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湖 南 農(nóng) 業(yè) 大 學(xué)
全日制普通本科畢業(yè)設(shè)計(jì)
果園開溝施肥機(jī)設(shè)計(jì)
DESIGN OF FERTILIZER DISTRIBUTOR AND DITCHER FOR ORCHARD
學(xué)生姓名：蔡光海
學(xué) 號(hào)：200940615106
年級(jí)專業(yè)及班級(jí)：2009級(jí)農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動(dòng)化
（1）班
指導(dǎo)老師及職稱：謝方平 教授
學(xué) 院：工學(xué)院
湖南·長(zhǎng)沙
提交日期：2013年5月
湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
誠(chéng) 信 聲 明
本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體在文中均作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。
畢業(yè)設(shè)計(jì)作者簽名：
年 月 日
目 錄
摘要 1
關(guān)鍵詞 1
1 前言 1
1.1 選題背景 1
1.2 果園開溝施肥機(jī)的作用與形式 2
1.3 果園開溝施肥機(jī)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
1.3.1 國(guó)內(nèi)開溝機(jī)施肥機(jī)發(fā)展概況 2
1.3.2 國(guó)內(nèi)主要開溝機(jī) 2
1.3.3 國(guó)外開溝機(jī)的發(fā)展概況 3
1.3.4 開溝機(jī)分類 3
2 果園開溝施肥機(jī)方案的選擇 4
2.1 懸掛式開溝施肥機(jī) 4
2.2 自走式開溝施肥機(jī) 5
3 方案的確定 5
3.1 設(shè)計(jì)思路 5
3.2 整體結(jié)構(gòu)和工作原理 6
3.2.1 整體結(jié)構(gòu) 6
3.2.3 工作原理 6
4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析 7
4.1 開溝彎刀 7
4.1.1 開溝彎刀的結(jié)構(gòu)組成 7
4.1.2 側(cè)切刃 7
4.1.3 正切刃 8
4.1.4 材料和技術(shù)要求 9
4.2 開溝刀盤 9
4.2.1 開溝刀盤內(nèi)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(shù)量 10
4.2.5 開溝刀盤總體結(jié)構(gòu) 10
4.3 開溝刀軸 10
4.3.1 開溝刀軸的最小徑計(jì)算 10
4.3.2 開溝刀軸結(jié)構(gòu)圖 11
4.4 動(dòng)力選型 12
4.5 開溝機(jī)傳動(dòng)箱 13
4.5.1 開溝機(jī)錐齒輪箱 13
4.5.2 開溝刀滾 14
4.5.3 傳動(dòng)關(guān)系圖 14
4.5.4 開溝機(jī)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(diào)節(jié)器 18
4.7.1 液壓缸的選擇 18
4.7.2 深度調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖 19
4.7.3 液壓馬達(dá)選擇與安裝 19
5 關(guān)鍵零部件校核計(jì)算 20
5.1 開溝刀軸的校核溝刀軸的校核 20
5.2 滾動(dòng)軸承的校核 22
6 結(jié)論 23
參考文獻(xiàn) 24
致謝 25
果園開溝施肥機(jī)設(shè)計(jì)
學(xué) 生：蔡光海
指導(dǎo)老師：謝方平
（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128）
摘 要：為解決果園開溝施肥工作量大等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)各種開溝施肥機(jī)進(jìn)行類比，查閱相關(guān)資料，確定出一種優(yōu)化方案，并繪制其主要機(jī)構(gòu)三維模型進(jìn)行仿真分析與計(jì)算說(shuō)明。實(shí)現(xiàn)該果園開溝施肥機(jī)的開溝深度可調(diào)，施肥量可調(diào)，一次完成開溝施肥等工作。
關(guān)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(xiàng)作業(yè)量大、勞動(dòng)強(qiáng)度大的作業(yè)。尤其是施用有機(jī)肥時(shí)，需在每棵果樹兩側(cè)、根系集中分布層稍遠(yuǎn)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(dòng)力來(lái)進(jìn)行開溝施肥。然而隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們生活水平的提高，勞動(dòng)力的成本也在不斷提高以及青壯年勞動(dòng)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(guó)果園開溝施肥大多數(shù)采用人工作業(yè)，機(jī)械化水平低?，F(xiàn)有的開溝機(jī)大多不適應(yīng)果園作業(yè)，主要表現(xiàn)在果園工作環(huán)境復(fù)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(jī)等無(wú)法進(jìn)行作業(yè)，不適應(yīng)大馬力的動(dòng)力，要實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)，必須用小功率的拖拉機(jī)完成。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有開發(fā)出成本低、功耗低的專用機(jī)型，國(guó)外雖然有成熟專用的開溝機(jī)具，但并不適合國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段農(nóng)村市場(chǎng)的需求。
為解決果園開溝施肥所面臨的實(shí)際問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種能夠集開溝與施肥于一體的果園開溝施肥機(jī)是有必要的。
1.2 果園開溝施肥機(jī)的作用與形式
果園開溝施肥機(jī)是一種果園開溝施肥專用機(jī)械，主要運(yùn)用于果園的開溝、施肥、土回填平、壓實(shí)等工作，隨著我國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和新農(nóng)村建設(shè)步伐的推動(dòng)了林果業(yè)的發(fā)展，為開溝施肥機(jī)提供了用武之地并促其迅速發(fā)展。果園開溝機(jī)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(jī)主要適合小型果園，懸掛式的果園開溝施肥機(jī)主要適合大型果園[1]。
1.3 果園開溝施肥機(jī)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.3.1 國(guó)內(nèi)開溝機(jī)施肥機(jī)發(fā)展概況
