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附錄：
對傳輸動力輸出和負載農(nóng)用拖拉機齒輪選擇在旋耕的作用
摘要：
為了讓拖拉機在現(xiàn)場作業(yè)中獲得更好的性能和耐久性，為這項操作選擇合適的齒輪設置是必要的。本研究的目的是分析在20cm深的旋耕時一個75kW的負載農(nóng)用拖拉機的傳輸動力輸出和齒輪選擇的作用。為了測量作用在變速器和動力輸出輸入軸的負載，負載測量系統(tǒng)被安裝在拖拉機上。該系統(tǒng)由測量轉(zhuǎn)矩的傳遞和動力輸出的輸入軸的應變儀傳感器，獲取傳感器信號的一個無線電遙測I / O接口和采集數(shù)據(jù)嵌入式軟件構(gòu)成。旋耕在相同的土壤條件的旱田網(wǎng)站以三個地面速度和三個動力輸出轉(zhuǎn)速進行。用雨流計數(shù)和SWT （史密斯沃森濤培）方程將負載數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為載荷譜。對于每個齒輪的選擇負載損壞的總和利用的是改性Miner規(guī)則來計算，然后負載嚴重性的計算和損壞總和的計算同樣重要。當PTO轉(zhuǎn)速不變時，變速器輸入軸的平均扭矩的地面速度顯著地從L1（ 1.87km/h）到L3（ 3.77km/h）。另外，當對地速度不變時，PTO轉(zhuǎn)速上升的同時動力輸出輸入軸的平均轉(zhuǎn)矩增加。旋耕施加在動力輸出輸入軸上的載重顯著比變速器輸入軸大。變速器和PTO軸負載的嚴重性增加，同時作為地面和動力輸出旋轉(zhuǎn)速度增加，表明可能降低疲勞壽命。這個研究的結(jié)果可能會為齒輪和旋耕的選擇提供有用的信息，不僅考慮耕地效率，還考慮傳輸和動力輸出輸入軸負載的重要性。
1、 簡介
農(nóng)用拖拉機作為動力源通過驅(qū)動橋，取力器（PTO）設備，以及液壓管路應用于各種野外作業(yè)，如耕作，播種，化學應用，收割，運輸。在世界上的很多國家農(nóng)用拖拉機的數(shù)量正在不斷增加。例如，在韓國拖拉機的利用率已經(jīng)在春季和秋季增加到2010年的農(nóng)業(yè)工作日內(nèi)71.8％（Park等人，2010年a，b）。拖拉機具有不同程度的駕駛和動力輸出齒輪設置，并且所述齒輪設置的不同組合可用于提供適用于操作類型和耕地條件所需的功率。
因為載重作用在拖拉機上，部分的耐用性和工作性能是由齒輪設置（ Park等人， 2010年c ）確定的，所以最佳齒輪設置為操作類型是重要的。拖拉機零部件的耐用性是需要重要考慮的（Rotz 和Bowers, 1991）之一。西門子和鮑爾斯（ 1999）報道，由于過高的運行速度，美國農(nóng)民花了大約40 ％的總維修費用來修復拖拉機和30％左右修復的磨損的動力總成零部件。此外，工作性能影響拖拉機的燃油消耗。在韓國，由拖拉機每年的燃料消耗量為345毫升/年的情況下，約占農(nóng)業(yè)機械（ KAMICO和KSAM ， 2010）的年度總油耗48.5 ％。因此，分析齒輪選擇過程中野外作業(yè)的拖拉機負荷的影響將是有意義的。
基希勒等（2011）分析了變速器檔位選擇對拖拉機性能的影響，并報道當該齒輪設置在從3.0變公里/小時8.3公里/小時的犁耕時燃料消耗率增加了105％，實施草案增加了28％，并且需要的功率增加了255％，一些研究分析了在野外作業(yè)的拖拉機負荷用于拖拉機的高效和優(yōu)化設計（格拉赫，1966;Han等，1999）范等人，2009）。因為它彌補了約30％的拖拉機的總成本，大多數(shù)研究上的負載分析都集中在傳輸（如金，1998年）。用于傳輸負載的分析，研究人員分析轉(zhuǎn)矩負載作用在變速器輸入軸和拖拉機的字段中的操作，例如犁耕作的驅(qū)動車軸（Kim等人，2001; Nahmgung，2001）。在大多數(shù)領(lǐng)域的條件下，對變速器輸入軸的負載和驅(qū)動車軸用犁耕速度增加。
一些研究中認為在旋耕和壓捆操作時負載在動力輸出軸上。Kim等人（ 2011b ）進行分析在壓捆機運轉(zhuǎn)時發(fā)動機額定功率為75千瓦的拖拉機的功率消耗，并報告了功耗發(fā)動機功率消耗的比率分別為所有動力輸出齒輪水平的50-75％ 。此外， Kim等人（ 2011a）分析了一個30千瓦的農(nóng)用拖拉機主要部件（驅(qū)動橋，動力輸出軸和液壓泵）在犁耕，旋耕，和裝載機操作時的功率要求。旋耕所需的最大功率和在過程中動力輸出軸在各組成部分之間的所占功率的最大數(shù)量。綜合以上調(diào)查結(jié)果，旋耕期間在動力輸出軸上應用合理的載重數(shù)量。然而，關(guān)于傳輸（即，運算速度）的影響和在現(xiàn)場作業(yè)的拖拉機載重動力輸出齒輪的選擇的研究尚未見報道。
這項研究主要是為了最佳的齒輪設置提供導向做出的努力，既考慮了耕地效率又考慮了主要功率傳輸部件的載重嚴重性。這項研究的目的就是分析傳輸?shù)妮d重行為的齒輪選擇以及在旋耕過程中75kW的農(nóng)用拖拉機的動力輸入輸出軸的影響。
2、 材料和方法
2.1測量系統(tǒng)
這項研究用到的是一個75kW的農(nóng)用拖拉機(L7040, LS Mtron Ltd., Korea) 。這個拖拉機的總質(zhì)量為3260千克，體積為4077mm×2000mm×2640mm（長×寬×高）。在引擎轉(zhuǎn)速2300轉(zhuǎn)時，額定發(fā)動機功率和拖拉機的動力輸出功率分別為75千瓦和65千瓦。拖拉機是配備一個同步-網(wǎng)格類型的由兩個方向齒輪、四個主齒輪、四個副齒輪組成的手動變速箱。拖拉機的16個向前和16向后地面速度由齒輪設置組合決定。相應的，拖拉機動力輸出的旋轉(zhuǎn)速度在P1,P2,P3設置中分別為540 rpm,750rpm,1000rpm。圖一顯示在傳輸裝置上設置了轉(zhuǎn)矩遙感器和無線遙測系統(tǒng)和載重措施的動力輸入軸。傳輸裝置和動力輸入軸是直接與發(fā)動機曲軸聯(lián)系起來的；因此，發(fā)動機曲軸和輸入軸的速度比率為1:1。載重測量系統(tǒng)被安裝在離合器殼里面。載重測量系統(tǒng)由應變儀傳感器(CEA-06-250US-350,MicroMeasurement Co., USA)構(gòu)成去測量轉(zhuǎn)矩，無線電遙測I/O接口去獲得傳感器的信號和一個內(nèi)置的系統(tǒng)去分析載重。對于傳輸?shù)妮d重測量，一個帶有天線的應變儀被安裝在變速器輸入軸中，轉(zhuǎn)子和定子天線安裝在軸的情況。相應的，為了實現(xiàn)動力載重測量，一個應變儀安裝在飛輪套筒上，而一個轉(zhuǎn)子天線和一個定子天線被安裝在飛輪和引擎的情況下。這個內(nèi)置的系統(tǒng)有一個最大的24位的分辨率。校準扭矩傳感器的應變儀的負載信號已經(jīng)在24位分辨率下的19.2 khz的采樣率被數(shù)字化了而被存儲在嵌入式系統(tǒng)中(MGC,HMB,德國)。一個用來測量負載信號的程序是基于實驗室查看軟件(美國國家儀器2009年版本)被開發(fā)的。
2.2 實驗方法
在田間操作中作用于拖拉機的荷載取決于許多因素如：土壤條件和駕駛技能。因為把所有這些因素都考慮進去是不實際的(Nahm-gung,2001),所以在這項研究中將這些因素的影響最小化而專注于地面速度和通過齒輪選擇負載上的動力輸出轉(zhuǎn)速的影響。
旋耕是由三個地面速度和三個動力輸出旋轉(zhuǎn)速度在旱地位置位于北緯35o59'23"和35o59'26"和東經(jīng)127o12'56"和127o13'3"。土壤類型是沙土，平均水分含量為22.3%,和平均圓錐指數(shù)為1236 kPa,在0 - 250毫米的深度。
耕地深度設置為20厘米。相應的，變速器的齒輪設置為L1，L2和L3齒輪與動力輸出齒輪P1，P2，和P3相匹配。齒輪設置基于一項由Kim等人(2011a)報道的為年度拖拉機使用比例的調(diào)查的結(jié)果進行選擇。拖拉機的地面速度在L1,L2,L3的情況下分別1.87公里/小時,2.64公里/小時,和3.77 公里/小時，它的動力輸出旋轉(zhuǎn)速度在P1,P2,P3的情況下分別為540 rpm,750 rpm,和1000 rpm。旋耕工具是一個重型旋耕機(WJ220E、WOONGJIN、韓國)和所需的額定功率,總質(zhì)量，耕地寬度和體積分別為75千瓦，750公斤，2220毫米和1050毫米×2390毫米×1380毫米（長度×寬度×高度）。
