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湖 南 農 業(yè) 大 學 全日制普通本科畢業(yè)設計 果園開溝施肥機設計 DESIGN OF FERTILIZER DISTRIBUTOR AND DITCHER FOR ORCHARD 　　　　　學生姓名：蔡光海 　　　　　學　　號：200940615106 　　　　　年級專業(yè)及班級：2009級農業(yè)機械化及其自動化 （1）班 　　　　　指導老師及職稱：謝方平　教授 學　　院：工學院 湖南·長沙 提交日期：2013年5月 湖南農業(yè)大學全日制普通本科生畢業(yè)設計 誠 信 聲 明 本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設計是本人在指導老師的指導下，進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產權爭議。除文中已經注明引用的內容外，本論文不含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。 　　畢業(yè)設計作者簽名： 年 月 日 目　　錄 摘要 1 關鍵詞 1 1　前言 1 1.1　選題背景 1 1.2　果園開溝施肥機的作用與形式 2 1.3　果園開溝施肥機的國內外研究現狀 2 1.3.1　國內開溝機施肥機發(fā)展概況 2 1.3.2　國內主要開溝機 2 1.3.3　國外開溝機的發(fā)展概況 3 1.3.4　開溝機分類 3 2　果園開溝施肥機方案的選擇 4 2.1　懸掛式開溝施肥機 4 2.2　自走式開溝施肥機 5 3　方案的確定 5 3.1　設計思路 5 3.2　整體結構和工作原理 6 3.2.1　整體結構 6 3.2.3　工作原理 6 4　結構設計與分析 7 4.1　開溝彎刀 7 4.1.1　開溝彎刀的結構組成 7 4.1.2　側切刃 7 4.1.3　正切刃 8 4.1.4　材料和技術要求 9 4.2　開溝刀盤 9 4.2.1 　開溝刀盤內孔直徑 9 4.2.2　安裝刀片螺栓孔位置 9 4.2.3　開溝刀盤外徑 9 4.2.4　刀片安裝數量 10 4.2.5　開溝刀盤總體結構 10 4.3　開溝刀軸 10 4.3.1　開溝刀軸的最小徑計算 10 4.3.2　開溝刀軸結構圖 11 4.4　動力選型 12 4.5　開溝機傳動箱 13 4.5.1　開溝機錐齒輪箱 13 4.5.2　開溝刀滾 14 4.5.3　傳動關系圖 14 4.5.4　開溝機罩殼 15 4.6　施肥器 16 4.6.1　排肥器星輪 16 4.6.2　排肥器工作原理 17 4.7　深度調節(jié)器 18 4.7.1　液壓缸的選擇 18 4.7.2　深度調節(jié)器結構圖 19 4.7.3　液壓馬達選擇與安裝 19 5　關鍵零部件校核計算 20 5.1　開溝刀軸的校核溝刀軸的校核 20 5.2　滾動軸承的校核 22 6　結論 23 參考文獻 24 致謝 25 果園開溝施肥機設計 學　　生：蔡光海 指導老師：謝方平 （湖南農業(yè)大學工學院，長沙 410128） 摘　要：為解決果園開溝施肥工作量大等問題，通過對各種開溝施肥機進行類比，查閱相關資料，確定出一種優(yōu)化方案，并繪制其主要機構三維模型進行仿真分析與計算說明。實現該果園開溝施肥機的開溝深度可調，施肥量可調，一次完成開溝施肥等工作。 關鍵詞：果園開溝；施肥；開溝刀； 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　選題背景 在果樹管理上，施肥是一項作業(yè)量大、勞動強度大的作業(yè)。尤其是施用有機肥時，需在每棵果樹兩側、根系集中分布層稍遠和稍深處各挖一條連續(xù)或斷續(xù)的、寬深都在500毫米左右的溝。這就需要大量的勞動力來進行開溝施肥。然而隨著國內經濟的飛速發(fā)展，人們生活水平的提高，勞動力的成本也在不斷提高以及青壯年勞動力的短缺，果園開溝施肥成為了影響果園收益的一大因素。 目前，我國果園開溝施肥大多數采用人工作業(yè)，機械化水平低?，F有的開溝機大多不適應果園作業(yè)，主要表現在果園工作環(huán)境復雜，地表有雜草、樹枝、石塊，地下有石塊和根茬以及果園果樹之間的間距比較窄，大型拖拉機等無法進行作業(yè)，不適應大馬力的動力，要實現機械化作業(yè)，必須用小功率的拖拉機完成。根據文獻報道，國內還沒有開發(fā)出成本低、功耗低的專用機型，國外雖然有成熟專用的開溝機具，但并不適合國內現階段農村市場的需求。 為解決果園開溝施肥所面臨的實際問題，設計出一種能夠集開溝與施肥于一體的果園開溝施肥機是有必要的。 1.2　果園開溝施肥機的作用與形式 果園開溝施肥機是一種果園開溝施肥專用機械，主要運用于果園的開溝、施肥、土回填平、壓實等工作，隨著我國工業(yè)經濟的發(fā)展和新農村建設步伐的推動了林果業(yè)的發(fā)展，為開溝施肥機提供了用武之地并促其迅速發(fā)展。