机械设计说明书—小型桔园开沟机设计

全日制普通本科生毕业设计 桔园开沟机设计Design of ditcher for orange garden目 录摘要3关键词31 前言4 1.1 课题研究的目的和意义4 1.2 国内外研究现状及发展趋势4 1.2.1 内外研究现状5 1.2.2 国外开沟机5 1.2.3 国内开沟机52 土壤特性分析6 2.1 土壤的分类6 2.2 土壤物理特性6 2.2.1 土壤物理性能指标7 2.2.2 土壤的力学特性7 2.4 总结113 螺旋开沟刀具结构设计11 3.1 开沟机刀具总体结构要求11 3.2 开沟刀具参数设计12 3.2.1 开沟刀具结构几何参数确定12 3.2.2 开沟刀具运动参数设计13 3.3 螺旋开沟刀具结构结论214 螺旋开沟机结构设计计算21 4.1 总体方案的设计21 4.2 主要零部件的设计22 4.2.1 带轮设计参见表22 4.2.2 大带轮轴的设计23 4.2.3 角接触球轴承设计报告25 4.2.4 深沟球轴承设计报告265 设计总结26参考文献27致谢28 桔园开沟机的设计 摘要：桔子是我国重要的水果，改革开放和农村产业的调整促进桔子产业的发展，桔子产业的快速发展，也带动了桔子生产作业机具的研究和发展，我国桔子生产机具的开发虽具有一定的基础，但与桔子产业化发展需求还有很大的距离，进口专业开沟机价格昂贵，因此研制出满足农户需求，价格低廉的桔园专业开沟机设备是非常必要的。 桔园开沟机的开沟部件采用螺旋开沟刀具，其特点是，结构简单、部件紧凑、动力消耗少、行走速度快、能很好地适应桔园作业环境，提高劳动效率。 关键词：开沟机；螺旋；桔园；开沟；手扶拖拉机 THE DESIGN OF DITCHER IN ORANGELY Students: Hu Wurong Tutor: Li Ming (Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128）Abstract:Orange is an important fruit, The development of the orange industry have promoted by reforming and opening and the regulation of rural industrial structure. It also drove orange production equipment research and development, Orange production equipment development has certain foundation in China,but it also has long distance from the development need of industrialization and imports professional ditching machine is expensive, therefore ,develop to meet the farmers demand, manufacture low price and professional citrus orchard ditching machine equipment is very necessary. Orchard ditching machine ditching components adopting helix ditching cutter, which is characterized by simple structure, compact, less power consumption, high running speed, and