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1 上海電機學院 畢業(yè)設(shè)計（論文） 課題名稱 機動式空心鉆筒植樹挖坑機的設(shè)計 學 院 機械學院 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級 BJ1202 學 號 121002280222 姓 名 劉星辰 指導教師 馬雪芬 日期： 2016 年 4 月 10 日 II 摘要 植樹挖坑機是一種造林機械設(shè)備，目前國內(nèi)造林機械的發(fā)展水平還不高，多為人 工控制，很少能實現(xiàn)自動化作業(yè)。如何將先進的自動化、智能化技術(shù)應(yīng)用到機械造林 中，提高造林機械的自動化、智能化水平是擺在林業(yè)機械科研工作者面前的一個技術(shù) 問題。國外挖坑機的發(fā)展要先進得多，主要發(fā)展方向是對于大型的挖坑機要集多種功 能于一身，增加輔助設(shè)備。小型的挖坑機則側(cè)重于機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。本課題主要設(shè)計 一個大型挖坑機，適合于城市道路旁、公園內(nèi)、綠地上栽植大樹的挖坑作業(yè)。 本課題來源于生產(chǎn)實際,目前，我國正在大力加強植樹造林建設(shè)，特別是江蘇沿海 地區(qū)，政府部門每年都規(guī)劃植樹造林，然而植樹造林存在一個問題，需要大量的人力 來投入，而現(xiàn)在，國家倡導綠色造林，為了更有效的植樹造林,出現(xiàn)了機械造林。本次 要設(shè)計的是機動式空心鉆筒植樹挖坑機的設(shè)計。與東風 EQ140 汽車底盤相匹配，用于 植樹造林，代替人力勞動，實現(xiàn)機械化造林。 本次設(shè)計的挖坑機是一種搭載在東風汽車底盤的空心鉆筒挖坑機，由分動機構(gòu)、 支撐機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、工作機構(gòu)組成；由汽車發(fā)動機通過分動機構(gòu)提供動力，液壓系 統(tǒng)來控制各個部分的運動，從而實現(xiàn)挖坑作業(yè)。 關(guān)鍵詞：造林機械，挖坑機，東風汽車底盤 III Abstract Reforestation tree planting digging machine is a mechanical device, the current level of development of the domestic afforestation machines is not high, mostly for manual control, very few can realize automatic operation. How will the application of advanced automation, intelligent technology in mechanical afforestation, reforestation improve mechanical automation and intelligence level is placed in front of forestry machinery researchers a technical problem. Development of Foreign digging machine much more advanced, the main development direction for large digging confidential combines many functions in one, adding auxiliary equipment. Small digging machine is focused on optimizing the design agency. The main task to design a large-scale digging machine, suitable for side roads, park, tree planting digging jobs on the green. The subject comes from actual production, at present, China is working to strengthen afforestation construction, especially in coastal areas of Jiangsu, government departments every year planning afforestation, reforestation, however there is a problem, we need to invest a lot of manpower, and now, the national advocacy green afforestation, reforestation for more effective, has a mechanical afforestation. The secondary design is self-propelled drill hollow cylinder design tree planting digging machine. Dongfeng EQ140 automobile chassis matches for afforestation and replace human labor, mechanization of afforestation. The design of the digging machine is a chassis mounted Dongfeng Motor hollow cylindrical drill digging machine by the transfer mechanism, support mechanism, slewing mechanism, the work of institutions; powered by an automobile engine via the transfer mechanism, hydraulic system to control the movement of each part, in order to achieve the digging operation. Keywords: afforestation machines, digging machines, Dongfeng