蔬菜畦面挖穴机的设计学士学位论文.doc

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毕 业 论 文（设计）

题 目： 蔬菜畦面挖穴机的设计
姓 名： ******
学 院： 机电工程学院
专 业： ********************
班 级： ********
学 号： *********
指导教师： *******

2012年06月18日
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
1绪论 1
1.1设计的目的和意义 1
1.2蔬菜畦面挖穴机的国内外发展现状 1
1.3蔬菜畦面挖穴机的主要研究内容 2
2总体方案的选定 4
2.1成穴方式的分析与确定 4
2.2推土机构方案的确定 5
2.3成穴机构方案的确定 6
3成穴机构的设计 11
3.1成穴机构中成穴筒的设计 11
3.2压杆的设计 12
3.3成穴深度的调节 14
3.4成穴机构的受力分析 15
3.5穴坑形式的选择 16
4其他主要零部件的设计 17
4.1凸轮的选择 17
4.2杠杆机构的设计 18
4.3稳定性部件的设计 19
4.4松土铲的设计 20
5传动系统的设计 21
5.1功率计算以及手扶拖拉机型号的选择 21
5.2一级链传动的设计计算 22
5.3变速传动部分的设计计算 22
5.4三级链传动部分的设计计算 23
6结论与建议 25
参考文献 26
致 谢 27

蔬菜畦面挖穴机的设计
摘 要
本设计结合当今社会蔬菜种植的发展方向和农艺农业要求，在分析了国内外研究现状的基础上，研究设计了一种蔬菜畦面挖穴机。该机与手扶拖拉机配套，能够完成蔬菜畦面挖穴作业，并能调整穴距的大小、穴坑的深度及行距的大小，具有一定的适应性。本文论述了该机的工作原理、使用调整和总体方案的选定，对主要工作零部件和动力传动系统进行了设计与计算，对主要零件进行了受力分析和工作原理的分析，并进行了强度校核。论述了该机工作性能和技术参数，分析了该机工作的可靠性，作业的稳定性，配置的合理性，调整的可行性，为今后蔬菜畦面挖穴机的研究进行了探索。
关键词： 打孔挖穴；育苗移栽；畦面；凸轮机构

The design of vegetable strip surface dibbler
Abstract
Combining the development direction of social vegetables planting and the requirement of the agriculture, and at the foundation of analyzing the research actuality, this design creates a vegetable strip surface dibbler. This machine has certain adaptive because it can accomplish the work of digging a hole on strip surface while matching with a walking tractor and it can adjust the width of the hole, the depth of the hole and the width of the lines while it does the work above. This paper mainly does the following works. First, describing the operating principle of the machine. Second, describing the adjustment plan of using and the overall plan. Third, designing and calculating the working parts express power transmission system. Fourth, analyzing the forces on the parts and the operation principle and checking the intensity. This paper also discusses the working performance of this machine and analyzes the machine’s working reliability, operation stability, configuration rationality, and feasibility of the adjustment. This paper makes efforts on the studies of vegetable strip surface dibbler.
Key words: digging；seedlings raising and transplanting；strip surface；Cam mechanism

