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雙圓盤開溝機的設(shè)計和研究
[摘要] 通過對現(xiàn)有開溝機的比較研究，確定了雙圓盤開溝機的總體結(jié)構(gòu)，并對該機的主要參數(shù)、工作原理、工作部件做了分析。該機結(jié)構(gòu)緊湊，整體布局合理，設(shè)計可達到預(yù)定效果，具有良好的推廣前景。
雙圓盤開溝機不同于鏈?zhǔn)介_溝機，它采用了銑削原理，通過圓盤部件對土壤進行銑削，具有效率高，開溝溝型完整，土壤拋灑均勻等優(yōu)點，大大提高了生產(chǎn)率并降低了勞動強度。雙圓盤開溝機適用于開挖溝渠魚塘以及鋪設(shè)電纜的工作，是農(nóng)業(yè)工程機械中不可或缺的一部分。
本次設(shè)計運用了液壓、機械等方面的知識完成了雙圓盤開溝機的設(shè)計，包括開溝機傳動箱、機身、液壓等部分。對傳動箱進行了設(shè)計，包括齒輪的設(shè)計和校核及軸的校核，使該機的設(shè)計更加完整，設(shè)計中參考了許多國家標(biāo)準(zhǔn)使得雙圓盤開溝機在使用中更加方便。
[關(guān)鍵詞]： 農(nóng)業(yè)工程機械 雙圓盤開溝機 設(shè)計
Design and Research of the Double-disk Trencher
[Abstract] Through the comparative research of existing ditching machines, we have confirmed the ensemble structure of the double-disk trencher and analys its main parameters, operation principle, working components. It has proved that this machine’s structure is compact and is rationally and entirely distributed. The design could attains the anticipated result and has good popularization prospects.
Unlike chain trencher, which uses the milling principle components of the soil by disc milling, high efficiency, open Gully type complete, the advantages of uniform soil spilled, greatly improving the productivity and reduce labor intensity. Double-disc trencher for digging and laying cable pond work . It is an integral part of agriculture construction machinery.
This design used a hydraulic and mechanical knowledge to complete the double disc ditching machine design, including ditching machine's gear box, body, hydraulic and other parts. Carried out on the gear box design, including gear and shaft design and verification check of the machine's design is more perfect, the design reference to a number of national standard makes double-disc trencher more convenient in using.
[Keywords] agriculture engineering double-disc trencher design
目 錄
前言…………………………………………………………………………………1
第1章 雙圓盤開溝機概述 ………………………………………………………2
1.1 雙圓盤開溝機概念…………………………………………………………2
1.2 雙圓盤開溝機發(fā)展及現(xiàn)狀…………………………………………………2
1.2.1 日美俄開溝機發(fā)展?fàn)顩r………………………………………………3
1.2.2 我國開溝機發(fā)展?fàn)顩r…………………………………………………3
1.3 雙圓盤開溝機研究意義……………………………………………………4
第2章 雙圓盤開溝機總體設(shè)計……………………………………………………5
2.1 雙圓盤開溝機結(jié)構(gòu)組成……………………………………………………5
2.2 雙圓盤開溝機工作原理……………………………………………………5
2.3 動力機………………………………………………………………………5
2.4 工作部件……………………………………………………………………5 2.4.1結(jié)構(gòu)……………………………………………………………………………5
2.4.2 運動分析………………………………………………………………5
2.4.3 參數(shù)選擇………………………………………………………………6
2.5 傳動部件……………………………………………………………………8
2.5.1 傳動總軸………………………………………………………………8
2.5.2 傳動箱…………………………………………………………………8
