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葡萄園小型開溝機(jī)的設(shè)計(jì)
學(xué) 生： 陳欽義
指導(dǎo)老師： 楊文敏
（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)東方科技學(xué)院，長沙 410128）
摘 要：本文介紹了開溝機(jī)在我國多個(gè)行業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用及重要意義及一些國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，并著重講解了葡萄園小型開溝機(jī)在葡萄園中應(yīng)用的意義。因此本文設(shè)計(jì)葡萄園小型開溝機(jī)，它主要由柴油機(jī)、行走底盤、傳動(dòng)系統(tǒng)、工作部件組成。工作部件為立式螺旋刀，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單部件緊湊、動(dòng)力消耗少，步行速度快，能很好地適應(yīng)葡萄園作業(yè)環(huán)境，提高勞動(dòng)效率。
關(guān)鍵詞：開溝機(jī) ；挖溝機(jī) ；園藝機(jī)械；葡萄園；工程機(jī)械
Design of Minitype Ditcher Drapery
Students: Chen Qinyi
Tutor: Yang Wenming
(Orient Technological Institute, Hunan Agricultural Universiti,Changsha 410128,China)
Abstract: This paper introduces the open ditch machine in our multiple industry production application and important significance and some domestic and foreign development present situation, an emphdtically explained vineyard small open ditch machine in the significance of the vineyards of application. Therefore this paper design vineyard small open ditch machine, it mainly consists of diesel engine, walk chassis, transmission system, working parts. Working parts for vertical screw knife, it’s characteristic is compact, simple structure parts,power consumption, walking speed, can well to vineyard operating environment, improves the work efficiency.
Key words:ditching machine; Digging machines; Gardening machinery; The vineyard; Engineering machinery
1 前言
1.1 課題研究的目的和意義
葡萄是我國水果生產(chǎn)的重要品種，改革開放和農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整促進(jìn)葡萄產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，特別是近十年，葡萄種植面積和產(chǎn)量一直呈上升趨勢(shì)。據(jù)農(nóng)業(yè)部資料統(tǒng)計(jì)，2002年全國葡萄栽培面積392.4千公頃萬畝，產(chǎn)量448萬噸，種植面積居世界第六位，產(chǎn)量居世界第五位，己在世界葡萄產(chǎn)業(yè)中占有一席之地。我國葡萄生產(chǎn)以鮮食為主，2008年鮮食葡萄總量為720萬噸，世界排名第二。葡萄干也是我國葡萄生產(chǎn)的一個(gè)重要產(chǎn)業(yè)，年產(chǎn)量14.5萬多噸，世界排名第十名。
葡萄產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，也帶動(dòng)了葡萄生產(chǎn)作業(yè)機(jī)具研究和開發(fā)。各類葡萄作業(yè)機(jī)具近年來相繼研發(fā)成功，并逐步推廣應(yīng)用。我國葡萄生產(chǎn)機(jī)具的開發(fā)雖具有了一定的基礎(chǔ)，但與葡萄產(chǎn)業(yè)化發(fā)展需求還有很大差距。
開溝機(jī)是巖土定形結(jié)構(gòu)施工的專業(yè)工程設(shè)備，廣泛用于通訊電纜、石油電線、農(nóng)田水利以及軍事等工程建設(shè)的連續(xù)開溝作業(yè)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和生產(chǎn)機(jī)械化程度的提高，市場(chǎng)也迫切需要一種取代人力和通用挖掘機(jī)的專業(yè)開溝機(jī)械。
多年來，我國對(duì)專業(yè)開溝設(shè)備的研發(fā)投入不足，專業(yè)開溝設(shè)備品種單一，應(yīng)用范圍狹窄，大部分開溝施工仍停留在人工開挖或使用通用液壓挖掘機(jī)挖掘?qū)用?。人工或通用挖掘機(jī)開溝，不僅施工速度慢、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大 、管理困難、費(fèi)用高、且溝型成型差，尤其對(duì)較硬的土壤很難挖掘。而進(jìn)口專業(yè)開溝機(jī)價(jià)格昂貴，極大制約了國內(nèi)用戶的需求。
因此研制出滿足農(nóng)戶需求、價(jià)格低廉的葡萄園專業(yè)開溝設(shè)備是非常必要的。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
1.2.1 國外開溝機(jī)研究現(xiàn)狀
國外開溝機(jī)的發(fā)展已有六十多年的歷史，主要以美國、原蘇聯(lián)、法國、英國和意大利等國家發(fā)展較快，美國和原蘇聯(lián)是最早使用開溝機(jī)的國家。最早的開溝機(jī)為鏵式犁開溝機(jī)，然后是圓盤式開溝機(jī)。圓盤式開溝機(jī)是用一種與鏵式犁相似的無犁鏵的深溝機(jī)，開挖窄而深的溝，以圓盤式拋撒機(jī)開梯形溝。目前開溝機(jī)的主要開溝機(jī)具有兩種，一是鏈?zhǔn)介_溝機(jī)具，用于開挖窄深溝；二是立式銑削輪機(jī)具，用于開挖深寬溝。國外開溝機(jī)的種類很多，適應(yīng)各種不同施工的需要。最小的開溝機(jī)功率僅有幾千瓦，最大的功率達(dá)到1100kw，質(zhì)量136t。此外根據(jù)用戶的不同需求，可在開溝機(jī)上配置諸如推土板、鑿孔器、反鏟、鋪纜器等多種工作裝置，使其適用于不同地面條件和工作環(huán)境。在較先進(jìn)的挖溝機(jī)上，廣泛應(yīng)用靜壓傳動(dòng)、電子調(diào)平，自動(dòng)功率控制等高新技術(shù)。國外專用開溝機(jī)需求量逐年增大，僅美國就有Ditch Witch,Vermeer,Case,Roccaw,Trencor Jetco,Tesmec,Cleveland和Carptal等十多家公司生產(chǎn)開溝機(jī)，共有一百多種。僅以以下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。