II
青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计（论文）
1绪论
1.1设计的目的和意义
当前我国蔬菜种植技术多种多样，种植工艺不断更新，比如育苗移栽在玉米、马铃薯、辣椒等许多蔬菜的种植中就占据了非常重要的地位。这种蔬菜种植技术的推广，与传统种植技术相比，对农业机械的适应性提出了新的要求。
伴随着农业机械化进程的发展，我国在蔬菜畦面挖穴机上的研究和应用开始逐渐增多，但当前这种机械普遍存在的问题是挖穴速度低，单行作业，工作效率低。而我国在蔬菜挖穴方面主要还是以人力作业为主，不仅劳动强度大，而且生产率低。很明显，在这一方面，农机和农艺明显脱节，严重阻碍了生产力的发展，实现蔬菜挖穴的机械化已经成为农业生产的迫切需要[1]。
蔬菜畦面挖穴机能够实现在已经整好畦面的地上进行打孔挖穴，进而在畦面上进行准确定位种植，使穴位布局合理，穴距准确，穴深一致，穴形合格。
对于蔬菜畦面挖穴机，成穴是影响其工作质量的决定性因素，作为蔬菜畦面挖穴机的关键部件，如何得到成穴阻力较小，成穴稳定性较高的成穴器将是本项研究工作的重点。同时，为了提高蔬菜畦面挖穴机的利用率，打穴时行内穴距可调也是评价打穴机性能的一个重要指标，因为不同的作物需要不同的穴距，这也将是我们解决问题的重点。最后，本次研究的一个重要目的是强调解放人、依靠人和为了人，坚持以人为本。
本项研究是蔬菜种植技术机械化的重要组成部分，与人工相比，蔬菜畦面挖穴机具有资金占用少，成本支出少，有用成果多的优点，节省了劳动费用，因此具有很好的经济效益。社会效益方面，蔬菜畦面挖穴机的推广能够提高工作效率、降低农民的劳动强度，最大限度的利用有用资源来促进农业增产和增加农民收入，对于推动加快我国农业机械化的发展步伐具有非常重要的意义。
1.2蔬菜畦面挖穴机的国内外发展现状
目前，蔬菜畦面挖穴机的研制仍然集中在成穴器的成穴原理和结构，成穴器在土壤上成穴的方式限制了播种频率和播种速度的提高[2]，目前已有的相关研究中，一般采用带有成穴部件(鸭嘴、柱塞、铲斗等)的滚轮作为成穴器[3]。
1.2.1国外蔬菜畦面挖穴机的发展现状
1961年报道了一种能够在已经铺膜的地面上进行蔬菜精密播种的打穴播种机，可播种南瓜、西瓜和黄瓜等种子，为克服蔬菜种子出土能力较弱造成的出苗困难，在1967年改进出了打穴播种工艺，利用销钉在土壤上形成穴孔。在1969年又研制了播种甜菜的异步打穴播种机，它的成穴器是由一个在径向装有圆锥形凸起的滚轮所组成的，特点是成穴器结构简单，但如果土壤水分过高会造成土壤粘结在成穴器的滚轮上，而使成穴器无法正常工作；如果土壤水分过低又会使形成的穴孔发生坍塌。1973 年，有人发表了所研制的“气力打穴播种机”，这种播种机采用气动柱塞式成穴器，播种时，成穴器柱塞由气力驱动在土壤上打出穴孔，通过调节气动阀的开闭频率来改变成穴柱塞在土壤上形成穴孔的间距，该机具的优点是播种时行内种距可调，但缺点是结构复杂，播种时参数的调整较困难。1979年，有人研制了一种称为“磁性播种机”，其挖穴方法是成穴柱塞在滚轮带动下在土壤上形成穴孔。利用铲斗式成穴机构在土壤上形成穴孔在1978年被提出，其成穴部件类似于铲斗并径向安装在滚轮上来形成穴孔。1987年，国外报道了一种新型的“旋转铲式成穴器”这种成穴器的结构是在双向倾斜的圆盘上安装有中空的四棱锥型打穴铲,播种机前进时，利用打穴铲的特殊运动轨迹在土壤上形成穴孔[4]。
1.2.2我国蔬菜畦面挖穴机的发展前景
在国内，我国常用的鸭嘴式成穴器即属于铲斗式成穴机构，常见的鸭嘴形状有楔形和锥形2种[5]。1988年，汪遵元等人发明的播种机的成穴机构和原理与当时国外的相似[6]。1989年，马旭等人对成穴器鸭嘴的结构参数和工作参数进行了优化，但只适用于地膜上的成穴。在此基础上，2008年延边大学崔永汉教授发明了一种鸭嘴式掘穴机，但是其缺点是挖穴速度低[7]。
1.3蔬菜畦面挖穴机的主要研究内容
1.3.1研究内容
该课题主要是设计蔬菜畦面挖穴机，该机应能与手扶拖拉机配套，在已整好的畦面上进行作业，能够一次性完成入土、挖穴，推土（抛土）。设计工作的主要任务包括：与拖拉机的配套设计，整机布局和传动系统的设计，挖穴机构的设计，推土（抛土）机构的设计，机架的设计，穴深和株距可调性能的设计。
1.3.2技术路线
根据任务书和立题表研究分析所查资料→根据调查研究的结果，确定总体的方案→对蔬菜畦面挖穴机进行总体设计、配套设计以及动力计算→画出装置的草图，对设计方案进行修正完善→用计算机进行绘图(装配图、零件图)→完善绘图，并整理资料→编写设计说明书→准备答辩
2总体方案的选定
2.1成穴方式的分析与确定
本论文所设计的蔬菜畦面挖穴机的成穴装置能够连续在蔬菜畦面上完成打孔挖穴，推土（或抛土）作业，要求连续性好，工作稳定性高。打孔挖穴过程中，要防止坑壁上的土落下以影响穴坑深度，所以要使穴坑有足够的光整度。
设计方案一

