电动旋耕机的分析与设计
——机械系统设计课程论文
学 院:
专 业:
班 级:
姓 名:
学 号:
指导老师: 机械电气工程学院 机械设计制造及其自动化 2011级机制(3)班 刘振潮 201150940 倪向东
摘要:
电动旋耕机的设计方案。对旋耕机的国内外情况进行了分析和对比,重点进行了发动机的选择,变速器的设计,部分零件的设计,传动路线的设计以及对旋耕刀轴的设计等。
该机耕深15-20cm ,动力由发动机输出经皮带传动,传给变速箱进行减速,二级传动采用链传动。旋耕刀轴的设计采用三段式,中间为空心的圆管钢,两边采用实心轴,可制出轴肩来安装轴承和端盖。装有行走机构和限深铲,耕后地表平整,能够解决以往小型旋耕机功率小、结构复杂、操作麻烦、耕深浅等问题,适合大棚耕整地工艺的要求。
关键词:小型;电动;旋耕;
1研究的目的和意义
棚室生产是一种高投入、高产出的产业,而棚室的生产所需劳动力是从事大田生产的15~20 倍,是从事大地蔬菜生产的3 倍左右[1]。棚室管理机在棚室生产环节中有着举足轻重的作用,棚室管理机的研制和开发应向一机多功能的方向发展。即一机实现旋耕整地、开沟扶垄、播种、中耕除草、收割、配水泵(喷药、喷雾)及短途运输等项作业。特别是在旋耕整地环节上,一定要实现能够耕整棚室边角地带。
为解决温室大棚生产耕作困难、劳动强度大、效率低、成本高的问题,本文研制开发出一种电动旋耕机械。该机以交流电机为动力,具有动力强、耕作速度快、不排放有害气体、噪声低等优点,同时可起到,使用安全可靠,高效节能,无污染。该机是一种由电动机驱动的土壤耕作机具,其切土、碎土能力强,一次作业能达到犁耙的几次效果,耕后地表平整,松软能满足精耕细作要求,且能抢农时、节省劳力[2]。旋耕机将人工作业的松土、刨茬、捞茬、运茬等工序一次完成,可提高工效倍。据统计菜田如果实现机械化,一台机器顶16个劳动力,使用一台机器节约十六个劳动力,一年一个劳动力需要8000到15000元,每人按8000元算,将节约120000元。菜地机械化后一亩地全年由3茬变成4茬,如果一年增加一茬可增加1.2万元[3]。可见机械化可以解放劳动力同时提高农民收入,减轻劳动强度,提高作业质量。因此,高性能、低功耗、多功能适应我国国情的旋耕机具有广阔的发展前景。
2 旋耕机的现状
我国耕作机械现有产品的机型不多,应用不普遍,多为借用现有的露地用小型耕耘机械,其适应性差,生产效率低,而且作业质量不稳定。我国旋耕机存在的问题是规模小、成本高,“三化”水平低,使用水平低维修成本高,功能单一等问题。近几年针对温室、大棚等特殊耕作环境,国内研制生产了一些小型耕作机械,有的微耕机还设计有多种作业功能,考虑了兼顾露地作业,提高了机械的使用效率。但是由于产品大多存在以下问题,均未能很好的推广:①外形尺寸及结构质量大,操作不灵便。特别是从露地简单转移到大
棚内的机械,在棚室内转向和转移都十分困难,而且边角地带无法工作,漏耕严重:②生产率低,适应性较差,当土壤含水率较高(超过20%以上) 时,其碎土性能就会变差,耕作阻力变大:③作业性能、可靠性和耐久性等方面还存在一些问题。
国外旋耕机设施农业耕
作机械已非常成熟,作业性
能稳定,功能齐全,小巧轻
便。日本、意大利、荷兰、
以色列等国家的产品广泛用
于旋耕、犁耕、开沟、作畦、
起垄、中耕、培土、铺膜、
打孔、播种、灌溉和施肥等
作业项目。荷兰、以色列、
