螺旋式松土除草中耕机说明书

1.1 螺旋式松土锄草中耕机研究的目的和意义

   虽然有灭草剂药，但农药，对农作物，土壤的有机化合物，都有伤害，对第二年农作物有较大的影响，特别是食品粮，都大量地吸收有农药，就目前来说，各种心脑血管疾病均有上升趋式。因此国内绿色食品的畅销，大大激发了农民对免药除草的渴望，本项目为适应环保型绿色农业化生产的需要而开发设计的，它吸收了传统型苗间中耕松土除草机的特点，在此基础上进行设计可大幅度提高生产效率，适合高速作业。由于其刀具可调可适用于多种植物，大大解决了农民因作物不同而除草难的问题并且能清理作物间距间杂草，改变其结构使其速度可调，可大大提高其破土能力，是除草效果更佳安装使用方便，锄草效果预期可伤苗率低于人工锄草，减轻了农民的劳动强度，费用低，产品坚固耐用。

1.2发达国家旋转锄中耕机械发展现状

     作为保护性耕作的关键技术，国外从20世纪50年代就开始了对机械除草技术的研究。经过多年的研究改进，目前已经形成一整套成熟的保护性耕作农机具。这些机具经过多年的生产运用，能较好地满足作业要求。

     美国的JD970滚刀锄草耙，其工作部件随着机器改进，带动刀轴转动，滚切刀外缘的刀刃切断草根，实现除草目的，除草效率高，消耗动力小，机具的作业部件为滚动部件，因此不会发生秸秆堵塞；美国的JD886型行间管理除草机具有可调整的护苗板，进行喷药除草治虫时可以有效地保护作物，离地间隙高，适宜在秸秆覆盖的田间进行行间作业。

     加拿大研制出适合不同土壤的多种类型农机具，玉米、大豆和禾谷类作物的机械除草分别占20%30%和40%。

德国专门研制出一种除匍根冰草机械，用钢爪抓耙20cm深地表，把匍根冰草连根拔起堆放喂猪或腐化成肥料。

     日本的除草机械种类较多，按切割器类型划分有圆盘式、甩刀式和往复式；按与拖拉机挂接方式划分有前置式、侧置式和后置式；按与拖拉机配套方式划分手手扶式和乘坐式。

     由于种植方式、土地条件以及经济发展等多种因素的不同，国外的除草机械大都是牵引式，工作幅面很大，效率较高。其结构和工作性能等方面不太符合我国的国情。

1.3 国内旋转锄中耕机械发展现状

     我国自20世纪60年代开始研究苗间除草机械，70年代机械苗间除草获得很大程度的发展。其工作部件有旋转锄式、链齿式、垂直圆盘式、水平圆盘式、锥形圆盘式、弹齿式、轻耙式等多种形式。

     目前，东北垦区农场大田作物机械化灭草主要是采用整地诱草、封闭除草、蒙头土、苗耙、三杆尺深松及窄苗带中耕培土等技术。近年来、垦区引进了美国旋转锄灭草技术‘推广效果较好。然而，当旋转锄与中耕管理两项作业分别进行时，仍存在不少弊端，因为美式旋转锄灭草要求高速作业。在土壤疏松的条件下，轮式拖拉机第一遍作业很难达到高速要求；多次作业将破坏土壤结构，导致作业效率低、成本高。基于上述问题，黑龙江省红兴隆国有农场管理局研制出3ZS-6型耕旋联合除草机，使中耕深松与旋转锄灭草有机地结合起来，实现互补，达到了适时、高效、优质和低耗的目的。

     目前国内的除草机大都为中耕除草机，工作部件多为单翼铲或者双翼铲，也有圆盘式的除草机，但是数量较少；而对于滚切式的除草机，还是一片空白，国内还没有比较成熟的滚切式除草机械。

     机械除草分为行间、株问以及对植株根部周围的除草。目前国内外对行间除草的研究已较成熟，很多行间除草机得到了广泛应用。对于株间除草，国内还没有成熟机型，特别是智能化株间除草机研究还处于起步阶段，株问除草仍靠人工作业。设计一种有效的株间除草机尤为迫切。