2.6 液壓部分……………………………………………………………………8
2.7 機身…………………………………………………………………………8
2.8 懸掛裝置……………………………………………………………………8
2.9 附屬裝置……………………………………………………………………9
第3章 雙圓盤開溝機傳動箱設(shè)計計算……………………………………………10
3.1 直齒圓柱齒輪設(shè)計計算……………………………………………………10
3.1.1 Ⅰ軸直齒圓柱齒輪設(shè)計計算………………………………………10
3.1.2 Ⅱ軸直齒圓柱齒輪設(shè)計計算………………………………………13
3.2 直齒錐齒輪設(shè)計計算……………………………………………………16
3.2.1 Ⅳ軸直齒錐齒輪設(shè)計計算…………………………………………16
3.2.2 Ⅴ軸直齒錐齒輪設(shè)計計算…………………………………………19
3.3 齒輪軸強度校核計算………………………………………………………19
3.3.1 Ⅱ軸強度校核計算…………………………………………………19
3.3.2 Ⅴ軸強度校核計算…………………………………………………21
結(jié)論…………………………………………………………………………………22
致謝…………………………………………………………………………………23
參考文獻……………………………………………………………………………24
共 II 頁 第 II 頁
前 言
隨著經(jīng)濟的發(fā)展，國家對基本建設(shè)力度加大，地下管道、電纜鋪設(shè)工程數(shù)量激增，質(zhì)量要求提高?？咳斯ら_挖，不僅效率低下，溝槽開挖質(zhì)量欠佳，且不能滿足“微創(chuàng)”要求。
農(nóng)田基本建設(shè)機械種類也很多，開溝機就是其中一種，開溝機主要是用于開掘排灌渠道，是實現(xiàn)農(nóng)田水利化的重要機具，也可用于造林時開掘帶狀植樹溝。國外開溝機發(fā)展有多年歷史，國外廠商根據(jù)用戶的不同需要在開溝機上配備多種工作裝置。近年來我國研制生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)開溝機，采用低速一次成溝和切土、拋土功能分開的銑拋盤結(jié)構(gòu)，具有較高的生產(chǎn)效率。
雙圓盤開溝機工作時由拖拉機的動力輸出軸帶動開溝機的刀盤旋轉(zhuǎn)，安裝在刀盤上的刀齒銑切土壤形成溝渠，同時溝中的土壤被刀齒拋到溝外。這種旋轉(zhuǎn)式開溝機與牽引式開溝機相比，其優(yōu)點是牽引阻力小，功效高，溝中被挖去的土可均勻撒在溝邊兩側(cè)地表，也可集中堆在溝沿成埂。
我的畢業(yè)設(shè)計選擇的題目是“雙圓盤開溝機”，雙圓盤開溝機設(shè)計，主要要求雙圓盤開溝機實現(xiàn)梯形溝渠的開挖過程。通過兩銑削盤銑削土壤，可以做到開溝溝型完整，土壤拋灑均勻。通過設(shè)計，分析雙圓盤開溝機傳動、懸掛、機身等。在進行設(shè)計的過程中參考了國家標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)專利，對機具的傳動箱進行校核分析。
由于時間倉促和作者的知識水平有限，論文中的錯誤和不足在所難免，請各位老師給予批評指正。
第1章 雙圓盤開溝機概述
開溝機的種類很多，就其動力而言，有與大、中型拖拉機相配套的；也有與手持拖拉機相配套的；就其形式而言，有配置在拖拉機后方的，稱之為后置開溝機，有配置在拖拉機前方的，稱之為前置式開溝機，也有配置在拖拉機側(cè)邊的，還有用拖拉機牽引的。目前使用的開溝機主要是與手扶拖拉機配套的前置式開溝機和后置式開溝機。開溝機按工作部件和工作原理的不同，可以分為鏵式開溝犁以鏵式犁體為工作部件，實際上就是一個單鏵犁。按犁體結(jié)構(gòu)可分為單翼和雙翼兩種；按掛接方式可分為懸掛式和牽引式兩種。
溝型按橫截面的形狀分，有矩形溝和梯形溝兩種，可根據(jù)不同作物和不同地區(qū)對農(nóng)藝的不同要求選擇適宜的溝形。
鏵式開溝犁在結(jié)構(gòu)和性能上都比較成熟。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，單位功率小，生產(chǎn)效率高，作業(yè)成本低。但結(jié)構(gòu)笨重，牽引阻力大，需與牽引力大的鏈?zhǔn)酵侠瓩C配套，由于受附著性能的限制，不能充分發(fā)揮拖拉機的功率。
旋轉(zhuǎn)開溝機利用拖拉機動力，驅(qū)動旋轉(zhuǎn)刀齒削土開溝，牽引阻力小，能充分發(fā)揮拖拉機的功率，適應(yīng)性強，作業(yè)質(zhì)量也較好。但傳動復(fù)雜，制造工藝要求高，單位功率消耗大，生產(chǎn)率比鏵式開溝犁低。對于配套動力雖可與牽引力不大的輪式拖拉機配套，但要求選擇功率大而行駛速度低的，最好與有爬行檔的拖拉機配套工作，旋轉(zhuǎn)開溝機由于優(yōu)點突出而廣泛使用。
旋轉(zhuǎn)式開溝機以旋轉(zhuǎn)刀齒為工作部件，按工作部件的類型分為縱向或橫向螺旋齒式，傾斜螺旋齒式，轉(zhuǎn)鼓式和旋轉(zhuǎn)盤式等幾種。其中旋轉(zhuǎn)盤式開溝機優(yōu)點較多，應(yīng)用較廣，按旋轉(zhuǎn)盤數(shù)分為單盤和雙盤兩種。掛接方式大都為懸掛式。
圓盤式開溝機分為單圓盤式和雙圓盤式兩種，入土角為鈍角，依靠圓盤的旋轉(zhuǎn)進行切土開溝。圓盤開溝機的特點是滾動切土，不易堵塞，開溝阻力小，不掛草，可以在雜草和殘茬多的田間工作。
1.1 雙圓盤開溝機概念
雙圓盤開溝機由兩個銑刀盤進行銑削作業(yè)，與拖拉機掛接進行開溝清淤的一種機械。
1.2 雙圓盤開溝機發(fā)展及現(xiàn)狀
