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上海電機學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告 課題名稱 機動式空心鉆筒植樹挖坑機的設(shè)計 學(xué) 院 機械學(xué)院 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級 BJ1202 學(xué) 號 121002280222 姓 名 劉星辰 指導(dǎo)教師 馬雪芬 定稿日期： 2016 年 2月20 日 6 機動式空心鉆筒植樹挖坑機的設(shè)計 1選題背景及其意義 本課題來源于生產(chǎn)實際,目前，我國正在大力加強植樹造林建設(shè)，特別是江蘇沿海地區(qū)，政府部門每年都規(guī)劃植樹造林，然而植樹造林存在一個問題，需要大量的人力來投入，而現(xiàn)在，國家倡導(dǎo)綠色造林，為了更有效的植樹造林,出現(xiàn)了機械造林。本課題是設(shè)計一臺植樹挖坑機，與東風(fēng)EQ140汽車底盤相匹配，用于植樹造林，代替人力勞動，實現(xiàn)機械化造林。 我國在“十二五”規(guī)劃中把生存環(huán)境建設(shè)擺到了突出的戰(zhàn)略位置。我國三峽長江流域防護林體系建設(shè)工程、退耕還林工程中面積為26329.5萬公頃,森林面積為15874.1萬公頃，近年來人們越來越重視身邊的生態(tài)環(huán)境，“植樹造林,保護環(huán)境”已成為全民參與的一項大型義務(wù)活動，所以單靠手工種樹，已經(jīng)不能滿足生態(tài)和發(fā)展的需求，機械化造林勞動效率高，減輕勞動強度，還能保證質(zhì)量，降低成本，不僅能得到很好的經(jīng)濟效益，又會帶來巨大的生態(tài)效益和社會效益。在國內(nèi)，懸掛式挖坑機的生產(chǎn)和應(yīng)用較為廣泛，該類挖坑機通常具有較大的功率，機動性強，能挖較大較深坑，大多應(yīng)用與大面積植樹造林，但我國生產(chǎn)的技術(shù)水平比較低，在陡坡和復(fù)雜地區(qū)很難正常進行植樹挖坑作業(yè)，只能依靠手提式挖坑機。手提式挖坑機在我國剛剛嶄露頭角，很多方面不夠完善特別是在人機關(guān)系方面。相比之下，國外研究狀況要好一些。有日本生產(chǎn)的自走式高性能挖坑整地機采用柴油機作為動力，適用于坡度高達56°的陡坡作業(yè)，每天可挖坑植樹300～400個。美國生產(chǎn)的懸掛式三鉆頭挖坑機鉆頭之間的距離是可調(diào)節(jié)的，適用于平原地區(qū)大面積植樹造林，工作效率高。但國外的挖坑機大都價格昂貴。結(jié)合中外挖坑機的特點，本設(shè)計主要設(shè)計方向是質(zhì)優(yōu)價廉，人機協(xié)調(diào)的懸掛式挖坑機。 2文獻綜述（國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢） 2.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 中國植樹挖坑機產(chǎn)業(yè)發(fā)展出現(xiàn)的問題中，許多情況不容樂觀，如產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合理、產(chǎn)業(yè)集中于勞動力密集型產(chǎn)品；技術(shù)密集型產(chǎn)品明顯落后于發(fā)達工業(yè)國家；生產(chǎn)要素決定性作用正在削弱；產(chǎn)業(yè)能源消耗大、產(chǎn)出率低、環(huán)境污染嚴(yán)重、對自然資源破壞力大；企業(yè)總體規(guī)模偏小、技術(shù)創(chuàng)新能力薄弱、管理水平落后等。