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小型自走式多功能作业机的研究
发布时间:2018-01-23浏览次数:197返回列表

梅晓红

(长治市农机研究所,山西长治 046000)

摘要:介绍了小型自走式多功能挖坑机的总体设计思路,对各主要部件的选型、参数的确定做了精确的计算,该机采用柴油机作为动力装置,使用液压提升机构作为主传动装置,利用钻头完成挖坑作业,并能通过更换不同作业部件完成抓取运输等作业,实现“一机多用”功能。

关键词:小型自走式;多功能;作业机

我国在“十二五”规划中,把生态环境建设摆到了突出的战略位置,提高森林覆盖率,改善生态环境,必须大力开展植树造林,为了最大限度地提高生产率,降低生产成本,机械化高效造林已成为大势所趋,挖坑机就是重要的机械化造林设备之一。同时,在城市道路两旁和苗圃绿化工作中,以及农田水渠的开沟作业中,常常由于缺少高效、节能、可组合的作业机具,致使劳动力浪费严重,针对这些问题,长治市农机研究所经过充分的调查研究,在相关资料报道较少的情况下,研制成功了小型自走式多功能挖坑机,该机采用32~70马力柴油机为动力,可用于小地块、山区、丘陵、地头、河渠、坡度在35°以下的荒山荒地、次生林地、采伐迹地以及黄土高原的沟坡进行造林前的整地或挖坑;也可用于果园、桑园、茶园和城镇进行的小树移植路旁绿化和挖坑追肥;在工地、牧场可用于埋设桩柱等,可以实现农田水渠的开沟等农田作业需求,而且,通过在联结处换装不同的辅助工作部件(将钻头更换为龙爪或铲箱),用于收集、装卸、抓取树枝柠条及推土运输,从而实现了“一机多用”的功能。

1 设计中需要解决的问题

该机需解决行走与作业合理分配动力的难题,计划通过集成控制系统合理地将行走驱动机构与作业液压分配系统统一协调配合完成动力的分配问题;需解决作业动力的传递问题,计划采用液压马达传递作业动力,选用扭矩大、重量轻、具有超负荷自动保护装置的液压马达,将动力安全可靠地传到作业机构,保证使用安全可靠;通过控制液压作业升降臂解决山坡地带挖坑定位难的问题,提高自动化程度;需解决柠条秸秆抓取机构中液压油缸与机组配套的问题,根据油缸行程、力矩设计抓取铲开口角度、升降角度、压缩力矩,预防工作行程死角;水渠开沟中需解决保证开沟深度、跨度情况下与机组行走动力分配的问题。

2 结构与工作原理

多功能农田作业机主要由作业机组、升降臂、升降油缸、升降座、传动系统、转向油缸、9.变速箱、发电机组、方向机和仪表盘等组成。整机结构可见图1。

工作原理:挖坑机组是由柴油机将动力传至液压动力元件齿轮泵,再通过控制元件方向控制阀将动力输出至液压马达,再通过变速器将动力传至钻头,同时在液压提升机构控制下上下运动,以此实现钻头切土和抛土,从而形成土坑。

3 主要技术参数

配套动力:44(KW);

整机重量:3580(kg);

机组外形尺寸:4950×1600×2650长×宽×高(mm);

挖坑直径:450~500(mm);

挖坑时间:≥80(穴/h)。

4 主要部件设计

4.1 动力设计

已知数据:

挖坑直径0.45~0.5 m,出土输送高度H=0.65m,土壤松散密度r=2t/m3(所查土壤的实体密度ρ实=2.6~2.8t/m3),钻头长度400mm,钻头转数280 r/min,运输间隙400 mm,效率≥80穴/h。物料填充系数ψ=0.6(经验数据垂直螺旋挖掘铲的填充系数ψ>0.5,港口使用的垂直螺旋卸船机ψ=0.7~0.8,故估算ψ=0.6)

垂直螺旋钻头轴功率计算公式:

