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湖南農業(yè)大學東方科技學院 全日制普通本科生畢業(yè)設計 桔園開溝機設計 Design of ditcher for orange garden 學生姓名： 胡五榮 學 號： 200841914720 年級專業(yè)及班級： 2008級機械設計制造及其自動 化(7)班 指導老師及職稱： 李明 副教授 學 部： 理工學部 湖南·長沙 提交日期：2012 年 5 月 目 錄 摘要…………………………………………………………………………………………3 關鍵詞………………………………………………………………………………………3 1 前言………………………………………………………………………………………4 1.1 課題研究的目的和意義…………………………………………………………4 1.2 國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢……………………………………………………4 1.2.1 內外研究現(xiàn)狀……………………………………………………………5 1.2.2 國外開溝機………………………………………………………………5 1.2.3 國內開溝機………………………………………………………………5 2 土壤特性分析……………………………………………………………………………6 2.1 土壤的分類………………………………………………………………………6 2.2 土壤物理特性……………………………………………………………………6 2.2.1 土壤物理性能指標………………………………………………………7 2.2.2 土壤的力學特性…………………………………………………………7 2.4 總結……………………………………………………………………………11 3 螺旋開溝刀具結構設計………………………………………………………………11 3.1 開溝機刀具總體結構要求……………………………………………………11 3.2 開溝刀具參數(shù)設計……………………………………………………………12 3.2.1 開溝刀具結構幾何參數(shù)確定…………………………………………12 3.2.2 開溝刀具運動參數(shù)設計………………………………………………13 3.3 螺旋開溝刀具結構結論………………………………………………………21 4 螺旋開溝機結構設計計算……………………………………………………………21 4.1 總體方案的設計………………………………………………………………21 4.2 主要零部件的設計……………………………………………………………22 4.2.1 帶輪設計參見表………………………………………………………22 4.2.2 大帶輪軸的設計………………………………………………………23 4.2.3 角接觸球軸承設計報告………………………………………………25 4.2.4 深溝球軸承設計報告…………………………………………………26 5 設計總結………………………………………………………………………………26 參考文獻……………………………………………………………………………………27 致謝………………………………………………………………………………………28 桔園開溝機的設計 學 生：胡五榮 指導老師：李 明 （湖南農業(yè)大學東方科技學院，長沙 410128) 摘要：桔子是我國重要的水果，改革開放和農村產業(yè)的調整促進桔子產業(yè)的發(fā)展，桔子產業(yè)的快速發(fā)展，也帶動了桔子生產作業(yè)機具的研究和發(fā)展，我國桔子生產機具的開發(fā)雖具有一定的基礎，但與桔子產業(yè)化發(fā)展需求還有很大的距離，進口專業(yè)開溝機價格昂貴，因此研制出滿足農戶需求，價格低廉的桔園專業(yè)開溝機設備是非常必要的。 桔園開溝機的開溝部件采用螺旋開溝刀具，其特點是，結構簡單、部件緊湊、動力消耗少、行走速度快、能很好地適應桔園作業(yè)環(huán)境，提高勞動效率。 