2.3載荷分析
根據(jù)不同的目的，分析拖拉機負荷的程序就會不同。許多研究人員為了表示載荷已經(jīng)使用簡單統(tǒng)計如：平均、最大、最小值等。該方法提取代表值用來顯示幅值的差別,但是因為田野負載是不規(guī)則的，所以這種簡化禁止描述整個加載配置文件。齒輪設置對變速器和動力輸出負載設置,單向方差分析和最小顯著差測試(LSD)的影響是由SAS(版本9.1,SAS研究所卡里,美國)傳導的。同時,因為負載導致拖拉機的損害,拖拉機零件的疲勞也需要調(diào)查，所以要表示負載對拖拉機的影響是很難的。拖拉機的疲勞程度被定義為重復載荷的損失總和(Lampman,1997）。
純樸,Kim等人(1998、2000)提出的另一種表示負載的方法，這種方法被定義為每個操作損失總和與所有操作最小損失總和之比。純樸與疲勞壽命成反比。當負載嚴重越大時,疲勞壽命會越短。Kim等人.(1998)測量了作用在傳動輸入軸上的負載和分析了在耕作,旋耕和運輸操作時的負載嚴重性。他們發(fā)現(xiàn)運輸操作的負載嚴重性與耕作時的負載嚴重性類似。但旋耕時的負載嚴重性約為運輸操作時的63倍。之后，Kim等人（2000）分析了在旋耕期間變速器輸入軸的嚴重性，旋耕是右四個拖拉機的速度組合地面速度(2.9公里/小時和4.1 km / h)和動力輸出旋轉(zhuǎn)速度(588和704 rpm)并且使用了一個發(fā)動機額定功率為30千瓦的拖拉機。當動力輸出速度增加到與地面速度相同時，負載嚴重增加了2.3 -2.6倍；而當?shù)孛嫠俣仍黾又僚c動力輸出速度相同時，嚴重性下降了0.2-0.3倍。
圖2是一個解釋嚴重性計算過程的框圖。因為轉(zhuǎn)矩的數(shù)據(jù)不規(guī)則(熊和Shenoi,2005)，所以使用雨流循環(huán)計數(shù)法將測量轉(zhuǎn)矩的數(shù)據(jù)從時域轉(zhuǎn)換到頻域。雨流循環(huán)計數(shù)技術(shù)通常被認為是一個好的預測疲勞壽命的循環(huán)計數(shù)法（Hong,1991)。它將一個變幅加載歷史它分解成一系列簡單的事件相當于個人恒定負載周期振幅(Glinka和Kam,1987)。此外,Smith-Waston-Topper單軸方法用于計算譜級用方程（1）來去除平均轉(zhuǎn)矩的影響(道林,1972)。
方程中Te相當于轉(zhuǎn)矩（Nm），ta是扭矩振幅（Nm），tm是平均轉(zhuǎn)矩（Nm）。
因為測量的負載數(shù)據(jù)的記錄時間相對較短(180 - 200s),所以拓展拖拉機的旋耕的總的使用時間的周期數(shù)是非常必要的。為了在負載的大小上計算周期的總數(shù),測試拖拉機的整個壽命被假設進來。負載周期的總數(shù)由方程（2）進行計算：
N7=3600NLh （2）
方程中N7負載周期的總數(shù)目（圈數(shù)），N是測量負載的計算周期數(shù)目（圈數(shù)），L是已用的拖拉機的整個壽命（年），h為拖拉機操作的年使用次數(shù)（小時/年）。
在韓國，拖拉機被用來旋耕的年度使用時間是204個小時(李,2011)。使用的拖拉機的整個壽命被認為是10年,這是在韓國農(nóng)業(yè)的條件下的正常的數(shù)據(jù)。對于拖拉機的整個壽命的載荷譜用于旋耕時在不同的齒輪設置下由測量負載與額定發(fā)動機扭矩負載之比來表示,為275海里。兩項之比大于1表明不利的負載級別大于額定發(fā)動機扭矩負載。
使用測量負載去計算損失總量和用S-N(彎曲應力與循環(huán)的數(shù)量)曲線估計數(shù)量的周期加載損耗(法特米和陽,1998)。由于損傷是由轉(zhuǎn)矩信號引起的，S-N曲線轉(zhuǎn)換為扭矩-周期曲線(Graham 等,1962;阮等,2011)。為了輸入軸的材料得到S-N曲線,SCM 420 h,在方程（3）中使用ASTM標準(2004)。ASTM標準已經(jīng)廣泛的用于材料的疲勞分析(Wannenburg 等, 2009;Mao, 2010).
方程中的N表示周期數(shù)，S表示切削硬度（兆帕）。
為了計算損害總和，負載譜的等效扭矩被轉(zhuǎn)換成壓力(Rahama 和Chancellor,1994; Petracconi 等, 2010). 變速器和 PTO輸入軸的直徑分別是 28 毫米和 26.5 毫米。
(4)
其中，S 是應力 (MPa)，T 為等效扭矩 (Nm)，d (mm) 軸的直徑。
損傷總和是基于式（5）Miner定律（Miner,1945）計算的。Miner定律是用來估算荷載到空載的轉(zhuǎn)數(shù)的(Miner，1945 年; Robson，1964 年;Renius，1977年）。循環(huán)的次數(shù)(n)來自載荷譜的等效扭矩。派生疲勞壽命轉(zhuǎn)(N)是從S-N 的 SCM 420 H。損壞(D)由轉(zhuǎn)數(shù)除以疲勞壽命轉(zhuǎn)數(shù)計算得出的。
(5)
Dt是損壞總量，ni轉(zhuǎn)數(shù)，Ni是疲勞壽命（轉(zhuǎn)數(shù)）。
3. 結(jié)果和討論
3.1. 檔位選擇的變速器和 PTO 載荷
圖 3 顯示的示例為在對地速度 L1時變速器和PTO輸入軸扭矩載荷和旋耕操作期間PTO 轉(zhuǎn)速為P2時的載荷。旋耕操作包括準備期，下降 3 點懸掛、 運行期，耕地和完成期間上升 3 點懸掛。測量扭矩在變速器和 PTO 輸入軸在準備階段陡增，在完成期間下降，扭矩在運行期間不規(guī)則波動模式出現(xiàn)在這些組件上。在運行期間，PTO輸入軸上的測量扭矩程度和范圍大于變速器輸入軸。
表 1 顯示的扭矩水平上變速器和由PTO輸入的軸速度對地速度(L1、 L2、 L3) 和PTO旋轉(zhuǎn)速度 （P1、 P2、 P3） 的合。平均扭矩只對運行期間數(shù)據(jù)進行了計算，不包括準備和完成期。旋耕期間，PTO輸入軸的平均的扭矩水平大于那些變速器輸入軸齒輪各級。在旋耕期間主要組件所需力量最大的結(jié)果與Kim et al.(2011a)的結(jié)果相似。
在相同的動力輸出轉(zhuǎn)速下，對地速度從L1增至L3時，變速器輸入軸上的平均扭矩大大增加。犁耕提速時，變速器和傳動軸上負載增加也由 Kim et al.（2011a，b）和Nahmgung（2001 年）發(fā)現(xiàn)。此外，當PTO旋轉(zhuǎn)的速度增加時，變速器輸入軸上的平均負載增加，而在L1P2 和 L1P3 之間負載值均無顯著差異。對地速度和PTO旋轉(zhuǎn)的速度增加時，PTO輸入軸上的平均扭矩增加。這些增量對PTO旋轉(zhuǎn)的統(tǒng)計學速度有意義，但對對地速度沒有顯著意義。
3.2. 受損度評估
圖4 和 5分別顯示旋耕期間變速器和PTO輸入軸由齒輪設置的載荷譜。載荷譜的建立考慮了拖拉機的整個壽命中的轉(zhuǎn)數(shù)，從 103 到107 的范圍內(nèi)。變速器輸入軸的最大扭矩比率的范圍是合速度為 0.7 -1.5，在 L3P1 被發(fā)現(xiàn)的最大扭矩比率，如圖 4 所示。
一般情況下，對地速度和PTO旋轉(zhuǎn)的速度增加時扭矩比率增加。旋耕時對地速度和動力輸出轉(zhuǎn)速越大，PTO輸入軸上的負荷越大。如圖 5 所示，PTO輸入軸的扭矩比例大于變速器輸入軸。PTO 輸入軸的最大扭矩比率范圍是0.8-2.5，且最大扭矩比率也在 L3P1被發(fā)現(xiàn)，變速器輸入軸也是如此。動力輸出轉(zhuǎn)速越大，PTO輸入軸上負載越大。
圖6 顯示了旋耕期間由齒輪設置受損度的評估。每個齒輪設置的受損度由合速度中損傷總和與最小的損傷總和的比代表。圖 6 (a) 顯示的輸入傳動軸受損度的比較。最小受損度在最低合速度即變速器被設置到L1， PTO齒輪被設置到P1時獲得。合速度增加則受損度增大，在對地速度增大時受損度增量變得更大。當傳動齒輪在相同動力輸出轉(zhuǎn)速下從 L1轉(zhuǎn)換到 L3時，對地速度增加201%則受損度增加573-746%，。在恒定對地速度下，PTO齒輪從P1 轉(zhuǎn)換到P3時PTO轉(zhuǎn)速增加 185%，受損度增加187%-340%。從L1P2轉(zhuǎn)換到L1P3時，平均負載只增加了 11%(35.9-38.7 Nm)，這并沒有統(tǒng)計差別，但受損度增加了182%。
