微型棚室自走式旋耕機的設計

1、摘要本文在分析小型棚室旋耕機的結構組成和工作原理的前提下，介紹說明了小型棚室旋耕機的設計原那么和設計步驟。并根據(jù)設計原那么的要求，首先選擇了小型棚室耕機的類型，確定小型棚室耕機的耕幅、傳動型式、刀軸轉速,離合器工作的選擇等內(nèi)容。然后具體設計了小型棚室旋耕機的傳動裝置包括齒輪箱的結構設計、關鍵零件的強度校核、耕深調節(jié)裝置和工作部件總成的設計。其中齒輪箱的設計是本次設計中的主要內(nèi)容，它包含了大量的工作：資料的整理，參數(shù)的設定，相關計算，繪圖等。此小型旋耕機主要是采用小型的柴油機和齒輪鏈輪多級變檔傳動，旋耕部件取代了驅動輪的行走作用。該旋耕機具有體積小、結構簡單、重量輕、操作靈活、碎土性能好，生產(chǎn)率

2、高等優(yōu)點。這種旋耕機的試制成功，將會大大的降低農(nóng)民的勞動強度，從而提高勞動生產(chǎn)率；同時可以降低蔬菜的生產(chǎn)本錢。關鍵詞：旋耕機；自走式；旋耕刀；AbstractAfter analyzing the components and principles of Ploughing machine of small-scale tent type,the thesis introduces the principle of design and the procedure of Ploughing machine of small-scale tent type .According to the p

3、lan ,the thesis chooses Ploughing machine of small-scale tent type, confirms their ploughs ,the connection and disposition method with the selected tractor, transmission pattern, rotation speech of cutter shift , the selection of card-link, etc. Then rotary tille Ploughing machine of small-scale ten

4、t type gearing is designed concretely ,which includes overall design of gear case strength calculation of main parts, the design and choice of plough depth limiting device and working part .The design of Gear Case is the main point of the thesis ,which needs lots of work ,data sorting ,the choice of

5、 parameter and relevant calculation and drawing etc.This rotary cultivator adopts mini type diesel engine and multilevel changeable speed transmission passing by gears and sprocket wheels, rotary tillage parts replace the driving wheel. There are some advantages about the minitype rotary cultivator,

6、 such as : small cubage, simply construction, light weight, flexibility operation, scraping the soil perfectly, highly productivity and so on. It will decrease the labor hours and intensity of the peasants by a long way, therefore improving the productivity and the more important is to reduce produc

7、t cost about the vegetables.Key words: rotary cultivator; rotary blade; the breadth of furrow; 目錄摘要- 1 -Abstract- 2 -目錄- 3 -1引言- 4 -研究的目的和意義- 5 -國內(nèi)外開展現(xiàn)狀- 6 -2總體方案卻確定- 8 -旋耕機整體參數(shù)的選擇- 9 -2.1.1 旋耕機類型的選擇- 9 -2.1.2 旋耕機耕幅確實定- 10 -2.1.3 旋耕機的刀軸轉速選定- 10 -2.2 旋耕機工作原理- 11 -3旋耕刀的參數(shù)設計- 12 -刀輥的設計- 12 -3.1.1 刀軸及其傳

8、動- 12 - 旋耕刀的方案確定- 12 -3.2 旋耕刀的運動參數(shù)設計- 15 -旋耕刀片的運動分析- 16 -旋耕刀片的結構參數(shù)設計- 18 -旋耕刀片的選材- 19 -刀輥軸的強度計算- 20 -3.3.1 刀輥軸結構確定- 20 -3.3.2 刀輥軸的設計計算說明- 21 -4結論- 22 -參考文獻- 22 -致謝- 25 -1引言旋耕機，亦稱旋轉耕作機、旋耕犁，是一種以拖拉機為行走和作業(yè)動力，靠一組安裝于水平軸上的彎刀回轉來實現(xiàn)土壤耕耘作業(yè)的農(nóng)機具，其耕作原理示意圖見以下圖。刀片作業(yè)時，首先將土垡切下，隨后向后拋出，土垡撞擊到旋耕機罩殼和擋土板落回地面，能一次完成耕耙作業(yè)。它的耕作

9、部件為旋耕刀輥,是由多把旋耕刀在刀軸上按螺旋線排列而成,。旋耕機切土、碎土能力強，一次旋耕能夠到達一般犁耙作業(yè)幾次的碎土效果，耕后地表平整、松軟，能滿足精耕細作要求，且縮短工序間隔，有利于搶農(nóng)時抗旱保墑，減少拖拉機進地次數(shù)，減輕對土壤壓實，減少能源消耗，降低作業(yè)本錢，減少機具投資，提高機具利用率，加之近年來國內(nèi)還田技術和免耕少耕技術的推廣應用，旋耕機得到了迅猛開展，已成為拖拉機的主要配套機具之一。圖1-1 旋耕機耕作原理示意圖旋耕機于19世紀中葉問世以來，得到了迅速開展和推廣使用。日本二戰(zhàn)之后為了盡快恢復經(jīng)濟開展,引進旋耕機用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。但是由于日本大多為水田,直角形旋耕刀不適宜于進行水田耕作

