玉米根茬破碎还田机的总体设计说明书

摘要玉米是我国的三大谷物之一,种植面积占国土面积的1/4,产量仅次于美国为世界第二。玉米根茬中含有较丰富的有机资源，因此玉米根茬破碎还田对保护性耕作和环境可持续发展具有重要意义。本机的设计包括传动部分和刀辊部分。传动部分由中间齿轮箱和侧边带传动组成。目前国内的玉米根茬破碎还田机侧边传动主要是齿轮传动和链传动，而第一章 绪论1.1设计（或研究）的依据与意义玉米是我国三大谷物之一，种植面积超过2450万公顷，年总产量达1.27亿吨左右，种植面积和总产量仅次于美国，居世界第二位。当前我国已形成三大玉米生产区：一是北方玉米区，包括东北三省、内蒙、河北、山西及津京地区等，播种面积约占全国的40%；二是黄淮平原玉米区，包括山东、河南、江苏等地，播种面积约占全国的25%；三是西南丘陵玉米区，包括云南、贵州等地区，播种面积约占全国的15%。三大玉米产区种植面积占全国80以上。因此玉米的秸秆和根茬处理的机械化水平直接影响着我国农业的发展。玉米秸秆、根茬是非常宝贵的有机资源，含有丰富的氮磷钾等养分。据测定，玉米秸秆根茬的干物质有机质含量为75%80%，含氮0.7%左右，磷0.4%0.6%，钾0.7%0.9%；每还田干物质秸秆1000千克相当于增加土壤中有机质800千克、氮7千克、磷16千克、钾79千克。土壤中的有机质不仅为农作物的生长提供养分，而且直接影响土壤的质量和后续力，长期不施有机肥，土壤中的有机质含量就会不断减少。据有关资料统计，我国土壤有机质含量仅为1.5%，明显低于美国2,5%4%的水平，并且有持续下降的趋势，这主要是长期施用化学肥料而没有补充有机肥的结果。要改变这种现状，一方面要尽量减少化学肥料的施用，另一方面应不断增加土壤中的有机质含量，而根茬还田处理则是增加土壤有机质的主要措施之一。 根茬处理是指采用机械作业切碎、消除作物根茬。其作用是提高播种机的通过性和播种质量, 并充分利用根茬自身的有机养料, 来增加土壤有机质, 改善土壤的物理性质, 增加团粒结构, 以达到培肥地力、增产增收的目的。玉米根茬的秆径约2.22.6cm, 留茬高度约10cm, 主根地表下沉深度约56cm, 各层的次生根和根须在地表下呈灯笼状分布, 聚积土壤成团, 最大横截面处直径约2025cm。粗大而结实的根茬位于耕作层中, 旋耕碎土作业时, 根茬难以切断, 而且易缠绕旋耕机刀轴; 播种作业时, 开沟器遇根茬易发生堵塞, 严重时无法正常作业；因此,必须对根茬特别是玉米根茬进行切碎处理, 打破根须与土壤形成的团块, 要求90%以上的根茬切碎长度<5cm。有效的根茬处理, 将有利于后续的种床准备作业, 提高播种机特别是免耕播种机的通过性和播种质量。根茬切碎的同时, 地表下810cm内的土壤在一定程度上被松动和搅碎, 这样既增加了土壤的通透性, 又有利于提高地温。土壤的毛细管被切断, 并且地表上有一部分秸秆和根茬覆盖, 这些都能减少土壤中水分的蒸发, 有利于蓄水保墒和种子出苗生长。在我国由传统农业向现代农业转变的今天，根茬破碎还田，改良土壤已成为农业可持续发展的一项重要措施。根茬粉碎还田机械的研制和生产得到迅速发展，秸秆粉碎还田机的研究方面做了大量的工作，企业也已生产出各具特色的几十种机型，产销量超过了3万台，其工作幅宽在0.51.6m之间留茬高度在213cm，与中小型拖拉机配套，生产率为每小时0.21.3 公顷，依幅宽和配套动力而变；与大型拖拉机配套，其生产率为每小时22.7公顷配有根茬粉碎装置的玉米收获机作业效率得到提高。所以，进行玉米根茬破碎还田的研究是必要的。1.2国内外同类设计（或同类研究）的概况综述国内外同类设计（或同类研究）的概况综述(1)国内情况国内根茬破碎还田机技术起步于20世纪90年代，起步较晚。目前国内出现的玉米根茬破碎还田机主要是由旋耕机演化而来，其主要作业方式是通过动刀入土，将根茬旋起，再由定刀辅助，将根茬破碎。