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附錄：
對傳輸動力輸出和負(fù)載農(nóng)用拖拉機(jī)齒輪選擇在旋耕的作用
摘要：
為了讓拖拉機(jī)在現(xiàn)場作業(yè)中獲得更好的性能和耐久性，為這項操作選擇合適的齒輪設(shè)置是必要的。本研究的目的是分析在20cm深的旋耕時一個75kW的負(fù)載農(nóng)用拖拉機(jī)的傳輸動力輸出和齒輪選擇的作用。為了測量作用在變速器和動力輸出輸入軸的負(fù)載，負(fù)載測量系統(tǒng)被安裝在拖拉機(jī)上。該系統(tǒng)由測量轉(zhuǎn)矩的傳遞和動力輸出的輸入軸的應(yīng)變儀傳感器，獲取傳感器信號的一個無線電遙測I / O接口和采集數(shù)據(jù)嵌入式軟件構(gòu)成。旋耕在相同的土壤條件的旱田網(wǎng)站以三個地面速度和三個動力輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行。用雨流計數(shù)和SWT （史密斯沃森濤培）方程將負(fù)載數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為載荷譜。對于每個齒輪的選擇負(fù)載損壞的總和利用的是改性Miner規(guī)則來計算，然后負(fù)載嚴(yán)重性的計算和損壞總和的計算同樣重要。當(dāng)PTO轉(zhuǎn)速不變時，變速器輸入軸的平均扭矩的地面速度顯著地從L1（ 1.87km/h）到L3（ 3.77km/h）。另外，當(dāng)對地速度不變時，PTO轉(zhuǎn)速上升的同時動力輸出輸入軸的平均轉(zhuǎn)矩增加。旋耕施加在動力輸出輸入軸上的載重顯著比變速器輸入軸大。變速器和PTO軸負(fù)載的嚴(yán)重性增加，同時作為地面和動力輸出旋轉(zhuǎn)速度增加，表明可能降低疲勞壽命。這個研究的結(jié)果可能會為齒輪和旋耕的選擇提供有用的信息，不僅考慮耕地效率，還考慮傳輸和動力輸出輸入軸負(fù)載的重要性。
1、 簡介
農(nóng)用拖拉機(jī)作為動力源通過驅(qū)動橋，取力器（PTO）設(shè)備，以及液壓管路應(yīng)用于各種野外作業(yè)，如耕作，播種，化學(xué)應(yīng)用，收割，運(yùn)輸。在世界上的很多國家農(nóng)用拖拉機(jī)的數(shù)量正在不斷增加。例如，在韓國拖拉機(jī)的利用率已經(jīng)在春季和秋季增加到2010年的農(nóng)業(yè)工作日內(nèi)71.8％（Park等人，2010年a，b）。拖拉機(jī)具有不同程度的駕駛和動力輸出齒輪設(shè)置，并且所述齒輪設(shè)置的不同組合可用于提供適用于操作類型和耕地條件所需的功率。
因為載重作用在拖拉機(jī)上，部分的耐用性和工作性能是由齒輪設(shè)置（ Park等人， 2010年c ）確定的，所以最佳齒輪設(shè)置為操作類型是重要的。拖拉機(jī)零部件的耐用性是需要重要考慮的（Rotz 和Bowers, 1991）之一。西門子和鮑爾斯（ 1999）報道，由于過高的運(yùn)行速度，美國農(nóng)民花了大約40 ％的總維修費(fèi)用來修復(fù)拖拉機(jī)和30％左右修復(fù)的磨損的動力總成零部件。此外，工作性能影響拖拉機(jī)的燃油消耗。在韓國，由拖拉機(jī)每年的燃料消耗量為345毫升/年的情況下，約占農(nóng)業(yè)機(jī)械（ KAMICO和KSAM ， 2010）的年度總油耗48.5 ％。因此，分析齒輪選擇過程中野外作業(yè)的拖拉機(jī)負(fù)荷的影響將是有意義的。
基希勒等（2011）分析了變速器檔位選擇對拖拉機(jī)性能的影響，并報道當(dāng)該齒輪設(shè)置在從3.0變公里/小時8.3公里/小時的犁耕時燃料消耗率增加了105％，實(shí)施草案增加了28％，并且需要的功率增加了255％，一些研究分析了在野外作業(yè)的拖拉機(jī)負(fù)荷用于拖拉機(jī)的高效和優(yōu)化設(shè)計（格拉赫，1966;Han等，1999）范等人，2009）。因為它彌補(bǔ)了約30％的拖拉機(jī)的總成本，大多數(shù)研究上的負(fù)載分析都集中在傳輸（如金，1998年）。用于傳輸負(fù)載的分析，研究人員分析轉(zhuǎn)矩負(fù)載作用在變速器輸入軸和拖拉機(jī)的字段中的操作，例如犁耕作的驅(qū)動車軸（Kim等人，2001; Nahmgung，2001）。在大多數(shù)領(lǐng)域的條件下，對變速器輸入軸的負(fù)載和驅(qū)動車軸用犁耕速度增加。
一些研究中認(rèn)為在旋耕和壓捆操作時負(fù)載在動力輸出軸上。Kim等人（ 2011b ）進(jìn)行分析在壓捆機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時發(fā)動機(jī)額定功率為75千瓦的拖拉機(jī)的功率消耗，并報告了功耗發(fā)動機(jī)功率消耗的比率分別為所有動力輸出齒輪水平的50-75％ 。此外， Kim等人（ 2011a）分析了一個30千瓦的農(nóng)用拖拉機(jī)主要部件（驅(qū)動橋，動力輸出軸和液壓泵）在犁耕，旋耕，和裝載機(jī)操作時的功率要求。旋耕所需的最大功率和在過程中動力輸出軸在各組成部分之間的所占功率的最大數(shù)量。綜合以上調(diào)查結(jié)果，旋耕期間在動力輸出軸上應(yīng)用合理的載重數(shù)量。然而，關(guān)于傳輸（即，運(yùn)算速度）的影響和在現(xiàn)場作業(yè)的拖拉機(jī)載重動力輸出齒輪的選擇的研究尚未見報道。
這項研究主要是為了最佳的齒輪設(shè)置提供導(dǎo)向做出的努力，既考慮了耕地效率又考慮了主要功率傳輸部件的載重嚴(yán)重性。這項研究的目的就是分析傳輸?shù)妮d重行為的齒輪選擇以及在旋耕過程中75kW的農(nóng)用拖拉機(jī)的動力輸入輸出軸的影響。
2、 材料和方法
2.1測量系統(tǒng)
這項研究用到的是一個75kW的農(nóng)用拖拉機(jī)(L7040, LS Mtron Ltd., Korea) 。這個拖拉機(jī)的總質(zhì)量為3260千克，體積為4077mm×2000mm×2640mm（長×寬×高）。在引擎轉(zhuǎn)速2300轉(zhuǎn)時，額定發(fā)動機(jī)功率和拖拉機(jī)的動力輸出功率分別為75千瓦和65千瓦。拖拉機(jī)是配備一個同步-網(wǎng)格類型的由兩個方向齒輪、四個主齒輪、四個副齒輪組成的手動變速箱。拖拉機(jī)的16個向前和16向后地面速度由齒輪設(shè)置組合決定。相應(yīng)的，拖拉機(jī)動力輸出的旋轉(zhuǎn)速度在P1,P2,P3設(shè)置中分別為540 rpm,750rpm,1000rpm。圖一顯示在傳輸裝置上設(shè)置了轉(zhuǎn)矩遙感器和無線遙測系統(tǒng)和載重措施的動力輸入軸。傳輸裝置和動力輸入軸是直接與發(fā)動機(jī)曲軸聯(lián)系起來的；因此，發(fā)動機(jī)曲軸和輸入軸的速度比率為1:1。載重測量系統(tǒng)被安裝在離合器殼里面。載重測量系統(tǒng)由應(yīng)變儀傳感器(CEA-06-250US-350,MicroMeasurement Co., USA)構(gòu)成去測量轉(zhuǎn)矩，無線電遙測I/O接口去獲得傳感器的信號和一個內(nèi)置的系統(tǒng)去分析載重。對于傳輸?shù)妮d重測量，一個帶有天線的應(yīng)變儀被安裝在變速器輸入軸中，轉(zhuǎn)子和定子天線安裝在軸的情況。相應(yīng)的，為了實(shí)現(xiàn)動力載重測量，一個應(yīng)變儀安裝在飛輪套筒上，而一個轉(zhuǎn)子天線和一個定子天線被安裝在飛輪和引擎的情況下。這個內(nèi)置的系統(tǒng)有一個最大的24位的分辨率。校準(zhǔn)扭矩傳感器的應(yīng)變儀的負(fù)載信號已經(jīng)在24位分辨率下的19.2 khz的采樣率被數(shù)字化了而被存儲在嵌入式系統(tǒng)中(MGC,HMB,德國)。一個用來測量負(fù)載信號的程序是基于實(shí)驗室查看軟件(美國國家儀器2009年版本)被開發(fā)的。
