手扶式挖坑機設(shè)計
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基本參數(shù)和切削土壤狀態(tài)圖.dwg
開溝機.dwg
開溝機簡圖.dwg
手扶式挖坑機設(shè)計論文.doc
鏈傳動組成圖.dwg
鏈條.dwg
手扶式挖坑機
目錄
1緒論 1
1.1 國內(nèi)外挖坑機的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 1
1.1.1我國挖坑機發(fā)展 1
1.1.2 國外挖坑機發(fā)展 5
1.1.3在海底挖坑機的用途 7
1.2 鏈式挖坑機的研究現(xiàn)狀 7
1.3 本論文研究意義 9
2鏈傳動概述及鏈刀式挖坑機設(shè)計的初步理論 10
2.1 鏈傳動概述 10
2.1.1 鏈傳動基本原理 11
2.1.2鏈傳動的特點 12
2.1.3鏈傳動的應用 14
2.2 鏈傳動的失效分析 15
2.3 挖坑機設(shè)計的初步理論 16
2.3.1土壤的主要物理力學性質(zhì) 16
2.3.2土壤工作部件力學 18
2.3.3小結(jié)切割過程的分土壤切削阻力分析 19
3鏈刀式挖坑機工作部件的設(shè)計 20
3.1 挖坑機的工作原理 20
3.2 鏈式挖坑機的特點 22
3.3 工作部件基本參數(shù)的選擇 22
3.4 工作部件切削土壤的力 27
3.5 發(fā)動機功率的確定和底盤的選擇 28
3.6 鏈刀式挖坑機的整體參數(shù)計算與確定 31
3.7耕地器的結(jié)構(gòu) 32
3.7.1耕地器的結(jié)構(gòu)分析 32
3.7.2 耕地器的工作原理 33
4結(jié)論與展望 34
4.1結(jié)論 34
4.2觀察研究后根據(jù)鏈式挖坑機的傳動環(huán)境與切削的分析提出見解 34
4.2.1 根據(jù)土壤介質(zhì)鏈傳動的特點提出見解 34
4.2.2 土壤質(zhì)地、濕度、硬度對土壤介質(zhì)鏈傳動的影響 35
4.2.3 研究后對耕地鏈傳動的切削分析 35
4.2.4根據(jù)分析改進耕地鏈傳動的方式為逆時針切削方式 36
4.3寫論文的感受 36
參考文獻 38
致謝 39
1 緒論
1.1 國內(nèi)外挖坑機的發(fā)展及研究現(xiàn)狀
挖坑機的歷史悠久，早期的犁鏵工具[1]就是挖坑機的雛形，只不過沒有動力驅(qū)動。到了上世紀 50 年代開始，伴隨著機械化的普及，而且在一些相關(guān)的部件和結(jié)構(gòu)原理沒有成型和系統(tǒng)的研究戰(zhàn)后的發(fā)達國家開始使用機械挖坑機進行大范圍的農(nóng)耕化作業(yè)，大大提高了勞動生產(chǎn)率?，F(xiàn)在隨著技術(shù)的不斷進步和日益增多的工作要求，耕地設(shè)備的研究走進了一個新的時代，較為成型的耕地設(shè)備不斷涌現(xiàn)。但國內(nèi)的挖坑機的研究和使用起步比較晚。到了60 年代，旋轉(zhuǎn)式挖坑機[2]已發(fā)展成為一種先進的連續(xù)挖土機械。適宜開挖梯形截面的農(nóng)用溝渠。由于它牽引阻力小，能均勻散耕地內(nèi)土壤，工作效率高，因而獲得迅速的發(fā)展和廣泛的使用。挖坑機在歐洲、美洲各發(fā)達國家和亞洲的日本等國廣泛的應用在土方施工領(lǐng)域，僅美國年需求量就達數(shù)千臺。挖坑機發(fā)達的國家主要有德國、意大利、美國、俄羅斯和日本等國。前蘇聯(lián)、意大利、法國和西德等國都有不同型號的系列產(chǎn)品，有的遠銷國外。從 70 年代末期開始，以鏈式挖坑機的研究逐漸興起，到了 80 年代中期，美國等國已經(jīng)有了較為成型的鏈式耕地設(shè)備。隨著改革開放的不斷深入，生產(chǎn)建設(shè)全面啟動，城市土方施工工程規(guī)模越來越大，各方面都面臨著巨大的挖溝工作量。經(jīng)過 40 多年的發(fā)展，在挖坑機應用方面，以其生產(chǎn)效率高，成本低，設(shè)備簡單，組裝方便，多為懸掛于農(nóng)用拖拉機后端的可拆卸設(shè)備而被廣泛應用。其工作效率突出，且擴大了使用范圍，隨著電信事業(yè)廣播光纜的鋪設(shè)需要，鏈式挖坑機的使用更為廣泛，目前已經(jīng)在多個領(lǐng)域使用，比如，在狹窄的果園，以及在海底挖坑機也有了重要的應用。
1.1.1我國挖坑機發(fā)展
我國挖坑機械起步較晚，經(jīng)歷了從犁鏵式挖坑機、圓盤式挖坑機、螺旋式挖坑機和鏈式挖坑機的四個發(fā)展歷程。在我國除極少數(shù)單位引進國外的連續(xù)式挖坑機外,國產(chǎn)挖坑機仍處于設(shè)計研發(fā)的初步階段。
首先，在上世紀50年代主要是犁鏵式挖坑機。這種挖坑機結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，零部件少，單位功率低，生產(chǎn)率高，作業(yè)成本低，耕地深度為30cm到80cm。主要缺點是機體笨重，牽引阻力大，犁鏵入土后，土垡隨翻土板曲面上升，翼板將土推向兩側(cè)，側(cè)壓板將溝壁壓緊，形成梯形斷面的溝[3]。
然后，到了上世紀70年代又出現(xiàn)了圓盤式挖坑機，它以兩個高速旋轉(zhuǎn)的銑削圓盤，圓盤周圍是銑刀，一般以75 馬力到100馬力拖拉機牽引工作，前進速度 50m/h到150m/h，應用較廣，牽引阻力小，適應性強，作業(yè)質(zhì)量好，但行走慢，傳動復雜，結(jié)構(gòu)龐大，制造工藝要求高，單位功率消耗大，生產(chǎn)率比犁鏵式耕地犁低，它的耕地斷面是上口寬溝底窄的倒梯形，配套動力要求選擇功率大而行駛速度低拖拉機。由黑龍江建設(shè)兵團三師十八團研制的單圓盤挖坑機簡圖[3]。
接著，上個世紀九十年代主要以螺旋挖坑機為主，江蘇省農(nóng)機局技術(shù)中心研制的1KLZ-27 型螺旋挖坑機采用立式螺旋耕地刀具，耕地部件為直接安裝在一根直立軸管上的兩組螺旋刀片，集立銑、周向提升、螺旋葉片慣性拋散等原理于一體，使耕地過程中的切削、提升、拋散一次完成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖 1.1所示。該機工作時土塊呈條狀沿螺旋線導向兩面拋落，以圓錐對數(shù)螺線為基礎(chǔ)的立錐式刀具，增強了對不同區(qū)域、不同土質(zhì)的適應性，刀片采用組合式結(jié)構(gòu)，刀柄、刀刃選用不同的材料，提高了使用壽命[4]。
粘附。因此當土壤含水量達到使土壤在塑性范圍內(nèi)時，土壤介質(zhì)中鏈傳動所需轉(zhuǎn)矩和所受阻力會越大[20]。
顯然，隨著土壤硬度的增加，鏈傳動所需轉(zhuǎn)矩和所受阻力會逐漸增大。
4.2.3 研究后對耕地鏈傳動的切削分析
（1） 切削區(qū)域的劃分
觀察后得出，由于此鏈式挖坑機屬于后置鏈式挖坑機故整個耕地裝置與地面成一定的角度，因此工作狀態(tài)下的鏈條有一部分處在旋轉(zhuǎn)切削狀態(tài)，有一部分處在平動切削狀態(tài)，其旋轉(zhuǎn)切削區(qū)域 與平動切削區(qū)域。
（2）切削過程
