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1、全日制普通本科生毕业设计小型开边沟开沟机设计THE DESIGN OF SMALL SIDE-DITCHING MACHINE由于部分原因，说明书已删除大部分，完整版说明书，CAD图纸等，联系153893706学生姓名：学 号：年级专业及班级：2008级农业机械化及其自动化(1)班指导老师及职称：学 院：工 学 院 提交日期：2012年05月 全日制普通本科生毕业设计诚 信 声 明本人郑重声明：所呈交的本科毕业论文（设计）是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做
2、出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业论文（设计）作者签名： 年 月 日目 录摘要1关键词11 前言22国内外研究现状 22.1 国外开沟机32.2国内开沟机43选题研究意义54总体结构及工作原理54.1设计思路54.2工作原理65开沟部件具体结构参数的确定75.1刀片型号75.2切土进距及刀片数量85.3刀片直径计算105.4刀片正反转的确定115.5刀盘转速115.6刀盘结构及刀片布置原则115.6.1刀盘结构115.6.2刀片布置原则115.7开沟铲135.8挡土板14 6关键零部件校核计算146.1旋耕机刀轴156.1
3、.1刀轴结构设计166.1.1刀轴受力分析166.2刀盘与刀轴相联接的螺栓197结论20参考文献21 致谢21附录22小型开边沟开沟机设计学 生：指导老师： 摘 要：本文在已有的研究成果的基础上，通过对现有开沟机的构造和作用原理进行分析研究，针对目前我国开沟机在开边沟方面的欠缺，设计出一种更为合理实用的小型开边沟开沟机。选取顺转开沟方式，确定刀盘直径大小、刀片数量及型号、刀盘结构参数，并加装开沟铲，将原来的抛土方式由后抛改为上抛，达到了沟底平整的要求。在理论研究的基础上，设计出开沟部件，并对开沟刀盘进行受力分析， 对刀辊轴进行校核。关键词：开沟机；边沟；抛土 The Design of Sma
4、ll Side-ditching Machine Student:Zhou Chao Tutor:Luo Haifeng (College ofengineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)Abstract：Analysis on the basis of existing research results, through the structure and role of existing trencher principle to design a more reasonable and practi
5、cal for ditching machine in Chinas lack of open ditches,small open ditches ditching machine.Select clockwise ditching way to determine the cutter diameter, blade number and model, cutter structural parameters, and installation of trenching shovel, the original cast soil changed after toss to throw t
6、o ditch flat requirements. Ditching parts on the basis of theoretical studies, design, and ditching the cutter force analysis, checking on the knife roller.Keywords： Ditching machine；Side ditch；Soil casting1 前言近年来，随着农业产业结构的调整和国家对三农问题的关注，以及对农业投入力度的加大，农民种植经济作物的积极性明显增加。随着新品种的研制与问世，提高了油菜作物2的种植产量的保障力度，同时
