畢業(yè)論文（設計）小型螺旋式果園開溝機的設計

1、畢業(yè)設計任務書設計題目：小型螺旋式果園開溝機的設計系部： 機械工程系專業(yè):機械設計制造及其自動化 學號:學生：指導教師（含職稱人專業(yè)負責人：1 設計的主要任務及目標本課題希里學生針對果園開溝的實際需求，完成小型螺旋式梨園開溝機的總體機構和功能設計。2 設計的基本要求和內容（1）主要設計內容：完成螺旋式果園開溝機的設計。（2）工作要求：1）根據(jù)給定的設計任務書及設計參數(shù)進行開溝機總體機構設計，開題報告一篇。2）完成開溝機的主體結構設計，包括動力及傳動的選擇和計算。3）完成開溝機附屬機構，繪制開溝機零件圖及裝配圖，撰寫畢業(yè)設計論文一篇。3. 主要參考文獻1 朱新民.1kl-27型螺旋開溝機j農牧與

2、食品機械,1991 （4）： 242 胡崇偉.1kl-25型立式旋轉開溝機的改進建議j農業(yè)機械，2002 （5） :583 李平.立柱式柱形螺旋開溝機工作部件機理與圖形的參數(shù)化設計.（碩士學位論文）.哈爾濱:東北農業(yè)大學，20044.進度安排設計各階段名稱起止日期1指導老師下達研究課題的任務書2013. 12. 25-2014.01. 102查閱相關文獻資料，提交開題報告2014.01. 112014. 03. 083完成文獻綜述，外文翻譯;確定總體設計方案2014.03. 09-2014.04. 124完成總體設計，繪制零件草圖2014.04. 132014.05.015完成零部件設計、撰寫

3、設計說明書2014. 05. 02-2014. 06.01小型螺旋式果園開溝機的設計摘要:果樹的生產(chǎn)發(fā)展對提高農民生活水平，促進我國農業(yè)發(fā)展具有重要意義。果樹 施肥是一項用工量很大的作業(yè)，尤其施有機肥料，我國幾乎都用人工完成。果園開溝 是施加肥料、改良果品品質的重要工序。人工開溝不僅費吋、費力、勞動強度大，而 u效率低下。而立式螺旋開溝機集立銃、軸向提升、螺旋葉片慣性拋散等原理于一體, 使開溝過程中的切削、提升、拋撒一次完成，具有結構簡單，部件緊湊，動力消耗少 等特點。本課題針對梨園開溝的實際需求，開展了小型螺旋式梨園開溝機的總體機構 和功能設計。關鍵字：果樹，開溝，傳動方案，螺旋the de

4、sign of ditching machine spiral in pear gardenabstract:the development of pear production to improve the living standards of farmers and promote agricultural development in our country is becoming of great significance. fertilization for pears is a great amount of work, in particular, organic materi

5、als, almost all completed by manpower in china. trenching in pear garden is imposed fertilizer, an important improvement of fruit quality processes ditching by manpower is not only time-consuming, laborious, labor intensive but inefficient. spiral trenching set many princples in one sucha as vertica

6、l milling axial upgrade spiral leaves scattered through inertia and so on. so that .cutting promotion, throwing are completed in one process of ditching . it has many advantages such as simple structure, compact components, less power consumption, etc. .the subject for the practical needs of ditchin

7、g in pear garden carries out the design of small spiral trencher "s overal structure and functionskeywords: apple tree,ditching,;transmission program,spiral目錄1緒論11.1我國國內開溝機械的發(fā)展現(xiàn)狀11.2國外開溝機的發(fā)展狀況313開溝機械的發(fā)展前景414本設計的口的和方法42 土壤特性分析52. 1 土壤的分類52. 2 土壤的理想化假設52.3小結63開溝機總體結構設計73. 1螺旋開溝機結構73.2設計要求73. 3動力及

8、傳動的選擇與計算83. 3. 1傳動原理83. 3.2鏈傳動的設計計算83. 3. 3小鏈輪的設計103. 3. 4聯(lián)軸器的選擇103. 3. 5減速器的選擇103.4螺旋刀具組合的設計113.4.1螺旋葉片的設計要求113.4.2切土刀片的設計143. 4. 3理想化假設153. 4. 4開溝器切削土壤的運動學分析163.4.5 土壤質點力學模型的建立與動力學分析173.4.6螺旋刀具的受力分析183.4.7螺旋主軸的軸徑193. 4. 8校核螺旋主軸194 附屬結構的設計214.1托架的設計214. 2擋板的設計215. 螺旋開溝器運動參數(shù)的確定235.1開溝器功耗分析235. 2轉速分析

9、235. 3臨界轉速分析245. 4排土臨界轉速24結論與討論25參考文獻26致謝281緒論1.1我國國內開溝機械的發(fā)展現(xiàn)狀我國開溝機械起步較晚，經(jīng)歷了從犁鋅式開溝機、圓盤式開溝機、螺旋式開溝機 和鏈式開溝機的發(fā)展歷程?，F(xiàn)在主要對犁鋅式、圓盤式、鏈式和螺旋式四鐘開溝機的 發(fā)展做簡要介紹。在上世紀50年代主要是犁鋅式開溝機。這種開溝機結構簡單、工作可靠、零部 件少、單位功率低、生產(chǎn)率高、作業(yè)成本低，開溝深度為0. 03m到0.08m。主要缺點 是機體笨重，牽引阻力大，犁鋅入土后，土堂隨翻土板曲面上升，翼板將土推向兩側, 側壓板將溝壁壓緊，形成梯形斷面的溝?，F(xiàn)在犁錚式開溝機在小麥田寬密植開溝播種