果園開溝機大體分為自走式、懸掛式兩種形式，自走式的果園開溝施肥機主要適合小型果園，懸掛式的果園開溝施肥機主要適合大型果園[1]。 1.3　果園開溝施肥機的國內外研究現狀 1.3.1　國內開溝機施肥機發(fā)展概況 我國對開溝機的研究開發(fā)比較晚，經歷了從犁鏵式開溝機、圓盤式開溝機和鏈式開溝機的發(fā)展歷程。20世紀80年代中期，國家引進了小量開溝機主要用于農業(yè)暗管排水工程，這是早期的技術引進。但由于有機肥的應用還不廣泛，只是停留在小農經濟水平上，因此，此時的開溝機主要用于農田水利工程以及地下電纜，自來水工程等。近年來，隨著國家對綠色農業(yè)大大力倡導，有機肥在農業(yè)上得到廣泛應用和發(fā)展，特別是在果園的應用上，使開溝機的研究方向逐漸向有機肥施肥開溝機方向發(fā)展。 1.3.2　國內主要開溝機 1991年，安徽省宣州市孫埠鎮(zhèn)農機管理服務站對8.8KW手扶拖拉機的配套農具——旋耕機進行合理改裝,研制出1KS-20型臥式彎刀開溝機。1996年，昆山農業(yè)機械化研究所祁天循研制開發(fā)了1KLZ-2型立式螺旋開溝機。2000年東北農業(yè)大學韓永俊、尹大慶、馮江、王德福等人完成了1KL-100型立式螺旋開溝機的設計。2006年，中國農業(yè)機械化科學研究院與山東廣饒三元液壓機械環(huán)保有限公司的多功能的開溝機。2009年2月，農業(yè)科學院農業(yè)機械化研究所阿布里孜·巴斯提、蘭秀英、貢獻、劉旋峰等人開發(fā)研制了1K—40型偏置式果園開溝機。2010年4月西北農林科技大學機電學院王京風、楊福增、劉世等人進行微型遙控果園開溝機的研發(fā)與設計。目前，開溝機技術雖然得到較快的發(fā)展，但依然存在很多問題，適用于果園開溝的機具還是比較少[1]。 1.3.3　國外開溝機的發(fā)展概況 國外很早就開始了有機肥的應用研究，如歐美、意大利、法國等，并且有著廣泛的應用。隨著科學技術的進步和應用范圍的擴大對開溝機的要求也越來越高，開溝裝備研究工作步入了一個新時代，先進的新型設備不斷涌現。國外較早生產開溝機的國家是美國和前蘇聯，其發(fā)展過程是從犁鏵式開始的，目前國際上的主要開溝機生產廠商在美國，但是國外開溝機生產已向多樣化趨勢發(fā)展，且更趨專機專用，開溝機只用于開溝作業(yè)，而當機械不開溝時只能閑置。這種情況并不符合我國的國情[2]。 1.3.4　開溝機分類 開溝機是由拖拉機動力輸出軸驅動的一種耕作機具。開溝機有裝在手扶拖拉機上，也有裝在輪式拖拉機或履帶拖拉機上的，可分為犁鏵式開溝機、旋轉開溝機、鏈式開溝機，這里分別說明其工作原理。 鏵式犁開溝機產生于2O世紀50年代，鏵式犁作為最早的開溝設備，被用于農田建設當中。其型式主要有懸掛式和牽引式。這種開溝機結構簡單、速度快、效率高、工作可靠、零部件較少，開溝深度為30～50cm，主要缺點是土壤硬度不能太大。否則開出的溝形難以保證，且結構笨重，溝邊留下的垡條大且不能分散，需人工修理等。特別是工作時牽引阻力很大，常用斯大林80拖拉機才能拖動，有的地方要用兩臺大拖拉機牽引。 旋轉開溝機是在50年代后期，與拖拉機向大馬力發(fā)展的趨勢相適應。旋轉開溝機得以迅速發(fā)展。由于它牽引阻力小，適應性強，能均勻散開溝內土壤，工作效率高,因而得到了迅速發(fā)展和廣泛應用。這種開溝機的主要工作部件是一個或兩個高速旋轉的圓盤,圓盤四周是銑刀，銑下來的土壤按不同的農藝要求，將土壤均勻地拋擲到一側或兩側5—15cm范圍內的地面上，也可將土壤成條堆置在溝沿上形成土埂。兩圓盤與水平面呈45°，這種旋轉開溝機的開溝斷面呈上口寬、溝底窄的倒梯形，且溝形整齊，無須輔助加工。缺點是：行走慢(拖拉機以50～400 m／h的超低速前進)、傳動復雜、結構龐大、制造工藝要求高、單位功率消耗大。生產率比犁鏵式開溝犁低。 鏈式開溝機出現于20世紀70年代末期，鏈式開溝機開始興起。鏈式開溝機設備簡單、組裝方便，所開溝溝壁整齊，溝底不留回土，效率高。溝深和溝寬易于調節(jié)，可開挖窄而深的地下溝槽，用以埋設地下排水管道。或者用于鐵道、郵電、城建等部門埋設電纜與管道等，還可用于果園、蔬菜園及其他農田環(huán)境開溝施肥、排水、灌溉。鏈刀式開溝機的挖掘部件為帶刀片的鏈條，刀齒切割土壤并將其帶至地面，再用螺旋輸送器將土運至溝的一側或兩側[2]。 2　果園開溝施肥機方案的選擇 果園開溝施肥機可分為懸掛式和自走式，其中懸掛式的開溝施肥機較適合比較大型的果園開溝施肥，具有效率高、動力強勁等好處、但不適合小型果園。自走式開溝施肥機也就是發(fā)動機和開溝機一體化，相對于大型的懸掛式開溝施肥機，他就能夠彌補其在小型果園開溝施肥方面的不足、但是其效率比較低，一般都是手扶式的。勞動強度也相對較大。 2.1　懸掛式開溝施肥機 1.拉桿　2.機架 3.輸出軸 4.變速箱 4.刀盤軸 5.開溝軸 6.皮帶輪 7.皮帶 8.帶刀盤 9.開溝刀 10.加肥器 11.離合皮帶輪 12.土回填板 13.加壓彈簧 14.軋實輥 15.擋板 圖1　懸掛式開溝施肥機 Fig 1 Suspension type ditching and fertilizing machine 圖1所示開溝機是由淮陰工學院發(fā)明的果園開溝施肥機[3]，該開溝施肥機是一種懸掛式開溝機。