土豆灭茬机的设计版Word格式文档下载.docx
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2.1.1方案的提出-7-
2.1.2方案的确定-9-
2.2结构组成-9-
2.3主要性能参数-10-
3主要部件的设计-11-
3.1传动部分的设计-11-
3.1.1传动比的计算-11-
3.1.2圆锥齿轮传动的设计-11-
3.1.3轴的设计-13-
3.2挡茬部分的设计-16-
3.3刀具部分的设计-16-
3.4清茬部分的设计-17-
4主要零件的强度校核-18-
4.1变速箱锥齿轮的强度校核-18-
4.2轴的校核-18-
4.2.1输入轴的校核-18-
4.2.2输出轴的校核-19-
4.3重要键的校核-19-
5结论-21-
参考文献-22-
致谢-23-
摘要
土豆是当今人类社会的四大粮食作物之一，仅次于水稻、玉米和小麦。
我国是世界上土豆生产大国，总产量居世界第一。
土豆收获前需要对土豆进行灭茬工作，而我国传统土豆种植方式机械化水平很低，机械化灭茬普及率并不高。
目前，市场上销售的灭茬机产品大部分仅适用于北方作业区，南方多为山地和梯田，并不适用。
人工灭茬费时费力、劳动强度大，因此给广大农民造成极大的困扰。
为了解决上述问题，本文就国内外各种灭茬机进行分析和参考，设计了一款适用于我国南方耕地的土豆灭茬机。
该机功能与市面上的粉碎灭茬机有所不同，仅将土豆茬割断，并排入两旁的沟壑中，这样可以大大降低功耗，提高工作效率，使灭茬机更小巧轻便。
本文首先对灭茬机的总体方案做出合理的选择，巧妙地采用后悬挂式微耕机倒退运行方式的配套形式，避免了压茬的问题。
然后合理设计传动模式，采用一级锥齿轮减速变向传动，并就锥齿轮、轴等零件进行合理的参数计算。
接着合理设计了机架、刀具、挡茬机构、清茬机构和罩壳等部分，机架和挡茬机构均采用空心方钢焊接而成，挡茬机构可以提高灭茬效率，有效避免土豆茬缠绕的情况，刀具采用活动刀片，可以有效降低折断的风险。
最后对锥齿轮、轴和键等重要零件进行了参数计算和强度校核，对轴承和弹性挡圈等标准零件进行了合理的选择。
关键词：
土豆，灭茬，设计
Abstract
Ineveryhumansociety.Thepotatoisoneofthefourmajorfoodcropsafterrice,maizeandwheat.Ourcountryisthelargestpotatoproductioncountryintheworld.Aseveryoneknows,weneedtostubbleonpotatobeforeharvest,butwestillintraditionalwayofpotatoplantingthatthemechanizationlevelandmechanizationofstubblepenetrationratearebothlow.Atpresent,mostofthestubblemachineonthemarketonlyappliestoworkinginthenorth,it’snotsuitableforthesouth.Artificialstubbleisacommonwayforthesouth.Itneedslargetimeandlaborforceandtakesagreattroubletoallfarmers.Inordertosolvetheaboveproblems,wetookthevariousstubblemachineathomeandabroadforreferenceanddesignedapotatostubblemachinethatsuitableforsouthernlandofChina.Thefunctionhasalargedifferentwiththoseofstubblemachineonmarket,Itonlycutspotatocropandputsintothegapsonthetwosides.Thiswaygreatlyreducespowerconsumptionandimprovestheworkefficiency.Therearemakeareasonablechoicetooverallschemeofthestubblemachineinthisarticle.weskillfullyuseafterhangingtractorsupportingformofreverseoperationmode,toavoidtheproblemofthepressureofcrop.Ithasareasonabledesignattransmissionmodesuchaslevel1bevelgearbeusedinreducertodrive.Thereareareasonablecaculationinbevelgear,shaftandotherpartsofparameters.Thentheframe,toolandstubbleretainingmechanism,cropandcoverpartsarewithreasonabledesign,suchasframeandcropagencyweldedhollowsquaresteeltogether.Thecropinstitutioncouldimprovetheefficiencyofstubbleandeffectivelyavoidthepotatocropofwinding.Theactivecutterbladescanreduceeffectivelytheriskoffracture.Inaworld,Wemadeaparametercalculationandstrengthchecktobevelgear,shaftandkeyandareasonblechoiceintheimportantpartsofbearingandtheelasticringstandardparts.
