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1緒論
1.1本課題研究的目的和意義
發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)是十一五期間社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)的重要內(nèi)容。溫室大棚的擴(kuò)大與發(fā)展，加快了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程，但我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)起步較晚，發(fā)展緩慢。尤其是機(jī)械化作業(yè)水平低下，大多數(shù)作業(yè)仍為傳統(tǒng)的手工勞動(dòng)，強(qiáng)度大，質(zhì)量差，效率低，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，存在很大差距，如人均管理面積僅相當(dāng)于荷蘭的1/4，平均單產(chǎn)僅為荷蘭的1/3～1/4。溫室與大田作業(yè)又存在不同之處：棚室高度較低，大田機(jī)具無(wú)法正常作業(yè)；而且資料表明，溫室大棚內(nèi)，土壤一般耕作層厚度為15～25cm，蔬菜根系的80%～90%分布其中；耕層土壤的容積密度為1.10～1.13g/m3；5～0.25mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體為13.7%～55.5%，并有隨著種植年限加長(zhǎng)而增加的趨勢(shì)，土壤粘性較大。然而目前的設(shè)施農(nóng)業(yè)耕作機(jī)械在粘性較大的土壤中，碎土能力降低，土壤阻力增大，功耗增加，并且一般采用柴油機(jī)和汽油機(jī)作為動(dòng)力，對(duì)溫室的環(huán)境造成污染。所以要推進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，首要的是發(fā)展相適應(yīng)的設(shè)施農(nóng)業(yè)機(jī)械。
針對(duì)以上情況，開(kāi)展了溫室土壤耕作機(jī)具的研究，進(jìn)一步減小機(jī)具尺寸，適宜在棚室內(nèi)作業(yè)；對(duì)工作部件進(jìn)行改進(jìn)，提高松土性能：充分利用電力資源，盡可能地減輕機(jī)器作業(yè)時(shí)對(duì)環(huán)境的污染，對(duì)于發(fā)展經(jīng)濟(jì)、高效和環(huán)保的設(shè)施農(nóng)業(yè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1.2 旋耕機(jī)的類型和架構(gòu)
1. 旋耕機(jī)的類型
旋耕機(jī)有多種不同的分類方法，按刀軸的位置可分為臥式、立式和斜置式，目前，臥式旋耕機(jī)的使用較為普遍。
2. 傳動(dòng)形式
旋耕機(jī)傳動(dòng)形式有中間傳動(dòng)和側(cè)邊傳動(dòng)2種。中間傳動(dòng)系統(tǒng)由萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸和中間傳動(dòng)箱組成；側(cè)邊傳動(dòng)系統(tǒng)由萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸、中間傳動(dòng)箱和側(cè)邊傳動(dòng)箱組成。側(cè)邊傳動(dòng)又有齒輪傳動(dòng)和鏈輪傳動(dòng)2種，側(cè)邊傳動(dòng)箱采用鏈傳動(dòng)時(shí)，加工要求較低，不但可靠性較差，而且使用壽命短，鏈條斷后會(huì)增加維修費(fèi)用。當(dāng)采用中間傳動(dòng)時(shí)，傳動(dòng)箱的下部會(huì)造成漏耕，影響作業(yè)質(zhì)量，為了解決這個(gè)問(wèn)題，在傳動(dòng)箱的下部固定了一個(gè)松土鏟，即小型鏵式犁，或者在傳動(dòng)箱的旁邊裝2把特殊的彎刀。為了適應(yīng)不同的土壤條件及拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速，有的旋耕機(jī)的傳動(dòng)箱配有速比不同的齒輪，以得到不同的刀輥轉(zhuǎn)速。
3. 旋耕機(jī)與拖拉機(jī)的掛接
旋耕機(jī)與拖拉機(jī)的掛接有三點(diǎn)懸掛、直接聯(lián)接和牽引3種形式，我國(guó)目前采用前2種聯(lián)接方式。三點(diǎn)懸掛式旋耕機(jī)的懸掛及升降與鏵式犁相同，由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)，通過(guò)萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)軸，經(jīng)傳動(dòng)箱減速后帶動(dòng)刀軸工作。直接聯(lián)接式旋耕機(jī)主要用于與手扶拖拉機(jī)配套，一般是將手扶拖拉機(jī)的變速箱后蓋取下來(lái)，然后將旋耕機(jī)減速箱和拖拉機(jī)變速箱用螺栓聯(lián)接在一起，動(dòng)力由拖拉機(jī)變速箱里的齒輪直接傳給旋耕機(jī)的齒輪，以驅(qū)動(dòng)旋耕機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
4. 刀輥轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速
臥式旋耕機(jī)刀輥的轉(zhuǎn)向有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)2種，目前，使用較多的是正轉(zhuǎn)旋耕機(jī)。正轉(zhuǎn)時(shí)刀片強(qiáng)制切碎土塊，并將土塊向后拋擲，土塊與機(jī)罩及拖板相撞后，進(jìn)一步破碎，碎土充分，但功耗較大，在耕深增加時(shí)，影響耕深的穩(wěn)定性。刀輥反轉(zhuǎn)則有利于降低切土能耗和提高碎土效果，覆蓋埋青能力強(qiáng)，但易導(dǎo)致已耕土塊堆積，造成刀輥的重復(fù)切削，增大了不必要的負(fù)荷和功耗。反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)作業(yè)時(shí)，罩殼黏土比較嚴(yán)重，在土壤濕度較大的情況下，不宜采用反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)。刀輥轉(zhuǎn)速對(duì)旋耕機(jī)組的功耗影響較大，較理想的配置是低的刀輥轉(zhuǎn)速和較高的前進(jìn)速度。一般情況下，刀輥轉(zhuǎn)速為180-260r/min，目前，刀輥轉(zhuǎn)速有降低的趨勢(shì)。
5. 切土節(jié)距
同一縱向平面內(nèi)切土的旋耕刀，在其相繼切土的時(shí)間間隔內(nèi)，機(jī)組前進(jìn)的距離稱為切土節(jié)距。切土節(jié)距對(duì)碎土程度有較大的影響，一般為達(dá)到良好的碎土效果，可增加刀輥在一周內(nèi)的刀片數(shù)量或增加旋耕速比，即降低機(jī)組前進(jìn)速度。目前，在中等黏度的麥田地，切土節(jié)距為10cm。
6. 刀片及配置
刀片有鑿型刀、直角型刀（又稱Ｌ型刀或?qū)挼叮┖蛷澋?種形式。鑿型刀正面有鑿型刃口，入土能力強(qiáng)，但易纏草，一般適用于墾荒地和較疏松的田地。直角型刀的刃口由側(cè)切刃和正切刃組成，切削方式和鑿型刀相似，也易纏草，但刀身寬，剛性好，適合在土質(zhì)較硬的干旱地上作業(yè)。彎刀的刃口由曲線構(gòu)成，包括側(cè)切刃和正切刃2個(gè)部分，可輕松地將草莖切斷，且不易纏草，適合在多草的田里作業(yè)，是一種水旱通用的刀型。彎刀在刀軸上的排列是影響旋耕機(jī)耕作質(zhì)量及功率消耗的重要因素之一，在安裝時(shí)可根據(jù)不同的農(nóng)藝要求配置。彎刀的排列一般應(yīng)滿足下列要求：刀片盡量工作在少側(cè)向約束條件下，并均勻入土，以減小對(duì)刀軸軸承的側(cè)壓力，減少旋耕刀對(duì)旋耕機(jī)重心的轉(zhuǎn)距，保證機(jī)器工作時(shí)的直線性，減少功耗，相鄰刀片間沿圓周方向的間距應(yīng)盡可能大，以防止刀間壅土。彎刀的安裝方法主要有3種。
