雙軸旋耕機的設計0雙軸旋耕機的設計摘要旋耕機是機械化整地的作業(yè)的主要農(nóng)具之一，但目前多數(shù)旋耕機翻地以后，還需進行一次耙地作業(yè)才能達到農(nóng)作物生長環(huán)境要求。因此，工作效率不高，拖拉機對土壤的二次壓實作用也不利于農(nóng)作物生長?；趪鴥?nèi)現(xiàn)有旋耕機技術(shù)，提出采用雙軸旋耕機技術(shù)來解決這個問題。在本次設計中，具體設計了雙軸旋耕機總體結(jié)構(gòu)、傳動系統(tǒng)、旋耕刀片、四點懸掛裝置等。由于幅寬、功率較大，本設計整體采用雙側(cè)邊齒輪傳動，轉(zhuǎn)動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)基本對稱，提高了使用壽命。雙軸旋耕機由前后兩根旋耕刀刀軸同時工作，一次即可達到耕作要求，從而減少拖拉機對土地的壓實次數(shù)，提高了工作效率和能源利用率。關(guān)鍵詞旋耕機；雙軸；雙側(cè)邊傳動；設計雙軸旋耕機的設計1The Design of biaxial rotary cultivatorABSTRACTRotary cultivator is one of the main tools in mechanization preparation work. However, the majority of rotary cultivator can’t meet the requirement for crops to grow, the cultivator needs to harrow the soil. Therefore, the working efficiency is not high, the tractor will run on the grand twice, compaction is not conducive to the growth of crops. Based on the domestic rotavator technology, then work out the biaxial rotary cultivator technology to solve this problem. I select the Design of biaxial rotary cultivator as my graduation design topic . In this design program, I Designed the overall structure of the rotary cultivator, transmission system, rotary blade, the four point suspension device , etc . As the width and the power needed are large. By the use of double side gear, the rotation is smooth , the basic structure is symmetric, which can improve the service life. When biaxial rotary cultivator works, the two rotary blade cutter axle rotate at the same time, once to meet the cultivation requirements, which can reduce the times of the tractor compact the grand, improve work efficiency and energy utilization simultaneously.KEY WORDSRotary cultivator；Biaxial；Drive by double side gear；Design雙軸旋耕機的設計2目 錄摘要 .....................................................................................................................................................II關(guān)鍵詞 .................................................................................................................................................IIABSTRACT ......................................................................................................................................IIIKEY WORDS ...................................................................................................................................III1 前言 ..................................................................................................................................................11.1 課題要求 ........................................................................................................11.2 旋耕機的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 ...................................................................11.