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I 摘要 現(xiàn)代新型挖坑機的研發(fā)主要向系列化、多功能和高性能方向發(fā)展。本植樹挖坑 機采用懸掛式與拖拉機三點懸掛式聯(lián)接，即鉆頭在懸掛支臂的一端，支臂的另一端 置于拖拉機懸掛支點上。 本挖坑機主要是對傳統(tǒng)的懸掛式植樹挖坑機的傳動部分和挖掘部分的改進。在 主軸箱設計方面，合理的設計錐齒輪的傳動比以及強度計算等。在總體設計方面， 盡量簡化挖坑機的結(jié)構，減少其零件數(shù)目，以降低成本。對于雙螺旋葉片設計，其 直徑由下往上逐漸減小，其螺旋夾角也由下往上逐漸減小，以避免鉆頭工作時與塘 壁發(fā)生碰撞和摩擦等情況，提高了工作穩(wěn)定性。 關鍵詞：挖坑機；懸掛；雙螺旋葉片 II Abstract Modern research and development of new major development digging machine to the series, versatile and high-performance orientation. The tree planting digging machine adopts hanging type connection with a tractor three-point suspension that drill at one end of the suspension arm, the other end of the arm is placed on the tractor fulcrum. The main part of the digging machine to improve the traditional hanging tree planting and digging digging machine transmission parts. In headstock design, as well as the strength of the transmission ratio rational design bevel gear calculation. In terms of overall design, try to simplify the structure of digging machines, reducing its number of parts to reduce costs. For the double helix blade design, its diameter decreases gradually upward from the lower its upward spiral angle also decreased from the next, in order to avoid the pond wall collision occurred when the drill work and friction, etc., to improve the working stability. Key words: Digging machine; Suspension; Double helix leaves 1 目 錄 摘要 .......................................................................................................................................I ABSTRACT........................................................................................................................II 前言 .......................................................................................................................................3 第一章 引言 .........................................................................................................................4 1.1 本課題的設計意義 ................................................................................................4 1.2 我國園林機械的介紹 ............................................................................................4 1.3 國內(nèi)外發(fā)展概況及現(xiàn)狀 ........................................................................................5 1.3.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀.................................................................................................5 1.3.2 國外研究現(xiàn)狀.................................................................................................7 1.4 課題由來及設計條件 ..........................................................................................11 1.5 課題設計思路 ......................................................................................................11 第二章 總體方案設計 .......................................................................................................12 2.1 挖坑機的設計要求 ...............................................................................................12 2.2 作業(yè)原理 ..............................................................................................................13 2.3 挖穴機與拖拉機的聯(lián)接 ......................................................................................13 2.4 挖穴機的動力部分 ..............................................................................................14 2.5 挖坑機主要技術規(guī)格和基本技術參數(shù) ..............................................................16 第三章 部件設計 ...............................................................................................................17 3.1 鉆頭的設計 ...........................................................................................................17 3.2 雙螺旋葉片的設計 ..............................................................................................18 3.3 螺旋軸的設計 .......................................................................................................18 3.4 減速器的設計 .......................................................................................................22 3.4.1 計算傳動裝置的運動和動力參數(shù)................................................................23 3.4.2 傳動零件的設計計算....................................................................................24 第四章 設計計算 ...............................................................................................................29 4.1 動力分配計算 .......................................................................................................29 4.2 萬向聯(lián)軸器的選用計算 ......................................................................................29 4.3 提升機構設計 ......................................................................................................30 2 4.4 齒輪軸 ..................................................................................................................30 4.5 軸承的選用與計算 ..............................................................................................32 第五章 主要零件強度計算 ...............................................................................................35 5.1 齒輪的校核計算 ...................................................................................................35 5.2 主軸的校核計算 ..................................................................................................39 第六章 挖坑機使用和使用中的注意事項 .......................................................................45 6.1 挖坑機使用 ...........................................................................................................45 6.2 使用中的注意事項 ...............................................................................................46 第七章 結(jié)論 .......................................................................................................................47 參考文獻 .............................................................................................................................48 致 謝 .................................................................................................................................49 3 前言 從國家林業(yè)局公布的第六次全國森林資源調(diào)查結(jié)果來看，目前我國森林資源現(xiàn) 狀是：林業(yè)用地面活立木總蓄積量為 124.9 億 m3；森林蓄積量為 112.7 億 m3；除臺 灣省外，全國人工林面積為 46666.7 萬 m3；人工林蓄積為 10.1 億 m3。從以上調(diào)查 數(shù)字可以看出，全國森林覆蓋率為 16.55%，僅相當于世界森林覆蓋率(27%)的 61.3%； 我國人均森林面積和人均森林蓄積分別相當于世界人均水平的 1/5 和 1/8，遠遠低于 世界平均水平。我國在“ 十二五 ”規(guī)劃中，把生態(tài)環(huán)境建設擺到了突出的戰(zhàn)略位置。 我國三北及長江流域防護林體系建設工程、退耕還林工程、積為 26329.5 萬 hm2； 森林面積為 15894.1 萬 hm2；速生豐產(chǎn)用材林基地建設工程等六大林業(yè)重點工程的 制定和實施，體現(xiàn)了黨中央、國務院對我國生態(tài)環(huán)境建設的高度重視，受到社會各 界廣泛關注，農(nóng)民群眾普遍歡迎。近年來，人們越來越重視身邊的生態(tài)環(huán)境， “植樹 造林，保護環(huán)境” 已成為全民參與的一項大型義務活動。因此，保護我國現(xiàn)有的原 始森林生態(tài)系統(tǒng)以及恢復和重建我國退化森林生態(tài)系統(tǒng)，改善我國生態(tài)環(huán)境狀況， 提高我國森林覆蓋率，必須開展大規(guī)模的造林工程。采用人工造林投入大，產(chǎn)出少， 用工多，效率低，速度慢，勞動強度大，而采用機械化作業(yè)則可以提高工效，減輕 勞動強度，保證作業(yè)質(zhì)量，降低生產(chǎn) 成本，提高經(jīng)濟效益，因此，進行機械化造林 是必要的。要進行機械化造林作業(yè)就必須有大量與之配套的造林機械設備，植樹挖 坑機結(jié)構簡單緊湊，體積小，重量輕，土地適應性強，對地形反應不敏感，工作可 靠等突出優(yōu)點而被廣泛使用，尤其是在條件較差的采伐地，不平的砂石荒漠地，未 開墾的多雜草灌木地和山地等特殊地貌的植樹造林速度和質(zhì)量。固研究高性能，低 成本，使用方便，適合我國國情的植樹挖坑機是我們目前要解決的問題。 4 第一章 引言 1.1 本課題的設計意義 我設計的是一臺植樹挖穴機用于植樹造林及其他的小型挖坑作業(yè)?，F(xiàn)有的挖穴 機多為手提式挖穴機，起工作效率不高，使用條件不便，穩(wěn)定性能不太理想，因此， 本課題設計的植樹挖穴機要求工作穩(wěn)定，工作效率高。隨著地球環(huán)境的日益惡化， 需要大量植樹造林，改善環(huán)境，因此，研制經(jīng)濟高效的植樹挖穴機將深受廣大人名 群眾的歡迎。 1.2 我國園林機械的介紹 隨著人們生活水平的不斷提高，人們對于生活品質(zhì)的要求越來越高，隨之發(fā)展 的就是城市的草坪業(yè)和綠化建設。要想擁有好的綠化建設，園林機械是必不可少的。 像油鋸、高枝鋸、綠籬機、割草機、地鉆、新型挖坑機械等等，都是不可或缺的。 但是，由于草坪業(yè)和城市綠化建設的迅猛發(fā)展，國內(nèi)的園林機械根本就跟不上 這樣的發(fā)展節(jié)奏。 我國目前園林機械主要存在著以下問題。 第一，園林機械的核心技術跟不上。園林機械技術的核心是發(fā)動機，國外進口 的園林機械一般噪音小，節(jié)能性好，經(jīng)久耐用，而我國的產(chǎn)品由于技術不過關，往 往其發(fā)動機的噪聲和耗油量都很大，還容易損壞，所以，相較之下，由于發(fā)動機檔 次的差距，很多國內(nèi)園林機械的生產(chǎn)商就選擇了進口發(fā)動機，從而導致生產(chǎn)成本增 加，在市場競爭中處于不利位置。 第二，國產(chǎn)園林機械工作質(zhì)量欠佳。國產(chǎn)園林機械在質(zhì)量上與進口機械的差距 主要表現(xiàn)在：割草機在修剪之后，草皮高低不平；移植機切邊不整齊，起草速度慢， 連續(xù)工作能力差等。因此，雖然進口機價格高，但許多人愿意買。 第三，人們的消費觀念還未改變。 然國產(chǎn)的園林機械在不斷完善，相較之前 的已經(jīng)越來越好。但是，人們的觀念還未轉(zhuǎn)變，總認為進口的總比國產(chǎn)的好，即使 價格要昂貴一點，仍舊愿意選擇進口的。 針對這三種制約我國園林機械發(fā)展的因素，面對進口園林機械強大的市場沖擊， 5 國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)沒有坐以待斃，而是在努力搶占市場，樹立自己的品牌。只不過由于 受諸多因素的影響，園林機械國產(chǎn)化不可能一蹴而就。目前，一些國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)通 過改進技術手段、樹立企業(yè)形象等方式，提升自身水平，并正逐步被消費者所接受。 我國園林機械產(chǎn)品正在向多樣化、規(guī)?；⑾盗谢较虬l(fā)展。最初國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)生 產(chǎn)的園林機械品種只限于移植機、割草機等少數(shù)高利潤產(chǎn)品，而現(xiàn)在市場上各種用 途的園林機械已是琳瑯滿目。專家預測，未來幾年，國產(chǎn)園林機械將在國內(nèi)市場占 據(jù)主動，并逐步打入國際市場。 按照使用場合分類，園林工具包括園藝工具和園林工具；按照使用對象分類， 還能夠分成家用工具和專業(yè)工具；按照動力不同，又分為引擎類和電動類，引擎類 使用 2 沖程或 4 沖程發(fā)動機，本田或 BS 的是高端產(chǎn)品的首選；電動類又細分為交 流類和直流類。 