小型植树挖坑机设计【全套含11张CAD图纸+文档】
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题 目:小型植树挖坑机设计 学生姓名: 学 号: 专业班级: 指导教师: 完成时间: 小型植树挖坑机目 录中文摘要及关键词IV英文摘要及关键词V1 引言11.1 选题背景及其意义11.2 国内外研究现状11.3 发展趋势52 方案对比与结构62.1 国内外研究现状62.1.1 国内研究现状62.2.2 国外研究现状72.2 挖坑机的构造72.2.1 挖坑机的工作条件72.2.2 挖坑机的分类72.2.3 挖坑机的钻头83 挖坑机的设计103.1 手提式挖坑机的工作原理103.2 动力选择113.3 螺旋钻头的设计与计算113.3.1 螺旋工作面的设计123.3.2 刀片的设计133.3.3 钻尖的设计143.4 离合器的设计143.5 减速器的设计203.6 润滑与密封233.7 摆线轮、针齿、柱销的计算24结 论30参考文献31致 谢329中文摘要及关键词摘 要:植树挖坑机是一种造林机械设备,目前国内造林机械的发展水平还不高,多为人工控制,很少能实现自动化作业。如何将先进的自动化、智能化技术应用到机械造林中,提高造林机械的自动化、智能化水平是摆在林业机械科研工作者面前的一个技术问题。国外挖坑机的发展要先进得多,主要发展方向是对于大型的挖坑机要集多种功能于一身,增加辅助设备。小型的挖坑机,本设计建立了合理的动力分析数学模型,对摆线针轮传动中的摆线轮、转臂轴承、柱销及轴进行 准确的受力分析,并其求解。计算并校核主要件的强度及转臂轴承、各支承轴承的寿命,分析结果可 以看到,各轴承性能指标均符合要求。本课题来源于生产实际,目前,我国正在大力加强植树造林建设,特别是江苏沿海地区,政府部门每年都规划植树造林,然而植树造林存在一个问题,需要大量的人力来投入,而现在,国家倡导绿色造林,为了更有效的植树造林,出现了机械造林。动机通过分动机构提供动力,液压系统来控制各个部分的运动,从而实现挖坑作业。关键词:植树挖坑机,挖坑机,摆线针轮 英文摘要及关键词Abstract: tree planting digging machine is a mechanical device afforestation, reforestation current level of development of domestic machinery is not high, mostly for manual control, very few can realize automatic operation. How to apply advanced automation, intelligent technology in mechanical afforestation, reforestation increased automation machinery and intelligence is placed in front of forestry machinery researchers of a technical problem. Development of foreign digging machine is much more advanced, the main development direction for large digging confidential combines many functions in one, adding auxiliary equipment. Small digging machine, the present design provides a reasonable analysis of dynamic mathematical model of the cycloid cycloidal gear, the boom bearing pin and the shaft accurate stress analysis, and its solution. Calculating and checking the strength of the main bearing member and the pivot arm, each support bearing life, the analysis results can be seen, each of the bearing performance indexes meet the requirements. This subject comes from actual production, present, China is working to strengthen afforestation construction, especially in the coastal areas of Jiangsu, government departments are planning afforestation every year, but there is a problem afforestation, need to invest a lot of manpower, and now, the national advocate green afforestation, in order to more