本科毕业论文---水田平地机设计.doc

摘 要 由于我国土地形状复杂，类型繁多，且纬度跨越大，故我国各省的农业机械各有差异，其现代化程度不同。我省是以水稻为主要粮食的地区,且无法适用于大规模的生产，但又是水田，泥泞土地的作业有一定的难度。本文基于机械设计和相关的理论研究，利用减速箱，单片机和液压装置设计了一台水田平地机。由于本人能力有限，此文只着重设计了其传动装置与平地的液压装置。此次设计的水田平地机特点是结构简单，受力均匀，运行平稳，工作效率高。关键词：水田平地机 ；耕整机 ；手推 ；液压系统设计 Abstractdue to land complex shapes, type range and latitude spans, of agricultural machinery in all the different, varying degrees of its modernization. I mainly hilly land in type, but with rice as the main food of the region. Cannot be applied to large-scale production, but paddy fields, muddy land a job with a certain degree of difficulty. This article is based on research on mechanical design and theories related to the, using gearboxes, hydraulic design of single-chip and a grader for paddy field. Because of my ability is limited, this article only focuses on the design of its gear and leveling of hydraulic equipment. Grader for paddy field feature of the design is simple, uniform, stable operation, high efficiency.Keywords: grader for paddy field; cultivator; hand; design of hydraulic systems目 录摘要ABSTRACT前言1绪论11.1 水田平地机在国内外的发展和使用11.2 设计水田平地机的意义11.3 作品的结构特点与优势22 水田平地机的方案选择3 2.1 柴油机的选择4 2.2 减速箱的设计52.3 设计V带62.4 齿轮的设计82.5 轴的设计113 液压系统的设计及整体方案的确定213.1 确定液压系统的压力和流量213.2 液压缸主要尺寸的确定223.3 各主要液压器件选择及其工作原理224 润滑方式的确定以及其它的一些要求265 总结27参考文献28致谢29前 言稻田搅浆平地机是我省广泛采用的主要水田平地机械，手推式搅浆平地机适应了我省山丘为主的主要地形形式，并且也满足了耕地的主要作业要求。稻田搅浆平地机之所以有广泛的辅助作业能力，是由于它能完成360度运动。他们可以单独进行，也可以组合进行。本次研究的是一款能在我省水田中平地搅浆的机械，作业后疏松、平整的土壤更加利于之后的播种以及收割。水耙地是水稻插秧的基础，是提高水稻单产的保证措施之一。近几年水田搅浆技术在广大的水稻种植户中已经逐步得到广泛认可并已进行推广和应用。搅浆平地机工作到也随着生产的需求加以改造，种类繁多。我在前水田平地机的基础上结合平地机的工作原理对在水田平地机的基础上增添了搅浆装置，平地搅浆装置的集合不仅节省时间，减少进地次数的同时也增加了平地的水平，减少了水田耕作的成本。V 1 绪论1.1 水田平地机在国内外的发展和使用随着高新技术的发展及在工程机械产品上的应用，以现代微电子技术为代表的高科技正越来越普遍地用来改造工程机械产品的传统结构。