關鍵詞：開溝機；螺旋；桔園；開溝；手扶拖拉機 THE DESIGN OF DITCHER IN ORANGELY Students: Hu Wurong Tutor: Li Ming (Oriental Science ＆Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128） Abstract:Orange is an important fruit, The development of the orange industry have promoted by reforming and opening and the regulation of rural industrial structure. It also drove orange production equipment research and development, Orange production equipment development has certain foundation in China,but it also has long distance from the development need of industrialization and imports professional ditching machine is expensive, therefore ,develop to meet the farmers' demand, manufacture low price and professional citrus orchard ditching machine equipment is very necessary. Orchard ditching machine ditching components adopting helix ditching cutter, which is characterized by simple structure, compact, less power consumption, high running speed, and can be well adapted to the orchard operating environment, improve labor efficiency. Key words: ditching machine/spiral/citrus orchard /ditching/walking tractor 1 前言 1.1 課題研究的目的和意義 桔子是我國水果生產的重要品種，中國是桔子的原產地，桔子主要產自長江中下游和長江以南地區(qū)，數(shù)千年的栽培歷史肯定不能說清楚具體位置。經(jīng)阿拉伯人傳遍歐亞大陸，桔子至今在荷蘭和德國都還被稱為“中國蘋果”。中國是柑橘的重要原產地之一，柑橘資源豐富，優(yōu)良品種繁多，有4000多年的栽培歷史。據(jù)考證，直到公元1471年，桔、柑、橙等柑橘類果樹才從中國傳入葡萄牙，公元1665年才傳入美國。雖然桔子在中國有著悠久的歷史，但是其桔園生產作業(yè)機具的發(fā)展與桔園產業(yè)化發(fā)展的需求還是有很大的差距。 開溝機是巖土定性結構施工的專業(yè)工程設備，廣泛用于通訊電纜、石油管線、農田水利以及軍事等工程建設的連續(xù)開溝作業(yè)。隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展和生產機械化程度的提高，市場也迫切需要一種取代人力和通用挖掘機的專業(yè)開溝機械。 多年來，我國對專業(yè)開溝設備的研發(fā)投入不足，專業(yè)開溝設備品種單一，應用范圍狹窄，大部分開溝施工仍停留在人工開挖或使用通用液壓挖掘機挖掘層面。人工或通用挖掘機開溝，不僅施工速度慢、效率低、勞動強度大、管理困難、費用高，且溝型成型差，尤其對較硬的土壤很難挖掘。而進口專業(yè)開溝機價格昂貴，極大制約了國內用戶的需求[1]。 因此研制出滿足農戶需求，價格低廉的桔園專業(yè)開溝機設備是非常必要的。 1.2 國內外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1.2.1 國內外研究現(xiàn)狀 開溝機主要有兩種：第一種為開種溝而設計的開溝器，開溝器為小型從動部件，靠牽引作用力而開出適合種子發(fā)育的種床，溝形表現(xiàn)為小、窄、淺等特點，開溝器常作為播種機一附屬部件而掛靠其上；第二種為開排水溝或其它用途的開溝機，開溝機相對較大型，一般以主動型部件為主，消耗功率大，體積大，溝深且寬[2]。 