收稿日期: 1997-04-24杨有刚 西北农业大学机电学院 讲师, 712100 陕西省杨陵刘迎春 西北农业大学机电学院 讲师一种新型链式开沟机设计参数 和功率的确定杨有刚 刘迎春【 摘要】 研究了一种适用于果园狭小作业空间的新型链式开沟机的结构和工作原理。通过功率消耗和作业效率等理论分析, 提出了基本参数和功率消耗的确定方法, 并根据果园园艺要求给出了 1KLQ-80 型链式开沟机的具体设计结果, 其配套动力为 11kW, 最大开沟深度和宽度分别为800mm、 650mm, 生产效率为 125m/h。叙词: 开沟 农机具 设计参数 功率 果园引言现有与 8. 8 kW( 12马力) 以下的小型拖拉机相配套的各类开沟机, 由于结构的限制, 无法适应较深沟渠的开挖; 而开挖深沟所需要的较大功率的开沟机, 则因外型尺寸大, 也不适合在空间狭小的果园中使用, 特别是有机肥深施所需的开沟作业。为此, 笔者设计了一种工作部件 前置后倾的链式开沟机, 以满足果园开施肥沟的需要, 也可用于其他开挖沟渠的作业, 并获得了国家专利。这种开沟机由于结构不同于现有链式开沟机, 因而其工作原理、 设计参数确定方法和功率的消耗情况也有所不同。1 开沟机工作原理图 1 为处于工作状态的开沟机结构简图。链刀工作部件前置后倾一角度?, 与动力底盘刚性连接。开沟机的转向、 运输、 进入和退出开沟工作均通过调节底盘尾部翘起或落下来实现。 开沟时, 在机组前进链刀工作部件旋转的同时, 转动手轮, 开沟机尾部在丝杠螺母作用下翘起, 链刀斜向下伸出切土, 逐渐开出一段渐深的斜沟, 整个开沟机则行走在开过的沟中。 当沟深满足要求时, 再反向旋转手轮, 使机具水平向前开沟。在开沟过程中, 刀片由前向上后方切 土, 切土阻力在水平方向的分力与机具前进方向一致, 从而降低了开沟机的牵引阻力, 同时由于机器的行走阻力大于切土阻力的水平方向分力, 因此不会使开沟机的操纵性能降低。 切下的土壤掉落在链刀所在的输送带上, 被输送出沟, 堆放在沟沿。 若需退出开沟工作, 只要通过手轮降下机器的尾部, 则前部的链刀工作部件上扬, 开沟机便沿着由深到浅切出的斜沟退出沟外。 转动扶手, 使尾轮所在的平面与开沟机纵向成一角度, 并施加一侧向力, 便可实现开沟机的左右转向。断开链刀工作部件与变速箱的传动, 转动手轮使开沟机尾部下降, 则前部的工作部件上升和地面离开一个距离, 即可实现开沟机非工作状态下的运输。1 9 9 8 年 6 月农 业 机 械 学 报第 29 卷 第 2 期图 1 开沟机简图1. 链刀工作部件 2. 分土板 3. 扶手 4. 手轮 5. 尾轮 6. 动力底盘2 理论分析2. 1 工作部件参数的确定参考文献 2, 3 , 比较新型开沟机和现有开沟机不同的结构特点, 根据运动学和几何学原 理, 可分别推出与文献 3 所给稍有不同的开沟机链刀绝对运动速度 va及其向量倾角 ?、 刀片切削厚度 ?的数学表达式。va=v2y+ v2c- 2vyvccos? ( m/ s)( 1)tan?=vcsin? vccos?- vy( 2)?= Lcsin( ?- ? )( 3)式中 vy开沟机水平移动的工作速度, m/ s Lc链刀的节距, mmvc链刀相对开沟机的运动速度, m/ s?链刀工作部件和水平方向的夹角, ( )若选用 B 型刀, 长度的单位取 mm, 则每刀切削土壤的阻力 Ft的经验公式 3也可写为Ft= 9. 8Itu( 0. 1?)1. 35( 1 + 0. 01?c)1 -90 - ? 180e( 4)总的切土功率为Nq= Ft?Z ?va 10- 3 ( kW)( 5)式中未注符号的意义见文献 3 。 切土厚度和所需功率的关系如下。