果园开沟施肥机的设计【含CAD图纸】doc

  16届毕业设计 机的设计随着职工增收致富的新 目 录 1 绪论 1 1.1 果园开沟施肥机的理论和意义 1 1.2 果园开沟施肥机研究现状 1 1.3重点研究的关键问题及解决思路 2 2 果园开沟施肥机总体结构及工作原理 2 2.1 果园开沟施肥机的总体结构 2 2.2 果园开沟施肥机的基本参数与工作原理 4 3 果园开沟施肥机关键部位的设计 5 3.1 开沟装置的设计 5 3.2 开沟传动系统的设计 7 3.3 施肥传动系统的设计 8 3.4 覆土装置的设计与造型 9 4 主要零件的计算与校核 10 4.1链轮的选型与设计计算 10 4.2链轮轴的设计计算与校核 12 4.3开沟传动轴的设计计算与校核 14 5特殊零件的设计 16 5.1覆土圆盘斜度调节装置的设计 16 5.2排肥绞龙的设计 17 5.3传动箱箱体的设计 19 总 结 21 致 谢 22 参考文献 23 1 绪论 1.1 果园开沟施肥机的理论和意义 随着我国农业产业结构的优化调整,特色林果业己成为农民致富的一条重要渠道,传统的种植模式导致果园种植密度大,果树矮化,果树间距小,不利于现有机具通行。果树的开沟施肥作为果树保质增产的必要园艺环节,目前基本还处于人工作业阶段。新疆兵团目前葡萄的栽培面积为4.8万公顷,红枣的栽培面积为10.9万公顷;但在葡萄、红枣栽培过程中机械化生产水平还不高,尤其缺乏专用配套的果园开沟施肥机具。人工开沟施肥,劳动强度大,工作效率低,施肥均勾度差;果园开沟施肥机在国民经济中具有重要的现实意义,主要表现在以下几个方面。首先,能降低果农劳动强度。果园开沟施肥机不仅能大大降低果农劳动强度,改善生产条件,还能解决劳动力季节性短缺的问题。其次,能提高农业资源利用率。利用机器对果树树进行施肥,施肥均匀,能提高肥料的利用率,还能减少肥料对水土资源的污染,保护生态环境。再次,提供优质和安全的果品。果树机械的应用,能很好的控制果树生产过程中的施肥用量,降低化肥在土壤中的残留量。在葡萄、红枣施肥作业环节,除了采用人工开沟、施肥外,仅部分使用了犁铧式开沟机辅助开沟作业,仍然需要人工完成施肥及埋沟填平工作。这样不仅浪费了大量的人力、无力,而且效率较低。因此果园开沟施肥联合作业机对于生产具有非常重要的现实意义。 1.2 果园开沟施肥机研究现状 国内外的开沟机从工作原理上主要分为铧式犁开沟机、旋转开沟机和链刀式开沟机。在国外,开沟机主要用于土方施工,如美国Gunter&Zimmerman公司生产的轮盘式开沟机主要用于开设墙基、铺设水电管网、灌溉和光缆;欧洲Northland Trenching公司代理的 Inter-drain1622HT 型刀链式开沟机可以将挖出的泥土输送到机器两侧或一侧。我国对开沟机的研究开发主要用在有机肥开沟机方面。2000 年,东北农业大学研制的1KL-100型立式螺旋开沟机可以在旱田及水田地挖沟,作业后沟壁平整、沟内残土少。2005年12月,云南农业大学研制的1KS-22型双轴开沟机采用双轴立式结构,可以同时完切土和抛土进行开沟作业。2009年2月,新疆农业科学院农业机械化研究所研制了lK-40型偏置式果园开沟机,主要用于果园施肥沟、种树开沟。但是,上述机型都不能适应新疆兵团林果(葡萄、红枣)的施作业。 固定工作部件型最常见的是摔式开沟机,该开沟机具有结构简单、生产率高、成本低等优点,但结构笨重,工作时牵引阻力大,开的沟形需要人工修理。其应用于农田水利是在上个世纪年代,到年代中期,又逐渐被圆盘式开沟器所取代,当前主要应用于一些经济作物的播种(陆欣,和海底开沟管理(迟令宝,等领域。