成熟技术的移植应用已大大促进了平地机综合技术水平的进一步提高。在满足新的技术要求前提下选择合理的价位，适应不同档次的用户需求是目前平地机的发展方面。中国市场与国外市场不同，国外发达国家的农业现代化基本已经形成，平地机的市场走势处于低谷，而中国平地机市场刚刚开始启动，另一方面中国是发展中国家，经济实力等远远落后于发达国家，多种因素决定了现阶段的中国市场对平地机不需要很高的技术含量和高的配置，只要具有同样的作业功能和较好的可靠性，具有性能价格比的优势，就会有高的市场份额。近年来，国外平地机之所以从中国市场逐步退出不是因为国外产品的技术水平不高，而是价位太高。进口机的价位约是国产同类机型的3倍以上。因此，国产平地机必须在保持或略高于原同类机型价位的基础上，尽量提高整机的可靠性和操作舒适性来适应中国的市场。 从技术发展角度考虑，中国平地机的发展，依然要跟踪国际领先水平。展望迅速发展的中国市场，加入0后国内市场国际化的趋势日趋明显。参与国际交换和分工，充分利用国际先进的配套资源和科学技术，实现技术资源的优化配置，成为国内平地机制造业发展的必经之路。中国平地机技术发展的基本特征应是：高、中、低档产品并存。广泛使用新材料、新工艺，提高制造工艺水平，提高产品的可靠性和寿命，这是国产平地机的发展趋势。 1.2 设计水田平地机的意义随着我国现代化建设事业的迅速发展，农业现代化的建设越来越紧迫。但由于我国土地形状复杂，类型繁多，且纬度跨越大，故我国各省的农业机械各有差异，其现代化程度不同。我省土地类型主要以丘陵为主，但又是以水稻为主要粮食的地区。无法适用于大规模的生产，但又是水田，泥泞土地的作业有一定的难度。因此我省水田对平地类型的机械有一定的要求。使用方便，外形较小，移动方便是我省现阶段水田平地机的研究意义。1.3 作品的结构特点与优势 1）通过小型柴油机作为动力源，具有小型水田也能快速工作的特点 2）体积小、质量轻、结构简单、操作方便、保养方便、成本低廉，无废气及噪音等污染。 3) 平地的高度可在2060mm之间，横向100200mm，,质量400kg左右（材料由45钢制作）； 4)前轮采用双轮耕整机构，具有良好的导向性，后面的平地船通过铰链与行走机构相连，可以大幅度拐弯。 5) 平地的效果较理想，且成本低，是小面积平地的首选产品。2 水田平地机的方案选择 据本次设计要求：设计出一台水田平地机，由现有双轮耕整机牵引，工作部件平地船通过振动、对土壤挤压，刮平、推送，实现水田中土壤的平整。经参考众多农机类型，我设计了如图1所示双轮拖挂式水田平地机。 随着国家惠农政策的不断出台，黑龙江省水稻种植面积的不断扩大，水田农机装备的不断提高，水稻搅浆平地机以其适用、稳定、易行、节本特点成为我国水稻种植必备的平地机械。水田搅浆平地是水稻生产中的重要环节，长期以来，水田耕整地一直延续着传统的耕整地作业模式。主要有旱田水整、旱田灭茬水整两种形式，所以使用机具多为拖拉机配套水田犁、旋耕机、水田耙等。这种耕作方式，机具进地次数多，费工费时，劳动强度大，作业效率低，资源浪费严重，不仅增加水田生产成本，而且作业质量不能满足插秧作业要求。水田搅浆平地机能一次完成碎土，搅浆，压茬及平地等联合作业，田块能满足机械插秧要求。水田平地技术的应用与传统方法相比，降低生产成本、增产、增收，还可以减少整地用水，联合作业又可以缩短整地时间，节省能源消耗，提高作业效率，实现水稻高产稳产，对促进农业增收、农民增收和保证粮食安全生产具有重要的意义。因此，我设计的水田搅浆平地机是以柴油机为动力源，经过V带传动将功率传给减速器，经历两级减速后又利用V带传动将功率传递给行走的双轮，双轮拖动平地船在水田上行走，平地船与拖拉机具采用三点悬挂方式连接，三点悬挂装置的两个提升杆改用两个双作用油缸，其动作可分别控制，以实现平地具左右两侧提升和下降的独立控制，保证平地机具始终处于水平位置工作。悬挂点以铰链连接，人站在平地船上通过手柄掌控方向。液压控制系统控制平底船左右水平。. 