10、方面仍有應用。1拖拉機2絞盤箱3剎車4手搖柄5鋼絲繩6機架7行走輪8掛輪9槽輪10深淺調節(jié)孔11主翼板12犁體13尾輪14副翼板15軋道板16側壓板17連接孔18牽引孔19牽引銷圖1.1犁詳式開溝機結構簡圖70年代出現(xiàn)了圓盤式開溝機，它以兩個高速旋轉的銃削圓盤，圓盤周圍是銃刀， 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)質量好，但行走慢、傳動復雜、結構龐大、制造工藝要 求高、單位功率消耗大，生產(chǎn)率比犁驊式開溝犁低，它的開溝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。由于其自身的特點，圓盤式 開溝

11、機主要應用于地面工程開溝。近年來，圓盤式開溝機仍被廣泛的研究，有學者成功設計出kx240雙圓盤旋轉式開溝機，中國農業(yè)大學將錯開雙圓盤開溝器用于玉米根 茬地的試驗研究。i機契2萬向傳動軸3傳動箱4刀盤磴形刀6推土板7尾輪睡形板圖1.2單元盤開溝機簡圖2000年天津工程機械研究院利用tn654型拖拉機改裝成挖溝機gc65,并于2002 年研制gc65g型鏈刀式開溝機可用于水利管溝和電纜鋪設工程，該機為機械傳動，但 其功率與挖溝效率比達到了國外的較為先進水平，現(xiàn)有小批量生產(chǎn)。該機采用天津拖 拉機廠生產(chǎn)的鐵牛654la拖拉機為底盤，后部加設鏈鏟挖溝裝置，前部裝有回填鏟， 使其能完成挖溝回填綜合作業(yè)。挖

12、溝裝置和回填鏟與拖拉機主體都采用螺栓連接，非 挖溝作業(yè)期間可拆卸下來，恢復拖拉機功能。同年，天津工程機械研究院根據(jù)西氣東 輸?shù)男枰?，開發(fā)出wg300型履帶式全液壓挖溝機。該機最大挖溝寬度可達0. 9m,最大 挖溝深度2.2m,挖掘鏈速度04m/s,作業(yè)速度最高可達1400m/h。2000年東北農業(yè)大學針對了泥炭（沼澤地的產(chǎn)物）的開采而設計了一種1kl-100 型立式螺旋式開溝機，其工作部件采用錐螺旋式攪龍切拋土，可開挖出較大型梯形溝 渠。在立式開溝機的思路上，2001年昆明市農業(yè)機械研究所乂研制出1ks-22型雙軸 立式旋轉開溝機。采用雙軸結構，兩套旋轉方向相反的刀軸同時切拋上下溝土，能開 出

13、小型矩形溝渠。圖1.31kz-30型自走式鏈式開溝機1三角帶32945（三條）2附加大皮帶盤3三角帶1380 （一條）4機架5尾輪6擋土柵7括泥板8開溝具圖1. 41kl-27型立式螺旋開溝機簡圖1.2國外開溝機的發(fā)展狀況在國外主要以大型開溝機為主，蘇聯(lián)、意大利、法國、日木等國都有不同型號的系列產(chǎn)品，從結構特點和使用性能兩方面來看，目前基木上以蘇聯(lián)和意大利為代表的 兩大類型。蘇聯(lián)從1975年開始推出一系列的旋轉開溝機產(chǎn)品：tp-171a全液壓銃切 式開溝機、mk-47犁刀-銃切式開溝機。意大利主要生產(chǎn)darl系列的單圓盤開溝機 心及dbr系列的雙圓盤開溝機。兩人類型的開溝機主要區(qū)別在于：前者是

14、開挖人型 溝渠的大型機械，且能一次性成溝，所采用的是切拋分開型的刀齒；后者是臨吋性的 小溝渠，采用的是切拋合一型的刀齒。國外開溝機的代表機型有：切削鏈式開溝機、螺旋助推式開溝機、側置式公路開 溝機、圓盤旋轉式開溝機，主要特點是以大功率，重機型為主，功耗大，體積也大。1. 3開溝機械的發(fā)展前景1. 開溝器與土壤的相互作用，構成了一個動態(tài)系統(tǒng)，利用計算機技術，加強開溝 器的基礎性理論研究，實現(xiàn)計算機動態(tài)模擬開溝器工作過程，將是今后發(fā)展方向之一。2. 利用x光技術，研究在開溝器作用下，土壤運動規(guī)律是今后的工作。3. 根據(jù)仿生學原理，研究一種不粘土的開溝器，實現(xiàn)高效節(jié)能開溝器也是今后的 主攻方向。4.