日本、美国等国家对温室用
作业机具进行了系统的开发、研究、推广和应用,许多作业项目如耕整地、播种、间苗、中耕和除草都已实现了机械化。但进口机型价格高,一般在7000元/台以上,而且配件
可以预见,若有价格更为低廉且能够耕整棚室边角的小型旋耕机问世,不但直接经济效益显著,而且还具有广泛的社会效益,其推广前景将是十分广阔的。
3
设计原理难,维修服务各个方面跟不上, 对我国国土70%的丘陵土地的情况十分不适用[4]。
动力由电动机输出,经皮带传动到变速箱,经变速箱减速后,再经过链传动到旋耕刀轴,这样可以减少中间的漏耕现象。这样可以在中间加一个阻力铲,增大旋耕机的
前进阻力,减少操作人员的体力消耗。中间的变速箱可以改为带轮减速,但是本机的设计
如果采用带轮的设计会使带轮的尺寸过大,使整机的尺寸过大。前面加一个支撑轮,便于非工作时行走,工作时可通过操作手柄拉动拉线,卸掉支撑轮以便于地头转弯。机架的另一侧有电动机的开关按钮,在需要零速度式可以关闭电动机。
4 弯刀主要参数的确定
①刀片最大切削半径Rmax : Rmax 的确定与设计耕深和传动箱结构有关, 耕深增大, 要求Rmax 增大, 切削扭矩也随之增大, 因此在满足耕深的要求及传动箱结构尺寸允许的情况下, Rmax 应尽量取小值[6]。Rmax 取为198cm 。
②刀片正切刃幅宽b( 工作幅宽) : b 的大小影响旋耕机的工作质量及功率消耗, 若b 增大, 旋耕刀滚的刀片数减少, 则相邻刀片间距增大, 有利于减少堵塞现象, 功率消耗不变, 但碎土质量差, 为了保证碎土质量,就要减小机器的行进速度, 故b 不宜过大。为了保证耕深及适宜的刃口长度, 刀片切削半径R 0 的大小可由下式确定: R 0=R 2max +S 2-2S 2R max ∙a -a 2 (3—
5)
式中: S——刀片最大进给量:
a ——最大设计耕深。
切土节距:在同一纵向平面内切土的旋耕刀, 在其相继切土的时间间隔内, 机组前进的距离称为切土节距。根据试验, 旱耕熟地(含水量20%~30% ) , S 取10~ 12 cm 左右; 耕轻、中粘度土壤(含水量大于35% ) , S 取6~ 9 cm; 粘重土壤、多草地, S 取4~ 6 cm [7]。
查《农业机械学》(北京农业工程大学主编),得刀片最大进给量 6000v m 6000⨯0. 5==6. 818cm (3—6) S=n ∙z 220⨯2
R 0=2+6. 8182-2⨯6. 818⨯2⨯1. 98⨯15-152=13. 267cm
根据《农业机械设计手册》和农艺要求,选择R198的旋耕刀。
5 弯刀的选择、配置与排列
旋耕机刀片是旋耕机的主要工作部件, 刀片的形状及参数对旋耕机的工作质量、功率消耗有很大影响,为了适应不同的技术要求及土壤状况的要求, 目前常用的刀片有弯形刀片、直角刀片和凿形刀片三种形式[8]。①弯形刀片( 铊形刀) : 弯形刀的刃口呈弧形, 由正面刃口和侧面刃口两部分组成, 正面刃口较宽, 正面和侧面刃口均有切削作用。工作时, 靠近回转轴的侧切刃先与土壤接触进行切削, 最后由正切刃切削。这种切削过程可把未被侧刃切断的土块、草茎压向未耕地, 以坚硬的未耕地为支撑由正面刃进行切割, 这样草茎易被切断。对不能切断的草茎其曲线刃口可将其推向切削刃的端部而脱落。这种刀片不易缠草, 对土壤的适应性好。