图2-1铲式成穴器
1.左边铲 2.回位弹簧 3.左支撑架 4.右支撑架 5.右边铲 6.滑道

1）工作原理
如图2-1所示，铲形成穴器固定在轮子的四周，随着轮子的前进，铲子靠重力入土并作余摆线运动，在土壤底部，滑道被挤压完成开口挖土，然后，在回位弹簧和轮子的联合作用下，铲子随着轮子转离土壤底部完成抛土。
2）方案分析
（1）株距的调整范围小。在和手扶拖拉机配套中容易受到空间的限制，计算可得，当成穴株距为50cm时，转轮的直径就已经达到了80cm以上。无法对大株距的蔬菜作物进行打孔挖穴。
（2）铲式成穴器本身的弊端是无法保证坑壁平整，容易导致小土块的塌落，使得成穴深度受到影响。
（3）对土壤的旋耕质量要求较高，对于耕深较浅的田地，由于土壤坚实度的影响，入土困难甚至无法完成作业。

设计方案二

图2-2蜂窝煤式成穴器
1）工作原理
如图2-2，这种成穴方式对类似于手工煤球机，成穴筒在一定速度下冲击土壤，将土压入筒内，使土壤获得一定的紧实度和坚实度，将土挤压在成穴筒内，然后在合适的时间将土推出完成一次工作行程。其关键是如何使打孔挖穴和推土两个工作在一定的时间间隔内实现。
2）方案分析
（1）对土壤的耕作质量无太高要求，具有一定的适应性。
（2）因为可以通过调整相应的转速来调整株距，株距可调整的范围较广。
（3）穴孔坑壁较为光滑，小土块的塌落现象明显减少，对穴坑深度的影响较小。
（4）与铲式成穴器相比，不受手扶拖拉机前进速度的限制，作业效率更高。
综上所述，采用方案二。
2.2推土机构方案的确定
设计方案一
1） 工作原理
通过凸轮机构来控制打孔挖穴的同时，利用另一个的凸轮机构来控制推土过程，保证两个凸轮的达到最大行程的时间相差一定的角度，从而使得进入成穴筒内的土在合适的时间被推出。
2）方案分析
（1）实际工作过程中，当进行打孔作业时，此方案的推土杆要么随成穴筒一起下降，要么足够长不随成穴筒一起下降，前者的凸轮难以配置，后者的压杆的长度往往影响推土的时间。
（2）不同的穴坑深度往往需要推土杆的推程不同，由于凸轮的推程是一定的，无法调节，一旦由凸轮控制推土运动，实际工作过程中难以调节。

设计方案二
1） 工作原理
在不改变成穴筒升降高度的基础上又能使穴坑深度得以调节，推土杆与压杆之间的相对位置由压缩弹簧控制，只要不被限制，推土杆每次上升的高度是一定的。在推土杆的正上方设置不同种高度的平板插销，使其插入壳体的的方孔之中，当推土杆向上运动到一定的高度时和插销相接触，便不能继续上升，此时，成穴机构继续上升，压缩弹簧将会被压缩，并将土推出筒内，推土行程的控制是通过调节插销的高度来实现的。
2）方案分析
（1）此方案原理简单，使用调整方便。
（2）与方案一相比，不需要消耗动力来完成推土过程，符合低碳环保的理念。
2.3成穴机构方案的确定
设计方案一