Keywords：
potato,stubblecleaning,design
1绪论
1.1土豆灭茬机研究的目的和意义
据中国食品工业协会土豆食品专业委员会介绍，2012年，我国土豆种植面积521万公顷，占世界土豆种植面积的1/4，总产量8154万吨，单产15.7吨/公顷【1】；
我国是世界上土豆生产第一大国，占世界土豆总产量的1/5，总产量占亚洲的17%。
预计到2015年我国土豆总产量将达到1.5亿吨，种植面积达到1.2亿亩。
我国土豆种植面积和鲜土豆产量居世界之首，但土豆种植、灭茬和收获机械化水平普遍较低，我国土豆生产的主产区是西南山区、西北、东北地区和内蒙古。
其中以西南山区的种植面积最大，大约占全国总面积的1/3。
土豆的产量很高，增产潜力大，是其他粮食作物所不及的；
其营养含量丰富，又是多种蔬菜所不及的；
土豆用途广泛，是粮，是菜，是好饲料，又是多种工业、副业加工的原料；
土豆栽培中是良好的前茬，又是间作、套种的作物，所以说，土豆在粮食、蔬菜栽培中，以及农业经济、人民的日常生活中，有非常重要的作用【2】。
我国土豆加工企业约有4500家，其中规模化深加工企业近100家。
随着国际贸易迅速增长，出口前景广阔，国内消费需求日益增加，未来供需偏紧，且我国是人口大国，耕地减少和人口增长的矛盾不可逆转，所以需要大力发展土豆产业对确保粮食安全，促进农民增收，振兴农村区域经济具有重要的战略意义【3】。
我国传统土豆种植方式机械化水平很低，人工种植土豆耗时耗力，生产效率很低，而且严重制约了我国土豆产量。
提高土豆种植机械化水平可以大大提高生产效率，降低人们的劳动强度，较少劳动力损耗，为土豆的生产发展奠定良好的基础。
目前，我国主要生产方式还是依靠人力，为了促进土豆生产发展，提高机械化水平势在必行。
目前我国仅在中小型土豆种植和收获机方面有所突破，土豆灭茬机的研发还相对薄弱，市场上销售的土豆灭茬机机型为数不多，且大多都只适用与北方作业区，而南方种植土豆的多为山地和梯田，所以迫切需要一款适用与南方产区的小型灭茬机，减轻劳动强度，提高土豆产量。
1.2土豆灭茬机的发展概况
1.2.1国内土豆灭茬机的发展概况
国内的土豆灭茬机生产企业为数不多，现在市面上销售的多为中小型土豆灭茬机，如青岛洪珠机械厂生产的洪珠1JH-100土豆灭茬机（见图1-1），该机可与20～35马力四轮拖拉机配套使用，生产率为4～5km2/h,工作行数为1行。
该机具有结构紧凑，机动性好，布局合理，工作平稳，实用性强，维修简单等特点，可一次性完成土豆茬的清除工作。
图1-1洪珠1JH-100型土豆灭茬机
中机美诺科技股份有限公司生产的美诺1804型土豆灭茬机（见图1-2），该机配套形式为悬挂式，配套动力90～120KW，工作行数为4行，工作幅宽为3600mm，生产效率1.1～1.5hm2/h。
该机特点是适用于各类品种土豆茬的粉碎作业，为土豆收获创造良好条件，甩刀结构型式多样，组合运动轨迹与薯垄形状和宽度一致，甩刀按双螺旋线排列在刀辊轴上，保证刀辊受力均，双侧传动带有超越离合器，停机后，有效保护传动系统，甩刀高速运转，在机具壳体内形成负压，使倒伏土豆茬也能被切，打碎的土豆茬铺放在地面，作业效率高，土豆茬粉碎效果好。
图1-2美诺1804型土豆灭茬机
山东青岛璞盛机械有限公司生产的1JH-90型土豆灭茬机（见图1-3），配套动力18.3～29.4kw四轮拖拉机，配套形式采用悬挂式，动力传输型式为传动轴，传动机构型式为皮带传动，工作幅宽：
900mm，工作效率：
≥0.3（hm²
/h），该机主要有点为倒在沟底的土豆茬也可以吸起来然后将其粉碎，收获土豆灭茬时并不伤害到土豆，一台机器可以顶40个劳动力。
