蔬菜大棚旋耕机 - 图文

青岛农业大学

本科生毕业论文（设计）

题 目：姓 名：学 院：专 业：班 级：学 号：指导教师：完成时间： 小型旋耕机的总体设计 刘尚尚 高职学院 机械设计制造及自动化 2006级1班 0618010109 王新 2010年5月14日

2010 年5月 14 日

小型旋耕机的总体设计

摘 要

本文在广泛搜集资料的基础上，对国内外旋耕机的研究现状进行分析和对比，论证了重要机械小型旋耕机的设计方案，重点进行了发动机的选择，变速器的设计，部分零件的设计以及对旋耕刀轴的设计等。

该机设计耕深可达到20cm，由发动机输出动力经变速箱传递给刀辊，变速箱有三个挡位可供选择，刀辊驱动装置下方安装有v型犁铲。其主要特点：尺寸小、操作便捷、功率大、耕深易调节等。同时，本机可以实现一机多用的功能，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。

关键词：旋耕机；耕深；功率

I

Mini-Cultivator Used for Vegetable Greenhouse

Abstract

The mini-cultivator used for the vegetable greenhouse is put forward higher requirement with developing quickly of the planting industry of vegetable greenhouse in China. In this paper, the cultivator, one of the important small agricultural machines, is designed based on comparing and researching the developing situation of cultivator at home and abroad. The design includes the choice of motor, the choice of transmission, the design of some parts and the design of the cultivator knife-axis etc.

The plowing depth of the cultivator can be controlled to 20 cm, and the outgoing power is from engineering to the gearbox, after that be transferred to the knife roll, and there are 3 gear switches on the cultivator. Its main characteristics are small size, easy operation, enough power, controllable depth and can success the multi-function. The cultivator designed in the paper can overcome the problems of small-power , complex structure, trouble operation, low plowing depth etc. Key words: vegetable greenhouse; cultivator; plowing depth; power

Ⅱ

目 录

摘 要 ..................................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................................... II 第一章 绪 论 ...................................................................................................................... 1

1.1该课题研究的目的和意义 ........................................................................................... 1 1.2 国内外棚室旋耕机的现状 .......................................................................................... 2

1.2.1 国外温室耕耘机械的发展现状 ........................................................................ 2 1.2.2 国内温室耕耘机械的发展现状 ........................................................................ 2 1.3 国内外温室耕耘机械存在的问题 .............................................................................. 3 第二章 总体方案设计 ............................................................................................................ 4

2.1 拟定研究方案 .............................................................................................................. 4 2.2提出确定研究方案 ....................................................................................................... 4 3.1 切削速度的确定 .......................................................................................................... 7 3.2 旋耕工作部件的受力分析及计算 .............................................................................. 9 3.3 机组所需功率的计算 ................................................................................................ 10 第四章 传动机构的设计 ...................................................................................................... 11

4.1 发动机的确定 ............................................................................................................ 11 4.2. 皮带轮及皮带的选择 ............................................................................................... 11 4.3 变速箱的设计 ............................................................................................................ 12 第五章 主要零部件的设计 .................................................................................................. 14

5.1 齿轮轴的设计与计算 ................................................................................................ 14 5.2 从动轴轴的设计与计算 ............................................................................................ 16 5.3 链轮的设计及链的选定 ............................................................................................ 17 5.4 旋耕刀的设计 ................................................................................................................... 18 第六章 结论与建议 .............................................................................................................. 23

6.1 总结 ............................................................................................................................ 23 6.2建议 ............................................................................................................................. 23 参考文献 .................................................................................................................................. 24 致 谢 ...................................................................................................................................... 26

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第一章 绪 论

1.1该课题研究的目的和意义

蔬菜是人们日常生活不可缺少的主要食物，而且随着我国城镇人口的不断增加及人民生活水平的日益提高，人们对蔬菜的要求在数量上和质上均发生了很大的变化。人们要求在保证蔬菜供应的基础上，做到全年均衡供应[2]。因此，棚室设施栽培已成为蔬菜生产中必不可少的重要手段。由于棚室栽培经济效益显著，因而，此项技术还广泛地应用于经济作物、花卉、菌类栽培及养殖业等方面，是我国近几年重点推广的农业先进技术之一，但棚室生产存在许多让人望而生畏的困难。

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，我们了这种结构简单、机型小巧、操纵灵活、价格低廉、性能可靠的适合于蔬菜棚室内的低矮环境的小型旋耕机。

本文采用理论分析与试验温室大棚内部耕整地劳动强度大，混拌肥料、覆盖残株的作用，是日光温室生产中节省劳力、降低成本、发家致富的绿色环保型农机具也可用于露天菜地及果园的旋耕作业。该机集旋耕、驱动于一体，碎土性能好，生产效率高，并配有动力输出轴， 可带动水泵等农机具，体积小，重量轻，造型美观，操作方便主要依靠人工挖掘翻地，生产率低。旋耕机是一种由动力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。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。

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1.2 国内外棚室旋耕机的现状 1.2.1 国外温室耕耘机械的发展现状