15、 重視播種施肥聯(lián)合開溝器的研究與設計。為了減少作業(yè)環(huán)節(jié)的重復性行程，減 少能量消耗及對土壤的壓實破壞，播種施肥聯(lián)合開溝器是今后的研究方向之一。5. 側深施肥有利于提高化肥有效利用率，減少其對種子的腐蝕作用，實現(xiàn)作物在 不同生長期獲得充足的養(yǎng)分，是一種急待解決的技術難題27。1.4本設計的目的和方法果園開溝是施加肥料、改良果品品質的重要工序，一般在果園果樹的兩側開挖寬 和深在03至0.4m的矩形溝。目前，我國還沒有適應果園特定作業(yè)環(huán)境的開溝機， 主要仍以人工實施開溝作業(yè)，其勞動強度大，生產(chǎn)效率低。市場上銷售的開溝機人都 不適應果園作業(yè)，主要表現(xiàn)在：（1）果園工作環(huán)境復雜。地表有雜草、樹枝、石塊，

16、地 下有石塊和根茬，易造成開溝刀具纏草和損壞；（2）果園開溝寬度相對建筑工程管道開 溝較寬，因此如圓盤式開溝機開挖溝渠較窄，無法滿足果園開溝作業(yè)需求；（3）果園果 樹之間的行距比較窄，大型的拖拉機等機械無法進行作業(yè)，所以不適應大馬力的動力, 要實現(xiàn)機械化作業(yè)，必須用小功率去完成。本課題針對果園開溝的實際需求，經(jīng)查閱 大量資料和方案論證，開展了小型螺旋式果園開溝機的總體機構和功能設計。92. 土壤特性分析地球表面的整體巖石在大氣中經(jīng)受長期風化作用而破碎后，形成形狀不同、大小 不一的顆粒，這些顆粒受各種自然力的作用，在各種不同的自然環(huán)境下堆積下來，形 成土壤6。土壤是由固體、液體和氣體組成的三相混

17、合體。固體部分一般由礦物質組成，有 吋含有有機質（腐爛的動、植物殘骸等）。這部分構成土的骨架，稱為土骨架。土骨架 間布滿相互貫通的孔隙，當孔隙完全被水充滿時，稱為飽和土。當孔隙一部分被水占 據(jù)，而其余部分被氣體占據(jù)吋，稱為非飽和土。當孔隙完全被氣體占據(jù)吋，稱為干土。 水和溶解于水的物質構成土中的液體部分。空氣和其它一些氣體構成土中的氣體部 分，這3部分本身的性質及它們制件的比例關系和相互作用決定土的物理力學性質 。開溝機與土直接作用，土壤既是開溝器的支撐物，又是它的作業(yè)對象。一方面開 溝機利用土壤對輪胎摩擦力行走，另一方面，土壤會作用于螺旋刀具，對開溝機開溝 作業(yè)形成阻力。因此，研究土壤特性是

18、研究開溝機的基礎。土壤按顆粒細度劃分為礫 石質土類、砂土類、亞砂土類、粉土類、亞粘土類、粘土類等。2. 2 土壤的理想化假設開溝器開溝與土壤類型密切相關。由上述分析可知，土壤類型非常復雜，不同地 點、不同季節(jié)土壤的性質不同，在同一位置挖掘，土質也可能隨深度變化而不同。在 設計開溝機時很難將全部土壤類別全部考慮在內，故將土壤理想化為一種開溝施工中 常見的土壤類型。資料表明：地表lm以內主要是黃粘土，因此將土壤理想化成黃粘土進行分析計 算。黃粘土具有以下特性：具有粘性和可塑性。具有脹縮性。壓縮性和抗剪強 度與土的含水量有密切關系。具有結構性。將土壤理想化為黃粘土的優(yōu)點在于： 因假設接近實際施工土壤

19、條件，u溝深在lm以內，土層基本沒有變化。在此 假設下進行分析、計算，具有可行性。 黃粘土本身是較難開挖的土壤，將土壤假設為黃粘土，開溝機若能在此條件下 開挖作業(yè)，必能完成其它土層條件下的開溝作業(yè)。 將土壤理想化成一種土層結構，可將問題簡化，便于分析計算。2. 3小結設計了一種立柱形變螺距螺旋式果園開溝機及土槽試驗裝置。針對果園開溝的生 產(chǎn)要求，提出了立柱形變螺距螺旋式果園開溝機的工作原理和主要結構，其結構主要 由東風12型手扶拖拉機、螺旋軸組合、立柱式雙頭變螺距螺旋葉片、擋板組合、雙 輸出減速器和主機架等組成；分析確定了該機的主要結構參數(shù)和性能參數(shù)，該機以小 型農用拖拉機為動力，純小時生產(chǎn)效

20、率不低于80m/h,淘型為深度300mm.寬度300ram 的矩形；同時，研制了一種專門用于土槽功能性試驗的裝置。3開溝機總體結構設計3. 1螺旋開溝機結構如圖所示為螺旋開溝機結構示意圖。通過主機架將手扶拖拉機與螺旋軸組合，擋 板組合連系為一個整體，共同完成開溝作業(yè)。主機架固定在拖拉機齒輪箱的后端面， 在其正下方為螺旋軸組合，緊貼著螺旋刀具外端面的是擋板組合，它安裝在主機架的 后下方。27油冊俞t(yī)t輪5柴?由機輻l入輪7連融累栓時累銃車由 組合9堆宓且臺8土地圖3.1 螺旋式開溝機結構示圖3. 2設計要求根據(jù)牛產(chǎn)實際的要求，所開發(fā)的螺旋式開溝機的技術參數(shù)設定為：果園深開溝配 套機具純小時牛產(chǎn)效

