刀片式秸秆粉碎还田机设计说明书1.docx
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刀片式秸秆粉碎还田机设计说明书1
农业可持续发展是当今世界农业发展的重大课题。
随着农村经济的发展，国家政策的积极引导，农民科学意识的提高，秸秆粉碎还田机械已被国家乃至世界重视起来了。
因为秸秆粉碎还田可以减少污染、改良土壤、增加地力，秸秆粉碎还田机的运用可以节省人力。
1.1.1秸秆粉碎机的国外应用现状国外玉米秸秆粉碎还田机的研究与生产技术已经成熟，目前美国、德国、乌克兰、
俄罗斯等西方国家，玉米的秸秆粉碎已基本实现了全部机械化作业。
由于其种植方式多为一年一季种植，收获时玉米茎秆的含水率很低，大多数国家玉米秸秆粉碎还田机通过调节脱粒滚筒的转速和脱粒间隙进行玉米的秸秆粉碎还田。
乌克兰赫尔松康拜因联合收获机制造公司的KCKY-6型玉米秸秆粉碎还田机，可以进行摘穗—果穗剥皮—青贮联合作业，适合我国大部分地区的农艺要求。
但由于机型庞大，对我国农村广大地区的田间道路情况适应性差。
价格昂贵，另外，意大利OMARV公司也开发出了各种不同的秸秆粉碎还田的机具，其价格也非常昂贵与我国经济的发展水平不符。
1.1.2秸秆粉碎机的国内应用现状
从90年代开始，在引进国外技术和国内外农业科研成果的基础上，全国的各大中
专院校和各省的农机研究所，先后研究开发了机械化秸秆粉碎还田技术。
型号多达60
多种，申报的有关专利有60多项。
但是，构造和工作原理大致相同。
按照配套动力大小可分为与小四轮拖拉机配套的小型秸秆还田机，还有与30马力、50马力、65马力配套使用的大中型秸秆还田机，其中与50马力拖拉机配套应用最为普遍。
按照性能来分，旱地还田机有玉米秸秆还田机、反转旋耕灭茬机、根茬粉碎还田机。
水田秸秆还田机械主要有水田埋草以及驱动圆盘犁、机耕船、水田犁等。
玉米秸秆粉碎还田机有多种，按照生产厂家来看，主要有4JH系列、4F系列、
4JQ系列、4Q系列、9Q—2型等，产品己成系列，可与18.3～58.8千瓦拖拉机配套，是秸秆还田的主要机械。
近几年这类秸秆粉碎还田机具质量有明显的提高，大多数机械运转平稳、性能可靠，粉碎效果好，生产效率高。
玉米秸秆粉碎还田机的品种也有可很大
发展，如附带破茬功能的秸秆切碎灭茬机，增加了旋耕装置，在粉碎秸秆的同时，可将地表以下5厘米内的根茬切碎，土壤旋松。
还有与小四轮拖拉机配套的小型悬挂式双立
轴多刀组结构的秸秆切碎还田机。
根茬粉碎还田机，这类机具灭茬旋耕深度可达10厘
米，可将根茬粉碎后直接均匀地混合于地表10厘米的耕层中，作业质量可达到播前除茬整地的要求。
还有配套小麦联合收割机的秸秆根茬粉碎机，在安装割台的位置安装上秸秆根茬粉碎机，实现了一机多用。
另外秸秆粉碎质量好坏与主机和还田机的选型与匹配关系极大。
“大马拉小车”浪费功率，“小马拉大车”必然粉碎效果差。
因此，拖拉机的牵引力要大于还田机的工作阻力，并留有一定的储备。
就石家庄地区讲，拖拉机选型以铁牛55、铁牛60、天津60、清江650、上海50、上海650为主，配带石家庄农机厂生产的4Q—1.5型还田机为最佳组合。
从目前看，刀片式还田机对秸秆的打击效果好、成本低，深受农户欢迎。
其主要机型有：
（1）6FH—60型/90型秸秆粉碎还田机，由长治市农机研究所设计，与功率为8.8KW—13.2KW的小四轮拖拉机配套使用，采用前悬挂方式与拖拉机联接。
（2）4JFH—240型秸秆粉碎还田机，山东省荷泽市牡丹区农机推广站联合乡镇农机站研制开发解决了目前玉米秸秆还田机只粉碎秸秆不灭根茬的难题。
