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鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2010 1WX-90 型植樹挖穴機設計 摘 要：現(xiàn)代新型挖坑機的研發(fā)主要向系列化、多功能和高性能方向發(fā)展。本植樹 挖坑機是針對目前使用廣泛的江蘇 50 型四輪拖拉機配套而設計的。懸掛式挖坑機 采用與拖拉機三點懸掛式聯(lián)接，即鉆頭在懸掛支臂的一端，支臂的另一端置于拖拉 機懸掛支點上。 本挖坑機主要是對傳統(tǒng)的懸掛式植樹挖坑機的傳動部分和挖掘部分的改進。 在主軸箱設計方面，根據(jù)江蘇 50 型拖拉機的傳動參數(shù)，合理的設計錐齒輪的傳動 比以及強度計算等。在總體設計方面，盡量簡化挖坑機的結構，減少其零件數(shù)目， 以降低成本。對于雙螺旋葉片設計，其直徑由下往上逐漸減小，其螺旋夾角也由下 往上逐漸減小，以避免鉆頭工作時與塘壁發(fā)生碰撞和摩擦等情況，提高了工作穩(wěn)定 性。 關鍵詞：挖坑機；懸掛；雙螺旋葉片 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2010 1 1WK-90-Type Planting Excavation Machine Abstract: The digging machine of modern research and development of new main to the serialization, multi-functional and high-performance direction. The tree digging machine is currently used for a wide range of Jiangsu 50-wheel tractor designed package. Suspended digging machine with a tractor connected to a suspended three-point, that is, the bit at the end of suspension arm, the other end of the arm at the fulcrum of the flying tractor. The digging machine is suspended from the traditional tree digging machine parts and the transmission part of the improvement of mining. In designing the spindle box, according to Jiangsu 50 tractor transmission parameters, and it needs a reasonable design of the bevel gear transmission ratio and the strength calculation. In the overall design, the digging machine tries to simplify the structure, reducing the number of its parts in order to reduce costs. Blade design for the double helix, whose diameter gradually decreases from bottom to top, the spiral angle also decreases from bottom to top in order to avoid the bit of work with the Tong-wall collisions and friction, etc., increased job stability. Key words: Digging machine; Suspension; Double helix leaves 1WX-90 型植樹挖穴機設計 2 目 錄 1 引言 .................................................................1 1.1 本課題的設計意義 ...................................................1 1.2 國內（外）發(fā)展概況及現(xiàn)狀 ...........................................1 1.3 課題由來及設計條件 .................................................2 1.4 課題設計思路 .......................................................3 2 總體方案設計 ..........................................................3 2.1 整機構介紹 ..........................................................3 2.2 作業(yè) 原理 ...........................................................3 2.3 挖穴機與拖拉機的聯(lián)接 ...............................................4 2.4 挖穴機的動力部分 ...................................................4 2.4.1 功率及挖坑幅度計算 ................................................5 2.5 挖坑機主要技 術規(guī)格和基本技術參數(shù) ...................................6 3 部件設計 ..............................................................7 3.1 螺旋葉的設 計 .......................................................7 3.1.1 鉆頭的設計 .......................................................7 3.1.2 雙螺旋葉片 的設計 .................................................7 4 設計計算 .............................................................8 4.1 動力分配 計算 ........................................................8 4.2 萬向聯(lián)軸器的選用計算 ...............................................8 4.2.1 萬向節(jié)總成 .......................................................8 4.3 齒輪軸 .............................................................8 4.4 軸承的選 用與計算 ..................................................10 5 主要零件強度 計算 .....................................................12 5.1 齒輪的校核 計算 .....................................................12 5.2 主軸的校核 計算 ....................................................15 6 挖坑機 使用和使用中 的注意事項 .........................................21 6.1 挖坑機使用 .........................................................21 6.2 使用中的注意事項 ...................................................21 7 結論 .................................................................22 參考文獻 ..............................................................23 致 謝 ..............................................................24 附件清單 ..............................................................25 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2010 3 1 引言 1.1 本課題的設計意義 近年來，鹽城拖拉機制造有限公司發(fā)展快速，年產 3 萬臺系列輪式拖拉機和 8 萬臺手扶拖拉機，銷往國內 30 個省、市和國外 60 多個國家和地區(qū)。如今，配套農 用機具跟不上主機迅速發(fā)展的要求。其中包括 1WK-50 型輪式拖拉機，沒有合適農 機配套。因此，研制配套挖坑機與拖拉機同步銷售，會使得拖拉機，挖坑機兩旺。 我設計的是一臺植樹挖穴機，與黃海金馬-50 型拖拉機相匹配，用于植樹造林 及其他的小型挖坑作業(yè)。現(xiàn)有的挖穴機多為手提式挖穴機，起工作效率不高，使用 條件不便，穩(wěn)定性能不太理想，因此，本課題設計的植樹挖穴機要求工作穩(wěn)定，工 作效率高。隨著地球環(huán)境的日益惡化，需要大量植樹造林，改善環(huán)境，因此，研制 經濟高效的植樹挖穴機將深受廣大人名群眾的歡迎。 1.2 國內（外）發(fā)展概況及現(xiàn)狀 中國挖穴機產業(yè)發(fā)展出現(xiàn)的問題中，許多情況不容樂觀，如產業(yè)結構不合理、 產業(yè)集中于勞動力密集型產品；技術密集型產品明顯落后于發(fā)達工業(yè)國家；生產要 素決定性作用正在削弱；產業(yè)能源消耗大、產出率低、環(huán)境污染嚴重、對自然資源 破壞力大；企業(yè)總體規(guī)模偏小、技術創(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) 產業(yè)化，有為東方紅-75、熱特-25 型拖拉機配套的挖穴機，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、 挖穴機，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，土質條件復雜， 影響了機械的使用效果，基本上用人工挖坑栽苗，生產的挖穴機批量較小。