葡萄埋藤机设计及其仿真Word下载.doc
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4.1纵向输送机构设计 10
4.1.1橡胶输送带的设计 10
4.1.2输送辊的设计 11
5.传动齿轮箱设计 12
5.1中间齿轮箱设计 12
5.2侧边传动齿轮箱设计 14
5.2.2齿轮设计 15
6.葡萄埋藤机总体装配图 17
总结 19
致谢 20
参考文献 21
1.绪论
1.1本课题来源及其研究的目的和意义
葡萄是我国主要的水果品种。
近年来，随着我国农村产业结构的调整，葡萄产业得到了很大的发展。
特别是近十年,葡萄种植面积和产量一直呈上升趋势。
根据农业部统计数据显示，2005年我国葡萄栽培面积为40.81万公顷，产量达到579.4万吨，在我国果树栽培中栽培面积位居第六位，产量位居第五位，在世界上分别排第四、第五位。
在新疆、山东、河北、辽宁、山西、吉林和河南等葡萄主要产区，葡萄生产已形成了规模化、产业化的发展格局。
随着葡萄生产的规模化发展．对葡萄生产全程机械化的需求也越来越高，同时也为葡萄生产全程机械化发展提供了条件。
据研究，葡萄枝蔓能忍受-16℃低温，芽眼能忍受-13℃的低温，根系抗冻能力最弱。
自根苗欧洲种，如龙眼、玫瑰香、葡萄皇冠等的根系在-5℃～-7℃时就受冻害；
玫瑰露（底拉洼）、罗也尔玫瑰（布来顿）、耐格拉等欧洲杂交种在-6℃～-8℃时就受冻害；
贝达（河岸葡萄×
美洲葡萄）可耐-13℃的低温；
山葡萄可耐-15℃低温。
因此，葡萄越冻指标为-5℃日平均日数145天，极端最低气温-30.6℃,因此，葡萄越冬必须采取防冻措施。
我国由于特有的地理环境和气象条件，优质葡萄产区大多在西北及北部地区，也就形成了我国特有的葡萄种植方式，即我国北方地区葡萄生产主要作业环节是：
春天扒藤一上架绑藤一除草施肥浇水一喷施药剂一收获一冬季埋藤等，入冬前必须完成掩埋。
目前我国北方地区葡萄生产中,冬季埋藤是葡萄种植生产过程中劳动强度最大、质量要求高、时间性强的作业。
葡萄藤埋土防寒、防风干时，要求土壤要细碎，防止大土块搭接，有空洞透风抽条。
埋土压蔓要防止损伤枝蔓，以免病害浸染以及影响来年产量。
取土位置距根部不能太近，最少50cm左右，以免根部受冻，埋土防寒后冬季进行田间检查，发现问题及时补救。
防寒后及时灌冬水，以保证植株安全越冬。
葡萄根系常分布在地表下20～60cm土层中，深的达100cm。
葡萄较易产生不定根，根受伤后，在伤口附近再生大量的根，因此在栽培上适当断根是可以的，但不能大量断根。
根系生长的土壤温度是21～25℃，超过28℃或低于10℃时即停止生长。
葡萄根系发达，有很强的吸收能力和养分贮藏能力，但抗寒性较差，比枝蔓怕冻，土壤温度在-4℃到-6℃时，就能受冻害，甚至冻死[1]。
一旦冬季根系遭受冻害，次年枝蔓生长、结果便会大受影响。
因此，埋土防寒时要特别注意根系防寒。
但长期以来，葡萄的种植管理等生产环节中，埋藤作业目前仍以人工为主，人工作业存在劳动效率低、埋土不匀、土块大、容易漏风透气的缺点，极易造成葡萄藤风干死亡。
这严重制约了葡萄产业化的发展进程。
因此，葡萄种植农户对该生产环节实现机械作业有着强烈的要求。
葡萄越冬覆土如果能够实现机械化生产，将有力地推动葡萄生产的规模化，显著降低葡萄生产成本，节省用工量，使农民增加更多的收入，提高农业生产的经济效益。
