植树挖坑机之挖掘机构的设计【三维SW模型】【含18张CAD图纸和文档资料】【GC系列】
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本科毕业设计开题报告题 目: 系 别: 专 业: 姓 名: 学 号: 指导教师: 年 月 日- 5 -本科毕业设计开题报告系别专业班级姓名学号联系方式题目植树挖坑机之挖掘机构设计一、选题背景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。本课题出自于盐城拖拉机厂,本课题是设计一台植树挖穴机,与黄海金马-50型拖拉机相匹配,用于植树造林,代替人力劳动,实现机械化造林。二、课题设计2.1课题的内容调研,收集相关资料,结合实际情况,拟定结构方案,设计一台植树挖穴机,与黄海金马-50型拖拉机相匹配,用于植树造林。1)总体设计(1)设计总体方案。(2)绘制挖坑机总图;2)零部件设计(a) 根据挖坑机总图,设计齿轮箱等传动机构;(b) 绘制传动轴、齿轮、齿轮箱体、钻头等零件图;(c) 有关计算、校核等。2.2课题的目的1、挖穴机与拖拉机采用三点悬挂联接,作业时万向传动轴偏置角度不得大于15,田间移位或运输前必须先切断动力,将螺旋钻头提升至最大高度,此时钻头顶尖离地高度应大于300mm。2、螺旋叶片的转速过高,会将泥土抛得很远,造成填坑缺土。转速过低,则造成工作效率不高。因此在设计时,要充分调研和实践,确定合适的转速。3. 为保证工作性能,设计时应充分考虑其稳定性,避免受力不均匀而造成抖动;4、结构简单可靠,尽量使用标准件、通用件,以降低制造成本。5、挖穴机技术参数挖穴直径:50cm挖穴深度:80cm钻头转速:150250r/min钻头形式:采用双螺旋叶片结构;工作效率:6090坑塘/小时;按5年寿命,每年工作800小时计;6、设计何种叶片结构方便旋转挖坑。7、设计何种传动机构,方便操作。三、课题国内外研究现状中国挖穴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型拖拉机配套的挖穴机,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、挖穴机,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,生产的挖穴机批量较小。近几年来,由于经济林的兴起以及国家为防治水土流失,退耕还林、种草种树已引起各有关部门的普遍重视,并加大了植树造林机械的投入,取得了良好的效果。挖穴机为了适应不同土壤、不同作业条件的要求,国外生产的不同动力配套的造林用挖穴机,有手提式、背负式、手扶拖拉机式和拖拉机式4种。1)手提式挖穴机,分为单人式与双人式。日本多用单人手提式,欧洲各国则多采用双人手提式。手提式挖穴机发动机的功率一般为1.3-3.7kw,多采用油锯和割灌机的单缸风冷汽油发动机为动力。单人和双人手提式挖穴机发动机的转数经离心式离合器和减速箱,将转数降低到100-200r/min,再传到挖穴钻头。由于减速比很大,多采用蜗轮蜗杆或摆线针轮行星传动机构,以便减少机器的质量。由于双人手提式挖穴机质量可以大一些,有的采用多段直齿轮减速机构。有的挖穴机为了使挖穴机钻头能自动地由地中拔出,在传动机构中装有逆转机构。国外所用的挖穴钻头多为螺旋片型,挖穴时自穴中向上排土的性能好,螺旋片型有单螺旋和双螺旋两种。山地造林时,挖穴的直径和深度为25-30厘米,因此多采用1.5-2个节距的螺旋片。为了提高螺旋片型挖穴机的切根性能,有的将螺旋边缘做成缺口状。国外所用挖穴机钻头的转数都不太高,以免将穴中的土壤甩得过远,一般周边速度为3米/秒左右,钻头转数为200-300r/min。装有逆转机构的挖穴机在拔出钻头时,土壤会向相反方向旋转,不会从穴中抛出。手扶拖拉机式挖穴机的功率为3.7-7.3kw,轮式拖拉机挖穴机的功率为36.8-73.6kw。2)悬挂式挖穴机主要用于栽植大树苗时的挖穴作业,挖穴直径为50-80厘米,挖穴深度为60厘米,挖穴机悬挂在25.7-58.8kw拖拉机上。挖穴机由纵吊杆、带安全装置的万向传动轴、减速器和不同直径的挖穴钻头组成。减速器由一对直齿锥齿轮组成,更换不同直径的挖穴钻头时,要更换不同的锥齿轮,可换挖穴钻头有3种,直径分别为80、60、30厘米。钻头由空心钻杆、叶片和切土刀片组成,钻杆下端有定心尖。工作时,由拖拉机动力输出轴经万向传动轴带动旋转工作部件完成挖穴作业,利用液压装置控制钻头升降。3)液压式挖穴机在发达国家已普遍推广。由于液压技术的普及推广,发达国家在挖穴机上已采用液压传动装置,主要用在液压输出能力较强的拖拉机或挖掘机的机型上,用液压泵驱动齿轮机构传动系统。DANUSER液压挖穴机装有高效、转向密封性能好的液压马达,可调节机械链条与齿轮,使扭距增大4倍。采用液压驱动比用万向节套管传动更灵活方便,当遇到障碍物时能起到安全缓冲作用。四、课题设计方案4.1设计方案选型与分析在开始该机设计前,参考对比了一系列已有的植树挖穴机,例如悬挂式挖穴机,手提式挖穴机,液压式挖穴机等,总结发现他们都要用到由一对齿轮传动组成的减速箱。4.2方案的确定采用的是悬挂式挖穴机的方式,一种与小四轮拖拉机配套的悬挂式挖坑机,由悬挂架、带安全装置的万向传动轴、减速箱、双螺旋叶片型钻头等构成;悬挂架两端分别与拖拉机和减速箱铰合连接,双螺旋型钻头固定在减速箱的输出轴上;工作时,拖拉机的提升臂拖带悬挂架进行升降,由拖拉机动力输出轴经万向传动轴带动旋转工作部件完成挖穴作业;4.3方案的特点及创新本课题具有结构简单、作业质量好、效率高、移动及通过性能灵活的特点,广泛应用于植树造林、施肥集水、埋设桩柱等作业。五、预期结果1、产品大量使用标准件、通用件,大大降低了制造成本。2、产品使用中的维护成本降低;设计的产品工作更稳定、可靠, 拆卸方便、更易于维护。3、产品外形美观,环保,结构合理,符合工作现场的需要,更易于操作和使用;4、产品的使用效果达到植树造林的机械化,减轻植树人员的劳动强度的指标。六、设计主要步骤1、为了使钻头更容易的进行挖坑,设计螺旋叶片结构以便旋转挖坑;2、设计最佳入土角(75左右)、最佳转速(150250r/min),使之能耗最低,工作效率最高。3、尽量使用标准件、通用件,如齿轮、螺母、螺栓等,以降低制造成本。4、设计合理的传动机构(齿轮传动),避免重心偏后造成操作困难。