2.2 實(shí)驗方法
在田間操作中作用于拖拉機(jī)的荷載取決于許多因素如：土壤條件和駕駛技能。因為把所有這些因素都考慮進(jìn)去是不實(shí)際的(Nahm-gung,2001),所以在這項研究中將這些因素的影響最小化而專注于地面速度和通過齒輪選擇負(fù)載上的動力輸出轉(zhuǎn)速的影響。
旋耕是由三個地面速度和三個動力輸出旋轉(zhuǎn)速度在旱地位置位于北緯35o59'23"和35o59'26"和東經(jīng)127o12'56"和127o13'3"。土壤類型是沙土，平均水分含量為22.3%,和平均圓錐指數(shù)為1236 kPa,在0 - 250毫米的深度。
耕地深度設(shè)置為20厘米。相應(yīng)的，變速器的齒輪設(shè)置為L1，L2和L3齒輪與動力輸出齒輪P1，P2，和P3相匹配。齒輪設(shè)置基于一項由Kim等人(2011a)報道的為年度拖拉機(jī)使用比例的調(diào)查的結(jié)果進(jìn)行選擇。拖拉機(jī)的地面速度在L1,L2,L3的情況下分別1.87公里/小時,2.64公里/小時,和3.77 公里/小時，它的動力輸出旋轉(zhuǎn)速度在P1,P2,P3的情況下分別為540 rpm,750 rpm,和1000 rpm。旋耕工具是一個重型旋耕機(jī)(WJ220E、WOONGJIN、韓國)和所需的額定功率,總質(zhì)量，耕地寬度和體積分別為75千瓦，750公斤，2220毫米和1050毫米×2390毫米×1380毫米（長度×寬度×高度）。
2.3載荷分析
根據(jù)不同的目的，分析拖拉機(jī)負(fù)荷的程序就會不同。許多研究人員為了表示載荷已經(jīng)使用簡單統(tǒng)計如：平均、最大、最小值等。該方法提取代表值用來顯示幅值的差別,但是因為田野負(fù)載是不規(guī)則的，所以這種簡化禁止描述整個加載配置文件。齒輪設(shè)置對變速器和動力輸出負(fù)載設(shè)置,單向方差分析和最小顯著差測試(LSD)的影響是由SAS(版本9.1,SAS研究所卡里,美國)傳導(dǎo)的。同時,因為負(fù)載導(dǎo)致拖拉機(jī)的損害,拖拉機(jī)零件的疲勞也需要調(diào)查，所以要表示負(fù)載對拖拉機(jī)的影響是很難的。拖拉機(jī)的疲勞程度被定義為重復(fù)載荷的損失總和(Lampman,1997）。
純樸,Kim等人(1998、2000)提出的另一種表示負(fù)載的方法，這種方法被定義為每個操作損失總和與所有操作最小損失總和之比。純樸與疲勞壽命成反比。當(dāng)負(fù)載嚴(yán)重越大時,疲勞壽命會越短。Kim等人.(1998)測量了作用在傳動輸入軸上的負(fù)載和分析了在耕作,旋耕和運(yùn)輸操作時的負(fù)載嚴(yán)重性。他們發(fā)現(xiàn)運(yùn)輸操作的負(fù)載嚴(yán)重性與耕作時的負(fù)載嚴(yán)重性類似。但旋耕時的負(fù)載嚴(yán)重性約為運(yùn)輸操作時的63倍。之后，Kim等人（2000）分析了在旋耕期間變速器輸入軸的嚴(yán)重性，旋耕是右四個拖拉機(jī)的速度組合地面速度(2.9公里/小時和4.1 km / h)和動力輸出旋轉(zhuǎn)速度(588和704 rpm)并且使用了一個發(fā)動機(jī)額定功率為30千瓦的拖拉機(jī)。當(dāng)動力輸出速度增加到與地面速度相同時，負(fù)載嚴(yán)重增加了2.3 -2.6倍；而當(dāng)?shù)孛嫠俣仍黾又僚c動力輸出速度相同時，嚴(yán)重性下降了0.2-0.3倍。
圖2是一個解釋嚴(yán)重性計算過程的框圖。因為轉(zhuǎn)矩的數(shù)據(jù)不規(guī)則(熊和Shenoi,2005)，所以使用雨流循環(huán)計數(shù)法將測量轉(zhuǎn)矩的數(shù)據(jù)從時域轉(zhuǎn)換到頻域。雨流循環(huán)計數(shù)技術(shù)通常被認(rèn)為是一個好的預(yù)測疲勞壽命的循環(huán)計數(shù)法（Hong,1991)。它將一個變幅加載歷史它分解成一系列簡單的事件相當(dāng)于個人恒定負(fù)載周期振幅(Glinka和Kam,1987)。此外,Smith-Waston-Topper單軸方法用于計算譜級用方程（1）來去除平均轉(zhuǎn)矩的影響(道林,1972)。
方程中Te相當(dāng)于轉(zhuǎn)矩（Nm），ta是扭矩振幅（Nm），tm是平均轉(zhuǎn)矩（Nm）。
因為測量的負(fù)載數(shù)據(jù)的記錄時間相對較短(180 - 200s),所以拓展拖拉機(jī)的旋耕的總的使用時間的周期數(shù)是非常必要的。為了在負(fù)載的大小上計算周期的總數(shù),測試拖拉機(jī)的整個壽命被假設(shè)進(jìn)來。負(fù)載周期的總數(shù)由方程（2）進(jìn)行計算：
N7=3600NLh （2）
方程中N7負(fù)載周期的總數(shù)目（圈數(shù)），N是測量負(fù)載的計算周期數(shù)目（圈數(shù)），L是已用的拖拉機(jī)的整個壽命（年），h為拖拉機(jī)操作的年使用次數(shù)（小時/年）。
在韓國，拖拉機(jī)被用來旋耕的年度使用時間是204個小時(李,2011)。使用的拖拉機(jī)的整個壽命被認(rèn)為是10年,這是在韓國農(nóng)業(yè)的條件下的正常的數(shù)據(jù)。對于拖拉機(jī)的整個壽命的載荷譜用于旋耕時在不同的齒輪設(shè)置下由測量負(fù)載與額定發(fā)動機(jī)扭矩負(fù)載之比來表示,為275海里。兩項之比大于1表明不利的負(fù)載級別大于額定發(fā)動機(jī)扭矩負(fù)載。
使用測量負(fù)載去計算損失總量和用S-N(彎曲應(yīng)力與循環(huán)的數(shù)量)曲線估計數(shù)量的周期加載損耗(法特米和陽,1998)。由于損傷是由轉(zhuǎn)矩信號引起的，S-N曲線轉(zhuǎn)換為扭矩-周期曲線(Graham 等,1962;阮等,2011)。為了輸入軸的材料得到S-N曲線,SCM 420 h,在方程（3）中使用ASTM標(biāo)準(zhǔn)(2004)。ASTM標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)廣泛的用于材料的疲勞分析(Wannenburg 等, 2009;Mao, 2010).