我國(guó)對(duì)開溝機(jī)的研究開發(fā)比較晚，經(jīng)歷了從犁鏵式開溝機(jī)、圓盤式開溝機(jī)和鏈?zhǔn)介_溝機(jī)的發(fā)展歷程。20世紀(jì)80年代中期，國(guó)家引進(jìn)了小量開溝機(jī)主要用于農(nóng)業(yè)暗管排水工程，這是早期的技術(shù)引進(jìn)。但由于有機(jī)肥的應(yīng)用還不廣泛，只是停留在小農(nóng)經(jīng)濟(jì)水平上，因此，此時(shí)的開溝機(jī)主要用于農(nóng)田水利工程以及地下電纜，自來(lái)水工程等。近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)綠色農(nóng)業(yè)大大力倡導(dǎo)，有機(jī)肥在農(nóng)業(yè)上得到廣泛應(yīng)用和發(fā)展，特別是在果園的應(yīng)用上，使開溝機(jī)的研究方向逐漸向有機(jī)肥施肥開溝機(jī)方向發(fā)展。
1.3.2 國(guó)內(nèi)主要開溝機(jī)
1991年，安徽省宣州市孫埠鎮(zhèn)農(nóng)機(jī)管理服務(wù)站對(duì)8.8KW手扶拖拉機(jī)的配套農(nóng)具——旋耕機(jī)進(jìn)行合理改裝,研制出1KS-20型臥式彎刀開溝機(jī)。1996年，昆山農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所祁天循研制開發(fā)了1KLZ-2型立式螺旋開溝機(jī)。2000年?yáng)|北農(nóng)業(yè)大學(xué)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(jī)的設(shè)計(jì)。2006年，中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院與山東廣饒三元液壓機(jī)械環(huán)保有限公司的多功能的開溝機(jī)。2009年2月，農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所阿布里孜·巴斯提、蘭秀英、貢獻(xiàn)、劉旋峰等人開發(fā)研制了1K—40型偏置式果園開溝機(jī)。2010年4月西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院王京風(fēng)、楊福增、劉世等人進(jìn)行微型遙控果園開溝機(jī)的研發(fā)與設(shè)計(jì)。目前，開溝機(jī)技術(shù)雖然得到較快的發(fā)展，但依然存在很多問(wèn)題，適用于果園開溝的機(jī)具還是比較少[1]。
1.3.3 國(guó)外開溝機(jī)的發(fā)展概況
國(guó)外很早就開始了有機(jī)肥的應(yīng)用研究，如歐美、意大利、法國(guó)等，并且有著廣泛的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大對(duì)開溝機(jī)的要求也越來(lái)越高，開溝裝備研究工作步入了一個(gè)新時(shí)代，先進(jìn)的新型設(shè)備不斷涌現(xiàn)。國(guó)外較早生產(chǎn)開溝機(jī)的國(guó)家是美國(guó)和前蘇聯(lián)，其發(fā)展過(guò)程是從犁鏵式開始的，目前國(guó)際上的主要開溝機(jī)生產(chǎn)廠商在美國(guó)，但是國(guó)外開溝機(jī)生產(chǎn)已向多樣化趨勢(shì)發(fā)展，且更趨專機(jī)專用，開溝機(jī)只用于開溝作業(yè)，而當(dāng)機(jī)械不開溝時(shí)只能閑置。這種情況并不符合我國(guó)的國(guó)情[2]。
1.3.4 開溝機(jī)分類
開溝機(jī)是由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)的一種耕作機(jī)具。開溝機(jī)有裝在手扶拖拉機(jī)上，也有裝在輪式拖拉機(jī)或履帶拖拉機(jī)上的，可分為犁鏵式開溝機(jī)、旋轉(zhuǎn)開溝機(jī)、鏈?zhǔn)介_溝機(jī)，這里分別說(shuō)明其工作原理。
鏵式犁開溝機(jī)產(chǎn)生于2O世紀(jì)50年代，鏵式犁作為最早的開溝設(shè)備，被用于農(nóng)田建設(shè)當(dāng)中。其型式主要有懸掛式和牽引式。這種開溝機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(diǎn)是土壤硬度不能太大。否則開出的溝形難以保證，且結(jié)構(gòu)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(shí)牽引阻力很大，常用斯大林80拖拉機(jī)才能拖動(dòng)，有的地方要用兩臺(tái)大拖拉機(jī)牽引。
旋轉(zhuǎn)開溝機(jī)是在50年代后期，與拖拉機(jī)向大馬力發(fā)展的趨勢(shì)相適應(yīng)。旋轉(zhuǎn)開溝機(jī)得以迅速發(fā)展。由于它牽引阻力小，適應(yīng)性強(qiáng)，能均勻散開溝內(nèi)土壤，工作效率高,因而得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。這種開溝機(jī)的主要工作部件是一個(gè)或兩個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的圓盤,圓盤四周是銑刀，銑下來(lái)的土壤按不同的農(nóng)藝要求，將土壤均勻地拋擲到一側(cè)或兩側(cè)5—15cm范圍內(nèi)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(zhuǎn)開溝機(jī)的開溝斷面呈上口寬、溝底窄的倒梯形，且溝形整齊，無(wú)須輔助加工。缺點(diǎn)是：行走慢(拖拉機(jī)以50～400 m／h的超低速前進(jìn))、傳動(dòng)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)龐大、制造工藝要求高、單位功率消耗大。生產(chǎn)率比犁鏵式開溝犁低。
鏈?zhǔn)介_溝機(jī)出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代末期，鏈?zhǔn)介_溝機(jī)開始興起。鏈?zhǔn)介_溝機(jī)設(shè)備簡(jiǎn)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(diào)節(jié)，可開挖窄而深的地下溝槽，用以埋設(shè)地下排水管道?；蛘哂糜阼F道、郵電、城建等部門埋設(shè)電纜與管道等，還可用于果園、蔬菜園及其他農(nóng)田環(huán)境開溝施肥、排水、灌溉。鏈刀式開溝機(jī)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(yùn)至溝的一側(cè)或兩側(cè)[2]。
2 果園開溝施肥機(jī)方案的選擇
果園開溝施肥機(jī)可分為懸掛式和自走式，其中懸掛式的開溝施肥機(jī)較適合比較大型的果園開溝施肥，具有效率高、動(dòng)力強(qiáng)勁等好處、但不適合小型果園。自走式開溝施肥機(jī)也就是發(fā)動(dòng)機(jī)和開溝機(jī)一體化，相對(duì)于大型的懸掛式開溝施肥機(jī)，他就能夠彌補(bǔ)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(dòng)強(qiáng)度也相對(duì)較大。
2.1 懸掛式開溝施肥機(jī)
1.拉桿 2.機(jī)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(shí)輥 15.擋板
圖1 懸掛式開溝施肥機(jī)
Fig 1 Suspension type ditching and fertilizing machine
