求选材要要，要有较强的耐磨性和较高的抗冲击韧性，通过比较集中不同材料的十几种热处理工艺的实验结果，最终确定选用铸造高锰钢ZGMn13-2GB/T5680—1998。加工好的锤爪通过淬火等热处理工艺使之满足使用要求。如下图查GB/T10813—2007确定锤爪的基本尺寸安装宽度,柄部外径,孔径,摆动半径R=140mm4.4刀辊的设计4.4.1刀具的排列密度通过试验可知，对于还田机具来说．在相同作业幅宽和相同的刀轴转速条件下．甩刀数目的增多。会提高秸秆粉碎的效果。但不是越多越好。甩刀的数目应有一个最佳值。甩刀数目过少，秸秆没有被充分地切割打击，而不能达到秸秆粉碎要求。甩刀数目过多。一方面空载功耗和启动扭矩增大，制造成本提高：另一方面过多的甩刀使被粉碎的秸秆难以很快排出，造成堵塞影响粉碎质量。甩刀数量的最佳值一般由甩刀密度来确定。甩刀密度：C=N／L式中N—甩刀数量(锤爪的数量按3xn，n是锤爪的个数)；L—机具的作业幅宽，mm。一般锤爪式甩刀的排列密度是0.02~0.03.取C=0.02,则取N=104.4.2刀具的排列方式：甩刀的排列方式对于秸秆还田至关重要，合理的甩刀排列方式不仅能使还田机的粉碎质量提高，而且还可使还田机的动平衡的性能好，运转平稳，这一点对于拖拉机来讲也非常重要，还田机的震动解决不好，不仅机具本身被震坏，对拖拉机的寿命影响也很大。总之锤爪的排列应综合考虑以下因素：一是保证刀辊的动平衡，以减少机具的震动；二是相邻两刀沿圆周方向的间距应尽可能大，以防止刀齿之间缠草；三是每一刀齿的切削节距要尽可能相等，使各刀受力均匀；四是刀辊在工作过程中不能使秸秆有向一侧推移的趋势，要使粉碎后的秸秆抛撒均匀。目前大多数秸秆还田机采用的是加配重的方法解决震动问题，这样做不仅制造繁琐，而且配重加入后不同程度的影响粉碎质量，也增加了机具空转消耗的功率。一般甩刀的排列方式有单螺线排列，双螺线排列，行星排列，对称排列几种。但是请教农机手得知单双螺旋线排列有一个共同的弊病，即是在粉碎过程中，秸秆侧向移动现象严重，是还田机油“一头沉”的现象，总结以上几种排列方式的利弊，采用一种新型的排列方法——均力免震法用这种排列方法秸可以计算出秆碎机刀辊刀具布置最佳方案为：刀具数目：N=4n+2，(n=1，2，…)；排列规则：沿刀辊轴线方向等距排N列，在周向布置的角度以此为：(共N列)其中奇数列：(当列数等于N／2时取值)，。偶数列：均与其相应的奇数列角度相差180°本机具采用十把锤爪式甩刀，取N=10计算出锤爪的排列方式如图4-7：图4-7锤爪布置排列示意图本机具刀辊设计成大直径的空心管轴，这样既可以提高粉碎刀辊高速旋转时转子的动力性能，又可以降低振动，还能防止缠草。根据设计经验刀棍材料科选用无缝冷拔钢管鉴于上文确定的锤爪的回转半径和锤爪尺寸，刀棍尺寸选为Φ180mm×8mm与φ65mm无缝冷拔钢管与45号圆钢焊合，进行调质淬火处理。5机身及附属装置设计5.1机身的设计5.1.1喂入口高度与留茬高度的选择如图5-1所示喂入口高度直接影响秸秆的喂入性能。研究发现，在喂入部分必须有一定的秸秆层厚度，起支撑约束作用，防止秸秆由于惯性向前飞出，而造成漏切现象。喂入口高度m太小时，形成不了一定的秸秆厚度，有使秸秆向前推的现象，图5-1秸秆粉碎机构结构参数并且减小m会使割茬DB增大，造成较明显的割茬高度增加；m值过大，切下的秸秆容易向前飞出，发生喂入不利的现象，同时厚层太大起不到支撑压紧作用。m值的范围应控制在如下区域内：R设计留茬高度h太小，刀齿容易打土，增加无用的功耗；但h太大，作业后留茬高度过高，影响粉碎质量，可能使切断后的整根秸秆不能被甩刀拾起喂入工作腔，应找出较为合适的留茬高度。试验表明：设计留茬高度h=40~60mm是比较理想的，喂入口高度为190mm左右，秸秆呈一定的前倾角时，喂入性能较好。综合考虑选取,5.1.2工作腔间隙计算从进口到出口的罩壳曲线应设计为一偏心圆。罩壳设计时进口工作间隙△1至出口工作间隙△2由小逐渐变大，如图4．2所示，进口间隙△l小，是为了增强粉碎效果，间隙太大不利于粉碎。出口间隙△2大，是为了使秸秆易抛出，这部分不参与秸秆粉碎。秸秆一旦被刀齿切断，由原来的静止状态被加速并带入进口处后，将随刀齿同步旋转，至出口抛出，因此在工作腔的后一部分己几乎不起粉碎作用。为了加强工作腔内的粉碎效果，必要时可在日=30。～90"的范围设置定刀，使工作间隙在定刀处突然减小，锤爪与秸秆将发生相对运动，同时利用定刀刃口将秸秆进一步粉碎。根据有关设计经验可知：工作腔间隙变化一般为40~80mm。有鉴于此，本设计选择△1=40mm,△2=80mm考虑到刀辊轴的与机架的装配，在机架左侧板上开槽。5.2悬挂架的设计机架与拖拉机的连接采用三点悬挂的方式，如图5-3，查GB/T1593.4-2004可