can be well adapted to the orchard operating environment, improve labor efficiency. Key words: ditching machine/spiral/citrus orchard /ditching/walking tractor1 前言1.1 课题研究的目的和意义 桔子是我国水果生产的重要品种，中国是桔子的原产地，桔子主要产自长江中下游和长江以南地区，数千年的栽培历史肯定不能说清楚具体位置。经阿拉伯人传遍欧亚大陆，桔子至今在荷兰和德国都还被称为“中国苹果”。中国是柑橘的重要原产地之一，柑橘资源丰富，优良品种繁多，有4000多年的栽培历史。据考证，直到公元1471年，桔、柑、橙等柑橘类果树才从中国传入葡萄牙，公元1665年才传入美国。虽然桔子在中国有着悠久的历史，但是其桔园生产作业机具的发展与桔园产业化发展的需求还是有很大的差距。 开沟机是岩土定性结构施工的专业工程设备，广泛用于通讯电缆、石油管线、农田水利以及军事等工程建设的连续开沟作业。随着社会经济的飞速发展和生产机械化程度的提高，市场也迫切需要一种取代人力和通用挖掘机的专业开沟机械。多年来，我国对专业开沟设备的研发投入不足，专业开沟设备品种单一，应用范围狭窄，大部分开沟施工仍停留在人工开挖或使用通用液压挖掘机挖掘层面。人工或通用挖掘机开沟，不仅施工速度慢、效率低、劳动强度大、管理困难、费用高，且沟型成型差，尤其对较硬的土壤很难挖掘。而进口专业开沟机价格昂贵，极大制约了国内用户的需求1。 因此研制出满足农户需求，价格低廉的桔园专业开沟机设备是非常必要的。1.2 国内外研究现状及发展趋势1.2.1 国内外研究现状 开沟机主要有两种：第一种为开种沟而设计的开沟器，开沟器为小型从动部件，靠牵引作用力而开出适合种子发育的种床，沟形表现为小、窄、浅等特点，开沟器常作为播种机一附属部件而挂靠其上；第二种为开排水沟或其它用途的开沟机，开沟机相对较大型，一般以主动型部件为主，消耗功率大，体积大，沟深且宽2。1.2.2 国外开沟机旋转开沟机是六十年代出现的一种连续挖土机械，适宜开挖梯形截面的农用沟渠。由于其牵引力小、能均匀散开沟内土壤，工作效率高，因而得到迅速发展和广泛应用。在国外主要以大型开沟机为主，苏联、意大利、法国、日本等国都有不同型号的系列产品，从结构特点和使用性能两方面来看，目前基本上以苏联和意大利为代表的两大类型。苏联从1975年开始推出一系列的旋转开沟机产品：TP-171A全液压铣切式开沟机、MK-47犁刀-铣切式开沟机。意大利主要生产DARL系列的单圆盘开沟机心及DBR系列的双圆盘开沟机。两大类型的开沟机主要区别在于：前者是开挖大型沟渠的大型机械，且能一次性成沟，所采用的是切抛分开型的刀齿；后者是临时性的小沟渠，采用的是切抛合一型的刀齿3,4。国外开沟机的代表机型有：切削链式开沟机、螺旋助推式开沟机、侧置式公路开沟机、圆盘旋转式开沟机，主要特点是以大功率，重机型为主，功耗大，体积也大。1.2 .3 国内开沟机我国开沟机的种类很多，60年代开始从国外引进，从七十年代开始正式研制旋转开沟机，通过自身研究和借鉴国外的经验，目前逐步形成了适合我国国情的开沟机系列，到现在已经有几十种型号。其主要型式有四种：（1）铧式犁开沟机铧式犁开沟机属于从动型工作部件，利用“刨削”原理，沿直线运动对土壤进行刨削。加工过程相对铧式犁切削速度要大。铧式犁型开沟机主要应用于蔬菜的栽种和植树造林等，我国主要有KGTP和京HK-14两种类型，KGTP工作原理；随着机组前进，犁尖入土，开轴的土沿着犁体上升。冀板将土推向两面三刀侧、冀尾板将沟壁压紧，形成梯形断面的沟渠，达到列沟培土的目的。京HK-14开沟机在工作时，前面的犁铧起土，分土板片土扣翻到两面三刀侧，形成农艺要求的一种沟型。