小型桔园开沟机设计

桔园开沟机的设计桔子是我国重要的水果，改革开放和农村产业的调整促进桔子产业的发展，桔子产业的快速发展，也带动了桔子生产作业机具的研究和发展，我国桔子生产机具的开发虽具有一定的基础，但与桔子产业化发展需求还有很大的距离，进口专业开沟机价格昂贵，因此研制出满足农户需求，价格低廉的桔园专业开沟机设备是非常必要的。

桔园开沟机的开沟部件采用螺旋开沟刀具，其特点是，结构简单、部件紧凑、动力消耗少、行走速度快、能很好地适应桔园作业环境，提高劳动效率。

1 前言1.1 课题研究的目的和意义桔子是我国水果生产的重要品种，中国是桔子的原产地，桔子主要产自长江中下游和长江以南地区，数千年的栽培历史肯定不能说清楚具体位置。

经阿拉伯人传遍欧亚大陆，桔子至今在荷兰和德国都还被称为“中国苹果”。

中国是柑橘的重要原产地之一，柑橘资源丰富，优良品种繁多，有4000多年的栽培历史。

据考证，直到公元1471年，桔、柑、橙等柑橘类果树才从中国传入葡萄牙，公元1665年才传入美国。

虽然桔子在中国有着悠久的历史，但是其桔园生产作业机具的发展与桔园产业化发展的需求还是有很大的差距。

开沟机是岩土定性结构施工的专业工程设备，广泛用于通讯电缆、石油管线、农田水利以及军事等工程建设的连续开沟作业。

随着社会经济的飞速发展和生产机械化程度的提高，市场也迫切需要一种取代人力和通用挖掘机的专业开沟机械。

多年来，我国对专业开沟设备的研发投入不足，专业开沟设备品种单一，应用范围狭窄，大部分开沟施工仍停留在人工开挖或使用通用液压挖掘机挖掘层面。

人工或通用挖掘机开沟，不仅施工速度慢、效率低、劳动强度大、管理困难、费用高，且沟型成型差，尤其对较硬的土壤很难挖掘。

而进口专业开沟机价格昂贵，极大制约了国内用户的需求[1]。

因此研制出满足农户需求，价格低廉的桔园专业开沟机设备是非常必要的。

1.2 国内外研究现状及发展趋势1.2.1 国内外研究现状开沟机主要有两种：第一种为开种沟而设计的开沟器，开沟器为小型从动部件，靠牵引作用力而开出适合种子发育的种床，沟形表现为小、窄、浅等特点，开沟器常作为播种机一附属部件而挂靠其上；第二种为开排水沟或其它用途的开沟机，开沟机相对较大型，一般以主动型部件为主，消耗功率大，体积大，沟深且宽[2]。

1.2.2 国外开沟机旋转开沟机是六十年代出现的一种连续挖土机械，适宜开挖梯形截面的农用沟渠。

由于其牵引力小、能均匀散开沟内土壤，工作效率高，因而得到迅速发展和广泛应用。

在国外主要以大型开沟机为主，苏联、意大利、法国、日本等国都有不同型号的系列产品，从结构特点和使用性能两方面来看，目前基本上以苏联和意大利为代表的两大类型。

苏联从1975年开始推出一系列的旋转开沟机产品：TP-171A全液压铣切式开沟机、MK-47犁刀-铣切式开沟机。

意大利主要生产DARL系列的单圆盘开沟机心及DBR系列的双圆盘开沟机。

两大类型的开沟机主要区别在于：前者是开挖大型沟渠的大型机械，且能一次性成沟，所采用的是切抛分开型的刀齿；后者是临时性的小沟渠，采用的是切抛合一型的刀齿[3,4]。

国外开沟机的代表机型有：切削链式开沟机、螺旋助推式开沟机、侧置式公路开沟机、圆盘旋转式开沟机，主要特点是以大功率，重机型为主，功耗大，体积也大。

1.2 .3 国内开沟机我国开沟机的种类很多，60年代开始从国外引进，从七十年代开始正式研制旋转开沟机，通过自身研究和借鉴国外的经验，目前逐步形成了适合我国国情的开沟机系列，到现在已经有几十种型号。