这种玉米根茬破碎还田机的特点是转速高，功率消耗大，易缠草，刀片受力大，易损，不易推广使用。近年来国内兴起一股模仿引进风暴，但由于重机具研制，缺乏对灭茬机理和碎土功能的实验研究，出现的机具多而杂，但性能高的机具较少这一尴尬的局面。我国现有的玉米根茬破碎还田机主要可以分为以下几类：1) 单灭茬型如吉林省四平市农机所于1991年研制的1G-4型灭茬机采用4组由L型直刃灭茬刀组成的灭茬部件，该机设计合理、性能优良，但需凭机手经验实现按垄灭茬因此准确性较差。2) 灭茬加旋耕型 如吉林省四平市农机厂生产的1GW-2型还田机，该机能使破碎、旋耕、起垄3项作业一次性完成。其采用双刀轴旋转作业，前轴刀片破碎根茬，后轴刀片旋耕碎土。双刀轴虽然能满足茬和土的不同切碎要求，但是结构较复杂。3) 灭茬加播种型 如山东理工大学李其昀教授研制的2BDG-6（3F）型带耕沟播机一次可以完成破茬、浅耕和播种，减少了进地次数。该机是浅旋耕沟播，抗抗旱保墒，但由于采用了旋耕刀，切茬能力不强，根茬易缠绕开沟器，影响播种质量。4) 收获加灭茬型 如河南科技大学研制的4YW-2型，一次性完成玉米的摘穂和秸秆、根茬粉碎还田作业。但对于根茬处理由于技术原因，还没有得到很好地解决，所以根茬处理效果不理想。(1) 国外情况：国外农业机械化起步较早，玉米根茬处理技术相对比较成熟。以日本为例，其玉米根茬处理是在玉米的联合收获作业中一次性完成的。其特点是，利用双轴作业，前上轴完成茎秆粉碎还田，后下轴完成深松旋耕、根茬破碎。但其功耗大，所需配套动力大，对国内不太适合。国外自20世纪50年代开始研制并推广联合作业机。在西欧各地气候条件复杂且变化急骤，适播期短，抢农时适时耕种成为十分突出的问题。因而在德、法、英等国家生产和使用整体型联合作业机比较普遍。北美一带气候条件好，土地面积大、适播期长，仍使用宽幅单项作业机，但近几年美国凯斯和迪尔公司也推出了为大功率拖拉机配套使用的宽幅、高效联合整地机械。在日本、韩国等地，因地块小，使用耕整、施肥、播种、铺膜联合作业机较多。为了降低旋耕机的单位能耗, 国外采用了改进部件的几何参数, 选用符合旋耕工作部件作业的运动参数等方法来优化设计, 以达到降低能耗的目的。此外, 在满足农艺要求的前提下, 还采用了分层作业的方法和将旋耕机松土部件设计成上强下弱的方式也是降低能耗、提高旋耕机工作效率的有效途径。总的看，国外驱动型耕作机，近几年发展很快,主要向着以下几个方向发展：1) 向宽幅、高速型发展随着水稻集约化、规模化生产的发展, 水田耕整地用宽幅高速型旋耕机将成为发展方向。水田土壤含水率高, 抗剪切、抗压强度低, 附着力、外摩擦力也接近为零, 切土部件与土壤之间存在着一层润滑水膜。因此, 为充分提高作业效率, 需要工作幅宽大( 3m以上) 、作业效率高的旋耕机。2) 向联合作业机组方向发展大中型拖拉机具有强劲的动力输出系统、牵引力和悬挂能力, 为配套旱田联合耕作机械提供了条件。旋耕机作为驱动型耕作机具, 易于通过更换或附加工作部件, 可完成灭茬、深松、碎土、做畦、起垄、开沟、精量或半精量播种、深施化肥、铺膜、镇压和喷药等联合作业, 可大幅度提高生产效率, 降低作业成本。国外发达国家已推广使用了以作业工序排列组合、以旋耕机为主体的联合作业机组, 如加拿大的万能旋耕机, 日本的联合耕耙犁和旋耕播种机等。3) 向全幅深方向发展为了增厚土壤熟化层, 改善深层土壤透气性, 增大持水能力, 为栽培薯类、根茎类作物需要深耕的农艺要求, 近年来国外已开发出了全幅深旋耕机和间隔窄幅深旋耕机。加大旋耕深度的主要难点是拖拉机动力不足、机组功率不平衡。而具有双速独立动力输出轴的大功率拖拉机, 可以全功率输出, 同时具有多个慢速挡以及爬行挡, 这也为配套全幅深旋耕机提供了良好的条件。