2F-1.5型有机肥撒施机的设计
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毕业设计中文摘要2F-1.5型有机肥撒施机的设计摘要有机肥在我国使用历史悠久,但我国的相关的机械设备发展仍比较落后,抛撒需要大量人力物力,效率低下且效果并不理想,结合我国目前的人均耕地面积小的实际情况,设计适合的有机肥撒施机具有重要意义。本次设计的目标是设计一台牵引式的固态有机肥撒施机,在查阅大量资料和文献的基础上,最终确定了要设计一个容量为2m,撒施幅宽为1.5m,工作效率为一小时22亩的有机肥撒施机。选择方形肥箱,输送装置为刮板输送装置,选择液压马达驱动并且用链传动达到减速和运行的目的。选用高强度圆环链作为输送链条,驱动链轮的窝眼数确定为6,链传动传动比为6,传动轴直径选择为55mm。抛撒装置选用圆盘抛撒,抛撒圆盘的直径为0.5m,两抛撒圆盘中心距为0.5m,抛撒圆盘距地面的高度为0.4m,抛撒圆盘转速为135r/min,拖拉机动力输出轴输出的动力通过一个万向节,经过一个输入齿轮箱,完成第一次减速,又经过两个相同的抛撒传动齿轮箱,完成第二次减速,带动圆盘转动。选用三组相同的锥齿轮减速器,传动比为2。 关键词:有机肥;撒施机;输送装置;抛撒装置Design of 2F-1.5 type organic fertilizer applicatorAbstractOrganic fertilizer has a long history of use in China, but the development of related machinery and equipment in China is still relatively backward. Dispersal requires a lot of manpower and material resources, the effect is not ideal. Combined with the actual situation of the small per capita arable land area in China at present, it is of great significance to design suitable organic fertilizer applicator.The goal of this design is to design a tractor-type solid organic fertilizer spreader. It is finally determined to design a capacity of 2m, the width of the spreader is 1.5m, and the working efficiency is 22 mu per hour.Choose square fertilizer box, conveying device for scraper conveying device, choose hydraulic motor drive and chain drive to achieve the purpose of deceleration and operation. The high strength circular chain is selected as the conveying chain. The number of holes in the drive sprocket is determined as 6, the chain transmission ratio is determined as 6, and the diameter of the drive shaft is selected as 55mm.Dispersing device adopts disc dispersing device. The diameter of the dispersing disc is 0.5m, the center distance between two dispersing disks is 0.5m, the height of the dispersing disc is 0.4m, and the speed of the dispersing disc is 135r/min. The output power of the tractor passes through a universal joint and an input gearbox .The second