圖1所示開溝機(jī)是由淮陰工學(xué)院發(fā)明的果園開溝施肥機(jī)[3]，該開溝施肥機(jī)是一種懸掛式開溝機(jī)。能實(shí)現(xiàn)果園生產(chǎn)中的開溝、施肥、土回填整平、壓實(shí)等工作一次性完成，使用靈活，生產(chǎn)效率高，能有效的降低勞動(dòng)強(qiáng)度。
該開溝機(jī)需要使用拖拉機(jī)進(jìn)行動(dòng)力的傳遞以及開溝施肥機(jī)的提放。
2.2 自走式開溝施肥機(jī)
1.溝深調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 2.開溝機(jī)構(gòu) 3.擋板 4.覆土機(jī)構(gòu) 5.行走輪 6.操作控制機(jī)構(gòu)
7.變速箱 8.離合器 9.肥料箱 10.施肥機(jī)構(gòu) 11.發(fā)動(dòng)機(jī) 12.機(jī)架
圖2 自走式開溝機(jī)
Fig 2 Self-propelled ditching machine
圖2所示是由湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)以及長(zhǎng)沙市勁牛機(jī)械有限公司研制的開溝機(jī)[4]，該開溝機(jī)是一種自走式的果園開溝機(jī)。該開溝機(jī)開溝深度可以調(diào)節(jié)，可以作為開溝機(jī)，也可以作為開溝施肥機(jī)，功能齊全，能夠?qū)崿F(xiàn)開溝-施肥-覆土一體化作業(yè)，效率高，并且自帶發(fā)動(dòng)機(jī)，無(wú)需牽引設(shè)備，實(shí)用性更強(qiáng)。
該開溝機(jī)使用的獨(dú)立動(dòng)力，不需要拖拉機(jī)牽引。
3 方案的確定
3.1 設(shè)計(jì)思路
由于此次設(shè)計(jì)的是小型果園開溝施肥機(jī)，主要實(shí)現(xiàn)果園開溝施肥機(jī)開溝深度，施肥量可調(diào)。變速箱直接連接開溝機(jī)構(gòu)，這樣開溝機(jī)由提升梁、中間齒輪箱體、支撐板、側(cè)邊鏈條箱體、擋板等機(jī)件構(gòu)成。中間齒輪箱體用螺栓固定在變速箱上，使用液壓提升機(jī)構(gòu)通過(guò)提升梁使開溝施肥機(jī)輪子與開溝刀主軸之間的垂直距離實(shí)現(xiàn)改變，從而使刀滾升降，調(diào)節(jié)開溝深度。排肥器排肥星輪和地輪連接，手扶拖拉機(jī)在行走過(guò)程中通過(guò)地輪軸帶動(dòng)排肥星輪轉(zhuǎn)動(dòng)，排肥星輪轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候就能夠帶動(dòng)施肥箱內(nèi)的肥料，星輪槽轉(zhuǎn)動(dòng)到下方時(shí)肥料通過(guò)自重落入溝內(nèi)從而達(dá)到施肥的目的，施肥器上設(shè)置有調(diào)節(jié)片用來(lái)調(diào)節(jié)施肥量。
3.2 整體結(jié)構(gòu)和工作原理
3.2.1 整體結(jié)構(gòu)
通過(guò)前面的設(shè)計(jì)我有了初步的方案和認(rèn)識(shí)，這里我將前面繪制的裝配圖以及拖拉機(jī)的模型圖通過(guò)裝配后進(jìn)行進(jìn)一步的仿真分析以及各個(gè)零件圖的標(biāo)注以及工程圖的繪制，各個(gè)零件之間的裝配關(guān)系進(jìn)行了進(jìn)一步的梳理，整理裝配后進(jìn)行分析，確定出整體機(jī)構(gòu)圖。
1.柴油機(jī) 2.開溝機(jī) 3.液壓提升機(jī)構(gòu) 4.液壓泵和電機(jī) 5.施肥機(jī) 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(jī)的整體設(shè)計(jì)圖，其中開溝機(jī)通過(guò)變速箱直接連接到機(jī)架上，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞，變速箱輸出動(dòng)力的轉(zhuǎn)速與功率和開溝機(jī)的額定轉(zhuǎn)速相當(dāng)，其中沒(méi)經(jīng)過(guò)減速，施肥器的和整機(jī)通過(guò)螺栓連接，開溝器和整機(jī)通過(guò)螺栓連接，液壓缸和開溝機(jī)于機(jī)架通過(guò)螺栓連接使用電池?fù)Q向閥控制開溝機(jī)開溝深度的調(diào)節(jié)，使開溝施肥機(jī)能在行走時(shí)讓開溝機(jī)提升方便不會(huì)和地面接觸。
3.2.3 工作原理
整機(jī)主要由開溝機(jī)，施肥機(jī)，以及手扶拖拉機(jī)，和液壓提升裝置構(gòu)成，在手扶拖拉機(jī)行走過(guò)程中，變速箱輸出動(dòng)力通過(guò)開溝機(jī)的錐齒輪箱使縱向動(dòng)力轉(zhuǎn)變成橫向動(dòng)力，從動(dòng)軸上面連接著主動(dòng)鏈輪，主動(dòng)鏈輪通過(guò)鏈條傳遞到從動(dòng)鏈輪上面，從動(dòng)鏈輪直接連接在開溝刀軸上面，這樣在手扶拖拉機(jī)行走時(shí)就能夠帶動(dòng)開溝刀開溝。液壓提升裝置連接在機(jī)架上，液壓裝置中的液壓缸前端和開溝機(jī)的左撐板通過(guò)螺栓連接，后端通過(guò)連接法蘭和機(jī)架通過(guò)螺栓連接。液壓馬達(dá)通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，通過(guò)改變電池?fù)Q向閥的狀態(tài)從而達(dá)到整個(gè)開溝機(jī)的升降調(diào)節(jié)。施肥機(jī)由施肥星輪通過(guò)施肥軸連接地輪。手扶拖拉機(jī)在行走過(guò)程中通過(guò)地輪軸帶動(dòng)排肥星輪轉(zhuǎn)動(dòng)，排肥星輪轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候就能夠帶動(dòng)施肥箱內(nèi)的肥料，肥料通過(guò)星輪槽帶動(dòng)當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到下方時(shí)肥料通過(guò)自重落入溝內(nèi)從而達(dá)到施肥的目的，施肥器上裝有調(diào)節(jié)片用來(lái)調(diào)節(jié)施肥量。
4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析
4.1 開溝彎刀
開溝刀是開溝機(jī)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(guó)內(nèi)生產(chǎn)的開溝刀大多是彎形刀片。鑿形刀片入土和松土能力較強(qiáng)，功率消耗小，但容易纏草，適用于土質(zhì)較硬或雜草較少的旱地耕作。直角刀片性能同彎刀相似，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)和使用的較少[5]。由于果園的土地較硬，雜草較多，因此我設(shè)計(jì)的開溝機(jī)選用彎刀。
4.1.1 開溝彎刀的結(jié)構(gòu)組成
開溝刀主要由側(cè)切面、正切面、過(guò)度面三個(gè)部分組成，開溝刀各部位名稱如圖４，側(cè)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(cè)切刃
圖4 開溝刀的結(jié)構(gòu)圖
Fig 4 Mechanism of the rotary blade
4.1.2 側(cè)切刃
國(guó)產(chǎn)的各種彎刀，側(cè)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(diǎn)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(diǎn)的極角（rad）；