土壤的切削是一個很復雜的過程。土壤在鏈條刀具的壓力作用下受到擠壓和 剪切而開始變形，當壓力繼續(xù)增大，土體的原始結(jié)構(gòu)被破壞，土塊或土層便被切離。此時，產(chǎn)生了土體松散與擠壓兩個現(xiàn)象，土粒與土粒、土塊與土塊、土壤與鏈條刀具之間產(chǎn)生了摩擦而形成阻力。而切削刃阻力是切削刃插入土體，使土體剪切破壞而流動產(chǎn)生的反力。工程實踐觀察得出：土壤的破壞大多數(shù)是剪切破壞。這是因為土壤顆粒自身的強度遠大于顆粒間的連接強度，在外力作用下，土壤中的顆粒沿接觸面互相錯動而發(fā)生剪切破壞。當鏈條刀具與土壤接觸后,由于土壤具有一定強度,當切削力沒有達到土壤的強度極限時,土壤在切削力的作用下產(chǎn)生變形,同時切削力逐漸升高;當切削力達到土壤的強度極限后,土壤開始被破壞,切削力不再增加,當整個土塊被破壞后,切削力迅速下降。
4.2.4根據(jù)分析改進耕地鏈傳動的方式為逆時針切削方式
挖坑機多為后置式鏈式挖坑機，因此根據(jù)實際環(huán)境對耕地鏈的切削方式設(shè)計為逆時針切削，即鏈傳動軸的方向與作業(yè)行走輪旋轉(zhuǎn)方向相反，從下向上切削土壤，這樣可以表現(xiàn)出在作業(yè)性能上的很多優(yōu)越性。由于開始切削時土垡厚度較小，鏈傳動軸受力比較均勻、平穩(wěn)，逆切溝底不平度小，并由于減小了被切削垡塊的平均厚度，而提高了碎土的質(zhì)量，因此當碎土質(zhì)量要求相同時，逆切比正切的生產(chǎn)率要高。因此采用逆時針切削進行作業(yè)比較好。
4.3寫論文的感受
在國外，連續(xù)式挖溝機已經(jīng)使用的很普遍，地下公用設(shè)施施工都用專業(yè)挖溝機，很少使用單斗挖掘機。在我國除極少數(shù)的單位引進國外的連續(xù)式挖溝機外，國產(chǎn)挖溝機基本上是一片空白。
隨著改革開放的不斷深入，生產(chǎn)建設(shè)全面啟動，城市土方施工工程規(guī)模越來越大，如基礎(chǔ)建設(shè)施工挖溝、電力輸送方面的電纜鋪設(shè)、有線電視，光纖通訊、天然氣和煤氣輸送、自來水供應和電話等方面都面臨著巨大的挖溝工作量，通過研制適合我國土壤情況的挖坑機 ，可以提高挖溝的效率，避免人力和物力的浪費。我國的挖坑機械起步較晚。雖然國外一些發(fā)達國家擁有多種挖坑機械，但引進國外的耕地設(shè)備不僅成本高，維修也不方便。以往土地耕地這項巨大的工作完全靠人工挖掘，人工耕地勞動強度大、費用高，每人每天最多只能挖 15m 左右。目前人力成本也是逐漸昂貴起來，況且在荒郊野外施工，工人還要承受惡劣環(huán)境的折磨。因此，我們迫切的有必要對鏈式挖坑機進行研究開發(fā)，要求研發(fā)產(chǎn)品可提高效率，節(jié)省能源，減少耕地破壞地表面積，符合環(huán)保的國策，應用前景廣闊，市場潛力大，對今后鏈式挖坑機的研究與發(fā)展具有重要而深遠的意義。從而還可以填補我國在挖溝機方面的空白。
展望現(xiàn)代科技進步和產(chǎn)品工藝性的大幅度提高，挖坑機及其相關(guān)技術(shù)有了更深入地研究。在未來挖坑機械發(fā)展中，相信大型化、專業(yè)化、環(huán)保型挖坑機會有進一步發(fā)展，尤其是機電一體化技術(shù)在挖坑機領(lǐng)域運用，使其有更為廣闊的發(fā)展空間。
參考文獻
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致謝
本論文是在導師老師悉心指導下完成的。論文撰寫的每一步無不滲透著導師的心血和汗水，導師淵博的知識、豐富的經(jīng)驗，對科學的執(zhí)著追求、嚴謹?shù)闹螌W作風和開拓進取的拼搏精神，深深地激勵著我。導師高尚的人格和正值的人品也深深影響這我的人生道路。導師給了我很多的啟發(fā)，為論文的順利完成和我日后的工作學習打下了良好的基礎(chǔ)。在此，我對導師的精心培養(yǎng)和無微不至的關(guān)懷致以崇高的敬意和衷心的感謝！
此外，我衷心地感謝我的父母一直以來對我的關(guān)懷和鼓勵，無論在生活上還是在學習上都給我以最大的照顧，感謝他們在任何時候都對我充滿信任和支持。
最后，向所有曾經(jīng)給予我鼓勵和幫助的老師、同學和朋友，以及參考文獻的作者表示敬意。
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 院 （系） 機械工程學院 指 導 教 師 職 稱 副教授 學生姓名 專業(yè)（班級） 學 號 設(shè)計題目 小型自動耕地機設(shè)計 設(shè) 計 內(nèi) 容 、 目 標 和 要 求 （設(shè)計內(nèi)容目標和要求、設(shè)計進度等） 內(nèi)容： 設(shè)計一種小型耕地機械，能實現(xiàn)翻土及梳理。能實現(xiàn)耕牛的替換，每天耕地量為 2，適用于小農(nóng)戶。 要求： 1. 查閱相關(guān)資料，并翻譯相關(guān)英文資料一篇； 2. 完成耕地機的機械部分設(shè)計； 3. 機械裝配圖一份，系統(tǒng)電路原理圖一份。程序清單一份（關(guān)鍵語句必須有注釋）。設(shè)計說明書一份。 指導教師簽名： 年 月 日 基層教學單位審核 院 （系） 審 核 此表由指導教師填寫院系審核 1 手扶式挖坑機 目錄 1緒論 ................................................................ 1 內(nèi)外 挖坑機 的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 ...................................... 1 坑機 發(fā)展 .................................................. 1 外 挖坑機 發(fā)展 .................................................. 5 坑機 的用途 .............................................. 7 式 挖坑機 的研究現(xiàn)狀 .............................................. 7 論文研究意義 .................................................... 9 2鏈傳動概述及鏈刀式 挖坑機 設(shè)計的初步理論 ............................. 10 傳動概述 ....................................................... 10 傳動基本原理 ................................................. 11 特點 ................................................... 12 ................................................... 14 傳動的失效分析 ................................................. 15 坑機 設(shè)計的初步理論 ............................................. 16 ......................................... 16 ............................................... 18 ............................... 19 3鏈刀式 挖坑機 工作部件的設(shè)計 ......................................... 