能實現果園生產中的開溝、施肥、土回填整平、壓實等工作一次性完成，使用靈活，生產效率高，能有效的降低勞動強度。 該開溝機需要使用拖拉機進行動力的傳遞以及開溝施肥機的提放。 2.2　自走式開溝施肥機 1.溝深調節(jié)機構 2.開溝機構 3.擋板 4.覆土機構 5.行走輪 6.操作控制機構 7.變速箱 8.離合器 9.肥料箱 10.施肥機構 11.發(fā)動機 12.機架 圖2　自走式開溝機 Fig 2 Self-propelled ditching machine 圖2所示是由湖南農業(yè)大學以及長沙市勁牛機械有限公司研制的開溝機[4]，該開溝機是一種自走式的果園開溝機。該開溝機開溝深度可以調節(jié)，可以作為開溝機，也可以作為開溝施肥機，功能齊全，能夠實現開溝-施肥-覆土一體化作業(yè)，效率高，并且自帶發(fā)動機，無需牽引設備，實用性更強。 該開溝機使用的獨立動力，不需要拖拉機牽引。 3　方案的確定 3.1　設計思路 由于此次設計的是小型果園開溝施肥機，主要實現果園開溝施肥機開溝深度，施肥量可調。變速箱直接連接開溝機構，這樣開溝機由提升梁、中間齒輪箱體、支撐板、側邊鏈條箱體、擋板等機件構成。中間齒輪箱體用螺栓固定在變速箱上，使用液壓提升機構通過提升梁使開溝施肥機輪子與開溝刀主軸之間的垂直距離實現改變，從而使刀滾升降，調節(jié)開溝深度。排肥器排肥星輪和地輪連接，手扶拖拉機在行走過程中通過地輪軸帶動排肥星輪轉動，排肥星輪轉動的時候就能夠帶動施肥箱內的肥料，星輪槽轉動到下方時肥料通過自重落入溝內從而達到施肥的目的，施肥器上設置有調節(jié)片用來調節(jié)施肥量。 3.2　整體結構和工作原理 3.2.1　整體結構 通過前面的設計我有了初步的方案和認識，這里我將前面繪制的裝配圖以及拖拉機的模型圖通過裝配后進行進一步的仿真分析以及各個零件圖的標注以及工程圖的繪制，各個零件之間的裝配關系進行了進一步的梳理，整理裝配后進行分析，確定出整體機構圖。 1.柴油機 2.開溝機 3.液壓提升機構 4.液壓泵和電機 5.施肥機 6.座椅 圖 3　整體布局圖 Fig 3 The whole layout 圖3是果園開溝施肥機的整體設計圖，其中開溝機通過變速箱直接連接到機架上，實現動力的傳遞，變速箱輸出動力的轉速與功率和開溝機的額定轉速相當，其中沒經過減速，施肥器的和整機通過螺栓連接，開溝器和整機通過螺栓連接，液壓缸和開溝機于機架通過螺栓連接使用電池換向閥控制開溝機開溝深度的調節(jié)，使開溝施肥機能在行走時讓開溝機提升方便不會和地面接觸。 3.2.3　工作原理 整機主要由開溝機，施肥機，以及手扶拖拉機，和液壓提升裝置構成，在手扶拖拉機行走過程中，變速箱輸出動力通過開溝機的錐齒輪箱使縱向動力轉變成橫向動力，從動軸上面連接著主動鏈輪，主動鏈輪通過鏈條傳遞到從動鏈輪上面，從動鏈輪直接連接在開溝刀軸上面，這樣在手扶拖拉機行走時就能夠帶動開溝刀開溝。液壓提升裝置連接在機架上，液壓裝置中的液壓缸前端和開溝機的左撐板通過螺栓連接，后端通過連接法蘭和機架通過螺栓連接。液壓馬達通過電動機帶動，通過改變電池換向閥的狀態(tài)從而達到整個開溝機的升降調節(jié)。施肥機由施肥星輪通過施肥軸連接地輪。手扶拖拉機在行走過程中通過地輪軸帶動排肥星輪轉動，排肥星輪轉動的時候就能夠帶動施肥箱內的肥料，肥料通過星輪槽帶動當轉動到下方時肥料通過自重落入溝內從而達到施肥的目的，施肥器上裝有調節(jié)片用來調節(jié)施肥量。 4　結構設計與分析 4.1　開溝彎刀 開溝刀是開溝機的主要工作部件。其種類有鑿形刀、彎刀和直角刀等。彎型刀片（分為左彎和右彎）有滑切作用，不易纏草，具有松碎土和翻土覆蓋能力，但消耗功率較大，國內生產的開溝刀大多是彎形刀片。鑿形刀片入土和松土能力較強，功率消耗小，但容易纏草，適用于土質較硬或雜草較少的旱地耕作。直角刀片性能同彎刀相似，國內生產和使用的較少[5]。由于果園的土地較硬，雜草較多，因此我設計的開溝機選用彎刀。 4.1.1　開溝彎刀的結構組成 開溝刀主要由側切面、正切面、過度面三個部分組成，開溝刀各部位名稱如圖４，側切面具有切開土垡，切斷或推開草莖、殘茬的功能；正切刃除了切土外還具有翻土、碎土、拋土等功能[6]。 1.刀柄 2.正切刃 3.側切刃 圖4　開溝刀的結構圖 Fig 4 Mechanism of the rotary blade 4.1.2　側切刃 國產的各種彎刀，側切刃均為等近螺旋線（阿基米德螺線） 其方程為： ρ=ρ0+α θ （1） ρ0：螺線起點的極徑（mm）； α：螺線極角每增加1弧度，極徑的增量（mm）； θ：螺線上任意點的極角（rad）； 螺線終點處的極徑： ρn=ρ0+α θn （2） 再確定ρn、ρ0及θn值后可求出α值： α=(ρn-ρ0)/θn （3） 螺線起點的極徑ρ0為避免無刃部切土。 ρ0=R2+S2-2S(2RH-Hα2)0.5 （4） 式中：S:為設計切土節(jié)距；H：設計耕深；R:彎刀回轉半徑，為減小阻扭矩，應在滿足耕深要求和結構許可的情況下，采用較小尺寸。 