1.2.2 國外開溝機 旋轉開溝機是六十年代出現(xiàn)的一種連續(xù)挖土機械，適宜開挖梯形截面的農用溝渠。由于其牽引力小、能均勻散開溝內土壤，工作效率高，因而得到迅速發(fā)展和廣泛應用。在國外主要以大型開溝機為主，蘇聯(lián)、意大利、法國、日本等國都有不同型號的系列產品，從結構特點和使用性能兩方面來看，目前基本上以蘇聯(lián)和意大利為代表的兩大類型。蘇聯(lián)從1975年開始推出一系列的旋轉開溝機產品：TP-171A全液壓銑切式開溝機、MK-47犁刀-銑切式開溝機。意大利主要生產DARL系列的單圓盤開溝機心及DBR系列的雙圓盤開溝機。兩大類型的開溝機主要區(qū)別在于：前者是開挖大型溝渠的大型機械，且能一次性成溝，所采用的是切拋分開型的刀齒；后者是臨時性的小溝渠，采用的是切拋合一型的刀齒[3,4]。 國外開溝機的代表機型有：切削鏈式開溝機、螺旋助推式開溝機、側置式公路開溝機、圓盤旋轉式開溝機，主要特點是以大功率，重機型為主，功耗大，體積也大。 1.2 .3 國內開溝機 我國開溝機的種類很多，60年代開始從國外引進，從七十年代開始正式研制旋轉開溝機，通過自身研究和借鑒國外的經(jīng)驗，目前逐步形成了適合我國國情的開溝機系列，到現(xiàn)在已經(jīng)有幾十種型號。其主要型式有四種： （1）鏵式犁開溝機 鏵式犁開溝機屬于從動型工作部件，利用“刨削”原理，沿直線運動對土壤進行刨削。加工過程相對鏵式犁切削速度要大。鏵式犁型開溝機主要應用于蔬菜的栽種和植樹造林等，我國主要有KGTP和京HK-14兩種類型，KGTP工作原理；隨著機組前進，犁尖入土，開軸的土沿著犁體上升。冀板將土推向兩面三刀側、冀尾板將溝壁壓緊，形成梯形斷面的溝渠，達到列溝培土的目的。京HK-14開溝機在工作時，前面的犁鏵起土，分土板片土扣翻到兩面三刀側，形成農藝要求的一種溝型。該機型入土阻力小，質量輕，工作性能好，可以開出成型溝，但溝型斷面不平整。 （2）鏈齒式開溝機 1992年，江西省農機研究所和江西農業(yè)大學針對果園開溝，設計了與豐收180GV拖拉機配套的1K-30型鏈齒式開溝機，開溝機通過鏈條上的刀齒逆向切削土壤，切削垡片由鏈齒出溝面，再由雙向攪龍輸送到溝兩測，完成開溝作業(yè)。 1K-30型鏈式開溝機主要特點；開溝理管時，溝形一次成型，種植山藥可不開溝只松土，刮土板改變刀齒排列，達到深松土60～100cm，可節(jié)省大量人力。配套拖拉機功率17～37kw,開溝深度600mm、1000mm、1500mm，開溝寬度140mm、160mm、200mm、300mm，工作速度200～600m/h。 （3）螺旋式開溝機 2000年東北農業(yè)大學針對了泥炭（沼澤地的產物）的開采而設計了一種1KL-100型立式螺旋式開溝機，其工作部件采用錐螺旋式攪龍切拋土，可開挖出較大型梯形溝渠。在立式開溝機的思路上，2001年昆明市農業(yè)機械研究所又研制出1KS-22型雙軸式。采用雙軸結構，兩套旋轉方向相反的刀軸同時切拋上下溝土，能開出小型矩形溝渠。 （4）圓盤式開溝機 圓盤式開溝機屬旋轉式開溝機，將開溝部件做成圓盤式結構，利用動力輸出軸帶動刀盤旋轉切削土壤，我國從七十年代開始正式研制，通過自身研究和借鑒國外的經(jīng)驗，目前逐步形成了適合我國國情的開溝機系列。定型為東方紅-75拖拉機配套的1KD-100單圓盤旋轉開溝機和1KD-100雙圓盤旋轉開溝機，為鐵牛-55拖拉機配套了1K-80雙圓盤旋轉開溝機。結合我國國情出發(fā)的：即要求重量輕，結構簡單，又要求能耗小，生產率高。到80年代，圓盤式開溝機又生產出一系列產品：1KSQ-35型（配套8.8千瓦拖拉機）、1K-0型、1K-35-1A型、1K-35型、1KH-35型等[5，6]。 2 土壤特性分析 2.1 土壤的分類 開溝機與土直接作用，土壤既是開溝器的支撐物，又是它的作業(yè)對象。一方面開溝機利用土壤對輪胎摩擦力行走，另一方面，土壤會作用于螺旋刀具，對開溝機開溝作業(yè)形成阻力。因此，研究土壤特性是研究開溝機的基礎。土是由土粒、水和空氣組成，其數(shù)量比例關系不僅可描述土的物理性質和它所處的狀態(tài)，還可以反映土的力學性質。土壤可簡單分為粘性土和非粘性土：粘性土顆粒間具有粘聚李，無粘性土顆粒間沒有粘聚力。