国外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。

美国专门生产小型拖拉机的吉尔森公司生产的自走式旋耕机[4]，主要特点是旋耕刀片取代行走轮，刀盘直径为 35.5cm，耕幅为 30.4～66cm，传动形式为链传动和蜗轮蜗杆传动两种型式。功率为 3.68kW 左右，适于菜园、温室等地作业。不旋耕时可换上行走轮并配带其他农具：翻转犁、除草铲、中耕铲、齿耙等。

意大利 M·B 公司生产一种单轮驱动轴旋耕机，动力为 3.3kW 汽油机，单机重量为 40kg，适于菜园、花圃中耕作业，一次完成旋耕培土两项作业。该公司还生产 5.89～7.36kW 多用自走底盘，由驱动轴配带旋耕机完成田间旋耕作业，换上轮胎后又可完成犁耕、运输、喷雾等作业[5]。

日本和韩国，蔬菜育苗、种植、田间管理、收获、产品处理与加工等工序都己实现机械化。机具的突出特点是小而精，耐用，使用起来轻松自如。例如，日本生产的适于温室作业的带驱动轮行走式旋耕机，韩国生产的万能管理机，一台主机配带 40 多种农机具或工作部件，可用于农田、果园和温室大棚等作业[6]。 1.2.2 国内温室耕耘机械的发展现状

近几年，针对温室大棚等特殊作业环境，我国也相继出现了适于保护地作业的小型机具。由大专院校、科研院所和工厂相结合研制的小型自走式旋耕机、微型多功能田园管理机等都可用于棚室耕整地作业[8]。

由沈阳农业大学的科研人员研制成功的一种适于温室作业的绿色环保型农机具，IGD—900 型旋耕机[7]，有 380V 、220V 两种动力机型可供选择。装有行走轮，推动方便，转向灵活，操作搬运一人便可完成，工作参数为耕幅 900mm、耕深（可调）150mm～250mm、刀片数量 18个。耕作速度快、不排放有害气体、噪声低，是日光温室生产中节省劳动力、降低成本的绿色环保型农机具。DN- 4 型禾丰牌多功能田园管理机，体积

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小、重量轻、功能多、结构紧凑、操作方便。在狭窄地段、山区梯田、茶园果林、大棚暖房内均可作业。利用摩擦片压盘式离合器，分离灵敏，安全可靠。机器可正向或反向作业，机配置2.94kW(4马力)机型，特加倒退档和无快速互锁装置，即机器换倒退档时，快速档自动脱开。采用旋耕刀具、耗用功率小，碎土效果好。

1.3 国内外温室耕耘机械存在的问题

虽然国外温室农业机械作业功能比较齐全，可靠性高，但是进口机型价格高，一般要在 5000 元以上，而且维修服务不方便[9]。我国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作机械。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，但是产品大多存在以下问题：①外型尺寸及重量大，操作不灵便。特别是从露地直接转移到大棚内的机械，在设施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，其碎土性能变差，能耗增加。③作业性能、可靠性、耐久性等方面还存在一些不足。

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第二章 总体方案设计

2.1 拟定研究方案

为了减轻蔬菜大棚的劳动强度，各科研单位和高校，已经开始研究一些用于蔬菜大棚种植的机械，如喷灌设备、前轮驱动式旋耕机及其它的耕作机械等[10]。为了减轻劳动强度，各科研单位和高校，已经开始研究一些用于蔬菜大棚种植的机械，如喷灌设备、微型白走式旋耕机及其它的耕作机械等。国外产品价格高、配件少、个别机型工作可靠性差，所有机型其耕作深度都只有10cm左右、发动机功率偏小。而蔬菜大棚对不同作物的种植有不同的耕深要求，最深的耕深要求在20cm左右，为此本课题设计一种适合我国国情的，价格低、工作可靠、操作方便、耕深可以达到20cm左右、且耕深可以调节的小型深耕旋耕机组。

2.2提出确定研究方案

本课题根据现有机型的基础上提出以下几种设计方案： 方案一：

1-中央减速箱；2-安全接盘；3-联轴器；4-边齿轮减速器；5-弯刀；6-旋耕刀轴

图2-2 方案二图

工作原理：旋耕机主要由机架、传动系统、旋耕机工作部件、罩盖等部分组成。旋耕机通过机架与手扶拖拉机连接在一起，利用高速旋转的刀片作为工作部件，对土壤进行耕作。拨动副变速杆，拖拉机的动力由后桥传递给中央减速器，然后再经传动轴由侧边减速齿轮箱传至旋耕刀轴。旋耕刀轴接受动力后，从后面向前看反时针转动，刀片由

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上向下切削土壤，并将土壤抛向后方，抛起的土壤碰到挡泥盖板后受到阻挡而降低速度，呈细碎状态掉落在地面，达到松碎土壤的目的。 方案二：

工作原理：发动机通过传动系统将动力传给驱动轮和和刀辊，来实现耕耘工作。旋耕机刀辊驱动装置下方装有v型犁铲，可以尽可能消除漏耕地块。耕深度可自由调节。旋耕机刀辊驱动链壳可绕机架上下摆动，将耕深定位手柄闭合，把操纵手柄上抬或下压，达到深度要求后放松定位手柄，将操纵手柄端平实现耕深调节。设有两个前进档，1 X2 倒档和两个旋耕刀轴转速。只要将传动链盒调换方向就可以实现旋耕刀轴转速改变。