effectively afforestation, reforestation has a mechanical. Providing motive power, divided by a hydraulic system to control the movement of each mechanism part, thereby achieving digging operation. Keywords: tree planting digging machine, digging machine, cycloid1 引言1.1 选题背景及其意义本课题来源于生产实际,目前,我国正在大力加强植树造林建设,特别是江苏沿海地区,政府部门每年都规划植树造林,然而植树造林存在一个问题,需要大量的人力来投入,而现在,国家倡导绿色造林,为了更有效的植树造林,出现了机械造林。本课题是设计一台植树挖坑机,与东风EQ140汽车底盘相匹配,用于植树造林,代替人力劳动,实现机械化造林。我国在“十二五”规划中把生存环境建设摆到了突出的战略位置。我国三峡长江流域防护林体系建设工程、退耕还林工程中面积为26329.5万公顷,森林面积为15874.1万公顷,近年来人们越来越重视身边的生态环境,“植树造林,保护环境”已成为全民参与的一项大型义务活动,所以单靠手工种树,已经不能满足生态和发展的需求,机械化造林劳动效率高,减轻劳动强度,还能保证质量,降低成本,不仅能得到很好的经济效益,又会带来巨大的生态效益和社会效益。在国内,悬挂式挖坑机的生产和应用较为广泛,该类挖坑机通常具有较大的功率,机动性强,能挖较大较深坑,大多应用与大面积植树造林,但我国生产的技术水平比较低,在陡坡和复杂地区很难正常进行植树挖坑作业,只能依靠手提式挖坑机。手提式挖坑机在我国刚刚崭露头角,很多方面不够完善特别是在人机关系方面。相比之下,国外研究状况要好一些。有日本生产的自走式高性能挖坑整地机采用柴油机作为动力,适用于坡度高达56的陡坡作业,每天可挖坑植树300400个。美国生产的悬挂式三钻头挖坑机钻头之间的距离是可调节的,适用于平原地区大面积植树造林,工作效率高。但国外的挖坑机大都价格昂贵。结合中外挖坑机的特点,本设计主要设计方向是质优价廉,人机协调的悬挂式挖坑机。1.2 国内外研究现状 中国植树挖坑机产业发展出现的问题中,许多情况不容乐观,如产业结构不合理、产业集中于劳动力密集型产品;技术密集型产品明显落后于发达工业国家;生产要素决定性作用正在削弱;产业能源消耗大、产出率低、环境污染严重、对自然资源破坏力大;企业总体规模偏小、技术创新能力薄弱、管理水平落后等。我国植树造林机具现状我国植树造林机械赴较晚,主要在南方为种植橡胶实现产业化,有为东方红-75、热特-25型拖拉机配套的植树挖坑机,而北方地区为栽植果树和防护林,也研制了为中型轮式拖拉机如上海-50、神牛-25型拖拉机配套的开沟机、植树挖坑机,这种机具既可以挖植树穴坑,也可以挖梯形沟槽用于果树施沟肥。对大面积的机械植树造林,多采用铧式系歹开沟机,如1K-40、1K-50和1K-60型开沟机。我国植树造林机械虽有多个品种,但由于栽种树苗多在山地、坡地,土质条件复杂,影响了机械的使用效果,基本上用人工挖坑栽苗,使用生产的植树挖坑机批量较小。我国目前投入生产和主要使用的植树挖坑机拥有多种形式的配套动力和挖头结构。不同的植树环境要求挖坑机具有与之相适应的动力和连接方式、结构型式及重量限制、钻头型式等。根据作业方式的不同我们可以简单地将挖坑机分为便携式与机载式两大类,便携式挖坑机包括手提式、背负式,机载式挖坑机包括悬挂式与牵引式等类型。挖坑机的钻头根据形状可分为螺旋式钻头、螺旋带型钻头、叶片型钻头和螺旋齿式钻头等。 (1) 手提式挖坑机 手提式挖坑机的结构一般由机架、操作装置、发动机、离合器、减速器、钻头等部分组成。如图 1-1所示。离合器是发动机和工作部件间的连接装置,一般采用离心式摩擦离合器。当发动机达到一定转速时,离合器主动盘重锤所产生的离心力克服了弹簧的拉力,离合器就自动接合,并经减速器将动力传递给钻头。减速器是挖坑机的重要部件,其作用是将发动机的转速变为钻头的工作转速,有圆柱齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器和摆线针齿减速器等类型。以采用摆线针齿减速器较普遍,它具有减速比大、体积小、重量轻、噪声低和传动平稳等特点。操纵装置常采用可拆卸式的手柄结构,可单人或双人操作。钻头由钻尖、刀片、导土片和钻杆组成。钻尖起定位作用,刀片用于切削土壤,导土片则主要起升土作用。作业时钻头垂直向下运动,在扭矩和轴向力的作用下切削土壤,切下的松碎土壤沿导土片工作面上升,运到地表后被抛离到坑的周围。 手提式挖坑机结构紧凑,机体与汽油发动机装配成整体,体积小、重量轻,机动灵活,由单人或双人手提操作,适宜于拖拉机不能通过的地形复杂的山地、丘陵和沟壑地区,挖坑直径和深度都比较小,也可用于果树的追肥及埋设桩柱手提式挖坑机在我国起步较晚,但发展较快,双人操作的便携式挖坑机在我国使用比较普遍,生产的型号也比较多,如 3WB-3、3WS-5、WL200等,挖坑直径约为 100400mm、坑深为 200600mm。 手提式挖坑机的适应性很强,不但作为植树挖坑之用,也可在建筑工地、地质矿山电力交通等部门用于埋设桩、柱、勘探、打眼等作业。由于家庭及街道作业的缘故国外的手提式挖坑机兴起较早,例如日本生产的 A-7 型手提式挖坑机质量仅为 7.0kg,采用H35D 发动机;A-8D 型挖坑机可挖坑径范围为 20200mm。