7、也对农业机械化生产和节能增郊提出了新的要求，为改善目前油菜种植劳动强度大，效率低的局面，油菜种植机械化3的研制和推广成为国家农业科技跨越计划及农业部农业科技跨越计划项目的重要内容。目前全世界范围内耕作制度发展上存在两个明显的趋势：一是种植制度上熟制由少到多；二是在耕作次数上由多到少。这是因为人口的增加，土地的减少，对粮食及饲料的需求不断增加，迫使人们提高单产而积极发展多熟制；另一方面为减少能源消耗，保持水土，降低成本，则寻求新的耕法代替传统耕法，即推广少耕和免耕。随着科技的发展，机械化栽培方式正在逐步代替手工劳作，极大地降低了劳动强度，但是机械化作业中由于机器在田间的多次碾压，土壤被压实而板结
8、。大量试验研究表明2-4：采用保护性耕作对实现农业可持续发展，改善土壤的固、液、气三相比例，从而达到增产增收的目的具有重要的意义。稻田油菜免耕直播栽培方式始于上世纪70年代的上海，以后发展为稻田免耕直播和稻田免耕移栽两种，在江、浙地区种植面积较大，80年氏在湖南逐步扩大，90年代油菜免耕在我国油菜主产省市展开积极推广5。稻田油菜免耕直播优点在于：第一，体现免耕的优越性，土壤在尽量不耕及少耕的情形下，土壤结构不被破坏，因而可减少水土流失，同时土壤的养分主要分主布在上层05cm处，土壤微生物也主要在上层，有利于油菜的生长发育。第二，产量增加。随着种植面积的不断扩大，农民对实现油菜生产机械化的要求已
9、经越来越迫切。2 国内外研究现状 开沟机12主要有两种：第一种为开种沟而设计的开沟器，开沟器为小型从动部件，靠牵引作用力而开出适合种子发育的种床，沟形表现为小、窄、浅等特点，开沟器常作为播种机一附属部件而挂靠其上；第二种为开排水沟或其它用途的开沟机，开沟机相对较大型，一般以主动型部件为主，消耗功率大，体积大，沟深且宽。2.1 国内研究动态汉武帝时就发明了耧，可以看作是开沟器的雏形。目前我国开沟器的研究主要是以适合国情的双圆盘型和尖角型两大类，其中尖角型开沟器因流传已久被称为传统的中国式开沟器；推广使用的开沟器主要有：圆盘刀式开沟器、旋耕刀盘式开沟器、松土铲型开沟器、铧式犁型开沟器等我国对开沟机
10、的研究开发起步较晚。经历了从犁铧式开沟机、圆盘式开沟机和链式开沟机的发展历程。1975年，我国农垦系统引进了意大利菲恶特公司FLAT系列旋转圆盘挖沟机，20世纪80年代中期国家引进小量挖沟机主要用于农业暗管排水工程。这是早期的技术引进。但由于有机肥的应用还不广泛只是停留在小农经济水平上。因此此时的开沟机主要用于农田水利工程以及地下电缆、自来水工程等。199 1年，安徽省宣州市孙埠镇农机管理服务站对88 kW手扶拖拉机的配套农具旋耕机进行合理改装，研制出1KS一20型卧式弯刀开沟机。该机能完成开沟、碎土、抛土、覆盖等多道工序。沟宽和深浅均可调，且抛土覆盖均匀、不需人工清沟，这就是我国早期对开沟机
11、的探索。1996年，昆山农业机械化研究所祁天循研制开发了1KLZ一27型立式螺旋开沟机14对螺旋刀具的要求、刀具的切土方式、螺旋叶片刀具外廓螺线的选取等方面进行了详细的理论论述并试制出样机迅速推广，基本达到南方烂湿田地的作业要求：1)机组先通过，刀具在后面开沟，从而避免了轮压，有利于出苗；2)重心后移，通过性能好；3)能乘坐操作。2000年，东北农业大学韩永俊、尹大庆、冯江、王德福等人完成了1KL一100型立式螺旋开沟机的设计，从动力选择、整机结构、主要性能参数等方面进行分析与设计，并在试验中对样机不断调整，最终1KL一100型立式螺旋开沟机通过了在香坊农场旱田及水田地中的挖沟试验。试验结果证
12、明。该机作业后沟壁平整、沟内残土少、性能优良，满足草炭开沟的技术要求，同时兼顾农田水利建设的需要解决和填补了国产螺旋开沟机的空白。该机构思新颖、设计合理、使用调整方便，为我国草炭平面开采成套设备提供了关键设备，并为我国开发草炭及农田开沟提供了新机具。2005年12月，云南农业大学工程技术学院张汝坤、昊福明、冉国伟、张建生等从解决传统开沟机切土产生的力矩不平衡，导致拖拉机产生激烈振动、跑偏、走直性能差、传动件易损坏、抛土方向单一等问题出发，致力于解决现有开沟机型的不足以最大限度地满足农艺措施的要求所研制的1KS一22型双轴开沟机22具有以下特点：一是采用双轴立式结构，传动箱内的轴直接套接长短不一
