电动旋耕机的分析与设计
——机械系统设计课程论文
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指导老师： 机械电气工程学院 机械设计制造及其自动化 2011级机制（3）班 刘振潮 201150940 倪向东
摘要：
电动旋耕机的设计方案。对旋耕机的国内外情况进行了分析和对比，重点进行了发动机的选择，变速器的设计，部分零件的设计，传动路线的设计以及对旋耕刀轴的设计等。
该机耕深15-20cm ，动力由发动机输出经皮带传动，传给变速箱进行减速，二级传动采用链传动。旋耕刀轴的设计采用三段式，中间为空心的圆管钢，两边采用实心轴，可制出轴肩来安装轴承和端盖。装有行走机构和限深铲，耕后地表平整，能够解决以往小型旋耕机功率小、结构复杂、操作麻烦、耕深浅等问题，适合大棚耕整地工艺的要求。
关键词：小型；电动；旋耕；
1研究的目的和意义
棚室生产是一种高投入、高产出的产业，而棚室的生产所需劳动力是从事大田生产的15～20 倍，是从事大地蔬菜生产的3 倍左右[1]。棚室管理机在棚室生产环节中有着举足轻重的作用，棚室管理机的研制和开发应向一机多功能的方向发展。即一机实现旋耕整地、开沟扶垄、播种、中耕除草、收割、配水泵（喷药、喷雾）及短途运输等项作业。特别是在旋耕整地环节上，一定要实现能够耕整棚室边角地带。
为解决温室大棚生产耕作困难、劳动强度大、效率低、成本高的问题，本文研制开发出一种电动旋耕机械。该机以交流电机为动力，具有动力强、耕作速度快、不排放有害气体、噪声低等优点，同时可起到，使用安全可靠，高效节能，无污染。该机是一种由电动机驱动的土壤耕作机具，其切土、碎土能力强，一次作业能达到犁耙的几次效果，耕后地表平整，松软能满足精耕细作要求，且能抢农时、节省劳力[2]。旋耕机将人工作业的松土、刨茬、捞茬、运茬等工序一次完成，可提高工效倍。据统计菜田如果实现机械化，一台机器顶16个劳动力，使用一台机器节约十六个劳动力，一年一个劳动力需要8000到15000元，每人按8000元算，将节约120000元。菜地机械化后一亩地全年由3茬变成4茬，如果一年增加一茬可增加1.2万元[3]。可见机械化可以解放劳动力同时提高农民收入，减轻劳动强度，提高作业质量。因此，高性能、低功耗、多功能适应我国国情的旋耕机具有广阔的发展前景。
2 旋耕机的现状
我国耕作机械现有产品的机型不多，应用不普遍，多为借用现有的露地用小型耕耘机械，其适应性差，生产效率低，而且作业质量不稳定。我国旋耕机存在的问题是规模小、成本高，“三化”水平低，使用水平低维修成本高，功能单一等问题。近几年针对温室、大棚等特殊耕作环境，国内研制生产了一些小型耕作机械，有的微耕机还设计有多种作业功能，考虑了兼顾露地作业，提高了机械的使用效率。但是由于产品大多存在以下问题，均未能很好的推广：①外形尺寸及结构质量大，操作不灵便。特别是从露地简单转移到大
棚内的机械，在棚室内转向和转移都十分困难，而且边角地带无法工作，漏耕严重：②生产率低，适应性较差，当土壤含水率较高(超过20％以上) 时，其碎土性能就会变差，耕作阻力变大：③作业性能、可靠性和耐久性等方面还存在一些问题。
国外旋耕机设施农业耕
作机械已非常成熟，作业性
能稳定，功能齐全，小巧轻
便。日本、意大利、荷兰、
以色列等国家的产品广泛用
于旋耕、犁耕、开沟、作畦、
起垄、中耕、培土、铺膜、
打孔、播种、灌溉和施肥等