10、。一大批日本學者開始致力于水田用旋耕刀的研究,如吉田富穗、松尾昌樹、坂井純等人研制出了旋耕彎刀,成功地解決了刀軸纏草等問題。為了解決刀軸纏草的問題本文對旋耕彎刀進行了設計說明。對彎刀的刃口曲線提出了相應的要求，目前能到達這種要求的刃口曲線有阿基米德螺線、等角對數(shù)螺線、正弦指數(shù)曲線等,其中阿基米德螺線應用最廣。旋耕機能量消耗大，約為犁耕作業(yè)能量消耗的3倍以上。因此，近20多年來，國內(nèi)外在旋耕刀形狀研發(fā)上向著降低能耗的方向不斷改良。從切土作用上說，旋耕刀側切刃口線切出溝墻，類似于鏵式犁的脛刃線，靠近側切刃的正切刃區(qū)相當于犁胸，端部的正切刃區(qū)相當于犁翼。旋耕與犁耕都同樣要完成起土作業(yè)，且犁耕時還需克

11、服犁側板與溝墻及犁踵與溝底間的摩擦力，但犁耕比旋耕功耗低。究其原因很多：其一，在于犁耕是低速連續(xù)平穩(wěn)的作業(yè)過程，土垡變形根本為彎與扭，壓縮變形較?。黄涠?，旋耕時土垡壓縮變形相對較大，其內(nèi)部靜壓也相應較大，根據(jù)土力學庫侖定律，該土垡的強度將增加，于是迫使它繼續(xù)發(fā)生變形乃至破碎，所需的功耗也相應增大。因此，盡量緩解旋耕切土時土垡內(nèi)的靜壓，合理增加土垡沿正切刃彎曲方向的側滑運動及彎扭變形是降低旋耕功耗的重要技術途徑。到目前為止，旋耕機產(chǎn)品雖然在理論上可以配套-的拖拉機，但實際上因受傳動系統(tǒng)強度及結構尺寸、機架結構強度的限制，配套合理范圍僅達48kw的拖拉機；耕深亦局限在旱耕12-16cm，水耕14-

12、18cm。20世紀90年代以來，為適應市場需要，有些企業(yè)試圖開發(fā)大型旋耕機，但因水平有限，僅采用原有產(chǎn)品外延放大和堆砌材料的方法，沒有著重結構的改良和參數(shù)的優(yōu)化，因而走了彎路。因此，現(xiàn)有旋耕機產(chǎn)品在品種上尚有大型和深耕型的空缺。隨著水稻集約化、規(guī)?；a(chǎn)的開展，水田耕整用寬幅高速型旋耕機成為開展方向。水田土壤含水率高，抗剪切、抗壓強度特別低，附著力、外摩擦力也接近為零，切土部件與土壤之間存在潤滑水膜。因此，大塊水田使用大型拖拉機旋耕機組水耕時，為充分發(fā)揮其功率，實現(xiàn)高效率、高效益，需要工作幅寬3m以上的寬幅旋耕機。但寬幅又受到道路行駛和入庫停機不便的制約。解決途徑有二：一是旋耕機采用寬度伸縮或

13、折疊式結構；二是采用適中的幅寬，提高作業(yè)速度，從現(xiàn)有的2-5km/h提高到4-8km/h。為滿足以上要求，需要改良旋耕機及工作部件的結構和參數(shù)，研制寬幅高速旋耕機及滅茬、旋耕、旋耙和深施化肥的復式作業(yè)機械。 我國作為農(nóng)業(yè)大國，不少農(nóng)機學者在旋耕機方面進行了大量的研究工作。為了促進驅動型耕作機械的開展，本人選擇了旋耕機作為自己的畢業(yè)設計論文課題，借鑒了不少知名學者的重要研究成果，書寫成文。由于資料搜集的局限性和水平有限，錯誤和缺乏之處在所難免，歡送給予批評指正。研究的目的和意義土壤耕作是種植業(yè)生產(chǎn)過程中的重要一環(huán)，對于農(nóng)作物增產(chǎn)具有重要作用。因此，土壤耕作機械的開展一直受到人們的關注。由于土壤耕

14、作是一項能耗很大的作業(yè)，傳統(tǒng)的土壤耕作機械，如犁，耙等都需要屢次書耕作會對土壤造成破壞，不利于水土保持，消耗較大。長期以來，人們一直在探討新的工作制度，松土和局部松土，不耕和少耕。在這種形勢下，驅動型耕作機械誕生了。這種機械之所以引人注目，一是強化土壤耕作過程，可以滿足不同條件下的不同土壤類型；二是一次耕作可以聯(lián)合作業(yè)；三是有動力驅動，質量好；四是作業(yè)時幾乎不需要牽引功率，減少了功率的消耗。驅動型機具有多種，如旋耕機，振動土壤耕作機械等，目前廣泛使用的，應用前景最好的就是旋耕機。耕機切土、碎土能力強，一次旋耕能夠到達一般犁耙作業(yè)幾次的碎土效果，耕后地表平整、松軟，能滿足精耕細作要求，且縮短工序

