稻田筑埂機的總體設計

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摘 要 設計課題為稻田筑埂機的總體設計，來源于生產實際。本設計主要是為減少人力勞動強度，提高工作效率。設計了一種懸掛式筑埂機，對其結構和原理進行介紹。筑埂機主體由機架、變速箱、推壓埂裝置和旋耕刀等部件組成。筑埂機采用旋耕刀進行取土和推壓圓盤輥鎮(zhèn)壓成埂，實現一機解決取土和筑埂。并解決了筑埂質量參差不齊的問題，保證了筑埂要求，各項農藝技術指標均達到要求。本課題設計新穎，實用性強，操作簡單，具有較大的農機市場前景。 關鍵詞：筑埂機；稻田；懸掛式 Abstract The overall design project for the paddy ridger, from the actual production. This design is mainly to reduce labor intensity, improve work efficiency. A suspension type ridging machine was designed, its structure and principle are presented. Ridger body is composed of a frame, gear box, push ridge device and rotary tillage knife. Ridger to borrow and push disk roller repression into ridge using rotary blade, to achieve a machine to solve the soil and the ridging. And solve the banking problem of uneven quality, ensure the banking requirements, various technical indicators have reached the requirements of agronomy. This topic is novel in design, strong practicability, simple operation, with wide prospect of agricultural market. Keywords: paddy ridger ; paddy field; suspension type 目 錄 摘要 I Abstract II 前言 IV 1 緒論 1 1.1 選題的意義 1 1.2 筑埂的農藝要求 1 1.3 整機結構及其工作原理 1 1.4 拖拉機的選擇 2 2 關鍵部件設計過程 3 2.1 推壓筑埂裝置設計 3 2.2 旋耕集土裝置設計 5 2.3 錐齒輪箱設計 10 2.4 側齒輪傳動箱齒輪的設計與校核 14 2.5 機架 18 2.6 軸承的選擇 18 3 工作前的安裝與調整 20 4 筑埂機使用技術要點 21 5 結論 22 參考文獻 23 致謝 24 附錄 25 III ``` 黑龍江八一農墾大學本科畢業(yè)論文（設計） IV ``` 本科畢業(yè)論文（設計） 前 言 隨著我國農業(yè)快速發(fā)展，勞動力緊張的問題更顯突出。其中，水田的全程機械化作業(yè)，是重點研究的方向。稻田筑埂機應運而生。稻田筑埂機是一種農業(yè)機械，用于稻田的筑埂，方便,快捷，節(jié)省了大量的人力物力，是一個必要的農業(yè)機械。