同时，也增加了营机户的收人，而营机户收入增加可以投入更多的资金购买先进的农机装备。
更好地服务于现代农业生产和社会主义新农村建设的各个领域。
本课题为分析我国葡萄埋藤机械化研究现状．展望葡萄埋藤作业机械化技术的发展方向，阐述推广葡萄埋藤机械化的意义，为促进葡萄种植业增产、增效和果农增收提供理论依据。
1.2本课题所涉及的问题在国内外研究现状及其分析
1.2.1国外研究现状
国外的葡萄基本上是沿不冻线以上种植的，葡萄常年固定在架子上生长，为其机械化作业提供了便利条件。
美国是世界葡萄生产大国，不仅产量和面积超过我国，而且其葡萄机械化生产管理水平也处于世界领先地位。
美国农民经营葡萄园规模较大，农业机械化程度很高。
在美国，鲜食葡萄生产除果穗整形和采摘用人工以外，从种植、整形、施肥、耕作、喷药及包装等均有相应的作业机械；
酿酒葡萄根据需要可以进行机械收获。
因此，美国的葡萄栽培技术和生产管理己实现了标准化、信息化和全程机械化，现正向自动化和智能化方向发展。
与我国新疆相邻的乌兹别克是世界黑葡萄干的主产区，其葡萄埋土、出土也实现了机械化。
查阅相关资料未发现国外机型的报道。
1.2.2国内研究现状
相比之下，我国葡萄生产与国外不同。
我国葡萄种植区域分布很广，各地的气候条件、地理环境不尽相同，由于地理原因，每年必须用土将葡萄藤掩埋起来，防止葡萄藤冬季冻伤和风干，因此在作业环节上也有所差别。
我国葡萄种植绝大多数在北方，也就形成了我国特有的葡萄种植方式，其中，葡萄越冬防寒埋土是一项重要的作业环节，它在我国的葡萄种植生产中一直以人工作业为主，繁重的人工作业不仅占用了大量劳力，增加了生产成本，而且作业质量难以保证，影响葡萄品质等级，不利于葡萄产业化的发展。
目前，我国葡萄机械化仍属于起步发展阶段，机械化水平还相当落后。
据了解，新疆成龄葡萄生产成本在1400元/667m2左右，其中，人工成本约占60%以上。
尽管国内有关科研院所和企业围绕葡萄生产管理机械化也开展了一些技术研究与产品开发，并开发出埋藤、植保、施肥、松土等田间作业机具。
但仍未能大面积推广应用。
目前国内葡萄埋藤机大都由旋耕机改进而成，具有较强的可操作性，比人工埋土效率和质量都有很大的提高。
按埋藤机工作原理来分，现有机型分三种型式：
逆旋侧抛式、旋耕输送式和切向抛送式。
目前使用最多的是逆旋侧抛式机型。
大型双侧埋藤机只需在行间走一次即可完成掩埋一行葡萄藤（两个半行）；
中型埋藤机需沿着葡萄种植行两侧来回一周才能完成掩埋一行葡萄藤；
而小型埋藤机则需沿着葡萄种植行两侧来回两周才能完成掩埋一行葡萄藤，这是因为大型机和中型机取土深度都可以一次达到所需的土量，堆土高度能达到要求。
而小型机由于动力小只能分两次取土抛土，但在同侧第二次取土抛送时，第一次抛土形成的土垄挡住了比它低的那些抛土，回落到取土沟，只有部分土抛了上去，所以两次取抛土不如一次取抛土堆土高。
于取土沟底部土壤松软，驱动轮易打滑，操作要有较高的技巧，作业质量难以保证。
目前市场上主要代表性机具如下:
MT200一2葡萄埋藤机
该机具是天津市农业机械研究所2004年设计开发的用于葡萄藤越冬掩埋作业的专用机具（如图1-1）。
该机工作平稳、性能可靠、操作省力、培土集中，比人工取土埋藤作业质量明显提高，是先进适用的机具。
MT200—2型双侧埋藤机在使用中会受到以下因素的影响：
首先该机是双侧抛土机型，要求葡萄行距固定。
如果行距大小不一，则机具作业质量将受到很大的影响，甚至无法作业。
其次要求地端有掉头空间，否则该机型的使用会受到限制。
