园果用链式开沟机的初步设计-学位论文.doc

毕业设计
果园用链式开沟机的初步设计

摘 要

在给定的农艺条件下确定了一种果园用链刀式开沟机的整体参数，并得出开沟机总功耗为4.874kW。初步进行了开沟机挂接机构和开沟装置的结构设计与Pro/E造型，同时对工作链刀倾角、刀片运动轨迹和土粒的运动状态进行了分析；建立了链式开沟机的功耗模型并用MATLAB的fmincon函数进行了优化，优化后功耗较设计功耗下降了22.81%，并且得出了在行进速度=0.0412m/s、链刀线速度=1m/s、工作链刀对水平面倾角=30°时，链式开沟机功耗最小的结论。

关键词：链式开沟机；运动学；优化

Abstract

The parameters of a new type of chain ditcher was ascertained with the given agricultural need,and the power consumption was 4.874kW. Structural design and molding with Pro/E was carride out preliminarily.At the same time, analysis to the chain level angle, blade linear speed and the lump-motion was maded. An optimization design model was established，and the optimal analysis was carried out by applying MATLAB tools．The results showed that the power consumption decreased 22.81% after optimization,and it got the minimum when level speed , blade linear speed and chain level anglevalued at 0.0412m/s,1m/s and 30° respectively.

Key words：Chain ditcher；Kinematics；Optimization

目 录
1 前言 1
1.1 开沟机的发展概况 1
1.2 链式开沟机研发现状 2
1.3 课题研究意义 5
2 链式开沟机整体参数确定 7
2.1 链式开沟机的设计参数 7
2.2 链式开沟机工作参数的确定 7
2.3 链式开沟机的功率计算 10
2.3.1 切土阻力 10
2.3.2 开沟机功耗计算 11
2.4 链式开沟机总体参数的确定 13
3 链式开沟机关键部件设计与PRO/E概念造型 15
3.1 挂接机构设计 15
3.1.1 挂接机构的设计与Pro/E造型 15
3.1.2 减速器及链传动设计 16
3.2 开沟装置的设计分析与造型 18
3.2.1 链刀组合的设计计算 18
3.2.2 主轴组合设计 22
3.2.3 从动轴组合的设计与Pro/E造型 22
3.2.4 排土器组合的设计与Pro/E造型 23
3.2.5 梁的结构设计与Pro/E造型 24
3.3 液压缸的选用及分析 25
3.3.1 液压缸型号的确定 25
3.3.2 液压缸行程验证 26
3.4 基于Pro/E的零件质量计算及重心测量方法探求 28
3.4.1 在Pro/E中定义零件质量属性 28
3.4.2 开沟机重心计算方法的探求 29
4 链式开沟机工作机理研究 31
4.1 链式开沟机水平倾角分析 31
4.2链式开沟机刀片的运动轨迹分析 32
4.3土粒在链传动过程中的运动分析 33
4.3.1转动切削状态下土粒在链传动过程中的运动分析 34
4.3.2平动切削状态下土粒在链传动过程中的运动分析 34
4.4.基于MATLAB的链式开沟机功耗的优化设计与分析 36
4.4.1目标函数的建立 37
4.4.2约束条件 41
4.4.3基于MATLAB的开沟机功耗的优化 41
4.4.4 小结与讨论 43
5.结论与展望 44
5.1研究结论 44
5.2不足与展望 44
致 谢 46
参考文献
附录Ⅰ
附录Ⅱ