21、率不低于80m/h；開挖深度0.3m、寬度0.3m；開溝機所選型的 配套主機為小功率的柴油機和汽油機；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。通過查資料得： 開溝機主車體為手扶拖拉機。 開溝器直接安裝在手扶拖拉機變速箱尾部，用螺栓連接。 螺旋開溝器由自身減速器驅動，減速器動力由手扶拖拉機動力輸出軸經(jīng)鏈 條傳動提供。具體參數(shù)如下：配套動力：8kw動力輸出軸轉速986r7min溝型斷面：溝寬，0.3m;溝深0.304m國內曾有學者研制立式螺旋開溝機，它的開溝部件的形式為錐形，開溝斷面為倒梯形，如圖3.2(a)所示。本課題要求的開溝斷面為矩形，因而只需把開溝部件的形式 改變?yōu)閳A柱

22、形即可。當開溝部件為錐形時，土壤在螺旋面上升運，由于倒錐形從下至 上是逐漸加寬的，因而不會出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。而如果柱形從下至上是等寬的，如圖3-2(b), 每層的螺旋刀片均切土，則當土壤向上升運時，到上面的某一層，可能就會發(fā)生堵塞, 因此將其設計成變螺距螺旋如圖3-l(c)o 30螺旋開溝機工作部分形狀簡圖b)等螺距柱形c)變螺距柱形3. 3動力及傳動的選擇與計算3. 3. 1傳動原理設計的螺旋開溝機配套動力選擇手扶拖拉機,動力由拖拉機的動力輸岀軸經(jīng)鏈傳 動傳輸?shù)铰?lián)軸器將動力傳輸給開溝機的螺旋刀具，從而實現(xiàn)預定的運動。3. 3.2鏈傳動的設計計算1)選擇鏈輪齒數(shù)出于傳動目的和經(jīng)濟型性考慮，先使鏈傳

23、動實現(xiàn)增速，達到一 定轉速，假定鏈速為3-8m/s從而可以選擇標準減速器，進行安裝，減少設計成本28。 故綜合考慮選擇鏈輪齒數(shù)2乙m =60x100025x15.875x986 廠 “/二=6.52m/s60x1000z= 25,i = 0.5； z2=i-zj=50 動力輸出軸轉速/?2 =986r/min小鏈輪轉速 q =i*2 =493 廠/min2) 確定鏈節(jié)數(shù)初選中心距a°=40p,則鏈節(jié)數(shù)為（z 廠 p 2厶丿z1+z? 上22-872代入數(shù)據(jù)得l“=117.89向上去整取l” =1183）確定鏈節(jié)距鏈條節(jié)距p根據(jù)po與71）確定v。kppo 由表77查得k八=1.2,按

24、小鏈輪轉速估計，鏈工作在功率曲線的左側，由表78 查得k；=1.51;由圖78查得0=1.07；選單列鏈，由表79查得k=l代入數(shù)據(jù)的 p0 = 7.427kw o根據(jù)幾與也，由圖711選用鏈號為10a,并且也證實了原估計的鏈工作在功率 曲線凸峰左側是正確的。由表7-12查得鏈節(jié)距p為15.875mm,滾子的外徑d=10.16mm。4）驗算鏈速v= 6.52m/s符合要求z)pn _ 25x15.875x986 60x1000 " 60x10005）計算實際中心距代入數(shù)據(jù)得a = 666.3 - 666 > <70 = 40p = 635mm ,故原初選擇合適。6）作用在

25、軸上的壓力q因載荷平穩(wěn)，q=1.2f圓周力 f =型s 二 1000x10 = 1533.7nv 6.52則 q=1.2f=1840.5n綜上可知鏈條的選擇：鏈條型號10a 鏈節(jié)距p=15.875mm大小鏈輪尺寸：z,=25,z2=50鏈節(jié)數(shù)：l/?=118單列 中心距a=666mm軸上壓力q=1840.5n3. 3. 3小鏈輪的設計節(jié)圓直徑d = = 15,87512667mm.18q.180sin sin2525齒頂圓直徑：da = 6/ +1.25p - j, = 109.25mm齒根圓直徑： 心二=126.67-10.16 = 116.51mm （d：節(jié)圓直徑 滾子 外徑）同理得大鏈輪

26、尺寸d=253.43mm da = 231.54mm df = 245.48mm結合相關手冊 18知大鏈輪采用腹板式輪轂長度可用下式計算心4/譏=9.5 +血+ 0.01d；4大鏈輪的分度圓直徑d = 253.4mm,計算：1 = （2.63.3）h,h = k +玉+ o.old, k取64,經(jīng)計算-、=123.6 156.8mm。小鏈輪采用整體結構，輪轂長度可用下式:小鏈輪的分度圓直徑為d= 126.7mm,經(jīng)計算得/ = 5664mm ； 乂經(jīng)過調研手扶拖 拉機的動力輸出軸軸（連接大鏈輪）伸長度為150mm,輸入軸（連接小鏈輪）的軸伸 長度為60mm,可以直接安裝不需要聯(lián)軸器。齒形采用三