內(nèi)裝法：所有左、右刀片都朝向刀軸中間，采用這種裝法的旋耕機(jī)耕地后，地面中間高，成壟，刀軸受力均勻，適于做畦前的耕作。
外裝法：除左、右兩端刀片朝向刀軸中間外，其余左刀片裝在刀軸的左側(cè)，右刀片裝在刀軸的右側(cè)。這種裝法使刀軸受力均勻，耕后地面中間形成一個(gè)溝，適用于拆畦或旋耕開(kāi)溝作業(yè)。
交錯(cuò)法：左右刀片在刀軸上交錯(cuò)對(duì)稱安裝，耕后地面平整，適于犁耕后耙田或旋耕滅茬耕地。其排列方式有多頭螺旋線、人字形等型式。
7. 機(jī)組前進(jìn)速度的選擇
機(jī)組前進(jìn)速度選擇的原則是達(dá)到碎土要求，地表平整，既要保證耕作質(zhì)量，又要充分發(fā)揮拖拉機(jī)的功率。一般情況下前進(jìn)速度2-5km/h，在堅(jiān)實(shí)度較大的土地上耕作時(shí)可選用較低的前進(jìn)速度
8. 作業(yè)幅寬
為控制功耗急劇增加，應(yīng)適當(dāng)壓縮耕幅，但為了消除拖機(jī)輪轍，使耕后地表平整，在土壤比阻較小的情況下，可采用拖拉機(jī)與旋耕機(jī)正配置，使耕幅大于拖拉機(jī)后輪外緣10cm以上；在土壤比阻較大的情況下，可采用拖拉機(jī)與旋耕機(jī)側(cè)配置。在南方水田一般土壤條件下耕深12-16cm，刀軸轉(zhuǎn)速180-220r/min，前進(jìn)速度2-5km/h。
1.3 國(guó)內(nèi)外溫室松土機(jī)械的發(fā)展現(xiàn)狀及存在問(wèn)題
1.3.1 國(guó)內(nèi)溫室松土機(jī)械的研究現(xiàn)狀
目前，在國(guó)內(nèi)成型的旋耕機(jī)械產(chǎn)品中，以臥式旋耕機(jī)為主流，該種旋耕機(jī)對(duì)土壤適應(yīng)性強(qiáng)、混土效果好，一次性作業(yè)可達(dá)到翻土、碎土和平整地表的要求。但一般耕深較淺，漏耕嚴(yán)重，工作部件易纏草堵泥且作業(yè)時(shí)消耗功率較大。為此，近幾年推出了立式和斜置式旋耕機(jī)。立式旋耕機(jī)主要適用于滅茬作業(yè)，斜置式旋耕機(jī)是一種綜合了犁耕與旋耕的特點(diǎn)，功耗低，耕作質(zhì)量好的新型耕作機(jī)具。在臥式旋耕機(jī)中，按旋耕機(jī)切刀軸與拖拉機(jī)輪子的轉(zhuǎn)向可分為正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)兩種。旋耕機(jī)切刀軸與拖拉機(jī)輪子轉(zhuǎn)向一致的為正轉(zhuǎn)旋耕機(jī)，反之為反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)。反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)是在正轉(zhuǎn)旋耕機(jī)的基礎(chǔ)上提出的，后來(lái)又推出了潛土反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)和正反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)。反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)可作為大中型聯(lián)合收割機(jī)的主要配套機(jī)具，能形成土壤埋茬，有利于秸稈還田，實(shí)現(xiàn)增加土壤有機(jī)質(zhì)的目的。潛土反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)可加大深耕，還可有效地解決刀軸前方壅土問(wèn)題。正反轉(zhuǎn)旋耕機(jī)通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和工作部件的結(jié)合，能使切刀軸正反轉(zhuǎn)，同時(shí)完成滅茬和旋耕作業(yè)，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。旋耕機(jī)入土深度一般小于旋耕部件半徑的10%～20%，考慮到旋耕部件半徑大小所需的相適應(yīng)的單位能耗，應(yīng)使旋耕機(jī)刀軸距地面較底。有的設(shè)計(jì)則依據(jù)旋耕部件與耕深的相對(duì)關(guān)系，把中央調(diào)速器直接安裝在旋耕部件的軸上。這樣可保證農(nóng)具的最小能耗，最小的材料消耗和較好的工作質(zhì)量。旋耕機(jī)刀刃口曲線大多采用阿基米德曲線，另外等角對(duì)數(shù)曲線、正弦指數(shù)曲線等也有所應(yīng)用。近幾年，我國(guó)學(xué)者提出了多種刃口曲線，如節(jié)能型刃口曲線設(shè)計(jì)、平面型和曲面型正切面的設(shè)計(jì)、放射螺線作為生成過(guò)渡面的曲導(dǎo)線設(shè)計(jì)等。近些年來(lái)，為適應(yīng)當(dāng)前生產(chǎn)需要，還開(kāi)發(fā)出1.25～2.80m幅寬多種型號(hào)的旋耕機(jī)。如南昌旋耕機(jī)廠生產(chǎn)的1GN系列和1G系列多種型號(hào)的旋耕機(jī)；江蘇省連云港旋耕機(jī)集團(tuán)公司生產(chǎn)的1GE2210型旋耕機(jī)和1GQN250S型旋耕機(jī)。目前我國(guó)使用的聯(lián)合作業(yè)機(jī)型有1GHL280型松旋起壟機(jī)、1GSZ210/280型組合式旋耕多用機(jī)、1GZJ210型旋耕滅茬聯(lián)合整地機(jī)、1GLT4型松旋滅茬起壟通用機(jī)及1GQH280D型滅茬旋耕多用機(jī)等。
隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，我國(guó)加緊引進(jìn)和開(kāi)發(fā)適于溫室內(nèi)作業(yè)的小型機(jī)具。許多地區(qū)由大專院校、科研院所和工廠相結(jié)合，研制開(kāi)發(fā)了多種小型自走式旋耕機(jī)，以滿足棚室耕整地作業(yè)的需要。
廣西柳州生產(chǎn)的藍(lán)天牌DN多功能微型耕作機(jī)，配套動(dòng)力為4.4kw柴油機(jī)，整機(jī)重不足100kg，通用于平原、水田、果園、棚室等旋耕作業(yè)。配有三刀式、四刀式、五角滾筒式三種旋耕器，作業(yè)效果較好。該機(jī)也可配上相應(yīng)機(jī)具進(jìn)行噴霧作業(yè)。
江蘇生產(chǎn)的ZL-1G2-3微型耕整機(jī)，犁鏵前置。采用單履帶行走，附著性能好。適于旱地、水田、大棚、果園、菜田等作業(yè)。配套動(dòng)力2kw。
金牛大興萬(wàn)能管理機(jī)，由沈陽(yáng)金牛總廠從韓國(guó)引進(jìn)開(kāi)發(fā)的新產(chǎn)品。以四沖程單缸汽油機(jī)為動(dòng)力，最大功率為5.52kw，一臺(tái)主機(jī)可與深旋耕機(jī)、犁、開(kāi)溝機(jī)、覆土機(jī)、鋪膜機(jī)、根莖收獲機(jī)等20多種農(nóng)機(jī)具配套。扶手可旋轉(zhuǎn)360度，便于在溫室內(nèi)作業(yè)。
1.3.2 國(guó)外溫室松土機(jī)械的研究現(xiàn)狀
國(guó)外如荷蘭、以色列、日本、美國(guó)等國(guó)家，溫室內(nèi)作業(yè)機(jī)具的研究、開(kāi)發(fā)、推廣和應(yīng)用居領(lǐng)先地位。許多作業(yè)項(xiàng)目，如耕整地、播種、中耕和除草都已實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化。并且許多機(jī)械對(duì)于旋耕、犁耕、開(kāi)溝、作畦、起壟、中耕、培土、鋪膜、打孔、播種、灌溉、施肥等作業(yè)項(xiàng)目，能夠?qū)崿F(xiàn)多項(xiàng)聯(lián)合作業(yè)。
美國(guó)吉爾森公司生產(chǎn)的自走式旋耕機(jī)，其主要特點(diǎn)是由旋耕刀片取代行走輪，刀盤直徑為35.5cm，耕幅為30.4-66cm，傳動(dòng)形式分鏈傳動(dòng)和蝸輪蝸桿傳動(dòng)兩種。功率為3.68kw左右，適于菜園和溫室作業(yè)。換上行走輪可配帶其他農(nóng)具，進(jìn)行犁地、除草等作業(yè)。