20 挖坑機 的工作原理 ................................................ 20 式 挖坑機 的特點 ................................................. 22 作部件基本參數(shù)的選擇 ........................................... 22 作部件切削土壤的力 ............................................. 27 動機功率的確定和底盤的選擇 ..................................... 28 手扶式挖坑機 2 刀式 挖坑機 的整體參數(shù)計算與確定 ................................. 31 器的結(jié)構(gòu) ..................................................... 32 的結(jié)構(gòu)分析 ............................................... 32 地 器的工作原理 ............................................... 33 4結(jié)論與展望 ......................................................... 34 ............................................................. 34 坑機 的傳動環(huán)境與切削的分析提出見解 ........... 34 據(jù)土壤介質(zhì)鏈傳動的特點提出見解 ............................... 34 壤質(zhì)地、濕度、硬度對土壤介質(zhì)鏈傳動的影響 ..................... 35 究后對 耕地 鏈傳動的切削分析 ................................... 35 地 鏈傳動的方式為逆時針切削方式 ................... 36 ..................................................... 36 參考文獻 ............................................................. 38 致謝 ................................................................. 39 3 1 緒論 內(nèi)外挖坑機的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 挖坑機的歷史悠久，早期的犁鏵工具 [1]就是挖坑機的雛形，只不過沒有動力驅(qū)動。到了上世紀 50 年代開始，伴隨著機械化的普及，而且在一些相關(guān)的部件和結(jié)構(gòu)原理沒有成型和系統(tǒng)的研究戰(zhàn)后的發(fā)達國家開始使用機械挖坑機進行大范圍的農(nóng)耕化作業(yè)，大大提高了勞動生產(chǎn)率?，F(xiàn)在隨著技術(shù)的不斷進步和日益增多的工作要求，耕地設(shè)備的研究走進了一個新的時代，較為成型的耕地設(shè)備不斷涌現(xiàn)。但國內(nèi)的挖坑機的研究和使用起步比較晚。到了 60 年代，旋轉(zhuǎn)式挖坑機 [2]已發(fā)展成為一種先進的連續(xù)挖土機械。適宜開挖 梯形截面的農(nóng)用溝渠。由于它牽引阻力小，能均勻散耕地內(nèi)土壤，工作效率高，因而獲得迅速的發(fā)展和廣泛的使用。挖坑機在歐洲、美洲各發(fā)達國家和亞洲的日本等國廣泛的應用在土方施工領(lǐng)域，僅美國年需求量就達數(shù)千臺。挖坑機發(fā)達的國家主要有德國、意大利、美國、俄羅斯和日本等國。前蘇聯(lián)、意大利、法國和西德等國都有不同型號的系列產(chǎn)品，有的遠銷國外。從 70 年代末期開始，以鏈式挖坑機的研究逐漸興起，到了 80 年代中期，美國等國已經(jīng)有了較為成型的鏈式耕地設(shè)備。隨著改革開放的不斷深入，生產(chǎn)建設(shè)全面啟動，城市土方施工工程規(guī)模越來越大， 各方面都面臨著巨大的挖溝工作量。經(jīng)過 40 多年的發(fā)展，在挖坑機應用方面，以其生產(chǎn)效率高，成本低，設(shè)備簡單，組裝方便，多為懸掛于農(nóng)用拖拉機后端的可拆卸設(shè)備而被廣泛應用。其工作效率突出，且擴大了使用范圍，隨著電信事業(yè)廣播光纜的鋪設(shè)需要，鏈式挖坑機的使用更為廣泛，目前已經(jīng)在多個領(lǐng)域使用，比如，在狹窄的果園，以及在海底挖坑機也有了重要的應用。 國挖坑機發(fā)展 我國挖坑機械起步較晚，經(jīng)歷了從犁鏵式挖坑機、圓盤式挖坑機、螺旋式挖坑機和鏈式挖坑機的四個發(fā)展歷程。在我國除極少數(shù)單位引進國外的連續(xù)式挖坑機外 ,國產(chǎn) 挖坑機仍處于設(shè)計研發(fā)的初步階段。 手扶式挖坑機 4 首先，在上世紀 50 年代主要是犁鏵式挖坑機。這種挖坑機結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，零部件少，單位功率低，生產(chǎn)率高，作業(yè)成本低，耕地深度為 30 80要缺點是機體笨重，牽引阻力大，犁鏵入土后，土垡隨翻土板曲面上升，翼板將土推向兩側(cè)，側(cè)壓板將溝壁壓緊，形成梯形斷面的溝 [3]。 然后，到了上世紀 70年代又出現(xiàn)了圓盤式挖坑機，它以兩個高速旋轉(zhuǎn)的銑削圓盤，圓盤周圍是銑刀，一般以 75 馬力到 100 馬力拖拉機牽引工作，前進速度 50m/h 到150m/h，應用較廣，牽引阻力小，適應性強，作 業(yè)質(zhì)量好，但行走慢，傳動復雜，結(jié)構(gòu)龐大，制造工藝要求高，單位功率消耗大，生產(chǎn)率比犁鏵式耕地犁低，它的耕地斷面是上口寬溝底窄的倒梯形，配套動力要求選擇功率大而行駛速度低拖拉機。由黑龍江建設(shè)兵團三師十八團研制的單圓盤挖坑機簡圖 [3]。 接著，上個世紀九十年代主要以螺旋挖坑機為主，江蘇省農(nóng)機局技術(shù)中心研制的1螺旋挖坑機采用立式螺旋耕地刀具，耕地部件為直接安裝在一根直立軸管上的兩組螺旋刀片，集立銑、周向提升、螺旋葉片慣性拋散等原理于一體，使耕地過程中的切削、提升、拋散一次完成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖 機工作時土塊呈條狀沿螺旋線導向兩面拋落，以圓錐對數(shù)螺線為基礎(chǔ)的立錐式刀具，增強了對不同區(qū)域、不同土質(zhì)的適應性，刀片采用組合式結(jié)構(gòu)，刀柄、刀刃選用不同的材料，提高了使用壽命 [4]。 5 1 三角帶（三條） 2 附加大皮帶盤 3 三角帶（一條） 4 機架 5 尾輪 6 擋土柵 7 括泥板 8 耕地具 圖 螺旋挖坑機簡圖 發(fā)展到 1999 年，在天津工程機械研究所開發(fā)研制出了 鏈式挖坑機。該機的主要參數(shù)如下：拖拉機型號為 動機功率為 48機額定牽引力為 18小轉(zhuǎn) 彎半徑為 4500地最深為 1800寬為 400可通過更換挖掘鏈節(jié)來調(diào)節(jié)，挖掘鏈速為 s，回填鏟寬度為 1800體尺寸為長 7500 2230 2860是由鏈條帶動多片鏟高速小厚度切削，主機低速前進，實現(xiàn)連續(xù)挖掘作業(yè)。