1.4 国内旋转锄中耕机械发展趋势

     我国人多地少，自行研制的除草机械一般体积较小，质量较轻。与发达国家相比，我国的机械除草技术相对落后。

     随着计算机与电子技术等领域相继取得重大进展，西方研究人员正在进行电子或电力灭草技术的研究，这将会对今后的农业生产产生巨大影响。若能建立起相关理论，深入开展电场对植物生长影响机理的研究，对农业生产中主要杂草在不同生长时期的物理参数进行测试分析，并最终研制成新一代电子除草机，将会占领这一具有巨大市场前景技术的制高点，这对我国农业生产具有非常重要的意义。另外，不同程度电场或电磁场对植物生长促进效能的研究不仅会丰富植物物理学的相关理论，而且可以提高农作物的产量，增加经济效益。

     我国对除草技术的研究虽然起步较晚，但是发展比较迅速。今年来我国科技工作者把飞速发展的DNA重组技术引入到生物除草剂的开发与应用中。另外，我国研究人员正在运用计算机技术开展农田杂草综合治理专家决策系统的研究，以及运用计算机视觉技术进行杂草识别等方面的研究，为以后农业机械人的研制做好前期的铺垫工作。

2 设计方案论证

2.1 旋转锄的作用

   为适应环保型绿色农业的需要而开发设计的。吸收了传统型苗间中耕松土除草机的特点，生产率大幅度提高，适合高速作业。该机在大豆、玉米出苗前使用，可破碎地表板结层，起到松土、保墒、提高地表温度，进而促进种子提早发芽并尽快破土出苗作用；出苗后使用，可以起到苗间除草和松土效果；配上除草铲还可进行垄间松土、锄草作业 。

2.2 旋转锄刀设计

   锄草部件每个由一组长度不同的旋转锄刀组成，即实现少伤苗，有保证苗带除草。.旋转锄刀转速、长度可调，适应不同作物根系及其耕作模式。

3 设计计算

3.1锄刀参数设计计算

    针齿锄盘的直径一般通过试验来确定。本机针齿  锄盘的直径为450mm。

    针齿的形状设计为外端尖部呈球头状，其球头半径为4．5mm，针齿数量为8个，沿周向均布， =45。，针齿尖部弧形与切向方向的前倾角 =35。，针齿尖部弧形与径向中心线之间的夹角 =65。

3.2 齿轮的主要设计

3.2.1齿轮方式、精度、材料选择

1.锥齿轮传动（开式）

2.速度不高，用于农业机械，选用8级精度。

3.根据机械工作条件（载荷不稳，开式齿轮传动），所以其失效形式为轮齿折断、齿面磨损。应选用抗磨损，高强度的材料锻钢（制造简便、经济、生产率高）。

4.（调制）45号钢 硬度为230HBS

5.强度极限：      屈服极限： 

3.2.2 齿轮主要数据分析

压力角

锥齿轮传动的齿宽系数：取

平均分度圆直径： 

当量直齿圆柱齿轮的分度圆半径： 

为当量直齿圆柱齿轮的模数，即锥齿轮平均分度圆上齿轮的模数（平均模数）当量齿数为：  （取23）

  （取4）

当量齿轮的齿数比： 

为使锥齿轮不发生根切，应使当量齿数不小于直齿圆柱齿轮的根切齿数

3.2.3 齿轮受力分析

已知：

3.2.4 齿根弯曲疲劳强度计算

直齿锥齿轮的弯曲疲劳强度近似地按平均分度圆处的当量圆柱齿轮进行计算。

   ……………………………………….. 

载荷系数： 

齿形系数： 

应力校正系数： 

齿宽： 取（20）

…..…………………………………. 