deceleration is completed through two identical spreading transmission gearboxes to drive the disc to rotate. Choose three groups of the same bevel gear reducer, transmission ratio is 2.Key words: organic fertilizer; Spreader;Conveying device; Scatters device毕业设计英文摘要目 录1 绪论11.1 研究的背景及意义11.2 国内外有机肥撒施机研究现状21.2.1 国外有机肥撒施机研究现状21.2.2 国内有机肥撒施机研究现状41.3 研究的主要内容和技术路线51.3.1 研究的主要内容61.3.2 研究的技术路线62 有机肥撒施机的工作原理及整体设计82.1 有机肥撒施机的工作原理82.2 有机肥撒施机的整体设计82.2.1 肥箱的选择82.2.2 输送装置的选择82.2.3 抛撒装置的选择93 撒施机输送装置的设计93.1 刮板设计93.2 链条的选择103.3 驱动链轮的设计123.4 传动机构的设计133.5 传动轴的校核174 撒施机抛撒装置的设计194.1 圆盘的选择194.2 传动机构的设计194.2.1 锥齿轮减速器的设计194.2.2 轴的设计275 结论30参 考 文 献32致 谢352F-1.5型有机肥撒施机的设计1 绪论1.1 研究的背景及意义早在距今9000年左右的“新石器时代”中国农业就已经起源,在夏商周时期就奠定了农业社会基础,肥料使用历史悠久,其中有机肥占据主要位置。早在二三千年以前的奴隶社会中就有了锄草肥田这一类的文字记载。随后,战国时期的荀子富国篇中记载:“地可使肥,多粪肥田”;魏晋时期撰写的齐民要术中也讲述了 “踏粪法”;明代宝坻劝农书中也明确记载了“蒸粪法、煨粪法、窖粪法”等有机肥制造方式。现在,农村人口有9亿,占全国总人口总数的70之多,农业人口有7亿,占产业农人口数的50.1。随着人民生活水平的提高和农业生产技术的发展,有机肥快速走进了人们的视野。很多种植户和养殖户都选择有机肥作为肥料的一种。市场上的有机肥是把动植物的废弃物经过高温发醇灭菌处理后的一种肥料,消除了其中的有害物质,有机质含量较多,含量大部分都在40%以上,氮、磷、钾含量在5%以上。有机肥种类繁多、性质各异,但有共同的特点:资源丰富,种类多数量大,来源广;有机质含量高,养分齐全营养全面;肥效稳定,作用时间长,有后劲;肥田养地,有利于保护生态环境。有机肥的生产与应用符合我国现代高效、环保农业发展需求。有机肥使用范围广,撒施量大,但目前我国主要的耕作方式还是以家庭为单位,耕地面积小且不集中,在有机肥撒施技术装备方面还比较缺乏,传统的有机肥撒施方式主要还是依靠人工手动抛撒,这种方式劳动强度大且效率低下,撒施不均匀,人工成本很高,降低了人们对于使用有机肥的积极性,导致有机肥的使用受到了很大的限制,已经不能够适应现代生态农业的需求。使用有机肥撒施机可以有效地减轻工人的劳动强度,节约劳动力,节省劳动成本,使得效率更高,撒施均匀性更好,农产品质量也得到很大提升。有机肥撒施机在使用过程中需配有相应的牵引动力设备,而拖拉机也是农业生产中常用的牵引动力设备。近年来,国家积极出台各种相关政策,给予农机购置补贴,且比率不断增长,减轻了人们购置农业机械的负担,提升了人们对于机械抛撒有机肥的热情,有机肥使用更加被大众接受。为了解放生产力,提高生产效率,结合农业现代化需求,需要设计新型高效的有机肥撒施机,有机肥撒施机的使用是符合我国国情的,适应市场需求的。在设计过程中,充分考虑机构的经济性和实用性,还要做到输送量稳定,抛撒均匀,不断改进结构,以达到有机肥撒施机械化,减轻人力物力,符合农业现代化要求。1.2 国内外有机肥撒施机研究现状1.2.1 国外有机肥撒施机研究现状在早期农业生产中,人们几乎只使用有机肥料,由于有机肥需求量大且撒施难度大,而人工撒施效率低下,早在19世纪70年代就研制出了简易的畜拉式有机肥撒施机这类较为自动化的机械,依靠马匹来拉动作业。经过工程师们不断地完善,到了20世纪70年代就基本实现了有机肥撒施的全程机械化作业,如今已经达到较高技术水平,朝着大型化和智能化的方向发展。根据有机肥的物理形态不同,可以分为液态有机肥撒施机和固态有机肥撒施机;根据撒施机的行走方式不同,又可以分为自走式撒施机和牵引式撒施机10。液态有机肥撒施机一般包括罐体、抽吸装置、撒施装置以及行走平衡系统四大部分。目前有三类液态有机肥撒施机,这几类机械用罐装肥料,而后通过泵将肥料输送至各个抛撒管道中,将液态有机肥直接注入土壤中,第一种为管道式,第二种为鞋靴式,第三种为楔形式,其中,楔形式效果最好,肥料损失和对环境的污染都比较小1。