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 ....................................................................................11.2.2 國外研究現(xiàn)狀 .....................................................................................22 旋耕機的總體設計 ........................................................................................................................22.1 旋耕機的總體結(jié)構(gòu)設計 ...............................................................................22.2 傳動方式的選擇 ...........................................................................................22.3 限深裝置的設計 ...........................................................................................33　 旋耕刀工作參數(shù)的確定 ................................................................................................................43.1 旋耕機的工作原理 ........................................................................................43.2 旋耕刀刀型的選用 .......................................................................................43.3 旋耕機刀軸速度的確定 ...............................................................................63.4 刀座間距 b 和彎刀總數(shù) Z 的確定 ................................................................................................73.4 彎刀的排列設計 ...........................................................................................84　 旋耕機的工作參數(shù) ........................................................................................................................94.1 旋耕機的功率消耗 ........................................................................................94.2 傳動參數(shù)的確定 .........................................................................................105 側(cè)邊齒輪箱的參數(shù)設計 .................................................................................................................105.1 齒輪的設計校核 .........................................................................................105.1.1 齒輪的材料 ......................................................................................105.1.2 圓柱直齒輪的參數(shù)設計 ...................................................................115.2 齒輪軸系設計校核 .....................................................................................145.2.1 齒輪軸結(jié)構(gòu)設計 ..............................................................................145.2.2 齒輪軸上結(jié)構(gòu)配置 ..........................................................................185.3 刀輥軸的設計計算說明 ...........................................................................186 設計結(jié)論 ........................................................................................................................................197 設計心得 ........................................................................................................................................19參考文獻 ............................................................................................................................................21致謝 ....................................................................................................................................................23雙軸旋耕機的設計01 前言張之洞曾說， “凡民俊秀皆入學，天下大利必歸農(nóng)” ，農(nóng)業(yè)是一個國家賴以發(fā)展的根基，農(nóng)業(yè)的發(fā)展制約著其他產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其他產(chǎn)業(yè)反過來往往又反過來促進農(nóng)業(yè)的發(fā)展，我國是一個農(nóng)業(yè)大國， 同時又是一個農(nóng)業(yè)相對落后的國家，農(nóng)村人口占全人口的 70%左右。