德国生产的 BT120C 型挖坑 机发动机功率 1.3kW,质量 8.2kg,钻头转速 190r/min。 图1-1 WL-200 型手提式挖坑机(2)背负式挖坑机 背负式挖坑机如图 1-2所示,单人操作,轻便,灵活,适用于山地、丘陵地带作业,适用于平缓地带。此类挖坑机是利用防振架将发动机背在背后,通过挠性传动软轴,将发动机扭矩传给钻头。操作人员需配有专用的防震护具。 图 1-2 背负式挖坑机(3) 悬挂式挖坑机 悬挂式挖坑机有多种形式。可以通过液压悬挂装置挂在拖拉机后面,由拖拉机动力输出轴经传动系统驱动钻头进行挖坑作业,也有用液压马达直接驱动钻头进行作业的。一般结构都是由传动轴、减速器、钻头、拉杆和机架等组成(见图 1-3),钻头一般采用双螺旋型。有的挖坑机装有两个或两个以上的钻头,称多钻头挖坑机,能充分利用拖拉机的功率来提高生产率。为使钻头在工作时不因遇到石块、树根等障碍物超负荷时受损,在传动轴上装有牙嵌式离合器,在超负荷状态下,离合器自动脱离,从而切断动力的传递。 图 1-3 3WH-60 型悬挂式挖坑机悬挂式挖坑机由于动力较大,功效高,可挖较大的坑穴,主要用于平缓地形或拖拉机可以通行的地域,钻头的升降通过拖拉机液压系统操纵,挖坑直径和深度都比较大。坑径多为 600mm1000mm、深度可达到 1000mm。诸如内蒙古赤峰田丰农林机械厂生产的 3WH-60 型(如图 1-3)、3WC-60 型悬挂式挖坑机,通辽林业机械制造厂生产的 3WG-60型、4Z-130 型挖坑机,山东大丰机械厂生产的“大丰王”系列挖坑机 WKJ-60/70,配套不同动力的拖拉机可以挖掘不同直径不同深度的树坑。适合于平原、坡度小的山地、丘陵等地况作业,具有性能好、作业效率高的特点。 (4) 牵引式挖坑机 牵引式挖坑机的机器装在小车上,由拖拉机牵引,挂接方便,不受拖拉机结构限制,但结构复杂,机动性差; 我国在 2001 年由达拉特旗白土梁生态治理有限公司成功研制 并生产出 JYZ-80 型牵引式液压植树机。图 1-4 为一种拖拉机牵引式深孔钻。 图 1-4 牵引式深孔钻 国外一些专家学者对挖坑机钻头也做了大量的研究:Macpherson 用波动理论建立的钻杆纵向、扭转振动模型与实际测量结果进行比较。而 Millheim 等应用 DAlembert 原理在静力分析的基础上引入惯性力和摩擦力,运用有限元方法建立钻柱三维动态模型用以研究钻柱动态行为对钻头轨迹的影响,给出了影响钻头轨迹的主要因素。Y.Altintas等建立了可描述不同形状螺旋钻刀片的动力学通用模型,用时变力系数的傅立叶级数展开给出了用于钻削稳定性解析预测钻削过程的动力学模型及其一般数学表达式。E.Armarago 等提出了用正交切削数据计算切削过程剪切应力、剪切角、后刀面平均摩擦系数,把正交切削参数转换到倾斜钻削,预测倾斜钻削力的方法。S.Jensen 给出的切削力模型考虑了进给速度、钻尖处的几何形状以及对柔性工件的动态特性有影响的主轴轴向振动因素。 1.3 发展趋势植树挖坑机未来的发展趋势主要在以下几个方面:(1)一机多能在我国,植树造林具有季节性和区域性的特点,机具作业时间短,间隔时间长,单一性能机具的年利用率很低,因此在今后的设计中,应尽量考虑一机多用问题。具体措施:一是更换不同的钻头,适应不同的土壤条件和工作环境;二是设计通用机架,在更换其它工作部件后即可完成其他营林作业项目,提高其利用率。(2)人机和谐凡是人使用的各种机械设备,都应进行完善的人-机工程学设计,以使其符合人的心理与生理学特性,从而最大限度地减轻使用者的操作疲劳和心理负担,能够使人舒适和高效率地工作,使整个人-机系统具有最和谐的人机关系和最优的综合效能。同时,要尽量减少噪音对操作者的影响,还需要考虑手提式挖坑机反向转矩对操作者的安全问题,尽量把转矩通过机械装置释放一些,提高操作者的安全系数。(3)应用范围挖坑不仅适用于平原、沙地和丘陵,还能够用于山地和沟壑;不仅适用于坡度56以下的陡坡林地的整地挖坑,而且还适用于35以下的坡地挖坑造林。2 方案对比与结构2.1 国内外研究现状2.1.1 国内研究现状 在国内悬挂式挖坑机的生产和应用较为广泛。内蒙古赤峰田丰农林机械厂、山东大丰机械有限公司、哈尔滨林业福马机电设备公司及宁夏自治区农业机械研究所等余家单位进 行了研究制造和销售。该类挖坑机通常具有较大的功率,机动性较强,能挖较大和较深的坑,大多应用于大面积植树造林,应用围也比较广.)内蒙赤峰田丰农林机械厂生产的 3WH-60 型悬挂式挖坑机结构合理,使用方便灵 活,易于操作,每小时可挖 80-150 个坑,其可与多种型号 36.8KW 以上拖拉机配合使用,用 于大面积植树造林及工业挖坑,挖坑直径 250-600mm,深度 0-1200mm,适用于平原丘陵及沙 地作业。)山东大丰机械厂生产的大丰王系列挖坑机 WKJ-60/70,,可与 18.4-36.8KW 的多种 拖 拉 机 配 合 使 用 挖 坑 直 径 400-800mm , 可 根 据 用 户 要 求 特 别 制 作 深 度 650-800mm , 转 速248r/min,每小时可挖 60 个坑。)哈尔滨林业福马机电设备公司生产的悬挂式挖坑机,可与铁牛 40.4KW 或 18.4KW 以 上 的 具 有 动 力 输 出 和 悬 挂 装 置 的 拖 拉 机 配 套 , 挖 坑 直 径 为 250-600mm , 挖 坑 深 度 为 0-800mm,挖坑效率为 120 坑/h。)