该机型入土阻力小，质量轻，工作性能好，可以开出成型沟，但沟型断面不平整。（2）链齿式开沟机1992年，江西省农机研究所和江西农业大学针对果园开沟，设计了与丰收180GV拖拉机配套的1K-30型链齿式开沟机，开沟机通过链条上的刀齿逆向切削土壤，切削垡片由链齿出沟面，再由双向搅龙输送到沟两测，完成开沟作业。1K-30型链式开沟机主要特点；开沟理管时，沟形一次成型，种植山药可不开沟只松土，刮土板改变刀齿排列，达到深松土60100cm，可节省大量人力。配套拖拉机功率1737kw,开沟深度600mm、1000mm、1500mm，开沟宽度140mm、160mm、200mm、300mm，工作速度200600m/h。（3）螺旋式开沟机2000年东北农业大学针对了泥炭（沼泽地的产物）的开采而设计了一种1KL-100型立式螺旋式开沟机，其工作部件采用锥螺旋式搅龙切抛土，可开挖出较大型梯形沟渠。在立式开沟机的思路上，2001年昆明市农业机械研究所又研制出1KS-22型双轴式。采用双轴结构，两套旋转方向相反的刀轴同时切抛上下沟土，能开出小型矩形沟渠。（4）圆盘式开沟机圆盘式开沟机属旋转式开沟机，将开沟部件做成圆盘式结构，利用动力输出轴带动刀盘旋转切削土壤，我国从七十年代开始正式研制，通过自身研究和借鉴国外的经验，目前逐步形成了适合我国国情的开沟机系列。定型为东方红-75拖拉机配套的1KD-100单圆盘旋转开沟机和1KD-100双圆盘旋转开沟机，为铁牛-55拖拉机配套了1K-80双圆盘旋转开沟机。结合我国国情出发的：即要求重量轻，结构简单，又要求能耗小，生产率高。到80年代，圆盘式开沟机又生产出一系列产品：1KSQ-35型（配套8.8千瓦拖拉机）、1K-0型、1K-35-1A型、1K-35型、1KH-35型等5，6。2 土壤特性分析2.1 土壤的分类 开沟机与土直接作用，土壤既是开沟器的支撑物，又是它的作业对象。一方面开沟机利用土壤对轮胎摩擦力行走，另一方面，土壤会作用于螺旋刀具，对开沟机开沟作业形成阻力。因此，研究土壤特性是研究开沟机的基础。土是由土粒、水和空气组成，其数量比例关系不仅可描述土的物理性质和它所处的状态，还可以反映土的力学性质。土壤可简单分为粘性土和非粘性土：粘性土颗粒间具有粘聚李，无粘性土颗粒间没有粘聚力。土壤的物理机械性质与土壤固体颗粒粒度及其级配（既土壤机械组成）有关。土壤机械组成是土壤物理化学性质的重要基础。土壤按颗粒细度划分为砾石质土类、砂土类、亚砂土类、粉土类、亚粘土类、粘土类等9，10。 砂土颗粒大、孔隙大、易漏水、无或只有较弱的粘接性、粘附型、塑性，开沟阻力小。粘土颗粒细、孔隙小、渗透性差、蓄水量大，有机质分解慢，有机质含量较多。粘土粘接性、粘附性和塑性强，干时坚硬，湿时泥泞，开沟 阻力大，开沟困难。2.2 土壤物理性质2.2.1 土壤物理性质指标 土壤的物理特性包含一系列测定指标，主要包括土壤密度、土壤比重、土壤含水量等。土壤密度指单位体积土的质量，单位是kg/m3。它与土壤比重的区别在于土壤比重是将土粒质量与同体积4时的纯水质量相比，比值无量纲。 土的含水量指土中水分的质量与土粒质量的百分比，它对土壤塑性、粘着性有重要的影响。当含水量超过一定值WS时，粘性土呈现流动状态：当含水量小于一定值WX时，粘性土因失去压延性而变成固体状态。根据土壤含水量对塑性影响的高低，土壤还可细分为粘性土、亚粘土、亚砂土、砂土。 土的粘着性指土粘附在其他物体上的能力。当粘性土含水量大于粘着界限Wn时，土壤开始粘附与物理上，土壤的这种特性会增大开沟器犁铲阻力、减少刀具切削量，影响开沟工作进行。 除此之外，土壤的物理机械特性还包括土壤的粘聚力C、内摩擦角和密度等。各种土壤物理性能参数10：见表1。 