现在,液态有机肥撒施机的容量更加大,功能更加全面更加多样化且作业更加精准,施肥更加精细,避免了更多不必要的浪费。例如美国研制的Nutri-Placer型液态有机肥撒施机5罐体容量可达7.7m,撒施幅宽可达19.8m。但是液态有机肥撒施机结构复杂,而且液态有机肥的处理比较麻烦并且需要特定的场所和装备,所以应用并不广泛13。图 1 液态有机肥撒施机固态有机肥撒施机一般包括肥料箱、肥料输送装置以及肥料抛撒装置。根据抛撒装置的驱动方式的不同可分位地轮驱动和拖拉机动力输出轴驱动两类。地轮驱动式撒施机在小型撒肥机上应用较广10,主要包括机架、肥料箱、地轮、输肥装置以及撒肥装置,输送装置和抛撒装置的动力均由地轮提供,通过拖拉机牵引,一侧地轮通过链传动将动力传递给输送链板,另一侧的地轮将动力传递给抛撒装置,完成整个将肥料输送至抛撒装置并均匀抛撒的过程。拖拉机动力输出轴驱动式有机肥撒施机主要应用于大型撒肥机上,工作效率高且撒施均匀性好。常见应用广泛的肥料输送装置有刮板式输送装置、螺旋式输送装置两类;抛撒装置有圆盘式和螺旋式两种。圆盘式抛撒装置在工作时通过螺旋或刮板输送装置将肥料输送至肥箱后部的抛撒圆盘,由拖拉机后动力输出轴驱动圆盘转动,将肥料均匀抛撒出去,有较高的工作效率。这类撒施工作幅宽较大,但由于结构限制,撒施量比较少,适合撒肥量要求小的田地。国外较为先进的机型有英国Kverneland公司生产的EL系列撒肥机12,如图2所示。该系列机型采用双圆盘结构,结构紧凑,肥箱容量最大可达1.4m工作幅宽最大达到21m。 图 2 EL系列双圆盘式有机肥撒施机螺旋式有机肥撒施机又分为横轴螺旋和竖轴螺旋两种,比较适用于平原和大面积的农场,需要大型的牵引设备来牵引5,撒肥量一般较大,肥料箱里的肥料经过输送装置输送至螺旋抛撒装置,经过螺旋抛撒辊的高速旋转均匀抛撒至田地。与横轴螺旋相比,竖轴螺旋功耗较大,但抛撒幅宽也比较大,效率更高,应用更为广泛。较为先进的机型有法国库恩公司ProPush系列竖轴螺旋式有机肥撒施机5,如图3所示,液压推进式的肥料输送装置可以撒播所有类型的固态物料,输送平稳快速,配合立式抛撒器,抛撒更加均匀,最大程度地利用肥料的营养价值。 图 3 ProPush系列竖轴螺旋式有机肥撒施机1.2.2 国内有机肥撒施机研究现状在国内,有机肥撒施机研究起步较晚,研究比较落后,一直到20世纪初期,仍然是靠原始的人工抛撒这种消耗人力物力的方法实现有机肥在田地的撒施,劳动强度大成本高,效率低下,近年来,国家大力发展绿色农业、生态农业,农业机械化研究开始起步,在农村劳动力越来越紧缺的情况下,有机肥撒施用机械代替人工成为满足以上政策的必备条件3。我国对于液态有机肥撒施机的研究起步较晚,20世纪50年代中期才开始使用手动喷雾施肥器;到了60年代中期开始引进国外先进的动力设备;直到80年代初期,才开始自发研制国产机械,经过研究人员的不断努力,相继研制出了不同型号的液态有机肥撒施机1。例如,新疆石河子原农业局研制出2FY-16型悬挂式液态有机肥撒施机7;第一师第一团研制出2FYA-4.2-2 型液氨施肥机1;黑龙江省农业机械科学院研制出 FY-400 型多功能液态施肥机等等机型1。但这些机型在实际使用过程中都存在或多或少的问题,如工作效率低下、排肥不稳定、肥料浪费严重等,与国外同类型撒施机相比差距仍然较大。目前,我国的液态有机肥撒施机主要还是依赖于进口,自主研发的先进机型很少。目前我国较为先进的2FYP-12型液态有机肥撒施机如图4所示。 图 4 2FYP-12型有机肥撒施机对于固态有机肥撒施机,近十年以来,在国家相关政策的支持下,研究和研制开始起步,特别是2010年后,国内有机肥撒施机的研究快速发展,但主要还是以仿制改进国外有机肥撒施机为主。研发的主要机型有:吉林大学生物与农业工程学院研制的2SF-2型变量深施肥机7;吉林农业大学研制的NSJ-B型有机肥撒施机Error! Reference source not found.,如图5所示;新疆农五师九十团农机部研制的2FQ-1.8型有机肥撒施机等5。目前较为典型的螺旋式有机肥撒施机如图6所示,圆盘式有机肥撒施机如图7所示。 图 5 NSB-J型有机肥撒施机 图 6 螺旋式有机肥撒施机 图 7 圆盘式有机肥撒施机 1.3 研究的主要内容和技术路线1.3.1 研究的主要内容 为了解放生产力,提高生产效率,随着现代农业科技和生产技术的全面快速发展,结合农业现代化需求以及我国具体国情,需要设计新型高效的有机肥撒施机。有机肥撒施机的设计和使用是符合我国国情的,适应市场需求的。