開溝機按原理分兩種：犁式開溝機和旋轉(zhuǎn)開溝機，犁式開溝機開溝部件不旋轉(zhuǎn)，直接由動力牽引，開溝速度快、效率高，但一般開溝深度較小，土壤硬度不能太大;旋轉(zhuǎn)開溝機則是工作部件旋轉(zhuǎn)，稱為銑削式開溝，溝型平整。開溝機主要有以下幾種：犁式開溝機、割盤式開溝機、雙圓盤式開溝機，回轉(zhuǎn)鏈?zhǔn)介_溝機以及立式螺旋式開溝機。
1.2.1 日、美、俄開溝機發(fā)展?fàn)顩r
國外開溝機發(fā)展有五十多年的歷史，主要以美國、俄羅斯、法國及近幾年發(fā)展較快日本等國家主，且國外廠商根據(jù)用戶的不同需要在開溝機上配備多種工作裝置，如推土板、鑿孔器、鋪纜器等，90年代北美銷售量達近萬臺。
日本小型 ：LT—800 手扶鏈刀開溝機，溝深80cm 溝寬27cm ，5~8馬力；C—15系列開溝機 溝深120cm 溝寬20~40cm，18馬力；F—75 四輪驅(qū)動 溝深180cm溝寬15~40cm，14馬力。
歐美中型 ：M—220液力驅(qū)動 溝深91cm 溝寬10~15cm 20馬力；PT—18牽引式開溝機 溝深183cm 溝寬10~15cm ，35馬力驅(qū)動，牽引大馬力拖拉機；BH—900—3P懸掛式挖溝機溝深244cm 溝寬30cm 中馬力拖拉機。
俄羅斯懸掛式開溝機：aTy—161 溝深：160cm溝寬20~40cm 50馬力拖拉機。
1.2.2 我國開溝機發(fā)展?fàn)顩r
我國七十年代中期由天津工程機械所和長春工程機械廠合作，研制出我國首臺輪斗式開溝機。八十年代中期，三、四個廠家分別開發(fā)了幾種開溝機械，但由于機械性和技術(shù)性的等原因未能全面推廣。直到二十世紀(jì)末，天津工程機械研究所開始新一輪開溝機的研制，主要研究的是輪式開溝機和挖壕機，研制出了GC60和軍用挖壕機兩種開溝機?，F(xiàn)代農(nóng)裝湖州聯(lián)合收割機有限公司引進美國公司技術(shù)，產(chǎn)生了244D多功能田園機，采用了回轉(zhuǎn)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，但是成本增高。
圖1.1 雙圓盤開溝機工作
我國手扶中馬力、大馬力1kp—100、1kp—150、1kp—250開溝鋪管機。開溝深：1、1.5、2.5m 和1k—30、1k—35、1k—40圓盤開溝機溝深：30、35、40cm 、1kx—100旋轉(zhuǎn)雙圓盤開溝機溝深100cm 梯形溝等機型。
1.3 雙圓盤開溝機研究意義
開溝機是工程機械的主要機種之一，廣泛的應(yīng)用于農(nóng)田水利建設(shè)、通信電纜及石油管線的鋪設(shè)、市政施工以及軍事工程的建設(shè)。開溝機具有專用性強，設(shè)備投資少，可連續(xù)開掘，工作效率高等特點。國外連續(xù)式開溝機已經(jīng)使用的很廣泛，國產(chǎn)開溝機投入使用的較少。隨著生產(chǎn)建設(shè)的全面啟動，開溝施工工程規(guī)模越來越大，如基礎(chǔ)建設(shè)施工開溝、光纜、電纜、管道鋪設(shè)等方面都面臨著巨大的開溝工作量，特別是在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，都是用工量很大的作業(yè)，我國幾乎用人工完成。農(nóng)田土地不平整雜草亂石及作物根茬等情況，要求研制適合我國國情的開溝設(shè)備，對提高開溝效率、減少人力物力資源浪費，提高勞動生產(chǎn)率有重要意義。
根據(jù)相關(guān)要求，所研制開溝機需要滿足的技術(shù)指標(biāo)為：生產(chǎn)效率大于60m3/h；開挖深度1m，上口寬1.9m，下口寬0.4m，溝深1m；溝槽一次開挖成型，溝型完整。要研究一種雙圓盤開溝機用以滿足以上要求。
第2章 雙圓盤開溝機總體設(shè)計
2.1 雙圓盤開溝機結(jié)構(gòu)組成
該機由東方紅-75型拖拉機、傳動總軸、傳動箱、左右銑刀盤、機架、尾輪、液壓裝置、安全裝置、擋土罩等部分組成。
2.2 雙圓盤開溝機工作原理
雙圓盤開溝機是仿照銑削原理加工土壤來完成開溝作業(yè)的。工作時拖拉機低速直線前進，銑刀盤軸旋轉(zhuǎn)，刀齒嵌入土壤、切斷土壤、拋出土壤、兩個銑削盤銑削并拋出本身所占據(jù)的溝型斷面，中間部分土壤靠自重落到刀盤上，在由刀盤內(nèi)拋板將這部分土壤拋出。
2.3 動力機
確定配套動力，要滿足機具和各部件的動力的需求，并保證其配套動力合理，另外，考慮到道路、橋梁所需允許通過的機具最大外型尺寸和重量，擬定東方紅-75型拖拉機作動力。
2.4 工作部件
銑刀盤
2.4.1 結(jié)構(gòu)
銑刀盤共兩件，左右對稱布置，由刀齒和盤轂焊合兩部分組成，刀齒包括徑向切刀和內(nèi)拋板。
2.4.2 運動分析
雙圓盤開溝機工作時，隨著機具的前進，旋轉(zhuǎn)銑刀盤連續(xù)不斷的切削土壤，并將切除的垡片拋到溝外。因此，旋轉(zhuǎn)刀盤上的刀齒切削土壤時的運動軌跡為一擺線，設(shè)雙圓盤開溝機刀盤軸心為直角坐標(biāo)系的原點O，開溝機前進方向為X軸，溝坡至溝底的方向為Y軸。刀齒端點M的運動軌跡可用時間t的參數(shù)方程如下：
X=ut+Rsinwt (1)
Y=Rcoswt (2)
式中：u為機具前進速度（米/小時）；
R為刀齒端點M至軸心距離（米）；
w為刀齒旋轉(zhuǎn)角速度（弧度/秒）
刀齒M點沿X軸與Y軸的速度分量為：
VX=dx/dt=u+Rwcoswt (3)
VY=dy/dt=-Rwsinwt (4)
刀齒端點M放入瞬時切削速度為：
V切= （5）
由公式可以看出，機具的前進速度u改變時，擺線形狀發(fā)生變化，刀齒切削垡片的長度厚度改變，即作用在刀齒上的切削阻力發(fā)生變化，功率消耗也發(fā)生變化。
當(dāng)?shù)洱X回轉(zhuǎn)半徑R及回轉(zhuǎn)角速度w改變時，也使刀齒切削垡片的軌跡發(fā)生變化，改變了作用在刀齒的切削阻力，使功率消耗發(fā)生變化。
