機械設計制造及其自動化畢業(yè)設計-小型螺旋式果園開溝機的設計

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　小型螺旋式果園開溝機的設計</p><p><b>　　誠信聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導教師的指導下獨立

2、完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻中列出。</p><p>　　本人簽名： 年 月 日</p><p><b>　　畢業(yè)設計任務書</b></p><p>　　設計題目： 小型螺旋式果園開溝機的設計

3、 </p><p>　　系部： 機械工程系 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學號： 102011110 </p><p>　　學生： 王淑芳 指導教師（含職稱）： 原濤(講師) 吳璞(助教) </p><p>　　專業(yè)負責人： 田靜 </p><

4、;p>　　1．設計的主要任務及目標</p><p>　　本課題希望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。</p><p>　　2．設計的基本要求和內容</p><p>　?。?）主要設計內容：</p><p>　　完成螺旋式果園開溝機的設計。</p><p><b>

5、　?。?）工作要求：</b></p><p>　　1）根據給定的設計任務書及設計參數進行開溝機總體機構設計，開題報告一篇。</p><p>　　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。</p><p>　　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。</p><p><b>

6、　　3．主要參考文獻</b></p><p>　　[1]朱新民.1KL-27型螺旋開溝機[J].農牧與食品機械，1991（4）：24</p><p>　　[2]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）:58</p><p>　　[3]李平.立柱式柱形螺旋開溝機工作部件機理與圖形的參數化設計.〔碩士學位論文〕.哈爾濱:

7、東北農業(yè)大學，2004</p><p><b>　　4．進度安排</b></p><p>　　小型螺旋式果園開溝機的設計</p><p>　　摘要:果樹的生產發(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。人工開溝不僅費時、費

8、力、勞動強度大，而且效率低下。而立式螺旋開溝機集立銑、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。</p><p>　　關鍵字：果樹,開溝,傳動方案,螺旋 </p><p>　　The design of ditching machin

9、e spiral in pear garden</p><p>　　Abstract:The development of pear production to improve the living standards of farmers and promote agricultural development in our country is becoming of great significance.

10、Fertilization for pears is a great amount of work, in particular, organic materials, almost all completed by manpower in China. Trenching in pear garden is imposed fertilizer, an important improvement of fruit quality pr

11、ocesses. Ditching by manpower is not only time-consuming, laborious, labor intensive but inefficient. Spir</p><p>　　Keywords: apple tree,ditching,;Transmission program,Spiral </p><p><b>　　

12、目 錄</b></p><p><b>　　1緒論1</b></p><p>　　1.1我國國內開溝機械的發(fā)展現狀1</p><p>　　1.2 國外開溝機的發(fā)展狀況4</p><p>　　1.3開溝機械的發(fā)展前景5</p><p>　　1.4本設計的目的和方法5</

13、p><p>　　2.土壤特性分析6</p><p>　　2.1土壤的分類6</p><p>　　2.2土壤的理想化假設6</p><p><b>　　2.3 小結7</b></p><p>　　3開溝機總體結構設計8</p><p>　　3.1 螺旋開溝機結構8&l

14、t;/p><p><b>　　3.2設計要求8</b></p><p>　　3.3動力及傳動的選擇與計算9</p><p>　　3.3.1傳動原理9</p><p>　　3.3.2 鏈傳動的設計計算9</p><p>　　3.3.3小鏈輪的設計11</p><p>　

15、　3.3.4聯軸器的選擇11</p><p>　　3.3.5減速器的選擇11</p><p>　　3.4 螺旋刀具組合的設計12</p><p>　　3.4.1螺旋葉片的設計要求12</p><p>　　3.4.2切土刀片的設計15</p><p>　　3.4.3理想化假設16</p><

16、;p>　　3.4.4開溝器切削土壤的運動學分析17</p><p>　　3.4.5 土壤質點力學模型的建立與動力學分析18</p><p>　　3.4.6 螺旋刀具的受力分析19</p><p>　　3.4.7螺旋主軸的軸徑20</p><p>　　3.4.8校核螺旋主軸20</p><p>　　4.附

17、屬結構的設計22</p><p>　　4.1托架的設計22</p><p>　　4.2擋板的設計22</p><p>　　5.螺旋開溝器運動參數的確定24</p><p>　　5.1開溝器功耗分析24</p><p>　　5.2轉速分析24</p><p>　　5.3臨界轉速分析2

