中耕除草机设计说明文档格式.docx
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9除草单体10
9.1梳齿的运动规律10
9.2梳齿在梳齿盘上均布半径11
9.3梳齿盘转速11
9.4梳齿数目11
10仿形机构的设计12
11松土铲的设计12
12机架的设计12
13其他标准件的选用12
14结论12
参考文献13
致14
中耕除草机设计
摘要：
为了解决农业机械除草过程中作物苗间与秧苗附近杂草较难铲除以及伤苗严重和除净率低等问题，研制出与大功率拖拉机配套的挂接中耕除草机。
该机在玉米、大豆等旱地作物（幼苗）的中耕作业过程中能完成中耕松土、除草、和间苗等工序的作业。
该文主要论述了中耕除草的结构工作原理及关键部件的设计。
关键词：
农业机械，设计，杂草防治，旱作农业，苗间松土除草。
DesignofCultivatorWeeder
Abstract:
Inordertosolvethecropseedlingtheagriculturalmachineryweedingprocessismoredifficulttoeradicateweedsnearseedlingsandtheseriousinjuryseedlingsandinternetrateandotherissues,thedevelopmentofsupportinghigh-powertractorsmountcultivatorsweeder.Machinecultivatorduringtheoperationofthecorncultivators,weeding,andthiningprocesstocompletethejob.Thispapermainlydiscussesthecultivatorweederstructureoftheworkingprincipleandthekeycomponentsofthedesign.
Keywords:
agriculturalmachinery,design,weedcontrol,dryfarming,scarificationandweedingbetweenseedlings
1前言在农作物生长的幼苗时期除净行间（苗带以外或垄侧）与苗间（苗带）杂草是保证高产、稳产不可缺少的有效措施。
机械除草不污染环境，具有疏松土壤、提高地温、蓄水保墒，利于作物秧苗生长等优点。
因此机械除草在世界旱地作物农业生产中得到广泛应用。
目前国外机械除草主要用于作物行间除草，既经济又适用。
但是在苗间杂草防除方面，国外主要以化学除草为主，即依靠大型喷药机械进行精确施药消灭苗间杂草。
如美国JD886大型田间管理除草机采用机械方法除掉行间杂草，而苗间杂草则通过喷施化学药剂来完成。
而中国在20世纪70年代开展中耕除草机械的研究，主要以中小型配套动力为主，机具功能相对单一，解决了旱田作物苗前机械除草与行间机械除草问题。
虽然针对苗间机械松土除草部件研究的成果也较多，但存在松土除草质量不
理想、伤苗率高和效率低等问题。
近年来，随着中国“三农”政策力度的加大，在北方耕地比较集中连片的粮食产区（如农垦区）拥有大马力拖拉机的数量逐年增加，对农业增产增效具有重要作用。
但是在田间管理作业环节，与56kW以上拖拉机配套的大型、多功能复式作业的中耕除草机在国尚处于研发阶段，而进口产品虽然技术先进、可靠性高，但存在价位过高、产品品种与功能也不能完全适合中国农艺发展的需求等问题。
为此，通过对田间管理作业环节的成熟技术（中耕、翻土、覆土、行间除草）进行集成和对苗间机械松土除草技术与垄表仿形限深技术整合，设计与56kW以上大
功率拖拉机配套中耕除草机，用于玉米、大豆、棉花等旱地作物定苗前、苗间与行间松土翻土、覆土、除草等多项复式作业意义重大，必定会推动我国粮食生产登上新台阶，推动农业现代化和社会主义新农村建设[1]。
目前，中耕除草、培土、培土大多数仍采用传统的人力畜力作业方式，作业质量差，无法保持肥力，且生产成本高、工作效率低下。
采用中耕除草机一次可完成松碎土、除草、翻土、覆土（有些中耕除草机还可以进行施肥）等作业工序，大大提高工作效率和作业质量，节约生产成本，节本增效效果显著。