Automobile chassis IV 目 錄 第 1 章 引言..............................................................................................................................1 1.1 選題背景及其意義 ......................................................................................................1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ..........................................................................................................1 1.3 發(fā)展趨勢 ......................................................................................................................5 1.4 研究內(nèi)容 ......................................................................................................................5 第 2 章 機動式空心鉆筒植樹挖坑機總體方案的設(shè)計........................................................7 2.1 總體方案.......................................................................................................................7 2.2 工作裝置的設(shè)計...........................................................................................................8 2.2.1 挖坑裝置............................................................................................................8 2.2.2 加壓裝置和減速裝置........................................................................................9 2.2.3 滑動導軌的選擇................................................................................................9 2.3 擬采取的技術(shù)措施.......................................................................................................9 第 3 章 挖坑裝置的設(shè)計........................................................................................................11 3.1 鉆筒的設(shè)計 ................................................................................................................11 3.2 切削刀齒的設(shè)計 ........................................................................................................11 3.3 減速器的選型 ............................................................................................................13 3.4 主液壓馬達的選用 ....................................................................................................13 第 4 章 機動式空心鉆筒植樹挖坑機主要設(shè)計計算..........................................................14 4.1 加壓裝置油缸的設(shè)計 ...............................................................................................14 4.2 支塔液壓缸的設(shè)計 ...................................................................................................16 4.3 活塞的設(shè)計 ...............................................................................................................18 4.4 導向套的設(shè)計與計算 ...............................................................................................18 4.5 端蓋和缸底的設(shè)計與計算 .......................................................................................20 4.6 缸體長度的確定 .......................................................................................................21 