圖6（b）顯示的輸出輸入軸的振動頻率。得到的結(jié)果和變速器輸入軸的情況類似。l1p1速度的組合使得振動頻率最小，且復合速度增加時，振動頻率也增加。值得引起注意的是，當輸出轉(zhuǎn)速增加185%時，振動頻率將增加1078–1655%。動力輸出齒輪從速度P1變化到速度P3時，當?shù)孛嫠俣忍岣?01%，振動頻率增加139–213%。傳動齒輪從L1～L3的同樣的動力輸出軸轉(zhuǎn)速。同時，平均負荷與地面速度的增加在統(tǒng)計學上分析沒有差別。結(jié)果表明，在動力輸出輸入軸負載的影響更明顯的是PTO轉(zhuǎn)速而不是地面速度。
4.總結(jié)和結(jié)論
這項研究分析了齒輪荷載選擇對傳輸與一個75千瓦的農(nóng)業(yè)拖拉機動力輸入軸在旋轉(zhuǎn)耕作的影響。作用在傳動裝置和PTO輸入軸的外載荷是在旋耕時進行測量的。旋耕是在三的地面速度和三軸轉(zhuǎn)速坡高地網(wǎng)站在同一土壤條件下進行的。第二，傳動和動力輸入軸的載荷進行了評估。結(jié)果表明，變速器輸入軸的平均轉(zhuǎn)矩增加顯?明顯的地面速度從L1至L3在同一動力輸出軸轉(zhuǎn)速。同時，在動力輸入軸的平均轉(zhuǎn)矩增加，在相同的地面速度PTO的旋轉(zhuǎn)速度增加。
最后，負載嚴重的傳輸動力輸出和輸入軸進行了估算。地面速度和動力輸出軸轉(zhuǎn)速增加時，變速器的輸入軸和輸出軸的振動頻率也增加。當?shù)孛嫠俣忍岣?01%，變速器輸入軸的振動頻率增加573–746%，此時傳動齒輪從L1～L3在同一動力輸出軸轉(zhuǎn)速。在相同的地面速度下，振動頻率增加了187–340%時，輸出轉(zhuǎn)速增加185%的動力輸出齒輪從P1到P3。變速器輸入軸的疲勞壽命下降時，聯(lián)合的速度增加，和地面速度的影響更為顯著斜面。的動力輸出軸的嚴重性增加顯著的1078–1655%時，輸出轉(zhuǎn)速增加185%的動力輸出齒輪從P1到P3在地面的速度常數(shù)。當?shù)孛嫠俣忍岣?01%振動頻率增加139–213%，此時傳動齒輪從L1～L3在同一動力輸出軸轉(zhuǎn)速。在變速器輸入軸和動力輸出軸的疲勞壽命是相似的。
農(nóng)民往往以更大的行駛速度進行旋耕作業(yè)以獲得更大效率（即，更少的時間）和更大的動力輸出轉(zhuǎn)速旋耕。然而，更大的行駛和PTO速度，會造成更大的負載和較短的輸入軸疲勞壽命。此外，更高的速度，可能會導致耕作操作后不良的土壤條件。例如，不當?shù)母咝旭偹俣瓤赡軙е螺^粗的土壤條件，而輸出轉(zhuǎn)速太快可能會導致好的的土壤狀況，作物比以前得到生長更好和更少的環(huán)境問題，如水土流失良好。農(nóng)民需要根據(jù)對作物和土壤條件的設定選擇最佳的齒輪，而不僅只考慮效率。
致謝
該研究項目得到了韓國食品部農(nóng)業(yè)--林漁業(yè)生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)項目的大力支持。
多功能甘蔗中耕田管機改進設計
目 錄
目錄 1
中文摘要 3
Abstract 3
第1章 緒論 4
1.1 可行性分析 4
1.2 研究開發(fā)的內(nèi)容、方法、技術(shù)路線 4
1. 3 項目的特色和創(chuàng)新之處 4
1. 4 擬定技術(shù)路線以及工藝流程 5
第2章 軟件簡介 6
2.1 CAD技術(shù)應用概況 6
2.2 Pro/E簡介 6
2.3 AutoCAD簡介 7
第3章 總體機構(gòu)的設計 8
3. 1 行走機構(gòu)的設計 8
3. 2 整地機構(gòu)的設計 8
3．2．1 鏵的選擇與計算 8
3．2．2 中耕追肥機的選擇與計算 9
3．2．3 懸掛機構(gòu)的選擇 11
3．2．4 施肥工具的選擇與計算 11
3．2．5 發(fā)動機的選擇與布局 13
3．2．6重量參數(shù) 13
3．2．7 整體布局 13
第4章 主要零部件的設計 15
4．1 結(jié)構(gòu)參數(shù) 15
4．1．1 履帶拖拉機的履帶接地長度與寬度 15
4．1．2 軌距 15
4．1． 3 間隙 15
4．1．4 整機參數(shù)-------------------------------------------------------------------15
4．1．5 拖拉拖機基本性能的計算----------------------------------------------16
4．1．6 穩(wěn)定性的計算-------------------------------------------------------------17
4. 2 行走機構(gòu)零件的設計 18
4．2．1履帶的總體結(jié)構(gòu) 18
4．2．2驅(qū)動輪的設計 19
4．2．3履帶的選擇 19
4．2．4支重輪和托輪 20
4．2．5張緊輪和張緊緩沖裝置的設計 21
4．2．6犁的結(jié)構(gòu)設計 22
4．2．7液壓元件的選擇 22
總 結(jié) 24
鳴 謝 24
參考文獻 25
整機三維圖 26
中文摘要
本文是關(guān)于甘蔗中耕田管機的改進設計，其重點是要解決犁溝、除草、施肥、噴藥、培土等一系列農(nóng)藝要求，目的是要實現(xiàn)田管機在整體結(jié)構(gòu)現(xiàn)代化、功能布局合理、重量降低、強度增加，同時使行走機構(gòu)在結(jié)構(gòu)與參數(shù)上更加合理。本設計運用計算機輔助制造設計，分為實體設計和實體加工制造，前者是對目前機器的各重要零部件的改進設計，后者是用Pro/E將零件生成3D實體，并轉(zhuǎn)化為工程圖，進行實際生產(chǎn)。
關(guān)鍵詞：改進設計；實體設計；實體加工；計算機輔助制造設計；Pro/E。
Abstract
This text is an improved design of plowing in the middle age of the sugar cane in the field manage machines, its main point is trying to solve the plough ditch, divided by the grass、apply fertilizer、gush out medicine、turn over the soil and a series of agriculture etc. Its purpose is to realize the machine to be modern in the whole construction, function and layout to be reasonable, lower the weight , increase the strength , and make running organization more reasonable in construction and parameter.This is a design made use of the calculator assistance manufactur :It is divided into the entity design and process entity, the former is about the improved designs for every important spare or part of machine at present, the latter is to creat an entity of the spare parts by PRO/E,then converse the engineering diagram,and proceed the actual production.