旋转工作部件型又称旋转开沟机,形式有多种,常见的有圆盘开沟机,根据圆盘的数目又可分为单圆盘和双圆盘开沟机,该种类型的开沟机都是用一个旋转的转子切削土壤开沟,一般功率消耗比较大。非连续旋转工作部件的开沟机主要用于工程机械,常见的有挖掘机,该种机型生产率低、体积庞大、功耗大、成本高,一般应用于大型排灌工程。 目前,新疆兵团葡萄、红枣种植行距 3~4m,普遍采用矮、密的种植模式,要求开沟施肥机具必须适应在狭小空间作业的条件,且最大40cm,深度可调整,开沟距作物根茎 50~80cm。针对新疆兵团在果园经济作物葡萄、红枣种植模式及在施肥过程中人工成本高、用工量大、强度高、生产效率低等问题,提出了此果园开沟施肥机。 1.3重点研究的关键问题及解决思路 开沟装置是开沟施肥机的关键部件,此外,施肥装置和覆土装置也是设计的重点。 ⑴开沟装置设计 开沟装置是本机的主要工作部件,主要由开沟刀盘和开沟刀组成。开沟刀盘回转半径取决于刀轴传动箱尾部圆角半径、最大开沟深度及开沟机处于最大开沟深度时传动箱底部离地间隙[8]。在满足开沟深度要求的前提下,开沟圆盘工作半径越小,整机结构越紧凑,消耗的功率越小。通过计算得到合适的尺寸。 ⑵开沟传动设计 果园开沟施肥联合作业机采用拖拉机动力输出轴输出动力驱动传动机构,通过万向节、齿轮箱带动开沟刀轴、开沟刀转动,达到开沟的目的。设计合适的传动箱、齿轮和轴的尺寸。 ⑶施肥传动设计 此果园开沟施肥联合作业机地轮和地轮链轮是作为一个整体装配的。当机具前进时,地轮和地轮链轮同时转动,地轮链轮通过链传动带动肥料箱中的绞龙转动实现排肥作业。准确实际链轮、链条和绞龙叶片方向。 ⑷覆土装置设计 覆土的质量与覆土圆盘的倾斜角度有密切的关系,要得到合适的倾斜角度需使覆土圆盘能在两个维度里旋转。 2 果园挖沟机总体结构及工作原理 2.1 果园挖沟机的总体结构 果园开沟施肥联合作业机主要由机架、圆盘开沟装置、施肥装置、埋沟覆土装置、传动系统和地轮限深装置等部分组成,如图1所示。 1.机架 2.传动箱 3.肥料箱 4.排肥传动装置 5.地轮限深装置 6.覆土装置 7.排肥装置 8.开沟装置 图2-1 开沟施肥机整体结构图 三维立体图如下。 图2-2 总装图 2.2 果园开沟施肥机的基本参数与工作原理 ⑴果园开沟施肥机基本参数 表2-1 果园开沟施肥机基本参数 项目 单位 参 数 整机尺寸( 长×宽×高) mm 2824×1210×1771 肥箱尺寸( 长×宽×高) mm 1080×1100×710 配套动力 kw ≥40.45 挂结形式 三点悬挂 肥箱容积 m ≥0.5 开沟深度 mm 200 ~ 400 作业速度 km/h ≥1 纯工作小时生产率 hm/h ≥0.5 ⑵果园开沟施肥机的工作原理 作业时,拖拉机悬挂装置与机架三点悬挂联接,整机质量由拖拉机承担。 图2-3 悬挂架 拖拉机的动力输出轴通过万向联轴器与传动箱相连,传动箱内有两个锥齿轮及三个直齿轮(如图2-4所示),将动力通过开沟传动轴传至开沟刀盘,刀盘旋转实现开沟。开沟传动系统如图2-5所示。 图2-4 传动箱 图2-5 开沟传动系统 当机具前进时,地轮和地轮链轮同时转动,地轮链轮通过链传动带动肥料箱中的绞龙转动实现排肥作业。如图2-6所示。 图2-6 排肥传动系统 如图2-7所示的覆土装置将土回填入沟内,完成整个作业过程。 图 2-7 覆土装置 3 果园开沟施肥机关键部位的设计 3.1开沟装置的设计 开沟装置是本机的主要工作部件,主要有开沟刀盘和开沟刀组成,如图3-1所示。