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1緒論
1.1本課題研究的目的和意義
發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)是十一五期間社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)的重要內(nèi)容。溫室大棚的擴(kuò)大與發(fā)展,加快了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程,但我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)起步較晚,發(fā)展緩慢。尤其是機(jī)械化作業(yè)水平低下,大多數(shù)作業(yè)仍為傳統(tǒng)的手工勞動(dòng),強(qiáng)度大,質(zhì)量差,效率低,與發(fā)達(dá)國(guó)家相比,存在很大差距,如人均管理面積僅相當(dāng)于荷蘭的1/4,平均單產(chǎn)僅為荷蘭的1/3~1/4。溫室與大田作業(yè)又存在不同之處:棚室高度較低,大田機(jī)具無(wú)法正常作業(yè);而且資料表明,溫室大棚內(nèi),土壤一般耕作層厚度為15~25cm,蔬菜根系的80%~90%分布其中;耕層土壤的容積密度為1.10~1.13g/m3;5~0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體為13.7%~55.5%,并有隨著種植年限加長(zhǎng)而增加的趨勢(shì),土壤粘性較大。然而目前的設(shè)施農(nóng)業(yè)耕作機(jī)械在粘性較大的土壤中,碎土能力降低,土壤阻力增大,功耗增加,并且一般采用柴油機(jī)和汽油機(jī)作為動(dòng)力,對(duì)溫室的環(huán)境造成污染。所以要推進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)快速發(fā)展,首要的是發(fā)展相適應(yīng)的設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械。
針對(duì)以上情況,開(kāi)展了溫室土壤耕作機(jī)具的研究,進(jìn)一步減小機(jī)具尺寸,適宜在棚室內(nèi)作業(yè);對(duì)工作部件進(jìn)行改進(jìn),提高松土性能:充分利用電力資源,盡可能地減輕機(jī)器作業(yè)時(shí)對(duì)環(huán)境的污染,對(duì)于發(fā)展經(jīng)濟(jì)、高效和環(huán)保的設(shè)施農(nóng)業(yè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1.2 旋耕機(jī)的類型和架構(gòu)
1. 旋耕機(jī)的類型
旋耕機(jī)有多種不同的分類方法,按刀軸的位置可分為臥式、立式和斜置式,目前,臥式旋耕機(jī)的使用較為普遍。
2. 傳動(dòng)形式
旋耕機(jī)傳動(dòng)形式有中間傳動(dòng)和側(cè)邊傳動(dòng)2種。中間傳動(dòng)系統(tǒng)由萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸和中間傳動(dòng)箱組成;側(cè)邊傳動(dòng)系統(tǒng)由萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸、中間傳動(dòng)箱和側(cè)邊傳動(dòng)箱組成。側(cè)邊傳動(dòng)又有齒輪傳動(dòng)和鏈輪傳動(dòng)2種,側(cè)邊傳動(dòng)箱采用鏈傳動(dòng)時(shí),加工要求較低,不但可靠性較差,而且使用壽命短,鏈條斷后會(huì)增加維修費(fèi)用。當(dāng)采用中間傳動(dòng)時(shí),傳動(dòng)箱的下部會(huì)造成漏耕,影響作業(yè)質(zhì)量,為了解決這個(gè)問(wèn)題,在傳動(dòng)箱的下部固定了一個(gè)松土鏟,即小型鏵式犁,或者在傳動(dòng)箱的旁邊裝2把特殊的彎刀。為了適應(yīng)不同的土壤條件及拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速,有的旋耕機(jī)的傳動(dòng)箱配有速比不同的齒輪,以得到不同的刀輥轉(zhuǎn)速。
3. 旋耕機(jī)與拖拉機(jī)的掛接
旋耕機(jī)與拖拉機(jī)的掛接有三點(diǎn)懸掛、直接聯(lián)接和牽引3種形式,我國(guó)目前采用前2種聯(lián)接方式。三點(diǎn)懸掛式旋耕機(jī)的懸掛及升降與鏵式犁相同,由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng),通過(guò)萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸,經(jīng)傳動(dòng)箱減速后帶動(dòng)刀軸工作。直接聯(lián)接式旋耕機(jī)主要用于與手扶拖拉機(jī)配套,一般是將手扶拖拉機(jī)的變速箱后蓋取下來(lái),然后將旋耕機(jī)減速箱和拖拉機(jī)變速箱用螺栓聯(lián)接在一起,動(dòng)力由拖拉機(jī)變速箱里的齒輪直接傳給旋耕機(jī)的齒輪,以驅(qū)動(dòng)旋耕機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
4. 刀輥轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速
臥式旋耕機(jī)刀輥的轉(zhuǎn)向有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)2種,目前,使用較多的是正轉(zhuǎn)旋耕機(jī)。正轉(zhuǎn)時(shí)刀片強(qiáng)制切碎土塊,并將土塊向后拋擲,土塊與機(jī)罩及拖板相撞后,進(jìn)一步破碎,碎土充分,但功耗較大,在耕深增加時(shí),影響耕深的穩(wěn)定性。刀輥反轉(zhuǎn)則有利于降低切土能耗和提高碎土效果,覆蓋埋青能力強(qiáng),但易導(dǎo)致已耕土塊堆積,造成刀輥的重復(fù)切削,增大了不必要的負(fù)荷和功耗。反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)作業(yè)時(shí),罩殼黏土比較嚴(yán)重,在土壤濕度較大的情況下,不宜采用反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)。刀輥轉(zhuǎn)速對(duì)旋耕機(jī)組的功耗影響較大,較理想的配置是低的刀輥轉(zhuǎn)速和較高的前進(jìn)速度。一般情況下,刀輥轉(zhuǎn)速為180-260r/min,目前,刀輥轉(zhuǎn)速有降低的趨勢(shì)。
5. 切土節(jié)距
同一縱向平面內(nèi)切土的旋耕刀,在其相繼切土的時(shí)間間隔內(nèi),機(jī)組前進(jìn)的距離稱為切土節(jié)距。切土節(jié)距對(duì)碎土程度有較大的影響,一般為達(dá)到良好的碎土效果,可增加刀輥在一周內(nèi)的刀片數(shù)量或增加旋耕速比,即降低機(jī)組前進(jìn)速度。目前,在中等黏度的麥田地,切土節(jié)距為10cm。
6. 刀片及配置
刀片有鑿型刀、直角型刀(又稱L型刀或?qū)挼叮┖蛷澋?種形式。鑿型刀正面有鑿型刃口,入土能力強(qiáng),但易纏草,一般適用于墾荒地和較疏松的田地。直角型刀的刃口由側(cè)切刃和正切刃組成,切削方式和鑿型刀相似,也易纏草,但刀身寬,剛性好,適合在土質(zhì)較硬的干旱地上作業(yè)。彎刀的刃口由曲線構(gòu)成,包括側(cè)切刃和正切刃2個(gè)部分,可輕松地將草莖切斷,且不易纏草,適合在多草的田里作業(yè),是一種水旱通用的刀型。彎刀在刀軸上的排列是影響旋耕機(jī)耕作質(zhì)量及功率消耗的重要因素之一,在安裝時(shí)可根據(jù)不同的農(nóng)藝要求配置。彎刀的排列一般應(yīng)滿足下列要求:刀片盡量工作在少側(cè)向約束條件下,并均勻入土,以減小對(duì)刀軸軸承的側(cè)壓力,減少旋耕刀對(duì)旋耕機(jī)重心的轉(zhuǎn)距,保證機(jī)器工作時(shí)的直線性,減少功耗,相鄰刀片間沿圓周方向的間距應(yīng)盡可能大,以防止刀間壅土。彎刀的安裝方法主要有3種。
