卧式旋耕机设计毕业设计

1、1引言: 旋耕机是指由动力驱动刀轴旋转，对田间土壤实施耕，耙作业的耕耘机械。旋耕 机与其他耕作机相比，具有碎土充分，耕后地表平整，减少机组下地次数及充分发挥 拖拉机功率等优点，广泛应用在大田和保护地作业。我国是一个农业大国，农业机械 化是农业生产发展的基本方向.随着农业产业结构的不断改革深入，功能齐全，机动 性好，操作性好，能够提高经济效益的旋耕机成为了必要需求。 2设计要求： 1）负责总体设计，完成机架及刀轴系统设计。 2）要求使用三维CAD软件进行设计并完成模拟装配，完成必要的装配图及零件 图。 3） 技术参数：旋耕轴转速 200-260 r/min 灭茬轴转速 450-500 r/min

2、 3设计说明书 3.1按工作部件的配置和作业方式，旋耕机可分为下列几类: 3.1.1工作部件绕与机具前进方向相垂直的水平轴旋转切削土壤，如卧式旋耕机图 （3-1 ）。 图3-1卧式旋耕机 1-侧边传动箱；2-刀轴；3-罩壳；4-拖板 3.1.2工作部件除绕水平轴旋转切土外，同时又绕它自身的轴线旋转，又称旋转锹 图（3-2 ）。 3-2旋转锹工作图 3.1.3工作部件绕与地面垂直或倾斜的轴线旋转切土，如立式旋耕机图（3-3） 3-3立式旋耕机工作图 卧式和立式旋耕机具有良好的碎土性能和拌和能力，旋转锹适合原行翻垄。根据 设计要求和适合的土地情况，以及采取的折叠方式，选取旋耕机为卧式旋耕机。 3.

3、1.4卧式旋耕机分类 卧式旋耕机又分为正卧式旋耕机和反转卧式旋耕机，为了适应自己设计的要求， 和考虑到工作条件，最后定为正转卧式旋耕机。 3.2卧式旋耕机的总体设计 3.2.1 旋耕机与拖拉机的连接 旋耕机与拖拉机有三点悬挂，直接连接二种连接方式。 三点悬挂式旋耕机如图（3-4），拖拉机的三点悬挂装置与旋耕机的悬挂连接。动 力由拖拉机动力输出轴通过万向节伸缩传动轴传递至旋耕机第一轴，驱动旋耕机工 作。旋耕机的悬挂架设计参数主要根据拖拉机的三点悬挂装置参数，万向伸缩轴与拖 拉机动力输出轴，旋耕机第一轴之间的夹角1. 2和机组的田间通过性等约束条件 绘制机动图来确定。要求耕作时夹角1. 2不超过1

4、0地头转弯提升旋耕机离地 100250mm时，夹角 1. 2不超过30切断输出动力，提升旋耕机到最高位置时， 机下的通过高度一般不小于 400mm，万向节伸缩轴和轴套至少应有 40mm的重叠量。 还应考虑到在最大耕深和提升到最高位置时，机架和旋耕刀不碰到拖拉机。 图3-4拖拉机-三点悬挂旋耕机机组的机动图 1-拖拉机动力输出轴；2-万向节伸缩传动轴；3-旋耕机第一轴 Hmax-最大提升高度；a 1万向节伸缩传动轴与拖拉机动力输出轴的夹角； a2万向万向节伸缩传动轴与旋耕机第一轴的夹角 三点悬挂式旋耕机能与多种的拖来及配套，所以决定使用三点悬挂的方式进行 悬挂旋耕机。 3.2.2旋耕机与拖拉机的

5、配置 旋耕机相对于拖拉机有正，偏二种配置形式。一般与大中型拖拉机配套的旋耕机 的耕幅超过拖拉机后轮（或履带）外缘间距10cm以上时采用正配置，与中小型拖拉 机配套的旋耕机，一般采用偏配置。目的足消除轮毂，使地表与中小型拖拉机配套 的旋耕机，一般采用偏配置。目的足消除轮毂，使地表平整，耕幅超出轮胎（或履 带）外缘的距离C应大于5-10cm,耕幅窄的取最小值。为了适应旋耕机的折叠，采 用正配置的放置方式，同时也可以与大型的拖拉机配合。 3.2.3耕幅的计算 为了适应国内的一般拖拉机的功率和设计的旋耕轴转速200-260r/mi n,前进速度 为2-5km/h，拖拉机功率为88.2KW，旋耕机耕幅与