开沟刀盘回转半经取决于刀轴传动箱尾部圆半径r、最大开沟深度及开沟机处于最大开沟深度是传动箱底部离地间隙。其数学表达式为 R≥r++ (3-1) 其中,各项参数为: r = 90mm,=400mm,=10mm。 将上述参数带入后可得: R≥500mm 在满足开沟深度要求的前提下,开沟圆盘工作半径越小,整机结构越紧凑,消耗的功率越小,故取开沟圆盘装置回转半径为 500mm。为了使土粒能够顺利抛出,切土刀的最大线m/s范围内选取。该机开沟刀盘回转直径为D=2R =1000mm,可求得刀盘转速n=≈133.76~286.62r/min。取较大值时,抛土较远而均匀,并有利于切断土中作物残根等,但功耗较大、生产率降低。由于开沟深度较深,为了使开沟后土粒可以顺利抛出,取切削线m/s,求得刀盘转速为219r/min。 图3-1 开沟装置 土壤容重是土壤在未破坏的自然结构下,单位容积中的重量,通常以表示。土壤容重大小反映土壤结构、透气性、透水性能以及保水能力的高低,一般耕作层土壤容重1~1.8103N/m3,土层越深则容重越大。 被甩抛土壤与沟道土壤的摩擦功耗: (3-2) 其中:代表土壤的内摩擦系数,见表2-3。 表2-3 土壤摩擦系数 土壤名称 内摩擦系数 外摩擦系数 砂 0.58一0.75 0.73 粘土 0.7一1 0.5一0.75 小块砾石 0.9一1.1 — 泥土灰 0.75一1 0.6一0.75 饱含水分的粘土 0.18一0.42 — 碎石 0.9 0.84 开沟刀移动土壤的功耗 (3-3) 其中:代表土壤阻力系数,对大多数土壤取4~5 代表移动土壤到开沟边的最大距离,一般取0.4~0.5,本文取0.4 则开沟装置总功耗为: (3-4) 3.2 开沟传动系统的设计 果园开沟施肥机采用拖拉机动力输出轴输出动力驱动传动机构,通过万向节、齿轮箱带动开沟刀轴、开沟刀转动,达到开沟的目的。开沟传动系统简图如图3-2所示,各齿轮的齿数分别为Z2= 24,Z1= 17,Z3= 17,Z4= 24,Z5= 30。开沟刀盘转速为219r /min,拖拉机输出转速取540r /min,则总传动比i总≈2.47。 Ⅱ轴锥齿轮Z2 2.Ⅰ轴锥齿轮Z1 3.万向节 4.齿轮箱 5.Ⅱ轴直齿轮Z3 6.Ⅲ轴轮Z4 7.Ⅳ轴直齿轮Z5 8.联轴器 9.开沟装置 图3-2 3.3 施肥传动系统的设计 果园开沟施肥联合作业机地轮和地轮链轮是作为一个整体装配的。当机具前进时,地轮和地轮链轮同时转动,地轮链轮通过链传动带动肥料箱中的绞龙转动实现排肥作业。按每667施肥量 1 000kg、行距3.5m计算,开沟施肥时每米施肥量约为5.23kg,在连续施肥的情况下,机具前进一个株距时,绞龙生产率为 Q =vg/S (3-2) 其中,v为机具的前进速度,v=1km/h;g为施肥量,g=3.3kg /株;S为机具前进距离,S=0.633m。代入各参数,计算得Q=5.21t/h。 绞龙转速的计算公式为 n=Q/( 47D2scγΦ) (3-3) 其中,Q为铰龙生产率Q=5.21t/h;D为螺旋叶片直径选取D=0.15m;s为螺旋叶片的螺距,选取s= 0.15m;c 为倾斜修正系数,倾斜角度≤5°时,c=0.9;γ为物料的容重,取γ=0.8t/m3;Φ为充满系数,选取Φ=0.8。计算得n=57.02r/min。取地轮直径d=380mm,地轮线速度(即拖拉机前进速度) 为1km/h,由此计算得地轮转速n0=50.28r/min,则地轮传动的传动比i=n/n0=1.14。因此,设计施肥传动个链轮齿数为: Z2= 24,Z1= 17,Z3= 17,Z4= 24,Z5= 30。