解決“三農(nóng)”問題是我國現(xiàn)代化建設的重中之重。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平雖然在一定程度上有了較大提升，但是與發(fā)達國家之間還有較大的差距。中國農(nóng)業(yè)正處于從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時期，農(nóng)業(yè)機械化是建設現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要物質(zhì)基礎，是先進生產(chǎn)力的代表，是提高農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)率的主要手段。農(nóng)業(yè)機械化是農(nóng)業(yè)科學技術(shù)推廣應用的重要載體，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必然過程，加快發(fā)展農(nóng)業(yè)機械化是推進城鎮(zhèn)化建設，全面建設農(nóng)村小康社會的重要舉措，加快發(fā)展農(nóng)業(yè)機械化也是保護和提高糧食綜合生產(chǎn)能力，增加農(nóng)民收入的重要措施。播前平整土地是農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵一環(huán)。其中，土壤耕作機械主要用于農(nóng)田栽植、播種前的作業(yè)，對農(nóng)作物的生長起著至關(guān)重要的作用，對糧食產(chǎn)量起著舉足輕重的影響。在一些播種前對土壤有嚴格要求的農(nóng)作物而言，播種前，需要進行多次輔助性的整平、耙地作業(yè)。機耕作業(yè)次數(shù)多，既浪費能源，又壓實和板結(jié)土壤 。一般整地機具（如鏵式犁、普通單軸旋耕機）不可能一次作業(yè)達到平整土地的技術(shù)要求，既使是熟地也不能將墊片粉碎到規(guī)定程度。而雙軸旋耕機一次作業(yè)能使各種土質(zhì)的土地達到高質(zhì)量的待播狀態(tài)。旋耕機作業(yè)后，地表平整、松軟、細碎，能夠滿足精耕細作的農(nóng)藝要求，機耕作業(yè)次數(shù)少，節(jié)約資源，減少對土壤的壓實和板結(jié)，降低作業(yè)成本，減少機具投資，提高機具利用率。因此，高性能、低功耗、多功能適應我國國情的旋耕機具有廣闊的發(fā)展前景。1.1 課題要求為提高大型拖拉機的使用范圍，提高工作效率，減少拖拉機對土壤的壓實次數(shù)，本課題要求設計一種與 45Kw 以上的輪式拖拉機配套，作業(yè)幅寬 2400mm，作業(yè)深度 18cm，作業(yè)速度大于 5Km/h 的雙軸旋耕機。1.2 旋耕機的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢旋耕機的發(fā)展至今已有 150 多年的歷史，最初在英、美國家由 3~4kW 內(nèi)燃機驅(qū)動，主要用于庭院耕作，直到 L 型旋耕刀研制成功后， 旋耕機才進入農(nóng)田作業(yè)。20 世紀初，日本從歐洲引進旱地旋耕機后，經(jīng)過大量的試驗研究工作，研制出適用于水田耕作要求的彎刀，解決了刀齒和刀軸纏草的問題，旋耕機得到了迅速發(fā)展(孔令德等， 1997)。目前，旋耕機主要采用中間傳動和側(cè)邊傳動，水平軸旋耕部件與地輪轉(zhuǎn)向一致，并且旋耕工作部件結(jié)構(gòu)相當完善。耕作配套機械有手扶拖拉機和輪式拖拉機兩種類型，而對整地機的主體部分旋耕機國內(nèi)外已經(jīng)有了相當成熟的理論研究和實踐研究。1.2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國近年來旋耕機的保有量增加很快，普通單軸旋耕機發(fā)展已經(jīng)較為成熟，雙軸旋耕機的應用時間較短，還沒有大面積推廣?，F(xiàn)在我國已能生產(chǎn)與 132kw 拖拉機配套的耕作農(nóng)具，大型機具開始向?qū)挿咚侔l(fā)展，但是從整體技術(shù)水平來看，我雙軸旋耕機的設計1們還與國際水平有很大的差距。我國現(xiàn)在生產(chǎn)雙軸旋耕機的企業(yè)主要有連云港春飛、河北神耕、北京華春翔農(nóng)、南昌旋耕機廠等。型號主要有 1GKN 系列、1GQN 系列、1GHL 系列、STG 系列等幾種。工作幅寬 1.25m 至 2.8m。由于受拖拉機技術(shù)條件的制約和配套機具本身的研究水平限制，一些國際先進結(jié)構(gòu)還未能得到完全使用：快速掛接器、耕深和水平自控調(diào)節(jié)、短尺寸廣角萬向節(jié)傳動軸、寬幅工作部件液壓折疊裝置、快速換刀結(jié)構(gòu)等。同時多功能整地機還在一定程度上還不能很好的滿足農(nóng)藝和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，而且我國的耕整技術(shù)發(fā)展緩慢，電子、自動控制、智能化技術(shù)還處于剛剛起步的階段，還有很大的提升空間。 （孔祥瑩等，2000）1.2.2 國外研究現(xiàn)狀在國外，旋耕機發(fā)展較早，旋耕機耕作技術(shù)已經(jīng)非常成熟，作業(yè)性能穩(wěn)定，功能齊全。美國和一些歐洲國家、日本、以色列等發(fā)達國家在旋耕機上處于國際領(lǐng)先水平，生產(chǎn)雙軸旋耕機的有約翰·迪爾、久保田、克拉斯、安格科等知名企業(yè)。由于國外田間拖拉機的功率達到了 360kw 以上，使得與之配套的整地機也隨之大型化，寬幅機械的生產(chǎn)率高，單位幅寬的成本低，能便于采用先進的生產(chǎn)技術(shù)，提高田間作業(yè)速度和效率、改善作業(yè)性能。大型整地機具已達 20m 以上，為便于其行走，采用機架折疊或縱向運輸，實現(xiàn)寬幅作業(yè)窄幅運輸。并且耕地速度為8～15km/h，整地達到 10～20km/h，播種達到 8～15km/h。國外整地機的產(chǎn)品功能相比國內(nèi)更加完善，材料和制造工藝水平較高，外觀漂亮，平均使用壽命比我國高出 1/3 以上，但是而且配件難，維修服務各個方面跟不上，對我國國土 70%的丘陵土地的情況十分不適用，價格相對較貴，為國產(chǎn)的 10 倍左右。 （李濱等，2006）隨著農(nóng)業(yè)機械化程度的增強，工作效率和效益的提高，現(xiàn)有的旋耕機已滿足不了農(nóng)藝要求和生產(chǎn)規(guī)模擴大的需要。故對旋耕機的研究有了進一步的深化，出現(xiàn)如下幾個方向的發(fā)展趨勢：（1）向?qū)挿?，高速型旋耕機發(fā)展；（2）向操作簡單、自動化、智能化方向發(fā)展；（3）向節(jié)能高效方向發(fā)展。 （張維安等，2008） 2 旋耕機的總體設計2.1 旋耕機的總體結(jié)構(gòu)設計現(xiàn)在與拖拉機配套工作的雙軸旋耕機懸掛方式主要有三點懸掛和四點懸掛兩種，按其工作部件的作業(yè)和配置方式有臥式與立式兩種，傳動方式有中間傳動和側(cè)邊傳動。經(jīng)過參考學校工科基地現(xiàn)有的旋耕機，結(jié)合課題要求，仔細分析各種方案的利弊與適用條件，本設計采用雙軸臥式、與拖拉機四點懸掛的結(jié)構(gòu)方式。整體上，前后采用兩根橫梁與左右的支撐板焊接的框架結(jié)構(gòu)。2.2 傳動方式的選擇對四點懸掛式旋耕機有中間傳動和側(cè)邊傳動兩種形式。中間傳動采用中間全齒輪傳動，利用萬向節(jié)傳動軸將拖拉機動力輸出軸的動力傳遞給圓錐齒輪軸，減速并改變方向后，向下最后傳遞到前后刀輥軸。這種方案一個缺點時中間齒輪箱處不能安裝彎刀，如不設置特殊工作部件，將出現(xiàn)漏耕。為此需要在齒輪箱的下方增設犁體總成以消除漏耕現(xiàn)象。側(cè)邊傳動利用萬向節(jié)傳動軸將拖拉機動力輸出軸的動力傳遞給圓錐齒輪軸，減速并改變方向后，再次經(jīng)過兩邊的萬向節(jié)將動力傳輸至兩邊齒雙軸旋耕機的設計2輪箱，最后傳遞到刀輥軸。對雙軸旋耕機而言，側(cè)邊傳動也還有兩種方案備選：單邊側(cè)邊傳動和雙邊側(cè)邊傳動。單側(cè)邊傳動方式是動力經(jīng)過減速器后，通過萬向節(jié)輸出到一邊的齒輪箱，再次分配給前后兩根刀軸。因此結(jié)構(gòu)簡單，但是平衡性較差，一般容易偏置，使得動力集中于刀輥一側(cè)，使用壽命和安全性得不到保證。雙側(cè)邊傳動的傳動方案是：動力經(jīng)過減速器后，通過萬向節(jié)輸出到兩邊的齒輪箱，然后經(jīng)過兩邊的齒輪箱分配給前后兩根刀軸。這種傳動結(jié)構(gòu)特點是結(jié)構(gòu)對稱性好、工作時受力均勻、左右平衡、布局合理同時可以節(jié)省材料、減輕整機的重量機架牢固，適用于寬幅旋耕機。在選定兩邊的齒輪箱內(nèi)的動力傳遞方案時，有鏈傳動、帶傳動、齒輪傳動三種預備方案可供選擇。由于鏈傳動雖然可以傳遞較大的功率，但是具有較強的震動性，工作時，噪音非常大，所以不選用。而旋耕機切削土壤的阻力較大，如果選用帶傳動的話，需要多條帶。最終選用齒輪傳動。齒輪傳動受力均衡，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，有利于機構(gòu)的對稱布置和平衡，降低功耗，改善工藝。本設計要求旋耕機的耕幅為 2.4m，經(jīng)思考最后確定采用雙側(cè)邊齒輪傳動方式。整體傳動結(jié)構(gòu)如下圖（圖 2-1）所示。2.3 限深裝置的設計旋耕機是一種作業(yè)范圍廣的農(nóng)用機械，根據(jù)不用的土壤條件和工作要求，需要有不同的旋耕深度。對于拖拉機帶動的旋耕機工作時，如果和具有調(diào)節(jié)液壓懸掛機構(gòu)的拖拉機配套時,利用位調(diào)節(jié)手柄在不同位置的定位調(diào)整耕深，與具有分置式液壓懸掛機構(gòu)的拖拉機配套時,利用活塞桿上定位卡箍的不同位置調(diào)整耕深。本設計中的旋耕機所選動力源的功率為 60kw，根據(jù)設計任務書的要求，要求旋耕機的耕深為 18cm，所以該機的設計旋深最大為 20cm，嚴禁旋耕機超限作業(yè)，否則將導致某些零部件的損壞和早期磨損，還將嚴重影響整體的作業(yè)效率，故需設計耕深限制裝置。此設計運用的是限深板，限深板安裝在齒輪箱的下端，與齒輪箱之間采用螺栓連接，它由一塊弧狀的鋼板和一塊扇形的鋼板焊接而成。簡單實用，通過限深板圖 2-1 旋耕機傳動方式Fig.2-1 The drive structure of biaxial rotary cultivator雙軸旋耕機的設計3與土壤之間的接觸從而限制耕作深度。3　旋耕刀工作參數(shù)的確定3.1 旋耕機的工作原理旋耕機是一種由動力驅(qū)動工作部件以切碎土壤的耕作機械。兼有耕翻和碎土功能，一次作業(yè)即能達到土碎地平的效果，而犁耕很難一次造成土壤松碎、地表平整而滿足播種或插秧的要求，必須再經(jīng)過整地才能進行種植作業(yè)。因此，用旋耕機耕地可大大縮短耕整地的時間，有利于搶農(nóng)時和提高功效。 （李寶筏等，2003）旋耕機工作時，其刀片隨著刀軸由拖拉機動力輸出軸驅(qū)動作回轉(zhuǎn)運動，同時又隨機組前進作等速直線運動（如圖 3-1 所示） 。刀片切削土壤時，刀片的絕對運動是由機組的前進運動與刀軸的回轉(zhuǎn)運動所合成。為了使機組能正常工作，刀片在整個切土過程中不能產(chǎn)生推土現(xiàn)象，要求其絕對運動的軌跡為余擺線。在這一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。這樣刀片將切下的土塊向后拋擲與擋泥罩以及平土拖板相撞擊，使土塊進一步破碎再落到地面。由于機組不斷前進，刀片就連續(xù)不斷地對未耕地進行松碎。 圖 3-1 旋耕刀工作圖Fig.3-1 The Working principle diagram of biaxial cultivator在機組前進速度不變的情況下，旋耕機所需功率隨刀軸轉(zhuǎn)速的增加而增加，較理想的配合是低刀軸轉(zhuǎn)速和較高的前進速度，雖然功耗要增加些，但因生產(chǎn)率提高了，仍可降低單位面積的能耗。近年來，刀軸轉(zhuǎn)速降低的趨勢較為明顯。另外旋耕機的刀軸轉(zhuǎn)速一般在 200-285r/min，隨著土壤比阻不同，旋耕機的刀軸轉(zhuǎn)速也不同，粘性重的土壤比阻大，轉(zhuǎn)速應偏低，砂性土壤比阻小，轉(zhuǎn)速可偏高。在本設計中，要求旋耕機的作業(yè)速度大于 5Km/h（約為 1.4m/s） 。3.2 旋耕刀刀型的選用常見的旋耕刀刀片有彎刀、鑿型和直角刀片（如圖 3-2） 。彎形刀片（分左彎和右彎）切削工作時，先由側(cè)切刃沿縱向切削土壤，并且是先由離軸心較近的刃口開始切割，由近及遠，最后由正切刃橫向切開土壤，這種切削過程，可把草莖及殘茬雙軸旋耕機的設計4壓向未耕地，進行有支持切割。這樣，草莖及殘茬較易切斷，即使不被切斷，也可利用刃口曲線的合理形狀，使其滑向端部離開彎刀，不易纏草，具有松碎土嚷和翻土覆土能力，國內(nèi)生產(chǎn)的旋耕機大多配用彎形刀片。鑿型刀片碎土能力較強，但易纏草，適用于土質(zhì)較硬、雜草較少的土地的耕作。