①美國CASE 公司挖溝機(jī)。CASE公司目前有7種車型、60個(gè)系型的挖溝機(jī)，圖1、圖2為目前CASE 公司應(yīng)用比較廣泛的 860和960兩種挖溝機(jī)機(jī)型。表1為CASE 公司幾種挖溝機(jī)參數(shù)。
表1 CASE 公司的幾種挖溝機(jī)參數(shù)
Tab.1 CASE ’s table several parameters ditcher
型號(hào)
參數(shù)
560
660
860
功率/k w
38
45
64
整機(jī)質(zhì)量/kg
3175
4674
5761
挖溝深度/m
1.83
1.83
2.13
圖1 CASE 公司560 型挖溝機(jī) 圖2 CASE 公司860型挖溝機(jī)
Fig. 1 CASE company ditcher 860 Fig.2 CASE company ditcher 960
②美國溝神 Ditch Witch 公司開溝機(jī)。溝神公司開溝機(jī)共有7大類50多種型號(hào)，最大開溝寬度可達(dá)15m，最大開溝深度可達(dá)8m，可在硬巖層、凍土層等各種地層條件下精確、高效的作業(yè)，適用于各種大、中、小型管道及線纜的鋪設(shè)施工。配置的管線探測(cè)儀用于探測(cè)各種地下金屬管線和非金屬管道的走向、深度位置等；鉆孔泥漿材料用于非開挖管線鋪設(shè)施工，具有優(yōu)異的冷卻、潤滑、排屑、護(hù)孔等功能，確保施工順利進(jìn)行。溝神公司為測(cè)量溝渠深度，還專門研制了溝深測(cè)量儀。該測(cè)量儀可在挖溝作業(yè)中自動(dòng)進(jìn)行速度測(cè)量，利用裝在挖溝裝置上的傳感器監(jiān)控溝深，便于在均勻的深度上鋪設(shè)管線，實(shí)現(xiàn)開溝與測(cè)深同步進(jìn)行，克服了人工測(cè)深的困難，提高了工作效率與測(cè)量的準(zhǔn)確性。
③ 美國 VERMEER 公司開溝機(jī)。VERMEER 公司PT系列開溝機(jī)是最新研制的系列靜液壓驅(qū)動(dòng)開溝機(jī)，被廣泛應(yīng)用于露天開采等多個(gè)行業(yè)。其中最新研制的RT450和RT650 型開溝機(jī)均用靜液壓驅(qū)動(dòng)。VERMEER 公司以開發(fā)輪斗式開溝機(jī)見長，例如 V120、V8550、V8100 型輪胎式四輪轉(zhuǎn)向多功能開溝機(jī)（如圖3），其性能參數(shù)見表2。此類輪胎式四輪轉(zhuǎn)向多功能開溝機(jī)可以滿足各種復(fù)雜工況的要求。該類開溝機(jī)動(dòng)力強(qiáng)勁，對(duì)于施工難度大的開溝工程特別有利。為了滿足不同開溝機(jī)要求，該類開溝機(jī)可提供6種用途的開溝配件供用戶選擇，這些配件包括開溝器、震動(dòng)式犁板、后挖斗、卷纜架、回填刮板及坡石齒輪等。履帶式開溝機(jī)是專門為溝深、管徑大的大型工程項(xiàng)目而設(shè)計(jì)，特別適于在堅(jiān)硬和施工難度大的地質(zhì)條件下開溝作業(yè)。美國VERMEER 公司系列履帶式開溝機(jī)適用性強(qiáng)，其主要產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)如表3所示。其中V120、V8550A及V8100型履帶式開溝機(jī)如圖4，對(duì)應(yīng)參數(shù)見表4.
圖3VERMEER 公司輪胎式四輪轉(zhuǎn)向多功能開溝機(jī)
Fig. 3 VERMEER tire-style multi-function steering wheel trencher
表2 Vermeer 公司輪胎式開溝機(jī)幾種開溝參數(shù)
Tab. 2 Vermeer trencher tire several soil-type parameters
型號(hào)
V1200
V8550A
單位
發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速/r?mion
2500
2500
2500
重量/kg
3842
3185
2835
挖溝深度/cm
0-183
0-183
0-183
挖溝寬度/cm
15-46
15-46
15-46
驅(qū)動(dòng)器行走模式
液壓式
液壓式
液壓式
表3 Vermeer 公司履帶式開溝機(jī)系列
Tab. 3 Vermeer trencher company tracked Series
型號(hào)
整機(jī)質(zhì)量/t
功率/kw
最大挖深/m
挖寬/cm
長×寬×高/cm3
T455
10.4
93
1.8
18-61
584×239×290
T555
14.1
138
2.4
15-61
709×251×287
T558
23.6
138
1.8
15-61
1242×255×305
T655
24
136
2.4
27-66
828×246×302
T755
33.1
250.1
3
36-19
927×249×305
T855
37.2
250
3.7
41-91
1229×256×421
T955
43.5
298.3
3.7
61-107
1201×279×343
T1055
52.2
319.6
4.3
71-107
1275×279×343
T1255
90.7
448
5.5
71-122
1585×330×371
表4 Vermeer 公司履帶式開溝機(jī)幾種開溝參數(shù)
Tab. 4 Vermeer Corportion crawler trencher several parameters
型號(hào)
V1200
V8550A
V8100
發(fā)動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速/r·mim-1
2100
2100
2200
重量/kg
39010
43584
30391
挖溝深度/cm
0-3.7
0-3.7
0-2.1
挖溝寬度/cm
66-91
15-31
41-61
自動(dòng)控制系統(tǒng)
TEC 2000.2
TEC 2000.2
TEC 2000.2
圖4 履帶式開溝機(jī)
Fig.4 Crawler trencher
1.2.2國內(nèi)開溝機(jī)研究現(xiàn)狀
早在20世紀(jì)50年代，我國農(nóng)田水利建設(shè)就已經(jīng)應(yīng)用鏵式犁開溝。鏵式犁開溝機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、零部件較少，開溝深度；30～80cm；主要缺點(diǎn)是效率低、阻力大，有的地層要用兩臺(tái)拖拉機(jī)牽引。到了20世紀(jì)70年代中期，鏵式犁開溝機(jī)逐漸被銑拋盤式開溝機(jī)取代。銑拋盤式開溝機(jī)開溝的溝型斷面是上口寬溝底窄的倒梯形，開溝深度為0.5～1.0m，拋土速度為7～15m/s，拖拉機(jī)行走速度為50～200m/s；其主要缺點(diǎn)是傳動(dòng)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)龐大、行走速度太底。由于當(dāng)時(shí)國內(nèi)拖拉機(jī)都沒有爬行檔，所以在20世紀(jì)70年代中期主要采用東方紅-75、紅旗-100等拖拉機(jī)加裝減速器、隨車變速箱完成拖拉機(jī)的改造工作。到了上世紀(jì)80年代中期，國家從國外引進(jìn)了少量挖溝機(jī)，主要用于農(nóng)業(yè)暗管排水工程。