表1 土壤物理性能参数 Table 1 Parameters of the physical properties of soil塑性土分类 粘性 亚粘性 亚砂土 c c c /10kg.m-3/MPa /10kg.m-3/MPa /10kg.m-3/MPa 硬度 2.2 22 0.1 2.2 25 0.06 2.1 28 0.02 半硬 2.1 20 0.06 2.1 23 0.04 2.0 26 0.015 低塑 2.1 18 0.04 2.1 21 0.025 2.0 24 0.01 塑性 2.0 14 0.02 1.9 17 0.015 1.9 20 0.005 高塑 1.9 8 0.01 1.9 13 0.01 1.9 18 0.002 流动 1.8 6 0.005 1.8 10 0.005 1.8 14 02.2.2 土壤的力学特性 土壤的力学特性反映了土壤受外力时土体内部的应力变化。本文涉及到的土壤力学知识只要为极限平衡理论和土壤切削理论。探讨这些理论对后文寻求工作装置尺寸，设计合理结构、减小功耗有重要意义。（1） 极限平衡理论 受力分析。无论哪种土体，在受到外力作用时，都是在剪应力作用下失效破坏的。对于非粘性土，其剪切力符合库伦摩擦定律，极限剪应力公式为10 ，=tan （1） 式中：， 非粘性土土体极限剪应力，MPa： 土体主应力，MPa： 土的内摩擦角，。对于粘性土，极限剪应力还与粘聚力c有关 ，=c + tan （2） 式中：， 粘性土土体极限剪应力，MPa： C 粘聚力，MPa。粘性土与非粘性土的极限剪应力可用图 1 表示，图中横坐标为主应力，纵坐标为剪应力。由图1可知：无论粘性土还是非粘性土，极限剪应力与主应力均为线性关系，当土壤剪应力落在直线下方，土壤不会发生失效破坏，反之，土壤失效，被剪切。 图1 土壤极限剪应力 Figure 1 Limit shear stress of soil 在开沟器刀具切割土壤时，土体内部剪切应力在没有超过极限剪切力（，或，)时，属于弹性平衡状态：当土层内部剪应力超过极限剪应力，（或，）时，属于塑性流动状态。介于两中状态之间即为极限平衡状态。参照材料力学的单元体研究方法，现取土壤单元体为研究对象，如图2所示11。 土单元体收到来自四面八方的压力，因各个剖面受力情况大致相同，在此只讨论一个面的二向应力。土壤的主应力有1和2，且12，m-n是与主应力作用面呈角的任意斜面。根据静力平衡条件，令X = 0，Y = 0 可以求得 （3） 式中：1 、2 土壤单元体上下底面与侧面主应力，MPa 土壤剪应力，MPa 主应力作用面与m-n面夹角 如图3为土壤的莫尔应力圆，图中横坐标是主应力，纵坐标代表土体剪切应力，只要知道图2中的值，便可找到相应的和值 图4表示土体的极限平衡条件。由式（3)和图4可知，在=45的截面上值为最大，但由于4上1 和2 所代表的应用值与极限剪应力相差较大，故此时土体未发生破坏。若改变主应力值，例如增大 1 的值 2 不变，或减小2值1不变，都可增大莫尔应力圆的直径，使应力圆与极限剪应力线相切图上的 M, 点表示土体剪应力 达到极限剪应力，土体处于极限平衡状态。若继续增大1 和2的值，莫尔应力圆超过极限剪应力，土体发生塑性流动。土体滑移面与最大主应力作用面夹角为 （4） 图2 土单元受力分析 Figure 2 Soil stress of unit 图3 莫尔应力圆 图4 极限平衡圆 Figure 3 Mohr stress circle Figure 4 Limit equilibrium diagram 因此，土体破坏时滑移面的方向与主应力1作用面呈角，通常极限应力状态又称为朗肯（Rankine)状态。 