對于果園開溝，S的適宜范圍為4-6cm。這里就取5cm作為切土節(jié)距。 式中Vm：開溝機的前進速度，取Vm=2Km/h；n：刀軸轉數；z：彎刀數量，取z=6 通過計算圓整后得ρ0=60；θn=0.5rad；α=320mm。 將α代入式ρ=ρ0+α θ，并通過Pro/E的參數方程繪制曲線做出側切刃螺線。 4.1.3　正切刃 正切刃是空間曲線，為使溝底平整，正切刃曲線位于刀滾的圓柱面上及在側視圖上其投影為圓弧，兩段刃口間用圓弧線連接。 在Pro/E中建立空間直角坐標系，繪制側切刃螺線，插入基準曲線使用方程建立笛卡爾坐標系將等近螺旋線轉換成Pro/E中的參數方程。 θ= T×θn；ρ0=60；θn=0.5rad；α=320mm。 A=θn×T×360/(2π） （5） X=(ρ0+α θ) ×cos(A) （6） Y=(ρ0+α θ)×sin?(A) （7） Z=0 繪制出一條等近螺旋線 引用螺旋線并繪制30×60刀柄并在一定尺寸上開M10通孔兩個用來固定開溝刀，在拉伸側切刃所在的平面拉伸長度為10mm繪制正切刃切除多余部分等。 4.1.4　材料和技術要求 用GB699-65規(guī)定的65Mn鋼制造。切削部分必須進行淬火處理，淬火區(qū)硬度為HRC50-55。開溝彎刀應用樣板進行檢查，刃口曲線形狀誤差不得大于3mm。 4.2　開溝刀盤 開溝刀盤用來固定開溝刀，開溝刀盤上的刀片依次為劃切、破碎、拋出土壤而形成深溝。由開溝刀盤結構和原理可知，開溝刀盤的質量主要決定于材料的選用和各結構尺寸及安裝刀片數量[７]。開溝刀盤為了方便和上述開溝刀片裝配，其安裝螺栓孔按照M10通孔精密配合設計，孔徑為10.6。安裝位置為刀座上安裝刀盤的螺栓孔沿旋轉軸半徑方向到旋轉軸母線的距離。設計參數為：刀盤內孔直徑、安裝刀片數量、刀片安裝孔位置、刀盤體鋼材厚度。 4.2.1 　開溝刀盤內孔直徑 通過查閱相關資料知道開溝部件正常工作中所消耗的功率為4-6KW左右，開溝刀盤的轉數在186-250r/min左右。計算時轉數取最小值，功率取最大值，以保證開溝軸上受到最大扭矩。 Mq=9550Nn=338.87（N?m） （8） 按扭矩強度計算軸徑，即開溝刀盤內孔直徑應該滿足： τmax=TWt=16MqπD13[1-(D1-2σD1)4]≤[τ] （9） 其中：[τ]為開溝軸承受扭轉形變的需用切應力值經過計算開溝刀盤內孔并圓整后得D1=50mm 4.2.2　安裝刀片螺栓孔位置 刀片與刀盤體通過螺栓與刀盤體上的刀座進行連接，因此，該處的螺栓受工作剪力應該作剪切強度計算，由于開溝刀盤切入土壤為單個刀片依次劃切土壤，因此，在最為危險的情況下是一個刀片作用土壤時連接刀片的螺栓上所受到的擠壓及剪切力最大，通過計算圓整后的取ｄ=400mm 4.2.3　開溝刀盤外徑 開溝刀盤外徑D為安裝刀片后開溝軸的最大旋轉外圓直徑。影響開溝刀盤外徑的因素很多。這里就以開溝深度，傳動箱接地點與刀軸中心點距離，土壤下限量作為參考。 D+2B≥2（H+l-e） （10） 其中：H為開溝深度，H≤250mm；L為傳動箱接地點與刀軸中心點距離，L=100mm；e為土壤下下限量，取30mm[8] 根據各種因素確定選用500作為開溝刀盤外徑。 4.2.4　刀片安裝數量 切土節(jié)距S的大小是影響開溝破土的主要指標，S主要由機組前進速度、開溝刀盤轉數及其安裝刀片個數所決定[9]，對于果園開溝，S的適宜范圍為4-6cm。 S=2πvmwZ （11） 工作時機器前進速度為2km/h，開溝轉數在250r/min左右。 帶入公式并圓整可得Z=6 開溝刀為消耗件在其損壞之后需要更換，開溝刀座的作用是固定開溝刀與開溝刀盤。根據設計的刀片的數量這里在刀盤上一體成型6個刀座。 4.2.5　開溝刀盤總體結構 通過上述參數的確定，刀盤采用一體式設計開溝刀直接通過螺栓安裝在刀盤上面，刀盤的為一個直徑260的圓。通過鍵和旋轉軸相互連接。刀盤的主要結構包括開溝刀槽、螺栓孔結構簡單加工方便。 1.鏈接螺紋孔 2.開溝刀盤 3開溝刀座 圖5　開溝刀盤的結構設計圖 Fig. 5 Structure design of ditching cutter 4.3　開溝刀軸 4.3.1　開溝刀軸的最小徑計算 開溝刀軸的主要作用就是固定開溝刀盤并傳遞扭矩，根據開溝部件開溝刀盤上的孔徑尺寸，根據開溝刀工作部件的功率在5KW左右，轉數在250r/min。 開溝刀軸主要承受扭矩作用，這里選用實心圓軸材料45鋼，其扭轉強度條件為 τT=TWT=9.55×106P0.2d3n≤τT MPa （12） 寫成設計公式時軸的最小直徑為 d≥39.55×1060.2τT3Pn=C3Pn mm （13） 式中：T為軸所傳遞的扭矩，N?mm；WT為軸的扭矩截面系數，mm3；P為軸傳遞的功率，KW；n為軸的轉數，r/min；[τT]為軸材料的許用扭轉剪應力，MPa；C為與軸材料有關的常數，見表1 表1　軸的常用材料的[τT]值和C值 Table 1 Commonly used shaft / [τT] value and C value 指標 軸的材料 Q235,20 35 45 40Cr,5SiMn [τT]/Mpa C 12~20 20~30 30~40 40~52 160~135 135~118 118~107 107~98 注：當彎矩作用相對于扭矩很小或只傳遞扭矩時，[τT]取最大值，C取最小值；反之[τT]取最小值，C取最大值[10]。 