【文章內(nèi)容簡介】 ........................................................................................ 34 1 1 緒論 研究目的及意義 近年來，隨著國家越來越重視農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，糧食生產(chǎn)產(chǎn)量得以穩(wěn)步提高。然而在中國的許多地區(qū)仍然使用比較傳統(tǒng)的耕作方式，致使春冬季節(jié)地表長期裸露，導致農(nóng)作物秸稈有效利用率逐年下降及土壤表層有機物質(zhì)和水分的嚴重流失，土壤貧瘠化和生態(tài)環(huán)境惡化如意日益加劇，土地得不到很好的修養(yǎng)生息， 嚴重制約我國糧食產(chǎn)量的進一步提高。特別是在稻麥輪作地區(qū)，對于小麥秸稈的處理方式，大多數(shù)農(nóng)民還是采用焚燒的方法，對資源浪費和環(huán)境污染產(chǎn)生了重大影響，同時還存在人身傷亡及田間等火災事故的隱患。煙霧籠罩著大地，使廣大人民群眾眼睛流淚、喉嚨癢以及帶來了飛機升降困難等問題。事實證明，焚燒秸稈會帶來許多問題，例如資源浪費、土地破壞、環(huán)境污染，嚴重影響了人民生活及交通安全。因此，水田秸稈掩埋旋耕機的研究，促進農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，已成為全社會關注和急需解決的問題。 [10] 作為一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)發(fā)展的基本方向是農(nóng)業(yè)機械化，小 型農(nóng)機現(xiàn)在已無法滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求，合理有效地開發(fā)多功能旋耕機及組裝各種的工作部件越發(fā)成為研究方向，這樣不僅使整機機動性及操作性好，結構緊湊，而且還能提高經(jīng)濟效益。本論文主要對新型的整地機 —— 水田秸稈掩埋旋耕機盡享了詳細的研究分析，水田秸稈掩埋旋耕機能同時滿足水田秸稈掩埋、旋耕碎土、整地等多項作業(yè)要求。提高秸稈掩埋效果、降低勞動強度、省時省力，成為市場的迫切要求。通過換裝旋耕刀后，能夠完成旋耕及碎土作業(yè)，實現(xiàn)一機兩用?？傊褂迷摍C有益于實現(xiàn)秸稈還田，土壤有機質(zhì)增加，提高農(nóng)作物產(chǎn)量。 至此我們要積極創(chuàng)新，把 水田秸稈掩埋旋耕技術發(fā)展成熟，使其更廣泛的運用到農(nóng)作物生產(chǎn)之中。 研究必要性 從西方機械文明的發(fā)展史中我們發(fā)現(xiàn)了 “旋耕機”，至今已有 150 多年的歷史，起始旋耕機主要用于庭院的耕作。旋耕機真正投入到大田作業(yè)中，伴隨著技術的改進，技術革命的更新和 L型旋耕刀具的成功研制。旋耕機也隨著不斷地改進并且可以適用于不同類型的土壤。 20世紀初期，日本在從歐洲引進了旱田旋耕機后，成功地研制出了適用于水田工作要求的彎刀，解決了刀齒和刀軸的纏草問題，至此以后旋耕機得到了迅速發(fā)展。上世紀 70 年代， 中國開始研究基于國外引進的旋耕機，秸稈還田機具及技術的發(fā)展到目前為止，主要出現(xiàn)了旱地反 2 轉滅茬和水田秸稈還田兩大類作業(yè)機具，因為這兩種作業(yè)機都沒有切草功能，所以當根茬高于 20cm 時，滅茬效果比較差。 [8] 聯(lián)合收割機結束工作后留下來的小麥秸稈和高留茬直接影響水稻栽培。