在设计过程中,不仅要充分考虑机构的经济性和实用性,还要做到输送量稳定,抛撒均匀,不断改进结构,以达到有机肥撒施机械化,减轻人力物力,提高撒施均匀性及生产效率。 参考国内外已有的有机肥撒施机的成熟机型以及我国的标准,结合我国国情及实际的使用情况,设计一种牵引式有机肥撒施机,工作幅宽为1.5米,容量为2立方米,工作效率为一小时22亩,对其中的主要部件进行设计。主要研究内容如下:1).通过查阅资料,了解有机肥撒施机的发展,结构及工作原理等。根据这些内容选择合适的参数,对有机肥撒施机进行整体设计。2).根据整体的规划对输送装置进行设计,确定具体的设计方案,选择合适的传动机构,驱动方式,传动装置并进行校核。3).对抛撒装置进行设计,确定合适的抛撒形式,选择驱动形式,设计抛撒装置等并进行校核。4).根据具体的设计及计算数据绘出相应的装配图及零件图,完成设计说明书。1.3.2 研究的技术路线根据本课题的研究目标和内容,制定研究的技术路线如图8所示:开始确定课题查阅文献确定总体设计方案方案预估N设计有机肥撒施机Y整体结构设计抛撒装置的设计输送装置的设计结论结束图 8 研究的技术路线图352 有机肥撒施机的工作原理及整体设计2.1 有机肥撒施机的工作原理本次的设计目标是设计一个牵引式的固态有机肥撒施机,大体上由牵引杆、肥料箱、输送装置、抛撒装置、传动装置几部分组成。本次设计主要是对输送装置、抛撒装置以及他们的传动部分进行设计。输送装置用液压马达驱动,将肥料输送至肥箱后侧,再经由抛撒装置均匀抛撒出去。2.2 有机肥撒施机的整体设计2.2.1 肥箱的选择肥料箱的设计应考虑到需要的容量,所装肥料的特性等问题,考虑到我国人均耕地面积小,大部分是小块地的现状,抛撒幅宽不宜过宽,设计目标幅宽为1.5m,肥箱的容积为2m。根据我国对于车辆规格及道路宽度的相关规定,普通车辆的宽度一般在1.61.8m,较大型的物流运输车宽度一般不超过2.5m,除此之外,由于乡村道路宽度大多是在4m左右,为了保证所设计的牵引式有机肥撒施机能正常通过道路到达田间,将肥料想宽度设计为1m,为了保证容量,长度设计为2.8m,高度设置为0.6m。采用方形肥料箱,避免了V形肥料箱容易产生的肥料由于湿度太大而导致的粘连等问题。在肥料堆积时,堆积容量可以达到2m。在肥料箱前面还要安装一个高的防护网,可以防止肥料在撒肥过程中飞溅到前方,避免驾驶员受到伤害,也可以减少肥料的损失。肥料箱的底板采用高锰钢板,强度高,耐磨性好使用寿命长。2.2.2 输送装置的选择输送装置根据输送的形式不同主要有刮板输送装置以及螺旋输送装置两类3,螺旋输送装置输送能力强,但由于肥料和螺旋叶片摩擦力大,所以单位动力消耗大,易磨损,且输送过程中容易引起堵塞。在两个螺旋输送搅龙之间容易产生死角,有肥料残留,造成肥料浪费。刮板输送装置则很好的避免了螺旋输送装置的缺点,可以输送粉状,颗粒以及小块状物料,同时也可以很好的照顾到废料箱底部的每一个位置,不容易产生死角导致肥料残留。同时,刮板输送装置结构简单,输送能力强,运行平稳,所以,本次设计采用刮板输送装置对肥料进行输送。2.2.3 抛撒装置的选择肥料抛撒装置根据抛撒形式的不同可以分为螺旋抛撒和圆盘抛撒两类10。螺旋抛撒装置又分为横轴螺旋和竖轴螺旋两大类,撒肥量一般较大,工作效率高,与横轴螺旋相比,竖轴螺旋抛撒幅宽更大,效率更高,应用较广泛。但螺旋式抛撒方式一般比较适用于平原和大面积的农场,需要大型的牵引设备来牵引。圆盘抛撒装置圆盘式抛撒装置在工作时刮板输送装置将肥料输送至肥箱后部的抛撒圆盘,由拖拉机后动力输出轴输出动力驱动圆盘转动,利用离心力和肥料与圆盘之间的摩擦力等力将肥料均匀抛撒出去,有较高的工作效率。这类撒施机由于结构限制,撒施量比较少,适合撒肥量要求小的田地。根据以上,本次设计选择圆盘抛撒装置,为了是撒施更加均匀,提高作物产量,减少肥料浪费,采用双圆盘抛撒。2.3 本章小结本章介绍了此次要设计的固态有机肥撒施机的工作原理,查阅资料和文献,根据实际情况,完成了撒施机的总体设计,确定了肥箱的形态大小为2.8m1m0.6m的方形肥箱,选择肥料输送装置为刮板式输送装置,肥料抛撒装置为双圆盘式抛撒装置。3 撒施机输送装置的设计3.1 刮板设计根据总体设计方案,肥料箱长度2.8m,所以刮板需要运行的长度也是2.8m。为了防止刮板和肥料箱的侧壁摩擦阻力过大,导致磨损,减少使用寿命,需要在肥料箱侧壁和刮板之间留有一定的间隙。然而,间隙过大又会导致肥料遗漏在肥料箱侧壁,导致漏刮,造成肥料的浪费,所以要选择合适的间隙值,以确保肥料没有浪费的同时保证输送正常且装置使用寿命长。查阅文献11,目前,刮板输送装置中刮板长度与料箱侧壁之间的间隙值合理的选择参考表1。