②凿形刀片: 凿形刀片的正面刃口为较窄的凿形刃口, 呈平头或尖头, 工作时对土壤进行正面切削。因正面刃口较窄, 两相邻刀片的轴向间距大于刃口宽度, 切土块的两侧因撕裂而与土壤分离。凿形刀片入土性能好, 消耗功率较小,但耕作时易缠草, 适用于较疏松的土壤。
③直角刀片: 直角刀片的刃口平直, 其由侧切刃和正切刃组成, 弯曲部分近于直角。工作时, 刀片正面刃口先接触土壤, 然后侧面刃进行切削并逐渐接近刀片根部, 因此易产生缠草现象。这种刀片刚性好、碎土能力强, 适于旱地耕作。
通过比较, 选用弯形刀片, 其较适合小型旋耕机的作环境。
为使旋耕机作业时不产生漏耕和堵塞现象, 并使刀轴受力均匀[9]。刀片在刀轴上的排列原则如下:
①刀轴上的刀片应按一定顺序入土, 每转过360°/z有一把刀片入土, 使扭矩较为均衡, 工作平稳。
②在同一回转平面内, 若装两把以上刀片, 应保证进给量相等, 以保证碎土质量良好, 耕后沟底平整。
③尽可能增大相继入土刀片在刀轴上的轴向距离,以免发生堵塞。
④相邻刀片的角度差应尽量大些, 以防夹土及堵塞。
⑤采用非对称刀片时, 右弯刀片应尽量交错入土,以减少刀滚上的轴向力。
⑥刀片排列应尽量规则, 一般采用螺旋线排列。如图3-2所示。
图3-2 旋耕刀片螺旋排列
动效率高,轴上径向压力较小,结构较为紧凑。二级传动采用变速箱i 2=2.97。侧边
传动采用链传动,可以没有传动比,起到传动功能。
图4—2 输送链条结构图
6 工作过程
旋耕机是一种由动力驱动的耕地机械,由
拖拉机动力输出轴带动装有刀片的滚辘旋转
进行工作。旱地作业时,拖拉机动力输出轴带
动旋耕刀转动,对土壤进行切削,被切削出来
的土块相互撞击而碎裂。土块碎裂后,覆盖均
匀平整,地面不会出现犁沟。纵向结构尺寸及
入土行程均较短,地头相应缩小,因而生产率
较高。碎土性能强,作业后地面平整。 能充
分发挥拖拉机的功率。
耕地作业时,拖拉机驱动轮可能会打滑,致使牵引力减少。旋耕机刀轴转动时,刀片的切削方向与拖拉机的前进方向相反,土壤对刀片的切削反作用力与拖拉机前进方向一致,所以,拖拉机与旋耕机配套作业时因旋耕机的旋转,本身就会产生一个推动机器前进的力量,这就能充分发挥拖拉机的功率。
参考文献
[1] 濮良贵,纪名刚主编. 机械设计. 第七版. 高等教育出版社. 西安:2001.60-374
[2] 席伟光,杨光,李波主编. 机械设计课程设计. 高等教育出版社. 北京.2003.5.2:180-250
[3] 罗国平, 李平林, 张力乃, 黄少颜等. 机械设计课程设计指导书. 第二版. 西安:2004. 7-10
[4] 李宝筏主编. 农业机械学. 中国农业出版社. 北京
:2003.2.29-32
[5] 哈尔滨工业大学理论力学教研室编. 理论力学. 第六版. 高等教育出版社. 北京:170~188
[6] 北京农业工程大学主编. 农业机械学. 上册. 第二版. 北京:177-180
[7] 日本农业机械学会编. 农业机械设计手册. 机械工业出版社出版. 北京:506-510
[8] 中国农业机械化科学研究院编. 农业机械设计手册. 机械工业出版社. 北京:173-184
[9] 大连理工大学工程画教研室编. 机械制图. 第五版. 高等教育出版社. 北京:2002. 233-329
[10] 刘鸿文. 材料力学. 第四版. 高等教育出版社. 北京:2004.12.6-127