d≥39.55×1060.2τT3Pn=C3Pn mm≥32.03（mm） （14） 考慮到鍵槽對軸強度削弱的影響，軸徑應該加大5%，則 D=32.03×1.05=33.63（mm） 把計算直徑圓整成標準直徑：35mm 4.3.2　開溝刀軸結構圖 根據設計結構知到該軸主要連接開溝刀盤和一個鏈輪以及軸承等零件，由于軸的最小徑為35mm查詢機械設計手冊選擇軸承6007。為了方便固定軸承的位置使用卡環(huán)槽固定軸承的徑向位置，這里選用35mm規(guī)格的內卡，固定開溝圓盤也同樣式用卡環(huán)固定開溝刀盤的內孔直徑為50mm長度為60mm根據開溝刀盤的寬度以及開溝刀安裝上去的寬度以及開溝寬度確定該段軸長為200mm。 圖6　開溝刀軸的結構設計 Fig 6 Structure design of ditching knife shaft 4.4　動力選型 影響開溝機開溝的功率的因素很多，有切削和拋擲土壤耗功N1(KW)，開溝作業(yè)是推進開溝施肥機前進所消耗功率N2(KW)，開溝機各傳動部分所消耗的功率N3(KW)，開溝機功率為N(KW)。有： N=N1+N2+N3 (KW) （15） 查閱相關資料可以得出切削和拋擲土壤耗功N1=5KW，開溝作業(yè)是推進開溝施肥機前進所消耗功率N2=0.62KW，開溝機各傳動部分所消耗的功率N3=0.97KW，開溝機功率為6.59KW。在網上查詢選擇151東風型手扶拖拉機。 表2　東風型手扶拖拉機 Table 2 DONGFENG hand tractor 型號 BF-81 BF-91 MSD-121 MSD-151 拖 拉 機 外形尺寸（長寬高）（mm） 2180×890×1250 2690×960×1250 離地間隙（mm） 204 234 185 輪距（mm） 650~730 580~800 結構重量（kg） 155（底盤） 350 360 輪胎規(guī)格 5~12 6~12 6~12 發(fā) 動 機 額定功率 5.88 6.6 8.8 10.3 轉速（轉/分） 2400 2000 冷卻方式 蒸發(fā)水冷式 蒸發(fā)水冷式 根據表2以及開溝機消耗功率可以初步選擇東風151BF-91型手扶拖拉機適合該開溝機。 東風型手扶拖拉機151BF-91型手扶拖拉機是一種自帶旋耕刀的手扶拖拉機，產品結構形式單軸、牽引驅動兼用型；配套動力 / S1100、ZS1100柴油機；柴油機形式單缸、臥式、四沖程、水冷蒸發(fā)標定功率6.6 Kw（12h）；標定轉速2200 r/min；離合器 / 干式雙片常結合摩擦；發(fā)動機至離合器傳動；三角皮帶B型變速箱直齒圓柱齒輪（3＋1）×2組成；制動器 / 濕式環(huán)狀內漲式；轉向結構牙嵌式轉向離合器；最終傳動兩級減速直齒圓柱齒輪；結構質量155kg；外形尺寸長×寬×高 mm 2180×890×1250；輪距700 mm；最小離地間隙204 mm；最小轉彎半徑1000 mm；前進/倒退檔位數 / 6/2 ；啟動方式 / 手搖啟動 ；輪胎規(guī)格 / 6.00-12；輪胎工作氣壓137-196 kpa 。 其輸出轉數為250轉左右符合開溝要求。 4.5　開溝機傳動箱 手扶拖拉機和開溝機之間可以用螺栓直接固定在拖拉機變速箱體上，因此不需要萬向節(jié)，直接用動力輸出軸傳動。提升時開溝機可以繞主梁轉動，動力由變速箱傳動齒輪通過側邊傳動鏈帶動刀盤旋轉，一般會有變速齒輪箱，左、右殼體，傳動箱，左右支臂和刀盤等組成一個矩形框架，以承受開溝作業(yè)產生的力矩。在矩形機架的上部安裝開溝機罩殼，在罩殼的尾輪架上裝施肥用的施肥機構[1１]。 4.5.1　開溝機錐齒輪箱 開溝機變速箱是由箱體，開溝機傳動軸，開溝刀傳動齒輪，嚙合套和操縱桿等組成。旋耕刀傳動軸的一端裝在開溝機變速箱體內，另一端裝在開溝刀傳動箱體內，在開溝刀傳動軸的一端空套著一個帶有牙嵌嚙合齒的傳動齒輪，由彈性擋圈，墊圈定位。在前進檔位和空檔時，與變速箱內的倒擋齒輪嚙合。開溝刀傳動軸的花鍵部分裝著嚙合套，嚙合套的一個端面也有牙嵌嚙合齒。通過操縱桿撥動，可與開溝刀傳動齒輪上的牙嵌嚙合齒輪嚙合或者分離。結合時，可將變速箱的動力通過開溝機傳動齒輪、嚙合齒輪傳遞給開溝刀。分離時，即切斷動力。在嚙合套和旋耕刀傳動軸之間、用彈簧式定位裝置定位。在旋耕刀傳動箱內，開溝刀傳動軸的一端上，用花鍵連接著主動軸，并有彈性擋圈限位。 由于手扶拖來機在１擋工作檔位是傳出動力為250r/min故開溝機變速箱內不需要在進行變速。  4.5.2　開溝刀滾 開溝刀滾的一端深入開溝刀軸傳動箱，軸端裝著從動鏈輪。在軸兩端的軸承外側背靠背地裝有卡環(huán)限位，使用帶蓋環(huán)的軸承以防止軸承里的潤滑油外漏或污水進入軸承。 1.開溝刀 2.開溝刀軸 3.鏈輪 4.開溝刀盤 5.