土壤的物理機械性質與土壤固體顆粒粒度及其級配（既土壤機械組成）有關。土壤機械組成是土壤物理化學性質的重要基礎。土壤按顆粒細度劃分為礫石質土類、砂土類、亞砂土類、粉土類、亞粘土類、粘土類等[9，10]。 砂土顆粒大、孔隙大、易漏水、無或只有較弱的粘接性、粘附型、塑性，開溝阻力小。粘土顆粒細、孔隙小、滲透性差、蓄水量大，有機質分解慢，有機質含量較多。粘土粘接性、粘附性和塑性強，干時堅硬，濕時泥濘，開溝 阻力大，開溝困難。 2.2 土壤物理性質 2.2.1 土壤物理性質指標 土壤的物理特性包含一系列測定指標，主要包括土壤密度、土壤比重、土壤含水量等。土壤密度指單位體積土的質量，單位是kg/m3。它與土壤比重的區(qū)別在于土壤比重是將土粒質量與同體積4℃時的純水質量相比，比值無量綱。 土的含水量指土中水分的質量與土粒質量的百分比，它對土壤塑性、粘著性有重要的影響。當含水量超過一定值WS時，粘性土呈現(xiàn)流動狀態(tài)：當含水量小于一定值WX時，粘性土因失去壓延性而變成固體狀態(tài)。根據(jù)土壤含水量對塑性影響的高低，土壤還可細分為粘性土、亞粘土、亞砂土、砂土。 土的粘著性指土粘附在其他物體上的能力。當粘性土含水量大于粘著界限Wn時，土壤開始粘附與物理上，土壤的這種特性會增大開溝器犁鏟阻力、減少刀具切削量，影響開溝工作進行。 除此之外，土壤的物理機械特性還包括土壤的粘聚力C、內摩擦角Φ和密度ρ等。各種土壤物理性能參數(shù)[10]：見表1。 表1 土壤物理性能參數(shù) Table 1 Parameters of the physical properties of soil 塑性土分類 粘性 亞粘性 亞砂土 ρ Φ c ρ Φ c ρ Φ c /10kg.m-3/°/MPa /10kg.m-3/°/MPa /10kg.m-3/°/MPa 硬度 2.2 22 0.1 2.2 25 0.06 2.1 28 0.02 半硬 2.1 20 0.06 2.1 23 0.04 2.0 26 0.015 低塑 2.1 18 0.04 2.1 21 0.025 2.0 24 0.01 塑性 2.0 14 0.02 1.9 17 0.015 1.9 20 0.005 高塑 1.9 8 0.01 1.9 13 0.01 1.9 18 0.002 流動 1.8 6 0.005 1.8 10 0.005 1.8 14 0 2.2.2 土壤的力學特性 土壤的力學特性反映了土壤受外力時土體內部的應力變化。本文涉及到的土壤力學知識只要為極限平衡理論和土壤切削理論。探討這些理論對后文尋求工作裝置尺寸，設計合理結構、減小功耗有重要意義。 （1） 極限平衡理論 ①受力分析。無論哪種土體，在受到外力作用時，都是在剪應力作用下失效破壞的。對于非粘性土，其剪切力符合庫倫摩擦定律，極限剪應力公式為[10] τ，=σtanΦ （1） 式中：τ， 非粘性土土體極限剪應力，MPa： σ 土體主應力，MPa： Φ 土的內摩擦角，°。 對于粘性土，極限剪應力還與粘聚力c有關 τ，，=c + σtanΦ （2） 式中：τ，， 粘性土土體極限剪應力，MPa： C 粘聚力，MPa。 粘性土與非粘性土的極限剪應力可用圖 1 表示，圖中橫坐標σ為主應力，縱坐標τ為剪應力。由圖1可知：無論粘性土還是非粘性土，極限剪應力與主應力均為線性關系，當土壤剪應力落在直線下方，土壤不會發(fā)生失效破壞，反之，土壤失效，被剪切。 圖1 土壤極限剪應力 Figure 1 Limit shear stress of soil 在開溝器刀具切割土壤時，土體內部剪切應力在沒有超過極限剪切力τ（τ，或τ，，)時，屬于彈性平衡狀態(tài)：當土層內部剪應力超過極限剪應力τ，（或τ，，）時，屬于塑性流動狀態(tài)。介于兩中狀態(tài)之間即為極限平衡狀態(tài)。參照材料力學的單元體研究方法，現(xiàn)取土壤單元體為研究對象，如圖2所示[11]。 土單元體收到來自四面八方的壓力，因各個剖面受力情況大致相同，在此只討論一個面的二向應力。土壤的主應力有σ1和σ2，且σ1〉σ2，m-n是與主應力作用面呈α角的任意斜面。 根據(jù)靜力平衡條件，令ΣX = 0，ΣY = 0 可以求得 （3） 式中：σ1 、σ2 土壤單元體上下底面與側面主應力，MPa τ 土壤剪應力，MPa α 主應力作用面與m-n面夾角 如圖3為土壤的莫爾應力圓，圖中橫坐標是主應力，縱坐標代表土體剪切應力，只要知道圖2中的α值，便可找到相應的σ和τ值 圖4表示土體的極限平衡條件。