18、5</p><p>　　5.4排土臨界轉速25</p><p><b>　　結論與討論26</b></p><p><b>　　參考文獻27</b></p><p><b>　　致 謝29</b></p><p><b>　　1緒論&

19、lt;/b></p><p>　　1.1我國國內開溝機械的發(fā)展現狀</p><p>　　我國開溝機械起步較晚，經歷了從犁鏵式開溝機、圓盤式開溝機、螺旋式開溝機和鏈式開溝機的發(fā)展歷程。現在主要對犁鏵式、圓盤式、鏈式和螺旋式四鐘開溝機的發(fā)展做簡要介紹。</p><p>　　在上世紀50年代主要是犁鏵式開溝機。這種開溝機結構簡單、工作可靠、零部件少、單位功率低、生產

20、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，犁鏵入土后，土垡隨翻土板曲面上升，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在犁鏵式開溝機在小麥田寬密植開溝播種方面仍有應用。</p><p>　　圖1.1 犁鏵式開溝機結構簡圖</p><p>　　70年代出現了圓盤式開溝機，它以兩個高速旋轉的銑削圓盤，圓盤周圍是銑刀，一般以75馬力到100

21、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，生產率比犁鏵式開溝犁低，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

22、地的試驗研究。</p><p>　　圖1.2 單元盤開溝機簡圖</p><p>　　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，現有小批量生產。該機采用天津拖拉機廠生產的鐵牛654LA拖拉機為底盤，后部加設鏈鏟挖溝裝置，前部裝有

23、回填鏟，使其能完成挖溝回填綜合作業(yè)。挖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西氣東輸的需要，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0~4m/s，作業(yè)速度最高可達1400m/h。</p><p>　　2000年東北農業(yè)大學針對了泥炭（沼澤地的產物）的開采而設計了一種1KL-100型

24、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)機械研究所又研制出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，能開出小型矩形溝渠。</p><p>　　圖 1.3 1KZ—30 型自走式鏈式開溝機</p><p>　　圖1.4 1KL—27型立式螺旋開溝機簡圖</

25、p><p>　　1.2 國外開溝機的發(fā)展狀況</p><p>　　在國外主要以大型開溝機為主，蘇聯、意大利、法國、日本等國都有不同型號的系列產品，從結構特點和使用性能兩方面來看，目前基本上以蘇聯和意大利為代表的兩大類型。蘇聯從1975年開始推出一系列的旋轉開溝機產品：TP-171A全液壓銑切式開溝機、MK-47犁刀-銑切式開溝機。意大利主要生產DARL系列的單圓盤開溝機心及DBR系列的雙圓盤開

26、溝機。兩大類型的開溝機主要區(qū)別在于：前者是開挖大型溝渠的大型機械，且能一次性成溝，所采用的是切拋分開型的刀齒；后者是臨時性的小溝渠，采用的是切拋合一型的刀齒。</p><p>　　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。</p><p>　　1.3開溝機械的發(fā)展前景</p>

27、<p>　　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。</p><p>　　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。</p><p>　　3.根據仿生學原理，研究一種不粘土的開溝器，實現高效節(jié)能開溝器也是今后的主攻方向。</p><

28、;p>　　4.重視播種施肥聯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，播種施肥聯合開溝器是今后的研究方向之一。</p><p>　　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]。</p><p>　　1.4本設計的目的和方法</p><p

29、>　　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0~3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，生產效率低。市場上銷售的開溝機大都不適應果園作業(yè)，主要表現在：(1)果園工作環(huán)境復雜。地表有雜草、樹枝、石塊，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

30、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。[9]</p><p><b>　　2.土壤特性分析</b></p><p><b>　　2.1土壤的分類<

31、/b></p><p>　　地球表面的整體巖石在大氣中經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]。</p><p>　　土壤是由固體、液體和氣體組成的三相混合體。固體部分一般由礦物質組成，有時含有有機質(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

32、被水充滿時，稱為飽和土。當孔隙一部分被水占據，而其余部分被氣體占據時，稱為非飽和土。當孔隙完全被氣體占據時，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[21]。</p><p>　　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

33、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。</p><p>　　2.2土壤的理想化假設 </p><p>　　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

34、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。</p><p>　　資料表明：地表1m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。</p><p>　　黃粘土具有以下特性：①具有粘性和可塑性。②具有脹縮性。③壓縮性和抗剪強度與土的含水量有密切關系。④具有結構性。將土壤理想化為黃粘土的優(yōu)點在于：</p><p>　?、僖蚣僭O接近實際施工土壤