27、圓弧一直線按照3rgb1244-85規(guī)定制造。3. 34聯(lián)軸器的選擇螺旋刀具主軸輸出軸間應該用聯(lián)軸器進行連接，根據(jù)軸徑和扭矩進行選擇。 結合公式：卩代入數(shù)值得tc=230.7n/m為了減少沖擊和噪聲，結合載荷性質，選則輪胎式彈性聯(lián)軸器，型號是ul6其參數(shù)為:公稱轉矩t =250n/mul6聯(lián)軸器空聖gb5844-86o"38x603. 3. 5減速器的選擇對于螺旋開溝機的配套減速器，經(jīng)鏈輪加速后輸入轉速 493r/min按照設計要求螺旋刀具的的輸出轉速為(>)240r/min,所以取傳動比i=2.為了節(jié)省設汁成本選擇標準減速器cws63型減 速器其參數(shù)如表1：表1 cws63減

28、速器參數(shù)型號額定功率 (kw)中心距(mm)蝸輪齒數(shù)z2蝸桿頭數(shù)z2質量(kg)外伸軸長 (mm)輸出軸徑(mm)cws2.93263314195832k63. 4螺旋刀具組合的設計3. 4.1螺旋葉片的設計要求螺旋刀具組合為核心工作部件如圖3. 3,主要包括主軸、變螺距螺旋葉片、端面 切土刀片、底面切土刀片組合和底錐。1底錐2端而切土刀片3螺旋葉片4鋸齒形刀片5主軸6聯(lián)接法蘭7連接半軸圖3. 3螺旋主軸組合螺旋刀具在果園開溝作業(yè)時，必須保證同時完成對上壤的切削、軸向輸送和拋撒 等工作過程，因此需滿足如下設計要求：(1) 由于果園開溝機的溝型要求為矩形，所以立式螺旋開溝機刀具須為圓柱螺旋 結構

29、；(2) 為避免土壤在輸送過程中在上下葉片之間發(fā)生堵塞和擠壓，螺旋葉片的導程 必須自下而上連續(xù)增大，因此設計螺旋刀具螺旋葉片為變螺距螺旋葉片；(3) 葉片的幾何形狀必須使被切下的土塊能沿葉片軸向輸送，不隨葉片的旋轉而 原地打轉；(4) 為避免主軸僅受連續(xù)的側向力作用，設計螺旋刀具為雙頭螺旋。因此螺旋刀具設計結構應為雙頭變螺距式圓柱螺旋刀具，該螺旋刀具的螺旋曲面為變 螺距圓柱正螺旋面。1)變螺距圓柱正螺旋面的形成圓柱的直母線繞軸線作等速冋轉運動時，母線上一動點p沿母線作等加(減)速運 動，點p的軌跡就是一條變螺距圓柱螺旋線t,螺旋線的螺旋升角a隨動點p的位置 變動而變化。設圖3.4(a)中圓柱半

30、徑為圓柱面上螺旋線t的的初始點為p°, p。點 的螺旋升角為q,沿螺旋線轉k°圈后到達p點時在軸向上升高度為勺。以上參數(shù)廠、 a。、k0. a,確定了該螺旋線。將上述內圓柱面展平，它上面的螺旋線t即展開為一 拋物線，如圖3.4(b)所示。設該拋物線的方程為：z = ei?+bl(3.1)式中：e、b拋物線方程的系數(shù)。拋物線上各點的切線斜率即為螺旋線上相應點處切線的斜率。設螺旋上任一點的 螺旋升角為a,則其切線斜率為：tg 畋=一 =+ b(3.2)dl當l = 0時，ak = aq,帶入上式得b = tga0(3.3)圖3. 4變螺距螺旋線的形成z = hf則l = 2丸）

31、代入式（3.1）得_ h、一 2mktga）6（2 加°）當螺旋線由p點上升k圈時：l = 2dk將式（3.3） （3.5）代入式（3.1）得：z = 2m'k（2emk + tgaq）因此得到以上升圈數(shù)k為參數(shù)的螺旋線的方程為：x = r-cos（2</r-k）< y = r-sin（2r-z:）z = -（2-r）2 -k2 r-tga-k將式（3.5）代入式（3.2）得:tgak =4e7rrk + tga（）= arctgek + fga（）(3.4)(35)(3.6)(3.7)(3.8)(3.9)上式即為螺旋線由始點上升k圈后該點處的螺旋升角的計算公式。

32、變螺距圓柱正螺旋面的形成即是以變螺距螺旋線t為導線，使母線沿導線運動時 與螺旋線軸線所成的角度為900不變，就形成了變螺旋圓柱正螺旋面，制件采用兩圓 柱之間的部分。螺旋面的參數(shù)為螺旋線t的參數(shù)加上內圓柱半徑:、外圓柱半徑r19 20。根據(jù)相關文獻21,螺旋葉片工作時能耗的大小與螺旋角的正切呈比例增長， 為了減少輸、拋土能耗，應選取較小螺旋角。但螺旋角過小又會影響拋土距離形成溝 邊奎土和冋土。故在螺旋起始段取較小螺旋角，而在螺旋上部取較大的螺旋角。由于 變螺距圓柱正螺旋面的螺旋角連續(xù)變化，為減少能耗，取較小的初始螺旋角。螺旋葉 片的外螺旋線為變螺距圓柱螺旋線，初始螺旋角為50,在270mm的距離