表 1 刮板长度与料箱侧壁间隙值肥料箱宽度/mm1201602002503204005006308001000间隙值/mm7.5101015151515202020根据总体设计,选择4号角钢作为刮板材料,刮板的各参数表2所示。表 2 所选刮板各参数刮板长度/mm刮板高度/mm刮板宽度/mm刮板厚度/mm刮板间隔/mm刮板个数/个9402044370153.2 链条的选择由于肥料箱的大小不一,刮板输送装置会有单链、双链、多链之分,考虑到本次设计的肥料箱较大,所以选择双链。刮板输送装置的链条大多运用高强度圆环链,它具有很好的耐磨性,使用寿命长,强度高,本次设计选用1040高强度圆环链。图 9 高强度圆环链要保证肥料输送稳定,输送装置机械使用寿命长,就需要保证圆环链强度够高,需要对圆环链进行校核。肥料输送装置整体受力图如图10所示。 图 10 刮板输送装置受力图 根据中华人民共和国国家标准(GB/T13566.1/ISO3944:1992)肥料 堆密度的测定规定,肥料的堆积密度是760kg/m,按照肥箱满载来计算,肥料的质量m0:(3.1)式中:肥料堆积密度,760kg/m;肥料箱满载时肥料的体积,2m;查机械手册和计算,可以得到圆环链和刮板的总质量为m1为72kg。则刮板输送装置运行过程中所受的最大阻力Wf:(3.2)式中:m0肥箱满载时肥料的质量,1520kg;m1刮板和链条的总质量72kg;g重力加速度,取9.8m/s;f肥料与肥料箱底板的摩擦系数,取0.7;f1圆环链与肥料箱底板的摩擦系数,取0.4;刮板输送装置运行过程中所受到的总阻力W: (3.3)式中:f附加阻力系数,取1.1;Wf刮板输送装置运行过程中所受的最大阻力;所以,刮板运输装置运行过程中所受的总阻力为11.78kN,查阅机械设计手册,得到圆环链的安全系数n: (3.4)式中:i刮板链的链条数;Sp链条短破负荷,kN;链条的负荷不均匀系数;S圆环链所承受的最大的牵引力,kN;由于装置采用双圆环链,所以i取2,根据查阅资,可以得到1040高强度圆环链的短破负荷为130KN,链条的不均匀系数取0.85,圆环链所承受最大牵引力为11.78KN,则:满足强度要求。3.3 驱动链轮的设计圆环链链轮齿数过多时会导致尺寸过大,进而导致肥料输送速度过大,为了避免这一现象,选择链轮齿数为6。则链轮的中心夹角得半角: (3.5)式中:Z链轮的齿数,z=6;则=30。链轮的节圆直径D0: (3.6)式中:P圆环链的节距,mm;d圆环链的直径,mm;链轮中心夹角的半角,30;由于圆环链条选用的是1040高强度圆环链,查阅手册,可以得到链条的节距P为40mm,直径d为10mm,则D0=159.3mm。链轮的节距P0: 链轮的齿顶圆直径Dc: 图 11 圆环链轮3.4 传动机构的设计查阅资料可知19,根据我国标准,牵引式有机肥撒施机作业时行驶速度大约在612km/h,综合考虑后选择撒施机行进速度为10km/h。有机肥撒施机撒施的目标幅宽为1.5m,则抛撒一公顷田地所需要的时间t: (3.7)式中:S0一公顷的面积,10000;B抛撒的目标幅宽,1.5m;V拖拉机行驶速度,m/s;则t=2400s。每公顷田地需要抛撒的有机肥量应该控制在10t40t之间,而有机肥的堆积密度在760kg/m,所以每公顷土地所需要抛撒的有机肥体积应该保持在13.16m52.63m之间。则刮板的运行速度v0: (3.8)式中:V撒施每公顷土地需要的有机肥体积,m;B0肥料箱的宽度,m;H0肥料箱的高度,m;T抛撒一公顷田地所需要的时间,s;根据设计目标,肥料箱的宽度为1m,高度为0.6m所以,刮板的运行速度:传动机构的驱动力由拖拉机的液压系统通过一个液压马达来传递,通过减速后将动力传递给传动系统,带动驱动链轮从而带动刮板进行运动,传动方式选择链传动。 链传动中传动轴的转速n0: (3.9) (3.10)式中:v0刮板运行速度,mm/s;r0驱动链轮的节圆半径,r0=D02,mm;则传动轴转速n0=1.31r/min5.26r/min。初选链传动传动比i=6,则液压马达转速n=7.89r/min31.55r/min,由于拖拉机液压系统额定压力为16MPa,流量Q为26.4L/min,所以当选用的液压马达转速n最大时所需要的排量q: (3.11)式中:Q拖拉机液压系统流量,L/min;所以,q=836.77ml/r,综合考虑成本和使用情况,选用液压马达的型号为BM6-800,排量为800ml/r。刮板传动所需要的功率P: (3.12)式中:W刮板输送装置运行过程中收到的总阻力,kN;v0刮板运行速度,m/s;得出,刮板传动所需要的功率p=0.13kW0.52kW。