稻田淹灌是把稻田田地劃為田格，在田格四周筑埂，灌溉后會對水層厚度有很好的保持作用，對土壤從上到下的浸潤。筑埂是實現稻田灌溉的關鍵之處，高質量的田埂不但能節(jié)省水資源，減少水的浪費，更重要的是，還可以確保水稻對水分的需要。稻田筑埂是水稻生產過程中的整地環(huán)節(jié)，同時也是水稻生產機械化的重要環(huán)節(jié)。 筑埂機由機架、旋耕集土裝置、推壓筑埂裝置和變速箱等組成。推壓筑埂裝置是由鎖緊螺絲固定在安裝座上，安裝座是由U型螺絲固定在機架上；推壓筑埂裝置是用焊接的方式固定在軸上，軸是通過帶座軸承連接到機架上的。機架上焊接有牽引架。筑埂機是通過牽引架與拖拉機三點懸掛連接。拖拉機向前行駛，筑埂機前頭的旋耕集土裝置首先入土翻耕，將土推向機架中間，進入后面的推壓筑埂裝置的筑埂范圍；將大量的土培植成土埂。推壓筑埂裝置跟著轉動，對土埂進行成型壓實。一次進地，就可以實現筑埂的作業(yè)，筑出的田埂結實規(guī)整，滿足各項農藝要求。 1 緒論 1.1 選題的意義 設計課題為稻田筑埂機的總體設計，來源于生產實際。本設計主要是為減少人力勞動強度，提高工作效率。設計出一種懸掛式稻田筑埂機，對該機械結構和工作原理進行介紹。筑埂機主體由機架、變速箱、推壓埂裝置和旋耕刀組成。 本課題設計新穎，實用性強，操作簡單，具有較大的農機市場前景。 1.2 筑埂的農藝要求 筑埂機所筑田埂高度為250～300 mm，埂底寬度為400～600 mm，埂頂寬度為250～350 mm，坡度系數0.6～0.85，土壤堅實度為80～110kPa，作業(yè)時間為每年4 月中旬或9 月下旬，取土后溝渠深度小于100 mm。 1.3 整機結構及其工作原理 懸掛式稻田筑埂機是一種專門用在稻田筑埂的農業(yè)機具，主要是由推壓筑埂裝置、旋耕集土裝置、傳動系統(tǒng)、機架等構成。其中推壓筑埂裝置、旋耕集土裝置是最主要的工作部件，結構如圖 1-1 所示。 1. 傳動軸 2. 側齒輪箱 3. 萬向節(jié) 4. 推壓筑埂裝置 5. 側齒輪箱 6. 萬向節(jié) 7. 變速箱 8. 旋耕集土裝置 圖 1-1 筑埂機結構簡圖 機架上從前至后依次安裝傳動軸1，變速箱7，通過萬向節(jié)3和6分別與側齒輪傳動箱2和5相連接，4和8分別是筑埂機的主要工作部件推壓筑埂裝置和旋耕集土裝置。 工作時，筑埂機的動力是由拖拉機的動力輸出軸來提供，通過萬向聯軸器與傳動軸相連接，傳動軸也是通過萬向聯軸器來和變速箱相連接，由變速箱通過萬向聯軸器與側齒輪傳動箱連接，從而來帶動旋耕集土裝置和推壓筑埂裝置工作。 筑埂機筑埂一般要經過2 個工序：旋耕集土和推壓筑埂。根據筑埂工序來設計旋耕集土裝置和鎮(zhèn)壓裝置。這2 個工作裝置必須安裝在機架之上，根據工序要求，取土裝置在前，鎮(zhèn)壓裝置在后。筑埂機工作時，旋耕集土裝置將土聚集到推壓筑埂裝置，通過推壓筑埂裝置鎮(zhèn)壓土壤形成田埂。 1.4 拖拉機的選擇 選擇40-80馬力輪式拖拉機TS504四輪驅動。飛動(495大沖程）或江動JD4100發(fā)動機，12小時功率36.8KW，變速箱前進檔8個，倒檔4個，嚙合套換檔，后輪距可調，帶有差速鎖雙作用離合器，力、位調節(jié)提升器、三點式懸掛。一組液壓輸出，全液壓轉向，雙速動力輸出輪胎。 2 關鍵部件設計過程 2.1 推壓筑埂裝置設計 根據農藝要求，田埂高度為250～300 mm，埂底寬度為400～600 mm，埂頂寬度為250～350 mm。工作時，通過盤片和推壓輥壓實土壤成埂。如圖 2-1 所示。 