图1-1MT200—2葡萄埋藤机
PMT-75型葡萄埋藤机
北京现代农装科技股份公司结合新疆葡萄种植模式，于2009年成功研制出PMT一75型葡萄埋藤机（如图1-2）该机作业效率高，操作简单，是一款价格低廉，实用性强的机具，但因机具研制出来时间不长，可靠性有待于提高。
图1-2PMT—75葡萄埋藤机
3LG-100型埋藤及旋耕两用机
2007年，酒泉市农业机械推广站和敦煌市吕家堡农机加工生产个体业主王成贵共同研制了葡萄藤越冬掩埋和农田旋耕作业的多功能农业机械一3LG型葡萄埋藤旋耕两用机（如图1-3），该机具可分别与手扶拖拉机和13.23kw以上的轮式拖拉机配套使用。
该机具采用卧式旋耕原理，合理配置专用刀具，工作时旋起的土壤按设计的方向移动抛出，实现埋藤作业，现已通过了省级农机推广鉴定，并申请了国家专利，但该机具由于结构布局不合理，具体表现为定向抛土性能欠佳，掩埋1～2次到不到预期效果，目前尚未得到大量推广。
图1-33LG-100型埋藤机
1MP一500型多功能葡萄埋藤机
该机具是新疆兵团农八师149团2007年研制成功（如图1-4），该机由取土和输送土两部分组成。
该机由18．4～22kW轮式拖拉机带动，不埋葡萄时，可把铲土板及输送土部分卸下，用于葡萄地松土除草。
作业效率0．22～0．3hm2／h，相当于100多人的工作量。
在使用的过程中，故障少，效率高，埋藤质量好于人工。
但该机与l8．4～22kW轮式拖拉机配套使用，在工作运行到地端时，需要有足够的掉头空间否则无法作业。
图1-41MP—500葡萄埋藤机
10OPF—A型葡萄越冬覆土机
该机具是由辽宁省北宁市农机推广站于2003年研制，配套动力14．7～22．05kW拖拉机，生产效率0．13～0．2hm2／h。
该机结构简单、操作方便、覆土厚度均匀、床面整齐、价格相对较低，但因作业时需要往返覆土，故作业效率较低。
10PF-90A型葡萄越冬覆土埋藤机
应一些葡萄种植大户的强烈要求，北京市房山区农机研究所经过大量的考察分析，于2003年确立了葡萄越冬埋藤机的研制课题，经过两年多的试验研究，设计制造出了10PF-90A型葡萄越冬覆土埋藤机，为葡萄越冬埋藤机械化作业提供了新型机具。
2.葡萄埋藤机的总体设计
2.1研究内容
本课题研究内容可分为四大部分:
一是对葡萄埋藤机的整体结构进行设计；
二是葡萄埋藤机旋耕取土机构的探索研究，解决我国严寒地区埋藤需土量大的问题；
三是研制葡萄埋藤机的土壤输送机构，使旋耕取土部件取出的土壤均匀集中的抛在葡萄藤上；
四是研制集传动与换向功能于一体齿轮箱，使得葡萄埋藤机土壤输送机构可以选择埋土的方向。
2.2总体结构的设计
根据葡萄藤越冬埋土作业的要求，以及确定的农艺要求，进行关键工作部件的设计，确定出总体结构。
埋藤机与拖拉机工作时，埋藤机与拖拉机采用标准三点悬挂连接，动力输出轴传递动力。
整机主要由动力传输机构、旋耕取土机构、土壤输送机构及万向行走轮等组成（如图2-1）。
1、旋耕取土系统2、牵引架3、纵向土壤输送机构4、横向土壤输送机构5、万向行走轮总成6、横向土壤输送系统护罩7、纵向土壤输送系统护罩8、纵向土壤输送传动链轮9、横向土壤输送传动链轮10、主传动、换向齿轮箱
图2-1葡萄埋藤机总体结构示意图
图2-2葡萄埋藤机俯视图
2.3传动系统设计
2.3.1总传动方案的确定
埋藤作业时，一般选用动力输出轴转速为540r／min。