由式（3)和圖4可知，在α=45°的截面上τ值為最大，但由于4上σ1 和σ2 所代表的應用值與極限剪應力相差較大，故此時土體未發(fā)生破壞。若改變主應力值，例如增大 σ1 的值 σ2 不變，或減小σ2值σ1不變，都可增大莫爾應力圓的直徑，使應力圓與極限剪應力線相切圖上的 M, 點表示土體剪應力τ 達到極限剪應力τ，，土體處于極限平衡狀態(tài)。若繼續(xù)增大σ1 和σ2的值，莫爾應力圓超過極限剪應力，土體發(fā)生塑性流動。土體滑移面與最大主應力作用面夾角為 （4） 圖2 土單元受力分析 Figure 2 Soil stress of unit 圖3 莫爾應力圓 圖4 極限平衡圓 Figure 3 Mohr stress circle Figure 4 Limit equilibrium diagram 因此，土體破壞時滑移面的方向與主應力σ1作用面呈α角，通常極限應力狀態(tài)又稱為朗肯（Rankine)狀態(tài)。 ②主應力間關系 非粘性土：非粘性土的平衡條件圖5所示 由圖5有 ﹜ （5） 圖5 無粘性土的極限平衡條件 Figure 5 Non-cohesive soil conditions of limit equilibrium 式中：σmax 最大主應力，MPa σmin 最小主應力，MPa 由式（5）可得 （6） 式中：Φ 土的內摩擦角 所以有 （7） 由式（7）可知，土壤極限主應力之比與土壤本身性質有關，并取決于土壤內摩擦角。粘性土：粘性土達到極限平衡時各參數(shù)的幾何關系圖6所示 由圖6有 （8） 因此有 （9） 圖6 粘性土的極限平衡條件 Figure 6 Limit equilibrium conditions of the clay 由此可見，粘性土的極限平衡條件比非粘性土的平衡條件復雜，多了粘聚力的影響。式(7)和式（9 ),分別表示非粘性土和粘性土在剪應力達到極限平衡時，主應力之間的關系[1]。 2.4 總結 桔根系分布較淺，而且纖細，沒有根毛，要求土壤疏松、多孔、通氣良好。所以土質應用亞沙類土類，土壤對刀具的影響主要為軸向運輸，其次為土壤切削，當天氣較干旱時，土壤容易板結，脆性較大：當多雨濕潤時，土壤的粘性較大。綜合考慮，開溝機與土壤的相關參數(shù)的設計按滿足礫石和粘土進行設計。 3 螺旋開溝刀具結構設計 3.1 開溝機刀具總體結構要求 立式螺旋開溝機開挖的構型要求如圖7，要求開溝機作業(yè)速度范圍為400m/h，圖7 為螺旋開溝機溝型示意圖 圖7 螺旋開溝機溝型示意圖 Figure 7 Schematic diagram of spiral-type trencher institutions 具體設計要求如下： ① 開溝機主車體為農夫小精靈手扶拖拉機 ② 開溝器直接安裝在掛件位置，用鏈輪連接減速器動力輸出軸輸出動力 ③ 開溝器結構簡單、緊湊，便于制造維修，使用簡便 ④ 溝形成型好，溝底土屑殘留少，生產效率高 ⑤ 適宜桔園工作換季 3.2 開溝刀具參數(shù)設計 立式螺旋開溝器的設計參數(shù)分為結構幾何參數(shù)和運動參數(shù)。結構幾何參數(shù)包括螺旋面直徑R、圓錐體高度H0、土壤外運螺旋角θ、螺旋圓內半徑r、犁鏟切削刃和溝壁切削刃形狀等。運動參數(shù)包括機具前進速度Vm和螺旋刀具轉速n1等。 3.2.1 開溝刀具結構幾何參數(shù)確定 根據(jù)土壤特性分析結論，為避免土壤越過上邊線掉落，工作部件總高度Ho比實際溝深hc大，取 （10） 取工作部件總高度為250mm。根據(jù)溝型要求，螺旋刀具螺旋面外半徑為：50mm，螺旋體內半徑30mm。為方便排土，刀具需高出溝邊一定距離，這里選取圓柱體高度320mm。以上參數(shù)R、r、Ho根據(jù)溝型要求、土壤參數(shù)等都可確定，唯一需要選擇的是螺旋角θ。螺旋角的選取是降低開溝機功耗、提高生產率的關鍵。 當開溝機前進速度一定，拋土動量與螺旋角的正切成正比例增長，當θ角過大、切削刃過陡時，不利于土壤升運，功耗增加，開溝效率低。為減小輸土功耗，應選較小的θ值，但θ值過小，將導致拋土距離太近形成溝邊堆土和回土，功耗增加。一般螺旋角取50°~ 70°。