手提式挖坑机在我国刚刚崭露头角,适用于家庭或地形复杂地区的小面积植树造 林,也可用于打桩和树木追肥挖坑,如哈尔滨林业福马机电设备公司生产的 3WS-2.8 型手提 式挖坑机,采用 051A-1 型发动机最大功率为 2.8KW 转速为 280-320r/min,挖坑尺寸坑径深 度为320mm-500mm,质量为 17.6kg,该机主要应用于地形复杂的山地丘陵区和沟壑区在坡 度 35 以下的荒山荒地,、次生林地以及黄土高原的沟坡进行挖坑或整地。 国内的一些林业高等院校和科研院所也对挖坑机进行了一些研究分析。关于挖坑机的论文大 约有几十篇,涉及钻头升土理论及钻头临界转速的研究、钻头螺旋面强度的分析以及螺旋升 角的选择问题,还得出了在不同条件下的挖坑机的动态力学参数,指出了钻头转矩的主要影 响因素,对挖坑机的一些结构参数的确定起到了指导作用,为国内挖坑机的优化设计提供理 了论支持。2.2.2 国外研究现状 相比之下国外的研究状况要好一些,由日本生产的自走式高性能挖坑整地机采用柴油机作动力,行走脚与轮胎组合,行走装置为全液压式,平时用轮胎行驶,坡地靠行走脚行走, 适用于坡度高达 56 的陡坡林地作业。作业时只脚可上下左右移动,并能保证包括驾驶室在 内的机器上半部始终呈水平状态。该机的液压臂端部可安装液压式割灌机或挖坑机,每天可挖植树坑 300-400 个。实现了一机多用。日本生产的 A-7 型手提式挖坑机质量仅为 7.0kg,采用 H35D 发动机.A8D 型挖坑机可挖坑径范围为 20-200m。德国生产 BT120C 型挖坑机如图 所示发动机功率 1.3KW,质量 8.2kg,钻头转速 190r/min,发动机转矩 1.7Nm,钻头的转矩79.0Nm。英国生产的 05H8300 型悬挂式挖坑机和美国生产的悬挂式三钻头挖坑机,钻头之间 的距离是可调节的,即行距可调,适用于平原地区的大面积植树造林,工作效率很高。美国 和加拿大生产的手提式挖坑机,发动机与钻头采用分离式,通过液压传动,驱动钻头工作。 美国生产的 HYD-TB11H 型液压挖坑机 ,质量为 170kg,最大流量为 22.7L/min,最大转速为141r/min,钻头最大扭矩 349Nm。美国生产的 MDL-5B 型挖坑机,发动机采用动力为 4.1KW 的 BS Intec Pro OHV 的挖坑机在工作时发动机离操作者有较远的距离 ,大大减少了噪音对操作 者的影响,充分考虑了人机工程学原理,有的手提式挖坑机安装了个支点即轮子,使挖坑机 的携带比较方便,工作时还可以把挖坑机的反向转矩释放给轮体,减小操作者手上的反向力矩, 增加其安全性并减轻了操作者的疲劳程度。2.2 挖坑机的构造2.2.1 挖坑机的工作条件 挖坑机的主要作业地点是荒山坡地、沙荒沙丘、采伐迹地、林间空地、草场、沼泽地、橡胶、果园和城市街道等。这些地方的土壤组成、土层厚度、土壤的物理机械性质等都存在 着较大的差异,因此要求工作部件坚固耐磨,通过性能要好,同时由于挖坑机的作业受立地 条件和作业技术的影响,使挖坑机的工作速度受到一定的限制,即不宜过大。2.2.2 挖坑机的分类 挖坑机的种类很多,一般按配套动力和挂结方式、传动方式、钻头安装位置进行分类。2.2.2.1 按配套动力和挂结方式分 一)手提式挖坑机机具与小型二冲程汽油发动机( 2.233.73kW)装置成整体,由单人或双人操作,主要 应用于复杂的山区、丘陵区和沟壑区,在坡度 350 以下的地区进行造林前的整地和挖坑,同 时也可用于果园、桑园、苗圃和城镇进行小树移植、挖坑追肥以及埋设桩柱等,坑径一般 在0.3m 以内.二) 悬挂式挖坑机钻头装置悬挂在拖拉机的后方、前方或侧向。悬挂机构通过上拉杆、下拉杆以及三个铰 链与拖拉机连接,由拖拉机的液压系统操纵其挖坑机钻头装置升降。它可以挖较大的坑径和 较深的坑。用于拖拉机可以通过的地区进行挖坑作业。三)自走式挖坑机1.与手扶拖拉机配套 挖坑机钻头旋转的动力源是由底盘上的动力输出轴经过一级皮带减速、一级直角锥齿轮减速器并直接输到挖坑机的钻头。钻头是采用 M27 螺纹同箱体联接,这样装拆方便,又能自 动防止拆脱,如 1W-40 型挖坑机就是与工农-3 型手扶拖拉机配套的。该型挖坑机通过性能较好,但需要人力操纵其钻头入土。该型挖坑机适于在水平带上作 业或用于茶园施肥、茶苗一只和果园施肥等挖坑作业。2.与汽车底盘配套与汽车底盘配套的挖坑机,一般是属于起重地钻装置,如 D70S(E)起重地钻机是由汽车 动力输出、伸出支撑、回转系统、起吊变幅系统、伸缩系统、液压系统、控制系统和钻头装 置等组成。从汽车的发动机中输出驱动油泵,是发动机的机械能转化为液压能,以供机械的 各部分。地钻装置主要由带油马达的减速器、钻头组成。液压油通过各控制元件来驱动油马 达旋转,从而通过减速器转动钻头轴,有一方轴装在钻头轴中,此轴只要拔出定位销及管子 向下延伸即可增加挖坑的深度。该机可挖坑径 0.45m、坑深 4.5m 的坑。QW-1000 型挖坑机基本上是属于这种类型,但它是车载钻机的形式。2.2.2.2 按钻头安装位置 一 )立式挖坑机立式挖坑机是常见的一种类型,亦称立轴式挖坑机,即钻头的钻杆与减速器输出轴联接 是垂直于地面的。该类型的挖坑机主要用于挖坑作业。二)卧式挖坑机 卧式挖坑机亦称水平轴式挖坑机,即钻头的轴杆几乎是水平配置的,根据作业要求,可调整气钻杆的倾斜角度。