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單犁式果園中耕機(jī)的研究與設(shè)計(jì) 畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))任務(wù)書 機(jī)械電氣工程學(xué)院 學(xué)院 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 專業(yè) 年級(jí) 課題名稱 單犁式果園中耕機(jī)的研究與設(shè)計(jì) 畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))起止時(shí)間 指導(dǎo)教師： 職稱：副教授 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 任務(wù)下達(dá)日期： 課題內(nèi)容 近年來(lái)隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,林果生產(chǎn)已成為我國(guó)等優(yōu)勢(shì)林果產(chǎn)區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和農(nóng)民增收致富的新亮點(diǎn)和支柱產(chǎn)業(yè)。隨著林果種植面積的不斷擴(kuò)大，果園規(guī)?；l(fā)展和規(guī)范化管理的要求日益提高，從而使得果園機(jī)械化管理的重要性日益顯著。用機(jī)械代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人力操作完成果園各環(huán)節(jié)作業(yè)，既可以實(shí)現(xiàn)果園的規(guī)范化管理，大幅減輕果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約勞動(dòng)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)又能搶農(nóng)時(shí)，減少損失，為果樹生長(zhǎng)發(fā)育創(chuàng)造良好條件，還能減少林果病蟲害的發(fā)生，促進(jìn)果品優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。該文提出一種集耕耙、除草、松土于一體并適用于果園管理的中耕機(jī)。 課題任務(wù)的具體要求 1．收集資料，進(jìn)行調(diào)研，確定設(shè)計(jì)方案，完成調(diào)研提綱一份，開題報(bào)告一份； 2．完成設(shè)計(jì)圖紙（包括裝配圖、零件圖）; 3．設(shè)計(jì)說明書一份，英文摘要一份； 4．答辯提綱一份（含多媒體匯報(bào)材料）； 5．翻譯英文文章1篇。 擬定的工作進(jìn)度（以周為單位） 1 - 3周：完成開題報(bào)告并進(jìn)行生產(chǎn)調(diào)研； 4 - 5周：方案設(shè)計(jì)，提出方案，論證分析，確定最佳方案，畫出草圖； 6 -10周：參數(shù)計(jì)算，零部件強(qiáng)度校核，整機(jī)設(shè)計(jì)，繪制部件圖，零件圖； 10-12周：撰寫設(shè)計(jì)說明書，整理完善圖紙，做答辯準(zhǔn)備。 主要參考文獻(xiàn) 1．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 2．機(jī)械工程設(shè)計(jì)手冊(cè) 3．機(jī)械原理 4．機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè) 5．材料手冊(cè) 6．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)相關(guān)資料 任務(wù)下達(dá)人（簽字） 日期： 年 月 日 任務(wù)接受人（簽字） 日期： 年 月 日 注：1．此任務(wù)書由指導(dǎo)教師填寫，任務(wù)下達(dá)人為指導(dǎo)教師，指導(dǎo)教師和接受任務(wù)的學(xué)生均應(yīng)簽字。 2．此任務(wù)書最遲必須在學(xué)生畢業(yè)實(shí)踐環(huán)節(jié)開始前一周下達(dá)給學(xué)生。 2 畢 業(yè) 論 文 (設(shè) 計(jì) 說 明 書 ) 課題名稱： 單犁式果園中耕機(jī)的研究與設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 院： 專業(yè)年級(jí)： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))起止時(shí)間： 摘 要 近年來(lái)隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,林果生產(chǎn)已成為我國(guó)等優(yōu)勢(shì)林果產(chǎn)區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展 和農(nóng)民增收致富的新亮點(diǎn)和支柱產(chǎn)業(yè)。隨著林果種植面積的不斷擴(kuò)大，果園規(guī)?；l(fā)展 和規(guī)范化管理的要求日益提高，從而使得果園機(jī)械化管理的重要性日益顯著。用機(jī)械代 替?zhèn)鹘y(tǒng)的人力操作完成果園各環(huán)節(jié)作業(yè)，既可以實(shí)現(xiàn)果園的規(guī)范化管理，大幅減輕果農(nóng) 的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約勞動(dòng)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)又能搶農(nóng)時(shí)，減少損 失，為果樹生長(zhǎng)發(fā)育創(chuàng)造良好條件，還能減少林果病蟲害的發(fā)生，促進(jìn)果品優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。 該文提出一種集耕耙、除草、松土于一體并適用于果園管理的中耕機(jī)。 1.調(diào)研了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有大田中耕機(jī)和果園中耕機(jī)的使用現(xiàn)狀，結(jié)合當(dāng)?shù)毓麍@種植 情況提出了一種集耕耙、除草、鎮(zhèn)壓于一體的果園中耕機(jī)。 2.對(duì)本課題提出中耕機(jī)進(jìn)行了方案確定，采用后懸掛系統(tǒng)，動(dòng)力采用拖拉機(jī)后輸出 軸動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)采用分動(dòng)箱的結(jié)構(gòu)形式，驅(qū)動(dòng)刀軸工作，分析了功率分配情況； 3.設(shè)計(jì)了關(guān)鍵部件，進(jìn)行三維建模、設(shè)計(jì)二維圖，對(duì)主要零件進(jìn)行強(qiáng)度校核。 關(guān)鍵詞：果園；中耕機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；三維建模 Abstract In recent years, with the adjustment of agricultural structure, fruit production has become a pillar industry to increase Chinese Xinjiang dominant Fruit production economy development and peasants. With the fruit planting area expanding requirement orchard, scale development and standardization of the management of increasing, which makes the importance of orchard machinery management is becoming more and more significant. The human operator to complete the work of each link orchard machinery instead of the traditional, can realize standardized management of orchard, greatly reduce the labor intensity of farmers, improve the production efficiency, save labor cost, improve economic efficiency, while saving time, reduce the loss, to create favorable conditions for the growth and development of fruit, but also reduce the fruit diseases and pests occurrence, promote fruit quality and high yield. This paper puts forward a set of cultivator tillage, weeding, loosening the soil as a whole and is suitable for orchard management. 