根據(jù)前人設計經(jīng)驗初步選取θ=62.4°。螺旋刀具幾何參數(shù)如表2所示[19]。 表2 螺旋刀具幾何參數(shù) Table 2 Geometric parameters of spiral cutter 幾何參數(shù) 數(shù)值 R 50mm Ho 250mm R 30mm Θ 62.4° 螺旋開溝器開挖溝時，螺旋刀具在主機開動下，沿前進方向在溝中破土，開溝器按溝型要求開溝挖出兩側溝坡，底部犁鏟切割土壤，形成溝底。刀具在破土同時通過自身旋轉產生的離心力升運并拋出土壤。為支撐整個開溝器并防止土屑回落，可在刀具切土背面安置擋泥板，以保證土壤被提升且拋向溝的兩側。開溝器提升、平放等動作由安裝架繞托架旋轉完成。由于在開溝過程中，刀具會受到?jīng)_擊載荷的影響，故旋轉應能承受較大徑向載荷和單向軸向載荷角接觸球軸承。刀片材料應選用65Mn鋼刀片，65Mn鋼強度高，淬透性較大，脫碳傾向小，適宜制成農機零件。 3.2.2 開溝刀具運動參數(shù)設計 （1） 刀具轉速研究 立式螺旋開溝器刀具為雙螺旋結構，在螺旋挖溝中，土塊依靠刀具旋轉時產生的離心力甩到也葉片外側輸送上來。當轉速過低，刀片切下的土塊被后面上來的土塊推動，在葉片摩擦力和自身重力作用及后面上來的土塊的擠壓作用下，機具易發(fā)生阻塞和葉片變形，使開溝部件阻力增大。當轉速過高，被切下的土塊在離心力作用下壓向坑壁，坑壁對土塊產生阻止其旋轉的摩擦力，使土塊的角速度小于螺旋面的回轉角速度，該摩擦力引起土塊沿葉片向上加速滑動：土壤在螺旋也片作用下向上移動時機具的轉速對土塊的輸送有直接影響。因此，螺旋刀具的轉速為關鍵技術參數(shù)，需計算滿足要求的最小轉速，即臨界轉速。 轉速較低時，切下的土屑離心慣性力小，孔壁對土屑的摩擦力不足以使土屑與葉片之間產生相對運動，土屑不能上升，只能隨葉片旋轉。隨著轉速的增大，孔壁對土屑的摩擦力也增大，當轉速超過某一臨界值后，孔壁對土屑的摩擦力足以使土屑與螺旋葉片之間產生相對運動，土屑就會上升。這一轉速的臨界值稱為臨界轉速。與此同時，刀具轉速還需滿足排土臨界轉速。排土臨界轉速指土壤在葉片上不被擠壓而順利排出所需的最低轉速。 （1) 理想化假設 為便于分析土壤運動和受力關系，現(xiàn)做如下假設： ① 在刀具切割土壤的過程中，土壤顆粒不僅作上升運動，而且新切下的土壤會將刀片上的土粒向圓錐軸心擠壓，若考慮由此引起的徑向力，則分析計算過于復雜，因此忽略徑向運動及由此產生的徑向力。 ② 為能夠同時考慮葉片與坑壁對土壤微粒的作用，忽略土壤間擠壓力，在計算時假設土壤顆粒足夠大，并作用在外螺旋線上。 ③ 由于開溝過程中開溝機前進速度低，因此在研究刀具旋轉運動時忽略車體前進速度，簡化計算。 ④ 忽略螺旋底面與土壤、土壤與土壤間的摩擦力 （2）模型建立 ①力學建模的建立。以螺旋葉片上土壤單元體未研究對象，當螺旋刀具以臨界轉速nk旋轉時，被切下的土壤單元體隨螺旋葉片一起旋轉，由于離心力作用，單元體被甩向坑壁，單元體接觸坑壁后，土壤在坑壁摩擦力作用下轉速減小，并沿螺旋葉片向上加速運動。在土塊即將上升時，加速度為零，處于臨界狀態(tài)。此時土壤單元體在以下幾種力的作用下平衡：重力mg、慣性力F1，方向指向坑壁，坑壁對土壤單元體的法向反作用力F1,:坑壁對土壤單元體的摩擦力F2=F1μt(μt為土壤單元體與孔壁間的摩擦系數(shù)）方向與螺旋刀具轉動方向相反，土壤單元體沒有上升運動，其方向 水平面夾角為零：螺旋刀片對土粒的支撐力N，方向垂直也葉片向上：螺旋葉片對土壤單元體的摩擦力F3，方向與葉片平行向下[12]，如圖8、圖9所示。 土壤單元體在上升過程中的運動軌跡是變導程螺旋線。圖9為土壤單元體在臨界狀態(tài)，在三種力的作用下處于動平衡：重力mg、坑壁作用于土壤單元體的摩擦力F2螺旋面作用在土壤單元體上的全反力FN3（即螺旋葉片對土壤單元體的支撐力N與摩擦力F3的合力，F(xiàn)N3與法線方向偏轉一摩擦角Φ） 結合圖8、圖10所示，刀具以角速度ωk旋轉，土壤單元體在外螺旋線R處隨葉片一起旋轉，車體前進速度為Vo，在摩擦力作用下土塊以Vr速度沿螺旋刀片加速向上運動（此時研究的是一般狀態(tài)，不是臨界狀態(tài)）。Ve是葉片對土壤單元體水平方向的作用力。Ve與Vr的合力為V是土壤單元體運動的絕對速度。Vy是絕對速度V在豎直方向的絕對分量，表面土壤單元體以速度Vy向上運動[13,14]。 