方程中的N表示周期數(shù)，S表示切削硬度（兆帕）。
為了計算損害總和，負(fù)載譜的等效扭矩被轉(zhuǎn)換成壓力(Rahama 和Chancellor,1994; Petracconi 等, 2010). 變速器和 PTO輸入軸的直徑分別是 28 毫米和 26.5 毫米。
(4)
其中，S 是應(yīng)力 (MPa)，T 為等效扭矩 (Nm)，d (mm) 軸的直徑。
損傷總和是基于式（5）Miner定律（Miner,1945）計算的。Miner定律是用來估算荷載到空載的轉(zhuǎn)數(shù)的(Miner，1945 年; Robson，1964 年;Renius，1977年）。循環(huán)的次數(shù)(n)來自載荷譜的等效扭矩。派生疲勞壽命轉(zhuǎn)(N)是從S-N 的 SCM 420 H。損壞(D)由轉(zhuǎn)數(shù)除以疲勞壽命轉(zhuǎn)數(shù)計算得出的。
(5)
Dt是損壞總量，ni轉(zhuǎn)數(shù)，Ni是疲勞壽命（轉(zhuǎn)數(shù)）。
3. 結(jié)果和討論
3.1. 檔位選擇的變速器和 PTO 載荷
圖 3 顯示的示例為在對地速度 L1時變速器和PTO輸入軸扭矩載荷和旋耕操作期間PTO 轉(zhuǎn)速為P2時的載荷。旋耕操作包括準(zhǔn)備期，下降 3 點(diǎn)懸掛、 運(yùn)行期，耕地和完成期間上升 3 點(diǎn)懸掛。測量扭矩在變速器和 PTO 輸入軸在準(zhǔn)備階段陡增，在完成期間下降，扭矩在運(yùn)行期間不規(guī)則波動模式出現(xiàn)在這些組件上。在運(yùn)行期間，PTO輸入軸上的測量扭矩程度和范圍大于變速器輸入軸。
表 1 顯示的扭矩水平上變速器和由PTO輸入的軸速度對地速度(L1、 L2、 L3) 和PTO旋轉(zhuǎn)速度 （P1、 P2、 P3） 的合。平均扭矩只對運(yùn)行期間數(shù)據(jù)進(jìn)行了計算，不包括準(zhǔn)備和完成期。旋耕期間，PTO輸入軸的平均的扭矩水平大于那些變速器輸入軸齒輪各級。在旋耕期間主要組件所需力量最大的結(jié)果與Kim et al.(2011a)的結(jié)果相似。
在相同的動力輸出轉(zhuǎn)速下，對地速度從L1增至L3時，變速器輸入軸上的平均扭矩大大增加。犁耕提速時，變速器和傳動軸上負(fù)載增加也由 Kim et al.（2011a，b）和Nahmgung（2001 年）發(fā)現(xiàn)。此外，當(dāng)PTO旋轉(zhuǎn)的速度增加時，變速器輸入軸上的平均負(fù)載增加，而在L1P2 和 L1P3 之間負(fù)載值均無顯著差異。對地速度和PTO旋轉(zhuǎn)的速度增加時，PTO輸入軸上的平均扭矩增加。這些增量對PTO旋轉(zhuǎn)的統(tǒng)計學(xué)速度有意義，但對對地速度沒有顯著意義。
3.2. 受損度評估
圖4 和 5分別顯示旋耕期間變速器和PTO輸入軸由齒輪設(shè)置的載荷譜。載荷譜的建立考慮了拖拉機(jī)的整個壽命中的轉(zhuǎn)數(shù)，從 103 到107 的范圍內(nèi)。變速器輸入軸的最大扭矩比率的范圍是合速度為 0.7 -1.5，在 L3P1 被發(fā)現(xiàn)的最大扭矩比率，如圖 4 所示。
一般情況下，對地速度和PTO旋轉(zhuǎn)的速度增加時扭矩比率增加。旋耕時對地速度和動力輸出轉(zhuǎn)速越大，PTO輸入軸上的負(fù)荷越大。如圖 5 所示，PTO輸入軸的扭矩比例大于變速器輸入軸。PTO 輸入軸的最大扭矩比率范圍是0.8-2.5，且最大扭矩比率也在 L3P1被發(fā)現(xiàn)，變速器輸入軸也是如此。動力輸出轉(zhuǎn)速越大，PTO輸入軸上負(fù)載越大。
圖6 顯示了旋耕期間由齒輪設(shè)置受損度的評估。每個齒輪設(shè)置的受損度由合速度中損傷總和與最小的損傷總和的比代表。圖 6 (a) 顯示的輸入傳動軸受損度的比較。最小受損度在最低合速度即變速器被設(shè)置到L1， PTO齒輪被設(shè)置到P1時獲得。合速度增加則受損度增大，在對地速度增大時受損度增量變得更大。當(dāng)傳動齒輪在相同動力輸出轉(zhuǎn)速下從 L1轉(zhuǎn)換到 L3時，對地速度增加201%則受損度增加573-746%，。在恒定對地速度下，PTO齒輪從P1 轉(zhuǎn)換到P3時PTO轉(zhuǎn)速增加 185%，受損度增加187%-340%。從L1P2轉(zhuǎn)換到L1P3時，平均負(fù)載只增加了 11%(35.9-38.7 Nm)，這并沒有統(tǒng)計差別，但受損度增加了182%。
圖6（b）顯示的輸出輸入軸的振動頻率。得到的結(jié)果和變速器輸入軸的情況類似。l1p1速度的組合使得振動頻率最小，且復(fù)合速度增加時，振動頻率也增加。值得引起注意的是，當(dāng)輸出轉(zhuǎn)速增加185%時，振動頻率將增加1078–1655%。動力輸出齒輪從速度P1變化到速度P3時，當(dāng)?shù)孛嫠俣忍岣?01%，振動頻率增加139–213%。傳動齒輪從L1～L3的同樣的動力輸出軸轉(zhuǎn)速。同時，平均負(fù)荷與地面速度的增加在統(tǒng)計學(xué)上分析沒有差別。結(jié)果表明，在動力輸出輸入軸負(fù)載的影響更明顯的是PTO轉(zhuǎn)速而不是地面速度。
4.總結(jié)和結(jié)論
這項研究分析了齒輪荷載選擇對傳輸與一個75千瓦的農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)動力輸入軸在旋轉(zhuǎn)耕作的影響。作用在傳動裝置和PTO輸入軸的外載荷是在旋耕時進(jìn)行測量的。旋耕是在三的地面速度和三軸轉(zhuǎn)速坡高地網(wǎng)站在同一土壤條件下進(jìn)行的。第二，傳動和動力輸入軸的載荷進(jìn)行了評估。結(jié)果表明，變速器輸入軸的平均轉(zhuǎn)矩增加顯?明顯的地面速度從L1至L3在同一動力輸出軸轉(zhuǎn)速。同時，在動力輸入軸的平均轉(zhuǎn)矩增加，在相同的地面速度PTO的旋轉(zhuǎn)速度增加。
最后，負(fù)載嚴(yán)重的傳輸動力輸出和輸入軸進(jìn)行了估算。地面速度和動力輸出軸轉(zhuǎn)速增加時，變速器的輸入軸和輸出軸的振動頻率也增加。當(dāng)?shù)孛嫠俣忍岣?01%，變速器輸入軸的振動頻率增加573–746%，此時傳動齒輪從L1～L3在同一動力輸出軸轉(zhuǎn)速。在相同的地面速度下，振動頻率增加了187–340%時，輸出轉(zhuǎn)速增加185%的動力輸出齒輪從P1到P3。變速器輸入軸的疲勞壽命下降時，聯(lián)合的速度增加，和地面速度的影響更為顯著斜面。的動力輸出軸的嚴(yán)重性增加顯著的1078–1655%時，輸出轉(zhuǎn)速增加185%的動力輸出齒輪從P1到P3在地面的速度常數(shù)。當(dāng)?shù)孛嫠俣忍岣?01%振動頻率增加139–213%，此時傳動齒輪從L1～L3在同一動力輸出軸轉(zhuǎn)速。在變速器輸入軸和動力輸出軸的疲勞壽命是相似的。
農(nóng)民往往以更大的行駛速度進(jìn)行旋耕作業(yè)以獲得更大效率（即，更少的時間）和更大的動力輸出轉(zhuǎn)速旋耕。然而，更大的行駛和PTO速度，會造成更大的負(fù)載和較短的輸入軸疲勞壽命。此外，更高的速度，可能會導(dǎo)致耕作操作后不良的土壤條件。例如，不當(dāng)?shù)母咝旭偹俣瓤赡軙?dǎo)致較粗的土壤條件，而輸出轉(zhuǎn)速太快可能會導(dǎo)致好的的土壤狀況，作物比以前得到生長更好和更少的環(huán)境問題，如水土流失良好。農(nóng)民需要根據(jù)對作物和土壤條件的設(shè)定選擇最佳的齒輪，而不僅只考慮效率。
致謝
該研究項目得到了韓國食品部農(nóng)業(yè)--林漁業(yè)生物產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)項目的大力支持。
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書
論文（設(shè)計）題目： 小型旋耕機(jī)設(shè)計
學(xué)號： 2010963041 姓名： 張毅 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
指導(dǎo)教師： 朱石沙 系主任：
一、主要內(nèi)容及基本要求
查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，基本掌握小型旋耕機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀和工作狀況，從其運(yùn)動學(xué)分析著手，開展整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、并對裝置的動力傳動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。
要求：
1、查閱相關(guān)資料，大致了解本次設(shè)計要研究的具體內(nèi)容；
2、設(shè)計一種小型旋耕機(jī)，并對其進(jìn)行分析
3、若干圖紙；
4、撰寫畢業(yè)設(shè)計說明書。
5、外文文獻(xiàn)翻譯，字?jǐn)?shù)3000字以上。
2、 重點(diǎn)研究的問題
小型旋耕機(jī)的傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計
三、進(jìn)度安排
序號
各階段完成的內(nèi)容
完成時間
1
查閱資料、調(diào)研
第1-2周
2
開題報告、制訂設(shè)計方案
第3周
3
方案（設(shè)計）
第4-5周
4
皮帶傳動為傳動方式的小型耕作機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計
第6-7周
5
寫出初稿，中期檢查
第8-9周
6
修改，寫出第二稿
第10-11周