軸承 圖 7　開溝刀滾 Fig 7 Ditching knife roller 4.5.3　傳動關系圖 圖8是開溝部件的傳動圖,其中1主動錐齒輪軸、2主動錐齒輪、3從動錐齒輪、4從動錐齒輪軸、5主動鏈輪、6雙排鏈條、7從動鏈輪、8開溝刀軸、9開溝刀盤。傳動路線為動力通過變速箱變速以后經過離合器傳動到主動錐齒輪主動錐齒輪通過從動鏈輪傳遞動力給主動鏈輪，主動鏈輪通過鏈條傳遞動力給從動錐齒輪，最后通過軸傳遞給刀滾。由于工作檔位為一檔，在網上查閱相關資料了解到東方紅151手扶拖拉機的變速箱輸出動力的轉速在250轉每分，因為前面所確定的開溝刀轉速在250轉左右所以錐齒輪和兩輪之間的傳動比都是1:1傳動。 1.主動軸 2.主動錐齒輪 3.從動錐齒輪 4.從動軸 5.主動鏈輪 6.鏈條 7.從動鏈輪 8.開溝刀軸 9開溝刀盤 圖 8　開溝機傳動圖 Fig 8 The transmission relation 4.5.4　開溝機罩殼 圖 9　開溝機罩殼 Fig 9 Ditch cover 開溝機由上，下蓋板，左右側板后蓋板，擋板和尾輪座駕等組成，安裝在矩形機架上。罩殼的尾輪座駕上裝有尾輪。開溝作業(yè)時開溝機罩殼具有防止土塊的飛散和泥土飛濺，保證耕作質量，安全防護等作用。 4.6　施肥器 施肥器主要是用來給開好溝后直接給溝里面施肥的，傳統(tǒng)的施肥方式消耗體力又費時，而且化肥利用率不高，易造成土壤板結等現象。施肥器歷經多年改進具有體積小，重量輕、操作簡便的特點，使用施肥器施肥可以減輕農民的勞動強度、提高化肥利用率、減少環(huán)境污染，達到省肥、省力、省時、省錢的好效果。 施肥箱總成的設計 根據實際需要施肥箱設計容量為45L，箱體采用δ2冷軋板彎折焊合而成，施肥箱下部采用加強板子方便和施肥器連接。 圖10　肥箱機構圖 Fig 10 The fertilizing box structure diagram 4.6.1　排肥器星輪 排肥器主要工作部件為繞垂直軸轉動的水平星輪，工作時，通過傳動機構帶動排肥星輪轉動，肥箱內的肥料被星輪齒槽及星輪表面帶動，經肥量調節(jié)活門后，輸送到排肥口，肥料靠自重落入溝內。該排肥器的肥箱底部裝有調節(jié)葉片，箱底可以打開，便于消除殘存的化肥；星輪的拆卸也很方便：排肥量的調節(jié)可以通過調片改變排肥活門的開度來實觀[14]。該排肥器適合排晶狀化肥和復合顆粒肥，還可以排施干燥粉狀化肥。 排肥器軸為了方便和地輪連接，所以就直接和輪子相連接，這樣輪子動的時候就能夠帶動排肥器工作，排肥器連接的時候采用方形實心。排肥器軸的和兩個輪子連接其中兩個輪子中一個輪子使用鍵連接，一個輪子使用軸承連接。這樣就能夠保證施肥機在轉彎的時候不會因為輪子的轉速不同而對軸產生影響。 排肥器調節(jié)板直接使用２毫米厚冷軋板折彎而成，這樣簡單的調節(jié)排肥星輪的活門來實現施肥量的調節(jié)。 1.排肥軸 2.排肥星輪 3排肥器 4.螺栓 圖11　排肥器 Fig 11 fertilizing box 4.6.2　排肥器工作原理 1.排肥箱 2.地輪 3.軸承座 4.排肥星輪 5.排肥器 6.軸承 圖12　排肥器機構設計圖 　Fig 12 Feed mechanism design 圖12所示排肥器中、整體通過兩個軸承座和手扶拖拉機連在一起，2接觸地面滾動時能夠帶動軸轉動，軸轉動的時候又能夠帶動4排肥星輪的轉動，從而實現肥料的排出，通過撥動調節(jié)板能夠實現開口大小的改變從而實現施肥量的調節(jié)。當在不需要排肥的地方可以將調節(jié)插板撥到最大位置這樣就可以實現施肥過程的中斷，從而實現在不需要排肥的地方不用排肥節(jié)約肥料。 4.7　深度調節(jié)器 深度調節(jié)器的作用主要是用來調節(jié)開溝深度的由于前面設計的開溝機是可以繞著左右支架旋轉的這樣就只需要調節(jié)他的角度就能夠實現深度的調節(jié)[13]。由于開溝深度在15-20cm，所有選用的液壓缸行程在20cm以上。通過控制液壓缸就可以調節(jié)開溝機升降，為了方便操作使用電磁換向閥。 4.7.1　液壓缸的選擇 根據前面的設計可知開溝機的開溝深度在20~30mm可調，所以選擇長度為在200~300之間。初設液壓泵的油壓為16MPA，開溝機工作的時候的工作壓力在180N左右有 F=N×S （16） F表示液壓缸的工作壓力，N表示液壓缸的有效截面積，S表示油壓 可以計算出N=1562mm2=πR2 可得R=19mm圓整后選擇直徑40mm缸徑 根據查表可一直到選擇HSGL0157AEZE255 1.開溝機 2.液壓缸 3.溢流閥 4.液壓泵 5.電磁換向閥 圖 13 液壓結構與安裝圖 Fig 13 Hydraulic structure and installation diagram 圖13為深度調節(jié)器的液壓結構示意圖其中電磁鐵1YA接通時，泵向液壓缸左端供油，并推動活塞向前運動從而帶動開溝部件向下運動，當深度達到要求值時斷開1YA這時候電池換向閥回到中位，此時不需要供油，當開溝結束時電磁鐵接通2YA，油泵向液壓缸右端供油同時推動活塞向右運動。 4.7.2　深度調節(jié)器結構圖 1.