地轮链轮 Z6=23,中间过渡链轮和铰龙链轮为 Z7=Z8=Z9=20。施肥传动系统简图如图3-3所示。 Ⅱ轴锥齿轮Z2 2.Ⅰ轴锥齿轮Z1 3.万向节 4.齿轮箱 5.Ⅱ轴直齿Z3 Ⅲ轴直齿轮Z4 7.Ⅳ轴直齿轮Z5 8.联轴器 9.开沟装置 图 3-3 3.4 覆土装置的设计与造型 开沟施肥机开沟并施肥后由覆土装置将沟填平,要保证覆土质量,覆土圆盘需要有合适的斜度。要满足此斜度,需使覆土圆盘能在两个维度里旋转。以图3-4所示零件为核心,将覆土装置设计为图3-5所示,这种结构使覆土圆盘既能在x-y平面内左右转动,自身又能沿转杆360度旋转,可以充分满足覆土圆盘需要的斜度。 图3-4 二级调节杆 图3-5 覆土装置 4 主要零件的计算与校核 4.1链轮的选型与设计计算 链轮:带嵌齿式扣链齿的轮子,用以与节链环或缆索上节距准确的块体相啮合一种实心或带辐条的齿轮,与滚子链啮合以传递运动。 ⑴链条参数根据GB1243.1-83 链条参数见表4-1。 表4-1 链条参数 链条节距 链条滚子外径 内链板高度 链条排距 内链节内宽 44.45 25.4 14.97126 48.87 25.22 图4-1 链条 ⑵链轮参数 如图4-1链轮模型,计算得出链轮参数见表4-2所示。 表4-2 链轮参数 链轮齿数 链轮节距 链轮节圆直径 链轮齿侧凸缘直径 链轮齿宽 15 44.45 213.7927 163 24 12 44.45 171.7416 120 24 13 44.45 185.7379 135 24 18 44.45 255.9774 206 24 图4-2链轮模型 选定主动链轮齿数13,从动链轮齿数11。链条和链轮关键参数的计算过程如下链速: 齿顶圆直径 齿根圆直径 4.2链轮轴的设计计算与校核 ⑴轴的选择 表3-1轴的常用材料及主要力学性能 材料及热处理 毛坯直径mm 硬度HBS 强度极限 /MPa 屈服强度 /MPa 弯曲疲劳极限 /MPa 应用说明 45正火 100 149 -187 520 270 250 有较好的塑性和适当的强度,可做一般曲轴、转轴等 选取轴的材料为45碳素钢,正火处理。 ⑵根据地轮的转动速度得输出为 , (4-1) ⑶求作用在轴上的力 已知轴的直径为=50㎜。 圆周力: (4-2) 径向力: (4-3) 法向力: ⑷强度校核 查阅机械设计手册可知此轴在挖沟的过程中主要受到的是转矩,根据设计手册可得到公式: (4-4) 由设计参数我们可设功率为15kW,链条速度为1m/s,由v=rw取A=107,该轴材料为45钢 所以得到 ≥50mm 已知:,, 圆周力: 径向力: 取折合系数,代入上式得 计算危险截面处轴的直径 轴材料为45号钢,调质处理,查得 ,查的许用弯曲应力 , 考虑到键槽对轴的削弱,将d值加大4%,故 , 粗取轴径为60,轴一为低速轴,合适,安全。 4.3开沟传动轴的设计计算与校核 ⑴输入高速轴的,、 ⑵求作用在齿轮上的力 因为已知低速级小齿轮分度圆直径为 圆周力: (4-5) 径向力: 法向力: ⑶初步确定最小直径 没有特殊要求,选轴材料为45钢,调制处理,HBS为:217~255 ⑷强度校核 已知:轴的结构如下页图, 圆周力: 径向力: 作用在轴左端带轮上外力: 径向力: 作用在轴左端带轮上外力 (垂直面的支承反力 (水平面的支承反力 (F力在支点产生的反力 根据设计参数可得:主动链轮的扭矩: M=FR=PR/v=15KN×273mm=4095Nm 该轴为实心轴,查阅设计手册计算其极惯性矩和抗扭截面模量分别: Jp=0.1D4=51.2cm2 (4-6) Wn= 扭转强度条件: 由于采用的45钢做材料 代入数据进行计算 显然满足条件。