此后，上海拖拉機(jī)廠、無錫拖拉機(jī)廠和丹東拖拉機(jī)廠分別開發(fā)了用8-55kw拖拉機(jī)改裝的挖溝機(jī)，但由于技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)等原因，沒有得到廣泛應(yīng)用。自上世紀(jì)90年代至今，我國開溝機(jī)機(jī)型主要以螺旋開溝機(jī)與鏈?zhǔn)介_溝機(jī)為主。犁式開溝機(jī)和雙圓盤式開溝機(jī)由于機(jī)械強(qiáng)度低、拖掛動(dòng)力輸出小的局限，多用于施工條件較惡劣的農(nóng)田工程中；而鏈斗式開溝機(jī)以及輪斗式開溝機(jī)因?yàn)闄C(jī)械強(qiáng)度大、拖掛動(dòng)力輸出大的特點(diǎn)，多用建筑工程中；立式螺旋開溝機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、部件緊湊、動(dòng)力消耗少，行走速度快等特點(diǎn)，注意用于開挖排灌溝、施肥溝等。下面例舉具有代表性的開溝器研究成果說明我國開溝設(shè)備的研究現(xiàn)狀 。
① 1KLZ-27型螺旋開溝機(jī)（如圖5）.1987年江蘇省農(nóng)機(jī)局技術(shù)中心朱新民等設(shè)計(jì)，與東風(fēng)-12型手扶雨拖拉機(jī)配套使用，國內(nèi)首次采用立式螺旋式開溝刀具，開溝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、軸向提升、螺旋葉片慣性拋射等原理于一身，使開溝過程中的切削、提升、拋撒一次完成。
②IKS-100型雙圓盤開溝機(jī)。1993年由江蘇省南通市農(nóng)機(jī)研究所吳建東研究開發(fā)，專門用于魚塘、水渠、水利工程施工，施工效率高且效果理想；尤其對(duì)排灌水渠的開挖施工，可將土屑均勻拋灑在溝槽兩側(cè)或把土屑堆積在溝槽兩邊形成土堤。
③1994年江蘇省昆山市農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所呂正灃分析并建立了立式螺旋開溝機(jī)功率消耗的計(jì)算公式，確定了開溝機(jī)前進(jìn)速度、刀具轉(zhuǎn)速及主參數(shù)螺旋角等優(yōu)化設(shè)計(jì)方法；1995年曾德超從理論上分析了土粒在螺旋面上生運(yùn)的條件；華南農(nóng)業(yè)大學(xué)區(qū)穎剛等在1996年對(duì)鏵式開溝犁開挖菜地陡直深溝的可行性進(jìn)行了研究，特別對(duì)珠江三角洲地區(qū)的菜地進(jìn)行了探討。
④1KL-100 立軸螺旋開溝機(jī)。1997年由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院韓勇俊等開發(fā)的草炭地排水專 用開溝機(jī)，采用立錐式螺旋結(jié)構(gòu)，具有溝墻整齊、土垡細(xì)碎、升土、回土方便等特點(diǎn)。
圖 5 1KLZ-27 型螺旋開溝機(jī)
Fig. 5 1KLZ-27-type helix ditching machine
1、4．三角帶 2．附加帶盤 3．蠕栓 5 開溝器 6 螺旋刀具排檔桿 7．機(jī)架
8．開溝器撐桿 9．尾輪 l0．擋土柵 l1．括掘板
⑤GC65G 型開溝機(jī)。1999年由天津機(jī)械研究所宗躍、耿躍海研制開發(fā)，牽引拖拉機(jī)機(jī)型號(hào)為TN-654L，發(fā)動(dòng)機(jī)功率為48kw，主機(jī)額定牽引力為18KN，最小轉(zhuǎn)彎半徑為4.5m；開溝深度為1800mm，最寬為400mm，深度可通過更換開溝鏈調(diào)節(jié)；開溝鏈速度為1.8m/s或3.5m/s；回填鏟寬度為1800mm，總體尺寸為長7500mm,寬2230mm，高2860mm。
⑥WGL180 型開溝機(jī)。2001年由天津工程機(jī)械研究院與無錫308所聯(lián)合開發(fā)，并由山東青州工程機(jī)械廠機(jī)制生產(chǎn)，注意為部隊(duì)施工服務(wù)。
⑦2002年由天津工程機(jī)械研究所江創(chuàng)華開發(fā)了WG300型履帶式全液壓開溝機(jī)。該機(jī)主要由工作裝置、電器系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、排料裝置、機(jī)棚、動(dòng)力裝置、分動(dòng)箱、底盤、司機(jī)室和機(jī)架組成。
1.2.3 國內(nèi)外開溝機(jī)發(fā)展趨勢(shì)
目前從國內(nèi)外學(xué)者對(duì)開溝機(jī)的研究及其應(yīng)用分析，開溝機(jī)大致有4個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：
① 專業(yè)化。由于國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和開溝機(jī)工作效率高、溝型好等特點(diǎn)，應(yīng)用開溝機(jī)的領(lǐng)域也越來越多。設(shè)計(jì)適應(yīng)煤炭、水利、農(nóng)田、城建、軍事各方面需要的新品種專業(yè)化開溝機(jī)成為未來開溝機(jī)機(jī)械領(lǐng)域的研究方向之一。針對(duì)不同需求設(shè)計(jì)開 發(fā)的專業(yè)開溝機(jī)有其各自的特點(diǎn)。以農(nóng)用開溝機(jī)為例，一般農(nóng)用開溝機(jī)需有良好的切草和入土能力，對(duì)土壤的翻動(dòng)小，并在開溝機(jī)上安裝種肥分施部件，保證部分土壤自然回落溝底，蓋住肥料。如北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)于麗娟設(shè)計(jì)的免耕小麥播種施肥開溝器除開溝器外，還包括輸肥管、滑刀、輸種管等結(jié)構(gòu)。
②大型化。為適應(yīng)我國重大工程項(xiàng)目需要，開發(fā)大、中型開溝機(jī)是未來挖掘機(jī)械領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。目前最大的開溝機(jī)功率達(dá)到1100kw，質(zhì)量136t，開溝深1.8m、寬4.5m。為配合開溝機(jī)大型化更好的發(fā)展，整車系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)是關(guān)鍵技術(shù)，目前一般采用液壓機(jī)械式驅(qū)動(dòng)或柴油電力驅(qū)動(dòng)。
③節(jié)能化。隨著國家經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，大量工程機(jī)械所消耗的能源和排放無日無夜在不斷增加。為了保護(hù)人類賴以生存的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)全球可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，努力達(dá)到人、設(shè)備、環(huán)境和諧統(tǒng)一，開發(fā)環(huán)保節(jié)能型產(chǎn)品已成為工程機(jī)械重要發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)開溝機(jī)的設(shè)計(jì)研究，可從以下幾方面體現(xiàn)節(jié)能理念：一是選用低油耗、低排放、低噪音、低公害的發(fā)動(dòng)機(jī)，提高液壓系統(tǒng)效率和防滲漏，降低整車振動(dòng)和噪聲；二是在設(shè)計(jì)中盡量采用可再生材料和低環(huán)境負(fù)荷的材料，使廢棄零部件處理的污染最小化和綜合成本的最優(yōu)化；三是應(yīng)用人機(jī)工程學(xué)改善工作條件，使開溝機(jī)不僅操作簡便，而且工作環(huán)境舒適、安全，整機(jī)的控制和操縱更加趨向于人性化。