液壓缸 2.座端法蘭盤 3.活塞端法蘭盤 圖14　液壓缸深度調節(jié)器 Fig 14 Hydraulic depth regulator 圖14所示為一種液壓缸深度調節(jié)裝置其中連接法蘭1直接和開溝機的機架相互連接，連接法蘭2和機架相互連接就能夠實現開溝機的深度調節(jié)，通過調節(jié)換向閥就能夠實現液壓缸的伸縮。在控制的過程中只需要使用調節(jié)開關即可調節(jié)開溝器的升降簡單方便。 4.7.3　液壓馬達選擇與安裝 液壓泵是液壓系統(tǒng)的動力元件，其作用是將原動機的機械能轉換成液體的壓力能，液壓系統(tǒng)中的油泵，向整個液壓系統(tǒng)提供動力。液壓泵的結構形式一般有齒輪泵、葉片泵和柱塞泵。 液壓馬達直接和電動機之間使用聯軸器相互連接根據前面的設計，可以知道液壓馬達的尺寸是寬度在100左右，能夠安裝在拖動地輪行走的架子上面，在架子上面安裝一塊板子，由于液壓系統(tǒng)只需要給一個液壓缸供油這里使用上置式油箱。這樣安裝的好處是結構緊湊、應用最廣。此外還可在油箱外殼上鑄出散熱翅片，加強散熱效果，即提高了液壓泵的使用壽命。 液壓馬達和電動機都使用支架直接安裝在板子上面如圖15所示 1 開溝機 2.液壓缸 3.液壓馬達 4.座椅 圖15　液壓元件安裝示意圖 Fig 15 Hydraulic components installation diagram 5　關鍵零部件校核計算 5.1　開溝刀軸的校核溝刀軸的校核 本次設計選到刀軸的外徑D為50mm 刀軸總成是旋耕機的主要工作部件，由旋耕刀片、旋耕刀座和旋耕刀軸組成。刀片通過螺絲固定在刀座上。刀軸由無縫鋼管制成，軸的兩端焊有軸頭，用與左右支臂銷連，刀軸上焊有刀座并加裝一個刀盤[15]，刀座按多頭螺線等距離焊合在刀軸上，用以安裝刀片。 刀片是旋耕機的最主要工作部件，起切土和拋土作用，工作中刀片的絕對運動是由機組的前進運動與刀軸的回轉運動合成。為使機組正常工作，必須使刀片在整個切土的過程中不斷產生推土現象，因此絕對運動的軌跡要求為余擺線，在這條余擺線繞圈最大橫弦以下任意一點的水平分速度的方向與機組前進方向相反，這樣刀片便將土壤拋向后方。 旋耕機負荷最大的部件就是刀軸，刀軸可以用實心或空心材料制造?？招妮S可以在小的重量下傳遞較大的扭矩，較好的抵抗扭矩。管的尺寸應根據最大傳遞扭矩計算，并以附加扭曲應力驗算。 世界各國專家學者在旋耕機功率消耗的理論推導方面已做了不少工作，提出了諸如單元法、能量法、比功法、比阻法等。由于農田土壤的復雜性，至今尚缺乏表達旋耕阻力及能耗與土壤動力特性、耕作機具參數之間明晰的、便于應用的關系式，所以通過以下半經驗公式進行計算 B——耕幅，mm； H——耕深，mm； vm——機組前進速度，km/h； P0——切土比阻，KN/m； vd——刀滾外緣線速度，m/s； δ——未耕土壤密度，mg/m3 切土比阻P0與土壤質地、耕深等多種因素有關，由實驗取得為32.4KN/m,從《農業(yè)土壤力學》一書中得知未耕土壤密度δ為2.69 mg/m3。 計算： P=50×20×1.1×1000×(32.4+6.6×2.65/2) =3.2kw （17） 由公式 T=9550P/n=9550×3.2/256=157Nm （18） 當軸回轉時，有三把刀進行工作，兩把彎刀和一把直壁刀，由于直壁刀所受的阻力很小，可以忽略不計，則只要考慮兩把彎刀同時進行切削土壤的情況，一把彎刀通過焊接在刀盤上的刀座固定，對軸產生扭轉變形；另一把彎刀通過焊接在刀盤上的U型鋼與之相連，對刀軸同時產生彎矩和扭轉變形[15]。 由于每把彎刀的參數基本一致，則每把彎刀產生的彎矩為T/2，即78.5Nm,又因為T=F×L,從此式可以[19]求出彎刀給軸帶來的載荷F的大小，由彎刀的最大回轉半徑為270mm可求出切削阻力： F=78.5/0.27=291N （19） 圖A分析了刀盤對軸所產生的力效應，力F2原來的作用點在垂直刀盤所在平面70mm 的平面內，利用力的平移定理將其移到刀盤所在平面內，此力在平移后相當于對軸附加了一個彎矩，其值為 M=F2×70=291×70=20.3Nm （20） 如圖A中所示，根據力的平移定理將力F1平移至軸心，將附加一個扭矩，其大小為 T=F1×270=291×270=78.6Nm （21） 以合力F的方向為縱軸為方向建立直角坐標系xoy對刀軸進行受力分析，如圖C所示，利用平衡條件對其進行計算，建立平衡方向有 ∑x+1=P1+P2=F （22） ∑pM=P2×730+M=365F （23） 解之得 P2=117.6N P1=173.4N 力P1、P2將軸心各產生一個彎矩，其大小為 M1=117.6×365=43Nm M2=173.4×365=63.3Nm （24） 作出其彎矩圖，如D所示，從彎矩圖中得知其最大彎矩為63.3Nm，從扭矩圖中得知最大扭矩為157.2Nm，根據彎曲強度條件利用下式對軸進行校核因為刀軸為實心軸W查《機械設計》表15-4得其計算公式為 δmax=MmaxW≤δ （25） 其中D為刀軸的大徑D1為刀軸小徑。 