直角刀片與鑿型刀性能相近，國內(nèi)生產(chǎn)使用較少。 （李寶筏等，2003）圖 3-2 旋耕刀的類型Fig.3-2 The type of rotary blade彎刀的結(jié)構(gòu)：彎刀主要有側(cè)切面、正切面、過渡面組成，見圖 3-2。側(cè)切面具有切開土垡，切斷或推開草莖及殘茬的功能；正切面除了切土外還具有翻土、碎土、拋土等功能。圖 3-3 彎刀的結(jié)構(gòu)簡圖雙軸旋耕機的設計5Fig.3-3 The sketch of acinaciformed blade刀片正切刃幅寬 b( 工作幅寬)： b 的大小影響旋耕機的工作質(zhì)量及功率消耗，若 b 增大， 旋耕刀滾的刀片數(shù)減少， 則相鄰刀片間距增大， 有利于減少堵塞現(xiàn)象， 功率消耗不變， 但碎土質(zhì)量差， 為了保證碎土質(zhì)量，就要減小機器的行進速度， 故 b 不宜過大。為了保證耕深及適宜的刃口長度， 刀片切削半徑 R0 的大小可由下式確定：(3-1)220RSRa????式中：a—最大設計耕深?！獜澋痘剞D(zhuǎn)半徑，的確定與設計耕深和傳動箱結(jié)構(gòu)有關(guān)， 耕深增大， 要求 增大， 切削扭矩也隨之增大，耕深越大，要求 就越大。 因此在滿足耕深R的要求及傳動箱結(jié)構(gòu)尺寸允許的情況下， 應盡量取小值。 常取240～260mm，本設計取 =260mm RS—切土節(jié)距：在同一縱向平面內(nèi)切土的旋耕刀， 在其相繼切土的時間間隔內(nèi)，機組前進的距離稱為切土節(jié)距。根據(jù)試驗， 旱耕熟地(含水量 20%～30% ) ， S 取 10～ 12 cm 左右; 耕輕、中粘度土壤(含水量大于 35% ) ， S 取 6～ 9 cm; 粘重土壤、多草地，S 取 4～ 6 cm。 查《農(nóng)業(yè)機械設計手冊》 ，得刀片最大進給量（3-2）60mVnz?式中: — 旋耕機的前進速度 取 mV=5 hK/—刀軸轉(zhuǎn)速z—同一切割小區(qū)內(nèi)的彎刀 取 z=2計算得 S= 6058.2=6.c??從而可以計算出 R0= mm2 2..826017.8??????本設計選用的彎刀，參數(shù)已經(jīng)標準化，目前彎刀已經(jīng)有了國家統(tǒng)一標準：《旋耕機械 GB/T 5669-2008》 。根據(jù) R0 值，查閱《GB/T 5669-2008》 ，結(jié)合耕深要求，選用ⅠT245 彎刀，它的回轉(zhuǎn)半徑為 245mm。(袁棟等， 2008)3.3 旋耕機刀軸速度的確定旋耕機刀刃的運動是由拖拉機向前的直線運動和彎刀旋轉(zhuǎn)的復合運動，前進速度為 1.4m/s，軌跡為余擺線，可用下式表示：X=Vm t+R (3-3)cost?Y=R (3-4)in式中: R—旋耕刀端點轉(zhuǎn)動半徑；ω—到軸旋轉(zhuǎn)角速度；Vm—旋耕機前進速度；t—時間雙軸旋耕機的設計6絕對速度： （3-3） 2200sinmVtV????根據(jù)文獻，輕型和中型土壤的平均切削速度約為 3-4m/s，針對我國華中地區(qū)的土壤多為沙土， ，所以選定平均切削速度為 4-5 m/s 左右。 由于耕深 18cm，刀輥半徑 R=245mm，如圖 3-3 所示：切削土壤時相應的轉(zhuǎn)動角： =arcsin(1 一 H／R)= 15°，m?切人點 A1 的絕對速度大?。? 帶入數(shù)值得：221 0sinAmmVV????2 2100.51.sinAmV?????取 =5.5m/s ，解得 =5.7m/s彎刀轉(zhuǎn)速計算：旋耕刀的速度 ，得 =224r/min，確定選用0=/VR?=220r/min，此時，彎刀的轉(zhuǎn)速 =5.6m/s。?3.4 刀座間距 b 和彎刀總數(shù) Z 的確定彎刀端部對土壤適當?shù)乃毫褦D壓作用可以降低功耗。但撕裂過大又使土塊均勻性較差，并使同一截面相繼入土刀片的切土節(jié)距加大和功耗增加。適當提高刀座間距和選用刀幅較寬的刀齒，可以減少刀齒總數(shù)和降低功耗。本方案中選用的ⅠT245彎刀，單刀幅寬 b=50mm，在旋耕刀刀軸同一徑向上，安裝左右彎刀各一把，在旋耕機前進方向上，有效工作距離為 100mm。在一根刀軸上，安裝的左彎刀數(shù)量=2400/100=24，在刀軸兩端，因為有支撐板的影響，取 =23。1Z? 1Z圖 3-3 旋耕刀運動示意圖Fig.3-3 The schematic diagram of rotary bladeR=245雙軸旋耕機的設計73.4 彎刀的排列設計彎刀的排列是否合理，在很大程度上決定了旋耕作業(yè)質(zhì)量的好壞。為了使旋耕機作業(yè)時受到的阻力小、耕作質(zhì)量好、刀軸受力均勻、避免漏耕和堵塞現(xiàn)象的發(fā)生，刀片在刀軸上的排列應滿足下列要求：(1)在同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，若配置兩把以上的刀片，要求每切割小區(qū)內(nèi)幾把彎刀的切土量相近，以保證碎土質(zhì)量好，耕后溝底平整。(2)刀軸回轉(zhuǎn)一周過程中，刀軸每轉(zhuǎn)過一個相等的角度時，在同一相位角，必須是一把彎刀入土，使扭矩較為均衡、減少扭矩波動幅度，保證工作穩(wěn)定性和刀軸負荷均勻。(3)軸向相鄰刀齒間距，以不產(chǎn)生漏耕帶為原則，一般均大于單刀幅寬[18]。(4)左彎刀片和右彎刀片應交替入土，使刀軸兩端的軸承所受的側(cè)壓力平衡，以減少旋耕刀對旋耕機重心的轉(zhuǎn)矩，保持旋耕機組工作時的直線性。(5)相繼入土的刀片在刀軸上的軸向距離越大越好，盡可能地增大軸向相鄰兩彎刀之間的夾角，以避免發(fā)生干擾或堵塞。根據(jù)上述刀片排列的要求，我國現(xiàn)在生產(chǎn)的旋耕機刀片一般采用雙螺旋線規(guī)則排列，雖能較好地滿足以上基本要求，并且簡化結(jié)構(gòu)參數(shù)；但是實際應用仍會出現(xiàn)新的問題。經(jīng)過參考《農(nóng)業(yè)機械學》 （李寶筏主編） ，選用如下的刀齒排列方案：(1)由于旋耕機工作時向側(cè)邊輸土，刀片在刀軸上按兩條螺旋線從左到右順時針或逆時針排列，造成了側(cè)向輸土的條件?？梢允箖蓷l螺旋線不要連續(xù)，而且旋向不一樣，把整個刀軸上的刀片排列分成幾個區(qū)段(區(qū)段數(shù)為偶數(shù))。區(qū)段分得越多，雖然側(cè)向輸土越少，但是刀片排列越復雜、排列越?jīng)]有規(guī)律性，會給使用者安裝刀片帶來了很大困難。