內(nèi)裝法:所有左、右刀片都朝向刀軸中間,采用這種裝法的旋耕機(jī)耕地后,地面中間高,成壟,刀軸受力均勻,適于做畦前的耕作。
外裝法:除左、右兩端刀片朝向刀軸中間外,其余左刀片裝在刀軸的左側(cè),右刀片裝在刀軸的右側(cè)。這種裝法使刀軸受力均勻,耕后地面中間形成一個(gè)溝,適用于拆畦或旋耕開(kāi)溝作業(yè)。
交錯(cuò)法:左右刀片在刀軸上交錯(cuò)對(duì)稱安裝,耕后地面平整,適于犁耕后耙田或旋耕滅茬耕地。其排列方式有多頭螺旋線、人字形等型式。
7. 機(jī)組前進(jìn)速度的選擇
機(jī)組前進(jìn)速度選擇的原則是達(dá)到碎土要求,地表平整,既要保證耕作質(zhì)量,又要充分發(fā)揮拖拉機(jī)的功率。一般情況下前進(jìn)速度2-5km/h,在堅(jiān)實(shí)度較大的土地上耕作時(shí)可選用較低的前進(jìn)速度
8. 作業(yè)幅寬
為控制功耗急劇增加,應(yīng)適當(dāng)壓縮耕幅,但為了消除拖機(jī)輪轍,使耕后地表平整,在土壤比阻較小的情況下,可采用拖拉機(jī)與旋耕機(jī)正配置,使耕幅大于拖拉機(jī)后輪外緣10cm以上;在土壤比阻較大的情況下,可采用拖拉機(jī)與旋耕機(jī)側(cè)配置。在南方水田一般土壤條件下耕深12-16cm,刀軸轉(zhuǎn)速180-220r/min,前進(jìn)速度2-5km/h。
1.3 國(guó)內(nèi)外溫室松土機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀及存在問(wèn)題
1.3.1 國(guó)內(nèi)溫室松土機(jī)械的研究現(xiàn)狀
目前,在國(guó)內(nèi)成型的旋耕機(jī)械產(chǎn)品中,以臥式旋耕機(jī)為主流,該種旋耕機(jī)對(duì)土壤適應(yīng)性強(qiáng)、混土效果好,一次性作業(yè)可達(dá)到翻土、碎土和平整地表的要求。但一般耕深較淺,漏耕嚴(yán)重,工作部件易纏草堵泥且作業(yè)時(shí)消耗功率較大。為此,近幾年推出了立式和斜置式旋耕機(jī)。立式旋耕機(jī)主要適用于滅茬作業(yè),斜置式旋耕機(jī)是一種綜合了犁耕與旋耕的特點(diǎn),功耗低,耕作質(zhì)量好的新型耕作機(jī)具。在臥式旋耕機(jī)中,按旋耕機(jī)切刀軸與拖拉機(jī)輪子的轉(zhuǎn)向可分為正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩種。旋耕機(jī)切刀軸與拖拉機(jī)輪子轉(zhuǎn)向一致的為正轉(zhuǎn)旋耕機(jī),反之為反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)。反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)是在正轉(zhuǎn)旋耕機(jī)的基礎(chǔ)上提出的,后來(lái)又推出了潛土反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)和正反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)。反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)可作為大中型聯(lián)合收割機(jī)的主要配套機(jī)具,能形成土壤埋茬,有利于秸稈還田,實(shí)現(xiàn)增加土壤有機(jī)質(zhì)的目的。潛土反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)可加大深耕,還可有效地解決刀軸前方壅土問(wèn)題。正反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和工作部件的結(jié)合,能使切刀軸正反轉(zhuǎn),同時(shí)完成滅茬和旋耕作業(yè),實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。旋耕機(jī)入土深度一般小于旋耕部件半徑的10%~20%,考慮到旋耕部件半徑大小所需的相適應(yīng)的單位能耗,應(yīng)使旋耕機(jī)刀軸距地面較底。有的設(shè)計(jì)則依據(jù)旋耕部件與耕深的相對(duì)關(guān)系,把中央調(diào)速器直接安裝在旋耕部件的軸上。這樣可保證農(nóng)具的最小能耗,最小的材料消耗和較好的工作質(zhì)量。旋耕機(jī)刀刃口曲線大多采用阿基米德曲線,另外等角對(duì)數(shù)曲線、正弦指數(shù)曲線等也有所應(yīng)用。近幾年,我國(guó)學(xué)者提出了多種刃口曲線,如節(jié)能型刃口曲線設(shè)計(jì)、平面型和曲面型正切面的設(shè)計(jì)、放射螺線作為生成過(guò)渡面的曲導(dǎo)線設(shè)計(jì)等。近些年來(lái),為適應(yīng)當(dāng)前生產(chǎn)需要,還開(kāi)發(fā)出1.25~2.80m幅寬多種型號(hào)的旋耕機(jī)。如南昌旋耕機(jī)廠生產(chǎn)的1GN系列和1G系列多種型號(hào)的旋耕機(jī);江蘇省連云港旋耕機(jī)集團(tuán)公司生產(chǎn)的1GE2210型旋耕機(jī)和1GQN250S型旋耕機(jī)。目前我國(guó)使用的聯(lián)合作業(yè)機(jī)型有1GHL280型松旋起壟機(jī)、1GSZ210/280型組合式旋耕多用機(jī)、1GZJ210型旋耕滅茬聯(lián)合整地機(jī)、1GLT4型松旋滅茬起壟通用機(jī)及1GQH280D型滅茬旋耕多用機(jī)等。
隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展,我國(guó)加緊引進(jìn)和開(kāi)發(fā)適于溫室內(nèi)作業(yè)的小型機(jī)具。許多地區(qū)由大專院校、科研院所和工廠相結(jié)合,研制開(kāi)發(fā)了多種小型自走式旋耕機(jī),以滿足棚室耕整地作業(yè)的需要。
廣西柳州生產(chǎn)的藍(lán)天牌DN多功能微型耕作機(jī),配套動(dòng)力為4.4kw柴油機(jī),整機(jī)重不足100kg,通用于平原、水田、果園、棚室等旋耕作業(yè)。配有三刀式、四刀式、五角滾筒式三種旋耕器,作業(yè)效果較好。該機(jī)也可配上相應(yīng)機(jī)具進(jìn)行噴霧作業(yè)。
江蘇生產(chǎn)的ZL-1G2-3微型耕整機(jī),犁鏵前置。采用單履帶行走,附著性能好。適于旱地、水田、大棚、果園、菜田等作業(yè)。配套動(dòng)力2kw。
金牛大興萬(wàn)能管理機(jī),由沈陽(yáng)金牛總廠從韓國(guó)引進(jìn)開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品。以四沖程單缸汽油機(jī)為動(dòng)力,最大功率為5.52kw,一臺(tái)主機(jī)可與深旋耕機(jī)、犁、開(kāi)溝機(jī)、覆土機(jī)、鋪膜機(jī)、根莖收獲機(jī)等20多種農(nóng)機(jī)具配套。扶手可旋轉(zhuǎn)360度,便于在溫室內(nèi)作業(yè)。
1.3.2 國(guó)外溫室松土機(jī)械的研究現(xiàn)狀
國(guó)外如荷蘭、以色列、日本、美國(guó)等國(guó)家,溫室內(nèi)作業(yè)機(jī)具的研究、開(kāi)發(fā)、推廣和應(yīng)用居領(lǐng)先地位。許多作業(yè)項(xiàng)目,如耕整地、播種、中耕和除草都已實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化。并且許多機(jī)械對(duì)于旋耕、犁耕、開(kāi)溝、作畦、起壟、中耕、培土、鋪膜、打孔、播種、灌溉、施肥等作業(yè)項(xiàng)目,能夠?qū)崿F(xiàn)多項(xiàng)聯(lián)合作業(yè)。
美國(guó)吉爾森公司生產(chǎn)的自走式旋耕機(jī),其主要特點(diǎn)是由旋耕刀片取代行走輪,刀盤(pán)直徑為35.5cm,耕幅為30.4-66cm,傳動(dòng)形式分鏈傳動(dòng)和蝸輪蝸桿傳動(dòng)兩種。功率為3.68kw左右,適于菜園和溫室作業(yè)。換上行走輪可配帶其他農(nóng)具,進(jìn)行犁地、除草等作業(yè)。