2.2.3 挖坑机的钻头2.2.3.1 挖坑机钻头的主要类型 挖坑机的钻头是挖坑机的主要工作部件,根据各地区条件和作业的技术要求,分为整地、挖坑和开沟三大类。螺旋式钻头的挖坑机在工作状态时,土壤全部或绝大部分从坑里抛 出,该形式主要用于建筑工作和栽植作业上。而整地用的挖坑机在工作状态时,土壤不出 坑,该形式主要用于播种造林等。开沟用的挖坑机在工作状态时,土壤是从一侧或两侧抛 出。本设计选用螺旋式钻头螺旋式钻头主要由钻杆 1、螺旋翼片 2、钻铧(刀片)3 和钻尖 4 组成。工作时钻头旋转 同时向下作进给运动。钻尖不仅起挖坑机工作时的定心作用,并切去中心部分的土壤,继而 按一定轨迹排列的刀片(或钻铧)切土,刀片切下的土壤沿着螺旋翼片上升,并抛至坑的四 周,土壤出坑的数量由钻头螺旋部分长度决定。如果钻头的长度小于坑的深度,采用多次旋 抛土壤的方式。其工作面的形成为垂直与钻头轴线的直线段,沿着圆柱体上划出的导向螺旋 线移动而成。利用同心圆柱体来截钻头的表面,则得到多条螺旋线,其螺旋升角随着圆柱体 半径的减少而增加。螺旋形钻头工作面不能展开成平面。螺旋形钻头又分为单头螺旋钻头和多头螺旋钻头。单头螺旋钻头工作时消耗能量较少, 但由于切土负载不对称,因此工作稳定性比双头螺旋钻头差。为了克服上述存在的缺陷,单 头螺旋钻头可安装两个钻铧,按径向对称布置。一般小型悬挂式挖坑机和手提式挖坑机采用 单头螺旋钻头。多头螺旋钻头工作时稳定性较好,但消耗能量较大,一般悬挂式中型挖坑机 常用双头螺旋钻头。螺旋型钻头挖坑范围很大,能挖 H/D0=0.5-16 的坑(H-坑的深度;D0-坑的直径)。3 挖坑机的设计3.1 手提式挖坑机的工作原理手提式挖坑机由小型二冲程汽油发动机( 2.2-3.68Kw)3、离合器 4、减速器 5、钻杆及 套 6、安全及保护罩 7 和钻头装置 8 等组成。其工作原理如下:由发动机通过离合器、减速器而驱动钻头作旋转运动。操作装置通常采用可拆卸式的手 柄结构。手柄的设计要求操作灵敏和便于操作发动机油门开关。图3-1 手提式挖坑机结构示意图1.油箱 2.手柄 3.发动机 4.离合器 5.减速器 6.钻杆及套 7.安全保护罩 8.钻头装置由苏联研制的手提式块状整地机,可在坡度为 300 地区作业,在块状整地的同时其中心 部挖出植树的坑。该机的工作部件由 “友谊”或“乌拉尔”发动机驱动。工作部件是螺旋形 钻头 8,在其轴杆上用两个螺栓固定在横梁 5 上,其横轴上焊有带两个水平刀 7 的主柱和三 个垂直刀 6。在发动机的底板上固定有保护罩 9,它用于防止土壤的抛散。工作时,松土刀 6 切断水平方向的根系并疏松土壤;水平刀 7 用于切断垂直根系,消灭杂草和逐渐切下土层。图 3-2 手提式块状整地机结构示意图1.发动机 2.减速器 3.机架 4.手柄 5.横梁 6.垂直刀 7.水平刀 8.钻头 9.保护罩 10.平整器该型机具可以同时实现两种作业,即整地(面积直径为 0.5-0.55m)并在块状地面中心 挖出直径为 0.2m、深为 0.25m 的坑。为了使该机具可以自走,可以在减速器的输出轴上装升降轮组,当机具到达作业地点 后,取下轮组再换装其钻头。3.2 动力选择 原数据 坑径:400mm 坑深:400mm 整机重量15kg 挖坑效率 120 孔/h.挖坑的动力消耗与坑径、坑深、土壤硬度和下降速度有关。通过试验,手提式挖坑机配套动力应在 2.23.68kW 之间。3.3 螺旋钻头的设计与计算手提式挖坑机钻头由大刀翼 2,小刀翼 4,刀体 3 及其中心刃 1 等组成(图 1-17)。其 大、小刀翼的切削面磨成 200 的刀刃;入土角。图3-1 双头螺旋式钻头结构示意图1.钻杆 2.螺旋翼片 3.钻铧 4.钻尖 5.钻铧3.3.1 螺旋工作面的设计1 螺旋的外直径 D 根据挖坑直径 D0 确定D=(0.94-0.95)D0=0.95x400=380mm2 螺旋长度 H0 应大于坑深 H=400mm3 螺旋升角(外直径处)导程 h升角是螺旋线与其轴线垂直平面的夹角导程 h 是螺旋线上某一点沿螺旋线围绕其轴线旋转一周所移动的距离tg=h/D90-1-土壤对螺旋面(钢)的摩擦角,通常取1=22-31 ,取1=25 。=arctgs/D0s-钻头每转一周的进给量 s 取 40mm,=1.820. 手提式挖坑机一般取=10-180.按导程计算手提式:h=(0.55-0.9)D=0.6*380=228mm =arctg h/D=10.8201104 螺旋头数 一般手提式挖坑机用单头3.3.2 刀片的设计 刀片也称钻铲或钻铧,是挖坑机的主要切土零件,也是工作中最易磨损的零件。它的形状、刀口锋利程度、耐磨性以及磨损规律,对挖坑机的阻力矩、生产率都有很大影响。因此,要求在保证足够 强度和冲击韧性的条件下,提高刀片的耐磨性。 常用的刀片有以下三种:见图,双刃矩形,梯形和三角形。双刃矩形刀片一面磨损之后,可以掉头使 用,梯形刀片入土性能较好,阻力小;三角形刀片适用于松软土壤。试验指出,钻头的刀片磨损多在外缘,因为离开钻轴中心越远,刀刃转过的路程越长,因此钻头 刀片的外缘磨损快。为了延长刀片的适用寿命,在易磨损处将刀片加宽形成凿形刀片,或制成局部加 厚的刀片。由于钻头工作时既有旋转运动又有进给运动,刀片的实际后角 应由刀片该店的运动方向和刀片 后平面之间的夹角来测量。刀片上各点的 随着离钻杆距离增大而增大。只有当 0 时,钻头才能入土。当 值不大时,刀片很快形成宽的背棱,入土所需的力矩和阻00力急剧增加,因此,可适当增大名义后角 ,以达到增加实际后角 。名义后角 在 250 450 时入0土力矩和阻力均较小。