4) 向可持续发展战略型发展降低污染和资源重用已成为当前农业机械化设计的最终目的, 能完成根茬粉碎还田作业的反转灭茬旋耕机等新的机型将成为今后旋耕机械重要的研究方向。另外, 随着现代科学技术的迅速发展, 一些新技术也将在旋耕机上得到广泛应用, 如信号系统等。第二章 玉米根茬破碎还田机的总体设计2.1总体方案、传动方案及配置形式根茬粉碎还田机是利用拖拉机动力输出轴，通过传动系统驱动旋转的除茬部件（L型弯刀等），对作物根茬切碎，同时碎土。罩板控制抛升起的根茬和土壤流向，进一步破碎土壤，并将碎茬和土壤均匀混拌还田。2.1.1总体方案2.1.1.1 玉米根茬破碎还田机与拖拉机的连接玉米根茬破碎还田机的设计过程和旋耕机的基本一样，故可以参考旋耕机的设计，其与拖拉机有三点悬挂、直接连接两种连接方式。三点悬挂式玉米根茬破碎还田机与多种拖拉机配套，挂接方便。目前多数产品采用这种连接方式。该设计也采用三点悬挂连接方式。拖拉机的三点悬挂装置与玉米根茬破碎还田机的悬挂架连接。动力由拖拉机动力输出轴通过万向节伸缩传动轴传动至玉米根茬破碎还田机的第一轴，驱动玉米根茬破碎还田机工作。玉米根茬破碎还田机的悬挂设计参数主要根据拖拉机的三点悬挂装置参数、万向节伸缩轴与拖拉机动力输出轴、玉米根茬破碎还田机第一轴之间的夹角和机组的田间通过性等约束条件绘制机动图来确定，耕作时要求该夹角不超过，低头转弯提升玉米根茬破碎还田机离地100250mm时，该夹角不超过。切断动力输出轴，提升玉米根茬破碎还田机到最高位置时，几下通过高度一般不小于400mm，万向节伸缩轴和轴套至少应有40mm的重叠量。还应考虑到在最大耕深和提升到最高位置时，机架和灭茬刀不碰到拖拉机。基于以上考虑可绘制本设计的机动图如图2-12.1.1.2 玉米根茬破碎还田机与拖拉机的配置玉米根茬破碎还田机相对于拖拉机有正配置、偏配置两种形式（图2-2）。一般与大中型拖拉机配套的玉米根茬破碎还田机的耕幅超过拖拉机后轮（或履带）外缘间距10cm以上时采用正配置，与中小型拖拉机配套的玉米根茬破碎还田机因耕幅窄，采用偏配置以顾全一侧。目的是消除轮辙，使地表平整。耕幅超出轮胎（或履带）外缘的距离C应大于510cm，耕幅窄的取小值。图2-2玉米根茬粉碎还田机与拖拉机的配置（a） 正配置； （b）偏配置1-拖拉机后轮 2-玉米根茬粉碎还田机由于本设计中要求玉米根茬粉碎还田机的工作幅宽为900mm，其配套的拖拉机为黄金海马-254，后轮轮距为10801380mm（本设计选择1150mm），大于工作幅宽900mm，故配置形式选用偏配置。2.2工作过程和原理玉米根茬破碎还田机的工作过程一般为：先由拖拉机的动力输出轴将动力传到中间传动齿轮箱输入轴，经减速器减速和变向后传到带传动主动轮，再经带传动二次减速后传到灭茬刀辊轴，使灭茬刀辊高速旋转，带动轴上的灭茬刀逆铣旋转入土并对根茬进行切割，以达到粉碎根茬的目的。2.3 整机的基本参数配套动力：黄金海马-254（25马力）轮式拖拉机灭茬行距：2行适应行距：400600mm工作幅宽：900mm灭茬深度：7cm根茬破碎合格率：95%根茬破碎后合格长度：50mm功率消耗：后置三点悬挂使用可靠性：95%2.3影响灭茬效果和功率消耗的主要参数影响玉米根茬破碎还田机破茬效果和功率消耗的因素很多，其中切土节距、耕深、刀辊转速、灭茬刀形式与布置、土壤类型和状况等是主要影响因素。切土节距由机组前进速度、刀辊转速和刀辊一个圆周上的刀数来决定，土壤类型和状况属于客观因素，因此，本设计的可调参数为机组的前进速度、耕深、刀辊转速、灭茬刀形式与布置。第三章、传动系统的设计与计算3.1 传动特点三点悬挂玉米根茬粉碎还田机有中间传动和侧边传动两种形式。中间传动系统由万向节伸缩传动轴和中间齿轮箱组成；侧边传动系统由万向节伸缩传动轴、中间齿轮箱和侧边传动箱组成。由于中间传动适应于宽幅旋耕机，故本设计选择侧边传动形式。