④機(jī)電一體化。機(jī)電一體化指將機(jī)械、電子、信息處理和控制以及軟件有機(jī)地結(jié)合起來，以計(jì)算機(jī)為主要特征的自動(dòng)化技術(shù)。目前國內(nèi)外工程機(jī)械最顯著發(fā)展趨勢(shì)是機(jī)械的機(jī)電一體化。針對(duì)開溝機(jī)而言，在某些帶有危險(xiǎn)性作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)不適宜人工操作，可以采用無線電遠(yuǎn)程遙控開溝機(jī)作業(yè)，例如可在開溝機(jī)上安裝模似傳感器（模式壓力、溫度和轉(zhuǎn)向角等）和數(shù)字傳感器，信號(hào)通過分析處理，由控制器控制開溝機(jī)完成調(diào)速、換擋、轉(zhuǎn)向等動(dòng)作，在坡度作業(yè)開溝機(jī)可裝備帶傾斜儀的防傾翻裝置。為提高開溝機(jī)工作效率，及時(shí)對(duì)重要部件進(jìn)行維修檢查，可在這些部位配置傳感器，通過監(jiān)控分析傳感器信號(hào)，進(jìn)行故障預(yù)測(cè)，排除潛在故障，保證機(jī)器的正常運(yùn)行，監(jiān)控的主要部件是：發(fā)動(dòng)機(jī)油壓、輔助轉(zhuǎn)向泵流量、馬達(dá)轉(zhuǎn)速及流量、制動(dòng)油、氣壓等。此外，運(yùn)用機(jī)電一體技術(shù)，可以使人工操縱作業(yè)簡單化，能夠完成純機(jī)械操縱系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)的精細(xì)操縱作業(yè)：還可根據(jù)負(fù)荷條件和開溝地質(zhì)條件變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速和發(fā)動(dòng)機(jī)油門，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率得以有效利用。
2 減速器總體方案的確定
總體設(shè)計(jì)的任務(wù)為擬訂設(shè)計(jì)方案，選擇動(dòng)力機(jī)，確定傳動(dòng)比并合理分配傳動(dòng)比，計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)，為各級(jí)傳動(dòng)零件設(shè)計(jì)、裝配圖設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。
擬訂傳動(dòng)方案:
由于本次設(shè)計(jì)的要求是設(shè)計(jì)一種適合小型開溝機(jī)，工作環(huán)境在葡萄園。還要充分考慮開溝機(jī)應(yīng)該利于移動(dòng)，重量不宜過大，我們用提高傳動(dòng)裝置的效率的方式，并且傳動(dòng)平穩(wěn)，從而來減少能耗，降低運(yùn)行費(fèi)用。所以應(yīng)選用傳動(dòng)效率較高的鏈輪傳動(dòng)進(jìn)行傳動(dòng)，以達(dá)到要求。在滿足功能的前提下應(yīng)盡量簡化以降低費(fèi)用。
2.1 傳動(dòng)方案的確定
本次設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)之一就是如何正確合理的設(shè)計(jì)傳動(dòng)裝置，由于本次設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)一種葡萄園小型開溝機(jī)，所以保證此類開溝機(jī)具有少能耗高效率的特點(diǎn)則顯得有為重要，再者本次設(shè)計(jì)是要求設(shè)計(jì)一種立式開溝機(jī)，那么就要改變傳動(dòng)方向，在改變傳動(dòng)方向的選擇上有2種方案，第一就是選用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，次類傳動(dòng)具有如下特點(diǎn)：它是一種特殊的交錯(cuò)軸斜齒輪傳動(dòng)，交錯(cuò)角為∑＝90°；它具有螺旋傳動(dòng)的某些特點(diǎn)，蝸桿相當(dāng)于螺桿，蝸輪相當(dāng)于螺母，蝸輪部分地包容蝸桿，蝸輪蝸桿傳動(dòng)比大，結(jié)構(gòu)緊湊 傳動(dòng)平穩(wěn)，無噪聲；具有自鎖性；傳動(dòng)效率較低，磨損較嚴(yán)重 蝸桿軸向力較大，致使軸承摩擦損失較大。 由于蝸桿蝸輪傳動(dòng)具有以上特點(diǎn)，故常用于兩軸交錯(cuò)、傳動(dòng)比較大、傳遞功率不太大或間歇工作的場(chǎng)合。第二種傳動(dòng)方式是用一對(duì)圓錐齒輪進(jìn)行傳動(dòng)，該類傳動(dòng)的特點(diǎn)具有斜齒漸進(jìn)接觸的嚙合特點(diǎn),且重合度較大,故傳動(dòng)平穩(wěn),噪聲小,承載能力強(qiáng);最少齒數(shù)可到5,因而可獲得較大的傳動(dòng)比和較小的機(jī)構(gòu)尺寸，綜合考慮到設(shè)計(jì)要求和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，選用一對(duì)圓錐齒輪進(jìn)行傳動(dòng)效果更加。
2.2 傳動(dòng)裝置的合理布置
許多傳遞裝置往往需要選用不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以多級(jí)傳動(dòng)方式組成，而傳動(dòng)先后順序的變化將對(duì)整機(jī)的性能和結(jié)構(gòu)尺寸產(chǎn)生重要影響，必須合理安排，本次設(shè)計(jì)采用4級(jí)傳動(dòng)，先由一對(duì)皮帶齒輪從電機(jī)傳動(dòng)到農(nóng)夫小精靈拖拉機(jī)機(jī)體上的帶輪上，帶輪通過變速器軸把速度傳送到變速器的鏈輪上，在這有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向，一個(gè)通過齒輪傳送到拖拉機(jī)輪胎軸上，一個(gè)通過軸傳送到小鏈輪上；小鏈輪傳送到變向減速器上的大鏈輪上；再通過一對(duì)圓錐齒輪傳送，即將橫向傳動(dòng)改變?yōu)樨Q直傳動(dòng)，并輸出于執(zhí)行元件。所以傳動(dòng)方案如圖6,
2.3 各級(jí)傳動(dòng)比的合理分配
在設(shè)計(jì)二級(jí)和二級(jí)以上的減速器時(shí)，合理地分配各級(jí)傳動(dòng)比是很重要的，因?yàn)樗鼘⒂绊憸p速箱的輪廓尺寸和重量以及潤滑的條件。
圖6 傳動(dòng)原理圖
Fig. 6 Transmission principle picture
2.3.1 傳動(dòng)比分配的基本原則
1）各種傳動(dòng)的傳動(dòng)比，均有其合理應(yīng)用的范圍，通常不應(yīng)超過。
2）各級(jí)傳動(dòng)的承載能力近于相等。
3）各級(jí)傳動(dòng)中的大齒輪浸入油中的深度大致相近，從而使?jié)櫥顬榉奖恪?