1-发动机；2-铁轮；3-胶轮；4-传动链盒；5-刀辊驱动装置；

6-V型犁产；7-旋耕刀辊；8-尾轮；9-耕深定位手柄； 10-操纵手柄；11-耕深定位杆；12-变速杆；13-离合器；14-变速器

图2-1 方案一图

方案三：

工作原理：发动机通过传动系统带动旋耕刀辊旋转实现耕耘工作，本机设有三个档位即1档、2档、空挡，可以根据不同的耕作情况通过档位变换来完成工作任务。另外

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本机后面可以挂接其它农具，这样即实现限制耕深的目的，又可防止漏耕情况。该机构由发动机、机架、传动系统、旋耕部分、以及其它农机组成。

图2-3 方案三图

通过比较三种方案：第三种方案最好，它优点在于操作方便、结构紧凑、污染小，而且更大得实现了一机多用的功能，非常适合于蔬菜大棚耕耘工作。

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第三章 旋耕机工况参数的确定

由于在大棚内作业受到空间等因素的限制，要求机组尺寸尽量小，现选定耕幅为：B=550mm；旋耕刀辊半径：R=220mm；最大耕深：H=200mm；生产效率：每小时1.5亩。这样可计算出旋耕机组的前进速度：V=1000×666.673600×B=0．51m／s，选取 =0．52m/s

3.1 切削速度的确定

旋耕机刀刃的运动是复合运动，其中绕旋耕刀轴的速度V0=?R是相对速度，前进速度Vm是牵连速度，刀刃端点A的运动轨迹可用余摆线参数方程确定。

X=Vm+Rcos?t （3-1）

Y=Rsin?t （3-2）

绝对速度：

V?Vm2?2VmV0sin?t?V02 （3-3）

根据文献，轻型和中型土壤的平均切削速度v约为3-4m/s，草原沼泽粘土平均切削速度v约为6-8 m／s为宜的结论，针对山东地区蔬菜地土壤多为沙土，所以选定平均切削速度v为4-5 m/s左右。由于耕深H=200mm刀辊半径R=220mm刀刃端点沿余摆线从A 点切人土壤至A。

点结束切削，如图3-1所示：切土壤时相应的转动角：?m=arcsin(1一H／R)= 60 切人点A1的绝对速度大小：

VA1?V2m?2VmVsin?m?V20 （3-4）

结束点A2 的绝对速度大小：

VA2?V0?Vm （3-5）

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图3-1旋耕刀的工作示意图

绝对平均切削速度：

(VA1?VA2)/2 取V=4m/s时；

4?(0.522?2?0.52V0sin60?V20)

可得 V0=4.1m/s

取n=180r/min时：则V01?4.0m/s 同理取V=5m/s时：解得V0?5.27m/s 取n=240r/min则V02?5.0m/s 旋耕机工况：

由公式

??V0/Vm

?1?V01/Vm?4.0/0.52?7.7

?2?V02/Vm?5.0/0.52?9.6

切土节距：

S?2?R/Z? Z安装于同一侧的刀齿数：Z=2得

S1?2??220/2?7.98?86.6mm；S2?65mm垫片的最大厚度Smax?86.6mm

8

3-6）3-7） 3-8）

（ （

（

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3.2 旋耕工作部件的受力分析及计算 为了保证旋耕机的稳定性及行驶直线性，减轻重量、简化结构，旋耕刀轴采用中间传动形式，考虑到刀弯曲部份的长度b=50mm及中间传动结构的宽度，旋耕工作部件的配置采用l0把左弯刀，l0把右弯刀。 再据文献[11]，旋耕刀轴所需要的平均扭矩与单把弯刀对单垡作用的不同侧面和剪切面积、切削、破碎和抛掷所需要的平均扭矩，刀刃宽度及耕深等因素有关，按工况：??7.98，S=86.6mm确定单把刀所需的平均扭

Tmax??T1?220Nm： 根据公式：T?9550N/n;得功率；N1?T.n/9550?4.15kw。

作用在工作部件上的力，主要为耕作时土壤对工作部件产生的切削阻力，它的大小和方向与旋耕方法、工作部件的几何形状、运动特点、土壤性质及工作参数有关。如图3所示，假设土壤对工作部件的切削阻力为Rn ，可分解为Rk 和Rr ，当旋耕刀轴旋转过900时，切削阻力由Rnmax变到0，圆周力P1?T/R；1和10刀片：P1?60/0.2?300N；其余刀片： P1?40/0.2?200N；

Rn?P1/cos(????)?1.035P1 （3-9） 式中：????_阻力Rn与旋耕刀辊圆切线夹角再根据文献取?????150左右刀与阻力之间的夹角；??为切削角的变化量

0Rx?1.035P1sin(??15)Rr?1.035P1cos(??15)0

计算水平阻力Rr：因为Rr是?的函数，当刀片位于?=750，刀片5、6位于?=450，刀片3、8位于?=150时水平阻力最小；Fxmin??Rx?876N 根据功率计算公式：