該機進行挖土工作時，將土帶到溝面上，并擠向兩側(cè)，螺旋葉片形狀的排土輪由鏈輪驅(qū)動，向兩側(cè)分土，清溝器端部設(shè)有浮動刮產(chǎn)，可將散土收回刀鏟處，刮平溝底 [5]。 于此同時在國內(nèi)進行鏈式挖坑機研究的還有西北農(nóng)業(yè)大學機電學院的楊有剛、劉迎春 ，他們在 2002年研制的在滾子鏈鏈板上加鏈刀附件的挖坑機如圖 6]。 1 鏈刀工作部件 2 分土板 3 扶手 4 手輪 5 尾輪 6 動力底盤 圖 子鏈鏈板上加鏈刀附件的挖坑機簡圖 2002 年中國農(nóng)業(yè)機械化研究院耕作種植機械研究所的一種 1K（ 鏈式挖坑機如圖 示。它主要由齒輪箱、傳動鏈、耕地切削刀和分土器等組成?？梢娺@手扶式挖坑機 6 種鏈式挖坑機也是在滾子鏈基礎(chǔ)上形成，這種形式的挖坑機對土壤的性能要求較高，遇到帶有沙石的土壤很難作業(yè)，耕地比較寬，消耗功率大，深 度也不夠，鏈條易磨損疲勞失效，使用壽命也達不到預期的效果 [7]。 圖 1K（ 鏈式挖坑機 外挖坑機發(fā)展 國外最早生產(chǎn)挖坑機的國家主要是美國和前蘇聯(lián)。其發(fā)展過程大致也是從犁鏵式開始的，目前主要是鏈式挖坑機。在國外 ,挖坑機的使用已經(jīng)非常普遍 ,許多地下公用設(shè)施施工都用專業(yè)挖坑機以下簡單介紹幾個國外的鏈式挖坑機來說明在國外挖坑機的特點及大至發(fā)展方向。 國外挖坑機的種類很多，適應各種不同施工的需要。最小的挖坑機功率僅有幾千瓦，最大的功率達到 1100量 136t。國外專用挖 坑機需求量逐年增大，僅美國就有 十多家公司生產(chǎn)挖坑機，共有一百多種 [1]。僅以幾家有代表性的公司產(chǎn)品為例說明其發(fā)展和研究狀況。 美國 司挖溝機。美國的 司成立于 1842 年，由發(fā)明家 ① 立。 司經(jīng)過 100 多年完善，現(xiàn)已發(fā)展成為全世界處于領(lǐng)軍地位的中、小型建筑工程機械設(shè)備 制造商。 7 圖 65 型鏈式挖坑機 美國傳特公司的 65 型鏈式挖坑機，如圖 地傳動系統(tǒng)采用多級變速器，號 65型耕地鏈條驅(qū)動，重型機械驅(qū)動，高扭矩，低速度以達到最大切割齒、挖掘深度、增強生產(chǎn)力和延長切割齒壽命，具有牢固的組合式耕地臂，獨特的可更換的耐磨鋼板系統(tǒng)和鏈輪，方便單雙鏈條的應用，重型獨立驅(qū)動履帶，三段式履帶伴側(cè)固定，可升降駕駛室，密封性好，舒適的空調(diào)設(shè)備。控制器、計量表、和感應器及駕駛室的升降應用最新技術(shù)，視野好，駕駛舒適安全 [8]。 圖 鏈式挖坑機 法國“馬萊”公司是一家專門生產(chǎn)、租賃埋地電纜和管線鋪設(shè)設(shè)備的公司。無論是城市道路、公路、鐵路、山路、河岸等伴埋電纜或管道，都可以使用馬萊的耕地、鋪設(shè)手扶式挖坑機 8 聯(lián)合作業(yè)機進行快速施工。其鋪設(shè)速度 2km/h，可以實現(xiàn)正挖，側(cè)挖，低噪音，無揚塵環(huán)保作業(yè)。它的挖坑機寬度窄，最大限度減小對交通的阻礙破壞。它的真空吸塵式挖坑機，可以邊耕地邊吸渣土和塵土，是城市環(huán)保型的先進作業(yè)機器。圖 萊”公司生產(chǎn)的 9]。 可見，國內(nèi)挖坑機的研究，現(xiàn)在多數(shù)還局限在犁鏵、螺旋式挖坑機方面， 但是，這種設(shè)備不能切挖陡直窄深溝。中國農(nóng)業(yè)機械化研究院耕作種植機械研究所了一種 1K（ 鏈式挖坑機，不過未見其鏈式挖坑機傳動機理及仿生的研究。并且，這種挖坑機鏈條和鏈輪齒的嚙合與非土壤介質(zhì)中的嚙合傳動方式?jīng)]什么區(qū)別，仍然是傳統(tǒng)的鏈條與鏈輪齒的嚙合傳動方式。未能掌握了土壤介質(zhì)中鏈傳動機理，未能表明考慮減少嚙合阻力的結(jié)構(gòu)框架，不能減少土壤介質(zhì)的移動阻力，不能達到節(jié)能和環(huán)保的目的。國外挖坑機的研究，從掌握的資料上可以看出，鏈式挖坑機也只是傳統(tǒng)的鏈條與鏈輪齒的嚙合方式。并且國外挖坑機械的生產(chǎn)已向更加多 樣化發(fā)展，但國外機械更趨向于專機專用，挖坑機械只用于耕地，當機械不耕地時，機械只能閑置，而根據(jù)我國的具體國情，該機械不僅可用于耕地，并且能恢復拖拉機功能，保證通用性較好。 海底挖坑機的用途 目前，我國正處于海上油氣的起步階段，用于海底管線鋪設(shè)的水下開淘施工機械亟待開發(fā)?？v觀國外已有眾多族類的水下管線耕地施工機械設(shè)備，哪些機型技術(shù)水平先進成熟，經(jīng)濟性能合理，更適合我國近海油氣開發(fā)的具體國情，今后我國海底開淘機械領(lǐng)域的研究開發(fā)方向如何確定等，都是值得深入研究和探討的。 海底管道挖坑機械是伴隨著海洋油 氣勘探和開發(fā)，從陸地向海洋挺進而出現(xiàn)的水下施工作業(yè)機械。由于世界各地具體海域的條件各異，在眾多族類的水下管線耕地埯工機械設(shè)備中，目前還沒有一種能夠在任何水深、管徑、海底土質(zhì)下都能經(jīng)濟地進行施工作業(yè)的萬能型海底開淘機械。 四十年代中期，墨西哥灣等地早期油氣開發(fā)海域的水深一般較淺，故當時的挖坑機械設(shè)備主要是為滿足于 30～ 50十年代以后，歐洲北海油氣資源的大規(guī)模開采得以實施，特別是七十年代中期一批較大水深的海底管道極需鋪設(shè)，如 126m)、 153m)、 159m)和 田 (158m) 9 等，促使出現(xiàn)了用于 100m、 150m，乃至 300m 水深的水下耕地施工機械。到七十年代末期，為跨越北海的挪威海溝鋪設(shè)海底油氣管道，最大作業(yè)水深達 500m 的水下開掏機也隨之誕生。 目前，在海底挖坑機族類中，土壤液化埋管設(shè)備的最大作業(yè)水深一般在 50力沖射挖坑機械則視所取排泥方式的不同．可分別達到 50m、 75m、 150m、 180m 和 300m 等不同的量級．雨使用較多的則是水深 100底管道耕地犁的設(shè)計作業(yè)水深一般在 150～ 250m 左右，盡管 90年代初開發(fā)的海底管道犁已可達到 1000如的作業(yè)能力．但實際應用還是在 200m 左右。海底電纜耕地犁的作業(yè)水深則通常在 1000下機械挖坑機是現(xiàn)有機型中設(shè)計作業(yè)水深最大的機種，一般為 350～ 500m。如： 500m， 1978年 )、“熱心海貍”型 (350m， 1979年 )、 365m． 1980 年 )和 350m， 1986 年 )。以 心海貍”型為倒， 1981至 1986 年間，共在 16項工程中開挖各類口徑管 溝 中最大作業(yè)水深在 150項，占工程總數(shù)的 10]。 式挖坑機的研究現(xiàn)狀 1999年楊有剛等分析了鏈刀前置式挖坑機的起步加速特性。根據(jù)力學原理，建立了挖坑機起步加速瞬間的運動方程，在獲得其前后輪接地載荷的基礎(chǔ)上，對挖坑機的穩(wěn)定性問題進行了討論，為整機穩(wěn)定性設(shè)計提供了理論依據(jù)（楊有剛等， 1999。） 2001年天津工程機械研究院劉俊英對挖坑機鏟刀的耐磨合金堆焊工藝進行了探討，針對普通鋼軋制的鏟刀耐磨性較差的缺點，提出采用表而強化的方法制造復合材質(zhì)的鏟刀。