主应力间关系非粘性土：非粘性土的平衡条件图5所示 由图5有 （5） 图5 无粘性土的极限平衡条件 Figure 5 Non-cohesive soil conditions of limit equilibrium 式中：max 最大主应力，MPa min 最小主应力，MPa由式（5）可得 （6） 式中： 土的内摩擦角 所以有 （7） 由式（7）可知，土壤极限主应力之比与土壤本身性质有关，并取决于土壤内摩擦角。粘性土：粘性土达到极限平衡时各参数的几何关系图6所示 由图6有 （8）因此有 （9） 图6 粘性土的极限平衡条件 Figure 6 Limit equilibrium conditions of the clay 由此可见，粘性土的极限平衡条件比非粘性土的平衡条件复杂，多了粘聚力的影响。式(7)和式（9 ),分别表示非粘性土和粘性土在剪应力达到极限平衡时，主应力之间的关系1。2.4 总结 桔根系分布较浅，而且纤细，没有根毛，要求土壤疏松、多孔、通气良好。所以土质应用亚沙类土类，土壤对刀具的影响主要为轴向运输，其次为土壤切削，当天气较干旱时，土壤容易板结，脆性较大：当多雨湿润时，土壤的粘性较大。综合考虑，开沟机与土壤的相关参数的设计按满足砾石和粘土进行设计。3 螺旋开沟刀具结构设计3.1 开沟机刀具总体结构要求 立式螺旋开沟机开挖的构型要求如图7，要求开沟机作业速度范围为400m/h，图7 为螺旋开沟机沟型示意图 图7 螺旋开沟机沟型示意图 Figure 7 Schematic diagram of spiral-type trencher institutions 具体设计要求如下： 开沟机主车体为农夫小精灵手扶拖拉机 开沟器直接安装在挂件位置，用链轮连接减速器动力输出轴输出动力 开沟器结构简单、紧凑，便于制造维修，使用简便 沟形成型好，沟底土屑残留少，生产效率高 适宜桔园工作换季3.2 开沟刀具参数设计 立式螺旋开沟器的设计参数分为结构几何参数和运动参数。结构几何参数包括螺旋面直径R、圆锥体高度H0、土壤外运螺旋角、螺旋圆内半径r、犁铲切削刃和沟壁切削刃形状等。运动参数包括机具前进速度Vm和螺旋刀具转速n1等。3.2.1 开沟刀具结构几何参数确定 根据土壤特性分析结论，为避免土壤越过上边线掉落，工作部件总高度Ho比实际沟深hc大，取 （10） 取工作部件总高度为250mm。根据沟型要求，螺旋刀具螺旋面外半径为：50mm，螺旋体内半径30mm。为方便排土，刀具需高出沟边一定距离，这里选取圆柱体高度320mm。以上参数R、r、Ho根据沟型要求、土壤参数等都可确定，唯一需要选择的是螺旋角。螺旋角的选取是降低开沟机功耗、提高生产率的关键。 当开沟机前进速度一定，抛土动量与螺旋角的正切成正比例增长，当角过大、切削刃过陡时，不利于土壤升运，功耗增加，开沟效率低。为减小输土功耗，应选较小的值，但值过小，将导致抛土距离太近形成沟边堆土和回土，功耗增加。一般螺旋角取50 70。根据前人设计经验初步选取=62.4。螺旋刀具几何参数如表2所示19。 表2 螺旋刀具几何参数 Table 2 Geometric parameters of spiral cutter 几何参数 数值 R 50mm Ho 250mm R 30mm 62.4 螺旋开沟器开挖沟时，螺旋刀具在主机开动下，沿前进方向在沟中破土，开沟器按沟型要求开沟挖出两侧沟坡，底部犁铲切割土壤，形成沟底。刀具在破土同时通过自身旋转产生的离心力升运并抛出土壤。为支撑整个开沟器并防止土屑回落，可在刀具切土背面安置挡泥板，以保证土壤被提升且抛向沟的两侧。开沟器提升、平放等动作由安装架绕托架旋转完成。由于在开沟过程中，刀具会受到冲击载荷的影响，故旋转应能承受较大径向载荷和单向轴向载荷角接触球轴承。刀片材料应选用65Mn钢刀片，65Mn钢强度高，淬透性较大，脱碳倾向小，适宜制成农机零件。3.2.2 开沟刀具运动参数设计（一） 刀具转速研究 立式螺旋开沟器刀具为双螺旋结构，在螺旋挖沟中，土块依靠刀具旋转时产生的离心力甩到也叶片外侧输送上来。