35、條件，且溝深在1m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。</p><p>　?、邳S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)。</p><p>　　③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。</p><p><b>　　2.3 小結</b>

36、</p><p>　　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和性能參數，該機以小型農用拖拉機為動力，純小時生產效率不低于80m/h，淘型為深度300mm、寬度300ram的矩形；同時

37、，研制了一種專門用于土槽功能性試驗的裝置。</p><p>　　3開溝機總體結構設計</p><p>　　3.1 螺旋開溝機結構</p><p>　　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

38、后下方。[27]</p><p>　　圖3.1 螺旋式開溝機結構示圖</p><p><b>　　3.2設計要求</b></p><p>　　根據生產實際的要求，所開發(fā)的螺旋式開溝機的技術參數設定為：果園深開溝配套機具純小時生產效率不低于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

39、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：</p><p>　　①開溝機主車體為手扶拖拉機。</p><p>　?、陂_溝器直接安裝在手扶拖拉機變速箱尾部，用螺栓連接。</p><p>　?、勐菪_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鏈 </p><p><b>　　條傳動提供。</b>

40、;</p><p><b>　　具體參數如下:</b></p><p>　　配套動力：8kw 動力輸出軸轉速 986r/min</p><p>　　溝型斷面: 溝寬，0.3m;溝深0.3~0.4m</p><p>　　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

41、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，因而不會出現堵塞現象。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3-1(c)。[30]</p><p>　　圖3.2 螺旋開溝機工作部分形狀簡圖</p>&

42、lt;p>　　3.3動力及傳動的選擇與計算</p><p>　　3.3.1傳動原理 </p><p>　　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出軸經鏈傳動傳輸到聯軸器將動力傳輸給開溝機的螺旋刀具，從而實現預定的運動。</p><p>　　3.3.2 鏈傳動的設計計算</p><p>　　1）選擇鏈輪齒數 出于傳

43、動目的和經濟型性考慮，先使鏈傳動實現增速，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</p><p>　　動力輸出軸轉速 小鏈輪轉速</p><p><b>　　2）確定鏈節(jié)數</b></p><p>　　初選中心距，則鏈節(jié)數為</p><p>　　

44、代入數據得 向上去整取</p><p><b>　　3）確定鏈節(jié)距</b></p><p>　　鏈條節(jié)距P根據與確定。</p><p>　　由表7-7查得，按小鏈輪轉速估計，鏈工作在功率曲線的左側，由表7-8查得;由圖7-8查得；選單列鏈，由表7-9查得代入數據的。</p><p>　　根據與，由圖7-11選用鏈號為10

45、A，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。</p><p>　　由表7-12查得鏈節(jié)距p為15.875mm，滾子的外徑d=10.16mm。</p><p><b>　　4）驗算鏈速v</b></p><p><b>　　符合要求</b></p><p><b>　　5）計算

46、實際中心距</b></p><p>　　代入數據得 ，故原初選擇合適。</p><p>　　6）作用在軸上的壓力Q</p><p>　　因載荷平穩(wěn)，Q=1.2F</p><p><b>　　圓周力</b></p><p>　　則Q=1.2F=1840.5N</p><

47、;p>　　綜上可知鏈條的選擇：</p><p>　　鏈條型號10A 鏈節(jié)距P=15.875mm </p><p><b>　　大小鏈輪尺寸： </b></p><p>　　鏈節(jié)數： 單列 </p><p>　　中心距a=666mm </p><p>　　軸上壓力Q=1840.5N&l

48、t;/p><p>　　3.3.3小鏈輪的設計</p><p><b>　　節(jié)圓直徑 </b></p><p><b>　　齒頂圓直徑： </b></p><p>　　齒根圓直徑： （d：節(jié)圓直徑 ：滾子外徑）</p><p>　　同理得大鏈輪尺寸d=253.43mm 結合相

49、關手冊[18]知大鏈輪采用腹板式輪轂長度可用下式計算；</p><p>　　大鏈輪的分度圓直徑,計算：取6.4，經計算。</p><p>　　小鏈輪采用整體結構，輪轂長度可用下式：</p><p>　　小鏈輪的分度圓直徑為d=126.7mm,經計算得；又經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

50、直接安裝不需要聯軸器。</p><p>　　齒形采用三圓弧一直線按照3RGB1244-85規(guī)定制造。</p><p>　　3.3.4聯軸器的選擇 </p><p>　　螺旋刀具主軸輸出軸間應該用聯軸器進行連接，根據軸徑和扭矩進行選擇。</p><p>　　結合公式：代入數值得</p><p>　　為了減少沖擊和噪聲，