其主要型式有四种：（1）铧式犁开沟机铧式犁开沟机属于从动型工作部件，利用“刨削”原理，沿直线运动对土壤进行刨削。

加工过程相对铧式犁切削速度要大。

铧式犁型开沟机主要应用于蔬菜的栽种和植树造林等，我国主要有KGTP和京HK-14两种类型，KGTP工作原理；随着机组前进，犁尖入土，开轴的土沿着犁体上升。

冀板将土推向两面三刀侧、冀尾板将沟壁压紧，形成梯形断面的沟渠，达到列沟培土的目的。

京HK-14开沟机在工作时，前面的犁铧起土，分土板片土扣翻到两面三刀侧，形成农艺要求的一种沟型。

该机型入土阻力小，质量轻，工作性能好，可以开出成型沟，但沟型断面不平整。

（2）链齿式开沟机1992年，江西省农机研究所和江西农业大学针对果园开沟，设计了与丰收180GV 拖拉机配套的1K-30型链齿式开沟机，开沟机通过链条上的刀齿逆向切削土壤，切削垡片由链齿出沟面，再由双向搅龙输送到沟两测，完成开沟作业。

1K-30型链式开沟机主要特点；开沟理管时，沟形一次成型，种植山药可不开沟只松土，刮土板改变刀齿排列，达到深松土60～100cm，可节省大量人力。

配套拖拉机功率17～37kw,开沟深度600mm、1000mm、1500mm，开沟宽度140mm、160mm、200mm、300mm，工作速度200～600m/h。

（3）螺旋式开沟机2000年东北农业大学针对了泥炭（沼泽地的产物）的开采而设计了一种1KL-100型立式螺旋式开沟机，其工作部件采用锥螺旋式搅龙切抛土，可开挖出较大型梯形沟渠。

在立式开沟机的思路上，2001年昆明市农业机械研究所又研制出1KS-22型双轴式。

采用双轴结构，两套旋转方向相反的刀轴同时切抛上下沟土，能开出小型矩形沟渠。

（4）圆盘式开沟机圆盘式开沟机属旋转式开沟机，将开沟部件做成圆盘式结构，利用动力输出轴带动刀盘旋转切削土壤，我国从七十年代开始正式研制，通过自身研究和借鉴国外的经验，目前逐步形成了适合我国国情的开沟机系列。

