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1JHG-180型秸秆粉碎还田旋耕机设计计算说明书二〇一〇年三月一、1JHG-180型秸秆粉碎还田旋耕机的开发设计的背景、必要性和1可行性1.1、项目开发背景本项目主要来源于市场需求和2008年度省农机三项工程项目指南。通过市场调查表明：随着农村经济和农业机械化的快速发展，农村的稻麦秸秆有效利用率急剧下降，使稻麦秸秆大量富积，所以每到稻麦收获季节，农田中“火海遍地，浓烟四起”大火烧焦了土地，引发了大量的火灾，造成了人身伤亡及田间作物等火灾事故。烟雾笼罩着稻麦产区的大地，烟雾熏得广大人民眼流泪、喉发痒、熏得车辆急减速，飞机难升降。事实证明，焚烧秸秆造成了资源浪费、烧坏了土地、污染了环境，严重影响了人民生活、交通安全等问题。近年我省对40马力以上大中型拖拉机实施购机补贴政策后，据统计，近年我市70马力以上大型拖拉机以每年1000台左右的速度递增，而与之配套的秸秆切碎还田机尚属空白，以致于形成了有动力而无配套机具的尴尬局面，这严重制约了秸秆机械化还田技术的发展，为此，开发研究稻麦秸秆切碎还田机械，变废为宝，促进农业可持续发展，已成为全社会关注和亟待解决的热点和难点问题。1.2、必要性1.2.1、本项目对农机技术创新和农机行业技术进步的意义与作用1.2.1.1、技术创新：我国从上世纪80年代开始研究开发秸秆还田机具及技术，90年代开始推广应用，到目前为止，稻麦秸秆还田机具主要有旱地反转灭茬和水田秸秆还田两类作业机具，两种稻麦秸秆还田作业机具都没有切草功能，旱地反转灭茬仅能对稻麦收获后的根茬进行还田，当根茬高于20cm以上时，灭茬还田效果差，而目前全喂入联合收获机为了提高作业效率，留茬高度都在30cm以上，所以，反转灭茬机2不适应稻麦秸秆和高留茬还田作业。另外，水田埋草机仅能在水田及耕层较深的田间进行作业，而目前我省的小麦、水稻种植大多数采用免耕或浅耕作业，由于受耕层浅等条件的限制，所以直接影响了水田埋草机埋草效果。因此，现有推广应用的两种机型不适应当前秸秆切碎还田的要求。本项目实施后，其创新之处是针对稻麦秸秆韧性高等特点，利用甩切、剪切原理，把整秸秆甩剪成碎断，并均匀的掩埋到耕层内，有利于秸秆腐烂变质，增加土壤有机质、促进农业可持续发展。1.2.1.2、技术进步：稻麦秸秆还田问题现已引起了各级领导和广大群众的观注，开发研究新型稻麦还田机势在必行，本项目实施后，将有力推进秸秆还田作业机具的发展，促进农机行业技术进步，提高秸秆还田机械化的技术水平。1.2.2、实施该项目对当地农业生产和农村经济发展的意义与作用随着农村经济的快速发展，我国农业生产方式和农民生活方式发生了很大的变化，稻麦秸秆的有效利用率急剧下降，大量的稻麦秸秆被焚烧，严重造成了资源浪费、环境污染、烧坏了土地、影响交通，不利于生态平衡。稻麦秸秆是一种生物资源，秸秆中含有氮、磷、钾、钙、镁、蛋白质、纤维素等矿物质养份和有机质，将稻麦秸秆直接切碎还田，能够全面补充土壤养份，增加土壤有机质，改善土壤结构，提高地力水平和农作物产量，一般每年还田稻麦秸秆500公斤/亩，可提高地力I个等级，对下季作物平均亩增产幅度3%—10%，具有显著的生态、社会和经济效益。1.3、可行性1.3.1、技术现状31.3.1.1、项目目前的研究水平本项目是在广泛调研现有同类机具的基础上，结合稻麦秸秆韧性强的实际情况，自行研究设计一种新型稻麦秸秆还田机，整体采取双轴结构，前轴切草，后轴旋耕土壤及覆盖秸秆。在对关键部件的设计中，我们攻关小组自行发明了一种新型稻麦秸秆纹齿甩刀，采取双螺旋线安装排列，作业时采取粉碎刀反转，动刀与定刀反复甩切、剪切的方式，这样有利于提高切草效果、降低功耗。因此，本项目的研究将把我国稻麦秸秆还田机提高到一个新水平上。1.3.1.2、项目技术的成熟度在本项目研究工作中，秸秆还田攻关小组已完成了对国内现有稻麦秸秆还田机的调研、资料搜集、参考样机的引进、总体设计方案的制定、关键部件的图纸设计、三轮可行性论证、已申报国家实用新型专利（专利申请号是：200820032637.9）等工作。