1. Research present situation of domestic and foreign existing field cultivator and orchard cultivator, combined with Xinjiang local orchard planting situation presents a cultivator for orchard set tillage, stubble, straw covering, repression in one. 2. The rear suspension system of the cultivator of scheme ,powered by the tractor rear output shaft power, the transmission system adopts the structural form of the transfer box, drive shaft, analyzes the power distribution;; 3. The design of key components, 3D modeling, design of two-dimensional map, check the strength of the main parts. Keywords：Orchard; tiller; structure design; 3D modeling 目錄 摘 要 .............................................................I Abstract ..........................................................II 一、緒論 ...........................................................1 1.1 研究目的及意義 .......................................................1 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .......................................................1 1.3 犁的種類及設(shè)計(jì)方法 ...................................................3 1.4 果園中耕機(jī)的避讓機(jī)構(gòu) .................................................6 1.5 整機(jī)方案確定 .........................................................8 二、配套功率計(jì)算及懸掛設(shè)計(jì) .........................................9 2.1 功率消耗的組成 ............................................10 2.1.1 中耕作業(yè)的功率消耗 ......................................................10 2.2 配套動(dòng)的選用 .............................................11 2.3 懸掛機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) ...........................................11 2.3.1 懸掛裝置的功能與特點(diǎn) ....................................................11 2.3.2 懸掛裝置設(shè)計(jì)要求 ........................................................11 2.3.3 懸掛參數(shù)的確定 ..........................................................12 三、犁體設(shè)計(jì) ....................................................................................................................................13 3.1 犁體曲面的設(shè)計(jì)意義 .......................................13 3.1.1 犁體曲面的常規(guī)的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介 ............................................13 3.1.2 機(jī)械 CAD 方法的探討 ......................................................14 3.2 水平直元線犁體曲面形成原理 ...............................14 3.2.1 水平直元線犁體曲面原始零件的繪制 ........................................15 3.3 角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) .........................................17 四、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 ..............................................18 4.1 液壓缸的類型及安裝連接方式選擇 ...........................18 4.2 液壓缸的主要尺寸參數(shù)的確定 ...............................18 五 避讓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) ...................................................22 5.1 機(jī)構(gòu)方案確定 .............................................22 5.2 避讓裝置設(shè)計(jì)計(jì)算 .........................................22 5.2.1 避讓彈簧的設(shè)計(jì) ..........................................................22 5.2.2 避讓旋轉(zhuǎn)管的設(shè)計(jì) ........................................................23 參考文獻(xiàn) ..........................................................25 設(shè)計(jì)心得體會(huì) ......................................................26 致謝 ..............................................................27 單犁式果園中耕機(jī)的研究與設(shè)計(jì) 1 單犁式果園中耕機(jī)的研究與設(shè)計(jì) 一、緒論 1.1 研究目的及意義 自治區(qū)總面積160萬(wàn)km 2, 約占全國(guó)陸地總面積的1/6，具有發(fā)展特色林果業(yè) 得 天獨(dú)厚的光熱、水土資源優(yōu)勢(shì)。近年來(lái)，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，林果種植面積每年 以近10萬(wàn)hm 2的速度遞增，2006年全區(qū)林果種 植總面積達(dá)80.4萬(wàn)hm 2,已基本形成了南疆 環(huán)塔里 木盆地特色林果生產(chǎn)區(qū)和東疆、北疆林果生產(chǎn)基地， 有效株數(shù)5.05億株，掛果 面積約32.76萬(wàn)hm 2，果品 總產(chǎn)量367.7萬(wàn)t，總產(chǎn)值超過71.5億元，農(nóng)民人均 .