鏟刀基體 仍用熱軋件，而在其磨損部位的表而堆焊耐磨材料，強化后的堆焊鏟刀成本為未強化的 3其使用壽命是用戶自制的未強化鏟刀壽命的一巧倍，同時還可減少停機換刀的時間及人工費，經(jīng)濟效益明顯（劉俊英， 2001。） 2001年劉長榮等在現(xiàn)有挖坑機的基礎(chǔ)上進行改裝，與 計出在狹小的葡萄園中開出施肥溝的果園挖坑機，挖坑機由尾部操縱手柄通過四連桿機構(gòu)來控制工作部件的升降，操作靈活方便。并對挖坑機切土阻力及整機功耗進行了分部計算（劉長榮等， 2001。） 2004 年吉林大學王云超以美國凱斯公司生產(chǎn) 的鏈式挖坑機為研究對象忽略了刀片手扶式挖坑機 10 的影響，建立挖溝器的三維模型，運用有限元及 出挖溝器的各階固有頻率以及在不同頻率沖擊力作用下對應的挖溝器的位移和應力響應特性曲線（王云超， 2004。） 2004 年到 2005 年江創(chuàng)華等對履帶式挖坑機的關(guān)鍵部件傳動軸進行了改進設(shè)計，該種傳動軸及工作裝置支承結(jié)構(gòu)，避免了軸既要傳遞轉(zhuǎn)矩，又要支撐工作裝置的重量，同時在計算臂架的強度時，考慮了機器轉(zhuǎn)彎給臂架帶來的附加應力。與傳統(tǒng)工作裝置直接支撐在傳動軸上相比，傳動軸的直徑 減小 1/2，重量減少 1/3，制造成本約減小 1/2，是一種比較適合于大型軸類傳動的結(jié)構(gòu)形式（江創(chuàng)華和趙建輝， 2005）。 2005年劉迎春等設(shè)計了一種用于果園的鏈式施肥挖坑機。根據(jù)動力學原理，導出了挖坑機工作狀態(tài)的運動方程，獲得了挖坑機前后輪所受外力的數(shù)學表達式對其可能的縱向滑移、前傾和橫向傾翻條件進行了討論，為挖坑機的總體設(shè)計提供了理論依據(jù)（劉迎春和楊有剛， 2005。） 2006年羅海峰在現(xiàn)有手扶拖拉機上設(shè)計一種挖坑機，單邊拋土距離達到 壤顆粒細碎，覆土厚度均勻，能滿足油菜、小麥、蔬菜等農(nóng)作物 機械化種植。通過對旋耕機的工作原理進行理論分析，找出合理的旋耕拋土運動參數(shù)。對耕地刀在整個切、拋土過程中進行運動學動力學分析，找出耕地切、拋土的運動規(guī)律，為挖坑機的設(shè)計提供理論依據(jù)（羅海峰， 2006）。 2006年房恩宏確定了能夠滿足耕地寬度為 80度達 2000析了部件的受力情況以及推導了挖坑機的整體功率消耗公式。此外，給出了計算鏈式挖坑機的具體尺寸的步驟，結(jié)合裝配圖的繪制，進行了相應的部分結(jié)構(gòu)和尺寸的合理化調(diào)整。在設(shè)計完鏈式挖坑機的整機框架以后，針對鏈條在土壤中的受力情 況，提出了具體的實驗方案，通過實驗，驗證了課題設(shè)計的合理性 (房恩宏， 2006)。 2006盧峰提出一種新型刀式礦土復合型鏈式挖坑機的結(jié)構(gòu)方案，并對此結(jié)構(gòu)方案的鏈式挖坑機的工作原理、總功率的確定等進行了理論研究。深入剖析了鏈傳動過程中鏈刀切削土壤的切削機理，并建立了土壤顆粒由切下、輸送到拋出的運動模型和所處不同狀態(tài)時速度計算公式，而且針對土壤介質(zhì)鏈傳動過程中鏈條的受力情況、受力計算進行了詳細的分析和推導 (盧峰， 2006)。 11 論文研究意義 挖坑機是工程機械的主要機種之一，廣泛應用于農(nóng)田水利建設(shè)、通訊 電纜及石油管線的鋪設(shè)、市政施工以及軍事工程的建設(shè)。挖坑機具有專用性強，設(shè)備投資少，可連續(xù)開掘，工作效率高等特點，特別是對于窄而深的溝渠，挖坑機的優(yōu)勢更加明顯。挖坑機尤其適應于土質(zhì)較硬、施工場地狹小，人工無法開挖而挖掘機等土方機械無法作業(yè)的地方。同時挖坑機的施工成本低于挖掘機等土方機機械的施工成本，甚至比人工施工還低而深受廣大施工單位的歡迎。 在國外，連續(xù)式挖坑機己經(jīng)使用的很普遍，地下公用設(shè)施施工都用專業(yè)挖坑機，很少使用單斗挖掘機。在我國除極少數(shù)的單位引進國外的連續(xù)式挖坑機外，國產(chǎn)挖坑機投入使用的較少。隨著生 產(chǎn)建設(shè)全面啟動，耕地施工工程的規(guī)模越來越大，如基礎(chǔ)建設(shè)施工耕地、光纜、電纜、管道鋪設(shè)等方面都面臨著巨大的耕地工作量。特別是在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域，果樹施肥、農(nóng)田耕地、蔬菜園耕地，都是用工量很大的作業(yè)，我國幾乎都用人工完成。果園、農(nóng)田等的地表不平整，有雜草、樹枝及石塊等，地下有樹根，耕地條件比較惡劣，一般挖坑機難以適應。因此研制適合我國土壤情況的耕地設(shè)備，對提高耕地的效率、減少人力和物力資源的浪費、提高勞動生產(chǎn)率有重要意義。 據(jù)相關(guān)農(nóng)藝要求，所研制的挖坑機必須滿足的技術(shù)指標為 :純小時生產(chǎn)效率不低于80m/h;開挖深度 大于 30度 30寬和溝深可調(diào) :配套柴油機動力至馬力 :溝槽必須一次性開挖成型，溝形完整且基本達到人工開挖的效果。 挖坑機的耕地裝置是其關(guān)鍵部件，而刀片是影響耕地質(zhì)量、功耗和振動等的重要因素，因此有必要對耕地裝置及刀片結(jié)構(gòu)進行深入的研究分析。本文以耕地裝置為研究對象，以功耗低、適應性強和可操作性好為目標，為研究一種適用于開挖窄兒深的地下溝槽，埋設(shè)在地下排水管道或鐵道，郵電，城建等部門用于埋設(shè)電纜于管道等要求的鏈刀式挖坑機指出依據(jù) . 2 鏈傳動概述及鏈刀式挖坑機設(shè)計的初步理論 傳動概述 手扶式挖坑機 12 鏈傳動是一種用鏈條做中間撓性件的嚙合傳動，它由主動鏈輪、從動鏈輪和繞在兩輪上的一條閉合鏈條所組成 [11]見圖 2靠鏈條與鏈輪之間的嚙合來傳遞運動和動力。與帶傳動比較，鏈傳動有結(jié)構(gòu)緊湊，作用在軸上的載荷小承載能力較大，效率較高（一般可達 96％～ 97％），能保持準確的平均傳動比等優(yōu)點。工作時有振動和沖擊，瞬時速度不均勻等現(xiàn)象。鏈傳動廣泛應用于在農(nóng)業(yè)、礦山、冶金、建筑、起重、運輸、石油、化工、紡織等機械設(shè)備中被廣泛運用。 圖 2傳動組成圖 鏈傳動適用于兩軸相距較遠，要求平均傳動比不變，但對瞬 時傳動比要求不嚴格，工作環(huán)境惡劣（多油、多塵、高溫）等場合。 傳動基本原理 在一般機械傳動中，鏈傳動是在兩個或多于兩個鏈輪之間用鏈作為撓性拉曳元件的一種嚙合傳動。按工作性質(zhì)的不同，鏈有傳動鏈、起重鏈和曳引鏈三種。傳動鏈主要用來傳遞動力，通常都在中等速度（ v≤ 20m/s）下工作，鏈傳動又可以分為滾子鏈、套筒鏈、齒形鏈和成型鏈。起重鏈主要用在起重機械中提升重物，其工作速度不大于 s。曳引鏈主要用在 運輸機械中移動重物，其工作速度不大于 2s。鏈傳動在傳遞功率、速度、傳動比、中心距等方面都有很廣的應用范圍。目前，最大傳遞功率達 5000高速度達到 40m/s，最大傳動比達到 15，最大中心距達到 8m。由于經(jīng)濟及 13 其它原因，鏈傳動的傳動功率一般小于 100度小于 12～ 15m/s，傳動比小于 8[11]。 鏈條是由若干組件（或元件）以鉸鏈副的形式串接起來的撓性件，如圖 2 圖 2 鏈條 傳動的特點 鏈傳動是一種具有中間撓性件的嚙合傳動。它兼有齒輪傳動和帶傳 動的一些特點。現(xiàn)通過與齒輪傳動、帶傳動做比較，具體介紹一下鏈傳動的特點 [12]。 