迷你種植機設計【7張CAD圖紙及說明書全套】【YC系列】

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The design of the planting machine with hydraulic drive, its main body, chassis, lifting mechanism, spiral planting, hydraulic systems and other accessories. The design is first, by carrying out of the current situation at home and abroad planting machine, structure and principles of analysis presented in this analysis of the overall structure of the program on the basis of planting machine; then, the major constituent parts of a detailed design verification and validation stability of the machine; then its hydraulic system has been designed, including hydraulic schematics and other components of the preparation and selection; and finally, through AutoCAD drawing software to draw a planter assembly drawing and major components Fig. Through this design, the consolidation of the university is the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, material mechanics, hydraulic transmission, tolerance and interchangeability theory, mechanical drawing and the like; mastered the design of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD mapping software, the future work of great significance in life. Keywords: Planting machine, Lifting mechanism, The screw shaft, Hydraulic system 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 第1章 緒論 1 1.1引言 1 1.2國內外研究現(xiàn)狀 1 1.2.1國內研究現(xiàn)狀 1 1.2.2國外研究現(xiàn)狀 2 第2章 總體方案設計 4 2.1設計要求 4 2.2 種植機的類型 4 2.3方案選擇 4 2.3.1根據(jù)用途和作業(yè)條件選擇 4 2.3.2根據(jù)土質和所需洞穴大小選擇 5 2.3.3方案確定 5 第3章 各主要零部件的設計與選擇 6 3.1車體部分設計 6 3.2底盤部分設計 6 3.3提升裝置設計 7 3.3.1動臂設計 7 3.3.2斗桿設計 11 3.3.3連桿、搖臂參數(shù)的選擇 12 3.4螺旋種植裝置的設計 13 3.4.1螺旋直徑 13 3.4.2功率計算 14 3.4.3 螺旋及螺旋方向的確定 14 3.4.4 螺旋葉片類型及尺寸的確定 15 3.4.5螺旋軸的設計 16 3.4.6挖頭設計 19 3.5整機穩(wěn)定性分析 20 第4章 液壓系統(tǒng)設計 22 4.1液壓系統(tǒng)回路設計 22 4.1.1液壓系統(tǒng)基本回路選擇 22 4.1.2液壓系統(tǒng)原理圖 24 4.2執(zhí)行元件的選擇 25 4.2.1液壓缸的選擇 25 4.2.2馬達的選擇 25 4.3動力元件的選擇 28 4.3.1液壓泵的選擇 28 4.3.2柴油發(fā)動機的選擇 29 4.4液壓閥的選擇 30 4.5其他輔助元件的設計與選擇 31 4.5.1油箱設計 32 4.5.2油管設計 32 4.5.3蓄能器的選擇 33 總 結 34 參考文獻 35 致 謝 36 37 閩南理工學院畢業(yè)設計 第1章 緒論 1.1引言 從國家林業(yè)局公布的第六次全國森林資源調查結果來看，目前我國森林資源現(xiàn)狀是：林業(yè)用地面活立木總蓄積量為124.9億m3；森林蓄積量為112.7億m3；除臺灣省外，全國人工林面積為46666.7萬m3；人工林蓄積為10.1 億m3。從以上調查數(shù)字可以看出，全國森林覆蓋率為16.55%，僅相當于世界森林覆蓋率(27%)的61.3%；我國人均森林面積和人均森林蓄積分別相當于世界人均水平的1/5 和1/8，遠遠低于世界平均水平。