推广应用中耕除草机机械化技术，对于降低农民劳动强度、促进农业增效、农民增收有着重要意义。
对实现农业现在化、转变农村发展方式、提升农产品供给能力、保障国家粮食安全也有推动作用。
为此，设计研发与大功率拖拉机配套的中耕除草机械有着十分重要的意义，必定会推动我国粮食生产登上新台阶，推动社会主义新农村建设[2]。
2国外研究现状
中科院农机科研、推广部门已成功研制出以微型拖拉机、手扶拖拉机，以及中型拖拉机为配套动力的多种型号的中耕除草培土机具，通过在各地区示推广，逐步被广大农民认可和接受，该技术在崇左、、等地区开始推广应用，特别是在农场等种植大户中应用较广泛。
例如2004年，整个产区甘蔗机械中耕除草培土面积达52.8万亩，该技术推广前景广阔[3]。
机械中耕除草培土可是土壤松碎透气，改善土壤的通气性，去除杂草，为农作
物生长创造良好的条件。
与人力畜力中耕相比，机械中耕作业质量高，可提高土壤保水保肥能力，增强农作物抗倒伏能力，作业效率高，生产成本低，农作物产量提高。
目前在国外都得到很大的赞赏和用途。
20世纪70年代末，我国开始引进和试验示深松等单项保护性除草技术，但受技术、机具及社会经济发展水平等因素的限制，这些技术只在部分地区进行小规模的试验示，推广应用面积不大。
20世纪90年代以来，随着现代农业技术的进步，中耕除草与培土技术研究与示推广工作得到各级政府高度重视[4]。
从近5年的中耕除草培土示工程实施情况来看，尽管仍存在一些问题，但总体实施成效还是很明显的，得到了项目区农民认同和当地政府重视。
虽然我国中耕技术近年来得到了快速发展，取得了显著的经济、社会、环境效果，但仍处于起步阶段。
从发展趋势看，中耕除草技术符合资源节约和环境友好农业发展要求，是国际农业技术发展的主要方向，也是我国可持续农业技术发展的主要趋势。
如何从我国国情出发，进一步完善区域中耕除草培土技术模式及技术体系，加大中耕除草培土技术示推广力度，促进该项目技术成熟和发展，对于保护和恢复生态环境，发展现在农业、实现可持续发展作用十分重大[5]。
3设计原理及机构
3.1设计原理
本设计按照大豆和玉米等旱地农作物中耕除草技术要求进行。
要求保证耕深稳定、除草率高、伤苗率低。
该机在机架前部安装地轮，地轮轴通过变速箱将功率传递到升速轴，升速轴通过带轮将动力传递至安装有锥齿轮的轴，通过锥齿换向，接着由万向节将动力传递给与地面成一定角度的梳齿，最后安装的是随行仿形装置，同时在地轮与梳齿之间安装有松土铲，起到中耕作用。
该机的优点是动力消耗少和除草效果好，可根据作业要求进行中耕、除草、间苗等联合作业[2]。
由于采用机械式除草措施，对农作物生长有很好的促进作用，同时有利于保护生态环境，减少化学除草对农作物的农药残留，提高作物的有机质含量。
该机的设计是与大功率拖拉机配套使用的挂接机具，与56kW以上的拖拉机配套使用。
其结构设计实现了一机多用，提高了各部分的通用性能，减少了机具的进地次数，降低了作业成本，对农作物增收效果十分明显[6]。
主要设计参数为：
配套动力≥56kW
作业速度:
4～5亩/h（3.3～4.2km/h）
作业行数:
3行
行距:
400～500mm
3.2除草工作原理
本设计中耕除草机与拖拉机配套使用。
作业时，地轮把动力通过不同传动比的齿轮传递到升速轴，升速轴通过带轮将动力传递至安装有锥齿轮的轴，通过锥齿换向，接着由万向节将动力传递给与地面成一定角度的梳齿，带动梳齿式除草装置工作，并根据需要选择相应的传动比，以达到梳齿的圆周线速度。
在机架和除草装置之间安装深松铲，可根据作业要求完成深松、中耕作业。
该机整体结构主要有地轮、梳齿式除
草装置和机架等3部分。
除草装置为对称式结构，即每行为两组对置旋转的梳齿除草装
置，以满足大豆等旱地作物的农艺技术要求[7]。
3.3动力传递系统
整机动力由机架上的地轮驱动。
整机传动系统由地轮传动系统和单体传动系统构成。
传动路线是：
地轮通过变速箱将动力传递给升速轴，升速轴上有带轮，然后通过皮带将动力直接传递给锥齿轴。
锥齿轴通过万向节将动力传递给梳齿，以达到除草所需动力。
4拟定传动方案