Keywords：Improved Design;Entity Design;The Dntity Processes;Design Made Use Of The Calculator Assistance Manufactur;Pro/E.
多功能甘蔗中耕田管機改進設計
機構(gòu)設計制造及其自動化，曾德醒， 2001121533
指導教師：張世亮
第1章 緒論
1.1 可行性分析
新中國成立以來，尤其是進入改革開放新的歷史時期，我國在農(nóng)業(yè)機械的研制開發(fā)和推廣普及方面，進行了艱苦不懈的努力并取得了舉世矚目的成績，大大推動了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進程。黨的十五屆三中全會指出“沒有農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，就沒有整個國民經(jīng)濟的現(xiàn)代化”。農(nóng)業(yè)機械化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標志和技術(shù)支撐點，2004年和2005年黨中央的1號文件都是關(guān)于“三農(nóng)問題”的，可見對三農(nóng)問題的重視。但美中不足的是，全國各農(nóng)業(yè)生產(chǎn)行業(yè)均有相應的生產(chǎn)機械，唯獨甘蔗生產(chǎn)機械的研制與推廣，幾呼還在“零”起點上徘徊。甘蔗生產(chǎn)的種植、中耕田管、收獲等主要環(huán)節(jié)，至今仍然延緩幾千年的手工操作方式，使甘蔗生產(chǎn)成為一個技術(shù)含量不高的落后產(chǎn)業(yè)，拖了中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的后腿。
入世后，我國糖業(yè)市場已經(jīng)成為世界糖市場的重要組成部分，我國糖業(yè)正直接面對競爭激烈的國際糖市，面臨國際糖市低糖價的嚴峻考驗。由于人工生產(chǎn)甘蔗勞動中強度大，工效低，產(chǎn)量低，是甘蔗生產(chǎn)成本居高不下的主要原因，而甘蔗成本占了我國制糖總成本的比例高達70%，削弱了我國糖業(yè)在國際市場上的競爭力。
可以說，解決甘蔗生產(chǎn)勞動力不足，勞動強度大，成本高，產(chǎn)量低蔗農(nóng)收入低等一系列問題，一個最有效的辦法就是發(fā)展甘蔗機械化生產(chǎn)。從上述分析不難看出，甘蔗生產(chǎn)機械化水平低，已經(jīng)成為制約我國制糖業(yè)實現(xiàn)跨越式發(fā)展、較好地實現(xiàn)與國際市場接軌的瓶頸，只有突破這個瓶頸，中國制糖業(yè)才能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化規(guī)模經(jīng)營；而只有實現(xiàn)機械化、產(chǎn)化規(guī)模經(jīng)營，才能大提高勞動生產(chǎn)率，改善甘蔗生產(chǎn)條件，降低甘蔗生產(chǎn)成本，提高國際競爭力。因此，開發(fā)研制和推廣應用技術(shù)更加先進、功能更加齊全的甘蔗機械及其配套技術(shù)，以滿足甘蔗生產(chǎn)發(fā)展的需要，就成了當前中國制糖業(yè)是不我待的具有劃時代意義的關(guān)鍵性任務。
1. 2 研究開發(fā)的內(nèi)容、方法、技術(shù)路線
本項目擬研制主要生產(chǎn)區(qū)地處南部丘陵地區(qū)，種植環(huán)境較復雜，因此要解決好中耕田管機行走問題；由于甘蔗在不同生長階段其蔗干的高度也不相同，其高度變化很大，中耕在在結(jié)構(gòu)上要解決好這一難題，且整機的結(jié)構(gòu)合理；根據(jù)不同生長時期中耕農(nóng)藝作業(yè)的不同要求，中耕機要完成松土、除草、培土固根、回土、下肥、噴除草劑等多道工序，故解決如何能準確、協(xié)調(diào)地一次性完成所有工序；需要解決國外中耕成本高、轉(zhuǎn)彎半徑大的難題。
1. 3 項目的特色和創(chuàng)新之處
（1）整機將按照功能聯(lián)合、結(jié)構(gòu)組合、性能綜合的技術(shù)思路進行設計，能一次性地完成兩行甘蔗的中耕作業(yè)，作業(yè)效率高，完全合適這國甘蔗種植環(huán)境和符合農(nóng)藝要求。
（2）創(chuàng)新設計的拱形機架傳動結(jié)構(gòu)，整機跨過1.5米高的甘蔗進行中耕田管作業(yè)。
（3）采用自行式設計方案，行走裝置采用橡膠履帶，使轉(zhuǎn)彎靈活、半徑小，對地面壓力小，不易使土壤板結(jié)，適合各種土壤條件作業(yè)，且可在公路上行駛，轉(zhuǎn)移方便。
（4）將多種田管作業(yè)功能整合為一體，使得整機的結(jié)構(gòu)緊湊合理，一機多能，滿足甘蔗各生長階段的田管作業(yè)要求。
1.4 技術(shù)路線以及工藝流程
多功能甘蔗中耕田管機要能具有在濕滑、泥濘、松軟的甘蔗地中牽引行駛，跨越0~1.3米蔗干進行相關(guān)中耕田管作業(yè)功能要求。由于目前國內(nèi)外沒有實際使用的成熟的專用產(chǎn)品可以借鑒，因此本研究項目的總體技術(shù)路線為：在進行充分調(diào)研、蔗田試驗已經(jīng)獲得本項目的基本技術(shù)數(shù)據(jù)和農(nóng)藝要求的基礎(chǔ)上，吸收國內(nèi)外甘蔗機械相關(guān)技術(shù)特長，按照功能聯(lián)合，結(jié)構(gòu)組合、性能綜合的技術(shù)路，采用整機機電一體化履帶行走式的技術(shù)方案，利用Pro/E、AutoCAD等先進設計軟件進行設計和研制。
第2章 軟件簡介
2. 1 CAD技術(shù)應用概況
CAD/CAM(計算機輔助設計及制造)技術(shù)產(chǎn)生于本世紀50年代后期發(fā)達國家的航空和軍事工業(yè)中，隨著計算機軟硬件技術(shù)和計算機圖形學技術(shù)的發(fā)展而迅速成長起來。1989年美國國家工程科學院將CAD/CAM技術(shù)評為當代(1964-1989)十項最杰出的工程技術(shù)成就之一。三十幾年來CAD技術(shù)和系統(tǒng)有了飛速的發(fā)展，CAD/CAM的應用迅速普及。在工業(yè)發(fā)達國家，CAD/CAM技術(shù)的應用已迅速從軍事工業(yè)向民用工業(yè)擴展，由大型企業(yè)向中小企業(yè)推廣，由高技術(shù)領(lǐng)域的應用向日用家電、輕工產(chǎn)品的設計和制造中普及。而且這一技術(shù)正在從發(fā)達國家"流向"發(fā)展中國家。
CAD是一個包括范圍很廣的概念，概括來說，CAD的設計對象有兩大類，一類是機械、電氣、電子、輕工和紡織產(chǎn)品；另一類是工程設計產(chǎn)品，即工程建筑，國外簡稱AEC(Architecture、Engineering和Construction)。而如今，CAD技術(shù)的應用范圍已經(jīng)延伸到藝術(shù)、電影、動畫、廣告和娛樂等領(lǐng)域，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟及社會效益，有著廣泛的應用前景。