我國在“十二五”規(guī)劃中，把生態(tài)環(huán)境建設擺到了突出的戰(zhàn)略位置。我國三北及長江流域防護林體系建設工程、退耕還林工程、積為26329.5萬hm2；森林面積為15894.1萬hm2；速生豐產用材林基地建設工程等六大林業(yè)重點工程的制定和實施，體現(xiàn)了黨中央、國務院對我國生態(tài)環(huán)境建設的高度重視，受到社會各界廣泛關注，農民群眾普遍歡迎。近年來，人們越來越重視身邊的生態(tài)環(huán)境，“植樹造林，保護環(huán)境”已成為全民參與的一項大型義務活動。然而，人工造林效率低、速度慢且勞動強度大，而機械化造林則是大勢所趨，不僅可以提高勞動效率、減輕勞動強度，還能保證造林質量、降低生產成本、提高經(jīng)濟效益[1]。 1.2國內外研究現(xiàn)狀 1.2.1國內研究現(xiàn)狀 在國內，懸掛式種植機的生產和應用較為廣泛，內蒙古赤峰田豐農林機械廠、山東大豐機械有限公司、哈爾濱林業(yè)福馬機電設備公司及寧夏自治區(qū)農業(yè)機械研究所等10余家單位進行了研究、制造和銷售。該類種植機通常具有較大的功率，機動性較強，能挖較大和較深的坑，大多應用于大面積植樹造林，應用范圍也比較廣[2]。 1) 內蒙赤峰田豐農林機械廠生產的3WH-60 型懸掛式種植機（如圖1 所示），結構合理，使用方便靈活，易于操作，每小時可挖80-150 個坑。其可與多種型號36.8kW 以上拖拉機配合使用，用于大面積植樹造林及工業(yè)種植。種植直徑250~600mm，深度0-1200mm，適用于平原、丘陵及沙地作業(yè)。 2) 山東大豐機械廠生產的“大豐王”系列種植機WKJ-60/70（如圖2 所示）可與18.4k-36.8kW 的 多種拖拉機配合使用，種植直徑400-800mm（可根據(jù)用戶要求特別制作），深度650-800mm，轉速248r/min，每小時可挖60 個坑。 圖2 WKJ-60/70 種植機 3) 哈爾濱林業(yè)福馬機電設備公司生產的懸掛式種植機（如圖3 所示）可與鐵牛40.4kW 或18.4kW以上的具有動力輸出和懸掛裝置的拖拉機配套，種植直徑為250-600mm，種植深度為0-800mm，種植效率為120 坑/h。 4) 手提式種植機在我國剛剛嶄露頭角，適用于家庭或地形復雜地區(qū)的小面積植樹造林，也可用于打樁和樹木追肥種植。如哈爾濱林業(yè)福馬機電設備公司生產的3WS-2.8 型手提式種植機（如圖4 所示），采用051A-1型發(fā)動機，最大功率為2.8kW，轉速為280-320r/min，種植尺寸（坑徑×深度）為φ320mm×500mm，質量為17.6kg。該機主要應用于地形復雜的山地、丘陵區(qū)和溝壑區(qū)，在坡度35°以下的荒山荒地、次生林地以及黃土高原的溝坡進行種植或整地。 圖4 3WS-2.8 型手提式種植機 1.2.2國外研究現(xiàn)狀 相比之下，國外的研究狀況要好一些。由日本生產的自走式高性能種植整地機采用柴油機作動力，行走腳與輪胎組合行走裝置為全液壓式，平時用輪胎行駛，坡地靠行走腳行走，適用于坡度高達56°的陡坡林地作業(yè)。作業(yè)時，4 只腳可上下、左右移動，并能保證包括駕駛室在內的機器上半部始終呈水平狀態(tài)。該機的液壓臂端部可安裝液壓式割灌機或種植機，每天可挖植樹坑300-400個，實現(xiàn)了一機多用。 圖5 日本生產的種植機 英國生產的05H8300 型懸掛式種植機（如圖6所示）和美國生產的懸掛式三鉆頭種植機（如圖7所示）鉆頭之間的距離是可調節(jié)的（既行距可調），適用于平原地區(qū)的大面積植樹造林，工作效率很高[2]。 圖6 英國產05H8300 式種植機 圖7 美國產懸掛式鉆頭種植機 美國和加拿大生產的手提式種植機，發(fā)動機與鉆頭采用分離式，通過液壓傳動驅動鉆頭工作。美國生產的HYD-TB11H 型液壓種植機（如圖9 所示）質量為170kg，最大流量為22.7L/min，最大轉速為141r/min，鉆頭最大扭矩349N·m。 圖9 美國產HYD-TB11H 型液壓種植機 第2章 總體方案設計 2.1設計要求 （1）目的要求 設計可以更加方便種植 （2）技術要求 液壓系統(tǒng)的設計要合理，動臂與支撐桿操作方便安全，螺旋軸的設計要合理。 （3）工作要求 每小時種植達到80-150個，便于移動。 2.2 種植機的類型 種植機的種類很多。如果按與配套動力的掛接方式對其進行分類，可分為懸掛式種植機；手提式種植機、牽引式種植機和自走式種植機[3]。按種植機上配置的鉆頭數(shù)量可分為單鉆頭、雙鉆頭和多鉆頭掘坑機。種植機的鉆頭根據(jù)形狀可分為螺旋式鉆頭螺旋帶型鉆頭、葉片型鉆頭和螺旋齒式鉆頭等。對于懸掛式種植機，機器懸掛在拖拉機上主要用于地形平緩或拖拉機可以通行的地方，鉆頭的升降由拖拉機手通過拖拉機液壓系統(tǒng)操縱，種植直徑和深度都比較大，也可以多鉆頭同時作業(yè)。對于手提式種植機，機器與汽油發(fā)動機裝配成整體，由單人或雙人手提操作，質量較輕，適用于拖拉機不能通過的地形復雜的山地、丘陵和溝壑地區(qū)，種植直徑和深度都比較小，也可用于果樹的追肥及埋設樁柱。牽引式種植機的機器裝在小車上，由拖拉機牽引，掛接方便，不受拖拉機結構限制，但結構復雜，機動性差。