7
寫出正式稿
第12-13周
8
答辯
第14周
四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)
李均. 新型微型旋耕機(jī)問世[J]. 農(nóng)家致富，2006，（24）
李明杰. 亞澳牌1GQNB-180型旋耕機(jī)[J]. 當(dāng)代農(nóng)機(jī). 2006(01)
李源俸，陳毅培. 變速滅茬旋耕機(jī)的設(shè)計研究[J]. 南方農(nóng)機(jī). 2006(01)
何忠良，辛惠芳. 旋耕機(jī)刀片排列規(guī)則的探討[J]. 山西農(nóng)機(jī). 2000(S1)
說明書 2008
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計說明書
題目： 小型旋耕機(jī)
學(xué) 院： 興湘學(xué)院
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
學(xué) 號： 2010963041
姓 名： 張毅
指導(dǎo)老師： 朱石沙
完成日期： 2014年5月15日
目錄
摘要
Abstract
第一章 引言…………………………………………………………(4)
第二章 總體設(shè)計……………………………………………………（5）
2.1設(shè)計的內(nèi)容……………………………………………………………………(5)
2.2設(shè)計依據(jù)………………………………………………………………………(5)
2.3 設(shè)計要求 ……………………………………………………………………(5)
第三章 總體方案論證………………………………………………（7）
3.1中間鏈傳動結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計…………………………………………………（7）
3.2主要結(jié)構(gòu)和參數(shù)的設(shè)計與選擇計算…………………………………………（7）
3.3.旋耕刀滾的設(shè)計……………………………………………………………（9）
3.4雙油封和擋草圈的設(shè)計…………………………………………………… （11） 3.5 1G-100旋耕機(jī)主要技術(shù)規(guī)格及基本參數(shù)…………………………………（11） 第四章 總體結(jié)構(gòu)的布置與設(shè)計……………………………………（12） 4.1 傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計………………………………………………………………（12） 4.2 主要結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計…………………………………………………………（12）
第五章 鏈傳動的設(shè)計與計算………………………………………（14） 5.1 鏈傳動的設(shè)計計算………………………………………………………… （14） 5.2 鏈輪設(shè)計計算……………………………………………………………… （15） 第六章 主要零部件強(qiáng)度計算………………………………………（16） 6.1 鏈傳動的強(qiáng)度的磨損核算………………………………………………… （16） 6.2 傳動軸的強(qiáng)度計算和疲勞強(qiáng)度校合……………………………………… （16） 6.3 滾動軸承的計算和選擇…………………………………………………… （19）
總結(jié)………………………………………………………………… （20）
參考文獻(xiàn)…………………………………………………………… （21）
小型旋耕機(jī)
摘 要: 水旱兩用旋耕機(jī)具有體積小，重量輕，性能好，操作容易，轉(zhuǎn)動方便，適應(yīng)性廣，價格合宜，水旱兩用旋耕機(jī)機(jī)動靈活，一般中小型機(jī)械廠、農(nóng)機(jī)廠均可生產(chǎn)制造的要求。如果設(shè)計成功,本機(jī)可進(jìn)行旱田旋耕、水田耙整等項作業(yè)，能彌補(bǔ)現(xiàn)有旋耕機(jī)存在功能較單一、生產(chǎn)效率偏低等不足之處。
我設(shè)計的是一臺水旱兩用旋耕機(jī)，與黃海－12（15）馬力手扶拖拉機(jī)相匹配，主要用于水田耕整，也可進(jìn)行旱田耕作。現(xiàn)有的水旱旋耕機(jī)是耕幅為0.6米的老式機(jī)型，而本課題設(shè)計的水旱旋耕機(jī)耕幅為1米。
本設(shè)計與黃海－12（15）馬力手扶拖拉機(jī)相匹配，中間傳動，固定聯(lián)接。設(shè)計內(nèi)容包括機(jī)架、傳動系統(tǒng)、刀輥、尾輪等，要求結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、重心平衡。該機(jī)可用于水田耕整地，也可進(jìn)行旱田旋耕。各項性能指標(biāo)應(yīng)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)和農(nóng)藝要求。通過對水田旋耕機(jī)驅(qū)動輪與土壤相互作用的力學(xué)特性的分析，結(jié)合水田土壤的力學(xué)性質(zhì)，經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，研制水旱兩用旋耕機(jī)驅(qū)動輪，使該驅(qū)動輪具有良好的動力性能。
關(guān)鍵詞: 水田旋耕機(jī)；創(chuàng)新設(shè)計；驅(qū)動輪性能
Design of 1G-100-floods, droughts and dual-use Rotary machine
Abstract:The floods, droughts and dual-use Rotary machine has small size, light weight, performance, and easy to use, easy rotation. it wide adaptability and affordable. Floods, droughts and dual-use rotary machine has tiller-mobile and flexible.Small and medium-sized general machinery factory. The agriculture of factories can manufacturing requirements. If it can successful design, this machine can be floods and drought rotary,and it can rake the whole paddy field’s operations. It can to cover the existing functions of a rotary-existence’s single and low production efficiency, such as inadequate.
I design is one of the floods, droughts and dual-use rotary tiller machine, and it matchs with the Yellow Sea -12 (15) horsepower walking tractor.It not only mainlies for rotary of paddy field, but also for upland farming. The existing floods, droughts and dual-use rotary tiller machine’s rate is the 0.6-metres site in the old models, but the issue of floods, droughts and Rotary machine’s design for the 1-meter site.
The design mach with the Yellow Sea -12 (15) horsepower walking tractor . It makes the middle transmission and fixed link. The design elements include rack, drive system, knife rolls, round tail and so on. It requires frame simple and compact,and it requires the focus of balance. The aircraft not only can be used for paddy’s rotary and formation, but also for upland Rotary. Various performance indicators should meet the state standards and agronomic requirements. Through the driving wheel of paddy fields Rotary interaction with the mechanical properties of the soil analysis, combining the mechanical properties of the soil of paddy field, optimized design, development of floods, droughts and dual-use rotary tiller-driving wheel, so that the driving wheel has a good dynamic performance.