螺線終點(diǎn)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(diǎn)的極徑ρ0為避免無(wú)刃部切土。
ρ0=R2+S2-2S(2RH-Hα2)0.5 （4）
式中：S:為設(shè)計(jì)切土節(jié)距；H：設(shè)計(jì)耕深；R:彎刀回轉(zhuǎn)半徑，為減小阻扭矩，應(yīng)在滿足耕深要求和結(jié)構(gòu)許可的情況下，采用較小尺寸。
對(duì)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(jī)的前進(jìn)速度，取Vm=2Km/h；n：刀軸轉(zhuǎn)數(shù)；z：彎刀數(shù)量，取z=6
通過(guò)計(jì)算圓整后得ρ0=60；θn=0.5rad；α=320mm。
將α代入式ρ=ρ0+α θ，并通過(guò)Pro/E的參數(shù)方程繪制曲線做出側(cè)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(cè)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(biāo)系，繪制側(cè)切刃螺線，插入基準(zhǔn)曲線使用方程建立笛卡爾坐標(biāo)系將等近螺旋線轉(zhuǎn)換成Pro/E中的參數(shù)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(gè)用來(lái)固定開溝刀，在拉伸側(cè)切刃所在的平面拉伸長(zhǎng)度為10mm繪制正切刃切除多余部分等。
4.1.4 材料和技術(shù)要求
用GB699-65規(guī)定的65Mn鋼制造。切削部分必須進(jìn)行淬火處理，淬火區(qū)硬度為HRC50-55。開溝彎刀應(yīng)用樣板進(jìn)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(lái)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(jié)構(gòu)和原理可知，開溝刀盤的質(zhì)量主要決定于材料的選用和各結(jié)構(gòu)尺寸及安裝刀片數(shù)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(shè)計(jì)，孔徑為10.6。安裝位置為刀座上安裝刀盤的螺栓孔沿旋轉(zhuǎn)軸半徑方向到旋轉(zhuǎn)軸母線的距離。設(shè)計(jì)參數(shù)為：刀盤內(nèi)孔直徑、安裝刀片數(shù)量、刀片安裝孔位置、刀盤體鋼材厚度。
4.2.1 開溝刀盤內(nèi)孔直徑
通過(guò)查閱相關(guān)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(zhuǎn)數(shù)在186-250r/min左右。計(jì)算時(shí)轉(zhuǎn)數(shù)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(qiáng)度計(jì)算軸徑，即開溝刀盤內(nèi)孔直徑應(yīng)該滿足：
τmax=TWt=16MqπD13[1-(D1-2σD1)4]≤[τ] （9）
其中：[τ]為開溝軸承受扭轉(zhuǎn)形變的需用切應(yīng)力值經(jīng)過(guò)計(jì)算開溝刀盤內(nèi)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(guò)螺栓與刀盤體上的刀座進(jìn)行連接，因此，該處的螺栓受工作剪力應(yīng)該作剪切強(qiáng)度計(jì)算，由于開溝刀盤切入土壤為單個(gè)刀片依次劃切土壤，因此，在最為危險(xiǎn)的情況下是一個(gè)刀片作用土壤時(shí)連接刀片的螺栓上所受到的擠壓及剪切力最大，通過(guò)計(jì)算圓整后的?。?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(zhuǎn)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(dòng)箱接地點(diǎn)與刀軸中心點(diǎn)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(dòng)箱接地點(diǎn)與刀軸中心點(diǎn)距離，L=100mm；e為土壤下下限量，取30mm[8]
根據(jù)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(shù)量
切土節(jié)距S的大小是影響開溝破土的主要指標(biāo)，S主要由機(jī)組前進(jìn)速度、開溝刀盤轉(zhuǎn)數(shù)及其安裝刀片個(gè)數(shù)所決定[9]，對(duì)于果園開溝，S的適宜范圍為4-6cm。
S=2πvmwZ （11）
工作時(shí)機(jī)器前進(jìn)速度為2km/h，開溝轉(zhuǎn)數(shù)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(jù)設(shè)計(jì)的刀片的數(shù)量這里在刀盤上一體成型6個(gè)刀座。
4.2.5 開溝刀盤總體結(jié)構(gòu)
通過(guò)上述參數(shù)的確定，刀盤采用一體式設(shè)計(jì)開溝刀直接通過(guò)螺栓安裝在刀盤上面，刀盤的為一個(gè)直徑260的圓。通過(guò)鍵和旋轉(zhuǎn)軸相互連接。刀盤的主要結(jié)構(gòu)包括開溝刀槽、螺栓孔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)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(jù)開溝部件開溝刀盤上的孔徑尺寸，根據(jù)開溝刀工作部件的功率在5KW左右，轉(zhuǎn)數(shù)在250r/min。
開溝刀軸主要承受扭矩作用，這里選用實(shí)心圓軸材料45鋼，其扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為
τT=TWT=9.55×106P0.2d3n≤τT MPa （12）
寫成設(shè)計(jì)公式時(shí)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(shù)，mm3；P為軸傳遞的功率，KW；n為軸的轉(zhuǎn)數(shù)，r/min；[τT]為軸材料的許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，MPa；C為與軸材料有關(guān)的常數(shù)，見(jiàn)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(biāo)
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(dāng)彎矩作用相對(duì)于扭矩很小或只傳遞扭矩時(shí)，[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(duì)軸強(qiáng)度削弱的影響，軸徑應(yīng)該加大5%，則
D=32.03×1.05=33.63（mm）
把計(jì)算直徑圓整成標(biāo)準(zhǔn)直徑：35mm
4.3.2 開溝刀軸結(jié)構(gòu)圖
根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)知到該軸主要連接開溝刀盤和一個(gè)鏈輪以及軸承等零件，由于軸的最小徑為35mm查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)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(nèi)卡，固定開溝圓盤也同樣式用卡環(huán)固定開溝刀盤的內(nèi)孔直徑為50mm長(zhǎng)度為60mm根據(jù)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(zhǎng)為200mm。