（3）4JFH—248型秸秆粉碎还田机，结构紧凑，操作灵活，性能较稳定，工作可靠。
（4）4JM160型秸秆粉碎还田机，由上海市农业机械研究所设计，上海市拖拉机内燃机公司制造，是拉力动力输出轴驱动的复式作业机具。
（5）IBM160型秸秆粉碎还田机，由江苏省农机推广站与盐城市农机研究推广站中心和盐城恒昌集团联合研制，与50型四轮拖拉机配套使用。
（6）富路牌4YF—160型玉米秸秆粉碎还田机，采用前置式挂接机构与动力配套，有效解决了其他后置机型因秸秆被拖拉机碾压后不便粉碎还田的问题。
（7）1JHYZ型秸秆粉碎还田机，山东潍坊市天宇机械有限公司研制开发。
（8）1JH—150型秸秆粉碎还田机，是河北华勒机械股份有限公司吸收国内外先进技术研制而成的新型农机产品。
虽然，近十几年间，实现玉米秸秆还田机械化的呼声高涨，政府、科研单位和企业
对秸秆还田机械化市场看好，但推广效果不大。
究其原因有政策方面、种植模式等多方面的因素。
但机具的适应性差也是主要原因之一。
开发适合中国国情的玉米秸秆还田机
机型成为国内玉米收获机械研究的一个新重点。
1.2.1我国玉米秸秆还田机械的技术特点与欧美等发达国家相比，我国的玉米种植有以下几个特点：
1、种植地块小，2、玉
米种植行距不统一，3、玉米收获期茎秆含水率较高。
因此我国玉米收获机械的设计要求与欧美等发达国家不同。
应达到以下几点：
（1）、设计的秸秆还田机在作业、运输、卸粮过程中应十分灵活，适合小地块田间使用。
（2）、针对当前农民文化素质不高的特点，开发的秸秆还田机应尽量操作简便、维修方便。
（3）、设计的秸秆还田机应可进行不对行切割。
否则既影响切割质量又降低生产效率。
影响了农民购买秸秆还田机的积极性。
（4）、机组要有较好的强度和刚度，能适应恶劣的田间道路。
（5）、机组有较高的使用可靠性。
1.2.2本机的特点和要求
我们本次设计的是JH型刀片式秸秆粉碎还田机，本机的特点和要求有以下几点：
1）工作幅度宽以往我国的秸秆粉碎还田机主要是配套小四轮拖拉机的，但是，现在这种局面正在
改变。
与大中型拖拉机配套的秸秆粉碎还田机数量增长较快，大中机型成为主要的发展方向。
因而我这次设计的工作幅宽为1500cm。
这样符合拖拉机向大中机发展的趋势，且主要原因是效率较高。
2）需求的功率大由于本机的工作幅度较宽，故其需求的拖拉机的功率也较大，本机选用的配套拖拉
机型号是铁牛-60型。
3）切削方式为刀片式切削方式通常用的有刀片式和锤爪式两种。
锤爪式切削需要的功率大，相对成本上要浪费些，因此本次设计采用刀片式切削，刀片式切削制作简单，工作时消耗功率低。
4）布刀方式
秸秆还田机的刀片排列方式有，单螺旋线，双螺旋线，对称排列布置，但是他们在动平衡方面的效果都不太理想。
因此，我在做这次设计时，查阅了大量的资料，应用了最新的研究成果，应用“均力免振假设”对刀片排列进行了优化，使机具的振动大幅度减小。
5）传动平稳，噪音小，损失小本机的传动方式为：
将还田机输出轴经万向节传递动力给减速机；经减速机增速后
传递给皮带轮，经皮带轮二次增速传递动力到刀滚筒，皮带张紧采用张紧轮滚动压紧方式进行调整。
由于采用的是v带传动，故其传动功率大，且传动平稳，噪音小。
另外，本机具有结构紧凑，操作简便，机动灵活等特点。
1.3.1设计要求本次课题要求设计一台能满足玉米和小麦秸秆粉碎还田用的刀片式秸秆粉碎还田
机。
主要技术要求：
作业幅宽1500mm；刀轴转速1800r/min；刀片数量36；留茬高度：