林果純收 人達(dá)390元，林果業(yè)將成為調(diào)整優(yōu)化農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、加速農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展、促進(jìn)農(nóng)民增收 的新亮點(diǎn)和支柱產(chǎn)業(yè)。 隨著林果種植面積的不斷擴(kuò)大,果園規(guī)?；l(fā)展和規(guī)范化管理的要求日益提高,從而 使得果園機(jī)械化管理的重要性日益顯著。果園作業(yè)機(jī)械可以實(shí)現(xiàn)果園的規(guī)范化管理,大幅 減輕果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高生產(chǎn)效率,節(jié)約勞動(dòng)成本,提高經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)還能減少林果病 蟲害的發(fā)生,提高果品品質(zhì)。由于我國(guó)果園作業(yè)機(jī)械研究起步較晚,果園機(jī)械化基礎(chǔ)較差, 因此果園生產(chǎn)機(jī)械化程度與歐美等國(guó)家還存在著較大差距。針對(duì)我國(guó)各地林果生產(chǎn)特點(diǎn) 研究應(yīng)用果園作業(yè)機(jī)械,對(duì)促進(jìn)林果產(chǎn)業(yè)的健康和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 中耕機(jī)械主要指農(nóng)作物生長(zhǎng)期間用于除草松土表土破板結(jié)培土起壟或完成上述作業(yè) 同時(shí)進(jìn)行施肥等作業(yè)的機(jī)械，包括全面中耕機(jī)行間中耕機(jī)和專用中耕機(jī)全面中耕機(jī)用于 包括播前整地休閑地管理，化肥和化學(xué)藥劑的摻和等種床準(zhǔn)備作業(yè) 農(nóng)作物的行間中耕作 業(yè)包括，松土表土破板結(jié)間苗除草追肥及行間開溝培土等一些專用中耕機(jī)用于果園茶園 膠園的專項(xiàng)作業(yè)。 自 20 世紀(jì) 60 年代以來(lái)，國(guó)外果園機(jī)械發(fā)展較快，相繼研制了多種果園專用動(dòng)力機(jī) 械和作業(yè)機(jī)械，包括不同功率的果園拖拉機(jī)系列及其相應(yīng)的配套機(jī)具，同時(shí)改革采用了 適應(yīng)果園機(jī)械化作業(yè)要求的果樹栽培方式，使果園作業(yè)由人力作業(yè)逐漸向機(jī)械化作業(yè)轉(zhuǎn) 變。 由于多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及科技的迅速發(fā)展，美國(guó)、西歐等國(guó)家對(duì)于深松機(jī)具的研究 己經(jīng)相當(dāng)完善，并形成系列，并且已經(jīng)根據(jù)不同的需要研制和生產(chǎn)了多種深松機(jī)具。其 單犁式果園中耕機(jī)的研究與設(shè)計(jì) 2 松土方式主要有擠壓松土和振動(dòng)松土兩種形式。目前國(guó)外現(xiàn)有深松機(jī)具主要與大功率拖 拉機(jī)相配套，其特點(diǎn)是深松深度大、作業(yè)速度快、質(zhì)量好、適用于全面深松。其種類主 要有機(jī)械式深松犁和振動(dòng)式深松機(jī)兩種。機(jī)械式深松犁種類較多，其中有代表性的有兩 個(gè)約翰迪爾公司生產(chǎn)的 900V 型松土機(jī)和西德勞公司生產(chǎn)的懸掛式深松機(jī)。懸掛式深松機(jī) 深松鏟柄的工作面為弧形，其中間部位近似于直線，鏟尖到鏟柄內(nèi)側(cè)面的距離比迪爾深 松鏟長(zhǎng)。該鏟柄的這種結(jié)構(gòu)使其具有較好的切削性能，無(wú)掛草現(xiàn)象。振動(dòng)式深松機(jī)能解 決深松犁工作阻力大、能源消耗大的問題。其工作原理都是由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)偏 心振子使犁產(chǎn)生振動(dòng)，降低牽引阻力，從而提高功率利用率。 對(duì)于深松技術(shù)的研究，我國(guó)起步稍晚。從上世紀(jì) 60 年代初才開始認(rèn)識(shí)到深松技術(shù)的 重要性并進(jìn)行了相應(yīng)的研究。在深松鏟的設(shè)計(jì)和制造生產(chǎn)方面已經(jīng)有很多高校、研究院 所以及農(nóng)場(chǎng)等單位做了大量的研究工作，制造出了實(shí)際的深松鏟，并且通過實(shí)驗(yàn)和實(shí)際 生產(chǎn)應(yīng)用，取得了較好的效果。 2000 年，黑龍江省水利科學(xué)研究院研制出多功能振動(dòng)式深松機(jī)，該機(jī)是改良低產(chǎn)田 的新一代土壤改良機(jī)，振動(dòng)深松與其他深松方法比同樣深度條件下可節(jié)省牽引力三分之 一左右。 2005 年，疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院工程學(xué)院研制出 1LSX-6 曲軸式深松耕作機(jī)，一次性完 成耕整地作業(yè)耕深可在 200400mm 之間調(diào)節(jié)。鏟削土壤的切削力大適用于各種土壤的耕 整地作業(yè)通過調(diào)整深松土鏟與連桿之間的角度，可調(diào)整深松土鏟的人土角，改變耕深。 2005 年，龍江省研制出 1SND-175 型淺翻深松機(jī)。該機(jī)以設(shè)計(jì)獨(dú)特的雙翼鏟為深松部 件，雙翼鏟分為上、下兩層上層?？奢^好地實(shí)現(xiàn)松土的目的，并保證土層的位置不變， 下層可較好地打破犁底層達(dá)到深松的目的。 2006 年，京延慶農(nóng)機(jī)研究所研制開發(fā)出 1SZ-230 型深松整地機(jī)（圖 4 所示） ，該機(jī)由 前部深松機(jī)和后部旋耕機(jī)組合而成，聯(lián)合作業(yè)時(shí)一次可以完成土壤和表層 10cm 土壤的碎 土、平整土壤達(dá)到播種要求。 單犁式果園中耕機(jī)的研究與設(shè)計(jì) 3 圖 1-1 1SZ-230 型深松整地機(jī) 圖 1-2 1FFSL-5 型淺翻深松翻轉(zhuǎn)犁 2008 年黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院設(shè)計(jì)生產(chǎn)出 1FFSL-5 型淺翻深松翻轉(zhuǎn)犁， 一次即可對(duì)工作幅寬內(nèi)的土壤進(jìn)行深松鏟松土和除草鏵切翻表土和埋壓根茬等多項(xiàng)作業(yè)。 2009 年云南農(nóng)業(yè)大學(xué)和曲靖市煙草公司經(jīng)過兩年多的共同研制開發(fā)，經(jīng)研制出全國(guó) 首臺(tái)新型多功能農(nóng)業(yè)機(jī)械 1GQQSN-200 旋耕深松起壟聯(lián)合作業(yè)機(jī)，它填補(bǔ)了中國(guó)農(nóng)業(yè)煙草 機(jī)械化生產(chǎn)中的一項(xiàng)空白，為烤煙生產(chǎn)提供高效有力的支撐。 圖 1-7 1GQQSN-200 旋耕深松起壟聯(lián)合作業(yè)機(jī) 1.3 犁的種類及設(shè)計(jì)方法 中耕機(jī)械主要指農(nóng)作物生長(zhǎng)期間用于除草松土表土破板結(jié)培土起壟或完成上述作業(yè) 同時(shí)進(jìn)行施肥等作業(yè)的機(jī)械，包括全面中耕機(jī)行間中耕機(jī)和專用中耕機(jī)全面中耕機(jī)用于 包括播前整地休閑地管理，化肥和化學(xué)藥劑的摻和等種床準(zhǔn)備作業(yè) 農(nóng)作物的行間中耕作 業(yè)包括，松土表土破板結(jié)間苗除草追肥及行間開溝培土等一些專用中耕機(jī)用于果園茶園 膠園的專項(xiàng)作業(yè)。 單犁式果園中耕機(jī)的研究與設(shè)計(jì) 4 犁是一種耕地工具，它的主要功能是翻土和碎土以犁鏵為主要工作部件的犁稱為鏵 式犁 長(zhǎng)期以來(lái)耕地所用的主要工具就是鏵式犁 鏵式犁歷史最早，數(shù)量最多，使用最廣 泛，每年耗用的數(shù)量也比任何機(jī)械多。 鏵式犁種類甚多，可以從各個(gè)方面區(qū)分成若干不同的體系。同一臺(tái)犁又可以根據(jù)不 同的區(qū)分方法給以不同的名稱。由于鏵式犁種類繁多，許多犁兼有幾種性質(zhì)，例如心土 犁按其用途也稱為松土犁; 果園犁也是翻土犁等。此外，還有把一般用途的犁稱為普通犁， 把在特定條件下使用的犁(如果園犁偏置犁等)稱作特種犁。 由于歷史的演進(jìn)和發(fā)展，鏵式犁的某些品種已經(jīng)被淘汰了，例如畜力拉的乘犁或車 犁，機(jī)力犁中的繩索牽引犁，雙向犁中的天平犁鍵式犁滾轉(zhuǎn)犁等，現(xiàn)在都已不用了。