當然我們可能會想到用水田埋草機，但是水田埋草機僅能在較深的田間進行埋草作業(yè)，而且目前我國的水稻種植大多數(shù)采用免耕或淺耕作業(yè)，耕深限制直接影響了水田埋草機的埋草效果。所以，這兩種現(xiàn)有的機型和水田埋草機還不符合秸稈還田及耕作的要求。 本論文研究了水田 秸稈掩埋模型即水田秸稈掩埋旋耕機，主要可進行水田秸稈掩埋及碎土、秸稈覆蓋操作。其創(chuàng)新之處在于旋耕刀軸的外徑上焊接固定的刀庫，它可以與旋耕刀及水田埋草刀刀柄的根部相結合，安裝水田埋草刀后，可一次性完成水田秸稈掩埋、旋耕碎土、整地等作業(yè)。改裝旋耕刀后可一次性完成旋耕碎土作業(yè)，實現(xiàn)一機兩用。 隨著我國聯(lián)合收割機的廣泛使用，收割后拋的秸稈扨在田中，會給夏季水稻插秧帶來很大困難，況且因為大多數(shù)的稻麥秸稈處理不當，秸稈還田問題已引起了各級領導和廣大群眾的關注。因此，研究開發(fā)一種新型經(jīng) 濟高效的秸稈掩埋旋耕機深受廣大農(nóng)民群眾的普遍歡迎。利用水田秸稈掩埋旋耕機將秸稈還田到土壤之中不但增加了土壤的肥力和有機質(zhì)，以此可以提高農(nóng)作物產(chǎn)量 5%10%，而且還避免和解決秸稈焚燒所帶來的環(huán)境污染資源浪費等問題。 [12] 發(fā)展趨勢 依據(jù)我國的調(diào)查，在未來將有 30%的水稻和小麥秸稈用于造紙，發(fā)電，草編等，有近 70%的秸稈用于還田以增加土壤肥力，但是目前對秸稈的處理方法仍然是焚燒為主。依據(jù)農(nóng)業(yè)部門的介紹，目前秸稈還田機具都以整草還田為主，雖然可以推廣應用，但不是理想機型。故研究開發(fā)一種水田秸稈掩埋旋耕機 是十分必要的。 [15] 隨著農(nóng)業(yè)機械化程度的不斷提高，工作效率和效益的提高，和現(xiàn)有的旋耕機及水田埋草機存在的弊端不斷顯現(xiàn)，已無法滿足農(nóng)藝要求和生產(chǎn)規(guī)模擴大要求。所以對現(xiàn)有的旋耕機具的發(fā)展會出現(xiàn)如下幾種發(fā)展趨勢： 高速寬幅； 深耕全幅；自動化，智能化； 小型化。目前整體來看，我國的農(nóng)機發(fā)展很不平衡，農(nóng)業(yè)機械化水平明顯偏低，農(nóng)機服務組織化程度較低，整體效益較差，農(nóng)業(yè)裝備機構較不合理，農(nóng)機較科研開發(fā)配套系統(tǒng)建設落后。 [3] 總體設計 3 為解決目前稻麥收獲過程中存在的問題，本論文 研究了一種水田秸稈掩埋旋耕機，該機與 15 馬力以上的各類拖拉機配套使用，主要用于水田耕作。該機更換水田埋草刀后，能夠進行稻麥水田秸稈掩埋、碎土及覆蓋秸稈等作業(yè)，該實用型機具作業(yè)效果好，可以實現(xiàn)降低成本，提高埋草效果及減少作業(yè)負荷，一機多用，提高了工作效率和機具功能。 本次的水田秸稈掩埋旋耕機主要研究內(nèi)容有： a、參與總體方案設計，繪制水田秸稈掩埋旋耕機工作總裝配圖、田間作業(yè)圖。 b、關鍵零部件設計：（ a）旋耕部件圖；（ b）傳動軸、刀軸、齒輪、箱體、等零件圖；（ c）有關計算和校核等。 c、相關信息的調(diào)研與收集， 在研究國內(nèi)外各種旋耕機械的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢及結合具體實際情況制定相關結構方案。 d、設計的內(nèi)容包括動力傳動系統(tǒng)、機架、刀軸、刀片等，要求結構簡單，重心平衡。 1). 設計時應考慮裝配和加工工藝性，為了降低制造成本盡可能地使用標準件、通用件。 2). 采用中間的傳動方式，可以節(jié)省左右支臂結構，使得受力平衡，還可以降低制造成本。 3). 與拖拉機采用左右對稱布置，提高作業(yè)質(zhì)量。 4). 