自走式種植機設計成整體自走式，種植機本身自帶動力，通過性較好，技術含量和自動化程度較高，價格昂貴。后兩種種植機由于局限性較大，在我國應用較少。單鉆頭種植機在我國應用比較普遍，多鉆頭種植機則比較少見。種植機的鉆頭形狀多為螺旋式或螺旋帶型。 2.3方案選擇 2.3.1根據(jù)用途和作業(yè)條件選擇 如果用于山上、坡地種植小樹苗，可以選用小型挖穴機，它的配套動力在4千瓦以下，開挖直徑約30厘米，深度30-40厘米。目前國產小型種植機有以下機型可供選擇[3]:①中國農機研究院耕作所研制的與2.2-3.7千瓦手扶拖拉機配套的種植機，種植直徑20-30厘米，深度20-40厘米，生產效率100-150個/小時。②中國第一拖拉機股份公司生產的東方紅-IW20/30挖穴機，汽油發(fā)動機功率3.7千瓦，機重23.5千克，使用時由2個人握住挖穴機的手柄即可操作。③山東招遠市日強農機有限公司生產的DT-ZB4型植樹種植機，它采用二沖程3.7千瓦汽油機作動力，種植直徑36厘米，種植深度60-120厘米，機重23千克，每1.2分鐘可種植1個。如果用于小塊地或城鄉(xiāng)結合部植樹，可以選用與小四輪拖拉機配套的中型種植機，其開挖直徑約30-50厘米，坑深40-50厘米，例如南昌旋耕機廠生產的IW-60型種植機如果用于工程施工，則應選用大型種植機，它與40.4千瓦(55馬力)以上輪式或履帶式拖拉機配套，種植直徑50~60厘米，坑深70-100厘米，例如，云南省熱帶作物機械廠生產的種植機，它由東方紅75型履帶式拖拉機驅動，可以開挖底徑60-80厘米、深70厘米的穴坑，生產率為90個/小時， 機重485千克。 2.3.2根據(jù)土質和所需洞穴大小選擇 如果所需洞穴直徑在30厘米、深度在40厘米以下，又是沙壤土，功率消耗較少，可以選用小型種植機；如果所需洞穴直徑為40一60厘米、深60一70厘米，宜選用中型種植機；如果所需洞穴直徑在70厘米、深在80厘米以上，又是粘重土壤或者有巖石，則應選用大型種植機。 2.3.3方案確定 綜上述本次選用小型液壓式種植機，結構形式如下圖示： 該種植機主要包含：車體、提升機構、油缸、馬達、螺旋軸、液壓系統(tǒng)等。 第3章 各主要零部件的設計與選擇 3.1車體部分設計 種植機車體部分與同級別種植機類似，由發(fā)動機、液壓泵、回轉馬達、控制閥、控制室、剛性平臺等組成，車體部分與底盤部分通過回轉支承連接，因此車體部分可以相對底盤部分360°回轉。 車體部分的主要構成見均為液壓及動力系統(tǒng)，該部分的設計在后面的液壓系統(tǒng)設計中將詳細進行說明，本節(jié)不再說明。 3.2底盤部分設計 考慮到移動的方便性，本次采用輪式底盤，采用整體式驅動橋，驅動輪用液壓馬達直接驅動。橋殼的靜彎曲應力計算： 橋殼猶如一空心橫梁，兩端經(jīng)輪轂軸承支承于車輪上，在平板座處橋殼承受種植機的簧上質量，而沿左右輪胎中心線，地面給輪胎以反力/2（雙胎時則沿雙胎之中心），橋殼則承受此力與車輪重力之差值，即，計算簡圖如圖3-1所示。 圖3-1橋殼靜彎曲應力計算簡圖 橋殼按靜載荷計算時，在其兩座之間的彎矩M為 式中：——種植機滿載靜止與水平路面時驅動橋給地面的載荷，N； ——車輪（包括輪轂、制動器等）的重力，N； ——驅動車輪輪距，m; ——驅動橋殼上兩座中心距離，m. 由彎矩圖可見，橋殼的危險斷面通常在座附近。通常由于遠小于/2，且設計時不易準確預計，當無數(shù)據(jù)時可以忽略不計。而靜彎曲應力則為 式中：——見彎矩公式； ——危險斷面處橋殼的垂向彎曲截面系數(shù)。見表3—1。 表3-1 截面系數(shù) 斷面形狀 垂向及水平彎曲截面系數(shù) 扭轉截面系數(shù) 圓 3.3提升裝置設計 3.3.1動臂設計 由于鏟斗容量＝0.11m3，根據(jù)國內外液壓種植機有關設計標準，通過類比法，選出參數(shù)機重＝5噸。 又根據(jù)經(jīng)驗公式計算法，參考表1-3機體尺寸和工作尺寸經(jīng)驗系數(shù)表①，線尺寸參數(shù):=m 得出:最大種植半徑—=3.35×=5.728m； 最大種植深度—=2.05×=3.505m； 最大卸載高度—＝1.55×=2.65m； 據(jù)統(tǒng)計，最大種植半徑值一般與+ + 的和值很接近。因此由要求，已定的和可按下列經(jīng)驗公式初選、： 　　　　　　　?。? 　=K 其中：=5.728m；＝1.8； 經(jīng)計算得出：=1.759m；= =1.8×1.759=3.166m 在三角形CZF中，、和都可以根據(jù)經(jīng)驗初選出： 其中：—動臂的彎角，采用彎角能增加種植深度，但降低了卸載高度， 但太小對結構的強度不利，一般取120°～140°，取＝140°； —前面已算出為3.166m； —動臂轉折處的長度比，一般根據(jù)結構和液壓缸鉸點B的位置來考慮，初步設計?。?.1～1.3，?。?.2； 因此根據(jù)公式：可以算出、、 圖2-5 動臂實際尺寸 l＝　　　　　　　　 l＝K l α=∠ZCF＝arccos() 經(jīng)計算得出：ZC= =1.529m； ZF= =1.834m； =17.9° 如圖2－5所示。　　　　　 動臂液壓缸全伸與全縮時的力臂比K4按不同情況選取，專用反鏟可取＜0.8；以反鏟為主的通用機，＝0.8～1.1；斗容量1m3左右的通用機，則可取＝1。 本設計中?。?。 