意大利M·B公司生產(chǎn)一種單驅(qū)動(dòng)軸旋耕機(jī)，動(dòng)力為3.3kW的汽油機(jī)，質(zhì)量為40kg。適用于菜園和花圃的旋耕、培土聯(lián)合作業(yè)。該公司還生產(chǎn)5.89-7.36kw的多用自走底盤，除了完成田間旋耕作業(yè)以外，還可以完成犁耕、運(yùn)輸、噴霧等作業(yè)。
日本、韓國(guó)等國(guó)家的小型耕耘機(jī)，多以2.2～8kw的汽油機(jī)為動(dòng)力。為了減少對(duì)棚室內(nèi)的空氣污染，近幾年，也出現(xiàn)了用電動(dòng)機(jī)作動(dòng)力的小型自走式旋耕機(jī)。
1.3.3 我國(guó)松土機(jī)械存在的問(wèn)題
1. 缺少與大功率拖拉機(jī)配套的旋耕機(jī)
我國(guó)現(xiàn)有旋耕機(jī)產(chǎn)品雖然在理論上實(shí)現(xiàn)了與58.8～73.5kW拖拉機(jī)相配套，但實(shí)際上因受傳動(dòng)系統(tǒng)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)形式等因素的限制，還存在著一些問(wèn)題，在合理配套的范圍內(nèi)僅可與48kW以下的拖拉機(jī)相配套，而國(guó)外與旋耕機(jī)配套的拖拉機(jī)功率在58.8～73.6kW。 2. 作業(yè)性能滿足不了當(dāng)今農(nóng)藝要求
目前，我國(guó)現(xiàn)有的旋耕機(jī)作業(yè)深度一般在12～18cm(旋耕旱田在12～16cm，旋耕水田在14～18cm)，滿足不了當(dāng)今農(nóng)藝深耕、深松的要求。為了改善深層土壤透氣性，滿足栽培薯類、根莖類作物需要深耕的農(nóng)藝要求，國(guó)外提出了全幅深耕的耕作制度，同時(shí)也開(kāi)發(fā)出了全幅深旋耕機(jī)和間隔窄幅深旋耕機(jī)，耕深為30～60cm，最大耕深為90～120cm。
為了降低旋耕機(jī)的單位能耗，國(guó)外采用了改進(jìn)部件的幾何參數(shù)，選用符合旋耕工作部件作業(yè)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)等方法來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到降低能耗的目的。此外，在滿足農(nóng)藝要求的前提下，還采用了分層作業(yè)的方法和將旋耕機(jī)松土部件設(shè)計(jì)成上強(qiáng)下弱的方式也是降低能耗、提高旋耕機(jī)工作效率的有效途徑。
3. 其它方面的問(wèn)題
由于設(shè)計(jì)、材質(zhì)及生產(chǎn)工藝等方面的原因，國(guó)產(chǎn)的旋耕機(jī)械在作業(yè)時(shí)易發(fā)生十字萬(wàn)向傳動(dòng)軸損壞、拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸容易損壞、整機(jī)作業(yè)性能不穩(wěn)定和易纏草堵泥等問(wèn)題。這些都有待于今后在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中去解決
雖然國(guó)外溫室農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)功能比較齊全，可靠性高，但是進(jìn)口機(jī)型價(jià)格高，一般要在5000元以上，而且維修服務(wù)不方便。
我國(guó)現(xiàn)有產(chǎn)品的機(jī)型不多，應(yīng)用不普遍，多為借用現(xiàn)有的露地用小型耕作機(jī)械。近幾年，針對(duì)溫室、大棚等特殊耕作環(huán)境，國(guó)內(nèi)研制生產(chǎn)了一些小型耕作機(jī)械，但是產(chǎn)品大多存在以下問(wèn)題：
1. 外型尺寸及重量大，操作不靈便。特別是從露地直接轉(zhuǎn)移到大棚內(nèi)的機(jī)械，在設(shè)施內(nèi)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)移都十分困難，而且邊角地帶無(wú)法工作，漏耕嚴(yán)重。
2. 生產(chǎn)率低，適應(yīng)性較差，當(dāng)土壤含水率較高(超過(guò)20％以上)時(shí)，其碎土性能變差，能耗增加。
3. 作業(yè)性能、可靠性、耐久性等方面還存在一些不足。
1.4 松土機(jī)械的發(fā)展方向
1. 向?qū)挿?、高速型旋耕機(jī)發(fā)展
隨著水稻集約化、規(guī)模化生產(chǎn)的發(fā)展，水田耕整地用寬幅高速型旋耕機(jī)將成為發(fā)展方向。水田土壤含水率高，抗剪切、抗壓強(qiáng)度低,附著力、外摩擦力也接近為零，切土部件與土壤之間存在著一層潤(rùn)滑水膜。因此，為充分提高作業(yè)效率,需要工作幅寬大(3m以上)、作業(yè)效率高的旋耕機(jī)。
2. 向聯(lián)合作業(yè)機(jī)組方向發(fā)展
大中型拖拉機(jī)具有強(qiáng)勁的動(dòng)力輸出系統(tǒng)、牽引力和懸掛能力，為配套旱田聯(lián)合耕作機(jī)械提供了條件。旋耕機(jī)作為驅(qū)動(dòng)型耕作機(jī)具，易于通過(guò)更換或附加工作部件，可完成滅茬、深松、碎土、做畦、起壟、開(kāi)溝、精量或半精量播種、深施化肥、鋪膜、鎮(zhèn)壓和噴藥等聯(lián)合作業(yè)，可大幅度提高生產(chǎn)效率，降低作業(yè)成本。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已推廣使用了以作業(yè)工序排列組合、以旋耕機(jī)為主體的聯(lián)合作業(yè)機(jī)組，如加拿大的萬(wàn)能旋耕機(jī)，日本的聯(lián)合耕耙犁和旋耕播種機(jī)等
3. 全幅深旋耕機(jī)已起步
為了增厚土壤熟化層，改善深層土壤透氣性，增大持水能力，為栽培薯類、根莖類作物需要深耕的農(nóng)藝要求，近年來(lái)國(guó)外已開(kāi)發(fā)出了全幅深旋耕機(jī)和間隔窄幅深旋耕機(jī)。加大旋耕深度的主要難點(diǎn)是拖拉機(jī)動(dòng)力不足、機(jī)組功率不平衡。而具有雙速獨(dú)立動(dòng)力輸出軸的大功率拖拉機(jī)，可以全功率輸出，同時(shí)具有多個(gè)慢速擋以及爬行擋，這也為配套全幅深旋耕機(jī)提供了良好的條件。
4. 向可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略型發(fā)展
降低污染和資源重用已成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)械化設(shè)計(jì)的最終目的，能完成秸稈還田作業(yè)的反轉(zhuǎn)滅茬旋耕機(jī)等新的機(jī)型將成為今后旋耕機(jī)械重要的研究方向。另外，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，一些新技術(shù)也將在旋耕機(jī)上得到廣泛應(yīng)用，如信號(hào)系統(tǒng)等。
5. 小型旋耕機(jī)需求量有所增加
隨著我國(guó)溫室技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)村大棚耕作面積日益增大，由于市場(chǎng)的需求，小型適合于大棚內(nèi)作業(yè)的旋耕機(jī)械已成為目前研究的新重點(diǎn)。
1.5 溫室土壤的物理特性概述
溫室內(nèi)的土壤由于復(fù)種指數(shù)高，施肥、灌溉、耕作的頻率超過(guò)一般農(nóng)田土，并且有機(jī)質(zhì)含量高，所以其土壤容積密度較低(大約為1.10～1.13g/cm3)，土壤的總孔隙度較高，但非毛管空隙度較低。土壤孔隙度的改善有利于加速有機(jī)質(zhì)的分解，同時(shí)增加了土壤的蓄水能力。有關(guān)研究資料表明，溫室土壤中，0.2505mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體可達(dá)到13.7%～55.5%，為大田土壤的3.2～11.1倍，土壤粘性較大，并有隨著種植年限加長(zhǎng)有增加的趨勢(shì)。