图1-31JH-90型土豆灭茬机
1.2.2国外土豆灭茬机的发展概况
国外农田机械的研发起步很早，在土豆种植、喷药灭茬、收货、运输、清选、运输、清洗、加工和储藏等全过程的研究均已比较成熟，各环节都有不同的型号、系列的机具。
在土豆灭茬机产品方面，代表世界一流技术水平的农机企业有德国Gimme公司、美国Reekie公司、美国DoubleL公司、荷兰APH公司、比利时AVR公司和挪威TKS公司等【4】。
（1）德国Gime公司
德国Gime公司生产的KS3600型土豆灭茬机（见图1-4），配套型式为悬挂式，配套动力为58KW拖拉机，工作行数为4行，行距为85cm或90cm,整机质量为1100kg，作业效果好。
图1-4KS3600型土豆灭茬机
（2）美国Reekie公司
Reekie公司生产的RHT2200型土豆灭茬机（见图1-5），具有高速动态平衡回转轴，全幅宽升起和吸入土豆茬，进行高质量切碎，可以保证切碎的土豆茬和土壤一起通过收获机分离筛，适用十字交叉形的输送带将土豆茬运输到收获作业的一侧。
限深轮可调，确保有效割秧；
悬挂方式：
前挂或后挂；
可保证机具前悬挂时，将拖拉机前面的土豆茬都处理掉。
避免后续作业中收获机喂入部分堵塞；
镇压轮可调，在牵引机具上，镇压轮可选。
图1-5RHT2200型土豆灭茬机
（3）荷兰APH公司
荷兰APH公司生产的小型2行土豆灭茬机主要有2LKB-170型和2LKB-190型多功能灭茬机，两者均可用于土豆和胡萝卜等根茎类作物灭茬两则齿轮箱转速均为1000r/min，2LKB-170型工作宽度为1.50m，行数为2行，行距为75cm，配套动力为58.8KW拖拉机，工作效率为0.9hm2/h;
2LKB-190型工作宽度为1.80m，行数为2行，行距为90cm，配套动力为33.1KW拖拉机，工作效率达到1.0hm2/h。
（4）比利时AVR公司
比利时AVR公司生产的土豆联合收获机（见图8）,前部有灭茬机构，该机功能多样，集灭茬，收获，集薯于一体的多功能一体机，作业效率高。
图1-6马铃薯联合收获机
1.3土豆灭茬机的类型及技术要求
1.3.1土豆灭茬机的类型
目前，土豆灭茬机较成熟的产品主要有两大类型：
一是悬挂式，悬挂式是通过悬挂装置悬挂在拖拉机上，并与拖拉机成一整体运动的农业机械。
在提升状态下灭茬机完全离开地面，其全部重量由拖拉机承担。
按悬挂在拖拉机上的位置，可分为后悬挂、前悬挂、侧悬挂、中间悬挂、和分组悬挂5种方式，其中前悬挂式和后悬挂式较为常用，是目前国际通用型式。
德国、美国、荷兰、比利时、挪威等国中小型灭茬机普遍采用该型式，特点是结构设计紧凑，质量轻，转弯半径小，牵引阻力小，工作可靠安全，操作方便，机动灵活，生产效率较高，机组的操作和调整由拖拉机手一人承担【5】；
二是牵引式，牵引式是通过牵引装置挂接在拖拉机后面，由拖拉机牵引完成各种作业，一些大型的土豆灭茬机采用该型式，特点是稳定性好，对地面状况的适应性强，但机动灵活性差，转弯半径大，结构复杂，在作业过程中，一般需要配农具手进行操作，牵引式土豆灭茬机没有驱动轮，但有起支撑作用并在拖拉机牵引下进行的行走轮，在田间作业时机器的重量主要由行走轮承担【6】。
1.3.2土豆灭茬机的技术要求
国内土豆灭茬机械技术发展还处于起步阶段，但各类型机应满足一下技术要求：
（1）灭茬率
要求灭茬幅宽80cm，灭茬高度1～5cm，灭茬率应不低于95%。
（2）清茬率
灭茬机必须有良好的清茬机构，能将土豆茬清除至两旁的沟里，便于之后收获机的作业，清除率应不低于95%。
（3）生产效率
机械灭茬的目的在于减轻农民劳动强度，提高生产效率，适时灭茬。