15、間隔，有利于搶農(nóng)時抗旱保墑，減少拖拉機進地次數(shù)，減輕對土壤壓實，減少能源消耗，降低作業(yè)本錢，減少機具投資，提高機具利用率，加之近年來國內(nèi)還田技術和免耕少耕技術的推廣應用，旋耕機得到了迅猛開展，已成為拖拉機的主要配套機具之一。由于很多因素不能控制，如比照性較差，試驗精度較低，采集的數(shù)據(jù)不夠準確可靠等等，使得我們需要一種特殊的，更有優(yōu)勢的試驗環(huán)境。土槽正是在這種環(huán)境下誕生且被廣泛運用的。利用土槽試驗是極其優(yōu)越的研究手段，其特點是：試驗可以不受季節(jié)與氣候的影響；縮短試驗周期；試驗重復性好；可以控制有關因素；有較強的比照性；試驗精度高，采集的數(shù)據(jù)準確可靠。這樣我們可以研制出更高效、優(yōu)質的旋耕機，更好的

16、滿足人們對于耕作土地的要求。近年來，溫室大棚蔬菜種植越來越受歡送。為了解決蔬菜消費的經(jīng)常性和其生產(chǎn)季節(jié)性的矛盾,保證嚴寒或炎熱季節(jié)充足供給新鮮蔬菜,全國各地目前普遍采用塑料大棚種植。一般蔬菜大棚單位面積產(chǎn)量比露地高12倍,純收入可提高24倍,而且可以大大增強防澇抗旱的能力,保證災期蔬菜的供給,經(jīng)濟效益和社會效益均很顯著。但是,目前大棚內(nèi)作業(yè)均為原始的手工勞動,菜農(nóng)勞動強度大,工作環(huán)境惡劣,效率低而且作業(yè)質量差,嚴重阻礙了蔬菜生產(chǎn)的開展。菜農(nóng)急需的棚內(nèi)作業(yè)機具國內(nèi)曾有研究,但以往研制的產(chǎn)品往往自重較重,外型尺寸大,操作不靈活,在棚室內(nèi)轉向和窄田埂上轉移均較困難,在棚室內(nèi)的邊角地帶無法工作,漏耕多

17、,而且不適合在高含水率的粘性土壤中耕作,目前尚缺少能很好地適應蔬菜大棚內(nèi)作業(yè)的性能優(yōu)良的旋耕機。而國外產(chǎn)品的價格又過于昂貴,而且配件供給和維修問題無法解決。為適應蔬菜大棚的大規(guī)模開展對農(nóng)機具的需求,根據(jù)大棚內(nèi)作業(yè)對機具的要求以及菜農(nóng)對機具價格的承受能力,我們研制了這種結構簡單、機型小巧、操縱靈活、轉移輕便、價格低廉、性能可靠和污染少的適合于蔬菜棚室內(nèi)的低矮環(huán)境及蔬菜露地和果園作業(yè)的微型旋耕機?，F(xiàn)狀不同的作業(yè)條件下不可能一次作業(yè)就到達所要求的整地質量。即使在翻熟地時(至于生地就更困難了)也常常達不到規(guī)定的坐片粉碎程度，還要進行輔助性的整平耙粉作業(yè)等。其結果，輔助性作業(yè)把土壤壓實了，降低了勞動生產(chǎn)

18、率，提高了燃料與潤滑材料的消耗，增加了費用。旋耕機與一般整地機械的不同之處在于，它的作業(yè)前進速度和旋耕部件的角速度及其旋耕刀數(shù)在不同作業(yè)條件下的適當配合，進而獲得高質量的整地效果，以至各種土質的土壤經(jīng)旋耕機作業(yè)后可到達待播狀態(tài)。旋耕機的工作動力來源于拖拉機的動力輸出軸，因而它比大馬力現(xiàn)代化拖拉機聯(lián)合作業(yè)經(jīng)濟效益好。從一系列國外大公司的旋耕機的主要運用參數(shù)看，其單位能耗高達280-700kJ，大約高于翻整地能耗3-6倍。70年代前設計師們就采用了改良工作部件的兒何參數(shù)、進行優(yōu)化設計、選用符合旋耕工作部件作業(yè)條件的運動參數(shù)等方法，降低旋耕機的單位能耗。近幾年由于拖拉機馬力的提高，具有水平軸旋耕部件

19、的旋耕機更加現(xiàn)代化，這將使旋耕生產(chǎn)率的提高成為可能，但仍沒有實現(xiàn)單位能耗的降低?，F(xiàn)在各國生產(chǎn)的具有水平旋轉軸的旋耕工作部件根本結構相當?shù)耐晟?，缺乏之處也將進一步改良。目前，水平軸旋耕部件與地輪轉向一致的旋耕機，即臥室正轉旋耕機，在國內(nèi)外的實際生產(chǎn)中得到廣泛的應用，并且旋耕工作部件結構相當完善。旋耕機的保有量也增加的很快。為了適應當前的生產(chǎn)規(guī)模，為不同機型拖拉機配套，生產(chǎn)了作業(yè)幅為1.25m2.8m多種型號的旋耕機。如南昌旋耕機廠的IGN系列多種型號旋耕機，連云港旋耕機集團公司生產(chǎn)的IGE2-210型旋耕機，1CN-250S型旋耕機等。在黑龍江省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，使用的機型還有1GHL-280型松旋起