4.7 緩沖裝置的設(shè)計 .......................................................................................................21 4.8 排氣裝置 ...................................................................................................................21 4.9 密封件的選用 ...........................................................................................................23 4.10 防塵圈 .....................................................................................................................24 第 5 章 液壓泵的參數(shù)計算....................................................................................................25 V 5.1 電動機的選擇 ...........................................................................................................25 5.2 液壓元件的選擇 .......................................................................................................26 5.2.1 液壓元件的選擇.............................................................................................26 5.2.2 油管的選擇.....................................................................................................28 5.3 驗算液壓系統(tǒng)性能 ...................................................................................................29 5.3.1 壓力損失的驗算及泵壓力的調(diào)整.................................................................29 5.3.2 液壓系統(tǒng)的發(fā)熱和溫升驗算.........................................................................31 第 6 章 液壓站的設(shè)計............................................................................................................33 6.1 液壓站簡介................................................................................................................33 6.2 油箱設(shè)計 ...................................................................................................................33 6.2.1 油箱有效容積的確定......................................................................................33 6.2.2 油箱容積的驗算.............................................................................................34 6.2.3 油箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計.............................................................................................35 6.3 液壓站的結(jié)構(gòu)設(shè)計 ...................................................................................................38 6.3.1 液壓泵的安裝方式.........................................................................................38 6.3.2 液壓泵與電動機的連接.................................................................................39 6.4 輔助元件 ...................................................................................................................41 6.4.1 濾油器.............................................................................................................41 6.4.2 空氣濾清器.....................................................................................................41 6.4.3 