意大利M·B公司生產(chǎn)一種單驅(qū)動(dòng)軸旋耕機(jī),動(dòng)力為3.3kW的汽油機(jī),質(zhì)量為40kg。適用于菜園和花圃的旋耕、培土聯(lián)合作業(yè)。該公司還生產(chǎn)5.89-7.36kw的多用自走底盤(pán),除了完成田間旋耕作業(yè)以外,還可以完成犁耕、運(yùn)輸、噴霧等作業(yè)。
日本、韓國(guó)等國(guó)家的小型耕耘機(jī),多以2.2~8kw的汽油機(jī)為動(dòng)力。為了減少對(duì)棚室內(nèi)的空氣污染,近幾年,也出現(xiàn)了用電動(dòng)機(jī)作動(dòng)力的小型自走式旋耕機(jī)。
1.3.3 我國(guó)松土機(jī)械存在的問(wèn)題
1. 缺少與大功率拖拉機(jī)配套的旋耕機(jī)
我國(guó)現(xiàn)有旋耕機(jī)產(chǎn)品雖然在理論上實(shí)現(xiàn)了與58.8~73.5kW拖拉機(jī)相配套,但實(shí)際上因受傳動(dòng)系統(tǒng)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)形式等因素的限制,還存在著一些問(wèn)題,在合理配套的范圍內(nèi)僅可與48kW以下的拖拉機(jī)相配套,而國(guó)外與旋耕機(jī)配套的拖拉機(jī)功率在58.8~73.6kW。 2. 作業(yè)性能滿足不了當(dāng)今農(nóng)藝要求
目前,我國(guó)現(xiàn)有的旋耕機(jī)作業(yè)深度一般在12~18cm(旋耕旱田在12~16cm,旋耕水田在14~18cm),滿足不了當(dāng)今農(nóng)藝深耕、深松的要求。為了改善深層土壤透氣性,滿足栽培薯類、根莖類作物需要深耕的農(nóng)藝要求,國(guó)外提出了全幅深耕的耕作制度,同時(shí)也開(kāi)發(fā)出了全幅深旋耕機(jī)和間隔窄幅深旋耕機(jī),耕深為30~60cm,最大耕深為90~120cm。
為了降低旋耕機(jī)的單位能耗,國(guó)外采用了改進(jìn)部件的幾何參數(shù),選用符合旋耕工作部件作業(yè)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)等方法來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì),以達(dá)到降低能耗的目的。此外,在滿足農(nóng)藝要求的前提下,還采用了分層作業(yè)的方法和將旋耕機(jī)松土部件設(shè)計(jì)成上強(qiáng)下弱的方式也是降低能耗、提高旋耕機(jī)工作效率的有效途徑。
3. 其它方面的問(wèn)題
由于設(shè)計(jì)、材質(zhì)及生產(chǎn)工藝等方面的原因,國(guó)產(chǎn)的旋耕機(jī)械在作業(yè)時(shí)易發(fā)生十字萬(wàn)向傳動(dòng)軸損壞、拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸容易損壞、整機(jī)作業(yè)性能不穩(wěn)定和易纏草堵泥等問(wèn)題。這些都有待于今后在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中去解決
雖然國(guó)外溫室農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)功能比較齊全,可靠性高,但是進(jìn)口機(jī)型價(jià)格高,一般要在5000元以上,而且維修服務(wù)不方便。
我國(guó)現(xiàn)有產(chǎn)品的機(jī)型不多,應(yīng)用不普遍,多為借用現(xiàn)有的露地用小型耕作機(jī)械。近幾年,針對(duì)溫室、大棚等特殊耕作環(huán)境,國(guó)內(nèi)研制生產(chǎn)了一些小型耕作機(jī)械,但是產(chǎn)品大多存在以下問(wèn)題:
1. 外型尺寸及重量大,操作不靈便。特別是從露地直接轉(zhuǎn)移到大棚內(nèi)的機(jī)械,在設(shè)施內(nèi)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)移都十分困難,而且邊角地帶無(wú)法工作,漏耕嚴(yán)重。
2. 生產(chǎn)率低,適應(yīng)性較差,當(dāng)土壤含水率較高(超過(guò)20%以上)時(shí),其碎土性能變差,能耗增加。
3. 作業(yè)性能、可靠性、耐久性等方面還存在一些不足。
1.4 松土機(jī)械的發(fā)展方向
1. 向?qū)挿⒏咚傩托麢C(jī)發(fā)展
隨著水稻集約化、規(guī)?;a(chǎn)的發(fā)展,水田耕整地用寬幅高速型旋耕機(jī)將成為發(fā)展方向。水田土壤含水率高,抗剪切、抗壓強(qiáng)度低,附著力、外摩擦力也接近為零,切土部件與土壤之間存在著一層潤(rùn)滑水膜。因此,為充分提高作業(yè)效率,需要工作幅寬大(3m以上)、作業(yè)效率高的旋耕機(jī)。
2. 向聯(lián)合作業(yè)機(jī)組方向發(fā)展
大中型拖拉機(jī)具有強(qiáng)勁的動(dòng)力輸出系統(tǒng)、牽引力和懸掛能力,為配套旱田聯(lián)合耕作機(jī)械提供了條件。旋耕機(jī)作為驅(qū)動(dòng)型耕作機(jī)具,易于通過(guò)更換或附加工作部件,可完成滅茬、深松、碎土、做畦、起壟、開(kāi)溝、精量或半精量播種、深施化肥、鋪膜、鎮(zhèn)壓和噴藥等聯(lián)合作業(yè),可大幅度提高生產(chǎn)效率,降低作業(yè)成本。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已推廣使用了以作業(yè)工序排列組合、以旋耕機(jī)為主體的聯(lián)合作業(yè)機(jī)組,如加拿大的萬(wàn)能旋耕機(jī),日本的聯(lián)合耕耙犁和旋耕播種機(jī)等
3. 全幅深旋耕機(jī)已起步
為了增厚土壤熟化層,改善深層土壤透氣性,增大持水能力,為栽培薯類、根莖類作物需要深耕的農(nóng)藝要求,近年來(lái)國(guó)外已開(kāi)發(fā)出了全幅深旋耕機(jī)和間隔窄幅深旋耕機(jī)。加大旋耕深度的主要難點(diǎn)是拖拉機(jī)動(dòng)力不足、機(jī)組功率不平衡。而具有雙速獨(dú)立動(dòng)力輸出軸的大功率拖拉機(jī),可以全功率輸出,同時(shí)具有多個(gè)慢速擋以及爬行擋,這也為配套全幅深旋耕機(jī)提供了良好的條件。
4. 向可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略型發(fā)展
降低污染和資源重用已成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)械化設(shè)計(jì)的最終目的,能完成秸稈還田作業(yè)的反轉(zhuǎn)滅茬旋耕機(jī)等新的機(jī)型將成為今后旋耕機(jī)械重要的研究方向。另外,隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展,一些新技術(shù)也將在旋耕機(jī)上得到廣泛應(yīng)用,如信號(hào)系統(tǒng)等。
5. 小型旋耕機(jī)需求量有所增加
隨著我國(guó)溫室技術(shù)的發(fā)展,農(nóng)村大棚耕作面積日益增大,由于市場(chǎng)的需求,小型適合于大棚內(nèi)作業(yè)的旋耕機(jī)械已成為目前研究的新重點(diǎn)。
1.5 溫室土壤的物理特性概述
溫室內(nèi)的土壤由于復(fù)種指數(shù)高,施肥、灌溉、耕作的頻率超過(guò)一般農(nóng)田土,并且有機(jī)質(zhì)含量高,所以其土壤容積密度較低(大約為1.10~1.13g/cm3),土壤的總孔隙度較高,但非毛管空隙度較低。土壤孔隙度的改善有利于加速有機(jī)質(zhì)的分解,同時(shí)增加了土壤的蓄水能力。有關(guān)研究資料表明,溫室土壤中,0.2505mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體可達(dá)到13.7%~55.5%,為大田土壤的3.2~11.1倍,土壤粘性較大,并有隨著種植年限加長(zhǎng)有增加的趨勢(shì)。
針對(duì)溫室土壤相對(duì)疏松濕潤(rùn)的特點(diǎn),通常宜采取松土作業(yè)而減少耕翻和旋耕,以保護(hù)土壤結(jié)構(gòu)和大量的微生物。對(duì)于蔬菜種植,由于根系主要分布于10-15cm的土層內(nèi),耕作層的厚度可適當(dāng)減小。
1.6 溫室內(nèi)松土作業(yè)的主要作用
