侧边传动式旋耕机的设计

侧边传动式旋耕机的设计

学生：翦超明

指导老师：吴彬

(湖南农业大学东方科技学院，长沙 410128)

摘要：旋耕机是一种实用性强、应用范围广的耕整地机械，具有切土效果好、碎土能力强、耕后地表平坦等特点，在各种土壤条件下一次性可达到待播状态，可基本满足农业精细耕作的要求。近年来，我国进行了种植业结构调整，特别是北方地区，耕整用宽幅高速型旋耕机成为发展方向，大中型拖拉机具有强劲的动力输出、较大的牵引力和悬挂提升能力，为配套旱地耕作型联合作业提供了先决条件。而旋耕作为驱动型耕作机械，易于更换和附加工作部件，形成灭茬、深松、碎土、做畦、起垄、开沟、精量半精量播种、深施化肥、铺膜、镇压和喷药等多项作业的结构紧凑的联合作业机组，大幅度提高了生产效率，降低了作业成本。本次设计的侧边传动式旋耕机结构简单、生产率高、功率消耗少、经济效率高。

关键词：旋耕机；旋耕刀片；变速箱；传动系统

Design of Side Transmission TypeRototiller

Student:Jian Chaoming

Tutor: Wu Bin

(college of Orient Science &T echnology College, Hunan Agricultural University, Changsha 410128)

Abstract:Rotary cultivator is a kind of soil preparation machine with strong practicability and wide application. It cuts soil with good effect, breaks soil with powerful capacity and makes the soil surface flat after tillage, and so on. It can make soil in all kinds of conditions once achieved the state to be broadcast, which can basically meet the requirements of agricultural farming. In recent years, the planting structure of our country has been adjusted, especially in northern areas, thus tillage with a wide high-speed-type rotary tiller has developed. Medium-sized tractor provides a prerequisite for supporting dry land farming-based combination process with its strong power output, greater traction and enhanced ability of suspension. However, the rotary cultivator machine, as a driven model rotary machine, is easy to change, subjoins working parts and forms multiple-assignment and compact-structure joint operating units

that clean stubble, loose the soil deeply, break soil, do beds, ridge, ditch, sow precise and quantity seeds, fertilize deeply, pave membrane, press soil and spray, which greatly improves the production efficiency and reduces the assignments cost. This designed side transmission type rotary cultivator in the paper has simple structure, high productivity, low power consumption and high economic efficiency.

Key words：Rotary Cultivator；Rotary Blade；Gear-Box；Transmission System

1前言

旋耕机是一种实用性强、应用范围广的耕整地机械，具有切土效果好、碎土能力强、耕后地表平坦等特点，在各种土壤条件下一次性可达到待播状态，可基本满足农业精细耕作的要求。目前，我国与大中型拖拉机配套的旋耕机保有量约15万台，与手扶拖拉机和小四轮拖拉机配套的旋耕机约200万台。旋耕机在南方水稻生产机械化应用中已占80％的比例，北方的水稻生产、蔬菜种植和旱地灭茬整地也广泛采用了旋耕机械。近年来，我国北方进行种植业结构调整，大力推行旱改水，水稻种植面积迅速增加，扩大了对旋耕机械的市场需求。旋耕机得使用可极大的提高土地耕作效率。此外，旋耕机具有防疏松土壤、秸秆还田、增加土质肥力和消灭土层中害虫的功能，广泛用于平原、山区及丘陵地带的各种土质田块的作业任务，水旱田兼用，具有广泛使用性。

目前，在我国成型的旋耕机械产品中，以卧式旋耕机为主流，该种旋耕机对土壤适用性强、混土效果好，一次作业可达到翻土、碎土和平整地表的要求。但一般耕深很浅，漏耕严重，工作部件易缠草堵泥且作业时消耗功率较大。在卧式旋耕机中，按旋耕机切刀轴与拖拉机轮子的转向可分为正传和反转。本次设计为正传式旋耕机。