液位計.............................................................................................................42 6.4.4 蓄能器.............................................................................................................43 6.4.5 液壓油.............................................................................................................45 結(jié)論..........................................................................................................................................47 參考文獻..................................................................................................................................48 致 謝......................................................................................................................................49 1 第 1 章 引言 1.1 選題背景及其意義 本課題來源于生產(chǎn)實際,目前，我國正在大力加強植樹造林建設(shè)，特別是江蘇沿海 地區(qū)，政府部門每年都規(guī)劃植樹造林，然而植樹造林存在一個問題，需要大量的人力 來投入，而現(xiàn)在，國家倡導綠色造林，為了更有效的植樹造林,出現(xiàn)了機械造林。本課 題是設(shè)計一臺植樹挖坑機，與東風 EQ140 汽車底盤相匹配，用于植樹造林，代替人力 勞動，實現(xiàn)機械化造林。 我國在“十二五”規(guī)劃中把生存環(huán)境建設(shè)擺到了突出的戰(zhàn)略位置。我國三峽長江 流域防護林體系建設(shè)工程、退耕還林工程中面積為 26329.5 萬公頃,森林面積為 15874.1 萬公頃，近年來人們越來越重視身邊的生態(tài)環(huán)境， “植樹造林,保護環(huán)境”已成 為全民參與的一項大型義務(wù)活動，所以單靠手工種樹，已經(jīng)不能滿足生態(tài)和發(fā)展的需 求，機械化造林勞動效率高，減輕勞動強度，還能保證質(zhì)量，降低成本，不僅能得到 很好的經(jīng)濟效益，又會帶來巨大的生態(tài)效益和社會效益。在國內(nèi)，懸掛式挖坑機的生 產(chǎn)和應(yīng)用較為廣泛，該類挖坑機通常具有較大的功率，機動性強，能挖較大較深坑， 大多應(yīng)用與大面積植樹造林，但我國生產(chǎn)的技術(shù)水平比較低，在陡坡和復雜地區(qū)很難 正常進行植樹挖坑作業(yè)，只能依靠手提式挖坑機。手提式挖坑機在我國剛剛嶄露頭角， 很多方面不夠完善特別是在人機關(guān)系方面。相比之下，國外研究狀況要好一些。有日 本生產(chǎn)的自走式高性能挖坑整地機采用柴油機作為動力，適用于坡度高達 56°的陡坡 作業(yè)，每天可挖坑植樹 300～400 個。美國生產(chǎn)的懸掛式三鉆頭挖坑機鉆頭之間的距離 是可調(diào)節(jié)的，適用于平原地區(qū)大面積植樹造林，工作效率高。但國外的挖坑機大都價 格昂貴。結(jié)合中外挖坑機的特點，本設(shè)計主要設(shè)計方向是質(zhì)優(yōu)價廉，人機協(xié)調(diào)的懸掛 式挖坑機。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 中國植樹挖坑機產(chǎn)業(yè)發(fā)展出現(xiàn)的問題中，許多情況不容樂觀，如產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不合 理、產(chǎn)業(yè)集中于勞動力密集型產(chǎn)品；技術(shù)密集型產(chǎn)品明顯落后于發(fā)達工業(yè)國家；生產(chǎn) 要素決定性作用正在削弱；產(chǎn)業(yè)能源消耗大、產(chǎn)出率低、環(huán)境污染嚴重、對自然資源 破壞力大；企業(yè)總體規(guī)模偏小、技術(shù)創(chuàng)新能力薄弱、管理水平落后等。我國植樹造林 機具現(xiàn)狀我國植樹造林機械赴較晚，主要在南方為種植橡膠實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，有為東方紅- 2 75、熱特-25 型拖拉機配套的植樹挖坑機，而北方地區(qū)為栽植果樹和防護林，也研制了 為中型輪式拖拉機如上海-50、神牛-25 型拖拉機配套的開溝機、植樹挖坑機，這種機 具既可以挖植樹穴坑，也可以挖梯形溝槽用于果樹施溝肥。對大面積的機械植樹造林， 多采用鏵式系歹開溝機，如 1K-40、1K-50 和 1K-60 型開溝機。我國植樹造林機械雖有 多個品種，但由于栽種樹苗多在山地、坡地，土質(zhì)條件復雜，影響了機械的使用效果， 基本上用人工挖坑栽苗，使用生產(chǎn)的植樹挖坑機批量較小。 我國目前投入生產(chǎn)和主要使用的植樹挖坑機擁有多種形式的配套動力和挖頭結(jié)構(gòu)。 不同的植樹環(huán)境要求挖坑機具有與之相適應(yīng)的動力和連接方式、結(jié)構(gòu)型式及重量限制、 鉆頭型式等。根據(jù)作業(yè)方式的不同我們可以簡單地將挖坑機分為便攜式與機載式兩大 類，便攜式挖坑機包括手提式、背負式，機載式挖坑機包括懸掛式與牽引式等類型。 挖坑機的鉆頭根據(jù)形狀可分為螺旋式鉆頭、螺旋帶型鉆頭、葉片型鉆頭和螺旋齒式鉆 頭等。 （1） 手提式挖坑機 手提式挖坑機的結(jié)構(gòu)一般由機架、操作裝置、發(fā)動機、離合器、減速器、鉆頭等部 分組成。如圖 1-1 所示。離合器是發(fā)動機和工作部件間的連接裝置，一般采用離心式 摩擦離合器。當發(fā)動機達到一定轉(zhuǎn)速時，離合器主動盤重錘所產(chǎn)生的離心力克服了彈 簧的拉力，離合器就自動接合，并經(jīng)減速器將動力傳遞給鉆頭。