的取值對特性參數(shù)、最大種植深度和最大挖高有影響。 加大會使減小或使增大，這下符合反鏟作業(yè)要求，因此基本用作反鏟的小型機?。?0°。本設計中?。?0°。 斗桿液壓缸全縮時=最大（圖2－6），常選（）=160°～180°. 本設計中?。ǎ?70°。 取決于液壓缸布置形式，動臂液壓缸結構中這一夾角較 圖2-6 最大卸載高度時動臂機構計算簡圖 小，可能為零。動臂單液壓缸在動臂上的鉸點一般置于動臂下翼加耳座上，B在Z的下面。初定∠BCZ=5°，根據(jù)已知∠CZF=22.1° ，解得∠BCF=17.1°。 由圖2-6得最大卸載高度的表達式為 　式（3-4） 由圖2-7得最大種植深度絕對值的表達式為 將這兩式相加，消去， 并令＝＋，＝+-，得到： ＋－［- -A)］+［-1=0 又特性參數(shù)：＝ 圖2-7 最大種植深度時動臂機構計算簡圖 因此　　　　　?。? 　　　　　　　　=) 將上式代入式（3-6）則得到一元函數(shù)f()=0。式中和已根據(jù)經(jīng)驗公式計算法求出，經(jīng)計算得出：=29.6°；=73.5° 最后由式（3-5）求為：= ==0.638m （其中：=3.166m；=1.759m；=97.1°；由于履帶總高＝0.32·=0.547，近似取=0.65m）然后，解下面的聯(lián)立方程，可求σ和ρ： 　　　　　=arcos()=arc() =arcos()=arc() 式（3-10） 于是：　　　= =λx =σ· 經(jīng)計算得出：＝1.63；＝0.67；=0.952m；＝1.52m；=1.61m 得到的結果符合下列幾何條件：+=2.36≥；|- ︳=0.96≤1 3.3.2斗桿設計 第一步計算斗桿種植阻力： 斗桿種植過程中，切削行程較長，切土厚度在種植過程中視為常數(shù)，一般取斗桿在種植過程中總轉角=50°～80°,?。?5°，在這轉角過程中，鏟斗被裝滿，這時半齒的實際行程為： 其中：—斗桿種植時的切削半徑，； 取＝＝1.759＋0.803＝2.562m 斗桿種植時的切土厚度可按下式計算：＝ 斗桿種植阻力為： 式中—種植比阻力，由表0－10①查得，＝20（III級土壤以下） 　　—土壤松散系數(shù)近似值取1.25。 斗桿與鏟斗和之間，為了滿足開挖和最后卸載及運輸狀態(tài)的要求，鏟斗的總轉角往往要達到150°～180°， 　　　　　　　 　　　　　　　0.866＝ 計算得：＝＝1.137m 把、、、、代入式3-12得 　　　　?。?.48KN 第二步確定斗桿液壓缸的最大作用力臂。 　　?。絤 其中：根據(jù)經(jīng)驗公式計算法得出＝13.96KN 斗桿液壓缸初始力臂與最大力臂之比是斗桿擺角的余弦函數(shù)。設,則 　　　　?。? 由圖2－7，取，求得：＝＝1.203m （其中斗桿擺角范圍大致在105°～125°，?。?05°） ==1.588m 3.3.3連桿、搖臂參數(shù)的選擇 從幾何可容性與結構布置的角度對鏟斗機構的要求考慮，必須保證鏟斗六連桿機構在全行程中任一瞬間時都不會被破壞，即保證△、△及四邊形在任何瞬間皆成立。根據(jù)鏟斗六連桿機構的要求，借助電子計算機選出可行的方案： 0.27m；0.156m；0.195m；0.312m；0.3m 3.4螺旋種植裝置的設計 已知數(shù)據(jù) 1)輸送高度H=0.8m； 2)土壤松散密度r=2t/m3（所查土壤的實體密度ρ實=2.6~2.8t/m3） 3)轉速n0=300r/m(此是所要求的鉆頭轉速) 4)物料填充系數(shù)ψ=0.6（經(jīng)驗數(shù)據(jù)垂直螺旋種植機的填充系數(shù)ψ>0.5，由[2]中知港口使用的垂直螺旋卸船機ψ=0.7~0.8，故估算ψ=0.6） 3.4.1螺旋直徑 根據(jù)[1]螺旋能力公式Q=ψvs*r (1) ψ-填充系數(shù) v-物料的平均提升速度，m/s s-螺旋螺旋斷面積，m2 r-物料的松散密度 當物料在垂直螺旋部分每轉上升距離為1/2螺距，則輸送能力的計算公式為 所需螺旋種植機的螺旋直徑D，取決于其所挖土壤的粘性。對沒有強烈粘性的物料，可按下面公式[11]計算：D≥K 式中： ---- 種植量542.6(t/h)； ---- 螺旋直徑（m）； ρ------物料的堆積密度2(t/m3)； ---- 螺旋輸送機傾角系數(shù)1.0； ψ---- 物料在輸送槽體中的填充系數(shù)為0.6 ---- 物料的綜合特性系數(shù)； 根據(jù)連續(xù)種植機械設計手冊查表，=40， K=0.0537 將K值代入(3)式得D≥ K=619.6mm。 要求取值一定大于上式所求之值，圓整的D=620㎜。 同時螺距s=D=620mm 如果種植的粘性較大，則應該用料塊的許用粒度來校驗所求得的螺旋葉片直徑。 對于未分選物料 D≥（8-10）d (mm) （4） 對于分選物料 D≥（4-6）dk (mm) （5） 兩式中: d ---- 物料的平均塊度 dk---- 物料的最大塊度 從以上三個公式(3)(4)(5)求得的兩個螺旋葉片直徑中選取較大者，并將其圓整為與其相近規(guī)格的標準螺旋直徑作為該輸送機的螺旋葉片直徑。 3.4.2功率計算 垂直螺旋種植鏟的軸功率計算公式 其中： Q—螺旋能力 Q=542.6t/h —螺旋種植效率 —絕對速度與水平線間夾角 —螺旋葉片螺旋角，推薦 —土壤與螺旋表面之間的摩擦角（） 則可相應地土壤與外殼間摩擦系數(shù)，由[3]中，知摩擦角，由此查［１］中表15-24。