图2-3 滚轮式成穴机构结构示意图
1.凸轮1 2.滚轮 3.成穴装置 4.成穴筒 5.凸轮2 6.滚子 7.回位弹簧

1）工作原理：
如图2-3所示，在本方案中，打孔和推土两个工作的时间间隔由三个连在一起的凸轮控制，具体来说，是两个大凸轮中间夹一个小凸轮，压杆始终与大凸轮保持接触，只不过大凸轮和小凸轮的最大推程相差450，实际工作中，两个大凸轮作用于成穴装置上的压杆，而成穴机构上的推土杆伸入两个大凸轮之间受到小凸轮控制。工作时，蔬菜畦面挖穴机在手扶拖拉机牵引下匀速前进，三个凸轮在机架上固定不动，四个成穴机构由滚轮带动一起转动并依次作业，转到最低点时将土压紧压实，压进成穴筒内的土在转动的滚轮和回位弹簧的联合作用下被提升，转过450后将土推出。在这里，成穴机构一边绕轴正向旋转，一边随手扶拖拉机作直线运动，因此，成穴筒的绝对运动轨迹是一条由旋转运动和直线运动合成的数学摆线，根据实际情况，这里让成穴筒的数学摆线为一条滚摆线，即手扶拖拉机的牵引速度与成穴装置端点的切向速度大致相同，所以被压实的土壤在穴坑前方被推出成穴筒，从而完成打孔挖穴的全过程。
2）方案分析
（1）虽然工作方案新颖可靠，运动路线清晰，但是致命的缺点是整体结构受到手扶拖拉机高度的限制。这是因为，穴坑的深度完全靠凸轮的推程来控制，考虑到滚筒的离地距离和凸轮的基圆半径以及压杆的长度，总体高度将达到1.5米！只能将这一装置配置在工作人员的后面，在工作过程中无法看到所成穴孔。
（2）高度的增加引起机体的重量过大，增加了功率消耗，降低了打孔挖穴的效率
（3）地头处转弯复杂，适用于美国的大农场，不符合国情。
综上所述，该方案还有改进的地方，所以方案不可取。

图2-4 滚轮式成穴机构三维效果图

设计方案二

图2-5 摆动式成穴机构结构简图
1．大凸轮 2.壳体 3.曲柄 4.连杆 5.压杆 6.成穴筒 7.推土杆 8.小凸轮

如图2-5所示
1）工作原理
如图2-5所示，本方案中，控制打孔挖穴的凸轮总成实际上为两个大凸轮中间夹两个小凸轮，机组前进的同时，手扶拖拉机的动力输出轴输出的动力经传动与变速，使曲柄3绕轴转动，图2-5中所示的铰链四杆机构为曲柄摇杆机构，这一机构将曲柄3的转动转化为大凸轮绕轴的往复摆动（同时小凸轮也绕轴摆动），由于成穴装置和壳体以移动副连接，所以只能做上下运动，当大凸轮的远休止程位于最低点时，成穴筒到达最深的位置，将土在成穴筒内压实到重力情况下不自动脱落的程度，大凸轮继续向一侧摆动，压杆在回位弹簧的作用下将土提升出穴坑，当小凸轮的远休止程运动到最低位置时，大凸轮的远休止程转了450，成穴筒升到最高，推土杆被小凸轮压下将成穴筒内的土推出，从而完成一次打孔挖穴。
2）方案分析
（1）此种方案虽然降低了核心部件的整体高度，但是由于压杆的提升完全靠着回位弹簧的回位程度，相比而言，方案一的提升是滚轮的转动与回位弹簧联合作用的结果。由于手扶拖拉机对配套机具高度的限制，看似机构可行，但在实际工作中，再考虑到壳体的离地距离以及杆的移动距离，其实际打孔深度较浅。
（2）由于本方案中凸轮做摆动，不同于方案一中固定在机架上的凸轮，如此大的凸轮运动略显笨重。
（3）控制打孔挖穴的凸轮机构结构较为复杂，加工成本较高。
（4）曲柄摇杆机构的曲柄通过铰链连接在机架上，成穴时行距的调节不方便。
设计方案三

图2-6 杠杆式成穴装置结构简图
1.滑块1 2.杠杆 3.机架 4.压杆 5.槽形凸轮 6.滚子从动件 7.滑块2 8.推土杆

1）工作原理
如图2-6所示，在本方案中，手扶拖拉机输出轴传出的动力经过变速与传动，使槽形凸轮在某几个转速下可以匀速转动，同时槽形凸轮的形封闭性保证了滚子从动件在运动过程中始终与凸轮接触，并将转动转化为滚子从动件的上下移动，滚子从动件与滑块2之间通过转动副连接，滑块2再通过移动副与杠杆连接[8]。假设支点左右的杠杆长度之比为n，那么在杠杆的作用下，右面压杆下降的高度是左面滚子从动件上升高度的n倍，借此来完成打孔挖穴这一过程。推土杆和压杆之间存在有压缩弹簧，用来保证两者之间紧密贴合。
2）方案分析
（1）与方案一相比，杠杆原理的使用极大的降低了整个机具的高度，使得工作安全可靠，结构紧凑。
（2）与方案二相比，槽形凸轮的形封闭性使得工作过程的连续性强，避免了平面摇杆机构的急回特性。
（3）该方案原理简单可行，加工制造简单。
综合比较以上三个方案，选择方案三。
3成穴机构的设计