因此，灭茬机作业时应具有一定的作业速度，且能稳定作业。
（4）其它要求
土豆灭茬机灭茬机构和清茬机构应协调工作，尽可能减少自身的动力损耗，保持作业稳定。
1.4土豆灭茬机发展的主要制约因素
1.4.1种植形式和生产规模
目前，南方作业区多山地和梯田，土豆生产方式多为小规模生产方式，制约了大中型土豆灭茬机的发展，各地土豆种植形式不统一也直接影响了灭茬机的生产发展。
1.4.2动力配套问题
灭茬机本身没有驱动装置，需要拖拉机提供动力。
灭茬机的设计需要与微耕机配套，而配套使用的稳定性难以保证，且农户拥有的微耕机类型和数量极为有限，这在一定程度上限制了土豆灭茬机的发展。
1.4.3机械性能问题
目前，我国所研制出的土豆灭茬机普遍存在工作性能不稳定，可靠性差，适应性差，功能单一等问题。
2土豆灭茬机的总体方案设计
2.1总体结构方案的确定
2.2结构组成
土豆灭茬机结构简图，如图2-5所示
图2-5土豆灭茬机结构简图
1.微耕机2.变速箱3.挡茬机构4.清茬机构5.机架6.万向节7.罩壳8.刀具9.联轴器
2.3主要性能参数
作业幅宽：
80cm
配套动力：
8.2KW
微耕机输出转速：
3600r/min
生产率：
0.5～3亩/小时
灭茬高度：
1～5cm
灭茬率：
不低于95%
清茬率：
3主要部件的设计
本设计土豆灭茬机主要由悬挂架、机架、防护罩、刀具、刀架、刀轴、变速箱、传动轴、挡茬机构、清茬机构等组成，机具通过悬挂架与微耕机相连接，当机具作业时，首先由微耕机的动力输出轴将动力由变速箱的输入轴传送到变速箱。
通过锥齿轮的变向动力经由传动轴直接传送至刀轴，刀轴带动刀具高速旋转，微耕机前进，土豆茬被挡茬机构挡至两旁，同时高速旋转的刀具开始切割土豆茬，随后清茬部件将土豆茬清至两旁的沟壑中，从而完成灭茬作业。
3.1传动部分的设计
灭茬机工作时，微耕机的动力经万向节传送至变速箱，经一对圆锥齿轮换向减速后带动刀轴和刀片一起高速旋转。
高速旋转的刀片切断土豆茬，由离心率和重力作用散落与地面上。
3.1.1传动比的计算
微耕机的动力为8.2KW，动力输出转速为3600r/min，微耕机的动力输出轴的功率为整机动力的40%，所以变速箱输入轴功率为P1=8.2kw×
0.4=3.28kw，土豆茬最低无支撑切割速度为30m/s，刀轴最低转速n=V/2πr≈1433r/min,取1500r/min，由此可得变速箱传动比i=3600/1500=2.4
3.1.2圆锥齿轮传动的设计
本设计方案选用直齿圆锥齿轮（主动轴和传动轴交角900）传动；
采用硬齿面，参考《机械设计》，查得45钢硬度为162～217HBS,取190～217HBS,大齿轮选用45钢调质处理，硬度为217～255HBS,取225～255HBS【7】；
对于封闭式硬齿面齿轮，参考《机械设计》，选择齿轮精度等级为7级【7】；
按齿面接触疲劳强度设计计算，参考《机械设计》得【7】
d1mm
式中T=T1=9.55×
P1/n1=9550×
3.28/3600N.m=8.7N.m
初选载荷系数Kt=1.65
节点区域系数：
ZH=
由《机械设计》查得弹性系数【7】：
取齿宽系数：
由《机械设计》查得【7】：
=0.9×
575MPa=517.5MPa
=0.9×
550MPa=495MPa
u=i=2.4
齿轮齿数Z1=15，Z2=uZ1=2.4×
15=36
带入公式计算得:
≈10.39
=10.39/15≈0.69，取标准值2.5
d1=mz1=2.5×
15=37.5mm，d2=mz2=2.5×
36=90mm
由《机械设计》查得使用系数KA=1.00,