电动旋耕机的分析与设计
——机械系统设计课程论文
学 院:
专 业:
班 级:
姓 名:
学 号:
指导老师: 机械电气工程学院 机械设计制造及其自动化 2011级机制(3)班 刘振潮 201150940 倪向东
摘要:
电动旋耕机的设计方案。对旋耕机的国内外情况进行了分析和对比,重点进行了发动机的选择,变速器的设计,部分零件的设计,传动路线的设计以及对旋耕刀轴的设计等。
该机耕深15-20cm ,动力由发动机输出经皮带传动,传给变速箱进行减速,二级传动采用链传动。旋耕刀轴的设计采用三段式,中间为空心的圆管钢,两边采用实心轴,可制出轴肩来安装轴承和端盖。装有行走机构和限深铲,耕后地表平整,能够解决以往小型旋耕机功率小、结构复杂、操作麻烦、耕深浅等问题,适合大棚耕整地工艺的要求。
关键词:小型;电动;旋耕;
1研究的目的和意义
棚室生产是一种高投入、高产出的产业,而棚室的生产所需劳动力是从事大田生产的15~20 倍,是从事大地蔬菜生产的3 倍左右[1]。棚室管理机在棚室生产环节中有着举足轻重的作用,棚室管理机的研制和开发应向一机多功能的方向发展。即一机实现旋耕整地、开沟扶垄、播种、中耕除草、收割、配水泵(喷药、喷雾)及短途运输等项作业。特别是在旋耕整地环节上,一定要实现能够耕整棚室边角地带。
为解决温室大棚生产耕作困难、劳动强度大、效率低、成本高的问题,本文研制开发出一种电动旋耕机械。该机以交流电机为动力,具有动力强、耕作速度快、不排放有害气体、噪声低等优点,同时可起到,使用安全可靠,高效节能,无污染。该机是一种由电动机驱动的土壤耕作机具,其切土、碎土能力强,一次作业能达到犁耙的几次效果,耕后地表平整,松软能满足精耕细作要求,且能抢农时、节省劳力[2]。旋耕机将人工作业的松土、刨茬、捞茬、运茬等工序一次完成,可提高工效倍。据统计菜田如果实现机械化,一台机器顶16个劳动力,使用一台机器节约十六个劳动力,一年一个劳动力需要8000到15000元,每人按8000元算,将节约120000元。菜地机械化后一亩地全年由3茬变成4茬,如果一年增加一茬可增加1.2万元[3]。可见机械化可以解放劳动力同时提高农民收入,减轻劳动强度,提高作业质量。因此,高性能、低功耗、多功能适应我国国情的旋耕机具有广阔的发展前景。
2 旋耕机的现状
我国耕作机械现有产品的机型不多,应用不普遍,多为借用现有的露地用小型耕耘机械,其适应性差,生产效率低,而且作业质量不稳定。我国旋耕机存在的问题是规模小、成本高,“三化”水平低,使用水平低维修成本高,功能单一等问题。近几年针对温室、大棚等特殊耕作环境,国内研制生产了一些小型耕作机械,有的微耕机还设计有多种作业功能,考虑了兼顾露地作业,提高了机械的使用效率。但是由于产品大多存在以下问题,均未能很好的推广:①外形尺寸及结构质量大,操作不灵便。特别是从露地简单转移到大
棚内的机械,在棚室内转向和转移都十分困难,而且边角地带无法工作,漏耕严重:②生产率低,适应性较差,当土壤含水率较高(超过20%以上) 时,其碎土性能就会变差,耕作阻力变大:③作业性能、可靠性和耐久性等方面还存在一些问题。
国外旋耕机设施农业耕
作机械已非常成熟,作业性
能稳定,功能齐全,小巧轻
便。日本、意大利、荷兰、
以色列等国家的产品广泛用
于旋耕、犁耕、开沟、作畦、
起垄、中耕、培土、铺膜、
打孔、播种、灌溉和施肥等
作业项目。荷兰、以色列、