改变切土厚度有两个途径, 一是改变链刀相对开沟机的运动速度 vc, 二是改变开沟机的工 作速度 vy。 将式( 4) 代入式( 5)Nq= 9. 8Itu( 1 + 0. 01?c) 1 -90 - ? 180e 10- 1. 35 Z?1. 35va= K ?1. 35va( 6)若改变 vc, 式( 6) 可写为Nq= Kvy h?1. 35= K1?0. 35( 7)22农 业 机 械 学 报1 9 9 8 年 图 2 刀片切土厚度与功率的关系曲线1. 改变 vc时的功率曲线2. 改变vy时的功率曲线开 沟 深 度 800 mm、宽 度650 mm, 链刀工作部件与水平方向夹角 ? = 45 , 链刀节距Lc= 300mm, 理论生产率?=60 m3/ h, 链刀相对开沟机的运动速度vc= 1m/s, 刀片选用 B 型且在重壤土条件下工作式中 h开沟深度, mm式( 7) 对 ?取二阶导数可得dNq d?= 0. 35K1?- 0. 65d2Nq d?2= - 0. 23K1?- 1. 650可见, Nq与 ?的关系是一条向上凹的曲线( 图 2 曲线 2) , Nq对 ?的一阶导数随 ?的增大而增大, 即随着 ?的增大, 曲线渐陡, 由此可 知, 当正常工作的切土厚度较大时, 若遇到硬土层, 可通过降低开沟机前进速度 vy来降低切土功率。2. 2 开沟机工作时各部分的功率消耗2. 2. 1 工作部件链条传动所需的功率通过以上分析可知, 所选择的链刀相对速度 vc、 工作部件倾角 ?和链刀节距 Lc, 应满足同一时间切削土壤和输送土壤的质量相等, 即工作部件的理论输送量为Q = ?k ?q ( t/ h) 式中 k土壤松散系数 q松散土壤单位容积的质量, t/ m3?开沟机理论生产率, m3/ h设计输送机构时, 应考虑土壤塌落的影响, 根据笔者的试验, 一般设计输送能力应等于1. 31. 7 倍的实际输送量。土壤坚实度高时取小值, 反之取大值。升运土壤出沟所需的功率Ns=9. 8QH 3. 6 106? s ( kW)式中 H 升土高度, mm, 由沟深的濎? 处算起 ?s升运效率输送土壤到沟沿上所需的功率Nb=9. 8Q 3. 6 106?bL +b 22 ( kW)式中 ?b运土效率 L土壤落点距沟边的最大距离, mmb开沟宽度, mm23 第 2 期 杨有刚 等: 一种新型链式开沟机设计参数和功率的确定链条传动所需要的功率为Nl=Nq+ Ns+ Nb ?c?d式中 ?c、 ?d链刀工作部件传动效率 3与传统结构形式的链式开沟机相比较, 链条传动所消耗的功率中没有土壤与沟道摩擦所消耗的那部分功率 NmNm= Ns?f ?cot? ( kW)式中 f 土壤与土壤之间的摩擦系数 2. 2. 2 机器前进和辅助机械传动所消耗的功率所输送土壤对工作部件的附加动力在水平方向的分力 Fx和垂直方向的分力 Fy分别为 Fx= 9. 8?qvacos?/ 3. 6 ( N)Fy= 9. 8?qvasin?/ 3. 6 ( N)土壤对工作部件的水平反力和垂直反力分别为 px= Ft?Z( cos? + kB sin?) ( N)py= Ft?Z( sin? - kB cos?) ( N)式中 kB = ( 0. 210. 22) kB Ft每把刀片切土阻力, NkB刀口变钝后, 一个刀片切削土壤的宽度影响系数 机器的行走阻力Fz= ( G +py+ Fy) ( kd i) ( N)式中 G开沟机总重力, N kd开沟机行走阻力系数i= tan?s?s沟坡角, ( )则总的牵引阻力为F = Fz-px- Fx即F = ( kd i) G + FtZ( sin? - kB cos?) +9. 8 3. 6? qvasin? -FtZ( cos? + kB sin?) -9. 8 3. 