園藝工具主要有：園林剪刀、花卉工具（園林花具，小套花具） 。園林剪刀主 要產(chǎn)品有高枝剪、整籬剪（籬笆剪） 、剪枝剪（整枝剪、修枝剪） 、多用剪、摘果剪、 剪花剪、剪草剪等；田園組套花卉工具（園林花具，小套花具）包括花鍬、花鏟、 花耙、花鋤、花叉等等，具體有兩頭鋤（兩頭花鋤） 、平鋤、平耙、三齒花鋤、三 齒花耙、鋤耙、鋤鎬、大花鏟、小花鏟、三字花鏟、一字花叉、六齒花耙等。 園林機具主要有：植樹挖坑機、草坪修剪機、割灌割草機、綠籬修剪機、油鋸、 水泵、打孔機、起草皮機、打藥機及各款園林工具。 隨著國內(nèi)這幾年城市建設的發(fā)展，城市綠化已經(jīng)形成很大一個產(chǎn)業(yè)，日常的養(yǎng) 護便依賴這些工具來完成。我們?nèi)粘？匆姷拇蠖嗍瞧蜋C動力的園林工具，如植樹 挖坑機、割草機、修枝剪、打草機、修邊機、割灌機等。 1.3 國內(nèi)外發(fā)展概況及現(xiàn)狀 1.3.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 中國挖坑機產(chǎn)業(yè)發(fā)展出現(xiàn)的問題中，許多情況不容樂觀，如產(chǎn)業(yè)結(jié)構不合理、 產(chǎn)業(yè)集中于勞動力密集型產(chǎn)品；技術密集型產(chǎn)品明顯落后于發(fā)達工業(yè)國家；生產(chǎn)要 素決定性作用正在削弱；產(chǎn)業(yè)能源消耗大、產(chǎn)出率低、環(huán)境污染嚴重、對自然資源 破壞力大；企業(yè)總體規(guī)模偏小、技術創(chuàng)新能力薄弱、管理水平落后等。 我國植樹造林機具現(xiàn)狀我國植樹造林機械赴較晚，主要在南方為種植橡膠實現(xiàn) 6 產(chǎn)業(yè)化，有為東方紅-75、熱特-25 型拖拉機配套的挖穴機，而北方地區(qū)為栽植果樹 和防護林，也研制了為中型輪式拖拉機如上海-50、神牛-25 型拖拉機配套的開溝機、 挖穴機，這種機具既可以挖植樹穴坑，也可以挖梯形溝槽用于果樹施溝肥。對大面 積的機械植樹造林，多采用鏵式系歹開溝機，如 1K-40、1K-50 和 1K-60 型開溝機。 我國植樹造林機械雖有多個品種，但由于栽種樹苗多在山地、坡地，土質(zhì)條件復雜， 影響了機械的使用效果，基本上用人工挖坑栽苗，生產(chǎn)的挖穴機批量較小。近幾年 來，由于經(jīng)濟林的興起以及國家為防治水土流失，退耕還林、種草種樹已引起各有 關部門的普遍重視，并加大了植樹造林機械的投入，取得了良好的效果。 在國內(nèi)，懸掛式挖坑機的生產(chǎn)和應用較為廣泛，內(nèi)蒙古赤峰田豐農(nóng)林機械廠、 山東大豐機械有限公司、哈爾濱林業(yè)福馬機電設備公司及寧夏自治區(qū)農(nóng)業(yè)機械研究 所等10余家單位進行了研究、制造和銷售。該類挖坑機通常具有較大的功率，機動 性較強，能挖較大和較深的坑，大多應用于大面積植樹造林，應用范圍也比較廣 [2]。 1) 內(nèi)蒙赤峰田豐農(nóng)林機械廠生產(chǎn)的3WH-60 型懸掛式挖坑機（如圖1 所示）， 結(jié)構合理，使用方便靈活，易于操作，每小時可挖80-150 個坑。其可與多種型號 36.8kW 以上拖拉機配合使用，用于大面積植樹造林及工業(yè)挖坑。挖坑直徑 250~600mm，深度0-1200mm，適用于平原、丘陵及沙地作業(yè)。 2) 山東大豐機械廠生產(chǎn)的“大豐王”系列挖坑機WKJ-60/70（如圖2 所示）可與 18.4k-36.8kW 的多種拖拉機配合使用，挖坑直徑400-800mm（可根據(jù)用戶要求特別 制作），深度650-800mm，轉(zhuǎn)速248r/min，每小時可挖60 個坑。 圖 1 3WH-60 型縣掛式挖坑機 7 圖2 WKJ-60/70 挖坑機 3) 哈爾濱林業(yè)福馬機電設備公司生產(chǎn)的懸掛式挖坑機（如圖3 所示）可與鐵牛 40.4kW 或18.4kW以上的具有動力輸出和懸掛裝置的拖拉機配套，挖坑直徑為250- 600mm，挖坑深度為0-800mm，挖坑效率為120 坑/h 。 4) 手提式挖坑機在我國剛剛嶄露頭角，適用于家庭或地形復雜地區(qū)的小面積植 樹造林，也可用于打樁和樹木追肥挖坑。如哈爾濱林業(yè)福馬機電設備公司生產(chǎn)的 3WS-2.8 型手提式挖坑機（如圖 4 所示），采用 051A-1型發(fā)動機，最大功率為 2.8kW，轉(zhuǎn)速為 280-320r/min，挖坑尺寸（坑徑× 深度）為φ320mm×500mm，質(zhì)量為 17.6kg。該機主要應用于地形復雜的山地、丘陵區(qū)和溝壑區(qū)，在坡度35°以下的荒山 荒地、次生林地以及黃土高原的溝坡進行挖坑或整地。 圖 3 懸掛式挖坑機 圖 4 3WS-2.8 型手提式挖坑機 國內(nèi)的一些林業(yè)高等院校和科研院所也對挖坑機進行了一些研究分析，關于挖 坑機的論文大約有幾十篇，涉及鉆頭升土理論及鉆頭臨界轉(zhuǎn)速的研究、鉆頭螺旋面 強度的分析以及螺旋升角的選擇問題，還得出了在不同條件下的挖坑機的動態(tài)力學 參數(shù)，指出了鉆頭轉(zhuǎn)矩的主要影響因素，對挖坑機的一些結(jié)構參數(shù)的確定起到了指 導作用，為國內(nèi)挖坑機的優(yōu)化設計提供理了論支持。 1.3.2 國外研究現(xiàn)狀 相比之下，國外的研究狀況要好一些。由日本生產(chǎn)的自走式高性能挖坑整地機 8 采用柴油機作動力，行走腳與輪胎組合行走裝置為全液壓式，平時用輪胎行駛，坡 地靠行走腳行走，適用于坡度高達56°的陡坡林地作業(yè)。作業(yè)時，4只腳可上下、左 右移動，并能保證包括駕駛室在內(nèi)的機器上半部始終呈水平狀態(tài)。該機的液壓臂端 部可安裝液壓式割灌機或挖坑機，每天可挖植樹坑300-400個，實現(xiàn)了一機多用。日 本生產(chǎn)的A-7型手提式挖坑機（如圖5（a）所示）質(zhì)量僅為7.0kg，采用H35D發(fā)動機； A— 8D型挖坑機（如圖5（b）所示）可挖坑徑范圍為20-200mm。 (a)A-7 型手提式挖坑機 (b)A-80 挖坑機 圖5 日本生產(chǎn)的挖坑機 英國生產(chǎn)的05H8300 型懸掛式挖坑機（如圖6所示）和美國生產(chǎn)的懸掛式三鉆 頭挖坑機（如圖7所示）鉆頭之間的距離是可調(diào)節(jié)的（既行距可調(diào)），適用于平原 地區(qū)的大面積植樹造林，工作效率很高 [2]。 