深松旋耕机设计

1侧边传动式深松旋耕机的设计学生：吴凯龙指导老师：吴彬(湖南农业大学工学院，长沙410128)摘要：根据农业生产的需要，能使旋耕机达到深耕，则采用将深松和旋耕作业结合起来，即先深松而后再旋耕，本设计在旋耕机前方附加横方梁，在横方梁上安装深松铲，并使铲深浅可调，以达到增加耕深的目的，通过合理选择参数和旋耕机的设计，使作业过程中可以一次完成深松和旋耕作业，达到深层土壤疏松、表层土壤平整，满足直接播种要求。关键词：旋耕机；深松；深松铲DesignofSub-soilingandRotaryTillingMachineStudent:WuKailongTutor:WuBin(CollegeofEngineering,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China)Abstract:Accordingtotheneedsofagriculturalproduction,forthepurposeoftheRotarytillingmachinecanachievethesoiltilling.ItcombinestheSub-soilingandRotarytilling.thatis,firstSub-soilingandthenRotarytilling.ThespecificplanisaddedamechanisminthefrontoftheexistingRotarytillingmachine.IthavetheSubsoilerinstalledinthemechanism.Itmakesthesubsoileradjustthedepthforthepurposeofincreasingthedepthofcultivate.Byselectingtheproperparametersanddesigningtherotarytillingmachineproperly,itcanbeproceedinsub-soilingandrotarytillingcompletely.Itcanreachthedemandsthatthedeepsoilisloosen,thesurfacesoilisflat.Itcanmeetthedemandoftheseedingdirectly.Keywords:Rotarytillingmachine;Sub-soiling;Subsoiler1前言我国属于干旱缺水国家，许多地区水资源匮乏，严重影响农作物产量的提高，需要先进的耕作技术对其进行改良。为实施保护性耕作，减少对土壤的频繁翻耕，从而2达到蓄水保墒、改善作物生长环境的目的，少耕、免耕作业法和深松技术成为近年来大力推广的耕作措施。该耕作方法作业时不进行传统翻耕，在深层进行土壤疏松，局部切断土壤供水系统，减少土壤水分的散失。如今我国旋耕机得到了广泛的使用，从现在的使用情况情况来看，主要存在以下一些问题：⑴在动力方面，与之配套的拖拉机前进速度快（很少有低于2km∕h）,发动机功率偏小，轮距偏大。⑵旋耕刀片易弯曲，易断裂。⑶悬挂旋耕机的悬挂装置及使用万向节都存在一定的问题。⑷最主要的问题是耕作的深度浅，满足不了当今农艺深耕、深松的要求。本次设计主要是达到增加耕深的目的，通过合理选择参数和深松旋耕机的设计，使作业过程中可以一次完成深松和旋耕作业，达到深层土壤疏松、表层土壤平整，满足直接播种要求。深松旋耕机在我国处于起步阶段，一般水平横轴式旋耕机的耕深不超过20cm。加大旋耕深度的主要难点是引起作业负荷和功率消耗急剧增大,机械强度刚性不足和机组功率不平衡。大功率拖拉机具有双速独立动力输出轴,可以全功率输出,这也为配套深松旋耕机提供了先决条件。2总体设计2.1深松旋耕机方案确定根据任务书的设计要求，为使旋耕机达到深耕的目的，则采用将深松作业和旋耕作业结合起来，先深松后再旋耕，即可一次完成深松旋耕作业，具体方案为：在现有的旋耕机前方附加横方梁，在横方梁上安装深松铲，并使铲深浅可调，深松铲由铲头和铲柱两部分组成。