圖8 俯視土壤單元體臨界狀態(tài)作用力 Figure 8 Unit that overlooks the critical soil force 圖9 側視土壤單元體臨界狀態(tài)作用力 Figure 9 Side View of soil critical state force unit ② 運動學模型的建立。側視土壤單元體速度分解圖10 圖10 側視土壤單元體速度分解 Figure 10 Side decomposition rate of soil unit (3) 臨界轉速計算分析 根據(jù)相關文獻[15]研究結果并結合上述分析，可知臨界狀態(tài)時刀具滿足如下關系 (11) 將代入式（11）可得臨界轉速公式 （12） 式中：R 溝孔半徑，R=0.05m μ0 鉆屑與孔壁之間的摩擦系數(shù)，μ0=0.268 δ 土屑與螺旋葉片之間的摩擦角，即摩擦系數(shù)的反正切，具體參數(shù)見表[16]3，摩擦系數(shù)為0.58~0.75；取δ=tan-10.06=30°。 表3 土壤摩擦系數(shù) Table 3 Soil friction coefficient 土的名稱 內摩擦系數(shù) 對鋼鐵表面的摩擦系數(shù) 砂 0.58~0.75 0.73 干粘土 0.58~0.75 0.58~0.75 小塊礫石 0.58~0.75 0.68~0.83 濕粘土 0.18~0.42 0.30~0.60 水泥 0.73 0.84 碎石 0.58~0.75 0.84 將螺旋刀具參數(shù)代入式（12）則有nk=161.9r/min。根據(jù)土壤物理特性對開溝器性能影響分析，實際轉速n=1.3nk=210.5r/min。 （4） 排土臨界轉速n1 排土轉速指不使土壤在葉片擠壓而阻塞、順利排出所需的最低轉速[18]，即 （13） 式中：g 重力加速度，9.8m/s2 r 旋轉鉆桿中心管半徑，0.03m 則排土轉速計算為nl=124r/min。綜合分析臨界轉速及排土臨界轉速，可知：只有當螺旋刀具的轉速大于排土轉速和臨界轉速時，即n》210r/min，才能保證土壤被切削后能沿螺旋葉片排出而不會擠壓阻塞：參考實際情況，刀具的最終轉速確定為280r/min。 （2） 開溝刀具功率消耗特性 立式螺旋開溝機的結構和工作方式，決定其功率消耗分為三個部分：挖掘功耗、輸送功耗及土體加速和拋散功耗[8]。 （1） 挖掘功耗 挖掘功耗指開溝機螺旋刀片挖掘土壤所消耗的功率。螺旋刀具切削土壤受力分析可以參考如圖 11 所示的錐螺旋分析。 圖11將刀具簡化為錐螺旋線，o為刀具軸線，θ為刀片與螺旋軸線的夾角。刀片在挖掘土壤時，土壤對它的兩個作用力分別為法向力F4和平行于刀片的徑向F5。在螺旋刃面正前方土壤由于受螺旋面擠壓作用而發(fā)生破壞，作用在微段dS的挖掘阻力矩 圖11 挖掘土壤時刀具受力分析 Figure 11 When digging the soil mechanical analysis tool 由參考文獻可知 （14） 式中：δ 土壤與金屬的外摩擦角，取δ=30° t 刀具每轉平均進刀量，0.5m 由式(14) 可得整個刀具的挖掘阻力矩為 （15） 式中：θ 刀軸的空間夾角（螺旋角），θ=62.4° C 土壤內聚力系數(shù)，N/m2,C=50660N/m2 R ds×t至刀軸中心的平均距離，即平均半徑，100m S, 參與掘土的刀刃全部長度，20m ①平均進刀量t。平均進刀量t是刀軸每點進刀量的平均值，即有 （16） 式中：v0 螺旋進刀給速度，5m/s n 刀具轉速，280r/min ②半徑R0螺旋線參數(shù)方程為 （17） 式中： R 螺旋圓柱外半徑，50mm n 時間 Szo 165 az 0.6 ③螺旋刃面微段ds。由對數(shù)螺線方程可直接導出 （18） ④實際挖土阻力矩。由于刀具只有一半?yún)⑴c挖土，因此它的挖土阻力矩只是整個刀具阻力矩的一半，因此有 （19） ⑤挖掘功率W1將式（16）、（17）、（18）、(19)代入式（15）有： (20） 式中：αB 對數(shù)螺旋刀刃切土部分對應的總轉角，rad，設為αB =2/3π螺旋刀具挖掘功耗為2142.3W （2） 輸送功耗 輸送功耗指土體被切削后，克服各種阻力并能順利排出所消耗的功率。