6?qcos? ( N)故机器前进所需的功率为Nj=Fvy 3. 6 103?h ( kW)式中 ?h行走机构的传动效率 辅助机械传动的功率为Nf= ( 0. 05 0. 07) ( Nl+ Nj) 3( kW)新型开沟机前进所需的功率比原机型节省了一部分, 其值为Ng=vy 3. 6 103?h( kdsin? + cos?)?qH f cot? 3. 6 103vc+ 2FtZ( cos? + kB sin?) ( kW)虽然消耗在旋转式耕作机械中的机器前进阻力和机械传动阻力方面的功率是不大的, 约占所需总功率的 6%10% 4, 可是, 新型开沟机毕竟在功率分配上更趋合理, 而且, 设计中不24农 业 机 械 学 报1 9 9 8 年 必验算拖拉机挂钩的额定牵引力。3 1KLQ- 80 型链式开沟机设计结果根据果园园艺要求, 设计开沟宽度为 b= 650 mm、 深度 h= 800 mm。利用上述分析结果, 在土壤类型为重壤土的条件下, 对链刀工作部件前置后倾式开沟机进行多次参数选择和计算分析后, 确定理论生产率为 ?= 60 m3/ h, 工作部件与水平面夹角取 ?= 45 , 刀片切土厚度 ?=8 mm, 若同时取链刀相对运动速度 vc= 1 m/ s, 则链刀节距 Lc=8. 0 sin( 46. 32 - 45 )( mm)同时参加切土的刀片数 Z= 26每把刀片切土阻力 Ft= 9. 8150. 81. 35( 1+ 0. 0150) 1-90 - 15 1800. 81= 82. 23 ( N)所需的切土总功率 Nq= 82. 23260. 978/ 1000= 2. 09 ( kW)开沟机总牵引阻力 F= 1 089 ( N) 机器前进所需的功率 Nj= 1 089125/ ( 3. 61060. 7) = 0. 054 ( kW)链条传动升运土壤的功率和送土到沟沿上的功率分别为Ns= 19. 410- 3( kW) N b= 45. 210- 3( kW)链条传动所需的总功率 Nl=Nq+ Ns+ Nb ?c?d=2. 09+ 0. 019 4+ 0. 045 0. 50. 7= 6. 15( kW)辅助机械传动所消耗的功率 Nf= 0. 06( 0. 054+ 6. 15) = 0. 37 ( kW)开沟机传动总功率 N= Nl+ Nj+ Nf= 6. 57 ( kW)按文献 3 选择拖拉机功率, 在此为选择底盘发动机的功率 NT= 1. 5Nl= 9. 225 ( kW)从而可知 1KLQ-80 型开沟机主要技术指标为发动机额定功率 11 kW开沟最大深度 800 mm开沟最大宽度 650 mm工作速度 125 m/ h生产效率 60 m3/ h外形尺寸( 长宽高, m) 2. 60. 651. 2总质量( 约) 900 kg4 结论( 1) 对应链刀相对运动速度vc和开沟机前进速度 vy的变化, 分别给出切土厚度和功率曲 线, 为变速系统设计提供了依据。( 2) 新型开沟机由于行走在开过的沟底, 体积小, 结构紧凑, 因此, 特别适合于空间狭小的果园开沟工作。( 3) 新机构不受拖拉机挂钩额定牵引力的影响。 ( 4) 新机构增加了开沟机用于切土的功率, 使其功率利用更趋于合理。( 5) 提供了 1KLQ-80型链式开沟机设计的有关参数和功率消耗情况。( 6) 由于土壤工作面位于链刀前上方, 因此, 土壤在切削力、 振动和重力作用下将产生较 大的塌落, 它对切土功率的影响程度还有待于进一步深入研究。25 第 2 期 杨有刚 等: 一种新型链式开沟机设计参数和功率的确定参考文献1 中国农业机械化科学研究院 编. 农机具标准汇编. 北京: 技术标准出版社, 1979.2 中国农业机械化科学研究院 编. 实用机械设计手册(下) .