13、的刀杆，使安装在刀杆上的刀片同时切土抛土进行开沟作业。由于两组刀片切抛土壤时对沟土实施上下分段切抛致使土壤更加细碎，同时，因正反高速旋转，使抛出的细碎土壤均匀覆盖在沟两侧的墒面上，对土壤含水率适应性较宽，对不同类型土质适应性较强。切抛土壤时产生的力偶平衡，提高了机组作业的稳定性，使拖拉机行走直线性好，沟形整齐，很好地满足了农艺要求。二是该机与中型轮式拖拉机配套，有效克服了手拖配套开沟机动力不足的问题，作业效率和质量大大提高。符合高效农业发展方向和要求。2006年，中国农业机械化科学研究院与山东广饶三元液压机械环保有限公司的刘百合、刘宝义联合开发研制了链刀式开沟机，主要用于农田水利开沟铺管(深度
14、0512 m、宽度l340 cm)、园林开沟施肥、栽植树苗(宽度30 cm、深5070 cm)、山药及牛蒡等作物深松或收获(宽20 cm、深80100 cm)、埋设电缆开沟铺管(宽13 cm、深120 cm)多功能的开沟机。至此，我国开沟机研究逐步转向多功能化揭开了开沟机发展的新篇章。2009年2月，新疆农业科学院农业机械化研究所阿布里孜巴斯提、兰秀英、贡献、刘旋峰等人开发研制了l K40型偏置式果园开沟机26，主要用于果园施肥开沟、种树开沟。该机针对果园的土壤特点及开沟位置的要求。采用偏置式设计，具有以下特点：一是由于偏置式果园开沟机的开沟部件向右侧置(在拖拉机右轮后)，作业时拖拉机行间行走
15、可将施肥沟开在距树干0515 in处，使树冠树叶免受影响。二是该开沟机一机多用。除可用于果园挖施肥沟外，还可用于农田、荒地的开沟作业。三是机具结构简单、操作方便、使用可靠、生产效率高、成本低。2.2 国外研究动态国外很早就开始有机肥的应用研究，如欧美、日本、意大利、法国等，并且有着广泛的应用。随着科学技术的进步和应用范围的扩大，对开沟机的要求也越来越高开沟装备研究工作步人一个新时代，先进的新型设备不断涌现。国外较早生产开沟机的国家是美国和前苏联其发展过程是从犁铧式开始的。目前国际上的主要开沟机生产厂商在美国。例如，美国Burkeen公司有3种开沟机，功率范围在97343 kW之间B一30B型开
16、沟机的功率为343 kW，挖沟装置与驾驶位置间采用橡胶减振隔离，网状ROPS防止驾驶员被抛起物击伤。独特的液压驱动链张紧装置可实现挖沟深度的改变。美国Vermeer公司生产的以RT450为代表的链式开沟机，开沟深度可达152 m，开沟宽度为1330 cm，静力液压系统制动，可适用于多种工况。Maxon公司已生产出1O种Parsons品牌开沟机，最近又对其中的小型开沟机进行技术改进，改进后的T一20型开沟机功率为149 kW，不需增加任何附件就可以进行中心挖掘和侧置挖掘的转换，有轮式和履带式两种行走装置供用户选择。液压驱动的行走系统可以滑移转向在狭窄的场地具有很大的机动性能。T系列最大机型为T一
17、950，前轮驱动，铰链式机架，静液压行走驱动无调速，行驶速度可达l92 kmh，开沟链有4档前进速度，1档反转速度可适应不同的作业需求。但是，国外开沟机生产已向多样化趋势发展且更趋专机专用，开沟机只用于开沟作业，而当机械不开沟时只能闲置。这种情况并不符合我国的国情。目前，开沟机发展迅速，不同开沟方式、不同用途的开沟机不断涌现，开沟机行业竞争激烈。在开沟机的研发和使用中，存在一些亟待解决的问题，需要科研人员找到方法，改进技术，提升开沟机科技含量，以推动有机肥施肥机械的发展。要依据我国实际国情，使开沟机向一机多用、综合性能好、通用性能强的方向发展，使机具不仅能进行很好的开沟作业，而且在闲置时能恢复
18、运输功能。3 选题研究意义随着我国农业经济的发展，农业机械化水平越来越高，对农机具的需求也呈不断上升的趋势。推进农业机械化能够节约劳动力，改善农业生产经营条件，不断提高农业的生产技术水平和经济效益、生态效益。开沟机作为一种新型的农田耕作机械，在农业生产中逐渐被推广，但传统的开沟机只能在机体中间位置开沟，往往难以完成田埂边开沟作业，不利于田间四周的作物生长，因此，对开沟机进行改进优化是非常必要的。本文将在原有的研究成果上，设计出可以开边沟的小型稻田开沟机，对农业的生产具有重大的现实意义。4 总体结构及工作原理4.1 设计思路在手扶拖拉机上设计一种后置开沟机，利用拖拉机的动力带动整个开沟部件的运转