我國植樹造林機具現(xiàn)狀我國植樹造林機械赴較晚，主要在南方為種植橡膠實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，有為東方紅-75、熱特-25型拖拉機配套的植樹挖坑機，而北方地區(qū)為栽植果樹和防護林，也研制了為中型輪式拖拉機如上海-50、神牛-25型拖拉機配套的開溝機、植樹挖坑機，這種機具既可以挖植樹穴坑，也可以挖梯形溝槽用于果樹施溝肥。對大面積的機械植樹造林，多采用鏵式系歹開溝機，如1K-40、1K-50和1K-60型開溝機。我國植樹造林機械雖有多個品種，但由于栽種樹苗多在山地、坡地，土質(zhì)條件復(fù)雜，影響了機械的使用效果，基本上用人工挖坑栽苗，使用生產(chǎn)的植樹挖坑機批量較小。 我國目前投入生產(chǎn)和主要使用的植樹挖坑機擁有多種形式的配套動力和挖頭結(jié)構(gòu)。 不同的植樹環(huán)境要求挖坑機具有與之相適應(yīng)的動力和連接方式、結(jié)構(gòu)型式及重量限制、 鉆頭型式等。根據(jù)作業(yè)方式的不同我們可以簡單地將挖坑機分為便攜式與機載式兩大類，便攜式挖坑機包括手提式、背負(fù)式，機載式挖坑機包括懸掛式與牽引式等類型。挖坑機的鉆頭根據(jù)形狀可分為螺旋式鉆頭、螺旋帶型鉆頭、葉片型鉆頭和螺旋齒式鉆頭等。 （1） 手提式挖坑機 手提式挖坑機的結(jié)構(gòu)一般由機架、操作裝置、發(fā)動機、離合器、減速器、鉆頭等部分組成。如圖 1-1所示。離合器是發(fā)動機和工作部件間的連接裝置，一般采用離心式摩擦離合器。當(dāng)發(fā)動機達到一定轉(zhuǎn)速時，離合器主動盤重錘所產(chǎn)生的離心力克服了彈簧的拉力，離合器就自動接合，并經(jīng)減速器將動力傳遞給鉆頭。減速器是挖坑機的重要部件，其作用是將發(fā)動機的轉(zhuǎn)速變?yōu)殂@頭的工作轉(zhuǎn)速，有圓柱齒輪減速器、蝸輪蝸桿減速器和擺線針齒減速器等類型。以采用擺線針齒減速器較普遍，它具有減速比大、體積小、重量輕、噪聲低和傳動平穩(wěn)等特點。操縱裝置常采用可拆卸式的手柄結(jié)構(gòu)，可單人或雙人操作。鉆頭由鉆尖、刀片、導(dǎo)土片和鉆桿組成。鉆尖起定位作用，刀片用于切削土壤，導(dǎo)土片則主要起升土作用。作業(yè)時鉆頭垂直向下運動，在扭矩和軸向力的作用下切削土壤，切下的松碎土壤沿導(dǎo)土片工作面上升，運到地表后被拋離到坑的周圍。 手提式挖坑機結(jié)構(gòu)緊湊，機體與汽油發(fā)動機裝配成整體，體積小、重量輕，機動靈活，由單人或雙人手提操作，適宜于拖拉機不能通過的地形復(fù)雜的山地、丘陵和溝壑地區(qū)，挖坑直徑和深度都比較小，也可用于果樹的追肥及埋設(shè)樁柱手提式挖坑機在我國起步較晚，但發(fā)展較快，雙人操作的便攜式挖坑機在我國使用比較普遍，生產(chǎn)的型號也比較多，如 3WB-3、3WS-5、WL200等，挖坑直徑約為 100~400mm、坑深為 200~600mm。 手提式挖坑機的適應(yīng)性很強，不但作為植樹挖坑之用，也可在建筑工地、地質(zhì)礦山電力交通等部門用于埋設(shè)樁、柱、勘探、打眼等作業(yè)。由于家庭及街道作業(yè)的緣故國外的手提式挖坑機興起較早，例如日本生產(chǎn)的 A-7 型手提式挖坑機質(zhì)量僅為 7.0kg，采用H35D 發(fā)動機；A-8D 型挖坑機可挖坑徑范圍為 20~200mm。