【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(dǎo)致農(nóng)作物秸稈有效利用率逐年下降及土壤表層有機(jī)物質(zhì)和水分的嚴(yán)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(yán)重制約我國糧食產(chǎn)量的進(jìn)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(fèi)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(zāi)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(jī)升降困難等問題。事實(shí)證明，焚燒秸稈會帶來許多問題，例如資源浪費(fèi)、土地破壞、環(huán)境污染，嚴(yán)重影響了人民生活及交通安全。因此，水田秸稈掩埋旋耕機(jī)的研究，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，已成為全社會關(guān)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(jī)械化，小 型農(nóng)機(jī)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(jī)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(jī)機(jī)動性及操作性好，結(jié)構(gòu)緊湊，而且還能提高經(jīng)濟(jì)效益。本論文主要對新型的整地機(jī) —— 水田秸稈掩埋旋耕機(jī)盡享了詳細(xì)的研究分析，水田秸稈掩埋旋耕機(jī)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)一機(jī)兩用?？傊?，使用該機(jī)有益于實(shí)現(xiàn)秸稈還田，土壤有機(jī)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(shù)發(fā)展成熟，使其更廣泛的運(yùn)用到農(nóng)作物生產(chǎn)之中。 研究必要性 從西方機(jī)械文明的發(fā)展史中我們發(fā)現(xiàn)了 “旋耕機(jī)”，至今已有 150 多年的歷史，起始旋耕機(jī)主要用于庭院的耕作。旋耕機(jī)真正投入到大田作業(yè)中，伴隨著技術(shù)的改進(jìn)，技術(shù)革命的更新和 L型旋耕刀具的成功研制。旋耕機(jī)也隨著不斷地改進(jìn)并且可以適用于不同類型的土壤。 20世紀(jì)初期，日本在從歐洲引進(jìn)了旱田旋耕機(jī)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(jī)得到了迅速發(fā)展。上世紀(jì) 70 年代， 中國開始研究基于國外引進(jìn)的旋耕機(jī)，秸稈還田機(jī)具及技術(shù)的發(fā)展到目前為止，主要出現(xiàn)了旱地反 2 轉(zhuǎn)滅茬和水田秸稈還田兩大類作業(yè)機(jī)具，因?yàn)檫@兩種作業(yè)機(jī)都沒有切草功能，所以當(dāng)根茬高于 20cm 時，滅茬效果比較差。 [8] 聯(lián)合收割機(jī)結(jié)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(dāng)然我們可能會想到用水田埋草機(jī)，但是水田埋草機(jī)僅能在較深的田間進(jìn)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(jī)的埋草效果。所以，這兩種現(xiàn)有的機(jī)型和水田埋草機(jī)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(jī)，主要可進(jìn)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(jié)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(shí)現(xiàn)一機(jī)兩用。 隨著我國聯(lián)合收割機(jī)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?yàn)榇蠖鄶?shù)的稻麥秸稈處理不當(dāng)，秸稈還田問題已引起了各級領(lǐng)導(dǎo)和廣大群眾的關(guān)注。因此，研究開發(fā)一種新型經(jīng) 濟(jì)高效的秸稈掩埋旋耕機(jī)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(jī)將秸稈還田到土壤之中不但增加了土壤的肥力和有機(jī)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(fèi)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(jī)具都以整草還田為主，雖然可以推廣應(yīng)用，但不是理想機(jī)型。故研究開發(fā)一種水田秸稈掩埋旋耕機(jī) 是十分必要的。 [15] 隨著農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)及水田埋草機(jī)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(kuò)大要求。所以對現(xiàn)有的旋耕機(jī)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(jī)發(fā)展很不平衡，農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平明顯偏低，農(nóng)機(jī)服務(wù)組織化程度較低，整體效益較差，農(nóng)業(yè)裝備機(jī)構(gòu)較不合理，農(nóng)機(jī)較科研開發(fā)配套系統(tǒng)建設(shè)落后。 [3] 總體設(shè)計 3 為解決目前稻麥?zhǔn)斋@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(jī)，該機(jī)與 15 馬力以上的各類拖拉機(jī)配套使用，主要用于水田耕作。該機(jī)更換水田埋草刀后，能夠進(jìn)行稻麥水田秸稈掩埋、碎土及覆蓋秸稈等作業(yè)，該實(shí)用型機(jī)具作業(yè)效果好，可以實(shí)現(xiàn)降低成本，提高埋草效果及減少作業(yè)負(fù)荷，一機(jī)多用，提高了工作效率和機(jī)具功能。 本次的水田秸稈掩埋旋耕機(jī)主要研究內(nèi)容有： a、參與總體方案設(shè)計，繪制水田秸稈掩埋旋耕機(jī)工作總裝配圖、田間作業(yè)圖。 b、關(guān)鍵零部件設(shè)計：（ a）旋耕部件圖；（ b）傳動軸、刀軸、齒輪、箱體、等零件圖；（ c）有關(guān)計算和校核等。 c、相關(guān)信息的調(diào)研與收集， 在研究國內(nèi)外各種旋耕機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢及結(jié)合具體實(shí)際情況制定相關(guān)結(jié)構(gòu)方案。 d、設(shè)計的內(nèi)容包括動力傳動系統(tǒng)、機(jī)架、刀軸、刀片等，要求結(jié)構(gòu)簡單，重心平衡。 1). 設(shè)計時應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)件、通用件。 2). 采用中間的傳動方式，可以節(jié)省左右支臂結(jié)構(gòu)，使得受力平衡，還可以降低制造成本。 3). 與拖拉機(jī)采用左右對稱布置，提高作業(yè)質(zhì)量。 4). 產(chǎn)品應(yīng)滿足農(nóng)藝的要求，各項指標(biāo)應(yīng)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。 5). 設(shè)計時應(yīng)注意重心位置，與主機(jī)連接后盡可能地達(dá)到前后平衡。