动力由拖拉机的动力输出轴传到中间传动齿轮箱输入轴，经减速器减速和变向后传到侧边传动箱，再经侧边传动箱二次减速后传到灭茬刀辊轴，带动刀辊工作。中间齿轮箱的作用是将拖拉机的输出动力改变方向并减速后传给侧边传动箱。图2-4所示中间齿轮箱，由一对圆锥齿轮和二根轴组成，其结构简单，体积小，重量轻。为了与动力输出轴转速不同的拖拉机配套，可换用速比不同的圆锥齿轮。图2-4 侧边传动型的中间齿轮箱1-主动小锥齿轮；2-被动大锥齿轮；3-第二轴；4-左主梁；5-第一轴；6-箱体；7-右主梁侧边传动箱有齿轮传动、链传动和带轮传动等三种。与齿轮传动和链传动相比较，带传动具有结构简单、传动平稳、噪声较小、价格低廉、缓冲吸能成本低、不需润滑和维护简单等特点，故侧边传动箱选择带传动形式。3.2 拟定传动方案机械通常由原动机、传动装置和工作机等三部分组成。传动装置是位于原动机和工作机之间，用来传递运动和动力，并可用以改变转速、转矩的大小或改变运动形式，以适应工作机功能要求。传动装置的设计对整机的性能、尺寸、重量和成本都有很大影响，因此应当合理地拟定传动方案。根据3.1 的分析，拟定方案如下：3.2计算传动装置的运动和动力参数1、各轴的转速（如图3-3）动力输出轴的转速n=540r/min ；2、各轴的输入功率查农业机械设计手册可知，拖拉机的可用牵引功率P=0.55AA为拖拉机的发动机最大功率，黄金海马-254拖拉机的最大功率为18.4kw；故P= 万向传动节的效率为；圆锥齿轮 滚动轴承；带传动3、各轴输入扭矩3.3锥齿轮参数选择由于整机的传动比较小，故减速器的选择等值传动，即传动比为1，只起转矩转向作用。这样两啮合齿轮大小一样便于加工。锥齿轮的参数表表3-8名称代号计算公式锥齿轮模数m4压力角20分锥角分度圆直径齿顶高齿根高齿全高齿顶圆直径齿根圆直径锥距齿顶角分度圆齿厚顶隙当量齿数齿宽传动比第三章 刀辊部件的设计与计算灭茬刀辊是玉米根茬粉碎还田机的主要工作部件之一，灭茬刀辊的配置形式一般为卧式刀辊。刀辊由刀辊轴和安装在刀辊轴上的灭茬刀组成。刀辊轴有整体式和组合式两种。组合式主要应用于中间传动系统的机具，由于本设计为侧边传动且工作幅宽为900mm，轴向距离短，不适合采用组合式，故采用整体式。刀辊主要由刀辊轴、刀座和灭茬刀组成。3.1 刀辊轴和刀座的设计一、刀辊轴的设计计算由于玉米根茬破碎还田机的刀辊部件工作方式与旋耕机的很相似，故设计时可以参考旋耕机的刀轴形式。刀轴传动有刚性传动、扭杆轴传动和弹性传动三种。刚性传动结构简单可靠，制造方便。目前与拖拉机配套的玉米根茬破碎还田机大多采用这种结构。缺点是玉米根茬破碎还田机作业时的冲击载荷容易引起传动杆件的损坏。扭杆轴传动可以减弱冲击载荷的影响，但是结构比较复杂，成本较高。弹性传动是将弹性联轴器安装在最终驱动齿轮（链轮或带轮）和刀轴之间，刀轴齿轮通过橡胶块带动轴套，轴套内孔以矩形花键与刀轴焊合件固定联接。这样，切土过程中产生的冲击扭矩，由橡胶块吸收，减少传动轴的疲劳载荷，延长齿轮等传动件的使用寿命。弹性传动制造比较方便，有一定的缓冲作用，但橡胶材料寿命比较短，影响其推广。比较以上三种刀轴，考虑到制造成本与整机结构，刚性传动已经能很好的满足设计要求，故采用刚性传动形式。玉米根茬破碎还田机的刀辊半径大多在210mm左右，刀的长度不可能很长，否则影响刀的刚度，灭茬性能低。刀轴中间半径在70mm左右，刀辊轴可以是实心或空心材料制成，空心轴可以小的重量下传递较大的扭矩，较好的抵抗扭振，采用空心轴已经能很好地满足设计要求，不必采用实心轴。故刀轴采用由左、右轴头与中间空心圆钢管焊合组成。中间空心圆钢管选用热轧结构用无缝钢管再加工：外径76mm，壁厚6mm，材料为30钢正火处理，,。1. 刀辊轴的最小直径估算当轴的长度、两端支撑距离未定，因而轴的弯矩、支撑反力无法确定时，可先按扭转强度估算轴的最小直径。