圖6 開溝刀軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
Fig 6 Structure design of ditching knife shaft
4.4 動(dòng)力選型
影響開溝機(jī)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(jìn)開溝施肥機(jī)前進(jìn)所消耗功率N2(KW)，開溝機(jī)各傳動(dòng)部分所消耗的功率N3(KW)，開溝機(jī)功率為N(KW)。有：
N=N1+N2+N3 (KW) （15）
查閱相關(guān)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(jìn)開溝施肥機(jī)前進(jìn)所消耗功率N2=0.62KW，開溝機(jī)各傳動(dòng)部分所消耗的功率N3=0.97KW，開溝機(jī)功率為6.59KW。在網(wǎng)上查詢選擇151東風(fēng)型手扶拖拉機(jī)。
表2 東風(fēng)型手扶拖拉機(jī)
Table 2 DONGFENG hand tractor
型號(hào)
BF-81
BF-91
MSD-121
MSD-151
拖
拉
機(jī)
外形尺寸（長(zhǎng)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(jié)構(gòu)重量（kg）
155（底盤）
350
360
輪胎規(guī)格
5~12
6~12
6~12
發(fā)
動(dòng)
機(jī)
額定功率
5.88
6.6
8.8
10.3
轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）
2400
2000
冷卻方式
蒸發(fā)水冷式
蒸發(fā)水冷式
根據(jù)表2以及開溝機(jī)消耗功率可以初步選擇東風(fēng)151BF-91型手扶拖拉機(jī)適合該開溝機(jī)。
東風(fēng)型手扶拖拉機(jī)151BF-91型手扶拖拉機(jī)是一種自帶旋耕刀的手扶拖拉機(jī)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式單軸、牽引驅(qū)動(dòng)兼用型；配套動(dòng)力 / S1100、ZS1100柴油機(jī)；柴油機(jī)形式單缸、臥式、四沖程、水冷蒸發(fā)標(biāo)定功率6.6 Kw（12h）；標(biāo)定轉(zhuǎn)速2200 r/min；離合器 / 干式雙片常結(jié)合摩擦；發(fā)動(dòng)機(jī)至離合器傳動(dòng)；三角皮帶B型變速箱直齒圓柱齒輪（3＋1）×2組成；制動(dòng)器 / 濕式環(huán)狀內(nèi)漲式；轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)牙嵌式轉(zhuǎn)向離合器；最終傳動(dòng)兩級(jí)減速直齒圓柱齒輪；結(jié)構(gòu)質(zhì)量155kg；外形尺寸長(zhǎng)×寬×高 mm 2180×890×1250；輪距700 mm；最小離地間隙204 mm；最小轉(zhuǎn)彎半徑1000 mm；前進(jìn)/倒退檔位數(shù) / 6/2 ；啟動(dòng)方式 / 手搖啟動(dòng) ；輪胎規(guī)格 / 6.00-12；輪胎工作氣壓137-196 kpa 。
其輸出轉(zhuǎn)數(shù)為250轉(zhuǎn)左右符合開溝要求。
4.5 開溝機(jī)傳動(dòng)箱
手扶拖拉機(jī)和開溝機(jī)之間可以用螺栓直接固定在拖拉機(jī)變速箱體上，因此不需要萬(wàn)向節(jié)，直接用動(dòng)力輸出軸傳動(dòng)。提升時(shí)開溝機(jī)可以繞主梁轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)力由變速箱傳動(dòng)齒輪通過(guò)側(cè)邊傳動(dòng)鏈帶動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)，一般會(huì)有變速齒輪箱，左、右殼體，傳動(dòng)箱，左右支臂和刀盤等組成一個(gè)矩形框架，以承受開溝作業(yè)產(chǎn)生的力矩。在矩形機(jī)架的上部安裝開溝機(jī)罩殼，在罩殼的尾輪架上裝施肥用的施肥機(jī)構(gòu)[1１]。
4.5.1 開溝機(jī)錐齒輪箱
開溝機(jī)變速箱是由箱體，開溝機(jī)傳動(dòng)軸，開溝刀傳動(dòng)齒輪，嚙合套和操縱桿等組成。旋耕刀傳動(dòng)軸的一端裝在開溝機(jī)變速箱體內(nèi)，另一端裝在開溝刀傳動(dòng)箱體內(nèi)，在開溝刀傳動(dòng)軸的一端空套著一個(gè)帶有牙嵌嚙合齒的傳動(dòng)齒輪，由彈性擋圈，墊圈定位。在前進(jìn)檔位和空檔時(shí)，與變速箱內(nèi)的倒擋齒輪嚙合。開溝刀傳動(dòng)軸的花鍵部分裝著嚙合套，嚙合套的一個(gè)端面也有牙嵌嚙合齒。通過(guò)操縱桿撥動(dòng)，可與開溝刀傳動(dòng)齒輪上的牙嵌嚙合齒輪嚙合或者分離。結(jié)合時(shí)，可將變速箱的動(dòng)力通過(guò)開溝機(jī)傳動(dòng)齒輪、嚙合齒輪傳遞給開溝刀。分離時(shí)，即切斷動(dòng)力。在嚙合套和旋耕刀傳動(dòng)軸之間、用彈簧式定位裝置定位。在旋耕刀傳動(dòng)箱內(nèi)，開溝刀傳動(dòng)軸的一端上，用花鍵連接著主動(dòng)軸，并有彈性擋圈限位。
由于手扶拖來(lái)機(jī)在１擋工作檔位是傳出動(dòng)力為250r/min故開溝機(jī)變速箱內(nèi)不需要在進(jìn)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(dòng)箱，軸端裝著從動(dòng)鏈輪。在軸兩端的軸承外側(cè)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(rùn)滑油外漏或污水進(jìn)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(dòng)關(guān)系圖
圖8是開溝部件的傳動(dòng)圖,其中1主動(dòng)錐齒輪軸、2主動(dòng)錐齒輪、3從動(dòng)錐齒輪、4從動(dòng)錐齒輪軸、5主動(dòng)鏈輪、6雙排鏈條、7從動(dòng)鏈輪、8開溝刀軸、9開溝刀盤。傳動(dòng)路線為動(dòng)力通過(guò)變速箱變速以后經(jīng)過(guò)離合器傳動(dòng)到主動(dòng)錐齒輪主動(dòng)錐齒輪通過(guò)從動(dòng)鏈輪傳遞動(dòng)力給主動(dòng)鏈輪，主動(dòng)鏈輪通過(guò)鏈條傳遞動(dòng)力給從動(dòng)錐齒輪，最后通過(guò)軸傳遞給刀滾。由于工作檔位為一檔，在網(wǎng)上查閱相關(guān)資料了解到東方紅151手扶拖拉機(jī)的變速箱輸出動(dòng)力的轉(zhuǎn)速在250轉(zhuǎn)每分，因?yàn)榍懊嫠_定的開溝刀轉(zhuǎn)速在250轉(zhuǎn)左右所以錐齒輪和兩輪之間的傳動(dòng)比都是1:1傳動(dòng)。
1.主動(dòng)軸 2.主動(dòng)錐齒輪 3.從動(dòng)錐齒輪 4.從動(dòng)軸 5.主動(dòng)鏈輪
6.鏈條 7.從動(dòng)鏈輪 8.開溝刀軸 9開溝刀盤
圖 8 開溝機(jī)傳動(dòng)圖
Fig 8 The transmission relation
4.5.4 開溝機(jī)罩殼