近幾年 來，由于經濟林的興起以及國家為防治水土流失，退耕還林、種草種樹已引起各有 關部門的普遍重視，并加大了植樹造林機械的投入，取得了良好的效果。 挖穴機為了適應不同土壤、不同作業(yè)條件的要求，國外生產的不同動力配套的 造林用挖穴機，有手提式、背負式、手扶拖拉機式和拖拉機式 4 種。 A.手提式挖穴機，分為單人式與雙人式。日本多用單人手提式，歐洲各國則多 采用雙人手提式。手提式挖穴機發(fā)動機的功率一般為 1.3--3.7kw，多采用油鋸和割 灌機的單缸風冷汽油發(fā)動機為動力。單人和雙人手提式挖穴機發(fā)動機的轉數(shù)經離心 式離合器和減速箱，將轉數(shù)降低到 100--200r/min，再傳到挖穴鉆頭。由于減速比 很大，多采用蝸輪蝸桿或擺線針輪行星傳動機構，以便減少機器的質量。由于雙人 手提式挖穴機質量可以大一些，有的采用多段直齒輪減速機構。有的挖穴機為了使 挖穴機鉆頭能自動地由地中拔出，在傳動機構中裝有逆轉機構。國外所用的挖穴鉆 頭多為螺旋片型，挖穴時自穴中向上排土的性能好，螺旋片型有單螺旋和雙螺旋兩 1WX-90 型植樹挖穴機設計 4 種。山地造林時，挖穴的直徑和深度為 25--30 厘米，因此多采用 1.5--2 個節(jié)距的 螺旋片。為了提高螺旋片型挖穴機的切根性能，有的將螺旋邊緣做成缺口狀。國外 所用挖穴機鉆頭的轉數(shù)都不太高，以免將穴中的土壤甩得過遠，一般周邊速度為 3 米/秒左右，鉆頭轉數(shù)為 200--300r/min。裝有逆轉機構的挖穴機在拔出鉆頭時，土 壤會向相反方向旋轉，不會從穴中拋出。手扶拖拉機式挖穴機的功率為 3.7-- 7.3kw，輪式拖拉機挖穴機的功率為 36.8--73.6kw。 B.懸掛式挖穴機主要用于栽植大樹苗時的挖穴作業(yè)，挖穴直徑為 50--80 厘米， 挖穴深度為 60 厘米，挖穴機懸掛在 25.7--58.8kw 拖拉機上。挖穴機由縱吊桿、帶 安全裝置的萬向傳動軸、減速器和不同直徑的挖穴鉆頭組成。減速器由一對直齒錐 齒輪組成，更換不同直徑的挖穴鉆頭時，要更換不同的錐齒輪，可換挖穴鉆頭有 3 種，直徑分別為 80、60、30 厘米。鉆頭由空心鉆桿、葉片和切土刀片組成，鉆桿 下端有定心尖。工作時，由拖拉機動力輸出軸經萬向傳動軸帶動旋轉工作部件完成 挖穴作業(yè)，利用液壓裝置控制鉆頭升降。 C.液壓式挖穴機在發(fā)達國家已普遍推廣。由于液壓技術的普及推廣，發(fā)達國家 在挖穴機上已采用液壓傳動裝置，主要用在液壓輸出能力較強的拖拉機或挖掘機的 機型上，用液壓泵驅動齒輪機構傳動系統(tǒng)。DANUSER 液壓挖穴機裝有高效、轉向密 封性能好的液壓馬達，可調節(jié)機械鏈條與齒輪，使扭距增大 4 倍。采用液壓驅動比 用萬向節(jié)套管傳動更靈活方便，當遇到障礙物時能起到安全緩沖作用。 1.3 課題由來及設計條件 A.設計內容 設計一臺植樹挖穴機，與黃海金馬-50 型拖拉機相匹配，用于植樹造林。主要 的設計內容有： a)總體設計:設計總體方案。繪制挖穴機總圖； b)零部件設計:根據(jù)挖坑機總圖，設計齒輪箱等傳動機構；繪制傳動軸、齒輪、 齒輪箱體、鉆頭等零件圖；有關計算、校核等。 B.設計依據(jù) a) 相配套的江蘇-50 型四輪拖拉機主要技術數(shù)據(jù) ①力輸出軸轉速:720r/min; 540 r/min ②動力輸出軸離地高度:645mm b) LY/T1491-1999,懸掛式挖穴機 技術條件[S]. c) 挖穴機技術參數(shù) ①挖穴直徑:70cm ②挖穴深度：70cm ③鉆頭轉速：150～250r/min ④鉆頭形式：采用雙螺旋葉片結構； ⑤工作效率：60～90 坑塘/小時 ⑥按 5 年壽命，每年工作 800 小時計。 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2010 5 C.設計要求 a) 挖穴機與拖拉機采用三點懸掛聯(lián)接， 作業(yè)時萬向傳動軸偏置角度不得大于 15°，田間移位或運輸前必須先切斷動力，將螺旋鉆頭提升至最大高度，此時鉆頭 頂尖離地高度應大于 300mm。 b) 螺旋葉片的轉速過高，會將泥土拋得很遠，造成填坑缺土。轉速過低，則造 成工作效率不高。因此在設計時，要充分調研和實踐，確定合適的轉速， c) 為保證工作性能，設計時應充分考慮其穩(wěn)定性，避免受力不均勻而造成抖動； d) 結構簡單可靠，盡量使用標準件、通用件，以降低制造成本。 1.4 課題設計思路 在開始該機設計前，參考對比了一系列已有的植樹挖穴機，例如懸掛式挖穴機， 手提式挖穴機，液壓式挖穴機等，總結發(fā)現(xiàn)他們都要用到由一對齒輪傳動組成的減 速箱，而本課題采用的是懸掛式挖穴機的方式，一種與小四輪拖拉機配套的懸掛式 挖坑機，由懸掛架、帶安全裝置的萬向傳動軸、減速箱、雙螺旋葉片型鉆頭等構成； 懸掛架兩端分別與拖拉機和減速箱鉸合連接，雙螺旋型鉆頭固定在減速箱的輸出軸 上；工作時，拖拉機的提升臂拖帶懸掛架進行升降，由拖拉機動力輸出軸經萬向傳 動軸帶動旋轉工作部件完成挖穴作業(yè)；具有結構簡單、作業(yè)質量好、效率高、移動 及通過性能靈活的特點，廣泛應用于植樹造林、施肥集水、埋設樁柱等作業(yè)。 2 總體方案設計 2.1 整機構介紹 一種與小四輪拖拉機配套的懸掛式挖坑機，由懸掛架、帶安全裝置的萬向傳動 軸、減速箱、雙螺旋型鉆頭等構成，減速箱由一對錐齒輪傳動組成。 