可得， 由[3]式， 3.4.3 螺旋及螺旋方向的確定 螺旋可以是右旋或左旋的，單線、雙線或三線的，一般情況下是單線的，在本次設計采用單線。 螺旋種植鏟中土壤的方向決定于螺旋葉片的左右旋向與其轉動方向。確定物料輸送方向方法較多，這里主要有兩種：一種是左，右手辨別法：首先判定螺旋葉片盤旋方向是左旋還是右旋，右旋用左手，四指所握方向是軸旋轉方向，則大拇指所指方向為土壤輸送方向：若是左手使用右手，四指所握方向是軸旋方向，則大拇指所指方向為土壤輸送方向。另以方法是認定軸的一頭對著自己，若軸旋方向同于葉片在軸上盤繞的方向，則土壤朝著自己方向運動；若軸轉動方向異于葉片子軸上盤旋方向，則土壤朝著自己反方向運動。 3.4.4 螺旋葉片類型及尺寸的確定 螺旋種植鏟的葉片有實體型、帶式、葉片型及齒形四種。據(jù)實際情況宜采用帶氏螺旋，這也是常用的形式。按設計的直徑、螺旋和厚度通過帶鋼材連續(xù)冷軋而制成整體螺旋葉片，安裝在給定尺寸管軸上組成螺旋體；（2）分段式螺旋葉片是將葉片制成等螺距的單片，然后將每個單片彼此對焊在一起構成螺旋體。制成的螺旋體在轉動過程中應具有一定的剛度，與機殼保持一定的間距。由于分段式螺旋葉片不需要大型專用設備，可以按需要制成需要制成異形的、大直徑的、加厚的、要求淬火的及特殊材質的葉片。分段式實體型螺旋葉片通常是將薄鋼板經(jīng)下料后用模具冷壓或熱壓制成。所以本次設計中采用分段式螺旋葉片。其下料尺寸如下圖12所示： 則L== =2043 mm L===798 mm d—螺旋軸直徑（由后面計算得為160mm） D—螺旋葉片直徑(取620mm) S—螺距(取620mm) L—螺旋葉片料坯外孔弧長度 L—螺旋葉片料坯內孔弧長度 R/r=L/L 即r=L/L.R b=R-r →R=r+b 則 r=L+b/L-1 所需螺旋個數(shù) X=L＇/S=6200/620=10(這里的L＇是根據(jù)滾筒的長度來算的) 根據(jù)具體設計用5mm鋼板來切割出圓環(huán)?？筛鶕?jù)公式求出圓心角a， a=(2πR-L)/2πRx360°=5.8° 3.4.5螺旋軸的設計 1）選材及熱處理 一般情況下選45號鋼，調質或正火；也可用35、40、50號鋼，不重要或受力較小的軸可選用Q235、Q275。高速重載下，可選合金鋼，可對軸頸表面淬火。（低碳鋼的可滲碳-淬火）但對應力集中敏感，應在結構設計中充分注意。球墨鑄鐵吸振性好，對應力集中不敏感、耐磨。具體材料與機構性能詳見表[7]，選擇45號鋼[11]，調質處理，該軸硬度為170HB-217HB，彎曲應力=590 Map ，=295 Map ，=255 Map ，=140 MPa ，「」=55 MPa 2）軸的結構設計 由于本螺旋種植鏟的種植深度是500mm，了提高軸的剛度和抗彎強度，因此空心軸根據(jù)實際生產經(jīng)驗，查表初步選擇160*40的鋼管，即外徑為160毫米，壁厚為40毫米。 3）軸的校核 雖然土壤在軸四周被均勻輸送，螺旋軸在旋轉時，由于自身的重力和焊在其上面的螺旋葉片的重力，此軸不僅受扭矩還受彎矩，所以在此需要校核其扭矩及彎矩的強度和剛度。 由于所選的螺旋葉片螺距S=620㎜，種植深度為500m，該螺旋葉片的導程P=620mm，據(jù)L=nS可知有10個螺距。 4）估算軸的直徑 軸的直徑計算式[19]： 空心軸 d≥ = =90.5<300mm 式中: d —— 軸的直徑； P —— 軸傳遞的額定功率(Kw)； n —— 軸的轉速(r/min)； —— 按[]而定的系數(shù)126～103，見機械設計手冊； —— 空心軸的內徑與外徑之比，取=0.5； 根據(jù)軸的扭轉強度條件公式≤「」 式中: ---扭轉切應力，單位為（MPa）； T---軸所受的扭矩，單位為（N.m）； ---軸的抗扭截面系數(shù)（）； []---軸的許用轉應力25～45()見機械設計手冊； =43。27MPa＜「」 所以軸徑160mm符合設計需要。 表4 軸的材料參數(shù)表 軸的材料 Q235-A20 Q275 35 45 40Cr等高強度鋼 [] 15-25 20-35 25-45 35-55 A 149-126 135-112 126-103 112-97 注：①表中所給出的[]值是考慮了彎曲影響而降低了的許用扭轉剪應力。 ②在下列情況下[]取較大值，A取較小值；彎矩較小或只受扭矩作用，載荷較平穩(wěn)，無軸向載荷或只有較小的軸向載荷，減速器的低速軸，軸單向旋轉。反之，[]取較小值，A取較大值。 ③在計算減速器中間軸的危險截面處（安裝小齒輪處）的直徑時，若軸的材料為45號鋼，可取A=130-165。螺旋軸直徑為160㎜，壁厚為40mm，空心軸。 軸的疲勞強度校核 由扭矩T形成的扭轉剪應力為τ=T/WT WT抗扭截面系數(shù)(WT=л(1-а)/16)， а=d/D 根據(jù)已知P、n可得出：M=95499549=24.403 N.m 對于直徑為d的圓軸彎曲應力為δ=M/W，扭轉切應力τ=T/WT=T/2W將和代入式【3】中則軸的彎扭強度條件為：= 其中T= 通常由彎矩所產生的彎曲應力是對稱循環(huán)變應力，而由扭矩所產生的扭轉切應力則不是對稱循環(huán)變應力。