松土是一項(xiàng)基礎(chǔ)性作業(yè),要求在不粉碎土壤、不亂土層的前提下,主要起到以下作用:
1. 使土壤疏松,保持較高的通氣性和表層地溫。
2. 調(diào)節(jié)土壤水分。切斷土壤中毛細(xì)管,減少水分蒸發(fā),起保墑防旱作用;土壤濕度過(guò)大時(shí),可加速表層土壤水分的蒸發(fā),達(dá)到晾墑的目的。
3. 改善土壤物理性狀,增加好氣性微生物活動(dòng),加速土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解,提高土壤肥力,有利于作物根系生長(zhǎng)發(fā)育。
1.7 研究?jī)?nèi)容和方法
根據(jù)目前我國(guó)溫室耕耘機(jī)械的研究現(xiàn)狀和存在問(wèn)題以及溫室土壤的物理特開(kāi)發(fā)研
究適宜于棚室內(nèi)作業(yè)、能提高松土性能、并充分利用電力資源減輕機(jī)器作業(yè)時(shí)對(duì)環(huán)境污染的機(jī)具。因此,研制了滾齒式溫室電動(dòng)松土機(jī)。
該機(jī)機(jī)型小,操作簡(jiǎn)便,克服了不適應(yīng)棚室作業(yè)空間狹小的弊端;能夠保持上下土層不亂,碎土能力強(qiáng);由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾齒軸工作,無(wú)污染, 一定程度上代替了人力,減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了生產(chǎn)效率,對(duì)發(fā)展高效、環(huán)保的設(shè)施農(nóng)業(yè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
2整機(jī)總體方案設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)原則
溫室大棚生產(chǎn)耕作困難、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、成本高。 需要一種機(jī)械,可以滿足溫室大棚的空間小,障礙物多、邊角地帶無(wú)法耕耘等問(wèn)題,研制一種體積小,重量輕,操作方便、不排放有害氣體、噪聲低,使用安全可靠,推動(dòng)方便、操作搬運(yùn)高效節(jié)能,無(wú)污染的小型松土機(jī)。
對(duì)于松土機(jī)的總體設(shè)計(jì),要遵循的設(shè)計(jì)原則如下:
1. 首先滿足農(nóng)藝要求并適應(yīng)溫室大棚內(nèi)的空間限制,具有良好的轉(zhuǎn)向性和操作靈活性。
2. 吸收國(guó)內(nèi)外設(shè)施農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械的新技術(shù),采用新原理、新結(jié)構(gòu)、新工藝、做到設(shè)計(jì)合理、使用可靠、優(yōu)質(zhì)高效,并能降低能源消耗。
3. 零部件的通用化、標(biāo)準(zhǔn)化程度高。
4. 整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、質(zhì)量輕、機(jī)動(dòng)性好。
2.2松土機(jī)的組成
圖1 松土機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意
1.機(jī)架 2.減速器3.電動(dòng)機(jī) 4.轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu) 5.支撐輪 6.滾齒軸
如圖1所示,松土機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)、減速器、滾齒軸和操縱機(jī)構(gòu)等組成。其主要特征是利用“旋耕自走”原理,將電動(dòng)機(jī)傳出的動(dòng)力通過(guò)減速器傳給鏈輪,由鏈輪帶動(dòng)滾齒軸上的鏈輪將動(dòng)力傳到滾齒軸,實(shí)現(xiàn)松土作業(yè)。為了簡(jiǎn)化整機(jī)結(jié)構(gòu),機(jī)具仍不自走,需要人力推動(dòng)和控制方向,實(shí)現(xiàn)機(jī)組向前移動(dòng)。工作時(shí),利用固定在滾齒軸上的釘齒,來(lái)切割、破碎土壤進(jìn)行耕耘作業(yè),能夠保持上下土層不亂,碎土能力強(qiáng),地表平整。作業(yè)時(shí),調(diào)整機(jī)架高度,可達(dá)到要求耕深,滿足不同的生產(chǎn)要求。
為使結(jié)構(gòu)緊湊,采用整體式機(jī)架,電動(dòng)機(jī)與減速器安裝在機(jī)架上面,傳動(dòng)變速機(jī)構(gòu)固定在機(jī)架下面,工作部件安裝在機(jī)架底部。為減小松土機(jī)長(zhǎng)度使松土部件盡可能地后移;轉(zhuǎn)向操縱桿與前輪軸聯(lián)接,可實(shí)現(xiàn)松土機(jī)的轉(zhuǎn)向:在工作軸安裝離合器,實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞和分離。
2.3松土機(jī)主要參數(shù)的確定
松土機(jī)的參數(shù)主要包括滾齒速度、前進(jìn)速度、軸的轉(zhuǎn)速、節(jié)距和速比等。
1. 滾齒運(yùn)動(dòng)軌跡。如圖2所示,松土機(jī)工作時(shí),滾齒一面旋轉(zhuǎn),一面前進(jìn),滾齒的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是滾齒軸旋轉(zhuǎn)和機(jī)組前進(jìn)兩種運(yùn)動(dòng)的合成,其運(yùn)動(dòng)軌跡是擺線。以滾齒軸旋轉(zhuǎn)中心O為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系,軸正向和機(jī)組前進(jìn)方向一致,軸正向垂直向下。設(shè)松土機(jī)前進(jìn)速度為,刀軸旋轉(zhuǎn)角速度為,滾齒上任意一點(diǎn)的回轉(zhuǎn)半徑為,開(kāi)始時(shí)滾齒端點(diǎn)位于前方水平位置與軸正向重合,則滾齒刀刃上任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程為
;
圖2 滾齒運(yùn)動(dòng)軌跡
2. 滾齒速度
滾齒上任意一點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)1周的過(guò)程中所經(jīng)各處的速度是不同的,將上述方程對(duì)時(shí)間求導(dǎo),即得到點(diǎn)在軸和軸方向的分速度和絕對(duì)速度:
;
3. 前進(jìn)速度
機(jī)組前進(jìn)速度是影響生產(chǎn)率高低的主要因素之一,據(jù)有關(guān)資料介紹,拋土功率隨前進(jìn)速度的增加按三階函數(shù)遞增。因此,為減小功耗,在保證作業(yè)質(zhì)量的前提下,機(jī)組前進(jìn)速度應(yīng)取得低些。選定機(jī)組前進(jìn)速度,小于旋耕機(jī)常用的機(jī)組前進(jìn)速度()。
4. 軸轉(zhuǎn)速
切土量一定時(shí),切土轉(zhuǎn)速越大,功耗愈大。因滾齒軸轉(zhuǎn)速增大,則受到的土壤水平阻力增大,由于阻力與速度的平方成正比,故松土功耗與滾齒軸轉(zhuǎn)速近似呈二次方函數(shù)關(guān)系。旋耕機(jī)的轉(zhuǎn)速通常取,因此選定滾齒軸轉(zhuǎn)速=。
5. 節(jié)距S
滾齒軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周松土機(jī)前進(jìn)的距離稱為節(jié)距,用S表示??捎孟率接?jì)算:
式中—機(jī)組前進(jìn)速度
—滾齒軸轉(zhuǎn)速
6. 速比
對(duì)于旋耕機(jī),為旋耕刀端點(diǎn)的圓周線速度與機(jī)組前進(jìn)速度的比值,稱為旋耕速比,用于松土機(jī)即為松土速比。值不同,旋耕刀片在土壤中的運(yùn)動(dòng)軌跡和所切土堡的形狀即不同,如圖3所示。
圖3不同值的旋耕刀運(yùn)動(dòng)軌跡
S—切土節(jié)距(cm),R—刀輥軸半徑(mm),
—機(jī)組前進(jìn)速度(m/s)H—耕深(cm),—溝底凸起高度(cm)