刀齒切削土壤時，切下的垡片與刀齒一起運動，使垡片產(chǎn)生離心慣力，R、w的改變使離心力改變，消耗于垡片與土壤間的摩擦力和拋擲力改變，即由摩擦功和拋擲所產(chǎn)生的功率消耗亦改變。
可見，機具前進速度u，刀齒回轉(zhuǎn)半徑R，角速度w是影響開溝機功率消耗的主要因素，合理的選用這些參數(shù)，將能改變雙圓盤開溝機的性能。
2.4.3 參數(shù)選擇
（1） 銑刀盤直徑
刀盤直徑主要取決于溝渠斷面的尺寸。
一次成型的開溝機，刀盤小端直徑d應(yīng)大于溝墻斜面長度L，一般可取d=（1.2~1.4）L，選擇較小的刀盤直徑可以使機具的重量減輕。但直徑太小時，溝中散土不能順利的拋出溝外，溝中回土較多。因此應(yīng)在保證機器工作性能的前提下選擇較小直徑。
要求溝深1米，下底寬0.4米，上口寬為1.9米。在這里選擇d=1.25L，因L=1.25可以得到d=1.5625（米），D小選擇1.56米刀盤大端直徑D大取1.76米。
（2） 刀盤的線速度V的選擇
圓周速度主要根據(jù)土壤情況和對土壤拋擲的要求來選擇。圓周速度越高，拋土距離越大拋散也比較均勻，但能量消耗劇增。因此為了減少能量消耗，在滿足工作要求的情況下，圓周速度要小一點。一般拋土距離在十五米以內(nèi)時，圓周速度可以在7~15米/秒的范圍內(nèi)選擇。根據(jù)選定的圓周速度和刀盤直徑即可計算出刀盤的轉(zhuǎn)速。這里選擇9.4米/秒。
（3） 銑削方向
刀盤的銑削方向有順銑和逆銑兩種，一般采用逆銑，即刀盤的旋轉(zhuǎn)方向與拖拉機驅(qū)動輪轉(zhuǎn)向相反。逆銑時，刀盤在切土和拋土過程中和土壤接觸的途徑較短，因而拋土的能量消耗少。故選擇逆銑方式。
（4） 刀齒進給量S的選擇
進給量的選擇原則是：刀齒背部不頂土，牽引阻力要在拖拉機額定牽引力允許的范圍內(nèi)，銑刀盤阻力矩要在拖拉機動力輸出軸額定輸出扭矩的范圍內(nèi)。前蘇聯(lián)在開溝機設(shè)計中，根據(jù)土質(zhì)的不同類型推薦選用0.5-6厘米范圍內(nèi)，該機具選用4厘米。
（5） 刀齒數(shù)及其排列
銑刀盤上刀齒數(shù)目決定于銑刀盤的形式及尺寸，切削條件和對土壤的拋擲要求。一般刀齒均按多頭螺旋線排列，以使機械負(fù)荷均勻。刀盤端面內(nèi)拋板數(shù)和螺旋線頭數(shù)相同。
徑向切刀成平行四邊形共十八把，沿刀盤圓周呈六頭螺旋線排列。刀齒由65Mn鋼板鍛打而成，刃口淬火，硬度HRc45-52，內(nèi)拋板六塊，由Q235鋼板制成。
（6） 機具前進速度u的選擇
機具前進速度和拖拉機發(fā)動機功率和溝型截面積有關(guān)，用經(jīng)驗法進行設(shè)計時，是用比功或比能耗KN作為估算基礎(chǔ)的，它定義為一個工作小時中消耗功率和生產(chǎn)率的比值（比功的大小取決于土壤的物理機械性能，工作部件和土壤切片的形狀及參數(shù)，工作部件和土壤相互作用過程的運動學(xué)等特性）。
u=N/(KN·S﹡)
其中:u為拖拉機的前進速度；
N為拖拉機輸出軸的軸功率；
在本式中已經(jīng)包括了開溝機傳動系統(tǒng)消耗的功率，S﹡為溝渠的橫截面積，為1.15m2，KN的選擇范圍在0.15-0.37千瓦·小時/米2，東方紅—75型拖拉機的額定功率為5.88千瓦，發(fā)動機的功率利用率為85%，則N=5.88×85%=5（千瓦），如在考慮到拖拉機牽引功率為3.7千瓦，則按46千瓦計算，為保證機具在各類土壤中均能達到設(shè)計溝深，KN取0.37
u=
=46/（0.37×1.15）
=46/0.43≈106（米/小時）
根據(jù)計算u可達到106米/小時，按±（50-70）米/小時作為機具調(diào)節(jié)范圍以供使用選擇。
2.5 傳動部件
由傳動總軸和傳動箱兩部分組成。
2.5.1 傳動總軸
傳動總軸是通過帶有空間可變角度萬向節(jié)傳遞動力，為防止雙圓盤開溝機在作業(yè)時過載，通常在傳動部分裝有安全裝置。
2.5.2 傳動箱
傳動箱是通過齒輪傳動來降低輸出軸轉(zhuǎn)速，增加輸出扭矩，并改變動力輸出方向，箱體為整體鑄造結(jié)構(gòu)。
2.6 液壓裝置
選用FP 2 -75A雙閥分配器和YG110型油缸，它的作用是操縱尾輪，在運輸狀態(tài)時起后支撐作用，在作業(yè)時調(diào)節(jié)開溝深度。
液壓系統(tǒng)是提升農(nóng)具的動力和控制裝置，它由油泵、分配器及操縱機構(gòu)，液壓油缸和輔助裝置等組成。按照液壓元件在拖拉機上的布置方式的不同，拖拉機的液壓系統(tǒng)可以分成三類分別是分置式液壓系統(tǒng)、半分置式液壓系統(tǒng)和整體式液壓系統(tǒng)。
本課題中由于開溝機后置于拖拉機并懸掛，考慮經(jīng)濟實用的原則仍使用拖拉機現(xiàn)有的液壓系統(tǒng)。
2.7 機身
機身主要指的是機架。機架是開溝機的骨架;所有的部件都連接在機架上。目前我國開溝機多采用平行梁架，用鋼桿和槽鋼焊接而成。
2.8 懸掛裝置
拖拉機在田間作業(yè)時，與農(nóng)具的連接方式有牽引式和懸掛式兩種。牽引式連接是將開溝機鉸接在拖拉機后端牽引桿的掛鉤上，農(nóng)具的重量由它本身地輪支撐，工作時農(nóng)具的升降和耕深的控制是通過作業(yè)者手動操縱實現(xiàn)的，這使得農(nóng)具復(fù)雜笨重，機動性和通用性較差，勞動強度大。
懸掛式連接是將農(nóng)具懸掛在拖拉機上，它們組成了一個整體，駕駛員可以在拖拉機上控制農(nóng)具的升降和耕深，這使得農(nóng)具結(jié)構(gòu)簡單、重量輕，機動性好，提高了效率，當(dāng)懸掛式連接采用液壓系統(tǒng)作為提升動力后，可以實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)耕深，改善了勞動條件提高了機具的工作質(zhì)量。懸掛式連接還可以改變拖拉機的受力狀態(tài)，有利于改善拖拉機的牽引性能。液壓裝置已經(jīng)成為拖拉機不可缺少的組成部分。