1、鏈傳動與帶傳動相比較 （ 1）鏈傳動的傳動比準確，傳動效率較高 鏈傳動沒有彈性滑動和打滑，因此與帶傳動相比 ,鏈傳動能保持準確的平均傳動和較高的機械效率。對要求轉(zhuǎn)速恒定的兩軸傳動和多軸傳動，采用鏈傳動更為適宜。 （ 2）效率較高，η = （ 3）鏈條對軸的作用力較小 鏈傳動的預緊力比帶傳動小得多，因此減輕了施加在軸和軸承上的壓力，減少了軸承的摩擦損失。在低速時，鏈傳動的這一優(yōu)點更為突出。 （ 4）鏈傳動的尺寸較緊湊 手扶式挖坑機 14 在傳遞相 同功率的情況下，鏈條比常用的膠帶要窄些，鏈輪直徑也比帶輪小些，所以鏈傳動的結(jié)構(gòu)尺寸要比帶傳動緊湊。 （ 5）結(jié)構(gòu)尺寸比較緊湊 （ 6）鏈條裝拆比較方便 鏈條可以在連接鏈節(jié)處拆開，容易安裝和拆卸。而膠帶一般均是制成無端的，它要越過皮帶輪邊緣才能套進去，安裝比較困難。特別當帶輪位于軸承之間更是如此。 （ 7）鏈傳動能在較大傳動比和較小中心距下工作 鏈傳動允許鏈條在鏈輪上的包角可小一些，因此鏈傳動的傳動比范圍比帶傳動大一些，也更能在較小的中心距下工作。 （ 8）鏈傳動對環(huán)境的適應能力強 鏈條由金屬制成，能在惡劣的環(huán)境條件 下工作，諸如在高溫、油污、粉塵和泥沙等場合，鏈傳動遠比帶傳動更為適用。 （ 9）鏈條的磨損伸長比較緩慢，張緊調(diào)節(jié)量較小 鏈條工作期間的磨損伸長比膠帶拉伸變形伸長緩慢并且極限伸長量可以設(shè)法控制在一個節(jié)距范圍內(nèi)，因此不必像帶傳動那樣要求頻繁地調(diào)整中心距。在設(shè)計張緊裝置時，鏈傳動要求的調(diào)節(jié)量也較小。 （ 10）由于不需要很大的張緊力，所以作用在軸上的載荷較??； （ 11）鏈傳動在可燃氣氛下工作安全可靠 當在可燃氣氛下工作時，鏈傳動不像帶傳動那樣有膠帶打滑發(fā)熱和帶與輪間摩擦生電的現(xiàn)象，所以不會有引起燃燒的危險。 只有當要 求噪聲小，不準有潤滑油、中心距很長，轉(zhuǎn)速極高時，鏈傳動的使用性能不如帶傳動 . 2、鏈傳動與齒輪傳動比較 （ 1）鏈傳動的制造與安裝精度要求低，成本較小 這是因為鏈傳動是一種只有中間撓性件的非共軛嚙合傳動，鏈輪的齒形可以有較大的靈活性。鏈輪的加工與安裝精度，鏈傳動的中心距都較齒輪傳動 改變其技術(shù)參數(shù)（如傳動比、中心距等）也比較容易實現(xiàn)。在安裝與維修方面更為簡單，尤其是在遠距離傳動中，有著齒輪傳動無法具備的簡單和輕便。 15 （ 2）鏈輪齒受力較小、強度較高、磨損也較輕 通常鏈輪有較多的齒同時與鏈條 嚙合，接觸位置接近齒根并且齒槽圓弧大，齒根應力集中小，而直齒圓柱齒輪傳動一般只有 1～ 2 對齒接觸。因此，鏈輪的承載能力比齒輪大，齒面磨損也比齒輪的齒面輕一些。 （ 3）鏈傳動有較好的緩沖、吸振性能 由于鏈條具有一定的彈性，再加上鏈條的每個鉸鏈內(nèi)部均能貯存潤滑油，因此它與只有 1～ 2 對剛性很大的齒嚙合的齒輪傳動相比，有較好的緩沖和吸振能力 . 只有當受空間限制要求中心距?。凰矔r傳動比要求恒定；傳動比大；轉(zhuǎn)速極高；噪聲要求小時，鏈傳動的使用性能才不如齒輪。 3鏈傳動的缺點 （ 1）不能保證恒定的瞬時傳動比； （ 2）只能用于平行軸間同向回轉(zhuǎn)的傳動； （ 3）不適宜在載荷變化很大和急促反向的傳動中應用； （ 4）工作時存在噪聲； （ 5）制造費用比帶傳動高； （ 6）磨損鏈節(jié)伸長后運轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，易跳齒。 由以上比較可以看出，鏈傳動的適用范圍很廣。一般說來，適用于大中心距、多軸、傳動比要求精確的傳動，環(huán)境惡劣的傳動，沖擊和振動大的傳動，大載荷的低速傳動，潤滑良好的高速傳動等都可成功地采用鏈傳動。 傳動的應用 鏈條最早的應用可追溯到夏商年代，即三千多年以前。今天，隨著現(xiàn)代化的大規(guī)模生產(chǎn)，鏈條工業(yè)正在提供多種多樣的鏈條產(chǎn)品 以滿足各方面的需要，鏈條也越來越多的應用在各種各樣的機械設(shè)備中，主要有： 一般叉車均用兩掛鏈條提升貨物。由于鏈條的鏈節(jié)可靈活轉(zhuǎn)動，不存在附加彎曲應力，因此鏈輪直徑可以設(shè)計得較小，鏈條的使用壽命也較長。 手扶式挖坑機 16 摩托車與自行車都采用鏈條來傳動。這一傳動特點是：中心距長，速度變化頻繁，要求寬度窄、重量輕、尺寸緊湊、使用可靠。顯然采用鏈傳動是最合適的。 發(fā)動機曲軸與凸輪的傳動要求配氣與點火時間準確，必須保證準確的傳動比。由于鏈傳動有良好的同步性，因此對于曲軸和凸輪間距離 較大的內(nèi)燃機，多采用正時鏈傳動。 石油鉆機上大量采用鏈傳動，一般使用多排滾子鏈傳動，它工作可靠，排除故障速度快，能夠滿足鉆機工作要求。 它的使用環(huán)境比較惡劣，經(jīng)常啟動與停車，使鏈條受到頻繁的沖擊載荷。一般采用大節(jié)距的彎板滾子鏈。而且結(jié)構(gòu)緊湊，使用非?？煽?。 在各種農(nóng)業(yè)機械上，使用了大量的鏈條。 油鋸鏈是一種帶有刀刃的特殊鏈條，它除了傳遞動力外，本身還是截斷木頭的鋸條。因此，它可使伐木鋸結(jié)構(gòu)緊湊，效率高，使用方便。 傳動 的失效分析 由于設(shè)計、制造、使用等方面的差異，鏈條與鏈輪的失效形式是多種多樣的。不過總的來說，可以分成兩種情況：一種是正常失效，鏈條與鏈輪達到了預期的正常使用壽命；另一種是非正常失效，即未達到預期的正常使用壽命就早期損壞報廢。以下敘述了鏈傳動的失效形式： 1．鏈條元件的疲勞破壞 鏈板的疲勞損壞，在中低速的閉式鏈傳動中，鏈板的疲勞斷裂比較常見。鏈板在變載荷作用下，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)就會在板孔兩側(cè)的應力集中區(qū)發(fā)生疲勞破壞。鏈條元件的疲勞強度是決定鏈傳動承載能力的主要因素。 2．鏈條鉸鏈的磨損 鏈傳動工作時，滾子 套筒的沖擊疲勞損壞。鏈條在與輪齒的嚙入過程中，由于多邊 17 形效應會產(chǎn)生一個由嚙入沖擊引起的動載荷。在滾子鏈中，嚙入沖擊首先由滾子承受，再從滾子傳遞給套筒、銷軸，以及鏈板。這樣，滾子和套筒就受到反復多次的沖擊載荷，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)就會發(fā)生小能量沖擊疲勞破壞。由于沖擊能量和速度的平方成正比，所以在中、高速閉式鏈傳動中，這種失效形式就比較常見。 3． 銷軸與套筒的膠合 鏈條鉸鏈在向輪齒的嚙入過程中，組成鉸鏈副的銷軸與套筒產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，并以沖擊方式與輪齒嚙合。當鏈輪轉(zhuǎn)速升高到一定數(shù)值以上時，鉸鏈的摩擦表面會嚴重發(fā)熱 產(chǎn)生膠合現(xiàn)象。膠合是一種焊合現(xiàn)象，一旦發(fā)生，則當相鄰鏈節(jié)欲作相對轉(zhuǎn)動時，輕則使鉸鏈摩擦表面擦傷，重則或者使銷軸扭斷或者使銷軸或套筒被強制在板孔內(nèi)轉(zhuǎn)動，從而使鏈條迅速破壞。 4． 鏈條的磨損 滾子鏈的各元件在工作過程中都會發(fā)生磨損破壞，最常見的磨損是指發(fā)生在銷軸和套筒承壓表面的磨損。 5． 鏈條的靜強度破斷 低速重載的鏈條當過載時，易發(fā)生靜強度破斷；磨損了的鏈條當在鏈輪上發(fā)生爬高和跳齒時，也易引起靜強度破斷。 6． 