20～80mm；配套动力50～55hp；挂接方式：
全悬挂。
1.3.2调查中发现的问题拖拉机动力输出轴传递的动力经万向联轴节传给变速箱，在至齿轮、三角带两级增速后带动刀轴及弯刀一起高速旋转，高速旋转的弯刀冲击力将秸秆捡起在喂入口负
压的辅助作用下，秸秆被吸入机壳并多次打击、剪切、揉搓、撕拉，使秸秆达到粉碎要求，最后被气流抛送出机壳外面，均匀的落到地面并经压辊压平，适用于北方旱作农业区。
通过实际调查，发现秸秆粉碎还田机有以下几个问题：
一是秸秆粉碎还田量过大而造成部分秸秆不能有效掩埋；二是秸秆粉碎还田机只能粉碎地表秸秆，而不能破除地表以下根茬影响播种。
三是许多秸秆粉碎还田机产品质量不过关，材质强度不够，加工精度较差，作业中故障较多，给推广工作带来困难。
本次课题在完成设计任务的同时，要着力对以上问题进行研究分析，制定出改进方案，努力设计出一种性能优越的秸秆粉碎还田机。
1.3.3本机的结构及特点刀片式秸秆粉碎还田机的结构及特点：
主要结构有机架，动力传递机构，包括三角
带传动及传动锥齿轮箱；秸秆粉碎机构，包括旋转刀架组成，固定刀具；悬挂，升降机构，地轮，三角带张紧装置等。
结构特点是动、定刀均采取立式结构，整机安装在拖拉机后方，属后置式。
可将直立的玉米秸秆直接粉碎，而不必像其他机型需先将秸秆压倒再粉碎，可减少工作阻力，提高作业效率；刀片是焊接在刀轴上的刀柄上；刀片在刀轴上采用优化排列，动、定刀片相互错开，提高了秸秆粉碎效果。
刀片式秸秆粉碎还田机的刀片采用特殊材料制成，坚硬耐磨，具有良好的粉碎功能。
粉碎合格率达90％以上，留茬高度在50毫米以下。
该机与50型，55型，60型轮式拖拉机配套，运输方便，地头转弯灵活，对生长在田间或铺放于地面的玉米，高粱等作物秸秆，麦稻类软秆及杂草有良好的粉碎效果。
1.3.4工作原理操纵拖拉机升降手柄使还田机降至工作位置，发动机皮带轮通过三角带带动齿轮箱
上皮带轮，通过锥齿轮传动，减速增扭，改变动力传递方向，带动动力轴旋转，动刀片和定刀片相配合，将进入机器内的玉米秸秆剪切、冲击、撕裂成20—40毫米左右的碎秸秆，碎秸秆在离心力及重力作用下被抛出机外，均匀洒布田间，为耕整地作业创造条件。
1.3.5秸秆粉碎还田机的系统方案设计与其他农业机械产品相同，秸秆粉碎还田机具有工作条件恶劣多变，使用分散，
保管条件差，工作部件易磨损等特点。
因此要求秸秆粉碎还田机做到坚固耐用，安全可靠，使用维护方便。
在满足农业技术要求的前提下，尽可能提高产品和零部件的标准化、系列化和通用化程度。
（1）.农业机械的一般设计要求：
①各工作部件行进方向工作阻力与各轮子滚动阻力的总和应不大于拖拉机的额定牵引力，并有一定的功率储备。
工作部件由地轮驱动时，还要考虑因传动效率而引起的阻力增加。
②工作部件的提升方式有液压式和机械式两种。
在与备有液压系统的拖拉机配套时可采用
③液压提升，并应该校核在工作状态下提升工作部件的能力；采用机械提升时，地轮应有足够的驱动力矩。
④根据不同要求，考虑其工作幅度与拖拉机轮距的配套适应性及二者的相对位置；
考虑工作状态下牵引得直线性。
⑤考虑机具在拖拉机上悬挂的位置与拖拉机前后轮的载荷分布，机组的纵向、横向稳定性和操纵性，装卸是否方便。
合理选择机具在拖拉机上的悬挂方式，最常用的是双轴式三点悬挂，即悬挂式机具通过一根上拉杆和左右两根下拉杆与拖拉机三点相连，并可上下、左右运动。
根据技术要求选则悬挂参数并校核。
⑥半悬挂式机具还应校核机具工作时限深轮和尾轮上的载荷，二者的接地压力应接近，避免出现抬头或翘尾现象。