51、結合載荷性質，選則輪胎式彈性聯軸器，型號是UL6其參數為：</p><p>　　公稱轉矩 UL6聯軸器 GB5844-86。</p><p>　　3.3.5減速器的選擇 </p><p>　　對于螺旋開溝機的配套減速器，經鏈輪加速后輸入轉速為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)省設計成本選擇標準

52、減速器CWS63型減速器其參數如表1：</p><p>　　表1 CWS63減速器參數</p><p>　　3.4 螺旋刀具組合的設計</p><p>　　3.4.1螺旋葉片的設計要求 </p><p>　　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。</p>&l

53、t;p>　　1 底錐 2 端面切土刀片 3 螺旋葉片 4 鋸齒形刀片 5 主軸 6 聯接法蘭7 連接半軸</p><p>　　圖3.3 螺旋主軸組合</p><p>　　螺旋刀具在果園開溝作業(yè)時，必須保證同時完成對土壤的切削、軸向輸送和拋撒等工作過程，因此需滿足如下設計要求:</p><p>　　(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

54、圓柱螺旋結構；</p><p>　　(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；</p><p>　　(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；</p><p>　　(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。<

55、/p><p>　　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。</p><p>　　1)變螺距圓柱正螺旋面的形成</p><p>　　圓柱的直母線繞軸線作等速回轉運動時，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)中圓柱半徑為r，

56、圓柱面上螺旋線T的的初始點為，點的螺旋升角為，沿螺旋線轉圈后到達點時在軸向上升高度為。以上參數、、、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:</p><p>　　(3.1) </p><p>　　式中:e、b—拋物線方程的系數。</

57、p><p>　　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:</p><p>　　(3.2) </p><p><b>　　當時，，帶入上式得</b></p><p><b>　　(3.

58、3)</b></p><p>　　圖3.4變螺距螺旋線的形成</p><p>　　，則代入式（3.1）得</p><p><b>　　(3.4)</b></p><p>　　當螺旋線由p點上升k圈時：</p><p><b>　　（3.5）</b></p&g

59、t;<p>　　將式（3.3）（3.5）代入式(3.1)得：</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　因此得到以上升圈數k為參數的螺旋線的方程為:</p><p><b>　　(3.7)</b></p><p>　　將式(3.5)代入式(3.2)得:<

60、/p><p><b>　?。?.8）</b></p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　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。</p><p>　　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

61、成了變螺旋圓柱正螺旋面，制件采用兩圓柱之間的部分。螺旋面的參數為螺旋線T的參數加上內圓柱半徑:、外圓柱半徑R[19] [20]。根據相關文獻[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回土。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

62、距圓柱螺旋線，初始螺旋角為50，在270mm的距離上升1.5圈。內螺旋線的初始角為100，設螺旋沿主軸上升0.3m時螺旋的圈數為2。即r=0.029m，圈，，，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。</p><p>　　2)螺旋刀具的成形方法及刀具材料的選擇</p><p>　　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[

63、26]。對于小批量生產螺旋葉片的傳統(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℃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，其缺點是生產條件差，勞動強度大，生產效率低。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。65Mn鋼性能參

64、數如表2所示[23]。</p><p>　　表2刀具材料性能參數</p><p>　　3.4.2切土刀片的設計 </p><p>　　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

65、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，刀片由聯接螺栓固定在刀座上，刀片的刃面與刀座平面夾角呈200°

66、;。</p><p>　　1 連接螺栓 2 刀座 3 刀片</p><p>　　圖3.5 端部切削刀片（左）鋸齒形刀片（右）</p><p>　　3.4.3理想化假設</p><p>　　為便于分析土壤運動和受力關系，假設如下：</p><p>　　(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

67、體前進速度Vo，簡化計算；</p><p>　　(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，</p><p>　　在計算時假設土壤顆粒足夠大，并作用在外螺旋線上；</p><p>　　(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

68、運動及由此產生的徑向力(李婧，2007)；</p><p>　　(4)忽略螺旋底面與土壤、土壤與土壤之間的摩擦力。</p><p>　　3.4.4開溝器切削土壤的運動學分析</p><p>　　以土壤質點為研究對象，土壤質點速度分解側視圖如圖3.6</p><p>　　圖3.6 土壤受力分析示意圖</p><p>　