Key words: Floods, droughts and dual-use rotary machine; innovative design;the performace of driving wheel
第一章 引言
經(jīng)過半個多世紀(jì)的努力，中國機(jī)械工業(yè)已經(jīng)逐步發(fā)展成為具有一定綜合實(shí)力的制造業(yè)，初步確立了在國民經(jīng)濟(jì)中的支柱地位。在新的世紀(jì)里，科學(xué)技術(shù)必將以更快的速度發(fā)展，更快更緊密得融合到各個領(lǐng)域中,而這一切都將大大拓寬機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展方向。
它的發(fā)展趨勢可以歸結(jié)為“四個化”：柔性化、靈捷化、智能化、信息化，即使工藝裝備與工藝路線能適用于生產(chǎn)各種產(chǎn)品的需要，能適用于迅速更換工藝、更換產(chǎn)品的需要,使其與環(huán)境協(xié)調(diào)的柔性，使生產(chǎn)推向市場的時間最短且使得企業(yè)生產(chǎn)制造靈活多變的靈捷化,還有使制造過程物耗,人耗大大降低,高自動化生產(chǎn)，追求人的智能于機(jī)器只能高度結(jié)合的智能化以及主要使信息借助于物質(zhì)和能量的力量生產(chǎn)出價值的信息化。
當(dāng)然機(jī)械制造業(yè)的四個發(fā)展趨勢不是單獨(dú)的，它們是有機(jī)的結(jié)合在一起的，是相互依賴，相互促進(jìn)的。同時由于科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，也將會使它出現(xiàn)新的發(fā)展方向。前面我們看到的是機(jī)械制造行業(yè)其自身線上的發(fā)展。然而，作為社會發(fā)展的一個部分，它也將和其它的行業(yè)更廣泛的結(jié)合。21世紀(jì)機(jī)械制造業(yè)的重要性表現(xiàn)在它的全球化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、智能化以及環(huán)保協(xié)調(diào)的綠色制造等。它將使人類不僅要擺脫繁重的體力勞動，而且要從繁瑣的計算、分析等腦力勞動中解放出來，以便有更多的精力從事高層次的創(chuàng)造性勞動，智能化促進(jìn)柔性化，它使生產(chǎn)系統(tǒng)具有更完善的判斷與適應(yīng)能力。
近年來，鹽城拖拉機(jī)制造有限公司發(fā)展迅猛，年產(chǎn)3萬臺系列輪式拖拉機(jī)和8萬臺手扶拖拉機(jī)，銷往國內(nèi)30個省、市和國外60個多國家和地區(qū)。經(jīng)調(diào)查，配套農(nóng)機(jī)具跟不上主機(jī)迅速發(fā)展的要求。其中包括15馬力的手拖仍配置12馬力的旋耕機(jī)，輪式250、700型拖拉機(jī)是新產(chǎn)品，也沒有合適農(nóng)具。因此，研制配套旋耕機(jī)與拖拉機(jī)同步銷售，會使拖拉機(jī)、旋耕機(jī)兩旺。
我設(shè)計的是一臺水旱兩用旋耕機(jī)，與黃海－12（15）馬力手扶拖拉機(jī)相匹配，主要用于水田耕整，也可進(jìn)行旱田耕作。現(xiàn)有的水旱旋耕機(jī)是耕幅為0.6米的老式機(jī)型，而本課題設(shè)計的水旱旋耕機(jī)耕幅為1米。隨著我國農(nóng)村聯(lián)合收割機(jī)的普遍使用，機(jī)割后廢拋的秸桿留在田中，會給夏季插秧帶來很大困難。因此，研制經(jīng)濟(jì)高效的寬幅水田旋耕機(jī)將深受廣大農(nóng)民群眾的普遍歡迎。
第二章 總體設(shè)計
2.1設(shè)計的內(nèi)容
我設(shè)計的是一臺水田耕整機(jī)，與黃海－12（15）馬力手扶拖拉機(jī)相匹配。主要用于水田耕作，也可進(jìn)行旱田耕作。為達(dá)到水旱兩用旋耕機(jī)體積小，重量輕，性能好，操作容易，轉(zhuǎn)動方便，適應(yīng)性廣泛，價格合宜，水旱兩用旋耕機(jī)機(jī)動靈活，一般中小型機(jī)械廠、農(nóng)機(jī)廠均可生產(chǎn)制造的要求，設(shè)計主要內(nèi)容有：
a 總體設(shè)計：設(shè)計總體方案，采用中間鏈?zhǔn)絺鲃樱焕L制總裝圖、田間作業(yè)狀態(tài)圖。
b 零部件設(shè)計：(a) 旋耕部件圖；(b) 尾輪部件圖；(c) 傳動軸、齒輪、鏈輪、箱體、刀輥等零件圖；(d) 有關(guān)計算、校核等。
a)、調(diào)研、收集相關(guān)資料，研究國內(nèi)外各種旋耕機(jī)械的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，結(jié)合實(shí)際情況，擬定結(jié)構(gòu)方案。
b)、與黃海－12（15）馬力手扶拖拉機(jī)相匹配，中間傳動，固定聯(lián)接。設(shè)計內(nèi)容包括機(jī)架、傳動系統(tǒng)、刀輥、尾輪等，要求結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、重心平衡。該機(jī)可用于水田耕整地，也可進(jìn)行旱田旋耕。各項性能指標(biāo)應(yīng)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)和農(nóng)藝要求。
c)、編制設(shè)計計算說明書等文件。
2.2設(shè)計依據(jù)
a、設(shè)計相配套的黃海－12（15）馬力手扶拖拉機(jī)有關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)；
動力輸出軸傳速：554轉(zhuǎn)/分；輸出齒輪模數(shù)：3mm； 齒數(shù)：17；
軸距（mm）：800，740，630，570可調(diào)；
輪胎寬度：200mm；膠輪外徑：600mm；鐵輪（水田用）外徑：800mm；
動力輸出齒輪中心軸離地高度：410mm（膠輪）；
行駛速度（km/h）：1.4，2.5，4.1，5.3；
b、耕耘機(jī)械國家標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 5668.1-1995 旋耕機(jī)；
c、開溝機(jī)械國家標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 7227－1987開溝機(jī)；
d、1G-100型水田耕整機(jī)主要技術(shù)參數(shù)
刀輥轉(zhuǎn)速：200r/min左右；
耕深：①水田作業(yè)1４cm；②旱田作業(yè)１２cm；
旋耕幅寬：100cm；
e、產(chǎn)品壽命：按5年，每年工作800小時計算。
2.3設(shè)計要求
a、設(shè)計時考慮加工工藝性和裝配工藝性，盡可能使用標(biāo)準(zhǔn)件、通用件，以降低制造成本。
b、通過采用中間傳動的形式，省去左右支臂結(jié)構(gòu)，以降低制造成本和解決防滑輪與左右支臂相碰的問題。
c、與手扶拖拉機(jī)采用左右對稱配置,以覆蓋拖拉機(jī)全部輪撤，提高作業(yè)質(zhì)量。
d、國內(nèi)原600mm旋耕機(jī)鏈條箱體的無效半徑為95mm，現(xiàn)設(shè)計的鏈條箱體的無效半徑擬定為75mm。這樣，在保持同樣耕作深度的情況下，可使用低一個檔次的小旋耕半徑的國家系列的旋耕刀。以降低旋耕作業(yè)時的功率消耗，確證其寬幅機(jī)具的總功耗 與主機(jī)動力相匹配。
e、產(chǎn)品應(yīng)能滿足農(nóng)藝要求，各項性能指標(biāo)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。
f、要求該機(jī)與手扶拖拉機(jī)固定聯(lián)接，旋耕作業(yè)應(yīng)能覆蓋拖拉機(jī)輪轍。