德國生產(chǎn)的 BT120C 型挖坑 機發(fā)動機功率 1.3kW，質(zhì)量 8.2kg，鉆頭轉(zhuǎn)速 190r/min。 圖1-1 WL-200 型手提式挖坑機 （2）背負(fù)式挖坑機 背負(fù)式挖坑機如圖 1-2所示，單人操作，輕便，靈活，適用于山地、丘陵地帶作業(yè)， 適用于平緩地帶。此類挖坑機是利用防振架將發(fā)動機背在背后，通過撓性傳動軟軸，將發(fā)動機扭矩傳給鉆頭。操作人員需配有專用的防震護具。 圖 1-2 背負(fù)式挖坑機 （3） 懸掛式挖坑機 懸掛式挖坑機有多種形式。可以通過液壓懸掛裝置掛在拖拉機后面，由拖拉機動力 輸出軸經(jīng)傳動系統(tǒng)驅(qū)動鉆頭進行挖坑作業(yè)，也有用液壓馬達直接驅(qū)動鉆頭進行作業(yè)的。一般結(jié)構(gòu)都是由傳動軸、減速器、鉆頭、拉桿和機架等組成（見圖 1-3），鉆頭一般采用雙螺旋型。有的挖坑機裝有兩個或兩個以上的鉆頭，稱多鉆頭挖坑機，能充分利用拖拉機的功率來提高生產(chǎn)率。為使鉆頭在工作時不因遇到石塊、樹根等障礙物超負(fù)荷時受損，在傳動軸上裝有牙嵌式離合器，在超負(fù)荷狀態(tài)下，離合器自動脫離，從而切斷動力的傳遞。 圖 1-3 3WH-60 型懸掛式挖坑機 懸掛式挖坑機由于動力較大，功效高，可挖較大的坑穴，主要用于平緩地形或拖拉 機可以通行的地域，鉆頭的升降通過拖拉機液壓系統(tǒng)操縱，挖坑直徑和深度都比較大。 坑徑多為 600mm~1000mm、深度可達到 1000mm。諸如內(nèi)蒙古赤峰田豐農(nóng)林機械廠生產(chǎn)的 3WH-60 型（如圖 1-3）、3WC-60 型懸掛式挖坑機，通遼林業(yè)機械制造廠生產(chǎn)的 3WG-60 型、4Z-130 型挖坑機，山東大豐機械廠生產(chǎn)的“大豐王”系列挖坑機 WKJ-60/70，配套不同動力的拖拉機可以挖掘不同直徑不同深度的樹坑。適合于平原、坡度小的山地、丘陵等地況作業(yè)，具有性能好、作業(yè)效率高的特點。 （4） 牽引式挖坑機 牽引式挖坑機的機器裝在小車上，由拖拉機牽引，掛接方便，不受拖拉機結(jié)構(gòu)限制， 但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機動性差； 我國在 2001 年由達拉特旗白土梁生態(tài)治理有限公司成功研制 并生產(chǎn)出 JYZ-80 型牽引式液壓植樹機。圖 1-4 為一種拖拉機牽引式深孔鉆。 圖 1-4 牽引式深孔鉆 國外一些專家學(xué)者對挖坑機鉆頭也做了大量的研究：Macpherson 用波動理論建立的鉆桿縱向、扭轉(zhuǎn)振動模型與實際測量結(jié)果進行比較。而 Millheim 等應(yīng)用 D'Alembert 原理在靜力分析的基礎(chǔ)上引入慣性力和摩擦力，運用有限元方法建立鉆柱三維動態(tài)模型用以研究鉆柱動態(tài)行為對鉆頭軌跡的影響，給出了影響鉆頭軌跡的主要因素。Y.Altintas等建立了可描述不同形狀螺旋鉆刀片的動力學(xué)通用模型，用時變力系數(shù)的傅立葉級數(shù)展開給出了用于鉆削穩(wěn)定性解析預(yù)測鉆削過程的動力學(xué)模型及其一般數(shù)學(xué)表達式。E.Armarago 等提出了用正交切削數(shù)據(jù)計算切削過程剪切應(yīng)力、剪切角、后刀面平均摩擦系數(shù)，把正交切削參數(shù)轉(zhuǎn)換到傾斜鉆削，預(yù)測傾斜鉆削力的方法。