33、上升1.5圈。 內螺旋線的初始角為100,設螺旋沿主軸上升0. 3m時螺旋的圈數(shù)為2o即r=0. 029m, k°=2圈，h,=0.3m, g° = 100,代入公式便可得到螺旋葉片螺旋線的方程，從而得 到螺旋面。2）螺旋刀具的成形方法及刀具材料的選擇目前螺旋葉片方法主要有以下幾種：單片手工熱壓成形、胎具熱壓成形、胎具冷 壓成形、組合冷拉成形法等26。對于小批量生產(chǎn)螺旋葉片的傳統(tǒng)方法是單片手工成 形法。其成形工藝步驟為:將坯料加熱到700°c左右，在單片熱成形胎具上用手工錘打 成形。此種方法成形工藝簡單，適用于螺旋葉片板薄的坯料成形，其缺點是生產(chǎn)條件 差，勞動強度

34、大，生產(chǎn)效率低。本螺旋葉片的加工成形就采用上述方法。刀片材料選 用65mn鋼刀片并進行激光表面處理（激光相變和激光熔凝處理）22。65mn鋼強度 高，淬透性較大，脫碳傾向小，適宜制成農機零件和汽車離合器彈簧。65血鋼性能參 數(shù)如表2所示23。表2刀具材料性能參數(shù)鋼號化學成分/%力學性能65mncsimn6os8屮abe/mpa/%/j0.62 0.700.170.370.90 1.20257354309303.4.2切土刀片的設計如圖3. 5所示，切土刀片包括鋸齒形刀片和底部切土刀片組合。鋸齒形刀片用螺 栓連接在螺旋葉片上端面，伸出螺旋葉片5mm,其截面的法線和主軸中心線約呈900, 排列間距

35、為沿外螺旋線100mm,共連接刀片32把,刀片材料為yt14。底面切土刀片 組合和螺旋葉片的底端面焊合，底錐和主軸的下端面焊合，底錐和底面切土刀片組合 的設計有利于初始工作時鉆孔作業(yè)的完成。螺旋刀具組合中的螺旋葉片的內螺旋面與 主軸焊合，外螺旋面與鋸齒型切土刀片通過螺栓聯(lián)接，螺旋葉片的底端面與端部切削 刀片組合焊合，主軸底端面與底錐焊合，端部切削刀片組合由刀座、刀片和聯(lián)接螺栓 組成，刀座與水平面夾角呈250。在后端面與螺旋葉片的底端面焊合，刀片由聯(lián)接螺 栓固定在刀座上，刀片的刃面與刀座平面夾角呈200。o1231連接螺栓2刀座3刀片圖3. 5端部切削刀片(左)鋸齒形刀片(右)3. 4. 3理想

36、化假設為便于分析土壤運動和受力關系，假設如下：(1) 由于開溝過程中開溝機前進速度很低，因此在研究刀具旋轉運動時不計車體前 進速度vo,簡化計算；(2) 為能夠同時考慮螺旋葉片與坑壁對土壤微粒的作用，忽略土壤間擠壓力，在計算時假設土壤顆粒足夠大，并作用在外螺旋線上；(3) 在刀具切割土壤的過程中，土壤顆粒不僅作上升運動，而且新切下的土壤會將 刀片上的土粒向圓柱軸心擠壓，若考慮由此引起的徑向力，則分析計算過于復雜，因 此忽略徑向運動及由此產(chǎn)生的徑向力(李嬪，2007)；(4) 忽略螺旋底面與土壤、土壤與土壤之間的摩擦力。3. 4. 4開溝器切削土壤的運動學分析以上壤質點為研究對象，上壤質點速度分

37、解側視圖如圖3. 6圖3. 6 土壤受力分析示意圖(3.10)(3.11)(3.12)(3.13)(3.14)(3.15)(3.16)如圖36所示，刀具以角速度8旋轉，土壤質點在外螺旋線半徑r處以圮隨葉片 一起旋轉。則由未切削到的土體阻擋及慣性的作用而進入螺旋面的土粒將被螺旋帶著 旋轉，在法向慣性力的作用的影響下，沿螺旋面向外運動，拋至溝壁。到達溝壁之后, 土粒與溝壁接觸面之間產(chǎn)生法向壓力及切向摩擦力，因此在該力的作用下，土壤質點 以速度k相對丁螺旋面向上滑動，并以絕對速度屹的垂直分量吃，即垂直速度向上加 速運動。堆與水平面的夾角為，因此設土粒運動軌跡是升角為y的螺旋線，k為址的水 平分量，即

38、土壤質點垂直刀軸分速度。由圖可得：% - cosy = 69-/?-v2 ctgavz =va-sin/cos7 = ersinyc(g" vt =g/r = %cosy"cos/6?=tg£±tgz式中：喝一土壤質點絕對角速度;q 螺旋角；卩一絕對速度與x軸的夾角;r外螺旋線半徑。3.4.5 土壤質點力學模型的建立與動力學分析以螺旋葉片上土壤質點d為研究對象，圖3. 7所示為土壤質點受力分析圖。設質點 0的質量為鋤，其所受的離心力為e,方向指向坑壁?？颖趯ν寥赖哪Σ亮獒＃浞?向與絕對速度v。的方向相反，與水平面呈y角。螺旋面對土粒的垂直反力為iv,