產(chǎn)品應滿足農(nóng)藝的要求，各項指標應達到國家標準。 5). 設計時應注意重心位置，與主機連接后盡可能地達到前后平衡。刀軸轉速與機組前進速度配置要合理 。旋耕刀及水田埋草刀的刀座和入土角布置應采用優(yōu)化設計，這樣能夠達到節(jié)能效果。 6). 盡可能地結構簡單可靠，使用起來安全方便。 7). 要求該機與拖拉機固定連接，旋耕作業(yè)應覆蓋拖拉機的輪轍。 8). 設計一個主傳動系統(tǒng)和旋耕系統(tǒng)及拖板等組成部件，且刀盤上裝有兩種不同刀具的刀庫 — 旋耕刀和水田埋草刀。 小結 （ 1）分析了此設計的研究背景及對農(nóng)業(yè)機械進步與發(fā)展的重要意義及發(fā)展趨勢。 （ 2）綜合敘述了旋耕機的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了本論文的主要研究內(nèi)容。 4 2 總體方案的設計與確定 水田秸稈掩埋旋耕機工作原理與構造 掩埋旋耕機工作原理 水田秸稈掩埋旋耕機是按照拖拉機動力輸出軸驅動的耕作機具。該機無論是裝在手扶拖拉機還是裝在輪式拖拉機或履帶拖拉機上，工作原理都是基本上相同的 圖 1。 刀 尖的軌跡。 x：沿機器運行方向橫向 坐標； y：向下垂直坐標 ； R： 刀尖圓角 半徑 ； ： 機器行進 速度 ； ：刀片尖端的旋轉速度 ； t：時間 ； O：軸的初始位置， 刀 尖是水平 初始位置； ：軸在 t時刻的位置 ； H： 旋耕 深度 ； ： 刀 尖開始切削土壤 時 地面 上的點； 刀尖 在時間 t時刻的 點 M（ x， y）。 [14] 5 操縱桿 中間齒輪傳動箱 罩殼 彈性柱桿 拖板總成 旋耕刀 水田埋草刀 犁刀 橫梁 圖 2 水田秸稈掩埋旋耕機簡圖 具體實施方式：在圖中，旋耕機通過連接拖拉機來輸入動力經(jīng)過中間齒輪傳動箱 2傳遞到刀軸上，刀軸由左右兩個半軸組成，且為兩個空心半軸，分別通過鍵與傳動箱的輸出軸連接。動力經(jīng)傳動箱傳到刀軸上帶動刀具工作進而可實現(xiàn)機具的秸稈掩埋和旋耕碎土等作業(yè)，被旋耕土壤和后拋的土塊經(jīng)罩殼 和拖板總成 5 的擋拖，使土地平整，進而能夠實現(xiàn)整地的功能，旋耕刀 6及水 田埋草刀 7左右均勻對稱安裝在旋耕軸的刀庫上，左右水田埋草刀的焊接夾角的范圍為65176。 75176。 在旋耕刀軸的外徑上，焊接有與旋耕刀 6 和水田埋草刀 7 刀柄的根部相吻合的刀庫 ，刀庫側面帶有固定螺絲，安裝時只需把刀柄插入刀庫并按照固定絲固定即可。犁刀 7可用來消除中間傳動漏耕問題。 在圖 2中，該水田秸稈掩埋旋耕機是一種小型農(nóng)用機械，故可以與 15 馬力以上的各類拖拉機配套使用，它是在原有的旋耕機基礎上通過更換水田埋草刀 7后進行耕作的。 水田秸稈掩埋旋耕機是旋耕機的一種，雖然是動力驅動的農(nóng)用 機具，但結構并不復雜，剛性較好，都是矩形框架結構。依據(jù)與拖拉機的連接方式的不同，可以將旋耕機分為三點懸掛和直接連接兩種。其中，三點懸掛又分為中間齒輪傳動， 6 側邊鏈條傳動和側邊齒輪傳動三種；直接連接可分為側邊鏈條傳動和側邊齒輪傳動。一般旋耕機的組成部分為機架、動力系統(tǒng)、刀輥和罩殼拖板等。 [6] 水田秸稈掩埋旋耕機設計方案的確定 依據(jù)我國現(xiàn)有的旋耕機種類、結構以及我國拖拉是動力保有情況，經(jīng)過與指導老師的多次研究商討，本次設計在原有水田旋耕機的基礎上研究開發(fā)出一種集秸稈掩埋及旋 耕與一體的新型旋耕機 —— 水田秸稈掩埋旋耕機，通過改進設計原有旋耕機結構及管件技術參數(shù)，達到秸稈掩埋和旋耕這種雙功能的目的。機具的連接方式采用成熟的三點懸掛連接方式，采用中間傳動方式。采用這樣的結構方式可以規(guī)避風險，降低成本，提高傳動的可靠性。