在耕深相同的情況下,隨著旋耕速比的增加,切土節(jié)距S減小,溝底不平度減小,而功耗增加。目前常用的速度比,考慮到松土機(jī)自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),選定。
已知,,,故滾齒端點(diǎn)最大圓周線速度為:
2.4松土機(jī)主要作業(yè)性能參數(shù)的設(shè)計(jì)
1. 深度H
根據(jù)農(nóng)藝要求,溫室的土壤耕作深度一般為,選定松土機(jī)平均松土深度為。這樣可以在滿足農(nóng)藝要求的前提下,使釘齒長(zhǎng)度不致過(guò)長(zhǎng)。
2. 幅寬B
為了便于小空間作業(yè),松土幅寬B不宜過(guò)大,根據(jù)已有機(jī)具的幅寬和松土機(jī)的結(jié)構(gòu),確定松土幅寬。
3. 生產(chǎn)率
已知松土幅寬,機(jī)組前進(jìn)速度,則理論生產(chǎn)率W可用下式計(jì)算:
4. 功率消耗的計(jì)算
a. 松土功率的消耗計(jì)算
松土功率消耗可用旋耕機(jī)功耗公式來(lái)計(jì)算,即:
式中—機(jī)具工作時(shí)土壤比阻(),可由公進(jìn)行估算,為平均土壤比阻,為耕深修正系數(shù),為土壤含水率修正系數(shù),為殘茬植被修正系數(shù),為作業(yè)方式修正系數(shù);H—松土深度(cm);—機(jī)具前進(jìn)速度(m/s);B—松土幅寬(m)。
根據(jù)溫室大棚內(nèi)的作業(yè)條件,經(jīng)查表確定,,,,。故:
。
已知松土深度,機(jī)組前進(jìn)速度,松土幅寬,則
b.機(jī)組行駛的功率消耗計(jì)算
設(shè)機(jī)組在行駛過(guò)程中受到的土壤阻力為F,機(jī)組前進(jìn)速度為,則克服土壤阻力消耗的功率為,又。
式中:f—阻力系數(shù);—松土機(jī)重力;—松土機(jī)整機(jī)重量;—重力加速度。
初步估算松土機(jī)的質(zhì)量,取,代入式中得:
已知,則松土機(jī)克服滾動(dòng)阻力消耗的功率為:
因此,松土機(jī)消耗的總功率
5. 電動(dòng)機(jī)功率的確定
考慮到功率儲(chǔ)備,并且傳遞過(guò)程中有功率損失,電動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)該大于松土機(jī)消耗的總功率, 故選用型電動(dòng)機(jī),其額定功率為,額定轉(zhuǎn)速為。該電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大(1.8~2.5倍額定轉(zhuǎn)矩),啟動(dòng)電流較大,過(guò)載能力稍弱,但負(fù)載時(shí)的功率因數(shù)較高,節(jié)電效果顯著。
3傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1傳動(dòng)比分配
根據(jù)電動(dòng)機(jī)的滿載轉(zhuǎn)速和旋耕刀軸的轉(zhuǎn)速,傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比為7.2,總傳動(dòng)比為各級(jí)傳動(dòng)比的乘積。根據(jù)傳動(dòng)比的分配原則及各種傳動(dòng)的性能,分配傳動(dòng)比。
帶傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,傳動(dòng)平穩(wěn),造價(jià)低廉,以及緩沖吸震等特點(diǎn)。因此,一般在一級(jí)傳動(dòng)中采用,。而齒輪傳動(dòng)無(wú)彈性滑動(dòng)和打滑現(xiàn)象,因而能保持準(zhǔn)確的傳動(dòng)比,傳動(dòng)效率高,軸上徑向壓力較小,結(jié)構(gòu)較為緊湊。二級(jí)傳動(dòng)采用變速箱。側(cè)邊傳動(dòng)采用鏈傳動(dòng),可以沒(méi)有傳動(dòng)比,起到傳動(dòng)功能。
3.2各軸的轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩
3.2.1 計(jì)算各軸的轉(zhuǎn)速
傳動(dòng)裝置中各軸的轉(zhuǎn)速為:
軸轉(zhuǎn)速:;
變速箱輸入轉(zhuǎn)速:;
變速箱輸出轉(zhuǎn)速和軸轉(zhuǎn)速:;
3.2.2 計(jì)算各軸的輸入功率
電動(dòng)機(jī)的計(jì)算功率一般可依據(jù)電動(dòng)機(jī)所需實(shí)際功率作為計(jì)算依據(jù),則其他各軸輸入功率為:
軸輸出功率: ;
變速箱輸入功率: ;
變速箱輸出功率: ;
軸輸入功率: ;
軸輸出功率: ;
3.2.3 計(jì)算各軸轉(zhuǎn)矩
軸轉(zhuǎn)矩: ;
變速箱輸入轉(zhuǎn)矩: ;
變速箱輸出轉(zhuǎn)矩: ;
軸輸入轉(zhuǎn)矩: ;
軸輸出轉(zhuǎn)矩: ;
功率、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速如表3-1。
表3-1 各軸受力表
軸號(hào)
功率P(KW)
轉(zhuǎn)矩T(Nm)
轉(zhuǎn)速n(r/min)
傳動(dòng)比i
效率
輸入
輸出
輸入
輸出
I軸
3.42
22.68
1440
2.4
0.95
變速箱軸
3.21
3.18
47.38
46.36
600
2.97
0.96
III軸
3.06
3
132.83
130.23
200
3.3 帶及帶輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.3.1 皮帶設(shè)計(jì)
3.3.1.1確定計(jì)算功率
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本,得功率計(jì)算公式
式中:——計(jì)算功率,單位為kw;
——傳遞的額定功率,單位為kw;
——工作情況系數(shù)
根據(jù)表機(jī)械設(shè)計(jì)表8-6,取,
3.3.1.2 選擇帶型
根據(jù)計(jì)算功率和小帶輪轉(zhuǎn)速查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本,由圖8-9選定帶型,選擇SPZ型V帶。
3.3.1.3 確定帶輪的基準(zhǔn)直徑和
(1)初選小帶輪的基準(zhǔn)直徑
根據(jù)v帶截型參考《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本表8-3及表8-7,選。
(2) 驗(yàn)算帶的速度v
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本,根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)式8-13,
計(jì)算從動(dòng)輪的基準(zhǔn)直徑,由,并按V帶輪的基準(zhǔn)直徑系列表8-7
加以圓整取。
(3) 確定中心距a和帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本,根據(jù)傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)的需要初定中心距,由
,
??;
取定后,根據(jù)傳動(dòng)的幾何關(guān)系,計(jì)算所需帶傳動(dòng)的基準(zhǔn)長(zhǎng)度:
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本,由表8-2中選取和相近的V帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度,?。辉俑鶕?jù)來(lái)計(jì)算實(shí)際中心距,
(4) 驗(yàn)算主動(dòng)輪上的包角
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本,根據(jù)式(8-6)及對(duì)包角要求應(yīng)保證
(5)確定帶的根數(shù)z
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本,根據(jù)式(8-22)
——包角系數(shù),查《機(jī)械設(shè)計(jì)》(表8-8),=0.92;
——長(zhǎng)度系數(shù),查《機(jī)械設(shè)計(jì)》(表8-2),=0.94;