I

前言
1 前言
1.1 开沟机的发展概况
从运动机理上可以把开沟机分为两种：犁式开沟机和旋转开沟机。前者的工作部件不旋转，直接由动力牵引，开沟速度快、效率高，但一般开沟深度较小，土壤硬度不能太大，且沟形难以保证；后者的工作部件旋转，称为铣削式开沟，沟形规整、适合各种土壤，但效率较低[1]。国内外开沟机主要有以下几种：犁式开沟机、割盘式开沟机、双圆盘式开沟机、回转链式开沟机以及立式螺旋开沟机；按功率和开沟大小又可分为自走式和手扶式等，种类较多[2]。
国外的开沟机研究及生产较早。早期的犁铧工具就是开沟机的雏形，只不过没有动力驱动，且相关部件和结构原理没有系统地研究。上世纪50年代，伴随机械化的普及，一些发达国家开始使用机械开沟机进行大范围的农耕作业，大大提高了劳动生产率。随着技术的进步和工作要求的日益增多，开沟设备的研究走进了一个新的时代，较为成型的开沟设备不断涌现。到了60年代，旋转式开沟机（图1-1）作为一种连续挖土机械已经相当先进。由于它适宜开挖梯形截面的沟渠、能均匀散开沟内土壤，因而获得迅速的发展。前苏联、意大利和法国都有不同型号的系列产品，其中以前苏联的KH-1200系列和意大利的MK-17系列为代表。由于旋转式开沟机的尺寸大、不宜开挖窄沟，70年代末开始，对链式开沟机的研究逐渐兴起，到了80年代中期，美国已经有了较为成型的链式开沟设备。链式开沟机结构简单，组装方便，多为悬挂于农用拖拉机后端的可拆卸设备。其工作效率突出，且扩大了开沟机的使用范围。伴随着电信光缆和地下管道铺设规模的扩大化，链式开沟机的使用更为广泛。

图1-1 河南凤翔TD50轮盘式开沟机
在国内，天津工程机械研究所和长春工程机械厂于70年代中期开始合作，研制出我国首台轮斗式开沟机。80年代中期，三、四个厂家曾分别开发了几种开沟机械，但由于经济性和技术性等原因，未能使开沟机在国内全面推广。现代农装湖州联合收割机有限公司引进美国Finn公司的技术，生产了244D多功能田园机。该机采用回转链式的结构，通过装配开沟装置实现田园开沟，但是该机成本较高。
2000年天津工程机械研究院利用TN654型拖拉机改装成挖沟机GC65，并于2002年研制成功了GC65G型链刀式开沟机。该机可用于水利管沟和电缆铺设工程，虽为机械传动，但其功率与挖沟效率比，达到了国内外较为先进的水平。该机采用天津拖拉机厂生产的铁牛654LA拖拉机为底盘，后部加设链铲挖沟装置，前部装有回填铲，使其能同时完成挖沟回填综合作业。挖沟装置和回填铲与拖拉机主体都采用螺栓连接，非挖沟作业期间可拆卸下来，恢复拖拉机功能。同年，天津工程机械研究院根据西气东输的需要，开发出WG300型履带式全液压挖沟机。该机最大挖沟宽度可达900mm，最大挖沟深度2200mm，挖掘链线速度0～4m/s，作业速度最高可达1400m/h。

图1-2 山东巨菱KG1100型链式开沟机
由于链式开沟机（图1-2）设备简单、组装方便，可作为悬挂于农用拖拉机后端的可拆卸设备，并且工作效率突出，使用范围广阔。近年来，国内外研制的开沟机多采用回转链式结构。
1.2 链式开沟机研发现状
按照功率大小的不同，链式开沟机有大型、中型和小型之分，它们有各自的特点。小型链式开沟机大多为专用设备，使用专用的底盘，结构紧凑，但是功能单一，如功率10kw的威猛(Vermeer)RT100手扶链式开沟机；大中型开沟机生产率高，功耗大，自动化程度高，使用专门的大功率配套动力，其动力机可以挂接多种工程机械设备，如美国凯斯(Case)660链式开沟机。
目前主要的链式开沟机生产厂商均在美国。美国A.F.Trenchers有限公司的产品—AFT 65型开沟机（图1-3）采用拖拉机牵引，在崎岖不平的地形上能够显示出很高的工作性能。开沟设备挂接50-80马力的标准拖拉机，且不需要对拖拉机的结构做任何修改。该机能应用于多种工作场合，降低了设备成本。

图1-3 AFT 65链式开沟机

美国的GASE公司是世界知名的农机生产厂商，其60系列开沟机有七个机型，功率范围9.7～57.4KW。其最新推出的960机型（图1-3）可根据土壤条件的不同，配备链式开沟器和岩石轮等开沟装置；根据土壤硬度和管线直径的大小，可为开沟机选配杯型齿、岩石和冻土齿等不同材质和尺寸的链条和齿块。机器的前部同时装有挖掘装置和六向推土板，可实现开沟、扩宽和回填的连续作业，大大增强了机器的使用性能和应用范围。
国内的开沟机的研究和使用起步较晚。