为了估计传动装置的总传动比围，以便选择合适的传动机构和拟定传动方案，可由已知除草机行走速度3.3～4.2km/h，可选地轮速度为3.5km/h，地轮的直径选择为400mm，则其转速为46.4r/min。
工作部件梳齿轴的转速设定为135r/min,因此地轮到梳齿轴的传动比约为0.345，反之为2.9。
4.1除草装置的工作阻力的确定和计算除草机工作过程中，主要受到两方面的阻力。
首先，地面对地轮的摩擦阻力F1,
其次，土壤对松土铲的阻力F2。
以下即是对这两个阻力的计算
1）F1的计算
估计整机重量为100kg，设摩擦阻力系数为f,则F1=fmg。
考虑到工作机的工作路面情况，取f=0.6，故F1=600N。
2）
[9]
F2的计算
1）
（2）
F2=i
其中f=hb/sin
i——工作部件数目
——土壤剪切应力（0.93—1.23N/cm2）F——切面积
h——耕深B——除铲工作幅度,
选i=4,=1,h=30,B=56,=600代入计算得F2=1280N
4.2所需功率和传动效率
由P=nT/9550或P=FV,T=FL计算功率
1）地轮所需功率
地轮的直径设计为0.4m,则有
P1=F1V6001W0.6KW
2）松土铲所需的功率为
P2=F2v12801w1.28KW
则所需总功率为1.88KW
3）传递过程机械效率
由表查得,V带传动、滚动轴承、圆柱齿轮动效率分别为1=0.96，2=0.97，
3=0.97
4.3传动装置传动比分配
此处省略NNNNNNNNNN字NN。
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该论文已经通过答辩
5V带传动的选择
5.1选择带型
根据计算功率和小带轮转速，查表得，选择普通V带A型。
5.2确定带轮的基准直径
查表得需传递0.548KW的功率，可选用小带轮直径为112mm而,带传动比此处设计为
1，故大带轮直径选为112mm.
5.3计算带轮速度
Vdd1n1
V601000（3）
将dd1112mm,n1135r/min，代入得V=0.819m/s
5.4确定中心距和带的基准长度
根据传动的结构需要初定中心距a0取
0.7（dd1+dd2）a02（dd1+dd2）（4）
代入数据得
156.8mma0448mm
初选a0=250mm,而
2
L02a0（dd1dd2）（dd1dd2）（5）
24a0
故初步算得L=883.1mm
根据机械手册查的与其相近的基础长度，取Ld=900mm由,于V带传动的中心距一般可以调整，故采用下式做近似计算，即实际中心距为：
aa0LdL0=258mm
5.5确定带的根数Z
6）
Pca
（P0P0）KKL
式中K为考虑包角不同时的影响系数，简称包角系数,此处由于传动比为1，故
包角为1800
KL为长度不同时的影响系数，简称长度系数
P0为单根皮带的基本额定功率
P0为记入传动比的影响时单根功率增量，此处由于传动比为1，故为0[10]查得P0=0.56，KL=1.03，K=1则
（P0
PPc0a）KKL=（0.5600.5）4811.03=0.988
取Z=1
5.6
7）
确定带的紧力
F0500PzCv（2K.51）qv2
5.7
8）
计算带传动作用在轴上的载荷
FQ2ZF0sin
其中Z=1，=1800代入数据得
FQ=1003.8N
5.8带轮结构设计
dd1=dd2=112mm,B=17.6mm,L=35mm
6齿轮的设计
6.1选定齿轮类型精度等级材料及齿数
（1）由传动方案可知，地轮到升速轴可选用直齿圆柱齿轮。
（2）中耕除草机为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度（GB10095—88）
（3）材料选择。
由机械设计手册查的，可选择小齿轮为40Cr（调质），硬度为280HBS,大齿轮材料选择45钢，硬度为240HBS,而这材料硬度差为40HBS
（4）选高速级小齿轮数为Z1=24，大齿轮数Z2=24/0.345=69.6，取Z2=70
6.2按齿面接触强度设计
（1）由设计计算公式进行计算，即
d1t2.323KT1u1（ZE）2（9）
duH
首先确定公式的计算值
1）试选载荷系数K=1.3
2）计算小齿轮传递的转矩
55
95.5105P195.51050.5484?
