【導(dǎo)讀】初步進行了開溝機掛接機構(gòu)和開溝裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計與Pro/E造型，同。=30°時，鏈式開溝機功耗最小的結(jié)論。開溝機的發(fā)展概況····························································································1. 鏈式開溝機研發(fā)現(xiàn)狀·························································································2

　　

【正文】 過附帶軸承座鉸接在主軸上 （圖 315） ，這樣使得主軸的加工要求復(fù)雜、并且拆卸、維修不便。 圖 314 天津靜海開溝機 圖 315 河北深遠機械開溝機 為克服上述缺點，決定使主軸傳動和梁的鉸接分開 （梁的結(jié)構(gòu)見本文 ） ：主軸組合通過調(diào)心球軸承外 的 SN 型軸承座 [16]連接在機 架上；動力從主軸組合左端的傳動鏈輪輸入，經(jīng)過鍵連接，再從主動鏈輪輸出。這樣在主軸組合中僅有一對軸承 ，維護、更換方便。并且能夠保證開溝裝置切削土壤時產(chǎn)生的載荷由軸承座及掛接機構(gòu)直接承擔(dān)，避免了主軸承擔(dān)所有載荷的情況，從而保證了較高的安全系數(shù)。主軸組合結(jié)構(gòu)如 圖 316所示 。 圖 316 主軸組合 結(jié)構(gòu) 圖 從動軸 組合 的設(shè)計 與 Pro/E 造型 從動軸的設(shè)計中主要限制條件為開溝機的最小寬度和鏈輪的直徑。根據(jù) 計算 ，本文 圖 317 主軸組合造型 圖 鏈式開溝機關(guān)鍵部件設(shè)計及 Pro/E概念造型 23 圖 319 從動軸組合示意圖 設(shè)計的開溝機最小開溝寬度為 120mm。由于從動軸的載荷小于主動軸和排土器軸系，所以采用較小齒數(shù)的鏈輪 (z=11)即可滿足要求 ，并且 可以減小梁的受力和 使重心前移 。另外，軸承的選擇也很重 要，因為軸向尺寸有限，并且沒有軸承座。 從動軸組合的 Pro/E造型 [17]如圖 318 所示。 綜合考慮從動軸系的工作條件和參考已有的開溝機， 所 設(shè)計的從動軸系 如圖 319所示 [18]。從動軸的一 端 做成螺母形式，便于安裝，另一端用六角開槽螺母和開口 銷固定；軸承 采用 N49072RS 型 [19]，帶 雙 側(cè) 密封圈滾針軸承，且軸承直接裝在鏈輪內(nèi)，這樣可以節(jié)省空間和利用鏈輪的一側(cè)進行軸向固定；鏈輪通過軸肩和彈性擋圈固定。 排土器組合的設(shè)計 與 Pro/E 造型 圖 318 從動軸組合造型 圖 圖 320 排土器組合造型 鏈式開溝機的初步設(shè)計 24 經(jīng)計算，螺旋排土器 的功耗為 。 為了避免由 于排土而產(chǎn)生的軸 向力過大，決定采用兩側(cè)排土結(jié)構(gòu)，即左右對稱的螺旋排土器分別安裝，其兩端用軸端擋圈固定 ，如圖 320 所示。 排土器的 半徑 計算很重要，首先參考排土功耗和轉(zhuǎn)速確定初始半徑；然后計算從鏈節(jié)中心到刀片根部的距離作為排土器的最大半徑，以防排土器和刀片發(fā)生干涉 。 由此 ，排土器的半徑 R定為 220mm。至于排土器的長度，為了充分排土，排土器內(nèi)側(cè)應(yīng)緊貼球軸承的內(nèi)圈（外球面球軸承的內(nèi)圈是伸出的），再 綜合 考慮卸土高度等因素， 確定 排土器長度 250mm，壁厚 5mm。 此外，由于軸向尺寸的限制，選用 UBPF207 外球面球軸 承，用方頭螺栓直接連接在固定板上 ；軸承內(nèi)圈 與 軸用 M8 緊定螺釘緊固，從而實現(xiàn)同步轉(zhuǎn)動。因為兩邊的排土器完全對稱，轉(zhuǎn)速和結(jié)構(gòu)參數(shù)也相同，故不會產(chǎn)生太大的軸向力。 梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計 與 Pro/E 造型 充分參考已有開溝機梁的結(jié)構(gòu)， 確定 以 如圖 321所示的結(jié)構(gòu) 進行設(shè)計。 