柴油机的选择 有常识得知：正常成年人的移动速度为3.55km/h，考虑安全问题取v=4km/h=66.67m/min。按水田耕整作业： (2-1) 式中： 耕宽，取100cm耕深，取10mm土壤比阻，根据资料取0.36所以=3.60kw1.175F1型柴油机 2.底座 3.耕整双轮 4.铰链5.平地船 6液压装置 7.手柄 8.减速箱图2-1 总装配简图Fig 2-1 General Assembly Drawing通过对家乡柴油机的使用情况了解，175F1型柴油发动机的使用率特别广，它是最适合本地环境状况与交通状况的柴油机，它能满足轻小型农业机构的要求，故本次研究以龙舟-175F-1型柴油为动力源驱动。其规格如图2所示： 型号 175F-1缸径行程（mm）7570 1h功率（kw/ps） 3.65/4.95马力 12h功率（kw/ps） 3.81/4.5马力 标定转速（r/min） 2600 润滑方式 离心飞溅 净质量（kg） 44图2-2 柴油机铭牌Fig 2-2 diesel engine nameplate2.2 减速箱的设计2.2.1 减速箱的传动比分配 图2-3 传动装置示意图Fig 2-3 Schematic diagram of transmission device 按常识，取170cm，体重取70kg，双臂抬起高度h=800mm。柴油机高500mm，为了让人前方视野开阔，取双轮半径r=500mm那么轮子的转速n=51.54r/min。 确定传动装置的总传动比和分配传动比：总传动比： (2-2) 分配传动比：取 则 取 经计算 注：为带轮传动比，为高速级传动比，为低速级传动比。2.2.2 计算传动装置的运动和动力参数将传动装置各轴由高速到低速依次定为1轴、2轴、3轴、4轴依次为电机与轴1，轴1与轴2，轴2与轴3，轴3与轴4，之间的传动效率。（1）各轴转速： (2-3)求垂直面的支反力:计算垂直弯矩：求水平面的支承力： 计算、绘制水平面弯矩图：求合成弯矩图，按最不利情况考虑： (2-21)求危险截面当量弯矩：从图可见，m-m,n-n处截面最危险，其当量弯矩为：（取折合系数）计算危险截面处轴的直径： n-n截面: m-m截面: 由于，所以该轴是安全的。轴承寿命校核：轴承寿命可由式进行校核，由于轴承主要承受径向载荷的作用，所以，查课本259页表16-9，10取，取 (2-22)轴承使用寿命在年范围内，因此所该轴承符合农用机械要求。图-5 中间轴的弯矩及受力分析图Fig 2-5 Intermediate shaft bending moment and Stress Analysis2.5.3 低速轴的设计与校核 1) 弯矩及轴的受力分析图如下图：图2-6 低速轴的弯矩及受力分析图Fig 2-6 Moment and stress analysis of the Low-speed Shaft2）键的设计与校核：已知参考机械设计表10-11，由于所以取因为齿轮材料为45钢。查表10-10得L=128-18=110取键长为110. L=82-12=70取键长为707根据挤压强度条件，键的校核为： (2-23) 所以所选键为: 确定各轴段直径计算最小轴段直径。因为轴主要承受转矩作用，所以按扭转强度计算，由式14-2得： 考虑到该轴段上开有键槽，因此取查手册9页表1-16圆整成标准值，取为使带轮轴向定位，在外伸端设置轴肩，则第二段轴径。查手册85页表7-2，此尺寸符合轴承盖和密封圈标准值，因此取。设计轴段，为使轴承装拆方便，查手册62页，表6-1，取，采用挡油环给轴承定位。选轴承6215:设计轴段，考虑到挡油环轴向定位，故取设计另一端轴颈，取，轴承由挡油环定位，挡油环另一端靠齿轮齿根处定位。轮装拆方便，设计轴头，取，查手册9页表1-16取mm。设计轴环及宽度b使齿轮轴向定位，故取取, 确定各轴段长度。带轮的尺寸决定,所以轴头长度因为此段要比此轮孔的长度短其它各轴段长度由结构决定。 （3）校核该轴和轴承：L1=97.5 L2=204.5 L3=116求作用力、力矩和和力矩、危险截面的当量弯矩。作用在齿轮上的圆周力： 径向力：求垂直面的支反力： 计算垂直弯矩：求水平面的支承力。