1、1小型自动耕地机设计目录1 绪论.11.1 国内外耕地机的发展及研究现状 .11.1.1 我国耕地机发展.11.1.2 国外耕地机发展 .51.1.3 在海底耕地机的用途.71.2 链式耕地机的研究现状 .71.3 本论文研究意义 .92 链传动概述及链刀式耕地机设计的初步理论.102.1 链传动概述 .102.1.1 链传动基本原理 .112.1.2 链传动的特点.122.1.3 链传动的应用.142.2 链传动的失效分析 .152.3 耕地机设计的初步理论 .162.3.1 土壤的主要物理力学性质.162.3.2 土壤工作部件力学.182.3.3 小结切割过程的分土壤切削阻力分析.193
2、链刀式耕地机工作部件的设计.203.1 耕地机的工作原理 .203.2 链式耕地机的特点 .223.3 工作部件基本参数的选择 .223.4 工作部件切削土壤的力 .273.5 发动机功率的确定和底盘的选择 .28小型自动耕地机设计2 3.6 链刀式耕地机的整体参数计算与确定 .313.7 耕地器的结构.323.7.1 耕地器的结构分析.323.7.2 耕地器的工作原理 .334 结论与展望.344.1 结论.344.2 观察研究后根据链式耕地机的传动环境与切削的分析提出见解.344.2.1 根据土壤介质链传动的特点提出见解 .344.2.2 土壤质地、湿度、硬度对土壤介质链传动的影响 .35
3、4.2.3 研究后对耕地链传动的切削分析 .354.2.4 根据分析改进耕地链传动的方式为逆时针切削方式.364.3 写论文的感受.36参考文献 .38致谢 .3931 绪论1.1 国内外耕地机的发展及研究现状耕地机的历史悠久，早期的犁铧工具 1就是耕地机的雏形，只不过没有动力驱动。到了上世纪 50 年代开始，伴随着机械化的普及，而且在一些相关的部件和结构原理没有成型和系统的研究战后的发达国家开始使用机械耕地机进行大范围的农耕化作业，大大提高了劳动生产率。现在随着技术的不断进步和日益增多的工作要求，耕地设备的研究走进了一个新的时代，较为成型的耕地设备不断涌现。但国内的耕地机的研究和使用起步比较
4、晚。到了 60 年代，旋转式耕地机 2已发展成为一种先进的连续挖土机械。适宜开挖梯形截面的农用沟渠。由于它牵引阻力小，能均匀散耕地内土壤，工作效率高，因而获得迅速的发展和广泛的使用。耕地机在欧洲、美洲各发达国家和亚洲的日本等国广泛的应用在土方施工领域，仅美国年需求量就达数千台。耕地机发达的国家主要有德国、意大利、美国、俄罗斯和日本等国。前苏联、意大利、法国和西德等国都有不同型号的系列产品，有的远销国外。从 70 年代末期开始，以链式耕地机的研究逐渐兴起，到了 80 年代中期，美国等国已经有了较为成型的链式耕地设备。随着改革开放的不断深入，生产建设全面启动，城市土方施工工程规模越来越大，各方面都
5、面临着巨大的挖沟工作量。经过 40 多年的发展，在耕地机应用方面，以其生产效率高，成本低，设备简单，组装方便，多为悬挂于农用拖拉机后端的可拆卸设备而被广泛应用。其工作效率突出，且扩大了使用范围，随着电信事业广播光缆的铺设需要，链式耕地机的使用更为广泛，目前已经在多个领域使用，比如，在狭窄的果园，以及在海底耕地机也有了重要的应用。1.1.1 我国耕地机发展我国耕地机械起步较晚，经历了从犁铧式耕地机、圆盘式耕地机、螺旋式耕地机和链式耕地机的四个发展历程。在我国除极少数单位引进国外的连续式耕地机外,国产耕地机仍处于设计研发的初步阶段。小型自动耕地机设计4 首先，在上世纪 50 年代主要是犁铧式耕地机