弯曲疲劳许用应力

寿命系数： 

疲劳强度安全系数： 

齿轮疲劳极限： 

带入式： 

所选模数m=5>3.874，即所选齿轮材料及尺寸的弯曲疲劳强度符合实际要求。

3.3链的主要设计

3.3.1链传动计算

已知：

大轮转速：57——76r/min

传动比：2.5

小轮齿数：z1=25

大轮齿数：z2=63

传动功率：0.5~0.8kw

链条节距：p=12.7mm

链条选用08B系列

初定中心距：

=222.25mm

cm

链条节数：  

=81.09 82

链长： =1.0414m

实际中心距： 

链速：（低速传动）

3.3.2滚子链的静强度计算

链条静强度计算式： 

——静强度安全系数

——键条极限拉伸载荷

——离心力引起的力， 

——有效圆周力

——链条质量

——链条速度

——悬垂力，在和二者中取大值者

——系数

——链传动中心距

——两轮中心连线对水平面倾角

——许用安全系数， =4~8（若以最大尖峰载荷代替时，则=3~6；若速度较低从动系统惯性小，不太重要的传动或作用力的确定比较准确时，可取较小值。）

查表可知      

  符合设计要求

3.3.3滚子链的耐磨损工作能力计算

上式中代号含义：

——磨损使用寿命

——链长。以节数表示

——链速

——小齿轮齿数

——传动比

——许用磨损伸长率，按具体条件确定，一般取3%

滚子链销轴直径

——磨损系数

——节距系数

——齿数-速度系数

——铰链的压强

——工况系数

——有效拉力

——离心力引起的力

——悬垂拉力

——铰链承压面积（），

——滚子链销轴直径

——套筒长度

   符合设计要求

3.3.4滚子链的耐疲劳工作能力计算

当时

则  

当时

则  

——使用寿命

——小齿轮齿数

——小链轮转速

——多排链排数系数

——工况系数

——链长，以节数表示

其中

=1120

  =346.370

求得  符合设计要求

3.3.4滚子链轴的计算

　抗弯截面系数　　　　　　

 抗扭截面系数　　　　　　

　　截面Ⅳ左侧的弯矩M为　　

　　截面Ⅳ上的扭矩T3为　　　T3=96000 N·mm

　　截面上的弯曲应力　　　

　　截面上的扭转切应力　　

　　轴的材料为45号钢，调质处理，由轴常用材料性能表查得σB=0MPa，σ-1＝275MPa，τ-1=155MPa

截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数ασ及ατ按手册查取。因，，经插值后可查得　

　，

又由手册可得轴的材料的敏性系数为　，

故有效应力集中系数为　

　　　　　　＝1.82

由手册得尺寸系数

扭转尺寸系数

。

轴按磨削加工，由手册得表面质量系数为　　

轴未经表面强化处理，即，则按手册得综合系数为

又由手册得材料特性系数　　　　　ψσ=0.1~0.2, 　　取ψσ=0.1

　　　　　　　　　　　　　　　　ψτ=0.05~0.1, 　取ψτ=0.05

于是，计算安全系数Sca值，按公式则得

故可知其安全。

　　　抗弯截面系数W按表中的公式计算，

　　抗扭截面系数WT为　　　　　　　

弯矩M及弯曲应力为　　　　　

　　扭矩T3及扭转切应力为　　　T3=960000 N·mm

　　过盈配合处的kσ/εσ值，由手册用插入法求出，并取kτ/ετ=0.8kσ/εσ，于是得

　　　　　　　　　　　　　　　，

　　轴按磨削加工，由手册得表面质量系数为　　

　　故得综合系数为　　　　　　

　　所以轴在截面Ⅳ右侧的安全系数为　　

故该轴在截面Ⅳ右侧的强度也是足够的。

               第四章 仿形机构

4.1平行四杆式

   可防止因土壤侧移而覆盖幼苗。是用一个平行四杆机构将中耕单组与机架铰接，工作部件随地面起伏而升降时，也有双翼和单翼两种。其入土角始终不变。耕深则由仿形轮控制，适应范围大，因而兼有除草和碎土两项功能，因而被广泛使用。　

4.2框架铰链式

   将全部工作部件安装在一个框架上，其除草作用强而碎土能力较弱。通过左、右两根平行控杆与机架铰接。结构简单，但横向仿形性能较差。　　

4.3双自由度式 

   利用具有两个运动自由度的四杆机构将工作部件同机架铰接，用以切除杂草和松碎表土；垂直护板起保护幼苗不被土壤覆盖的作用；护板前端有垂直切土用的刃口。靠仿形轮和工作部件的后踵控制耕深和入土角。入土性能好，铲刀刃口与前进方向成30°角，在地硬或阻力变化大时也能稳定地工作;但结构复杂，单翼铲由倾斜铲刀和垂直护板两部分组成。仅用在中国东北地区的垄作中耕机上。　　通用机架中耕机是在一根主横梁上安装中耕单组，也可换装播种或施肥部件，主要的种类有：除草铲。作为播种机或施肥机使用。因而通用性强，中耕机上可装配多种工作部件，结构简单， 成本低。