七、进度计划序号任务名称开始时间结束时间1选题第一周第一周2查阅中、外文献资料,外文资料翻译,确定系统设计方案第二周第三周3开题第四周第五周4进行毕业设计第六周第十二周5中期检查第十三周第十四周6上交毕业设计正稿打印版及电子材料,毕业设计及设计说明书光盘,完成毕业答辩ppt第十五周第十五周7毕业答辩第十六周第十六周八、参考文献1 王合农业机械化与电气化J1W50(30)型植树挖坑机的研制与应用,2004,(5):41-422 于建国, 屈锦卫. 林业机械与木工设备J. 挖坑机刀片切削模型的建立及其 MATLAB分析,2006: 第34卷 第7期32-33.3 蒋泉山. 林业机械与木工设备J. 植树挖坑机的设计.2006第34卷 第5期.24.25.284王永乐.机械优化设计基础M.哈尔滨:黑龙江科学出版社,1987.5吴宗泽.罗圣国.机械设计课程设计手册第二版M.高等教育出版社,1999.6成大先.机械设计手册M.化学工业出版社,2002.7徐锦康.机械设计M.机械工业出版社,2001.8沈世德.机械原理M.北京:机械工业出版社,2002.9刘惟信.机械可靠性设计M.清华大学出版社,1996.10濮良贵,纪名刚.机械设计 M.高等教育出版社,1995.11 孟庆华 于建国 鲍春雨. 森林工程J. 一类挖坑机械钻头横向振动系统的最优控制问题,2005,(9): 第 21卷 第5 期.25-26.12 李益民.机械制造工艺设计手册M.机械工业出版社,1995.13 徐锦康,等.机械设计J.高等教育出版社,2006.12.指导教师意见: 指导教师签名: 年 月 日教研室审核意见: 教研室主任签名: 年 月 日备注:本开题报告须装入学生的毕业设计(论文)档案袋存档。本科毕业设计任务书系 别专业班级学生姓名学号指导教师职称题 目植树挖坑机之挖掘机构的设计论文(设计)的主要任务与具体要求(有实验环节的要提出主要技术指标要求)通过查阅各种有关的植树挖坑机的文献资料,介绍目前植树挖坑机的发展现状,阐述植树挖坑机的结构原理。设计一台植树挖坑机,需达到如下要求:挖坑的直径为500mm,深度为800mm。主要设计挖掘机构部分。 主要完成1、开题报告(包含文献综述),外文资料的翻译(2000字符以上);2、确定植树挖坑机的总体方案;3、完成挖掘结构各零部件的选型计算和所设计零件的校核计算及液压传动原理图;4、完成装配工程图、主要零件工程图;(图纸总量折合A0图纸两张以上,画出三维图)5、完成设计说明书(至少15000字以上)。进度安排(包括时间划分和各阶段主要工作内容)第七学期 第七周第十二周 毕业设计开题报告第七学期 第十三周第十九周 主要设计工作,包括草图、结构设计及工程图等第八学期 第三周 中期检查第八学期 第六周末 上交初稿(包括图纸、说明书、外文资料),老师审阅初稿,提出修改意见。第八学期 第十一周 交终稿(上交所有资料的纸质和电子版)第八学期 第十二周第十三周(2012.5.26日前) 答辩主要参考文献指导教师签名系(教研室)审核意见指导教师签名年 月 日审核人签名: 年 月 日年 月 日备注:1、本任务书一式三份,由指导教师填写相关栏目,经系审核同意后,系、指导教师和学生各执一份。 2、本任务书须装入学生的毕业设计(论文)档案袋存档。 世界最新机械设计理念来源:中国科技期刊摘要:根据目前国内外设计学者进行机械产品设计时的主要思维特点,将产品方案的设计方法概括为系统化、结构模块化、基于产品特征知识和智能。这几种方法的特点及其相互间的有机联系,提出产品方案设计计算机实现的努力方向。关键词:机械产品方案设计方法发展趋势设计文件是将语义设计网作为设计工具,在其开发的活性语义设计网ASK中,采用结点和线条组成的网络描述设计,结点表示元件化的单元(如设计任务、功能、构件或加工设备等),线条用以调整和定义结点间不同的语义关系,由此为设计过程中的所有活动和结果预先建立模型,使早期设计要求的定义到每一个结构的具体描述均可由关系间的定义表达,实现了计算机辅助设计过程由抽象到具体的飞跃。系统化设计方法系统化设计方法的主要特点是:将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统,每个设计要素具有独立性,各个要素间存在着有机的联系,并具有层次性,所有的设计要素结合后,即可实现设计系统所需完成的任务。系统化设计思想于70年代由德国学者Pahl和Beitz教授提出,他们以系统理论为基础,制订了设计的一般模式,倡导设计工作应具备条理性。德国工程师协会在这一设计思想的基础上,制订出标准VDI2221技术系统和产品的开发设计方法。1. 将用户需求作为产品功能特征构思、结构设计和零件设计、工艺规划、作业控制等的基础,从产品开发的宏观过程出发,利用质量功能布置方法,系统地将用户需求信息合理而有效地转换为产品开发各阶段的技术目标和作业控制规程的方法。2. 将产品看作有机体层次上的生命系统,并借助于生命系统理论,把产品的设计过程划分成功能需求层次、实现功能要求的概念层次和产品的具体设计层次。同时采用了生命系统图符抽象地表达产品的功能要求,形成产品功能系统结构。3. 将机械设计中系统科学的应用归纳为两个基本问题:一是把要设计的产品作为一个系统处理,最佳地确定其组成部分(单元)及其相互关系;二是将产品设计过程看成一个系统,根据设计目标,正确、合理地确定设计中各个方面的工作和各个不同的设计阶段。由于每个设计者研究问题的角度以及考虑问题的侧重点不同,进行方案设计时采用的具体研究方法亦存在差异。下面介绍一些具有代表性的系统化设计方法。4. 设计元素法用五个设计元素(功能、效应、效应载体、形状元素和表面参数)描述“产品解”,认为一个产品的五个设计元素值确定之后,产品的所有特征和特征值即已确定。我国亦有设计学者采用了类似方法描述产品的原理解。5. 图形建模法研制的“设计分析和引导系统”KALEIT,用层次清楚的图形描述出产品的功能结构及其相关的抽象信息,实现了系统结构、功能关系的图形化建模,以及功能层之间的联接。将设计划分成辅助方法和信息交换两个方面,利用Nijssen信息分析方法可以采用图形符号、具有内容丰富的语义模型结构、可以描述集成条件、可以划分约束类型、可以实现关系间的任意结合等特点,将设计方法解与信息技术进行集成,实现了设计过程中不同抽象层间信息关系的图形化建模。6. “构思”“设计”法将产品的方案设计分成“构思”和“设计”两个阶段。“构思”阶段的任务是寻求、选择和组合满足设计任务要求的原理解。“设计”阶段的工作则是具体实现构思阶段的原理解。将方案的“构思”具体描述为:根据合适的功能结构,寻求满足设计任务要求的原理解。即功能结构中的分功能由“结构元素”实现,并将“结构元素”间的物理联接定义为“功能载体”,“功能载体”和“结构元素”间的相互作用又形成了功能示意图(机械运动简图)。