鏈條的多沖破壞 反復起動、制動、正反轉(zhuǎn)和重復沖擊工作的鏈條，其組成元件易發(fā)生大能量低周期沖擊疲勞破壞。 7． 鏈輪齒的磨損、塑性變形和斷裂 由于潤滑不良，特別在開式傳動中，輪齒會發(fā)生較大的磨損。 8． 鏈傳動的非正常失效 由于鏈條制造質(zhì)量差、安裝精度低、使用不當以及結(jié)構(gòu)方面等原因，會產(chǎn)生眾多的不正常的失效形式，大大縮短了鏈條的使用壽命。 坑機設(shè)計的初步理論 挖坑機屬于土壤挖掘機械，耕地鏈在工作時的工作環(huán)境是土壤，這就要求在鏈式挖坑機設(shè)計之前要對土壤學和土壤力學等相關(guān)學科做必要的理論準備。 手扶式挖坑機 18 壤的主要物理力學性質(zhì) 土壤由固體、液體和氣體組成（稱為土壤的固相、液相和氣相）。 固相部分包括粗細不同的礦物質(zhì)顆粒和與它緊密結(jié)合的有機質(zhì)。在固體顆粒之間的孔隙中，充有水和空氣。礦物質(zhì)一般占土壤固相部分質(zhì)量的 95%，它支撐著生長在土壤中的作物。土壤的機械組成通常指直徑 3下的細小顆粒，按直徑大小分為砂粒、粉粒和粘粒。隨著所含砂粒、粉粒和粘粒成分的不同，土壤具有不同的物理性質(zhì)。土壤中含粘粒成份越大，則土粒之間的凝聚力越大，耕作時土壤不易破碎，犁耕的阻力也較小 [13]。土壤耕作機械的選用、設(shè)計和研究與土壤的物理力學性質(zhì)有著十分密切的關(guān)系。下面對土壤的幾個重要的物理力學性質(zhì)做以簡要介紹與分析 。 1．容重 在自然狀態(tài)下，土壤的單位體積質(zhì)量即為容重。一般表示為 g = g / 式中： q —— 為土壤質(zhì)量重； V —— 為土壤體積。 土壤的容重與土壤內(nèi)的孔隙度和固體顆粒密度有關(guān)?？紫抖仍酱螅瑒t容重越小。當土壤容重為 1 g / 時，最利于開挖 [14]。 2．濕度 在降雨或灌溉之后，耕作層內(nèi)的水有一部分在重力作用下，沿著土壤中大的孔隙或裂縫向下滲透，另一部分則在土粒的吸附作用和毛細管作用下，保持在耕層之內(nèi)。土壤能保持的最大含水量稱為“田間持水量”，用相對濕度和絕對濕度表示。土 壤的濕度對開挖質(zhì)量和牽引阻力有很大影響。土壤過于堅硬，阻力大；如果過于潮濕，土垡不易破碎。 3．堅實度 當壓實非密實土壤時，使其壓痕為 1～ 2所需的力稱為單位壓實力 )/( 30 以一定斷面形狀（圓形、錐形等）的柱塞壓入土壤，其壓陷深度為0用在土壤上的平均壓力稱為土壤的堅實度0p，則有 )/( 2000 土壤堅實度同土壤的質(zhì)地和含水量有密切關(guān)系。堅實度越 大，土壤承受能力及開挖阻力越大。 19 4．內(nèi)摩擦力和外摩擦力 在土壤內(nèi)部，土粒與土粒之間的摩擦力稱內(nèi)摩擦力，一般與土粒間的接觸面形狀、作用在接觸面上的正壓力和土壤濕度有關(guān)。土壤沿著工作部件表面滑動時，產(chǎn)生的摩擦力稱外摩擦力。當外摩擦力大于內(nèi)摩擦力和附著力時，工作部件的表面就要粘土。因此，在設(shè)計挖坑機械時，應盡量減少外摩擦力。 5．土壤的抗剪強度 在外力作用下，土壤會出現(xiàn)相對位移，阻止這種相對位移的土壤內(nèi)部阻力稱為土壤的抗剪強度。大量試驗表明，當土壤破壞時，正應力 ? 和剪 應力τ之間存在著線性關(guān)系，有?? 。式中： C 為土壤的凝聚力，i?為土壤的內(nèi)摩。擦角抗剪強度在很大程度上決定著開挖質(zhì)量和能量的消耗，與土壤顆粒的大小、分布、土壤密度和濕度有很大關(guān)系。因而其在挖坑機械的設(shè)計中也是一個較為重要的參數(shù) [14]。 壤工作部件力學 土壤工作部件力學研究的目的是：定量地描述工作部件對土壤的作用，這種力學有三個發(fā)展階段 [14]： 用是反復的對之進行觀察和記錄。 別了 作用而且觀察了特定的反作用，現(xiàn)在正處于此階段。有關(guān)土壤工作部件力學的文獻都是用于定性階段。 于發(fā)展工作部件力學原理的一致性原理，在表達一種現(xiàn)象的時候，同時讓考察的各量應當有一致的明確程度。這一原理的應用，可防止過分地發(fā)展無用的次性能方程和隨之而來的復雜性。采用精確的性能方程定量地描述開挖作用的程度，需要一種完整的土壤與工作部件力學。適用于土壤工作部件力學的性能方程是少數(shù)的，且其定量評價也不是總能得到的，限制力學發(fā)展的是缺乏表達性能的基本方程式，完全力學可描述一種理想的土壤工作部件力學，對作用 可能有影響的所有簡單性能都包括在這個總的力學中。然而，由于每個性能并不是總起作用的，一種性能的出現(xiàn)與消失難于察覺和估計，因而出現(xiàn)了一種建立在單一性能方程基礎(chǔ)的局部力學，它可在土壤動力學中解決特殊問題，在完全力學最終發(fā)展起來之前，只可能發(fā)展局部土壤工作部件力學，局部力學與完全力學的差別之一，完全力學適用于工作部件對土壤進行作業(yè)的一切可以想手扶式挖坑機 20 象到的情況不受限制，而局部力學將受到一些限制，應用局部力學可能解釋觀察到的開挖作用。傾斜工作部件是在應用局部力學分析的一個工作部件，在分析這一簡化部件的作用時，應用了描述開挖 作用的四個性能方程 [15]： （ 1）土壤與金屬的摩擦 （ 2）剪切失效 （ 3）每個土塊的加速力 （ 4）切削阻力 在具體分析開挖作用時，首先給出了土塊的受力狀態(tài)，給出了傾斜工作部件與土壤之間的摩擦力，從而應用了第一個性能方程。在確定剪切面與最大主應力之間夾角時，應用分析剪切失效的摩爾圓，從而應用了第二個性能。通過加速度分析得出了引起加速度的速度，計算出加速度，從而得到了每個土塊的加速力應用了第三個性能。土壤的純切削阻力是小的，只有土塊中有石頭或殘根或開挖部件刃口變鈍時，切削阻力才顯重要，不存在上述情況時，在總阻 力中忽略切削阻力，從而考慮了第四個性能力程 [15]。 結(jié)切割過程的分土壤切削阻力分析 切削邊以一定的壓力接觸土壤，使土壤受到擠壓和剪切，當壓力繼續(xù)增大，土壤原始結(jié)構(gòu)遭到破壞，土塊被切斷，這是刀具切土壤時所共有的現(xiàn)象。顯然，切削刃在切削土壤中運動時，遇到的阻力來自三個方面：一 是土壤原始結(jié)構(gòu)遭到破壞的阻力；二 是土壤的內(nèi)摩擦阻力；三 是土壤與切削刃邊的摩擦阻力。其中前二項之和稱為切削阻力。但是，這三項阻力是同時存在的，很難區(qū)分開來，所以在計算時，將第三項阻力也包括在內(nèi)。因此，切削阻力就是在切土過程 中，土壤作用在切削裝置上的反力。耕地過程中，切割齒在土壤中連續(xù)運動進行切割，被切割下來的土壤，其中一部分在切割刃前面形成土堆，被切割齒帶著向前移動。一部分土壤在擠壓力的作用下越過切割刃前面的土堆進入杯形切割齒內(nèi)。由此可見，在挖掘過程中切割齒除了遇到切削阻力外，還會遇到土壤進入杯形切割齒內(nèi)的阻力及帶動土堆的阻力，后二項合稱為裝土阻力。切削阻力與裝土阻力之和稱為挖掘總阻力。 21 3 鏈刀式挖坑機工作部件的設(shè)計 挖坑機的工作原理 鏈刀式挖坑機的結(jié)構(gòu)見圖 動、切割、清溝、運土等部分組成 。動力有 200刀挖坑機工作部件的耕地寬度和深度，根據(jù)工作要求可以調(diào)節(jié)。對不同土壤有較強的適應性，用途比較廣泛。 1 牽引用拖拉機 2 耕地鏈 3 減速裝置 4 挖坑機懸臂 5 排土輪 圖 3鏈刀式挖坑機 挖坑機是一種連續(xù)式挖掘設(shè)備，根據(jù)行走裝置不同可分為輪胎式和履帶式。根據(jù)工作裝置的不同，可分為鏈齒式和輪斗式兩大類。