计算、绘制水平面弯矩图。求F在支点产生的反力求F力产生的弯矩图。F在a处产生的弯矩：考虑最不利的情况，把与直接相加。 求危险截面当量弯矩。从图可见，m-m处截面最危险，其当量弯矩为：（取折合系数）计算危险截面处轴的直径。因为材料选择调质，查机械设计手册得，许用弯曲应力，则： 考虑到键槽的影响，取所以该轴是安全的。（4）键的设计与校核：因为d1=63装带轮查课本153页表10-9选键为bh:1811查155页表10-10得因为L1=107初选键长为100,校核所以所选键为: 装齿轮查课本153页表10-9选键为查机械设计155页表10-10得因为L6=122初选键长为100,校核 所以所选键为:.2.6 齿轮及带轮的设计因 采用腹板式结构：表2-2 高速大齿轮的设计Table2-2 Design of high Speed Gear 代号结构尺寸和计算公式结果轮毂处直径72轮毂轴向长度84倒角尺寸1齿根圆处的厚度10腹板最大直径321.25板孔直径62.5腹板厚度25.2 表2-3 柴油机带轮的设计Table 2-3 Design of diesel Engine Pulley 代号结构尺寸和计算公式结果 手册157页90mm162mm135mm81mm143.5mm 10mm15mm5mm 表2-4 减速箱的带轮设计Table 2-4 The belt wheel gear Box Design代号结构尺寸和计算公式结果 手册157页38mm68.4mm取60mm81mm74.7mm10mm15mm5mm 表2-5 行走机构的带轮设计Table 2-5 The belt wheel walking Mechanism Design代号结构尺寸和计算公式结果 手册157页45mm81mm67.5mm81mm74mm10mm15mm5mm3 液压系统的设计及其整体方案确定在分析国内外平地控制系统的产品的基础上，借鉴它们的成功经验，根据国内现有产品的现状，以及现有的技术水平，以单片机为控制，以液压系统为执行机构，设计了一种精密水田平地控制系统。在系统设计中，结合实验的实际需要，主要以耕整水田为研究对象。利用电磁阀的控制，实现油泵的不同排量，从而实现排种器的转速控制。3.1 确定液压系统的压力和流量液压油缸受力分析：当下拉杆与地面平行时，平地机具重力方向与左拉杆垂直，此时平地机具所产生的力矩最大。根据力矩平衡原理得: 式中 G 平地机具的质量，力臂， 平地机具重心位置， 液压油缸静态最大拉力的垂直向上分力。图3-1 平地机具静态受力图Fig 3-1 land leveler static force经计算=4000N，力F的最大值。平地机具工作时会增加惯性负载，根据经验及相关文献取0.5倍，则液压缸工作时必须提供最大拉力F=6930N。由于采用两液压缸，可知单缸最大拉力为3465N。3.2 液压缸主要尺寸的确定(1) 油缸工作压力。根据经验本系统 p=6MPa。 (2) 确定液压缸内径 D和活塞杆直径d。考虑安装因素活塞工作时塞杆受拉，经推导D可按下式计算，即 式中 F是液压缸外负载，已计算F=3465N 液压缸的机械效率，本系统取0.95 p1是液压缸工作压力，已知p=6MPa P2是液压缸回油腔背压力，因该系统属于简单的中压系统，可取0.5MPa 由于活塞杆受拉，取d=0.5D。 将数据代入式中可得D=0.048m圆整后，取D= 63mm 因d=0.5D，圆整后取活塞杆直径d=35mm由此可计算单缸活塞杆工作时能产生的拉力为7659N，大于3465N，满足要求。 （3）计算液压缸工作时所需的流量q为 式中 v油缸活塞伸缩速度，根据相关文献取v=4m/min。 系统工作时，经常需要两个液压油缸同时工作，故系统所需流量为2q，即25L/min。3.3 各主要液压器件选择及其工作原理3.3.1 液压马达 从能量转换的观点来看，液压泵与液压马达是可逆工作的液压元件，向任何一种液压泵输入工作液体，都可使其变成液压马达工况；反之，当液压马达的主轴由外力矩驱动旋转时，也可变为液压泵工况。