圖 6 英國產(chǎn) 05H8300 式挖坑機 9 圖 7 美國產(chǎn)懸掛式鉆頭挖坑機 美國和加拿大生產(chǎn)的手提式挖坑機，發(fā)動機與鉆頭采用分離式，通過液壓傳動 驅(qū)動鉆頭工作。美國生產(chǎn)的HYD-TB11H 型液壓挖坑機（如圖9 所示）質(zhì)量為 170kg，最大流量為22.7L/min，最大轉(zhuǎn)速為141r/min ，鉆頭最大扭矩349N·m。美國 生產(chǎn)的MDL-5B 型挖坑機（如圖10 所示）發(fā)動機采用動力為 4.1kW 的BS Intek Pro OHV。圖 9 和圖10 所示的挖坑機在工作時發(fā)動機離操作者有較遠的距離，大大減 少了噪音對操作者的影響，充分考慮了人-機工程學原理；有的手提式挖坑機安裝了 1 個支點（即輪子），使挖坑機的攜帶比較方便，工作時還可以把挖坑機的反向轉(zhuǎn) 矩釋放給輪體，減小操作者手上的反向力矩，增加其安全性，并減輕了操作者的疲 勞程度。 圖 9 美國產(chǎn) HYD-TB11H 型液壓挖坑機 10 圖 10 美國產(chǎn) MDL-5B 型挖坑機 挖穴機為了適應不同土壤、不同作業(yè)條件的要求，國外生產(chǎn)的不同動力配套的 造林用挖穴機，有手提式、背負式、手扶拖拉機式和拖拉機式 4 種。 A.手提式挖穴機，分為單人式與雙人式。日本多用單人手提式，歐洲各國則多 采用雙人手提式。手提式挖穴機發(fā)動機的功率一般為 1.3--3.7kw，多采用油鋸和割 灌機的單缸風冷汽油發(fā)動機為動力。單人和雙人手提式挖穴機發(fā)動機的轉(zhuǎn)數(shù)經(jīng)離心 式離合器和減速箱，將轉(zhuǎn)數(shù)降低到 100--200r/min，再傳到挖穴鉆頭。由于減速比很 大，多采用蝸輪蝸桿或擺線針輪行星傳動機構，以便減少機器的質(zhì)量。由于雙人手 提式挖穴機質(zhì)量可以大一些，有的采用多段直齒輪減速機構。有的挖穴機為了使挖 穴機鉆頭能自動地由地中拔出，在傳動機構中裝有逆轉(zhuǎn)機構。國外所用的挖穴鉆頭 多為螺旋片型，挖穴時自穴中向上排土的性能好，螺旋片型有單螺旋和雙螺旋兩種。 山地造林時，挖穴的直徑和深度為 25--30 厘米，因此多采用 1.5--2 個節(jié)距的螺旋片。 為了提高螺旋片型挖穴機的切根性能，有的將螺旋邊緣做成缺口狀。國外所用挖穴 機鉆頭的轉(zhuǎn)數(shù)都不太高，以免將穴中的土壤甩得過遠，一般周邊速度為 3 米/秒左右， 鉆頭轉(zhuǎn)數(shù)為 200--300r/min。裝有逆轉(zhuǎn)機構的挖穴機在拔出鉆頭時，土壤會向相反方 向旋轉(zhuǎn)，不會從穴中拋出。手扶拖拉機式挖穴機的功率為 3.7--7.3kw，輪式拖拉機 挖穴機的功率為 36.8--73.6kw。 B.懸掛式挖穴機主要用于栽植大樹苗時的挖穴作業(yè)，挖穴直徑為 50--80 厘米， 挖穴深度為 60 厘米，挖穴機懸掛在 25.7--58.8kw 拖拉機上。挖穴機由縱吊桿、帶 安全裝置的萬向傳動軸、減速器和不同直徑的挖穴鉆頭組成。減速器由一對直齒錐 齒輪組成，更換不同直徑的挖穴鉆頭時，要更換不同的錐齒輪，可換挖穴鉆頭有 3 種，直徑分別為 80、60、30 厘米。鉆頭由空心鉆桿、葉片和切土刀片組成，鉆桿 下端有定心尖。工作時，由拖拉機動力輸出軸經(jīng)萬向傳動軸帶動旋轉(zhuǎn)工作部件完成 挖穴作業(yè)，利用液壓裝置控制鉆頭升降。 C.液壓式挖穴機在發(fā)達國家已普遍推廣。由于液壓技術的普及推廣，發(fā)達國家 在挖穴機上已采用液壓傳動裝置，主要用在液壓輸出能力較強的拖拉機或挖掘機的 機型上，用液壓泵驅(qū)動齒輪機構傳動系統(tǒng)。DANUSER 液壓挖穴機裝有高效、轉(zhuǎn)向 密封性能好的液壓馬達，可調(diào)節(jié)機械鏈條與齒輪，使扭距增大 4 倍。采用液壓驅(qū)動 比用萬向節(jié)套管傳動更靈活方便，當遇到障礙物時能起到安全緩沖作用。 11 1.4 課題由來及設計條件 A.設計內(nèi)容 設計一臺植樹挖坑機用于植樹造林。主要的設計內(nèi)容有： a)總體設計：設計總體方案。繪制挖坑總圖； b)零部件設計：根據(jù)挖坑機總圖，設計齒輪箱等傳動機構；繪制傳動軸、齒輪、 齒輪箱體、鉆頭等零件圖；有關計算、校核等。 B.設計依據(jù) a) 相配套的江蘇-50 型四輪拖拉機主要技術數(shù)據(jù) ①力輸出軸轉(zhuǎn)速：720r/min；540 r/min ②動力輸出軸離地高度：645mm b) 挖穴機技術參數(shù) ①挖穴直徑：500mm ②挖穴深度：800mm ③鉆頭轉(zhuǎn)速：150～250r/min ④鉆頭形式：采用雙螺旋葉片結(jié)構； ⑤工作效率：60～90 坑塘 /小時 ⑥按 5 年壽命，每年工作 800 小時計。 1.5 課題設計思路 在開始該機設計前，參考對比了一系列已有的植樹挖坑機，例如懸掛式挖坑機， 手提式挖坑機，液壓式挖坑機等，總結(jié)發(fā)現(xiàn)他們都要用到由一對齒輪傳動組成的減 速箱，而本課題采用的是懸掛式挖坑機的方式，一種與小四輪拖拉機配套的懸掛式 挖坑機，由懸掛架、帶安全裝置的萬向傳動軸、減速箱、雙螺旋葉片型鉆頭等構成； 懸掛架兩端分別與拖拉機和減速箱鉸合連接，雙螺旋型鉆頭固定在減速箱的輸出軸 上；工作時，拖拉機的提升臂拖帶懸掛架進行升降，由拖拉機動力輸出軸經(jīng)萬向傳 動軸帶動旋轉(zhuǎn)工作部件完成挖穴作業(yè)；具有結(jié)構簡單、作業(yè)質(zhì)量好、效率高、移動 及通過性能靈活的特點，廣泛應用于植樹造林、施肥集水、埋設樁柱等作業(yè)。 12 第二章 總體方案設計 2.1 挖坑機的設計要求 1) 挖坑機所挖出的坑徑與坑深應滿足栽植樹木的要求。 2) 挖出的坑徑要有較好的垂直度，坑壁應整齊，但不宜太光滑，否則不利于根 系的生長。 3) 在貧瘠的土地上挖樹坑時， 要求出土率在90%以上，以便在坑內(nèi)添加肥料 和表土回填，改善樹木的生長條件；在肥土層較厚的土地上挖植樹坑時，可以有 25%~40%的松土留在坑內(nèi)。挖坑時，拋出土應在坑的周圍，拋土半徑不應太大，以 便回填方便。 4) 根據(jù)造林技術要求，有時挖坑與造林不是相繼進行的。此時，挖坑土壤可不 出坑，只要求鉆頭破碎草皮、切斷灌根、排出石塊、疏松土壤，以便蓄水保墑與熟 化土壤，這種挖坑又叫穴狀整地。 挖坑機的種類很多。