N?FxVm （3-10）

将Fx?876N Vm?0.52m/s 代入公式得N2?0.456kW。

由于水平阻力与前进方向相同，因而它将有助于机组前进。因为旋耕刀轴采用中间传动形式，传动机构下面的土壤是旋耕刀耕不到的地方，为了解决这个问题，在传动机构前加一宽度为B1?50mm，耕深为H=200mm的V型犁铲这样可以保证无漏耕，而且也可以使传动机构的壳体不会受到土壤的阻碍而上抬。

v型犁铲所需的牵引力计算：

Fh?HB1Kp （3-11）

式中：H一犁耕深度(cm)；

B1一犁耕耕幅(cm )；

KP-犁耕比阻定为4.9(N/cm2)

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将H=20 B1=5 KP=4.9：代入上式可得Fk=490N 再根据功率算式：

N?FVhm （3-12）

得N3?490?0.52/1000?0.255kW 机组滚动阻力计算：

?P?9.8?W?9.8?0.35?100?343N

1t根据文献[12]推荐值取名义滚动阻力系数?(包含打滑系数)≤100k —机组重量 所需功率的计算：

N4??PV1m?343?0.52/1000?0.176kW

3.3 机组所需功率的计算

机组所需功率计算：

N?(N1?N2?N3?N4)/?m （3-13） 将N1?4.15kW;N2?0.456kW;N3?0.255kW;N4?0.178kW；??0.85代入上式可得： N?4.84kW。

式中：N1-旋耕刀辊所消耗的功率；

N2-水平阻力产生的推动前进功率； N3-v型犁铲所消耗的功率； N4-机组滚动阻力所消耗的功率

?m-旋耕机组的总机械效率：?m =85％

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第四章 传动机构的设计

4.1 发动机的确定

发动机功率计算：

N0??0N （4-1）

式中：?0-发动机的功率储备系数。

根据文献[13]推荐值取：?0 =1.05 再由N=4.86Kw，N0=5.1kW由前面计算出的发动机功率为5.1kW考虑到成本、配件及棚内作业尽可能减少空气污染等因素，我们采用泰洲林业机械厂生产的175F汽油机，该机为单缸四冲程风冷式，标定功率为1小时功率，转速：5.88kW／3600r／min，12小时功率／车速：4.85kW／3000r／min。

4.2. 皮带轮及皮带的选择

1.选择带型

根据计算功率PCA和小带轮转速n1由机械设计图8-8选定带型，选择B型V带。 2.确定带轮的基准直径dd1

初选小带轮的基准直径dd1，根据表8-3及表8-7，选dd1=119mm。

3.验算带的速度v 根据机械设计

?dp1n1 V? （4-2）

60?10004.计算从动轮的基准直径dd2

由dd1=i·dd2，取dd2=199mm。 5.确定中心距a和带的基准长度Ld

根据传动的结构的需要初定中心距，由

0.7(dd1?dd2)?a0?2(dd1?dd2) （4-3） 取a0=682mm；a0取定后，计算所需带传动的基准长度Ld：

Ld'?2a0??2(dd1?dd2)?(dd2?dd1) （4-4）

4a0将a0?462.7;dd1?119;dd2?199代入公式得L'd?1365

选取和L/d相近的V带的基准长度Ld,取Ld=1350mm；再根据Ld来计算实际中心距，

Ld?L?d a?a0? （4-5）

2由上面已知值的a=455mm

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考虑安装调整和补偿预紧力的需要，中心局的变动范围为： amin=a-0.015Ld=455-21=434mm amax=a+0.03Ld=455+42=497mm 6.验算主动轮上的包角α1，并保证

?1?1800?(dd2?dd2)?57.50 （4-6）

将dd1?199:dd2?119代入上式可得?1?1700?1200 7.确定带的根数Z z?Pca （4-7）

(P0??P0)K?KL式中：K?——包角系数 KL——长度系数

P0——单根V带的基本额定功率

?P0——计入传动比的影响时，单根V带额定功率的增量 查表得K?=0.98，KL=0.98，P0=1.32，?P0=0.11，则根据上式可得：

2.7?1.98，取z=2。 Z=

(1.32?0.11)?0.98?0.988.确定带的预紧力F0

考虑离心力的不利影响，并考虑包角对所需预紧力的影响，单根V带所需的预紧力为：

FO?500Pca2.52(?1)?qv （4-8） zvK?查机械设计表，得出q=0.17kg/m，则

2.72.52(?1?)0.1?7?5 F0?500?2?50.989.计算带传动作用在轴上的力（压轴力）Fp

213.7N

如果不考虑带的两边的拉力差，则压轴力可以近似的按带的两边的预紧力F0的合力来计算，即

Fp?2zF0sin?12 （4-9）

将Z?2;F0?40N;?1?1700可得FP?159N

4.3 变速箱的设计

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4-2变速箱示意图

1：二档齿轮 2：小链轮 3：主动轴 4：一档齿轮 5：离合器 6：皮带轮

已知发动机工作时的转速为3000r/min，则有第一轴的转速为1080r/min。设计第一轴上1处的齿数为Z1?29；3处的齿数为Z3?35；齿轮2的齿数为Z2?59；齿轮5的齿数Z5?53。则有当3、5啮合时为一档这是的转速为n1?180r/min；当1、2啮合时为二档这是的转速为n2?240r/min。