作业项目。荷兰、以色列、
日本、美国等国家对温室用
作业机具进行了系统的开发、研究、推广和应用，许多作业项目如耕整地、播种、间苗、中耕和除草都已实现了机械化。但进口机型价格高，一般在7000元／台以上，而且配件
可以预见，若有价格更为低廉且能够耕整棚室边角的小型旋耕机问世，不但直接经济效益显著，而且还具有广泛的社会效益，其推广前景将是十分广阔的。
3
设计原理难，维修服务各个方面跟不上， 对我国国土70%的丘陵土地的情况十分不适用[4]。
动力由电动机输出，经皮带传动到变速箱，经变速箱减速后，再经过链传动到旋耕刀轴，这样可以减少中间的漏耕现象。这样可以在中间加一个阻力铲，增大旋耕机的
前进阻力，减少操作人员的体力消耗。中间的变速箱可以改为带轮减速，但是本机的设计
如果采用带轮的设计会使带轮的尺寸过大，使整机的尺寸过大。前面加一个支撑轮，便于非工作时行走，工作时可通过操作手柄拉动拉线，卸掉支撑轮以便于地头转弯。机架的另一侧有电动机的开关按钮，在需要零速度式可以关闭电动机。
4 弯刀主要参数的确定
①刀片最大切削半径Rmax ： Rmax 的确定与设计耕深和传动箱结构有关， 耕深增大， 要求Rmax 增大， 切削扭矩也随之增大， 因此在满足耕深的要求及传动箱结构尺寸允许的情况下， Rmax 应尽量取小值[6]。Rmax 取为198cm 。
②刀片正切刃幅宽b( 工作幅宽) ： b 的大小影响旋耕机的工作质量及功率消耗， 若b 增大， 旋耕刀滚的刀片数减少， 则相邻刀片间距增大， 有利于减少堵塞现象， 功率消耗不变， 但碎土质量差， 为了保证碎土质量，就要减小机器的行进速度， 故b 不宜过大。为了保证耕深及适宜的刃口长度， 刀片切削半径R 0 的大小可由下式确定： R 0=R 2max +S 2-2S 2R max ∙a -a 2 （3—
5）
式中： S——刀片最大进给量：
a ——最大设计耕深。
切土节距：在同一纵向平面内切土的旋耕刀, 在其相继切土的时间间隔内, 机组前进的距离称为切土节距。根据试验, 旱耕熟地(含水量20%～30% ) , S 取10～ 12 cm 左右; 耕轻、中粘度土壤(含水量大于35% ) , S 取6～ 9 cm; 粘重土壤、多草地, S 取4～ 6 cm [7]。
查《农业机械学》（北京农业工程大学主编），得刀片最大进给量 6000v m 6000⨯0. 5==6. 818cm （3—6） S=n ∙z 220⨯2
R 0=2+6. 8182-2⨯6. 818⨯2⨯1. 98⨯15-152=13. 267cm
根据《农业机械设计手册》和农艺要求，选择R198的旋耕刀。
5 弯刀的选择、配置与排列
旋耕机刀片是旋耕机的主要工作部件， 刀片的形状及参数对旋耕机的工作质量、功率消耗有很大影响，为了适应不同的技术要求及土壤状况的要求， 目前常用的刀片有弯形刀片、直角刀片和凿形刀片三种形式[8]。①弯形刀片( 铊形刀) ： 弯形刀的刃口呈弧形， 由正面刃口和侧面刃口两部分组成， 正面刃口较宽， 正面和侧面刃口均有切削作用。工作时， 靠近回转轴的侧切刃先与土壤接触进行切削， 最后由正切刃切削。这种切削过程可把未被侧刃切断的土块、草茎压向未耕地， 以坚硬的未耕地为支撑由正面刃进行切割， 这样草茎易被切断。对不能切断的草茎其曲线刃口可将其推向切削刃的端部而脱落。这种刀片不易缠草， 对土壤的适应性好。