4）分配傳動(dòng)比時(shí)，應(yīng)注意使各傳動(dòng)件尺寸協(xié)調(diào)、結(jié)構(gòu)勻稱，避免發(fā)生相互干涉。如設(shè)計(jì)二級(jí)齒輪減速傳動(dòng)時(shí)，若傳動(dòng)比分配不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致中間軸大齒輪與低速軸發(fā)生干涉。
5）對(duì)于多級(jí)減速傳動(dòng)，可按照“前小后大”（即由高速級(jí)向低速級(jí)逐漸增大）的原則分配傳動(dòng)比，且相鄰兩級(jí)差值不要過大。這種分配方法可使各級(jí)中間軸獲得較高轉(zhuǎn)速和較小的轉(zhuǎn)矩，因此軸及軸上零件的尺寸和質(zhì)量下降，結(jié)構(gòu)較為緊湊。增速傳動(dòng)也可按這一原則分配。
6）在多級(jí)齒輪減速傳動(dòng)中，傳動(dòng)比的分配將直接影響傳動(dòng)的多項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。例如：傳動(dòng)的外廓尺寸和質(zhì)量很大程度上取決于低速級(jí)大齒輪的尺寸，低速級(jí)傳動(dòng)比小些，有利于減小外廓尺寸和質(zhì)量。
閉式傳動(dòng)中，齒輪多采用濺油潤滑，為避免各級(jí)大齒輪直徑相差懸殊時(shí)，因大直徑齒輪浸油深度過大導(dǎo)致攪油損失增加過多，常希望各級(jí)大齒輪直徑相近。故適當(dāng)加大高速級(jí)傳動(dòng)比，有利于減少各級(jí)大齒輪的直徑差。
2.3.2 柴油機(jī)的初步選擇
根據(jù)本次設(shè)計(jì)的具體要求，要求輸入的功率在4KW~9KW的范圍內(nèi)，所以初步選定柴油機(jī)為8.8KW型號(hào)為常柴Lh2，其轉(zhuǎn)速在2400r/min。
3 螺旋開溝刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 開溝機(jī)刀具總體結(jié)構(gòu)要求
立式螺旋開溝機(jī)開挖的溝型要求如圖12，要求開溝機(jī)作業(yè)速度范圍為2000m/h。
圖7螺旋開溝機(jī)型示意圖
圖 7 螺旋開溝機(jī)溝型示意圖
Fig.7 Schematic diagram of spiral-type trencher institutions
具體設(shè)計(jì)要求如下：
①開溝機(jī)主車體為農(nóng)夫小精靈手扶拖拉機(jī)。
②開溝器直接安裝在聯(lián)軸器位置，用鏈輪連接減速器動(dòng)力輸出軸輸出動(dòng)力。
③開溝器結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，便于制造維修，使用簡便。
④溝形成型好，溝底土屑?xì)埩羯?，生產(chǎn)效率高。
⑤適宜葡萄園工作環(huán)境。
3.2 開溝刀具參數(shù)設(shè)計(jì)
立式螺旋開溝器的設(shè)計(jì)參數(shù)分為結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)包括螺旋面直徑R、圓錐體高度、土壤外運(yùn)螺旋角、螺旋圓內(nèi)半徑r、犁鏟切削刃和溝壁切削刃形狀等。運(yùn)動(dòng)參數(shù)包括機(jī)具前進(jìn)速度和螺旋刀具轉(zhuǎn)速等。
3.2.1 開溝刀具結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)確定
根據(jù)土壤特性分析結(jié)論，為避免土壤過上邊線掉落，工作高度比實(shí)際溝深
大，取
= （1.2 ～ 1.3） （2-1）
取工作部件總高度為350mm。根據(jù)溝型要求，螺旋刀具螺旋面外徑為：50mm，螺旋體內(nèi)徑為：30mm。為了方便排土，刀具需要高出溝邊一定距離，這里選取圓柱體高度400mm。以上參數(shù)R、r、根據(jù)溝型要求、土壤參數(shù)等都可確定，唯一需要選擇的是螺旋角。螺旋角的選取是降低開溝機(jī)功耗、提高生產(chǎn)率的關(guān)鍵。
當(dāng)開溝機(jī)前進(jìn)速度一定，拋土動(dòng)量與螺旋角的正切比例增長，當(dāng)角過大、切削刃過陡時(shí)，不利于土壤升運(yùn)，消耗增加，開溝效率降低。為減少輸土功耗，應(yīng)選取較小的值。但角過小，將導(dǎo)致拋土距離太近形成溝邊壅土和回土，消耗增加。一般螺旋角取50°～ 70°。根據(jù)前人設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)初步選取=63°。螺旋刀具幾何參數(shù)如表7所示。
表 5 螺旋刀具幾何參數(shù)
Tab.5 Geometric parameters of spiral cutter
幾何參數(shù)
數(shù)值
R
50mm
350mm
r
30mm
63°
螺旋開溝器挖溝時(shí)，螺旋刀具在主機(jī)帶動(dòng)下，沿前進(jìn)方向在溝中破土，開溝器按溝型要求開挖出兩側(cè)溝坡，底部犁鏟切割土壤，形成溝底。刀具在破土同時(shí)通過自身旋轉(zhuǎn)生產(chǎn)的離心力升運(yùn)并拋出土壤。為支撐整個(gè)開溝器并防止土屑回落，可在刀具切土背面安置擋泥板。以保證土壤被提示且拋向溝的兩側(cè)。開溝器提升、放平等動(dòng)作由安裝架繞托架旋轉(zhuǎn)完成。由于在開溝過程中，刀具會(huì)受到?jīng)_擊載荷的影響，故選擇應(yīng)能承受較大徑向載荷和單向載荷角接觸球軸承。刀片材料選用65Mn鋼刀片。65Mn鋼強(qiáng)度高，淬透性較大，脫碳傾向小，適宜制成農(nóng)機(jī)零件。
3.2.2 開溝刀具運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)
（一）刀具轉(zhuǎn)速研究
立式螺旋開溝器刀具為雙螺旋結(jié)構(gòu)，在螺旋挖溝中，土塊依靠刀具旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力甩到葉片外側(cè)出送上來。當(dāng)轉(zhuǎn)速過低，刀片切下的土塊被后面上來的土塊推動(dòng)，在葉片摩擦力和自身重力作用及后面上來的土塊的擠壓作用下，機(jī)具易發(fā)生阻塞和葉片變形，使開溝部件阻力增大。當(dāng)轉(zhuǎn)速過高，被切下的土塊在離心力作用下壓向坑壁，坑壁對(duì)土塊產(chǎn)生阻止其旋轉(zhuǎn)的摩擦力，使土塊的角速度小于螺旋面的回轉(zhuǎn)角速度，該摩擦力引起土塊沿葉片向上加速滑動(dòng)；土壤在螺旋葉片作用下向上移動(dòng)時(shí)機(jī)具的轉(zhuǎn)速對(duì)土塊輸送有直接影響。因此，螺旋刀具的轉(zhuǎn)速為關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，需計(jì)算滿足要求的最小轉(zhuǎn)速，即臨界轉(zhuǎn)速。
轉(zhuǎn)速較低時(shí)，切下的土屑離心慣性力小，孔壁對(duì)土屑的摩擦力不足以使土屑與葉片之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，土屑不能上升，只能隨葉片旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)速的增大，孔壁對(duì)土屑的摩擦力也增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過某一臨界值后，孔壁對(duì)土屑的摩擦力足以使土屑和螺旋葉片之間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，土屑就會(huì)上升。這一轉(zhuǎn)速的臨界值稱為臨界轉(zhuǎn)速。與此同時(shí)，刀具轉(zhuǎn)速還需滿足排土臨界轉(zhuǎn)速。排土臨界轉(zhuǎn)速指土壤紫葉片上不被擠壓而順利派出所需的最低轉(zhuǎn)速。