CAD在機械制造行業(yè)的應用最早，也最為廣泛。采用CAD技術(shù)進行產(chǎn)品設計不但可以使設計人員"甩掉圖板"，更新傳統(tǒng)的設計思想，實現(xiàn)設計自動化，降低產(chǎn)品的成本，提高企業(yè)及其產(chǎn)品在市場上的競爭能力；還可以使企業(yè)由原來的串行式作業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿凶鳂I(yè)，建立一種全新的設計和生產(chǎn)技術(shù)管理體制，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高勞動生產(chǎn)率。如今世界各大航空、航天及汽車等制造業(yè)巨頭不但廣泛采用CAD/CAM技術(shù)進行產(chǎn)品設計，而且投入大量的人力物力及資金進行CAD/CAM軟件的開發(fā)，以保持自己技術(shù)上的領(lǐng)先地位和國際市場上的優(yōu)勢。
計算機輔助建筑設計(ComputerAidedArchitectureDesign，簡稱CAAD)是CAD在建筑方面的應用，它為建筑設計帶來了一場真正的革命。隨著CAAD軟件從最初的二維通用繪圖軟件發(fā)展到如今的三維建筑模型軟件，CAAD技術(shù)已開始被廣為采用，這不但可以提高設計質(zhì)量，縮短工程周期，還可以節(jié)約2%至5%的建設投資，而近幾年來我國每年的基本建設投資都有幾千億元之多，如果全國大小近萬個工程設計單位都采用CAD技術(shù)，則可以大大提高基本建設的投資效益。
CAD技術(shù)還被用于輕紡及服裝行業(yè)中。以前我國紡織品及服裝的花樣設計、圖案的協(xié)調(diào)、色彩的變化、圖案的分色、描稿及配色等均由人工完成，速度慢、效率低，而目前國際市場上對紡織品及服裝的要求是批量小、花色多、質(zhì)量高、交貨要迅速，這使得我國紡織產(chǎn)品在國際市場上的競爭力不強。采用CAD技術(shù)以后，大大加快了我國紡織及服裝企業(yè)走向國際市場的步伐。
近十年來，在CIMS工程和CAD應用工程的推動下，我國計算機輔助設計技術(shù)應用越來越普遍，越來越多的設計單位和企業(yè)采用這一技術(shù)來提高設計效率、產(chǎn)品質(zhì)量和改善勞動條件。目前，我國從國外引進的CAD軟件有好幾十種，國內(nèi)的一些科研機構(gòu)、高校和軟件公司也都立足于國內(nèi)，開發(fā)出了自己的CAD軟件，并投放市場，我國的CAD技術(shù)應用呈現(xiàn)出一片欣欣向榮的景象。
2. 2 Pro/E簡介
Pro/E（Pro/Engineer）是由PTC參數(shù)技術(shù)公司推出，是國際上最先也是最成熟使用的參數(shù)化的特征造型技術(shù)的大型CAD/CAM集成軟件。
Pro/E包括三維實體造型、裝配模擬、加工仿真NC自動編程、板金設計、電路布線、裝配管路設計等專用模塊，ID反求、CE并行工程等先進的設計方法和模式。其主要特點是參數(shù)化的特征造型；統(tǒng)一的能使各模塊集成起來的數(shù)據(jù)庫；設計、設計修改的關(guān)聯(lián)性，即一處修改，別的模塊中相應的圖形或數(shù)據(jù)也會自動更新。它的性能優(yōu)良、功能強大，是一套可以應用于工業(yè)設計、機械設計、功能仿真、制造和管理等眾多領(lǐng)域的工程自動化軟件包。Pro/E自1988年問世以來，20多年來已成為全世界最普及的3D CAD/CAM系統(tǒng)。Pro/E在今日儼然已成為3D CAD/CAM系統(tǒng)的標準軟件，廣泛應用于電子、機械、模具、工業(yè)設計、汽車、自行車、航天工業(yè)、家電、玩具等各行業(yè)。Pro/E可謂是全方位的3D CAD/CAM系統(tǒng)的標準軟件，集成了零件設計、產(chǎn)品裝配、模具開發(fā)、NC加工、機構(gòu)模擬、應力分析、鈑金件設計、鑄造設計、造型設計、逆向工程、自動測量、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等功能于一體，其模塊眾多。Pro/E是一套由設計至生產(chǎn)的機械自動化軟件，是新一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個參數(shù)化、基于特征的實體造型系統(tǒng)，并且有單一數(shù)據(jù)庫功能。
2. 3 AutoCAD簡介
AutoCAD系統(tǒng)是美國Autodesk公司為微機開發(fā)的一個交互式繪圖軟件，它基本上是一個二維工程繪圖軟件，具有較強的繪圖、編輯、剖面線和圖案繪制、尺寸標注以及方便用戶的二次開發(fā)功能，也具有部分的三維作圖造型功能。它是目前世界上應用最廣的CAD軟件，占整個世界個人微機CAD/CAE/CAM軟件市場的37%左右，是諸多微機CAD軟件的佼佼者，把其他微機CAD軟件，如Cadkey、EagleCAD、CAD-Plan等等遠遠地拋在后面。如今AutoCAD已經(jīng)推出了R14版本，并且有中文化的最新版本面市。
MDT(MechanicalDesktop)是Autodesk公司在機械行業(yè)推出的基于參數(shù)化特征實體造型和曲面造型的微機CAD/CAM軟件，據(jù)稱目前已經(jīng)裝機2萬余套，MDT的用戶主要有：中國一汽集團、荷蘭菲利浦公司、德國西門子公司、日本東芝公司、美國休斯公司等等。
第3章 總體機構(gòu)的設計
3. 1 行走機構(gòu)的設計
3.1.1 行走機構(gòu)的選擇
農(nóng)用拖拉機的行走方式有輪式和履帶式兩種。
兩者相比，履帶附著力大。在旱田茬地的附著系數(shù)為0。7~0。85；滑轉(zhuǎn)損失小，一般滑轉(zhuǎn)率為3~7%，牽引效率可達70%~80%，平均接地壓力較低（35~50千帕），因而對土壤的壓實作用小，通用性能好，重心低，穩(wěn)定性好。因此，農(nóng)業(yè)履帶式拖拉機適用于耕地，開荒，農(nóng)用建設，低濕地和沼澤上重負荷作業(yè)及坡地作業(yè)。但履帶式拖拉機不能在公路上進行運輸作業(yè)，不便長距離轉(zhuǎn)移。
由于甘蔗種植地多在旱地上，綜合以上優(yōu)缺點，現(xiàn)選擇履帶式行走機構(gòu)。
3.1.2 行走機構(gòu)的組成
行走機構(gòu)由履帶，驅(qū)動輪，支重輪，托輪，張緊輪和張緊緩沖裝置組成。
3.1.3 履帶的選擇
履帶分為金屬履帶和金屬橡膠履帶兩種，現(xiàn)應用最廣泛的是金屬履帶。它又分為組合式和整體式。
組合式履帶的優(yōu)點是剛度大，使用壽命長，可隨時更換不同形式的履帶；缺點是重量大，拆裝不便。
整體式履帶的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，拆裝方便；缺點是壽命較短。
考慮到成本，綜合以上的分析，選用整體式履帶。
3. 2 整地機構(gòu)的設計
3.2.1 鏵的選擇與計算
3.2.1.1 培土鏵的選擇與計算
由于中耕機要施肥及培土，現(xiàn)就培土工序作出選擇。
鏵式犁是目前應用最廣泛的農(nóng)耕機具，用它可將田地表面的殘株雜草及施于地表的肥料翻埋至土層中，耕后土壤碎裂疏松。
現(xiàn)選取鏵式培土犁作為培土農(nóng)具，并進行計算。
現(xiàn)設計該鏵的耕幅b為35mm；
設計耕深a為27mm；
適用耕深范圍為21~30mm；
犁體曲面上的工件阻力Rx的計算：
Rx= kgf
其中，為犁的效率，取0.7~0.85,牽引犁用小值，懸掛犁用大值?，F(xiàn)設計為懸掛犁，取0.85。
由《機械工程手冊》12卷表70.2—1，取k=0.4。
所以 Rx==0.85*0.4*27*35=321 kgf
3.2.1.2 中耕追肥機的選擇與計算
作物行間采用機械中耕追肥，可以提高勞動生產(chǎn)率，深中耕，高培土，深施肥，實現(xiàn)人畜力無法達到的良好作業(yè)質(zhì)量且管理及時，試驗表明，用機具在地表下10厘米左右深施化肥與地表撒施相比，可提高肥效30%~50%。