旋耕机入土深度一般小于旋耕机部件半径的10%～20%,考虑到旋耕部件大小所需

的相适应的单位能耗，应使旋耕机刀轴距地面较低，有的设计则依据旋耕部件与耕深的相对关系，把中央调速器直接安装在旋耕部件的轴上。这样可保证农具的最小能耗，最小的材料消耗和较好的工作质量。

根据目前旋耕机的使用现状，预计旋耕机的研究重点将是以下几个方面：

（1）在传动方面，现有的旋耕联合作业机具机架刚性不足，影响传动系统零件寿命，可靠性低。

（2）旋耕刀具设计参数不合理，作业性能差。

（3）侧边传动式旋耕机部件的结构设计。

（4）与发动机功率匹配。

（5）整机应满足基本农艺要求，耕深10～13cm，配套动力为15～30KW的拖拉机。

（6）作业后，地膜与垄台要贴实、无皱折、无卷曲、无漏覆。

本次设计主要是要一次同步完成翻土、碎土、平整地表等作业，并且须通过合理选择参数和优化机构设计，使之整体尺寸、结构设计合理，功率消耗低，满足作业要求，同时克服其他可能存在的问题。

2 总体方案的选择及确定

随着农业科学技术的发展，旋耕机的研究和使用有很大的进展，出现了多种型式的产品。通过分析比较本次设计选用卧轴、悬挂式侧边传动的方案，这种结构对土壤适应强、混土效果好，能一次同步完成翻土、碎土、平整地表的要求，而且结构简单、效率高。

2.1 工作方式的选择

旋耕切削方式的选择

由于切削方式的不同，旋耕机的功耗及所达到的效果亦有不同。目前有旋耕机刀辊的旋向与其前进方向的不同，一般可分为以下两种基本形式：正转式和反转式。两者在工作时的切削速度、刀轴切土扭矩等都表现不同，但反转旋耕机存在的最大问题是作业时刀片切下的土块容易随刀滚抛向前方，易造成堵塞，不利于旋耕平土。故此处选正转更合适。

2.2 动力的选择

根据现有拖拉机型号使用性能等情况及任务书的要求，现初选东方红-250的轮式拖拉机。其参数如下表1：

表1 东方红-250的轮式拖拉机技术规格

Tab. 1 Dong fang hong-250-wheeled tractor technical specifications

参数数值型式

4*2

外型尺寸

（mm）

2850×1360×1190

标定功率

（kw）

18.4

最大提升力

（KN）

4.15

速度范围

（Km/h）

1.25～27.86

额定牵引

力

（N）

5800

参数数值

轴距

（mm）

1493

最小离地间隙（mm）

430

后轮轮距

（mm）

1020～

1320

结构质量

（kg）

1040

动力输出轴

转速（r/min）

540/730

动力输出轴

标定功率

（kw）

17.5

3 工作参数的计算及选择

3.1 刀片运动轨迹及其分析

旋耕机工作时，旋耕刀运动轨迹是摆线[1]。以刀轴旋转中心为原点建立坐标系，x

轴正向和旋耕机前进方向一致，y 轴正向垂直向下。

设前进速度为m v ，刀轴旋转角度为ω，开始时刀片端点位于前方水平位置与x 轴重

合，则旋耕刀端点运动方程为：

x=Rcos ωt+m v t

y=Rsin ωt (1)