所设计的深松旋耕机主要由深松铲、机架、传动装置、旋耕刀辊、挡土罩及平土拖板组成。31．刀轴；2．刀座；3．弯刀；4．侧边齿轮传动箱；5．机架；6．深松铲；7．中间齿轮传动箱图1深松旋耕机的组成简图FiglLoosethecompositionsketchoftherotarytillagemachinedeeply2.2深松旋耕机工作原理深松旋耕机工作时，深松铲在拖拉机的牵引下前进，深松铲将土层松动，达到深耕的要求。同时拖拉机输出的动力经传动装置驱动刀辊旋转，旋耕刀在前进和旋转过程中不断切削被深松铲松动的土壤，并将切下的土块向后抛掷与挡土罩相撞击，使土块进一步碰碎后落到地面，并利用平土拖板将地面刮平达到碎土充分，地面平整[1]。2.3旋耕部分切削方式的选择由于旋耕机刀辊的旋向，及轴与地表面的相对位置不同，可分成正转和反转两种基本形式。4拖拉机行驶速度图2旋耕的切削方式Fig2Cuttingwayoftherotarytillage在以上图示两种形式中，a是现在一般形式正转旋耕，b为反转旋耕两者在工作时的切削速度、刀轴切土扭矩等都表现不同，但反转旋耕机存在的最大问题是作业时刀片切下的土块容易随刀滚抛向前方，易造成堵塞，不利于旋耕平土[1]。故选前者更合适。2.4拖拉机的选择由于所设计的深松旋耕机在旋耕同时进行深松作业，比起一般形式的旋耕机来能量消耗肯定不少，因此在选择动力时，尽量选择功率适中、轮距小、行驶速度低的轮式拖拉机。根据现有拖拉机型号使用性能等情况及任务书的要求。现初选快发-750的轮式拖拉机。参数如下表1：表1快发-750轮式拖拉机技术规格Table1KUAIFA-750wheeledtractorsoftechnicalspecifications参数型式外型尺寸（mm）标定功率（kw）最大扭矩（N*m）速度范围（Km/h）额定牵引力（N）数值2轮驱动3824×1615×228055≥98.40.51～32.514000参数轴距（mm）最小离地间隙（mm）后轮轮距（mm）结构质量（kg）动力输出轴转速（r/min）数值1880.543013002180540/730或540/100052.5刀辊直径D和转速n确定刀辊直径D和转速n是旋耕机很重要的参数，它们对深松旋耕机的工作性能及土壤切削和抛掷过程，能量的消耗都是非常重要的影响因素。在切削过程中，能量的消耗与刀片接触轨迹的长度成比例关系，于是找出了正转时R/H（H，旋耕深度）的理想值为1.03～1.14。另外，在土壤—刀片接触轨迹的长度和被耕土壤的体积的基础上，从理论上确定R/H=1.25，这是理想值[1]。对于刀辊的速度，当刀辊直径为49cm，转速大于120r/min，抛掷良好，不会发生严重的重切，但转速过高，会使抛掷消耗过多的能量，确定n=190r/min。图3旋耕刀的运动Fig3Sportsoftherotarytillageonehundredsheets沿旋耕机前进方向纵垂面内相邻两把旋耕刀切下的土块厚度，即在同一纵垂面内相邻两把刀相继切土的时间间隔内旋耕机前进的距离[2]。Sz=mVt=mV60/Zn或Sz=mV2π/zω（1）式中t——刀轴每转一个刀片所需时间，sZ——同一旋转平面内的刀片数n——刀轴转数，r/min由公式（1）可见，增加Z或n，Sz变小，切土细碎，但随着转数的提高，功率消耗亦显著增加。若增加Z或n，刀片间距变小，易产生堵塞现象,故一般为10～12mm。综上所述，旋耕部分设计时以上各参数相互影响。根据设计任务要求及拖拉机规格，eP=29.4Kw，mV=0.29～36.5Km/h。取V=Rω=3.8m/s，由Sz=12.3cm，H=15cm，n=190r/min，则λ=Rω/mV=5.75，ω=2πn/60=19.9rad/s，R=V/ω=190mm，D=380mm。