g、設(shè)計時注意重心位置，與主機(jī)聯(lián)接后盡可能達(dá)到前后平衡。要求刀軸轉(zhuǎn)速與機(jī)組前進(jìn)速度配置合理。犁刀的入土角以及刀座排列采用優(yōu)化設(shè)計，以達(dá)到節(jié)能的效果。
h、設(shè)計一個主傳動系統(tǒng)和旋耕、尾輪兩個組成部件，通過換裝不同的行走輪以實(shí)現(xiàn)。
i、力求結(jié)構(gòu)簡單可靠，使用安全方便，旋耕犁刀不得與鐵輪相干涉。
j、設(shè)計時考慮加工和裝配工藝性，盡可能使用標(biāo)準(zhǔn)件、通用件，以降低制造成本。
第三章 總體方案論證
3.1中間鏈傳動結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計
為了克服側(cè)邊傳動方案存在輪子壓已耕地留有輪轍和漏耕嚴(yán)重，機(jī)組偏移布置力不平衡，操作與走直性能較差等缺陷，故設(shè)計了整機(jī)受力勻稱，剛性好的中間鏈傳動結(jié)構(gòu)方案?？紤]到改機(jī)構(gòu)為一米工作幅寬，刀軸單懸臂不到50厘米，并可從一把定刀齒滑切破土，利用左右彎刀對土壤的撕裂作用，基本上看不到明顯的漏洞。而中間鏈傳動結(jié)構(gòu)方案可使機(jī)器面貌全新，既能增加工作幅寬，受力勻稱，提高與手拖配套的合理性，又能使結(jié)構(gòu)極為簡單、緊湊，有利于機(jī)組的對稱布置與縱、橫向平衡，能降低功耗，減輕重量，改善工藝，降低制造成本。由于鏈條熱處理質(zhì)量的不斷提高和設(shè)計有新穎技術(shù)結(jié)構(gòu)的鏈條自動張緊機(jī)構(gòu)，可以保證鏈傳動在旋耕機(jī)工作中的可靠性能。而鏈傳動比齒輪傳動有大為簡單，價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，故設(shè)計采用了中間鏈傳動方案，對樣機(jī)的性能、指標(biāo)、，特別是經(jīng)濟(jì)效益有明顯的提高。
3.2主要結(jié)構(gòu)、參數(shù)的設(shè)計與選擇計算
3.2.1耕深H和刀滾半徑Rmax
我省小春種麥要求淺耕，一般為6-10cm，大春耙水田，要求耕作層上細(xì)下松，表面平整，土壤通氣性好。耙深一般為8-12cm，因此采用較小的刀滾回轉(zhuǎn)半徑Rmax=198cm,既能滿足我省農(nóng)藝對耕深的要求，又能降低扭矩和功率消耗。該機(jī)設(shè)計有最大耕深為;H旱=10cm,H水=12cm，并配有尾輪調(diào)節(jié)裝置，可以作無級調(diào)節(jié)使用。
3.2.2機(jī)組前進(jìn)速度
旋耕機(jī)組前進(jìn)速度主要由拖拉機(jī)的工作檔位和行走輪的直徑而定，同時還受土壤打滑率的影響。該機(jī)旱旋耕時有直徑為0.6米的膠輪或旱地輪，用Ⅱ、Ⅲ檔位工作，水旋耕時裝有0.8-0.9米的碎伐輪，可用Ⅱ、Ⅲ檔位工作。
表3-1 機(jī)組在田間實(shí)測速度
機(jī)組作業(yè)檔位
膠輪直徑（m）旱耕
(Km/h)
碎伐輪直徑（m）水耕
(Km/h)
Ⅰ Ⅱ
0.6
1.4
Ⅱ
0.6
2.5
0.8
3.2
Ⅲ
0.8
3.2
3.2.3 刀片運(yùn)動參數(shù)S、λ和
切土節(jié)距S決定旋耕機(jī)作業(yè)質(zhì)量的主要參數(shù)。旋耕機(jī)的作業(yè)質(zhì)量必須滿足農(nóng)藝要求。
公式 (3-1)
式中：Rmax 最大刀滾半徑（cm）b
—刀軸轉(zhuǎn)速
—速比系數(shù)
Z—每切削平面內(nèi)的刀齒數(shù)
公式 (3-2)
式中： 刀滾圓周線速度（m/s）
機(jī)組前進(jìn)速度（m/s）
從公式可以看出，在刀滾最大回轉(zhuǎn)半徑Rmax和同一切割小區(qū)內(nèi)刀齒數(shù)Z確定后，S就取決于速度比系數(shù)λ。此時，λ又取決于刀軸轉(zhuǎn)速和機(jī)組前進(jìn)速度。所以，對于旋耕機(jī)運(yùn)動參數(shù)的作業(yè)質(zhì)量，最終取決于和的選取。
從大量的實(shí)驗資料可知，刀軸轉(zhuǎn)速較高時，即λ值較大，所得切土節(jié)距S值較小，碎土性和溝底縱向不平度都較好。但功耗也隨之拋土、劈土能力增強(qiáng)而顯著增加，故λ值不能過大。根據(jù)手拖旋耕機(jī)的情況，一般取λ=3-12較好。從大量實(shí)驗資料得知，在我省粘重土壤進(jìn)行直旋耕作業(yè)，一般以=1.5-2.5km/h, =160-250r/min，S=8-14cm較好。若犁后耙水田，以=2.5-4km/h, =200-300r/min，S=14-35cm就能滿足農(nóng)藝要求。有根據(jù)我國有關(guān)旋耕機(jī)科研成果資料介紹，直接選耕作業(yè)的最佳刀軸轉(zhuǎn)速為=240r/min。而本設(shè)計較多地考慮了犁后耙水田與旱水田與旱旋耕，因常用Ⅱ工作，機(jī)組前進(jìn)速度較快，工效也高，故刀軸轉(zhuǎn)速應(yīng)考慮適當(dāng)提高，故選用=240r/min左右為宜。并可以計算得出相應(yīng)的S與λ值分別如表（3-2）。從表中數(shù)值可以看出，其S、λ、的數(shù)值都能分別滿足我省農(nóng)藝要求，并符合最佳參數(shù)的選擇范圍，可以采用。為了增加刀齒對土壤的橫向切割、碎土及起漿作用，還設(shè)計又可以裝卸的起漿結(jié)構(gòu)。
表(3-2) S與λ值對照表
機(jī)組作業(yè)檔位
Ⅰ檔（旱旋）
Ⅱ檔（旱旋）
Ⅱ檔（水旋）
Ⅲ檔（水旋）
(m/s)
0.39
0.69
0.89
1.25
(r/min)
240
240
240
240
λ
12
7.1
5.5
3.9
S(cm)
10
17.4
22
31
3.2.4功率及耕副寬度的計算
考慮到柴油機(jī)在農(nóng)田作業(yè)時功率狀況等因素，實(shí)有功率為74％ ，而動力輸出軸以拖拉機(jī)功率的75％計算，東風(fēng)-12型手扶拖拉機(jī)輸出軸（齒輪）的輸出功率為。
=
根據(jù)《機(jī)械工程手冊》第65篇“農(nóng)業(yè)機(jī)械”旋耕機(jī)的功率可以計算：
(3-3)
式中： 旋耕機(jī)的比阻（）
耕深（cm）
機(jī)組前進(jìn)速度（m/s）
工作幅寬（m）
當(dāng)直接旱旋耕，用Ⅰ檔位工作，=11cm時，
已知：=0.39m/s, =240 r/min, S=10cm
查表得：
耕幅
1米幅寬時刀軸的功耗為：
當(dāng)旱旋用Ⅱ檔位工作，H=9cm時，
耕幅
1米幅寬時刀軸功耗：
當(dāng)水旋耕用Ⅱ檔位工作，H=12cm時，=0.89 m/s
查表得：
耕幅
刀軸功耗：
從上述計算結(jié)果，可初取耕幅寬度B=100cm,當(dāng)水田土質(zhì)松軟，耕深較淺或耙第二遍的時候，可以考慮用Ⅲ檔工作。
試驗資料證明：由于旋耕刀切土?xí)r，土壤的反推力和拖拉機(jī)的前進(jìn)方相同，當(dāng)在空擋位使用旋耕機(jī)時，拖拉機(jī)往前跑的很快，因此行走功率的消耗非常小，一般=0.4-0.87KW(0.3-0.5馬力)，僅克服滾動阻力（滾動阻力系數(shù)f=0.1）,現(xiàn)有拖拉機(jī)功率,總傳動效率，傳動損失為,故機(jī)組的工作的功率消耗:
當(dāng)直接旱旋耕用Ⅰ檔位工作，耕深H=11cm時，耗用功率較大，其值為：
有用功率儲備為：
旋耕機(jī)的功率利用率為83％。
從上述計算和分析，我們認(rèn)為該機(jī)的耕幅和功率匹配是合理的，又有理論和實(shí)踐證明，故本設(shè)計的功率匹配較為合理、先進(jìn)，能充分發(fā)揮手扶拖拉機(jī)配套在農(nóng)忙時獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。
3.3旋耕刀滾的設(shè)計
3.3.1 彎刀結(jié)構(gòu)設(shè)計的確定