懸掛機組工作時，應(yīng)使耕深均勻，發(fā)動機負(fù)荷波動小，不影響機組生產(chǎn)率．故須有調(diào)節(jié)裝置，以適應(yīng)土壤比阻和地面形狀的變化。選擇位調(diào)節(jié)方式。
2.9 附屬裝置
附屬裝置包括附變速箱和動力輸出軸。
雙圓盤開溝機作業(yè)時要求配套的拖拉機有50-200米/小時左右的低速，而拖拉機沒有這樣的低速檔，需安裝附變速箱，該機具選用75-37F附減速箱。增加的附減速箱不影響拖拉機動力輸出軸轉(zhuǎn)速。
由于雙圓盤開溝機所需要的回轉(zhuǎn)功率是通過動力輸出軸傳遞的，占拖拉機全部輸出的95%以上，而牽引功率所需功率一般不超過2.2-3.7千瓦，不到全功率的5%，因此要求拖拉機動力輸出軸能全功率輸出，而東方紅-75型拖拉機輸出軸的花鍵規(guī)格強度不夠，須將花鍵的直徑增加Ф50。
第三章 雙圓盤開溝機傳動箱設(shè)計
圖3.1 雙圓盤開溝機齒輪傳動
功率從動力輸出軸輸出，經(jīng)過萬向節(jié)軸承和齒輪傳動消耗部分功率，如傳動簡圖：農(nóng)用機械齒輪選擇八級精度，圓柱齒輪傳動效率為0.97，錐齒輪傳動0.94～0.97，這里我們選擇0.95，萬向節(jié)效率為0.95，球軸承效率為0.99，滾子軸承效率為0.98，由此我們可以計算出各軸效率，經(jīng)計算最后傳到銑刀盤軸的效率約為23kw，這里就按23kw計算。
3.1 直齒圓柱齒輪設(shè)計計算
3.1.1 Ⅰ軸直齒圓柱齒輪計算
已知P1=65kw ， n1=540r/min ，Z1=30，Z2=79，壽命Lh=12000h，小齒輪相對其軸的支撐為不對稱布置。
（1）選擇齒輪的材料和精度等級
1）由教材表10-1選擇小齒輪的材料為40Cr，硬度280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)制）硬度240HBS，二者材料硬度相差40HBS。
2）雙圓盤開溝機屬于農(nóng)業(yè)機械，故精度等級選擇8級。
（2）按齒面接觸疲勞強度計算：
由設(shè)計計算公式進行計算即：
1）試選載荷系數(shù)：Kt=1.8;
2）計算小齒輪傳遞的扭矩:
P1=65η=65×0.95×0.9×0.98=54.5KW
T1= 9.55×106×(54.5/540)N·mm=963842.6N·mm
3）確定齒寬系數(shù)：小齒輪做不對稱布置，查表10-7選擇 Φd=1.0。
4）確定彈性影響系數(shù)：查教材表10-6得 ZE=189.8MPa?
5）確定區(qū)域載荷系數(shù)：按標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪設(shè)計得 ZE=2.5
6）齒數(shù)比：
u= Z2/ Z1=79/30=2.63
7) 根據(jù)循環(huán)次數(shù)公式 N=60njLh計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù):
N1=60n1jLh=60×540×1×12000=3.88×108
N2=60n2jLh=60×540×(30/79)×12000=1.476×108
8) 取接觸疲勞壽命系數(shù)：查教材圖10-19中曲線1可得
KHN1=1.1 KHN2=1.15
9) 計算接觸疲勞許用應(yīng)力：查教材圖10-21（d）
σHlim1=600Mpa σHlim2=550MPa
得取失效率為1%，安全系數(shù)SH=1
[σH]1=σHlim1 KHN1/SH=(1.10×600/1.0)Mpa=660MPa
[σH]2=σHlim2 KHN2/SH=(1.15×550/1.0)Mpa=632.5MPa
10) 由接觸強度計算小齒輪分度圓直徑，代入[σH]中較小值
=2.32{1.8×963842.6(2.63+1)189.82/2.63×632.52}1/3mm=139mm
11) 計算齒輪的圓周速度：
v=3.14 d1tn1/(60×1000)
=3.14×139×540/(60×1000)m/s
=3.928m/s≈4m/s
12) 計算齒寬和齒高比：
b=Φdd1t=1.0×139mm=139mm
mt= d1t/Z1=139/30mm=4.63mm
齒高：
h=2.25mt=2.25×4.63mm=10.42mm
b/h=139/10.42=13.34
13) 計算載荷系數(shù)：
齒輪的使用載荷系數(shù)載荷情況以輕微沖擊為依據(jù)，查教材表10-2得：KA=1.25
由教材圖10-8 查的KV=1.18
直齒輪 KHa=KFa=1
由表10-4得： KHβ=1.34
由10-13得： KFβ=1.28
接觸強度載荷系數(shù)：
K= KAKVKHaKHβ=1.25×1.18×1×1.34=1.98
14) 按實際的載荷系數(shù)校正分度圓直徑：
=139×(1.98/1.8)1/3mm
=143.5mm
(3) 校核齒根彎曲強度
載荷系數(shù)：
1) 確定彎曲強度載荷系數(shù)：
K=KAKVKFaKFβ=1.25×1.18×1×1.28=1.888
2) 查取齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù)：
查教材表10-5得：
YFa1=2.52 YSa1=1.625
YFa2=2.22 YFa2=1.77
3) 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力：
由教材圖10-8得： KFN1= KFN2=1
取安全系數(shù)： SF=1.4
由教材圖10-20（c）得：
σFN1=500Mpa σFN2=440MPa