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第五章 主要零部件的设计

5.1 齿轮轴的设计与计算

齿轮轴的形状设计：选取轴用材料主要取决于轴的工作条件载荷和加工工艺等综合因素。除了满足强度、刚度和耐摩性外还要求对应力集中敏感小。通过比较常用的轴用材料知碳素钢对应力集中的敏感性小，其机械性能可通过热处理来进行调整，而且比合金钢的价格低廉。故本设计轴都采用45钢，调质处理硬度217-255HBS，许用弯曲应力60MPa，弯曲疲劳极限275MPa。

轴的结构设计包括给出轴的合理外形和全部的结构尺寸[14]。设计时轴的结构应满足：轴和装配在轴上的零件要有准确的工作位置；轴上零件要便于装拆和调整；轴应具有良好的制造工艺性。

齿轮轴的尺寸设计：根据工况的需要，设计AB段是是用来联接离合器跟带轮的一段，根据工作需要设定其长为44mm；BC段设定为34mm；CD和IJ段设定一轴肩用来固定轴承，轴肩高度h>0.05d,取h=2mm；轴环宽度b>1.4h,取宽度为5mm；由换挡的需要DE段设定为62.28mm；EF和GH是加工有齿的轴段宽度同为36mm；根据工作的需要分别设定FG为239mm；HI为35mm；JK为19mm。根据加工的需要在EF、GH及两轴肩两端分别有深为2mm宽为4mm退刀槽。AB段直径为26mm；两轴肩直径为34mm；其余轴段为直径30mm。

图5-1齿轮轴

齿轮轴的强度校核：

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由公式：

Me?9549P/N （5-1）

将 P=4.85 N=3000r/min d代入上式得Me?15.44

力矩是通过带拉力F和F1传送应有Fn简化后 (F-F1)D/2=Me得F?F1?155N

已知F?F1?1200N得F?677.5N；F1?522.5N

由平衡方程知，齿轮上的法向力Fn对轴线上的力矩Me1应与带轮上的Me相等即 M1e?Fncos200.d/2?Me

Fn?2Me/(30?13?3cos700)?657N 将Fn,F,F'向轴线简化

Fn简化后得到的Me'和F和F'简化后得到的力矩Me大小相等方向相反引起轴的扭转变形

Ft?Fncos200?617.4N ；Fr?Fnsin200?224.7N

Fy?Fy'?Fcos240?F'cos300?1071N FZ?FZ'?Fsin240?Fsin300?537.25N My?60.3N?m MZ?38.1N?m

M?My2?M2Z （5-2）

由上面已知值可得M=71.3Nm

按第三强度理论进行强度校核得

M2?T2/W （5-3）

M?71.3N?m；T=15.44N?m可得??22.32MPa；选用45号钢知许用应力[?]=85MPa,因此轴合适的。

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图5-2 齿轮轴的强度校核图

5.2 从动轴轴的设计与计算

本轴根据工作的需要AB段13；BC段5；CD段36.28；DE段305.03；EF段67；FG段5；GH段19.5；且在CD段加工有花键用来齿轮滑行换挡。用同样的原理可以校核强度有??[?]

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图5-3从动轴

5.3 链轮的设计及链的选定

1.首先确定采用滚子链传动。

2.选择链轮齿数

链速为v?0.6～3m/s，由经验选择：小链轮齿数z1?21；从动链轮齿数

z2?i?z1?2.05?21?43。 3.计算功率Pca

由机械设计查表可知，工作情况系数KA?1.0，故

Pca?KA?P1； （5-4）

将KA?4.85;P1?4.85kW得Pca?4.85kW 4．确定链条链节数

初定中心距a0＝44p，则链节数为

2az?zp?z?z?LP?0?12??21?p2a0?2?? （5-5）

由Z1?21;Z2?43;得Lp?120.3节 由此选链的节数为121节。

确定链条的节距p由机械设计可知，按小链轮转速（670r/min）进行估计，链工作在功率曲线顶点左侧时，可能出现链板疲劳破坏。

由机械设计查表可得，小链轮齿数系数为：

2?Z?Kz＝?? （5-6）

?19?17

?青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计

?L?Kl＝?p? （5-7）

?100??由Lp?121;??0.26可得K1?1.05

选取单排链。由机械设计查表可知，单排链系数Kp?1.00，故得所需传递的功率为：

Po?4.85kW

根据小链轮的转速n1?567r/min，及功率p0?2.22kw；由机械设计查图可知选取链号为12A。同时，也证实原估计链工作在额定功率曲线顶点左侧是正确的，再由机械设计可知链节距为p?19.05mm，滚子半径为11.91mm。 5．确定链长L及中心距a

L?LpP （5-8）

将LP?121;P?12.7代入公式可得L=1536.7mm

Z1?Z2Z1?Z22Z2?Z12?p??(Lp?)?8?()? （5-9） a???Lp?4?222???由已知值a=568.3mm 中心距减少量：

?a?(0.002?0.004)?a?(0.002?0.004)?568.3mm?1.1366?2.2732mm

实际中心距：

a'?a??a （5-10）

由a?568.3mm;?a?1.1366?2.2732可得a'?567.16?566.03mm

取a'?925mm。

6．验算小链轮毂孔dk

由机械设计可知，小链轮毂孔的许用最大直径dkmax?36mm，大于轴的直径，故合适。

7.作用在轴上的压轴力

Fp?KFpFe， （5-11）

有效圆周力

Fe＝1000P （5-12） v由P?4.85;V?5m/s得Fe?970N。

按垂直分布，取压轴力系数KFp?1.05，故：FP?1.05?970?1018.5N。

5.4 旋耕刀的设计

1.旋耕刀的分类：

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青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计