1.3.1.3、国内外同类技术现状和发展趋势1.3.1.3.1国内外同类技术现状据调查国外发达国家推广应用的稻麦秸秆还田机以100马力以上拖拉机配套为主，而我国现有动力大多数为100马力以下拖拉机，与我国现有动力不配套，另外价格昂贵，不适应在我国推广使用。目前我国推广应用的稻麦秸秆还田机主要有反转灭茬和水田埋草两类机型，由于因受结构和性能的限制，这两类机型基本都无碎草功能，主要是把草埋入土中，作业中易出现负荷大、秸秆覆盖率低的现象。因此，秸秆还田机虽推广多年，保有量仍不多，使用甚少，不适应稻麦秸秆旱地切碎还田作业。1.3.1.3.2发展趋势4据调查我国今后将有30%的稻麦秸秆用于造纸、发电、草编等，约有70%的秸秆用于还田，而目前稻麦秸秆还田多数是以焚烧为主，随着社会的发展、各级领导的重视和农民对稻麦秸秆还田认识的提高，稻麦秸秆还田势在必行。据农业部门介绍稻麦秸秆还田以切碎后混合在耕层内为最佳，而目前我省乃至全国推广的稻麦秸秆还田机都以整草还田为主，虽可推广应用，但不是理想机型。所以，开发研究与大拖配套的大型双轴稻麦秸秆切碎还田旋耕机，是今后推广应用的发展趋势。1.3.1.４．市场需求分析我省稻麦种植面积约5650万亩，全国稻麦种植面积约9亿亩左右，如果有70%的面积使用稻麦秸秆切碎还田机，每台机器按承担1000亩计算，仅我省需稻麦秸秆切碎还田机4万台，全国需推广应用65万台，市场推广应用前景广阔。1.3.2研究内容及目标1.3.2.１．主要技术特点●复式作业技术：采用双轴结构，前轴为秸秆粉碎轴，后轴为旋耕轴，可一次完成秸秆粉碎和旋耕碎土及覆盖秸秆复式作业。●采用甩、剪切技术：根据稻麦秸秆韧性强、抗打击强的特点，本机采用刃口锋利、耐磨的新型纹齿甩刀相对纹齿定刀甩、剪切秸秆，在圆周高速运转过程中，将秸秆甩、剪切断。●采取双螺旋对称排列技术：纹齿甩刀按60°双螺旋对称排列，粉碎刀轴在高速运转中与安装在壳体上的两排纹齿定刀形成反复甩、剪切的功能，可使刀轴运转平稳，秸秆切碎均匀。●采用滑撬限深技术：在粉碎刀轴的前方增加左右两个滑撬，可限制粉碎刀轴的作业高度，避免入土而造成负荷加大等问题。51.3.2.２．创新点●稻麦秸秆纹齿粉碎刀：通过对纹齿甩刀的角度、结构、形式，材料及热处理硬度的研究，创新设计一种适合于切断稻麦秸秆、耐磨、抗冲击的新型纹齿甩刀。●切草刀的排列结构：通过对切草刀在刀轴上的安装位置研究，创设计了双螺旋、对称安装的切刀排列结构，实现运转平稳，动定刀反复甩、剪切的切草功能。●切草刀的线速度：通过对切草刀线速度的计算和对比试验、选择切草效果好，消耗功率小的最佳线速度。1.3.2.３．关键技术内容●双轴结构研究：该机的总体研究关键技术内容是与大中型拖拉机配套使用的新型双轴稻麦秸秆还田机，达到前轴切碎秸秆，后轴旋耕碎土覆盖秸秆复式作业的目的，实现稻麦秸秆切碎还田的目标。●新型稻麦秸秆切碎装置的研究：根据稻麦秸秆韧性强的特点，研究设计刃口锋利、耐磨及抗冲击的新型纹齿甩刀，研究设计纹齿甩刀的结构、形式及安装排列方式，使切碎装置在工作过程中，实现运转平稳，动定刀反复甩、剪切秸秆的工作方式，提高秸秆切碎率和切碎效率。●主要技术参数的研究：当切草刀的结构与安装方式确定以后，直接影响秸秆的关键技术为切草刀的直径与转速，通过对切草刀直径与转速的对比试验、选择切草效果好，消耗功率小的最佳直径与转速。●限深装置的研究：在粉碎刀轴的前方增加左右两个滑撬，限制粉碎刀轴的作业高度，避免粉碎刀轴入土而造成负荷的突然加大等问题。●产业化开发研究：该产品通过试验鉴定后，徐州市汉马农业机械有限公司将严格按照现代企业运行机制进行管理，主要承担关键部件的6生产。完成对机器的机架及刀辊焊合模具的设计与制造、纹齿甩刀的冲压模具的设计与制造，提高关键部件的加工质量和效率，降低生产成本，促进该产品规模产业化的发展。