当转速过低，刀片切下的土块被后面上来的土块推动，在叶片摩擦力和自身重力作用及后面上来的土块的挤压作用下，机具易发生阻塞和叶片变形，使开沟部件阻力增大。当转速过高，被切下的土块在离心力作用下压向坑壁，坑壁对土块产生阻止其旋转的摩擦力，使土块的角速度小于螺旋面的回转角速度，该摩擦力引起土块沿叶片向上加速滑动：土壤在螺旋也片作用下向上移动时机具的转速对土块的输送有直接影响。因此，螺旋刀具的转速为关键技术参数，需计算满足要求的最小转速，即临界转速。 转速较低时，切下的土屑离心惯性力小，孔壁对土屑的摩擦力不足以使土屑与叶片之间产生相对运动，土屑不能上升，只能随叶片旋转。随着转速的增大，孔壁对土屑的摩擦力也增大，当转速超过某一临界值后，孔壁对土屑的摩擦力足以使土屑与螺旋叶片之间产生相对运动，土屑就会上升。这一转速的临界值称为临界转速。与此同时，刀具转速还需满足排土临界转速。排土临界转速指土壤在叶片上不被挤压而顺利排出所需的最低转速。（1) 理想化假设 为便于分析土壤运动和受力关系，现做如下假设： 在刀具切割土壤的过程中，土壤颗粒不仅作上升运动，而且新切下的土壤会将刀片上的土粒向圆锥轴心挤压，若考虑由此引起的径向力，则分析计算过于复杂，因此忽略径向运动及由此产生的径向力。 为能够同时考虑叶片与坑壁对土壤微粒的作用，忽略土壤间挤压力，在计算时假设土壤颗粒足够大，并作用在外螺旋线上。 由于开沟过程中开沟机前进速度低，因此在研究刀具旋转运动时忽略车体前进速度，简化计算。 忽略螺旋底面与土壤、土壤与土壤间的摩擦力（2）模型建立 力学建模的建立。以螺旋叶片上土壤单元体未研究对象，当螺旋刀具以临界转速nk旋转时，被切下的土壤单元体随螺旋叶片一起旋转，由于离心力作用，单元体被甩向坑壁，单元体接触坑壁后，土壤在坑壁摩擦力作用下转速减小，并沿螺旋叶片向上加速运动。在土块即将上升时，加速度为零，处于临界状态。此时土壤单元体在以下几种力的作用下平衡：重力mg、惯性力F1，方向指向坑壁，坑壁对土壤单元体的法向反作用力F1,:坑壁对土壤单元体的摩擦力F2=F1t(t为土壤单元体与孔壁间的摩擦系数）方向与螺旋刀具转动方向相反，土壤单元体没有上升运动，其方向 水平面夹角为零：螺旋刀片对土粒的支撑力N，方向垂直也叶片向上：螺旋叶片对土壤单元体的摩擦力F3，方向与叶片平行向下12，如图8、图9所示。 土壤单元体在上升过程中的运动轨迹是变导程螺旋线。图9为土壤单元体在临界状态，在三种力的作用下处于动平衡：重力mg、坑壁作用于土壤单元体的摩擦力F2螺旋面作用在土壤单元体上的全反力FN3（即螺旋叶片对土壤单元体的支撑力N与摩擦力F3的合力，FN3与法线方向偏转一摩擦角）结合图8、图10所示，刀具以角速度k旋转，土壤单元体在外螺旋线R处随叶片一起旋转，车体前进速度为Vo，在摩擦力作用下土块以Vr速度沿螺旋刀片加速向上运动（此时研究的是一般状态，不是临界状态）。Ve是叶片对土壤单元体水平方向的作用力。Ve与Vr的合力为V是土壤单元体运动的绝对速度。Vy是绝对速度V在竖直方向的绝对分量，表面土壤单元体以速度Vy向上运动13,14。 图8 俯视土壤单元体临界状态作用力 Figure 8 Unit that overlooks the critical soil force 图9 侧视土壤单元体临界状态作用力 Figure 9 Side View of soil critical state force unit 运动学模型的建立。