T11=N?
m=3.8810N?
m
n1135
3）由表查后选取齿宽系数d=0.51
4）由表查的材料的弹性影响系数ZE=189.8MPa2
5）查的小齿轮的接触疲劳强度极限Hlim1=600MP,a大齿轮的接触疲劳强度极限
Hlim2=550MPa
6）由公式计算应力循环次
N2=60n1jLh=6046.41（810010）=2.99107
N27
N1=N2=8.66107
i1
7）取接触疲劳寿命系数KHN1=0.95，KHN2=1
8）计算接触疲劳许用应力
取失效概率为0.01，安全系数S=1，有公式得
9）代入值算得d1t49.05
10）计算圆周速度v
V=d1tn1=1.9m/s
6010000
11）计算齿宽b
b=dd1t=49.05
12）计算齿宽与齿高之比b
h
db
模数mt=1t2.04,齿高h=2.25mt=4.6mm故b=10.67
z1h
1）查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限FE1=500MPa,大齿轮的弯曲疲劳强度极限
FE2=380MPa
2）弯曲疲劳寿命系数KFN1=0.85，KFN2=0.88
3）计算弯曲疲劳许用应力
取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得F1KFN1FE10.85500MPa，同理得F1S1.4
F2=238.86
4）计算载荷系数K
K=KAKvKHKH=2.6
5）查取齿形系数
YFa1=2.65，YFa2=2.24
6）查取应力校正系数
YSa1=1.58，YSa2=1.75
7）计算大小齿轮的YFaYSa
F
小齿轮为0.01379，大齿轮为0.01641明显大齿轮数值大
8）设计计算得m1.89mm对比计算结果。
齿面接触疲劳强度计算得模数m大于有齿根弯曲疲劳强度计算得模数，由于齿轮模数的大小主要取决于与弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由弯曲强度算的模数1.89，并就近调整为标准值m=2mm按,接触强度算得的分度圆直径d1=62.8,算出小齿轮齿数Z1=d/m=31，则大齿轮齿数Z2=31/0.345=90
6.4几何尺寸计算
1）计算分度圆直径
d1=Z1m=312=62mm;
d2=Z2m=902=180mm
2）计算中心距
3）取齿轮宽度
b=aa=20mm则,b2=20mm,b1=25mm
7轴的设计本设计中主要零件为轴，其中带动带轮转动的主动轴和从动轴由于传动比及功率相近，故只需设计校核一根，其他轴件由于工作强度不大且要求不高，故现典型对梳齿轴作设计校核。
7.1求轴上的功率、转速、转矩P3=0.51KWn3=135r/min
P4
T3=95500003=3.6110N.mmn3
7.2初步确定轴的最小直径
先按公式
d3minC3n（11）
估算轴的最小直径。
选取轴的材料45号钢，调制处理。
查表后取C=110，于是得d3minC3P3=11030.51=17.1mm
3minn3135
7.3确定轴的各段直径和长度
（1）为满足轴承的轴向定位，轴的最左端需要有一轴肩，此段直径查表后取18mm。
（2）初步选择深沟球轴承。
参照工作要求并根据轴的最小直径，选择6004轴承，其尺寸为204212，即径为20mm。
（3）轴承右边根据作业要求选相距梳齿40mm此,处需要留一轴肩满足梳齿轴向定位，梳齿与轴承之间采用套筒定位。
（4）梳齿与梳齿之间因作业需要相距150mm其,中梳齿宽度初步选用20mm。
（5）带轮安装在距梳齿150mm处，此处也需留一轴肩，距离带轮150mm处安装第二行作业梳齿，要求同第一行作业梳齿。
（6）第三行梳齿相对第二行与第一行对称，因此轴可看成近似对称。
（7）每个轴肩高度初步设计为2mm。
至此，初步确定了轴的各段直径和长度。
7.4校核轴的强度