減速器是挖坑機的重 要部件，其作用是將發(fā)動機的轉(zhuǎn)速變?yōu)殂@頭的工作轉(zhuǎn)速，有圓柱齒輪減速器、蝸輪蝸 桿減速器和擺線針齒減速器等類型。以采用擺線針齒減速器較普遍，它具有減速比大、 體積小、重量輕、噪聲低和傳動平穩(wěn)等特點。操縱裝置常采用可拆卸式的手柄結(jié)構(gòu)， 可單人或雙人操作。鉆頭由鉆尖、刀片、導土片和鉆桿組成。鉆尖起定位作用，刀片 用于切削土壤，導土片則主要起升土作用。作業(yè)時鉆頭垂直向下運動，在扭矩和軸向 力的作用下切削土壤，切下的松碎土壤沿導土片工作面上升，運到地表后被拋離到坑 的周圍。 手提式挖坑機結(jié)構(gòu)緊湊，機體與汽油發(fā)動機裝配成整體，體積小、重量輕， 機動靈活，由單人或雙人手提操作，適宜于拖拉機不能通過的地形復雜的山地、丘陵 和溝壑地區(qū)，挖坑直徑和深度都比較小，也可用于果樹的追肥及埋設(shè)樁柱手提式挖坑 機在我國起步較晚，但發(fā)展較快，雙人操作的便攜式挖坑機在我國使用比較普遍，生 產(chǎn)的型號也比較多，如 3WB-3、3WS-5、WL200 等，挖坑直徑約為 100~400mm、坑深為 3 200~600mm。 手提式挖坑機的適應(yīng)性很強，不但作為植樹挖坑之用，也可在建筑工地、地質(zhì)礦 山電力交通等部門用于埋設(shè)樁、柱、勘探、打眼等作業(yè)。由于家庭及街道作業(yè)的緣故 國外的手提式挖坑機興起較早，例如日本生產(chǎn)的 A-7 型手提式挖坑機質(zhì)量僅為 7.0kg，采用 H35D 發(fā)動機； A-8D 型挖坑機可挖坑徑范圍為 20~200mm。德國生產(chǎn)的 BT120C 型挖坑 機發(fā)動機功率 1.3kW，質(zhì)量 8.2kg，鉆頭轉(zhuǎn)速 190r/min。 圖 1-1 WL-200 型手提式挖坑機 （2）背負式挖坑機 背負式挖坑機如圖 1-2 所示，單人操作，輕便，靈活，適用于山地、丘陵地帶作 業(yè)， 適用于平緩地帶。此類挖坑機是利用防振架將發(fā)動機背在背后，通過撓性傳動軟 軸，將發(fā)動機扭矩傳給鉆頭。操作人員需配有專用的防震護具。 圖 1-2 背負式挖坑機 （3） 懸掛式挖坑機 4 懸掛式挖坑機有多種形式。可以通過液壓懸掛裝置掛在拖拉機后面，由拖拉機動 力 輸出軸經(jīng)傳動系統(tǒng)驅(qū)動鉆頭進行挖坑作業(yè)，也有用液壓馬達直接驅(qū)動鉆頭進行作業(yè)的。 一般結(jié)構(gòu)都是由傳動軸、減速器、鉆頭、拉桿和機架等組成（見圖 1-3） ，鉆頭一般采 用雙螺旋型。有的挖坑機裝有兩個或兩個以上的鉆頭，稱多鉆頭挖坑機，能充分利用 拖拉機的功率來提高生產(chǎn)率。為使鉆頭在工作時不因遇到石塊、樹根等障礙物超負荷 時受損，在傳動軸上裝有牙嵌式離合器，在超負荷狀態(tài)下，離合器自動脫離，從而切 斷動力的傳遞。 圖 1-3 3WH-60 型懸掛式挖坑機 懸掛式挖坑機由于動力較大，功效高，可挖較大的坑穴，主要用于平緩地形或拖 拉 機可以通行的地域，鉆頭的升降通過拖拉機液壓系統(tǒng)操縱，挖坑直徑和深度都比較大。 坑徑多為 600mm~1000mm、深度可達到 1000mm。諸如內(nèi)蒙古赤峰田豐農(nóng)林機械廠生產(chǎn) 的 3WH-60 型（如圖 1-3） 、3WC-60 型懸掛式挖坑機，通遼林業(yè)機械制造廠生產(chǎn)的 3WG-60 型、4Z-130 型挖坑機，山東大豐機械廠生產(chǎn)的“大豐王”系列挖坑機 WKJ-60/70，配 套不同動力的拖拉機可以挖掘不同直徑不同深度的樹坑。適合于平原、坡度小的山地、 丘陵等地況作業(yè)，具有性能好、作業(yè)效率高的特點。 （4） 牽引式挖坑機 牽引式挖坑機的機器裝在小車上，由拖拉機牽引，掛接方便，不受拖拉機結(jié)構(gòu)限 制， 但結(jié)構(gòu)復雜，機動性差； 我國在 2001 年由達拉特旗白土梁生態(tài)治理有限公司 成功研制 并生產(chǎn)出 JYZ-80 型牽引式液壓植樹機。圖 1-4 為一種拖拉機牽引式深孔 5 鉆。 圖 1-4 牽引式深孔鉆 國外一些專家學者對挖坑機鉆頭也做了大量的研究：Macpherson 用波動理論建立 的鉆桿縱向、扭轉(zhuǎn)振動模型與實際測量結(jié)果進行比較。而 Millheim 等應(yīng)用 D'Alembert 原理在靜力分析的基礎(chǔ)上引入慣性力和摩擦力，運用有限元方法建立鉆柱 三維動態(tài)模型用以研究鉆柱動態(tài)行為對鉆頭軌跡的影響，給出了影響鉆頭軌跡的主要 因素。Y.Altintas 等建立了可描述不同形狀螺旋鉆刀片的動力學通用模型，用時變力 系數(shù)的傅立葉級數(shù)展開給出了用于鉆削穩(wěn)定性解析預測鉆削過程的動力學模型及其一 般數(shù)學表達式。E.Armarago 等提出了用正交切削數(shù)據(jù)計算切削過程剪切應(yīng)力、剪切角、 后刀面平均摩擦系數(shù)，把正交切削參數(shù)轉(zhuǎn)換到傾斜鉆削，預測傾斜鉆削力的方法。 S.Jensen 給出的切削力模型考慮了進給速度、鉆尖處的幾何形狀以及對柔性工件的動 態(tài)特性有影響的主軸軸向振動因素。 1.3 發(fā)展趨勢 植樹挖坑機未來的發(fā)展趨勢主要在以下幾個方面： （1）一機多能 在我國，植樹造林具有季節(jié)性和區(qū)域性的特點，機具作業(yè)時間短，間隔時間長， 單一性能機具的年利用率很低，因此在今后的設(shè)計中，應(yīng)盡量考慮一機多用問題。具 體措施：一是更換不同的鉆頭，適應(yīng)不同的土壤條件和工作環(huán)境；二是設(shè)計通用機架， 在更換其它工作部件后即可完成其他營林作業(yè)項目，提高其利用率。 （2）人機和諧 凡是人使用的各種機械設(shè)備，都應(yīng)進行完善的人-機工程學設(shè)計，以使其符合人的 心理與生理學特性，從而最大限度地減輕使用者的操作疲勞和心理負擔，能夠使人舒 6 適和高效率地工作，使整個人-機系統(tǒng)具有最和諧的人機關(guān)系和最優(yōu)的綜合效能。同時， 要盡量減少噪音對操作者的影響，還需要考慮手提式挖坑機反向轉(zhuǎn)矩對操作者的安全 問題，盡量把轉(zhuǎn)矩通過機械裝置釋放一些，提高操作者的安全系數(shù)。 （3）應(yīng)用范圍 挖坑不僅適用于平原、沙地和丘陵，還能夠用于山地和溝壑；不僅適用于坡度 56°以 下的陡坡林地的整地挖坑，而且還適用于 35°以下的坡地挖坑造林。 