定型为东方红-75拖拉机配套的1KD-100单圆盘旋转开沟机和1KD-100双圆盘旋转开沟机，为铁牛-55拖拉机配套了1K-80双圆盘旋转开沟机。

结合我国国情出发的：即要求重量轻，结构简单，又要求能耗小，生产率高。

到80年代，圆盘式开沟机又生产出一系列产品：1KSQ-35型（配套8.8千瓦拖拉机）、1K-0型、1K-35-1A型、1K-35型、1KH-35型等[5，6]。

2 土壤特性分析2.1 土壤的分类开沟机与土直接作用，土壤既是开沟器的支撑物，又是它的作业对象。

一方面开沟机利用土壤对轮胎摩擦力行走，另一方面，土壤会作用于螺旋刀具，对开沟机开沟作业形成阻力。

因此，研究土壤特性是研究开沟机的基础。

土是由土粒、水和空气组成，其数量比例关系不仅可描述土的物理性质和它所处的状态，还可以反映土的力学性质。

土壤可简单分为粘性土和非粘性土：粘性土颗粒间具有粘聚李，无粘性土颗粒间没有粘聚力。

土壤的物理机械性质与土壤固体颗粒粒度及其级配（既土壤机械组成）有关。

土壤机械组成是土壤物理化学性质的重要基础。

土壤按颗粒细度划分为砾石质土类、砂土类、亚砂土类、粉土类、亚粘土类、粘土类等[9，10]。

砂土颗粒大、孔隙大、易漏水、无或只有较弱的粘接性、粘附型、塑性，开沟阻力小。

粘土颗粒细、孔隙小、渗透性差、蓄水量大，有机质分解慢，有机质含量较多。

粘土粘接性、粘附性和塑性强，干时坚硬，湿时泥泞，开沟阻力大，开沟困难。

2.2 土壤物理性质2.2.1 土壤物理性质指标土壤的物理特性包含一系列测定指标，主要包括土壤密度、土壤比重、土壤含水量等。

土壤密度指单位体积土的质量，单位是kg/m3。

它与土壤比重的区别在于土壤比重是将土粒质量与同体积4℃时的纯水质量相比，比值无量纲。

土的含水量指土中水分的质量与土粒质量的百分比，它对土壤塑性、粘着性有重要的影响。

当含水量超过一定值WS时，粘性土呈现流动状态：当含水量小于一定值WX时，粘性土因失去压延性而变成固体状态。

根据土壤含水量对塑性影响的高低，土壤还可细分为粘性土、亚粘土、亚砂土、砂土。

土的粘着性指土粘附在其他物体上的能力。

当粘性土含水量大于粘着界限Wn时，土壤开始粘附与物理上，土壤的这种特性会增大开沟器犁铲阻力、减少刀具切削量，影响开沟工作进行。

除此之外，土壤的物理机械特性还包括土壤的粘聚力C、内摩擦角Φ和密度ρ等。

各种土壤物理性能参数[10]：见表1。

表1 土壤物理性能参数Table 1 Parameters of the physical properties of soil塑性土分类粘性亚粘性亚砂土ρΦ c ρΦ c ρΦ c/10kg.m-3/°/MPa /10kg.m-3/°/MPa /10kg.m-3/°/MPa硬度 2.2 22 0.1 2.2 25 0.06 2.1 28 0.02半硬 2.1 20 0.06 2.1 23 0.04 2.0 26 0.015低塑 2.1 18 0.04 2.1 21 0.025 2.0 24 0.01塑性 2.0 14 0.02 1.9 17 0.015 1.9 20 0.005高塑 1.9 8 0.01 1.9 13 0.01 1.9 18 0.002流动 1.8 6 0.005 1.8 10 0.005 1.8 14 02.2.2 土壤的力学特性土壤的力学特性反映了土壤受外力时土体内部的应力变化。

本文涉及到的土壤力学知识只要为极限平衡理论和土壤切削理论。

探讨这些理论对后文寻求工作装置尺寸，设计合理结构、减小功耗有重要意义。

（1）极限平衡理论①受力分析。

无论哪种土体，在受到外力作用时，都是在剪应力作用下失效破坏的。

对于非粘性土，其剪切力符合库伦摩擦定律，极限剪应力公式为[10]τ，=σtan Φ （1） 式中：τ， 非粘性土土体极限剪应力，MPa ：σ 土体主应力，MPa ：Φ 土的内摩擦角，°。

对于粘性土，极限剪应力还与粘聚力c 有关τ，，=c + σtan Φ （2）式中：τ，， 粘性土土体极限剪应力，MPa ： C 粘聚力，MPa 。

粘性土与非粘性土的极限剪应力可用图 1 表示，图中横坐标σ为主应力，纵坐标τ为剪应力。

由图1可知：无论粘性土还是非粘性土，极限剪应力与主应力均为线性关系，当土壤剪应力落在直线下方，土壤不会发生失效破坏，反之，土壤失效，被剪切。

图1 土壤极限剪应力 Figure 1 Limit shear stress of soil在开沟器刀具切割土壤时，土体内部剪切应力在没有超过极限剪切力τ（τ，或τ，，)时，属于弹性平衡状态：当土层内部剪应力超过极限剪应力τ，（或τ，，）时，属于塑性流动状态。

介于两中状态之间即为极限平衡状态。

参照材料力学的单元体研究方法，现取土壤单元体为研究对象，如图2所示[11]。

土单元体收到来自四面八方的压力，因各个剖面受力情况大致相同，在此只讨论一个面的二向应力。

土壤的主应力有σ1和σ2，且σ1〉σ2，m-n 是与主应力作用面呈α角的任意斜面。

根据静力平衡条件，令ΣX = 0，ΣY = 0 可以求得()()()ατασσσσσσσ2sin 212cos 2121212121-=+++= （3）。