方案的“设计”是根据功能示意图,先定性地描述所有的“功能载体”和“结构元素”,再定量地描述所有“结构元素”和联接件(“功能载体”)的形状及位置,得到结构示意图。Roper,H.利用图论理论,借助于由他定义的“总设计单元(GE)”、“结构元素(KE)”、“功能结构元素(FKE)”、“联接结构元素(VKE)”、“结构零件(KT)”、“结构元素零件(KET)”等概念,以及描述结构元素尺寸、位置和传动参数间相互关系的若干种简图,把设计专家凭直觉设计的方法做了形式化的描述,形成了有效地应用现有知识的方法,并将其应用于“构思”和“设计”阶段。7. 键合图法将组成系统元件的功能分成产生能量、消耗能量、转变能量形式、传递能量等各种类型,并借用键合图表达元件的功能解,希望将基于功能的模型与键合图结合,实现功能结构的自动生成和功能结构与键合图之间的自动转换,寻求由键合图产生多个设计方案的方法。提倡在产品功能分析的基础上,将产品分解成具有某种功能的一个或几个模块化的基本结构,通过选择和组合这些模块化基本结构组建成不同的产品。这些基本结构可以是零件、部件,甚至是一个系统。本结构应该具有标准化的接口(联接和配合部),并且是系列化、通用化、集成化、层次化、灵便化、经济化,具有互换性、相容性和相关性。我国结合软件构件技术和CAD技术,将变形设计与组合设计相结合,根据分级模块化原理,将加工中心机床由大到小分为产品级、部件级、组件级和元件级,并利用专家知识和CAD技术将它们组合成不同品种、不同规格的功能模块,再由这些功能模块组合成不同的加工中心总体方案。以设计为目录作为选择变异机械结构的工具,提出将设计的解元素进行完整的、结构化的编排,形成解集设计目录。并在解集设计目录中列出评论每一个解的附加信息,非常有利于设计工程师选择解元素。网络技术的蓬勃发展,异地协同设计与制造,以及从用户对产品的功能需求设计加工装配成品这一并行工程的实现成为可能。但是,达到这些目标的重要前提条件之一,就是实现产品方案设计效果的三维可视化。为此,不仅三维图形软件、智能化设计软件愈来愈多地应用于产品的方案设计中,虚拟现实技术以及多媒体、超媒体工具也在产品的方案设计中初露锋芒。目前,德国等发达国家正着力于研究超媒体技术、产品数据交换标准STEP,以及标准虚拟现实造型语言上基于虚拟环境的标准交换格式)在产品设计中的应用。机械产品的方案设计正朝着计算机辅助实现、智能化设计和满足异地协同设计制造需求的方向迈进,由于产品方案设计计算机实现方法的研究起步较晚,目前还没有成熟的、能够达到上述目标的方案设计工具软件。作者认为,综合运用文中四种类型设计方法是达到这一目标有效途径。虽然这些方法的综合运用涉及的领域较多,不仅与机械设计的领域知识有关,而且还涉及到系统工程理论、人工智能理论、计算机软硬件工程、网络技术等各方面的领域知识,但仍然是产品方案设计必须努力的方向。国外在这方面的研究已初见成效,我国设计学者也已意识到CAD技术与国际交流合作的重要性,及其应当采取的措施。基于产品特征知识设计方法的主要特点是:用计算机能够识别的语言描述产品的特征及其设计领域专家的知识和经验,建立相应的知识库及推理机,再利用已存储的领域知识和建立的推理机制实现计算机辅助产品的方案设计。机械系统的方案设计主要是依据产品所具有的特征,以及设计领域专家的知识和经验进行推量和决策,完成机构的型、数综合。欲实现这一阶段的计算机辅助设计,必须研究知识的自动获取、表达、集成、协调、管理和使用。为此,国内外设计学者针对机械系统方案设计知识的自动化处理做了大量的研究工作,采用的方法可归纳为下述几种。I 摘要 现代新型挖坑机的研发主要向系列化、多功能和高性能方向发展。本植树挖坑 机采用悬挂式与拖拉机三点悬挂式联接,即钻头在悬挂支臂的一端,支臂的另一端 置于拖拉机悬挂支点上。 本挖坑机主要是对传统的悬挂式植树挖坑机的传动部分和挖掘部分的改进。在 主轴箱设计方面,合理的设计锥齿轮的传动比以及强度计算等。在总体设计方面, 尽量简化挖坑机的结构,减少其零件数目,以降低成本。对于双螺旋叶片设计,其 直径由下往上逐渐减小,其螺旋夹角也由下往上逐渐减小,以避免钻头工作时与塘 壁发生碰撞和摩擦等情况,提高了工作稳定性。 关键词:挖坑机;悬挂;双螺旋叶片 II Abstract Modern research and development of new major development digging machine to the series, versatile and high-performance orientation. The tree planting digging machine adopts hanging type connection with a tractor three-point suspension that drill at one end of the suspension arm, the other end of the arm is placed on the tractor fulcrum. The main part of the digging machine to improve the traditional hanging tree planting and digging digging machine transmission parts. In headstock design, as well as the strength of the transmission ratio rational design bevel gear calculation. In terms of overall design, try to simplify the structure of digging machines, reducing its number of parts to reduce costs. For the double helix blade design, its diameter decreases gradually upward from the lower its upward spiral angle also decreased from the next, in order to avoid the pond wall collision occurred when the drill work and friction, etc., to improve the working