如果按與配套動力的掛接方式對其進行分類，可分為懸掛 式挖坑機；手提式挖坑機、牽引式挖坑機和自走式挖坑機 [3]。按挖坑機上配置的鉆 頭數(shù)量可分為單鉆頭、雙鉆頭和多鉆頭掘坑機。挖坑機的鉆頭根據(jù)形狀可分為螺旋 式鉆頭螺旋帶型鉆頭、葉片型鉆頭和螺旋齒式鉆頭等。對于懸掛式挖坑機，機器懸 掛在拖拉機上主要用于地形平緩或拖拉機可以通行的地方，鉆頭的升降由拖拉機手 通過拖拉機液壓系統(tǒng)操縱，挖坑直徑和深度都比較大，也可以多鉆頭同時作業(yè)。對 于手提式挖坑機，機器與汽油發(fā)動機裝配成整體，由單人或雙人手提操作，質(zhì)量較 輕，適用于拖拉機不能通過的地形復雜的山地、丘陵和溝壑地區(qū)，挖坑直徑和深度 都比較小，也可用于果樹的追肥及埋設樁柱。牽引式挖坑機的機器裝在小車上，由 拖拉機牽引，掛接方便，不受拖拉機結(jié)構限制，但結(jié)構復雜，機動性差。自走式挖 坑機設計成整體自走式，挖坑機本身自帶動力，通過性較好，技術含量和自動化程 度較高，價格昂貴。后兩種挖坑機由于局限性較大，在我國應用較少。單鉆頭挖坑 機在我國應用比較普遍，多鉆頭挖坑機則比較少見。挖坑機的鉆頭形狀多為螺旋式 或螺旋帶型。 如果用于山上、坡地種植小樹苗，可以選用小型挖穴機，它的配套動力在 4 千 瓦以下，開挖直徑約 30 厘米，深度 30-40 厘米。目前國產(chǎn)小型挖坑機有以下機型可 13 供選擇 [3]:①中國農(nóng)機研究院耕作所研制的與 2.2-3.7 千瓦手扶拖拉機配套的挖坑機， 挖坑直徑 20-30 厘米，深度 20-40 厘米，生產(chǎn)效率 100-150 個/ 小時。② 中國第一拖 拉機股份公司生產(chǎn)的東方紅-IW20/30 挖穴機，汽油發(fā)動機功率 3.7 千瓦，機重 23.5 千克，使用時由 2 個人握住挖穴機的手柄即可操作。③山東招遠市日強農(nóng)機有限公 司生產(chǎn)的 DT-ZB4 型植樹挖坑機，它采用二沖程 3.7 千瓦汽油機作動力，挖坑直徑 36 厘米，挖坑深度 60-120 厘米，機重 23 千克，每 1.2 分鐘可挖坑 1 個。如果用于 小塊地或城鄉(xiāng)結(jié)合部植樹，可以選用與小四輪拖拉機配套的中型挖坑機，其開挖直 徑約 30-50 厘米，坑深 40-50 厘米，例如南昌旋耕機廠生產(chǎn)的 IW-60 型挖坑機如果 用于工程施工，則應選用大型挖坑機，它與 40.4 千瓦(55 馬力)以上輪式或履帶式拖 拉機配套，挖坑直徑 50~60 厘米，坑深 70-100 厘米，例如，云南省熱帶作物機械廠 生產(chǎn)的挖坑機，它由東方紅 75 型履帶式拖拉機驅(qū)動，可以開挖底徑 60-80 厘米、深 70 厘米的穴坑，生產(chǎn)率為 90 個/小時，機重 485 千克。 2.2 作業(yè)原理 一種與小四輪拖拉機配套的懸掛式挖坑機，由懸掛架、帶安全裝置的萬向傳動 軸、減速箱、雙螺旋型鉆頭等構成；懸掛架兩端分別與拖拉機和減速箱鉸合連接， 雙螺旋型鉆頭固定在減速箱的輸出軸上；工作時，拖拉機的提升臂拖帶懸掛架進行 升降，由拖拉機動力輸出軸經(jīng)萬向傳動軸帶動旋轉(zhuǎn)工作部件完成挖穴作業(yè)；具有結(jié) 構簡單、作業(yè)質(zhì)量好、效率高、移動及通過性能靈活的特點，廣泛應用于植樹造林、 施肥集水、埋設樁柱等作業(yè)。 挖坑作業(yè)時，拖拉機液壓懸掛裝置處于浮動狀態(tài)，使鉆頭對準挖坑標記中心靠 自重下落，拖拉機的動力輸出軸通過傳動軸和減速器帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)入土，鉆頭切去 中心部分土壤，進而鉆頭葉片下端的刀片切削土壤，切下的土壤在離心力作用下被 拋向穴壁，并在摩擦力作用下沿著葉片螺旋向上升到地面被拋到穴的周圍，挖到預 定深度時，通過液壓懸掛裝置提升鉆頭到運輸狀態(tài)，再轉(zhuǎn)移到下一個挖坑地點。 2.3 挖穴機與拖拉機的聯(lián)接 挖穴機與拖拉機采用三點懸掛裝置聯(lián)接，具有結(jié)構簡單、作業(yè)質(zhì)量好、效率高、 移動及通過性能靈活的特點，廣泛應用于植樹造林、施肥集水、埋設樁柱等作業(yè)。 14 三點懸掛機構示意圖（圖 2-1）： 圖 2-1 三點懸掛機構示意圖 2.4 挖穴機的動力部分 圖 2-2 傳動路線圖 動力由拖拉機輸出，通過帶安全裝置的萬向傳動軸，將動力傳到挖穴機的輸入 軸，再通過一對直齒錐齒輪傳動來帶動雙螺旋葉片型鉆頭轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)挖穴作業(yè)。 (如圖 2-4 所示 ) A.功率計算 查表得： ； ；0.96??圓 錐 齒 98.0?滾 子 軸 承 96.0?萬 向 節(jié)? a.拖拉機動力輸出軸的額定輸出功率 作為設計功率)(4.58. 馬 力發(fā)額 ?N b.計算第一軸及小錐齒輪 的功率、轉(zhuǎn)速和扭矩1Z 15 齒輪軸： )(632.7馬 力萬 向 節(jié)軸 承額 ????NI min/0rnI )(43.72.7162. 米千 克 ??IIM896..03.1 馬 力軸 承 ?????IZN)(47.72162.76 11 米千 克 ???Znmin/01rZ? c.立軸與大錐齒輪 功率、轉(zhuǎn)速和扭矩:2 馬 力 ）圓 錐 (402.3596.87.312 ?????ZNin/24012 rnZ?)(36.8.622 米千 克 ?ZZM 立軸功率、轉(zhuǎn)速和扭矩為： )(91.42 馬 力軸 承 ???ZINmin/32rnI )(198.06.71米千 克 ???IIM 各軸與齒輪考慮傳動效率后相應功率，轉(zhuǎn)速和扭矩匯總?cè)绫?2-3 所示： 表 2-3 各軸功率、轉(zhuǎn)速和扭矩表 I 軸 II 軸 軸次 動力輸出軸 軸 1Z軸 2Z 功率（馬力） 40 37.632 36.879 35.404 34.696 轉(zhuǎn)速（ r/min） 720 720 720 234 234 扭矩（千克 米）?39.789 37.433 36.685 108.361 106.193 16 B.挖坑幅度 根據(jù)設計要求，挖坑直徑為 500mm，深為 800mm，因此，雙螺旋葉片最大直 徑為 500mm。