根据链轮传递功率P和小链轮的转速n0,查机械设计手册可得,应选取型号为16A的滚子链,他的节距p=25.4mm,滚子直径d1=15.88mm,综合考虑空间和成本,选取小链轮齿数为9齿,则小链轮的分度圆直径d1: (3.13)式中:P滚子链节圆直径,mm;z1小链轮齿数;则可以得出,小链轮得分度圆直径d1=74.26mm。小链轮齿顶圆直径d1: (3.14)得出,小链轮齿顶圆直径d1=83.5mm。 小链轮的齿根圆直径 df1: df1=d1-d=58.38mm (3.15)图 12 小链轮根据小链轮的尺寸参数及传动比,可以得到大链轮的参数,大链轮齿数z2=iz1=54,则大链轮分度圆直径d2: =436.84mm (3.16)大链轮齿顶圆直径d2: (3.17)大链轮齿根圆直径 df2:df2=d2-d=460.96mm (3.18)根据计算得出的数据,可以中心距: (3.19)可以得到a0=(30-50)25.4=762-1270mm,取中心距=800mm,得出相应的链节数Lp: (3.20)式中: 链条中心距,mm;P链条节圆直径,mm;z1小齿轮齿数;z2大齿轮齿数:则可以得到选用的滚子链相应的链节数Lp=95.8,取96节。图 13 大链轮3.5 传动轴的校核刮板输送装置的传动轴由两个滑动轴承支撑,通过键与驱动链轮以及传动机构的大链轮链接,主要承受扭转作用力,设计合适的轴可以提高运行的平稳程度,增加可靠性,增长使用寿命。轴的材料用45号钢,轴的直径d: (3.21)式中:P轴传递的功率,kW;n轴的转速,r/min;查阅机械设计手册,得到45号钢的A0应取126103,这里的轴主要受扭矩作用,A0取较小值110,则可以得到轴的直径d53.17mm,初选d=55mm。1)强度校核传动机构的扭矩通过大链轮传递给传动轴,传动轴又带动驱动链轮开始旋转从而带动刮板运动,因此在传动轴在大链轮处所受扭矩最大,该界面是危险截面,由于在输送过程中所承受的最大阻力为11.8kN,驱动链轮节圆直径为159.3mm,大链轮处所受的最大扭矩为:T=11.8159.32=939.87Nm。扭转应力: (3.22) (3.23)式中:T危险截面处所受最大扭矩,Nm;W轴的抗扭截面系数,mm;d轴的直径,mm;可以求得,危险截面处扭转应力=28.7MPa。扭转时安全系数:(3.24)式中:-1轴的扭转剪切疲劳极限,查机械设计手册取155MPa;K疲劳极限的综合影响系数,查手册取1.62;a轴所受扭转剪切交应变的应力幅值,a=m;扭转时的平均应力折合为应力幅的折算系数,查手册取0.07;m轴所受扭转剪切交应变的平均应力,m=2=14.35MPa;得到扭转时轴的安全系数S=6.39S=1.5。强度满足要求2)刚度校核由于轴主要受扭转作用,轴的截面的扭转角: (3.25)式中:T轴所承受的扭矩,NmmG轴材料的剪切弹性模量,MPa,查机械设计手册,得到G=8.1104 MPa;Ip轴截面的极惯性矩,mm4,对于圆轴, ;得到轴的截面的扭转角=0.74/m,刚度满足要求。4 撒施机抛撒装置的设计本次设计的目标是设计一个双圆盘抛撒装置,目标抛撒幅宽为1.5m,抛撒装置的动力由拖拉机后动力输出轴提供,为了撒施机可以更好地推广,选用我国保有量较大的铁牛55(56)拖拉机作为配套设备,最大功率为48kw,后动力输出轴转速为540r/min。4.1 圆盘的选择采用双圆盘结构,每个圆盘上均匀分布两对推肥板,推肥板材质采用角钢。由于刮板的长度为0.9m,为了保证肥料可以全部落在抛撒圆盘上,避免造成浪费,圆盘的半径取0.5m,两圆盘圆心距为0.5m,圆盘距地面的距离根据资料结合实际情况,取0.4m,本次设计目标撒施幅宽为1.5m,假设有效撒施幅宽为实际撒施幅宽的60,则实际撒施幅宽为2.5m。根据已选的牵引装备,拖拉机动力输出轴转速为540r/min,拖拉机动力输出后,经过万向节和减速器将动力传送到圆盘上,根据实际情况,选取减速器总传动比为4,则圆盘上的实际转速为135r/min,此时圆盘抛撒装置的实际抛撒幅宽为2.52m。4.2 传动机构的设计4.2.1 锥齿轮减速器的设计抛撒装置的动力来源是拖拉机的动力输出轴,动力输出后带动万向节和锥齿轮减速器最终带动圆盘转动,传动比为4:1,传动系统的结构图如图14所示。 图 14 抛撒装置传动结构图由图可知,拖拉机动力输出轴输出的动力通过一个万向节后,先经过一个输入齿轮箱12,完成第一次减速,然后又经过两个相同的抛撒传动齿轮箱34,完成第二次减速,这两个抛撒锥齿轮减速器最终带动圆盘转动,完成均匀抛撒过程。整个机构总的传动比为4:1,则第一组锥齿轮减速器的传动比i1与第二组锥齿轮减速器传动比i2均为2,为了简化设计和装置的结构,两组减速器采用同样的齿轮大小。