為了考慮兩者循環(huán)特性不同的影響，引入折合系數(shù)，則計算應力為式中的彎曲應力為對稱循環(huán)變應力，當為靜應力時取，當為脈動循環(huán)變應力時，若為對稱循環(huán)變應力時??； 在本文中，取=0.3； 根據(jù)設計計算的需要求出已知量，方便后序計算： 空心 ： 抗彎截面系數(shù) 抗扭截面系數(shù) 極慣性系數(shù) 式中： ----抗扭截面系數(shù)； ----抗彎截面系數(shù)； ----軸截面的極慣性矩； ----空心軸內徑與外徑之比； 根據(jù)上面公式求得：T= 221.56N.m =48000㎜ 所以= =＜ 由于螺旋軸葉片均勻分布在螺旋軸上，因此它們的自重為均布載荷，螺旋軸可簡化為均布載荷作用下的簡支梁，如圖11所示 圖11 螺旋軸的受力分布圖 則螺旋軸的彎矩【6】為 = 將已知數(shù)值代入（19）式得出= 50MPa 查表【3】可知軸材料為45鋼的=590 MPa的=55 MPa 由于50<55即 <滿足彎曲扭轉強度要求。 3.4.6挖頭設計 挖頭種植時，切土、螺旋提升和拋土過程雖然簡單，但其力學摸型及計算十分復雜，而且結果定量的指導性很差。當挖頭為螺旋式、葉片內徑(即中心管)D=80ram、葉片外徑800mm、坑深1000mm時，宜采用單頭式，左旋，導程為600lnm，外徑切土入土角d外=12.5，內徑切土入土角d內=64，平均入土角d均=38.25，拋土半徑1200～1500mm，此時十分有利于原土回填。試驗表明，能夠完全滿足工作要求。試驗也證明采用單頭比雙頭易于入土，尤其在堅硬土壤情況下更能顯出其優(yōu)越性，本次挖頭設計如下所示： 圖12 挖頭設計簡圖 3.5整機穩(wěn)定性分析 種植機的穩(wěn)定性根據(jù)工況的不同可以分為作業(yè)穩(wěn)定性、自身穩(wěn)定性、行走穩(wěn)定性。本文以作業(yè)穩(wěn)定性作為穩(wěn)定性計算。種植機在種植過程中有兩種失穩(wěn)狀態(tài)即種植失穩(wěn)和卸載失穩(wěn)狀態(tài)。本文主要以種植失穩(wěn)狀態(tài)作為校核。 種植機的失穩(wěn)狀態(tài)有以下三種工況： （1）斗桿垂直于地面，斗齒尖離地面以下0.5m，用鏟斗種植，切向阻力垂直地面，法向阻力指向機體，此時傾覆邊緣在履帶前端（如圖4-1）。 測出各個零件的質量和重心的位置，并測出各個零件的重心到履帶前端的距離。 采用平衡法計算許用穩(wěn)定系數(shù)： n== (4-1) 式中 —底盤和上車總重； 、、、、—分別表示鏟斗、斗桿、副動臂、主動臂的重量，=3570N，=5740N，=6870N，= 9490N。 —各個工作機構相對于履帶前端的距離，其中=3675mm，=4047mm，=2837mm，=500mm，=3000mm，=500mm，=2832mm。 切向種植阻力=22000N，法向種植阻力=9240N。 將以上數(shù)據(jù)代入公式 (5-1)中得：n=1.8≥[n]=1 所以該工況種植機穩(wěn)定性符合要求。 （2）在最大種植深度時斗桿及鏟斗處于垂直位置，用鏟斗液壓缸種植，此時種植阻力有使整機抬起的趨勢，傾覆邊緣在履帶的后端（圖4-2）。 測出各個零件的質量和重心的位置，并測出各個零件的重心到履帶后端的距離。 采用平衡法計算許用穩(wěn)定系數(shù)： n== (4-2) 式中 、、、意義同（4-1），—種植最大深度，H=4702mm， =5699mm，=5270mm，=4926mm，=3873mm，=800mm，=5102mm。 將以上數(shù)據(jù)代入（4-2）得：n=2.1≥[n]=1 所以該工況穩(wěn)定性符合要求。 （3）在停機面上最大種植半徑處用鏟斗液壓缸種植，種植阻力有使整機后傾覆的趨勢，傾覆邊緣在履帶的后端（圖4-3）。 測出各個零件的質量和重心的位置，并測出各個零件的重心到履帶后端的距離。 采用平衡法計算許用穩(wěn)定系數(shù)： n== （4-3） 式中 、、意義同（4-1），=8948mm，=7509mm，=5698mm，=3430mm，=800mm，=8620mm。 將以上數(shù)據(jù)代入（4-3）得：n=1.7≥[n]=1 所以該工況穩(wěn)定性符合要求。 第4章 液壓系統(tǒng)設計 4.1液壓系統(tǒng)回路設計 4.1.1液壓系統(tǒng)基本回路選擇 基本回路是由一個或幾個液壓元件組成、能夠完成特定的單一功能的典型回路，它是液壓系統(tǒng)的組成單元。液壓種植機器人液壓系統(tǒng)中基本回路有限壓回路、卸荷回路、緩沖回路、節(jié)流回路、行走回路、合流回路、再生回路、閉鎖回路、操縱回路等。 （1）限壓回路 限壓回路用來限制壓力，使其不超過某一調定值。限壓的目的有兩個：一是限制系統(tǒng)的最大壓力，使系統(tǒng)和元件不因過載而損壞，通常用安全閥來實現(xiàn)，安全閥設置在主油泵出油口附近；二是根據(jù)工作需要，使系統(tǒng)中某部分壓力保持定值或不超過某值，通常用溢流閥實現(xiàn)，溢流閥可使系統(tǒng)根據(jù)調定壓力工作，多余的流量通過此閥流回油箱，因此溢流閥是常開的。 液壓種植機器人執(zhí)行元件的進油和回油路上常成對地并聯(lián)有限壓閥，限制液壓缸、液壓馬達在閉鎖狀態(tài)下的最大閉鎖壓力，超過此壓力時限壓閥打開、卸載保護了液壓元件和管路免受損壞，這種限壓閥（圖 2-1）實際上起了卸荷閥的作用。 