图3-1成穴机构结构示意图
1.推土杆 2.压缩弹簧 3.压杆 4.成穴筒挤压件 5.挤压杆 6.成穴筒7.推土板
该课题设计的蔬菜畦面挖穴机的成穴机构如图3-1所示，由压杆3、成穴筒6、成穴筒连接杆4、推土板7、压缩弹簧2、推土杆1组成。压杆底部与成穴筒连接杆之间采用螺纹连接，通过更换成穴筒连接杆的长度可以调节穴坑深度。成穴筒连接杆和成穴筒也要采用螺纹连接，而不能做成一体的，只有这样，我们才能更换推土板上连接部分的长度从而根据穴坑深度调节推程。推土板和推土杆之间采用螺纹连接，穴坑深度改变时，推土板和成穴筒连接杆需要共同更换，成穴筒连接杆上的8根挤压杆可以在推土板上的8个孔内自由滑动。
成穴时成穴机构向下运动，压缩弹簧使得推土杆和压杆之间紧密接触，打土完成后，成穴机构将会上升，压缩弹簧将继续被压缩完成推土。
3.1成穴机构中成穴筒的设计
成穴筒由两部分组成，一部分用于和压杆上的外螺纹相连接，另一部分和筒螺纹连接。根据国内可供参考的的移栽机的栽植深度和蔬菜的种植要求，令蔬菜畦面挖穴机的成穴深度为7cm，9cm，11cm，13cm，15cm。
土壤容重可以用来表示土壤的松紧程度，通过查资料可以知道，土壤的容重一般为1.1—1.7。蔬菜畦面挖穴机的最深的挖穴深度为15cm，播种前0—15cm的土壤内，容重为1.31，一般土壤随着深度增加，容重变大，紧密的底层土壤容重可达1.8g/cm3，结合图3-2的土壤的坚实度曲线，因此我们可以假设被压实后进入成穴筒的土壤容重达到了1.8g/cm3。

图3-2土壤的坚实度随入土深度变化关系

假设我们需要的穴坑的体积为，穴坑深度为，相应的成穴筒的体积为，高度为，由于土壤被压缩，所以。根据质量守恒定律，土壤被压缩前后质量不变，因此根据公式：
公式（3-1）
得
由于所成穴坑与成穴筒的底面积相同，因此

因此，当=15cm时，=10.92cm11cm
当=13cm时，=9.464cm9.5cm
当=11cm时，=8.008cm8cm
当=9cm时，=6.552cm6.5cm
当=7cm时，=5.096cm5cm
实际装配中将2mm厚的推土板考虑在内，因此成穴筒内的实际高度
3.2压杆的设计
3.2.1压杆的结构设计
在蔬菜畦面挖穴机的运动过程中，压杆相对于壳体上的导轨作往复直线运动，在竖直方向既需要受杠杆作用，又要使推土杆在其杆内上下移动，压杆的下端加工有外螺纹用于和成穴筒相配合完成穴孔深度的调节，因此在空间内压杆需要使杠杆的作用点与推土杆不在一条直线上。压杆顶端的三维效果图如图3-3所示