從 犁的形體構(gòu)造工作性能及所分布的地區(qū)來(lái)看，全世界的鏵式犁可以認(rèn)為是兩大類：一類 是東方型犁，另一類是西方型犁國(guó)內(nèi)外目前常用的有代表性的機(jī)引普通犁為懸掛式四鏵 犁牽引式五鏵犁半懸掛五鏵犁。下面介紹幾種鏵式犁： 1.調(diào)幅犁 過去的犁在由工廠制成以后，其工作幅寬即已固定，使用時(shí)不能改變 這樣，在土壤 較堅(jiān)實(shí)的地塊上而又要求耕深較大時(shí)，拖拉機(jī)的牽引功率則無(wú)法適應(yīng) 于是出現(xiàn)了耕作幅 寬可以調(diào)節(jié)的犁。這種犁的主斜梁可以偏擺，犁體相對(duì)于主斜梁的安裝角亦可調(diào)整。當(dāng) 拖拉機(jī)牽引功率不足，拉不動(dòng)時(shí)，可將主斜梁的角度適當(dāng)變小，并將犁體在主斜梁上的 安裝角同時(shí)進(jìn)行調(diào)整，使犁體仍處于正位工作狀態(tài)，這時(shí)，犁的總耕幅就減小。反之， 犁的總耕幅即可增大。主斜梁和犁體安裝角的變化，可以是有級(jí)的，由銷釘?shù)目孜粊?lái)調(diào) 節(jié)，也可以是無(wú)級(jí)的，由螺栓調(diào)節(jié) 采用液壓油缸無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的機(jī)構(gòu)，還可以由駕駛員在座 位上操縱油路閥門在工作狀態(tài)隨時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。 圖 2-4 調(diào)幅犁 圖 2-5 偏置犁 2.偏置犁 單犁式果園中耕機(jī)的研究與設(shè)計(jì) 5 鏵式犁耕地是重負(fù)荷作業(yè)。在拖拉機(jī)的牽引力不是很大時(shí)，犁的工作幅寬往往小于 拖拉機(jī)的輪距寬度這樣，在靠近田埂圍墻溝渠或籬笆時(shí)，總是耕不到邊，要留下一條寬 3050CM 的未耕地帶，損失不少播種面積。偏置犁的犁體可以相對(duì)于拖拉機(jī)向側(cè)邊偏移 一定距離，能將拖拉機(jī)輪子無(wú)法靠近之處完全耕掉偏置犁的偏移裝置，有采用直接橫移， 也有采用平行四桿機(jī)構(gòu)側(cè)向擺移位，還有用一根斜桿與兩個(gè)弧形板左右偏擺移位的。對(duì) 于較小的輕型偏置犁用人力移位亦不太費(fèi)勁。重型犁則采用油缸移位。 3.層耕犁 層耕犁是一種對(duì)于土壤進(jìn)行分層耕作的犁。這種犁可以使上下層土壤互相移位而不 使之相混，或是將上中下三層的位置進(jìn)行變位，以改良土壤，如翻圩壓砂或翻砂壓堿等。 層耕犁分兩層犁和三層犁兩種。兩層犁是用一個(gè)犁體先將上層土壤翻至前一趟已開好的 溝底，然后由另一個(gè)犁體將下層土壤鏟起，鋪至上層，其工作過程與帶小前鏵的復(fù)式犁 類似 前蘇聯(lián)還有一些地方土層結(jié)構(gòu)特殊，耕作時(shí)須將上層土壤仍保留在上層，將原在下 層的土壤移至中層，而將原在中層的土壤移至下層，這種三層耕作，由三個(gè)犁體來(lái)完成 分層耕作還有一種上翻下松的作業(yè)方式，即將普通犁體的溝底用心土鏟進(jìn)行 812CM 的 松土作業(yè)，以打破犁底的板結(jié)層，加深耕作層。 主犁體主要有犁鏵、犁壁、犁側(cè)板、犁托和犁柱等組成。犁壁和犁鏵組成犁體曲面， 根據(jù)犁體耕翻時(shí)土垡運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)分為滾垡型、竄垡型和滾竄垡型三大類。滾垡型根據(jù)其翻 土和碎土作用不同又可分為碎土型、通用型和翻土型。 犁體曲面由鏵刃線、脛刃線、接縫線、頂邊線和翼邊線組成。一般犁體曲面的設(shè)計(jì)是最重要的。 犁體曲面的形狀對(duì)加工土壤的質(zhì)量有至關(guān)重要的影響。目前，所應(yīng)用的犁體曲面的形狀是經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間 積累、不斷修改、不斷完善而形成的，是一個(gè)空間任意曲面，不可能用數(shù)學(xué)的方法來(lái)真實(shí)的描述，只 能是用近似的方法，用做圖原理來(lái)形成犁體曲面。 單犁式果園中耕機(jī)的研究與設(shè)計(jì) 6 目前在設(shè)計(jì)犁體曲面時(shí)所用的方法有三種：水平直元線法、傾斜直元線法、翻土曲 線法。其中，水平直元線法技術(shù)最為成熟，應(yīng)用最廣。犁體曲面的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意：1.了解 當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中耕地作業(yè)的基本要求；2.根據(jù)農(nóng)業(yè)要求確定可能出現(xiàn)的最大耕深；3.根據(jù)土壤性狀及土 垡穩(wěn)定鋪放原則確定寬深比 K；4.根據(jù)作業(yè)要求確定犁體曲面的工作性能；5.進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和繪制設(shè)計(jì) 工作圖。 1.4 果園中耕機(jī)的避讓機(jī)構(gòu) 在果園和橡膠園的中耕作業(yè)中，若采用普通中耕機(jī)具，會(huì)留下一條非耕作區(qū)，需要 用人工進(jìn)行株間除草松土。為了使工作部件能夠自動(dòng)伸入株間進(jìn)行松土除草作業(yè)，國(guó)內(nèi) 已經(jīng)研制了機(jī)械式和液壓式自動(dòng)避讓中耕機(jī)。前者是利用曲柄連桿機(jī)構(gòu)。機(jī)器前進(jìn)中觸 桿碰 到樹干后，向后擺動(dòng)，通過拉桿使傳動(dòng)箱內(nèi)的曲柄離合器接通，曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，通過連 桿使活動(dòng)機(jī)架沿固定初深移動(dòng)。曲柄轉(zhuǎn)過 180時(shí)，避讓距離達(dá)到最大。轉(zhuǎn)過 360時(shí)，離 合器自動(dòng)分離，工作部件又回到株間工作。這種機(jī)構(gòu)的橫向運(yùn)動(dòng)必須與機(jī)器前進(jìn)速度很 好地配合。后者是利用單作用油缸通過觸桿和電磁閥控制，靠彈簧作用回位，使平行四 連桿機(jī)構(gòu)擺動(dòng)，達(dá)到伸入株間和回位的目的。工作部件都是采用旋耕機(jī)。 國(guó)外雙作用油缸式液壓自動(dòng)避讓機(jī)構(gòu)和機(jī)械式自動(dòng)避讓機(jī)構(gòu)其作用原理有所不同， 現(xiàn)簡(jiǎn)介如下： 圖 2-6 為 C-0.9A 自動(dòng)避讓旋耕機(jī)。旋耕機(jī) 14 裝在鉸接平行四連桿機(jī)構(gòu)上，位于觸 單犁式果園中耕機(jī)的研究與設(shè)計(jì) 7 桿的后部，旋耕機(jī)的避讓動(dòng)作由雙作用油缸 13 實(shí)現(xiàn)。油缸的液壓油是由拖拉機(jī)的液壓系 統(tǒng)供給的。高壓油的流向由滑閥 7 控制。該閥由兩個(gè)電磁鐵 1 和 9 推動(dòng)。電器系統(tǒng)的電 源由拖拉機(jī)的電氣設(shè)備供給。 在彈簧 4 的作用下，觸桿 5 總是處在向前的位置。當(dāng)機(jī)器前進(jìn)時(shí)，觸桿碰到樹干， 使觸點(diǎn)開關(guān) 2 接通,線圈 9 有電流通過，使滑閥 7 移動(dòng)。拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)的高壓油進(jìn)入油 缸 13 的 A 腔，可動(dòng)工作部件從樹株間抽出，直到平行四連桿件上的撞桿 0 打開開關(guān) 12。這時(shí)，線圈 9 的電流被切斷，滑閥 7 在彈簧 6 和 8 的作用下回到中立位置，停止給 油缸供油。這樣油缸的位置就被固定了。因而伸出去的工作部件的位置也被固定了。 當(dāng)觸桿 5 繞過樹干之后，在彈簧 4 的作用下，轉(zhuǎn)變?yōu)榕c換向開關(guān)的觸點(diǎn) 3 接觸。于 是，線圈 1 的回路接通，便滑閥 7 移到另一位置。高壓油與油缸的 B 腔接通，A 腔回油， 這時(shí)帶旋耕機(jī)的工作部件伸入株間去。當(dāng)平行四連桿機(jī)構(gòu)的撞桿 10 到斷電器 11 時(shí).伸出 行程終止。這時(shí)油缸在伸出位置固定。 圖 2-6 C-0.9A 自動(dòng)避讓旋耕機(jī)作用原理圖 單犁式果園中耕機(jī)的研究與設(shè)計(jì) 8 圖 2-7 是一種機(jī)械式自動(dòng)避讓裝置。它安裝在中耕機(jī)側(cè)面的擺桿 2 上。工作部件繞垂 直軸旋轉(zhuǎn)，由六把刀 3 周向分布。拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸經(jīng)傳動(dòng)軸 4 帶動(dòng)工作部件旋轉(zhuǎn)切削 土壤、垂直軸的擺轉(zhuǎn)由彈簧 7 和拉桿 5 控制。拉桿 5 與觸桿 6 鉸接，其支點(diǎn)在擺桿 2 上， 并通過柔性桿 8 與機(jī)架 1 連接。