（2）.机具选用材料和工艺要求机具的工作部件多与土壤作物等接触而产生磨擦，应采用具有耐磨性较高和足够韧
性的钢材铸铁制造，若需要，可采用渗碳、高频设处理等表面硬化工艺，以提高耐磨性。
某些要求特殊性撞断面的零件采用农用异型钢或周期性扎质变断面型钢。
为增强抗腐蚀性，延长使用寿命，要使用各种防锈、防腐油漆或涂料。
（3）.秸秆粉碎还田机总体设计程序
①选择整机型式；
②初步选择各部件和机构的结构型式和参数；
③确定整机主要参数；
④绘制整机的纵向和平面配置图；
⑤绘制工作部件机动图并进行受力分析；
⑥初步确定挂接参数；
⑦绘制机组机动图并进行受力分析，在此基础上验证运输间隙及机组稳定性等是否符合要求；
⑧修订整机的纵向和平面配置图；
⑨进行各零部件的结构设计；
⑩进行各主要零部件的强度验算。
1.3.6机具的主要构造
该机具主要有机架；动力传递机构，包括三角带传动及传动锥齿轮箱；秸秆粉碎机构，包括旋转刀具总成、固定刀具部件；地轮以及三角带张紧装置等
总体结构简图：
1）机架：
机架是整个机具的基体，各种部件都要装在其上。
机架的前方有悬挂、升降机构，上方是锥齿轮箱，左边是带传动机构，右方是一配重机构，下方是最主要的秸秆粉碎机构，后方是地滚。
图1.1卧式秸秆粉碎还田机结构简图
1．万向联轴器传动轴2．变速箱3．联轴器4．粉碎机罩壳
5．工作部件6．限深轮
2）动力传递机构：
动力传递机构，包括三角带传动及传动锥齿轮箱。
传动锥齿轮箱是将拖拉机的万向节传动轴的传动方向改变并进行变速，调速的机构。
三角带传动是将传动到旋转刀具的刀轴上。
3）秸秆粉碎机构：
秸秆粉碎机构，包括旋转刀具总成、固定刀具部件。
秸秆粉碎机构是通过定刀与动刀的相对运动将秸秆粉碎。
4）地轮：
用于支撑机架和压平被粉碎的秸秆。
5）三角带张紧装置：
用于调整三角带的松紧。
1.3.7主要工作参数的确定
（1）配套动力的选择：
根据秸秆粉碎还田机动力消耗情况和田间玉米的自然成熟含水量，测算该机粉碎玉米秆需用动力35.8KW，考虑动力储备，配套动力选择40KW（55马力）四轮拖拉机。
（2）工作幅宽的确定：
我国中原地区大部分的玉米种植方法，有等行（行距600mm）和宽窄行（宽行距为800mm，窄行距400mm）两种，为是该机适应农艺要求，在满足粉碎量和作业效率的情况下，选择工作幅宽为1500mm
（3）机具和配套：
55马力的四轮拖拉机，均配有后动力输出轴，一般选择机具后
置传动方式。
（4）传动方式的选择：
将还田机输出轴经万向节传递动力给减速机；经减速机增速后传递给皮带轮，经皮带轮二次增速传递动力到刀滚筒，皮带张紧采用张紧轮滚动压紧方式进行调整。
（5）升降方式的确定：
利用55马力拖拉机液压升降机构调整还田机离地高度。
2.1.1拟定传动方案机器一般由原动机、传动装置、工作机三部分组成，本机也是如此，原动机为拖拉
机，工作机为刀轴，传动装置是接下来几章要说明的。
传动装置在原动机与工作机之间传递运动和动力，并以此改变运动的形式、速度大
小、转矩大小。
它在机器中是非常重要的，其性能和质量对机器的工作影响也很大。
因此合理设计传动方案具有重要意义。
满足工作机性能要求的传动方案，可以由不同传动机构类型以不同的组合形式和布置顺序构成。
合理的方案应保证工作可靠，并且结构简单、尺寸紧凑、加工方便、成本低廉、传动效率高和使用维护便利。
布置传动顺序时，一般考虑以下几点：
（1）带传动的承载能力较小，传递相同的转矩时结构尺寸较其他传动形式大，但传动平稳，能缓冲减振，因此宜布置在高速级（转速较高，传递相同功率是转矩较小）。