針對(duì)溫室土壤相對(duì)疏松濕潤(rùn)的特點(diǎn)，通常宜采取松土作業(yè)而減少耕翻和旋耕，以保護(hù)土壤結(jié)構(gòu)和大量的微生物。對(duì)于蔬菜種植，由于根系主要分布于10-15cm的土層內(nèi)，耕作層的厚度可適當(dāng)減小。
1.6 溫室內(nèi)松土作業(yè)的主要作用
松土是一項(xiàng)基礎(chǔ)性作業(yè)，要求在不粉碎土壤、不亂土層的前提下，主要起到以下作用：
1. 使土壤疏松，保持較高的通氣性和表層地溫。
2. 調(diào)節(jié)土壤水分。切斷土壤中毛細(xì)管，減少水分蒸發(fā)，起保墑防旱作用；土壤濕度過(guò)大時(shí)，可加速表層土壤水分的蒸發(fā)，達(dá)到晾墑的目的。
3. 改善土壤物理性狀，增加好氣性微生物活動(dòng)，加速土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的分解，提高土壤肥力，有利于作物根系生長(zhǎng)發(fā)育。
1.7 研究?jī)?nèi)容和方法
根據(jù)目前我國(guó)溫室耕耘機(jī)械的研究現(xiàn)狀和存在問(wèn)題以及溫室土壤的物理特開(kāi)發(fā)研
究適宜于棚室內(nèi)作業(yè)、能提高松土性能、并充分利用電力資源減輕機(jī)器作業(yè)時(shí)對(duì)環(huán)境污染的機(jī)具。因此，研制了滾齒式溫室電動(dòng)松土機(jī)。
該機(jī)機(jī)型小，操作簡(jiǎn)便，克服了不適應(yīng)棚室作業(yè)空間狹小的弊端；能夠保持上下土層不亂，碎土能力強(qiáng)；由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾齒軸工作，無(wú)污染, 一定程度上代替了人力，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，對(duì)發(fā)展高效、環(huán)保的設(shè)施農(nóng)業(yè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
2整機(jī)總體方案設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)原則
溫室大棚生產(chǎn)耕作困難、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、成本高。 需要一種機(jī)械，可以滿足溫室大棚的空間小，障礙物多、邊角地帶無(wú)法耕耘等問(wèn)題，研制一種體積小，重量輕，操作方便、不排放有害氣體、噪聲低，使用安全可靠，推動(dòng)方便、操作搬運(yùn)高效節(jié)能，無(wú)污染的小型松土機(jī)。
對(duì)于松土機(jī)的總體設(shè)計(jì)，要遵循的設(shè)計(jì)原則如下：
1. 首先滿足農(nóng)藝要求并適應(yīng)溫室大棚內(nèi)的空間限制，具有良好的轉(zhuǎn)向性和操作靈活性。
2. 吸收國(guó)內(nèi)外設(shè)施農(nóng)業(yè)作業(yè)機(jī)械的新技術(shù)，采用新原理、新結(jié)構(gòu)、新工藝、做到設(shè)計(jì)合理、使用可靠、優(yōu)質(zhì)高效，并能降低能源消耗。
3. 零部件的通用化、標(biāo)準(zhǔn)化程度高。
4. 整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、質(zhì)量輕、機(jī)動(dòng)性好。
2.2松土機(jī)的組成
圖1 松土機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意
1.機(jī)架 2.減速器3.電動(dòng)機(jī) 4.轉(zhuǎn)向操縱機(jī)構(gòu) 5.支撐輪 6.滾齒軸
如圖1所示，松土機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)、減速器、滾齒軸和操縱機(jī)構(gòu)等組成。其主要特征是利用“旋耕自走”原理，將電動(dòng)機(jī)傳出的動(dòng)力通過(guò)減速器傳給鏈輪，由鏈輪帶動(dòng)滾齒軸上的鏈輪將動(dòng)力傳到滾齒軸，實(shí)現(xiàn)松土作業(yè)。為了簡(jiǎn)化整機(jī)結(jié)構(gòu)，機(jī)具仍不自走，需要人力推動(dòng)和控制方向，實(shí)現(xiàn)機(jī)組向前移動(dòng)。工作時(shí)，利用固定在滾齒軸上的釘齒，來(lái)切割、破碎土壤進(jìn)行耕耘作業(yè)，能夠保持上下土層不亂，碎土能力強(qiáng)，地表平整。作業(yè)時(shí)，調(diào)整機(jī)架高度，可達(dá)到要求耕深，滿足不同的生產(chǎn)要求。
為使結(jié)構(gòu)緊湊，采用整體式機(jī)架，電動(dòng)機(jī)與減速器安裝在機(jī)架上面，傳動(dòng)變速機(jī)構(gòu)固定在機(jī)架下面，工作部件安裝在機(jī)架底部。為減小松土機(jī)長(zhǎng)度使松土部件盡可能地后移；轉(zhuǎn)向操縱桿與前輪軸聯(lián)接，可實(shí)現(xiàn)松土機(jī)的轉(zhuǎn)向：在工作軸安裝離合器，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的傳遞和分離。
2.3松土機(jī)主要參數(shù)的確定
松土機(jī)的參數(shù)主要包括滾齒速度、前進(jìn)速度、軸的轉(zhuǎn)速、節(jié)距和速比等。
1. 滾齒運(yùn)動(dòng)軌跡。如圖2所示，松土機(jī)工作時(shí)，滾齒一面旋轉(zhuǎn)，一面前進(jìn)，滾齒的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)是滾齒軸旋轉(zhuǎn)和機(jī)組前進(jìn)兩種運(yùn)動(dòng)的合成，其運(yùn)動(dòng)軌跡是擺線。以滾齒軸旋轉(zhuǎn)中心O為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，軸正向和機(jī)組前進(jìn)方向一致，軸正向垂直向下。設(shè)松土機(jī)前進(jìn)速度為,刀軸旋轉(zhuǎn)角速度為,滾齒上任意一點(diǎn)的回轉(zhuǎn)半徑為，開(kāi)始時(shí)滾齒端點(diǎn)位于前方水平位置與軸正向重合，則滾齒刀刃上任意一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程為
；
圖2 滾齒運(yùn)動(dòng)軌跡
2. 滾齒速度
滾齒上任意一點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)1周的過(guò)程中所經(jīng)各處的速度是不同的，將上述方程對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，即得到點(diǎn)在軸和軸方向的分速度和絕對(duì)速度：
；
3. 前進(jìn)速度
機(jī)組前進(jìn)速度是影響生產(chǎn)率高低的主要因素之一，據(jù)有關(guān)資料介紹，拋土功率隨前進(jìn)速度的增加按三階函數(shù)遞增。因此，為減小功耗，在保證作業(yè)質(zhì)量的前提下，機(jī)組前進(jìn)速度應(yīng)取得低些。選定機(jī)組前進(jìn)速度，小于旋耕機(jī)常用的機(jī)組前進(jìn)速度()。
4. 軸轉(zhuǎn)速
切土量一定時(shí)，切土轉(zhuǎn)速越大，功耗愈大。因滾齒軸轉(zhuǎn)速增大，則受到的土壤水平阻力增大，由于阻力與速度的平方成正比，故松土功耗與滾齒軸轉(zhuǎn)速近似呈二次方函數(shù)關(guān)系。旋耕機(jī)的轉(zhuǎn)速通常取，因此選定滾齒軸轉(zhuǎn)速=。
5. 節(jié)距S
滾齒軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周松土機(jī)前進(jìn)的距離稱為節(jié)距，用S表示?？捎孟率接?jì)算：
式中—機(jī)組前進(jìn)速度
—滾齒軸轉(zhuǎn)速
6. 速比
對(duì)于旋耕機(jī)，為旋耕刀端點(diǎn)的圓周線速度與機(jī)組前進(jìn)速度的比值，稱為旋耕速比，用于松土機(jī)即為松土速比。值不同，旋耕刀片在土壤中的運(yùn)動(dòng)軌跡和所切土堡的形狀即不同，如圖3所示。