式中 R ——旋耕刀端点转动半径（刀滚回转半径）

图1 刀片运动轨迹

Fig .l Inserts trajectory

由公式（1）可见—旋耕刀端点的绝对运动，其运动轨迹随着R 、ω、和m v 的不同

而有不同的形状和特性。将式对时间求导，可得刀片断点在x 轴和y 轴方向的分速度：

x v =x d /t d =m v - R ωsin ωt （2）

y v = y d /t d = R ωcos ωt （3） 刀片端点绝对速度V 的大小为：

V=t R v R v v m y x cos 222222ωω-+=+ （4）

由公式（4）可见R ω=p v 是旋耕刀端点的圆周线速度，令λ=p v /m v =R ω/m v ，λ称

为旋耕速度比，它表示旋耕刀端点旋耕速度比与旋耕机前进速度的比值，λ的大小对旋耕刀运动轨迹及工作状况有重要影响。

因 λ= R ω/m v

故 x v = m v -R ωsin ωt= m v （1-λsin ωt ） （5）

如果λ＜1，即p v ＜m v ，则不论旋耕刀运动到什么位置，均有x v ＞0，即刀片端点

的水平分速度始终与旋耕机前进方向相同，其运动轨迹是短摆线，这时旋耕刀不能向后切土，而出现刀片端点向前推土的现象，使之不能正常工作。

若λ＞1，则当旋耕刀旋转到一定位置时，就会出现x v ＜0的情况，既刀端绝对运

动的水平分速度与旋耕机前进的方向相反，从而使旋耕刀能够向后切削土壤。只要刀片开始切土时x v ＜0，整个切土过程都可满足这个条件。λ＞1时刀端运动轨迹为余摆线。为保证旋耕刀正常切土，刀刃上切土部分各点的运动轨迹都应是余摆线，即其圆周速度大于旋耕机的前进速度[1]。

3.2 机组前进速度与刀片回转速度的配合

由以上可知，为保证刀刃切土，刀片从开始切土直到铣切完毕都不应使刀片顶土。

即：

x v = m v - R ωsin ωt ＜0 （6）

由公式（6）可见在切土过程中刀刃向后的分速度是逐渐增大的。一般旋耕机的前进速度m v =0.5～1.5米/秒，刀片的端点切线速度V=3～8米/秒。为使机组减少功耗提高效率需合理选择配合两者的速度[2]

。 3.3 耕作深度

通常耕深与旋耕机的结构参数R 和运动参数m v 、R ω有关。设耕深为H ，由刀片运动

轨迹图可知,当旋耕刀端点开始切土时其纵坐标 y=R-H ，变换得y= Rsin ωt 则sin ωt=（R-H ）/R

代入公式（6）中，得：

x v = m v -（R-H ）ω （7）

要使 x v ＜0，必须，m v ＜（R-H ）ω

即 H ＜R-m v /ω 或 H ＜R （1-1/λ）

λ的选择即要保证旋耕机正常工作及满足设计耕深要求，还要综合考虑旋耕机结

构、功率消耗及生产率等其他因素。如增大R 、ω不仅使结构变大，而且回增大切土扭矩及功率消耗，减小m v 又会降低生产率。目前常用的速度比为λ=4～10左右[2]。根据旱耕耕深的设计要求取为H=12cm 。

3.4 切土节距

沿旋耕机前进方向纵垂面内相邻两把旋耕刀切下的土块厚度，即在同一纵垂面内

相邻两把刀相继切土的时间间隔内旋耕机前进的距离。

z s =m v t=m v ×60/zn 或 z s = m v ×2π/z ω （8）

式中 t ——刀轴每转一个刀片所需时间，s

Z ——同一旋转平面内的刀片数

n ——刀轴转数，r/min

由公式（8）可见，增加z 或n ，z s 变小，切土细碎，但随着转数的提高，功率消耗

亦显著增加。若增加z 或n ，刀片间距变小，易产生堵塞现象[2]。故一般为10～12mm 。

综上所述，旋耕部分设计时以上各参数相互影响。根据设计任务要求及拖拉机规

格，p=18.4Kw m v =1.25～3.07Km/h 。取λ=7，V=R ω=2.43 ～5.97 m/s ，由 z s =12 cm ，H=12cm ，n=203r/min ，则ω=2πn/60=20.9rad/s ，R=V/ω=117～286mm 。若同一旋转平面内的刀片数Z=2，z s =6cm 。