6、拖拉机功率之间有以下经验关系： B=0.26 0.29 VN 式中 B旋耕机耕幅（m） N-拖拉机发动机的额定功率（KW） B=0.29* V88.2=2.8m 所以得到耕幅为2.8m。 324旋耕机的传动和变速 三点悬挂旋耕机有中间传动和侧边传动二种形式。中间传动系统由万向节伸缩 传动轴和中间齿轮箱组成；侧边传动系统由万向节伸缩传动轴，中间齿轮箱和侧边传 动箱组成图（3-5）。 图3-5旋耕机传动 a侧边传动b中间传动 1-万向节伸缩传动轴 2-旋耕刀轴 考虑到旋耕机的折叠情况，采用中间传动，将齿轮箱安在旋耕机中间部分。 a万向节伸缩传动轴（农用万向节传动轴） 万向节伸缩传动轴是将拖拉机动力

7、传递给三点悬挂旋耕机的传动件，它能适应旋 耕机的升，降而变化的夹角和长度。由于旋耕机作业时承受变载荷，工作条件严酷， 因此万向节伸缩传动轴的关键部分-十字轴应具有足够的强度和可靠性。一般使用 载重卡车用十字轴总成。按标准规定的安全技术要求，农用万向节传动轴应带塑料防 护罩。 b中间传动齿轮箱 拖拉机的输出动力经万向节伸缩传动轴传给圆锥齿轮副减速并改变方向后，经三 个圆柱齿轮传递到输出轴，带动刀刀轴分为左，中，右三个部分安装在齿轮箱两侧。 这种齿轮箱结构特点是布局紧凑合理，传动路径短，以其为核心部件形成旋耕机对称 机架，刚性较强。适用于宽幅旋耕机。缺点是箱体宽度内不能布置旋耕刀，会出漏耕 带。

8、325卧式旋耕机的机架结构 中小型卧式旋耕机的机架主体都是由中间传动箱体，左右主梁，侧板和侧边传动 箱体（或双侧板）组成的倒U型平面结构，且基础件由左右主梁与中间箱体分段联结 组成，虽然结构简单紧凑，但强度和刚性一般。对于本次的设计，为了达到折叠的要 求，机架要分为三部分，左，中，右，要连接，且可以实现可以回转，满足折叠要求， 机架与刀轴连接要有轴承槽。图（3-6）。 图3-6平面框式机架示意图 根据耕幅的要求和折叠的功能要求，中间的机架长度定为2m，宽度定为700mm, 采用焊接钢材，同时在两端要焊接销连接的栓，两端下部分焊接支架。 三点悬挂式旋耕机总体布置如图（3-7），为中间传动旋耕机，

9、传动箱前下方装有 消除漏耕的小犁体。 图3-7旋耕机三点悬挂 三点悬挂有U型框架式，A型框架式，连杆式和杆式，每种挂接器的尺寸必须符 合GB17121的相关规定，四点刚性挂接器，可以将机具刚性的固定在拖拉机。 本设计中机架将采用 A型框式挂接器如图（3-8）,国标GB/T17127.1-1998规定 了 U型框架式挂接器的尺寸及与机具有关的尺寸。根据农业机械设计手册上册表1-4-5 和表1-4-6 可得: 挂接器立柱销垂直距离hl为687mm；下连接销内肩间距L1为1168mm; 下连接销内肩外间距L2为1361mm; 挂接器立柱销直径为30mm; 图3-8 A型框架 3.3卧式旋耕机的运动参

10、数 3.3.1旋耕刀的运动轨迹，旋耕速度比和耕层底部凸起高度 正转旋耕机作业时，旋耕刀上各点的运动轨迹均为余摆线。刀端点的运动轨迹图 （3-8）可用下列方程式表示： X=Rcos3 t + vmt Y=- Rsin 3t 式中Vm-机组前进速度（m/s） R-旋耕刀的回转半径（mm） co-旋耕刀的回转角速度（rad/s） 3 t旋耕刀的转角（rad） 旋耕刀端点的回转切线速度与机组前进速度之比定义为旋耕速比兀 入=r mv 带入上式得 X= R（cos 3 t + /okt） Y=-R sin ot 上述公式表示，当入值不同时，旋耕刀的运动轨迹和切削土壤的形状各不相同，旋耕速 比越大，切土节