图3-3 压杆顶端三维效果图

这种机构由于杠杆施力的方向与压杆的运动不在一条直线上，其受力如图所示，因此容易被卡住。

图3-4 压杆在滑道中受力分析图
1.压杆 2.滑道

受力分析如图3-4所示，取压杆为研究对象，C为杠杆对压杆的施力点，力的大小为，滑道间的距离为，滑道的厚度为=3cm，A,B处受力如图所示，压杆有下滑的趋势，受力分析可知这是一个平面任意力系，列平衡方程：
公式（3-2）
公式（3-3）
公式（3-4）
假设压杆与滑道间的静摩擦因数为，则。由于压杆在马上要动但是未动的情况下摩擦力达到最大值，则,联立以上公式解得:
公式（3-5）
查资料得为0.12，因此当时，压杆不会平衡，即不会被卡住。这里只有5cm，因此这里不会被卡住。
3.2.2压杆的参数设计
为了保证足够的推土时间和推土高度，我们以成穴最深（即穴坑深度为15cm）时为例，此种情况成穴装置的推程为9cm，以成穴筒的最低面为参考面，此时这个参考面位于地表以下15cm处，为了保证成穴筒内的土被推出时参考面已经离开地表，因此成穴筒至少应该被提升15cm才能开始推土，然后推土杆被壳体上的插销挡住不再上升，参考面继续上升9cm直至将土完全推出。上述过程成穴装置上升了24cm。令开始上升时，成穴筒与压杆结合的最高位置离地距离为2cm，且这一数值不会随着成穴深度的变化而变化，因此结合部位最高时离地高度，此时结合部位距离机体上的滑道最近，令其距离为1cm，因此便可以得到机体上控制压杆的滑道离地距离为27cm。
压杆的高度=35cm，其中为滑道离地距离，为滑道厚度，为使杠杆作用的高度。
3.3成穴深度的调节
在实际工作中，由于所成穴坑的深度是变化的，以穴坑深度7cm和9cm之间的调节为例，当穴坑深度为7cm时，成穴筒在最低位置处，其下表面距离地表7cm，成穴筒高度为5cm，因此上表面距离地表2cm。现在要调整为9cm，那么成穴筒的下表面距离地表9cm，成穴筒的高度为6.5cm，因此上表面距离地表2.5cm，所以，在成穴筒每次都下降24cm的情况下，我们要使穴坑的深度增大2cm只需要使压杆的长度变长0.5cm，即对地面多挤压0.5cm，相应的，与推土杆连接的推土板的长度也要变长0.5cm。。
伴随着成穴筒高度的增大，成穴筒的推程也必须相应的变大1.5cm，即与7cm深的穴坑相比，推土杆必须提前1.5cm进行推土。由于推土杆每次上升的高度不受穴坑深度的影响，其推土时间的变化将通过调节插销的高度来调节，即插销的高度下降1.5cm。
3.4成穴机构的受力分析
已知手扶拖拉机的前进速度为0.694，已知槽型凸轮周期为T，槽形凸轮旋转一周，杠杆在T时间内处于水平状态，而成穴筒在畦面以下的时间约为 。当成穴筒的下端位于畦面以下15cm处，成穴筒受到的侧向力达到最大，结合前进速度和成穴筒在最深处的前进时间，计算得成穴筒在最深处前进了1.6cm，因此可得侧向平均压力为0.8，进而求得侧向力为150.8。
在成穴筒马上要到达最低点但是还未到达时，由于加速度最大，因此销轴受力最大。对成穴装置进行受力分析，不难看出，水平方向上它所受到的力包括成穴筒在水平方向受到的土壤阻力、销轴对杆的作用力沿水平方向的分力以及凸台导轨作用的两个大小相同但是方向相反的压力，竖直方向上的受力包括土壤对成穴筒的摩擦力、被挤压土壤对成穴筒的反作用力、自身重力、凸台导轨对成穴装置向上的以及销轴对杆的作用力沿竖直方向的分力，这一时刻，水平方向匀速运动，通过计算，由于成穴筒向下运动过程中，加速度的变化轨迹符合余弦曲线规律，竖直方向加速度最大值为平均加速度的倍，易得平均加速度为71.43，因此最大加速度为112。由于成穴装置做平面运动，只不过在水平方向平衡，刚体对转轴的的矩也为零，由动力学知识，刚体做平面运动，假设A点为滑道上层与推土杆相挤压的点，B点为滑道下层与推土杆相挤压的点，C为推土杆的质心，以农机具前进方向为轴，以推土杆方向为轴，根据刚体的平面运动分析方程：
公式（3-6）
公式（3-7）
公式（3-8）
这三个独立的方程可以解三个未知量，，
因为杠杆与垂直距离相交36.87,计算得销轴对压杆的力为1667.8，因此压杆连接件既受到弯矩也受到扭矩，计算可知压杆连接件的强度和刚度满足受载与应力情况。
同样要校核杠杆两端销轴的刚度，只需要校核离支点较近的一端的销轴，因为根据杠杆定理：短杆处销轴承受的力为另一端的4倍，大小为6671.2N，经计算可知销轴满足强度校核。
3.5穴坑形式的选择
所成穴坑一畦两行，穴坑在畦面上的布局受到成穴机构的控制，如图3-5所示，为了使蔬菜获得更多的光照，充分利用土地资源，选择上面的穴坑布置形式。

图3-5 穴坑的两种布置形式
4其他主要零部件的设计
4.1凸轮的选择
4.1.1凸轮类型的选择
凸轮的类型有很多，本次设计中，成穴装置的升降是经杠杆原理将凸轮的作用效果放大来实现的，主动件和从动件之间的单面接触解决不了问题，必须使之保持高副接触。槽形凸轮的选择能很好的解决这一问题。
4.1.2凸轮运动规律的选择
选择合适的凸轮运动规律，必须先分析从动件的运动过程与运动要求。由于土壤的成型难易程度与成穴筒的下降速度关系不大，也就是说，只要成穴筒运动到一定深度，土壤就一定能在成穴筒内被压紧压实，因此我们只需要考虑凸轮承受的冲击不会太大，基于此种考虑，让从动件的运动为余弦加速度运动规律，其特点是机构受到的冲击较小，在满足运动情况的基础上，极大地延长了槽形凸轮的寿命。