型系列彎刀采用阿基米德螺旋線為側(cè)刃刃口曲線的滑切性能較好，橫、彎半徑r=30，彎折角Qmax=37°,橫刃鏟掘面的拋土覆蓋性能也較優(yōu)越。新系列彎刀的功率都稍小于老產(chǎn)品旋耕刀片。彎刀仍是水、旱地通用的較好刀型。Ⅱ型刀主要用于水田綠肥、稻茬和麥茬較多及粘重田地耕作。T型刀的刀軸管稍大，能改善水田纏草性能。從節(jié)能和有利于降低阻力，提高滑切和粘重土壤的適應(yīng)性能，我們選用了新系列標(biāo)準(zhǔn)件IIT195型彎刀比較合理，先進(jìn)。其主要參數(shù)為：
彎刀型號：IIT195 最大刀滾半徑：Rmax=195
側(cè)切刃起始半徑：R0=125mm,R1=185mm
彎折角：Qmax=37％ 刀幅寬b=50mm
有效切土角：?=120°
3.3.2刀座間距和彎刀總數(shù)的設(shè)計和計算
彎刀端部對土壤適當(dāng)?shù)乃毫褦D壓作用可以降低功耗。但撕裂過大又使土塊均勻性較差，并使用同一截面相繼入土刀片的切土節(jié)距加大而功耗增加。適當(dāng)提高刀座間距和選用刀幅較寬的刀齒，可以減少刀齒總數(shù)和降低功耗，參考國外樣機(jī)在水田作業(yè)時常取幾個毫米的重疊效果較好。本設(shè)計以水、旱兼用，現(xiàn)選用單刀幅寬b=50毫米，故取刀座間距為50毫米，用于彎向相同的情況而面靠面的對刀刀座間距為65毫米?？紤]在水田作業(yè)中撕裂作用極小，對降低功耗和保證碎土質(zhì)量都能兼顧，較為適合。彎刀總數(shù)可按下式計算:
(3-4)
=1000=20(把)
式中：B 耕幅（米）
刀座間距（毫米）
Z 每切削平面內(nèi)刀齒數(shù)
彎刀總數(shù)取整偶數(shù)
3.3.3彎刀在刀軸上的優(yōu)選排列設(shè)計
彎刀的排列是否合理，在很大程度上決定了旋耕作業(yè)質(zhì)量的好壞，旋耕阻力的大小和功率消耗等重要性能指標(biāo)。本設(shè)計吸取了國外樣機(jī)的先進(jìn)技術(shù)，采用了以幅寬中央為基準(zhǔn)，左右分成幾個小區(qū)段的勻稱、對稱和左右螺旋線排列。著重考慮了刀軸回轉(zhuǎn)入土的動平衡，也考慮了靜平衡等角布置；左右彎刀應(yīng)相繼順序交替對稱入土，盡量減少刀齒數(shù)目，以求受力均衡、穩(wěn)定，力求土塊大小勻稱，區(qū)段適中，表層平整；相鄰兩刀齒的夾角應(yīng)盡量大些，以免夾土、堵泥，又便于制造。根據(jù)日本板井純、柴田安雄《拖拉機(jī)旋耕機(jī)鉈刀的配置設(shè)計理論》，經(jīng)綜合分析提出了三種可行的排列，并對衡量刀齒排列的一項指標(biāo)；以“推斷扭矩波形法”來檢查旋耕機(jī)刀齒的排列，并對個別刀齒作調(diào)整，從而改善旋耕機(jī)的動力性能。最后優(yōu)選出一種比較合理先進(jìn)的排列方案。從上述理論和優(yōu)選結(jié)果，本設(shè)計的刀齒排列方案有以下特點(diǎn)：
a、刀軸每轉(zhuǎn)過18°有一把彎刀入土，勻稱性好。
b、以幅寬中央為基準(zhǔn)，左右分開幾個區(qū)段呈均勻、對稱和左右螺旋線排列，不平衡橫力矩分布比較均勻。
c、左右彎刀從幅寬中央基準(zhǔn)線兩邊相繼交替對稱入土，軸向受力平衡、穩(wěn)定性好。
d、土塊大小比較勻稱，碎土性能好。
e、從推斷扭矩波形圖上看得出，刀軸的扭矩曲線峰值較為平緩，受力均衡較好。
f、相鄰兩個小區(qū)的刀齒相互交替工作，使相繼入土刀齒的軸向距離較大，使刀軸上的扭矩和彎矩較為分散。
g、每個區(qū)段由三把彎向相同的彎刀組成，耕后地表面起壟適中、表層平整。
h、每相鄰兩把刀齒的夾角不小于72°，不致夾土、堵泥，制造工藝性好。
i、每米幅寬用20把彎刀，減少了刀齒數(shù)目，有利于旋耕阻力和金屬耗能的減少（老式型耕幅0.62米的刀齒數(shù)為18把，故相對于老機(jī)型減少刀齒數(shù)30％）。
3.4雙油封和擋草圈的設(shè)置
為了提高傳動箱刀軸軸承處的密封性能，采用了既封油、又封泥水的雙向安置兩個油封結(jié)構(gòu)。為了克服該軸頸處對油封的擠壓而損壞，特此軸頸處的外刀管上設(shè)置有一個迷宮式結(jié)構(gòu)擋草圈，因直徑加大后可以減少纏草，有可以保證密封安全可靠。
3.5 1G-100旋耕機(jī)主要技術(shù)規(guī)格及基本參數(shù)
型號： 1G-100 手扶旋耕機(jī)
型式: 臥式直連接、中間鏈條傳動
配套動力： 東風(fēng)-12手扶拖拉機(jī)
外形尺寸： 長寬高=14431080630
耕幅寬度： 旱耕6-10cm
水耕8-12cm
作業(yè)速度： 旱耕Ⅰ、Ⅱ檔位（0.39m/s、0.69m/s）
水耕Ⅱ、Ⅲ檔位（0.89m/s、1.25m/s）
刀軸轉(zhuǎn)速： =240r/min
刀滾半徑： Rmax=195mm
相鄰切削面間距：50mm、65mm
每切削平面內(nèi)的刀齒數(shù)：Z=1把
刀齒總數(shù)： =20把
第四章 總體結(jié)構(gòu)的布置與設(shè)計
4.1傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計
該旋耕機(jī)的主要由中間傳動箱體、左右刀軸管、機(jī)架、尾輪機(jī)構(gòu)、乘座裝置和防護(hù)罩等七個部分組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖㈠，其動力傳動路線示意圖如圖㈡。
4.2主要結(jié)構(gòu)的分析設(shè)計
4.2.1旋耕刀軸的位置的設(shè)計
旋耕刀軸的位置，是在保證拖拉機(jī)下水田配置有直徑900毫米的碎伐輪時沒有干涉，并留有間隙24毫米和滿足耕深的條件下，通過作機(jī)動圖找到最佳的位置設(shè)計而成。
4.2.2尾輪機(jī)構(gòu)位置的設(shè)計
本設(shè)計借用了原1G-0.6老旋耕機(jī)的尾輪機(jī)構(gòu)，僅是和現(xiàn)有的新結(jié)構(gòu)機(jī)架重新布置其位置和聯(lián)結(jié)。在保證機(jī)組能滿足最大耕深和要求的運(yùn)輸間隙為前提，通過作機(jī)動圖找到的最佳位置設(shè)計而成。
4.2.3機(jī)組平衡性能
由于該機(jī)組的結(jié)構(gòu)布置和刀齒入土都為左右對稱，受力均勻，橫向平衡較好。該機(jī)采用中間鏈條傳動，結(jié)構(gòu)極為簡單、緊湊，旋耕機(jī)重量明顯減輕，故有機(jī)組的縱向平衡較好。工作時尾輪的下陷和壓力較小，功率偏低，轉(zhuǎn)向靈便。
圖4-1總體結(jié)構(gòu)示意圖
4.2.4定刀齒的布置
在中間傳動箱體厚度為6cm部位，因兩邊旋耕刀齒不能進(jìn)入，單靠土塊的少量撕裂作用不能達(dá)到作業(yè)質(zhì)量和要求，故設(shè)計了在該傳動箱體下方，配置有一把2厘米厚滑切固定刀齒，先將中心線處滑切劈破，再讓兩側(cè)的旋耕刀齒對剩下的各有2厘米寬之土帶進(jìn)撕裂和翻修，然后被碎土覆蓋，從而基本上克服了該部位的漏耕。
圖4-2動力傳動路線示意圖
第五章 鏈傳動的設(shè)計與計算
近年來，隨著我國鏈條熱處理技術(shù)和產(chǎn)品性能質(zhì)量的不斷發(fā)展、提高，伴隨著新的鏈傳動張緊機(jī)構(gòu)的不斷合理、完善，鏈條傳動已在國產(chǎn)中、小型旋耕機(jī)得到廣泛使用。本設(shè)計采用技術(shù)新穎、結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠的單排套筒滾子鏈條傳動機(jī)構(gòu)。圓弧形張緊板簧片的一端鉸接的板簧座用螺栓固定在箱壁上，簧片的另一端平靠在鏈箱下壁上，當(dāng)鏈條別磨損的松動較大時，可以從箱壁外調(diào)節(jié)頂住螺栓，改變簧片一端的位置，保證始終處在良好的張緊狀態(tài)。
5.1鏈傳動的設(shè)計計算
鏈節(jié)距t的確定
根據(jù)：傳動功率N=12x0.74=8.88馬力=6.53KW
計算功率 (5-1)
=1.26.53=7.8KW
式中 為載荷系數(shù)
特定條件下單排鏈傳遞的功率
(5-2)
=7.8
式中：—小鏈輪的齒數(shù)系數(shù)
—傳動比系數(shù)
—中心距系數(shù)