由于两个轴头处轴径最小,故需按实心轴估算选择轴的材料为45钢,经调质处理,由机械设计表15-1查得材料的力学性能数据为 b=650Mpa, s=370Mpa, -1=270Mpa, -1=155Mpa, E=2.1510Mpa -1=60Mpa由机械设计表15-2公式初步计算轴径 (4-5)由于材料为45钢,由机械设计表15-3可知A0=103126,选取A0=110, P为所需的功率，n为链轮的转速。代入数据得 由于运行过程中存在很多不确定因素以及参考大带轮的结构需要所以取主动轴的直径d=42mm。(2) 主动轴结构设计轴的结构主要取决于以下因素：轴在机器中的安装位置及形式；轴上安装的零件的类型、尺寸、数量、以及和轴连接的方法；载荷的性质、大小、方向及其分布情况；轴的加工工艺等。 刀辊轴的结构如图4-2所示，处安装带轮，和两处安装轴承,根据轴的设计原则，在和处设计有定位轴肩，带轮与刀辊轴用键连接。 刀辊轴示意图2.2.3 刀辊轴动平衡试验刀辊运转时产生的惯性力将在运动中产生附加的动压力，随着刀辊转速的提高，附加动压力将急剧增大，而且惯性力的大小和方向随刀辊的运转作周期性变化，使轴与机架产生强迫振动，因此，JB/TS1235-1994中规定切碎主轴（含刀座）应进行动平衡，通过动平衡试验或者部分地平衡惯性力，尽量减少其有害影响。JB/T6678-1993中规定刀片装配前应按重量分级。刀片重量差不大于10g。同一重量级的刀片装配在同一根刀轴上。组装后按GB/T9239-1998的规定进行了动平衡实验。其不平衡量应符合GBT239-1998刚性转子平衡品质许用不平衡的确定中G16的规定。动平衡实验主要是解决受力问题，其目的测算出在两个预选的平衡基面上应加平衡质量的大小和方向。动平衡试验在动平衡机上进行。其示意图2-4： 1.电机 2.法兰盘3.左支撑 4.刀辊轴5.右支撑图2-4 动平衡试验装置示意图动平衡试验采取以下步骤：1) 先将刀轴（不装刀具）进行平衡，通过焊接加重和钻孔去重校其不平衡。2) 将切刀按重量分级，按照轻重的原则装刀，组装后对刀轴（包括刀轴、刀具）进行平衡。先作低速平衡，以减少离心力，然后在提高转速平衡。当刀辊（包括刀轴、刀具）左、右两端不平衡量小于GBT239-1998刚性转子平衡品质许用不平衡的确定中G相应于不同平衡精度等级G的剩余不平衡率与工作转速关系图。G6.3精度等级的转子对应于2500r/min(远大于本试验刀辊的最高转速)。工作转速的许用不平衡145.63mm/kg时，可视为合格参考旋耕机刀座的设计，根据GB/T5669旋耕机械 刀和刀座的设计要求，设计的刀座如下：3.2 除茬刀的设计与计算3.2.1除茬刀的概述目前使用于根茬破碎还田机上的除茬刀有旋耕刀、旋茬刀、L型直刀等。其中旋茬刀只能起出根茬不能将根茬粉碎还田；圆犁刀、旋耕刀，虽起到一定的除茬作用，但除茬率低，功耗大；L型直刀，是普遍使用的除茬刀，刀刃有单面、双面形式。除茬刀有七个结构参数，即弯折角、正切面刃角i、滑切角、弯曲半径r、切削宽度L、刃厚b、刀辊半径R。如何选择这些参数是设计除茬刀的关键。3.3 除茬刀总数的确定由于弯刀切碎根茬时刀端撕裂附近的土壤和根茬，因此刀座的间距b可以大于弯刀的工作幅宽b。b=b+，常取1520mm。考虑到切碎根茬时除茬刀的撕裂效应有所减小，故取=15mm。由除茬刀的结构设计可知，b=60mm每台根茬破碎还田机刀辊上安装的除茬刀总数可按下式计算：Z=(1000BZ)/b式中 Z-除茬刀总数，取偶数Z-每切土小区内刀数B-根茬破碎还田机耕幅（m）将B=0.9m，Z=2，b=b+=60+15=75mm，代入式 中得Z=24故除茬刀的总刀数为24把。3.4 根茬粉碎刀辊转速的确定在机组前进时，刀片的绝对速度是由机组的前进速度和刀片的回转速度所合成。