1. 盤片 2. 推壓輥 圖 2-1 推壓筑埂裝置結構圖 推壓筑埂裝置的受力情況如圖 2-2 所示。當推壓筑埂裝置作勻速運動時，在xoy 平面內 平衡方程為 （2-1） （2-2） （2-3） 其中 （2-4） （2-5） (2-6) （2-7） 假設N1=W1，N2=sinθW2，μ1=μ2=1，則將式（2-4）、式（2-5）、式（2-8）、式（2-9） （2-8） （2-9） （2-10） 代入式（2-6）、式（2-7）得 （2-11） （2-12） 根據以上受力分析計算可以確定驅動力矩，完成推壓筑埂裝置的設計。 注：以上各公式中字母所代表參數詳見附錄。 a.xoy 平面受力 b.zoy 平面受力 圖 2-2 推壓筑埂裝置受力分析 2.2 旋耕集土裝置設計 2.2.1 刀輥的結構 圖 2-3 為刀輥結構圖：刀軸是用無縫鋼管制成，刀軸的兩端焊接軸頭，刀軸上焊接刀座，刀座按照螺旋線排列焊接在刀軸上，通過刀座和螺栓來安裝刀片。 1. 左軸頭 2. 攔板 3. 刀座 4. 刀軸套 5. 右軸頭 圖 2-3 刀輥結構示意圖 2.2.2 刀軸轉速選定 在筑埂機勻速工作的情況下，筑埂機所消耗的功率隨著刀軸轉速的增大而增大，比較理想的配合是較低的刀軸轉速和較高的前進速度，這樣功率消耗雖然增加了一些，但與此同時，筑埂的效率也提高了，仍然可以降低單位面積的功率消耗。近幾年來看，刀軸轉速降低的趨勢更為顯著。另外稻田筑埂機的旋耕刀軸轉速一般在200-285r/min范圍內，由于土地的比阻不同，筑埂機的旋耕刀軸轉速也會因此而不同，粘性較大的土地比阻也較大，轉速應該偏低一些。砂性土地的比阻相對較小，轉速可適當偏高一些。為了提高筑埂機的工作效率，減少功率消耗，本設計稻田筑埂機旋耕刀軸轉速選取200r/min。 2.2.3 刀輥軸的選擇與計算 刀輥軸可以選用實心或空心材料制造?？招妮S能夠在較低的重量下傳遞較大的扭矩，而且也可以較好的抵抗扭矩，各方面均可達到工作要求?？招妮S的尺寸應該根據最大傳遞扭矩進行計算，并以扭曲應力來進行驗算。 通常最小截面系數在軸端處鏜過管孔的位置是最小的。（下圖2-4所示的c-c截面） 圖 2-4 軸端c-c截面 扭轉應力按下式計算： 式中 = = —— 當扭曲時，最小的截面系數。 ：為管子的外徑 —— 管的壁厚（——管的內徑） 軸端的花鍵選擇應該根據最大比壓和平均比壓。當材料的硬度HRC＞35時，矩形端面花鍵上的最大比壓應該小于20MPa。 最大比壓按下式計算： 式中 ：為花鍵軸的外徑 ：為花鍵孔的內徑 ：為花鍵的（平均）工作長度 ：花鍵的數量 (1)刀輥軸的設計計算說明 選擇40Cr材料，調質處理， 假設刀輥軸的外徑=100mm。 取內徑=80mm 圓錐滾子軸承的效率為=0.95，心軸上齒輪傳動的效率為=0.98 由=23.98KW =233r/min 得： = ×× = 22.79×0.95×0.98=16.1kw =按最大比壓少于20MPa， 即 ＜20MPa 來設計刀輥軸的直徑。 ==19.86＜20MPa　　 扭曲應力驗算 ： 其中：=（100-80）/2=3 =1.57×78×3=20655.64 ==74.34MPa＜=185MP 故所設計的刀輥軸的直徑滿足要求。 刀輥軸的外徑為：=100mm 刀輥軸的內徑為：=80mm 外花鍵的個數為：N=8 外花鍵的平均工作長度為：=40mm 2.2.4 旋耕刀的設計 彎刀刀刃的設計包括切溝墻的側切刃和切溝底的正切刃兩部分。對于水田工作的稻田筑埂機而言，工作時候最容易發(fā)生的狀況是刀軸纏草，為了使發(fā)生這種情況時候的嚴重程度減小，所以對彎刀的要求會更高。