如圖 2-4 所示： 圖 2-4 挖坑幅度示意圖 2.5 挖坑機主要技術規(guī)格和基本技術參數(shù) 型式：三點懸掛聯(lián)接，中間齒輪傳動 配套動力：黃海金馬-50 型輪式拖拉機 挖坑幅度：挖坑直徑 D=500mm，挖坑深度 H=800mm 作業(yè)速度： I 檔 540r/min II 檔 720r/min 螺旋葉轉(zhuǎn)速： I 檔 175.5r/min II 檔 234r/min 螺旋葉旋轉(zhuǎn)直徑：500mm 17 第三章 部件設計 3.1 鉆頭的設計 圖 3-1 鉆頭的設計 挖頭挖坑時，切土、螺旋提升和拋土過程雖然簡單，但其力學摸型及計算十分 復雜，而且結(jié)果定量的指導性很差。當挖頭為螺旋式、葉片內(nèi)徑(即中心管) D=80ram、葉片外徑800mm、坑深1000mm時，宜采用單頭式，左旋，導程為 600lnm，外徑切土入土角d外=12.5，內(nèi)徑切土入土角d內(nèi)=64，平均入土角d均 =38.25，拋土半徑 1200～ 1500mm，此時十分有利于原土回填。試驗表明，能夠完全 滿足工作要求。試驗也證明采用單頭比雙頭易于入土，尤其在堅硬土壤情況下更能 顯出其優(yōu)越性，根據(jù)設計要求，鉆頭與螺旋葉軸之間采用花鍵聯(lián)接，銷釘固定，材 料選用45鋼，表面淬火處理，提高耐磨性和硬度，并及時進行回火處理，消除內(nèi)應 力，提高工件韌性。本次挖頭設計如圖3-1所示。 18 3.2 雙螺旋葉片的設計 圖 3-2 雙螺旋葉片的設計 螺旋可以是右旋或左旋的，單線、雙線或三線的，在本次設計采用雙線。 螺旋挖掘鏟中土壤的方向決定于螺旋葉片的左右旋向與其轉(zhuǎn)動方向。確定物料 輸送方向方法較多，這里主要有兩種：一種是左，右手辨別法：首先判定螺旋葉片 盤旋方向是左旋還是右旋，右旋用左手，四指所握方向是軸旋轉(zhuǎn)方向，則大拇指所 指方向為土壤輸送方向：若是左手使用右手，四指所握方向是軸旋方向，則大拇指 所指方向為土壤輸送方向。另以方法是認定軸的一頭對著自己，若軸旋方向同于葉 片在軸上盤繞的方向，則土壤朝著自己方向運動；若軸轉(zhuǎn)動方向異于葉片子軸上盤 旋方向，則土壤朝著自己反方向運動。 雙螺旋葉片結(jié)構如圖 3-2 所示，采用調(diào)制處理，表面淬火，設計時，為避免工 作停止后抬起時導致坑壁碰觸，破壞作業(yè)效果，因此特設計為下方直徑較大，上方 直徑較小，葉片與中間軸焊接固定，與立軸采用花鍵聯(lián)接，銷釘固定。 3.3 螺旋軸的設計 1）選材及熱處理 一般情況下選 45 號鋼，調(diào)質(zhì)或正火；也可用 35、40、50 號鋼，不重要或受力 較小的軸可選用 Q235、Q275。高速重載下，可選合金鋼，可對軸頸表面淬火。 （低 碳鋼的可滲碳- 淬火）但對應力集中敏感，應在結(jié)構設計中充分注意。球墨鑄鐵吸振 性好，對應力集中不敏感、耐磨。具體材料與機構性能詳見表 [7]，選擇 45 號鋼 [11]， 調(diào)質(zhì)處理，該軸硬度為 170HB-217HB，彎曲應力 =590 Map ， =295 Map ，b?s? 19 =255 Map， =140MPa， =55MPa1??1????1?? 軸的結(jié)構設計 由于本螺旋挖掘鏟的挖坑深度是 800mm，了提高軸的剛度和抗彎強度，因此空 心軸根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗，查表初步選擇 160*40 的鋼管，即外徑為 160 毫米，壁厚? 為 40 毫米。 2）軸的校核 雖然土壤在軸四周被均勻輸送，螺旋軸在旋轉(zhuǎn)時，由于自身的重力和焊在其上 面的螺旋葉片的重力，此軸不僅受扭矩還受彎矩，所以在此需要校核其扭矩及彎矩 的強度和剛度。 3）估算軸的直徑 軸的直徑計算式 [19]： 空心軸 = =90.5<300mm 430(1)PdAn?????346.92015? 式中： d —— 軸的直徑； P —— 軸傳遞的額定功率(Kw)； n —— 軸的轉(zhuǎn)速(r/min) ； —— 按[ ]而定的系數(shù) 126～103，見機械設計手冊； 0A? —— 空心軸的內(nèi)徑與外徑之比，取 =0.5；?? 根據(jù)軸的扭轉(zhuǎn)強度條件公式 ≤「 」 3 950.2TPnWd??? 式中： ---扭轉(zhuǎn)切應力，單位為（MPa） ；? T---軸所受的扭矩，單位為（N.m） ； ---軸的抗扭截面系數(shù)（ ） ；W3m [ ]---軸的許用轉(zhuǎn)應力 25～45( )見機械設計手冊；?aMP 20 =43.27MPa＜2160.3 9.5??TW? ??? 所以軸徑 160mm 符合設計需要。 表 4 軸的材料參數(shù)表 軸的材料 Q235-A20 Q275 35 45 40Cr 等高強度鋼 [ ]?2Nm15-25 20-35 25-45 35-55 A 149-126 135-112 126-103 112-97 注：①表中所給出的 [ ]值是考慮了彎曲影響而降低了的許用扭轉(zhuǎn)剪應力。? ②在下列情況下[ ]取較大值， A 取較小值；彎矩較小或只受扭矩作用，載荷 較平穩(wěn)，無軸向載荷或只有較小的軸向載荷，減速器的低速軸，軸單向旋轉(zhuǎn)。反之， [ ]取較小值， A 取較大值。? ③在計算減速器 中間軸的危險截面處（安裝小齒輪處）的直徑時，若軸的材料 為 45 號鋼，可取 A=130-165。螺旋軸直徑為 160㎜，壁厚為 40mm，空心軸。? 軸的疲勞強度校核 由扭矩 T 形成的扭轉(zhuǎn)剪應力為 τ=T/WT WT 抗扭截面系數(shù)(W T=л (1-а )/16)， а=d/D3D4 根據(jù)已知 P、 n 可得出：M=9549 9549 =24.403 N.m ?nP0.239 對于直徑為 d 的圓軸彎曲應力為 δ=M/W，扭轉(zhuǎn)切應力 τ=T/WT=T/2W 將 和 代入?? 中則軸的彎扭強度條件為： e?1W22()MT???][1?? （18） 其中 T= np950 通常由彎矩所產(chǎn)生的彎曲應力 是對稱循環(huán)變應力，而由扭矩所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)切? 應力 則不是對稱循環(huán)變應力。為了考慮兩者循環(huán)特性不同的影響，引入折合系數(shù)? ，則計算應力為 式中的彎曲應力為對稱循環(huán)變應力，當 為靜?22)(??aMca?? ? 應力時取 ，當 為脈動循環(huán)變應力時 ，若 為對稱循環(huán)變應力時取3.0??6.0??? ；1? 在本文中，取 =0.3；? 