6、。这种耕地机结构简单，工作可靠，零部件少，单位功率低，生产率高，作业成本低，耕地深度为 30cm 到 80cm。主要缺点是机体笨重，牵引阻力大，犁铧入土后，土垡随翻土板曲面上升，翼板将土推向两侧，侧压板将沟壁压紧，形成梯形断面的沟 3。然后，到了上世纪 70 年代又出现了圆盘式耕地机，它以两个高速旋转的铣削圆盘，圆盘周围是铣刀，一般以 75 马力到 100 马力拖拉机牵引工作，前进速度 50m/h 到150m/h，应用较广，牵引阻力小，适应性强，作业质量好，但行走慢，传动复杂，结构庞大，制造工艺要求高，单位功率消耗大，生产率比犁铧式耕地犁低，它的耕地断面是上口宽沟底窄的倒梯形，配套动力要求选择
7、功率大而行驶速度低拖拉机。由黑龙江建设兵团三师十八团研制的单圆盘耕地机简图 3。接着，上个世纪九十年代主要以螺旋耕地机为主，江苏省农机局技术中心研制的1KLZ-27 型螺旋耕地机采用立式螺旋耕地刀具，耕地部件为直接安装在一根直立轴管上的两组螺旋刀片，集立铣、周向提升、螺旋叶片惯性抛散等原理于一体，使耕地过程中的切削、提升、抛散一次完成，其结构简图如图 1.1 所示。该机工作时土块呈条状沿螺旋线导向两面抛落，以圆锥对数螺线为基础的立锥式刀具，增强了对不同区域、不同土质的适应性，刀片采用组合式结构，刀柄、刀刃选用不同的材料，提高了使用寿命 4。51 三角带（三条）2 附加大皮带盘 3 三角带（一条
8、）4 机架 5 尾轮 6 挡土栅 7 括泥板 8 耕地具图 1.1 1KLZ-27 型螺旋耕地机简图发展到 1999 年，在天津工程机械研究所开发研制出了 GC65G 型链式耕地机。该机的主要参数如下：拖拉机型号为 TN-654L，发动机功率为 48KW，主机额定牵引力为 18KN，最小转弯半径为 4500mm，耕地最深为 1800mm，最宽为 400mm，宽可通过更换挖掘链节来调节，挖掘链速为 1.8m/s，回填铲宽度为 1800mm，总体尺寸为长 7500mm，宽 2230mm，高 2860mm。它是由链条带动多片铲高速小厚度切削，主机低速前进，实现连续挖掘作业。该机进行挖土工作时，将土带
9、到沟面上，并挤向两侧，螺旋叶片形状的排土轮由链轮驱动，向两侧分土，清沟器端部设有浮动刮产，可将散土收回刀铲处，刮平沟底 5。于此同时在国内进行链式耕地机研究的还有西北农业大学机电学院的杨有刚、刘迎春，他们在 2002 年研制的在滚子链链板上加链刀附件的耕地机 6。2002 年中国农业机械化研究院耕作种植机械研究所的一种 1K（Kz）-30 型链式耕地机如图 1.3 所示。它主要由齿轮箱、传动链、耕地切削刀和分土器等组成。可见这种链式耕地机也是在滚子链基础上形成，这种形式的耕地机对土壤的性能要求较高，遇到带有沙石的土壤很难作业，耕地比较宽，消耗功率大，深度也不够，链条易磨损小型自动耕地机设计6
10、疲劳失效，使用寿命也达不到预期的效果 7。1.1.2 国外耕地机发展国外最早生产耕地机的国家主要是美国和前苏联。其发展过程大致也是从犁铧式开始的，目前主要是链式耕地机。在国外,耕地机的使用已经非常普遍,许多地下公用设施施工都用专业耕地机以下简单介绍几个国外的链式耕地机来说明在国外耕地机的特点及大至发展方向。国外耕地机的种类很多，适应各种不同施工的需要。最小的耕地机功率仅有几千瓦，最大的功率达到 1100kW，质量 136t。国外专用耕地机需求量逐年增大，仅美国就有 Ditch Witch、Vermeer、Case、Roccaw、Trencor Jetco、Eagle、Tesmec、Clevel