（1） 理想化假設(shè)
為便于分析土壤運(yùn)動(dòng)和受力關(guān)系，現(xiàn)做如下假設(shè)：
① 在刀具切割土壤的過程中，土壤顆粒不僅作上升運(yùn)動(dòng)，而且新切下的土壤會(huì)將刀片上的土粒向圓錐軸心擠壓，若考慮由此引起的徑向力，則分析計(jì)算過于復(fù)雜，因此忽略徑向運(yùn)動(dòng)及由此產(chǎn)生的徑向力。
② 為能夠同時(shí)考慮葉片與坑壁對(duì)于土壤微粒的作用，忽略土壤間擠壓力，在計(jì)算時(shí)假設(shè)土壤顆粒足夠大，并作用在外螺旋線上。
③由于開溝過程中開溝機(jī)前進(jìn)速度較低，因此在研究刀具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)忽略車體前進(jìn)速度，簡化計(jì)算。
④忽略螺旋底面與土壤、土壤與土壤之間的摩擦力。
（2）模型建立
①力學(xué)模型的建立。以螺旋葉片上土壤單元體為研究對(duì)象。當(dāng)螺旋刀具以臨界轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，被切下的土壤單元體雖螺旋葉片一起旋轉(zhuǎn)，由于離心力作用，單元體被甩向坑壁，單元體接觸坑壁后，土壤在坑壁摩擦力作用下轉(zhuǎn)速減小，并沿螺旋葉片向上加速運(yùn)動(dòng)。在土塊即將上升時(shí)，加速度為零，處于臨界狀態(tài)。此時(shí)土壤單元體在以下幾種力的作用下平衡：重力mg；慣性力，方向指向坑壁；坑壁對(duì)土壤單元體的法向反作用力;坑壁對(duì)土壤單元體的摩擦力=（為土壤單元體與孔壁間的摩擦系數(shù)）方向與螺旋刀具轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，土壤單元體沒有上升運(yùn)動(dòng)，其方向與水平面夾角為零；螺旋刀片對(duì)土粒的支撐力N，方向垂直于葉片向上；螺旋葉片對(duì)于土壤單元體的摩擦力，方向與葉片平行向下。如圖8、圖9所示。
土壤單元體在上升過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡是變導(dǎo)程螺旋線。圖14為土壤單元體在臨界狀態(tài)，在三種力的作用下處于動(dòng)平衡：重量mg、坑壁作用于土壤單位體的摩擦力、螺旋面作用在土壤單元體上的全反力。
結(jié)合圖8、圖10所示，刀具以角速度旋轉(zhuǎn)，土壤單元體在外螺旋線R處隨葉片一起旋轉(zhuǎn)，車體前進(jìn)速度為，在摩擦力作用下土塊以速度沿螺旋刀片加速向上運(yùn)動(dòng)（此時(shí)研究的是一般狀態(tài)，不是臨界狀態(tài)）。是葉片對(duì)土壤單元體水平方向的作用力。與的合力為是土壤單元體運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)速度。是絕對(duì)速度在豎直方向的絕對(duì)分量，表明土壤單元體以速度向上運(yùn)動(dòng)。
圖 8 俯視土壤單元體臨界狀態(tài)作用力
Fig. 8 unit that overlooks the critical state soil force
圖 9 側(cè)視土壤單元體臨界狀態(tài)作用力
Fig. 9 Side View of soil critical state force unit
②運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立。側(cè)視土壤單元體速度分解圖如圖9
圖 10 側(cè)視土壤單元體速度分解
Fig. 10 Side decomposition rate of soil unit
（3）臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算分析
根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果并結(jié)合上訴分析，可知臨界狀態(tài)時(shí)刀具滿足如下關(guān)系：
= = （3-2） 將 = 代人式（3-2）可得臨界轉(zhuǎn)速公式
= （3-3）
式中： R ── 溝孔半徑 ，R =0.050m；
── 鉆屑與孔壁之間的摩擦系數(shù)，=0.268；
── 螺旋葉片外徑處的螺旋升角，= 27.6°；
── 土屑與螺旋葉片之間的摩擦角，即摩擦系數(shù)的反正正切，具體參數(shù)見表9；摩擦系數(shù)為0.58～0.75；取==30°。
表 6 土壤摩擦系數(shù)
Tab. 6 Soil friction coefficient
土的名稱
內(nèi)摩擦系數(shù)
對(duì)鋼鐵表面的摩擦系數(shù)
砂
0.58-0.75
0.73
干粘土
0.58-0.75
0.58-0.75
小塊礫石
0.58-0.75
0.68-0.83
濕粘土
0.18-0.42
0.30-0.60
水泥
0.73
0.84
碎石
0.58-0.75
0.84
將螺旋刀具參數(shù)代人式（3-3）則有 = 324r/min。根據(jù)土壤物理特性對(duì)開溝器性能影響分析，實(shí)際轉(zhuǎn)速n=1.3 = 421r/min。
（4）排土臨界轉(zhuǎn)速
排土轉(zhuǎn)速指不使土壤在葉片擠壓而阻塞、順利排出所需的最低轉(zhuǎn)速，即
= （3-4） 式中：g ── 重力加速度，9.8m/
r ── 螺旋鉆桿中心管半徑，0.003m。
則排土轉(zhuǎn)速計(jì)算為n=124r/min。綜合分析臨界轉(zhuǎn)速及排土臨界轉(zhuǎn)速，可知：只有當(dāng)螺旋刀具的轉(zhuǎn)速和臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，即n421r/min,才能保證土壤被切削后能沿螺旋葉片排出而不會(huì)擠壓阻塞；參考實(shí)際情況，刀具的最終轉(zhuǎn)速確定為350r/min。
（二）開溝刀具功率消耗特性
立式螺旋開溝機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作方式，決定其功率消耗分為三個(gè)部分：挖掘功耗、輸送功率及土體加速和拋散功率。
（1）挖掘功率
挖掘功耗開溝機(jī)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參考如圖17所示的錐螺旋分析。
圖11 挖掘土壤時(shí)刀具受力分析
Fig.11 When digging the soil mechanical analysis tool
圖11 將刀具簡化為錐螺旋線，o為刀具軸線，為刀片與螺旋軸線的夾角。刀片在挖掘土壤時(shí)，土壤對(duì)它的兩個(gè)作用力分別為法向力F和平行于刀片的徑向F。
在螺旋刃面正前方土壤由于受螺旋面擠壓作用而發(fā)生破壞，作用在微段ds的挖掘阻力距dM=（Fcos + Fsin ）R,由參考文獻(xiàn)可知：
F=2Cttan（45+）dS （3-5）
F= F tan
式中： ── 土壤與金屬的外磨擦角，取=30°；
t ── 刀具每轉(zhuǎn)平均進(jìn)刀刀量，0.5m。
由式（3-5）可得整個(gè)刀具達(dá)到挖掘阻力矩為：
= （3-6）
式中： ── 刀軸的空間夾角（螺旋角）， = 63.0°
C ── 土壤內(nèi)聚力系數(shù)， N/， C = 20660 N/；
── 土壤內(nèi)摩擦角， = 45°
R ── 至刀軸中心的平均距離，即平均半徑，50mm；
── 參與掘土的刀刃全部長度， 20m。
①平均進(jìn)刀量t。平均進(jìn)刀量t是刀軸每點(diǎn)進(jìn)刀量的平均值，即有：
= （3-7）