侧视土壤单元体速度分解图10 图10 侧视土壤单元体速度分解 Figure 10 Side decomposition rate of soil unit(3) 临界转速计算分析 根据相关文献15研究结果并结合上述分析，可知临界状态时刀具满足如下关系 (11)将代入式（11）可得临界转速公式 （12） 式中：R 沟孔半径，R=0.05m 0 钻屑与孔壁之间的摩擦系数，0=0.268 土屑与螺旋叶片之间的摩擦角，即摩擦系数的反正切，具体参数见表163，摩擦系数为0.580.75；取=tan-10.06=30。 表3 土壤摩擦系数 Table 3 Soil friction coefficient 土的名称 内摩擦系数 对钢铁表面的摩擦系数 砂 0.580.75 0.73 干粘土 0.580.75 0.580.75 小块砾石 0.580.75 0.680.83湿粘土 0.180.42 0.300.60 水泥 0.73 0.84 碎石 0.580.75 0.84将螺旋刀具参数代入式（12）则有nk=161.9r/min。根据土壤物理特性对开沟器性能影响分析，实际转速n=1.3nk=210.5r/min。（4） 排土临界转速n1 排土转速指不使土壤在叶片挤压而阻塞、顺利排出所需的最低转速18，即 （13） 式中：g 重力加速度，9.8m/s2 r 旋转钻杆中心管半径，0.03m则排土转速计算为nl=124r/min。综合分析临界转速及排土临界转速，可知：只有当螺旋刀具的转速大于排土转速和临界转速时，即n210r/min，才能保证土壤被切削后能沿螺旋叶片排出而不会挤压阻塞：参考实际情况，刀具的最终转速确定为280r/min。（二） 开沟刀具功率消耗特性 立式螺旋开沟机的结构和工作方式，决定其功率消耗分为三个部分：挖掘功耗、输送功耗及土体加速和抛散功耗8。（1） 挖掘功耗 挖掘功耗指开沟机螺旋刀片挖掘土壤所消耗的功率。螺旋刀具切削土壤受力分析可以参考如图 11 所示的锥螺旋分析。 图11将刀具简化为锥螺旋线，o为刀具轴线，为刀片与螺旋轴线的夹角。刀片在挖掘土壤时，土壤对它的两个作用力分别为法向力F4和平行于刀片的径向F5。在螺旋刃面正前方土壤由于受螺旋面挤压作用而发生破坏，作用在微段dS的挖掘阻力矩 图11 挖掘土壤时刀具受力分析 Figure 11 When digging the soil mechanical analysis tool 由参考文献可知 （14） 式中： 土壤与金属的外摩擦角，取=30 t 刀具每转平均进刀量，0.5m 由式(14) 可得整个刀具的挖掘阻力矩为 （15） 式中： 刀轴的空间夹角（螺旋角），=62.4 C 土壤内聚力系数，N/m2,C=50660N/m2 R dst至刀轴中心的平均距离，即平均半径，100m S, 参与掘土的刀刃全部长度，20m平均进刀量t。平均进刀量t是刀轴每点进刀量的平均值，即有 （16） 式中：v0 螺旋进刀给速度，5m/s n 刀具转速，280r/min 半径R0螺旋线参数方程为 （17） 式中： R 螺旋圆柱外半径，50mm n 时间 Szo 165 az 0.6螺旋刃面微段ds。由对数螺线方程可直接导出 （18）实际挖土阻力矩。由于刀具只有一半参与挖土，因此它的挖土阻力矩只是整个刀具阻力矩的一半，因此有 （19）挖掘功率W1将式（16）、（17）、（18）、(19)代入式（15）有： (20） 式中：B 对数螺旋刀刃切土部分对应的总转角，rad，设为B =2/3螺旋刀具挖掘功耗为2142.3W（2） 输送功耗 输送功耗指土体被切削后，克服各种阻力并能顺利排出所消耗的功率。输送功耗包括土壤克服重力做功、土块克服周围土壁摩擦后的功耗及上升土体与刃面摩擦后的功耗等。克服重力做功。如图12所示，立方土体ABCD为刀具每转一周的切土量。土壤微块d由底面上升至顶上升到顶部所消耗的功率为 （21）因此，重力做功为 （22） 式中：W2， 土块克服重力功耗，W 土壤密度，kg/m3,=2740kg/m B 螺旋刃口顶径处值，m，B=1.664m o 螺旋刃口底径处o=1.378m将数值代入式（22），则有W2，=1498.24W 图12 刀具每转切土量 Figure 12 For each tool to cut the volume of soil 土块克服周围土壁摩擦功耗。