对于具有540r／min或720r／min双输出转速的拖拉机，在土壤较硬，葡萄行距在1.8～2m时可选用540r／rain进行作业；
在土壤较软，葡萄行距在2～2.2m时可选用720r／min进行作业。
本机型设计的葡萄埋藤机旋土刀的旋转半径为318mm，机组配套使用的拖拉机功率36.75kw，拖拉机动力输出轴转速为540r/min。
对旋耕机刀轴转速而言,一般旱耕或耕作比阻较大的土壤时选用低速挡,其转速为200r/min左右,在水耕、耙地和耕作比阻较小的土壤时选用高速挡,其转速一般为270r/min左右，本课题选择刀轴转速为240r/min。
考虑到葡萄埋藤机刀轴，纵向输土机构和横向输土机构都需要动力传输。
故本文设计了如图2-3所示的动力传输系统。
设计的动力传输系统主要分为三部分:
第一部分:
动力经拖拉机动力输出轴传输到中间传动齿轮箱，经过锥齿轮、传动轴传给侧边传动箱，侧边传动箱经过齿轮传动传递给旋耕刀轴。
第二部分:
动力从侧边传动箱上输出轴经过链轮、链条传输给纵向土壤输送机构。
第三部分:
动力经中间传动齿轮箱的后输出轴，在经过传动轴、链轮、链条传输给横向土壤输送机构。
具体传动实施方案如图所示。
图2-3葡萄埋藤机传动示意图
2.3.2各部分传动速度的设计
为使集土铲部分的土壤最大限度地输送至需埋藤的部位，保证由旋耕刀旋松的土壤不至于滞留在集土铲中发生堵塞，纵、横输送带需尽量选择最高速度，即纵、横向输送轴的转速要大于或等于旋耕刀轴的转速，本设计选用旋耕刀轴转速等于纵、横向输送带的转速。
2.3.3各轴功率的计算
设圆柱齿轮、圆锥齿轮、球轴承、滚子轴承及联轴器传动效率为、、、、查手册得=0.97、=0.95、=0.99、=0.98、=0.98
则
即旋耕刀轴功率为。
2.4葡萄埋藤机工作原理
工作时旋耕取土部件对土壤进行疏松打碎，土壤在旋耕取土部件旋土刀与集土铲的配合下沿集土铲的方向抛送到纵向土壤输送机构中，纵向土壤输送机构在传动链条的带动下高速旋转，将旋耕取土部件抛送的土壤输送到横向土壤输送机构中。
横向土壤输送机构在主传动齿轮箱后输出轴的带动下，将土壤均匀的抛在待冬季埋土的葡萄藤上，一次完成葡萄藤越冬埋土的全过程。
3.旋耕取土部件的设计
3.1旋耕刀的设计及排列方案
3.1.1旋耕刀的设计要求
旋耕刀是旋耕机的重要工作部件，刀片的形状与参数直接影响旋耕机的工作质量和功耗，合理设计刀具的侧切面、过渡面和正切面曲线形状是设计研究旋耕机的一个重点。
由于葡萄埋藤机的旋土刀是在葡萄藤的行间工作，工作条件比较恶劣，作业难度大。
本文设计的旋土刀除了满足疏土碎土外还要满足以下要求：
（1）旋土刀旋土深度要大
因为我国葡萄主产地新疆、宁夏等冬季气温经常达到-20℃～-30℃，为了防止葡萄藤的冻伤要求葡萄藤冬季埋土量大，要求葡萄埋藤机有足够的旋耕取土深度，达到埋藤所需的土量。
（2）旋土刀具有抛土功能
因为本文设计的葡萄埋藤机是将旋耕取土部件旋耕的土壤全部抛送到纵向土壤输送机构中，要求旋土刀具有向后抛送土壤的功能，从而减小动力消耗和避免机组前端出现土壤拥堵现象。
（3）旋土刀工作时的动力消耗小
我国人口众多，人均资源相对短缺，考虑到经济效益和节能减排，旋土刀的设计尽可能的减小工作时的动力消耗以。
减小排放以保护环境。
（4）旋土刀组布局要合理
合理的旋土刀布局可以减小机组的侧向力，增加旋耕取土部件向后抛送土壤的能力，减小动力消耗。
旋土刀片可分为凿形刀、弯形刀、直角刀和弧形刀。