圖 9 開溝機(jī)罩殼
Fig 9 Ditch cover
開溝機(jī)由上，下蓋板，左右側(cè)板后蓋板，擋板和尾輪座駕等組成，安裝在矩形機(jī)架上。罩殼的尾輪座駕上裝有尾輪。開溝作業(yè)時(shí)開溝機(jī)罩殼具有防止土塊的飛散和泥土飛濺，保證耕作質(zhì)量，安全防護(hù)等作用。
4.6 施肥器
施肥器主要是用來(lái)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(fèi)時(shí)，而且化肥利用率不高，易造成土壤板結(jié)等現(xiàn)象。施肥器歷經(jīng)多年改進(jìn)具有體積小，重量輕、操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，使用施肥器施肥可以減輕農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度、提高化肥利用率、減少環(huán)境污染，達(dá)到省肥、省力、省時(shí)、省錢的好效果。
施肥箱總成的設(shè)計(jì) 根據(jù)實(shí)際需要施肥箱設(shè)計(jì)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(qiáng)板子方便和施肥器連接。
圖10 肥箱機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)動(dòng)的水平星輪，工作時(shí)，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)排肥星輪轉(zhuǎn)動(dòng)，肥箱內(nèi)的肥料被星輪齒槽及星輪表面帶動(dòng)，經(jīng)肥量調(diào)節(jié)活門后，輸送到排肥口，肥料靠自重落入溝內(nèi)。該排肥器的肥箱底部裝有調(diào)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(diào)節(jié)可以通過(guò)調(diào)片改變排肥活門的開度來(lái)實(shí)觀[14]。該排肥器適合排晶狀化肥和復(fù)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(dòng)的時(shí)候就能夠帶動(dòng)排肥器工作，排肥器連接的時(shí)候采用方形實(shí)心。排肥器軸的和兩個(gè)輪子連接其中兩個(gè)輪子中一個(gè)輪子使用鍵連接，一個(gè)輪子使用軸承連接。這樣就能夠保證施肥機(jī)在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候不會(huì)因?yàn)檩喿拥霓D(zhuǎn)速不同而對(duì)軸產(chǎn)生影響。
排肥器調(diào)節(jié)板直接使用２毫米厚冷軋板折彎而成，這樣簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)排肥星輪的活門來(lái)實(shí)現(xiàn)施肥量的調(diào)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖
Fig 12 Feed mechanism design
圖12所示排肥器中、整體通過(guò)兩個(gè)軸承座和手扶拖拉機(jī)連在一起，2接觸地面滾動(dòng)時(shí)能夠帶動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，軸轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候又能夠帶動(dòng)4排肥星輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)肥料的排出，通過(guò)撥動(dòng)調(diào)節(jié)板能夠?qū)崿F(xiàn)開口大小的改變從而實(shí)現(xiàn)施肥量的調(diào)節(jié)。當(dāng)在不需要排肥的地方可以將調(diào)節(jié)插板撥到最大位置這樣就可以實(shí)現(xiàn)施肥過(guò)程的中斷，從而實(shí)現(xiàn)在不需要排肥的地方不用排肥節(jié)約肥料。
4.7 深度調(diào)節(jié)器
深度調(diào)節(jié)器的作用主要是用來(lái)調(diào)節(jié)開溝深度的由于前面設(shè)計(jì)的開溝機(jī)是可以繞著左右支架旋轉(zhuǎn)的這樣就只需要調(diào)節(jié)他的角度就能夠?qū)崿F(xiàn)深度的調(diào)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(guò)控制液壓缸就可以調(diào)節(jié)開溝機(jī)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(jù)前面的設(shè)計(jì)可知開溝機(jī)的開溝深度在20~30mm可調(diào)，所以選擇長(zhǎng)度為在200~300之間。初設(shè)液壓泵的油壓為16MPA，開溝機(jī)工作的時(shí)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(jì)算出N=1562mm2=πR2
可得R=19mm圓整后選擇直徑40mm缸徑
根據(jù)查表可一直到選擇HSGL0157AEZE255
1.開溝機(jī) 2.液壓缸 3.溢流閥 4.液壓泵 5.電磁換向閥
圖 13 液壓結(jié)構(gòu)與安裝圖
Fig 13 Hydraulic structure and installation diagram
圖13為深度調(diào)節(jié)器的液壓結(jié)構(gòu)示意圖其中電磁鐵1YA接通時(shí)，泵向液壓缸左端供油，并推動(dòng)活塞向前運(yùn)動(dòng)從而帶動(dòng)開溝部件向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)深度達(dá)到要求值時(shí)斷開1YA這時(shí)候電池?fù)Q向閥回到中位，此時(shí)不需要供油，當(dāng)開溝結(jié)束時(shí)電磁鐵接通2YA，油泵向液壓缸右端供油同時(shí)推動(dòng)活塞向右運(yùn)動(dòng)。
4.7.2 深度調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)器
Fig 14 Hydraulic depth regulator
圖14所示為一種液壓缸深度調(diào)節(jié)裝置其中連接法蘭1直接和開溝機(jī)的機(jī)架相互連接，連接法蘭2和機(jī)架相互連接就能夠?qū)崿F(xiàn)開溝機(jī)的深度調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)換向閥就能夠?qū)崿F(xiàn)液壓缸的伸縮。在控制的過(guò)程中只需要使用調(diào)節(jié)開關(guān)即可調(diào)節(jié)開溝器的升降簡(jiǎn)單方便。
4.7.3 液壓馬達(dá)選擇與安裝
液壓泵是液壓系統(tǒng)的動(dòng)力元件，其作用是將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體的壓力能，液壓系統(tǒng)中的油泵，向整個(gè)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力。液壓泵的結(jié)構(gòu)形式一般有齒輪泵、葉片泵和柱塞泵。