其刃口曲線的要求是：當彎刀工作時,先由側切刃沿著縱向切削土地,并且是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地。這樣的切削過程能夠把草莖壓向未耕地。草莖和殘茬即使沒有被彎刀切斷,也能夠通過刃口曲線的合理形狀使其從端部滑離彎刀,這樣彎刀就不會纏草了，可以順利的切削土壤，進行作業(yè)。 2.2.5 旋耕刀的結構組成 旋耕刀主要由側切面、正切面、過渡面三個部分組成。側切面有切開土垡，隔斷或拋開草莖、殘茬的功能；正切面除切土功能外還具有碎土、翻土和拋土等功能。 2.2.6 側切刃的設計 我們國產的各種彎刀，側切刃均為等距離螺旋線，也稱阿基米德螺線。 其方程為： （2-13） ——螺線起點的極徑（mm）； —螺線極角每增加1弧度，極徑的增量(mm)； —螺線上任意點的極角（rad）； 螺線終點處的極徑： (2-14) 在確定、及 值后可求出值： = （—）/ (2-15) 螺線起點的極徑 是為了避免無刃部分切土。 可由下式求得 = (2-16) 式中：S—— 切土節(jié)距； —— 設計耕深（為本設計中的最大耕深）； —— 彎刀回轉半徑，為了使阻扭矩減小，應該在同時滿足耕深要求和結構許可的條件下，選用較小的尺寸。 根據經驗公式計算出S: =60000 =600002.17(2002.5)=260mm (2-17) 式中 —— 旋耕機的前進速度 取=2.17 —— 刀軸轉速 —— 同一切割小區(qū)內的彎刀 取=2.5 == 螺線終點處的極徑； 為了使螺旋線能夠與正切刃圓滑過渡，取值通常比彎刀回轉半徑小10-20mm；=230mm 螺線終點的極角: 可由下式求得： =（ -）/ (2-18) 式中—為螺線終點處的滑切角，常取50o~60o； 這樣可得： =(230-120.83)/230*=0.3323rad； =(230-120.83)/0.3323=320.52mm 將代入式 ，并從0到之間分成若干份，順序選定若干代入該式，分別求出對應的，即可作出側切刃螺線。 螺線的靜態(tài)滑切角（刀刃的曲線角）即刀刃上某一點的極徑與該點切線之間的夾角。其數值應當滿足不纏草和旋耕阻力小的原則， 即: < 90o- 式中 —根莖對刀刃的摩擦角。 2.2.4 正切刃曲線設計 正切刃曲線是空間曲線，為了能夠使溝底比較平整，正切刃曲線位于刀滾的圓柱面上。該曲線在側視圖上其投影為圓弧，兩段刃口間以圓弧線相連接。 2.2.5 刀座的軸向間距和刀的總數 刀通過1刀座固定在刀軸上，刀座用16Mn鋼板沖壓成二半，套和后焊接而成，也可用精密鑄造制成。 由于旋耕刀切土時刀端撕裂附近的土層，因此，刀座的間距b′可較彎刀工作幅寬b為大。 b′=b+Δb(㎜) Δb常取15～20 每臺旋耕機上安裝的彎刀總數Z′可按下試計算 Z′=1000BZ／b′ 試中 Z′為取偶數 Z為旋耕軸上旋耕刀總數 B為筑埂機耕幅，對中間傳動的筑埂機來說，B為左右刀滾的耕幅之和 計算得b′=500 b=480㎜ Z′=18 2.2.6 旋耕刀的選擇 根據以上對旋耕刀正切刃曲線、側切刃曲線和旋耕取土的農藝要求的分析，查閱《農業(yè)機械學手冊》選取IS-245型號的旋耕刀。耕深160mm，回轉半徑245mm。 2.3 錐齒輪箱設計 如圖 2-5 為錐齒輪箱示意圖 1． 軸承蓋 2. 油封 3.圓螺母 4. 軸承座 5. 大錐齒輪 6. 螺栓 7. 滾子軸承 8. 螺栓 9. 小錐齒輪 10. 