Q—螺旋能力 Q=662.3t/h;

η—螺旋挖掘效率;

r0—绝对速度与水平线间夹角;

α—螺旋叶片螺旋角,推荐α=15°;

ρ—土壤与螺旋表面之间的摩擦角(°);

则可相应地土壤与外壳间摩擦系数f1=0.35,由tgρ= f1,知摩擦角ρ=arctg0.35=19.3°,由此可得η=0.17,r0=21°。

柴油机的效率是η1=40%,传动过程中的效率η2=80%。

挖坑的动力消耗与坑径、坑深、土壤硬度和下降速度有关。通过试验,坑径D>400mm,坑深H>600mm,配套动力应大于22kW。动力小则效率低,为了提高效率,动力增加为44KW。

4.2 液压传动的设计

液压系统主要由:动力元件(油泵)、执行元件(油缸或液压马达)、控制元件(各种阀)、辅助元件和工作介质等五部分组成。

4.3 垂直提升机构设计

国内外挖坑机提升机构基本上采用三点式悬挂的平面四杆机构,其特点是结构简单。但四杆机构的特性决定挖头只能呈弧摆性运动,其中心线位置不断变化,使挖头产生不断变化的侧压力,导致拖拉机的摇晃和振动,阻力增大,工作稳定性差,本植树挖坑设计采用了垂直提升机构。该机构使挖头在上下提升过程中,其轴线始终保持在一条固定的垂直线上。垂直提升机构的结构示意图(见图2)。

4.4 螺旋及螺旋方向的确定

螺旋可以是右旋或左旋的,单线、双线或三线的,本机设计采用双线。

螺旋挖掘铲中土壤的方向决定于螺旋叶片的左右旋向与其转动方向,本机设计采用左旋。

4.5 螺旋叶片类型及尺寸的确定

螺旋挖掘钻头的叶片为分段式螺旋叶片,是将叶片制成等螺距的单片,然后将每个单片彼此对焊在一起构成螺旋体。分段式螺旋叶片不需要大型专用设备,分段式实体型螺旋叶片通常是将薄钢板经下料后用模具热压制成。

d—螺旋轴直径(由后面计算得为100mm)

D—螺旋叶片直径(取450mm)

S—螺距(取450mm)

L—螺旋叶片料坯外孔弧长度

L1—螺旋叶片料坯内孔弧长度

可根据公式求出圆心角a,a=(2πR-L)/2πRx360°=5.8°。

4.6 螺旋轴的设计

螺旋轴选45号钢,调质或正火,不重要或受力较小的轴可选用Q235、Q275。选择45号钢,调质处理,该轴硬度为170HB-217HB,弯曲应力σb=590 Map,σσs=295 Map,σ-1=255 Map,τ-1=140 MPa,[σ-1]=55 MPa。

4.7 轴的结构设计

由于本螺旋挖掘机的挖坑深度大于650mm,了提高轴的刚度和抗弯强度,因此空心轴根据实际生产经验,查表初步选择φ100×10无缝钢管,即外径为100mm,壁厚为10mm。

5 总结

小型自走式挖坑机由长治市世增农机设备有限公司制造生产,自2010~2011 年,经三次改进,生产[来自www.lw5u.CoM]样机 5 台,于2011 年通过了山西省农机质量监督管理站的试产鉴定,2012年进入山西省政府农机产品购置补贴目录,已生产销售300多台。该产品具有结构紧凑,使用安全可靠,转弯半径小,越野爬坡能力强,操作维修方便的特点,能完成挖坑植树、园林种植、抓取秸秆、开沟筑渠等作业,同时还可变型为工程机械,具备田间装载运输等功能,提高了农田作业效率和机组的利用率,从而实现了“一机多用”的功能。

参考文献

[1] 闻邦椿.机械设计手册(第6卷)[M].北京:机械工业出版社出版,2010.

[2] 成大先.机械设计手册(第5卷)[M].北京:化学工业出版社出版,2002.

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