1、1履带式播种机浅耕开沟机构结构设计摘 要：本文在分析履带式播种机浅耕开沟机构的结构组成和工作原理的前提下，介绍说明了履带式播种机浅耕开沟机构的设计原则和设计步骤。并根据设计原则的要求，首先选择了浅耕机的类型，确定浅耕机的耕幅、传动型式、刀轴转速的选择等内容。然后具体设计了浅耕机的传动装置包括齿轮箱的结构设计、关键零件的强度校核、耕深调节装置和工作部件总成的设计（包含浅耕刀片的选择以及开沟器的设计）。其中浅耕开沟机构以及传动装置是本次设计中的主要内容，它包含了大量的工作：资料的整理，参数的设定，相关计算，绘图等。关键词：履带式播种机；旋耕刀片；耕幅；浅耕；开沟；Design Of Crawler
2、 Drills Shallow Tillage And Furrowing StructureAbstract: After analyzing the components and principles of Shallow tillage trenching machine of crawler seeder ,the thesis introduces the principle of design and the procedure of Shallow tillage trenching machine of crawler seeder .According to the plan
3、 ,the thesis chooses Shallow tillage trenching machine of crawler seeders type, confirms their ploughs ,the connection and disposition method with the selected tractor, transmission pattern, rotation speech of cutter shift , etc. Then Shallow tillage trenching machines gearing is designed concretely
4、 ,which includes overall design of gear case strength calculation of main parts, the design and choice of plough depth limiting device and working part .The design of Gear Case is the main point of the thesis ,which needs lots of work ,data sorting ,the choice of parameter and relevant calculation a
5、nd drawing etc.Key words: crawler seeder;rotary blade;the breadth of furrow;shallow tillage;trenching1 前言履带式播种机是一种直播机，它以增产、增收、培肥地力、改善土壤结构、减少杂草、减少病虫害、为农作物创造良好的生活环境。是我国正在大面积推广发展的新型高效农业机械 也是我国农业可持续发展的重要内容。 它一次性可完成碎土、碎秸杆、起垄、开沟、灭茬、施肥、播种等多项作业。在我国南方地区油菜是主要油料2作物，中国食用植物油自给率仅 39.4%，油菜生产的重要性已被提高到国家战略安全的高度。传统的油