20、壟機、1GSZ-210280型組合式旋耕多用機、1GZJ-210型旋耕滅茬聯(lián)合整地機、1GLT-4型松旋滅茬起壟通用機等。很多機型為了適應黑龍江省農(nóng)藝要求，在旋耕機后部安裝了起壟犁鏵。旋耕機的各個工作部件結構也完善很多。為了裝配各種不同的工作件組臺設計了專門的機架，以提高旋耕機的應用水平。旋耕深度影響旋耕機的工作效率。有的旋耕機依據(jù)旋耕部件與耕深的相對關系，把中央調速器直接設計安裝在旋耕工作部件的軸上。這樣保證了農(nóng)具的最小能耗、最少的材料消耗和較好的工作質量。由于調速器殼體下是未耕地，存在如何保護好調速器殼體的問題。國產(chǎn)的1G-150旋耕機和1G-140旋耕機等多種機型的旋耕軸配置在地表水平面

21、上或低于地表。為了防止調速器外殼的損壞，在殼體上或前犁柱上安有專用的分土鏟。分土鏟開出的鏟溝被補助整地作業(yè)消滅。從近幾年國產(chǎn)的旋耕機配套推廣應用情況來看，存在一些問題：1、拖拉機動力輸出軸容易損壞：2、十字萬向傳動軸使用壽命短：3、旋耕作業(yè)性能不穩(wěn)定和容易纏草的問題；4、缺少與大功率拖拉機配套的旋耕機；5、作業(yè)性能滿足不了當今的農(nóng)藝要求；這些問題的解決有待于進行更深入的研究。在確定生產(chǎn)旋耕機的最正確方案時，應注重考慮它的單位能耗。第一，在旋耕土壤堅實度高的生荒地時(宜用旋耕)，因土壤比阻大，農(nóng)具很難到達要求的入土深度。在這種情況下，要到達所要求的入土深度有以下方法：同耕幅的屢次作業(yè)，如波蘭的G

22、Gz-1.6型、意大利的zL-150和DFL-230型旋耕機等；加配重，如法國的EL-50型、德國的B-155L型；-3.9kN/m)，如波蘭的V-506型、日本的pD-1500型、荷蘭的Lely型、法國的SC-255型等。第二，旋耕刀碎土，耕層的上層土壤比下層土壤粉碎的好。因根垡需要很好地粉碎，所以要創(chuàng)造條件使垡片下部到達預計的粉碎程度。垡片下部過份的粉碎能耗高，沒有太大的必要。第三，帶往土壤整地時，旋耕地上層與下層的物理特性不同。上層有植物根的地面厚度為0.05。從動力學角度來看，切割較其它粉碎方法更為省力，大致可節(jié)能1/2左右。下層土質緊密，可采用相適應的松土工作部件進行松土。隨著農(nóng)業(yè)機

23、械化程度的增強，工作效率和效益的提高，現(xiàn)有的旋耕機的弊端日益突出，已滿足不了農(nóng)藝要求和生產(chǎn)規(guī)模擴大的需要。故對旋耕機的研究有了進一步的深化，出現(xiàn)如下幾個方向的開展趨勢：1、向寬幅，高速型旋耕機開展；2、向聯(lián)合作業(yè)機組方向開展；3、全幅深旋耕機已起步；4、向可持續(xù)開展戰(zhàn)略型開展；5、小型旋耕機需求量有所增加。2總體方案卻確定總體結構設計及工作原理裝配示意圖如下：1-汽油機 2-機體 3-操縱手柄 4-擋泥板 5-限深機構 6-旋耕工作部件 7-行走輪圖2-1 自走式旋耕機裝配示意圖 旋耕機主要由發(fā)動機、機架、旋耕工作部件、限深機構、傳動鏈、行走輪等組成，其工作原理是將發(fā)動機的動力經(jīng)鏈傳動直接傳遞

24、給刀輥軸，驅動軸上的旋耕刀片旋轉在銑切加工土壤過程中，通過土壤反力推動機器前進。耕深主要靠阻力鏟柄上孔眼的位置進行上下調節(jié)，同時還可通過人改變其對操縱手柄的壓力以增減力矩，調節(jié)機器的前進速度，借以到達改變耕深的目的。另外，旋耕作業(yè)的碎土性能與土壤含水量、土壤堅實度和機器的作業(yè)速度有關， 在實際作業(yè)中應根據(jù)具體情況選擇最正確的工作速度。表1 主要技術參數(shù)配套動力耕幅耕深刀片型式刀片數(shù)量輸入轉速汽油機 100cm10cm16cm彎刀122600r/min刀軸轉速連接型式前進速度外形長外形寬外形高125r/min三角輪傳動1250mm860mm970mm注：生產(chǎn)率按理論計算值的70%計算作業(yè)時的最大

25、耕幅。旋耕機整體參數(shù)的選擇 旋耕機類型的選擇按照旋耕機刀輥的位置可以分為臥式、立式和斜軸式。臥式旋耕機的工作部件與機具平行方向互相垂直的水平軸旋轉切削土壤，如圖2-2所示；立式旋耕機部件繞與地面垂直或傾斜的軸線旋轉切土，如圖2-3所示；斜置式旋耕機綜合了犁耕與旋耕的特點，前面犁耕，后面旋耕，機具功率消耗低，且作業(yè)質量好，如圖2-4所示。圖2-2 臥式旋耕機示意圖圖2-3 立式旋耕機示意圖圖2-4 斜置式旋耕機示意圖本設計主要適用于溫室或小塊田地，應選用小型號，結構緊湊、簡單實用的臥式旋耕機。 旋耕機耕幅確實定½,但最終確實定必須經(jīng)過試驗驗證。事實上,對于同一種旋耕機,主機功率大的配套