中耕追肥機分為通用型中耕追肥機，通用機架播種追肥機，經(jīng)濟作物專用中耕追肥機等。其工作原理可分為鏟式和旋轉(zhuǎn)式。
考慮到經(jīng)濟性，選用鏟式通用型中耕追肥機，并進行計算。
現(xiàn)設計該鏵的耕幅b為10mm
設計耕深a為10mm;
適用耕深范圍為5~15mm;
犁體曲面上的工件阻力Rx的計算：
Rx= kgf
其中，為犁的效率，取0.7~0.85,牽引犁用小值，懸掛犁用大值?，F(xiàn)設計為懸掛犁，取0.85
由《機械工程手冊》12卷表70.2—1，取k=0.4
所以，Rx==0.85*0.4*10*10=34 kgf
3.2.2 懸掛機構(gòu)的選擇
鏵的掛接方式可分為4類。
3.2.2.1 直接掛接犁
借牽引器用提環(huán)插銷直接掛拉在手扶拖拉機的掛接框內(nèi)。
3.2.2.2 牽引犁
通過牽引裝置與拖拉機單點掛接。主要由犁體、圓犁刀、小前犁等工作部件與牽引裝置、行走裝置、犁架、起落機構(gòu)和調(diào)節(jié)機構(gòu)等輔助部件兩大部件所組成。犁的升降由起落機構(gòu)控制，空行時，犁的重量全由犁輪支承。
3.2.2.3 懸掛犁
由拖拉機的液壓懸掛機構(gòu)將犁和拖拉機連接。運輸時犁的重量全部由拖拉機承擔，工作時由液壓懸掛機構(gòu)控制犁的起落和耕深，可省去起落調(diào)節(jié)機構(gòu)和行走輪等部件。因此，懸掛犁的結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，較相同耕幅的牽引犁輕30%~50%；金屬消耗量少，成本低；工作時空行少，地頭小，生產(chǎn)率比牽引犁約高10%；對拖拉機驅(qū)動輪的增重較大，有利于拖拉機功率的充分發(fā)揮；轉(zhuǎn)彎半徑小，機動性好，操作方便，機組能倒退，可用于小塊地耕作；不需農(nóng)具手，節(jié)省勞動力。近年來國內(nèi)外懸掛犁的應用日益廣泛。
3.2.2.4 半懸掛犁
適用于與大馬力拖拉機配套，是介于懸掛犁 和牽引犁之間的一種寬幅多鏵，前端與拖拉機的液壓懸掛機構(gòu)連接，后端有尾輪和尾輪液壓起落機構(gòu)。工作時犁的升降和耕深，均由拖拉機的液壓懸掛機構(gòu)和尾輪液壓起落機構(gòu)控制；運輸時犁的重量由拖拉機和犁的尾部共同支承。半懸掛犁兼有牽引犁和懸掛犁的一些優(yōu)點，比牽引犁結(jié)構(gòu)簡單，重量減輕約30%，機動性好。因尾輪承受犁的部分重量，比懸掛犁縱向穩(wěn)定性好，耕深較穩(wěn)定，運輸時可減輕拖拉機的翹頭傾向，并可使犁鏵數(shù)、犁身長度和工作幅寬不受機組縱向穩(wěn)定性的限制。
考慮到經(jīng)濟性與實際生產(chǎn)，采用三點懸掛犁，轉(zhuǎn)向時可用液壓裝置提高犁架來進行作業(yè)。
3.2.3 施肥工具的選擇與計算
施化肥的方式有三：一是將化肥撒在地表，用耙翻入土中；二是在播種的同時施肥，作種肥用；三是中耕同時追肥。后兩種在我國應用較廣。我國現(xiàn)有各種化肥排肥器均適于排粒狀化肥而不適于排粉狀化肥，特別是在它吸濕以后。
目前使用的化肥排肥器種類很多，常用有外槽輪式、轉(zhuǎn)盤式、螺旋式、星輪式和振動式等幾種。
3.2.3.1 外槽輪式排肥器
它適用于排松散性好的粒肥。排粉狀及潮濕的化肥時，易出現(xiàn)架空和斷條等現(xiàn)象，且槽輪易被肥料粘附而堵塞，失去排肥能力。有時困化肥粉末進入阻塞套與外槽輪之間和內(nèi)齒形擋圈與排肥杯之間，使傳動阻力急增而損壞傳動機構(gòu)，故現(xiàn)在生產(chǎn)的播種施肥機上己很少采用外槽輪式排肥器。
3.2.3.2 轉(zhuǎn)盤式排肥器
它在肥料筒的底部有一轉(zhuǎn)動的輸肥盤，其上裝有撒肥 輪。當輸肥圓盤轉(zhuǎn)動時，肥料經(jīng)調(diào)節(jié)門由分配器分成兩部分，一部分由撒肥輪將肥料送入漏斗，另一部分在導引板的引導下由撒肥輪將肥料送入漏斗。這種排肥器結(jié)構(gòu)復雜，重量大，適用于排松散性較好的粒肥或粉狀化肥，常用在中耕追肥機上。
3.2.3.3 螺旋式排肥器
它主要的工作部件是排肥螺旋。常用的排肥螺旋有葉片工、中空葉片式和鋼絲彈簧式。排肥量由排肥口的插板控制。這種排肥器可以施化肥和有機肥，施肥量大。施潮濕肥料易架空，同時葉片上因粘滿肥料而失去推送作用。中空式螺旋葉片排肥器能把多余的肥料留待下一螺距輸送，使壓實肥料的作用減輕，施肥均勻。
3.2.3.4 星輪式排肥器
我國系列設計條播機的排肥器，結(jié)構(gòu)簡單，適用于排施粒狀和干燥粉狀化肥。
3.2.3.5 振動式排肥器
它主要由肥箱、振動板、調(diào)節(jié)板和振動凸輪等組成。工作時，凸輪使振動板不斷振動，化肥在箱內(nèi)因振動產(chǎn)生由下到上不斷循環(huán)地滾動，克服了化肥顆粒間的粘結(jié)力，消除架空而呈松散狀態(tài)。在重力作用下，肥料沿振動板斜面下滑，經(jīng)過排肥口排出。
現(xiàn)設計施肥器中的肥料為粒狀的，料斗現(xiàn)已在市場大量生產(chǎn)，可采購而得。
選擇螺旋式排肥器作為施肥工具，并進行設計。
其具體的三維結(jié)構(gòu)如圖3-1。
圖3-1 螺旋式排肥器
此追肥裝置能夠自動完成肥料的施放與拌勻。
其工作原理為：
液壓馬達帶動渦桿旋轉(zhuǎn)，通過渦輪的配合把動力傳送到十字轉(zhuǎn)軸上，由轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)把肥料調(diào)勻。
3.2.4 發(fā)動機的選擇與布局
發(fā)動機是拖拉機的心臟部分，其位置設計將影響到整個機構(gòu)的工作，因此，要求合理地布置其位置，發(fā)揮最大的作用。
由于發(fā)動機重量大，應將其放置在履帶上，使它的全部重量都落在履帶上，從而減少對拖拉機框架的壓力變形。
因此，設計時將發(fā)動機與駕駛室分別放置在兩條履帶上，以使機構(gòu)的重心居中，達到平衡的目的。
拖拉機所需額定牽引力的確定。
額定牽引力為拖拉機以基本犁耕速度、驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率在規(guī)定值或發(fā)動機于標定工況下工作時，所能發(fā)出的最大牽引力。
為保持拖拉機在較高牽引效率范圍內(nèi)使用，延長行走機構(gòu)壽命、減少對土壤的破壞，通常規(guī)定拖拉機正常工作時驅(qū)動輪滑轉(zhuǎn)率不應超過7%。
確定拖拉機的，是由該拖拉機配帶主要的配套機具、在常遇重要條件下正常工作時的平均牽引阻力來確定的，并考慮因工作條件和農(nóng)具性能變化所引起的阻力變化而留有10~20%的儲備，即=(1.1~1.2) 。
對農(nóng)業(yè)拖拉機，犁耕是最基本而又繁重的作業(yè)，牽引力的確定首先應滿足犁耕作業(yè)要求。犁耕作業(yè)所需的拖拉機牽引力為：
= kgf
式中 z——犁鏵數(shù) z=2*2=4；
——單體犁鏵寬度=35 cm =10 cm；
——耕深 =27cm =10 cm；
k——土壤比阻 k=0.4 kgf/cm2；
所以，==4*35*27*0.4+4*10*10*0.4=1512+160=1672 kgf
=(1.1~1.2) =1.2*1672=2006.4 kgf
農(nóng)用拖拉機發(fā)動機的功率Ne，由在基本耕作檔下發(fā)揮出的額定牽引力來確定，按下式計算：
Ne=
式中，——基本耕作檔發(fā)揮出額定牽引力的實際速度 km/h;現(xiàn)取=5km/h;
——牽引效率。取=0.7
所以，Ne===53 PS=40 kw