②凿形刀片： 凿形刀片的正面刃口为较窄的凿形刃口， 呈平头或尖头， 工作时对土壤进行正面切削。因正面刃口较窄， 两相邻刀片的轴向间距大于刃口宽度， 切土块的两侧因撕裂而与土壤分离。凿形刀片入土性能好， 消耗功率较小，但耕作时易缠草， 适用于较疏松的土壤。
③直角刀片： 直角刀片的刃口平直， 其由侧切刃和正切刃组成， 弯曲部分近于直角。工作时， 刀片正面刃口先接触土壤， 然后侧面刃进行切削并逐渐接近刀片根部， 因此易产生缠草现象。这种刀片刚性好、碎土能力强， 适于旱地耕作。
通过比较， 选用弯形刀片， 其较适合小型旋耕机的作环境。
为使旋耕机作业时不产生漏耕和堵塞现象， 并使刀轴受力均匀[9]。刀片在刀轴上的排列原则如下：
①刀轴上的刀片应按一定顺序入土， 每转过360°/z有一把刀片入土， 使扭矩较为均衡， 工作平稳。
②在同一回转平面内， 若装两把以上刀片， 应保证进给量相等， 以保证碎土质量良好， 耕后沟底平整。
③尽可能增大相继入土刀片在刀轴上的轴向距离，以免发生堵塞。
④相邻刀片的角度差应尽量大些， 以防夹土及堵塞。
⑤采用非对称刀片时， 右弯刀片应尽量交错入土，以减少刀滚上的轴向力。
⑥刀片排列应尽量规则， 一般采用螺旋线排列。如图3-2所示。
图3-2 旋耕刀片螺旋排列
动效率高，轴上径向压力较小，结构较为紧凑。二级传动采用变速箱i 2=2.97。侧边
传动采用链传动，可以没有传动比，起到传动功能。
图4—2 输送链条结构图
6 工作过程
旋耕机是一种由动力驱动的耕地机械，由
拖拉机动力输出轴带动装有刀片的滚辘旋转
进行工作。旱地作业时，拖拉机动力输出轴带
动旋耕刀转动，对土壤进行切削，被切削出来
的土块相互撞击而碎裂。土块碎裂后，覆盖均
匀平整，地面不会出现犁沟。纵向结构尺寸及
入土行程均较短，地头相应缩小，因而生产率
较高。碎土性能强，作业后地面平整。 能充
分发挥拖拉机的功率。
耕地作业时，拖拉机驱动轮可能会打滑，致使牵引力减少。旋耕机刀轴转动时，刀片的切削方向与拖拉机的前进方向相反，土壤对刀片的切削反作用力与拖拉机前进方向一致，所以，拖拉机与旋耕机配套作业时因旋耕机的旋转，本身就会产生一个推动机器前进的力量，这就能充分发挥拖拉机的功率。
参考文献
[1] 濮良贵，纪名刚主编. 机械设计. 第七版. 高等教育出版社. 西安:2001.60-374
[2] 席伟光，杨光，李波主编. 机械设计课程设计. 高等教育出版社. 北京.2003.5.2：180-250
[3] 罗国平, 李平林, 张力乃, 黄少颜等. 机械设计课程设计指导书. 第二版. 西安:2004. 7-10
[4] 李宝筏主编. 农业机械学. 中国农业出版社. 北京
:2003.2.29-32
[5] 哈尔滨工业大学理论力学教研室编. 理论力学. 第六版. 高等教育出版社. 北京:170～188
[6] 北京农业工程大学主编. 农业机械学. 上册. 第二版. 北京:177-180
[7] 日本农业机械学会编. 农业机械设计手册. 机械工业出版社出版. 北京:506-510
[8] 中国农业机械化科学研究院编. 农业机械设计手册. 机械工业出版社. 北京:173-184
[9] 大连理工大学工程画教研室编. 机械制图. 第五版. 高等教育出版社. 北京:2002. 233-329
[10] 刘鸿文. 材料力学. 第四版. 高等教育出版社. 北京:2004.12.6-127