圖3不同值的旋耕刀運(yùn)動(dòng)軌跡
S—切土節(jié)距（cm），R—刀輥軸半徑（mm），
—機(jī)組前進(jìn)速度（m/s）H—耕深（cm），—溝底凸起高度（cm）
在耕深相同的情況下，隨著旋耕速比的增加，切土節(jié)距S減小，溝底不平度減小，而功耗增加。目前常用的速度比，考慮到松土機(jī)自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選定。
已知，，，故滾齒端點(diǎn)最大圓周線速度為：
2.4松土機(jī)主要作業(yè)性能參數(shù)的設(shè)計(jì)
1. 深度H
根據(jù)農(nóng)藝要求，溫室的土壤耕作深度一般為，選定松土機(jī)平均松土深度為。這樣可以在滿足農(nóng)藝要求的前提下，使釘齒長(zhǎng)度不致過(guò)長(zhǎng)。
2. 幅寬B
為了便于小空間作業(yè)，松土幅寬B不宜過(guò)大，根據(jù)已有機(jī)具的幅寬和松土機(jī)的結(jié)構(gòu)，確定松土幅寬。
3. 生產(chǎn)率
已知松土幅寬，機(jī)組前進(jìn)速度，則理論生產(chǎn)率W可用下式計(jì)算：
4. 功率消耗的計(jì)算
a. 松土功率的消耗計(jì)算
松土功率消耗可用旋耕機(jī)功耗公式來(lái)計(jì)算，即：
式中—機(jī)具工作時(shí)土壤比阻（），可由公進(jìn)行估算，為平均土壤比阻，為耕深修正系數(shù)，為土壤含水率修正系數(shù)，為殘茬植被修正系數(shù)，為作業(yè)方式修正系數(shù)；H—松土深度（cm）；—機(jī)具前進(jìn)速度（m/s）；B—松土幅寬（m）。
根據(jù)溫室大棚內(nèi)的作業(yè)條件，經(jīng)查表確定，，，，。故：
。
已知松土深度，機(jī)組前進(jìn)速度，松土幅寬，則
b.機(jī)組行駛的功率消耗計(jì)算
設(shè)機(jī)組在行駛過(guò)程中受到的土壤阻力為F，機(jī)組前進(jìn)速度為，則克服土壤阻力消耗的功率為，又。
式中：f—阻力系數(shù)；—松土機(jī)重力；—松土機(jī)整機(jī)重量；—重力加速度。
初步估算松土機(jī)的質(zhì)量，取，代入式中得：
已知，則松土機(jī)克服滾動(dòng)阻力消耗的功率為：
因此，松土機(jī)消耗的總功率
5. 電動(dòng)機(jī)功率的確定
考慮到功率儲(chǔ)備，并且傳遞過(guò)程中有功率損失，電動(dòng)機(jī)的額定功率應(yīng)該大于松土機(jī)消耗的總功率, 故選用型電動(dòng)機(jī)，其額定功率為，額定轉(zhuǎn)速為。該電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大（1.8~2.5倍額定轉(zhuǎn)矩），啟動(dòng)電流較大，過(guò)載能力稍弱，但負(fù)載時(shí)的功率因數(shù)較高，節(jié)電效果顯著。
3傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1傳動(dòng)比分配
根據(jù)電動(dòng)機(jī)的滿載轉(zhuǎn)速和旋耕刀軸的轉(zhuǎn)速，傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比為7.2，總傳動(dòng)比為各級(jí)傳動(dòng)比的乘積。根據(jù)傳動(dòng)比的分配原則及各種傳動(dòng)的性能，分配傳動(dòng)比。
帶傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)平穩(wěn)，造價(jià)低廉，以及緩沖吸震等特點(diǎn)。因此，一般在一級(jí)傳動(dòng)中采用，。而齒輪傳動(dòng)無(wú)彈性滑動(dòng)和打滑現(xiàn)象，因而能保持準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，傳動(dòng)效率高，軸上徑向壓力較小，結(jié)構(gòu)較為緊湊。二級(jí)傳動(dòng)采用變速箱。側(cè)邊傳動(dòng)采用鏈傳動(dòng)，可以沒(méi)有傳動(dòng)比，起到傳動(dòng)功能。
3.2各軸的轉(zhuǎn)速、功率和轉(zhuǎn)矩
3.2.1 計(jì)算各軸的轉(zhuǎn)速
傳動(dòng)裝置中各軸的轉(zhuǎn)速為：
軸轉(zhuǎn)速：；
變速箱輸入轉(zhuǎn)速：；
變速箱輸出轉(zhuǎn)速和軸轉(zhuǎn)速：；
3.2.2 計(jì)算各軸的輸入功率
電動(dòng)機(jī)的計(jì)算功率一般可依據(jù)電動(dòng)機(jī)所需實(shí)際功率作為計(jì)算依據(jù)，則其他各軸輸入功率為：
軸輸出功率： ；
變速箱輸入功率： ；
變速箱輸出功率： ；
軸輸入功率： ；
軸輸出功率： ；
3.2.3 計(jì)算各軸轉(zhuǎn)矩
軸轉(zhuǎn)矩： ；
變速箱輸入轉(zhuǎn)矩： ；
變速箱輸出轉(zhuǎn)矩： ；
軸輸入轉(zhuǎn)矩： ；
軸輸出轉(zhuǎn)矩： ；
功率、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速如表3-1。
表3-1 各軸受力表
軸號(hào)
功率P（KW）
轉(zhuǎn)矩T（Nm）
轉(zhuǎn)速n（r/min）
傳動(dòng)比i
效率
輸入
輸出
輸入
輸出
I軸
3.42
22.68
1440
2.4
0.95
變速箱軸
3.21
3.18
47.38
46.36
600
2.97
0.96
III軸
3.06
3
132.83
130.23
200
3.3 帶及帶輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.3.1 皮帶設(shè)計(jì)
3.3.1.1確定計(jì)算功率
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本，得功率計(jì)算公式
式中：——計(jì)算功率，單位為kw;
——傳遞的額定功率，單位為kw;
——工作情況系數(shù)
根據(jù)表機(jī)械設(shè)計(jì)表8-6，取，
3.3.1.2 選擇帶型
根據(jù)計(jì)算功率和小帶輪轉(zhuǎn)速查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本，由圖8-9選定帶型，選擇SPZ型V帶。
3.3.1.3 確定帶輪的基準(zhǔn)直徑和
（1）初選小帶輪的基準(zhǔn)直徑
根據(jù)v帶截型參考《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本表8-3及表8-7，選。
（2） 驗(yàn)算帶的速度v
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)式8-13，
計(jì)算從動(dòng)輪的基準(zhǔn)直徑，由，并按V帶輪的基準(zhǔn)直徑系列表8-7
加以圓整取。
（3） 確定中心距a和帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本，根據(jù)傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)的需要初定中心距，由
，
??；
取定后，根據(jù)傳動(dòng)的幾何關(guān)系，計(jì)算所需帶傳動(dòng)的基準(zhǔn)長(zhǎng)度：
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本，由表8-2中選取和相近的V帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度，取；再根據(jù)來(lái)計(jì)算實(shí)際中心距，
（4） 驗(yàn)算主動(dòng)輪上的包角
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本，根據(jù)式（8-6）及對(duì)包角要求應(yīng)保證
（5）確定帶的根數(shù)z