stability. Key words: Digging machine; Suspension; Double helix leaves 1 目 录 摘要 .I ABSTRACT.II 前言 .3 第一章 引言 .4 1.1 本课题的设计意义 .4 1.2 我国园林机械的介绍 .4 1.3 国内外发展概况及现状 .5 1.3.1 国内研究现状.5 1.3.2 国外研究现状.7 1.4 课题由来及设计条件 .11 1.5 课题设计思路 .11 第二章 总体方案设计 .12 2.1 挖坑机的设计要求 .12 2.2 作业原理 .13 2.3 挖穴机与拖拉机的联接 .13 2.4 挖穴机的动力部分 .14 2.5 挖坑机主要技术规格和基本技术参数 .16 第三章 部件设计 .17 3.1 钻头的设计 .17 3.2 双螺旋叶片的设计 .18 3.3 螺旋轴的设计 .18 3.4 减速器的设计 .22 3.4.1 计算传动装置的运动和动力参数.23 3.4.2 传动零件的设计计算.24 第四章 设计计算 .29 4.1 动力分配计算 .29 4.2 万向联轴器的选用计算 .29 4.3 提升机构设计 .30 2 4.4 齿轮轴 .30 4.5 轴承的选用与计算 .32 第五章 主要零件强度计算 .35 5.1 齿轮的校核计算 .35 5.2 主轴的校核计算 .39 第六章 挖坑机使用和使用中的注意事项 .45 6.1 挖坑机使用 .45 6.2 使用中的注意事项 .46 第七章 结论 .47 参考文献 .48 致 谢 .49 3 前言 从国家林业局公布的第六次全国森林资源调查结果来看,目前我国森林资源现 状是:林业用地面活立木总蓄积量为 124.9 亿 m;森林蓄积量为 112.7 亿 m;除台 湾省外,全国人工林面积为 46666.7 万 m;人工林蓄积为 10.1 亿 m。从以上调查 数字可以看出,全国森林覆盖率为 16.55%,仅相当于世界森林覆盖率(27%)的 61.3%; 我国人均森林面积和人均森林蓄积分别相当于世界人均水平的 1/5 和 1/8,远远低于 世界平均水平。我国在“ 十二五 ”规划中,把生态环境建设摆到了突出的战略位置。 我国三北及长江流域防护林体系建设工程、退耕还林工程、积为 26329.5 万 hm; 森林面积为 15894.1 万 hm;速生丰产用材林基地建设工程等六大林业重点工程的 制定和实施,体现了党中央、国务院对我国生态环境建设的高度重视,受到社会各 界广泛关注,农民群众普遍欢迎。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。因此,保护我国现有的原 始森林生态系统以及恢复和重建我国退化森林生态系统,改善我国生态环境状况, 提高我国森林覆盖率,必须开展大规模的造林工程。采用人工造林投入大,产出少, 用工多,效率低,速度慢,劳动强度大,而采用机械化作业则可以提高工效,减轻 劳动强度,保证作业质量,降低生产 成本,提高经济效益,因此,进行机械化造林 是必要的。要进行机械化造林作业就必须有大量与之配套的造林机械设备,植树挖 坑机结构简单紧凑,体积小,重量轻,土地适应性强,对地形反应不敏感,工作可 靠等突出优点而被广泛使用,尤其是在条件较差的采伐地,不平的砂石荒漠地,未 开垦的多杂草灌木地和山地等特殊地貌的植树造林速度和质量。固研究高性能,低 成本,使用方便,适合我国国情的植树挖坑机是我们目前要解决的问题。 4 第一章 引言 1.1 本课题的设计意义 我设计的是一台植树挖穴机用于植树造林及其他的小型挖坑作业。现有的挖穴 机多为手提式挖穴机,起工作效率不高,使用条件不便,稳定性能不太理想,因此, 本课题设计的植树挖穴机要求工作稳定,工作效率高。随着地球环境的日益恶化, 需要大量植树造林,改善环境,因此,研制经济高效的植树挖穴机将深受广大人名 群众的欢迎。 1.2 我国园林机械的介绍 随着人们生活水平的不断提高,人们对于生活品质的要求越来越高,随之发展 的就是城市的草坪业和绿化建设。要想拥有好的绿化建设,园林机械是必不可少的。 像油锯、高枝锯、绿篱机、割草机、地钻、新型挖坑机械等等,都是不可或缺的。 但是,由于草坪业和城市绿化建设的迅猛发展,国内的园林机械根本就跟不上 这样的发展节奏。 我国目前园林机械主要存在着以下问题。 第一,园林机械的核心技术跟不上。园林机械技术的核心是发动机,国外进口 的园林机械一般噪音小,节能性好,经久耐用,而我国的产品由于技术不过关,往 往其发动机的噪声和耗油量都很大,还容易损坏,所以,相较之下,由于发动机档 次的差距,很多国内园林机械的生产商就选择了进口发动机,从而导致生产成本增 加,在市场竞争中处于不利位置。 第二,国产园林机械工作质量欠佳。国产园林机械在质量上与进口机械的差距 主要表现在:割草机在修剪之后,草皮高低不平;移植机切边不整齐,起草速度慢, 连续工作能力差等。因此,虽然进口机价格高,但许多人愿意买。 第三,人们的消费观念还未改变。 然国产的园林机械在不断完善,相较之前 的已经越来越好。但是,人们的观念还未转变,总认为进口的总比国产的好,即使 价格要昂贵一点,仍旧愿意选择进口的。 针对这三种制约我国园林机械发展的因素,面对进口园林机械强大的市场冲击, 5 国内生产企业没有坐以待毙,而是在努力抢占市场,树立自己的品牌。只不过由于 受诸多因素的影响,园林机械国产化不可能一蹴而就。目前,一些国内生产企业通 过改进技术手段、树立企业形象等方式,提升自身水平,并正逐步被消费者所接受。 我国园林机械产品正在向多样化、规模化、系列化方向发展。最初国内生产企业生 产的园林机械品种只限于移植机、割草机等少数高利润产品,而现在市场上各种用 途的园林机械已是琳琅满目。专家预测,未来几年,国产园林机械将在国内市场占 据主动,并逐步打入国际市场。 按照使用场合分类,园林工具包括园艺工具和园林工具;按照使用对象分类, 还能够分成家用工具和专业工具;按照动力不同,又分为引擎类和电动类,引擎类 使用 2 冲程或 4 冲程发动机,本田或 BS 的是高端产品的首选;电动类又细分为交 流类和直流类。 园艺工具主要有:园林剪刀、花卉工具(园林花具,小套花具) 。园林剪刀主 要产品有高枝剪、整篱剪(篱笆剪) 、剪枝剪(整枝剪、修枝剪) 、多用剪、摘果剪、 剪花剪、剪草剪等;田园组套花卉工具(园林花具,小套花具)包括花锹、花铲、 花耙、花锄、花叉等等,具体有两头锄(两头花锄) 、平锄、平耙、三齿花锄、三 齿花耙、锄耙、锄镐、大花铲、小花铲、三字花铲、一字花叉、六齿花耙等。 