考慮到拖拉機有油泵，液壓馬達，液壓缸，換向閥等元件的功率消耗，適當選取較大的發(fā)動機。
選擇發(fā)動機功率為50kw,型號為CZ4102Q,其參數(shù)如表3-1。
表3-1 發(fā)動機的選擇
3.2.5 拖拉機總體布局
與輪式拖拉機比較，履帶式拖拉機總體布置的顯著特點是履帶行走裝置的布置。臺車架同機體連接方式和位置的布置對整機影響很大，因此，整機和行走裝置的布置應密切配合進行。
機架的型式的對整機布置及部件設計均有很大的影響獨立型履帶拖拉機常用半架式機架。半架式機架由后橋梁殼及縱橫梁組成，剛性較好。
為使重心前移，將發(fā)動機偏前布置或在前端掛配重時，應使拖拉機的接近角不小于30度，且不妨礙前部配套機具。
在履帶變形設計時應加強有關(guān)薄弱環(huán)節(jié)，同時應在保證強度足夠的條件下限制整機重量的增加，以保證使用耐久性。
3.2.6 重量參數(shù)
結(jié)構(gòu)重量： =35~70kgf/PS=40*53=2120 kg
最少使用重量： =（1+6~11%）*=110%*2120=2332 kgf
最大使用重量： =1.5=1.5*2006.4=3009 kgf
3.2.7 整體布局
綜上所述，設計出拖拉機的總體布局如圖3-2 。
圖3-2 拖拉機布局圖
第4章 主要零部件的設計
4.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)
4.1.1 履帶拖拉機的履帶接地長度與寬度
履帶接地長度和履帶寬度b，主要是根據(jù)接地比壓及拖拉機的穩(wěn)定性和牽引附著性能的要求選取。其間存在下列關(guān)系：
= cm
的大小影響拖拉機的通過性及牽引力的發(fā)揮。中耕用的履帶拖拉機的>=0.6kgf/cm2,現(xiàn)取=0.6kgf/cm2.
履帶的與b的合理配合，對提高拖拉機的牽引附著性能有較大影響。窄而長的履帶，滾動阻力小，在一般地面上有較好的牽引附著性能，但轉(zhuǎn)向阻力矩較大。B/值一般為0.13~0.16,現(xiàn)取B/=0.15。
因此 ===130 cm
4.1.2 軌距
用于中耕作業(yè)的拖拉機，其軌距應與作物的壟距相適應，并不小于10~20cm寬的保護帶?，F(xiàn)取軌距為40cm。
4.1.3 離地間隙
拖拉機的最小離地間隙主要取決于農(nóng)藝和通過性要求，應保證穩(wěn)定性的前提下盡可能提高，一般用途中小型履帶拖拉機的最小離地間隙為20~30cm,現(xiàn)設計為26cm。
4.1.4 整機參數(shù)
型號 XXX
主要用途 農(nóng)用
發(fā)動機 型號 CZ4102Q
標定功率 kw 52
標定轉(zhuǎn)速 r/min 2800
理論速度 前進 m/h 5~12
后退 m/h 5~12
結(jié)構(gòu)重量 kgf 2120
最小使用重量 kgf 2332
履帶板寬 mm 390
接地比壓 kgf/cm2 0.593
軌距 mm 400
最小離地間隙 mm 260
外形尺寸 長 mm 3300
寬 mm 1600
高 mm 2150
4.1.5 拖拉拖機基本性能的計算
4.1.5.1 拖拉機的驅(qū)動力
= kgf
式中： ——發(fā)動機的扭矩，由于拖拉機的驅(qū)動元件是由所選擇的液壓馬達驅(qū)動，應選取馬達的扭矩進行計算，取 =710kgf.m；
——拖拉機各檔總傳動比，取=1；
——拖拉機各檔總傳動效率，取=1；
——驅(qū)動輪動力半徑，取=0.3m；
——履帶拖拉機履帶驅(qū)動段效率，計算時一般取=0.95。
所以 ===2248 kgf
4.1.5.2 拖拉機的滾動阻力
=f kgf
式中：——拖拉機的使用重量,取為2332 kgf；
f——拖拉機的接地摩擦系數(shù)，取為0.1。
因此 =f=0.1*2332=233kgf
4.1.5.3 拖拉機的牽引力
=-=2248-233=2015 kgf
4.1.5.4 拖拉機的牽引功率
= PS==37 PS
4.1.5.5 拖拉機的牽引比油耗
= gf/PS.h
式中：——發(fā)動機的燃油消耗量，取為13.78 kgf/h
所以 ===382.78 gf/PS.h
4.1.5.6 拖拉機的牽引附著重量
==2332 kgf
4.1.5.7 拖拉機的附著力
= kgf
式中：——附著系數(shù)，取為0.75。
所以 ==0.75*2332=1749 kgf
4.1.6 穩(wěn)定性的計算
4.1.6.1最小轉(zhuǎn)向半徑
按拖拉機的寬度設計，=1.3m。
4.1.6.2上坡極限翻傾角
=arctg deg
式中： ——履帶最最后一個支重輪至驅(qū)動輪軸水平距離，取為300mm；
a——驅(qū)動輪到履帶支重輪的水平距離，取為800mm；
l——拖拉機的重心高度，取為600mm。
所以 =arctg=arctg=40°
4.1.6.3 下坡極限翻傾角
=arctg deg
式中： l——履帶最前和最后支重輪距，取為1300mm。
所以 =arctg=arctg=18°
4.1.6.4 橫向極限翻傾角
=arctg
式中：B——拖拉機的軌距，取為400mm.
b——履帶寬度，取為390mm.
e——重心到中截面的距離，取為10mm.
所以 =arctg=arctg=34°
4.1.6.5 下滑臨界坡度角
拖拉機能在坡道上制動住而不下滑的最大坡度角為其下滑臨界角落（上坡時）、（下坡時）、（側(cè)滑時）分別用下式計算：
==arctg deg
deg
式中：——最大附著系數(shù)，履帶式取1.0；
——橫向最大附著系數(shù)，一般可取==1.0。
所以 ==arctg=arctg1.0=45°
=arctg=arctg1.0=45°
4.2 行走機構(gòu)零件的設計
4.2.1 履帶的總體結(jié)構(gòu)
圖4-1 拖拉機行走系
此結(jié)構(gòu)為平衡臺車行走系結(jié)構(gòu)，它每側(cè)兩個或兩個以上支重輪彼此用平衡杠桿。支重輪直徑一般較大，在硬地面滾動阻力小，非彈簧支承重量小，適用于工作速度較 高 的拖拉機。對不平地面適應性較好，在泥雪中自潔性能較好，也可用于某些專用的林業(yè)、沼 地，雪地拖拉機。其重量較輕，成本低行駛平順性較好。
4.2.2 驅(qū)動輪的設計
絕大多數(shù)拖拉機驅(qū)動輪后置，張緊輪在前，使緊邊履帶距離短，減少了履帶的磨損，提高了行走系效率。同時，驅(qū)動輪后置可使傳動系靠后布置，通常駕駛座應靠近變速桿，也隨著布置在拖拉機的后部，便于拖拉機總體布置。
驅(qū)動輪主要的設計要求是減少輪齒的磨損和保證在履帶節(jié)距允許伸長范圍內(nèi)嚙合平穩(wěn)。
為便于修理，齒圈和輪轂分別制造，用螺栓連接。
驅(qū)動輪常用45、45Mn、50Mn鑄造，齒面淬火?，F(xiàn)選它的材料為45鋼。
驅(qū)動輪齒形有很多種，現(xiàn)采用直線齒形，它齒形簡單，齒頂較厚，齒面形狀易焊補修理。用于不經(jīng)常倒退的農(nóng)業(yè)拖拉機，如昔陽-10、東方紅-20L、東方紅-75等拖拉機上。
驅(qū)動輪節(jié)圓直徑通常為：
mm
式中，Gs為不帶作業(yè)機具的拖拉機使用重量，取為2332kgf。
=75*=520 mm
在綜合考慮拖拉機地隙，履帶后傾角，驅(qū)動輪合適的齒數(shù)范圍和履帶行走裝置結(jié)構(gòu)布置的高度等因素后，確定=520mm。
驅(qū)動輪的傳動軸軸花鍵聯(lián)接，可按簡支梁校核其彎曲強度。
其校核方式與支承輪軸的校核相同，但要考慮到傳動力矩T。
L可取為100mm。
T=Fr==2006*0.52/2/2=261N.m
空心軸內(nèi)外徑之比=,可取為0.6。
==<=[]=60Mpa.