所以區(qū)段也不能分得過多或過少，應據(jù)刀軸的長度而定，相鄰區(qū)段螺旋線的旋向相反；(2) 由于刀片排列是按兩條螺旋線排列的，為不產(chǎn)生漏耕，一般在同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)，設置兩把刀(一把右彎刀，一把左彎刀)，兩把刀的間隔角為 180°，本次選用的ⅠT245 彎刀，切土節(jié)距為 50mm，因此相鄰刀座間距為 100mm 較為合適。焊接刀座時加熱不對稱，刀軸必然發(fā)生彎曲變形。所以在刀片排列時要盡量使同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)對稱設置。此種方案的優(yōu)點是彎刀從幅寬基準線兩邊交替入土，軸向受力平衡，穩(wěn)定性好，土塊均勻；耕后地表面起壟適中，表層平整；(3)由于刀片排列一般是在同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)設置兩把刀，刀片又有一定的厚度，因此產(chǎn)生重耕。如果能把兩把刀在軸向相間一個或稍大點的刀片厚度，就可使其既不產(chǎn)生漏耕又不產(chǎn)生重耕，還可節(jié)省刀片數(shù)量、減少功率消耗、降低耕作阻力。故在同一回轉(zhuǎn)平面內(nèi)只設置一把刀。4　旋耕機的工作參數(shù)4.1 旋耕機的功率消耗對同一種旋耕機，輸出功率過大的拖拉機與并旋耕機的結(jié)合不一定有好的作業(yè)質(zhì)量，相反卻有可能造成功率的浪費，通過試驗能合理確定對應幅寬的最佳配套功率，可以避免“大馬拉小車”的情況。耕幅與拖拉機的功率有關(guān)，并影響旋耕機與拖拉機的配置方式。旋耕機作業(yè)時，拖拉機功率的大部分用于驅(qū)動刀滾作業(yè)，其數(shù)雙軸旋耕機的設計8值可實測確定。影響功率消耗的因素很多，主要有刀軸轉(zhuǎn)速，機組前進速度，耕深，土壤含水率和土壤堅實度，土質(zhì)等，此外，殘茬，旋耕刀的類型及排列諸因素對此也產(chǎn)生不同程度的影響?？捎媒?jīng)驗公式 （《農(nóng)業(yè)機械設計手冊》P184）估算刀滾工作時BaVKNm?1.0?消耗的功率：（ 4-1）?.式中： — 耕深(cm)；a— 機組前進速度(m/s) ；mV— 耕幅(m) ；B— 旋耕比阻( )，?KmN?其中： 4321gλ?查閱表 2.2-4，有關(guān)旋耕機比阻的數(shù)值， =10，耕深修正系數(shù) =1.1，土壤gK1K含水修正系數(shù) = 0.92，殘茬植被修正系數(shù) =1.0，作業(yè)方式修正系數(shù) =0.7。2 3 4已知 =18cm，B=2.4m ， =1.5m/S 計算得 =7.1amV?將以上值帶入經(jīng)驗公式得 =46KW。0.178.524N??由于本次設計方案為雙軸旋耕機，第二軸工作時主要起著耙地的作用，此時土壤較為松軟，工作阻力較小。此時，旋耕機所需的總功率利用修正系數(shù)進行計算：= ，取 =1.2，得 =54 KWN旋 0K0旋試驗資料表明：由于旋耕刀切土時，土壤的反推力和拖拉機前進方向相同，因此拖拉機的行走消耗功率很小。參考下表（表 2-2） ，可以選定拖拉機的相關(guān)參數(shù)。表 2-2 動力輸出軸型號和參數(shù)（GB1592-86）Table 2-2 The model and parameters of power output shaft動力輸出軸型號 1# 2# 3#公稱尺寸（mm）標準轉(zhuǎn)速（r/min）允許傳遞最大功率(kw)355404835100092451000185雙軸旋耕機的設計9由上表選定拖拉機的動力輸出軸為 2 型，標準轉(zhuǎn)速為 1000r/min 的動力輸出軸滿足要求。4.2 傳動參數(shù)的確定根據(jù)上文(4.1) 的相關(guān)參數(shù)，選定拖拉機的額定轉(zhuǎn)速為 1000r/min。因此總傳動比為 i=1000/220=4.5。一級直齒圓錐齒輪的傳動比允許的范圍是 1~8，因此可以選用一級直齒圓錐齒輪進行減速傳動,然后經(jīng)減速箱傳給兩邊的萬向節(jié),在經(jīng)過萬向節(jié)傳遞到側(cè)邊齒輪箱，最終傳到旋耕刀刀軸。5 側(cè)邊齒輪箱的參數(shù)設計本設計選用四個直齒圓柱齒輪傳遞萬向節(jié)到第一級齒輪的動力至旋耕刀刀軸。在一個側(cè)邊齒輪箱中，有四個傳動齒輪。兩個相同的大齒輪，兩個相同的小齒輪。動力傳遞至第四級齒輪之后，采用花鍵軸將動力傳遞給旋耕刀刀軸。整體結(jié)構(gòu)如右圖（圖 5-1）所示。5.1 齒輪的設計校核5.1.1 齒輪的材料查閱《機械設計》 （濮良貴主編）常用齒輪材料及其力學特性的表，考慮到工廠加工條件和旋耕刀軸要承受很大的轉(zhuǎn)矩，選擇大小齒輪材料都為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為 217～255HBS ，抗拉強度 ，屈服強度 。查b650MPa??360MPas??閱表 10-8，各類機器所用的齒輪傳動的精度等級范圍，農(nóng)用機械的精度等級為8~11 級。本設計選用 8 級精度。5.1.2 圓柱直齒輪的參數(shù)設計查閱資料，可得每對圓柱齒輪的傳動效率 =0.97， 則在第一級齒輪上，這級1?齒輪傳遞的功率 P1 =P/ =54/0.973=59.2KW3?11950=2.70mTNn???（1）按齒面接觸強度設計圖 5-1 齒輪箱整體結(jié)構(gòu)Fig.5-1 The structure of the gear box雙軸旋耕機的設計10由設計計算公式（《機械設計》P203 式 10-9a） ，即（5-2）??32112.????????HEdt ZukT??確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值：○ 1a. 試選載荷系數(shù) =1.3tkb.計算小齒輪轉(zhuǎn)矩： =1T32.570mN??c.查《機械設計 》P205 表 10-7，選取齒寬系數(shù) =1d?d.查《機械設計》P201 表 10-6，選取彈性影響系數(shù) =189.8EZMPae.由《機械設計 》P209 圖 10-21d 按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限=550MPa，大齒輪的接觸疲勞強度極限 =550MPa.（材料均為 45 鋼調(diào)質(zhì)1limH? 2limH?處理）f.由計算公式計算應力循環(huán)系數(shù)假設齒輪一年工作 60 天，每天工作 10 小時，使用年限 10 年。=60×480×1×(10×60×10)=1.728×1081260hNnjL?=N1/u=1.728×108/1.78=9.708×107g.由《機械設計》P207 圖 10-19 知，對調(diào)質(zhì)處理的 45 鋼，取接觸疲勞疲勞系數(shù) =0.98， =0.981NHK2NHh. 