这里我们不进行扭转刚度条件校核因为扭转强度条件显示极限应力远小于许用 应力。 5特殊零件的设计 5.1覆土圆盘斜度调节装置的设计 果园中被开沟器甩出来的土需要覆土装置回填进施肥后的沟壑中,以满足覆土厚度的要求。目前常用的覆土器有刮板式、圆盘式、弹齿式、爪盘式、链环式等。前面两种覆土器主要用于行距较宽、覆土量大、覆土严密等情况下,后面三种覆土器为全幅覆盖,要用于行距较窄的条播施肥方式。 本设计的开沟施肥机开沟并施肥后由覆土装置将沟填平,要保证覆土质量,覆土圆盘需要有合适的斜度。要满足此斜度,需使覆土圆盘能在两个维度里旋转。以图5-2所示零件为核心,将覆土装置设计为图5-1所示,这种结构使覆土圆盘既能在x-y平面内左右转动,自身又能沿转杆360度旋转,可以充分满足覆土圆盘需要的斜度。 图 5-1 二级调节杆 图 5-2 覆土圆盘 工作时,开沟器开出的沟槽横断面为梯形,并将土壤抛用至沟两边,在两边分别形成两行横截面为三角形形状的土堆。漫土装置悬挂在手扶幵沟机后面,通过底座的限位螺栓的调节,使刮板与地面保持一定高度。两块弧形刮板呈“八”字形放置,刮板随幵沟机向前推进,给两边的土一个里直于刮板内侧的正压力,在正压力的作用下,使两边的土向沟内侧移动,进入沟槽中,对肥料进行覆盖,实现覆土功能。遇到起伏不平整地面时,刮板下端受到地面的作用力,刮板、限位套筒及导杆上移,使整个覆土装置在滑槽内卜移。由于整个覆土装置与地面呈一定角度悬挂,在装置整体上移的同时还会产生向前运动的趋势,为了防止导杆卡死在山地相橘园开沟施肥机的设计与研究导套内,故在导套内装有直线轴承,减少导杆与导套的摩擦。当恢复平地时,在压賛的作用下,整个覆土装置下移至初始状态,实现仿形功能。如图5-3所示。 图 5-3 覆土装置 5.2排肥绞龙的设计 作物施肥分为基肥、种肥和追肥。基肥又叫底肥,是在播种前施入地面的肥料,它的施肥方法主要有撒施法、条施法、穴施法和分层施肥法;种肥是在作物播种、栽培块莲或移植幼苗时使用的肥料,它的施肥方式主要有拌种法、浸种法、沾秧根法、盖种肥法;追肥是在作物生育阶段对其施加的肥料,主要以有机肥为主,追肥的方法有撒施法、条施法、穴施法、环施法和喷施法。根据施肥的方法不同,排肥器的种类也不一样,本课题研究的施肥装置主要用于山地果园的追肥,故主要以肥为主。常用的排肥器主要有以下几种: ⑴外槽轮式排肥器 工作原理类似于外槽轮式排种器,肥箱下面装有排肥盒,颗粒状复合肥料重力作用下进入肥盒,排肥轴的转动使肥盒内的化肥从肥盒的槽轮中流出,该排肥器结构简单、排均勾稳定,主要用于排施流动性较好的颗粒状复合肥,排粉状或潮湿的化肥时,容易堵塞槽轮,失去排肥能力。 ⑵星轮式排肥器 该排肥器的工作原理是利用星轮的旋转将星齿间的化肥强制排出,其排肥稳定变异系数的变化范围为星轮的拆卸也很方便;为了便于清除残存在肥箱内的化肥,在肥箱底部装有活页式铰链,可以直接打开箱底进行清理。 ⑶螺旋式排肥器 工作原理是利用排肥螺旋的回转将肥料推入排肥肥管,排肥螺旋叶片有三种,分别是普通型、中空型和钢丝弹簧型。该排肥器适用于一次性装肥量较大的场合,排肥量小时,排肥的均匀性较差。 ⑷水平刮板式排肥器 工作原理是利用曲面刮板或者弹击刮板在水平面上旋转将化肥排出,主要用于碳酸氧铵等流动性差的化肥的排施,排肥稳定性好,但排肥阻力大,不适用于流动性好的颗粒状复合肥。 ⑸搅刀一拨轮式排肥器 该排肥器的结构特点是利用搅刀筒和排肥轮两部件的配合,一方面消除了碳铵在肥箱内架空和堵塞的可能性;另一方面,利用强制排肥原理确保排肥量稳定均勾(谷谒白,。该排肥器制造工艺简单、通用性好,可以广泛应用于各种大型和小型的施肥机具上。 ⑹振动式排肥器 工作原理是利用凸轮的转动带动振动板不断振动,使化肥在肥箱内循环运动,并沿振动板斜面下滑至排肥口排出。该种排肥方式可消除肥箱内化肥的“架空”,排肥量的大小由调节板调节。由于振动关系,肥箱内肥料多少、粘结力以及肥料密度等因素对肥料排量影响较大,排肥量不稳定。 该课题所研究的是用于新疆果园果树的追肥,肥料主要是流动性较好的颗粒状复合肥,要求排肥器结构简单、操作方便、通用性好,故选择螺旋式排肥器。螺旋排肥绞龙如图5-4所示。 图 5-4 5.3传动箱箱体的设计 本果园开沟施肥机开沟系统的动力源为拖拉机的动力输出轴,拖拉机的动力通过传动箱中两个锥齿轮和三个直齿轮的作用,将动力传至开沟传动轴,继而带动开沟刀盘按要求的速度转动,实现开沟。 传动箱的箱体分为两部分,一部分在机架上部,一部分在机架下部。两部分配合起来的总箱体如图5-5所示。 通过计算,准确设计出两传动箱的长、宽、高及传动箱上各轴承座的位置,由此实现各齿轮的密切陪合,高效、准确地将拖拉机动力输出轴的动力传递至开沟刀盘。 图 5-5 传动箱(总) 总 结 马上就要走出校门,毕业设计是我们离开学校前的最后一门课程,也是对大学四年来所学知识及我们自身能力的总结和考验。 本文以新疆果园主要果树(葡萄、红枣等)为研究和服务对象,针对其矮化、密植的种植特点,以功耗低、可操作性好为目标,结合专业知识以及实践基础,提出了一种果园开沟施肥联合作业机具。本机具有以下特点: 本机器结构简单、紧凑,各个零件的要求较低,便于生产加工; (2)该机器工作可靠,能较好地满足果园的开沟和施肥工作,在田间作业时对土壤的要求不高,对于新疆沙土地的实际条件,可以实现较高的工作效率。 本文介绍的果园开沟施肥机成本低,效率较高,和小型四轮拖拉机配合使用,具有操作简单,占地面积小等诸多优势。能较好的满足承包户的经济要求,以及实际生产要求。 致 谢 非常感谢李平老师在我大学的最后学习阶段——毕业设计阶段给我的指导,从最初的定题,到资料收集,机械设计,到写作、修改,到论文定稿,她都给了我耐心的指导和无私的帮助。 前段时间李老师因身体不适而住院,但她虽然身在医院,却依然心系我们,仍然不忘指导我们的毕业设计。李老师这种无私奉献的敬业精神令人钦佩,在此对李老师表示深深的谢意和敬佩!同时,感谢所有任课老师和所有同学在这四年来给自己的指导和帮助,是他们教会了我专业知识,教会了我如何学习,教会了我如何做人。正是由于他们,我才能在各方面取得显著的进步,在此向他们表示我由衷的谢意。 通过这一阶段的努力,我的毕业论文终于完成了。毕业设计这项工作,总体来说,是一项艰巨的任务。大学生活即将结束,在大学阶段,我在学习上和思想上都受益非浅,这除了自身的努力外,与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。 写作毕业论文是一次再系统学习的过程,毕业论文的完成,同样也意味着新的学习生活的开始。我将铭记我曾是一名塔大学子,在今后的工作中把塔大的优良传统发扬光大。 “自强不息,求真务实”! 参考文献 [1]新疆生产建设兵团统计局,国家统计局兵团调查总队.新疆生产建设兵团统计年鉴2014[M].北 京:中国统计出版社,2014. 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