1- 換向閥 2- 限壓閥 3- 油缸 圖2-1 限壓回路 （2）緩沖回路 液壓種植機器人滿斗回轉時由于上車轉動慣量很大，在啟動、制動和突然換向時會引起很大的液壓沖擊，尤其是回轉過程中遇到障礙突然停車。液壓沖擊會使整個液壓系統(tǒng)和元件產生振動和噪音，甚至破壞。圖 2-2 為液壓種植機器人中比較普遍采用的幾種緩沖回路。 1- 換向閥 2.3- 緩沖閥 4.5.6.7- 單向閥 圖2-2 緩沖回路 （3）節(jié)流回路 節(jié)流調速是利用節(jié)流閥的可變通流截面改變流量而實現(xiàn)調速的目的，通常用于定量系統(tǒng)中改變執(zhí)行元件的流量。這種調速方式結構簡單，能夠獲得穩(wěn)定的低速，缺點是功率損失大，效率低，溫升大，系統(tǒng)易發(fā)熱，作業(yè)速度受負載變化的影響較大。根據(jù)節(jié)流閥的安裝位置，節(jié)流調速有進油節(jié)流調速和回油節(jié)流調速兩種 1- 齒輪泵 2- 溢流閥 3- 節(jié)流閥 4- 換向閥 5- 油缸 圖2-3 節(jié)流回路 （4）鎖緊回路 圖2-6 閉鎖回路 圖2-7 再生回路 大臂操縱閥在中位時油缸口閉鎖，由于滑閥的密封性不好會產生泄露，大臂在重力作用下會產生下沉，特別是種植機器人在進行起重作業(yè)時要求停留在一定的位置上保持不下降，因此設置了大臂支持閥組。如圖 2-6 所示，二位二通閥在彈簧力的作用下處于關閉位置，此時大臂油缸下腔壓力油通過閥芯內鉆孔通向插裝閥上端，將插裝閥壓緊在閥座上，阻止油缸下腔的油從 B 至 A，起閉鎖支撐作用。 4.1.2液壓系統(tǒng)原理圖 對上述選定的各基本回路進行組合得到種植機液壓系統(tǒng)原理圖如下： 圖2-7 種植機液壓系統(tǒng)原理圖 4.2執(zhí)行元件的選擇 4.2.1液壓缸的選擇 各個工作液壓缸缸徑根據(jù)液壓缸推力決定，假定液壓泵到液壓缸的壓力損失p1=25 bar，液壓缸回油背壓p2=10 bar，液壓缸的大小腔作用面積之比為A=1.46 Ao ( A為大腔作用面積，Ao為小腔作用面積)。 根據(jù)公式： （1）大臂液壓缸 已知大臂液壓缸工作負載： ，取系列值63 mm 由以上計算及表3.3可得，大臂油缸缸徑為63mm，活塞桿直徑d為35mm，額定 工作壓力為160 bar。 （2）二臂液壓缸 已知二臂液壓缸工作負載： ，取系列值50mm 由以上計算及表3.3可得，二臂油缸缸徑為50mm，活塞桿直徑d為28mm，額定 工作壓力為160 bar。 （3）螺旋軸轉動液壓缸 已知螺旋軸轉動液壓缸工作負載： ，取系列值40mm 由以上計算及表3.3可得，螺旋軸轉動油缸缸徑為40mm，活塞桿直徑d為22mm，額定工作壓力為160 bar。 4.2.2馬達的選擇 （1）回轉馬達選擇及計算 （a）平臺的回轉力矩一般小于制動力矩，根據(jù)公式： = ——制動力矩 ——啟動力矩 = ==7937.00526 ——操作重量 單位—t u---摩擦系數(shù) 平履帶取0.25 取 =0.6=0.6=4762.203156 取c=1 =4762.203156 由原始數(shù)據(jù)回轉臺轉速 回轉臺由回轉馬達帶動一對內嚙合齒輪驅動 大齒 小齒 = 所以：==66.35 （b）計算扭矩 ==861.25 ----啟動力矩 ----馬達扭矩 查《液壓種植機器人》 36頁 表4-1 選M5x180液壓馬達 主要參數(shù) 壓力額定=32.4Mpa 最大=39.2Mpa =1680 =928 所以流量：==11.943 （2）行走馬達選擇及計算 （a）驅動輪轉速 V---種植機器人行走速度 ---履帶板節(jié)長 Z---驅動輪齒數(shù) 代入==52.91 ==29.395 （b）驅動輪扭矩 = =+ 為要求爬坡能力 為要求牽引力 代入==52945N ==6062.20 選擇雙速液壓馬達齒輪箱GFT17 輸出扭矩 9000 液壓馬達選擇排量=28，=8 馬達轉速：= = 代入數(shù)據(jù) ==27174.576=27.174576 =64.2=52840.452=52.840452 （3）螺旋軸馬達選擇 查《液壓種植機器人》 36頁 表4-1 選M5x180液壓馬達 主要參數(shù) 壓力額定=32.4Mpa 最大=39.2Mpa =1680 =928 所以流量：==11.943 4.3動力元件的選擇 4.3.1液壓泵的選擇 （1）液壓泵的工作壓力的確定 + --是執(zhí)行元件的最高工作壓力,對于本系統(tǒng)的最高工作壓力是銷鎖油缸的入口壓力 --是從液壓泵出口液壓缸之間的管路損失。管路復雜，進口有調速閥，則取=1Mpa。 （2）確定液壓泵的流量 多液壓缸同時工作時，而且系統(tǒng)使用蓄能器鋪助動力源時，則液壓泵輸出流量公式應為 ≥ 其中 K-系統(tǒng)泄露系數(shù)，取K=1.2 Tt-液壓系統(tǒng)工作周期 Vi-每個液壓缸的工作周期中的總耗油 z-液壓缸的個數(shù) 銷鎖油缸的最大流量 (5.3) =60.101=60 加料門油缸的最大流量 =60.140.0031=26 根據(jù)以上可知: =60 大泵流量：=80%=48 小泵流量：=20%=12 大泵排量：=37 小泵排量：=8.1 =0.9L/s 按照泵的排量 和、的值來選擇液壓泵 （3）選擇液壓泵的規(guī)格 根據(jù)以上求的泵的排量、和、的值，按系統(tǒng)中給定的液壓泵的形式，按照HAWS公司V30D系列變量軸向柱塞泵的選型表3.10，可以選定V30D-45型變量軸向柱塞泵。