69、　如圖3．6所示，刀具以角速度∞旋轉，土壤質點在外螺旋線半徑R處以圯隨葉片一起旋轉。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相對于螺旋面向上滑動，并以絕對速度屹的垂直分量圪，即垂直速度向上加速運動。圪與水平面的夾角為，因此設土粒運動軌跡是升角為y的螺旋線，K

70、為圪的水平分量，即土壤質點垂 直刀軸分速度。</p><p><b>　　由圖可得：</b></p><p><b>　　（3.10）</b></p><p><b>　?。?.11）</b></p><p><b>　?。?.12）</b></p&

71、gt;<p><b>　?。?.13）</b></p><p><b>　　（3.14）</b></p><p><b>　?。?.15）</b></p><p><b>　?。?.16）</b></p><p>　　式中：—土壤質點絕對角速

72、度；</p><p><b>　　—螺旋角；</b></p><p>　　—絕對速度與X軸的夾角；</p><p><b>　　R—外螺旋線半徑。</b></p><p>　　3.4.5 土壤質點力學模型的建立與動力學分析</p><p>　　以螺旋葉片上土壤質點D為研究對象

73、，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＃浞较蚺c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，，土粒沿螺旋面滑動產生的摩擦力為犯，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合作用力，目，與Ⅳ，呈劬角。在徑向，土粒的法向離心力E與反力Ⅳ，平衡，只考慮x—z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

74、朗伯原理來進行分析。質點D是加速向上的，設土粒在z方向的加速度分量為a，因而所加慣性力的大小設為ma，而a的大小可利用該螺旋線的曲線方程求出。</p><p><b>　　（3.17）</b></p><p><b>　?。?.18）</b></p><p>　　式中：—土壤與螺旋面外摩擦角；</p><

75、;p>　　—土壤與螺旋面外摩擦系數，；</p><p>　　—土壤與土壤內摩擦角；</p><p>　　—土壤與螺旋面外摩擦系數，。</p><p><b>　?。?.19）</b></p><p><b>　　（3.20）</b></p><p><b>　

76、　（3.21）</b></p><p><b>　?。?.22）</b></p><p>　　圖3.7 土壤質點受力分析圖</p><p>　　3.4.6 螺旋刀具的受力分析</p><p>　　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：</p><p

77、><b>　?。?.23）</b></p><p><b>　　（3.24）</b></p><p>　　式中：—最大主內力，可由極限應力圓求出（錢歡歡，1990）；</p><p>　　C—土壤內聚力系數（）；</p><p>　　—刀具每轉平均進刀量（m）。</p><

78、p>　　圖3.8 刀具受力分析圖</p><p>　　3.4.7螺旋主軸的軸徑 </p><p>　　確定根據蘋果園開溝的具體要求得</p><p>　　螺旋主軸徑：Ds= 58mm ,</p><p>　　螺旋主軸長度：L=500mm，</p><p>　　螺旋角：初始螺旋角為50，內螺旋線的初始角為100

79、,</p><p>　　螺旋主軸頭數：i =2,</p><p>　　螺旋主軸轉速：n =240r/min ，</p><p>　　螺旋葉片外半徑R=160mm，</p><p>　　螺旋葉片高度 h＝380mm。</p><p>　　3.4.8校核螺旋主軸 </p><p>　　在螺桿的全長

80、上主要受土壤的壓力P，克服土壤阻力所需的扭矩。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彎曲的影響。所以，對螺桿的強度計算可歸結為壓扭聯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]。</p>&l

81、t;p>　　圖3.6 螺桿的受力分析圖</p><p>　　(1)由軸向力F產生的壓縮應力 (其中 所以p=0.2112MPa)。</p><p>　　(2)由扭矩產生的剪應力</p><p>　　(其中為減速器最大傳動功率，為螺桿最高轉速，為傳動效率，本文取)。</p><p>　　(3)根據材料力學知識，對于塑性材料合成應力采用第三

82、強度理論計算。因此，其強度約束條件應力為。 所以，(其中為螺桿材料的許用應力，一般取)。</p><p>　　由上知道，此軸滿足強度要求。</p><p><b>　　4.附屬結構的設計</b></p><p><b>　　4.1托架的設計</b></p><p>　　如圖4.1所示,連接臺架由機架

83、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，以齒輪箱端面聯接螺栓緊固。減速器連接板后部設有4個螺孔，該4個螺孔分別與減速器底端面的4個螺孔對正，以螺栓緊固。</p><p>　　1 拉桿 2 機架連接板 3 加強筋 4 減速器連板接</p>