图1-4 1K-30型悬挂式链式开沟机
由中国农业机械化科学研究院研制的1K-30悬挂式链式开沟机（图1-4）和1KZ-30型自走式链刀开沟机非常具有代表性。这两种链式开沟机主要用于开挖农田矩形沟槽、铺设管道或电缆，以及种植山药等农作物。其特点是投资少、一台机器能替代几十个工人的工作；开沟质量好，沟宽最小可控制到10cm，深度可达150cm，沟直壁陡；切削刀片和链条采用特殊材料与工艺制造，使用寿命长。另外这两种机型的工作效率也很高，其中自走式的效率更为突出。整机结构简单，操作方便，维护容易。
河北深远机械厂生产的回旋式挖沟机（图1-5）在国内同类产品中性能较好。该开沟机采用回旋链刀式开沟器，分为大、中、小三种型号。其小型开沟机的开沟宽度为10～30cm，深度50～150cm，工作效率150～450m∕h；中型开沟机的开沟宽度为20～60cm，深度60～180cm，工作效率150～500m∕h；大型开沟机的开沟宽度30～150cm，深度50～230cm，工作效率150～400m∕h。该机广泛用于农田灌溉渠道挖掘、煤气管道和石油管道铺设、地下电缆铺设等各种开沟作业，并配套了墙边、路边专用挖沟设备。

图1-5 河北深远机械链式开沟机

图1-6子弹头式刀具

图1-7 杯形刀片
链式开沟机的刀片有多种形式[3]，有用于岩石及高硬度土壤挖掘的子弹式（图1-6）、用于高硬度土壤的扁平状刀具、用于北方冻土挖掘的形似刨刀的合金刀具及用于普通硬度土壤的杯形刀片(图1-7)。
链式开沟机使用的链条形式较多，通常是在普通链条基础上改进而来的，通用链条原设计是在无固体介质工况下运转的产品，对于适应性还未达到最佳。吉林大学刘晓论等设计了一种刀式矿土复合型开沟链条，如图1-8所示。此设计的创新点在于：结构新颖，链条夹啮链轮，链节上带有排土壤介质的通槽，从而减少了啮合与传动的阻力，可提高传
动效率[4]。

图1-8 新型刀式矿土复合型开沟链

由于链式开沟机的优越性，本文所研制的开沟机决定采用回转链式开沟机。该机集开沟和排土于一体、沟深和沟宽都易于调节。当刀片安装角度和排列合理，刃口足够锐利时，土壤切片主要是剪切破坏，可减小阻力，且当某个刀片损坏时，可方便的拆卸下来进行更换。
1.3 课题研究意义

图1-9 1YG-8.8型遥控微耕机
在国外，连续式开沟机己经使用的很普遍，地下公用设施的施工都用专业开沟机，很少使用单斗挖掘机。在我国，除少数的单位引进国外的连续式开沟机外，国产开沟机投入使用的较少。随着我国基础设施建设规模越来越大，开沟机施工工程的规模也越来越大，如光缆、电缆和管道的铺设等方工作。特别是在农业工程领域：大棚作业、林地开沟、果树开沟和施肥等用工量很大的作业，在我国几乎都用人工完成，劳动强度大，效率低，从而很难提高经济效益。由于果园和林地的环境条件特殊，而现有的开沟机产品大多数以拖拉机或履带式工程机械为平台。所以，研发一种适用于果园等环境的开沟机成为必要。

表1-1 1YG-8.8型遥控微耕机性能参数
外型
尺寸
整机质量
配套功率
遥控范围
液压提升能力
各档速度
Km/h
Ⅰ1.48
Ⅱ2.10
1240×740×670
475kg
8.8kW
50m
120KN
Ⅲ3.30
Ⅳ1.67
陕西东明农业科技公司生产的1YG-8.8型遥控微耕机是非常适合应用于果园的小型机。该机具有一系列优点：遥控、人力两套操纵系统，可以随机操纵，也可以人机分离；遥控操纵液压升降，降低了操作人员的劳动强度；机具高度仅65cm，通过性能好；采用履带行走装置，附着力强，爬坡能力大；稳定性强，能防止机具作业中翻倒事故。
为了响应国家“农业机械化”的号召，提高农民工作效率，本文以1YG-8.8型微耕机为平台，初步设计了一种链刀式开沟机。这种开沟机能充分利用微耕机通过性好的优点，适合在果园、林地等环境下使用，从而降低农民在开沟、施肥时的劳动强度，提高工作效率。