S.Jensen 給出的切削力模型考慮了進給速度、鉆尖處的幾何形狀以及對柔性工件的動態(tài)特性有影響的主軸軸向振動因素。 2.2發(fā)展趨勢 植樹挖坑機未來的發(fā)展趨勢主要在以下幾個方面： （1）一機多能 在我國，植樹造林具有季節(jié)性和區(qū)域性的特點，機具作業(yè)時間短，間隔時間長，單一性能機具的年利用率很低，因此在今后的設(shè)計中，應(yīng)盡量考慮一機多用問題。具體措施：一是更換不同的鉆頭，適應(yīng)不同的土壤條件和工作環(huán)境；二是設(shè)計通用機架，在更換其它工作部件后即可完成其他營林作業(yè)項目，提高其利用率。 （2）人機和諧 凡是人使用的各種機械設(shè)備，都應(yīng)進行完善的人-機工程學(xué)設(shè)計，以使其符合人的心理與生理學(xué)特性，從而最大限度地減輕使用者的操作疲勞和心理負(fù)擔(dān)，能夠使人舒適和高效率地工作，使整個人-機系統(tǒng)具有最和諧的人機關(guān)系和最優(yōu)的綜合效能。同時，要盡量減少噪音對操作者的影響，還需要考慮手提式挖坑機反向轉(zhuǎn)矩對操作者的安全問題，盡量把轉(zhuǎn)矩通過機械裝置釋放一些，提高操作者的安全系數(shù)。 （3）應(yīng)用范圍 挖坑不僅適用于平原、沙地和丘陵，還能夠用于山地和溝壑；不僅適用于坡度56°以下的陡坡林地的整地挖坑，而且還適用于35°以下的坡地挖坑造林。 3研究內(nèi)容 本次設(shè)計的挖坑機是一種搭載在東風(fēng)汽車底盤的空心鉆筒挖坑機，由分動機構(gòu)、支撐機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、工作機構(gòu)組成；由汽車發(fā)動機通過分動機構(gòu)提供動力，液壓系統(tǒng)來控制各個部分的運動，從而實現(xiàn)挖坑作業(yè)。主要研究內(nèi)容包括以下部分： 3.1 支撐機構(gòu) 支撐機構(gòu)主要包括液壓缸和支撐導(dǎo)軌。液壓泵將發(fā)動機的機械能轉(zhuǎn)換為液壓能使液壓缸工作支撐起整個工作機構(gòu)，同時需要導(dǎo)軌的導(dǎo)向作用，來確定工作機構(gòu)工作時的平穩(wěn)。 3.2 分動機構(gòu) 從汽車發(fā)動機輸出的動力，通過齒輪傳動輸入到液壓泵中提供動力。 3.3 液壓系統(tǒng) 液壓控制系統(tǒng)由各自獨立的液壓回路組成，主泵通過各液壓回路控制油缸和液壓馬達，使操作機產(chǎn)生相應(yīng)動作。 3.4 工作裝置 工作裝置主要包括加壓裝置，減速裝置，和挖坑裝置，通過加壓裝置使整個鉆筒上下移動，減速裝置中，通過液壓馬達帶動減速器使鉆桿以要求的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)帶動鉆筒進行挖坑工作。 3.5 其他輔助裝置 其他輔助裝置有支腿機構(gòu)和回轉(zhuǎn)機構(gòu)，配合整個挖坑機在載體上的位置放置和挖坑工作。 4研究方案 4.1總體方案 本課題設(shè)計的挖坑機主要安裝在東風(fēng)EQ140汽車底盤的基礎(chǔ)上,由分動裝置、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、支腿機構(gòu)、支撐機構(gòu)、挖坑裝置等組成?？傮w方案如圖4-1所示。 分動裝置的輸入軸它將汽車發(fā)動機的動力接出，驅(qū)動二個柱塞泵和一個齒輪泵，為挖坑機提供動力。