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本，根據(jù)式（8-22）
——包角系數(shù),查《機(jī)械設(shè)計(jì)》（表8-8），=0.92；
——長(zhǎng)度系數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》（表8-2），=0.94；
——單根V帶的基本額定功率，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表8-5c，=2.61；
——計(jì)入傳動(dòng)比的影響時(shí)，單根V帶額定功率的增量，其值見(jiàn)《機(jī)械設(shè)計(jì)》
表8-5b，=0.56；
，取z=2。
（6）確定帶的預(yù)緊力
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本，考慮離心力的不利影響，并考慮包角對(duì)所需預(yù)緊力的影響，根據(jù)式（8-23）單根V帶 所需的預(yù)緊力為：
查機(jī)械設(shè)計(jì)表8-4，得出，則
（7）計(jì)算帶傳動(dòng)作用在軸上的力（壓軸力）
如果不考慮帶的兩邊的拉力差，則壓軸力可以近似的按帶的兩邊的預(yù)緊力的合力來(lái)計(jì)算，即
—帶的根數(shù)；
—單根帶的預(yù)緊力；
—主動(dòng)輪上的包角；
圖3-1 帶傳動(dòng)作用在軸上的力
3.3.2帶輪設(shè)計(jì)
V帶輪的設(shè)計(jì)要求質(zhì)量小，結(jié)構(gòu)工藝性好，無(wú)過(guò)大的鑄造內(nèi)應(yīng)力，質(zhì)量分布均勻，輪槽加工表面要精細(xì)加工，以減小帶的磨損。帶輪的材料主要采用鑄鐵，牌號(hào)為HT200.小帶輪因?yàn)橹睆奖容^小所以采用實(shí)心式，大帶輪的直徑比較大，所以采用孔板式。
3.4鏈輪的設(shè)計(jì)計(jì)算
1、根據(jù)實(shí)際，鏈條速度在1－2m/s之間，鏈輪的轉(zhuǎn)速為200r/min。
設(shè)計(jì)步驟如下：
選用單排套筒滾子鏈，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)》第二版，其設(shè)計(jì)步驟如下：
（1）根據(jù)設(shè)計(jì)要求主動(dòng)鏈輪和從動(dòng)鏈輪大小相同。因此。
（2）計(jì)算功率
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本，
由表9-9查得： 工作系數(shù)；
由表9-10查得：鏈輪齒數(shù)系數(shù)；
所以=
定鏈條的節(jié)距
根據(jù)鏈輪轉(zhuǎn)速及功率，由圖9-13選取的鏈條號(hào)為10A,鏈節(jié)距；
（3）確定鏈長(zhǎng)L
根據(jù)鏈輪的速度計(jì)算鏈輪分度圓直徑。鏈長(zhǎng)為。
（4）確定鏈條鏈節(jié)數(shù)
由 計(jì)算鏈節(jié)數(shù)可得節(jié)，取為43節(jié)。
（5）中心距的計(jì)算
=
=174.625mm
a實(shí)際中心距取為175mm。
（6）計(jì)算鏈速：
1.11m/s滿足鏈速在1－2m/s之間，合適。
（7）查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本，由表9－4得鏈輪輪轂孔
（8）計(jì)算作用在軸上的壓軸力
有效圓周力為
由于鏈傳動(dòng)為傾斜配置，安裝傾角為45°
查表取
所以，
根據(jù)上述要求：選擇的滾子鏈的型號(hào)為：—1×316 GB 1243—1997
鏈條其結(jié)構(gòu)詳圖如下：
圖3—2 輸送鏈條結(jié)構(gòu)圖
3.5齒輪的設(shè)計(jì)
3.5.1選定齒輪類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù)
1.根據(jù)實(shí)際需要，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。
2.旋耕機(jī)為一般工作機(jī)器，速度不高，故選用7級(jí)精（GB10095-88）。
3.材料選擇。由表10-1選擇小齒輪材料為40Cr，（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼，（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，兩者材料硬度相差為40HBS[13]。
4．選小齒輪齒數(shù)，則大齒輪齒數(shù)。
3.5.1.1 按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算
由設(shè)計(jì)計(jì)算公式（10-24）進(jìn)行試算，即
確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
（1） 計(jì)算載荷系數(shù)K
（2） 計(jì)算扭矩
齒輪傳動(dòng)齒寬系數(shù)
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本，根據(jù)表10-7選取齒寬系數(shù)
（3）查表10-6查得材料彈性影響系數(shù)。
（4）由圖10-21按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限。
（5）由式（10-13）計(jì)算應(yīng)力循環(huán)系數(shù)
（6）由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)；。
（7）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力
去失效概率為1%，安全系數(shù)，由式（10-12）得
=0.95600=570MPa
=098550=539MPa
3.5.1.2 計(jì)算
（1）、計(jì)算小齒輪分度圓直徑，代入[]中較小的值
==50.33mm
（2）計(jì)算圓周速度v
（3）計(jì)算齒寬b
（4）計(jì)算齒高與齒寬之比
模數(shù)
齒高
（5）計(jì)算載荷系數(shù)
根據(jù)v=1.73m/s，7級(jí)精度，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本，由圖10-8得動(dòng)載系數(shù)；直齒輪，由表10-3查得；由表10-2得使用系數(shù)；
由表10-4查得7級(jí)精度、小齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱布置時(shí)，
將數(shù)據(jù)代入后得
由，查圖10-13得；故載荷系數(shù)
（6）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正算得的分度圓直徑，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本，由式（10-10a）得
(7)計(jì)算模數(shù)m
3.5.2按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本，由式（10-5）得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為
1、確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值
（1）查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本，由圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限=500MPa；大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限=380MPa；
（2）由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù)，；
（3）計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由式（10-12）得
= =303.57MPa
=238.86MPa
（4）計(jì)算載荷系數(shù)
