一种新型水平轴类开沟机的设计

一种新型水平轴类开沟机的设计

0果园开沟机目前，我国对果园开沟机的研究主要包括链式、旋转式、导向式和螺旋式开沟机。为保证在果园里施肥,肥料的肥效能达到一个较好的效果,要求施肥开沟机的开沟装置都是偏置的,即要求开沟装置所开出的沟槽离树根的距离近些。国内的主要机型:1996年,昆山农业机械化研究所研制了以圆锥对数螺线为基础设计的后置式1型立式螺旋开沟机;1999年,义乌市农机管理站的王焕新等研制出了旋耕开沟两用机;2001年,河北职业技术师范学院设计出了与8.8kW手扶拖拉机配套的链式开沟机,该机主要用于葡萄园的开沟作业;2006年,北京市农机鉴定推广站成功研制了1K60B型果园深施有机肥组合螺旋式挖沟机,该机由拉杆、动力输出轴、转向器、螺旋单体、机架等构成,可与13.3kW带后输出的拖拉机配套,相临2个螺旋单体的旋转方向相反,3个螺旋单体组成工作装置开挖施肥沟;2006年,由山东广饶三元液压机械环保有限公司与中国农机研究院共同研制的链刀式开沟机,主要作用于农田水利开沟铺管、园林开沟施肥、栽植树苗、山药牛蒡等作物的深松或收获等作业。目前,市场上已有开沟机的开沟装置都是固定的,不能实现偏摆。要想在果园里开出距离果树较近的沟槽,拖拉机只能在果园里进行单向开沟作业,不仅效率较低、浪费燃油,还会将土壤压实,不利于果树根部的呼吸以及土壤中养分的吸收。为此,针对这一普遍存在的问题,研制出了可换向水平轴圆盘开沟机,从而解决了这个问题。1开沟作业的控制可换向水平轴圆盘开沟机结构,如图1所示。该机与带动力输出装置的小型拖拉机配套使用,采用三点悬挂式连接;旋转刀盘与变速箱输出轴连接;变速箱通过支撑座与机架铰接,可以绕其输入轴轴线左右偏摆。变速箱的偏摆由一个液压缸来控制。整机工作过程:拖拉机的输出轴与变速箱的输入轴相连接,通过变速箱(传动比1∶2.5)带动刀盘旋转,铣切土壤进行开沟作业;进行开沟作业时,控制油缸首先将开沟装置偏向需要进行开沟作业的一侧,启动动力输出装置使开沟进入工作状态,利用慢速挡位启动拖拉机;同时,缓慢降下开沟机。在拖拉机前进的过程中,开沟机逐渐达到工作深度,此时可以进行正常的开沟作业;完成一行开沟后,机车掉头。此时,开沟装置就会在距离果树较远的一侧,通过换向油缸的伸缩来调整开沟装置和果树之间的距离,调整完成后就可以进行开沟作业,这样就完成了开沟机的一个循环作业。开沟机的主要技术参数:刀盘直径/mm:500开沟深度/mm:≤400开沟宽度/mm:≤500刀盘转速/r·min-1:343.77(理论)工作速度/m·h-1:429(理论)工作装置偏摆最大距离/mm:800配套动力/kW:13.23(带有动力输出轴和液压输出的拖拉机)2旋转刀盘的主要工作参数选择2.1旋转刀盘尺寸的影响旋转刀盘的直径主要从以下几个方面对整机的性能产生影响。1)旋转刀盘外径D对整机的能量消耗的影响。在铣切过程中刀盘直径越大,有效铣切弧长也相应地越长,但这会影响铣切功耗;另一方面,当D增大时,土壤切片的曲率减小,土壤切片的变形阻力也相应减小,从而使耗能相应地减小。2)旋转刀盘外径D值会影响传动机构的形式和尺寸。当刀盘外缘线速度一定时,刀盘外径D增加则其转速就会相应降低,从而导致变速箱传动比增加,这样就加大了传动机构的尺寸。3)D会影响旋转开沟机的扭矩不均匀系数。当D增加时,刀盘的质量也随之增加。根据飞轮蓄能的原理,在刀盘工作过程中遇到阻力不均匀时,刀盘上积蓄的能量会在一定程度上减少转速的波动,从而使机具的工作状态更加平稳。综合以上几个方面的影响,可以根据相应的经验公式来确定旋转刀盘的外径,即D=(1.2～1.4)L式中L—开沟深度。本机设计开沟深度为0.4m,故由最大开沟深度可确定其刀盘直径为D=0.48～0.56m。综合以上各种因素,最终取D=0.5m。2.2刀盘线速度的确定刀盘外缘的线速度是一个关键的参数,是影响铣切、抛撒土壤能耗的重要因素。合理地选择刀盘的线速度,要从以下几个方面加以考虑:1)保证刀盘有足够的惯性卸载,即v>ν临其中,ν临为刀盘实现惯性卸载时的临界外缘线速度。对刀盘处土壤质点进行受力分析(如图2所示),则有F法=Gsinβsinα+fF切式中F法—法向惯性力,F法=Gν临2/gR;F切—切向惯性力,F切=Gsinβcosα;α—刀齿端点和刀盘中心连线与机组前进方向的夹角;β—沟形坡度角,水平轴旋转开沟装置的沟形坡角为90°;R—铣刀盘半径;g—重力加速度;f—土壤和刀齿表面的摩擦系数。