工作部件伸入到株間工作時(shí)，在彈簧 7 的拉力作用下， 轉(zhuǎn)軸上部向后傾斜，切刀只在后部入土，刀片對(duì)土壤的切削力引起土壤對(duì)它的反作用力， 使旋轉(zhuǎn)著的工作部件保持向樹的株間偏移。偏移量由柔性桿 8 限制。 當(dāng)觸桿 6 碰到樹干時(shí)，觸桿通過鉸接的拉桿 5 將垂直軸上端的變速箱變換位置，使 工作部件的回轉(zhuǎn)軸上端向前傾斜，如圖中的虛線所示位置。這時(shí)，刀盤的前端入土，而 后端離地。由于土壤對(duì)刀片的反作用力，使刀盤退出樹的抹間。在繞過樹干之后，工作 部件又重新回到株間去工作。 圖 2-7 機(jī)械式自動(dòng)避讓裝置 1.5 整機(jī)方案確定 根據(jù)以上犁體設(shè)計(jì)以及中耕機(jī)避讓機(jī)構(gòu)的分析，現(xiàn)對(duì)單犁式果園中耕機(jī)整機(jī)做以下 單犁式果園中耕機(jī)的研究與設(shè)計(jì) 9 設(shè)計(jì)方案。單犁式果園中耕機(jī)主要由轉(zhuǎn)向裝置、懸掛裝置、犁體、犁架、避讓裝置組成， 其中轉(zhuǎn)向裝置主要由轉(zhuǎn)向油缸、犁體安裝架、液壓閥組成，轉(zhuǎn)向油缸與犁體安裝架以及 懸掛裝置鉸接，犁體安裝架一端與懸掛裝置焊接，另一端則與轉(zhuǎn)向油缸鉸接，當(dāng)需要調(diào) 節(jié)犁體時(shí)，液壓缸驅(qū)動(dòng)犁體安裝架使得犁體轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)犁體與植株之間距離的調(diào)節(jié)；避 讓機(jī)構(gòu)主要由避讓彈簧、避讓旋轉(zhuǎn)架、液壓閥組成，當(dāng)植株與犁體靠的過近時(shí)，避讓彈 簧與植株碰撞，避讓旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)動(dòng)繼而驅(qū)動(dòng)液壓閥動(dòng)作，通過液壓閥分配流量，驅(qū)動(dòng)液壓 缸的伸長(zhǎng)與縮短，實(shí)現(xiàn)犁體的偏轉(zhuǎn)，此避讓裝置可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)距離調(diào)節(jié)，保證中耕槽與 植株的距離。 單犁式果園中耕機(jī)的研究與設(shè)計(jì) 10 二、配套功率計(jì)算及懸掛設(shè)計(jì) 2.1 功率消耗的組成 中耕機(jī)的功率消耗主要由犁體切削土壤、翻垡功率組成： nqN （2-1） 式中 Nq犁體切削土壤時(shí)消耗的功率。此值不斷變化，刀片開始切土?xí)r功率耗用較大， 達(dá)溝底時(shí)功率消耗達(dá)最小值，平均約占 40%；n 一克服土壤水平反力的功率消耗，約占 5%。 在中耕機(jī)的總功率消耗中，以切土和翻垡功率消耗為主，占總功率消耗的 70%80%。 2.1.1 中耕作業(yè)的功率消耗 中耕作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)功率大部分用于驅(qū)動(dòng)犁體切割土壤工作，可用下列經(jīng)驗(yàn)公式估 算：mvKN1.0 （2-2） 式中 a耕深（cm)； B耕幅（m)； K旋 耕 比 阻 （ N/cm2)。4321g （2-3） 式中 1耕深修正系數(shù)2 土壤含水率修正系數(shù)；3K 碎茬植被修正系數(shù)；4 作業(yè)方式修正系數(shù)。 參考農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) （上冊(cè)） ，根據(jù)機(jī)組作業(yè)方式，工作條件，選取 Kg=13N/cm2， K1=0.9，K 2=0.95，K 3=1.0，K 4=0.68， 代入式（2-2)計(jì)算： 2/56.78.0*195.0*cmN 再用計(jì)算的結(jié)果代入式（5-1)計(jì)算： N=0.1*7.56*14*1.864*1.6kw=31.57kw 單犁式果園中耕機(jī)的研究與設(shè)計(jì) 11 故，中耕機(jī)的功率消耗近似為 N=31.57kW 2.2 配套動(dòng)的選用 根據(jù)我國(guó)目前所擁有的拖拉機(jī)實(shí)際情況和對(duì)機(jī)組所消耗功率的初步估算，擬采用 約翰迪爾 BY304 型輪式拖拉機(jī)或功率相近的拖拉機(jī)。 主要參數(shù)如下： 傳動(dòng)箱和動(dòng)力輸出采用嚙合套換擋，解決了脫擋問題；傳動(dòng)齒輪采用鼓形齒，降低 了傳動(dòng)系的噪音； 電器系統(tǒng)采用中央控制，中央控制系統(tǒng)采用集成電路，體積小，安裝方便，安全性 能高； 增配液壓副油箱，加大液壓油體積，使液壓系統(tǒng)油溫不宜升高； 采用雙作用離合器，保證拖拉機(jī)踩下離合器時(shí)仍可正常驅(qū)動(dòng)機(jī)具； 采用液壓轉(zhuǎn)向器，操縱輕便、省力； 多檔動(dòng)力輸出，可滿足旋耕、犁耕、耙、播等多種農(nóng)田作業(yè)要求； 可調(diào)式座椅可前后移動(dòng)和翻轉(zhuǎn)，駕駛舒適。 2.3 懸掛機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 為了提高動(dòng)力機(jī)械的通用性和利用率，田間作業(yè)機(jī)械一般與拖拉機(jī)配套使用。拖拉 機(jī)與農(nóng)具的連接機(jī)構(gòu)通稱為掛接裝置。其連接方式可分為：懸掛式、半懸掛式和牽引式 等幾種。本設(shè)計(jì)采用懸掛式連接方式，將耕整作業(yè)機(jī)與拖拉機(jī)連接在一起。機(jī)具的耕深 由拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)控制。 2.3.1 懸掛裝置的功能與特點(diǎn) 懸掛裝置不僅起傳遞牽引力的作用，而且還有升降農(nóng)具，控制工作耕作深度的作用。 這種連接方式已得到廣泛應(yīng)用，并且與牽引式機(jī)具相比有以下特點(diǎn)： 1) 機(jī) 動(dòng) 性 好 2) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕 3) 改善拖拉機(jī)的牽引性能 4) 機(jī)具整體尺寸和工作幅寬不能過大 單犁式果園中耕機(jī)的研究與設(shè)計(jì) 12 2.3.2 懸掛裝置設(shè)計(jì)要求 農(nóng)機(jī)具懸掛參數(shù)的合理性對(duì)機(jī)組性能影響很大，農(nóng)具懸掛裝置設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足以下條 件： 1) 農(nóng)機(jī)具有良好的入土性能； 2) 具有良好的耕深穩(wěn)定性和對(duì)不平地表的適應(yīng)性； 3) 機(jī)組工作時(shí)，具有良好的操縱性和牽引性能； 4) 機(jī)組行駛時(shí)，具有良好的通過性和穩(wěn)定性； 5) 機(jī)組工作時(shí)，能保證直線行駛性和耕作的穩(wěn)定性； 6) 裝卸、操縱和調(diào)節(jié)輕便、視野良好。 2.3.3 懸掛參數(shù)的確定 拖拉機(jī)的三點(diǎn)懸掛裝置與懸掛式耕整作業(yè)機(jī)的懸掛架連接。 田間通過性的約束條件： 1) 要求耕作時(shí)夾角不超過 10； 2) 地頭轉(zhuǎn)彎提升作業(yè)機(jī)離地 100250mm，夾角不超過 30； 3) 切斷輸出軸動(dòng)力時(shí)，提升作業(yè)機(jī)到最高位置時(shí)，機(jī)下的通過高度一般不小 400mm，萬(wàn)向節(jié)伸縮軸與軸套至少應(yīng)有 40mm 的重疊量； 4) 還應(yīng)考慮到最大耕深和提升到最高位置時(shí)，機(jī)架和土壤工作部件不碰到拖拉機(jī)。 懸掛參數(shù)的確定，通常參照配套拖拉機(jī)牽引力（或功率）相近的同類產(chǎn)品之間的懸 掛參數(shù)進(jìn)行初選。該文設(shè)計(jì)的機(jī)具擬選配套動(dòng)力是約翰迪爾 BY304 輪式拖拉機(jī)，參考 農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) （上冊(cè)，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社） ，懸掛裝置主要參數(shù)如下： 上拉桿長(zhǎng) l:462mm，上懸掛點(diǎn) H:515mm，下懸掛點(diǎn) h:610mm。 2.3.4 懸掛裝置的設(shè)計(jì) 根據(jù)以上參數(shù)設(shè)計(jì)，結(jié)合拖拉機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)， 確定以下設(shè)計(jì)方案： 單犁式果園中耕機(jī)的研究與設(shè)計(jì) 13 三、犁體設(shè)計(jì) 3.1 犁體曲面的設(shè)計(jì)意義 犁體是鏵式犁中最重要的部件。