該變量軸向柱塞泵的技術參數(shù)如表3.11 。 4.3.2柴油發(fā)動機的選擇 液壓缸在整個循環(huán)運動中，系統(tǒng)的壓力和流量都是變化的。所需功率變化較大，為滿足整個工作循環(huán)的需要，需按大功率段來確定發(fā)動機的功率。 從液壓原理圖可以看出，快速運動時系統(tǒng)的壓力和流量都較大，這時，大小泵同時參加工作，小泵排油壓力和流量均較大。此時，大小泵同時參與工作小泵排油除保證鎖緊力外，還通過順序閥將壓力油供給加料門油缸。 前面的計算已知，小泵供油壓力為=4 MPa,考慮大泵到銷鎖油缸路損失，大泵供油壓力應為=4Mpa 取泵的總效率=0.85，泵的總驅動功率為： P==22.9KW 可以選用的發(fā)動機為常柴集團生產的4L68型號的柴油機。該柴油機具有動力強勁、經(jīng)濟省油、耐久可靠、境污染小等特點。其主要技術參數(shù)如表3.12所示。 4.4液壓閥的選擇 選擇液壓閥主要根據(jù)閥的工作壓力和通過閥的流量。本系統(tǒng)工作壓力在18Mpa左右，所以液壓閥都選用中、高壓閥。 （1）根據(jù)液壓閥額定壓力來選擇 選擇的液壓閥應使系統(tǒng)壓力適當?shù)陀诋a品標明的額定值。對液壓閥流量的選擇，可以按照產品標明的公稱流量為依據(jù)，根據(jù)產品有關流量曲線來確定。 （2）液壓閥的安裝方式的選擇 是指液壓閥與系統(tǒng)的管路或其他閥的進出油口的連接方式，一般有三種，螺紋連接方式，板式連接方式，法蘭連接方式。安裝方式的選擇要根據(jù)液壓閥的規(guī)格大小，以及系統(tǒng)的簡繁及布置特點來確定。 （3）液壓閥的控制方式的選擇 液壓閥的控制方式一般有四種，有手動控制，機械控制，液壓控制，電氣控制。根據(jù)系統(tǒng)的操縱需要和電氣系統(tǒng)的配置能力進行選擇。 （4）液壓閥的結構形式的選擇 液壓閥的結構方式分為：管式結構，板式結構。一般按照系統(tǒng)的工作需要來確定液壓閥的結構形式，根據(jù)以上的要求來選擇液壓控制閥，所選的液壓閥能滿足工作的需要。所以本液壓系統(tǒng)所選的液壓閥有中、高壓閥。具體規(guī)格型號和名稱見表4.2 表4.2 液壓控制閥 序號 代 號 名稱及規(guī)格 材料 數(shù)量 1 Q11F-16P-25 不銹鋼截止閥 成品 2 2 DBDW10B-1-50X/10UG24NZ5L 電磁溢流閥 成品 1 3 S20P1.0 S型單向閥 成品 1 4 S10P1.0 S型單向閥 成品 1 5 XJF-32/10 蓄能器截止閥 成品 1 6 DRV16-1-10/2 單向節(jié)流閥 成品 1 9 S6A1.0/2 S型單向閥 成品 1 10 ZDR6DP2-30/7.5YM 疊加式減壓閥 成品 1 11 Z1S6P-1-30/ 疊加式單向閥 成品 1 12 4WE10J3X/CG24NZ5L 電磁換向閥 成品 1 13 ZDR10DP2-30/7.5YM 疊加式減壓閥 成品 1 14 Z2FS16-30/S2 疊加式雙單向節(jié)流閥 成品 2 15 4WEH16Y50/OF6AG24NETS2Z5L/B08 電液換向閥 成品 1 16 Z2FS16-30/S2 疊加式雙單向節(jié)流閥 成品 2 17 DR20-5-5X/10YM 先導式減壓閥 成品 2 18 DR20-5-5X/10Y 先導式減壓閥 成品 1 19 4WEH16E50/6AG24NETS2Z5L/B08 電液換向閥 成品 1 20 4WE10E3X/CG24NZ5L 電磁換向閥 成品 1 21 DB20-2-5X/315 溢流閥 成品 2 22 S20P1.0/ 單向閥 成品 1 23 Z2FS10-20/ 疊加式雙單向節(jié)流閥 成品 1 24 溢流閥 成品 1 25 QJH—6WL 高壓球閥DN6 成品 3 選用主操作閥采用川崎KMX15R/B450，最大流量270L/min，能實現(xiàn)大臂提升合流、二臂大小腔合流、二臂再生回路、行走直線、大臂提升優(yōu)先、回轉優(yōu)先、二臂閉鎖等功能。 4.5其他輔助元件的設計與選擇 4.5.1油箱設計 按公式 [2] 204頁公式5-2確定油箱容積 V---油箱的有效容積 ---液壓泵的流量 ---經(jīng)驗系數(shù) 取=1.5 ==0.162 油箱外形選擇1：1：1，長寬高均取600mm =0.216 4.5.2油管設計 （1）油缸用油管根據(jù)[5] 238頁 公式（9-16） 式中---油管內徑m ---管中流量 ---管中流速 代入數(shù)據(jù)得 =0.01908m=19mm ==0.027mm 所以選擇的鋼 （2）液壓泵用壓油管 代入數(shù)據(jù) =0.03028m 所以選擇的鋼管 回油箱用油管 回油管取1 =0.045656m 所以選取 4.5.3蓄能器的選擇 根據(jù)蓄能器在液壓系統(tǒng)中的功用，確定類型和主要參數(shù)。 在本液壓系