- 5 -

链式开沟机整体参数确定
2 链式开沟机整体参数确定
2.1 链式开沟机的设计参数
开沟机工作环境为果园、深度不超过400mm，沟宽限制在150mm～300mm。链刀式开沟机的基本参数为：
开沟宽度 200mm
开沟深度 400mm
链条线速度 1～15m/s
前进速度 100～300m/h
配套动力 8.8kW
动力输出轴转速 2400r/m
2.2 链式开沟机工作参数的确定
开沟机工作链刀的速度矢量关系如图2-1所示，根据运动学原理，可分别推出开沟机的生产率Q和链刀运动绝对速度。

图2-1 工作链刀速度矢量图

链式开沟机的生产率：
（2-1）
式中：B—沟宽
H—沟深
—机组前进速度
由图2-1可知，工作链刀的绝对速度：
（2-2）
式中： 一刀片绝对速度
一链条相对开沟机的线速度
—工作链刀与水平面之间的夹角
现有开沟机的链速一般为v=1～15m/s，参考果园的土壤情况，链速设计为2m/s。
由图可得：
+ （2-3）
由于实际开沟过程中>>，所以上式可以简化为：。则有：
即、近似互余。
刀片宽度是刀片在每次切削时，在链宽方向上所切削的土壤宽度。现挖200mm宽的沟，设计由2把刀片为一组，并使其排列方式满足不重不漏，则刀片宽度：
取
式中：K—开沟链宽度
开沟机当量切削厚度，如图2-1所示：

对初步选定的刀刃宽度和链条节距，须要检验其输送和清除土壤的能力。正确选择的切削宽度b应能满足下列条件：
（2-4）
式中：—链刀按排土能力计算的生产率()
—土壤松散系数 根据土壤系数表，土壤类型选择前四类，可确定范围是：(l.01～1.30)
—与链条运动速度有关的散开系数，见表2-1。
表2-1 土壤散开系数
（m/s）
0.1
1.0
1.5
2.0

0.97
0.92
0.85
0.75
开沟时，链刀组合受到主动链轮的驱动和土壤阻力的作用，刀刃和链节销钉将发生磨损和振动，为了保证作业质量和避免过分的振动，对链刀的运动速度须作一定的限制。本文中取链刀线速度为2.0m/s，对于链刀的排土能力的计算，可以通过工作链刀的水平倾角与土壤的自然休止角进行比较得出，其比较原理如下[5]：
当时
（2-5）
当时
（2-6）
当时
（2-7）
其中：h —链刀的高度；
—松散土壤的自然休止角。
土壤的自然休止角，是指土壤在自然条件下不滑坡的最大倾斜角度。实际土壤试验中可以利用休止角测定仪进行土壤休止角的测量，但需要根据土壤的具体情况确定。根据相关文献给出的常见土壤休止角（表2-2），结合实际开沟情况，认为亚粘土的休止角为30°～40°，取=35°。
表2-2 土壤自然休止角
土的名称
干的度数
湿润度数
潮湿的度数
细砂
25
30
20
重粘土
45
35
15
亚粘土 轻粘土
50
40
30
轻亚粘土
40
30
20
腐植土
40
35
25
填方的土
35
45
27
链刀的高度 h=110mm
链刀节距 =442.01mm=168.04mm
由于a=50°