D>=61mm.
將其圓整為65mm,所以，d=0.6*65=39mm,圓整為40mm.
軸承型號為61913。
其內(nèi)徑為65mm；外徑為90mm。
根據(jù)所設計的尺寸確定出軸的尺寸, 分別畫出它們的零件圖以及裝配圖。
4.2.3 履帶的選擇
整體式履帶，只采用剛度較大的節(jié)齒式，部分履帶節(jié)距t拖拉機重量有以下關(guān)系：
t=(17.5~23) mm
農(nóng)業(yè)拖拉機為使接地壓力均勻，t取得大些。選擇t時尚需要注意和系列中相鄰機型的通用性。
t=(17.5~23)=20*=138 mm
除保證附著等性能外，目前一般履帶主要的設計要求是提高壽命。
整體式履帶板常用ZGMn13（高錳鋼）制造，水中淬火成奧氏體鋼，硬度為HB156~229。因易冷作硬化，銷孔一般不加工。在使用中節(jié)銷等處受擠壓而硬化。整體履帶板也可用35Mn,35SiMn,35CrMn2或球墨鑄鐵制造。
目前履帶主要損壞原因是磨損，所以設計時需驗算履帶銷、銷套和履帶節(jié)等零件磨磨損損部位的比壓和接觸應力。
驗算從略（可參考《機械工程手冊》12卷70-123頁）
4.2.4 支重輪和托輪
支重輪主要的設計要求是提高各磨損零件的壽命和保證密封可靠、潤滑良好。
支重輪一般是鑄鋼或鑄鋼件，材料為50Mn、55SiMn、輪緣表面淬火硬度為HRC53~60，淬硬層深不小于4mm?，F(xiàn)選為55Mn。
支重輪軸固定在輪上，跟隨著輪的轉(zhuǎn)動，按懸臂梁核算在垂直載荷作用下的彎曲強度。計算工況是拖拉機越過水平橫梁，載荷集中于每側(cè)一個支重輪上，此時
= kgf
所以，===1166 kgf
現(xiàn)選用45調(diào)質(zhì)鋼為軸的設計材料。
考慮到支重輪轉(zhuǎn)速較高，工況不很差，設計它的支承元件為圓錐滾子軸承。
現(xiàn)設計支承軸的大小及長度，聯(lián)系實際，初定軸長為200mm，軸承與支承輪受力點長度為50mm。
畫出軸的受力圖，計算它的彎曲強度：
圖4-2 支重輪軸受力分析
危險處截面彎矩M=
所以，M===Lg=1166*0.05*9.8=571.3N.m
根據(jù)《機構(gòu)設計》第七版，軸的彎曲校核計算，
=<=[]
式中，——軸的計算應力，單位為Mpa;
M——軸所受的彎矩，單位為N.mm;
T——軸所受的扭矩，單位為N.mm;
W——軸的抗彎截面系數(shù)，單位為mm3，計算公式為：
W=
[]——對對稱循環(huán)應力時軸的許用彎曲應力，[]=60Mpa.
所以 ==<=60Mpa
計算可得，d>=46mm。
將外徑圓整為d=50mm。
初選圓錐滾子的型號：32010。
其內(nèi)徑為50mm；外徑為80mm。
軸承的破壞一般為基本額定壽命的失效，現(xiàn)設計為短期或間斷使用的機械，中斷使用不致引起嚴重后果。其預期壽命為3000~8000h.
根據(jù)所設計的尺寸確定出軸的尺寸，支承輪的尺寸，分別畫出它們的零件圖以及裝配圖。
4.2.5 張緊輪和張緊緩沖裝置的設計
張緊輪和張緊緩沖裝置主要的設計要求是保證履帶行走裝置的張緊和緩沖性能。
張緊輪須前后移動以張緊履帶和緩和沖擊，移動方式為移動式。
張緊輪軸按拖拉機在平地倒退或急轉(zhuǎn)彎，履帶所能傳遞的最大驅(qū)動力作用在張緊輪上計算，一個張緊輪的計算載荷：
P≈2= kgf
按簡支梁計算軸的彎曲應力，
軸的材料為45調(diào)質(zhì)鋼。L設計為100mm。軸的最小直徑如上計算支承輪軸時的方法相同，
計算可得，D>=58mm
將外徑圓整為D=60mm.
軸承型號為61912。
其內(nèi)徑為60mm；外徑為85mm。
張緊緩沖裝置由張緊裝置的緩沖裝置組成；張緊裝置用來調(diào)節(jié)履帶的張緊度，現(xiàn)設計為螺桿調(diào)節(jié)張緊；緩沖裝置用來緩和張緊輪所受的沖擊力和防止石塊等卡入履帶而引起行走系零件的過載， 對大多數(shù)拖拉機采用前置滑動式張緊輪緩沖裝置。
根據(jù)所設計的尺寸確定出軸的尺寸，張緊輪和張緊緩沖裝置的尺寸，分別畫出它們的零件圖以及裝配圖。
4.2.6 犁的結(jié)構(gòu)設計
各種犁鏵可以在市場上直接購買。
現(xiàn)設計其結(jié)構(gòu)簡圖如圖4-3。
圖4-3 犁鏵結(jié)構(gòu)簡圖
所有活動件采用銷釘聯(lián)接，它們應滿足剪切強度條件，
=
式中：F--銷釘所受的工作剪力，單位為N；
--銷釘剪切面的直徑，單位為mm；
[]--銷釘材料的許用切應力，單位為Mpa。
培土犁的剪切應力最大，現(xiàn)設計其銷釘直徑的大小。
銷釘材料一般用45鋼，熱處理硬度28～38HRC, []=80Mpa.
=<=[]=80Mpa
<=80MPa
所以，>=23mm,圓整為=25mm.
4.2.7 液壓元件的選擇
液壓馬達的選擇可根據(jù)機構(gòu)的功率選取。
表4-1 液壓馬達的選擇
由表4-1，選擇XQM3—300的液壓馬達。
液壓泵的選取根據(jù)馬達的流量選擇。
表4-2 液壓泵的選取
由表4-2，選擇CBJ30—F10的齒輪泵。
總 結(jié)
歷時三個月的畢業(yè)設計終于接近尾聲，作為大學期間最全面綜合的設計任務，全面檢驗了在大學期間所掌握知識的運用程度，我在這里面找工、面試和自學軟件上花了一定的時間，因此如何合理分配時間成了首要的問題。通過這次設計，我不僅加強了對自己所學知識的鞏固，增強了自學、查閱資料的能力，同時提升了對軟件操作的能力，積累了一定的實戰(zhàn)設計經(jīng)驗；這為即將參加的工作打下了一定的基礎(chǔ)。但是，在設計過程中自己也發(fā)現(xiàn)了很多錯誤和缺點，常常為某個簡單的問題繞了不少彎路。
畢業(yè)設計是大學四年來知識的總結(jié)，是從學校邁入社會的過度階段，是每個大學生必經(jīng)的。畢業(yè)設計使個人的知識得到升華。通過這次畢業(yè)設計，使我懂得了不論做任何課題都是很難一次性成功的，都是經(jīng)過反復的試驗、修改，克服重重困難才能得到正確結(jié)果的。同時，也使我認識到實踐和理論相結(jié)合的重要性。
由于本人的水平有限，本設計錯誤疏漏之處在所難免，請各位老師批評指正。
鳴 謝
本次設計得到張世亮副教授的指導和大力幫助下才得以順利完成，特此感謝他的指導和辛勞；同時也對曾給予我?guī)椭耐瑢W和有關(guān)單位表示感謝！
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中耕田管機三維效果圖：
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