39、 土 粒沿螺旋面滑動產(chǎn)生的摩擦力為犯，其方向與相對速度v,的方向相反。犯與iv,的 合力民，為螺旋面對土粒的聯(lián)合作用力，目，與iv,呈礪角。在徑向，土粒的法向離 心力e與反力iv,平衡，只考慮xz平面力系。由于此時質點并不處于平衡狀態(tài)，為 便于分析，使用質點的達朗伯原理來進行分析。質點d是加速向上的，設土粒在丫方向 的加速度分量為a,因而所加慣性力的大小設為呃，而a的大小可利用該螺旋線的曲線 方程求出。df嚴 n"式中：®土壤與螺旋面外摩擦角；兀一土壤與螺旋面外摩擦系數(shù)ng%土壤與土壤內摩擦角；心一土壤與螺旋面外摩擦系數(shù)，f2=tg（p2.v2nr = f= dm2 c r

40、2clfr- r -(3.17)(3.18)(3.19)(3.20)(3.21)(3.22)n、-df1 -cos（90 -a- /）4- （g + cr.） dm-cos6z df = n、 / df2 cos（90 ” 一 y）+ （g + 乞）伽.cos a j圖3. 7 土壤質點受力分析圖3. 4.6螺旋刀具的受力分析如圖3. 8為螺旋刀具受力分析圖，作用于螺旋微段豳上的法向力為e,切向力為只, 則：f. = 0 j ds（3.23）h（3.24）式中：5一最大主內力，可由極限應力圓求出5=2crg45°+釗（錢歡歡，1990）； c土壤內聚力系數(shù)（n/n?）；耳一刀具每轉平

41、均進刀量（m）。圖3. 8刀具受力分析圖3. 4. 7螺旋主軸的軸徑確定根據(jù)蘋果園開溝的具體要求得螺旋主軸徑：ds= 58mm ,螺旋主軸長度：l=500mm,螺旋角：初始螺旋角為50,內螺旋線的初始角為100,螺旋主軸頭數(shù):i=2,螺旋主軸轉速：n =240r/min ,螺旋葉片外半徑r= 160mm,螺旋葉片高度h = 380mmc3. 4. 8校核螺旋主軸在螺桿的全長上主要受土壤的壓力p,克服土壤阻力所需的扭矩m,。由圖知，沿 螺桿徑向所受的壓強大小相等方向相反而相互抵消，故計算時對p的影響只考慮軸向 壓強p對螺桿的作用（即螺桿所受的軸向力p）,由于車速很慢，可以忽略車體前進對 軸身縱向

42、彎曲的影響。所以，對螺桿的強度計算可歸結為壓扭聯(lián)合作用下的復合計算, 由于在一般情況下根頸處的承載能力最差。因此，對螺桿的校核可進一步歸結上述復 合應力作用下，螺桿根頸斷面的強度計算24 25。圖3.6螺桿的受力分析圖由軸向力f產(chǎn)生的壓縮應力 乞=(1151.25) 材= 1.584mpa (其中 p = £ j°o°p螺桿=i3.4kn 所以 p=0.2112mpa)oa v(2) 由扭矩產(chǎn)生的剪應力n“496000xx = 69.747mpg (其中n喚為減速器最大傳動功率，叫和為螺 桿最高轉速，為傳動效率，木文取7/ = 0.8)o(3) 根據(jù)材料力學知識，

43、對于塑性材料合成應力采用第三強度理論計算。因此，其 強度約束條件應力為l-7+4r/h>0o所以，1= 1-0.04 = 0.996>0 (其中 l(y為螺桿材料的許用應力,一般取l(y = 4.165mpg ) o由上知道，此軸滿足強度要求。4. 附屬結構的設計4. 1托架的設計如圖4.1所示，連接臺架由機架連接板加強筋和拉桿組成。機架連接板和減速器 連接板焊合，并通過加強筋加固，拉桿底部與減速器連接板連接，它的上部和拖拉機 操縱桿相連接。機架連接板中部設有4個螺孔，該4個螺孔分別與拖拉機變速箱后端 面的4個螺孔對正，以齒輪箱端面聯(lián)接螺栓緊固。減速器連接板后部設有4個螺孔， 該4

44、個螺孔分別與減速器底端面的4個螺孔對正，以螺栓緊固。沖 4-*1拉桿2機架連接板3加強筋4減速器連板接圖4. 1托架的結構圖4. 2擋板的設計如圖4. 2所示擋板包括后擋板、側擋板和側翼板，其中后擋板與螺旋軸組合共同 作用將已切削土壤“逼出”溝內，側擋板除起同樣作用外，還可平整溝壁，上擋板的 存在避免土壤拋撒過高。后擋板組合通過銷軸與連接架聯(lián)結，并能繞銷軸轉動，從而 調節(jié)后擋板和螺旋葉片外緣距離。擋板組合由后擋板側擋板和側翼板組成。后擋板呈 弧形，通過2nun的鋼板滾軋而成，側擋板由2nun的平鋼板加工而成。后擋板呈150° 圓弧狀，它與側擋板在側端面呈90°焊合，側翼板與