因此取式(2-5)计算：

由 得 ，计算可得：
为了保证土壤切削后能够正常的被链刀带出沟，链刀的宽度b不能小于60mm。
切削断面面积
切削断面面积是在任意位置上，切削宽度与切削厚度的乘积：
（2-8）
2.3 链式开沟机的功率计算
开沟过程中，刀片在土壤中连续运动进行切削，被切削下来的土壤，其中一部分在切削刃前面形成土堆，被刀片带着向前移动；一部分土壤在挤压力的作用下越过切削刃前面的土堆进入杯形刀体内。由此可见，在开沟过程中刀片除了遇到切削阻力外，还会遇到土壤进入杯形刀体内的阻力及带动土堆的阻力，后二项合称为装土阻力。切削阻力与装土阻力之和称为总阻力[6]。
开沟机功耗及阻力的计算方法还不完善，主要通过借鉴其它切削经验公式来计算，且不同的参数下所使用的经验公式也不同，因此探求合适的阻力计算公式是非常关键的。
2.3.1 切土阻力
切削总阻力计算公式 [7]：
（2-9）
式中：—土壤坚实度计的冲击次数，取=15
—切削厚度
—刀片宽度
—刀片切削角，对于圆弧形刀片刀片切削角等于后角
—刀片尖角计算系数，取=0.81
将上式中的切削厚度、刀片切削角和刀片厚度作相应的调整后得到单个刀片的切削阻力：

（2-10）
开沟机链刀总切削阻力：
（2-11）
式中：z—链条上同时与土壤作用的刀片数。工作时有5组—即约10把刀片同时切土。
由于刀片受到各种冲击的影响，在设计时应加入动载系数，一般情况下动载系数
取1.3～1.5[8]，则
（2-12）
2.3.2 开沟机功耗计算
2.3.2.1 开沟装置总功耗
a) 开沟机的总切削功耗为：
（2-13）
链式开沟机的总切削比功：
（2-14）
式中：—比功，单位立方米作业量的切削功耗
—沟的断面面积
表2-3 土壤容重
土壤级别
土壤名称
难易系数
容重
Ⅰ
砂和粉砂土
种植土
0.75
15000-16000
12000
Ⅱ
轻粘土
小石头
夹有碎石当砂土
0.9
16000
17000
17500
Ⅲ
亚粘土
重粘土
干黄土
1.0
18000
17500
18000
Ⅳ
重粘土 硬黄土
含石块的粘土
石块与粗卵石
1.3
19500
20000
19500
Ⅴ
密实硬黄土
轻质泥灰土
不坚实页岩
岩石
>2.0
19500
19000
20000
>20000-33000
b) 沿沟深方向提升土壤的功耗
每次切削下来的土壤层的重心都相同，距地面为0.5H，则
（2-15） 式中，—土壤颗粒在链刀与沟侧壁间滞塞的可能系数，取=1
—土壤容重
土壤容重[9]是土壤在未破坏的自然结构下，单位容积中的重量，通常以表示。土壤容重大小反映土壤结构、透气性、透水性能以及保水能力的高低，一般耕作层土壤容重1～1.8103N/m3，土层越深则容重越大。各种土壤的容重数据见表2-3。
c) 被运送土壤与沟道土壤的摩擦功耗

（2-16）
式中： —土壤的内摩擦系数，见表2-4
表2-4 土壤摩擦系数
土壤名称
内摩擦系数
外摩擦系数
砂
0.58一0.75
0.73
粘土
0.7一1
0.5一0.75
小块砾石
0.9一1.1
—
泥土灰
0.75一1
0.6一0.75
饱含水分的粘土
0.18一0.42
—
碎石
0.9
0.84
d) 螺旋排土器移动土壤的功耗
（2-17）
式中：—用实验的方法确定的螺旋排土器土壤阻力系数，对大多数土壤取4～5
—移动土壤到开沟边的最大距离，一般取0.4～0.5，本文取0.4
则开沟机装置总功耗为：
（2-18）
式中： —开沟链的传动效率
—配套动力到开沟装置的传动效率
2.3.2.2 机组前进功耗
传动机构功耗： （2-19）

对于机组前进所受的阻力Fa，可以做受力分析，如图2-2，则

图2-2 机组前进状态受力分析

（2-20）
式中：G一机器自重
—滚动阻力系数，取=0.07[9]
机组前进功耗：
（2-21）
式中：—机器行走的传动效率
链式开沟机的总功耗为：
（2-22）
2.4 链式开沟机总体参数的确定
根据相关农艺要求，开沟深度不超过400mm，沟宽限制在150mm至300mm，设计参数定为沟宽B=200mm、沟深H=400mm、土壤为亚粘土，整机前进速度为150m/h，理论生产率15.6，链条线速度2.0m/s，工作链刀与水平方向所成角度约为50°。根据这些条件，得出所设计的开沟机参数，如表2-5所示。