任何機械都是由若干個構(gòu)件所組成的，組成機械的各個構(gòu)件之間具有確定的相對運動。如圖4.1所示。 回轉(zhuǎn)機構(gòu)采用Q2-3汽車起重機的回轉(zhuǎn)機構(gòu)，有液壓馬達驅(qū)動，轉(zhuǎn)盤可作270°范圍內(nèi)的回轉(zhuǎn)，能使挖坑機的鉆頭在汽車后方和左右兩方的旋轉(zhuǎn)弧線上任一點位置進行挖坑作業(yè)。 支腿機構(gòu)由四只支腿組成，在工作時支撐于地面，以增加作業(yè)時整機的穩(wěn)定性，支腿的放下、支撐和收起均由各自的液壓缸驅(qū)動。支塔機構(gòu)用于支撐鉆塔，運輸時通過支塔液壓缸將挖坑裝置傾倒置于車廂前部的支架上，工作時將挖坑裝置支撐于直立位置。挖坑裝置由筒形鉆頭、減速器、主液壓馬達加壓裝置和鉆塔等組成。 加壓裝置在鉆塔內(nèi)，其加壓油缸的活塞桿與鉆桿用特殊的接頭連接，可以在鉆桿旋轉(zhuǎn)時仍能保證傳遞向下的進給力，活塞桿向上時，可將鉆頭從土壤中提升踹。鉆頭與鉆桿連結(jié)，鉆桿上部為方軸，與減速箱被動齒輪的方孔配合，可在方孔中上下移動而不影響扭矩的傳遞。液壓馬達通過減速器驅(qū)動鉆頭，帶合金鋼切削齒的空心鉆筒可以破碎堅硬的地表層。 空心鉆筒植樹挖坑機為全液壓系統(tǒng)傳動，其液壓系統(tǒng)由兩個液壓馬達、三泵、雙回路組成，分為主油路和副油路。主油路的動力是兩個柱塞泵、直接驅(qū)動主液壓馬達和加壓液壓缸使筒形鉆頭工作；副油路則由一個齒輪泵提供動力給其它執(zhí)行元件（如回轉(zhuǎn)盤、支腿、支塔旋轉(zhuǎn)等）。工作時，支塔處于垂直位置；不工作時（閑置和移動途中）支塔轉(zhuǎn)至一定角度收放于汽車底盤上。 圖4-1 為機動式空心鉆筒植樹挖坑機的示意圖 4.2工作裝置的設(shè)計 4.2.1挖坑裝置 （1）鉆筒的設(shè)計 本設(shè)計是空心鉆筒植樹挖坑機，空心鉆筒的作用是將刀齒旋轉(zhuǎn)運動帶出來的土壤通過鉆筒內(nèi)側(cè)的螺旋線型突起留在鉆筒內(nèi)部而不會掉落在坑內(nèi)，挖坑動作完成以后，通過挖坑裝置回放的小幅振動或人工將土壤從鉆筒里掉落。鉆筒采用45 鋼鍛造，直徑600mm,在鉆筒外緣一共裝八把刀齒，為了安裝刀齒方便，鍛造完成后，在360°方向上對稱磨八個平面，方便了刀齒刀柄部分螺栓的連接。鉆筒無底無蓋，為了將旋轉(zhuǎn)運動傳遞給鉆筒，在鉆筒上方焊接了4 根鋼條，為了保證法蘭安裝的精度，在鋼條上部再焊接一條方形鋼板，用來安裝法蘭。 （2）切削刀齒的設(shè)計 本植樹挖坑機的硬質(zhì)合金切削刀齒,可以在鉆筒旋轉(zhuǎn)運動和加壓液壓缸的壓力作用下, 實現(xiàn)刀齒的切土和拋土，從而實現(xiàn)挖坑功能。硬質(zhì)合金切削刀齒在土中旋轉(zhuǎn)過程中將土壤破碎，向上扛起使其松動。被松碎的土壤在旋轉(zhuǎn)作用下一部分拋離地面，大部分被卷入鉆筒中，通過鉆筒內(nèi)的螺旋線旋轉(zhuǎn)形狀來留在鉆筒內(nèi)部。切削刀齒用螺栓固定在鉆筒外側(cè)，在挖坑時利用刀齒的旋轉(zhuǎn)運動將下層的土壤松動，利用鉆筒的向下運動將土層卷到空心鉆筒中，完畢后利用液壓缸的提升和轉(zhuǎn)向作用，使土壤從鉆筒中掉落出來,從而完成挖坑任務(wù)。 4.2.2加壓裝置和減速裝置 （1）減速器的選型，根據(jù)課題要求進行計算選型需要市場上可以購買到的減速器。適當(dāng)降低速度，增加扭矩。 （2）空心鉆筒挖坑機液壓系統(tǒng)設(shè)計 該機為全液壓系統(tǒng)傳動，其液壓系統(tǒng)由兩個油馬達、三泵、雙回路組成，分為主油路和副油路。