——單根V帶的基本額定功率,查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表8-5c,=2.61;
——計(jì)入傳動(dòng)比的影響時(shí),單根V帶額定功率的增量,其值見(jiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)》
表8-5b,=0.56;
,取z=2。
(6)確定帶的預(yù)緊力
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本,考慮離心力的不利影響,并考慮包角對(duì)所需預(yù)緊力的影響,根據(jù)式(8-23)單根V帶 所需的預(yù)緊力為:
查機(jī)械設(shè)計(jì)表8-4,得出,則
(7)計(jì)算帶傳動(dòng)作用在軸上的力(壓軸力)
如果不考慮帶的兩邊的拉力差,則壓軸力可以近似的按帶的兩邊的預(yù)緊力的合力來(lái)計(jì)算,即
—帶的根數(shù);
—單根帶的預(yù)緊力;
—主動(dòng)輪上的包角;
圖3-1 帶傳動(dòng)作用在軸上的力
3.3.2帶輪設(shè)計(jì)
V帶輪的設(shè)計(jì)要求質(zhì)量小,結(jié)構(gòu)工藝性好,無(wú)過(guò)大的鑄造內(nèi)應(yīng)力,質(zhì)量分布均勻,輪槽加工表面要精細(xì)加工,以減小帶的磨損。帶輪的材料主要采用鑄鐵,牌號(hào)為HT200.小帶輪因?yàn)橹睆奖容^小所以采用實(shí)心式,大帶輪的直徑比較大,所以采用孔板式。
3.4鏈輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
1、根據(jù)實(shí)際,鏈條速度在1-2m/s之間,鏈輪的轉(zhuǎn)速為200r/min。
設(shè)計(jì)步驟如下:
選用單排套筒滾子鏈,根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)》第二版,其設(shè)計(jì)步驟如下:
(1)根據(jù)設(shè)計(jì)要求主動(dòng)鏈輪和從動(dòng)鏈輪大小相同。因此。
(2)計(jì)算功率
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本,
由表9-9查得: 工作系數(shù);
由表9-10查得:鏈輪齒數(shù)系數(shù);
所以=
定鏈條的節(jié)距
根據(jù)鏈輪轉(zhuǎn)速及功率,由圖9-13選取的鏈條號(hào)為10A,鏈節(jié)距;
(3)確定鏈長(zhǎng)L
根據(jù)鏈輪的速度計(jì)算鏈輪分度圓直徑。鏈長(zhǎng)為。
(4)確定鏈條鏈節(jié)數(shù)
由 計(jì)算鏈節(jié)數(shù)可得節(jié),取為43節(jié)。
(5)中心距的計(jì)算
=
=174.625mm
a實(shí)際中心距取為175mm。
(6)計(jì)算鏈速:
1.11m/s滿足鏈速在1-2m/s之間,合適。
(7)查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本,由表9-4得鏈輪輪轂孔
(8)計(jì)算作用在軸上的壓軸力
有效圓周力為
由于鏈傳動(dòng)為傾斜配置,安裝傾角為45°
查表取
所以,
根據(jù)上述要求:選擇的滾子鏈的型號(hào)為:—1×316 GB 1243—1997
鏈條其結(jié)構(gòu)詳圖如下:
圖3—2 輸送鏈條結(jié)構(gòu)圖
3.5齒輪的設(shè)計(jì)
3.5.1選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)
1.根據(jù)實(shí)際需要,選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。
2.旋耕機(jī)為一般工作機(jī)器,速度不高,故選用7級(jí)精(GB10095-88)。
3.材料選擇。由表10-1選擇小齒輪材料為40Cr,(調(diào)質(zhì)),硬度為280HBS,大齒輪材料為45鋼,(調(diào)質(zhì)),硬度為240HBS,兩者材料硬度相差為40HBS[13]。
4.選小齒輪齒數(shù),則大齒輪齒數(shù)。
3.5.1.1 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式(10-24)進(jìn)行試算,即
確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
(1) 計(jì)算載荷系數(shù)K
(2) 計(jì)算扭矩
齒輪傳動(dòng)齒寬系數(shù)
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本,根據(jù)表10-7選取齒寬系數(shù)
(3)查表10-6查得材料彈性影響系數(shù)。
(4)由圖10-21按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限;大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限。
(5)由式(10-13)計(jì)算應(yīng)力循環(huán)系數(shù)
(6)由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù);。
(7)計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
去失效概率為1%,安全系數(shù),由式(10-12)得
=0.95600=570MPa
=098550=539MPa
3.5.1.2 計(jì)算
(1)、計(jì)算小齒輪分度圓直徑,代入[]中較小的值
==50.33mm
(2)計(jì)算圓周速度v
(3)計(jì)算齒寬b
(4)計(jì)算齒高與齒寬之比
模數(shù)
齒高
(5)計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)v=1.73m/s,7級(jí)精度,查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本,由圖10-8得動(dòng)載系數(shù);直齒輪,由表10-3查得;由表10-2得使用系數(shù);
由表10-4查得7級(jí)精度、小齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱布置時(shí),
將數(shù)據(jù)代入后得
由,查圖10-13得;故載荷系數(shù)
(6)按實(shí)際的載荷系數(shù)校正算得的分度圓直徑,查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本,由式(10-10a)得
(7)計(jì)算模數(shù)m
3.5.2按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本,由式(10-5)得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為
1、確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
(1)查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本,由圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限=500MPa;大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限=380MPa;
(2)由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù),;
(3)計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4,由式(10-12)得
= =303.57MPa
=238.86MPa
(4)計(jì)算載荷系數(shù)
(5)查取齒形系數(shù)
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本,由表10-5查得;。
(6)查取應(yīng)力校正系數(shù)
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本,;。
(7)計(jì)算大小齒輪的并加以比較
=