二、1JHG-180型秸秆粉碎还田旋耕机设计方案2.１、总体方案的确定根据我国现有秸秆还田机种类、结构、及我省大型拖拉机动力保有情况，经课题组多次研究协商确定，本项目拟在原双轴灭茬旋耕机的基础上研究开发集稻麦秸秆及高留茬切碎、还田、旋耕及整地于一体的新型与75马力以上拖拉机配套的秸秆还田复式作业机具，通过改进设计秸秆切碎结构及优化选择关键技术参数，达到前轴高速旋转切碎秸秆，后轴旋耕碎土覆盖秸秆的目的，实现稻麦秸秆还田的目标。机具的挂接方式采用成熟的三点挂接方式，前轴采用通轴侧传动方式，后轴采用原双轴旋耕机成熟的中间传动方式，整体框架结构在原双轴旋耕机框架结构的基础上改进而来，机具的后托板采用原双轴旋耕机的后托板，采用这样的结构方式可以较多的采用成熟技术、规避风险、降低成本。前轴的侧边传动形式采用齿轮传动，提高传动的可靠性，通过齿轮的多级升速，使前轴的转速达到2000r/min以上。后轴采用原来的传动形式，通过多级齿轮的降速，使后轴的转速达到280r/min左右。机具的作业幅宽根据75马力以上拖拉机的动力要求，拟定在1.8米。总体方案如下图：71JHG-180型秸秆粉碎还田旋耕机总体方案示意图１、万向节总成２、附箱总成３、中间传动箱４、旋挂装置５、侧边齿轮箱６、机罩总成７、机架侧板８、旋耕刀辊总成9、粉碎刀辊2.2、传动方案的确定根据已确定的总体方案及秸秆粉碎机、还田机的传动方式，确定传动方案如下：动力有拖拉机经由万向节1传动给I轴，I轴采用锥齿轮传动方式，动力经由锥齿轮Z1、Z2传动给2轴，这一级的传动为降速传动，2轴上安装一个直齿圆柱齿轮Z3，动力再经由直齿圆柱齿轮Z4、Z5传动给旋耕轴3，旋耕轴3采用中间传动方式。2轴上的动力经由万向节2传动给粉碎轴齿轮箱上的直齿圆柱齿轮Z6，动力由Z6传递给Z7、Z8，Z8再将动力传递给Z9、Z10，Z10再将动力传递给Z11，Z11再将动力传递给Z12、Z13，Z13再带动粉碎轴4高速旋转，以达到粉碎秸秆的目的。8传动方案示意图如下：图21JHG-180型秸秆粉碎还田旋耕机传动方案示意图2.3、主要技术参数的确定根据我省大型拖拉机动力保有情况，及该机采用前轴高速粉碎秸秆，后轴旋耕碎土的双轴作业方式，经课题组多次研究协商确定机具配套动力选择为75马力以上拖拉机，机具作业幅宽定在180cm。根据国家秸秆粉碎还田机行业标准JB/T6678-2001的规定，稻麦秸秆的粉碎合格长度不大于150mm，轮辙间秸秆粉碎长度合格率≥92％，轮辙中秸秆粉碎长度合格率≥85％，经课题研究决定将秸秆的粉碎长度定在≤100mm,平均粉碎合格率≥90％。根据国家旋耕机械标准GB-T5668.1-1995的规定，旋耕机在土壤绝对含水率为15％-25％的壤土、9轻粘土上耕作，旱耕耕深为8-18cm,耕深稳定性≥85％，耕后地表平整度≤5cm，植被覆盖率≥55％，碎土率≥50％，经课题研究决定沿用该标准，该标准中规定旋耕机的刀辊转速应150～350r/min，经课题研究决定旋耕机的刀辊转速在280r/min左右，旋耕刀选用225旋耕刀。根据我国现有的秸秆粉碎还田机刀辊转速值的大小，经课题研究决定将粉碎轴的转速定在2100r/min左右。该机的主要参数如下：①配套动力：75马力以上②作业幅宽：180cm③粉碎长度：≤100mm④粉碎合格率：≥90％⑤旋耕深度：8—18cm⑥生产率：4—7亩／小时⑦植被覆盖率：≥55%⑧碎土率≥50％⑨耕后地表平整度≤5cm⑩旋耕刀辊转速280r/min左右粉碎轴转速2100r/min左右三、主要工作部件设计计算3.1、1轴、2轴圆锥齿轮设计及校核3.1.1、1轴、2轴转速计算随着拖拉机动力的增大，齿轮传递的功率也随之增大，根据秸秆还田机生产厂家的意见，课题组决定将齿轮的模数定为m＝6，锥齿轮z1＝21，锥齿轮z2＝33，传递的功率为p1＝55.125kw。拖拉机输出的转10速有720r/min和1000r/min，我们选择720r/min设计，即1轴转速n1＝720r/min，则2轴转速n2＝