按對稱循環(huán)交變應(yīng)力確定許用彎曲應(yīng)力：
[σF1]=0.7σFN1 KFN1/SF=0.7(1×500/1.4)Mpa=250MPa
[σF2]=0.7σFN2 KFN2/SF=0.7(1×440/1.4)Mpa=220MPa
4) 計算大小齒輪的YFaYSa/[σF]并加以比較
YFa1YSa1/[σF1]=2.52×1.625/250=0.01638
YFa2YSa2/[σF2]=2.22×1.77/220=0.01786
大齒輪數(shù)值大
5) 設(shè)計計算：
=4.23mm
齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，可將模數(shù)圓整為標(biāo)準(zhǔn)值
m=5mm 按接觸強度算得分度圓直徑d1=143.5mm
算出小齒輪齒數(shù)
Z1= d1/n1=143.5/5=28.7≈29
大齒輪齒數(shù)
Z2=2.63 Z1=76.27≈76
這樣計算的齒輪傳動既滿足疲勞強度又滿足齒輪彎曲疲勞強度并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費。
（4）計算幾何尺寸
1) 計算分度圓直徑：
d1= Z1m=5×39mm=145mm
d2= Z2m=5×76mm=380mm
2) 計算中心距：
a=( d1+ d2)/2=(145+380)/2mm=262.5mm
3) 計算齒輪寬度：
b=Φdd1=1×143.5mm=143.5mm≈144mm
取B2=144mm B1=150mm
3.1.2 Ⅱ軸直齒圓柱齒輪計算
已知P2=52.8kw ， n2=206r/min ， Z3=50，Z2=100，壽命Lh=12000h，小齒輪相對其軸的支撐為不對稱布置。
（1）選擇齒輪的材料和精度等級
1）由教材表10-1選擇小齒輪的材料為40Cr，硬度280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)制）硬度240HBS，二者材料硬度相差40HBS。
2）雙圓盤開溝機屬于農(nóng)業(yè)機械，故精度等級選擇8級。
（2）按齒面接觸疲勞強度計算：
由設(shè)計計算公式進行計算即：
1）試選載荷系數(shù)：Kt=1.8;
2）計算小齒輪傳遞的扭矩:
P2=65η=52.8KW
= 9.55×106×(52.8/206)N·mm
=2447767N·mm
3）確定齒寬系數(shù)：小齒輪做不對稱布置，查表10-7選擇 Φd=1.0。
4）確定彈性影響系數(shù)：查教材表10-6得 ZE=189.8MPa?
5）確定區(qū)域載荷系數(shù)：按標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪設(shè)計得 ZE=2.5
6）齒數(shù)比：
u=Z4/ Z3=100/50=2
7）根據(jù)循環(huán)次數(shù)公式 N=60njLh計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù):
N3=60n3jLh=60×206×1×12000=1.4832×108
N4=60n4jLh=60×102×12000=7.344×107
8）取接觸疲勞壽命系數(shù)：查教材圖10-19中曲線1可得
KHN3=1.28 KHN4=1.3
9）計算接觸疲勞許用應(yīng)力：查教材圖10-21（d）
σHlim3=600Mpa σHlim4=550MPa
得取失效率為1%，安全系數(shù)SH=1
[σH]3=σHlim3 KHN3/SH=(1.28×600/1.0)Mpa=768MPa
[σH]4=σHlim4KHN4/SH=(1.3×550/1.0)Mpa=715MPa
10）由接觸強度計算小齒輪分度圓直徑，代入[σH]中較小值
=2.32{1.8×2447767(2+1)189.82/2×7152}1/3mm
=180mm
11）計算齒輪的圓周速度：
v=3.14 d1tn1/(60×1000)
=3.14×180×206/(60×1000)m/s
=1.94m/s
12）計算齒寬和齒高比：
b=Φdd3t=1.0×180mm=180mm
mt= d2t/Z3=180/50mm=3.6mm
齒高：
h=2.25mt=2.25×3.6mm=8.1mm
b/h=180/8.1=22.22
13）計算載荷系數(shù)：
齒輪的使用載荷系數(shù)載荷情況以輕微沖擊為依據(jù)，查教材表10-2得：KA=1.25
由教材圖10-8 查的KV=1.1
直齒輪 KHa=KFa=1
由表10-4得：KHβ=1.361
由b/h=22.22查圖10-13得 KFβ=1.22
接觸強度載荷系數(shù)：
K= KAKVKHaKHβ=1.25×1.1×1×1.361=1.87
14）按實際的載荷系數(shù)校正分度圓直徑：
d3= d3t(K/Kt)1/3=180×(1.87/1.8)1/3mm=182.3mm
(3) 校核齒根彎曲強度
載荷系數(shù)：
1）確定彎曲強度載荷系數(shù)：
K=KAKVKFaKFβ=1.25×1.1×1×1.22=1.6775
2）查取齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù)：
查教材表10-5得：
YFa3=2.32 YSa3=1.70
YFa2=2.18 YFa2=1.79
3）計算彎曲疲勞許用應(yīng)力：
由教材圖10-8得
KFN3=0.85 KFN4=0.88
取安全系數(shù)：SF=1.4
由教材圖10-20（c）得：
σFN3=500Mpa σFN4=440MPa
按對稱循環(huán)交變應(yīng)力確定許用彎曲應(yīng)力：
[σF3]=σFN3KFN3/SF=0.85×500/1.4Mpa=303.57MPa