因为它们具有同样的基本结构要素-密闭而又可以周期变化的容积和相应的配油机构。10 但是，由于液压马达和液压泵的工作条件不同，对它们的性能要求也不一样，所以同类型的液压马达和液压泵之间，仍存在许多差别。首先液压马达应能够正、反转，因而要求其内部结构对称；液压马达的转速范围需要足够大，特别对它的最低稳定转速有一定的要求。因此，它通常都采用滚动轴承或静压滑动轴承；其次液压马达由于在输入压力油条件下工作，因而不必具备自吸能力，但需要一定的初始密封性，才能提供必要的起动转矩。由于存在着这些差别，使得液压马达和液压泵在结构上比较相似，但不能可逆工作11。 该系统液压泵由拖拉机（型号为清江504）的动力输出轴驱动。已知动力输出轴高挡转速为1000r/min，再根据系统工作压力及流量等要求选用淮安市液压件总厂生产的 CBTF532 型齿轮泵。该泵的技术参数如下：排量为 32mL/r，额定压力为20MPa，额定转速为 1000r/min，容积效率为 0.92。3.3.2 选择液压阀 液压调节系统选用深圳亚德客（AIRTAC）液压气动件厂生产的三位四通电磁换向阀，其额定工作电压为 12V 直流电，响应频率为 5Hz。根据拟定的液压调节系统原理选定液压元件，如下表所示： 表3-1 液压元件的选择Table 3-2 The choice of Hydraulic Components序号元件名称规格最大流量L/min1漏油器XUB32302齿轮泵CBTF532403压力表4KF10D1/4溢流阀AF10D/DP1325三位四通电磁换向阀ED3C2G02D1326单向节流阀LAF10DB1327囊式蓄能器CQJ16163.3.3 确定管道尺寸 油管内径尺寸由选用的液压元件接口尺寸确定，即油管内径为 8mm。3.3.4 液压油箱容积的确定 为了提高液压系统的动作灵敏度，采用恒压系统，即油泵压力恒为工作压力 6MPa，液压油箱有效容量按齿轮泵的流量的 10 倍来确定，即选用容量为320L 的油箱17 。3.3.5 液压系统温升验算系统为恒压系统，所以在整个田间作业过程中若液压缸不动作，则泵的输入功率全部转化为热量。 此时液压油的温升最大，单位时间发热量 Q 为 式中 p油泵的理论泵油排量，为32L/0.92， q液压泵的理论泵出压力，估算为系统的工作压力，即6MPa。邮箱的散热面积可近似为A=3.14由于系统的散热状况一般，可取K，则系统的温升为： 液压系统油温一般不应超过 70，因此必须设置散热器。散热器选用汽车空调散热器，其入口与溢流阀的回油箱口相连。实验表明，设置散热器后，液压系统油温不超过 70,工作正常，如液压系统油路图所示。3.3.6 溢流阀溢流阀是一种液压压力控制阀。在液压设备中主要起定压溢流作用和安全保护作用。定压溢流作用：在定量泵节流调节系统中，定量泵提供的是恒定流量。当系统压力增大时，会使流量需求减小。此时溢流阀开启，使多余流量溢回油箱，保证溢流阀进口压力，即泵出口压力恒定（阀口常随压力波动开启）。安全保护作用：系统正常工作时，阀门关闭。只有负载超过规定的极限（系统压力超过调定压力）时开启溢流，进行过载保护，使系统压力不再增加（通常使溢流阀的调定压力比系统最高工作压力高1020）19。3.3.7 其他应用中发现，该系统虽然压力较为稳定，但平地机具在上升和下降的过程中存在较大的冲击，影响了平地机具的升降控制精度。为此，建议采用频率响应高于5Hz的电磁换向阀，或应用电液伺服阀，以提高平地机具的位置控制精度。详情请见如下原理图：1,7.油缸 2,8.单向节流阀 3蓄压器 4,6.截止阀 5.油压表 9,17.三位四通电磁阀 10.溢流阀 11.散热器 12.邮箱 13.温度计 14.滤网 15油泵 16.单向阀图7 液压系统油路图Fig 7 hydraulic system schematic4 润滑方式的确定已经其他的一些要求 因为传动装置属于轻型的，且传速较低，所以其速度远远小于，所以采用脂润滑，箱体内选用SH0357-92中的50号润滑，装至规定高度。 