根据四种刀的不同形状和参数特性、工作状态，从动力消耗和旋耕抛土的要求出发，本课题选用弯曲形式的旋土刀。
其刃口曲线方程如下：
（3-1）
式中：
——刀刃起始工作半径，cm
——比例常数
——位置度，极角
图3-1弯形刀示意图
3.1.2旋土刀片的排列方案
旋土刀片的排列方式有单螺旋排列、双螺旋排列、星星排列、对称排列等，均应满足机组旋耕刀轴的设计碎土性好且刀轴受力均匀。
由于所设计的旋耕取土机构需要将翻耕的土壤全部抛送到纵向输送机构，要求翻耕的土壤不能太散乱且尽量向中间靠拢，利用旋耕取土机构的送土铲与旋耕刀轴的抛送相结合。
按照普通旋耕机旋耕刀双头螺旋排列方案，机组前面土壤拥堵严重，动力消耗大。
考虑到目前葡萄园种植行距允许拖拉机通过的功率及葡萄埋藤的要求，本课题采用四条螺旋排列的方式且螺旋线左右旋土刀对称分布，保证了所有旋耕的土壤都被抛送到后面的输送带上并有效地解决了土壤拥堵问题。
图3-2旋耕刀排列示意图
图3-3旋耕刀轴螺旋排列三维结构图
图3-4旋耕机刀轴装配三维结构图
3.2旋耕刀轴的设计
常用的旋耕机的刀轴直径为70～80mm，通过分析可知通过增加旋耕刀刀轴的直径可以增加旋耕取土部件的取土深度，故本文采用直径为146mm的刀轴并进行了旋耕刀轴强度校核计算。
将旋耕刀轴、轴上焊接的旋土刀座及旋土刀片作为一个整体进行受力分析。
旋耕刀轴在旋转过程中仅受单纯的扭矩作用，本文采用侧边传动根据受力分析画出扭矩图，如图所示，由扭矩图可知旋土刀轴的危险点在距离传动最远的一端。
图3-5旋耕刀轴受力图
图3-6刀轴扭矩图
计算轴的最大扭矩
=9549
其中P——拖拉机输出功率，KW
n——旋土刀轴转速，r/min
将=26.55kw，n=240r/min代入公式得：
=9549=1056.4N·
m
圆截面轴的抗扭截面模量为：
——圆截面轴抗扭截面模量
D——旋土刀轴半径，mm
将D=146mm代入公式中
==0.6
材料的最大切应力为
将=1056.4N·
m，=0.6xmm，代入公式得
==1.76MPa
刀轴的材料选用Q235，所以材料的许用应力[]=235MPa，许用切应力
[]=（0.5一0.6）·
[]=117.5一141MPa。
则得：
<
[]，即满足强度要求。
3.3集土铲设计
集土铲主要有弧形铲和左右侧板组成。
侧板负责将旋松的土壤收拢，弧形铲负责铲土并向后抛送。
旋耕刀旋土宽度为100cm，最大深度为20cm，弧形铲需及时将土铲走防止土壤在旋耕刀作用下发生绕流设计高度为24cm。
为保证土壤全部收拢，侧板设计为向两侧张开且底部加开20cm高的坡口以减小机具的行走阻力。
图3-7集土铲侧板结构示意图
图3-8集土铲
图3-9旋耕取土部件三维结构图
4.土壤输送机构设计
土壤输送机构是葡萄藤越冬埋土的直接执行者，它将土壤输送到葡萄藤上完成葡萄藤的越冬埋土工作，它的工作性能直接关系着葡萄藤越冬埋土的质量。
本文设计的土壤输送机构，包括横向土壤输送机构和纵向土壤输送机构。
为了承接旋耕取土机构和横向土壤输送机构之间的土壤输送，纵向土壤输送机构设计成倾斜式。
纵向输送机构与横向输送机构之间倾角选择为35°
，这样既保证了整体结构的紧凑性还使土壤不容易下滑，为防止输送物料时由于倾角导致物料下滑本课题在纵向输送带上安装了12个送土板，防止土壤滑落且便于土壤抛送。
1、输送带2、送土板3、定位块4、梯形槽侧板5、横向输送辊6、输送带托辊7、纵向输送辊
图4-1土壤输送机构示意图
4.1纵向输送机构设计
4.1.1橡胶输送带的设计