計算得 W=0.1×503[1-(44/50)4]=6125mm3 （26） 則 δmax=633006125=10.33Mpa≤δ=60Mpa 所以軸的強度能夠滿足彎曲強度要求。 根據扭轉強度條件利用下式對軸進行校核 τt=TWt≤τt （27） 計算得 τt=157200T6125≤τt=35Mpa 所以軸的強度能夠滿足扭轉強度要求，綜上所述可知，軸能滿足工作時的強度要求，使刀盤能正常的工作。 5.2　滾動軸承的校核 因軸承主故要承受徑向載荷無受軸向載荷，初步選取球深溝軸承。其主要性能和特點:主要承受徑向載荷[20],也可同時承受小的軸向載荷。當量摩擦系數最小。在高轉速時，可用來承受純軸向載荷[17]。 這里選輸出軸上的軸承校核（其它軸承的選擇和校核略）。 為了方便安裝，兩端選用相同型號的軸承。因軸承承擔的徑向力遠遠大于軸向力，參照工作要求，初選6007型號的軸承。 軸承的使用壽命為：12小時/天×180天/年×10年=21600小時 1）對左端，已知F=574，在理想狀況下無軸向力，所以X=1，Y=0。 根據GB276-89，選6007型軸承，查得：C = 10.8 KN，C0 =6.95 KN 。 求當量載荷P，查表得fp＝1.2～1.8，取1.8。 P=fp×Fr=1033N （28） 驗算6007軸承的壽命 Lh10660nCPξ=63489?21600h （29） 所以6007型滿足要求。 2）對右端，已知F1=403，在理想狀況下無軸向力，所以X=1，Y=0。 根據GB276-89，選6007型軸承，查的：C = 10.8 KN，C0 =6.95 KN 。 求當量載荷P，查表得fp＝1.2～1.8，取1.8 。 P=fp×Fr=547N （30） 驗算6007軸承的壽命 Lh10660nCPξ=42760?21600h （31） 所以6007型滿足要求。 軸承校核完畢。 6　結論 本次設計是為解決果園開溝施肥工作量大等問題，通過對各種開溝施肥機進行類比，查閱相關資料，確定出一種較化方案，并繪制其主要機構三維模型進行仿真分析與計算說明。實現該果園開溝施肥機的開溝深度可調，施肥量可調，一次完成開溝施肥等工作。應用后置式開溝方式，結構簡單，安裝方便，開溝拋土性能好，工作效率高，能滿足農藝要求，其目的在于小型果園開溝施肥機械化。 從開始的確定課題，書寫開題報告，到逐個零件的繪制，讓我對自己從事的專業(yè)知識有了更近一步的認識和理解。我的畢業(yè)設計的課題主要步驟是，收集有開溝施肥機的資料;熟悉圖紙和相關加工方法;熟悉圖紙是前提條件，只有把圖紙熟悉透徹了才能在設計的時候避免一些不必要出現的錯誤問題。 時光如水、生命如歌回想昨日我還是一個悠閑漫步在校園的大一新生，今天我卻已是馬上要參與畢業(yè)答辯的離校畢業(yè)生了，回想在廣廈求學的日子，我覺得這是我人生中很值得回味的記憶，現在馬上要畢業(yè)了心中更多的還是不舍，但是說如果這畢業(yè)答辯要是過不了，還真能留下來。要說這離校畢業(yè)設計對于每個大學生來說卻是一門必修課程，在大學這一個求學階段也只有一次也是最重要和最后的考驗。雖然我也想很輕松的度過大學生活，但是我還是想挑戰(zhàn)下自己，檢驗一下自己真正的實力和潛力，很好的去完成這次畢業(yè)設計，為美好的大學生活畫上圓滿的句號。畢業(yè)設計跟我們平時上的基礎課或者專業(yè)課不同，它是一個重要課題，要用到很多綜合性的知識，最重要的是讓學生體驗一下做科學研究的整個過程。也是畢業(yè)最重要的一個過程，它最能把理論知識準確運用到實際當中的去，做好了它就是就是一份成功的畢業(yè)設計了。 隨著答辯日子的到來，我的畢業(yè)設計也快接近了尾聲了。通過這次畢業(yè)設計的編制使我明白了自己原來的知識還是比較欠缺。自己要學習的東西還太多太多，以前總是覺得自己什么東西都會，什么東西都懂，有點眼高手低。通過這次畢業(yè)設計的收集編制等等，我才明白學習是一個長期積累的過程，在以后的工作和生活當中我們都應該不斷的努力學習，努力的去提高自己知識和綜合素質。這次我選擇的畢業(yè)設計課題是果園開溝施肥機，設計從開溝到施肥，說明書的書寫和零件裝配圖的繪制，這次畢業(yè)設計讓我獲得了從理論到實踐的跨越。在這一階段里，在我完成了零件這一重要部分的內容后，我覺得自己就像又重新將自己曾經學習過的知識再次學習了一遍一樣，對于整機設計的各個步驟的安排，又有了近一步的熟悉。在做畢業(yè)設計的過程中，每一步都是自己親自了解制作的，雖然遇到的問題、難題也非常多，但在經過遇到問題、思索問題、解決問題的過程中，這一收獲是最多的。以往沒有在意到的問題，都在這一次的畢業(yè)設計中得意體現，這些都培養(yǎng)了我的細心、耐心和恒心。而且指導老師給予的指導更加讓我受益良多，無論是理論工作上的編制，還是實際中畢業(yè)設計遇到的問題，師都給我們做了詳細的分析，也讓我在繪圖的過程中更能理論結合實際，更合理地進行零件的設計。 參考文獻 [1] 韓永俊,尹大慶,馮江,等1KL-100 型立式螺旋開溝機的設計[J].農機化研究,2000(4:66-68. 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