假设肥料颗粒落在抛撒圆盘上的a点,根据以下公式可以求出该肥料颗粒飞离圆盘所需要的时间t: (4.1) (4.2) (4.3) (4.4)式中:r0a点据抛撒圆盘圆心的距离,mm;F辅助摩擦系数,取0.4;可以得出k=0.02m;1=9.57;2=-20.87;t=0.16 s。从而可以得出,抛撒圆盘从肥料落在圆盘上到肥料飞出圆盘所转过的角度 (4.5)得到=129.7,取=100。降落在a点的肥料颗粒飞出圆盘时的相对速度: (4.6)为了提高肥料撒施的均匀性,撒肥叶片通常与抛撒圆盘直径之间成一定角度,这里取=15,肥料颗粒飞出抛撒圆盘时的绝对速度: (4.7)将t=0.16s带入,得到vr=2.41m/s;va=4.76m/s。(1)计算各轴的输入功率首先应计算抛撒圆盘上所消耗的功率; (4.8) (4.9)式中:m有机肥撒施机一公顷田地所能撒施的有机肥质量,kg;t有机肥撒施机撒施一公顷田地所需要的时间,s;va绝对速度,m/s;在整体设计中,我们明确一公顷撒施肥料质量最大可达40t,需要1200s,代入得抛撒圆盘上所消耗的功率P=0.5035kw。则每个抛撒圆盘所消耗的功率: (4.10)式中:k功率分配不均匀系数,取1.1;得出每个抛撒圆盘上消耗的功率为0.28kw。则每个轴上的输入功率: (4.11) (4.12) (4.13)拖拉机动力输出轴的输入功率: (4.14)式中:1滚动轴承效率,取0.99;2锥齿轮传动效率,取0.963万向节传动效率,取0.97;计算得出各轴的输入功率:PIII=0.28kw;PII=0.59kw;PI=0.62kw;P0=0.64kw。各轴的转速:n0=n1=540r/min; n2=270r/min; n3=135r/min。各轴的输入转矩可以根据公式得出: (4.15)代入得:T0=11.29N/m;TI=10.95N/m;TII=20.82N/m; TIII=19.79N/m。(2)锥齿轮减速器的设计:减速器的传动比i=2,输入功率PI=0.62kw,主动轮转矩TI=10.95N/m,主动轮转速n1=540r/min。选用直齿圆锥齿轮传动,压力角取为=20,小齿轮材料为45号钢调质处理,硬度为240HBS,大齿轮材料为45号钢正火处理,硬度为200HBS,初选7级精度。选小齿轮齿数z1=24,则大齿轮齿数z2=z1i=242=47。按齿面接触疲劳强度设计小齿轮分度圆直径: (4.16)式中:KHt=1.3;R齿宽系数,取0.3;ZH区域系数,取2.49;ZE-材料的弹性影响系数,取189.8MPa;计算重合度系数Z:计算分锥角 (4.17) (4.18)计算得出:1=27.05;2=62.95。当量齿数: (4.19) (4.20)当量齿轮重合度: (4.21) (4.22) (4.23) (4.24)计算得到:Zv1=26.95;Zv2=103.35;a1=28.98;a2=22.80;av=1.42;重合度系数Z=0.93。将以上数据代入式4.28,计算得出小齿轮分度圆直径d1t65.59mm圆周速度v当量齿宽系数d载荷系数KH: (4.25)式中:KA使用系数,取1;KV动载系数,取1.08;KH齿间载荷分配系数,取1;KH齿向载荷分布系数,取1.27;则实际载荷系数KF=1.37。按实际载荷系数求分度圆直径:计算模数取标准模数m=3mm。确定传动尺寸实际传动比:大端分度圆直径:齿宽中点分度圆直径:锥顶距:齿宽:取b=24mm。齿根弯曲疲劳强度条: (4.26)圆周力: (4.27)查机械设计手册可以得出:YFa1=2.57,YFa2=2.18YSa1=1.6,YSa2=1.79圆周速度: (4.28)宽高比: (4.29) (4.30)载荷系数: (4.31)式中:KV动载系数,根据圆周速度和精度等级取1.05;KF齿间载荷分配系数,取1.2;KF=1.261,结合宽高比,查手册得KF=1.051。则载荷系数KF=1.324。查手册可以得到:小齿轮得齿根弯曲疲劳极限大齿轮的齿根弯曲疲劳极限弯曲疲劳系数取弯曲疲劳安全系数S=1.25,则: (4.32) (4.33)综上,可以求出齿根弯曲疲劳极限;齿根弯曲疲劳强度满足要求,可以选用7级精度。由于传动装置中的齿轮减速箱的传动比相同,为了简化设计和装置的结构,均采用同样的减速器,齿轮大小和参数均相同。(3)齿轮的其他参数的计算:计齿根高:齿顶高:全齿高:齿厚:齿顶圆直径: 齿根圆直径: 齿顶角: 齿根角齿顶锥角:齿根锥角:4.2.2 轴的设计(1)I轴轴传递的扭矩T1=10.69Nm,轴传递的功率PI=0.62kW,轴的转速n1=540r/min。初步估算轴的最小直径: (4.34)式中:P轴传递的功率,kW;n轴的转速,r/min;取A0=110,则计算得d11.52mm。