园林机具主要有:植树挖坑机、草坪修剪机、割灌割草机、绿篱修剪机、油锯、 水泵、打孔机、起草皮机、打药机及各款园林工具。 随着国内这几年城市建设的发展,城市绿化已经形成很大一个产业,日常的养 护便依赖这些工具来完成。我们日常看见的大多是汽油机动力的园林工具,如植树 挖坑机、割草机、修枝剪、打草机、修边机、割灌机等。 1.3 国内外发展概况及现状 1.3.1 国内研究现状 中国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 6 产业化,有为东方红-75、热特-25 型拖拉机配套的挖穴机,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、 挖穴机,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,生产的挖穴机批量较小。近几年 来,由于经济林的兴起以及国家为防治水土流失,退耕还林、种草种树已引起各有 关部门的普遍重视,并加大了植树造林机械的投入,取得了良好的效果。 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10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,应用范围也比较广 2。 1) 内蒙赤峰田丰农林机械厂生产的3WH-60 型悬挂式挖坑机(如图1 所示), 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 250600mm,深度0-1200mm,适用于平原、丘陵及沙地作业。 2) 山东大丰机械厂生产的“大丰王”系列挖坑机WKJ-60/70(如图2 所示)可与 18.4k-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。 图 1 3WH-60 型县挂式挖坑机 7 图2 WKJ-60/70 挖坑机 3) 哈尔滨林业福马机电设备公司生产的悬挂式挖坑机(如图3 所示)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 。 4) 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(如图 4 所示),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320mm500mm,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。 图 3 悬挂式挖坑机 图 4 3WS-2.8 型手提式挖坑机 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。 1.3.2 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 8 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,4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(如图5(a)所示)质量仅为7.0kg,采用H35D发动机; A 8D型挖坑机(如图5(b)所示)可挖坑径范围为20-200mm。 (a)A-7 型手提式挖坑机 (b)A-80 挖坑机 图5 日本生产的挖坑机 英国生产的05H8300 型悬挂式挖坑机(如图6所示)和美国生产的悬挂式三钻 头挖坑机(如图7所示)钻头之间的距离是可调节的(既行距可调),适用于平原 地区的大面积植树造林,工作效率很高 2。 图 6 英国产 05H8300 式挖坑机 9 图 7 美国产悬挂式钻头挖坑机 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(如图9 所示)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(如图10 所示)发动机采用动力为 4.1kW 的BS Intek Pro OHV。图 9 和图10 所示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 1 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。 图 9 美国产 HYD-TB11H 型液压挖坑机 10 图 10 美国产 MDL-5B 型挖坑机 挖穴机为了适应不同土壤、不同作业条件的要求,国外生产的不同动力配套的 造林用挖穴机,有手提式、背负式、手扶拖拉机式和拖拉机式 4 种。 A.手提式挖穴机,分为单人式与双人式。日本多用单人手提式,欧洲各国则多 采用双人手提式。手提式挖穴机发动机的功率一般为 1.3-3.7kw,多采用油锯和割 灌机的单缸风冷汽油发动机为动力。单人和双人手提式挖穴机发动机的转数经离心 式离合器和减速箱,将转数降低到 100-200r/min,再传到挖穴钻头。由于减速比很 大,多采用蜗轮蜗杆或摆线针轮行星传动机构,以便减少机器的质量。由于双人手 提式挖穴机质量可以大一些,有的采用多段直齿轮减速机构。有的挖穴机为了使挖 穴机钻头能自动地由地中拔出,在传动机构中装有逆转机构。国外所用的挖穴钻头 多为螺旋片型,挖穴时自穴中向上排土的性能好,螺旋片型有单螺旋和双螺旋两种。 山地造林时,挖穴的直径和深度为 25-30 厘米,因此多采用 1.5-2 个节距的螺旋片。 为了提高螺旋片型挖穴机的切根性能,有的将螺旋边缘做成缺口状。国外所用挖穴 机钻头的转数都不太高,以免将穴中的土壤甩得过远,一般周边速度为 3 米/秒左右, 钻头转数为 200-300r/min。装有逆转机构的挖穴机在拔出钻头时,土壤会向相反方 向旋转,不会从穴中抛出。手扶拖拉机式挖穴机的功率为 3.7-7.3kw,轮式拖拉机 挖穴机的功率为 36.8-73.6kw。 B.悬挂式挖穴机主要用于栽植大树苗时的挖穴作业,挖穴直径为 50-80 厘米, 挖穴深度为 60 厘米,挖穴机悬挂在 25.7-58.8kw 拖拉机上。挖穴机由纵吊杆、带 安全装置的万向传动轴、减速器和不同直径的挖穴钻头组成。减速器由一对直齿锥 齿轮组成,更换不同直径的挖穴钻头时,要更换不同的锥齿轮,可换挖穴钻头有 3 种,直径分别为 80、60、30 厘米。钻头由空心钻杆、叶片和切土刀片组成,钻杆 下端有定心尖。工作时,由拖拉机动力输出轴经万向传动轴带动旋转工作部件完成 挖穴作业,利用液压装置控制钻头升降。 