（1）带轮作用在轴上的作用力为FQ=1003.8N，由于梳齿作用于土壤，土壤的反作用力可以忽略不计，因此轴的支撑力主要由轴承提供，且大小为
F轴1F轴2=501.9N[12]。
2）查表得轴的弯曲应力1b=55MPa。
3）考虑到轴上有键槽，将轴的直径增大5%，则d=18（1+5%）=18.9mm,此段轴的直径和长度应与轴承相符，查表得选用6004号深沟球轴承，径为20，故此处选用20mm
T=F轴1d=501.910=5019N.mm。
由下面弯矩图可知，危险截面的弯矩最大为
故轴的强度足够。
其他轴的校核同上也满足强度要求。
8松土铲的设计
松土铲在三行苗株之间的垄上对称分布，此处每个松土铲工作幅度为56mm一,垄
2个，共4个，起到除垄上杂草的作用。
具体设计参照零件图
9除草单体除草单体采用梳齿式结构。
通过地轮将动力传递到中间轴，然后由皮带传动到梳齿所在轴，根据拖拉机的作业速度（要求4-5亩/h即3.3—4.2km／h），选择传动比为0.345，设计带轮。
除草单体两个相对转动的梳齿轴安装梳齿轴上，工作时在苗行两侧相对旋转，可将秧苗附近新出生的草芽除掉，并疏松表土[14]。
9.1梳齿的运动规律
除草作业时，梳齿盘上以半径为R处安装的每根梳齿既围绕各自梳齿盘轴心以角速度ω旋转，同时又以前进速度Vm沿机具（x轴）前进，每根梳齿的齿迹线均构成螺旋线，如图所示。
其参数方程为
x=Vmty=Rcosωtz=Rsinωt
式中，R为梳齿组件在梳齿盘上均布半径，mm；
ω为梳齿盘旋转角速度，rad/s；
t为
时间，s；
Vm为前进（作业）速度，m/s。
则该圆柱螺旋线在平行于xoy平面（地面）上投影方程
[16]
Y=Rcosx
vm
式为余弦曲线，由于每组曲线之间存在着平移关系，其相邻两根曲线的相位之差为：
=2π/N（N为梳齿总数）
9.2梳齿在梳齿盘上均布半径
根据旋转梳齿式除草部件的除草机理，梳齿入土深度h=30～50mm为宜,过深容易损伤秧苗根部或挑起秧苗，过浅松土除草效果差；
在梳齿入土深度保持不变的情况下，梳理苗带宽度W越宽，苗间松土除草越全面，不易漏梳，但会导致梳齿盘结构过大[17]。
试验表明，若仿形准确、可靠，W≥120mm即可满足苗间松土除草作业要求。
如图7所示，设梳齿长度为Lmm，梳齿盘轴心距台面高度为Hmm,有下式成立H=L+Rsinωt=R+L+h（12）
13）
W=2Rcosωt
联立式上式得
RhW2
R28h[18]
把有关数据代入，解得R≥119mm。
本设计取R=130mm。
9.3梳齿盘转速
根据文献和室试验，在苗间除草作业过程中，梳齿入土端的速度V=Vm2Vy2[19]在作业速度一定的情况下，梳齿旋转的线速度Vy对除草性能和伤苗率2个指标影响较大。
随着Vy增大，梳齿对苗带表土冲击力变大，除草效果好，但伤苗率增加，Vy一
般不大于4m/s，取2.5m/s≤Vy≤4m/s。
又由
把R=0.13m、2.5m/s≤Vy≤4m/s代入得：
120r/min≤n≤225r/min
9.4梳齿数目
设每组梳齿组件上均布a根梳齿，梳齿均布间距为bmm，一根梳齿在沿前进方向单
位时间所走过的距离S应与该齿的运动轨迹在水平投影上的投影距离相等。
即有下式成立
（15）
V=abn[21]mm20000
由上式可见，前进速度与梳齿数目、间距和梳齿盘转速三者成正比。
根据农艺要求，梳齿间距b=50～70mm（作业速度快取大值），把相关数值代入式（9）得：
6≤a≤10，经试验优化确定每组梳齿组件上梳齿数a=10。
10仿形机构的设计
试验表明：
仿形平稳、准确，保证梳齿入土深度一致，是提高除草部件苗间锄草率和降低伤苗率的关键。
目前，中耕机均采用垄沟仿形，其优点是仿形轮不伤苗，机构简单。
该机除草单体借助机具后方仿形地轮与前方地轮辅助配合，整体控制作业部
件入土深度，减少了地面局部不平对仿形机构的波动的影响。
仿形地轮紧挨梳齿轴后方，保证了
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