表2-5 开沟机总体参数
链刀切削厚度
4.67mm
单个刀片的切削阻力
41.035N
开沟机的总切削功耗
1.067kW
开沟装置总功耗
3.466kw
机组前进功耗
1.408kW
总功耗
4.874kW
小结
本章介绍了链式开沟机的工作原理，根据工作环境、农艺要求以及动力学分析结果，确定了沟宽、沟深、整机前进速度、链速、生产率、切土阻力、切削功耗、总功耗、比功、切削厚度等基本参数。

- 13 -

链式开沟机关键部件设计及Pro/E概念造型
3 链式开沟机关键部件设计与Pro/E概念造型
本文所研制的开沟机以陕西东明农业科技有限公司生产的1YG-7.5型多功能遥控微耕机为平台，主要由微耕机、附加减速箱、挂接机构和开沟装置四部分组成。开沟装置通过挂接机构连接在微耕机后部，微耕机输出轴的动力经链传动后，输入到开沟装置主轴。链式开沟机的结构如图3-1所示。

图3-1 链式开沟机结构图

3.1 挂接机构设计
3.1.1 挂接机构的设计与Pro/E造型
农具的连接方式有牵引式和悬挂接两种[10]。牵引式连接是将农具铰接在拖拉机后端牵引杆的挂钩上，农具的重量由它本身的地轮支撑，工作时农具的升降和耕深是由农具手通过操纵机构来实现的。这使得农机的结构复杂、笨重，机组的机动性和通过性较差，并且劳动强度大。目前，牵引连接方式只用于少数农具和运输作业。

图3-2 东方红75液压悬挂机构
悬挂式连接是将农具悬挂在拖拉机上，它们组成一个整体，驾驶员可以在拖拉机上直接控制农具的升降和进行耕深控制。这样就使农具的结构简单、重量轻，机组的机动性好，无需另外加配农具操作人员，有利于提高劳动生产率。当悬挂式连接采用液压系统作为提升动力后，可以实现耕深自动调节，改善了劳动条件和提高了作业质量。悬挂式连接还可以改变拖拉机的受力状态，有利于改善拖拉机机的牵引性能[11]。

图3-3 挂接机构结构图

本文的开沟装置通过挂接机构连接在微耕机后部。通过微耕机的液压系统控制液压缸，可以实现整个装置的升降，微耕机动力输出轴的动力经链传动后，输入到开沟装置主轴和主动链轮。参考已有开沟机的挂接机构，并充分考虑微耕机的结构尺寸和应用环境的要求，设计开沟机的挂接机构如图3-4所示。

图3-4 挂接结构造型图

挂接机构主要由支架和下部的两个支撑杆组成。支架上有固定主轴轴承座的螺栓孔、安装液压缸的耳环和连接梁的铰接孔。安装时先将架的尾端铰接在微耕机尾座上，然后再将支撑杆下部的销与微耕机底盘上的耳环连接起来。这样的设计主要是充分利用微耕机已有的尾座支架，尽量不做改动，从而降低成本。针对此挂接机构，需对微耕机做以下调整：将后支架的离地高度调为420mm，（通过改变倾角实现）。
设计过程必须做到以下三点：
Ø 保证主轴离地高度约500mm。
Ø 保证主轴轴线与微耕机后座孔的距离400mm。
Ø 将底盘向后延长50mm，目的是为了焊接支撑杆的耳环，保证连接强度。
3.1.2 减速器及链传动设计
如图3-6所示，微耕机后动力输出轴的转矩通过链传动传递给开沟装置的主动链轮。设计减速箱的目的是为了解决原微耕机的行进速度过高(三个挡位：Ⅰ档1480m/h，Ⅱ挡2100m/h，Ⅲ挡3300m/h)的问题，通过附加减速箱的设计既能使原有微耕机的动力输出轴的转动方向改变，又可以达到降低行进速度的目的。由前一章的计算可知，链条的线速度2m/s，微耕机上的动力—常柴L12柴油机的输出转速为2400r/min，所以设计附加减速器为两级圆柱直齿轮减速器，其设计数据如表3-1。