图4-2纵向输送带
考虑到橡胶输送带的转速和载荷，本课题对输送带进行了设计。
（1）输送带带宽的确定
带宽的确定取决于带速和生产率，生产率按ISO5408计算方法即：
Q=AvK
Q——生产率（m3/s）;
v——带速（m/s）;
K——运输机倾角影响系数;
A——胶带上物料最大断面积;
代入数值得出胶带上物料最大断面积，通过查表和本机组的实际情况，本文纵向土壤输送带设计宽度为110cm，横向土壤输送带设计宽度为55cm。
（2）输送带的强度
对帆布层的普通输送带计算其层数
式中Z——输送带层数;
F1——稳定工作情况下输送带最大张力;
b——带宽（mm）;
——输送带纵向扯断强度（N/mm·
层）;
n——安全系数，按DTll型推荐值参考，对棉帆布输送带n=8～9，对尼龙、聚酷帆布带n=10～12。
本文设计的输送带选用的帆布为4层棉帆布，带厚为8mm。
图4-3输送带渲染效果图
4.1.2输送辊的设计
本课题设计的输送辊中间带有梯形槽以防止输送带在高速运转时发生跑偏并且在输送带上有与其配套的定位块。
工作时橡胶定位块卡在梯形槽中随着输送辊旋转给输送带定位，从而防止了输送带的跑偏现象。
为了防止输送带跑偏，在输送辊带动橡胶输送带旋转过程中至少有一个定位块始终处于输送辊的梯形槽中。
即定位块在输送带上的间距小于输送辊半周长时满足定位块始终在输送辊中起定位作用。
即
其中，输送辊直径D=140mm
代入公式得
故当S<
219.8mm时定位块始终起到定位作用。
本课题设计定位块的间距为150mm。
图4-4输送辊平面示意图
图4-5输送辊渲染效果图
5.传动齿轮箱设计
5.1中间齿轮箱设计
根据传动方案的选择，在此设计了中间传动锥齿轮箱，
齿轮的设计
中间传动换向齿轮主要是锥齿轮的设计
参数选择
本文主要进行了中间Ⅰ、Ⅱ轴上相互啮合的直齿锥齿轮的设计。
选用材料：
查表选择小齿轮材料为20CrMnTi，渗碳淬火，硬度为55～60HRC
大齿轮材料为20CrMnTi，渗碳淬火，硬度为55～60HRC
初选齿数：
取小齿轮齿数=17
大齿轮齿数=271.59
齿宽系数取班=0.33
根据拖拉机的输出转速，选择齿轮精度等级为8级
寿命系数取
通过查机械设计手册可得
极限应力=470MPa=470MPa
尺寸系数
安全系数：
=1.4
将上面求得的数据代入公式得许用弯曲应力
671.4MPa=671.4MPa
按齿根弯曲强度设计
（1）根据公式
又
分锥角=arctanu=arctanl.6=57.99
=90一=32
当量齿数=
查手册得:
，，，
则
将上述求得的数据代入公式（5一9）可得:
由标准模数系列表取标准模数m=8
按齿面接触强度进行校核
由机械设计手册查MQ线得接触疲劳极限=1500MPa，=1500MPa
取安全系数=l，寿命系数=1
通过查机械设计手册可得:
，
将数据代入公式（5一13）得:
因此设计的直齿锥齿轮满足强度要求。
同理设计的后输出传动直齿锥齿轮1采用20CrMllTi渗碳淬火，模数m=8mm，齿数z=35；
传动齿轮2采用20CrMnTi渗碳淬火，模数m=8mm，齿数z=28。
图5-1中间传动齿轮箱
5.2侧边传动齿轮箱设计
5.2.1轴承的选择
本课题设计的旋耕刀轴与纵向土壤输送机构采用侧边传动。
因为这样不仅使得旋耕刀能够在刀轴上满幅
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