日本、美国等国家对温室用
作业机具进行了系统的开发、研究、推广和应用,许多作业项目如耕整地、播种、间苗、中耕和除草都已实现了机械化。但进口机型价格高,一般在7000元/台以上,而且配件
可以预见,若有价格更为低廉且能够耕整棚室边角的小型旋耕机问世,不但直接经济效益显著,而且还具有广泛的社会效益,其推广前景将是十分广阔的。
3
设计原理难,维修服务各个方面跟不上, 对我国国土70%的丘陵土地的情况十分不适用[4]。
动力由电动机输出,经皮带传动到变速箱,经变速箱减速后,再经过链传动到旋耕刀轴,这样可以减少中间的漏耕现象。这样可以在中间加一个阻力铲,增大旋耕机的
前进阻力,减少操作人员的体力消耗。中间的变速箱可以改为带轮减速,但是本机的设计
如果采用带轮的设计会使带轮的尺寸过大,使整机的尺寸过大。前面加一个支撑轮,便于非工作时行走,工作时可通过操作手柄拉动拉线,卸掉支撑轮以便于地头转弯。机架的另一侧有电动机的开关按钮,在需要零速度式可以关闭电动机。
4 弯刀主要参数的确定
①刀片最大切削半径Rmax : Rmax 的确定与设计耕深和传动箱结构有关, 耕深增大, 要求Rmax 增大, 切削扭矩也随之增大, 因此在满足耕深的要求及传动箱结构尺寸允许的情况下, Rmax 应尽量取小值[6]。Rmax 取为198cm 。
②刀片正切刃幅宽b( 工作幅宽) : b 的大小影响旋耕机的工作质量及功率消耗, 若b 增大, 旋耕刀滚的刀片数减少, 则相邻刀片间距增大, 有利于减少堵塞现象, 功率消耗不变, 但碎土质量差, 为了保证碎土质量,就要减小机器的行进速度, 故b 不宜过大。为了保证耕深及适宜的刃口长度, 刀片切削半径R 0 的大小可由下式确定: R 0=R 2max +S 2-2S 2R max ∙a -a 2 (3—
5)
式中: S——刀片最大进给量:
a ——最大设计耕深。
切土节距:在同一纵向平面内切土的旋耕刀, 在其相继切土的时间间隔内, 机组前进的距离称为切土节距。根据试验, 旱耕熟地(含水量20%~30% ) , S 取10~ 12 cm 左右; 耕轻、中粘度土壤(含水量大于35% ) , S 取6~ 9 cm; 粘重土壤、多草地, S 取4~ 6 cm [7]。
查《农业机械学》(北京农业工程大学主编),得刀片最大进给量 6000v m 6000⨯0. 5==6. 818cm (3—6) S=n ∙z 220⨯2
R 0=2+6. 8182-2⨯6. 818⨯2⨯1. 98⨯15-152=13. 267cm
根据《农业机械设计手册》和农艺要求,选择R198的旋耕刀。
5 弯刀的选择、配置与排列
旋耕机刀片是旋耕机的主要工作部件, 刀片的形状及参数对旋耕机的工作质量、功率消耗有很大影响,为了适应不同的技术要求及土壤状况的要求, 目前常用的刀片有弯形刀片、直角刀片和凿形刀片三种形式[8]。①弯形刀片( 铊形刀) : 弯形刀的刃口呈弧形, 由正面刃口和侧面刃口两部分组成, 正面刃口较宽, 正面和侧面刃口均有切削作用。工作时, 靠近回转轴的侧切刃先与土壤接触进行切削, 最后由正切刃切削。这种切削过程可把未被侧刃切断的土块、草茎压向未耕地, 以坚硬的未耕地为支撑由正面刃进行切割, 这样草茎易被切断。对不能切断的草茎其曲线刃口可将其推向切削刃的端部而脱落。这种刀片不易缠草, 对土壤的适应性好。