2.2 作業(yè)原理 一種與小四輪拖拉機配套的懸掛式挖坑機，由懸掛架、帶安全裝置的萬向傳動 軸、減速箱、雙螺旋型鉆頭等構成；懸掛架兩端分別與拖拉機和減速箱鉸合連接， 雙螺旋型鉆頭固定在減速箱的輸出軸上；工作時，拖拉機的提升臂拖帶懸掛架進行 升降，由拖拉機動力輸出軸經萬向傳動軸帶動旋轉工作部件完成挖穴作業(yè)；具有結 構簡單、作業(yè)質量好、效率高、移動及通過性能靈活的特點，廣泛應用于植樹造林、 施肥集水、埋設樁柱等作業(yè)。 挖坑作業(yè)時，拖拉機液壓懸掛裝置處于浮動狀態(tài)，使鉆頭對準挖坑標記中心靠 自重下落，拖拉機的動力輸出軸通過傳動軸和減速器帶動鉆頭旋轉入土，鉆頭切去 中心部分土壤，進而鉆頭葉片下端的刀片切削土壤，切下的土壤在離心力作用下被 拋向穴壁，并在摩擦力作用下沿著葉片螺旋向上升到地面被拋到穴的周圍，挖到預 1WX-90 型植樹挖穴機設計 6 定深度時，通過液壓懸掛裝置提升鉆頭到運輸狀態(tài)，再轉移到下一個挖坑地點。 2.3 挖穴機與拖拉機的聯(lián)接 挖穴機與拖拉機采用三點懸掛裝置聯(lián)接，具有結構簡單、作業(yè)質量好、效率高、 移動及通過性能靈活的特點，廣泛應用于植樹造林、施肥集水、埋設樁柱等作業(yè)。 三點懸掛機構示意圖（圖 2-1）： 圖 2-1 三點懸掛機構示意圖 2.4 挖穴機的動力部分 圖 2-2 傳動路線圖 動力由拖拉機輸出，通過帶安全裝置的萬向傳動軸，將動力傳到挖穴機的輸入 軸，再通過一對直齒錐齒輪傳動來帶動雙螺旋葉片型鉆頭轉動，實現(xiàn)挖穴作業(yè)。 (如圖 2-4 所示) 2.4.1 功率及挖坑幅度計算 A.功率計算 查表得： ； ；96.0?圓 錐 齒?98.0?滾 子 軸 承?96.0?萬 向 節(jié)? 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2010 7 a.拖拉機動力輸出軸的額定輸出功率 作為設計功率)(408.58.0馬 力發(fā)額 ???N b.計算第一軸及小錐齒輪 的功率、轉速和扭矩1Z 齒輪軸： )(632.7馬 力萬 向 節(jié)軸 承額 ?I min/0rnI )(4.72.162.7 米千 克 ????IINM87936..03.1 馬 力軸 承 ??IZ )(4.72162.76 11 米千 克 ????Znmin/01rZ c.立軸與大錐齒輪 功率、轉速和扭矩:2 馬 力 ）圓 錐 (402.3596.87.31 ?????ZNin/24012 rnZ)(36.8.622 米千 克 ?ZZM 立軸功率、轉速和扭矩為： )(91.42 馬 力軸 承 ???ZINmin/32rnI )(198.06.71米千 克 ???IIM 各軸與齒輪考慮傳動效率后相應功率，轉速和扭矩匯總如表 2-3 所示： 表 2-3 各軸功率、轉速和扭矩表 軸次 動力輸出軸 I 軸 II 軸 1WX-90 型植樹挖穴機設計 8 軸 1Z軸 2Z 功率（馬力） 40 37.632 36.879 35.404 34.696 轉速（r/min） 720 720 720 234 234 扭矩（千克 米）?39.789 37.433 36.685 108.361 106.193 B.挖坑幅度 根據(jù)設計要求，挖坑直徑為 70cm，深為 70cm，因此，雙螺旋葉片最大直徑為 70cm.如圖 2-4 所示： 圖 2-4 挖坑幅度示意圖 2.5 挖坑機主要技術規(guī)格和基本技術參數(shù) 型號：1WK-90 型植樹挖穴機 型式：三點懸掛聯(lián)接，中間齒輪傳動 配套動力：黃海金馬-50 型輪式拖拉機 挖坑幅度：挖坑直徑 D=70mm,挖坑深度 H=70mm 作業(yè)速度： I 檔 540r/min II 檔 720r/min 螺旋葉轉速： I 檔 175.5r/min II 檔 234r/min 螺旋葉旋轉直徑：70mm 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2010 9 3 部件設計 3.1 螺旋葉的設計 3.1.1 鉆頭的設計 圖 3-1 鉆頭的設計 根據(jù)設計要求，鉆頭與螺旋葉軸之間采用花鍵聯(lián)接，銷釘固定，材料選用 45 鋼，表面淬火處理，提高耐磨性和硬度，并及時進行回火處理，消除內應力，提高 工件韌性。結構如圖 3-1 所示。 3.1.2 雙螺旋葉片的設計 圖 3-2 雙螺旋葉片的設計 1WX-90 型植樹挖穴機設計 10 雙螺旋葉片結構如圖 3-2 所示，采用調制處理，表面淬火，設計時，為避免工 作停止后抬起時導致坑壁碰觸，破壞作業(yè)效果，因此特設計為下方直徑較大，上方 直徑較小，葉片與中間軸焊接固定，與立軸采用花鍵聯(lián)接，銷釘固定。 4 設計計算 4.1 動力分配計算 （4-1）n950PT?? 式中：P 功率 n 轉速 已知各運動副的效率： 圓錐齒輪傳動 η 3=0.96， 球軸承 η 2=0.99， 根據(jù)拖拉機型號——黃海金馬—50 型查的輸出功率 P 為 18.4KW，轉速 N=540r/min, 雙缸內燃機，取輸出軸的設計功率為 P=18.4KW。 4.2 萬向聯(lián)軸器的選用計算 4.2.1 萬向節(jié)總成 萬向節(jié)總成是將拖拉機動力傳遞給旋耕機齒輪箱的傳動件, 萬向節(jié)總成主要由 活節(jié)夾叉、方軸夾叉、方軸套夾叉、十字節(jié)、方軸等零部件組成。十字節(jié)兩端裝有 孔用彈性擋圈、防止十字節(jié)軸向移動而滑出。