液壓馬達(dá)直接和電動(dòng)機(jī)之間使用聯(lián)軸器相互連接根據(jù)前面的設(shè)計(jì)，可以知道液壓馬達(dá)的尺寸是寬度在100左右，能夠安裝在拖動(dòng)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(gè)液壓缸供油這里使用上置式油箱。這樣安裝的好處是結(jié)構(gòu)緊湊、應(yīng)用最廣。此外還可在油箱外殼上鑄出散熱翅片，加強(qiáng)散熱效果，即提高了液壓泵的使用壽命。
液壓馬達(dá)和電動(dòng)機(jī)都使用支架直接安裝在板子上面如圖15所示
1 開溝機(jī) 2.液壓缸 3.液壓馬達(dá) 4.座椅
圖15 液壓元件安裝示意圖
Fig 15 Hydraulic components installation diagram
5 關(guān)鍵零部件校核計(jì)算
5.1 開溝刀軸的校核溝刀軸的校核
本次設(shè)計(jì)選到刀軸的外徑D為50mm
刀軸總成是旋耕機(jī)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(guò)螺絲固定在刀座上。刀軸由無(wú)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(gè)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(jī)的最主要工作部件，起切土和拋土作用，工作中刀片的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是由機(jī)組的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)與刀軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)合成。為使機(jī)組正常工作，必須使刀片在整個(gè)切土的過(guò)程中不斷產(chǎn)生推土現(xiàn)象，因此絕對(duì)運(yùn)動(dòng)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(diǎn)的水平分速度的方向與機(jī)組前進(jìn)方向相反，這樣刀片便將土壤拋向后方。
旋耕機(jī)負(fù)荷最大的部件就是刀軸，刀軸可以用實(shí)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(yīng)根據(jù)最大傳遞扭矩計(jì)算，并以附加扭曲應(yīng)力驗(yàn)算。
世界各國(guó)專家學(xué)者在旋耕機(jī)功率消耗的理論推導(dǎo)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(nóng)田土壤的復(fù)雜性，至今尚缺乏表達(dá)旋耕阻力及能耗與土壤動(dòng)力特性、耕作機(jī)具參數(shù)之間明晰的、便于應(yīng)用的關(guān)系式，所以通過(guò)以下半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算
B——耕幅，mm；
H——耕深，mm；
vm——機(jī)組前進(jìn)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(zhì)地、耕深等多種因素有關(guān)，由實(shí)驗(yàn)取得為32.4KN/m,從《農(nóng)業(yè)土壤力學(xué)》一書中得知未耕土壤密度δ為2.69 mg/m3。
計(jì)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(dāng)軸回轉(zhuǎn)時(shí)，有三把刀進(jìn)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(jì)，則只要考慮兩把彎刀同時(shí)進(jìn)行切削土壤的情況，一把彎刀通過(guò)焊接在刀盤上的刀座固定，對(duì)軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形；另一把彎刀通過(guò)焊接在刀盤上的U型鋼與之相連，對(duì)刀軸同時(shí)產(chǎn)生彎矩和扭轉(zhuǎn)變形[15]。
由于每把彎刀的參數(shù)基本一致，則每把彎刀產(chǎn)生的彎矩為T/2，即78.5Nm,又因?yàn)門=F×L,從此式可以[19]求出彎刀給軸帶來(lái)的載荷F的大小，由彎刀的最大回轉(zhuǎn)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(duì)軸所產(chǎn)生的力效應(yīng)，力F2原來(lái)的作用點(diǎn)在垂直刀盤所在平面70mm 的平面內(nèi)，利用力的平移定理將其移到刀盤所在平面內(nèi)，此力在平移后相當(dāng)于對(duì)軸附加了一個(gè)彎矩，其值為
M=F2×70=291×70=20.3Nm （20）
如圖A中所示，根據(jù)力的平移定理將力F1平移至軸心，將附加一個(gè)扭矩，其大小為
T=F1×270=291×270=78.6Nm （21）
以合力F的方向?yàn)榭v軸為方向建立直角坐標(biāo)系xoy對(duì)刀軸進(jìn)行受力分析，如圖C所示，利用平衡條件對(duì)其進(jìn)行計(jì)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(chǎn)生一個(gè)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(jù)彎曲強(qiáng)度條件利用下式對(duì)軸進(jìn)行校核因?yàn)榈遁S為實(shí)心軸W查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表15-4得其計(jì)算公式為
δmax=MmaxW≤δ （25）
其中D為刀軸的大徑D1為刀軸小徑。
計(jì)算得
W=0.1×503[1-(44/50)4]=6125mm3 （26）
則
δmax=633006125=10.33Mpa≤δ=60Mpa
所以軸的強(qiáng)度能夠滿足彎曲強(qiáng)度要求。
根據(jù)扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件利用下式對(duì)軸進(jìn)行校核
τt=TWt≤τt （27）
計(jì)算得
τt=157200T6125≤τt=35Mpa
所以軸的強(qiáng)度能夠滿足扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度要求，綜上所述可知，軸能滿足工作時(shí)的強(qiáng)度要求，使刀盤能正常的工作。
5.2 滾動(dòng)軸承的校核
因軸承主故要承受徑向載荷無(wú)受軸向載荷，初步選取球深溝軸承。其主要性能和特點(diǎn):主要承受徑向載荷[20],也可同時(shí)承受小的軸向載荷。當(dāng)量摩擦系數(shù)最小。在高轉(zhuǎn)速時(shí)，可用來(lái)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(hào)的軸承。因軸承承擔(dān)的徑向力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軸向力，參照工作要求，初選6007型號(hào)的軸承。
軸承的使用壽命為：12小時(shí)/天×180天/年×10年=21600小時(shí)
1）對(duì)左端，已知F=574，在理想狀況下無(wú)軸向力，所以X=1，Y=0。
根據(jù)GB276-89，選6007型軸承，查得：C = 10.8 KN，C0 =6.95 KN 。
求當(dāng)量載荷P，查表得fp＝1.2～1.8，取1.8。
P=fp×Fr=1033N （28）
驗(yàn)算6007軸承的壽命
Lh10660nCPξ=63489?21600h （29）
所以6007型滿足要求。
2）對(duì)右端，已知F1=403，在理想狀況下無(wú)軸向力，所以X=1，Y=0。