26、并不一定有好的作業(yè)質量,相反卻有可能造成功率的浪費,通過試驗能合理確定對應幅寬的最正確配套功率,可以防止“大馬拉小車的情況。耕幅與拖拉機的功率有關，并影響旋耕機與拖拉機的配置方式。耕幅B與拖拉機動力輸出軸的額定輸出功率大體成以下關系： N = 3.5 KW 式中N發(fā)動機的額定功率KWB=,本設計選取B=1m2.1.3 旋耕機的刀軸轉速選定在機組前進速度不變的情況下，旋耕機所需功率隨刀軸轉速的增加而增加，較理想的配合是低刀軸轉速和較高的前進速度，雖然功耗要增加些，但因生產(chǎn)率提高了，仍可降低單位面積的能耗。近年來，刀軸轉速降低的趨勢尤為明顯。另外旋耕機的刀軸轉速一般在200-285r/min，隨著

27、土壤比阻不同，旋耕機的刀軸轉速也不同，粘性重的土壤比阻大，轉速應偏低，砂性土壤比阻小，轉速可偏高。為了提高生產(chǎn)率及地區(qū)適應性，減少能耗，本設計旋耕機刀軸轉速選擇200r/min。2.2 旋耕機工作原理旋耕機的主要功能，為了實現(xiàn)自動驅動，將彎刀直接安裝在刀軸的刀座上。利用調節(jié)旋耕機后端支撐桿產(chǎn)生阻力， 使刀座上的12把刀片旋轉來進行旋耕作業(yè)。隨著支撐桿深淺的調節(jié)(改變阻力的大小)，使彎刀有不同的滑轉率，從而得到不同的耕深、生產(chǎn)率和碎土質量。彎刀在刀軸上采用人字型排列方式，這種排列方式對整機偏轉力矩小，有利于行駛，操作方便。刀片為左右交錯入土，同向刀片相繼入土的幾率小，故產(chǎn)生大震動的次數(shù)小，橫向平

28、衡好。切土比根本為1:1，刀片磨損均勻，碎土率好。 3旋耕刀的參數(shù)設計刀輥的設計刀輥也稱為刀滾，由刀軸及安裝在刀軸上的旋耕刀組成。刀輥的配置有立式和臥式兩種。前者稱為立式旋耕機，后者為臥式旋耕機。臥式旋耕機刀輥的旋轉方向分為正轉和反轉。刀輥的旋轉方向與拖拉機前進時輪子的旋轉方向相同時為正轉，反之為反轉。目前大局部是正轉旋耕機，而且應用逐步廣泛，故本機選為正轉臥式旋耕機。 刀軸及其傳動 刀軸是組成刀輥的核心零件，一般用鋼管材料制造，兩端焊合傳動連接花鍵和支承軸頸結構。刀軸有整體式和組合式兩種，組合式刀軸由多節(jié)管軸通過接盤連接而成，通用性好，可以根據(jù)不同的幅寬要求進行組合。由于本機適用于溫室大棚或

29、小塊地域，采用整體式刀軸即可滿足要求。刀軸傳動有剛性傳動、扭桿軸傳動和彈性傳動三種。剛性傳動結構簡單可靠，制造方便。目前拖拉機配套旋耕機和局部手扶拖拉機配套旋耕機均采用這種結構。但是這種結構的旋耕機作業(yè)時的沖擊載荷易使傳動件損壞。扭桿軸傳動可以減弱沖擊載荷的影響，目前局部8.82kw手扶拖拉機配套旋耕機采用這種結構，但是結構比擬復雜，本錢較高。彈性傳動是將彈性聯(lián)軸節(jié)安裝在鏈輪與刀軸之間，刀軸齒輪通過橡膠塊帶動軸套，軸套通過花鍵與刀軸相連接。這樣，切土過程中產(chǎn)生的沖擊扭矩由橡膠塊吸收，有一定的緩沖作用，減少傳動系統(tǒng)的疲勞載荷，延長齒輪等傳動件的使用壽命。但是橡膠材料的壽命較短，影響旋耕機的推廣使

30、用。綜合各方面考慮，本機刀軸采用彈性傳動方式。3.1.2 旋耕刀的方案確定旋耕刀是旋耕機的主要工作部件。刀片的形狀和參數(shù)對旋耕機的作業(yè)質量、功率消耗影響很大。為適應不同土壤旋耕作業(yè)的需要，人們對旋耕刀的形狀和結構進行了大量的研究。國外旋耕機開展有較長的歷史，已有成熟的設計方法，旋耕機已得到廣泛的應用，標準化、系列化、通用化程度很高。旋耕刀在刀軸上安裝，有刀座和刀盤兩種型式。用刀座安裝旋耕刀時，每個刀座只能安裝一把刀，用刀盤安裝時，每個刀盤可以根據(jù)不同需要安裝多把刀。刀座又有直線型和曲線型兩種。曲線型刀座滑草性能好，但是制造工藝復雜。基于此，本機選用直線式刀座來安裝旋耕刀。目前臥式旋耕機上使用的