C.液压式挖穴机在发达国家已普遍推广。由于液压技术的普及推广,发达国家 在挖穴机上已采用液压传动装置,主要用在液压输出能力较强的拖拉机或挖掘机的 机型上,用液压泵驱动齿轮机构传动系统。DANUSER 液压挖穴机装有高效、转向 密封性能好的液压马达,可调节机械链条与齿轮,使扭距增大 4 倍。采用液压驱动 比用万向节套管传动更灵活方便,当遇到障碍物时能起到安全缓冲作用。 11 1.4 课题由来及设计条件 A.设计内容 设计一台植树挖坑机用于植树造林。主要的设计内容有: a)总体设计:设计总体方案。绘制挖坑总图; b)零部件设计:根据挖坑机总图,设计齿轮箱等传动机构;绘制传动轴、齿轮、 齿轮箱体、钻头等零件图;有关计算、校核等。 B.设计依据 a) 相配套的江苏-50 型四轮拖拉机主要技术数据 力输出轴转速:720r/min;540 r/min 动力输出轴离地高度:645mm b) 挖穴机技术参数 挖穴直径:500mm 挖穴深度:800mm 钻头转速:150250r/min 钻头形式:采用双螺旋叶片结构; 工作效率:6090 坑塘 /小时 按 5 年寿命,每年工作 800 小时计。 1.5 课题设计思路 在开始该机设计前,参考对比了一系列已有的植树挖坑机,例如悬挂式挖坑机, 手提式挖坑机,液压式挖坑机等,总结发现他们都要用到由一对齿轮传动组成的减 速箱,而本课题采用的是悬挂式挖坑机的方式,一种与小四轮拖拉机配套的悬挂式 挖坑机,由悬挂架、带安全装置的万向传动轴、减速箱、双螺旋叶片型钻头等构成; 悬挂架两端分别与拖拉机和减速箱铰合连接,双螺旋型钻头固定在减速箱的输出轴 上;工作时,拖拉机的提升臂拖带悬挂架进行升降,由拖拉机动力输出轴经万向传 动轴带动旋转工作部件完成挖穴作业;具有结构简单、作业质量好、效率高、移动 及通过性能灵活的特点,广泛应用于植树造林、施肥集水、埋设桩柱等作业。 12 第二章 总体方案设计 2.1 挖坑机的设计要求 1) 挖坑机所挖出的坑径与坑深应满足栽植树木的要求。 2) 挖出的坑径要有较好的垂直度,坑壁应整齐,但不宜太光滑,否则不利于根 系的生长。 3) 在贫瘠的土地上挖树坑时, 要求出土率在90%以上,以便在坑内添加肥料 和表土回填,改善树木的生长条件;在肥土层较厚的土地上挖植树坑时,可以有 25%40%的松土留在坑内。挖坑时,抛出土应在坑的周围,抛土半径不应太大,以 便回填方便。 4) 根据造林技术要求,有时挖坑与造林不是相继进行的。此时,挖坑土壤可不 出坑,只要求钻头破碎草皮、切断灌根、排出石块、疏松土壤,以便蓄水保墒与熟 化土壤,这种挖坑又叫穴状整地。 挖坑机的种类很多。如果按与配套动力的挂接方式对其进行分类,可分为悬挂 式挖坑机;手提式挖坑机、牵引式挖坑机和自走式挖坑机 3。按挖坑机上配置的钻 头数量可分为单钻头、双钻头和多钻头掘坑机。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。对于悬挂式挖坑机,机器悬 挂在拖拉机上主要用于地形平缓或拖拉机可以通行的地方,钻头的升降由拖拉机手 通过拖拉机液压系统操纵,挖坑直径和深度都比较大,也可以多钻头同时作业。对 于手提式挖坑机,机器与汽油发动机装配成整体,由单人或双人手提操作,质量较 轻,适用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。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。自走式挖 坑机设计成整体自走式,挖坑机本身自带动力,通过性较好,技术含量和自动化程 度较高,价格昂贵。后两种挖坑机由于局限性较大,在我国应用较少。单钻头挖坑 机在我国应用比较普遍,多钻头挖坑机则比较少见。挖坑机的钻头形状多为螺旋式 或螺旋带型。 如果用于山上、坡地种植小树苗,可以选用小型挖穴机,它的配套动力在 4 千 瓦以下,开挖直径约 30 厘米,深度 30-40 厘米。目前国产小型挖坑机有以下机型可 13 供选择 3:中国农机研究院耕作所研制的与 2.2-3.7 千瓦手扶拖拉机配套的挖坑机, 挖坑直径 20-30 厘米,深度 20-40 厘米,生产效率 100-150 个/ 小时。 中国第一拖 拉机股份公司生产的东方红-IW20/30 挖穴机,汽油发动机功率 3.7 千瓦,机重 23.5 千克,使用时由 2 个人握住挖穴机的手柄即可操作。山东招远市日强农机有限公 司生产的 DT-ZB4 型植树挖坑机,它采用二冲程 3.7 千瓦汽油机作动力,挖坑直径 36 厘米,挖坑深度 60-120 厘米,机重 23 千克,每 1.2 分钟可挖坑 1 个。如果用于 小块地或城乡结合部植树,可以选用与小四轮拖拉机配套的中型挖坑机,其开挖直 径约 30-50 厘米,坑深 40-50 厘米,例如南昌旋耕机厂生产的 IW-60 型挖坑机如果 用于工程施工,则应选用大型挖坑机,它与 40.4 千瓦(55 马力)以上轮式或履带式拖 拉机配套,挖坑直径 5060 厘米,坑深 70-100 厘米,例如,云南省热带作物机械厂 生产的挖坑机,它由东方红 75 型履带式拖拉机驱动,可以开挖底径 60-80 厘米、深 70 厘米的穴坑,生产率为 90 个/小时,机重 485 千克。 2.2 作业原理 一种与小四轮拖拉机配套的悬挂式挖坑机,由悬挂架、带安全装置的万向传动 轴、减速箱、双螺旋型钻头等构成;悬挂架两端分别与拖拉机和减速箱铰合连接, 双螺旋型钻头固定在减速箱的输出轴上;工作时,拖拉机的提升臂拖带悬挂架进行 升降,由拖拉机动力输出轴经万向传动轴带动旋转工作部件完成挖穴作业;具有结 构简单、作业质量好、效率高、移动及通过性能灵活的特点,广泛应用于植树造林、 施肥集水、埋设桩柱等作业。 挖坑作业时,拖拉机液压悬挂装置处于浮动状态,使钻头对准挖坑标记中心靠 自重下落,拖拉机的动力输出轴通过传动轴和减速器带动钻头旋转入土,钻头切去 中心部分土壤,进而钻头叶片下端的刀片切削土壤,切下的土壤在离心力作用下被 抛向穴壁,并在摩擦力作用下沿着叶片螺旋向上升到地面被抛到穴的周围,挖到预 定深度时,通过液压悬挂装置提升钻头到运输状态,再转移到下一个挖坑地点。 2.3 挖穴机与拖拉机的联接 挖穴机与拖拉机采用三点悬挂装置联接,具有结构简单、作业质量好、效率高、 移动及通过性能灵活的特点,广泛应用于植树造林、施肥集水、埋设桩柱等作业。 14 三点悬挂机构示意图(图 2-1): 图 2-1 三点悬挂机构示意图 2.4 挖穴机的动力部分 图 2-2 传动路线图 动力由拖拉机输出,通过带安全装置的万向传动轴,将动力传到挖穴机的输入 轴,再通过一对直齿锥齿轮传动来带动双螺旋叶片型钻头转动,实现挖穴作业。 (如图 2-4 所示 ) A.功率计算 查表得: ; ;0.96圆 锥 齿 98.0滚 子 轴 承 96.0万 向 节 a.拖拉机动力输出轴的额定输出功率 作为设计功率)(4.58. 马 力发额 N b.计算第一轴及小锥齿轮 的功率、转速和扭矩1Z 15 齿轮轴: )(632.7马 力万 向 节轴 承额 NI min/0rnI )(43.72.7162. 米千 克 IIM896.03.1 马 力轴 承 IZN)(47.72162.76 11 米千 克 Znmin/01rZ c.立轴与大锥齿轮 功率、转速和扭矩:2 马 力 )圆 锥 (402.3596.87.312 ZNin/24012 rnZ)(36.8.622 米千 克 ZZM 立轴功率、转速和扭矩为: )(91.42 马 力轴 承 ZINmin/32rnI )(198.06.71米千 克 IIM 各轴与齿轮考虑传动效率后相应功率,转速和扭矩汇总如表 2-3 所示: 表 2-3 各轴功率、转速和扭矩表 I 轴 II 轴 轴次 动力输出轴 轴 1Z轴 2Z 功率(马力) 40 37.632 36.879 35.404 34.696 转速( r/min) 720 720 720 234 234 扭矩(千克 米)39.789 37.433 36.685 108.361 106.193 16 B.挖坑幅度 根据设计要求,挖坑直径为 500mm,深为 800mm,因此,双螺旋叶片最大直 径为 500mm。如图 2-4 所示: 图 2-4 挖坑幅度示意图 2.5 挖坑机主要技术规格和基本技术参数 型式:三点悬挂联接,中间齿轮传动 配套动力:黄海金马-50 型轮式拖拉机 挖坑幅度:挖坑直径 D=500mm,挖坑深度 H=800mm 作业速度: I 档 540r/min II 档 720r/min 螺旋叶转速: I 档 175.5r/min II 档 234r/min 螺旋叶旋转直径:500mm 17 第三章 部件设计 3.1 钻头的设计 图 3-1 钻头的设计 挖头挖坑时,切土、螺旋提升和抛土过程虽然简单,但其力学摸型及计算十分 复杂,而且结果定量的指导性很差。当挖头为螺旋式、叶片内径(即中心管) D=80ram、叶片外径800mm、坑深1000mm时,宜采用单头式,左旋,导程为 600lnm,外径切土入土角d外=12.5,内径切土入土角d内=64,平均入土角d均 =38.25,抛土半径 1200 1500mm,此时十分有利于原土回填。试验表明,能够完全 满足工作要求。试验也证明采用单头比双头易于入土,尤其在坚硬土壤情况下更能 显出其优越性,根据设计要求,钻头与螺旋叶轴之间采用花键联接,销钉固定,材 料选用45钢,表面淬火处理,提高耐磨性和硬度,并及时进行回火处理,消除内应 力,提高工件韧性。本次挖头设计如图3-1所示。 18 3.2 双螺旋叶片的设计 图 3-2 双螺旋叶片的设计 螺旋可以是右旋或左旋的,单线、双线或三线的,在本次设计采用双线。 螺旋挖掘铲中土壤的方向决定于螺旋叶片的左右旋向与其转动方向。确定物料 输送方向方法较多,这里主要有两种:一种是左,右手辨别法:首先判定螺旋叶片 盘旋方向是左旋还是右旋,右旋用左手,四指所握方向是轴旋转方向,则大拇指所 指方向为土壤输送方向:若是左手使用右手,四指所握方向是轴旋方向,则大拇指 所指方向为土壤输送方向。另以方法是认定轴的一头对着自己,若轴旋方向同于叶 片在轴上盘绕的方向,则土壤朝着自己方向运动;若轴转动方向异于叶片子轴上盘 旋方向,则土壤朝着自己反方向运动。 双螺旋叶片结构如图 3-2 所示,采用调制处理,表面淬火,设计时,为避免工 作停止后抬起时导致坑壁碰触,破坏作业效果,因此特设计为下方直径较大,上方 直径较小,叶片与中间轴焊接固定,与立轴采用花键联接,销钉固定。 3.3 螺旋轴的设计 1)选材及热处理 一般情况下选 45 号钢,调质或正火;也可用 35、40、50 号钢,不重要或受力 较小的轴可选用 Q235、Q275。高速重载下,可选合金钢,可对轴颈表面淬火。 (低 碳钢的可渗碳- 淬火)但对应力集中敏感,应在结构设计中充分注意。球墨铸铁吸振 性好,对应力集中不敏感、耐磨。具体材料与机构性能详见表 7,选择 45 号钢 11, 调质处理,该轴硬度为 170HB-217HB,弯曲应力 =590 Map , =295 Map ,bs 19 =255 Map, =140MPa, =55MPa111 轴的结构设计 由于本螺旋挖掘铲的挖坑深度是 800mm,了提高轴的刚度和抗弯强度,因此空 心轴根据实际生产经验,查表初步选择 160*40 的钢管,即外径为 160 毫米,壁厚 为 40 毫米。 2)轴的校核 虽然土壤在轴四周被均匀输送,螺旋轴在旋转时,由于自身的重力和焊在其上 面的螺旋叶片的重力,此轴不仅受扭矩还受弯矩,所以在此需要校核其扭矩及弯矩 的强度和刚度。 3)估算轴的直径 轴的直径计算式 19: 空心轴 = =90.5300mm 430(1)PdAn346.92015 式中: d 轴的直径; P 轴传递的额定功率(Kw); n 轴的转速(r/min) ; 按 而定的系数 126103,见机械设计手册; 0A 空心轴的内径与外径之比,取 =0.5; 根据轴的扭转强度条件公式 3 950.2TPnWd 式中: -扭转切应力,单位为(MPa) ; T-轴所受的扭矩,单位为(N.m) ; -轴的抗扭截面系数( ) ;W3m -轴的许用转应力 2545( )见机械设计手册;aMP 20 =43.27MPa2160.3 9.5TW 所以轴径 160mm 符合设计需要。 表 4 轴的材料参数表 轴的材料 Q235-A20 Q275 35 45 40Cr 等高强度钢 2Nm15-25 20-35 25-45 35-55 A 149-126 135-112 126-103 112-97 注:表中所给出的 值是考虑了弯曲影响而降低了的许用扭转剪应力。 在下列情况下 取较大值, A 取较小值;弯矩较小或只受扭矩作用,载荷 较平稳,无轴向载荷或只有较小的轴向载荷,减速器的低速轴,轴单向旋转。反之, 取较小值, A 取较大值。 在计算减速器 中间轴的危险截面处(安装小齿轮处)的直径时,若轴的材料 为 45 号钢,可取 A=130-165。螺旋轴直径为 160,壁厚为 40mm,空心轴。 