旋耕刀按结构分为三种类型，如图5-4。刀片相对土壤的运动情况基本上可以分为两种：

(1) 凿形刀及直角刀切削过程中，其侧切刃由远及近切削土壤，正切刃先入土，对土壤有较大的松碎作用，但草茎、残茬易缠于刀轴(其中凿形刀尤为严重)，适用于开荒地[15]。

(2) 弯刀切削工作时，先由侧切刃沿纵向切削土壤，并且是先由离轴心较近的刃口开始切割，由近及远，最后由正切刃横向切开土壤，这种切削过程，可把草茎及残茬压向未耕地，进行有支持切割。这样，草茎及残茬较易切断，即使不被切断，也可利用刃口曲线的合理形状，使其滑向端部离开弯刀，弯刀不易缠草，因此适用于稻田粘重土壤和一般土壤。

旋耕刀的结构：旋耕刀主要有侧切面、正切面、过渡面组成，见图5-5。侧切面具有切开土垡，切断或推开草茎及残茬的功能；正切面除了切土外还具有翻土、碎土、抛土等功能。

图5-4旋耕刀的三种类型图

图5-5旋耕刀的结构简图

2.旋耕刀的弯刀刀刃设计：

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切沟墙的侧切刃的设计：国产的各种弯刀，侧切刃均为阿基米德螺线[16]，其方程为：

???0?a? （5-13）

式中：?0—— 螺线起点的极径(mm)；

a'——

螺线极角每增加 1rad 时的极径的增量 (mm)；

?—— 螺线上任意点的极角(rad)。 螺线终点处的极径：

'再确定?n、?0 及?n值后, 可求出值：a=(?n- ?0)/?n。为避免无刃部分切土, 螺

?n??0?a?n

线起点的极径?0可由下式求得：

?0?[R2?S2?2S(2Ra?a2)?0.5]?0.5 （5-14） 式中：S——设计切土节距；

a——设计耕深； R——弯刀回转半径

?0 为减小阻扭矩, 应在满足耕深要求和结构许可的情况下, 采用较小的尺寸。例如：

=116.344 mm。为使螺旋线能与正切刃圆滑过渡, 螺线终点处的极径?n值, 一般较弯刀回转半径 R= 10 mm～20 mm, ?0=230 mm。螺线终点的极角?n可由下式求得；

?tt ?n=( ?n- ?0) /ngn （5-15）

式中： tn ---为螺线终点处的滑切角, 常取 50°～60°。

?tt这样可得：?n=( ?n- ?0) /ngn=(230- 116.344)/230t g55°=0.706rad。

a'=(?n-

?0)/?n=(230- 116.344)/0.706=160.986。

3.设计

根据工况要求，已知Rmax?220mm，SZ?86.6mm，hmax?200mm 根据公式：

R0?Rmax2?SZ2?2SZ2Rmax.hmax?hmax （5-16）

7得： R0?67. 式中：

Rma-x为刀片的最大切削半径

4.旋耕刀的刀片排列：

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hmax-为最大设计更深

S-为切土间距青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计

旋耕机刀片排列的一些要求：弯刀刀片在刀轴上的排列是影响耕作质量及功率消耗的重要因素之一[17]。为了使旋耕机作业时受到的阻力小、耕作质量好、刀轴受力均匀、避免漏耕和堵塞现象的发生，刀片在刀轴上的排列应满足下列要求：

(1) 在同一回转平面内，若配置两把以上的刀片，要求每切割小区内几把弯刀的切土量相近，以保证碎土质量好，耕后沟底平整。

(2) 刀轴回转一周过程中，刀轴每转过一个相等的角度时，在同一相位角，必须是一把弯刀入土，使扭矩较为均衡、减少扭矩波动幅度，保证工作稳定性和刀轴负荷均匀。

(3) 轴向相邻刀齿间距，以不产生漏耕带为原则，一般均大于单刀幅宽[18]。 (4) 左弯刀片和右弯刀片应交替入土，使刀轴两端的轴承所受的侧压力平衡，以减少旋耕刀对旋耕机重心的转矩，保持旋耕机组工作时的直线性。

(5) 相继入土的刀片在刀轴上的轴向距离越大越好，尽可能地增大轴向相邻两弯刀之间的夹角，以避免发生干扰或堵塞。

(6) 旋耕机刀片排列存在的问题和解决方法：根据上述刀片排列的要求，我国现在生产的旋耕机刀片一般采用双螺旋线规则排列，虽能较好地满足以上基本要求，并且简化结构参数；但是实际应用仍会出现新的问题。

上述问题的解决方法：

(1) 由于旋耕机工作时向侧边输土的主要原因是：刀片在刀轴上按两条螺旋线从左到右顺时针或逆时针排列，造成了侧向输土的条件。所以解决问题的方法是：使两条螺旋线不要连续，而且旋向不一样，把整个刀轴上的刀片排列分成几个区段(区段数为偶数)。区段分得越多，虽然侧向输土越少，但是刀片排列越复杂、排列越没有规律性，会给使用者安装刀片带来了很大困难。所以区段也不能分得过多或过少，应据刀轴的长度而定，一般区段长度约为25 cm～35 cm，相邻区段螺旋线的旋向相反[19]。