鏵式犁的翻土、碎土作用,完全是由犁體完成的。犁 體的形狀、結(jié)構(gòu)、曲面式樣及制造工藝水平對(duì)犁的作業(yè)質(zhì)量和牽引阻力有很大影響。犁 每年消耗的能量比任何作業(yè)機(jī)械都要多。 犁體曲面形狀復(fù)雜、類型多種多樣。由于翻土、碎土要求不同,犁體曲面的成型方法 非常多。犁體曲面的設(shè)計(jì)需要大量參數(shù),不同成型原理的犁體曲面要求的設(shè)計(jì)參數(shù)各不相 同。犁體曲面是形狀非常復(fù)雜,扭曲的空間曲面。它不能用簡(jiǎn)單的常規(guī)曲面方程描述亦不 能通過通常的三視圖表示。犁體曲面有自己獨(dú)特的表示方法,主要通過尺寸齊全的曲面正 視圖、俯視圖和樣板曲線圖來(lái)表示。其俯視圖、主視圖和樣板曲線圖的繪制通常都是通 過作圖法獲得。這種設(shè)計(jì)方法,繪圖工作量大。從條件到設(shè)計(jì)結(jié)果要通過作圖法進(jìn)行多次 變換,由于繪圖誤差和度量誤差的影響,得到的結(jié)果都是近似值,且設(shè)計(jì)過程中容易出錯(cuò)。 另外,犁體曲面的設(shè)計(jì)一般都要憑借經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐,設(shè)計(jì)結(jié)果需要經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)、修正、 改進(jìn),以最終滿足犁的工作要求。每一次參數(shù)的改動(dòng),都要重新繪制犁體曲面圖紙。這樣 使得犁體曲面的設(shè)計(jì)任務(wù)繁重,犁的設(shè)計(jì)周期長(zhǎng),設(shè)計(jì)費(fèi)用高。 3.1.1 犁體曲面的常規(guī)的設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介 不同類型的犁體曲面設(shè)計(jì)方法各不相同主要設(shè)計(jì)方法有在試修法的基礎(chǔ)上測(cè)繪獲得 犁體曲面這種方法主要用于改進(jìn)已有的犁體曲面;用幾何作圖法和數(shù)學(xué)分析法設(shè)計(jì)犁體曲 面,這種方法主要用來(lái)設(shè)計(jì)新的犁體曲面。本文涉及的是幾何作圖法。犁體曲面的作圖法 根據(jù)成型原理的不同而不同,常見的作圖法有水平直元線法、傾斜直元線法和曲元線法。 它們的設(shè)計(jì)應(yīng)包括以下內(nèi)容: (1)根據(jù)土垡?guī)缀纬叽缃⒏麥蠑嗝?并根據(jù)犁體設(shè)計(jì)參數(shù)確定犁體曲面的脛刃線、 頂邊線、鏵刃線、鏵翼線、翼邊線,從而得到犁體曲面的主視圖。 (2)按不同的成型原理,確定元線的運(yùn)動(dòng)軌跡。如水平直元線犁體曲面要確定元線對(duì) 溝墻的傾斜角與元線距離犁體底面的高度 z 的函數(shù)關(guān)系:按導(dǎo)曲線設(shè)計(jì)參數(shù)繪制導(dǎo)曲線圖。 根據(jù)導(dǎo)曲線形狀、位置以及元線角函數(shù)確定出元線的運(yùn)動(dòng)軌跡。 (3)繪制犁體曲面俯視圖。根據(jù)主視圖和元線的運(yùn)動(dòng)軌跡作圖求出犁體曲面的俯視圖。 水平直元線犁體曲面要將導(dǎo)曲線和犁體曲面主視圖按高度 z 等分,作出鏵刃線,并在導(dǎo)曲 單犁式果園中耕機(jī)的研究與設(shè)計(jì) 14 線位置作鏵刃線的垂線。將導(dǎo)曲線上各等分點(diǎn)投影到垂線上,然后根據(jù)該高度處的元線角 過各垂足分別作出各元線,最后根據(jù)主視圖確定元線的端點(diǎn),將各端點(diǎn)光滑連接起來(lái)得出 其俯視圖。 (4)繪制樣板曲線。選定樣板曲線的位置,在此位置作鏵刃線的垂線得到垂線與各元 線的交點(diǎn)。由交點(diǎn)距鏵刃線的距離及元線的高度確定樣板曲線上的各點(diǎn),將各點(diǎn)連接起來(lái) 即得到一條樣板曲線。 3.1.2 機(jī)械 CAD 方法的探討 多年來(lái),農(nóng)業(yè)機(jī)械也借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。但是,相對(duì)于其它行業(yè),農(nóng)業(yè)機(jī)械的計(jì)算機(jī) 輔助設(shè)計(jì)發(fā)展較慢。專門用于進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的軟件市場(chǎng)上比較少見。除去其它各方 面的原因外,這還與農(nóng)業(yè)機(jī)械的特殊工作條件有關(guān)。鏵式犁作為農(nóng)業(yè)機(jī)械中重要的作業(yè)機(jī) 械,其工作條件惡劣。并且,根據(jù)氣候土壤條件的不同,犁的工作條件變化非常大。犁的形 式多樣、種類繁多。而且由于犁體的形狀復(fù)雜,暫且還沒有見到專門的犁鏵設(shè)計(jì)軟件。由 于它的不規(guī)則性也很難用利用其它軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。 犁體曲面的設(shè)計(jì)一般都要憑借經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐，設(shè)計(jì)結(jié)果需要經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)、修正、 改進(jìn)，以最終滿足犁的工作要求。每一次參數(shù)的改動(dòng)，都要重新繪制犁體曲面圖紙。這 樣使得犁體曲面的設(shè)計(jì)任務(wù)繁重、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高。近年來(lái)，CAD 技術(shù)發(fā)展迅猛但 一般的 CADCAM 軟件系統(tǒng)是通用性支撐平臺(tái)沒有提供針對(duì)農(nóng)機(jī)行業(yè)的專用 CAD 模塊。 因此借助功能強(qiáng)大的通用 CAD 平臺(tái)二次開發(fā)針對(duì)農(nóng)機(jī)行業(yè)的專用模塊 CAD 系統(tǒng)是一條 可行之路。SolidWorks 是美國(guó) SolidWorks 公司開發(fā)的三維 CAD 產(chǎn)品在操作平臺(tái)上基于 Windows在技術(shù)內(nèi)核上基于先進(jìn)的 Parasolid 圖形語(yǔ)言平臺(tái)采用 VC++編程和面向?qū)ο?的數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)開發(fā)的三維 CAD 軟件。便于用戶的二次開發(fā)，設(shè)計(jì)過程簡(jiǎn)單、使用方便。利 用 SolidWorks 強(qiáng)大的曲面造型功能可以繪制出很逼真的犁體曲面，用于下一步的仿真、 運(yùn)動(dòng)分析。但犁體曲面設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)量多并且參數(shù)取值變動(dòng)頻繁這就要求軟件在設(shè)計(jì) 過程以尺寸驅(qū)動(dòng)。進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。 因此，利用 CAD 軟件進(jìn)行犁體曲面設(shè)計(jì)具有重要意義和無(wú)可替代性，本文利用 solidworks 進(jìn)行犁體曲面設(shè)計(jì)。 3.2 水平直元線犁體曲面形成原理 犁體曲面可以看作是由直線或曲線在空間按照一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)而成。這些構(gòu)成曲面的 直線或曲線。稱為元線。元線在空間的運(yùn)動(dòng)，可由直線、曲線或平面來(lái)控制。這些控 單犁式果園中耕機(jī)的研究與設(shè)計(jì) 15 制元線運(yùn)動(dòng)規(guī)律的幾何要素稱為導(dǎo)線或?qū)?在幾何學(xué)上又稱為準(zhǔn)線或準(zhǔn)面)。目前 國(guó)內(nèi)外的鏵式犁產(chǎn)品中以用水平直元線或傾斜直元線所形成的犁體曲面為最多。由水 平直元線構(gòu)成的扭柱型曲面，其形成原理如圖 1 所示。直元線在運(yùn)動(dòng)過程中始終保持水 平即以溝底平面作為導(dǎo)向面，同時(shí)直元線又始終與一條平面曲線(導(dǎo)曲線)相接觸。導(dǎo) 曲線位于與鏵刃線相垂直的平面內(nèi)。此外，元線在空間的位置還取決于它同溝墻平面的 夾角的變化規(guī)律。由此可見，當(dāng)導(dǎo)曲線的參數(shù)和元線角的變化規(guī)律確定之后水平元線 的運(yùn)動(dòng)即可唯一確定一個(gè)曲面。這種設(shè)計(jì)方法是在大量的實(shí)踐的基礎(chǔ)上形成的，在生產(chǎn) 中得到了廣泛的應(yīng)用。 