刀軸轉(zhuǎn)速與機(jī)組前進(jìn)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(yīng)采用優(yōu)化設(shè)計，這樣能夠達(dá)到節(jié)能效果。 6). 盡可能地結(jié)構(gòu)簡單可靠，使用起來安全方便。 7). 要求該機(jī)與拖拉機(jī)固定連接，旋耕作業(yè)應(yīng)覆蓋拖拉機(jī)的輪轍。 8). 設(shè)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(jié) （ 1）分析了此設(shè)計的研究背景及對農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)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(jī)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(shè)計與確定 水田秸稈掩埋旋耕機(jī)工作原理與構(gòu)造 掩埋旋耕機(jī)工作原理 水田秸稈掩埋旋耕機(jī)是按照拖拉機(jī)動力輸出軸驅(qū)動的耕作機(jī)具。該機(jī)無論是裝在手扶拖拉機(jī)還是裝在輪式拖拉機(jī)或履帶拖拉機(jī)上，工作原理都是基本上相同的 圖 1。 刀 尖的軌跡。 x：沿機(jī)器運(yùn)行方向橫向 坐標(biāo)； y：向下垂直坐標(biāo) ； R： 刀尖圓角 半徑 ； ： 機(jī)器行進(jìn) 速度 ； ：刀片尖端的旋轉(zhuǎn)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(diǎn)； 刀尖 在時間 t時刻的 點(diǎn) 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(jī)簡圖 具體實(shí)施方式：在圖中，旋耕機(jī)通過連接拖拉機(jī)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(jìn)而可實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)整地的功能，旋耕刀 6及水 田埋草刀 7左右均勻?qū)ΨQ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(cè)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(jī)是一種小型農(nóng)用機(jī)械，故可以與 15 馬力以上的各類拖拉機(jī)配套使用，它是在原有的旋耕機(jī)基礎(chǔ)上通過更換水田埋草刀 7后進(jìn)行耕作的。 水田秸稈掩埋旋耕機(jī)是旋耕機(jī)的一種，雖然是動力驅(qū)動的農(nóng)用 機(jī)具，但結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，剛性較好，都是矩形框架結(jié)構(gòu)。依據(jù)與拖拉機(jī)的連接方式的不同，可以將旋耕機(jī)分為三點(diǎn)懸掛和直接連接兩種。其中，三點(diǎn)懸掛又分為中間齒輪傳動， 6 側(cè)邊鏈條傳動和側(cè)邊齒輪傳動三種；直接連接可分為側(cè)邊鏈條傳動和側(cè)邊齒輪傳動。一般旋耕機(jī)的組成部分為機(jī)架、動力系統(tǒng)、刀輥和罩殼拖板等。 [6] 水田秸稈掩埋旋耕機(jī)設(shè)計方案的確定 依據(jù)我國現(xiàn)有的旋耕機(jī)種類、結(jié)構(gòu)以及我國拖拉是動力保有情況，經(jīng)過與指導(dǎo)老師的多次研究商討，本次設(shè)計在原有水田旋耕機(jī)的基礎(chǔ)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(jī) —— 水田秸稈掩埋旋耕機(jī)，通過改進(jìn)設(shè)計原有旋耕機(jī)結(jié)構(gòu)及管件技術(shù)參數(shù)，達(dá)到秸稈掩埋和旋耕這種雙功能的目的。機(jī)具的連接方式采用成熟的三點(diǎn)懸掛連接方式，采用中間傳動方式。采用這樣的結(jié)構(gòu)方式可以規(guī)避風(fēng)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(zhuǎn)速達(dá)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(shè)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(jī)經(jīng)萬向聯(lián)軸器輸入，因?yàn)?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(dá)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(dá)到所需的工作轉(zhuǎn)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(diǎn)，但是為了達(dá)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(jì)。故在 4 軸和刀軸之間可以采用同步鏈傳動。這是因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)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(guān)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(jī)（設(shè)計時所取的拖拉機(jī)的型號為東方紅 20，轉(zhuǎn)速為 720r/min，功率 P=） [3] 8 2). 作業(yè)幅寬： 160cm 3). 設(shè)計耕深： 18cm（查閱相關(guān)資料可知對于水田的耕深范圍是 1418cm，設(shè)計時選取最大耕 深 ） 4). 刀軸轉(zhuǎn)速： 280r/min 本章小結(jié) （ 1）本章分析了水田秸稈掩埋旋耕機(jī)的工作原理機(jī)器構(gòu)造； （ 2）分析及確定了該種旋耕機(jī)的總體方案； （ 3）對旋耕機(jī)及拖拉機(jī)的主要參數(shù)進(jìn)行了選擇。 9 3 傳動工作部件的設(shè)計與計算 主要工作部件設(shè)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(jī)的標(biāo)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(jìn)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(shè)計錐齒輪確定最終的，然后依據(jù) 2 軸的轉(zhuǎn)速 =和已知的四軸的轉(zhuǎn)速為 280r/min 左右確定 [17] 錐齒輪的設(shè)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(jī)為一般農(nóng)用工作機(jī)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(shí)際傳動比為 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算 [16] 因?yàn)樗x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(diǎn)蝕，所以設(shè)計準(zhǔn)則是按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計，然后按齒根彎曲強(qiáng)度校核。 [16] 按照設(shè)計計算公式進(jìn)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?yàn)殄F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(qiáng)度極限；齒輪 4的接觸疲勞強(qiáng)度極限 . 6） 估算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。