(2) 由于刀片排列是按两条螺旋线排列的，为不产生漏耕，一般在同一回转平面内，设置两把刀(一把右弯刀，一把左弯刀)，两把刀的间隔角一般在 90°～180°，焊接刀座时加热不对称，刀轴必然发生弯曲变形。所以在刀片排列时要尽量使同一回转平面内对称设置[20]。

(3) 由于刀片排列一般是在同一回转平面内设置两把刀，刀片又有一定的厚度，因此产生重耕。如果能把两把刀在轴向相间一个或稍大点的刀片厚度，就可使其既不产生漏耕又不产生重耕，还可节省刀片数量、减少功率消耗、降低耕作阻力。参考文献：我们采用10把左弯刀，10把右弯刀，排列方式如图5-4所示。

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毕业论文（设计）任务书

学生姓名 纪 同 旭 指导教师 张 兴 磊 论文（设计）题目 蔬菜大棚用小型旋耕机总体设计 论文（设计）内容（需明确列出研究的问题）：

本文设计一种新型蔬菜大棚用小型旋耕机，重点针对旋耕刀、刀轴、传动系统、动力匹配等进行设计，在此基础上对小型旋耕机的主要工作部件和总体装配进行CAD绘图。要求所设计的小型旋耕机能够达到动力匹配性好、结构简单、功耗低、操作简单、具有灵活的空间适应性等要求。 资料、数据、技术水平等方面的要求 1.画出本设计的全部装配图零件图。要求图样表达正确，符合国家有关标准。计算机绘图一般不少于折合成图幅为A0号的图纸3张，图表单位要统一为国际单位制（SI）。

2.图纸、图表布局合理，整洁，线条粗细均匀，标注规范，注释准确，使用工程字书写。

3.设计论文不少于8000字。要求论述合理，计算正确，符合有关要求。参考文献不低于12篇。文字通顺，语言流畅，无错别字。

4.对改进设计的重要零部件进行强度校核。 发出任务书日期 完成论文（设计）日期 学科组或教研室意见（签字） 学院院长意见（签字）

青岛农业大学

本科生毕业论文(设计)开题报告

题 目： 蔬菜大棚用小型旋耕机的总体设计 姓名： 纪同旭 学号： 0320040161 年级： 2004 专业： 农业机械化及其自动化 指导教师：姓名 张兴磊 职 称： 助教

青岛农业大学教务处 二OO 八 年 四 月 一 日

一、选题依据(拟开展研究项目的研究目的、意义等) 蔬菜是人们日常生活不可缺少的主要食物，而且随着我国城镇人口的不断增加及人民生活水平的日益提高，人们对蔬菜的要求在数量上和质上均发生了很大的变化。人们要求在保证蔬菜供应的基础上，做到全年均衡供应。因此，棚室设施栽培已成为蔬菜生产中必不可少的重要手段。由于棚室栽培经济效益显著，因而，此项技术还广泛地应用于经济作物、花卉、菌类栽培及养殖业等方面，是我国近几年重点推广的农业先进技术之一，但棚室生产存在许多让人望而生畏的困难。 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，我们研制了这种结构简单、机型小巧、操纵灵活、价格低廉、性能可靠的适合于蔬菜棚室内的低矮环境的小型旋耕机。 本文采用理论分析与试验温室大棚内部耕整地劳动强度大，混拌肥料、覆盖残株的作用, 是日光温室生产中节省劳力、降低成本、发家致富的绿色环保型农机具也可用于露天菜地及果园的旋耕作业。该机集旋耕、驱动于一体，碎土性能好，生产效率高，并配有动力输出轴，可带动水泵等农机具，体积小，重量轻，造型美观，操作方便主要依靠人工挖掘翻地，生产率低。旋耕机是一种由动力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。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，每人安8000元算，将节约120000元[1]。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。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]。 二、文献综述内容(在充分收集研究主题相关资料的基础上，分析国内外研究现状，提出问题，找到研究主题的切入点，附主要参考文献) 旋耕机的发展至今已有150 多年的历史[3]，最初在英、美国家由3~4kW内燃机驱动，主要用于庭院耕作，直到L 型旋耕刀研制成功后，旋耕机才进入农田作业。20世纪初，日本从欧洲引进旱地旋耕机后，经过大量的试验研究工作，研制出适用于水田耕作要求的弯刀，解决了刀齿和刀轴缠草的问题，旋耕机得到了迅速发展。 国外小型微耕机械发展较早，目前主要以日本、韩国、意大利、法国和美国等国家的产品为代表，配套动力为1.47～5.88kW汽油机或柴油机，普遍采用2.2～5.1kW动力洲国家的产品以园艺作业为主，主要功能有旋耕、剪草、清雪、粉碎、短距离运输等。而亚洲国家的产品则以农业作业为主[4]。如日本、韩国和我国台湾的产品中，日本机型兼顾旱地两用，可进行翻地、旋耕、起垄、铺膜、开沟、播种及水田平整等；韩国和台湾机型则以旱地(果园、菜地、温室大棚及其他小块地)作业为主。国外机型大部分都具有以下主要特点：小巧、灵活、外形美观、操作方便；采用排放量低的小型汽油机或柴油机为动