=
大齒輪的數(shù)值大。
2、設(shè)計(jì)計(jì)算
對(duì)比計(jì)算結(jié)果,由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù),由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決與彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力,二齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力,僅與齒輪直徑(即模數(shù)與齒數(shù)的乘積)有關(guān),可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)1.65并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值2,按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑,算出
小齒輪齒數(shù)
大齒輪齒數(shù),取。
這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng),既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度,并做到結(jié)構(gòu)緊湊,避免浪費(fèi)。
3、幾何尺寸計(jì)算
基本參數(shù):
傳動(dòng)比i=2.97;齒數(shù),;模數(shù)m=2;
(1) 計(jì)算分度圓直徑
(2) 計(jì)算中心距
計(jì)算齒輪寬度
取,。
3.5.3 驗(yàn)算
<100N/mm,合適
3.6軸的計(jì)算
3.6.1變速箱輸出軸的設(shè)計(jì)
1、軸上的功率P、轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)矩T
由以上計(jì)算知變速箱輸入轉(zhuǎn)速,輸出轉(zhuǎn)速;
功率,輸出;輸入轉(zhuǎn)矩,輸出轉(zhuǎn)矩。
2、求作用在齒輪上的力
因已知低速級(jí)大齒輪的分度圓直徑為
3、 初步確定軸的最小直徑
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本,由式(15-2)初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼,調(diào)質(zhì)處理[8]。根據(jù)表15-3,取,于是得
。故最小直徑選為30mm。
4、 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1) 擬定軸上的零件裝配方案裝配圖如圖3-1.
2) 根據(jù)軸向定位要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度
(1) 為使鏈輪的右側(cè)有軸向定位,在處需制出一軸肩,故取段的直徑
, 。
(2) 初步選擇滾動(dòng)軸承。
軸只承受徑向力,故選擇單列圓柱軸承。根據(jù)工作要求,選擇軸承6208其尺寸為dDB=408018,故,而。右端滾動(dòng)軸承采用軸肩進(jìn)行定位,由手冊(cè)上查得6208型軸承,取。
(3) 取安裝齒輪處的軸段的直徑。齒輪的左端與左端軸承之
間采用套筒定位。已知齒輪輪轂的寬度為56,為使套筒端面可靠地壓緊齒輪,故。齒輪的右端采用軸肩定位,軸肩高度h>0.07,取h=5mm,則軸環(huán)處直徑。軸環(huán)寬度b>1.4h,取。
(4)軸上零件的周向定位
帶輪、齒輪的周向定位均采用平鍵聯(lián)接。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)的平鍵截面bh=20mm12mm(GB/T1095-1979),鍵槽用銑刀加工。
3.6.2變速箱輸入軸的設(shè)計(jì)
1、由以上計(jì)算知變速箱輸入轉(zhuǎn)速;功率;輸入轉(zhuǎn)矩;
2、求作用在齒輪上的力
因已知小齒輪的分度圓直徑為
圖3-1 輸出軸的結(jié)構(gòu)與裝配圖
3、初步確定軸的最小直徑
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本,由式(15-2)初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼,調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)表15-3,取,于是得
所以最小直徑選為20mm。
4、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1) 擬定軸上的零件裝配方案裝配圖如圖3-2
圖3-2 輸入軸設(shè)計(jì)示意圖
2) 根據(jù)軸向定位要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度
(1)為使帶輪的右側(cè)有軸向定位,在I-II處需制出一軸肩,故取II-III段的直徑,帶輪和軸配合長(zhǎng)度。
初步選擇滾動(dòng)軸承。
軸只承受徑向力,故選擇單列圓柱軸承。根據(jù)工作要求,選擇軸承6208寸為=408018,,。右端滾動(dòng)軸承采用軸肩進(jìn)行定位,由手冊(cè)上查得6208型軸承,取。
(3)取安裝齒輪處的軸段IV-V的直徑。齒輪的左端與左端軸承之間采用套筒定位。已知齒輪輪轂的寬度為60,為使套筒端面可靠地壓緊齒輪,故。齒輪的右端采用軸肩定位,軸肩高度h>0.07,取h=5mm,則軸環(huán)處直徑。軸環(huán)寬度b>1.4h,取。
圖3-3 變速箱軸的受力簡(jiǎn)圖
(4)軸上零件的周向定位
帶輪、齒輪的周向定位均采用平鍵聯(lián)接。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)的平鍵截面bh=20mm12mm(GB/T1095-1979),鍵槽用銑刀加工。
5、求軸上載荷
根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖做出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖,可以看出軸的受力最大處是危險(xiǎn)截面?,F(xiàn)將該處的、及的值列于下表
載荷
水平面H
垂直面V
支反力F
,
,
彎矩M
總彎矩
扭矩T
6、 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本,由式(15-5)及上表中的數(shù)值,并取,軸的計(jì)算應(yīng)力
=
材料為45鋼,調(diào)質(zhì)處理,由表15-1查得[]=60MPa。因此,<[],故安全。
3.7其余部件的設(shè)計(jì)
1. 離合器設(shè)計(jì)與計(jì)算
采用簡(jiǎn)易的牙嵌式離合器,如圖4所示。其傳動(dòng)扭矩大,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工作可靠。離合器的一半通過(guò)平鍵與軸聯(lián)接,另一半空套在軸上與鏈輪成為一體。當(dāng)離合器嚙合時(shí),鏈輪和軸一起轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)離合器分離時(shí),空套在軸上的一半與鏈輪空轉(zhuǎn),軸則不轉(zhuǎn)。
圖4 離合器
根據(jù)軸徑的尺寸,參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》確定離合器的參數(shù)。為保證離合器工作可靠,設(shè)計(jì)離合器時(shí),按下式取計(jì)算扭矩:
<
式中,—工作儲(chǔ)備系數(shù);
—離合器需傳遞的扭矩;
—離合器的許用扭矩;
已知,取,
,代入上式中得:
<
所以離合器滿足工作要求
2. 聯(lián)軸器選擇
常用的聯(lián)軸器已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了,選用時(shí),首先按照工作條件選擇合適的類型;再按軸徑、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速選擇聯(lián)軸器的型號(hào);必要時(shí)校核聯(lián)軸器的承載能力。