11、and 和 Carptal 等十多家公司生产耕地机，共有一百多种 1。仅以几家有代表性的公司产品为例说明其发展和研究状况。美国 CASE 公司挖沟机。美国的 CASE 公司成立于 1842 年，由发明家 Jerome Increase Case 建立。CASE 公司经过 100 多年完善，现已发展成为全世界处于领军地位的中、小型建筑工程机械设备制造商。图 1.4 耕地机美国传特公司的 65 型链式耕地机，如图 1.4 所示。耕地传动系统采用多级变速器，CAT 发动机，型号 65 型耕地链条驱动，重型机械驱动，高扭矩，低速度以达到最大切割齿、挖掘深度、增强生产力和延长切割齿寿命，具有牢固的组合式
12、耕地臂，独特的可更换的耐磨钢板系统和链轮，方便单双链条的应用，重型独立驱动履带，三段式履7带伴侧固定，可升降驾驶室，密封性好，舒适的空调设备。控制器、计量表、和感应器及驾驶室的升降应用最新技术，视野好，驾驶舒适安全 8。法国“马莱”公司是一家专门生产、租赁埋地电缆和管线铺设设备的公司。无论是城市道路、公路、铁路、山路、河岸等伴埋电缆或管道，都可以使用马莱的耕地、铺设联合作业机进行快速施工。其铺设速度 0.52km/h，可以实现正挖，侧挖，低噪音，无扬尘环保作业。它的耕地机宽度窄，最大限度减小对交通的阻碍破坏。它的真空吸尘式耕地机，可以边耕地边吸渣土和尘土，是城市环保型的先进作业机器。图1.5
13、为“马莱”公司生产的 SM550C 型链式耕地机 9。可见，国内耕地机的研究，现在多数还局限在犁铧、螺旋式耕地机方面，但是，这种设备不能切挖陡直窄深沟。中国农业机械化研究院耕作种植机械研究所了一种 1K（Kz）-30 型链式耕地机，不过未见其链式耕地机传动机理及仿生的研究。并且，这种耕地机链条和链轮齿的啮合与非土壤介质中的啮合传动方式没什么区别，仍然是传统的链条与链轮齿的啮合传动方式。未能掌握了土壤介质中链传动机理，未能表明考虑减少啮合阻力的结构框架，不能减少土壤介质的移动阻力，不能达到节能和环保的目的。国外耕地机的研究，从掌握的资料上可以看出，链式耕地机也只是传统的链条与链轮齿的啮合方式。并
14、且国外耕地机械的生产已向更加多样化发展，但国外机械更趋向于专机专用，耕地机械只用于耕地，当机械不耕地时，机械只能闲置，而根据我国的具体国情，该机械不仅可用于耕地，并且能恢复拖拉机功能，保证通用性较好。1.1.3 在海底耕地机的用途目前，我国正处于海上油气的起步阶段，用于海底管线铺设的水下开淘施工机械亟待开发。纵观国外已有众多族类的水下管线耕地施工机械设备，哪些机型技术水平先进成熟，经济性能合理，更适合我国近海油气开发的具体国情，今后我国海底开淘机械领域的研究开发方向如何确定等，都是值得深入研究和探讨的。海底管道耕地机械是伴随着海洋油气勘探和开发，从陆地向海洋挺进而出现的水下施工作业机械。由于世