前角过大和过小入土力矩和入土阻力均增加。名义前角 在 450 时入土力矩和入土阻力最小。刀片厚度 8-10 毫米,刃厚 0.5-1 毫米。刀片的材料可用 65SiMnRe 钢或 65Mn 钢,刃部淬火区为25-35 毫米,硬度 HRC46-60,非淬火区硬度不大于 HRC33。刀片用沉头方颈螺钉安装于刀座上,刀座 通常以钢板焊接在螺旋工作面背面,刀片与螺旋面的接缝处应密合平整,不允许螺旋面高出刀片而增 大切削阻力。对于直径 300 毫米以下的钻头,尤其是手提式挖坑机可以用单头螺旋,这样消耗扭矩 小。但是为了使受力平衡,一般也要对称地装两个刀片,因此这种结构需要两个刀座。3.3.3 钻尖的设计 钻尖也称定位尖,它一般用螺钉连接在钻尖的拖柄上,钻尖的型式有平面三角形、平面分叉型、锥形小螺旋型和平面三尖型。 实践证明,分叉型钻尖入土阻力最小,锥形小螺旋最大,三角型次之。定位性能以锥形小螺旋最好。一般中型挖坑机(钻头重量在 150kg 左右)的钻头,应选用分叉型钻尖,而对于大型的挖坑机的 钻头(重在 250kg 左右),为防止钻头过重和入土过快(靠自重入土的挖坑机)应选用三角形钻尖。对 于钻深坑的挖坑机钻头选用平面三尖型的钻尖更合适。另一方面钻铧的切削刃与钻尖之间的距离 H2 越 大,钻尖的迴转直径 D1(取 0.1-0.16m)越小,那么它的对中性越好。但是随着 H2 的增加,钻尖入土 所需的丽也增加,土壤从钻头表面排出也更困难。此距采用如下范围较合理:0.9D1H21.2D1。3.4 离合器的设计1.设计背景 离心离合器由于有固定的结合转数和过载保护功能而被广泛应用于油锯、割灌机、风力灭火机、无变速器等机具的传动中,它对保护操作者和机具过载时的安全是十分重要的。滑块离心式离合器结 构简单、紧凑、它是由主动盘、摩擦块、压缩弹簧和被动盘组成的。2.设计目的 通过本课程设计,掌握滑块离心式摩擦离合器的设计方法、步骤,进一步了解离合器的工作状况和性能,提高机械产品的设计能力3.设计参数 原始数据: 离合器配用的发动机型号:1E40F 离心块数量:4摩擦表面:石棉45 钢.表3-1 1E40F 汽油发动机的外特性曲线参数发动机型号怠速(rpm)最高转速(rpm)额定功率/ 转 速 (kw/ rpm)最大输出扭矩/ 转 速 (N.m/r pm)输出轴直径 (mm)输出轴连接形 式允许离合器外 经(mm)允许离合器高 度(mm)离合器离心块 与被动 盘间隙1E40F210080002.97/52505.93/4400144 花键 80mm24mm1mm4具体设计步骤:1).确定总体设计方案 由于滑块为四块,而离合器允许外径偏小,考虑到便于布置零件,故采用压缩弹簧的形式,离心块与被动盘间隙取为 1mm,满足要求且便于计算。滑块离心式摩擦离合器主要用于草坪机械,假定以皮带轮作为输出结构。2).确定离合器需要传递的扭矩:由Memax = 5.93N m ,b 1扭矩储备系数这里取 = 1.2 。发动机最大输出扭矩(Nm)故 Mf= Memax = 1.2 5.93 = 7.116N.m3).初定结合转速:因结合转速n 2 (1.25 1.45)n1这里系数取 n 2 = 1.25n1 ,由发动机怠速n1 = 2100r / min 得 n 2 = 2625r / min.4).确定离合器结构形式 由初始给定数据条件,离心块数量为 4,即 Z=4;确定被动盘直径 D=100mm,壁厚取 2mm,离合器离心块与被动盘间隙 ,因摩擦配合为石棉石棉, 石棉厚度取为 3mm,则被动盘半径 R=50-2-3-1=44mm;由离心块质心半径选取范围 ,再结合初步确定的离心块结构和形状,初步选 r=20mm; 离心块与被动盘材料均选 45 号钢,由于摩擦配合为石棉 45 钢,故离心块结合面贴一层石棉,摩擦系数 f 选为 0.08-0.12.5).初定离心块质量 离心块质量须满足两个条件: 结合转速 n2 时式中:P2结合转速 n2 时离心块产生的离心力;Pn弹簧对离心块张紧力的径向分力;2结合转速 n2 时的角速度。 传递最大扭矩 Mf 时(P4 Pn ) f R Z = Mf式中:n4发动机最大扭矩 Mf 时的转速;4发动机最大扭矩 Mf 时的角速度;f离心块与被动盘内表面的摩擦系数(钢对钢: f0.15;钢对石棉:f0.30;石棉对石 棉:f0.360.50,这里取 0.15)由发动机外特性参数:代入其他数据:R=31mm,Z=2,f=0.5, =7.116N.M,r=20mm,计算得 m=0.03kg。6).计算弹簧在各个工况下受力 结合转速时:怠速时弹簧压缩力:7)验证离合器高度h = (1 2)d因离合器允许高度为 20mm,而 h 取值范围为(12)d;选定滑块结构为扇形,包角 ,中间挖空一定尺寸放置弹簧与螺栓,则由 m = v,列方程得材料为 45 钢,故这里解得 ,h24mm。故离合器高度满足要求。8)滑块的质心验算由扇形形心计算公式:设计滑块 ;1200 计算得滑块质心约为 19mm;验算结合转速 ,与理论计算值 相差不大,故初选质心符合要求。9)弹簧的设计计算计算弹簧刚度由: 怠速时弹簧所受压力:140.025N 结合时弹簧最大工作压力: 223.52N 由胡克定律: 计算得:83.295 故弹簧初始压缩量为:1.68mm 选择与验算弹簧具体参数弹簧材料选 碳素钢丝,初选弹簧指数 C=5,中径 ,查表得 K=1.31 估算簧丝直径 d=D/C=1.6mm,查表得 ,簧丝直径d= =1.72mm根据标准圆整为 d=1.8mm工作圈数 : 2.78mm计算得 ,圆整为 3.5.