3.5 耕幅的确定

工作幅宽应根据配套的拖拉机功率的大小，旋耕比能耗（旋耕比阻），耕深要求

等确定。拖拉机输出动力轴功率e p =17.5Kw 取功率利用η=0.8，则1000e p η=BH r k m v ，

r k 为旋耕机工作时的比阻，当h=12cm 时，砂壤土Kr ：1.2～1.4

kg ／cm 2[2] 。得耕幅为： B=m

r e V k H p ????η1000 （9） 将数据代入公式（9），得： B=60

102.1128.05.171000?????=162cm 取 B=90cm 。

3.6 机具的配置

由于耕幅B=900＜拖拉机后轮轮距外缘1020，故要采用偏右侧悬挂。

为消除采用偏右侧悬挂出现耕后左侧留下轮辙，可使机组从地块的右侧进入[3]。

图2 耕幅的配置关系

Fig 2 Cultivation sites configuration

3.7 功率耗用

旋耕机工作时所需的功率计算。在耕作过程中，旋耕机工作所需的功率与多种因素有关，如地块地形、耕深、耕宽、耕速和土壤性质等。功率消耗主要包括旋耕刀切削土壤消耗的功率、抛掷土块消耗的功率、推动前进消耗的功率、传动部分消耗的功率及土壤沿水平方向作用与刀辊上的反作用力所消耗的功率。设计时，假定旋耕机组在比较平坦的田地里进行匀速直线作业，旋耕机工作时所需的功率可用下式估算[4]。 N=r m k v H B ????75

100 （10） 将数据代入公式（10），得：

N=1.33×0.9×0.12×0.6×12×10000=10.3Kw

式中：B —— 旋耕机工作时的耕幅 B=0.9m

H —— 旋耕机工作时的耕深 H=0.12m

m v ——旋耕机组前进速度 m v =0.6m/s

Kr —— 旋耕机工作时的比阻，当h=12cm 时，砂壤土Kr ：1.2～1.4 kg ／c ㎡即： 12×10000～14×10000N/㎡

由N=10.3Kw ，旋耕机工作装置工作效率1η取0.85，所需的功率w p =N ／1η=12.1 (kW)。动力传动装置效率，可取η=0.85，旋耕机工作时所需要的功率0p =w p /η=14.3kW ，故所选动力满足旋耕机的功率耗损。

4 结构设计

4.1 传动方案拟订

目前有的旋耕机采用变速箱式的传动装置，有的旋耕机动力从中央传给刀轴，整机受力均匀，根据任务书采用侧边传动。由于侧边齿轮结构复杂，加工精度要求高，而侧边链传动零件少、质量轻、结构简单、加工精度要求低，所以本设计采用侧边链传动。

柴油机的输出速度，经V 带传到拖拉机的离合器，通过变速箱变速后，一部分动力传到拖拉机的行走轮上，另一部分传到旋耕机的输入轴上。考虑到旋耕机的设计尺寸，旋耕机齿轮箱的输入轴和拖拉机变速箱的输出轴可能不在同一直线上，两者之间采用万向节传动。为了增加旋耕机的输出力矩，在其输入轴和刀轴间采用单级齿轮减速器和链轮传动[4]。结构如图2：

1．万向节 2．圆锥减速机构 3．链传动机构 4．刀轴总成

图3 传动方案

Fig 3 Ransmission program

根据与所选轮式拖拉机的连接方式选取图2的传动方式，由万向节连接到拖拉机的动力输出轴。万向节的主要作用是补偿拖拉机动力输出轴与旋耕机第一轴的偏移量，并以最大传动效率和扭矩带动旋耕机工作，同时当负荷更大时保护旋耕机。

4.2 传动装置设计

4.2.1 总传动比的计算及分配

由所选拖拉机的动力输出轴转速e n 和刀滚的工作转速n 可确定传动装置的总传动比i ，由e n =730r/min, n=203r/min 。

i=e n /n （11） 由公式（11）可知总传动i=3.6，传动比不大，两级减速一对圆锥齿轮和链轮即可满足要求。考虑到单级圆锥齿轮减速器的传动比不易过大，以减小齿轮的尺寸，便于加工。取链传动比为1i =2，则锥齿轮传动比[5]：