計算接觸疲勞許用應力，取失效概率為 1﹪，安全系數(shù) S=1由《機械設計》P205 式 10-12 有= =0.98×550/1=539MPa??1H?SHN1lim= =0.98×550/1=539MPa2K2li計算○ 2a.試算出小齒輪分度圓直徑 ，由計算公式得td1=98.6mm??32112.????????HEdt ZukT??b.計算圓周速度 v雙軸旋耕機的設計11v= = m/s=1.14m/s1260tdn??3.498.6201?c.計算齒寬 bb= =1×98.6=98.6mmtd1?d.計算模數(shù)、齒高取小齒輪的齒數(shù) =23，則大齒輪的齒數(shù) = =2×23=461z2zi1模數(shù)如下：1=98.6/234.mtdmz??齒高 159.675h?/./70.be.計算載荷系數(shù)根據(jù) v=1.14m/s，8 級精度，由 《機械設計》 P194 圖 10-8，查得動載系數(shù)=1.05，直齒輪， = =1vK?HKF由《機械設計》P193 表 10-2 可查得使用系數(shù) =1AK由《機械設計》P196 表 10-4 可查得齒向載荷分布系數(shù) =1.318，?H同時有 查《機械設計》P198 圖 10-13 可查得齒向載/98.6/7510.9bh?荷分布系數(shù) =1.24，故載荷系數(shù)?FK=1×1.05×1×1.318=1.384?HvAf.按實際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑，由《機械設計》P204 式 10-10a得 =98.6× =100.68mm31ttKd?3.84g.計算模數(shù) mm= =100.68/23mm=4.38mm1zd（2）按齒根彎曲強度設計由《機械設計》P201 式 10-5 可知，彎曲強度的設計公式為(5-3)??321???????FSadYzKTm??確定計算參數(shù):○ 1雙軸旋耕機的設計12a.由《機械設計 》P208 圖 10-20c 查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限=380MPa，大齒輪的彎曲疲勞強度極限 =380MPa.1FE? 2FE?b.由《機械設計》P206 圖 10-18 查得小齒輪的彎曲疲勞壽命系數(shù) =0.97，1FNK大齒輪的彎曲疲勞壽命系數(shù) =0.97。2FNKc.計算彎曲疲勞許用應力，取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，由《機械設計》P205式 10-12 得=0.97×380/1.4=263.286MPa??SFENF11??=0.97×380/1.4=263.286MPaKFEF22d.計算載荷系數(shù) K=1×1.05×1×1.24=1.302??FvA?e.根據(jù)《機械設計 》P200 表 10-5 查齒形系數(shù) 、應力校正系數(shù) 有FaYSaY=2.65， =2.32， =1.58， =1.701FaY2Fa1SaY2Saf.計算大、小齒輪的 并加以比較??F?=2.65×1.58/263.286=0.0159??1FSaY?=2.32×1.70/263.286=0.01492FSa小齒輪的數(shù)值大設計計算：○ 2 ??61332 21.0.571=0.594.7FaSdYKTm mz????????????對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數(shù) m 大于由齒根彎曲強度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù) m 的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有關(guān)，可取由彎曲強度算得的模數(shù)4.7mm，并就近圓整為 m=5mm。按接觸疲勞強度算得的分度圓直徑 =100.68mm，算出小齒輪的齒數(shù)1d=100.68/5=20.136，大齒輪的齒數(shù) =20.136×2=40.272dz/1? 2z雙軸旋耕機的設計13取 =20， =40 。1z2（3）幾何尺寸計算a.計算大、小齒輪分度圓直徑=5×20=100mm1mzd?=5×40=200mm2b.計算中心距 =（100+200 ）×5/2=150mm2)(1mza??c.計算齒輪寬度=0.2×100=20mm1db??故各齒輪齒寬分別取 =20mm， =20mm1B2（4）齒輪結(jié)構(gòu)設計大齒輪因齒輪齒頂圓直徑大于 160mm，而又小于 500mm，故以選用腹板式結(jié)構(gòu)為宜；小齒輪因齒輪齒頂圓直徑小于 160mm，故以選用實心式結(jié)構(gòu)為宜。5.2 齒輪軸系設計校核5.2.1 齒輪軸結(jié)構(gòu)設計在齒輪箱中，共有四根軸：兩根花鍵軸和兩根支撐軸。第一根花鍵軸的作用是傳遞經(jīng)減速器后傳遞到萬向節(jié)的動力到側(cè)邊齒輪箱，同時支撐小齒輪，第二根花鍵軸用來將側(cè)邊齒輪箱的動力傳遞給旋耕刀刀軸。兩根支撐軸的作用是支撐兩個大齒輪。花鍵軸的樣式如下圖（圖 5-2）所示：軸上零件的裝配順序為；首先從右邊安裝直齒輪，接著在直齒輪的右邊安裝軸圖 5-2 花鍵軸結(jié)構(gòu)Fig.5-2 The structure of spline shaft雙軸旋耕機的設計14套，通過軸套和軸肩來軸向定位齒輪，然后安裝軸承，在齒輪箱數(shù)上，設計了軸承座，軸承沒有承受軸向力，可以用過軸承座和軸承端蓋來定位軸承，最后右邊裝上軸承蓋。其次，左邊只裝上軸承和軸承蓋就可以了。此種裝配方案的設計和選定，既滿足軸的結(jié)構(gòu)簡單，有符合軸上零件裝配方便的要求。（1）選擇軸的材料及熱處理選用軸的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理（2）根據(jù)軸向定位要求確定軸各段直徑和長度為了計算簡便，方便制造，兩根花鍵軸制作成一樣的結(jié)構(gòu)，并且大小尺寸也相等，由于齒輪傳遞效率的影響，第一根軸所受到的力最大，因此，如果第一根軸滿足設計要求，其他三根也一定滿足要求。（3）軸的轉(zhuǎn)向方式：單向旋轉(zhuǎn)軸的工作情況：只承受徑向力，無軸向力，因此，只需要按扭轉(zhuǎn)強度條件進行設計即可。軸的轉(zhuǎn)速： 120r/min?功率： 兩側(cè)邊萬向節(jié)傳遞的總功率 ，左右均勻?qū)ΨQ受力，因此159.2kwP?12P?齒輪直徑 d 根據(jù) 《機械設計》P370 式（15-2）(5-4)3950.[]TPn???