84、<p>　　圖4.1托架的結構圖</p><p><b>　　4.2擋板的設計</b></p><p>　　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

85、。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2mm的鋼板滾軋而成，側擋板由2mm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，側翼板與側檔板在側擋板上側端面呈夾角焊合。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1Omm，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。側擋板的構型起到平整溝壁和支撐側翼板的作用，側翼板

86、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，它與側擋板在側端面呈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1Omm。</p><p>　　1 后擋板 2 連接板 3 側翼板 4 側擋板</p><p>　　圖4.2 擋板的結構圖</p><p>　　5.螺旋開溝器運動參

87、數的確定</p><p>　　根據果園開溝的所要求的生產效率，得到最低的前進速度，再根據所提供掛接動力的功率，來確定前進速度，設計該螺旋式開溝機的前進速度為100m/h。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，坑壁對土塊產生阻止其旋轉的摩擦力，使土塊的角速度小于螺旋面的回轉角速度，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，需計算滿足要求的最小轉

88、速，即臨界轉速[26]。轉速較低時，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生相對運動，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。</p><p

89、>　　5.1開溝器功耗分析</p><p>　　根據相關文獻的研究[27]，螺旋式開溝機的功率消耗由3部分組成:挖掘功耗、輸送功耗與拋撒功耗。</p><p>　　輸送功耗包括克服土塊重力做功，克服周圍土壁摩擦做功及克服螺旋刃</p><p><b>　　面摩擦做功3部分，</b></p><p>　　通過建立優(yōu)化

90、數學模型;利用MATLAB的優(yōu)化工具包進行優(yōu)化，得到當v=0.0278m/s，W=13.967rad/s，k0=1.2286圈，tga0=0.1763時達到最低的切削功耗為2.3836Kw。</p><p><b>　　5.2轉速分析</b></p><p>　　銑切力隨線速度呈拋物線變化規(guī)律，當切削速度低于8.5一9m/s時，銑切力隨線速度增長緩慢，而當切削速度高于

91、8.5-9m/s時，銑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10一11m/s)，不僅銑切力增長，銑切比阻也隨之增長[28]，因而取</p><p><b>　　由：</b></p><p>　　式中：—圓周切向線速度</p><p>　　將最大的圓

92、周切向速度代入上式得</p><p>　　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，則。</p><p><b>　　5.3臨界轉速分析</b></p><p>　　根據上節(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:</p><p>　　取土壤的物理參數及螺旋的結構參數為: </

93、p><p>　　代入上式得則設計轉速。土?？梢韵蛏陷斶\。</p><p><b>　　5.4排土臨界轉速</b></p><p>　　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]，</p><p><b>　　即: </b></p><p>　　式中：r—螺

94、旋刀具中心管半徑，r=0.029m</p><p><b>　　則排土轉速計算為：</b></p><p>　　只有當螺旋刀具的設計轉速大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。</p><p><b>　　結論與討論</b></p><p>　　本文研究

95、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，實現了開溝的機械化。由于時間緊，任務重，而且是初次設計，所以難免存在一些問題，特別是在一些參數的選定方面需要改進，可以大幅度的提高起生產的效率。但有待于進一步深入改進和完善。</p><p>　　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

96、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計原理，并對其進行歸納和總結應用到本設計中。本設計基本完成了設計所需要的要求，同時在設計過程中加深了對CAD繪圖軟件的學習和認識。對以后的工作和學習都很有幫助。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 賈敬賢.梨樹高產栽

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106、</p><p>　　[30] 馬愛麗 基于LS一DYNA果園螺旋開溝機模擬試驗研究及其優(yōu)化[D]，華中農業(yè)大學 2008</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　通過這次設計，收獲很大，同時我也意識到了自身知識的貧乏，實踐能力的不足。在以后的學習和工作中，我會進一步提高自身的能力，提高自己的素質。</p>

107、<p>　　四年大學生活即將結束，現在回想起來，在這四年當中還是有很多學習時間沒有抓住，有很多知識沒有掌握。但總體來說這四年大學生活是豐富多彩的，感謝大學生活中辛勤教育我的各位老師，無論在學習還是在生活以及做人方面各位老師都給予了指導，使我們受益匪淺。院里的領導和老師給我們提供了良好的環(huán)境以及經濟的援助，特別是指導教師原濤老師和吳璞老師給予我極大的幫助致以衷心的感謝。此外，各位同學也給了我們很大的幫助，也同樣非常感謝他們。