一般取ν临=5m/s,即ν>5m/s时,可以实现惯性卸载。2)保证必要的抛土距离。符合第一个原则的线速度是旋转开沟机能够正常工作的最低线速度,其尚不能把土壤均匀撒开;而这是由果园内的种植情况及开沟机的作业类型决定的。对于施肥作业则不需要抛土,如果是覆盖作业则要求有一定的抛土距离;此时需要较大的刀盘速度才能均匀地将沟内土壤撒布,以保证对需要覆盖的作物能够有良好的覆盖。3)尽量减少整机有能量消耗。以上选择v的两个原则都是以土壤铣切工艺和农艺的要求为出发点,并没有考虑线速度对旋转开沟及能量消耗的影响。因此,在基本满足以上两个条件的前提下,尽量减少整机的能量消耗也是需要考虑的一个重要原则。前人的实验测得的数据,如图3所示。从图3中可以看出:当切削速度低于8.5～9m/s时,铣刀盘的线速度增长缓慢(ν每增长1m/s,开沟机能耗P增长10%～15%);当切削速度高于9m/s时,铣削力随刀盘线速度增加急剧增长(ν每增长1m/s,P增长50～85%)。综合上述3个因素,最终选择刀盘的线速度为ν=9m/s。这样既可以保证开沟机有一定抛土距离,还能够将机具的开沟阻力控制在适当的范围内。2.3开沟机性能分析进给量S增大时,切土厚度增加,铣切阻力也增大;但进给量与铣切阻力之间的具体关系尚不清楚。因此,可以使用反求法来求出机器的前进速度,即使用已知的与机器配套的拖拉机的额定输出功率,以及已知的其它参数,来计算出机器的前进速度。进给量S的增加可以减少破碎土壤的能耗。所以,选用S的总原则是在保证旋转开沟机正常工作的前提下,尽量选用偏大值。有S=πDu60νz′S=πDu60νz′式中z′—刀齿排列的螺旋线头数,由于刀盘直径所限,取z′=1;u—机组前进速度。在旋转开沟机的设计中,计算功耗使用较为广泛的方法是经验公式法,功耗的经验公式为N旋=aQ其中,N旋为铣刀盘加工整个沟形截面土壤消耗的功率,即拖拉机动力输出轴的输出功率;拟选用13.23～18.375kW的拖拉机作为配套动力,计算中以13.23kW拖拉机位基准。通过前面的分析可知在工作时,开沟机牵引阻力基本稳定。根据经验公式,旋转开沟机的牵引功耗与开沟功耗的比值大约为1∶5。由此可以得知,拖拉机的有效输出功率大约14.4kW。a为比功或比能耗:一个工作小时中消耗的功率和生产率的比值,或挖掘单位土方沟渠所消耗的能量(kW·h/m3)。根据前人研制经验来看,a值的选取范围在0.147～0.3675kW·h/m3较为合适,松软的土质取下限,坚硬土质取上限。由于果园内的土壤经过多年种植,且园内的土壤压实少,土质比较松软,因此选取a=0.147kW·h/m3。Q为旋转开沟机技术生产率(m3/h)。有Q=A·vm式中A—沟渠横断面积(m2),当刀盘直径为0.5m,开沟深度为0.4m时,沟渠横断面积为A=0.168m2;vm—机器的前进速度(m/h)。由此可得N旋=avmAvm=N旋aAvm=Ν旋aA求得vm=429m/h,计算出刀盘旋转1圈的进给量,即S=vm60nS=vm60n其中,n为刀盘的转速.由于刀盘的线速度已知,v=9m/s,求得刀盘的转速为n=343.77r/min,将数值代入上式可得刀盘的进给量为S=0.042m/s。由此,得到了该机的主要性能参数:配套动力为13.23kW以上的中小型拖拉机,开沟深度0.4m;开沟行走速度429m/h;刀盘的旋转速度343.77r/min。3果园试验和结果3.1葡萄种植专业合作社造林果园性能试验在新疆伊犁市伊宁县克佰克于孜乡冬鲜果业种植农民专业合作社葡萄种植大棚内进行。大棚内土壤松软,含水量较高,每年在春、秋季施用两次有机肥,中间根据葡萄生长需求追肥,要求开沟深度为30～35cm,开沟宽度没有特殊要求。3.2整地整地的作用在春秋季进行开沟作业时,园内土壤的含水率相对较低,土壤较松散。此时,机具进行开沟作业,刀盘上粘附的土壤较少,开出的沟形整齐,刀盘能够将土壤完全甩出,且抛出的土壤堆放较整齐,便于回填作业;且开出的沟内没有残留的土壤,开沟速率可以达到理论工作速度。往复开沟作业开出的沟槽与植株的距离相等,完全满足施肥的要求。在追肥时进行开沟作业,园内土壤的含水率较高