式中: ── 螺旋刀進(jìn)給速度，5m/s
── 刀具轉(zhuǎn)速，350r/min
②半徑R。螺旋線參數(shù)方程為：
（3-8）
式中： R ── 螺旋圓柱外徑，50 mm
n ── 時(shí)間
── 165
── 0.6
③螺旋刃面微段。由對(duì)數(shù)螺線方程可直接導(dǎo)出：
= （3-9）
④實(shí)際挖土阻力矩。由于刀具有一半?yún)⑴c挖土上，因此它的挖土阻力矩只是整個(gè)刀具阻力矩的一半，因此有：
（3-10）
⑤挖掘功率。將式 （3-7）、（3-8）、（3-9）、（3-10）代人式（3-6）有：
= （3-11）
式中： ── 對(duì)數(shù)螺旋刀刃切土部分對(duì)應(yīng)的總轉(zhuǎn)角，，設(shè)為= 則
螺旋刀具挖掘功耗為3213.45W。
（2）輸送功耗
輸送功耗指土體被削后，克服各種阻力并能順利排出所消耗的功率。輸送功耗包括土壤克服重力做功、土塊克服周圍土壁摩擦后的功耗及上升土體與刃面摩擦后的功耗等。
① 克服重力做功。如圖 12 所示，
土壤微塊由底面上升至頂上升到頂部所消耗的功率為：
（3-12）
因此，重力做功為：
（3-13）
式中： ── 土塊克服重力功耗，W；
── 土壤密度，， = 2740 kg/m；
── 螺旋刃口頂徑處，m， =1.664m；
── 螺旋刃口底徑處值，m，=1.378m.
將數(shù)值代人式（3-13），則有=1498.2W。
圖 12 刀具每轉(zhuǎn)切土量
Fig. 12 For each tool to cut the volume of soil
②土塊克服周圍土壁摩擦功耗。如圖13所示，土塊沿傾角為螺旋刀具上升時(shí)，上升土塊在錐面的運(yùn)動(dòng)路線是螺旋角為的正旋對(duì)數(shù)螺旋線，土塊在離心力作用下與周圍土壁發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)所受的摩擦（為土體垂直刀軸分速度m/s），微塊克服周圍土壁的摩擦功耗為：
（3-14）
式中： ， 微小土塊沿錐螺線運(yùn)行至出口處弧長，m。
則土塊克服土壁摩擦的功耗為：
= （3-15）
式中： ── 土塊克服周圍土壁功耗，W；
── 對(duì)數(shù)螺線對(duì)應(yīng)的總轉(zhuǎn)角， 60 ;
── 土壤沿土壁運(yùn)行路線為一螺旋角等于的正旋對(duì)數(shù)螺旋線， = 90°- + = 90°- 63°+ 30°=57°代人（3-15），則有=61.44W。
圖 13 土粒運(yùn)動(dòng)與受力分析
Fig. 13 Soil movement and force analysis
③上升土體與刃面摩擦功耗。單元體在克服與土壤摩擦的同時(shí)，還與螺旋刀刃產(chǎn)生摩擦阻力，用表示。假設(shè)土壤單元體dm，刀刃對(duì)土壤的支承力與摩擦系數(shù)的乘積等于摩擦阻力。即：
（3-16）
微塊克服刃面摩擦功耗為：
（3-17）
則有:
（3-18）
式中： ── 土壤外摩擦系數(shù)，取=0.6；
S ── 微小土塊沿螺線刀刃運(yùn)行至出口處的弧長，50m。
代人式（3-18），有=25.25W。
總輸送功耗：=++= 1584.77W。
（3）土塊加速與拋散功耗。
土塊加速與拋散的功率消耗可理解為等于土體單位時(shí)間內(nèi)的出口動(dòng)能，因此計(jì)算出口動(dòng)能就可知土體加速與拋散消耗功率。更具物理學(xué)可知，動(dòng)能公式為W=1/2(其中用設(shè)計(jì)生產(chǎn)率表示土塊質(zhì)量m，土塊出口速度為 ,其中 是土塊出口時(shí)的平均軸向分速度， 是土塊拋出時(shí)的圓周速度.即有：
（3-19）
式中： ── 設(shè)計(jì)生產(chǎn)率，kg/s, Q=19kg/s；
── 刀具出口處半徑，R = 50 mm；
K ── 生產(chǎn)率降低系數(shù)，K=0.3。
則計(jì)算得到 = 74.4W。
3.3 螺旋開溝刀具結(jié)構(gòu)結(jié)論
刀具為雙螺旋變導(dǎo)程結(jié)構(gòu)，螺旋角為63°。刀具外緣加工成鋸齒形狀。螺旋刀片高度為350mm。經(jīng)過以上的設(shè)計(jì)計(jì)算分析，得出開溝刀具的總功耗和總扭矩：總功耗為 ：
=++=4785.65
總扭矩為：
M=9549xN/n=146.5 N?m
4 螺旋開溝機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算值
4.1 總體方案的設(shè)計(jì)
葡萄園具體環(huán)境為：行距為2500mm，溝型距葡萄藤為250.葡萄架高為1800mm?？紤]到葡萄園的具體作業(yè)環(huán)境，本設(shè)計(jì)決定采用螺旋開溝刀具。動(dòng)力通過農(nóng)夫小精靈的動(dòng)力輸出軸輸出轉(zhuǎn)速為1230r/min，經(jīng)過小鏈輪傳動(dòng)到刀架上的大鏈輪，在由大鏈輪通過變向錐齒輪減速器；最后再由錐齒輪軸的下端通過聯(lián)軸器將動(dòng)力傳送到刀具上進(jìn)行開溝作業(yè)，傳遞示意圖如圖14.由第二、三部分設(shè)計(jì)可以得知刀具轉(zhuǎn)速約為350r/min，總傳動(dòng)比定為4.4，鏈輪傳動(dòng)比定為2.14，錐齒輪減速器選用傳動(dòng)比約為1.86商用錐齒變向減速器的SPL55型。在刀具后面有擋泥板，其高和刀具一樣，用45號(hào)鋼的鋼板焊接成型，在板底部彎成有個(gè)L型，是為了擋土屑掉回溝里。尾輪安裝在尾輪架上。
圖 14 動(dòng)力傳遞圖
Fig.14 Momentum transfer
考慮到作業(yè)的實(shí)際環(huán)境，本設(shè)計(jì)的刀具安裝架采用拆卸式，當(dāng)開溝機(jī)不作用時(shí)，刀具安裝架可以拆卸下來，這樣，農(nóng)夫小精靈手扶拖拉機(jī)就可以用作它用，提高了機(jī)具的使用效率，節(jié)約了用戶的開支。
4.2 主要零部件的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)的零件設(shè)計(jì)均采用軟件版機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)通用程序進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)算。
4.2.1 鏈輪設(shè)計(jì)及其參數(shù)
鏈輪由輪齒、輪緣、輪輻和輪轂組成。鏈輪設(shè)計(jì)主要是確定其結(jié)構(gòu)和尺寸。選擇材料和熱處理方法。
（1）選擇鏈齒輪數(shù)、和確定傳動(dòng)比
一般鏈輪齒數(shù)在17～114之間。傳動(dòng)比按下式計(jì)算
= = （4-1）
式中： 為主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速1230r/min，為從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速547.766r/min，= 2.14可得為21，為45.并且材料為45號(hào)鋼。
(2) 計(jì)算當(dāng)量的單排鏈的計(jì)算功率
根據(jù)鏈轉(zhuǎn)動(dòng)的工作情況，計(jì)算功率
= (4-2)
式中： ── 工況系數(shù)；
── 主動(dòng)鏈輪齒數(shù)系數(shù)；
── 單排系數(shù)為1；
── 傳遞的功率，kW。
則計(jì)算出= 2.82kW。
（3）確定鏈條型號(hào)和節(jié)距
鏈條型號(hào)根據(jù)當(dāng)量的單排鏈的計(jì)算功率和主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速可取A10型號(hào)，然后可知為15.875.