31、旋耕刀有三種型式：1、直角刀 刃口由正切刃和側切刃構成，兩刃相交成90°左右。工作時先由正切刃從橫向切開土壤，再由側切刃逐漸向后切開土垡。直角刀刀身寬，剛性好，有較強的切土能力，適合在土質較硬、雜草不多的旱地及果園里工作。在水田中耕作業(yè)時，刀身易纏草。圖3-1 直角刀示意圖2、鑿形刀 具有鑿形刃口，入土性能較好。工作時鑿尖首先刺入土壤，然后在刀身作用下使土壤破碎。這種方式對土壤有很大的松碎作用，但容易纏草。鑿形刀刃口窄，只適合在較疏松的土壤里工作，在黏重潮濕的土壤中耕耘時刀尖會漏耕。通常用于雜草、莖稈不多的菜地、果園中或者沙土、多石礫地等。圖3-2 鑿形刀示意圖3、彎刀 彎刀由正切部

32、和側切部構成，按正切部的彎折方向，可分為左彎和右彎兩種。彎刀有較為銳利的正切刃和側切刃，刃口為曲線，有較好的滑切性能。彎刀切土時，刀刃按離刀軸中心的距離先近后遠依次入土，這種切土過程可將未切斷的草莖壓向未耕地，使草莖容易被切斷。即使不能切斷，也可利用刃口曲線的形狀，使草莖滑向刀片前端脫開，不至于纏草。因此，彎刀適合在多草的田地里工作，是一種水旱通用的旋耕刀，在我國、日本及東南亞國家得到了廣泛應用。圖3-3 彎刀示意圖基于以上分析，本旋耕機選用彎刀。刀片如果安裝不對,不僅影響作業(yè)質量, 還要影響機具的使用壽命。彎刀有左彎刀和右彎刀兩種，有三種安裝方法： 1、外裝法 自刀軸中間開始所有彎

33、刀都向外彎，但是刀軸兩端的兩把刀都向里彎，如以下圖。這種裝法有向側拋土傾向，耕后地面中間形成一條淺溝，適合于拆畦耕作或旋耕開溝聯(lián)合作業(yè)。圖3-4 外裝法刀片示意圖 2、內(nèi)裝法 所有彎刀都向刀軸中間彎，如以下圖。耕后地面中間高出成壟，適合于作畦前的耕作，也可以跨溝耕作，起平溝作用。圖3-5 內(nèi)裝法刀片示意圖3、交錯安裝法 左右彎刀在刀軸上交錯安裝，即在同一平面內(nèi)的兩個刀座，左右彎刀各裝一把，刀軸兩端的兩把刀全向里彎，如以下圖。這種安裝法耕后地面平整，適合于平作及犁耕后耙地，應用最廣。圖3-6 交錯安裝法刀片示意圖根據(jù)作業(yè)要求，耕后地面要平整，故采用交錯安裝法來安裝彎刀。 旋耕刀的運動參數(shù)設計旋耕

34、刀的幾何參數(shù)是影響功耗的主要因素，在1974 年，Hendrick和Gill根據(jù)旋耕刀的旋轉速率設計出的正切刃，使它不接觸未切開的土地，大大降低了旋耕刀的切削功耗。旋耕刀的運動軌跡是旋耕刀幾何參數(shù)設計的主要依據(jù)。在 1978 年，Hendrick 和Gill 利用運動方程對旋耕刀的運動軌跡進行了理論分析，利用瞬心的方法來確定旋耕刀在任意軌跡點的方向和速率。在對旋耕刀運動軌跡的研究過程中，1991 年 Thakur 和 Godwin 得到在準靜態(tài)條件下，在旋耕刀旋轉一周的過程中，旋耕刀所受的最大合力發(fā)生在旋耕刀入土 1015°時。這一發(fā)現(xiàn)對旋耕刀的設計提供了重要的力學依據(jù)。20 世紀

35、90 年代以前，對旋耕刀的設計研究大都采用傳統(tǒng)的機械設計方法，這些傳統(tǒng)設計為旋耕刀數(shù)字化設計提供了理論根底。傳統(tǒng)的機械設計特點是：以長期經(jīng)驗積累為根底，通過力學、數(shù)學建模及試驗等所形成的經(jīng)驗公式、圖表、標準及標準作為依據(jù)，運用條件性計算或類比等方法進行設計。旋耕機刀片設計要求： 合理選擇刃口曲線(面)，使側切刃(面)具有較強的滑切能力，正切刃(面)具有較好的切碎能力，并使過渡刃(面)圓滑連接正切刃與側切刃，在田間耕作質量滿足農(nóng)藝要求的前提下，提高刀片撕裂土壤及粉碎根茬的能力，降低機具功率消耗和作業(yè)過程中所受變形阻力。 刃口曲線(曲面)在滿足滑切和切碎性能的前提下，應盡量簡單，利于批量加工制造，

36、降低制造本錢。旋耕刀片的運動分析旋耕刀的運動軌跡曲線由運動著的刀端點所形成，即為點的運動軌跡，如以下圖所示。圖3-7 旋耕刀刀片運動軌跡刀座上的旋耕刀作業(yè)時完成復合運動：一個是刀片繞刀輥轉動的圓周運動，為相對運動，其速度為相對速度，也稱為圓周速度；另一個是刀輥隨機組前進的運動，為牽連運動，其速度為牽連速度，即機具的前進速度。絕對速度(也稱為切削速度)為，那么端點的運動方程為式中：刀片回轉角速度，；刀片回轉半徑，；機具前進速度，；刀片轉角，對上述式子整理后可得到點的運動軌跡方程為在旋耕作業(yè)中稱為旋耕速比，它表示刀片端點圓周速度與前進速度的比值。的大小對刀片運動軌跡及機具作業(yè)狀況有重要影響。 將代