—鏈的多排系數(shù)
因為，角速度
根據(jù)可由功率曲線圖查的鏈節(jié)距t的值為25.40，故選用鏈16A（即原TG254）。
大、小鏈輪齒數(shù)、的計算：
在原有最小齒數(shù)12的基礎(chǔ)上來綜合考慮受力磨損、重量的總體結(jié)構(gòu)等因素，選出=11，再從所需工作轉(zhuǎn)速=240r/min，計算出Z大。
查《東風(fēng) —12手拖設(shè)計計算》原配旋耕機(jī)傳動軸轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)/分。
因為 ：219.6/=240轉(zhuǎn)/分
所以：=240/=24011/219.6=12.02
圓整后?。?12齒
=11齒
實(shí)有刀軸轉(zhuǎn)速：=E/=219.612/11=239轉(zhuǎn)/分
選定中心距A
根據(jù)本設(shè)計總體布置和機(jī)動草圖的要求，用作圖法初定中心距mm。
鏈輪軸孔直徑
查表有：=38mm
作用在軸上的壓力Q
考慮機(jī)械傳動效率為0.8和拖拉機(jī)輸出軸功率按0.85計算，旋耕扭矩功率為。
=120.80.85=8.2馬力=6.04KW
圓周力
=1.25554=692.5kgf=6786.5N
式中 軸上的壓力系數(shù)
鏈條節(jié)數(shù)
=44節(jié)
鏈條長度L
L=t=4425.4=1117.6mm
定中心距A
A=(-Z)/2 t=(44-11)/225.4=412.75mm
但考慮裝配圖工藝應(yīng)留有一定的松度，最后張緊機(jī)構(gòu)壓緊，故決定將中心距A=410.5mm
鏈條速度V
V=znt/601000=11238.36/601000=1.11m/s
5.2 鏈輪設(shè)計計算
分度圓直徑d
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
為鏈條滾子直徑15.88mm
齒寬b
查表得：b=14.6mm
第六章 主要零部件強(qiáng)度計算
6.1鏈傳動的強(qiáng)度的磨損核算
鏈上的總載荷P
(6-1)
式中 —圓周力
—由離心力產(chǎn)生的拉力
—鏈工作時松邊上的拉力
—工作特性系數(shù)
=1.31.110.81
=1.14
因為：
因<5m/s，可忽略不計
鏈上的總載荷
強(qiáng)度計算：
Q/P=5800/634=9.16>n=8.2
式中：Q—鏈條截斷載荷
n —安全系數(shù)
磨損核算：
T= (6-2)
=
式中：—鏈節(jié)鉸鏈上許用的單位壓力
F —鏈支承面積
驗算結(jié)果，選用節(jié)距t =25.4毫米的單排套筒滾子鏈16A是合適可靠的。
6.2傳動軸的強(qiáng)度計算和疲勞強(qiáng)度校核
已知條件：軸扭矩功率 =8.2馬力 =219轉(zhuǎn)/分
有扭矩
=716.28.2/219
=2682kgfcm
齒輪外徑d=128mm,鏈輪直徑D=98mm,軸的材料為45鋼，鏈條與水平傾斜。
傳動軸的初步強(qiáng)度計算
作用在軸上的力
圓周力=4106.2N
徑向力=1499.4N
圓周力=5306.6N
垂直作用力=6164.2N
軸上垂直力=4125.8N
軸上垂直力=4576.6N
圖（3）傳動軸各點(diǎn)受力示意圖
軸承處反作用力和合成力
水平力
=（15364+46726）
= 152kgf=1489.6N
水平力
=（467
= 468kgf=4586.4N
垂直力
=（419
= 262kgf=2567.6N
垂直力
=
= 578kgf=5664.4N
合成力
=
=303kgf=2969.4N
合成力
=744kgf=7291.2N
合成彎矩和相當(dāng)彎矩
剖面Ⅰ：合成彎矩
=
=2423kgfcm
相當(dāng)彎矩
=2844kgf
剖面Ⅱ：合成彎矩
=
=1984kgfcm
相當(dāng)彎矩
=2689kgfcm
剖面Ⅲ：合成彎矩
相當(dāng)彎矩
查表得：=650
由上面的計算可知，危險剖面在剖面I和剖面II處，并確定軸的各部結(jié)構(gòu)尺寸，取兩軸承處的軸頸相等，并通過軸承的強(qiáng)度計算選用軸頸為30毫米，并確定配合精度再進(jìn)行校核計算。
傳動軸的疲勞強(qiáng)度強(qiáng)度校核計算：
最小許用安全系數(shù)
=
查表得：，，
從相當(dāng)彎矩圖可以看出，在剖面II處彎矩最大，在同樣大的軸頸38在剖面II處為最危險面，故校核剖面該處。
已知：d=38mm處鏈輪與軸為花鍵聯(lián)接配合，表面粗糙度為1.6。
查表得： =2.05
=0.45
最大彎曲應(yīng)力：
最大扭矩應(yīng)力：
只考慮彎矩時的安全系數(shù)，（因為對稱循環(huán)應(yīng)力，）
=3.49
只考慮扭矩時的安全系數(shù)
=3.65
剖面II處的總安全系數(shù)
故安全可靠。
6.3 滾動軸承的計算和選擇
6.3.1軸承假定載荷Q值的計算
公式： (6-3)
式中：—軸承的徑向負(fù)荷
—軸承負(fù)荷性質(zhì)對軸承壽命影響的系數(shù)
—軸承工作溫度對軸承壽命影響的系數(shù)
—齒圈或外圈旋轉(zhuǎn)的軸承壽命影響的系數(shù)
查表得：，，
故得：
6.3.2軸承工作能力系數(shù)C的計算
公式： (6-4)
=7441.4
=29016
式中：n—工作轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分），h—軸承工作壽命（小時），考慮了軸承的工作壽命h=1000小時，查表有。
6.3.3 軸承選用
查表選用30毫米的7206軸承的工作能力系數(shù)C=43000,容許靜負(fù)荷是合理的。
結(jié)論
a.技術(shù)先進(jìn)性方面 我設(shè)計的1G—100型水田耕整機(jī)準(zhǔn)備由傳動箱、傳動軸、中央傳動機(jī)構(gòu)和犁刀等組成。在設(shè)計時盡可能多的采用標(biāo)準(zhǔn)件和現(xiàn)有旋耕機(jī)通用件，以降低制造成本。如果設(shè)計成功,本機(jī)可進(jìn)行旱田旋耕、水田耙整等項作業(yè)，能彌補(bǔ)現(xiàn)有耕整機(jī)存在功能較單一、生產(chǎn)效率偏低等不足之處。
b.適用范圍 1G—100型水田耕整機(jī)與黃海－12或15馬力手扶拖拉機(jī)配套，也能與東風(fēng)－12或其它牌號的手扶拖拉機(jī)配套相配套。能夠在水田或旱田作業(yè)。
c.生產(chǎn)條件 一般中小型機(jī)械廠、農(nóng)機(jī)廠均可生產(chǎn)制造。
參考文獻(xiàn)
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附 錄
序號 圖名 圖號 圖幅 張數(shù)
1 總裝配圖 1G-100-00 1
2 部件裝配圖 1G-100-01-00 1
3 工作結(jié)構(gòu)狀態(tài)圖 1G-100-02-00 1
4 犁刀軸 1G-100-03 1
5 傳動軸 1G-100-04 1
6 大鏈輪 1G-100-05 1
7 犁刀傳動齒輪 1G-100-06 1
8 小鏈輪 1G-100-07 1
感 言
經(jīng)過這段時間的刻苦工作，畢業(yè)設(shè)計終于做完了。在此我要衷心的感謝朱石沙老師的指導(dǎo)和幫助，我才能順利地完成此次設(shè)計。
在本次設(shè)計中，我深深地被無盡的知識所吸引，在這之中，我體會到了運(yùn)用知識的快感和喜悅、體會到了那種理論和實(shí)踐結(jié)合的完美、體會到了做出成果的成功感、體會到了團(tuán)隊合作的效率，當(dāng)然知識的合理獲取離不開老師的指導(dǎo)和同學(xué)的幫助。
這段時間的知識再運(yùn)用，使我把一些以前不懂地和模糊的知識得到了理解和升華，使我有信心能在以后走出社會后，用到自己的知識為社會做出貢獻(xiàn)，貢獻(xiàn)自己的微薄之力！
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