由《机械设计》查得动载系数Kv=1.00【7】,
=48.75mm
由b=φRR=0.3×
48.75=14.625mm取齿宽b1=b2=15.5mm
参考《机械原理》计算公式得【8】
计算锥齿轮的分度圆锥角：
δ1=arctan（Z1/Z2）=arctan（15/36）=22.61990
δ2=900-22.61990=67.38010
齿顶圆直径da1，da2：
da1=d1+2hacosδ1=37.5+2×
1×
2.5cos22.610=42.12mm
da2=d2+2hacosδ2=90+2×
2.5cos67.380=91.92mm
齿根圆直径df1，df2：
df1=d1-2hfcosδ1=37.5-2×
（1+0.2）×
2.5cos22.610=31.96mm
df2=d2-2hfcosδ2=90-2×
2.5cos67.380=87.69mm
齿顶角的计算
，
：
=arctan（ha/R）=arctan（1×
2.5/48.75）=2.940
=
=2.940
齿根角
=arctan（hf/R）=arctan（（（1+0.2）×
2.5）/48.75）=3.520
=3.520
顶锥角δa1，δa2：
δa1=δ1+
=22.620+2.940=25.560
δa2=δ2+
=67.380+2.940=70.320
小齿轮圆中点分度圆直径dm1，dm2：
dm1=d1（1-0.5b/R）=37.5×
（1-0.5×
15.5/48.75）=31.5mm
运算圆周速度Vm：
=3.14×
31.5×
3600/（60×
1000）=5.9m/s
选择7级精度合宜。
3.1.3轴的设计
（1）输入轴
初步确定输入轴的最小直径：
先初步估算输入轴的最小直径。
本设计选取轴的材料为45号钢，调质处理，适用于承受交变载荷、中等负载，强烈磨损，无很大冲击的重要零件。
取A0=112，于是得
所以，选取输入轴最小直径17mm
轴的结构设计
表3-1初定各轴段直径
位置
轴直径/mm
说明
小锥齿轮处
17
为考虑从左端装入，齿轮孔径应稍大于轴承，并为标准直径
左端轴承处
20
因轴承需要承受轴向力和径向力，并符合滚子轴承标准内径，故取20，选用圆锥滚子轴承，初定轴承型号30204
左端传动轴处
28
此段起轴承定位作用，应略大于轴承内径，所以取28
过渡处
22
此段轴是过度段，轴径应大于最小直径，小于传动轴处直径，取22
右端传动处
右端轴承处
键位处
18
为方便轴承安装，应略小于轴承内径
表3-2确定各轴段长度
轴段长度/mm
此段轴应长于弹性挡圈和锥齿轮的径向长度之和，故取28
15
此段轴只用于安装圆锥滚子轴承，故取15
4
此段轴只用定位轴承，故取4
37
此段为过度处，为满足端盖尺寸，取37
用于定位轴承，与左端对称，取4
25
用于安装轴承和弹性挡圈和油封，故取25
35
用于外部动力连接，并设有键槽，故取35
全轴长
148
（28+15+4+37+4+25+35）mm=148
齿轮处采用A型普通平键，齿轮处键A12×
30GB/T1096-2003。
为加工方便，并参照轴承的安装尺寸，轴上倒角半径全部取r=1mm。
（2）输出轴
初步确定输出轴的最小直径：
本设计选取轴的材料为45钢，调质处理，适用于承受交变载荷、中等负载，中等速度、强烈磨损、无很大冲击的重要零件。
故，选取输出轴最小直径为18mm。
表3-3初定各轴段直径
上端轴承处
滑槽处
考虑轴承从左端装入，轴径应大于轴承内径，且该段设置滑槽，故取25
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