图4-1 所选凸轮运动规律曲线

4.1.3凸轮参数的设计
成穴过程中，为了较小冲击，延长使用时间，应该使成穴筒位于最低位置的时间尽可能的短，反映到凸轮上，就是凸轮的远休止角尽可能的小。由于成穴筒的运动速度斜向下，所成穴坑开口往往在前进方向上较长，为了尽可能的减小开口的不规则性，所选凸轮的推程运动角和回程运动角也不能太大。考虑以上因素，选取凸轮的推程运动角为50,远休止角为10，回程运动角为50，近休止角为250。
图4-2 槽形凸轮
：推程运动角 :远休止角 :近休止角

4.2杠杆机构的设计
4.2.1杠杆比例的选取
据杠杆定理，本次设计中，根据空间的尺寸关系，已知长杆一端成穴筒的升降高度为24cm，考虑到手扶拖拉机对牵引机具的高度限制，当支点两端杠杆长度之比时，杠杆在极限位置的高度为36cm，当杠杆比例时，杠杆在极限位置的高度为30cm。分析不难看出，当比值越小时，杠杆在极限位置的高度越低，能更好的配置在手扶拖拉机狭小的空间内。但是，根据杠杆原理，比值太小，短杆一端承受的力将会更大。综合以上二者考虑，选取杠杆比例为。
4.2.2杠杆结构的设计
本次设计中，与杠杆两端连接的运动件一个是压杆，一个是滚子从动件，这两个运动件都是在壳体的滑道内做往复直线运动，这就要求运动件与杠杆不仅能相对转动而且能相对滑动。这里设计了一种滑块能在杠杆内部自由滑动的杠杆，其三维效果如图4-3所示。

图4-3 与滑块相接触的杠杆三维效果图
4.3稳定性部件的设计
本次设计的蔬菜畦面挖穴机为了保证成穴深度的稳定性，需要在机具的重心处添加类似于地轮的行走装置。将这一装置加在成穴机构的前面，不能很好地使机具平衡，加在后面的话，由于蔬菜畦面挖穴机所成穴坑往往分布在畦面的两侧，容易将所成穴坑破坏。参考实验室中已有的农机具实例，在中间偏后的位置设置一个滚筒来充当地轮。其三维效果图如图4-4所示。

图4-4 地轮三维效果图

4.4松土铲的设计
经手扶拖拉机轮胎碾压过的畦面往往被破坏，此时需要松土铲和其后面的托板联合作用将畦面整平。松土铲入土的最深处为蔬菜畦面挖穴机所成穴坑的最大值，其宽度约为手扶拖拉机的轮宽。所成穴坑应尽量与手扶拖拉机轮胎在畦面上的压痕相切，其优点是更能减小土块落回对穴坑深度的影响