15、界各地具体海域的条件各异，在众多族类的水下管线耕地埯工机械设备中，目前还没有一种能够在任何水深、管径、海底土质下都能经济地进行小型自动耕地机设计8 施工作业的万能型海底开淘机械。四十年代中期，墨西哥湾等地早期油气开发海域的水深一般较浅，故当时的耕地机械设备主要是为满足于 3050m 以浅的施工作业需要雨研制的。六十年代以后，欧洲北海油气资源的大规模开采得以实施，特别是七十年代中期一批较大水深的海底管道极需铺设，如 Fories 油田(126m)、Frigg 油田(153m)、Brent 油田(159m)和 Flags油田(158m)等，促使出现了用于 100m、150m，乃至 300m 水深的
16、水下耕地施工机械。到七十年代末期，为跨越北海的挪威海沟铺设海底油气管道，最大作业水深达 500m 的水下开掏机也随之诞生。目前，在海底耕地机族类中，土壤液化埋管设备的最大作业水深一般在 50m 以浅。水力冲射耕地机械则视所取排泥方式的不同可分别达到50m、75m、tobm、150m、180m 和 300m 等不同的量级雨使用较多的则是水深 100m 左右。海底管道耕地犁的设计作业水深一般在 150250m 左右，尽管 90 年代初开发的海底管道犁已可达到 1000m 水深(如 NOs 公司的 APP 犁)的作业能力但实际应用还是在200m 左右。海底电缆耕地犁的作业水深则通常在 1000m 左
17、右。水下机械耕地机是现有机型中设计作业水深最大的机种，一般为 350500m。如：KvaernerMyren 型(500m，1978 年)、 “热心海狸”型(350m，1979 年)、MUT 型(365m1980 年)和 DD 型(350m，1986 年)。以 Heerema 集团的“热心海狸”型为倒，1981 至 1986 年间，共在16 项工程中开挖各类口径管沟 288.2km，其中最大作业水深在 150m 的工程有 6 项，占工程总数的 37.5%10。1.2 链式耕地机的研究现状1999 年杨有刚等分析了链刀前置式耕地机的起步加速特性。根据力学原理，建立了耕地机起步加速瞬间的运动方程，
18、在获得其前后轮接地载荷的基础上，对耕地机的稳定性问题进行了讨论，为整机稳定性设计提供了理论依据（杨有刚等，1999。 ）2001 年天津工程机械研究院刘俊英对耕地机铲刀的耐磨合金堆焊工艺进行了探讨，针对普通钢轧制的铲刀耐磨性较差的缺点，提出采用表而强化的方法制造复合材质的铲刀。铲刀基体仍用热轧件，而在其磨损部位的表而堆焊耐磨材料，强化后的堆焊铲刀成本为未强化的 3-4 倍，但其使用寿命是用户自制的未强化铲刀寿命的一巧倍，同9时还可减少停机换刀的时间及人工费，经济效益明显（刘俊英，2001。 ）2001 年刘长荣等在现有耕地机的基础上进行改装，与 8.8kw 手扶拖拉机配套使用，设计出在狭小的葡
19、萄园中开出施肥沟的果园耕地机，耕地机由尾部操纵手柄通过四连杆机构来控制工作部件的升降，操作灵活方便。并对耕地机切土阻力及整机功耗进行了分部计算（刘长荣等，2001。 ）2004 年吉林大学王云超以美国凯斯公司生产的链式耕地机为研究对象忽略了刀片的影响，建立挖沟器的三维模型，运用有限元及 ADAMS 虚拟仿真软件等研究了耕地机的动臂装置一挖沟器的动态特性。得出挖沟器的各阶固有频率以及在不同频率冲击力作用下对应的挖沟器的位移和应力响应特性曲线（王云超，2004。 ）2004 年到 2005 年江创华等对履带式耕地机的关键部件传动轴进行了改进设计，该种传动轴及工作装置支承结构，避免了轴既要传递转矩，