6、菜种植方式效率低，劳动强度大。而留在农村从事农业生产者以老弱病残居多。依靠这种劳动力结构采用传统的生产方式无法满足大规模扩大油菜面积、增加油菜总产的要求。因此研制油菜生产系列机械，组装、集成油菜高效栽培技术，实现机械化生产是降低油菜生产劳动强度、提高生产效率，达到大规模扩大油菜种植面积、增加菜籽总产、解决中国食用油安全问题的根本途径。南方冬油菜产区冬前雨水充足，导致田间杂草丛生，严重影响油菜苗期生长，而前茬作物收获后田间留茬高，也严重影响油菜出苗，为此，在现有油菜免耕直播机的基础上，通过改进设计和优化组合，研制出了集浅耕、灭茬、开排水沟、播种和施肥一次完成的油菜直播机履带式播种机。此作业机械的
7、关键结构为浅耕开沟机构。浅耕开沟机是一种由动力驱动的土壤耕作机械。它的耕作部件为旋耕刀辊,刀辊上由多把浅耕弯刀按螺旋线排列以及一个位于刀轴侧边的开沟装置构成。浅耕机开沟机灭茬开沟切土能力强，耕后地表平整、松软，能满足精耕细作要求，且缩短工序间隔，有利于抢农时抗旱保墒，减少拖拉机进地次数，减轻对土壤压实，减少能源消耗，降低作业成本，减少机具投资，提高机具利用率，加之近年来国内还田技术和免耕少耕技术的推广应用，浅耕开沟机构得到了迅猛发展，已成为拖拉机的主要配套机具之一。浅耕机于 19 世纪中叶问世以来，得到了迅速发展和推广使用。日本二战之后为了尽快恢复经济发展,引进浅耕机用于农业生产。但是由于日本
8、大多为水田,直角形旋耕刀不适宜于进行水田耕作。一大批日本学者开始致力于水田用旋耕刀的研究,如吉田富穗、松尾昌树、坂井纯等人研制出了旋耕弯刀,成功地解决了刀轴缠草等问题。为了解决刀轴缠草的问题本文对旋耕弯刀进行了设计说明。对弯刀的刃口曲线提出了相应的要求，目前能达到这种要求的刃口曲线有阿基米德螺线、等角对数螺线、正弦指数曲线等,其中阿基米德螺线应用最广。到目前为止，浅耕开沟机产品虽然在理论上可以配套 58.873.5kw 的拖拉机，但实际上因受传动系统强度及结构尺寸、机架结构强度的限制，配套合理范围仅达48kw 的拖拉机；耕深亦局限在旱耕 1216cm，水耕 1418cm。20 世纪 90 年代
9、以来，为适应市场需要，有些企业试图开发大型旋耕机，但因水平有限，仅采用原有产品外延放大和堆砌材料的方法，没有着重结构的改进和参数的优化，因而走了弯路。因此，现有旋耕机产品在品种上尚有大型和深耕型的空缺。我国作为农业大国，不少农机学者在旋耕机方面进行了大量的研究工作。为了促进驱动型耕作机械的发展，本人选择3了浅耕开沟机构作为自己的毕业设计论文课题，借鉴了不少知名学者的重要研究成果，书写成文。由于资料搜集的局限性和水平有限，错误和不足之处在所难免，欢迎读者批评指正。1.1 开发浅耕机的目的和意义土壤耕作是种植业生产过程中的重要一环，对于农作物增产具有重要作用。因此，土壤耕作机械的发展一直受到人们的
10、关注。由于土壤耕作是一项能耗很大的作业，传统的土壤耕作机械，如犁，耙等都需要多次书耕作会对土壤造成破坏，不利于水土保持，消耗较大。长期以来，人们一直在探讨新的工作制度，松土和局部松土，不耕和少耕。在这种形势下，驱动型耕作机械诞生了。这种机械之所以引人注目，一是强化土壤耕作过程，可以满足不同条件下的不同土壤类型；二是一次耕作可以联合作业；三是有动力驱动，质量好；四是作业时几乎不需要牵引功率，减少了功率的消耗。驱动型机具有多种，如旋耕机，振动土壤耕作机械等，目前广泛使用的，应用前景最好的就是旋耕机。耕机切土、碎土能力强，一次旋耕能够达到一般犁耙作业几次的碎土效果，耕后地表平整、松软，能满足精耕细作
11、要求，且缩短工序间隔，有利于抢农时抗旱保墒，减少拖拉机进地次数，减轻对土壤压实，减少能源消耗，降低作业成本，减少机具投资，提高机具利用率，加之近年来国内还田技术和免耕少耕技术的推广应用，浅耕开沟机得到了迅猛发展，已成为拖拉机的主要配套机具之一。1.2 国内外旋耕机的发展动态、存在问题及发展方向1.2.1 国外研究现状1)国外自20世纪50年代开始研制并推广联合作业机。在西欧各地气候条件复杂且变化急骤,适播期短,抢农时适时耕种成为十分突出的问题。因而在德、法、英等国家生产和使用整体型联合作业机比较普遍。北美一带气候条件好,土地面积大、适播期长,仍使用宽幅单项作业机,但近几年美国凯斯和迪尔公司也推