首先，考慮到微耕機整體尺寸較小和果園、林地通過性 差 的問題，在現(xiàn)有梁的基礎(chǔ)上將尺寸做合適的縮減；其次，為保證溝深可調(diào)和運輸狀態(tài)下開溝機的離地高度（ ＞20cm）， 決定以主軸離地高度 500mm 為設(shè)計基礎(chǔ) [20]， 設(shè)計步驟如下。 (1)根據(jù)已有資料進行 機構(gòu)尺寸估計，初步設(shè)計如下： 圖 321 梁的結(jié)構(gòu)示意圖 (2)圖 322中所示線條是鏈輪的節(jié)圓及鏈條銷釘所在的軌跡線（ A）。確定鏈刀高度以及鏈條的外形尺寸后，在上圖的基礎(chǔ)上做出刀尖的軌跡線（ B），并以此為基礎(chǔ)在 Pro/E 中做出結(jié)構(gòu)模型，并利用“拖動”功能看能否達到設(shè)計的溝深、傾角。 圖 322 鏈條軌跡線 (3)選材 由慣性矩的相對值可以得出 ： 圓形截面有較高的抗扭剛度，但抗彎強度較差；鏈式開溝機關(guān)鍵部件設(shè)計及 Pro/E概念造型 25 工字形截面的抗彎強度最大，但抗扭很低，只適用于承受純彎的情況；矩形截面抗彎、抗扭雖然分別低于前二者，但其綜合剛 性最好。對于既承受拉壓，又承受彎曲同時存在的梁架，本身對剛度要求較高，所以機架組合支撐臂采用矩形管結(jié)構(gòu)，不僅能支撐鏈刀組合與從動軸組合，還能在開溝機工作時承受鏈條緊邊受力后在其上滑動產(chǎn)生的法向載荷。綜上，選擇梁的主體材料為上海佳藝鋼材廠生產(chǎn)的 40 80mm 矩形鋼管，兩側(cè)采用40 70mm 矩形鋼管，其結(jié)構(gòu)如圖 323 所示 。 圖 323 梁的 造型 (4)如圖 323，排土器組合的支撐部分與梁的主體用 M16 螺栓連接，這是為了保證梁的工藝性。由于 梁的尺寸限制 ，排土器軸系的軸承選用 UBPF207 外球面軸承，用方頭 螺栓固定在墊板上。此外，梁體上面的耳環(huán)是與液壓缸的活塞桿鉸接的，橫梁的設(shè)計是為了保證強度和剛度。 在梁的設(shè)計過程中，必須保證以下幾點： ? 梁與架鉸接的地方，必須與安裝好的主軸組合是嚴格同軸的，以 防止 鏈刀組合跳動過劇。 ? 梁上方矩形框的尺寸必須要考慮鏈刀組合的寬度、高度，且要有一定的余量。 ? 為了焊接效果，梁主體要有一定的伸出，但不能與 主動鏈輪發(fā)生 干涉。 液壓缸的選用及分析 液壓缸型號的確定 首先確定梁和架上的液壓缸耳環(huán)的具體位置 ，然后即可對初定的桿件在 Pro\E中進行簡單模擬（工作位置和提起位 置），測量出開溝 裝置 在兩個極限位置的時液壓缸的長度 （即兩個耳環(huán)中心線之間的距離） ： 218mm～ 395mm。 參考已有的微耕機的液壓缸型號和液壓缸系列值 [21]， 選用 HSG 型工程用液壓缸，技術(shù)參數(shù) 見表 35。 型號 HSG L50/25 E1111160 218 型號的含義： 鏈式開溝機的初步設(shè)計 26 表 35 液壓缸技術(shù)參數(shù) 缸徑 速比 活塞桿直徑 額定工作壓力 拉力 推力 最大行程 50 25 16MP 23560 31420 400 HSG— 雙作用單活塞桿液壓缸 L— 外螺紋連接 50/25— 液壓缸內(nèi)徑 /活塞桿外徑 mm E— 壓力等級 — 16MP 1111— 缸蓋耳環(huán)帶襯套，桿端外螺紋，兩端帶緩沖，油口 內(nèi)螺紋 連接 160— 行程 mm 218— 安裝距 mm 液壓缸行程驗證 活塞桿的最大允許行程 2Lk kEI mmF?? （ 31） 將數(shù)據(jù)帶入并化簡后 2L 320k kdF? （ 32） 式中： kF — 活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界壓縮力 kkF Pn? kn — 安全系數(shù)，通常取 ～ 6，這里取 。 E— 彈性模數(shù)。鋼材的 E= 10 N/mm? 將 P=16MPa 帶入，得 kF =56MPa，進 而得 kL =267mm，可見所選行程 160mm 在安全范 圖 324 液壓缸造型 鏈式開溝機關(guān)鍵部件設(shè)計及 Pro/E概念造型 27 圍之內(nèi)。 液壓缸往返運動速度之比 2 22212 2 2 22212504 1 .3 35 0 2 5()4DvA Dv A D dDd?? ?? ? ? ? ? ???? 式中： 1v — 活塞桿的伸出速度 m/min 2v — 活塞桿的縮回速度 m/min D — 液壓缸活塞直徑 m d — 活塞桿直徑 m 由 此可確定所選壓力等級 16MP 是合理的。 