主油路的動力是兩個柱塞泵、直接驅(qū)動主液壓馬達和加壓液壓缸 使筒形鉆頭工作；副油路則由一個齒輪泵提供動力給其它執(zhí)行元件（如回轉(zhuǎn)盤、支腿、支塔旋轉(zhuǎn)等） 4.2.3滑動導(dǎo)軌的選擇 根據(jù)減速器箱體和外箱體的尺寸和受力情況，選用燕尾型滑動導(dǎo)軌。導(dǎo)軌材料應(yīng)具有良好的耐磨性、摩擦系數(shù)小和動靜摩擦系數(shù)差小。 4.3擬采取的技術(shù)措施 機動式空心鉆筒植樹挖坑機的設(shè)計針對市場的需要而設(shè)計的，采用利用現(xiàn)成的機器為動力源，采用液壓組件作為驅(qū)動力，節(jié)省空間，結(jié)構(gòu)簡單，有利用降低成本。 挖坑機結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，實現(xiàn)了挖坑和行進的自由切換，亦可根據(jù)不同的挖坑要求更換鉆頭，從而滿足不同作業(yè)的要求。 （1） 在傳動系統(tǒng)方面，可設(shè)計研究自走式挖坑機專用的減速器，集離合切換操作， 通過選擇現(xiàn)成的減速器組件，可以降低生產(chǎn)成本，可以減小設(shè)計空間使設(shè)備更具緊湊性。 （2） 進一步改進鉆頭的可拆卸、更換性，使其更靈活方便；以及對外形結(jié)構(gòu)的優(yōu) 化、附屬裝置的設(shè)計，諸如非工作時段鉆頭的放置問題、坡度太大造成設(shè)備過度傾斜的問題、操作桿可調(diào)性、降低操作人員的振動疲勞等，從而使自走挖坑機更具人性化、合理化。 在刀齒的設(shè)計中，切削刀齒的設(shè)計選擇接近于銑刀的設(shè)計。由農(nóng)林業(yè)刀具文摘查：刀齒的厚度＞20mm，一般在接近地表處r=50°—70°,這樣可使刀齒具有良好的松土推土性能和較少的能量消耗。在插入土壤時受力較大，為了避免應(yīng)力集中，故有小加強肋， 刀齒刀柄與鉆筒處為螺栓連接，提高刀齒的使用壽命，方便刀齒的互換和安裝，從而能有效地滿足當(dāng)今市場上對機動式空心鉆筒植樹挖坑機的需求，且具有如下的優(yōu)點:傳動平穩(wěn)，傳動效率搞，生產(chǎn)效率高，勞動強度低，產(chǎn)品質(zhì)量好，經(jīng)濟性好，人性化等優(yōu)點。 5進度計劃 第01周：查詢收集資料，了解植樹挖坑機的基本結(jié)構(gòu)、組成和工作原理。 第02周～第03周：確定設(shè)計系統(tǒng)總體方案，書寫開題報告。 第04周～第06周：根據(jù)原有的技術(shù)參數(shù)，初定主要設(shè)計參數(shù)，計算動力裝置液壓缸的參數(shù)，進行液壓缸選型。以及液壓泵的選擇，進行傳動裝置的運動和動力參數(shù)的計算。依據(jù)計算數(shù)據(jù)結(jié)果設(shè)計減速器內(nèi)外傳動零件，確定其尺寸、參數(shù)、材料和結(jié)構(gòu)。 第07周～第10周：依據(jù)植樹挖坑機的工作原理和工作要求，具體設(shè)計轉(zhuǎn)軸、滑槽、等機體部件。進行分動裝置、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、支腿機構(gòu)、支塔機構(gòu)、挖坑裝置等組成。零部件的具體設(shè)計，繪制零件圖和裝配圖。 第11周～第12周：植樹挖坑機論文初稿。 第13周～第14周：完善論文，論文答辯。 參考文獻 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