十字節(jié)上裝有黃油嘴、內注黃油、供 滾針軸承潤滑用。方軸與方套為滑動連接，在升降或左右擺動旋耕機時，方軸能在 方套內伸縮，確保正常傳動而不致脫出。由于挖坑機工作負荷為變載荷工作條件差， 因此選用的十字軸應具有足夠的強度和可靠性。 a 萬向聯(lián)軸器的理論轉矩 mNnPT????39.12540.8950Kc7632. b 根據(jù)拖拉機動力輸出軸的尺寸參數(shù)確定配套的萬向節(jié)有兩種，一種是大的， 另一種是小的，根據(jù)它與動力輸入軸（齒輪軸）想聯(lián)，齒輪軸與萬向節(jié)采用花鍵聯(lián) 接，故根據(jù)花鍵尺寸查得萬向節(jié)的直徑 D 為 50mm，大型萬向節(jié)。 4.3 齒輪軸 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2010 11 圖 4-1 齒輪軸示意圖 轉速： n=540r/min 功率 p=18.4KW 轉矩 mNnPT????37.2540.18950 估算軸的最小直徑： 3minAd?? 查表可得： 20 鋼 A。= 49—126 Mpa 取中間值 A。= 137 Mpa md450.1837min?? 檢驗： ?????32.dT ： 許用應力。????MPa251.9042.7.53?????? ∴ 合格 軸的材料 20Cr 20Cr 熱處理：滲碳淬火 回火 硬度：淬火表面：56—62HRC 確定各軸段的尺寸。 1WX-90 型植樹挖穴機設計 12 圖 4-2 加工尺寸示意圖 先確定 D1 處的直徑： D1=44mm. L12 的長度： L12=88mm. D2 處軸身段直徑： D2 處的軸肩高 h=（0.07—0.1）D=3.36—4.8mm. 但因該軸肩幾乎不承受軸向力，故取 h=3mm. 則 D2=D1+2h=44+2x3=50mm. L23 長度： L23=23mm. D3 處軸身段直徑： 取 D3=55mm. L34 的長度： L34=9mm. D4 處軸身段直徑： 此處裝的是軸套，取 D4=51mm. L45 的長度： L45=3mm. D5 處軸身段直徑： 此處裝的是軸承，選用軸承 30311，根據(jù)軸承型 號，查的參數(shù)如下： 內徑 d=55mm, 外徑 D=120mm, 寬度 B=29mm, 故取 D5=55mm. L56 長度： L56=26mm. D6 處軸身段直徑： 此處不受軸向力，故取 D6D7=63mm. 4.4 軸承的選用與計算 滾動軸承的選擇，一般從以下幾個方面考慮： 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2010 13 a.載荷的大小，方向和性質 按載荷的大小、性質選擇 在外輪廓尺寸相同的情況下，滾子軸承比球軸承 承載能力大，適用于載荷較大或有沖擊的場合。球舟車適用于載荷較小、振動和沖 擊較小的場合。 按載荷方向選擇 當承受純徑向載荷時，通常選用徑向接觸軸承或者深溝球 軸承；當承受純軸向載荷時，通常選用推力軸承；當承受較大徑向載荷和一定軸向 載荷時，可選用角接觸向心軸承；當承受較大軸向載荷和一定徑向載荷時，可選用 角接觸推力軸承，或者將向心推力軸承和推力軸承進行組合，分別承受徑向和軸向 載荷。 b.軸承的轉速 一般情況下工作轉速的高低并不影響軸承的類型選擇，只有在轉速高時，才會 有比較顯著的影響。 根據(jù)工作轉速選擇軸承類型時，可參考以下幾點：1).球軸承比滾子軸承具有 較高的極限轉速和旋轉精度，高速時應優(yōu)先選用球軸承；2).為減少離心慣性力， 高速時宜選用同一直徑系列中外徑較小的軸承。當用一個外徑較小的軸承承載能力 不能滿足要求時，可再裝一個相同的軸承，或者考慮采用寬系列的軸承。外徑較大 的軸承宜用于低速重載場合；3).推力軸承的極限轉速都很低，當工作轉速高，軸 向載荷不十分大時，可采用角接觸球軸承或深溝球軸承替代推力軸承；4).保持架 的材料和結構對軸承轉速影響很大。實體保持架比沖壓保持架允許更高的轉速。 c.軸承的安裝和拆卸 便于裝拆也是選擇軸承類型時應考慮的一個因素。 d.經濟性 一般而言，球軸承比滾子軸承便宜；派生型軸承比其他基本型軸承貴；同型號 軸承，精度高一級價格將急劇增加。故在滿足使用功能的前提下，應盡量選用低精 度、價格便宜的軸承。 在挖穴機中，輸入軸和輸出軸承受載荷（徑向和軸向）較大，分別采用 32310 32212 30311 圓錐滾子軸承。 在這里，我就對輸入軸使用的 30311 軸承進行校核計算： 查詢機械設計手冊得：溫度系數(shù)， 圓錐滾子軸承，ε=3；對于該利用率;1?tf 不高，每年工作 800h 的機械，工作 5 年，預期壽命 h’=4000h。 查表得：30311 軸承的額定動載荷是 155Kn，額定的靜載荷是 188Kn。 35.078.??Fra 查機械設計手冊得 X=0.4,Y=1.1,于是NYXP2.1?? 計算軸承壽命 kL 取 ，又 30311 為圓0.8.1tpff、 錐滾子軸承，壽命植指數(shù) ，3/10?? 1WX-90 型植樹挖穴機設計 14 則由式： 該軸合適 hPf CnLptk4081567?????????? 5 主要零件強度計算 5.1 齒輪的校核計算 A.齒輪幾何尺寸計算 錐齒數(shù)： ， 402?z 模數(shù)： 齒數(shù)比： 錐距： 齒寬系數(shù)： ， ，取 。Rb??35.02～ 31?R? 齒寬中點直徑： 分度圓直徑： 變位： 取變位 4.021??x B.