力；可方便、简单、快速地更换多种工作部件，完成多项作业[5]。 我国棚室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[6]。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[7]。 棚室生产是一种高投入、高产出的产业，而一般棚室的生产所需劳动力是从事大田及水田生产的15～20 倍，是从事大地蔬菜生产的3 倍左右[8]。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[9]。以台湾生产的小牛303N型微耕机为例，其生产效率为0.088hm2/h。采用该机具耕整1栋标准棚室只需8h 就能完成任务，而人工则需要2人48h 完成[10]。我市现有日光温室和塑料大棚0.73万hm2，在耕整地方面，以小牛303N每个作业季节作业20天，每天作业8h计算，仅我市就需要这样的机具25000余台。而现有棚室配套的各种机具还不足10%，也就是说仍有2万余台的需求量。我市确定在今后3～5年内将棚室机械作为示范推广的重点项目[11]。市场调查显示：虽然广西柳州生产的106N型微耕机和山东潍坊生产的亚细亚牌微耕机价格较高（5000～7000元），但仍出现了销售旺盛的趋势。可以预见，若有价格更为低廉（2500～3000元）且能够耕整棚室边角的同类产品问世，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[12]。 因此，笔者将对上述问题进行部分的研究就解决。 参考文献： [1] 周建来，李源知，焦巧凤.国内外旋耕机的技术状况[J].农机化研究，2000，(2)：49-51. [2] 周宏明，郑蓓蓉，薛伟.旋耕机总体参数的优化设计[J].农机化研究，2002，(3)：85-87 [3] 李滨，崔东.小型农用旋耕机的设计[J].林业机械与木工设备，2006，34（3）：30-32. [4] 中部农村信息网 >>分析预测>>[2002-08-02] [5] 韩伟，高明军，冯云江等.黑龙江省棚室蔬菜机械化生产现状及发展对策[J].农机化研究，1999，（3）：20-22.

[6] 张晋栋，张晓东等.哈尔滨市棚室生产现状及发展前景[J]. 农机化研究，2001，（4）：16-18. [7] REN Lu-quan, TONG Jin, LI Jian-qiao, et al. Soil adhesion and biomimetics of soil-engaging components in anti-adhesion against soil: a review .Journal of Agricultural Engineering Research, 2001, 79(3) :239-263 . [8] 王颖玉,应富强,潘立.新型蔬菜大棚小型旋耕机的设计与研究[J] .浙江工业大学学报，2005，（6）:35-37 [9] 刘刚，尤晓东.小型旋耕机的设计与研究[J].农业机械化与电气化，2007，（4）：29-30. [10] BANDALAN E P, SALOKHE V M, GUPTA C P, et al. Performance of an oscillating subsoiler in breaking a hardpan .Journal of Terramechanics, 1999, 36(1) :117-125 . [11] 钟卫东，段绍传.新型多功能旋耕机[J].农机使用与维修，2006，(4):4-8. [12] 关艳玲，李术华，李金泽等.对1GLP-62小型旋耕机经济效益的分析[J].农机化研究，1995，(11):4-16. 三、研究方案(研究内容、目标、研究方法、技术路线、拟解决的问题、特色或创新点等) 1.研究内容和目标： 该旋耕机的研究包括：整机设计，零部件设计，内燃机的选择，传动方案的设计，旋耕刀轴的设计，旋耕刀的选择等。通过创新设计一种更加便捷适用的新机型。 2.研究方法和技术路线： 通过上网查资料，参考专家们老师辅导，结合自己所学的和实践经验及与同学们讨论，参观实验室等方法，初步设计几种方案，进行论证，选出一种最优方案。主要的技术是对旋耕刀的研究；内燃机的研究；行走操纵机构的研究；传动机构的研究。 3.拟解决的问题特色和创新： 操作问题，主要解决操作复杂的问题；安全防护问题，防止土块石块的飞溅伤人；传动方案要简化；总机的造价要降低。特色主要是多功能，操作方便等。 四、进程计划(各研究环节的时间安排、实施进度、完成程度等) 3.10～3.31 广泛的进行资料收集，分析国内外旋耕机的研究情况，进行理论的分析，可行性分析，完成开题报告。 4.01～4.25 对前期的工作进行总结，形成理论，对各部件进行设计，校核。初步设计尺寸，形成书面的报告。 4.26～5.15 精确计算设计方案的各零部件尺寸及整体尺寸，完成制图的草图绘制工作，为下一步的制图做好准备，并准备中期检查。 5.16～6.05 大体完成论文的撰写，整体及主要零部件的绘图。 6.06～6.15 检查已完成的工作，完善精确论文、CAD图，完成设计工作并准备答辩。

五、导师评语 指导教师签字： 200 年 月 日 六、教研室意见 教研室主任签字： 200 年 月 日 七、学院意见 负责人签字： 200 年 月 日

五、导师评语 指导教师签字： 200 年 月 日 六、教研室意见 教研室主任签字： 200 年 月 日 七、学院意见 负责人签字： 200 年 月 日

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