为了使刀片在整个切土过程中不产生推土现象，因此要求其绝对运动轨迹为余摆线（如图）设除茬刀任一点坐标M(x,y):式中，R-除茬刀回转半径（m） -除茬刀辊角速度（rad/s） t-刀辊运动时间（s）由上式微分得： 由上式可知，水平速度是个变量，其大小影响除茬作业质量。从图 可知，当0时将产生推茬，除茬作用小，为确保把根茎粉碎，则必须有足够的向后分量，使其绝对速度的大小不低于所需的除茬速度vc即卧式除茬刀辊能进行除茬作业的条件是，在入土点A处，要保证vx0，此时将上述有关公式代入得：上式表示了除茬速度、机组前进速度、刀辊转速n、刀辊回转半径R及除茬深度h之间的关系。由于本设计所选用力为黄金海马-254拖拉机，其一档前进速度=1.73km/h=0.733m/s，由除茬刀和刀座的设计可算出R=0.21m，除茬深度h=0.07m，除茬速度取5.5m/s，考虑滑转率5%，可以计算出n404r/min。3.5节距S和切刀数Z的确定式中，-机组前进速度（m/s）R-除茬刀回转半径（mm）n-刀辊转速（r/min）切土节距的大小直接影响根茬破碎的合格。由上式可知，降低机组前进速度，提高刀辊转速和增加每个切削小区内的刀片数，都能减少切土节距，提高根茬粉碎质量。但机组前进速度过慢，生产率低；刀辊转速过快，功率消耗大；刀片数增多，刀间的空隙小，容易堵泥缠草。因此切土节距不能选择过小。综合以上考虑以及设计任务书的要求，选择各参数为：s5cm，=0.733m/s，z=2。将上述各参数代入式 得n439.8r/min3.6除茬刀的排列和安装3.6.1 除茬刀的排列规则除茬刀在刀辊轴上的排列是影响根茬破碎还田机工作质量和功率消耗的重要因素之一。合理的排刀应在满足耕整地农艺要求的基础上，使根茬破碎还田机功耗最小，刀辊受力均匀，同时工艺性优良，便于制造。排列设计应遵循以下几项原则：1.在刀辊轴向投影圆周内总刀数等分排列，刀辊每转过有一把弯刀入土，使切土阻扭矩较为均匀，减小波动幅度；2.左右弯刀交替入土，以尽量平衡弯刀切土的侧向反力，减小机组在水平面内的偏转力矩，使其保持直线前进，也可减小对刀辊轴承的轴向冲击载荷，延长使用寿命；3.每一切土小区内的2把刀（或更多）的各刀切土节距力求相等或相近，以求碎土均匀，并使每把弯刀的切土阻力大小均衡，磨损也均匀，减小刀辊切土阻扭矩的波动；4.尽可能增大轴向同截面或相邻两弯刀间周向夹角，以避免夹土堵塞，并方便于相关刀座在刀轴上的布置施焊。弯刀类刀片有左弯刀、右弯刀之分。按不同的耕作要求选择相应的安装方法。本设计安装采用混合安装，即左右弯刀在刀轴上交错安装，但刀轴两端的刀片向里弯。已知，耕幅B=900mm，刀片切土幅宽b=75mm，同一旋转面上刀片数z=2，总刀数为24。采用两条螺旋线进行排列，除茬刀排列方式如图 所示3.7 刀辊上轴承的选择一滚动轴承的工作特性：1 负荷能力滚动轴承的负荷能力与轴承类型和尺寸有关。相同外形尺寸下，滚子轴承的负荷能力为球轴承的1.53倍。滚动轴承的选用，即应该满足外载荷的要求，又应该尽量发挥轴承本身的负荷能力。2 速度特性滚动轴承的工作转速上升到一定限度后，滚动体和保持架的惯性力，以及极小的形状偏差，不仅导致运动状态恶化，而且造成摩擦面间温度升高和润滑剂的性能变化，从而导致滚动体回火或轴承元件的胶合失效。在一定负荷和润滑条件下，滚动轴承所能允许的最高转速称之为极限转速。它与轴承类型、尺寸、精度、油隙、保持架的材料和结构、润滑方式 、润滑剂的性能和用量、负荷的大小和方向以及散热条件等因素有关。一般来说，深沟球和角接触轴承、圆锥滚子轴承具有较高的极限转速。3 调心型轴承由于外壳孔和轴的加工与安装误差，以及受载后轴的挠曲变形，轴和内外圈轴线在工作中不可能保持重合，会产生一定的偏斜，这种偏斜引起轴承内部接触应力的不均匀分布，造成轴承的早期失效。调心球轴承和调心滚子轴承具有良好的调心性能。外球面深沟球轴承，其球面外径与外壳孔的凹球面相配合，调心范围大。