其他有关数据见装配图的明细表和手册中的有关数据。21 总 结 本次设计旨在研究出一款体积小、质量轻、噪音小、操作灵活，适合小面积平地的水田平地船，基于以上的设计要求，经历了几次大的方案变动，最后决定采用以双轮耕整机构作为动力源，通过V带轮轴传动到齿轮机构实现减速速，拖动平地船在水田中行走。使用前首先要仔细阅读产品说明书和机具上的安全标志,对机具的潜在危险要做到心中有数!按说明书的要点进行具体操作，避免安全事故发生。每次作业前应检查旋耕机的传动箱是否加足润滑油，轴承是否加足润滑脂，连接螺栓是否紧固。作业中如发现异常声音，应立即停车检查，排除故障。手扶拖拉机配套旋耕机陷车时，严禁未熄火时人站在机器前拉、抬机器。机器经过较高的田埂时应熄火抬过田埂。使用前应检查各部件，尤其要检查旋耕刀是否装反和固定螺栓及万向节销是否牢靠，发现问题要及时处理，确认稳妥后方可使用。工作时应经常注意倾听旋耕机是否有杂声或金属敲击声，如有异常应停车检查排除。地头转弯和倒车时严禁工作!以免损坏机件。机组起步时要先接合动力输出轴，再挂上工作档，缓慢松放离合器踏板；同时操作液压升降手柄，使旋耕刀逐渐入土，随之加大油门，使刀滚达到规定耕深时为止。27 参考文献1 镇江农业机械学院 .农业机械学M.北京:中国农业机械出版社 , 1981:135 2 濮良贵, 纪名刚. 机械设计M. 高等教育出版社, 2002.12.5-10-36-2213 徐希民，黄宗益. 铲土运输机械设计M. 机械工业出版社, 1985：320-344.4 何挺继，展朝勇. 现代公路施工机械R.人民交通出版社, 1999：81-104.5 徐福玲，陈晓明. 液压与气压传动M. 北京：机械工业出版社，2003:34-35. 7 成大先，王德夫等. 机械设计手册M. 北京:机械工业出版社，2002，4:16-17-786.8 赵显新. 工程机械液压传动装置原理与检修M. 辽宁科学技术出版社，2000:25-35.9 周萼秋等. 现代工程机械M. 北京：人民交通出版社，1997:113-117.10 罗圣国，李平林等主编. 机械设计课程设计指导书（第二版）M.北京：高等教育出版社，2003.5:38-150-210.11 赵显新. 工程机械液压传动装置原理与检修M. 辽宁科学技术出版社，2000：25-34.12 杨晓辉. 简明机械实用手册M. 科学出版社，2006.25813 de Sousa P L, A R Dedrick, A J Clemmens,et al.Effect of Furow Elevation Differences on Level-basinPerformanceJ.Transactions of the ASAE,1995,38(1):153-158.14 张平格 ,赵喜敬 ,张伟杰,等.液压传动与控制 M.北京 :冶金工业出版社 ,2004. 15 王积伟，章宏甲，黄宜.液压传动J.机械工业出版社，2006.12:211.16 陈真，胡宁，许亮.自动变速器液压控制系统FMEAJ.机床与液压，2007(35):212一214. 17 高炳钊.AMT液压系统仿真及其应用D.长春:吉林大学，2002:12.18 朱经昌，魏寰官等.车辆液力传动J.北京:国防工业出版社，1983:98-12.19 许耀军.水田激光平地机的试验研究D.广州:华南农业大学 ,2004:56.20 农牧与食品机械杂志社编. 国外农机产品手册J.机械工业出版社，1986:1121 张淑娟,全腊珍.画法几何与机械制图M.北京：中国农业出版社. 2007：3-15.22 胡宁.电液控制系统故障的计算机诊断分析方法J.液压与气动，2004. 致 谢在此论文完稿之际，向所有关心和支持我的老师、同学和朋友表示衷心地感谢!导师实事求是、一丝不苟的科学态度、丰富的经验和渊博的专业知识、脚踏实地的工作作风和专业的学术水平给我留下了深刻的印象，并将使我终生受益!在此，向李老师表示崇高的敬意和衷心的感谢!设计期间，得到了李玉清老师热情耐心的帮助和十分中肯的点评，设计才得以顺利完成，深表谢意。2