11、距越小。 根据本课题的设计要求，根据计算的公式入=Rom其中R根据国标去IT245为 245mm,根据旋耕的转速n=200-260 rpm, o =20.2rad / s , 前进速度为 5 km / h。 所以 k=245* 0.02 / 1.4 = 3.5 耕后耕层底部出现波浪形的凸起，其高度a除与旋耕速比入和旋耕刀回转半径R 有关外，还与旋耕刀轴单元切屑区域内圆周设置的刀片个数 Z 有关，其关系如下： a / R=1-cos n / z（入1） 旋耕机刀轴单元切屑区域内圆周设置刀片个数 Z=2 时，凸起高度比较适中， 同时 对于旋耕速比 8.75也是可以适用的。 3.3.2切土节距和碎土

12、质量 土垄的水平纵向厚度S称为切土节距，可用下式计算： S=6000 vm / nz=n R / 5 kz 式中 Vm -机组前进速度（m/s） R -旋耕刀的回转半径（mm） n -刀轴转速（r/min） 根据已知条件和公式可以计算得出： S=3.14*245/5*3.5*2=9cm 切土节距的大小直接影响碎土质量和耕地平整度。由上述公式可知，降低机组前 进速度，提高刀轴的转速和增加每切削小区内的刀片数，都能减小切土节距，提高碎 土质量。但是机组前进速度过慢，生产率降低；刀轴转速过快，功率消耗大；刀片数 增多，刀间的空隙小，容易堵泥缠草。因此切土节距不能选择过小。同时切土节距加 大时在一定的

13、耕深a的情况下，耕层底部未耕的凸起高度，即耕底不平度也加大。 根据设计要求以及使用的场合，决定选取切削节距为9 cm。 333旋耕刀有效隙角的验算 如图(3-9)所示，旋耕刀正切刃在切土过程中如果隙角 0则外磨刃面或与未 耕土接触，或挤入未耕土中，增加功率消耗，严重时甚至使旋耕机剧烈跳动，耕深变 浅，以致不能正常工作。因此推荐旋耕刀作业时的有效隙角取13 有效隙角的验 算方法： 1- 电 式中 1 -公称隙角 -无效隙角 公称隙角厶1是与旋耕刀正切刃设计参数公称切土角 V，刃角iv运动参数有关 的变量。 图3-9公称起土角与公称隙角 = v - 0- i 式中 v -旋耕刀正切刃的公称切土角，

14、GB/T5669-1995中规定的 IT245和IT260旋耕刀的V值分别为40 和37.5 0 -圆周切线与余摆切线的夹角 iv -旋耕刀正切刃纵向截面上的刃磨角 上式中v和iv为定值，0值则为变量。由式子可以看出0值增大，则 1变小。0 角是随着旋耕速度比和旋耕刀回转瞬间位置而变化的变量 0 = arctg Vk(2-k) / 九1+ k 式中九旋耕速比 K-瞬间位置刃口至耕底的距离 d，与刃口回转半径R的比值，K=d/R 该设计中耕深为14cm，当外磨刃面回转到地表入土位置时，计算得刃口与耕底距 离 d，=13.2cm, k=0.539，所以计算得 0 =16 17 q = 3 43 在

15、旋耕刀切土的过程中B角在不断变化，当刃口至耕底的距离为d/=(I) /4 即K=(入1) /曲寸，B角达到该速比下的最大值，0 max = arctg(2 -1/ 2 -1),但通 常耕深dR(入-1)/故,验算时所取的0 maXl为刃口处于地表入土位置时的数值。 无效隙角厶迄是旋耕刀正切刃外磨刃面成为余摆线的弦时，该弦与余摆线切线构 成的夹角图(3-10) 图3-10无效隙角 q = arcs in (h 7 2 p) 式中 h纵向截面上外磨刃面的宽度 p 余摆线的曲率半径 严j (1 - K- J 根据上式带入计算： q = arcs in ( h 72 p) 1 49 沪 1 54 验算

16、结论是：IT245旋耕刀在许可工作条件范围内使用，其最小有效隙角为 1 54不会发生外磨刃面干涉未耕土现象，其设计是合理的。 3.4卧式旋耕机的功率消耗 3.4.1刀轴受力计算与校核 刀辊轴的外径为 70mm，内径60mm，壁厚5mm,截面面积1020.5mm 刀轴受到的最大扭矩为： T 刀轴=9550* （P 刀轴 /N 刀轴）=88.2/237.4=3548 Nm 旋耕刀产生的阻力矩： 旋耕机作业时，旋转的弯刀对土壤进行切削、破碎及抛掷，土壤便反作 用 于 弯刀上，从而形成了土壤阻力。由于在整个切削土壤的过程中，耕深由小到大，切割 的土壤面先是由小到大，然后又由大到小，弯刀的位置也在不断变