如图13所示，土块沿倾角为螺旋刀具上升时，上升土块在锥面的运行路线是螺旋角为1的正旋对数螺旋线，土块在离心力作用下与周围土壁发生相对运动所受的摩擦（v为土块垂直刀轴分速度m/s),微块克服周围土壁的摩擦功耗为 （23） 式中：S1 微小土块沿锥螺线运行至出口处弧长，m。则土块克服土壁摩擦的功耗为 （24） 式中：W2，, 土块克服周围土壁摩擦功耗，W B1 对数螺线S1对应的总转角，60rad 1 土壤沿土壁运行路线为一螺旋角等于1的正旋对数螺旋线 代入公式（24），则有。 图13 土粒运动与受力分析 Figure 13 Soil movement and force analysis 上升土体与刃面摩擦功耗。单元体在克服与土壤摩擦的同时，还与螺旋系数的乘积等于此摩擦阻力20,21。即 （25）微块克服刃面摩擦功耗为 （26)则有 （27) 式中： 土壤外摩擦系数，取=0.6 S 微小土块沿螺线刀刃运行至出口处的弧长，100m 代入式(27),有W2，=50.5W总输送功耗：（3) 土块加速与抛散功耗 土块加速与抛散的功率消耗可理解为等于土体单元时间内的出口动能，因此计算进出动能就可知土体加速与抛散消耗功率。根据物理学可知，动能公式为其中用设计生产率表示土块质量m，土块出口速度，其中vZ是土块出口时平均轴向分速度，vP是土块抛出时的圆周速度，即有 （28） 式中：Q 设计生产率，kg/s,Q=19kg/s R， 刀具出口处半径，R=50mm K 生产率降低系数，K=0.3 则计算得到W3=297.6W3.3 螺旋开沟刀具结构结论 刀具为双螺旋变导程结构，螺旋角为62.4。刀具外缘加工成锯齿形状。螺旋刀片高度为320，经过以上的设计计算分析，得出开沟刀具的总功耗和总扭矩：总功耗为W=W1+W2+W3=4050.08W：总扭矩为 M=9549N/n = 146.5 Nm4 螺旋开沟机结构设计计算4.1 总体方案的设计 考虑到桔园的具体作业环境，本设计决定采用螺旋开沟刀具。动力通过农夫小精灵的动力输出轴输出转速为1230r/min，经过小带轮传送到刀架上的大带轮，再由大带轮通过轴传送到锥齿轮减速器；最后再由锥齿轮的下端轴通过刀具连接轴将动力传送到刀具上进行开沟作业，传递示，意图如图14。有第三部分设计可以得知刀具转速约为280r/min， 总传动比定为4.4，带轮传动比定为2.14，锥齿轮减速器选用传动比约为2.06选用锥齿轮减速器的Z8系列。考虑到作业的实际环境和使用的方便性，本设计的刀具安装架采用可翻转和拆卸性，当开沟机不作业时，刀具安装架可向上翻转，这样就缩小了开沟机的行走和使用空间；另外，在开沟机长期不需要工作时，刀架可拆卸下来，这样，农夫小精灵手扶拖拉机就可以用着它用，提高了工具的使用效率，节约了用户的开支。 图14 动力传递图 Figure 14 Figure momentum transfer4.2 主要零部件的设计 本设计的零部件设计均采用机械设计手册（软件版）进行设计计算和验算4.2.1 带轮设计参见表4 表4 带轮设计数据 Table 4 Pulley design data 名称 数量 单位 传动功率P1 4 KW 主动轴转速n1 1230 r/min 从动轴转速n2 574.766 r/min 传动比i 2.14 设计功率pd 5 KW 小带轮基准直径d 114 大带轮基准直径D 500 续表4 名称 数量 单位 初定轴间距a0 500 所需基准长度Ld 4000 实际轴间距a 500 单根V带传递的功率 2.82 KW 传动比i1的功