輸送功耗包括土壤克服重力做功、土塊克服周圍土壁摩擦后的功耗及上升土體與刃面摩擦后的功耗等。 ①克服重力做功。如圖12所示，立方土體ABCD為刀具每轉一周的切土量。 土壤微塊dψ由底面上升至頂上升到頂部所消耗的功率為 （21） 因此，重力做功為 （22） 式中：W2， 土塊克服重力功耗，W γ 土壤密度，kg/m3,γ=2740kg/m ρB 螺旋刃口頂徑處ρ值，m，ρB=1.664m ρo 螺旋刃口底徑處ρo=1.378m 將數(shù)值代入式（22），則有W2，=1498.24W 圖12 刀具每轉切土量 Figure 12 For each tool to cut the volume of soil ②土塊克服周圍土壁摩擦功耗。如圖13所示，土塊沿傾角為θ螺旋刀具上升時，上升土塊在錐面的運行路線是螺旋角為θ1的正旋對數(shù)螺旋線，土塊在離心力作用下與周圍土壁發(fā)生相對運動所受的摩擦（v為土塊垂直刀軸分速度m/s),微塊克服周圍土壁的摩擦功耗為 （23） 式中：S1 微小土塊沿錐螺線運行至出口處弧長，m。 則土塊克服土壁摩擦的功耗為 （24） 式中：W2，, 土塊克服周圍土壁摩擦功耗，W αB1 對數(shù)螺線S1對應的總轉角，60rad θ1 土壤沿土壁運行路線為一螺旋角等于θ1的正旋對數(shù)螺旋線 代入公式（24），則有。 圖13 土粒運動與受力分析 Figure 13 Soil movement and force analysis ③上升土體與刃面摩擦功耗。單元體在克服與土壤摩擦的同時，還與螺旋系數(shù)的乘積等于此摩擦阻力[20,21]。即 （25） 微塊克服刃面摩擦功耗為 （26) 則有 （27) 式中：μ 土壤外摩擦系數(shù)，取μ=0.6 S 微小土塊沿螺線刀刃運行至出口處的弧長，100m 代入式(27),有W2，，，=50.5W 總輸送功耗： （3) 土塊加速與拋散功耗 土塊加速與拋散的功率消耗可理解為等于土體單元時間內的出口動能，因此計算進出動能就可知土體加速與拋散消耗功率。根據(jù)物理學可知，動能公式為其中用設計生產率表示土塊質量m，土塊出口速度，其中vZ是土塊出口時平均軸向分速度，vP是土塊拋出時的圓周速度，即有 （28） 式中：[Q] 設計生產率，kg/s,Q=19kg/s R， 刀具出口處半徑，R=50mm K 生產率降低系數(shù)，K=0.3 則計算得到W3=297.6W 3.3 螺旋開溝刀具結構結論 刀具為雙螺旋變導程結構，螺旋角為62.4°。刀具外緣加工成鋸齒形狀。螺旋刀片高度為320，經(jīng)過以上的設計計算分析，得出開溝刀具的總功耗和總扭矩：總功耗為W=W1+W2+W3=4050.08W：總扭矩為 M=9549×N/n = 146.5 N·m 4 螺旋開溝機結構設計計算 4.1 總體方案的設計 考慮到桔園的具體作業(yè)環(huán)境，本設計決定采用螺旋開溝刀具。動力通過農夫小精靈的動力輸出軸輸出轉速為1230r/min，經(jīng)過小帶輪傳送到刀架上的大帶輪，再由大帶輪通過軸傳送到錐齒輪減速器；最后再由錐齒輪的下端軸通過刀具連接軸將動力傳送到刀具上進行開溝作業(yè)，傳遞示，意圖如圖14。有第三部分設計可以得知刀具轉速約為280r/min， 總傳動比定為4.4，帶輪傳動比定為2.14，錐齒輪減速器選用傳動比約為2.06選用錐齒輪減速器的Z8系列。 考慮到作業(yè)的實際環(huán)境和使用的方便性，本設計的刀具安裝架采用可翻轉和拆卸性，當開溝機不作業(yè)時，刀具安裝架可向上翻轉，這樣就縮小了開溝機的行走和使用空間；另外，在開溝機長期不需要工作時，刀架可拆卸下來，這樣，農夫小精靈手扶拖拉機就可以用著它用，提高了工具的使用效率，節(jié)約了用戶的開支。 圖14 動力傳遞圖 Figure 14 Figure momentum transfer 4.2 主要零部件的設計 本設計的零部件設計均采用機械設計手冊（軟件版）進行設計計算和驗算 4.2.1 帶輪設計參見表4 表4 帶輪設計數(shù)據(jù) Table 4 Pulley design data 名稱 數(shù)量 單位 傳動功率P1 4 KW 主動軸轉速n1 1230 r/min 從動軸轉速n2 574.766 r/min 傳動比i 2.14 設計功率pd 5 KW 小帶輪基準直徑d 114 ㎜ 大帶輪基準直徑D 500 ㎜ 續(xù)表