表3-1 附加减速箱技术参数
减速级
模数
传动比
齿数比
总传动比
1
2.5
2.474
47/19
3
2
3
1.233
37/30
传动路线图：

图3-5 微耕机原传动路线图 图3-6 加减速箱后的传动路线图
加减速器后微耕机的行进速度为150m/h。附加加速器到开沟装置主轴之间选用链传动。由计算得变速箱输出轴转速409.32r/min，主动链轮的线速度2m/s，且考虑到变速箱输出与主动轴输入处空间的限制，选用标准传动用A系列滚子链10A[12]。链条及链轮尺寸如表3-2、3-3所示。
表3-2 10A型滚子链的主要尺寸
链号
节距
mm
内链节
内宽
mm
内链节
外宽
mm
内链板
高度
mm
排距
mm
单排
质量
Kg/m
单排极限拉伸载荷 N
10A
15.875
9.40
13.84
15.09
18.11
1.0
21800
表3-3 传动链轮的技术参数
主动轮
P=15.875mm
Z1=12
d1=61.34mm
传动比i=1.863
从动轮
Z2=22
d2=111.56mm
则链条的线速度

由计算知，开沟装置功耗3466.194W，且有：
ü 开沟链传动效率0.88（）
ü 滚动轴承传动效率0.98（） （3对）
ü 传动链传动效率0.95（） （双排）
则可得出传动链传送功率：

有效拉力

轴上载荷

其中，取1.2，中等冲击。
由于，所以传动链是安全的。
3.2 开沟装置的设计与Pro/E造型
开沟装置是工作部件，由主轴组合、从动轴组合、排土器组合、链刀组合、机架组合，其结构如图3-7所示。

图3-8 链刀组合造型

图3-7 开沟装置造型
3.2.1 链刀组合的设计计算
链刀组合围绕在主动链轮、机架组合和从动轮链上，考虑到微耕机总长1.25m，整机的尺寸不能过大，确定两个链轮中心距不得大于lm。查阅现有资料中开沟机的链速一般为v=1～15m/s，综合考虑微耕机的输出转速和果园及林地的土壤硬度，选定开沟链线速度2m/s，则由计算得开沟机主轴转速409.32r/m。

链刀组合的虚拟装配主要用骨架装配的方法[13]，其Pro/E造型如图3-8所示。
开沟宽度为200mm，且刀片切削刃宽度一般不小于20 mm，由于链宽略小于刀具刃宽，确定采用单排链，在沟宽方向两把刀片左、右依次排列。综合考虑功率、转速及刀片安装等因素选用黄山恒久链传动公司生产的开沟机专用链，其主要尺寸见表3-4。
表3-4 开沟链的主要尺寸
链号
Chain
No.
节距
Pitch
mm
链 板
t/T
mm
h
mm
H1
mm
H
mm
E
mm
E1
mm
E2
mm
E3
mm
d1
mm
2250GL-M3
42.01
4.9
31.8
33.3
60.3
69.8
41.3
2.9
25.4
9.95

节距
Pitch
mm
节距
Pitch
mm
内链节
内宽
mm
销 轴
每米
净重
Kg/m
d
mm
L1
mm
L2
mm
2250GL-M3
42.01
25.2
11.1
26.9
29.4
7.78

图3-9 链节结构图
选定主动链轮齿数13，从动链轮齿数11。链条和链轮关键参数的计算过程如下[14]：
链速

链轮分度圆直径

齿顶圆直径

齿根圆直径

图3-10 圆弧杯形刀片式结构图

链式开沟机的开沟刀片有多种形式：子弹头式、竖直刮刀、凿形刀片、杯形刀片等。子弹头式刀具主要用于岩石及高硬度土壤挖掘，竖直刮刀主要用于坚实度高的土壤及冻土，北方冻土挖掘还可以使用一种形似刨刀的硬质合金刀具。圆弧杯形刀片适用于普通硬度土壤，此种刀片既切削土壤也可以带动土壤离开沟底，对各种土质的适应性较好，是国内外开沟机使用较多的一种刀片形式，本文所设计的开沟机采用圆弧杯形刀片。
对于圆弧杯形刀片，后角对切削阻力影响较大。后角减小时，后刀面与切削表面之间的摩擦力增大，从而使切削力增大；但是过大的后角将会使楔角变小，刀片强度降低，刃口的稳定性下降，切削力反而增加，所以后角一般取10°～15°[15]。因此，设计刀片的后角为12°，宽度70mm，切削土壤一侧开有30mm的刃口，如图3-12所示。