齒輪的校核 載荷系數(shù) (5-1) 式中 ——使用系數(shù)AK ——動載荷系數(shù) ——齒向載荷分布系數(shù) V???mdRm67..1???v 94cos/??235.7/in ?KVA? 132z?md69.221????????5.6m13z 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2010 15 使用系數(shù) KA 是考慮齒輪嚙合時外部因素引起的附加動載荷的影響系數(shù)。它取 決于工作機和原動機的工作特性、軸與聯(lián)軸器系統(tǒng)的質量和剛度以及運行狀態(tài)。對 于一般設計， KA 值可按表 5—1 選取。 表 5-1 的取值系數(shù)AK 查表 5-1 得： 75.1?AK 查文獻[13]圖 6.10 得： 04.V 查文獻[13]圖 6.13 得： 1? 由公式（5-1）得 取2.2?K a.按齒面接觸疲勞強度計算 （5-2） 式中 ——齒輪齒面接觸應力 ——節(jié)點區(qū)域系數(shù) ——考慮節(jié)點處齒廓形狀對接觸應力的影響系數(shù) ——許用接觸應力 其中: ??HVVEHbdTZ???????121H?ZE??H ??1cos221111 ????? TdFTmtvtv 2sin1???RbR 1WX-90 型植樹挖穴機設計 16 取 ，查文獻[13]圖 6.19 得： ??20?5.2?HZ 整理得： （5-3） 整理得： （5- 4） 查文獻[13]表 6.3 得： MPaZE8.19? 查文獻[13]圖 6.8 得： ，2limlim05HH??? 查文獻[13]圖 6.6 得： ，.1NK9.2N 所以得： 考慮工作時實用功率為 74%，動力輸出軸以拖拉機功率 75%計算， 由公式（5-4）得，以 為計算。min/5401rn? 得 ，符合設計要求。md5.841? b.按齒根彎曲疲勞強度計算 (5-5) 式中 ——齒輪彎曲應力 ——許用彎曲應力 ——當量轉矩 ——齒形系數(shù) ——修正系數(shù) ——當量分度圓直徑 其中: 整理得： (5-6)????3215.04FSaRRYzKTm??????? ??FmVSaFFbdYKT????12????mZKTdRHER897.05.3 211 ?????????????? mNnPT ???????? 56161 107.254098.0673...905.9額 ????3 211.5?????????RHERZKTd?????HRREHd?????312.045F???1vTFaYS1vd????????MPaKHNH 2.1034// 221121 lili?????? ??Rmv dT ???5.01cos//1mv21 ?????、、 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2010 17 查文獻[13]圖 6.9 得： MPaF38021limli?? 應力循環(huán)次數(shù)： ，71064.8??N71.?N 查文獻[13]圖 6.7 得: ，9.K9. 取定彎曲疲勞安全系數(shù) ，應力修正系數(shù) ，則FS2?STY 當量齒數(shù) 取齒形系數(shù)和應力校正系數(shù) ，變位 0.4 則 因為 < ， 所以按大齒輪進行齒根彎曲疲勞強度計算，由公式（5-6）得： II 檔時， 498.3?m 設計 ，符合設計要求。56? 5.2 主軸的校核計算 A.軸的設計 a.輸出軸輸入功率 kwP42.175.073.098.6.02????額軸min/5.17rn?軸 b.軸上裝配方案 如圖 5-2 所示 圖 5-2 軸的設計 c.確定軸最小直徑 mind 段僅受彎矩作用，軸徑最小，因軸所受彎矩較小，只受玩轉矩作用，單Ⅰ ～ Ⅱ ??aYFSTN4.5/1lim11 P3222??76.0cos/???zv 981 6.165.2.60159.482012 ???? SaFavnv Yzz ，，，，???079.4.1??SFaY?4.53282?F?? 2SaFY1SaFY?????178.315.014222?????FSaRYzKT???71S，，，， mNT ??? 566 9.5174.5.1.9軸軸軸 1WX-90 型植樹挖穴機設計 18 向 旋轉， 值取小，材料為 45 鋼，查文獻[13]表 11.3 得 。C ， 時， 更min/234rn?軸 in0d 小，因此，取 ， 。md50in?l130 d.確定各段軸長度： 段采用花鍵與齒輪聯(lián)接，軸肩高 ，Ⅱ ～ Ⅲ ??dh5.41.80～～ ? 取 。則hml4622?， 段寬度查表 .?、?～ Ⅳ b57,.1? ml2.733， 段用花鍵聯(lián)接雙螺旋葉片，取 。Ⅳ ～ Ⅴ d644， 段裝配軸承 30310 軸頸尺寸公差 ，取倒角Ⅰ ～ Ⅱ kC 段裝配軸承 30312 尺寸公差Ⅳ ～ Ⅴ e.軸的受力分析 如圖 5-3 所示： 軸承 30312， ，軸承 30310，m26??m23?? 圓周力 徑向力 軸向力 ， ??0MB，得：0D C 處水平彎矩： 垂直彎矩： P81.45.723min0 ???軸軸 ??NzTdF Rmt 7254.0122?????L.6.5.4/8?3tr 618cos/tan754cos/an???t .i?ma??62/??NLFtNH537/231?182LarV 4.6/3?N92??mH??451NFMV87L N?6332 10C 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2010 19 1WX-90 型植樹挖穴機設計 20 圖 5-3 軸的受力分析 B.