45、側檔板在側擋板上側端面呈45"夾 角焊合。檔板組合保證了所切削的上壤隨螺旋不斷的提升而慣性拋撒到溝側。后擋板 與螺旋刀具組合鋸齒端部圓周的間隙為loinm,既能保證不與螺旋刀具組合發(fā)生摩擦, 又能保證開溝質量。側扌當板的構型起到平整溝壁和支撐側翼板的作用，側翼板的作用 是引導土壤排向溝的兩側。擋板組合的后擋板呈1500圓弧狀，它與側扌當板在側端面 呈90°焊合，側翼板與側擋板在側擋板上側端面呈45。夾角焊合，后擋板與螺旋刀 具組合鋸齒端部圓周的間隙為10mmo圖4. 2擋板的結構圖5. 螺旋開溝器運動參數(shù)的確定根據(jù)果園開溝的所要求的生產(chǎn)效率，得到最低的前進速度，再根據(jù)所提供

46、掛接動 力的功率，來確定前進速度，設計該螺旋式開溝機的前進速度為100m/ho立式螺旋開 溝器刀具為雙螺旋結構，在螺旋開溝過程中，被切下的土塊在離心力作用下壓向坑壁, 坑壁對上塊產(chǎn)生阻止其旋轉的摩擦力，使上塊的角速度小于螺旋面的冋轉角速度，該 摩擦力引起土塊沿葉片向上加速滑動。螺旋刀具的轉速為關鍵技術參數(shù)，需計算滿足 要求的最小轉速，即臨界轉速26。轉速較低吋，切下的土屑離心慣性力小，孔壁對 土屑的摩擦力不足以使土屑與葉片之間產(chǎn)生相對運動，土屑不能上升，只能隨葉片旋 轉。隨著轉速的增大，孔壁對土屑的摩擦力也增大，當轉速超過某一臨界值后，孔壁 對土屑的摩擦力足以使土屑與螺旋葉片之間產(chǎn)生相對運動，

47、土屑就會上升。這一轉速 的臨界值稱為臨界轉速。與此同時，設計轉速還需滿足排土轉速。排土臨界轉速指土 壤在葉片上不被擠壓而順利排出所需的最低轉速。5.1開溝器功耗分析根據(jù)相關文獻的研究27,螺旋式開溝機的功率消耗由3部分組成:挖掘功耗w 輸送功耗w?與拋撒功耗w3。輸送功耗包括克服土塊重力做功w2,克服周圍土壁摩擦做功w；及克服螺旋刃而摩擦做功w； 3部分，怡二' +怡"+怡"=旳rd gr2 +通過建立優(yōu)化數(shù)學模型;利用matlab的優(yōu)化工具包進行優(yōu)化，得到當v=0.0278in/s, w=13.967rad/s, k0= 1.2286 圈，tga0=0.1763

48、時達到最低的切削功耗為 2.3836kw。5. 2轉速分析銃切力隨線速度呈拋物線變化規(guī)律，當切削速度低于8.5 - 9m/s時，銃切力隨線速度增長緩慢，而當切削速度高于8.59m/su寸，銃切力隨線速度急驟增長。這說明當 切削速度接近10m/s時，負荷在土壤中的傳播速度接近或超過變形在土壤中傳播的速 度（變形在土壤中的傳播速度為10-llm/s）,不僅銃切力增長，銃切比阻也隨之增長28 ,因而取vl7jmax =9m/s30 7切n 由：r兀式中：v切一圓周切向線速度將最大的圓周切向速度代入上式得n max =537r/min考慮到手扶拖拉機的附加農耕機具的一般作業(yè)速度的取值，選取vr=4m/

49、5,則 n阿=240" mino5. 3臨界轉速分析根據(jù)上節(jié)對土壤質點的運動和受力分析，得到土粒沿螺旋升運的臨界轉速公式：取土壤的物理參數(shù)及螺旋的結構參數(shù)為： =15°,£ =0.466,/? = 016加, =30°, 代入上式得1% =109廠/min則設計轉速n >n0。土?？梢韵蛏陷斶\。5. 4排土臨界轉速排土轉速指不使土壤在葉片擠壓而阻塞、順利排出所需的最低轉速29,即：八 廠式中：1螺旋刀具中心管半徑，r=0. 029m 則排土轉速計算為：比=133.4廠/min只有當螺旋刀具的設計轉速人于排土臨界轉速和升土臨界轉速時，才能保證土壤被切 削后能沿螺旋葉片排出而不會擠壓阻塞。結論與討論本文研究雖然完成螺旋式果園開溝機的結構設計，初步解決了果樹園開施肥溝的 問題，節(jié)約了人力物力，實現(xiàn)了開溝的機械化。由于時間緊，任務垂，而且是初次設 計，所以難免存在j些問題，特別是在一些參數(shù)的選定方面需要改進，可以大幅度的 提高起生產(chǎn)的效率。但有待于進一步深入改進和完善。此外由于在機械設計制造的過程中需要綜合運用專業(yè)知識，需要有豐富的實際工 作經(jīng)驗，在本科受教育階段不能夠熟練掌握本設計用到的所有專業(yè)知識以及設計軟件 的使用方法，因此在本設計中肯定存在很多不足甚至是錯誤，但是本設計再設計原理 方面借鑒了很多論文中提到的較好的設