②凿形刀片: 凿形刀片的正面刃口为较窄的凿形刃口, 呈平头或尖头, 工作时对土壤进行正面切削。因正面刃口较窄, 两相邻刀片的轴向间距大于刃口宽度, 切土块的两侧因撕裂而与土壤分离。凿形刀片入土性能好, 消耗功率较小,但耕作时易缠草, 适用于较疏松的土壤。
③直角刀片: 直角刀片的刃口平直, 其由侧切刃和正切刃组成, 弯曲部分近于直角。工作时, 刀片正面刃口先接触土壤, 然后侧面刃进行切削并逐渐接近刀片根部, 因此易产生缠草现象。这种刀片刚性好、碎土能力强, 适于旱地耕作。
通过比较, 选用弯形刀片, 其较适合小型旋耕机的作环境。
为使旋耕机作业时不产生漏耕和堵塞现象, 并使刀轴受力均匀[9]。刀片在刀轴上的排列原则如下:
①刀轴上的刀片应按一定顺序入土, 每转过360°/z有一把刀片入土, 使扭矩较为均衡, 工作平稳。
②在同一回转平面内, 若装两把以上刀片, 应保证进给量相等, 以保证碎土质量良好, 耕后沟底平整。
③尽可能增大相继入土刀片在刀轴上的轴向距离,以免发生堵塞。
④相邻刀片的角度差应尽量大些, 以防夹土及堵塞。
⑤采用非对称刀片时, 右弯刀片应尽量交错入土,以减少刀滚上的轴向力。
⑥刀片排列应尽量规则, 一般采用螺旋线排列。如图3-2所示。
图3-2 旋耕刀片螺旋排列
动效率高,轴上径向压力较小,结构较为紧凑。二级传动采用变速箱i 2=2.97。侧边
传动采用链传动,可以没有传动比,起到传动功能。
图4—2 输送链条结构图
6 工作过程
旋耕机是一种由动力驱动的耕地机械,由
拖拉机动力输出轴带动装有刀片的滚辘旋转
进行工作。旱地作业时,拖拉机动力输出轴带
动旋耕刀转动,对土壤进行切削,被切削出来
的土块相互撞击而碎裂。土块碎裂后,覆盖均
匀平整,地面不会出现犁沟。纵向结构尺寸及
入土行程均较短,地头相应缩小,因而生产率
较高。碎土性能强,作业后地面平整。 能充
分发挥拖拉机的功率。
耕地作业时,拖拉机驱动轮可能会打滑,致使牵引力减少。旋耕机刀轴转动时,刀片的切削方向与拖拉机的前进方向相反,土壤对刀片的切削反作用力与拖拉机前进方向一致,所以,拖拉机与旋耕机配套作业时因旋耕机的旋转,本身就会产生一个推动机器前进的力量,这就能充分发挥拖拉机的功率。
参考文献
[1] 濮良贵,纪名刚主编. 机械设计. 第七版. 高等教育出版社. 西安:2001.60-374
[2] 席伟光,杨光,李波主编. 机械设计课程设计. 高等教育出版社. 北京.2003.5.2:180-250
[3] 罗国平, 李平林, 张力乃, 黄少颜等. 机械设计课程设计指导书. 第二版. 西安:2004. 7-10
[4] 李宝筏主编. 农业机械学. 中国农业出版社. 北京
:2003.2.29-32
[5] 哈尔滨工业大学理论力学教研室编. 理论力学. 第六版. 高等教育出版社. 北京:170~188
[6] 北京农业工程大学主编. 农业机械学. 上册. 第二版. 北京:177-180
[7] 日本农业机械学会编. 农业机械设计手册. 机械工业出版社出版. 北京:506-510
[8] 中国农业机械化科学研究院编. 农业机械设计手册. 机械工业出版社. 北京:173-184
[9] 大连理工大学工程画教研室编. 机械制图. 第五版. 高等教育出版社. 北京:2002. 233-329
[10] 刘鸿文. 材料力学. 第四版. 高等教育出版社. 北京:2004.12.6-127