轴的疲劳强度校核 由扭矩 T 形成的扭转剪应力为 =T/WT WT 抗扭截面系数(W T= (1- )/16), =d/D3D4 根据已知 P、 n 可得出:M=9549 9549 =24.403 N.m nP0.239 对于直径为 d 的圆轴弯曲应力为 =M/W,扭转切应力 =T/WT=T/2W 将 和 代入 中则轴的弯扭强度条件为: e1W22()MT1 (18) 其中 T= np950 通常由弯矩所产生的弯曲应力 是对称循环变应力,而由扭矩所产生的扭转切 应力 则不是对称循环变应力。为了考虑两者循环特性不同的影响,引入折合系数 ,则计算应力为 式中的弯曲应力为对称循环变应力,当 为静22)(aMca 应力时取 ,当 为脉动循环变应力时 ,若 为对称循环变应力时取3.06.0 ;1 在本文中,取 =0.3; 21 根据设计计算的需要求出已知量,方便后序计算: 空心 : 抗弯截面系数 3430.1()80Wdm 抗扭截面系数 296T 极惯性系数 474(1).0313PDI 式中: -抗扭截面系数;TW -抗弯截面系数; -轴截面的极惯性矩;PI -空心轴内径与外径之比; 根据上面公式求得:T= 221.56N.m =48000W3m 所以 = = e1W22()MT2214.0.1.56.488MPa( ) 1 (19) 由于螺旋轴叶片均匀分布在螺旋轴上,因此它们的自重为均布载荷,螺旋轴可 简化为均布载荷作用下的简支梁,如图 11 所示 图 11 螺旋轴的受力分布图 则螺旋轴的弯矩为 = (20)maxM 28ql 将已知数值代入(19)式得出 = 50MPae 查表 【3】 可知轴材料为 45 钢的 =590 MPa 的 =55 MPab1 22 由于 5055 即 满足弯曲扭转强度要求。e1 3.4 减速器的设计 设计的植树挖坑机的传动系统中,减速器选用的单级主减速器结构,它采用一 对准双曲面锥齿轮传动。主动锥齿轮与输入轴制成一体,用圆锥滚子轴承和支承。 这两个轴承安装在主减速器壳的轴承孔内,并被台阶轴向定位,用来承受在主减速 器工作时,对主动锥齿轮产生的轴向和径向力。因为主动锥齿轮处于圆锥滚子轴承 和支承点的外面,所以让两轴承的小端相对,这能够增大有效支承点的距离,并使 轴承有效支承点距锥齿轮更近,有利于增加主动锥齿轮的支承刚度。输入轴前端的 固定螺母把垫圈、叉形凸缘、轴承内圈、预紧调整垫片、隔离套管轴承内圈和齿轮 前后位置调整垫片等固定在齿轮的前端面上。 从动锥齿轮被螺栓固定在差速器壳上,差速器壳又被两个圆锥滚子轴承支承在 主减速器壳内。因为从动锥齿轮处于两个圆锥滚子轴承之间,所以让两轴承的大端 相对,这能够适当减小两轴承有效支承点的距离,对增加从动锥齿轮的支承刚度是 有利的。 主减速器传动比可用下式进行计算: i从动锥齿轮齿数 N2主动锥齿轮齿数 N1 为了减少主减速器内齿轮的冲击噪声,并使轮齿沿其长度方向的磨损比较均匀, 需要保证主动和从动齿轮之间正确位置关系,为此在主减速器内设有啮合调整装置, 还要使这些齿轮有足够的支承刚度,以保持在传动过程中不至于发生较大变形而影 响正常啮合。 在安装调整中,应注意以下: 1)圆锥滚子轴承的预紧:在消除轴承间隙后,再对轴承加一定的轴向压紧力。 压紧力过小,则不能满足轴的支承刚度需要;压紧力过大,则会导至传动效率降低, 并且加速轴承磨损。 主减速器未装油封时,按规定力矩拧紧主动锥齿轮前端螺母后,应调整到能以 M10.8 1.3Nm 左右的力矩使主动锥齿轮单独转动。为了调节此力矩的大小,在 23 主动轴两轴承内圈之间的隔离套管的一端装有预紧调整垫片。如过紧则增加垫片的 厚度;过松则减少垫片的厚度。 调整垫片的厚度,可以调整支承差速器壳的圆锥滚子轴承的预紧程度,主、被 动锥齿轮组装后,应能以 M2M10.20.4Nm 的力矩转动主动锥齿轮。 2) 齿面接触情况调整:先在主动锥齿轮轮齿上涂以红色颜料(红丹粉与机油的 混合物) ,然后使主动锥齿轮往复转动,于是从动锥齿轮轮齿的两工作面上便出现 红色印迹。通过调整主动锥齿轮的前后位置和从动锥齿轮的左右位置,可以调节齿 面接触情况。应使动齿轮轮齿正转和逆转工作面上的印迹均位于齿高的中间,并偏 于小端,占齿面宽度的 60以上。 为了对主减速器内的齿轮和轴承进行润滑,在主减速器壳内要加一定量的齿轮 油。当从动锥齿轮转动时,把齿轮油甩溅到各齿轮和轴承上。为保证主动齿轮前端 的圆锥滚子轴承得到可靠润滑,在主减速器壳体中铸出了进油道和回油道。被甩溅 到主减速器壳内壁的一部分齿轮油从进油道进入两圆锥轴承小端之间,在离心力作 用下,齿轮油自轴承小端流向大端。流出圆锥滚子轴承大端的齿轮油经回油道流回 主减速器内。在主减速器壳后面设有加油口,应按加油口的高度加注齿轮油。在主 减速器壳体上装有通气塞,防止壳内气压过高而使齿轮油渗漏。在更换齿轮油时, 可通过设在主减速器壳下面的放油口将齿轮油放出。 应注意的是,准双曲面齿轮在工作时,齿面间有较大的相对滑动,且齿面间压 力很大,齿面油膜易被破坏。为减少摩擦,提高效率,必须采用含防刮伤添加剂的 双曲面齿轮油,绝不允许用普通齿轮油代替,否则将使齿面迅速擦伤和磨损,大大 降低使用寿命。 锥齿轮是圆锥齿轮的简称,它用来实现两相交轴之间的传动,两轴交角称为轴 角,其值可根据传动需要确定,一般多采用 90。锥齿轮的轮齿排列在截圆锥体上, 轮齿由齿轮的大端到小端逐渐收缩变小。由于这一特点,对应于圆柱齿轮中的各有 关 圆柱 在锥齿轮中就变成了圆锥,如分度锥、节锥、基锥、齿顶锥等。锥齿轮 的轮齿有直齿、斜齿和曲线齿等形式。直齿和斜齿锥齿轮设计、制造及安装均较简 单,但噪声较大,用于低速传动(5m/s) ;曲线齿锥齿轮具有传动平稳、噪声小 及承载能力大等特点,用于高速重载的场合。 24 3.4.1 计算传动装置的运动和动力参数 传动效率分别为: 联轴器效率 150.9 滚动轴承的效率 24680.9 圆锥齿轮传动效率 3. (1)各轴转速 轴 960min1Inr 轴 035.7/iIIi 轴 /in1IInr (2)各轴输入功率 轴 124.85IdPkw 轴 36IIp 轴 5.II k (3)各轴输入转矩 万向轴输出转矩 904.7ddmPTNn 所以各轴输出转矩为: 轴 1248.6Id 轴 031ITiN 轴 56.II m 3.4.2 传动零件的设计计算 (1)选择圆锥齿轮传动的设计计算 1)选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 a 挖掘机为一般工作机器,速度不高,故选用 8 级精度,齿形角 ,齿顶20
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