（5）查取齒形系數(shù)
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本，由表10-5查得；。
（6）查取應(yīng)力校正系數(shù)
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本，；。
（7）計(jì)算大小齒輪的并加以比較
=
=
大齒輪的數(shù)值大。
2、設(shè)計(jì)計(jì)算
對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決與彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，二齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)1.65并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值2，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑，算出
小齒輪齒數(shù)
大齒輪齒數(shù)，取。
這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，既滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi)。
3、幾何尺寸計(jì)算
基本參數(shù)：
傳動(dòng)比i=2.97；齒數(shù)，；模數(shù)m=2；
(1) 計(jì)算分度圓直徑
(2) 計(jì)算中心距
計(jì)算齒輪寬度
取，。
3.5.3 驗(yàn)算
<100N/mm，合適
3.6軸的計(jì)算
3.6.1變速箱輸出軸的設(shè)計(jì)
1、軸上的功率P、轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)矩T
由以上計(jì)算知變速箱輸入轉(zhuǎn)速，輸出轉(zhuǎn)速；
功率，輸出；輸入轉(zhuǎn)矩，輸出轉(zhuǎn)矩。
2、求作用在齒輪上的力
因已知低速級(jí)大齒輪的分度圓直徑為
3、 初步確定軸的最小直徑
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本，由式（15-2）初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理[8]。根據(jù)表15-3，取，于是得
。故最小直徑選為30mm。
4、 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1） 擬定軸上的零件裝配方案裝配圖如圖3-1.
2） 根據(jù)軸向定位要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度
（1） 為使鏈輪的右側(cè)有軸向定位，在處需制出一軸肩，故取段的直徑
， 。
（2） 初步選擇滾動(dòng)軸承。
軸只承受徑向力，故選擇單列圓柱軸承。根據(jù)工作要求，選擇軸承6208其尺寸為dDB=408018，故，而。右端滾動(dòng)軸承采用軸肩進(jìn)行定位，由手冊(cè)上查得6208型軸承，取。
（3） 取安裝齒輪處的軸段的直徑。齒輪的左端與左端軸承之
間采用套筒定位。已知齒輪輪轂的寬度為56，為使套筒端面可靠地壓緊齒輪，故。齒輪的右端采用軸肩定位，軸肩高度h>0.07，取h=5mm，則軸環(huán)處直徑。軸環(huán)寬度b>1.4h，取。
（4）軸上零件的周向定位
帶輪、齒輪的周向定位均采用平鍵聯(lián)接。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)的平鍵截面bh=20mm12mm（GB/T1095-1979），鍵槽用銑刀加工。
3.6.2變速箱輸入軸的設(shè)計(jì)
1、由以上計(jì)算知變速箱輸入轉(zhuǎn)速；功率；輸入轉(zhuǎn)矩；
2、求作用在齒輪上的力
因已知小齒輪的分度圓直徑為
圖3-1 輸出軸的結(jié)構(gòu)與裝配圖
3、初步確定軸的最小直徑
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本，由式（15-2）初步估算軸的最小直徑。選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)表15-3，取，于是得
所以最小直徑選為20mm。
4、軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1） 擬定軸上的零件裝配方案裝配圖如圖3-2
圖3-2 輸入軸設(shè)計(jì)示意圖
2） 根據(jù)軸向定位要求確定軸的各段直徑和長(zhǎng)度
（1）為使帶輪的右側(cè)有軸向定位，在I-II處需制出一軸肩，故取II-III段的直徑，帶輪和軸配合長(zhǎng)度。
初步選擇滾動(dòng)軸承。
軸只承受徑向力，故選擇單列圓柱軸承。根據(jù)工作要求，選擇軸承6208寸為=408018，，。右端滾動(dòng)軸承采用軸肩進(jìn)行定位，由手冊(cè)上查得6208型軸承，取。
（3）取安裝齒輪處的軸段IV-V的直徑。齒輪的左端與左端軸承之間采用套筒定位。已知齒輪輪轂的寬度為60，為使套筒端面可靠地壓緊齒輪，故。齒輪的右端采用軸肩定位，軸肩高度h>0.07，取h=5mm，則軸環(huán)處直徑。軸環(huán)寬度b>1.4h，取。
圖3-3 變速箱軸的受力簡(jiǎn)圖
（4）軸上零件的周向定位
帶輪、齒輪的周向定位均采用平鍵聯(lián)接。查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)的平鍵截面bh=20mm12mm（GB/T1095-1979），鍵槽用銑刀加工。
5、求軸上載荷
根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖做出軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖，可以看出軸的受力最大處是危險(xiǎn)截面?，F(xiàn)將該處的、及的值列于下表
載荷
水平面H
垂直面V
支反力F
,
，
彎矩M
總彎矩
扭矩T
6、 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》課本，由式（15-5）及上表中的數(shù)值，并取，軸的計(jì)算應(yīng)力
=
材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由表15-1查得[]=60MPa。因此，<[]，故安全。
3.7其余部件的設(shè)計(jì)
1. 離合器設(shè)計(jì)與計(jì)算
采用簡(jiǎn)易的牙嵌式離合器，如圖4所示。其傳動(dòng)扭矩大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠。離合器的一半通過(guò)平鍵與軸聯(lián)接，另一半空套在軸上與鏈輪成為一體。當(dāng)離合器嚙合時(shí)，鏈輪和軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)離合器分離時(shí)，空套在軸上的一半與鏈輪空轉(zhuǎn)，軸則不轉(zhuǎn)。
圖4 離合器
根據(jù)軸徑的尺寸，參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》確定離合器的參數(shù)。為保證離合器工作可靠，設(shè)計(jì)離合器時(shí)，按下式取計(jì)算扭矩：
＜
式中，—工作儲(chǔ)備系數(shù)；
—離合器需傳遞的扭矩；
—離合器的許用扭矩；
已知，取，
，代入上式中得：
＜
所以離合器滿足工作要求
2. 聯(lián)軸器選擇
常用的聯(lián)軸器已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化了，選用時(shí)，首先按照工作條件選擇合適的類型；再按軸徑、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速選擇聯(lián)軸器的型號(hào)；必要時(shí)校核聯(lián)軸器的承載能力。