12、出了为大功率拖拉机配套使用的宽幅、高效联合整地机械。在日本、韩国等地,因地块小,使用耕整、施肥、播种、铺膜联合作业机较多。2)总的看,国外驱动型耕作机,近几年发展很快。其趋势是: 整机和工作部件多系列、多品种化,生产批量趋小;适应少免耕法新农艺,以旋耕机为主体的整地、施肥、播种联合作业机得以优先发展;向宽幅、大功率、高效能发展 ;采用新结构、新部件和增加附件,如快速挂卸装置、动力输出轴离合器、保护器等;由机械式传动向液压传动、气力4传动方向发展;机电一体化、微电子技术用于作业机组的自动监测、显示和控制 ,自动调节耕深、机组水平、作业速度等1.2.2 国内研究现状我国的驱动型耕耘机械,自农村实行
13、家庭联产承包以来,因地块小,所以近些年飞速发展。目前旋耕机生产厂100余家,年产量达40万台左右。近几年,我国也同国际发展趋势一样,受作业成本增加、地块缩小等因素的影响,联合作业机的研制和推广迅速崛起。全国各地结合当地的农艺要求研制了以旋耕机、灭茬机为主体的联合作业机,品种繁多、功能各异例如有湖南农业大学研制的2BYF-6型油菜免耕直播联合机及2BYD-6型油菜浅耕直播施肥联合播种机，沈阳农业大学的2BG-2型玉米垄作免耕播种机，河北农业大学2BMF-4型玉米免耕播种机等一系列优秀的作品。浅旋耕条播机，旋耕施肥播种机，松旋起垄机，灭茬施肥起垄机，灭茬旋耕机，耕整播种联合作业机等已有60多种规格
14、型号,年产量在1.52 万台左右。目前,黑龙江省已研制推广了多功能旋松起垄机、松旋起垄机、灭茬起垄机、玉米大垄灭茬起垄机、耕整播种联合作业机，而湖南省的稻茬田油菜免耕播种机取得了极大地突破，并逐渐向形式结构的多样化发展。但由于受国内特殊的稻田环境等因素的影响，从整体技术水平看,与国际先进水平相比,仍有许多需要改进的地方。其主要表现在:(1)结构及运行性能水平低。因受拖拉机技术的制约和配套农具本身研究开发水平的限制,一些国际已采用的先进结构尚未采用,如快速挂接,短尺寸广角万向节传动轴,可调机罩、耕深和水平自控调节,快速换刀结构和安全减振装置等。(2)可靠性差。国产旋耕机无故障使用时间最长为370
15、h,仅为国外的2/3。(3)(材料和制造工艺水平低。材料以市场供应为标准,但满足不了设计要求; 而国际上已普遍采用新材料、新工艺,如高强铸铁、低合金钢模锻。如西德杜齐耕作机,刀齿强度为10,并箱形零件薄壁铸造新工艺、热处理新工艺、多刀加工中心和柔性加工自动线等。(4)机型杂乱 ,三化水平低,重复低水平设计,缺乏科学严密的试验。从国际和国内今后耕作机械的方向和走势看,从学术观点上,以减少能源消耗、降低作业成本和维持粮食单产为目标的少耕、免耕技术和以增加粮食产量为目标的精耕细作两者之间,进行长时间的争论。近年来两者共同寻求更合理的以节省能源、降低投入、增加产量为统一目标的耕作技术与配套设备。因此,
16、研制耕作施肥播种为一体的联合作业机,成为当今国内外共同的发展方向。51.2.3 发展方向及需要解决的问题 目前浅耕机逐渐向向联合作业方向发展。黑龙江省农机院研制了耕整播种联合作业机,一次完成灭茬、施肥、播种、镇压、喷药等联合作业。且已开始研制麦茬免耕播种机,急需研制高茬免耕地、灭茬、开沟、播种、复土的土壤耕作部件。向电子自动控制播种方向发展。存在的问题及研究方向1)国内播种机存在的问题有以下几点:播种部件的结构型式繁杂、三化水平低。其工艺水平低、制造质量差、铸铁质量大、塑料部件寿命短,粗制滥造现象严重。主要研究方向:从配套机型上看,给大、中型拖拉机配套急需更新换代。应研制开发中、小型联合作业播