总圈数 n:弹簧选择冷卷,则总圈数 n=2+3.5=5.5 工作极限载荷:工作极限载荷下的变形: 余隙: 0.18mm节距: t=(0.30.5) 取为 3.6mm中径: Cd=9mm 外径: 10.8mm 内径: 7.2mm自由高度: 16.3mm,根据标准圆整为 18mm 螺纹升角:展开长度: 155mm验算稳定性: 3.7,故 C 值符合要求 疲劳强度校核: 653弹簧满足条件,可用。11)花键的选择和校核已知发动机的额定功率 P=2.97KW,额定转速 n=5250r/min; 由初始数据,选取矩形花键,轻系列 键的输入端为发动机输出轴,输出端为离合器,花键结合长度取 l=86mm 工作齿高:1mm。 材料取低碳合金钢,表面渗碳淬火,表面硬度为 5864HRC。 花键联接的挤压强度和耐磨性校核公式:由 T=9550P/n=5.40N.M,取 0.7,Z=4,h=1mm,l=86mm, =16mm计算得:2.80MPa。 查表得此花键联接的许用比压 =3060MPa 。故此花键联接安全。12)轴承的选取与校核由输出轴直径与轴所受的载荷,初选轴承为 GB/T29219947004AC 角接触球轴承, 主要尺寸为 d=22mm,D=44mm,B=12mm.由于轴承所受的最大径向力 =126.8N, 轴向力主要为轴的轴向窜动,可认为126.8N。 由机械的工作情况查表可得 轴承在此离合器中寿命为 40008000h.n 取最高转速 8000r/min,=3,P=126.8N,此轴承的基本额定载荷 =10.5KN。 极限动载荷 =寿命系数,由轴承要求寿命查表取得 2.52转速系数,由输出轴最高转速查表取得 0.16动载荷系数,由轴承工作环境情况查表取得 1.4温度系数,由轴承估计工作温度查表取得 1 计算得 =2.796kN,得 ,故轴承满足工作条件。13)螺钉与垫片根 据 实 际 使 用 情 况 , 选 择 GB/T65 2000M4 开 槽 圆 柱 头 螺 钉 6 个 , M6 开 槽 圆 柱 头 螺 钉 一 个 , GB/T29.1 1988.M4 六 角 头 头 部 带 槽 螺 栓 两 个 ; GB/T894.1 1986A 型 轴 用 弹 性 挡 圈 一 个 ; GB/T952002C 级平垫圈七个;GB/T8551988双耳止动垫圈两个。14)胶粘剂的选择: 石棉与滑块,石棉与被动盘的连接均使用胶粘剂,根据离合器各项性能参数,为保证稳定持久和高强度粘接,选用热固性树脂:环氧聚硫橡胶类胶粘剂。五离合器性能曲线:由怠速为 2100r/min 时,离合器传递转矩为 0 结合转速 2625r/min 时, 126.8N, 可得离合器性能曲线如下:图 中 当 转 速 为 4400r/min 时 , 发 动 机 最 大 输 出 转 矩 =5.83N.m , 小 于 此 时 离 合 器 能 传 递 的 扭 矩7.116N.m,故此离合器性能符合使用要求。3.5 减速器的设计 减速器是手提式挖坑机的重要部件,它的外形尺寸和重量对整机的总重量影响极大,因此必须在速比范围、传动效率、自重大小以及制造难易、使用可靠性程度等综合指标来进行造型和设计。 目前国内常用的手提式挖坑机的减速器大致有摆线针轮行星减速器、少齿差星齿轮减速器和蜗杆减速器等形式。摆线针轮行星传动,简称摆线针轮传动。它与渐开线少齿差行星传动一样,同属于K-H-V型行星齿 轮传动。摆线针轮传动的主要特征是:行星轮齿廓为变幅外摆线的内侧等距曲线,中心轮齿廓为圆 形。摆线针轮减速器,利用摆线针轮行星传动原理制成的一种减速器 ,它的优点是减速比大、体积小、 重量轻、效率高等。一)ZB 型减速器1.摆线针轮行星减速器的结构特点ZB 型减速器是属于摆线针轮行星减速器型式。它不仅体积小、重量轻、结构紧凑,而且传递功率 大、承载能力高,与同功率的普通减速器相比,以传动比 i=5 为例,其重量可减少 1/2-1/6。传动效 率高。如果传动类型选择适当,结构布置合理,其传动效率可达到 99。传动比范围大,目前我国生 产的单级传动比 i=11-87;二级传动比 i=121-5133;三级传动比 i=20399。而且具有传动平稳、无噪 音、使用寿命长等优点。2 摆线针轮行星传动的传动比摆线针轮行星传动的原理图见图。摆线轮 a 是装在有偏心距 A 的输入轴上,当输入轴 H 旋转时,摆 线轮 a 不仅绕其安装在 H 上的轴线转动,而且同时随着 H 一起绕着固定的轴线 OH 迴转,即摆线轮 a 的 轴线 Oa 在半径等于偏心距 A 的一个圆周上运动。由此可知,摆线轮 a 同时具有自转和公转。在传动过程中,由于摆线轮的轴线 Oa 是运动的,所以其传动比不能用简单的齿数反比来表示。设图中各构件的绝对角速度分别为a、b 和H。根据相对运动的原理,若给整个行星传动比加上一个与转臂角速度H 大小相等而方向相反的角速度-H,则各个构件之间的相对运动关系保持不变。但是由 于加上-H 后转臂可视为静止不动,于是这个行星轮便转化为定轴传动。由于经转化后已把行星传动转化为定轴传动,故可应用计算定轴传动比的方法,计算行星传动转化 机构的传动比,所以aH式中: H-摆线轮加上- 后的角速度b H H-针轮加上- 后的角速度 a-摆线轮原来的绝对角速度 b-针轮原来的绝对角速度Za-摆线轮的齿数 Zb-针轮的齿数当针轮 b 固定时,b=0,一般都是针轮 b 固定,故传动比等于摆线轮的齿数,而摆线轮的转向与输入轮轴的相反。