軸的校核 mzd2602?? 截面Ⅱ處應力接觸最大，應力集中，定為危險截面。 a.截面Ⅱ左側強度校核 抗彎截面系數(shù) 抗扭截面系數(shù) Ⅱ左側彎矩 mNM??821 截面上彎曲應力 截面上扭轉切應力 MPaWb 093.8216/8??T.??333216060.. md??40T 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2010 21 平均應力 ，0?m?MPa96.? 應力幅 ，ba38 . 查文獻[13]表 11.2 得： ， ，B40??MPa2751???Pa15??? 查文獻[13]附表 1.6，軸肩理論應力系數(shù) ，0.?3.? 材料敏性系數(shù) 查文獻[13]圖 2.8 并經插值得： ，82.?q0? 有效應力集中系數(shù) ??8.1???qk 261???? 尺寸及截面形狀系數(shù) ，查文獻[13]圖 2.9 得 md602 6.??? 扭轉剪切尺寸系數(shù) 由 ，查文獻[13]圖 2.10 得 D80? 表面質量系數(shù) 查文獻[13]圖 2.12 得 9.0??? 表面強化系數(shù) 軸未經表面強化處理 1?q 疲勞強度綜合影響系數(shù) 等效系數(shù) 材料 45 鋼 ， ，取2.0～??.0?? ，取15～?? 5?? 僅有彎曲正應力時計算安全系數(shù) 僅有扭轉切應力 彎扭聯(lián)合作用下計算安全系數(shù) 材料均勻，載荷與應力計算精確時： ，取5.13～?S.?S ，左側疲勞強度合格。Sca? b.截面Ⅱ右側強度校核 抗彎截面系數(shù) 抗扭截面系數(shù) Ⅱ右側彎矩 mNM??820361 截面上彎曲應力 截面上扭轉切應力 平均應力 ，0?m?Pa8.6? 應力幅 ，Mba295 . 過盈配合處 值，配合 H7/k6 ，查文獻[13]附表 1.4 得， ，??/k 52./???k 6.???maKS??95.1????28.2???ca MPaW b 629.510/8?T43.2 76./???kK??? 333.. md?2T? 1WX-90 型植樹挖穴機設計 22 02./8.0/?????kk 疲勞強度綜合影響系數(shù) 僅有彎曲正應力時計算安全系數(shù) 僅有扭轉切應力 彎扭聯(lián)合作用下計算安全系數(shù) 材料均勻，載荷與應力計算精確時： ，取5.13～?S.?S ，右側疲勞強度合格。Sca? 結論：該軸符合設計要求。 6 挖坑機使用和使用中的注意事項 6.1 挖坑機使用 挖坑機的選用首先明確挖坑直徑大小與深度，其次是所用動力大小。一般是動 力小的拖拉機挖坑也小，挖大坑所需拖拉機也大。目前我國拖拉機以中小型居多， 這給使用者想用小動力或小拖拉機挖大的樹坑帶來一定難度。因為挖坑機所需功率 的大小與挖坑直徑、土壤的性質關系極大，根據(jù)生產實踐，在普遍礦壤土（比阻 0.2~0.3 左右）用 25 馬力左右的輪式拖拉機配用挖坑機，可以開直徑 50cm 左右的 坑。反之在粘重土壤（比阻 0.4~0.5）需用 50 馬力左右的拖拉機配用挖坑機，可見 土壤的性質、堅實程度、水分多少，對挖坑機的功能影響非常大?，F(xiàn) 在用戶總希望用小功率拖拉機配挖大直徑的挖坑機是不現(xiàn)實的。為此只能從施 605.11????maKS???793.1?ma??8.2???ca 611????7./??? 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2010 23 工作業(yè)的工藝上多做文章，即采用多次開挖方法，如開挖 50cm 直徑的坑當功耗不 夠時，便第一次用 30cm 直徑的鉆頭開挖，功率消耗便減少一半，當?shù)谝槐樽鳂I(yè)完 畢后，再改用 50cm 直徑的鉆頭，這樣就可以達到用小功率拖拉機開挖較大的直徑 挖穴坑，但是所消耗的時間長與消耗功率多，帶來操作者的使用麻煩。手提式挖坑 機為什么沒能推廣使用。森林采伐以后重新栽種樹苗多為山區(qū)、丘陵地栽種小樹苗， 一般拖拉機很難上山種植，希望采用手提式挖坑機。由于國產手提式幾年前雖然產 品，但在個別性能上還不過關，加之修配網(wǎng)點少，沒有大量推廣，更重要的原因是 我國植樹造林屬國家下達任務，地方節(jié)省投資。目前農業(yè)勞力價格便宜，如買一臺 國產機需 2000 多元，而國外機價格昂貴至 6000~7000 元，所以采用機械化作業(yè)投 入產出比失調，不能獲得滿意的經濟效益，而且手提挖坑機作業(yè)過程提移挖坑機勞 動強度比人工挖坑還費力，每天效率也就是 100~200 個坑，還不如人力勞動強度， 所以一直推廣不了，即算一筆帳可以看出：一臺手提挖坑機成本 2000 元，作業(yè)時， 一個坑合成本（人工費、油費、機具折舊費）為（20+10+2000/100 天=50 元/100 天） /200 穴=0.25 元。如用人工挖坑每天挖 20~50 個，人工費不同地區(qū) 10~20 元，則為 0.2 元~0.4 元 /穴，所以人工費用與機具關不多，無法使用推廣。相反如果一臺鐵牛 55 拖拉機挖直徑 50cm 的穴，一天可挖 500~1000 穴，人工效率一天只挖 10~20 個， 則機具作業(yè)是人工的 100 倍，一個臺機具 5 千元使用五天就可收回成本，不但減輕 勞動強度，提高工作效率，還提高了經濟效益，深為用戶所接受。 6.2 使用中的注意事項 初次使用時變速箱內應加注齒輪油 ,其油面高度應不低于小齒輪直徑的 1/2,并 且每工作 10-15t 檢查 1 次變速箱的油量;萬向節(jié)應注黃油。