聯(lián)軸器的計(jì)算扭矩應(yīng)取不穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的動(dòng)載荷及過(guò)載的最大扭矩，可按下式求得：
＜
式中，—工作情況系數(shù)；
—聯(lián)軸器需傳遞的扭矩；
—聯(lián)軸器的許用扭矩；
已知，取，代入上式得：
＜
選擇爪型彈性聯(lián)軸器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝卸方便，彈性好，適用于小功率、有沖級(jí)載荷、啟動(dòng)頻繁的條件。通過(guò)校核計(jì)算，該聯(lián)軸器能滿足工作需求。
3. 軸承的選擇
松土機(jī)上的軸承主要承受徑向載荷，考慮到經(jīng)濟(jì)性，選用單列深溝球軸承。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要受徑向載荷，也可承受一定的軸向載荷，并且價(jià)格便宜。
滾動(dòng)軸承的主要失效形式是疲勞點(diǎn)蝕，因此軸承的尺寸按疲勞強(qiáng)度及壽命計(jì)算。
式中，—軸承的額定壽命；—軸承的轉(zhuǎn)速；—軸承壽命指數(shù)，對(duì)球軸承，對(duì)滾子軸承；—軸承的額定動(dòng)載荷；—當(dāng)量動(dòng)載荷。
為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將滾動(dòng)軸承的壽命公式寫成：
令，，則上式可寫成
式中，—壽命系數(shù)；—轉(zhuǎn)速系數(shù)
由上可得：
以安裝在工作軸上的軸承為例計(jì)算軸承的壽命，已知，，查表得，代入式中
＞
所選軸承能滿足工作要求。
4. 鍵的選擇和聯(lián)接強(qiáng)度的計(jì)算
鍵的類型可根據(jù)聯(lián)接的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用要求和工作條件選定；鍵的剖面尺寸通常根據(jù)軸的直徑從標(biāo)準(zhǔn)中選取；鍵的長(zhǎng)度則按輪轂長(zhǎng)度從標(biāo)準(zhǔn)中選取。
根據(jù)以上選擇原則，選定圓頭普通平鍵。
鍵聯(lián)接強(qiáng)度可以通過(guò)以下公式計(jì)算：
式中：—鍵或鍵槽工作面的比壓；
—轉(zhuǎn)矩；
—軸的直徑；
—鍵的工作長(zhǎng)度；
—鍵與輪轂的接觸高度；對(duì)于平鍵，
—鍵的厚度；
—鍵聯(lián)接的許用比壓。
以安裝在工作軸上的鍵為例進(jìn)行校核計(jì)算，所選鍵為鍵。已知，，，，，代入上式中得：
同理，對(duì)其他所選的鍵進(jìn)行校核，都能滿足工作要求。
結(jié) 論
松土機(jī)以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，具有體積小、成本低、工作可靠及不污染環(huán)境等特點(diǎn)。采用整體式機(jī)架，電動(dòng)機(jī)和減速器固定在機(jī)架上方，使整機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。作業(yè)時(shí)通過(guò)滾齒軸上旋轉(zhuǎn)的滾齒松土，對(duì)土壤的切削和破碎效果好，耕后地表平整，無(wú)梨底層，減輕了對(duì)土壤的壓實(shí)。以電能作為能源，充分體現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、節(jié)能及環(huán)保的設(shè)計(jì)原則。該機(jī)適合在空間狹小的溫室內(nèi)推廣使用。
短短的三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們對(duì)大學(xué)四年的機(jī)械知識(shí)的整體總結(jié)，也是理論與實(shí)踐的結(jié)合，通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)我們收益非淺，這次設(shè)計(jì)，主要是對(duì)溫室松土機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我學(xué)到了許多新的知識(shí)。我深刻的認(rèn)識(shí)到，要想成為一名合格技術(shù)人員只掌握本專業(yè)的知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，我們應(yīng)該具有更加淵博的知識(shí)。
在以上設(shè)計(jì)中，對(duì)零件的材料，對(duì)軸承，對(duì)裝配方法等等知識(shí)點(diǎn)溫習(xí)和學(xué)習(xí)。使以前學(xué)習(xí)的理論知識(shí)能夠應(yīng)用到實(shí)際設(shè)計(jì)當(dāng)中去，更加深了我們對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。對(duì)實(shí)際加工中的一些問(wèn)題有了進(jìn)一步的了解，并在設(shè)計(jì)中考慮和避免這些問(wèn)題的發(fā)生。
沒(méi)有具體的了解，經(jīng)常會(huì)有無(wú)從下手的感覺(jué)，碰到問(wèn)題只有去問(wèn)老師和看相關(guān)書籍，確實(shí)雖然完成了大概模型，有許多地方還是不是完全吃透的，這需要在以后的工作學(xué)習(xí)中進(jìn)一步加深學(xué)習(xí)，期間我得到了許多教師的大力幫助。本次設(shè)計(jì)算基本符合設(shè)計(jì)要求。在此，我表示由衷地感謝！
33
致 謝
畢業(yè)設(shè)計(jì)很快已經(jīng)結(jié)束了，在這段時(shí)間里，不僅僅感覺(jué)到的是忙碌，還有忙碌后作完一件令自己心動(dòng)的東西時(shí)的那種無(wú)聲的喜悅。
在寫致謝信的這個(gè)時(shí)候心里想有一些說(shuō)出的東西，想想自己在做畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)的種種困難，在老師同學(xué)的用心幫助下也一一解決了，說(shuō)句實(shí)話，憑自己的能力要作完畢業(yè)設(shè)計(jì)是有些太困難了，但是在你的身邊總有一些人會(huì)給你帶來(lái)驚喜，自己的能力畢竟有限，在面對(duì)別人無(wú)私幫助的時(shí)候我的內(nèi)心十分感激，帶自己畢業(yè)設(shè)計(jì)的老師會(huì)有問(wèn)必答，有難必解，雖然接觸不是很多，但有些東西是用心感覺(jué)的。還有好多老師在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中給于我一些幫助，我非常的感激。當(dāng)然還有我身邊的那些同學(xué)，在我有疑惑的時(shí)候總是不厭其煩的給我解釋清楚。在我設(shè)計(jì)的時(shí)候，因?yàn)槲乙郧皬臎](méi)接觸過(guò)的東西，一開(kāi)始很是迷茫，我的好幾位同學(xué)都在這時(shí)候一邊忙自己的事，一邊還要在我有疑惑的時(shí)候?yàn)槲規(guī)兔Ψ治觯餐鉀Q。最終自己終于完成了乘用車主減速器這一部分的畢設(shè)要求?，F(xiàn)在想起來(lái)，有時(shí)候最能讓自己感動(dòng)的事就發(fā)生在自己的身邊。
這次畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅給我?guī)?lái)了知識(shí)上的收獲，在做人方面也教會(huì)了我許多許多，在對(duì)待事情方面，尤其是有選擇的時(shí)候自己該放棄什么，該抓住什么。什么是該自己作的，什么時(shí)候做，我明白了好多。
在此，我對(duì)給我?guī)椭睦蠋煟瑢W(xué)至以誠(chéng)摯的謝意和由衷的感激。感謝您們對(duì)我的幫助，和教會(huì)我那些人生的道理。
在論文即將完成之際，我的心情無(wú)法平靜，從開(kāi)始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友給了我無(wú)言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意！
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