[σF4]=σFN4KFN4/SF=0.88×380/1.4Mpa=238.86MPa
4）計算大小齒輪的YFaYSa/[σF]并加以比較
YFa1YSa1/[σF1]=2.32×1.70/303.57=0.012992
YFa2YSa2/[σF2]=2.18×1.79/238.86=0.016337
大齒輪數(shù)值大
5）設(shè)計計算：
=3.77mm
齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，可將模數(shù)圓整為標(biāo)準(zhǔn)值
m=5mm 按接觸強度算得分度圓直徑d3=180mm
算出小齒輪齒數(shù)
Z3= d3/n2=182.3/5=36.46≈36
大齒輪齒數(shù)
Z4=2Z4=72.92≈73
這樣計算的齒輪傳動既滿足疲勞強度又滿足齒輪彎曲疲勞強度并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費。
（4）計算幾何尺寸
1）計算分度圓直徑：
d3= Z3m=5×36mm=180mm
d4= Z4m=5×73mm=365mm
2）計算中心距：
a=( d3+ d4)/2=(180+365)/2mm=272.5mm
3）計算齒輪寬度：
b=Φdd3=1×180mm=180mm
取B4=180mm B3=185mm
3.2 直齒錐齒輪設(shè)計計算
3.2.1 Ⅴ軸直齒錐齒輪計算
設(shè)計用于開溝機的直齒圓錐齒輪傳動，軸夾角90o，傳遞功率P=23.4kw，轉(zhuǎn)速n=102r/min，齒數(shù)比u1=1,兩班制工作壽命十年（按一年300天算）。
（1）選擇齒輪的材料和精度等級
1）由教材表10-1選擇兩齒輪的材料為40Cr，硬度280HBS。
2）雙圓盤開溝機屬于農(nóng)業(yè)機械，故精度等級選擇8級。
3）選擇齒輪齒數(shù) Z1= 65
Z2=u Z1=65
取 Z2=65 u= Z2/Z1
（2）按齒面接觸疲勞強度計算：
由設(shè)計計算公式進行計算即：
進行試算。
1）試選載荷系數(shù)：Kt=1.6;
2）計算主動齒輪傳遞的扭矩:
P1=23.4KW
=9.55×106×(23.4/102)N·mm=2190882N·mm
3）確定齒寬系數(shù)：小齒輪做不對稱布置，查表10-7選擇 ΦR=0.3。
4）確定彈性影響系數(shù)：查教材表10-6得 ZE=189.8MPa?
5) 確定區(qū)域載荷系數(shù)：按標(biāo)準(zhǔn)直齒錐齒輪設(shè)計得 ZE=2.5
6) 根據(jù)循環(huán)次數(shù)公式 N=60njLh計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù):
N1=60n1jLh=60×102×10×300×2=3.67×107
N2=60n2jLh=60×102×10×300×2=3.67×107
7) 取接觸疲勞壽命系數(shù)：查教材圖10-19中曲線1可得
KHN1=1.25 KHN2=1.25
8) 計算接觸疲勞許用應(yīng)力：查教材圖10-21（d）
σHlim1=600Mpa σHlim2=600MPa
9) 計算接觸疲勞許用應(yīng)力
得取失效率為1%，安全系數(shù)SH=1.0
[σH]1=σHlim1 KHN1/SH=(1.25×600/1.0)MPa=750MPa
[σH]2=σHlim2 KHN2/SH=(1.25×600/1.0)MPa=750MPa
10）由接觸強度計算小齒輪分度圓直徑，代入[σH]中較小值
=295.4mm
11）計算齒輪的圓周速度：
dm1= d1(1-0.5ΦR)
=295.4(1-0.3×0.5)mm
=251.09mm=251mm
v=3.14 dm1n1/(60×1000)
=3.14×251×102/(60×1000)m/s
=1.34m/s
12）計算載荷系數(shù)：
齒輪的使用載荷系數(shù)載荷情況以輕微沖擊為依據(jù)，查教材表10-2得：KA=1.0
由教材圖10-8 查的KV=1.10
直齒輪 KHa=KFa=1
根據(jù)齒輪兩端支撐，齒輪作懸臂布置，查教材10-9得軸承系數(shù)KHβbe=1.25
由公式得：
KHβ=KFβ=1.5KHβbe=1.5×1.25=1.875
接觸強度載荷系數(shù)：
K= KAKVKHaKHβ=1.0×1.1×1.0×1.875=2.06
13）按實際的載荷系數(shù)校正分度圓直徑：
=295.4×(2.06/1.6)1/3mm=321mm
m= d1/Z1=321.4/65=4.94mm
取標(biāo)準(zhǔn)值m=5mm
14）計算齒輪的相關(guān)幾何尺寸：
d1= Z1m=5×65mm=325mm
d2= Z2m=5×65mm=325mm
δ1=arccos(1/2?)=45o
δ2=90o-δ1=45o
=227mm
15）圓整后的齒寬：
b=ΦRR=0.3×227mm=68.1mm
圓整取b2=68mm b1=68mm
(3) 校核齒根彎曲疲勞強度：
1）確定彎曲強度載荷系數(shù)：
K=KAKVKFaKFβ=1.0×1.1×1.0×1.875=2.06
2）計算當(dāng)量齒數(shù)
ZV1=Z1/cosδ1=65/cos45o=91.9
ZV2=Z2/cosδ2=65/cos45o=91.9
3）查取齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù)：
查教材表10-5得：
YFa3=2.20 YSa3=1.74
YFa2=2.20 YFa2=1.74
4）計算彎曲疲勞許用應(yīng)力：
由教材圖10-8得
KFN1=0.98 KFN4=0.98
取安全系數(shù)：SF=1.1 由教材圖10-20（c）得：
σFN3=500Mpa σFN4=440MPa