19、，在刀轴上装有刀盘，在刀盘上焊接刀座，用螺栓将刀座和旋耕刀联接起来；通过螺栓将刀盘与刀轴联接起来，使刀盘旋转，进行开沟工作，刀盘的具体的参数在设计过程中根据要求逐一选取；为了能开出边沟，将刀盘装在刀轴右端，为了满足旋耕刀工作时的滑切性能和脱草性能且在稻田进行工作，故选用弯刀做为开沟工具；为了更好的提高碎土性能和对操作者进行保护，设计左右两块弧形挡板，最后设计一个支撑架杆,对整下开沟部件进行固定。根据给定的任务书现特定以下参数规格：表1 主要技术参数Table1 Main technical parameter配套动力耕幅 开沟深度刀片型式刀片数量输入转速kW24cm,可调弯刀62600r/mi
20、n刀轴转速连接型式前进速度外形长外形宽外形高生产率（每台）260r/min三角轮传动1.8km/h1250mm60mm870mm3亩4亩/h4.2 工作原理利用旋耕机的旋耕刀轴，带动开沟刀盘顺铣，即旋耕切削方向与驱动轮旋转方向一致。旋耕弯刀首先切削未耕土壤并将其后抛及一次细碎，当被切削土壤落到后置的弧形开沟铲上时，会再次碰到尾随而至的旋耕刀。这时由于是已耕土壤，失去了地面的支承力，于是在土壤自身重力、离心力、磨擦力、科氏力、支持力等作用下沿正切韧刀面相对滑移，加上旋转刀盘给予的牵连运动以及车身的前移牵连运动的合成，最终朝沟两边的前方和横向上抛送，抛送的过程中一部分较大的土壤颗粒碰撞到刀盘正上方
21、的曲面档板，产生了三次碎土碰撞，最后落到两边的厢面上。完成了开沟切土、抛土、碎土、翻土等一系列工作过程。由于水稻等作物厢面覆土要求平整、细碎、覆土厚度分布均匀等；对沟的要求是沟底的宽度，平整、宽沟、沟面整齐等，本开沟机为此布置了四个纵向切削开沟面，增添了开沟的宽度，加上单片刀片切土宽度相对较少，保证了开沟抛土的宽度，增进了碎土效果。同时为了保证覆土的均匀性，不同的开沟面上布置不同的数量的刀片，在抛土较远的最外侧两边的开沟面上设置了两片弯刀，近刀盘的内置开沟面抛土较近，所以只设了一片弯刀。该结构保证了离沟边较远的覆土量接近于沟边的覆土量，使得厢面覆土厚度一致。总体结构如下图： 图1 总体结构图
22、Fig.1 The population structral drawing 5 开沟部件具体结构参数的确定 此处已删除所以轴的强度能够满足扭转强度要求，综上所述可知，轴能满足工作时的强度要求，使刀盘能正常的工作。 图10 轴的载荷分析图Fig.10 The analysis of axis load6.2 刀盘与刀轴相联接的螺栓刀盘与刀轴联接，有两个相距1800的螺栓同时工作，螺栓杆与也壁之间无间隙，接触表面受挤压；在联接接全面处，螺栓杆受剪切。同时，刀盘上的弯刀受力时也会对螺栓产生力的作用，与刀轴的受力情况相同，螺栓需要承受扭转弯矩。 图11 螺栓受力分析图 Fig.11 The bolt
23、 is analysed by the force力F2原来的作用点在垂直刀盘所在平面70mm 的平面内，利用力的平移定理将其移到刀盘所在平面内，此力在平移后相当于对轴附加了一个弯矩，其值为 T=F1270=285.6270=77Nm根据力的平移定理将力F1平移至轴心，将附加一个扭矩，其大小为 T=F1221=285.6221=63.1Nm将力F2再次平移，F2会附加一个和力F1同样的附加扭矩，大小与方向相同。用图9中B所示的方法将力合成，得合力F=F1=494.7N校核时，假设螺栓与孔壁表面上的压力分布是均匀的，又因为这种联接所受的预紧力很小，所以不考虑预紧力和螺纹摩擦力矩的影响。螺栓杆与孔
24、壁的挤压强度26 （8） 以F力来校核螺栓杆的剪切强度 （9）由以上计算可知，螺栓的强度得到保证，刀盘能安全工作。7 结论本次设计应用后置式开沟方式，结构简单，安装方便，开沟抛土性能好，工作效率高，能满足农艺要求，其目的在于免耕水稻种植机械化。该开沟部件主要创新点有：采用刀盘右置方式，解决了开边沟的难题；采用内外刀片数目递增的方法，即在内置切削面安装一片刀片，外置切削面安装两片刀，满足了抛土厢面覆土厚度一致的要求。在设计过程中，我查阅了大量的资料，也经常罗老师请教。这是一个有难度的设计题目，非常锻炼人。因为饲料颗粒制粒机并不是农机学习的范围，但是只要弄懂了原理，一切难题自然迎刃而解。查阅资料也