螺釘 圖2-5 齒輪箱示意圖 2.3.1 圓錐齒輪強度計算 (1)按齒面接觸強度設計 傳遞功率P = 47.9kw 傳動比 u = 3.14 由于該對齒輪為閉式傳動，閉式傳動可以按照齒面接觸強度進行計算。 （2-19） 載荷系數 K=1.6 轉矩 N·mm 傳動比 u=2.14 齒輪接觸疲勞極限 齒輪接觸強度安全系數 設計齒輪許用接觸應力 大端模數 圓整 大端分度圓直徑 分錐角 外錐距 齒寬系數 齒寬 取b=44mm 實際齒寬系數 中點模數 中點分度圓直徑 (2)錐齒輪校核 a.錐齒輪齒面接觸疲勞強度校核式 （2-20） 式中 使用系數 動載系數 齒向載荷系數 端面載荷系數 節(jié)點區(qū)域系數 中點區(qū)域系數 彈性系數 螺旋角系數 錐齒輪系數 再和分配系數 許用接觸應力 計算接觸應力 比較得 結果： 校驗通過。 b.錐齒齒根彎曲疲勞強度校核 計算公式 （2-21） 為計算應力，為許用應力 數值同前。 復合齒形系數 重合度系數 齒根抗彎強度的錐齒輪系數 載荷分配系數 彎曲應力計算值 齒根許用彎曲應力 比較得 結果： 校核通過。 2.4 側齒輪傳動箱齒輪的設計與校核 如圖 2-6 為側齒輪傳動箱示意圖 圖 2-6 側齒輪傳動箱結構示意圖 2.4.1 齒輪的材料、精度和齒數選擇 根據同類型結構，大小齒輪構造選用20CrMnTi表面滲碳淬火[1]P98表7-1 硬度HRC選用56～62HBS[1]P98表7-1齒輪精度用8級，輪齒表面粗糙度為Ra1.6 硬齒面閉式傳動，失效形式為點蝕 Z3=15 Z4=23 i= 2.4.2 齒輪的設計計算 (1)沒計準則 按齒輪齒面接觸疲勞強度設計，再按齒根彎曲疲勞強度校核； (2)按齒面接觸疲勞強度設計；[1]P108式（7-9） （2-22） 選取材料的接觸疲勞極限應力為：[1]P100圖7-6 選取材料的彎曲勞極限應力為：[1]P100圖7-7 應力循環(huán)次數N由[1]P102式7-3計算 由[1]P107～108式計算得 則 接觸疲勞壽命系數[1]P102圖7-8 ZN1=1 ZN2=1 彎曲疲勞壽命系數[1]P102圖7-9 YN1=YN2=1 由[1]P102表7-2查得接觸疲勞安全系數SHmin=1, 彎曲疲勞安全系數SHmin=1.4,又YST=2.0,試選Kt=1.3; 由[1]P99式7-1,7-2求許用接觸應力和彎曲應力； [1]P104查圖7-10得KV=1.03 [1]P103由表7-3得KA=1.35 [1]P105由表7-4得， [1]P103由式7-5 修正 [1]P112表7-6取得標準模數m=7mm； 由于要保證耕深，提高承載能力所以選擇了15齒，而為加工不產生根切的最少齒數為17，選擇小齒輪齒數為15，小于最小根切數，因而15齒的齒輪加工時一定會產生根切，所以小齒輪要用變位齒輪（正變位）。 2.4.3 第一對齒輪主要尺寸的計算 [2]P368查表12-7得 總變位X=0.80mm 根據類比得X3=0.28mm X4=0.52mm 分度圓直徑 壓力角 嚙合角 中心距變動系數 中心距 齒高變動系數 齒數比 節(jié)圓直徑 齒頂高 齒根高 全齒高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 公法線長度 跨測齒數 k3=2 k4=3 固定弦齒厚 固定弦齒高 2.4.4 第二對直齒圓柱齒輪的主要參數的計算 [2]P368查表12-7得 總變位X=0.87mm 根據類比得X5=X4=0.52mm X6=0.35mm 分度圓直徑 壓力角 嚙合角 中心距變動系數 中心距 齒高變動系數 齒數比 圓直徑 齒頂高 齒根高 全齒高 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 公法線長度 跨測齒數 k6=3 固定弦齒厚 固定弦齒高 2.5 機架 按照機具的總體結構裝配需要,并確保各組件之間有足夠的間隔距離和各工作部件的前后距離,并保證機具的性能。