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)參數(shù)較容易控制可以通過有規(guī)律地改變參數(shù)，得到不同的 犁體曲面。 3.2.1 水平直元線犁體曲面原始零件的繪制 根據(jù)前面所介紹的 SolidWorks 的產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計(jì)的思想下面以 BTU35 型號(hào)的犁體 曲面的數(shù)據(jù)為初始數(shù)據(jù)。根據(jù)直元線法形成原理繪制犁體曲面。在 SolidWorks 中新建一 個(gè)零件，命名為犁體曲面。步驟如下： 1）建立基準(zhǔn)面 首先將右視面改名為脛刃線面，點(diǎn)擊草圖繪制，選擇中心線，通過原點(diǎn)作 出三條中心線，退出草圖繪制。 選擇脛刃線面和其中一條基準(zhǔn)軸，再選擇生成基準(zhǔn)面，在屬性管理器中，選 擇角度，輸入90。確定，得到一個(gè)新的基準(zhǔn)面，命名為脛刃線面因?yàn)殓f刃線 與脛刃線面的夾角為 0(BTU35 的 0 等于 42)，導(dǎo)曲線面與脛刃線面的夾角為(90- 0)。同理在生成基準(zhǔn)面的屬性管理器的角度中輸入48。得到一個(gè)新的基準(zhǔn)面， 命名為導(dǎo)曲線面。在方程式中添加1DI導(dǎo)曲線面=90-元線48deg。可知 48只是一個(gè)從動(dòng)尺寸。對(duì)于犁體來(lái)說，設(shè) 0 至 min 之間的元線角為直線規(guī)律，根 據(jù)經(jīng)驗(yàn)值我們假設(shè)犁鏵高度為 75mm把這一部分分為三個(gè)間隔(即在犁面上分成三個(gè)水平 元線)。選擇鏵刃線面，選擇生成基準(zhǔn)面，在其屬性管理器中的距離中輸入 25得到一個(gè)新的基準(zhǔn)面，命名為直元線面 1；重復(fù)上述步驟，輸入50，75，分 別得到新的基準(zhǔn)面，命名為直元線面 2、直元線面 3。在方程式中添加： 2D1直元線面 1=753 25mm 3DI直元線面 2=75*23 50mm 驅(qū)動(dòng)方程。 單犁式果園中耕機(jī)的研究與設(shè)計(jì) 16 4D1直元線面 3=75 75mm 在 min 至 max 之間的總距為：導(dǎo)曲線高-7.5=36- 7.5=28.5cm。采用水平元線間距為 5 cm選擇直元線面 3。選擇生成基準(zhǔn)面，在距 離中分別輸入50，100，150，200，250，285。將新基準(zhǔn)面分別命名為直 元線面 4等。 在方程式中添加： 5D1直元線面 4=50 /50mm 6D1直元線面 5=2*D1 100mm 7DI直元線面 6=3*D1 150mm 8Dl直元線面 7=4*D1 200mm 9D1直元線面 8=5*D1 250mm 驅(qū)動(dòng)方程。到此為止，所有的基準(zhǔn)面全部確定。 2）導(dǎo)曲線的繪制 導(dǎo)曲線是由一段直線和一段拋物線構(gòu)成。選擇導(dǎo)曲線面選擇草圖繪制。先繪 制一段直線和一段拋物線，然后選擇添加幾何關(guān)系，在其屬性管理器中，選擇該段 直線和拋物線，添加相切關(guān)系；選擇尺寸標(biāo)注。添加如圖所示的尺寸約束可以確 定導(dǎo)曲線；在方程式中添加： 10DI直元線面 9=導(dǎo)曲線高 285mm 驅(qū)動(dòng)方程，即可得到導(dǎo)曲線。 3）常用型號(hào)水平直元線犁體曲面數(shù)據(jù)配置 為了方便用戶的使用，將一些常用型號(hào)的犁體曲面數(shù)據(jù)直接保存在 SolidWorks 的配 置中，在用戶選擇某一型號(hào)時(shí)，可以直接調(diào)用，大大地減少了程序數(shù)據(jù)的錄入，同時(shí)提 高了運(yùn)行速度，能夠較快地得到零件這種方法適用于參數(shù)較多的復(fù)雜零件。圖 6 所得 到的犁體曲面是按照 BTU35 型號(hào)的立體參數(shù)所繪制的為了得到相似形狀的不同型號(hào)的 犁體曲面，可采用系列零件表存放犁體的各個(gè)驅(qū)動(dòng)參數(shù)不同的參數(shù)值將會(huì)得到不同型 號(hào)的犁體曲面，在使用時(shí)只需要在配置管理器中打開所需要的配置。重新建模即可。 具體方法如下： (1)在特征管理器設(shè)計(jì)樹中，右鍵單擊注解文件夾，選擇顯示特征尺寸，特征 定義的一部分尺寸變?yōu)樗{(lán)色，將零件中的每一個(gè)驅(qū)動(dòng)尺寸和特征尺寸重新命名，使之一 目了然，便于查找對(duì)應(yīng)。 (2)選擇插入菜單中的系列零件表，新建一個(gè) Excel 工作表，這時(shí)一個(gè) Excel 工 單犁式果園中耕機(jī)的研究與設(shè)計(jì) 17 作表出現(xiàn)在零件文件窗口中Excel 工具欄取代了 SolidWorks 的工具欄，在默認(rèn)情況下， 第三行(A3)命名為第一實(shí)例列標(biāo)題單元格的(B2)是激活的。 (3)雙擊某一驅(qū)動(dòng)尺寸數(shù)值，尺寸名稱自動(dòng)插入單元格(B2)，尺寸之自動(dòng)插入單元格 (B3)，相鄰的列標(biāo)題單元格 C2 自動(dòng)激活，重復(fù)這一操作，將所有的驅(qū)動(dòng)尺寸及特征尺寸 全部添加在表格中。 (4)對(duì)應(yīng)著同一參數(shù)，輸入 BT30 和 BT35 的不同的數(shù)值，完成以后點(diǎn)擊表格以外的 任一地點(diǎn)，就可以退出系列零件表。所建系列零件表如圖 7 所示。 (5)這時(shí)在配置管理器中就添加了 BT30 和 BT35 兩種配置。使用時(shí)只需要先選擇所 需型號(hào)的配置，再建模即可。為了方便用戶的使用，我們將常用型號(hào)的犁體曲面的數(shù) 值通過方程式、系列表等封裝在配置中，在需要選取常用型號(hào)的犁體曲面時(shí)，只需通過 組合框中的型號(hào)提取所對(duì)應(yīng)的配置即可。 3.3 角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中采用鉸接方式進(jìn)行幅寬調(diào)節(jié)，采用油缸驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)幅寬調(diào)節(jié)。 連接板 油缸固定管 閥體 單犁式果園中耕機(jī)的研究與設(shè)計(jì) 18 四、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 4.1 液壓缸的類型及安裝連接方式選擇 根據(jù)伸縮缸往返伸縮的工作情況，選用雙作用單桿缸。 4.2 液壓缸的主要尺寸參數(shù)的確定 1）確定缸筒內(nèi)徑 由計(jì)算得：D=0.05m 2）確定活塞桿直徑 由計(jì)算得：d=0.025m 3）活塞桿彎曲穩(wěn)定性的校核 已知支撐長(zhǎng)度 mdml 25.01.508.,需要對(duì)活塞桿彎曲穩(wěn)定性進(jìn)行校 核，因?yàn)榧?xì)長(zhǎng)比 14dK ，如表 4-2 和表 4-3 所示,選擇兩端鉸接 n=1，m=110，得nm =110 表 4-2 液壓缸末端條件系數(shù) 類型 一端固定，一端自由 兩端鉸接 一端固定，一端鉸接 兩端固定 n 1/4 1 2 4 表 4-3 柔性系數(shù) 材料 鑄鐵 鍛鋼 低碳鋼 中碳鋼 m 80 110 90 85 比較 8.140dlK nm=110， 所以由歐拉公式計(jì)算臨界載荷 F, 2lEJK 式中 n末端條件系數(shù) E活塞桿材料彈性模量，對(duì)于鋼， Pa10. J活塞桿截面積轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，此處選用實(shí)心活塞桿， 47 4103.6mdJ 所以計(jì)算得 單犁式果園中耕機(jī)的研究與設(shè)計(jì) 19 KNlEJnFK 1.2068.073.124.312 又因?yàn)橐簤焊椎姆€(wěn)定條件為 KnFmax 式中 maxF伸縮缸活塞桿的最大載荷，由 2.3.2 節(jié)知， maxF=5KNK 活塞桿縱向玩去破壞的最大載荷，上述計(jì)算得 K=2066.1 KNn 穩(wěn)定安全系數(shù)， Kn=24，取 4 所以計(jì)算比較得： 5.165maxKnF ， 即伸縮缸活塞桿滿足彎曲穩(wěn)定性校核。 4）液壓缸行程的確定 伸縮缸總工作長(zhǎng)度為 L=0.88m，所以液壓缸行程 s=l/2=0.44m，由活塞缸行程系列 （GB/T 2349-1980）圓整 s=50mm=0.05m 5）液壓缸油口尺寸的確定 由油口計(jì)算公式 0max013.vDd 式中 D液壓缸內(nèi)徑，m；axv 液壓缸最大輸出速度，m/min；0 油口液流速度，m/s，一般不大于 3，取 1.5 計(jì)算得 mvDd 142.057.0113.00max 根據(jù) GB/T 2878-1993 圓整 =0.014m=14mm 6）液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6.1）缸筒和缸蓋組件 6.1.1）確定缸筒和缸蓋的連接形式 根據(jù)液壓傳動(dòng)指南P120，選擇連接形式為法蘭連接。 