若同一旋转平面内的刀片数Z=2，Sz=6.15cm。62.6功率耗用深松旋耕机的功率消耗主要包括旋耕刀切削土壤消耗的功率、拉动深松铲前进消耗的功率、抛掷土垡消耗的功率、推动旋耕机前进消耗的功率、传动部分消耗的功率以及克服土壤沿水平方向作用于刀辊上的反力所消耗的功率[1],可用公式（2）表示为:N=qN+sN+pN+tN+fN±nN（2）式中N—深松旋耕机总的功率消耗qN—切土功耗sN—深松的功耗pN—抛土功耗tN—旋耕部分前进功耗fN—传动及摩擦功耗nN—克服土壤水平反力的功耗在深松旋耕机总的功率消耗中,以前三项功率消耗为主,约占总功耗的70％～80％以上。公式中最后一项Nn是克服土壤沿水平方向作用于刀辊上的反力所消耗的功率.正转旋耕机此功率有推动旋耕机前进的作用,可全部或部分取代旋耕机前进所消耗的功率Nt,故取负号。在实际中,常用旋耕比能耗来表示不同旋耕机功率消耗大小.根据设计的深耕旋耕机作业的耕宽B=130cm,耕深H=15cm,前进的速度mV=0.661m/s,旋耕土壤比阻rK，取值范围1.4～1.6，它与耕深有关，耕深大取大值。假定旋耕机组在比较平坦的田地里进行匀速直线作业，旋耕机工作时所需的功率可用公式（3）估算。1N=100／75BhmVKr=l.33BhmVKr（3）=1.331.300.150.661142100=25.7Kw由1N=25.7Kw，旋耕机工作装置工作效率1取0．88，所需的功ep=1N/1=29.4kW。由参考文献[6]可见，深松铲在黑壤土30cm松土深度时，牵引阻力在444～876kg之间，根据实际情况，取深松铲的牵引阻力为450kg，深松旋耕机配套的是三个深松铲，则深松部分所需功率为：kwN02.20661.08.945032故所选动力满足深松旋耕机的功率耗损。2.7耕幅的确定结合本次设计要求及动力情况，确定深松旋耕机的深松深度H′=30cm,旋耕深度7H=15cm，耕幅有单位面积所消耗的功率参数和单位面积所牵引力以及单位耕宽所需扭矩进行计算。各功耗系数取为：单位工作面积所牵引力Tk=1.98N/2cm,单位耕宽所需扭矩xk=6.92N.m/cm。根据单位面积所需牵引力及单位耕宽所需扭矩计算总牵引力F=TkBH′（4）总扭矩xM=xkB（5）总功率消耗为二者之和1000ePT=Fv+xMω（6）工作幅宽为B=xTTeKvHKP1000（7）旋耕刀辊转速n=190r/min，角速度ω=19.9rad/s，拖拉机平均行驶速度为：v=0.661m/s.计算出B=133cm。综合各因素，取耕宽为130cm。2.8深松旋耕机的配置深松旋耕机的耕幅配置有正配置和偏配置两种，在旋耕机的耕幅超过拖拉机外缘宽度时，通常采用正配置，反之则采用偏配置，本次设计的深松旋耕机耕宽为130cm，而所选拖拉机宽有161.5cm，为了避免拖拉机的轮胎走在已耕地上，因此只有选用右偏置悬挂配置。根据经验，为了消除轮辙并达到耕后地表平整，耕幅偏出轮胎外缘的距离C，一般取50～100mm，这样就确定了旋耕机的偏置程度[2]。如下图所示。左轮右轮深松旋耕机图4深松旋耕机的配置关系Fig4Loosethedispositionoftherotarytillagemachinedeeply83传动方案的确定3.1传动路线深松旋耕机与拖拉机有悬挂式和直接式两种形式，悬挂式多用于大中型拖拉机，而直接式用于小型及手扶拖拉机。根据设计的实际情况，采用悬挂式连接。拖拉机动力输出轴通过双万向节把动力传给齿轮箱，为了适应旋耕机升降及深浅调节需要，万向节的传动轴采用能在方套管内自由伸缩的方轴。传动装置包括齿轮箱、侧边传动箱或中间传动箱，拖拉机的动力传至齿轮箱后，再经侧边传动箱或中间传动箱驱动动力轴，传动方式有侧边链轮传动、侧边齿轮传动和中间传动三种形式。虽然侧边链轮传动零件数目少，并且重量轻、结构简单、加工精度要求低，但是链条易磨损，使用寿命短，这是不可取的。据本次设计的需要，将采用侧边齿轮传动，它可