[σF]1=σFN1 KFN1/SF=(0.98×500/1.1)MPa=445.45MPa
[σF]2=σFN2 KFN2/SF=(0.98×500/1.1)MPa=445.45MPa
5）校核彎曲強度
根據(jù)彎曲強度校核公式
σF=2KT1YFaYSa/{bm2（1-0.5ΦR）2z}≦[σF]進行校核
如下：
σF=2KT1YFa1YSa1/{bm2（1-0.5ΦR）2z}=251.1≦[σF]1
σF=2KT1YFa2YSa2/{bm2（1-0.5ΦR）2z}=251.1≦[σF]2
滿足彎曲強度參數(shù)符合要求。
3.2.2 Ⅳ軸直齒錐齒輪計算
通過錐齒輪1的計算，可得到錐齒輪2
選擇錐齒輪3齒數(shù)90，錐齒輪4齒數(shù)90
d3= Z3m=5×90mm=450mm
d2= Z4m=5×90mm=450mm
δ3=arccos(1/2?)=45o
δ4=90o-δ3=45o
=318mm
圓整后的齒寬：
b=ΦRR=0.3×318mm=95mm
圓整取b2=95mm b3=95mm
3.3 齒輪軸強度校核
3.3.1 Ⅱ軸強度校核計算
選用45鋼 [σ]=40MPa,d=90mm:
圖3.2 雙圓盤開溝機Ⅱ軸支撐圖
由公式 Ft=2T/d
Fr=Fttana
Fn=FT/cosa
得：= 9.55×106×(54.5/540)N·mm=963842.6N·mm
Ft2=2T1/d1=2×963842.6/145N=13294N
Fr2=Ft2tana=13294×tan20oN=4838.6N
= 9.55×106×(52.8/206)N·mm=2447767N·mm
Ft3=2T2/d3=2×2447767/180N=27197N
Fr3=Ft3tana=27197×tan20oN=9899N
圖3.2 Ⅱ軸扭矩圖
圖3.3 Ⅱ軸剪力彎矩圖
計算支座反力：
489Fa1+152.5Fr3=357Fr2
489Fa2+132Fr2=336.5Fr3
Fa1=445N Fa2=5506N
由扭矩圖，剪力圖和彎矩圖可得：齒輪3處軸為危險截面
M=839.6N·m
由第三強度理論校核：
/W=32×（839.62+2447.7672）?/(3.14×0.093)=36.2Mpa≤[σ]
滿足強度要求。
3.3.2 Ⅳ軸強度校核計算
軸材料選擇40Cr，[τ]=50MPa,功率P=23KW,n=102r/min，空心軸d=80mm，D=100mm。
T= 9.55×106×(23/102)N·mm=2153431N·mm
τT=T/Wt=9550000P/(nWt)=18.58N·mm2≤[τ]
所以軸的扭轉(zhuǎn)剪切強度合格。
結(jié) 論
雙圓盤開溝機與拖拉機的掛接方式采用三點懸掛結(jié)構(gòu)方式，拖拉機縱向穩(wěn)定性較好，拆裝方便；傳動箱能夠降低輸出軸轉(zhuǎn)速并且改變力的傳遞方向；在銑刀盤盤轂外緣上設(shè)計了十八把徑向切刀呈六頭螺旋線排列，使機具在作業(yè)時負(fù)荷均勻，拋灑連續(xù)，不漏土，達到了設(shè)計要求。
該機具是水利工程中較為理想的作業(yè)機具。作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量大大提高，符合高效農(nóng)業(yè)發(fā)展要求。
雙圓盤開溝機缺點是開溝機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，附土和入土性能較差，特別在粘重土壤上更為嚴(yán)重，亟待解決，但是雙圓盤開溝機基本能夠滿足開溝的作業(yè)要求，尤其是溝型的比較完整，效率高。
通過本次的設(shè)計對機械設(shè)計與材料力學(xué)等專業(yè)課的運用，讓我明白了許多道理，查閱了許多關(guān)于開溝機的資料，鍛煉了自己的能力，也認(rèn)識到了大學(xué)中學(xué)習(xí)各門課程的意義，對于以后的工作有更大幫助。
致 謝
近三個月的畢業(yè)設(shè)計終于完成，在這這段時間里，我運用大學(xué)所學(xué)的專業(yè)課完成了本次畢業(yè)設(shè)計，在畢業(yè)設(shè)計中通過對方案論證，理論設(shè)計的計算，機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，工程圖的繪制，設(shè)計說明書的撰寫等環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，已經(jīng)使個人理論水平和實際動手能力有了提高，鍛煉了自己在查找資料、設(shè)計、分析，動手實踐等方面的能力，同時使所學(xué)專業(yè)知識得到一次全面的鞏固和加強。
此次畢業(yè)設(shè)計能夠順利完成，我得到了很多老師、同學(xué)的關(guān)心、幫助和支持，在此本人首先向他們表示感謝。在畢業(yè)設(shè)計過程中，我的指導(dǎo)老師劉曉杰老師給予很多的幫助。在設(shè)計前期的準(zhǔn)備時，劉老師給指明選題方向，幫助分析題目的可行性和實際中可能出現(xiàn)的問題以及需要注意的事項。在細(xì)節(jié)設(shè)計審核時，為我指出在設(shè)計中出現(xiàn)的不足與錯誤，并幫助我分析相應(yīng)知識難點的原理，使我的畢業(yè)設(shè)計得以順利進行。
同時，我也要感謝大學(xué)四年所有教過和沒有教過但給我很多幫助的老師，是他們的教導(dǎo)讓我能在這里學(xué)到很多的專業(yè)知識，給我以后工作和學(xué)習(xí)打下了堅實的基礎(chǔ)，是他們的諄諄教誨使我明白了更多為人處事的道理，在此我衷心地感謝所有幫助過我的老師。由于時間和個人知識及能力水平有限，論文中難免會有一些紕漏或錯誤之處，懇請各位老師批評指正。不勝感謝！
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