（4）鏈輪的基本參數(shù)和主要尺寸的計(jì)算
= （4-3）
= （4-4）
（4-5）
（4-6） （4-7）
式中：p為鏈條節(jié)距，z為鏈輪齒數(shù)，d為分度圓直徑，為齒頂圓直徑，為齒根圓直徑，齒高，最大軸凸緣直徑為，算出結(jié)果如表10。
（5）計(jì)算鏈速，確定潤滑方式
= （4-8）
由式中得為6m/s，可選擇油池潤滑或油盤飛濺潤滑。
（6）鏈輪的主要參數(shù)餓幾何尺寸見表7
表 7 鏈輪設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)
Tab.7 Pulley design data
名稱
數(shù)值
單位
傳動(dòng)功率P1
4.7
Kw
主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n1
1230
r/min
從動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n2
547.766
r/min
傳動(dòng)比i
2.14
設(shè)計(jì)功率Pd
5
Kw
小鏈輪齒頂圓直徑da
110
mm
小鏈輪分度圓直徑
106
mm
鏈條節(jié)距p
15.875
小鏈輪齒根圓直徑df
100
mm
大鏈輪齒頂圓直徑Da
234
mm
大鏈輪分度圓直徑
228
mm
大鏈輪齒根圓直徑Df
224
mm
小鏈輪齒高h(yuǎn)a
3
mm
大鏈輪齒高Ha
4.8
mm
鏈速v
6
m/s
單鏈傳遞的功率
2.82
kw
傳動(dòng)比i≠1的功率
0.46
kw
小齒數(shù)z1
21
大齒數(shù)z2
45
名稱
數(shù)值
單位
實(shí)際軸間距a
434
mm
單鏈的預(yù)緊力
900
N
確定的最大軸凸緣直徑Dg
212
mm
確定的最大軸凸緣直徑dg
90
mm
齒寬bf
8
mm
4.2.2 鏈輪軸的設(shè)計(jì)過程
（1）軸的總體設(shè)計(jì)信息如表8
表8 軸總體設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)
Tab.8 Axis design data
名稱
數(shù)值
單位
軸的轉(zhuǎn)向方式
單向恒定
軸的工作情況
無腐蝕條件
軸的轉(zhuǎn)速
575
r/m
功率
4
kw
轉(zhuǎn)矩
66434.78
N·mm
材料牌號(hào)
45調(diào)質(zhì) 硬度（HB）：230
抗拉強(qiáng)度
650
屈服點(diǎn)
360
彎曲疲勞極限
270
扭轉(zhuǎn)疲勞極限
155
許用靜應(yīng)力
260
許用疲勞應(yīng)力
180
(2)確定軸的最小直徑如表9.
表9 確定軸最小直徑數(shù)據(jù)
Tab.9 To determine the minimum diameter of shaft data
名稱
數(shù)值
單位
A值剪應(yīng)力范圍
115
許用剪應(yīng)力范圍
30～40
MPa
最小直徑的理論計(jì)算值
21.95
mm
滿足設(shè)計(jì)的最小軸徑
22
mm
(3)彎曲應(yīng)力校核如表10
表 10 彎曲應(yīng)力校核數(shù)據(jù)
Tab.13 Bending stress calibration data
名稱
數(shù)值
單位
危險(xiǎn)截面的x坐標(biāo)
180
mm
直徑
25
mm
危險(xiǎn)截面的彎矩M
120
N·mm
扭矩T
120
N·mm
截面的計(jì)算工作應(yīng)力
-9.22
許用疲勞應(yīng)力
180
(4)安全系數(shù)校核如表11
表11 安全系數(shù)校核數(shù)據(jù)
Tab.11 Calibration factor of safety data
名稱
數(shù)據(jù)
單位
危險(xiǎn)截面的x坐標(biāo)
170
mm
直徑
25
mm
危險(xiǎn)截面的彎矩M
120
N·mm
扭矩T
146
N·mm
有效應(yīng)力集中系數(shù)
2.05
扭轉(zhuǎn)作用
1.55
截面的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)S
1129.89
許用安全系數(shù)
2.0
結(jié)論：170mm處疲勞強(qiáng)度校核通過
（5）臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算如表12
表 12 臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算數(shù)據(jù)
Tab. 12 Calculation of critical speed data
名稱
數(shù)值
單位
當(dāng)量直徑dv
mm
軸截面的慣性距I
654605.89
mm
支承距離與L的比值
0.47
軸所受的重量
400
支座形式系數(shù)1
9.0
軸的一階臨界轉(zhuǎn)速ncr1
24934.97
r/min
5 設(shè)計(jì)總結(jié)
經(jīng)過幾個(gè)月的努力，總算完成了葡萄園小型開溝機(jī)的設(shè)計(jì)，經(jīng)過實(shí)地考察，方案確定和設(shè)計(jì)計(jì)算驗(yàn)證，本次設(shè)計(jì)的開溝機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)：適用于葡萄園中施肥、澆溉、埋根