图3-12 70×110的刀片造型图

图3-11 40×90的刀片造型图

根据不同的沟宽要求，选择不同结构参数的刀片和交错排列方式，也可变单排链为多排链），但是必须满足下列基本条件[15]：
Ø 必须在刀片宽度方向依次布刀，保证不重切、不漏切。
Ø 各组刀片中相同相位的刀片只有一把切削土壤。
Ø 在同一切削面内，刀片尽可能为单侧切削，实验表明单侧切削阻力要比双侧切削阻力小。
Ø 切削过程中，某一刀片离开土壤时，必须要有一把另一组相同相位的刀片入土，以保证切削阻力以及阻力矩基本不变，保证平稳性。
为了满足以上条件，所研制的链刀按照图3-13所示左右依次排列。

图3-13 刀片排列形式示意图

3.2.2 主轴组合设计
天津静海机械公司生产的开沟机，主轴固定在轴套中（图3-14），这样增大了径向尺寸，并且由于开沟机的梁也挂接在套筒上，使得套筒的稳定性得不到保证，从而影响到主轴的转动以及套筒内轴承的受力。同样，在河北徐水深远机械厂生产的开沟机采用了类似结构：整个梁通过附带轴承座铰接在主轴上（图3-15），这样使得主轴的加工要求复杂、并且拆卸、维修不便。

图3-14 天津静海开沟机 图3-15 河北深远机械开沟机
为克服上述缺点，决定使主轴传动和梁的铰接分开（梁的结构见本文3.2.5）：主轴组合通过调心球轴承外的SN型轴承座[16]连接在机架上；动力从主轴组合左端的传动链轮输入，经过键连接，再从主动链轮输出。这样在主轴组合中仅有一对轴承，维护、更换方便。并且能够保证开沟装置切削土壤时产生的载荷由轴承座及挂接机构直接承担，避免了主轴承担所有载荷的情况，从而保证了较高的安全系数。主轴组合结构如图3-16所示。

图3-17 主轴组合造型图

图3-16 主轴组合结构图
3.2.3 从动轴组合的设计与Pro/E造型
从动轴的设计中主要限制条件为开沟机的最小宽度和链轮的直径。根据计算，本文设计的开沟机最小开沟宽度为120mm。由于从动轴的载荷小于主动轴和排土器轴系，所以采用较小齿数的链轮(z=11)即可满足要求，并且可以减小梁的受力和使重心前移。另外，轴承的选择也很重要，因为轴向尺寸有限，并且没有轴承座。从动轴组合的Pro/E
图3-18 从动轴组合造型图
造型[17]如图3-18所示。

图3-19 从动轴组合示意图
综合考虑从动轴系的工作条件和参考已有的开沟机，所设计的从动轴系如图3-19所示[18]。从动轴的一端做成螺母形式，便于安装，另一端用六角开槽螺母和开口销固定；轴承采用N4907-2RS型[19]，带双侧密封圈滚针轴承，且轴承直接装在链轮内，这样可以节省空间和利用链轮的一侧进行轴向固定；链轮通过轴肩和弹性挡圈固定。

图3-20 排土器组合造型

3.2.4 排土器组合的设计与Pro/E造型
经计算，螺旋排土器的功耗为119.88W。为了避免由于排土而产生的轴向力过大，决定采用两侧排土结构，即左右对称的螺旋排土器分别安装，其两端用轴端挡圈固定，如图3-20所示。
排土器的半径计算很重要，首先参考排土功耗和转速确定初始半径；然后计算从链节中心到刀片根部的距离作为排土器的最大半径，以防排土器和刀片发生干涉。由此，排土器的半径R定为220mm。至于排土器的长度，为了充分排土，排土器内侧应紧贴球轴承的内圈（外球面球轴承的内圈是伸出的），再综合考虑卸土高度等因素，确定排土器长度250mm，壁厚5mm。
此外，由于轴向尺寸的限制，选用UBPF207外球面球轴承，用方头螺栓直接连接在固定板上；轴承内圈与轴用M8紧定螺钉紧固，从而实现同步转动。因为两边的排土器完全对称，转速和结构参数也相同，