17、种机;研制为大功率拖拉机配套的大豆宽幅窄行密植和大垄密植精量播种机;急需提高工艺水平提高制造质量,广泛采用新工艺、新材料。1.2.4 设计依据：浅耕开沟机构中耕深50H100(单位：mm)浅耕宽度：B=1800mm开沟机构畦沟沟深：100h150(单位：mm)沟宽 B=200mm功效：56亩/h切土节距 S=46余摆线 1设计的浅耕开沟机构应挂接在履带式行走底盘上，且沟深可调。建议：开沟刀盘与浅耕刀辊在一根轴上建议：浅耕机构采用旋耕，开沟机构采用旋转刀盘建议：开沟刀盘上采用起垄刀注意：考虑沿田埂周边开畦沟时，土壤不抛洒出田埂上及外延注意：应考虑刀片的安装方向注意：应考虑刀辊的旋转半径，开沟刀盘
18、旋转半径，轴上的布置位置及关系，开沟铲与浅耕机构机架的连接关系，整个机构与底盘的连接关系。62 总体方案确定及主要参数的选择2.1 浅耕开沟机工作部件支架的选定依据南方农作物种植农艺要求，箱面宽度为 2.0m,，可配套侧边传动幅宽为 2.0m的大型旋耕机的传动系统和结构作为主体支架。2.2 浅耕开沟机耕幅及配套动力的确定根据主机动力输出功率和旋耕作业时单位幅宽功耗可对配套动力进行初步选定,而幅宽过大(刀片增多)将导致发动机工作过载,合适的幅宽则可保证主机功率的充分利用。实际中配套动力的初选可采用经验公式 B=0.260.29N,但最终的确定必须经过试验验证。事实上,对于同一种旋耕机,主机功率大
19、的配套并不一定有好的作业质量,相反却有可能造成功率的浪费,通过试验能合理确定对应幅宽的最佳配套功率,可以避免“大马拉小车”的情况。耕幅与拖拉机的功率有关，并影响旋耕机与拖拉机的配置方式。耕幅 B 与拖拉机动力输出轴的额定输出功率大体成以下关系（已考虑拖拉机提升能力在内）：B=0.260.29N 式中 N拖拉机发动机的额定功率（KW）本设计中考虑到南方农作物的农艺学特点，为使浅耕开沟机构具有更好的适应性故选取: B=2.0m故 N=47.5KW59.1KW.参考耕幅相同的旋耕机，1GQN-200，1GQNB-200 所配套的动力为 55-75 马力，考虑到所设计的浅耕机耕深较旋耕机要浅，因此可配
20、套动力为 60马力的牵引机构。2.3 浅耕开沟机构与履带式底盘的挂接方式浅耕开沟机构与履带式底盘的挂接方式有三点悬挂，直接连接和牵引等三种连接方式，我国各种类型的旋耕机构目前采用前两种联接方式。三点悬挂式旋耕机的悬挂方法类似铧式犁，动力由拖拉机动力输出轴通过万向节传动轴传递至浅耕机构的中间齿轮箱，然后再由万向节轴传递至侧边齿轮箱驱动刀轴转动。2.4 浅耕开沟机最优传动方案的选择本文设计中所采用的支架是大型旋耕机的支架，而对于旋耕机其传动形式一般有全齿轮传动及齿轮-带轮，齿轮-链轮等传动形式。动力传动的路线大致有两种，第一7种是拖拉机动力输出轴万向节传动轴中间齿轮箱旋耕刀辊，第二种是 拖拉机动力
21、输出轴万向节传动轴中间齿轮箱侧边传动箱（链传动及齿轮传动）旋耕刀辊。一般耕幅小于拖拉机拖拉机后轮宽度的旋耕机多用于侧边传动，耕幅大于拖拉机后轮外缘宽度的旋耕机，多采用中间传动。根据前面的设想，这里我们选用侧边传动。图 1 传动方案一Fig. 1 The first transmission scheme方案一可行性分析：动力由动力输出轴万向节中间齿轮箱输入轴经一对锥8齿轮减速再由圆柱齿轮三级减速在由侧边链传动箱将动力传递至刀轴优点：侧边链传动可时间较远距离的精准传动且噪音小。缺点：中间齿轮箱结构复杂，侧边链传动相比齿轮传动无法传递较大的力。图 2 传动方案二Fig. 2 The second