0i =i/1i =3.6/2=1.8。

4.2.2 计算传动装置的运动和动力参数

各轴转速，拖拉机动力输出轴为0轴，减速器输入轴为Ⅰ轴，输出轴为Ⅱ轴，刀滚轴为Ⅲ ，各轴转速为：

=0n 730r/min

=0n Ⅰn =730r/min

Ⅱn =1n /0i =730/1.8=406 r/min

Ⅲn =Ⅱn /1i =406/2=203 r/min

各轴输入功率按旋耕机所耗功率计算各轴输入功率，得：

0p =14.3 kw

Ⅰp =0p ×η1=14.3×0.98=14 kw

Ⅱp =Ⅰp ×η2×η4=14×0.95×0.99=13.18 kw

Ⅲp =Ⅱp ×η3×η4=13.18×0.95×0.99=12.3 kw

式中η1、η2、η3、η4分别为万向节、圆锥齿轮、链轮、滚动轴承的效率。各轴转矩： T=9550×P/n （12） 0T =9550×0p /0n =9550×14.3/730=187.07 N ·m

ⅠT =9550×Ⅰp /Ⅰn =9550×14/730=183.15 N ·m

ⅡT =9550×Ⅱp /Ⅱn =9550×13.18/406=310.02 N ·m

ⅢT =9550×Ⅲp /Ⅲn =9550×12.3/203=578.65 N ·m

将以上计算结果整理后列于下表2：

表2 传动装置动力参数

Table 2 Analysis on main quality of end products of different concentration technology

项目

动力输出轴 输入轴Ⅰ轴 输出轴Ⅱ轴 刀滚轴Ⅲ 转速（r/min ）

功率（KW ）

转矩（N ·m ）

730 14.3 187.07 730 14 183.15 406 13.18 310.02 203 12.3 578.65 传动比

效率 1 0.96

1.8 0.94 2 0.94 4.

2.3 圆锥齿轮计算及校核

齿轮采用45号钢，调质处理后齿面硬度180～190HBS ，齿轮精度等级为7极。取1Z =20,则2Z =1.8×20=36。参考机械零件的齿轮计算方法。设计准则：按齿面接触疲劳强度设计，再按齿根弯曲疲劳强度校核。

（1） 按齿面接触疲劳强度设计。齿面接触疲劳强度的设计表达式

32121)5.01(85.04][u KT Z Z d R R H E H t φφσ-???

? ??= （13）

其中， 8.0=d φ，u=1.8

a E MP Z 8.189=，8.1=H Z ，

mm N n P T ??=?=?=4661103.18730

141055.91055.9 选择材料的接触疲劳极根应力为：

MPa H 580lim 1=σ MPa H 560lim 2=σ 选择材料的接触疲劳极根应力为：

MPa F 230lim 1=σ MPa F 210lim 2=σ 应力循环次数N 由下式计算可得

at n N 1160=

（14） 16830073060????= 91068.1?=

则 99

121092.05

1023.4?=?==u N N 接触疲劳寿命系数1.11=N Z ,02.12=N Z 弯曲疲劳寿命系数121==N N Y Y 接触疲劳安全系数1min =H S ，弯曲疲劳安全系数5.1min =F S ,又0.2=ST Y ，试选1.3K t =。

求许用接触应力和许用弯曲应力：

[][][][]MPa MPa Y S Y MPa MPa Y S Y MPa Z S MPa Z S N F ST F F N F ST F F N H H H N H H H 28015

.1221067.30615.122306.59102.11

5806381.11

5802min lim 221min lim 112min lim 21min lim 11=??===??===?===?==σσσσσσσσ 将有关值代入公式（13）可见得：

mm

mm u KT Z Z d R R H E H t 4.1048.1)3.05.01(3.085.0103.183.146.5918.1898.1)5.01(85.04][324232121=??-??????

? ???=-???

? ??=φφσ 则： s m n d v t /9.31000

607204.104100060111=???=?=ππ