（2）链传动运转不均匀，有冲击，不适合高速传动，应布置在低速级。
（3）蜗杆传动可以实现较大的传动比，尺寸紧凑，传动平稳，但效率较低，适用于中、小功率、间歇运转的场合。
（4）圆锥齿轮加工较难，特别是大直径、大模数的圆锥齿轮，所以只有在需改变轴的布置方向时采用，并尽量放在高速级和限制传动比，以减小圆锥齿轮的直径和模数。
（5）斜齿轮和圆弧齿轮的平稳性较直齿轮传动好，常用在高速级或要求传动的场合。
（6）开式齿轮传动的工作环境较差，润滑条件不好磨损较严重，寿命较短，应布置在低速级。
（7）一般将改变运动形式的机构（如螺旋传动、连杆机构、凸轮机构）布置在传动系统的
最后一级，并且常为工作机的执行机构。
2.1.2本机的传动方案的确定：
运动从拖拉机的后输出轴输出后，经联轴器后与变速箱相连由于此时需要改变传动方向，故选用圆锥齿轮。
（见图2.1）另外，本机要求升速且传动平稳，故将带传动布置在高速级。
刀轴
图2.1传动方案简图
2.1.3初步确定变速器的结构和零部件类型在了解变速器结构的基础上，根据工作条件要求，初步确定以下内容：
（1）选定变速器的传动级数传动级数根据工作转速要求，由传动比以及空间位置和尺寸要求而定。
本机决定
一级传动，因为传动比较小的缘故。
（2）确定传动件布置形式
没有特殊要求时，轴线尽量采用水平布置。
本变速器即采用此形式。
（3）初选轴承类型
一般的变速器都用滚动轴承，大型的变速器也有用滑动轴承的。
滚动轴承的类型由载荷和转速等要求而定。
本变速器的采用是圆锥滚子轴承。
（4）决定变速器机体结构变速器的机体结构一般有：
沿齿轮轴线水平剖分的结构，整体式机体（大端盖）结
构。
本变速器采用的是整体式机体（大端盖）。
（5）选择联轴器类型
本变速器的输入是与拖拉机的后输出轴相联，又由于机具可以升降且在拖拉机拐
弯时，两轴有错动，故选用的是：
万向联轴器。
而输出轴与带轮的连接由于其相对位置是固定的，故采用的是：
刚性联轴器。
2.1.4拖拉机的选择根据秸秆粉碎还田机动力消耗情况和田间玉米的自然成熟含水量，测算该机粉碎玉
米秆需用动力32KW，考虑动力储备，配套动力选择40KW（55马力）四轮拖拉机。
特别指定铁牛-60型拖拉机与其相配套。
2.1.5确定传动装置的总传动比和分配传动比
总
由拖拉机输出轴的转速为540r/min，还有刀轴的转速为1800r/min得传动装置（变速箱和带轮）的总传动比为i=540/1800=3/10
设变速箱输入轴为1轴，变速箱输出轴为2轴，刀轴为3轴可初步分为变速箱传动比为i12=1/2和带轮传动比为i23=3/5
P60
n
拖拉机的输出轴转矩为T=9550d=9550
m
0.7457
540
0.8
=633Nm
1
1）各轴转速n=540r/min
n=n/i=540×2=1080r/min
2112
n=n/i=1080×5/3=1800r/min
3223
2）各轴功率P=P=P=60×0.7457×0.8=35.8KW
123
1
3）各轴扭矩T=633Nm
T=Ti=633×1/2=316Nm
2112
T=Ti=316×3/5=190Nm
3223
变速器的具体结构见图JH-3
2.2.1变速器各部位及附属零件的名称和作用
（1）放油螺塞变速箱底部设有放油孔，用于排出污物，注油前用螺塞堵住。
（2）定位销
为了保证轴承座孔的安装精度，在机盖和机座用螺栓联接后，镗孔之前装上两个定位销，销孔位置尽量远些。
如机体结构是对称的（如蜗杆传动机体），销孔位置不应对称布置。