第五章开沟器

 5.1 锄铲式开沟器

锄铲开沟器由带漏斗的开沟器体组成，其前下方为稍微向前突出的铲尖，后面是散种板。工作时开沟器以铲尖下缘接触土壤。开沟时将土壤分拨两边，并稍稍向上抬起。开沟器颊板的作用是保持沟体敞开。主要缺点是恰恰就是把下层湿土翻到表面上来，而且开沟深度随着土壤阻力的变化而变化。

开沟器的选择不但需要满足播种作业对开沟的要求，而且更要符合所采用的新型排种器的特点，最终确定播种选用芯铧式开沟器。

主要原因如下：

（1）锄铲式开沟器具有结构简单、重量轻、等优点。其入土角为锐角，入土性能好，但考虑结构的要求，所以不能满足播种的要求。

（2）双圆盘式开沟器虽然具有不易堵塞，不挂草，阻力小等优点，但是覆土和入土性能较差，而且其结构复杂，重量大，造价高，更重要的是双行播大豆时与采用的新型排种器配合困难，故此方案不是很妥当，未选择。

（3）芯铧式开沟器结构简单，入土性能较好，沟底平整，对播前整地要求不高，适应于我国东北地区大豆、玉米谷子的垄作宽幅播种。可以满足播种要求。

 第六章 结论

   机械化绿色环保农业是我国农业发展的方向，是减轻劳动者的强度，节省时间，提高效率的较好途径。螺旋式中锄草中耕机使用效果好，坚固耐用，可配套多种型号的拖拉机。耕作深度可根据不同的土壤和作物状况进行调整；垄距调节实现变速变距的作业模式，操作方便，数据分析可靠，可基本实现大田作业的绿色化。

通过本次设计，使我们对农业机械有了进一步的认识，同时也加深了对专业知识的理解和应用。在这次设计中不仅包括了理论知识，而且还包括了实际知识。要求我们综合运用这些知识来解决设计中遇到的各种问题，因而理论要求和实际动手要求都较高。

设计中锻炼了我们的实际能力，弥补了平时理论多于实践的不足，懂得应在实际中应用理论并及时也发现问题和解决问题。

总的来说，此次设计既是对原来知识的巩固加深和进一步了解，也是一次学习新知识的机会，使我的知识结构也变得成熟和完善起来。

参考文献

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[2] 北京农业工程大学  《农业机械学》 中国农业出版社    1999年

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[4] 《理论力学》 —哈尔滨工业大学理论力学教研组编  ——高等教育出版社

[5] 《材料力学》 —刘洪文  主编    高等教育出版社

[6] 《AUTO CAD 2007 中文版应用教程》 —郑运廷  主编   ——机械工业出版社

[7] 李宝筏 《农业机械学》 中国农业出版社      2003年

[8]机械设计手册编委会《机械设计手册》 机械工业出版社      2007年

[9] 杨裕根《现代工程图学》 北京邮电大学出版社      2004年

[10] 周开勤《机械零件手册》高等教育出版社      2005年

[11]中国机械工程学会《机械设计手册》—王少怀  主编  ——电子工业出版社

致谢

　   经过几个月的查资料、整理材料、写作论文，今天终于可以顺利的完成论文的最后的谢辞了，随着论文的完成，终于让我们的科技创新活动得以划下完美的句点。论文得以完成，要感谢的人实在太多了，首先要感谢潘世强老师，因为论文是在潘老师的悉心指导下完成的。潘老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。潘老师指引我的论文的写作的方向和架构，并对本论文初稿进行逐字批阅，指正出其中误谬之处，使我有了思考的方向，他的循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，当然论文的顺利完成，也离不开我们团队成员的相互支持相互帮助。在整个的论文写作中，我们积极的查找资料和发散思维分组讨论有关论文写作的建议和意见，在我们团结协作下，论文得以不断的完善，最终帮助我完整的写完了整个论文。 另外，要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是你们的悉心教导使我有了良好的专业课知识，这也是论文得以完成的基础。但是整篇论文肯定存在尚未发现的缺点和错误。恳请阅读此篇论文的老师、同学，多予指正，不胜感激！