根據(jù)GB276-89，選6007型軸承，查的：C = 10.8 KN，C0 =6.95 KN 。
求當(dāng)量載荷P，查表得fp＝1.2～1.8，取1.8 。
P=fp×Fr=547N （30）
驗(yàn)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(jié)論
本次設(shè)計(jì)是為解決果園開溝施肥工作量大等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)各種開溝施肥機(jī)進(jìn)行類比，查閱相關(guān)資料，確定出一種較化方案，并繪制其主要機(jī)構(gòu)三維模型進(jìn)行仿真分析與計(jì)算說(shuō)明。實(shí)現(xiàn)該果園開溝施肥機(jī)的開溝深度可調(diào)，施肥量可調(diào)，一次完成開溝施肥等工作。應(yīng)用后置式開溝方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，開溝拋土性能好，工作效率高，能滿足農(nóng)藝要求，其目的在于小型果園開溝施肥機(jī)械化。
從開始的確定課題，書寫開題報(bào)告，到逐個(gè)零件的繪制，讓我對(duì)自己從事的專業(yè)知識(shí)有了更近一步的認(rèn)識(shí)和理解。我的畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題主要步驟是，收集有開溝施肥機(jī)的資料;熟悉圖紙和相關(guān)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(shè)計(jì)的時(shí)候避免一些不必要出現(xiàn)的錯(cuò)誤問(wèn)題。
時(shí)光如水、生命如歌回想昨日我還是一個(gè)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(xué)的日子，我覺(jué)得這是我人生中很值得回味的記憶，現(xiàn)在馬上要畢業(yè)了心中更多的還是不舍，但是說(shuō)如果這畢業(yè)答辯要是過(guò)不了，還真能留下來(lái)。要說(shuō)這離校畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)于每個(gè)大學(xué)生來(lái)說(shuō)卻是一門必修課程，在大學(xué)這一個(gè)求學(xué)階段也只有一次也是最重要和最后的考驗(yàn)。雖然我也想很輕松的度過(guò)大學(xué)生活，但是我還是想挑戰(zhàn)下自己，檢驗(yàn)一下自己真正的實(shí)力和潛力，很好的去完成這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，為美好的大學(xué)生活畫上圓滿的句號(hào)。畢業(yè)設(shè)計(jì)跟我們平時(shí)上的基礎(chǔ)課或者專業(yè)課不同，它是一個(gè)重要課題，要用到很多綜合性的知識(shí)，最重要的是讓學(xué)生體驗(yàn)一下做科學(xué)研究的整個(gè)過(guò)程。也是畢業(yè)最重要的一個(gè)過(guò)程，它最能把理論知識(shí)準(zhǔn)確運(yùn)用到實(shí)際當(dāng)中的去，做好了它就是就是一份成功的畢業(yè)設(shè)計(jì)了。 隨著答辯日子的到來(lái)，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)也快接近了尾聲了。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的編制使我明白了自己原來(lái)的知識(shí)還是比較欠缺。自己要學(xué)習(xí)的東西還太多太多，以前總是覺(jué)得自己什么東西都會(huì)，什么東西都懂，有點(diǎn)眼高手低。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的收集編制等等，我才明白學(xué)習(xí)是一個(gè)長(zhǎng)期積累的過(guò)程，在以后的工作和生活當(dāng)中我們都應(yīng)該不斷的努力學(xué)習(xí)，努力的去提高自己知識(shí)和綜合素質(zhì)。這次我選擇的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題是果園開溝施肥機(jī)，設(shè)計(jì)從開溝到施肥，說(shuō)明書的書寫和零件裝配圖的繪制，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我獲得了從理論到實(shí)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(nèi)容后，我覺(jué)得自己就像又重新將自己曾經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)的知識(shí)再次學(xué)習(xí)了一遍一樣，對(duì)于整機(jī)設(shè)計(jì)的各個(gè)步驟的安排，又有了近一步的熟悉。在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，每一步都是自己親自了解制作的，雖然遇到的問(wèn)題、難題也非常多，但在經(jīng)過(guò)遇到問(wèn)題、思索問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程中，這一收獲是最多的。以往沒(méi)有在意到的問(wèn)題，都在這一次的畢業(yè)設(shè)計(jì)中得意體現(xiàn)，這些都培養(yǎng)了我的細(xì)心、耐心和恒心。而且指導(dǎo)老師給予的指導(dǎo)更加讓我受益良多，無(wú)論是理論工作上的編制，還是實(shí)際中畢業(yè)設(shè)計(jì)遇到的問(wèn)題，師都給我們做了詳細(xì)的分析，也讓我在繪圖的過(guò)程中更能理論結(jié)合實(shí)際，更合理地進(jìn)行零件的設(shè)計(jì)。
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致 謝
在此我真心的感謝我的指導(dǎo)老師對(duì)我細(xì)心的指導(dǎo)，感謝謝方平老師給我的幫助。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我通過(guò)查閱大量有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué)，并向老師請(qǐng)教等方式，使自己學(xué)到了不少知識(shí)，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲同樣巨大。在整個(gè)設(shè)計(jì)中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力，樹立了對(duì)自己工作能力的信心，相信會(huì)對(duì)今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了制圖設(shè)計(jì)的能力，使我充分體會(huì)到了在創(chuàng)造過(guò)程中探索的艱難和成功時(shí)的喜悅。在這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中所學(xué)到的東西是這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的最大收獲和財(cái)富，我相信這會(huì)使我終身受益。
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