该轴通过万向节与拖拉机动力输出轴连接,根据相关规定,与铁牛55配套的万向节为18马力级十字轴、活节叉、自由伸缩轴与介轴,其中活节叉的花键槽为8-38326,所以取d=38mm。 图 15 I轴简图图中各数据如下:轴的各段直径:d=38mm d1=43mm d2=47mm d3=50mm d4=55mm;轴的各段长度:a=100mm b=40mm c=30mm。II轴上与齿轮1配合的键选用A型键,查设计手册得bh=10mm8mm(GB/T1096-2003),键长24mm。键的工作长度l=L-b=14mm。(2)II轴轴传递的扭矩TII=20.82Nm,传递的功率PII=0.59kW,转速n2=270r/min,A0取115,根据式4.34,可以求得II轴的最小直径:取d=17mm。 图 16 II轴简图图中各数据如下:轴的各段直径:d=d9=17mm d1=d8=20mm d2=d7=23mm d3=25mm d4=27mm d6=30mm d5=35mm;轴的各段长度:a=d=85mm b=230mm c=320mm。II轴上与齿轮3配合的键选用A型键,查设计手册得bh=8mm7mm(GB/T1096-2003),键长24mm。键的工作长度l=L-b=16mm;II轴上与齿轮2配合的键选用A型键,查设计手册得bh=8mm7mm(GB/T1096-2003),键长24mm。键的工作长度l=L-b=16mm。(3)III轴轴传递的扭矩TIII=19.79Nm,传递的功率PIII=0.28kW,转速n3=135r/min,A0取115,根据式4.34,可以求得III轴的最小直径:取d=16mm。 图 17 III轴简图图中各数据如下:轴的各段直径:d=d5=16mm d1=d4=20mm d2=23mm d3=27mm ;轴的各段长度:a=62mm b=15mm c=50mm。III轴上与齿轮4配合的键选用A型键,查设计手册得bh=6mm6mm(GB/T1096-2003),键长24mm。键的工作长度l=L-b=18mm。5 结论本次设计的目标是设计一台牵引式的固态有机肥撒施机,提出设想后,查阅大量资料和文献,了解了国内外相同机械的发展情况,分析了各自的优缺点,结合我国国情和已有的此类机械的实际使用情况,最终确定了要设计一个容量为2m,撒施幅宽为1.5m,工作效率为一小时22亩的有机肥撒施机,对其主要部件以及各自传动方式进行的具体的设计校核。对比了相似的机型的具体情况,选择2.8m1m0.6m的方形肥箱,与V形肥箱相比,不容易产生肥料之间粘连的情况,同时堆积肥料容量满足设计目标。肥箱的底板采用高锰钢板,结实耐磨使用寿命长,同时肥料箱前面还要安装一个高的防护网,可以防止肥料在撒肥过程中飞溅到前方,避免驾驶员受到伤害,也可以减少肥料的损失。在螺旋输送装置和刮板输送装置间进行比较,选用刮板输送可以减少肥料的浪费,刮送更干净,但要注意刮板与肥箱侧壁之间应保留一定的间隙,避免产生堵塞现象,影响装置正常运行。为了保证运行平稳,输送装置选择液压马达驱动并且用链传动达到减速和运行的目的。通过计算肥料和链板总质量得出了装置运行过程中所受的总阻力从而选用1040高强度圆环链作为输送链条,驱动链轮的窝眼数确定为6,节圆直径为159.3mm,刮板材料选用4号角钢,经过计算传动轴的转速结合拖拉机液压系统的额定压力,选择液压马达型号为BM6-800,液压马达输出的动力经链传动减速后传递到传动轴带动驱动链轮转动从而带动刮板运输,链传动中传动比为6,小链轮齿数确定为9,分度圆直径74.26mm;大链轮齿数为54,分度圆直径436.84mm,经过计算及校核,选择传动轴直径为55mm。抛撒装置选用圆盘抛撒装置,根据目标抛撒幅宽确定了抛撒圆盘的直径为0.5m,两抛撒圆盘中心距为0.5m,抛撒圆盘距地面的高度为0.4m,计算得出抛撒圆盘转速为135r/min,从而确定了抛撒装置总传动比为4。拖拉机动力输出轴输出的动力通过一个万向节后,先经过一个输入齿轮箱,完成第一次减速,然后又经过两个相同的抛撒传动齿轮箱,完成第二次减速,这两个抛撒锥齿轮减速器最终带动圆盘转动,完成均匀抛撒过程。根据肥料颗粒落在抛撒圆盘上的运动轨迹和速度分析,计算出来撒施一公顷田地抛撒圆盘需要消耗的功率,从而确定了每根轴的功率,转速,转矩,并且据此对锥齿轮减速器进行设计,为了简化装置节约成本,最终选用三组相同的减速器完成整个抛撒装置的传动,传动比为2,小锥齿轮分度圆直径确定为72mm,大锥齿轮分度圆直径确定为141mm,模数为3mm。根据齿轮的参数以及整个传动装置所需要的具体要求,对三根轴以及其与齿轮配和的键进行了设计,最终完成了整个抛撒装置的设计。参 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