37、入得： 該式對時間求導，得由圖3-7知，那么為耕作深度由該式可知：刀片水平速度與機組前進速度、刀輥轉速、刀片回轉半徑及耕作深度有關。>1，即當?shù)抖私^對速度的水平分速度與機具前進方向相反時，刀片可向后切削土壤或碎茬。此時刀片圓周速度大于其前進速度，其運動軌跡為余擺線，且形成繞扣。當越大，曲線繞成的繞扣越大，切土節(jié)距S就越小，工作質量越好。，即機組前進速度0，機具在原地打轉，此時作業(yè)效率極低。因此，為提高作業(yè)效率，并使耕作質量滿足農(nóng)藝要求，需要選定適宜的值。的選擇既要保證機具正常工作及滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)耕深要求，還要綜合考慮旋耕機結構、功率消耗及生產(chǎn)率等其它因素。例如，增大刀片回轉半徑、角速度不僅

38、使機具結構變大，而且增大刀片切土扭矩及機具功率消耗；假設減小，那么會降低機具生產(chǎn)率。目前常用的速比為=410左右。旋耕刀片的結構參數(shù)設計旋耕刀主要由具有正切刃的正切面、具有側切刃的側切面和連接正、側切面的過渡面以及連接正、側切刃的過渡刃組成。旋耕刀正切刃(面)具有切土、翻土、碎土、拋土等功能；側切刃(面)具有切開耕層土垡、切斷或推開草莖及殘茬等功能；過渡刃(面)具有較好的滑切作用，可使被切土垡或根茬沿其滑移。圖3-8 彎刀結構簡圖旋耕刀刃口曲線怎么選擇呢？通用刀片的刀刃由側切刃、正切刃和過渡刃組成。側切刃在作業(yè)時沿縱向切開土壤、切斷根茬或草根，并使草根或根茬在被切時能沿刃口滑動，以便于切斷或者

39、沿刀尖滑脫，等角螺線、等進螺旋線(阿基米德螺旋線)和正弦指數(shù)曲線等均可作為刀片的側切刃曲線。而以阿基米德螺線、對數(shù)螺線、偏心圓弧、直線作為刀片側切刃曲線的試驗證明，阿基米德螺線是使刀片作業(yè)功耗最小的刃口曲線。目前，國產(chǎn)的各種彎刀和日本工業(yè)標準的彎刀，側切刃均采用阿基米德螺旋線。因此，本機確定以阿基米德螺旋線作為側切刃曲線。確定螺線終點處的極徑，為使螺線能與正切刃圓滑過渡，值一般比彎刀回轉半徑小10-20mm。旋耕刀片的結構參數(shù)主要有以下幾個：(1) 回轉半徑。刀片的回轉半徑，主要根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求的耕深進行確定，當耕深和機組前進速度一定的情況下，應盡量選擇較大的回轉半徑。當耕深為140-160m

40、m時，常采用240-260mm。本設計中回轉半徑選擇為=250 mm。(2) 彎折角。即刀片正切面與側切面的夾角。彎折角過大，作業(yè)時刀尖首先接觸土壤或根茬，刀片受力增加，降低刀片的使用壽命；彎折角過小，刀片切割土垡和根茬時，首先在彎折處接觸土壤和根茬，然后滑向側切刃，不僅容易堵塞刀輥，而且會增大切割阻力。(3) 正切面刃角。越小，刀片越鋒利，作業(yè)時功耗越小，刀片使用壽命隨之降低；增大，那么效果相反。(4) 滑切角。假設滑切角增大，側切刃口變長，耕作時刀片側面受到的土壤摩擦力增加大，切割阻力增大，碎土或碎茬作用減?。患僭O滑切角過小，刀片入土性能和作業(yè)質量差，且刀片易纏草。(5) 彎曲半徑。彎曲半

41、徑太小，刀片彎折處容易粘土，且會降低刀片彎曲處的強度，縮短刀片的使用壽命；假設彎折半徑過大，那么會增大作業(yè)后溝底的不平度。(6)單刀切削幅寬。單刀切削幅寬小，那么會出現(xiàn)漏耕；切削幅寬大時，那么會增大單刀作業(yè)阻力，彎折處易打斷，且刀座、刀片及固定件強度需加強。常用幅寬為35-50mm。此處取50mm。(7)刃厚。當刃口半徑大于mm時，刀片碎土或碎茬質量會明顯下降。因此，刀片刃口半徑應控制在以內(nèi)，并采用外磨刃形式以保持刀片刃口鋒利。旋耕刀片的選材旋耕刀片作為碎土及碎茬刀具，在田間作業(yè)中受力較復雜，切削土壤或根茬時既受到?jīng)_擊，又承受磨損。因此，材質要求高，既需具有高強度，又需具備好的韌性及耐磨性，即