聯(lián)軸器的計(jì)算扭矩應(yīng)取不穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)載荷及過(guò)載的最大扭矩,可按下式求得:
<
式中,—工作情況系數(shù);
—聯(lián)軸器需傳遞的扭矩;
—聯(lián)軸器的許用扭矩;
已知,取,代入上式得:
<
選擇爪型彈性聯(lián)軸器,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,裝卸方便,彈性好,適用于小功率、有沖級(jí)載荷、啟動(dòng)頻繁的條件。通過(guò)校核計(jì)算,該聯(lián)軸器能滿足工作需求。
3. 軸承的選擇
松土機(jī)上的軸承主要承受徑向載荷,考慮到經(jīng)濟(jì)性,選用單列深溝球軸承。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,主要受徑向載荷,也可承受一定的軸向載荷,并且價(jià)格便宜。
滾動(dòng)軸承的主要失效形式是疲勞點(diǎn)蝕,因此軸承的尺寸按疲勞強(qiáng)度及壽命計(jì)算。
式中,—軸承的額定壽命;—軸承的轉(zhuǎn)速;—軸承壽命指數(shù),對(duì)球軸承,對(duì)滾子軸承;—軸承的額定動(dòng)載荷;—當(dāng)量動(dòng)載荷。
為了簡(jiǎn)化計(jì)算,將滾動(dòng)軸承的壽命公式寫(xiě)成:
令,,則上式可寫(xiě)成
式中,—壽命系數(shù);—轉(zhuǎn)速系數(shù)
由上可得:
以安裝在工作軸上的軸承為例計(jì)算軸承的壽命,已知,,查表得,代入式中
>
所選軸承能滿足工作要求。
4. 鍵的選擇和聯(lián)接強(qiáng)度的計(jì)算
鍵的類型可根據(jù)聯(lián)接的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),使用要求和工作條件選定;鍵的剖面尺寸通常根據(jù)軸的直徑從標(biāo)準(zhǔn)中選取;鍵的長(zhǎng)度則按輪轂長(zhǎng)度從標(biāo)準(zhǔn)中選取。
根據(jù)以上選擇原則,選定圓頭普通平鍵。
鍵聯(lián)接強(qiáng)度可以通過(guò)以下公式計(jì)算:
式中:—鍵或鍵槽工作面的比壓;
—轉(zhuǎn)矩;
—軸的直徑;
—鍵的工作長(zhǎng)度;
—鍵與輪轂的接觸高度;對(duì)于平鍵,
—鍵的厚度;
—鍵聯(lián)接的許用比壓。
以安裝在工作軸上的鍵為例進(jìn)行校核計(jì)算,所選鍵為鍵。已知,,,,,代入上式中得:
同理,對(duì)其他所選的鍵進(jìn)行校核,都能滿足工作要求。
結(jié) 論
松土機(jī)以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力,具有體積小、成本低、工作可靠及不污染環(huán)境等特點(diǎn)。采用整體式機(jī)架,電動(dòng)機(jī)和減速器固定在機(jī)架上方,使整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。作業(yè)時(shí)通過(guò)滾齒軸上旋轉(zhuǎn)的滾齒松土,對(duì)土壤的切削和破碎效果好,耕后地表平整,無(wú)梨底層,減輕了對(duì)土壤的壓實(shí)。以電能作為能源,充分體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、節(jié)能及環(huán)保的設(shè)計(jì)原則。該機(jī)適合在空間狹小的溫室內(nèi)推廣使用。
短短的三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們對(duì)大學(xué)四年的機(jī)械知識(shí)的整體總結(jié),也是理論與實(shí)踐的結(jié)合,通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)我們收益非淺,這次設(shè)計(jì),主要是對(duì)溫室松土機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)中,我學(xué)到了許多新的知識(shí)。我深刻的認(rèn)識(shí)到,要想成為一名合格技術(shù)人員只掌握本專業(yè)的知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,我們應(yīng)該具有更加淵博的知識(shí)。
在以上設(shè)計(jì)中,對(duì)零件的材料,對(duì)軸承,對(duì)裝配方法等等知識(shí)點(diǎn)溫習(xí)和學(xué)習(xí)。使以前學(xué)習(xí)的理論知識(shí)能夠應(yīng)用到實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中去,更加深了我們對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。對(duì)實(shí)際加工中的一些問(wèn)題有了進(jìn)一步的了解,并在設(shè)計(jì)中考慮和避免這些問(wèn)題的發(fā)生。
沒(méi)有具體的了解,經(jīng)常會(huì)有無(wú)從下手的感覺(jué),碰到問(wèn)題只有去問(wèn)老師和看相關(guān)書(shū)籍,確實(shí)雖然完成了大概模型,有許多地方還是不是完全吃透的,這需要在以后的工作學(xué)習(xí)中進(jìn)一步加深學(xué)習(xí),期間我得到了許多教師的大力幫助。本次設(shè)計(jì)算基本符合設(shè)計(jì)要求。在此,我表示由衷地感謝!
33
致 謝
畢業(yè)設(shè)計(jì)很快已經(jīng)結(jié)束了,在這段時(shí)間里,不僅僅感覺(jué)到的是忙碌,還有忙碌后作完一件令自己心動(dòng)的東西時(shí)的那種無(wú)聲的喜悅。
在寫(xiě)致謝信的這個(gè)時(shí)候心里想有一些說(shuō)出的東西,想想自己在做畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)的種種困難,在老師同學(xué)的用心幫助下也一一解決了,說(shuō)句實(shí)話,憑自己的能力要作完畢業(yè)設(shè)計(jì)是有些太困難了,但是在你的身邊總有一些人會(huì)給你帶來(lái)驚喜,自己的能力畢竟有限,在面對(duì)別人無(wú)私幫助的時(shí)候我的內(nèi)心十分感激,帶自己畢業(yè)設(shè)計(jì)的老師會(huì)有問(wèn)必答,有難必解,雖然接觸不是很多,但有些東西是用心感覺(jué)的。還有好多老師在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中給于我一些幫助,我非常的感激。當(dāng)然還有我身邊的那些同學(xué),在我有疑惑的時(shí)候總是不厭其煩的給我解釋清楚。在我設(shè)計(jì)的時(shí)候,因?yàn)槲乙郧皬臎](méi)接觸過(guò)的東西,一開(kāi)始很是迷茫,我的好幾位同學(xué)都在這時(shí)候一邊忙自己的事,一邊還要在我有疑惑的時(shí)候?yàn)槲規(guī)兔Ψ治?,共同解決。最終自己終于完成了乘用車主減速器這一部分的畢設(shè)要求?,F(xiàn)在想起來(lái),有時(shí)候最能讓自己感動(dòng)的事就發(fā)生在自己的身邊。
這次畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅給我?guī)?lái)了知識(shí)上的收獲,在做人方面也教會(huì)了我許多許多,在對(duì)待事情方面,尤其是有選擇的時(shí)候自己該放棄什么,該抓住什么。什么是該自己作的,什么時(shí)候做,我明白了好多。
在此,我對(duì)給我?guī)椭睦蠋?,同學(xué)至以誠(chéng)摯的謝意和由衷的感激。感謝您們對(duì)我的幫助,和教會(huì)我那些人生的道理。
在論文即將完成之際,我的心情無(wú)法平靜,從開(kāi)始進(jìn)入課題到論文的順利完成,有多少可敬的師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友給了我無(wú)言的幫助,在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意!
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