6.1.2）選擇缸筒和缸蓋的材料 伸縮缸要求具有足夠的強(qiáng)度和韌性，故采用 45 調(diào)質(zhì)鋼，硬度為 285HB。 6.1.3）計(jì)算缸筒和缸蓋的結(jié)構(gòu)參數(shù) (1) 缸筒壁厚 的計(jì)算： 單犁式果園中耕機(jī)的研究與設(shè)計(jì) 20 由于伸縮缸所在系統(tǒng)為中高壓系統(tǒng)，缸筒采用的是塑性材料，由計(jì)算公式 )173.(2ypD 式中 D液壓缸內(nèi)徑，m； 缸體材料的許用應(yīng)力，鍛鋼為 =100120MPa，取 100MPayp 試驗(yàn)壓力， MPa， yp=2.5 5.148.2 MPa 計(jì)算得 my 038.)1.73.0(5.0)173.(2 666 根據(jù) GB/T 8713-1988 圓整取得 =4mm (2) 缸筒外徑 1D的計(jì)算： m58..5.21 (3) 缸底厚度 h的計(jì)算： 由缸底厚度 計(jì)算公式 )(43.00dDphy 式中參數(shù)符號(hào)意義同前。 計(jì)算得 mdDphy 7.901.)14.05(1.05.43.)(43.00 h 取 10mm (4) 缸筒頭部法蘭厚度 h的計(jì)算： 由缸筒頭部法蘭厚度 的計(jì)算公式 cpdDF)(30 式中 F法蘭受力總和， N， 4 22qH0D 螺孔分布圓直徑，m；cpd 密封環(huán)平均直徑，m； 缸體材料的許用應(yīng)力，鍛鋼為 =100120MPa，取 100MPaH 密封環(huán)外徑， m； 密封環(huán)內(nèi)徑，m；p 工作壓力 Pa；q 附加密封壓力，Pa； 計(jì)算法蘭受力總和 單犁式果園中耕機(jī)的研究與設(shè)計(jì) 21 4)(22qdpdFH KN9.510.)5.08.(105.2.0143 6226 計(jì)算缸筒頭部法蘭厚度 h得cpdDF)(0 m05.1856.143).296 單犁式果園中耕機(jī)的研究與設(shè)計(jì) 22 五 避讓機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 5.1 機(jī)構(gòu)方案確定 避讓機(jī)構(gòu)主要由避讓彈簧、避讓旋轉(zhuǎn)架、液壓閥組成，當(dāng)植株與犁體靠的過近時(shí)， 避讓彈簧與植株碰撞，避讓旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)動(dòng)繼而驅(qū)動(dòng)液壓閥動(dòng)作，通過液壓閥分配流量，驅(qū) 動(dòng)液壓缸的伸長(zhǎng)與縮短，實(shí)現(xiàn)犁體的偏轉(zhuǎn)，此避讓裝置可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)距離調(diào)節(jié)，保證中 耕槽與植株的距離。 5.2 避讓裝置設(shè)計(jì)計(jì)算 5.2.1 避讓彈簧的設(shè)計(jì) 避讓彈簧由鋼筋折彎行程，主要用來(lái)測(cè)量與植株的距離，當(dāng)植株與犁體距離過近時(shí)， 避讓彈簧與植株碰撞，導(dǎo)致避讓旋轉(zhuǎn)管旋轉(zhuǎn)，之后控制液壓閥進(jìn)行換向，推動(dòng)油缸伸長(zhǎng)， 從而帶動(dòng)犁體旋轉(zhuǎn)，使得犁體遠(yuǎn)離植株。 由于避讓彈簧要求彈性與剛性較強(qiáng)，因此選用 60Si2CrA，此材料不僅具有較強(qiáng)的彈 性，而且能夠維持剛性，在于植株接觸之后能夠?qū)崿F(xiàn)在植株的擠壓之下驅(qū)動(dòng)避讓旋轉(zhuǎn)管 進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)液壓閥的換向。 通過果園中耕要求，中耕溝要與植株距離，算的此彈簧主要尺寸參數(shù)如下圖所示： 單犁式果園中耕機(jī)的研究與設(shè)計(jì) 23 5.2.2 避讓旋轉(zhuǎn)管的設(shè)計(jì) 避讓旋轉(zhuǎn)管主要由方型鋼焊接而成，尺寸如下圖所示。 單犁式果園中耕機(jī)的研究與設(shè)計(jì) 24 六、結(jié)論 本設(shè)計(jì)中單犁式果園中耕機(jī)主要由轉(zhuǎn)向裝置、懸掛裝置、犁體、犁架、避讓裝置組 成，其中轉(zhuǎn)向裝置主要由轉(zhuǎn)向油缸、犁體安裝架、液壓閥組成，轉(zhuǎn)向油缸與犁體安裝架 以及懸掛裝置鉸接，犁體安裝架一端與懸掛裝置焊接，另一端則與轉(zhuǎn)向油缸鉸接，當(dāng)需 要調(diào)節(jié)犁體時(shí)，液壓缸驅(qū)動(dòng)犁體安裝架使得犁體轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)犁體與植株之間距離的調(diào)節(jié)； 避讓機(jī)構(gòu)主要由避讓彈簧、避讓旋轉(zhuǎn)架、液壓閥組成，當(dāng)植株與犁體靠的過近時(shí)，避讓 彈簧與植株碰撞，避讓旋轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)動(dòng)繼而驅(qū)動(dòng)液壓閥動(dòng)作，通過液壓閥分配流量，驅(qū)動(dòng)液 壓缸的伸長(zhǎng)與縮短，實(shí)現(xiàn)犁體的偏轉(zhuǎn)，此避讓裝置可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)距離調(diào)節(jié)，保證中耕槽 與植株的距離。 本文中單犁式果園中耕機(jī)主要通過犁體設(shè)計(jì)、液壓機(jī)選、避讓裝置設(shè)計(jì)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)整體設(shè)計(jì)，并能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)犁體與植株之間的距離。通過各參數(shù)的設(shè) 計(jì)計(jì)算保證機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)所需的功能情況下，還能夠保證機(jī)構(gòu)強(qiáng)度。 單犁式果園中耕機(jī)的研究與設(shè)計(jì) 25 參考文獻(xiàn) 1 孫建設(shè)，曹克強(qiáng)，劉俊峰.日本蘋果栽培技術(shù)現(xiàn)狀J.煙臺(tái)果樹，2011（2）：35. 2 竹力群，李其昀，趙靜.深松旋耕溝播聯(lián)合作業(yè)機(jī)深松技術(shù)丨 Jj.山 東理工大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版),2003, 17( 6): 72- 75. 3 宋樹民，龐有倫 .果園管理機(jī)械發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)分析J現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，20107:58 59. 4 周志立，徐東，等.島效節(jié)能仿生深松部件的試驗(yàn)丨J河 南科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué) 版) ，2003, 24( 3): 1- 3. 5 洪雷，陳忠亮，郭紅，等.旋耕碎花工作機(jī)即.研究和通用刀輥的 設(shè)計(jì)J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué) 報(bào)，2000, 31(4) ： 29- 32. 6 周讓來(lái)，李源知，焦巧風(fēng).閨內(nèi)外旋耕機(jī)的技術(shù)狀況J化研究，2000， （2): 49- 51. 7 張保軍，韓思明，楊文平，等.新世紀(jì)農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)結(jié)合的思考J. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué) 報(bào)，2002（3）：6973. 8 湯智輝，沈從舉，孟祥金，等.4YS24 型紅棗收獲機(jī)的研制J.農(nóng)機(jī)化， 2010（1）：3032. 9 任秋萍，張復(fù)軍，李貴民，等.我國(guó)果樹栽培技術(shù)的發(fā)展特點(diǎn)J.北方園藝， 2006(1)：59 60. 10 郭志軍，周志立，張毅，等.深松耕作土壤宏觀擾動(dòng)輪廊分析丨 J1. 拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn) 輸東.2003. 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