1.4 研究內(nèi)容 本次設(shè)計的挖坑機是一種搭載在東風汽車底盤的空心鉆筒挖坑機，由分動機構(gòu)、 支撐機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、工作機構(gòu)組成；由汽車發(fā)動機通過分動機構(gòu)提供動力，液壓系 統(tǒng)來控制各個部分的運動，從而實現(xiàn)挖坑作業(yè)。主要研究內(nèi)容包括以下部分： 1 支撐機構(gòu) 支撐機構(gòu)主要包括液壓缸和支撐導軌。液壓泵將發(fā)動機的機械能轉(zhuǎn)換為液壓能使 液壓缸工作支撐起整個工作機構(gòu)，同時需要導軌的導向作用，來確定工作機構(gòu)工作時 的平穩(wěn)。 2 分動機構(gòu) 從汽車發(fā)動機輸出的動力，通過齒輪傳動輸入到液壓泵中提供動力。 3 液壓系統(tǒng) 液壓控制系統(tǒng)由各自獨立的液壓回路組成，主泵通過各液壓回路控制油缸和液壓 馬達，使操作機產(chǎn)生相應(yīng)動作。 4 工作裝置 工作裝置主要包括加壓裝置，減速裝置，和挖坑裝置，通過加壓裝置使整個鉆筒 上下移動，減速裝置中，通過液壓馬達帶動減速器使鉆桿以要求的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)帶動鉆筒 進行挖坑工作。 5 其他輔助裝置 其他輔助裝置有支腿機構(gòu)和回轉(zhuǎn)機構(gòu)，配合整個挖坑機在載體上的位置放置和挖 坑工作。 7 第 2 章 機動式空心鉆筒植樹挖坑機總體方案的設(shè)計 2.1 總體方案 本課題設(shè)計的挖坑機主要安裝在東風 EQ140 汽車底盤的基礎(chǔ)上,由分動裝置、回轉(zhuǎn) 機構(gòu)、支腿機構(gòu)、支撐機構(gòu)、挖坑裝置等組成?？傮w方案如圖 4-1 所示。 分動裝置的輸入軸它將汽車發(fā)動機的動力接出，驅(qū)動二個柱塞泵和一個齒輪泵， 為挖坑機提供動力。任何機械都是由若干個構(gòu)件所組成的，組成機械的各個構(gòu)件之間 具有確定的相對運動。如圖 4.1 所示。 回轉(zhuǎn)機構(gòu)采用 Q2-3 汽車起重機的回轉(zhuǎn)機構(gòu)，有液壓馬達驅(qū)動，轉(zhuǎn)盤可作 270°范 圍內(nèi)的回轉(zhuǎn)，能使挖坑機的鉆頭在汽車后方和左右兩方的旋轉(zhuǎn)弧線上任一點位置進行 挖坑作業(yè)。 支腿機構(gòu)由四只支腿組成，在工作時支撐于地面，以增加作業(yè)時整機的穩(wěn)定性， 支腿的放下、支撐和收起均由各自的液壓缸驅(qū)動。支塔機構(gòu)用于支撐鉆塔，運輸時通 過支塔液壓缸缸將挖坑裝置傾倒置于車廂前部的支架上，工作時將挖坑裝置支撐于直 立位置。挖坑裝置由筒形鉆頭、減速器、主液壓馬達加壓裝置和鉆塔等組成。 加壓裝置在鉆塔內(nèi)，其加壓油缸的活塞桿與鉆桿用特殊的接頭連接，可以在鉆桿 旋轉(zhuǎn)時仍能保證傳遞向下的進給力，活塞桿向上時，可將鉆頭從土壤中提升踹。鉆頭 與鉆桿連結(jié)，鉆桿上部為方軸，與減速箱被動齒輪的方孔配合，可在方孔中上下移動 而不影響扭矩的傳遞。液壓馬達通過減速器驅(qū)動鉆頭，帶合金鋼切削齒的空心鉆筒可 以破碎堅硬的地表層。 空心鉆筒植樹挖坑機為全液壓系統(tǒng)傳動，其液壓系統(tǒng)由兩個液壓馬達、三泵、雙 回路組成，分為主油路和副油路。主油路的動力是兩個柱塞泵、直接驅(qū)動主液壓馬達 和加壓液壓缸使筒形鉆頭工作；副油路則由一個齒輪泵提供動力給其它執(zhí)行元件（如 回轉(zhuǎn)盤、支腿、支塔旋轉(zhuǎn)等）。工作時，支塔處于垂直位置；不工作時（閑置和移動 途中）支塔轉(zhuǎn)至一定角度收放于汽車底盤上。 8 圖 2-1 為機動式空心鉆筒植樹挖坑機的示意圖 2.2 工作裝置的設(shè)計 2.2.1 挖坑裝置 （1）鉆筒的設(shè)計 本設(shè)計是空心鉆筒植樹挖坑機，空心鉆筒的作用是將刀齒旋轉(zhuǎn)運動帶出來的土壤 通過鉆筒內(nèi)側(cè)的螺旋線型突起留在鉆筒內(nèi)部而不會掉落在坑內(nèi)，挖坑動作完成以后， 通過挖坑裝置回放的小幅振動或人工將土壤從鉆筒里掉落。鉆筒采用 45 鋼鍛造，直徑 600mm,在鉆筒外緣一共裝八把刀齒，為了安裝刀齒方便，鍛造完成后，在 360°方向上 對稱磨八個平面，方便了刀齒刀柄部分螺栓的連接。鉆筒無底無蓋，為了將旋轉(zhuǎn)運動 傳遞給鉆筒，在鉆筒上方焊接了 4 根鋼條，為了保證法蘭安裝的精度，在鋼條上部再 焊接一條方形鋼板，用來安裝法蘭。 （2）切削刀齒的設(shè)計 本植樹挖坑機的硬質(zhì)合金切削刀齒,可以在鉆筒旋轉(zhuǎn)運動和加壓液壓缸的壓力作用 下, 實現(xiàn)刀齒的切土和拋土，從而實現(xiàn)挖坑功能。硬質(zhì)合金切削刀齒在土中旋轉(zhuǎn)過程 中將土壤破碎，向上扛起使其松動。被松碎的土壤在旋轉(zhuǎn)作用下一部分拋離地面，大 部分被卷入鉆筒中，通過鉆筒內(nèi)的螺旋線旋轉(zhuǎn)形狀來留在鉆筒內(nèi)部。切削刀齒用螺栓 固定在鉆筒外側(cè)，在挖坑時利用刀齒的旋轉(zhuǎn)運動將下層的土壤松動，利用鉆筒的向下 運動將土層卷到空心鉆筒中，完畢后利用液壓缸的提升和轉(zhuǎn)向作用，使土壤從鉆筒中 9 掉落出來,從而完成挖坑任務(wù)。 2.2.2 加壓裝置和減速裝置 （1）減速器的選型，根據(jù)課題要求進行計算選型需要市場上可以購買到的減速器。 適當降低速度，增加扭矩。 （2）空心鉆筒挖坑機液壓系統(tǒng)設(shè)計 該機為全液壓系統(tǒng)傳動，其液壓系統(tǒng)由兩個油馬達、三泵、雙回路組成，分為主 油路和副油路。主油路的動力是兩個柱塞泵、直接驅(qū)動主液壓馬達和加壓液壓缸 使筒 形鉆頭工作；副油路則由一個齒輪泵提供動力給其它執(zhí)行元件（如回轉(zhuǎn)盤、支腿、支 塔旋轉(zhuǎn)等） 2.2.3 滑動導軌的選擇 根據(jù)減速器箱體和外箱體的尺寸和受力情況，選用燕尾型滑動導軌。導軌材料應(yīng) 具有良好的耐磨性、摩擦系數(shù)小和動靜摩擦系數(shù)差小。 2.3 擬采取的技術(shù)措施 機動式空心鉆筒植樹挖坑機的設(shè)計針對市場的需要而設(shè)計的，采用利用現(xiàn)成的機 器為動力源，采用液壓組件作為驅(qū)動力，節(jié)省空間，結(jié)構(gòu)簡單，有利用降低成本。 挖坑機結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，實現(xiàn)了挖坑和行進的自由切換，亦可根據(jù)不同的挖 坑要求更換鉆頭，從而滿足不同作業(yè)的要求。 （1） 在傳動系統(tǒng)方面，可設(shè)計研究自走式挖坑機專用的減速器，集離合切換操 作， 通過選擇現(xiàn)成的減速器組件，可以降低生產(chǎn)成本，可以減小設(shè)計空間使設(shè)備更具緊湊 性。 （2） 進一步改進鉆頭的可拆卸、更換性，使其更靈活方便；以及對外形結(jié)構(gòu)的 優(yōu) 化、附屬裝置的設(shè)計，諸如非工作時段鉆頭的放置問題、坡度太大造成設(shè)備過度傾斜 的問題、操作桿可調(diào)性、降低操作人員的振動疲勞等，從而使自走挖坑機更具人性化、 合理化。 在刀齒的設(shè)計中，切削刀齒的設(shè)計選擇接近于銑刀的設(shè)計。由農(nóng)林業(yè)刀具文摘查： 刀齒的厚度＞20mm，一般在接近地表處 r=50°—70°,這樣可使刀齒具有良好的松土推 10 土性能和較少的能量消耗。在插入土壤時受力較大，為了避免應(yīng)力集中，故有小加強 肋， 刀齒刀柄與鉆筒處為螺栓連接，提高刀齒的使用壽命，方便刀齒的互換和安裝，從而 能有效地滿足當今市場上對機動式空心鉆筒植樹挖坑機的需求，且具有如下的優(yōu)點:傳 動平穩(wěn)，傳動效率搞，生產(chǎn)效率高，勞動強度低，產(chǎn)品質(zhì)量好，經(jīng)濟性好，人性化等 優(yōu)點。 11 第 3 章 挖坑裝置的設(shè)計 3.1 鉆筒的設(shè)計 本 設(shè)計是空心鉆筒植 樹挖坑機，空心鉆 筒的作用是將刀齒旋 轉(zhuǎn)運動帶出來的土壤 通過鉆筒內(nèi)側(cè)的螺旋線型突起留在鉆筒內(nèi)部而不會掉落在坑內(nèi)，挖坑動作完成以后， 通過工作裝置回放的小幅振動或人工將土壤從鉆筒里掉落。鉆筒采用 45 鋼鍛造，直徑 600mm,在鉆筒外緣一共裝八把刀齒，為了安裝刀齒方便，鍛造完成后，在 360°方向上 對稱磨八個平面，方便了刀齒刀柄部分螺栓的連接。 鉆筒無底無蓋，為了將旋轉(zhuǎn)運動傳遞給鉆筒，在鉆筒上方焊接了 4 根鋼條，為了 保證法蘭安裝的精度，在鋼條上部再焊接一條正方形鋼板，用來安裝法蘭。鉆筒的尺 寸詳見零件圖。 圖 3-1 鉆筒零件圖 3.2 切削刀齒的設(shè)計 本 植樹挖坑機的 硬質(zhì)合金切 削刀齒,可以 在鉆筒旋轉(zhuǎn) 運動和加壓液 壓缸的壓力作用 下, 實現(xiàn)刀齒的切土和拋土，從而實現(xiàn)挖坑功能。 硬質(zhì)合金切削刀齒在土中旋轉(zhuǎn)過程中將土壤破碎，向上扛起使其松動。被松碎的 土壤在旋轉(zhuǎn)作用下一部分拋離地面，大部分被卷入鉆筒中，通過鉆筒內(nèi)的螺旋線旋轉(zhuǎn) 形狀來留在鉆筒內(nèi)部。 切削刀齒用螺栓固定在鉆筒外側(cè)，在挖坑時利用刀齒的旋轉(zhuǎn)運動將下層的土壤松 動，利用鉆筒的向下運動將土層卷到空心鉆筒中，完畢后利用液壓缸的提升和 轉(zhuǎn)向作 用，使 土壤從鉆筒中 掉落出來,從 而完成挖坑任 務(wù)。在刀齒的 設(shè)計中，切 削刀齒的 設(shè) 12 計選擇 接近于 銑刀的設(shè) 計。由農(nóng) 林業(yè)刀具 文摘查： 刀齒的 厚度＞20mm，一般在接近 地表處 r=50°—70°,這樣可使刀齒具有良好的松土推土性能和較少的能量消耗。在插入 土壤時受力較大，為了避免應(yīng)力集中，故有小加強肋，刀齒刀柄與鉆筒處為螺栓連接， 提高刀齒的使用壽命，方便刀齒的互換和安裝。 圖 3-2 切削刀齒零件圖 刀齒前棱的水平斷面為平口，此角的大小對刀齒的形狀和刀齒側(cè)板的挖土情況有 很大影響。由于刀齒的形狀是以中心縱向垂直平面為對稱平面的對稱形，刀齒的水平 斷面為方頭。 當?shù)洱X旋轉(zhuǎn)運動時土壤沿刀齒表面滑動，而產(chǎn)生側(cè)板粘土和擠土現(xiàn)象。刀齒前方 刀口部分底部的寬度 bk 要選擇適當，為了減少刀齒的阻力，減小刀齒的應(yīng)力集中現(xiàn)象 的發(fā)生，所以本設(shè)計取 bk =26mm。 刀 齒的 高度 H 應(yīng) 使土 壤不能 便落 入溝中 ，并 且便于 裝配 在鉆 筒上。 選用 H=108mm。所以刀齒的最大高度 hm 設(shè)定為 108mm 。 綜上，刀齒的各尺寸參數(shù)確定如下： 刀齒裝配柄高度為 20mm，裝配柄寬度為 38mm，刀齒高度為 108mm，刀齒寬度 為 27mm。 刀齒各組成部件、具體尺寸見圖紙。 切削刀齒刀柄部分螺紋采用內(nèi)螺紋，通過螺栓固定在植樹挖坑機的鉆筒外側(cè)上。 安裝時應(yīng)使刀齒切削刃部分與鉆筒的旋轉(zhuǎn)方向保持一致。 13 3.3 減速器的選型 選擇 WH 系列 減速比為 20 的蝸桿減速器 圖 3-3 蝸桿減速器 3.4 主液壓馬達的選用 已知鉆桿的轉(zhuǎn)速 ,M=4.590/minr?KN? 假設(shè) ，減速器采用一級蝸桿減速器， ，2i 20918/mindnr?A ， ， ，.?聯(lián) 軸 器 .8軸 承 0.?蝸 桿15wPKW? 14 第 4 章 機動式空心鉆筒植樹挖坑機主要設(shè)計計算 基本技術(shù)數(shù)據(jù)，是根據(jù)用途及結(jié)構(gòu)類型來確定的，它反映了工作能力及特點，也 基本上上確定了輪廓尺寸及本體總質(zhì)量等。 4.1 加壓裝置油缸的設(shè)計 主液壓缸采用單作用柱塞式套缸，缸徑較大，能提供很大載荷作用下的舉升力， 同時能夠滿足靠重力回落和撤收的要求。并且工作過程為快進→工進→快退三個過程 的工作循環(huán)。液壓缸的機械效率 95.0m?? 工進時候的負載是最大的， 液壓缸內(nèi)徑的計算 D= ×10-3=78mmηπ P F4 查《液壓傳動與控制手冊》經(jīng)過標準化處理 D=80mm。 表 4.1 液壓缸內(nèi)徑系列 mm 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 160 200 250 320 400 500 1.液壓缸缸體厚度計算 缸體是液壓缸中最重要的零件，當液壓缸的工作壓力較高和缸體內(nèi)經(jīng)較大時， 必須進行強度校核。缸體的常用材料為 20、25、35、45 號鋼的無縫鋼管。在這幾種材 料中 45 號鋼的性能最為優(yōu)良，所以這里選用 45 號鋼作為缸體的材料。][2??DPy? 式中， ——實驗壓力，MPa。當液壓缸額定壓力 Pn 5.1MPa 時，Py=1.5Pn，當? Pn 16MPa 時，Py=1.25Pn。? [ ]——缸筒材料許用應(yīng)力，N/mm 。[ ]= ， 為材料的抗拉強度。?2?n b 注：1.額定壓力 Pn 額定壓力又稱公稱壓力即系統(tǒng)壓力，Pn=5MPa 2.