計算軸的扭轉(zhuǎn)強度條件為 ??3950n.2dT TPW?????所選軸的材料為 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理。查表(15-3)，選取 。[]=45得39502.65..4dm??選用 =m（4）各段長度計算花鍵軸與旋耕刀刀軸之間由于刀片在切土過程中，會受到不斷地震動，考慮到花鍵連接時受力較為均勻、應力集中較小、對軸和輪轂的強度削弱較小、對中性好等優(yōu)點，決定采用花鍵連接。因為矩形花鍵的定心方式為以小徑定心，定心精度高，定心的穩(wěn)定性好，能用磨削的方法消除熱處理引起的變形。故采用矩形花鍵。根據(jù)鍵的長度來確定軸的長度。強度計算：a.靜連接 3ppm210Tzhld?????????(5-5)雙軸旋耕機的設計15b. 動連接 ??3m210Tppzhld????(5-6)式中：ψ—載荷分布不均系數(shù)，與齒數(shù)多少有關(guān)，一般取 ψ=0.7～0.8，齒數(shù)多時取偏小值;Z—花鍵的齒數(shù)；l—齒的工作長度，單位 mm。h—花鍵齒側(cè)面的工作高度，矩形花鍵，h=［(D-d)/2］-2c，此處 D 為外花鍵的大徑，d 為內(nèi) 花鍵的小徑，C 為倒角尺寸，單位為 mm；漸開線花 30???，m?， 45??， 0.8hm??！ㄦI的平均尺寸查《機械設計》表 6-3，花鍵的許用應力，取 ??8pM?按動連接強度計算：3 321029.61021.6[].75.mTl mzhdp?????（5）軸的疲勞輕度校核截面上的扭轉(zhuǎn)切應力： 1T/6.3WMpa?軸的材料為 45#鋼調(diào)質(zhì)處理，由機械設計教材表 15-1 查得： 40b?1_=275MPa； 1275Mpa???截面上由于軸肩而形成的理論應力集中系數(shù) ???及 ，按機械設計手冊查取得：因為 r/d=0.0.05 D/d=62/60=1.176徑插值后可查得： ?? =2.09； ?=1.6又由機械設計教材附圖 3-1，可得軸的材料敏性系數(shù)為：0.82aq?； 0.85aq?故有應力集中系數(shù)按式得： 5832.1)7.(1.)(1?????????k2860???q雙軸旋耕機的設計16尺寸系數(shù)為： 68.0???查《機械設計》 P325 得扭轉(zhuǎn)尺寸系數(shù)為： 83.0???軸按磨削加工，由附圖 3-4 得表面質(zhì)量系數(shù)為：91.0????軸未經(jīng)表面強化處理，即： 1?q?軸上外花鍵的有效應力集中系數(shù)為： 67.1??k； 53.1?k按式機械設計教材 3-12 得綜合系數(shù)值為： 54.219.068.7??????????K351????k又由機械設計教材 得及 2?45#的特性系數(shù)為： ??=0.2～0.3 取 ?=0.25 ?=0.1～0.15 取 ?=0.1于是計算安全系數(shù) cas值，按機械設計教材 15-6～15-8 得： 16.502.1354.2101 ???????mKs????3784797??? ..6..86. 222???ssca＞S=1.故可知其安全。5.2.2 齒輪軸上結(jié)構(gòu)配置（1）初選深溝球軸承因為軸承只承受徑向力而無軸向力作用，因此選用深溝球軸承。他主要承受徑向載荷，也可同時承受較小的軸向載荷，當量摩擦系數(shù)最小，價格最低，可以在提高傳遞效率的同時，降低生產(chǎn)成本。根據(jù)上文計算 =30dm，向右的軸徑半徑增加 5mm，則 40dm?，有軸承產(chǎn)品目錄中初步選定 0 基本游隙組，標準精度等級的深溝球軸承 6308，其中尺寸分別為 d×D×T=40×90×23.（2）鍵的設計根據(jù)齒輪的寬度，齒輪與軸的固定采用普通平鍵聯(lián)結(jié)，根據(jù)軸的直徑d=42mm， 《機械設計手冊》GB 1096-79；查的普通平鍵的剖面尺寸為:雙軸旋耕機的設計17b×h×l=8×8×12，鍵槽用銑刀加工。需要強調(diào)指出，為了保證軸向定位可靠，與齒輪相配合部分的軸段長度一段應比轂長約短 1-3mm，確定安裝齒輪處的長度為19mm。5.3 刀輥軸的設計計算說明材料選擇 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理，旋耕刀結(jié)構(gòu)如下圖（圖 5-3）：圖 5-3 旋耕刀刀軸Fig.5-3 Rotary blade shaft查《旋耕機械 GB/T 5669-2008》選擇刀輥軸的外徑 nD=80mm。內(nèi)徑 0d=50mm深溝球軸承的效率為 ?=0.98，軸上花鍵傳動的效率為 齒?=0.98由 2P=54KW ； 刀n=220r/min 刀= × 6×2齒(5-7)得： 刀 = 54×0.98 ×0.98 2=49.8kw刀T= 刀刀 nP/105.96?按最大比壓少于 20MPa，即 maxP＜20MPa 來設計刀輥軸的直徑。max00max ])4/()4//[( nldDdMn?????刀= 7231564=19.86＜20MPa　　扭曲應力驗算 ：?25.1W? 　　　　　(5-8)雙軸旋耕機的設計18其中： 2)(dD???=（80-50）/2=1557.1W =1.57×80 2×15=20655.64Mtq?= 64.053=74.34MPa＜ 1??=185MP故所設計的刀輥軸的直徑滿足要求。刀輥軸的外徑為： nD=80mm刀輥軸的內(nèi)徑為： 0d=50mm外花鍵的個數(shù)為：N=6外花鍵的平均工作長度為： l=30mm6 設計結(jié)論本次設計臥式雙軸旋耕機是選擇了段老師的畢業(yè)課題，參考了學校工科基地的各種類型的旋耕機的結(jié)構(gòu)，設計出的一種為了提高旋耕機工作效率和耕作質(zhì)量的一種雙軸旋耕機。它采用四點懸掛的結(jié)構(gòu)與前置拖拉機連接，適用于旱地和水田的犁地和整地的工作。旋耕機工作時，可以一次完成翻垡、整地，作業(yè)后，地表平整，可以避免二次耙地帶來的對土壤二次壓實的不利影響，同時降低了能耗。它的耕深為 18 cm，需要掛接在額定輸出功率在 50KW 以上的拖拉機上。設計中所用到的零件標準件較多，大幅降低了生產(chǎn)成本，同時也方便維修。7 設計心得本學期是我在學校求學的最后一個學期，這個學期，我們已經(jīng)結(jié)束了大學所有的必修課程，主要的任務就是完成本次畢業(yè)設計。我是從 3 月份開始設計的，設計前先從段老師那里領(lǐng)取設計任務書，我的設計任務是雙軸旋耕機的設計。然后就開始正式設計，我們作的第一步就是廣泛的收集資料，了解國內(nèi)外旋耕機的發(fā)展狀況，同時參觀了校工科基地的旋耕機實物，對旋耕機有了更深的認識。通過廣泛的調(diào)研和大量的閱讀旋耕機的相關(guān)資料，我認識到了旋耕機是一種應用