图4-5 松土铲三维效果图
5传动系统的设计
本设计的动力传动是由手扶拖拉机动力输出轴通过一级链传动到达变速机构，变速机构通过三个可拆装的链轮来得到6种传动比，变速后，链轮将动力再由三级链传动到达主轴。这种传递传动稳定，传递功率的消耗小。
5.1功率计算以及手扶拖拉机型号的选择
考虑到蔬菜畦面挖穴机的成穴深度变化较大，为了保证工作稳定，要求所选用拖拉机的功率不能小于成穴深度达到最大时所需的总功率。参考国内占有量较大的手扶拖拉机机型，拟选用12马力东风DF-12型手扶拖拉机，工作档位选择2档，速度为0.694m/s。
当成穴深度为58cm时，分析运动过程可知，在成穴筒马上就要到达最低点但是还没有到达最低点时所需功率是最大的。此时，成穴筒受到土壤应力的作用，方向向上和向后的土壤阻力作用，受力最为复杂。
成穴筒前进所需功率为土壤向后的阻力与手扶拖拉机速度之积，大小为104.7W。
成穴筒在下降时，土壤应力逐渐增大，下降速度先增后减，其所需功率先增后减，假设在入土7.5cm处所需功率达到最大，下降的速度变化曲线受所选凸轮运动规律的控制，槽形凸轮转动一周的时间T=0.58/0.694=0.84s，得成穴筒下降24cm的时间用时t==0.117s，根据=24cm,求得=2.05。土壤应力的大小约为15cm处应力的一半，大小为769.3。所以=769.32.05=1577.1W。松土铲消耗的功率与基本相同。
成穴筒将土的体积变为原来的，相当于高度不变时，半径变为原来的0.85倍，即半径为10cm的土壤体在径向变化了0.75cm，容易得出疏松土壤上的平均压力为0.375，相互挤压力为1168，查得摩擦系数为0.25，因此土壤对成穴筒方向向上的摩擦力为292。这种摩擦力消耗的功率大小为1168W。
蔬菜畦面挖穴机的整机质量为187Kg,牵引消耗的功率1.3 Kw。
故：
=++5.718 公式（5-1）
所选12马力手扶拖拉机额定功率为8.8Kw,大于实际消耗功率，因此可以选用。
5.2一级链传动的设计计算
已知手扶拖拉机的动力输出轴转速为1000，穴坑株距为58cm时，此时主轴转速为=1.19r/s=71.43r/min，总传动比为1:14，令一级链传动的传动比为1:3.2。根据相关资料计算得链轮的基本参数如表5-1所示：
表5-1 一级链传动链轮的基本参数
编号
齿数
分度圆直径（mm）
齿顶圆直径（mm）
齿根圆直径（mm）
齿高（mm）
节距（mm）
01
10
62
68
50
5
25.4
02
32
161
169
152
5
25.4
5.3变速传动部分的设计计算
查资料可知，用育苗移栽方法种植的蔬菜其株距变化范围约在18cm~60cm内，容易看出，最大株距约为最小株距的3.2倍，本次设计中，由于穴坑株距的变化靠的是凸轮转速的调节来实现的，因此整个传动系统的总传动比的最大值应为最小值的3.2倍，这种倍数关系将由变速装置来实现。
考虑到在手扶拖拉机下狭小的空间内进行变速，其次还有传动比倍数以及个数要求，蔬菜畦面挖穴机的传动系统的变速装置由三个可拆装的链轮组成，根据安装顺序以及组合的不同，这三个链轮可以得到的传动比数为种。假设三个链轮的齿数分别为，且，则，即，取。
取所成穴坑的最大株距（58cm）进行分析，此时所需的传动比为最大，即选取链齿数为10和18的一对链轮且链齿数为10的链轮为主动链轮。
因此不难理解，三个不同齿数的链轮可得到的传动比数目为=6种，三个链轮的链齿数分别为10,15,18。这三种链轮最大传动比为1.8，最小传动比为0.56。能保证最大株距是最小株距的3.2倍，即实现株距在18cm和58cm内变化，这6种株距为18cm，22cm，28cm，39cm，48cm，58cm，能保证大部分蔬菜的栽植株距。
5.4三级链传动部分的设计计算
以穴坑株距58cm为例，由于总传动比为1:14。已知前者传动比为1:3.2，因此后者传动比为1:2.4。根据杠杆原理，主轴上受到的力是另一端的4倍，为了获得较强的承载能力，采用双排链。
（1）基本参数
链轮齿数： ，
配用链条的节距
配用链条的滚子直径
（2）分度圆直径 公式（5-2）
对
对
（3）齿顶圆直径 公式（5-3）
公式（5-4）
对

对

（4）齿根圆直径 公式（5-5）
对：
对
（5）分度圆弦齿高 公式（5-6）
公式（5-7）
对

对：

（6）链轮材料及热处理
材料：
热处理: 正火

图5-1链轮的结构简图

6结论与建议
通过对国内外蔬菜畦面挖穴机发展现状的调查和研究，本论文设计并分析了一种新型的蔬菜畦面挖穴机。该设计的创新点主要体现在：
（1）本设计的成穴方案采用蜂窝煤式成穴装置，所成穴坑坑壁较为光滑，小土块的落回坑内的量较少，对穴坑深度影响较小，而且穴坑深度的控制比较方便。
（2）槽形凸轮机构的使用不仅工作可靠，而且其封闭性能准确控制成穴装置的升降，增加了作业的稳定性。
（3）通过调节转速来控制所成穴坑的株距使得株距的可调节范围较广。
（4）杠杆机构的使用减小了凸轮间歇机构的推程，从而降低了蔬菜畦面挖穴机的总体尺寸。
（5）对于所成穴坑深度的变化导致推土杆的推土距离发生的变化，插销与壳体的配合使得这一调整变得简单可靠。
（6）变速机构采用可拆装的链轮不仅解决了手扶拖拉机把手下狭窄空间的传动比问题，而且使农机具更加便宜。
该机具的不足体现某些具体部位的连接方面，仍然有待进一步的完善。