20、又要支撑工作装置的重量，同时在计算臂架的强度时，考虑了机器转弯给臂架带来的附加应力。与传统工作装置直接支撑在传动轴上相比，传动轴的直径减小 1/2，重量减少 1/3，制造成本约减小1/2，是一种比较适合于大型轴类传动的结构形式（江创华和赵建辉，2005） 。2005 年刘迎春等设计了一种用于果园的链式施肥耕地机。根据动力学原理，导出了耕地机工作状态的运动方程，获得了耕地机前后轮所受外力的数学表达式对其可能的纵向滑移、前倾和横向倾翻条件进行了讨论，为耕地机的总体设计提供了理论依据（刘迎春和杨有刚，2005。 ）2006 年罗海峰在现有手扶拖拉机上设计一种耕地机，单边抛土距离达到 1.0m 以上，
21、土壤颗粒细碎，覆土厚度均匀，能满足油菜、小麦、蔬菜等农作物机械化种植。通过对旋耕机的工作原理进行理论分析，找出合理的旋耕抛土运动参数。对耕地刀在整个切、抛土过程中进行运动学动力学分析，找出耕地切、抛土的运动规律，为耕地机的设计提供理论依据（罗海峰，2006） 。2006 年房恩宏确定了能够满足耕地宽度为 80mm，深度达 2000mm 要求的链式耕地机的结构，分析了部件的受力情况以及推导了耕地机的整体功率消耗公式。此外，给出了计算链式耕地机的具体尺寸的步骤，结合装配图的绘制，进行了相应的部分结构和尺寸的合理化调整。在设计完链式耕地机的整机框架以后，针对链条在土壤中的受力情况，提出了具体的实验方
22、案，通过实验，验证了课题设计的合理性(房恩宏，2006)。小型自动耕地机设计10 2006 卢峰提出一种新型刀式矿土复合型链式耕地机的结构方案，并对此结构方案的链式耕地机的工作原理、总功率的确定等进行了理论研究。深入剖析了链传动过程中链刀切削土壤的切削机理，并建立了土壤颗粒由切下、输送到抛出的运动模型和所处不同状态时速度计算公式，而且针对土壤介质链传动过程中链条的受力情况、受力计算进行了详细的分析和推导(卢峰，2006)。1.3 本论文研究意义耕地机是工程机械的主要机种之一，广泛应用于农田水利建设、通讯电缆及石油管线的铺设、市政施工以及军事工程的建设。耕地机具有专用性强，设备投资少，可连续开掘
23、，工作效率高等特点，特别是对于窄而深的沟渠，耕地机的优势更加明显。耕地机尤其适应于土质较硬、施工场地狭小，人工无法开挖而挖掘机等土方机械无法作业的地方。同时耕地机的施工成本低于挖掘机等土方机机械的施工成本，甚至比人工施工还低而深受广大施工单位的欢迎。在国外，连续式耕地机己经使用的很普遍，地下公用设施施工都用专业耕地机，很少使用单斗挖掘机。在我国除极少数的单位引进国外的连续式耕地机外，国产耕地机投入使用的较少。随着生产建设全面启动，耕地施工工程的规模越来越大，如基础建设施工耕地、光缆、电缆、管道铺设等方面都面临着巨大的耕地工作量。特别是在农业工程领域，果树施肥、农田耕地、蔬菜园耕地，都是用工量很
24、大的作业，我国几乎都用人工完成。果园、农田等的地表不平整，有杂草、树枝及石块等，地下有树根，耕地条件比较恶劣，一般耕地机难以适应。因此研制适合我国土壤情况的耕地设备，对提高耕地的效率、减少人力和物力资源的浪费、提高劳动生产率有重要意义。据相关农艺要求，所研制的耕地机必须满足的技术指标为:纯小时生产效率不低于80m/h;开挖深度大于 30cm、宽度 30cm，沟宽和沟深可调:配套柴油机动力至马力:沟槽必须一次性开挖成型，沟形完整且基本达到人工开挖的效果。耕地机的耕地装置是其关键部件，而刀片是影响耕地质量、功耗和振动等的重要因素，因此有必要对耕地装置及刀片结构进行深入的研究分析。本文以耕地装置为研究对象，以功耗低、适应性强和可操作性好为目标，为研究一种适用于开挖窄儿深的