比较这两种类型轴承如表：径向负荷性能调心性调心滚子轴承优优调心球轴承中优二、 滚动轴承类型选择原则1. 轴转速较高，负荷不大，而旋转精度要求较高时，宜用球轴承，如：0000型、6000型。2. 转速较低且负荷较大或冲击负荷时，宜用滚子轴承，如2000型、3000型。3. 支点垮距大，轴的变形大或多支点轴，宜用调心轴承，如1000型、3000型和69000型。根据以上原则及分析，参考机械设计手册以及刀辊轴的结构，两个轴承均选用22211型调心滚子轴承。第四章 典型零件的设计强度校核4.1 刀辊轴的强度校核 轴的校核时计算轴的强度是否满足要求，进行轴的强度校核时，应根据轴的具体受载情况，采取相应的计算方法，并恰当地选取其需用应力，对于主要承受扭矩的轴，应按扭转强度条件计算；对于只承受弯矩的轴，应按弯曲强度条件计算；对于既承受弯矩有承受扭矩的轴，应按弯扭组合强度条件进行计算，需要时还应按疲劳强度条件进行精确校核。对于刀辊轴应按弯扭强度条件进行计算并且要进行疲劳强度条件进行精确校核。按弯扭组合强度1.已知力的计算：A(大带轮)处各力的计算：由传动系统的计算可知，带轮的压轴力最小值为3642.5N，大小带轮的中心线与水平线的夹角为46.5。故可知：=3642.5cos46.5=2507.3N=3642.5sin46.5=2642.2N除茬刀对刀辊的受力计算：根茬破碎还田机作业时，刀辊所受的阻力有各除茬刀的阻力合成。所受阻力的大小、方向和作用点又与土壤的物理性状、耕深、刀辊转速、机组前进速度和刀的转角等因素有关。为简化计算，需确定出除茬刀切土阻力合力作用点。根据国外试验资料，d端点回转半径为R的弯刀切土时，其所受合力的作用半径R=0.9R。如图 ，近似计算刀辊的平均切土阻力Q及其分力，假设Q在刀辊上为均布载荷，则Q=M/R，M为刀辊的阻扭矩。以刀辊中心O为圆心，刀辊半径做圆，未耕地表水平线与圆周相交于A点，相对于半径线OA作交角为-20的半径线OC，在OC上0.9处确定P点，设Q力作用点位于P ，根据几个关系=arcos(R-a)/R；=-20；Px=Qcos；Py=Qsin；M=T；由计算可得M=202188.3Nmm；Q=1069.8N；=48.2; =28.2；Px=-942.8N；Py=797.5N。2X面：解上式可得=-293.5N =-1271N Y面:解上式可得：=-211N =-3228.7N3.轴的计算简图、弯矩图以及扭矩图如图3.4所示4.按第三强度理论校核由弯矩扭矩图可知，刀辊轴刀管部分所受的扭矩与弯矩相比基本可以忽略，在F处弯矩最大M=741118.3Nmm，扭矩T=50467 Nmm，故选择F处的截面进行校核。 （4-20）式中M是F处截面所受弯矩,为折合系数,由于扭转切应力为静应力,所以取=0.3,T是F处截面所受的扭矩,W是轴的抗弯截面系数查机械设计表15-4可得 （4-21）式中 d是轴的外径为76mm，=64/76=0.84将M、T和W代入 得< =60Mpa所以按弯扭合成强度条件计算合格对F处按疲劳强度条件进行精准校核对于B截面抗弯截面系数 W=21629抗扭截面系数 （3-14） 弯矩 M=741118.3 Nmm，扭矩T=50467 Nmm弯曲应力 （3-32） Mpa扭转切应力 （3-12） 轴的材料为45钢，调质处理。由机械设计表15-1查得 b=650Mpa, -1=270Mpa, -1=155Mpa。 截面上由于键槽而形成的有效应力集中系数k及k有机械设计手册 查得 k=1.825 k =1.625 由机械设计附图3-2查得尺寸系数=0.63 由机械设计附图3-3查得扭转尺寸系数 =0.81按粗车加工， 由机械设计附图3-4查得表面质量系数=0.81轴为经表面强化处理，即q=1按 机械设计式（3-12）及式（3-12a）得综合系数为 K= K=又由机械设计3-1和3-2得碳钢的特性系数 =0.10.2 ， 取 =0.1 =0.050.1 ，取 =0.05于是，计算安全系数Sca值，按机械设计式（15-6）（15-8）则得=2.5>S=1.5所轴安全 4.2 键的强度校核键的校核键选择普通平键，平键连接传递转矩时，其主要失效形式是工作面被压溃，除非有严重的过载，一般不会出现键的剪断，所以通常只按工作面上的挤压应力进行强度校核计算。