活塞在缸體內(nèi)完成全部行程所需要的時間 60Vt Q? s （ 33） 當(dāng)活塞桿伸出時 215 DStQ?? s （ 34） 當(dāng)活塞桿縮回時 2215 ( )D d St Q? ?? s （ 35） 式中： V — 液壓缸容積 L S — 活塞行程 m Q — 流量 L/min D — 缸筒內(nèi)徑 m d — 活塞桿直徑 m 活塞桿伸出時的理論推力為 6 2 611 1 0 1 04F A p D p?? ? ? ? （ 36） 活塞桿縮回時的理論拉力為 6 2 2 622 1 0 ( ) 1 04F A p D d p?? ? ? ? ? （ 37） 活塞差動前進時的理論推力為 6 2 63 1 2( ) 1 0 1 04F A A p d p?? ? ? ? ? （ 38） 式中： 1A — 活塞無桿側(cè)有效面積 2m 2A — 活塞有桿側(cè)有效面積 2m p — 供油壓力 Mpa 鏈式開溝機的初步設(shè)計 28 D — 活塞直徑 m d — 活塞桿直徑 基于 Pro/E 的零件質(zhì)量計算及重心 測量 方法探求 在 Pro/E 中定義零件質(zhì)量屬性 由于 Pro/E 中的材料庫是美國標(biāo)準，不符合國標(biāo)，故本文采用直接定義零件密度 并進而求得質(zhì)量的方法。以鏈式開溝機的主軸軸系為例，定義密度 并求得質(zhì)量的方法如下： 首先打開主軸文件 ， 在菜單欄中選擇“編輯 /設(shè)置 /單位”，設(shè)置單位“毫米千克秒（ mmks） /設(shè)置 /解譯尺寸 （ 如圖 325所示 ） 。 待再生完成后，在“零件設(shè)置”菜單管理器中選擇 “ 質(zhì)量屬性 /原點 ”， 選定坐標(biāo)系并輸入密度值為 （ 如圖326 所示 ）， 單擊 “ 確定 ” 。這樣 ， 主軸的密度就定義好了。 圖 325 定義零件單位 圖 326 定義密度及原點 菜單欄中選擇“分析 /模型分析 /計算 ” ，所得結(jié)果如下： 體積 = +05 毫米 ^3 曲面面積 = +04 毫米 ^2 密度 = 公斤 / 毫米 ^3 質(zhì)量 = +00 公斤 根據(jù) PRT_CSYS_DEF 坐標(biāo)邊框確定重心 ： X Y Z +01 +00 毫米 由數(shù)據(jù)可知主軸 重心相對缺省坐標(biāo) 原點 在 y 軸負方向移動了 ，這是由于鍵槽和圓柱銷孔的存在。 用同樣的 方法 依次 計算主軸軸系中其它零件的質(zhì)量和重心，并將相關(guān)信息整理如表36 所示 。 鏈式開溝機關(guān)鍵部件設(shè)計及 Pro/E概念造型 29 表 36 主軸組合各零件質(zhì)量及重心測量值 序號 名稱 材料 密 度 質(zhì) 量 重心相對于坐標(biāo)系的偏移量 x y z 1 主軸 45 +00 +01 +00 2 鍵 12x32 45 +00 +00 +00 3 圓柱銷 35 +00 +00 +00 4 鍵 16x50 45 +00 +00 +00 5 主動鏈輪 45Cr +00 +00 6 套筒 B Q235 +01 +00 +00 7 套筒 A Q235 +01 +00 +00 8 傳動鏈輪 45 +00 +00 9 軸端擋圈 Q235 +00 +00 10 沉頭螺釘 A3 +00 +00 +00 11 軸承 — — +00 +00 +00 注：調(diào)心球軸承的重量由手冊中給出，且其質(zhì)心與 形心（ 坐標(biāo)系原點 ） 重合。 開溝機重心計算方法的探求 根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以求得主軸軸系的重心 [22] 121( , , ) ( , , )i i i i z x z x z x z xiM x y z M x y z??? （ 39） 式中： iM — 第 i個零件的質(zhì)量 zxM — 主軸軸系的總質(zhì)量 ( , , )i i ix y z — 第 i個零件相對軸系坐標(biāo)系的重心坐標(biāo) ( , , )zx zx zxx y z — 主軸軸系的重心坐標(biāo) 在利用上式計算時必須注意 以下 幾點： ? 在兼顧主軸軸系結(jié)構(gòu)尺寸的基 礎(chǔ)上，給各零件定義新坐標(biāo)系，目的是方便計算，簡化數(shù)據(jù)。 ? 將表格中的重心偏移量折算成在主軸軸系中的坐標(biāo)值。 ? 上式可以改寫成矩陣的形式，并利用 MATLAB 進行計算 。 ? 嘗試在每一個零件的坐標(biāo)原點定義一個點，然后在 組件 模式下測量出點的坐標(biāo)，再與零件的坐標(biāo)相加（必要時進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換），即可得 組件 模式下零件重心坐標(biāo)。 ? 由于 Pro/E 裝配 時 很多配合和連接采用默認的方法，了解這種操作過程對于計算是十分必要的。因為每一種軟件的編程時都有一種不同的思路，在做充分了解后，就有可能利用這種思路為研究計算提供便利。 用同樣方法，可依次 求得鏈式開溝機中其他零部件的重心和質(zhì)量，并進一步求得鏈鏈式開溝機的初步設(shè)計 30 式開溝機的質(zhì)量和重心。此方法雖較稱重法繁瑣，但在開溝機設(shè)計過程中可以為穩(wěn)定性校核以及液壓缸等部件 的 選用提供理論依據(jù)，特別是在開溝機的理論設(shè)計階段。 由于時間關(guān)系，本文只是提出了自己關(guān)于重心測量方法的思考方向，我會在以后的學(xué)習(xí)中繼續(xù)研究。 鏈式開溝機工作機理研究 31 4 鏈式開溝機工作機理研究 鏈式開溝機水平傾角分析 工作鏈刀的速度矢量關(guān)系如圖 41所示 。 圖 41 工作鏈刀 速度矢量圖 sin ( )dL? ? ?? ? ? （ 41） 已知 ? 是關(guān)于 ? 的函數(shù) s i n( ) a r c t a nc o sllovg vv??? ??? ? （ 42） 則式 (41)可以寫成 [ , ( )]hg? ? ?? 對 ? 求一階導(dǎo)數(shù)： 39。 39。 39。 39。 39。[ , ( ) ] ( ) ( ) ( )h g h h g g? ? ? ? ?? ? ? ? （ 43） 239。22s i n c o sc o s [ a r c t a n ( ) ] [ 1 ]c o s ( s i n ) ( c o s )l l l odl o l l ov v v vL v v v v v???? ? ? ??? ? ? ? ?? ? ? （ 44） 令 039。?? ，則有 s i nc o s [ a r c t a n ( ) ] 0c o sldlovL vv?? ?? ? ?? （ 45） 或者 222c o s10( s i n ) ( c o s )l l ol l ov v vv v v???????? （ 46） 解第二個式子，得 ??90? ，此結(jié)果在本課題沒有實際意義，故略去。 解第一個式子，得 鏈式開溝機的初步設(shè)計 32 2( ) 8c o s 4oollvv?????? （ 47） 一般情況下，開溝機鏈條線速度遠大于開溝機前進速度，即 lv ov ，此時可得cos 2 / 2?? 。 從而 說明在鏈條線速和機組前進速度確定時， 工作鏈刀 水平傾角 ??45?時，開溝機切削厚度 ? 取得極值。 由于 ? 和 ? 是互余的，根據(jù)式 (41)可判斷出此時 ? 取得極小值，將 ??45? 代入得 min ? ? 。 鏈式開溝機刀片的運動軌跡分析 水平傾角為 ? 時， 刀尖運動軌跡如圖 42所示 。 在鏈刀組合中心平面內(nèi)做二維坐標(biāo)系 xOy，如圖所示 ， 原點 O 所在的位置是鏈刀中心平面與主軸中心線 在 t=0 時刻 的交點。由圖可知刀片的運動軌跡在不同的時段并不相同 ， 因此需要分段討論。設(shè)點 00( , )Ax x 為刀尖起點，經(jīng)過 11( , )Bx x 、 22( , )Cx x 、 33( , )Dx x 、44( , )Ex x 、 55( , )Fx x 到達與起始位置相對應(yīng)的 39。39。39。00( , )A x x ， 這是一個完整的循環(huán)。 當(dāng) t 位于時間區(qū)間 1(0,)t 時刀尖從點 A 運動到點 B， 其軌跡方程為 ： 11c o s ( 9 )s in ( 9 ) ox R t v ty R t??? ? ? ??? ? ? ?? （ 48） 當(dāng) t 位于區(qū)間 12( , )tt 時，刀尖從點 B運動到點 C，其軌跡方程為 ： 1 1 111( ) ( ) c o s 6 2( ) sin 6 2ollx x v t t v t ty y v t t? ? ? ? ? ??? ? ? ? ??