（3）调整垫片调整垫片由多片很薄的软金属制成，用以调整轴承间隙。
有的垫片还要起调整传
动零件轴向位置的作用。
（4）密封装置
在伸出轴与端盖之间有间隙，必须安装密封件，以防止漏油和污物进入机体内。
密封件多为标准件，其密封效果相差很多，应根据具体情况选用。
在此变速箱中应选用油封效果更好。
2.2.2机体结构变速箱机体是用以支持和固定轴系零件，是保证传动零件的啮合精度、良好润滑及
密封的重要零件，其重量约占总重量的50％。
因此，机体结构对变速箱的工作性能、加工工艺、材料消耗、重量及成本等有很大影响，设计时必须全面考虑。
机体材料多用铸铁，根据具体考虑此机体选用HT200。
机体可以作成剖分式或整体式。
（1）剖分式机体一般只有一个水平剖分面。
剖分式机体增加了联接面凸缘和联接螺栓，使机体重量增大。
（2）整体式机体加工量小、重量轻、零件少，但装配较麻烦。
考虑到需要的变速箱是一级传动，装配不是很复杂，且需要其重量轻，零件少，成本低，最终选择用整体式变速箱。
设计变速箱，选择锥齿轮
1
根据设计要求知要设计一闭式直齿锥齿轮，输入功率为35.8KW，n=540r/min
12
i=1/2每日工作16小时，传动工作年限为6年，传动不逆转，有轻微振动，启动载荷为名义载荷的1.5倍。
1.选材料确定初步参数
（1）选材料大齿轮：
20CrMnTi渗碳处理平均取齿面硬度为58HRC小齿轮：
20CrMnTi渗碳处理平均取齿面硬度为62HRC
2
（2）初选齿数取小齿轮齿数Z=30取大齿轮齿数为
Z=Z/i=30×2=60
1212
齿数比u=Z/Z=60/30=2
12
（3）选择齿宽系数取齿宽系数为R=0.3
mt
（4）确定传动精度等级初取平均切线速度v=3.3m/s，由表得，选择精度等级为7
级
（5）计算小齿轮转矩为
T=T
i=633×1/2=316Nm
2112
（6）确定载荷系数K
1）使用系数KA
由已知条件查表得
KA=1.25
2）动载系数KV由图可知，取KV=1.17
3）齿向载荷分布系数K按小锥齿轮悬臂考虑取K=1.8
4）载荷系数K=KAKV
K=1.25×1.17×1.8=2.63
2.齿面接触疲劳强度计算
（1）确定许用应力[H]
1）寿命系数ZN取ZN1=ZN2=1
2）安全系数SH取SH1=SH2=1
3）接触疲劳极限
Hlim1
Hlim2
取Hlim1=
Hlim2
=1650MPa
4）许用应力[
H2]
[H2]=
Hlim2ZN2
SH2
1650
=
1
1
=1650MPa
MPa
（2）弹性系数ZE取ZE=190
（3）节点区域系数
ZH=2.5
2
（4）求小齿轮所需大端分度圆直径d
H2
d
2
21650
=90.7mm
（5）验算速度vmt
平均直径
dm2=d2（1-0.5R）=90.7（1-0.5×0.3）=77.095mm
vmt=
d
n
m22
3.14
=
77.095
1080
=4.35m/s<8m/s
601000601000
（6）确定模数m
d
m=2=90.7/30=3.02
Z
2
取标准模数m=3
3.齿根抗弯疲劳强度验算
F1
]
F2
（1）确定许用弯曲应力[]，[
1）寿命系数YN1、YN2取YN1=YN2=1
2）安全系数SF，取安全系数SF1=SF2=1.3
3）尺寸系数Yx，，取Yx=1
4）极限应力
、
Flim1
Flim2
，取大齿轮
Flim1
=420M
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