17、化着，所以土壤阻 力的大小、方向及作用点在整个切削土壤的过程中都在变化。通常旋耕刀所受的轴向 力垂直于平面很小，可忽略。为了便于分析，在此将阻力 F沿X，Z两坐标轴分解成 Fx,Fz两分力，又可将F沿作用点Q的法线，切线方向分解成两分力，即法向力Fn, 切向力Fr,此时，切向力Fr对刀轴的旋转中心产生一阻力矩 M，其大小为： M=Fr * r 式中r-力F的作用点Q至旋转中心的距离图。 刀轴的力学模型分析： 7 / / X A / / X / 17 |h ry + Z 1 . ri /X / / / 厂厂h * rr - 1” . 1 L 刀轴工作时每把刀片相间入土，承受弯曲、扭转复合载荷作用

18、。就受弯而言，刀 轴的力学模型可简化为一受若干集中载荷作用的简支梁，集中载荷的位置和角度由刀 片的排列方式确定，刀轴任意截面处的弯矩方程为： K 1-1 工二一厶） M （.r） = / _ / * 工 丿（ P2 -液压缸回油腔背压，初算时无法确定，按机械工程简明设计手册表3-6估计, 单位为Mpa; d/D-活塞杆直径与液压缸内径之比，可按机械工程简明设计手册表3-7取； F-工作循环中最大外负载，单位为 N Ffc -液压缸密封处的摩擦力，单位为 N; 可按下式估算 F +Ffc =F / n cm 式中n cm -液压缸的机械效率，一般 n cm=090.97 可求得： D=y4F/

19、冗 P1 n cm1- P2 / P1 1-(d/D) 可得结果： P1 = 9.8 Mpa；P2 = 0.4 Mpa d/D=0.7F=5000N 通过计算得: D = 26.9mm 活塞杆直径可由d/D值算出，由计算得的D与d值分别按机械工程简明手册表 3-8与表 3-9圆整刀相近的标准直径，以便采用标准的密封元件。 选取液压缸内径D尺寸为32mm,活塞杆直径d尺寸为25mm在中低压系统中，壁 厚根据结构工艺性的要求来确定，通常不必校核。 选取材料为灰铸铁，许用应力(7单位Mpa 按材料力学的壁厚圆筒公式进行壁厚计算： 三 D/2 V( 7 +0.4Py-1.3 7)-1 计算得： 三 1

20、3.12 液压缸壁厚算出后，即可求出缸体的外径 D1 D1 三 D+2S =45.12 取 D1 为 50mm 液压缸工作行程的确定，可根据执行机构实际工作的最大行程来确定，并参照机 械工程简明手册表 3-11 选取标准值。考虑到本使用场合，选取液压缸活塞杆行程为 400mm。 缸盖厚度的确定，一般液压缸多为平底缸盖，其有效厚度可按下式计算 无孔时 T 三 0.433 D2 VPy/门 有孔时 T三 0.433 D2 VpD2 / 7(D2一 d0) 式中 t -缸盖有效厚度，单位为mm； D2 -缸盖止口内径，单位为mm； d0 -缸盖孔的直径，单位为 mm； 通过计算得： t= 31mm

21、最小导向长度 H 的确定 当活塞杆全部外伸时，从活塞支撑面中点到缸盖滑动支撑面中点的距离 H 称为最小 导向长度，最小导向长度 H 应满足下列要求 H 三(L/20) +(D/2)= 36mm 取H为36mm 式中L -液压缸的最大行程，单位为 mm； D -液压缸的内径，单位为mm 活塞宽度B，一般取B= （0.61.0） D=0.8*32=25.6mm ;缸盖滑动支撑面的长度I,当 D80mm,取 1= （0.61.0） D=0.7*32=22.4mm ; 缸体长度的确定 液压缸缸体内部长度应等于活塞的行程与活塞的宽度之和，为825.6mm。缸体外形 长度还要考虑两端端盖的厚度，为855.6mm。一般液压缸缸体长度不应大于内径的 2030倍。 4.总体装配图 如图(3-21,3-22 ) 图3-21总装配图正视图 图3-22 总装配图右视图 结论 本设计要求对旋耕机进行改造，实现旋耕机的折叠，解决超宽问题，并且分析了 旋耕机的工作原理，旋耕刀的运动轨迹，旋耕机的功耗及配套动力的选用，在旋耕机 配套动力选用中论述了不同土质旋耕比阻的差异，以及旋耕机其他配合使用的机架， 罩壳，漏耕装置，在折叠部分采用了液压的设计，设计合理的液压缸，满足折叠的要 求。本设计中难度最大在于折叠部分，这部分对传动的要求比较高