最高允許壓力 Pmax Pmax 1.5Pn=1.25 5=6.375MPa?? 15 液壓缸缸筒材料采用 45 鋼，則抗拉強度： σb=600MPa 安全系數(shù) n 按《液壓傳動與控制手冊》P243 表 2—10，取 n=5。 則許用應(yīng)力[ ]= =120MPa? bσ]2?DPy? = 10 375.6? =2.66mm ,滿足 。所以液壓缸厚度取 5mm。 ??D?? 則液壓缸缸體外徑為 90mm。 4.液壓缸長度的確定 液壓缸長度 L 根據(jù)工作部件的行程長度確定。從制造上考慮，一般液壓缸的長度 L 不會大于液壓缸直徑的 20 到 30 倍。這里取 10 倍。 L=800 選擇油缸型號為 HSGK01-80/45E-3111-800 活塞桿直徑的設(shè)計 查《液壓傳動與控制手冊》根據(jù)桿徑比 d/D，一般的選取原則是：當活塞桿受拉時， 一般選取 d/D=0.3-0.5，當活塞桿受壓時，一般選取 d/D=0.5-0.7。本設(shè)計我選擇 d/D=0.55，即 d=0.55D=0.55×80=44mm。 表 4.2 活塞桿直徑系列 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 360 400 故取 d=45mm。 2.活塞桿強度計算： 7MPa 的中高壓系統(tǒng)時,過濾精度 為 10～15μm，在查表 20-8-132，選擇吸油過濾器溫州黎明 WU160-100J。 圖 6-7 吸油過濾器 6.4.2 空氣濾清器 空氣濾清器是對空氣進行凈化的裝置，它由殼體和濾芯組成，濾芯布置在殼體內(nèi)。 42 大氣中有各種異物，例如灰塵、砂粒等，會對液壓系統(tǒng)的油液造成污染，它們將加速 系統(tǒng)的磨損，從而降低系統(tǒng)的使用壽命。空氣濾清器能防止出現(xiàn)這種情況。查參考文 獻[3]，表 6-68，選擇（溫州黎明）EF5-65 型空氣濾清器。 圖 6-7 EF5-65 型空氣濾清器 6.4.3 液位計 液位計采用連通器的原理液位計采用連通器的原理液位計采用連通器的原理液位 計采用連通器的原理。使容器內(nèi)液體等高引入到液位計主體使容器內(nèi)液體等高引入到 液位計主體使容器內(nèi)液體等高引入到液位計主體使容器內(nèi)液體等高引入到液位計主體 管內(nèi)管內(nèi)管內(nèi)管內(nèi)在主體管內(nèi)的漂浮浮球組件在主體管內(nèi)的漂浮浮球組件在主體管內(nèi) 的漂浮浮球組件在主體管內(nèi)的漂浮浮球組件，根據(jù)浮力原理和磁性藕合原理根據(jù)浮力 原理和磁性藕合原理根據(jù)浮力原理和磁性藕合原理根據(jù)浮力原理和磁性藕合原理。在 主體管外附靠著能反映磁現(xiàn)象的翻柱作為液面位置的顯示在主體管外附靠著能反映磁 現(xiàn)象的翻柱作為液面位置的顯示在主體管外附靠著能反映磁現(xiàn)象的翻柱作為液面位置 的顯示在主體管外附靠著能反映磁現(xiàn)象的翻柱作為液面位置的顯示。 。隨管內(nèi)液位的變 化管內(nèi)液位的變化管內(nèi)液位的變化管內(nèi)液位的變化，浮球組件的高低也相應(yīng)變化浮球 組件的高低也相應(yīng)變化浮球組件的高低也相應(yīng)變化浮球組件的高低也相應(yīng)變化。從而 使主體管外的翻從而使主體管外的翻從而使主體管外的翻從而使主體管外的翻柱作柱 43 作柱作柱作 180 度的翻轉(zhuǎn)度的翻轉(zhuǎn)度的翻轉(zhuǎn)度的翻轉(zhuǎn)，當液位上升時當液位上升時當 液位上升時當液位上升時翻柱由白色轉(zhuǎn)翻柱由白色轉(zhuǎn)翻柱由白色轉(zhuǎn)翻柱由白色轉(zhuǎn)為紅 色為紅色為紅色為紅色，當液面下當液面下當液面下當液面下降時降時降時降時，翻 柱由紅色轉(zhuǎn)為白色翻柱由紅色轉(zhuǎn)為白色翻柱由紅色轉(zhuǎn)為白色翻柱由紅色轉(zhuǎn)為白色。顯 示器的紅顯示器的紅顯示器的紅顯示器的紅白界位處為容器內(nèi)介質(zhì)液白界位處為容器 內(nèi)介質(zhì)液白界位處為容器內(nèi)介質(zhì)液白界位處為容器內(nèi)介質(zhì)液位的實際高度位的實際高 度位的實際高度位的實際高度。從而實現(xiàn)液面的檢測目的如圖一所示從而實現(xiàn)液面的 檢測目的 6-8 所示從而實現(xiàn)液面的檢測目的如圖一所示從而實現(xiàn)液面的檢測目的如圖 6-8 所示。 考慮郵箱的高度和實際需求，選擇溫州黎明 YWZ-400T 液位計: 圖 6-8 溫州黎明 YWZ-400T 液位計 6.4.4 蓄能器 蓄能器是液壓氣動系統(tǒng)中的一種能量儲蓄裝置。它在適當?shù)臅r機將系統(tǒng)中的能量 轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s能或位能儲存起來，當系統(tǒng)需要的時，又將壓縮能或位能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤夯驓?44 壓等能而釋放出來，重新補供給系統(tǒng)。當系統(tǒng)瞬間壓力增大時，它可以吸收這部分的 能量。保證整個系統(tǒng)壓力正常。 蓄能器有兩種用途。①當?shù)退龠\動時載荷需要的流量小于液壓泵流量，液壓泵多余的 流量儲入蓄能器，當載荷要求流量大于液壓泵流量時，液體從蓄能器放出來，以補液 壓泵流量之不足。②當停機但仍需維持一定壓力時，可以停止液壓泵而由蓄能器補償 系統(tǒng)的泄漏，以保持系統(tǒng)的壓力。 圖 6-9 蓄能器 蓄能器也可用來吸收液壓泵的壓力脈動或吸收系統(tǒng)中產(chǎn)生的液壓沖擊壓力。蓄能 器中的壓力可以用壓縮氣體、重錘或彈簧來 產(chǎn)生，相應(yīng)地蓄能器分為氣體式、重錘式 和彈簧式。氣體式蓄能器中的氣體與液體直接接觸者，稱為接觸式，其結(jié)構(gòu)簡單，容 量大，但液體中容易混入氣體，常用于 水壓機上。氣體與液體不接觸的稱為隔離式， 常用皮囊和隔膜來隔離，皮囊體積變化量大，隔膜體積變化量小，常用于吸收壓力脈 動。重錘式容量較大，常用于軋機 等系統(tǒng)中，供蓄能用。 朝日 蓄能器 NXQ-L2.5-10H 含安全開關(guān) 朝日 蓄能器 NXQ-L16-20H 含回油開關(guān) 45 圖 6-10 蓄能器 NXQ-L2.5-10H 含安全開關(guān) 圖 6-11 蓄能器 NXQ-L16-20H 含回油開關(guān) 46 6.4.5 液壓油 液壓設(shè)備出現(xiàn)的故障，有些是由于液壓油選擇不當所引起的。選擇液壓油時需要 考慮的因素很多，其中最主要的是根據(jù)使用條件選用粘度合適的液壓油。在確定液壓 油粘度時，應(yīng)著重考慮下列因素；工