另外，由于耕地的深度和寬度不同，品種較多。按排土方式分為地面直排土、膠帶輸送機排土。地面直排土一般用于小型挖坑機，膠帶排土一般用于大型挖坑機按挖坑機刀型分為鏈斗式、鏈 鏟式、鏈齒式、圓盤銑切式、輪斗式和輪齒式等多種形式 [16]。 主動鏈輪的驅(qū)動動力由拖拉機輸出軸輸入變速箱，經(jīng)變速箱降速增扭之后傳遞給主動鏈輪。變速箱固定在支架上，拖拉機尾軸與變速箱之間以萬向節(jié)連接，變速箱固定在拖拉機尾部。工作時，拖拉機以速度 過控制拖拉機輸出軸轉(zhuǎn)速和變速箱，手扶式挖坑機 22 帶動主動鏈輪，使耕地鏈條以線速度 坑機工作臂內(nèi)有液壓張緊缸，在新型耕地鏈條伸張時，可以張緊鏈條。 參照傳統(tǒng)的挖坑機，對鏈式挖坑機其基本結(jié)構(gòu)研究可以對其分為四大部分：工作部件；動力傳動系統(tǒng)；機身和安全 裝置等 [16]。 （ 1）工作部件：工作部件包括完成主要工作的主動型工作部件和完成輔助工作的從動型工作部件。主動型工作部件是以特種鏈條帶動的切削刀片。鏈條帶動刀片做往復運動繼而進行挖土工作。 （ 2）動力傳動部件：機械式的驅(qū)動系統(tǒng)主要包括萬向傳動和齒輪傳動兩部分，其動力來自拖拉機的動力輸出軸。萬向傳動是通過帶有空間可變角度的成對使用的萬向節(jié)傳遞動力，適用于可變軸線位置的傳動，它連接在拖拉機的動力輸出軸和挖坑機的減速箱之間。齒輪傳動是一級或兩級以上的減速裝置，用于成倍地降低動力輸出軸的轉(zhuǎn)速并改變動力傳遞方向，最終 將動力傳遞給挖坑機鏈輪并帶動耕地鏈進行耕地工作。 （ 3）機身： 包括機架和成型器。機架是挖坑機的骨架；所有部件均連接在機架上。目前我國旋轉(zhuǎn)挖坑機多采用平行梁架，用鋼管或槽鋼焊合而成。成型器位于機架的尾部，工作時起穩(wěn)定作用，并可刮出溝底和溝壁，保持溝型整齊、干凈。 （ 4）安全裝置：安全裝置的作用是防止旋轉(zhuǎn)挖坑機過載（或過載時的保護措施），保護拖拉機的動力輸出軸和挖坑機的傳動系統(tǒng)。使用最多的是摩擦片式安全離合器，一般安裝在挖坑機傳動系統(tǒng)的輸入端。此外，變速箱設(shè)計有一個倒速檔位，可以在過載卡住鏈條時，倒速運轉(zhuǎn)，退 出卡在重土壤中的鏈條。 鏈式挖坑機由普通拖拉機提供動力，主要由變速器，工作臂梁架，耕地器，液壓升降部件和分土器等部分組成。挖坑機工作時，動力由拖拉機后輸出軸輸出至變速器，經(jīng)過變速傳遞給耕地部分，工作臂通過液壓系統(tǒng)控制使其后傾一定角度，置于其上的耕地鏈與土壤作用，在機組前進的同時，耕地鏈斜向下伸出切土，繼而開出斜溝，耕地同時，利用耕地鏈將沙土帶出溝，并由分土器將沙土攤開于溝沿兩側(cè)。處于工作狀態(tài)的挖坑機示意圖如圖 3地鏈工作時后置前傾一個角度，耕地時，在機組前進的同時，耕地鏈條等工作部件旋轉(zhuǎn) ,斜向下伸出切 土 ,逐漸開出一段斜溝，同時將沙土帶出溝，并由分土器將沙土推開。 23 圖 3坑機示意圖 式挖坑機的特點 （ 1） 工作效率高。挖坑機屬連續(xù)挖掘工作裝置，集挖掘和排土于一體而挖掘機屬于半連續(xù)挖掘工作裝置，其輔助作業(yè)時間多，如旋轉(zhuǎn)卸土、再旋轉(zhuǎn)歸位。所以挖坑機的挖溝速度與挖掘機相比，工效可以提高 3～ 5 倍，尤其對挖掘窄深溝槽，效果更為明顯。 （ 2） 超挖量小。使用挖掘機挖溝，超挖量大，溝的橫截面呈倒三角形。溝的邊緣不整齊，施工時不僅挖掘量大，回填量也大。而專用挖溝機則可以根據(jù)不同管道直徑選擇不同寬度 的裝置，溝的橫截面呈矩形。并且挖掘量和回填量都恰到好處據(jù)統(tǒng)計，二者相比，取土量后者少，總的施工成本可大大節(jié)約。 （ 3） 工作速度快，提高工期完成速度。以光纜鋪設(shè)為例，用來鋪設(shè) 1～ 2 在人工挖掘約 50 2 人每天最多可挖 15 m 長。利用本項目成果的光纜鋪設(shè)裝置，每小時可開挖 8 2 00 m。每天按 8 小時計算，提高挖掘工效 100 多倍。并且可挖重土壤，如巖石等。 （ 4）對于較硬地面，挖坑機可以直接作業(yè)，不需要爆破松動。 作部件基本參數(shù)的選 擇 工作部件基本參數(shù)的選擇如圖 3于動力載荷作用在鏈刀上以及切削土壤手扶式挖坑機 24 磨損因素的結(jié)果，使其工作鏈刀的速度受到一定的限制。對于礦物質(zhì)土壤工作時，鏈刀速度～ 2m/s[17]。 圖 3向挖坑機工作部件基本參數(shù)和切削土壤狀態(tài)圖 鏈刀工作部件水平移動的工作速度 y ? ? (3 式中： ? —— 理論生產(chǎn)率 B —— 溝寬（ m） H —— 溝深（ m） 鏈刀運動的絕對速度 c o ? （ m/s） (3中： 鏈刀速度 (m/s) 鏈刀工作部件水平移動的工作速度（ m/s） 25 s?—— 工作鏈刀對水平面的傾角，一般取 ?48 ～ ?65 ，此角影響鏈刀之間土壤的充滿程 度。 鏈刀絕對速度向量的傾角 ? 按下式計算： V V ?? ? ?? c os s n（ 3 鏈刀高度 若增加鏈刀高度，則鏈刀遇到障礙時，鏈式工作部件里的負荷就會增加。 刀片節(jié)距片切削厚度 ? ： )s ??? ?? (3挖坑機運動速度與鏈刀的切削厚度的協(xié)應關(guān)系如圖 3根據(jù)該圖，可以得出二者的關(guān)系如下： 11 0 0 0s ??? ??3 圖 3坑機作業(yè)速度與切削厚度的協(xié)應 ?????c a nc ????V 由于實際耕地過程中， V ?? ，所以上式可以簡化為： ?? ，則可知： ??? ??2。即 ? 、 ? 近似互余。 當在合理切削土壤的條件下可采用下式： 手扶式挖坑機 26 )(15~10 mb c??(3式中： 刀片節(jié)距（ m） 刀片厚度（ m） 對于 是暗渠的溝寬 B。 作部件的切削厚度c?： 99 )1( Z ??? （ m） (3對于預選的刮刀高度和節(jié)距應當驗算其輸送能力，正確的選擇鏈刀高ch、 (3 式中： ? —— 給定的生產(chǎn)率（ )/3 ?? —— 鏈刀式工作部件按排出能力計算的生產(chǎn)率（ )/3 土壤松散系數(shù) ? —— 與鏈條運動速度有關(guān)的散開系數(shù)。見表 3 表 3土壤散開系數(shù) )/( ? 于土壤散開系數(shù)和鏈刀的運動速度有直接關(guān)系，所以需要對鏈刀的運動速度進行研究。耕地時，刀鏈受到動力的驅(qū)動和土壤阻力的作用，刀刃和鏈節(jié)軸承將發(fā)生磨損和曠動，為了保證作業(yè)質(zhì)量和避免過分的振動，對刀鏈的運動速度須作一定的限制。根據(jù)試驗，前蘇聯(lián)學者推薦的刀鏈線速度 v c 值為：沙性土 1～ 2m/s;泥炭土 3～ 4m/s[18]。本課題中取鏈刀運動速度為 s，則相應的土壤散開系數(shù)為 ??? 27 對于鏈刀的排土能力的計算生產(chǎn)率， 可以通過鏈條水平傾角與土壤的自然休止角進行比較得出：其比較原理如下： 當 ??時， )]t 21[3 6 0 0 ??? ???? （ )/3 (3當 ??時，ct )(3 6 0 0 ??? ???( )/3 (3當 ?? ? ?（ )/3 (3式中： 鏈刀高度（ m） ? —— 松散土壤的自然休止角 刀片節(jié)距（ m） 刀片寬度（ m） 鏈刀速度（ m/s） 對于土壤的自然休止角，是土壤自然條件下，不滑坡的最大傾斜角度，實際土壤試驗中可以利用休止角測定儀進行土壤休止角的測量，本文根據(jù)實際耕地情況，重壤土的休止角為 3