25、是一种考验，是对我们捕捉信息能力和综合信息能力的一种检验，通过查阅有关参考资料、计算图表、手册、图集、规范，熟悉有关的国家标准等多种信息，我们对机械设计的知识又得到了进一步的提升和巩固。通过此次设计，我深刻的认识到，要想成为一名合格的工程设计人员只是掌握本专业的知识是远远不够的，我们应该有更加广阔的视野，更全面的补充自己的知识，更明确自己的定位，为农机的发展做出一份贡献。参考文献1 黄国勤,钟树福.少免耕及其在中国的实践J. 农牧情报研究,1993,(3):2630.2 官春云.湖南发展油菜生产措施J. 作物研究, 2004(2):5557.3 张琼英.稻田油菜免耕直播栽培的特点和技术J. 作
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29、 seatJ. International Journal of Industrial Ergonomics, Volume 35, Issue 4, April 2005, Pages 36136923 Maciej Miszczak, A torque evaluation for a rotary subsoilerJ. Soil and Tillage Research, Volume 84, Issue 2, December 2005, Pages 17518324 P.S. Tiwari, L. P. Gite, Evaluation of work rest schedules
30、 during operation of a rotary power tillerJ. International Journal of Industrial Ergonomics, Volume 36, Issue 3, March 2006, Pages 20321025 J.Juzwik, D. L. Stenlund, R. R. Allmaras, S. M. Copeland and R. E. Mcrobers, Incorporation of tracers and dazomet by rotary tillers and a spaind machineJ. Soil
31、and Tillage Research, Volume 41, Issue 34, April 1997, Pages 237248.26 P.S. Tiwari, C.R. mehta and A.C Varshney, Ride Vibrations on a 7.5 kw Rotary Power TillerJ. Journal of Agricultural Engineering Research, Volume 66, Issue 3, March 1997, Pages 169176.致 谢 在此要感谢罗海峰老师对我的悉心指导和热情关怀，感谢老师给我们的帮助。本文从文献的查阅
32、、整理到论文的撰写、定稿，都倾注了老师的大量心血，使我增加了独立思考，解决问题的能力；传道，授业，解惑之余，教会我很多道理，让我获益良多，特此表示衷心的感谢。在整个设计过程中我遇到了很多的困难和迷惑，通过向老师请教，和同学交流，查阅资料等方式难题都一一解决。虽然这个设计做的不是很好，但是在设计过程所学到的，所经历的，都将会是我一生珍贵的财富。同时也要衷心感谢四年来学校的辛苦栽培，感谢老师们的谆谆教诲，感谢同学们的无私帮助。因此，在设计顺利完成之际，我向所有指导、帮助和鼓励我完成设计的老师们、同学们致以最诚挚的谢意！同时，也向百忙中抽时间审阅我的设计说明书的老师致以崇高的敬意！当然在本次设计中,由于本人知识水平有限,设计中难免有很多的不足之处。敬请各位老师同学批评指正，再次对各位老师和同学表示衷心的感谢，谢谢！ 附录附录1：装配图(A0)附录2：刀轴零件图(A2)附录3：挡土板零件图(A2)附录4：机架零件图(A3)附录5：链轮零件图(A3)附录6：刀座零件图(A4)附录7：刀片零件图(A2)附录8：清沟铲零件图(A2)附录9：支撑架零件图(A2)附录10：刀盘零件图(A2)12