22、transmission scheme方案二可行性分析：动力传入到中间齿轮箱的输入轴经一对锥齿轮减速后万向节由侧边齿轮箱里的圆柱齿轮减速后传递至刀轴。优点：结构简单，传动精准，可传递较大的扭矩，且易于制造。缺点：传动距离有限。综合考虑两种方案的优缺点，方案 2 结构简单，可传递较大的功率及扭矩，且易于制造，其传动距离满足性能要求，故选择方案 2 做为传动方案。92.5 浅耕开沟机的刀轴转速选定在机组前进速度不变的情况下，浅耕机灭茬及耕地的效率随刀轴转速的增加而增加，较理想的配合是较高的刀轴转速和较高的前进速度，虽然功耗要增加些，但因生产率提高了，仍可降低单位面积的能耗。近年来，刀轴转速有增加的
23、趋势。浅耕机的刀轴转速逐渐增加至 300r/min，随着土壤比阻不同，旋耕机的刀轴转速也不同，粘性重的土壤比阻大，转速应偏低，砂性土壤比阻小，转速可偏高。为了提高生产率及地区适应性，减少能耗，本设计旋耕机刀轴转速选择 300r/min左右的转速,在后文中将根据传动方式确定具体的刀轴转速。3 浅耕弯刀的选取及排列方式3.1 旋耕刀的结构组成旋耕刀主要有侧切面、正切面、过渡面三部分组成，旋耕刀各部位名称下图，侧切面具有切开土垡，切断或推开草茎、残茬的功能；正切面除了切土外还具有翻土、碎土、抛土等功能。 过 渡 面 正 切 面 正 切 刃过 渡 刃弯 折 始 线侧 切刃侧 切 面图 3 刀的结构设计
24、图Fig 3 The Knife structure design drawing3.2 浅耕刀片的选择3.2.1 刀片型号的选择旋耕刀是浅耕机构的主要工作部件，刀片的形状和参数直接影响旋耕的工作质量，目前国内外对旋耕刀刃口曲线形状和结构参数作了大量的研究，就横轴旋机上的刀齿而言主要有刚性和弹性两大类，刚性刀按其外形分有直刀、L 形刀、弯刀、10凿形刀等类型。根据 GB/T5669-1995，旋耕刀分为 型刀，型刀和型刀。型刀主要用于水旱田耕作。刀辊回转半径 R 有 225、245、260mm 三种；型刀主要用于水田绿肥，稻茬，麦茬较多的田地作业。刀辊回转半径有195、210、225、245、
25、260mm 五种；型刀主要用于浅耕灭茬作业，刀辊回转半径 R 有 150、175mm 两种。根据设计要求，选用T175 型浅耕弯刀，刀辊回转半径为 175mm，其结构如上图所示。3.2.2 刀座间距 和弯刀总数 的设计和计算bz弯刀端部对土壤适当的撕裂挤压作用可以降低功耗。但撕裂过大又使土块均匀性较差，并使用同一截面相继入土刀片的切土节距加大而功耗增加。适当提高刀座间距和选用刀幅较宽的刀齿，可以减少刀齿总数和降低功耗,翻阅相关研究文献及考虑到南方作物的农艺学特点，现选用单刀幅宽 b=45 毫米。弯刀总数 可按下式计算:zbBZ/10z（1） =1000 =44.4(把) 取整 =4445/12
26、式中：B 耕幅（米）刀座间距（毫米）bZ 每切削平面内刀齿数弯刀总数取整偶数z3.2.3 弯刀在刀轴上的优选排列设计弯刀的排列是否合理，在很大程度上决定了旋耕作业质量的好坏，旋耕阻力的大小和功率消耗等重要性能指标。本设计吸取了国内外样机的先进技术，采用了以幅宽中央为基准，左右分成几个小区段的匀称、对称和左右螺旋线排列。着重考虑了刀轴回转入土的动平衡，也考虑了静平衡等角布置；左右弯刀应相继顺序交替对称入土，尽量减少刀齿数目，以求受力均衡、稳定，力求土块大小匀称，区段适中，表层平整；相邻两刀齿的夹角应尽量大些，以免夹土、堵泥，又便于制造。根据相关文献综合分析可提出了三种可行的排列，对其进行比较，并对个别刀齿作调整，从而改善旋耕机的动力性能。最后优选出一种比较合理先进的排列方案。从上述理论和优选结果，所设计的刀齿排列方案应尽量满足以下要求：a、刀轴每转过 18o左右应有一把弯刀入土，保证均匀性。