21 根據(jù)設計計算的需要求出已知量，方便后序計算： 空心 ： 抗彎截面系數(shù) 3430.1()80Wdm???? 抗扭截面系數(shù) 296T 極慣性系數(shù) 474(1).0313PDI?????? 式中： ----抗扭截面系數(shù)；TW ----抗彎截面系數(shù)； ----軸截面的極慣性矩；PI ----空心軸內(nèi)徑與外徑之比；? 根據(jù)上面公式求得：T= 221.56N.m =48000W3m 所以 = = ＜ e?1W22()MT??2214.0.1.56.488MPa???（ ） 1[]?? （19） 由于螺旋軸葉片均勻分布在螺旋軸上，因此它們的自重為均布載荷，螺旋軸可 簡化為均布載荷作用下的簡支梁，如圖 11 所示 圖 11 螺旋軸的受力分布圖 則螺旋軸的彎矩為 = （20）maxM 28ql 將已知數(shù)值代入（19）式得出 = 50MPae? 查表 【3】 可知軸材料為 45 鋼的 =590 MPa 的 =55 MPab][1?? 22 由于 50<55 即 < 滿足彎曲扭轉(zhuǎn)強度要求。e?][1? 3.4 減速器的設計 設計的植樹挖坑機的傳動系統(tǒng)中，減速器選用的單級主減速器結(jié)構，它采用一 對準雙曲面錐齒輪傳動。主動錐齒輪與輸入軸制成一體，用圓錐滾子軸承和支承。 這兩個軸承安裝在主減速器殼的軸承孔內(nèi)，并被臺階軸向定位，用來承受在主減速 器工作時，對主動錐齒輪產(chǎn)生的軸向和徑向力。因為主動錐齒輪處于圓錐滾子軸承 和支承點的外面，所以讓兩軸承的小端相對，這能夠增大有效支承點的距離，并使 軸承有效支承點距錐齒輪更近，有利于增加主動錐齒輪的支承剛度。輸入軸前端的 固定螺母把墊圈、叉形凸緣、軸承內(nèi)圈、預緊調(diào)整墊片、隔離套管軸承內(nèi)圈和齒輪 前后位置調(diào)整墊片等固定在齒輪的前端面上。 從動錐齒輪被螺栓固定在差速器殼上，差速器殼又被兩個圓錐滾子軸承支承在 主減速器殼內(nèi)。因為從動錐齒輪處于兩個圓錐滾子軸承之間，所以讓兩軸承的大端 相對，這能夠適當減小兩軸承有效支承點的距離，對增加從動錐齒輪的支承剛度是 有利的。 主減速器傳動比可用下式進行計算： i＝從動錐齒輪齒數(shù) N2／主動錐齒輪齒數(shù) N1 為了減少主減速器內(nèi)齒輪的沖擊噪聲，并使輪齒沿其長度方向的磨損比較均勻， 需要保證主動和從動齒輪之間正確位置關系，為此在主減速器內(nèi)設有嚙合調(diào)整裝置， 還要使這些齒輪有足夠的支承剛度，以保持在傳動過程中不至于發(fā)生較大變形而影 響正常嚙合。 在安裝調(diào)整中，應注意以下： 1)圓錐滾子軸承的預緊：在消除軸承間隙后，再對軸承加一定的軸向壓緊力。 壓緊力過小，則不能滿足軸的支承剛度需要；壓緊力過大，則會導至傳動效率降低， 并且加速軸承磨損。 主減速器未裝油封時，按規(guī)定力矩擰緊主動錐齒輪前端螺母后，應調(diào)整到能以 M1＝0.8 ～1.3N·m 左右的力矩使主動錐齒輪單獨轉(zhuǎn)動。為了調(diào)節(jié)此力矩的大小，在 23 主動軸兩軸承內(nèi)圈之間的隔離套管的一端裝有預緊調(diào)整墊片。如過緊則增加墊片的 厚度；過松則減少墊片的厚度。 調(diào)整墊片的厚度，可以調(diào)整支承差速器殼的圓錐滾子軸承的預緊程度，主、被 動錐齒輪組裝后，應能以 M2＝M1＋0.2～0.4N·m 的力矩轉(zhuǎn)動主動錐齒輪。 2) 齒面接觸情況調(diào)整：先在主動錐齒輪輪齒上涂以紅色顏料（紅丹粉與機油的 混合物） ，然后使主動錐齒輪往復轉(zhuǎn)動，于是從動錐齒輪輪齒的兩工作面上便出現(xiàn) 紅色印跡。通過調(diào)整主動錐齒輪的前后位置和從動錐齒輪的左右位置，可以調(diào)節(jié)齒 面接觸情況。應使動齒輪輪齒正轉(zhuǎn)和逆轉(zhuǎn)工作面上的印跡均位于齒高的中間，并偏 于小端，占齒面寬度的 60％以上。 為了對主減速器內(nèi)的齒輪和軸承進行潤滑，在主減速器殼內(nèi)要加一定量的齒輪 油。當從動錐齒輪轉(zhuǎn)動時，把齒輪油甩濺到各齒輪和軸承上。為保證主動齒輪前端 的圓錐滾子軸承得到可靠潤滑，在主減速器殼體中鑄出了進油道和回油道。被甩濺 到主減速器殼內(nèi)壁的一部分齒輪油從進油道進入兩圓錐軸承小端之間，在離心力作 用下，齒輪油自軸承小端流向大端。流出圓錐滾子軸承大端的齒輪油經(jīng)回油道流回 主減速器內(nèi)。在主減速器殼后面設有加油口，應按加油口的高度加注齒輪油。在主 減速器殼體上裝有通氣塞，防止殼內(nèi)氣壓過高而使齒輪油滲漏。在更換齒輪油時， 可通過設在主減速器殼下面的放油口將齒輪油放出。 應注意的是，準雙曲面齒輪在工作時，齒面間有較大的相對滑動，且齒面間壓 力很大，齒面油膜易被破壞。為減少摩擦，提高效率，必須采用含防刮傷添加劑的 雙曲面齒輪油，絕不允許用普通齒輪油代替，否則將使齒面迅速擦傷和磨損，大大 降低使用壽命。 錐齒輪是圓錐齒輪的簡稱，它用來實現(xiàn)兩相交軸之間的傳動，兩軸交角稱為軸 角，其值可根據(jù)傳動需要確定，一般多采用 90°。錐齒輪的輪齒排列在截圓錐體上， 輪齒由齒輪的大端到小端逐漸收縮變小。由于這一特點，對應于圓柱齒輪中的各有 關" 圓柱 "在錐齒輪中就變成了"圓錐"，如分度錐、節(jié)錐、基錐、齒頂錐等。錐齒輪 的輪齒有直齒、斜齒和曲線齒等形式。直齒和斜齒錐齒輪設計、制造及安裝均較簡 單，但噪聲較大，用于低速傳動（＜5m/s） ；曲線齒錐齒輪具有傳動平穩(wěn)、噪聲小 及承載能力大等特點，用于高速重載的場合。 24 3.4.1 計算傳動裝置的運動和動力參數(shù) 傳動效率分別為： 聯(lián)軸器效率 150.9?? 滾動軸承的效率 24680.9?? 圓錐齒輪傳動效率 3. （1）各軸轉(zhuǎn)速 Ⅰ軸 960min1Inr? Ⅱ軸 035.7/iIIi Ⅲ軸 /in1IInr? (2)各軸輸入功率 Ⅰ軸 124.85IdPkw?? Ⅱ軸 36IIp? Ⅲ軸 5.II k (3)各軸輸入轉(zhuǎn)矩 萬向軸輸出轉(zhuǎn)矩 904.7ddmPTNn?? 所以各軸輸出轉(zhuǎn)矩為： Ⅰ軸 1248.6Id??? Ⅱ軸 031ITiN?? Ⅲ軸 56.II m? 3.4.2 傳動零件的設計計算 （1）選擇圓錐齒輪傳動的設計計算 1）選定齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) a 挖掘機為一般工作機器，速度不高，故選用 8 級精度，齒形角 ，齒頂20?