經(jīng)過多級齒輪的降速，使工作軸的轉速達到 280r/min 左右。具體的傳動方案方案圖見圖 2. 考慮到受力平衡、傳動可靠性及傳動效率等問題，在本次設計中我們采用中間傳動方式。具體的傳動方案如下圖所示 圖 傳動方案示意圖 7 圖 傳動方案示意立體圖 1軸上的輸入動力按照拖拉機經(jīng)萬向聯(lián)軸器輸入，因為 1軸和 2軸是交錯軸，故它們之間采用錐齒輪傳動，且動力經(jīng)按照錐齒輪 Z1和 Z2 傳給 2 軸達到一級降速的目的，在 2 軸上安裝一個直齒圓柱齒輪 Z3,動力再經(jīng)過直齒圓柱齒輪 Z4和Z5 傳給軸 4 達到所需的工作轉速。然而 4軸并不是最終的工作軸（刀軸），如果通過中間傳動直接把動力傳給刀軸，雖然有牢固，可靠、剛性好等優(yōu)點，但是為了達到降速的目的對于中間齒輪的直徑往往要求比較大，這就 是齒輪鍛造加工比較困難，優(yōu)質(zhì)材料用量較多，不經(jīng)濟。故在 4 軸和刀軸之間可以采用同步鏈傳動。這是因為在結構和工藝方面，鏈條傳動比齒輪傳動具有一定的優(yōu)越性。鏈傳動的制造與安裝精度要求較低，可以用于環(huán)境比較惡劣的場合，關鍵是鏈傳動的壽命較齒輪傳動高。 [2] 1). 配套動力： 15 馬力以上的拖拉機（設計時所取的拖拉機的型號為東方紅 20，轉速為 720r/min，功率 P=） [3] 8 2). 作業(yè)幅寬： 160cm 3). 設計耕深： 18cm（查閱相關資料可知對于水田的耕深范圍是 1418cm，設計時選取最大耕 深 ） 4). 刀軸轉速： 280r/min 本章小結 （ 1）本章分析了水田秸稈掩埋旋耕機的工作原理機器構造； （ 2）分析及確定了該種旋耕機的總體方案； （ 3）對旋耕機及拖拉機的主要參數(shù)進行了選擇。 9 3 傳動工作部件的設計與計算 主要工作部件設計計算 可知各傳動副的效率為：圓錐齒輪傳動： = ；直齒圓柱齒輪： =；球軸承： =；萬向聯(lián)軸器： =。 [18] 拖拉機的標定功率為 20 馬力，換算成 ，從而計算各軸的輸入功率為 分配 （ 1）、理論總的傳動比 （ 2）、對各級傳動比分別進行編號為， 為了使錐齒輪的尺寸不致過大，一般使，通過下列設計錐齒輪確定最終的，然后依據(jù) 2 軸的轉速 =和已知的四軸的轉速為 280r/min 左右確定 [17] 錐齒輪的設計計算 選定錐齒輪的精度等級、材料及齒數(shù) 1）水田秸稈掩埋旋耕機為一般農(nóng)用工作機器，速度不高，選用 8級精度（ GB 1009588） [16] 2）材料選擇。選擇大齒輪材料為 45鋼（調(diào)質(zhì)）， 硬度為 240HBS，小齒輪的材料為 40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為 280HBS。 [16] 3）選用小齒輪的齒數(shù)為，大齒輪的齒數(shù)為 = 21=，取 =31，從而實際傳動比為 齒面接觸疲勞強度計算 [16] 因為所選用的齒輪材料硬度小于 350HBS，且傳動是閉式的，故其傳動方式是閉式軟齒面?zhèn)鲃?，其主要失效形式為齒面點蝕，所以設計準則是按齒面接觸疲勞強度設計，然后按齒根彎曲強度校核。 [16] 按照設計計算公式進行試算，即 10 (1) 確定計算公式內(nèi)的各參數(shù)值 1） 試選載荷系數(shù) 2） 計算小齒輪傳遞的扭矩即 1 軸的扭矩 大齒輪傳遞的扭矩即 2 軸的扭矩 l. 3） 選取齒寬系數(shù) =1/3。 4） 因為錐齒輪的α =20176。，故可取區(qū)域系數(shù)。查得材料的彈性影響系數(shù)。 5） 按齒面硬度查得齒輪 3 的接觸疲勞強度極限；齒輪 4的接觸疲勞強度極限 . 6） 估算應力循環(huán)次數(shù)。