3.摆线针轮行星减速器的输出机构当输入轴 H 转动时,摆线轮 a 以绝对角速度a 转动,从而实现减速,但是摆线轮 a 的轴线是在 半径等于偏心距 A 的圆周上运动,为了把摆线轮 a 的运动以等速比传到输入轴 H 同轴线的输出轴 V 上去,必须加一个传动比等于 1 的等速传动机构,这种机构就是输出机构。摆线轮的角速度是通过孔销式输出机构传给输出轴的。这种机构的工作原理如图 1-28 和图 1-29 所示。图 1-摆线针轮行星传动结构示意图H.输入轴 V.输出轴 1.偏心套 2.摆线轮 3.针齿销(套) 4.柱销(套)摆线轮上沿直径 D的圆周上均布有 Z个直径为 d的圆孔(一般称为柱销孔),在输出轴的圆盘 上沿直径 D的圆周上均布有 Z个直径为 dp 的柱销,柱销上套有直径为 dp 的柱销套。带套的柱销分别 插在摆线轮的柱销孔中。孔径与柱销套外径的差值为偏心距 A 的两倍,即:d-dp=2A式中: d-柱销孔的直径 dp-柱销套的直径 A-偏心距当摆线轮转动时,柱销套与柱销孔保持接触并带动输出轴 V 运动,在设计时已使 OaB=OC=R=d/2;d-dp=2A,所以 BC=( d-dp)/2=A=OaO,这时销孔销轴,摆线轮和输出轴中心 B、C、Oa 和 O 构成 一平行四边形,不论摆线轮转到什么位置, OOaBC 总是平行四边形,所以 OC 的角速度始终等于 OaB 的角速度,而 OaB 的角速度就是摆线轮的角速度a,OC 的角速度就是输出轴的角速度v,故v=a。4.ZL 型摆线针轮行星减速器的结构形式 该型的减速器采用针轮固定,摆线轮旋转的传动方式,其传动比 i=25:1;所以摆线轮齿数 Za=传动比=25;针轮齿数 Zb=Za+1=26。 冻土挖坑机系两人操作便携式机具,要求重量轻、结构简单、性能可靠、便于维护。为此,在结构上采用了单摆线轮结构,输入轴两个偏心轴减为一个,这样不仅制造工艺简单,而且轴向尺寸缩 短,整体重量减轻。该型减速器采取间隔地抽去一个针齿形式,这样可使针齿套半径增大,故针齿销半径也可相应增 大,并可避免过渡的削弱针齿壳的强度。主要零件材料及热处理要求如下:柱销、柱销套、针齿销套、摆线轮,均选用 GCr15,硬度 HRC58-62。输入轴、输出轴,选用 40Cr 钢,调质硬度 HRC28-32。针齿壳、上壳体、下壳体,选用质轻的镁合金 ZM5。3.6 润滑与密封 本减速机采用油浴润滑,润滑油选择中极齿轮油。若在低温或高温环境以及在启动频烦的场合,须跟据情况重新选择适宜润滑油。对于本减速器,在严重恶劣负荷条件中工作时,推荐采用双曲线齿 轮油。密封件选择 J 型无骨架油封。 针齿壳上开有沟槽,油浸深度为 2040mm。3.7 摆线轮、针齿、柱销的计算 设计计算如下:(一) 已知条件1 发动机 本减速器与小型二冲程汽油发动机配套。 额定功率:N2=2.97(kW)2额定转速:n =87.5(s-1)传动效率: =1 2 3式中 1 离合器打滑损失的效率,取1 =0.96 2 轴承摩擦等损失的效率,取 2 =0.923 摆线轮传动效率,一般3 =0.920.97,取3 =0.94所以 =1 2 3 =0.960.920.94=0.832 动力参数 输入轴:功率 NH=Ne1 =2.970.96=2.85kWHe转速 转矩 输出轴:转速 nv=3.5(s-1)转矩 T = 159.18Z a(二) 确定传动的结构型式根据手提式挖坑机使用要求,选用立式、一个摆线轮、针轮固定的结构型式。(三) 确定摆线轮、针轮的齿数和主要零件的材料 摆线轮齿数 Za=25针轮齿数:Zb=26主要零件材料 GCr15,HRC60-64 针齿壳材料镁合金材料 针齿套材料GCr15,HRC58-62 柱齿销材料GCr15,HRC60-64 柱销材料GCr15,HRC60-64 柱销套材料 GCr15,HRC58-62.(四) 确定针轮直径 DZ用经验公式估算 (4-1)式中TV 输出转矩(Nm),TV =129.62(Nm)取 DZ=140mm(五) 确定短幅系数 K1 和偏心距 e因 Zb=26,故可先取 K1=0.65则 :圆 整 成 尾 数 为0.5mm的 倍 数 ,即可取e=2mm ,则 短幅系数为:D1 = (0.4 0.5)DZ = (0.4 0.5) 140 = 56 70mm (4-2)初选摆线轮的宽度 bg =0.15RZ=0.1570=10.5mm (4-3)F = 1.2 R = 1.2 1853.9 = 2224.71N取 Lh=5000h,所以.轴承选择根据手册查的,42305 型轴承的特性额定动载荷 C=24.133(kN) 轴承外径D1=0.062m 轴承内径d=0.025m 轴承宽度b=0.017m 滚子长度 lbc 取 l=8mm4.计算轴承寿命(七)确定针齿尺寸1.按曲率半径系数Y 计算针齿套直径 dz。 (4-4)式中 DZ 针轮直径, DZ =140mm取 d z =11mm验算是否产生根切和尖角amin = 0.1225Y = 0.0627所以不会产生根切.在 rz 一定时,由于根据 RZ 和 Zb 所求得的 K 2 较大,故可不抽齿.z(4)针齿销直径 d z取 1 =2mm,且知 d z =11mm 所以 d =11-22=7mm 双支点式针齿销 (4-5
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