作業(yè)過程中限定拖拉機 駕駛員 1 人操作 ,變速箱上不準站人,以保證作業(yè)安全 ;刀片螺栓應隨時檢查緊固,鉆 頭達到作業(yè)深度后,應控制鉆頭慢慢升起,以利于螺旋片將坑內的余土逐漸地排出坑 外。拖拉機懸掛挖坑機長距離行走時,應將機具升到最大高度,鎖住油缸,慢速行駛,以 免挖坑機與地面硬揚相碰損壞機具。 7 結論 本課題設計的植樹挖穴機，在主軸箱設計方面，根據(jù)江蘇 50 型拖拉機的傳動 參數(shù)，( 功率 18.4KW，轉速 540r/m)合理的設計錐齒輪的傳動比以及強度計算等。 在技術方面，是由傳動箱、傳動軸、雙螺旋葉片和鉆頭等組成。在總體設計方面， 盡量簡化挖坑機的結構，減少其零件數(shù)目，以降低成本。對于雙螺旋葉片設計，其 直徑由下往上逐漸減小，其螺旋夾角也由下往上逐漸減小，以避免鉆頭工作時與塘 壁發(fā)生碰撞和摩擦等情況，提高了工作穩(wěn)定性。此設計可以用于綠化建設，植樹造 林，也可用于其他挖坑作業(yè)，可以彌補現(xiàn)在的手提式挖穴機的效率低下，功能單一 的缺點。本機在用于植樹造林時，節(jié)省了工時，緩解勞動力繁重的問題，降低人力， 而且機器結構簡單，安裝簡便，使用安全可靠，操作方便，功率消耗小，穩(wěn)定性好。 1WX-90 型植樹挖穴機設計 24 由于設計缺乏經驗，所以總體結構還是有缺陷的，并且缺少實際生產制造和挖 穴作業(yè)試驗。按照計劃完成目標任務后，相信該機能夠滿足生產實際的需要，各項 性能指標能夠達到任務書的要求，具有較好的社會應用價值。此設計在設計過程中 遵循機械設計手冊取用數(shù)據(jù)，若有錯誤，望原諒并改正。 參考文獻 [1] 王合．農業(yè)機械化與電氣化[J]．1W50（30）型植樹挖坑機的研制與應用，2004，(5)：41- 42． [2] 于建國, 屈錦衛(wèi). 林業(yè)機械與木工設備[J]. 挖坑機刀片切削模型的建立及其 MATLAB 分析, 2006: 第 34 卷 第 7 期 32-33. 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[13] 徐錦康,等.機械設計[J].高等教育出版社,2006.12. 致 謝 本次畢業(yè)設計是對我大學四年所學知識的一次全面考察，它也是對即將走向社 會的我進行的一次有效實用的訓練。在這短短的幾個月里，在我的不斷努力下，現(xiàn) 在回顧這段時間的成績，真是受益良多。我的課題是研究一種與輪式拖拉機配套的 農用機械，用于植樹挖穴，通過這次的畢業(yè)設計過程，讓我充分體會到設計的艱辛， 從苦心設計零件，到查閱大量的圖書資料，選用合理的數(shù)據(jù)分析，既要考慮加工工 藝，又要考慮它的實用性，既要對數(shù)字進行分析研究，又要分析工藝系統(tǒng)中加工因 素與之對應關系，這段時間的設計過程中，讓我的理論知識更加充實，實踐經驗更 1WX-90 型植樹挖穴機設計 26 加豐富，理論與實踐上的結合更是有了很大的進步。這樣既鞏固了大學所學的知識， 也提高了我的獨立分析問題、解決問題的能力。我在產品設計、機構分析、工藝過 程分析、公差配合等方面建立了一個系統(tǒng)概念，從而提高了在實踐生活中從事一線 生產工作技術的能力，增強了工作協(xié)調能力。在設計過程中，我也遇到了一些自己 不理解的問題，比如螺旋葉片帶土問題，怎樣保持坑壁不破壞的問題等等，最后通 過老師的講解和分析，我最終慢慢理解，體會，終于克服了許多問題，完成了畢業(yè) 設計。 雖然本次設計任務業(yè)已順利完成，但由于我水平有限，缺乏生產的實際經驗， 因此雖然查閱了大量的書籍、數(shù)據(jù)資料，但還是難免會留下一些不足之處，希望原 諒改正。 在此次畢業(yè)設計的開始到結束一直得到曹兆熊老師的指導與督促，并給與了大 量的幫助，使得我克服了許多技術上的問題，還有在設計過程中，得到了小組中其 他同學的大量幫助，我對你們表示真誠的感謝。 附 件 清 單 序號 圖名 圖號 圖幅 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2010 27 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21 22 23 24 25 26 27 28 總裝圖 1WX-90.01 A0 齒輪箱 1WX-90.02 A1 箱體 1WX-90.03 A1 田間工作作業(yè)圖 1WX-90.04 A2 齒輪軸 1WX-90.05 A3 大齒輪 1WX-90.06 A3 立軸 1WX-90.07 A3 隔套 I 1WX-90.08 A4 隔套Ⅱ 1WX-90.09 A4 固定軸 1WX-90.10 A4 固定軸板 1WX-90.11 A4 大端軸承座 1WX-90.12 A4 小端蓋 1WX-90.13 A4 鉆頭焊合 1WX-90.14 A3 軸承座 1WX-90.15 A3 軸承端蓋焊合 1WX-90.16 A3 大端蓋 1WX-90.17 A4 支臂 1WX-90.18 A3 支撐桿 1WX-90.19 A4 連接花鍵 1WX-90.14-01 A4 加強板 1WX-90.14-02 A4 立柱 1WX-90.14-03 A4 封板 1WX-90.14-05 A4 加強角板 1WX-90.14-07 A4 立板 1WX-90.14-08 A4 拉板 1WX-90.16-01 A3 加強肋 1WX-90.16-02 A4 上端蓋 1WX-90.16-03 A4