42、使碰到磚頭、石塊等也不致折斷和彎曲。而刀片的加工不僅需選定適宜的材質，且需配備適當?shù)臒崽幚砉に?，以得到所要求顯微組織和足夠的機械性能。假設采用普通碳素鋼制造刀片，機械性能差，壽命短，無法滿足作業(yè)需求。因此，旋耕刀一般采用 GB/T 699-1999 規(guī)定的65Mn和GB/T 1222-2007規(guī)定的60Si2Mn鋼以及其他品質相當?shù)牟牧现圃?，?jīng)下料、沖剪、鍛壓、熱處理、機加工等工序制成。此種旋耕刀具有較高的使用壽命，且機械性能符合要求。刀片刀身與土壤、砂石、作物秸稈及根塊等接觸，故要求其耐磨；而刀柄起固定作用，刀背支撐刀身，故刀柄及刀背需足夠的抗折性能。因此，刀身局部熱處理以保證刀身有足夠的耐

43、磨性；刀背和刀柄局部也要熱處理以獲得足夠的抗折強度，這樣作業(yè)時既不易彎曲、折斷，即使碰到磚頭或石塊也能適應。本機選定以65Mn作為刀片材料，遵循相應技術要求來進行加工制造。刀片加工后，其外表不得有裂紋等影響使用的缺陷，且刀身兩面應平整、刃口線圓滑，并進行油漆或其他防銹處理。3.3刀輥軸的強度計算3.3.1 刀輥軸結構確定刀輥軸可以用實心或空心材料制造?？招妮S可以在小的重量下傳遞較大的扭矩，較好的抵抗扭矩。管的尺寸應根據(jù)最大傳遞扭矩計算，并以附加扭曲應力驗算。求截面系數(shù)最小斷面的應力。通常最小截面系數(shù)在軸端處鏜過管孔的地方最小。以下圖所示的c-c截面圖3-9 軸端c-c截面旋耕刀輥半軸扭轉應力按

44、下式計算： 式中 當扭曲時，最小的截面系數(shù)：為管子的外徑 管的壁厚管的內(nèi)徑 軸端的花鍵選擇即應根據(jù)最大比壓也根據(jù)平均比壓。當材料硬度HRC35時，矩形端面花鍵上最大比壓不應超過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(nèi)徑 ：為花鍵的平均工作長度 ：花鍵的數(shù)量3.3.2 刀輥軸的設計計算說明選擇40Cr材料，調質處理，假設設計刀輥軸的外徑=78mm。內(nèi)徑=72mm圓錐滾子軸承的效率為=0.95，心軸上齒輪傳動的效率為由=3.5KW ；=125r/min 得： = ×× ××=按最大比壓少于20MPa，即 20MPa 來設計刀輥

45、軸的直徑。 =19.8620MPa扭曲應力驗算 ： 其中：=78-72/2=3 ×78× =74.34MPa=185MP故所設計的刀輥軸的直徑滿足要求。4結論通過廣泛的收集資料及閱讀旋耕機的相關資料，了解國內(nèi)外旋耕機的開展狀況，同時參觀校外旋耕機代銷處的實物，我對旋耕機有了大致的了解和認識。旋耕機是一種應用很廣泛、很重要的農(nóng)機器具之一。 1.通過加上了限耕裝置，減少了功率的損失，同時增加了耕深滿足實際的需要。增加了農(nóng)作物的產(chǎn)量。2適應棚室空問矮小的作業(yè)條件，機器操作手柄既可上下調整，又可在180°內(nèi)前后轉動調整。通過本次設計，使本人對以前所學的知識有了系統(tǒng)的回憶，

46、還學到了好多新的知識。當然，由于水平有限及實踐條件的限制，在設計中存在一些問題、錯誤是難免的，希望老師們批評指正。在今后的工作和學習中我一定會加倍努力，把所學的理論知識與實際結合起來，發(fā)揮自己的才能。參考文獻1 中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究所編.農(nóng)業(yè)機械設計手冊上冊，機械工業(yè)出版社.1988年；11卷機械產(chǎn)品一，機械工業(yè)出版社.1982年； 3 李守仁.杜金天編.驅動型土壤耕作機械的理論與計算，機械工業(yè)出版社.1997年；4 日本農(nóng)業(yè)機械學會編.農(nóng)業(yè)機械手冊，機械工業(yè)出版社.1991年；5 西北工業(yè)大學機械原理及機械零件教研室編著.濮良貴，紀名剛主編.機械設計第八版，高等教育出版社.2006年；6 吳宗澤.羅圣國主編.機械設計課程設計手冊第二版，高等教育出版社.1999年；7 機械制圖.董國耀主編.北京理工大學出版社.1998年；8 李寶筏主編. 農(nóng)業(yè)機械學，中國農(nóng)業(yè)出版社.2003年；9 鎮(zhèn)江農(nóng)業(yè)機械學院.吉林工業(yè)大學合編.農(nóng)業(yè)機械理論及設計(上冊)，中國工業(yè)出版社.1961年； 10 李達 朱德清 呂長義 棚室耕整機具的研究.沈陽農(nóng)業(yè)大學，遼寧沈陽110161. 2撫順市農(nóng)機推廣中心，遼寧撫順113100 11 聞咚麟，王遵義，胡啟恩，棚用深耕耕整機的研制.浙江萬里學院上程技術系，寧波31510C；12 劉保軍.耿亞飛編.東方紅1GQN系列旋耕機的研制開