普通平键连接的强度条件为 (3-323) 式中:T-传递的转矩，Nm；k-键与轮毂键槽的接触高度，k=0.5h，此处h是键的高度，mm；l-键的工作长度，对于C型键l=L-b/2，这里的L是键的公称长度，mm；b为键的宽度；d-轴的直径，mm；p-键、轴、轮毂三者中最弱材料的需用挤压应力，MPa 将数值代入上式 得 MPa< MPa所以键合格4.3 调心滚子轴承的寿命校核轴承的校核 由3.7可知选择的轴承代号为22211。 滚动轴承的正常失效形式是内外圈滚道或滚动体上的点蚀破坏。这是在安装、润滑、维护良好的条件下，由于大量重复地承受变化的接触应力所致。单个轴承，其中一个套圈或滚动体首次出现疲劳扩展之前，一套圈相对于另一套圈的转数称为轴承的寿命。轴承点蚀破坏后，在运转时通常会出现较强烈的振动、噪声和发热现象。轴承的校核主要是是校核轴承的寿命是否和合格。轴承的当量动载荷 = N=0 N由于，故轴承的寿命计算公式 式中：C为轴承的基本额定动载荷，N；n为刀辊轴的转速，r/min。查机械设计手册9.5.1可知C=60000 N h由机械设计表13-3查得轴承推荐寿命为2000030000h故轴承寿命合格。第四章 主要零件的工艺分析刀辊轴的设计要求在根茬破碎还田机中刀辊是主要的工作部分,而刀辊轴是主要的传动和受力部件,在设计过程中,应考虑以下因素: 1.刀辊轴是由左右轴头和中间的圆管焊合而成,左右轴头的加工要放在刀座与刀轴的焊合之后，这样可以减小焊接变形对轴的影响；2.轴应便于加工，轴上零件应便于安装； 3.轴和轴上零件应该有准确的工作位置； 4.每个零件应该牢固、可靠的定位； 5.应尽力改善应力状况，减少应力集中。 为了满足上述要求，把传动轴设计成阶梯轴，在轴肩处倒圆角以减少应力集中。 由于轴要和轴承、链轮等配合，因此配合处要求精度较高，采用7级精度。工艺路线的定制根据上述分析，制定以下加工路线：序号 工序内容 基准面 设 备 1铣左、右轴头两端面、打中心孔 外圆面 铣床 2粗车半精车左、右轴头外圆 中心孔 车床 3精车左、右轴头外圆 中心孔 车床 4粗车左、右轴头和圆管焊接坡口 中心孔 车床 5焊接粗车左、右轴头、圆管和刀座 6粗车、半精车、精车左右轴头外圆面 中心孔 车床 7 磨左右轴头外圆面中心孔 磨床8倒角中心孔车床9铣键槽中心孔铣床10热处理第六章 经济技术分析6.1 生产成本的概算和市场售价的预测根据目前各种材料的市场价，预计每台该种机型的制造成本在630700元之间。考虑目前各种破茬机、旋耕机的市场售价和本机型的制造成本，以及该种机型目前在市场上空缺，而且它省时、省力又高效，因此相对于单一性能的破茬机、播种机来说具有一定的市场竞争潜力和市场前景，但是由于该机型在技术上不是很成熟，加上农民对它的了解不多，所以市场售价不宜过高，可定在2000元左右，这样的价位相对于收入不高的农民来说还是可以接受的。社会经济效益的分析这种机器在实际应用中，与单一的破茬机和播种机相比，最大的优势在于：把残留在田间的小麦秸秆进行破碎还田，这样可以改良土壤的结构、增加土壤的肥力，促进作物的增产，可以杜绝农民焚烧秸秆带来的空气污染，还有利于农业的可持续发展，随着该机型的推广和普及，给玉米的机收创造了良好的条件， 且该机型为悬挂式，配套主机可一机多用，农民投资少，机器利用率高，非常适合在我国主要玉米产区推广应用。该机型的研制成功在减轻农民劳动强度、抢农时、保证粮食丰产丰收，实现我国农业机械化等方面发挥了重要的作用。