因此,本機設計了框架式和三角形機架結構。 2.6 軸承的選擇 根據外形尺寸、和軸徑的要求在手冊[10]P8-98選擇6308型號軸承。 根據上面軸段的設計，知道第一軸安裝的軸承為圓錐滾子軸承，其軸段直徑為，根據常用軸承類型及代號標準（GB/T297-1993）可選取圓錐滾子軸承30208C，其，，。第Ⅲ軸、第Ⅳ軸上主要承受軸向力,承受扭矩很小,故選擇球軸承即可。 傳動軸安裝的軸承為深溝球軸承，其軸段直徑為，根據常用軸承類型及代號標準（GB/T297-1993）可選取代號為6308的深溝球軸承，其d=40，，b=18。 3 工作前的安裝與調整 稻田筑埂機作業(yè)之前，旋耕刀的分布和安裝是一項至關重要的工作。安裝不當，會嚴重影響到作業(yè)質量，由于刀片旋轉不平衡，將會導致機件損壞，還會使機組震動增大，對機具損壞會很嚴重。為了讓筑埂機在稻田作業(yè)時，避免漏耕的現象，刀輥軸受力均勻，旋耕刀在刀輥軸上的排列配置，應當滿足以下要求： （1）配置兩把以上的刀片，應確保切土量相等，從而確保筑埂質量好，耕后溝底平整。 （2）在刀軸旋轉一周的過程當中，在同一相位角，必須確保一把刀入土，以確保工作的穩(wěn)定性和刀軸負荷均勻。 （3）相繼入土的刀片，在確保可以達到筑埂的農藝要求時，在刀軸上的軸向間距越大越好，以免發(fā)生堵塞的現象。 （4）左彎刀和右彎刀片應交錯分布，以保證刀軸兩端軸承受力平衡。刀片按螺旋線規(guī)則排列。 旋耕刀的安裝方法： 內裝法 安裝時，所有刀片都朝向刀軸中央。 當拖拉機的前進速度一定時，刀軸轉速快，碎土性能好；刀軸轉速慢，集土能力差。而當刀軸轉速恒定時，拖拉機速度越快，則土塊越粗大。一般情況下，刀軸的旋轉速度通常要用慢檔，當要求土壤特別細碎時，這時候可以使用快檔。 4 筑埂機使用技術要點 （1）正確選擇旋耕刀片的安裝方式。 （2）萬向節(jié)傳動軸的安裝。 萬向節(jié)傳動軸由2個活節(jié)構成，安裝的時候需要注意兩點：一是筑埂機在升起或工作狀態(tài)時，方軸與套既不要頂死，還要有足夠的配合長度；二是必須使方軸和套的夾叉處在同一平面內，以免影響筑埂機作業(yè)質量和造成拖拉機與筑埂機傳動系統(tǒng)及相關零件損壞。 （3）筑埂機的調整。 （4）前進速度選擇。 筑埂機前進速度選擇的原則:既要確保工作質量，同時還要充分發(fā)揮拖拉機的功率，從而達到高效、優(yōu)質、低耗的目的。在通常情況下，前進速度為3km/h。 5 結論 本課題針對人工筑埂勞動強度大，工作效率低等主要問題，設計這樣一種懸掛式稻田筑埂機，并對其關鍵部件的工作機理進行分析，得出以下結論： 1）設計的筑埂機旋耕集土裝置，通過對刀片的運動分析， 從而確定了旋耕刀軸的轉速為200 r/min。通過對所筑田埂截面的分析，得出取土寬度為160 mm，取土深度為30～95 mm，為旋耕刀的配置和分布提供理論依據。 2） 通過對推壓筑埂裝置的受力分析，得到推壓筑埂裝置的驅動力矩，為稻田筑埂機的動力分配、優(yōu)化奠定了理論基礎。 3） 通過以上分析，該設計方案是可行的。 參考文獻 [1] 關振君. 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