机械设计制造及其自动化灭茬机的研究及设计毕业论文.docx

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机械设计制造及其自动化灭茬机的研究及设计毕业论文

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灭茬机的研究及设计

学生姓名：

宋嘉慧

指导教师：

赵艳忠

所在院系：

工程学院

所学专业：

机械设计制造及其自动化

研究方向：

农业机械

东北农业大学

中国·哈尔滨

2014年5月

THERESEARCHANDDESIGNOFSTUBBLECLEANER

StudentName:

JiahuiSong

Supervisor:

YanzhongZhao

Departmentandfaculty:

CollegeofEngineering

Major:

Mechanicaldesignmanufacturandautomation

Orientation:

Agriculturalmachinery

NortheastAgriculturalUniversity

Harbin·China

May2014

摘要

推广普及秸秆还田机械化技术，是一项发展生态农业，减少环境污染，培肥地力，增加土壤有机质含量，提高农作物产量，实现农业可持续发展战略重要的具体措施，同时，秸秆就地还田也是解决禁止桔秆焚烧和浪费最有效、最快捷的途径。

本次设计是灭茬机的结构设计，以实用设计为目的。

其主要内容包括灭茬机的总体设计及传动系统的构成与设计，第一对圆柱齿轮的设计与校核，第二对圆柱齿轮的设计与校核，直齿圆柱齿轮的强度计算，传动轴

的设计与校核。

此外也介绍了灭茬刀具的选择和安装方案等内容。

灭茬机主要适用于埋青、秸杆还田式在大中型联合收割机作业后的稻麦高留茬的田块上进行反转灭茬、正转旋耕、三麦条播、与半精量播种、化肥深施等多种农田作业。

灭茬旋耕机是在旋耕机的基础上进行机构改造而获得的，从结构上大致可分为两类：

　　一是最后一级动力由中间齿轮传动，两边由侧板支撑，高低档转速通过拨挡实现，正反转通过调整圆锥齿轮的啮合方向来实现。

二是侧边传动：

第二轴到刀轴的传动用侧边齿轮来实现，正反转的实现通过调整圆锥齿轮的啮合方向，高低速的实现通过对调侧齿轮箱的高低速齿轮方向。

侧边传动结构简单，造价低，更符合实际需要，因此本设计采用侧边传动方案。

此次设计的灭茬机利用拖拉机动力输入驱动，结构紧凑。

本设计的优点：

实现解决了现有旋耕机只能旋耕不能灭茬而灭茬机又只能灭不能旋耕的问题；本机相对其他选跟灭茬机来说方便拆卸，而且可用于多种农用机，密封性好；本机的制造成本较低，更有利于大规模生产，更加适合推广。

关键词：

根茬还田；灭茬机；侧边传动

Abstract

Popularizationofstrawmechanizationtechnology,isadevelopmentofecologicalagriculture,reduceenvironmentalpollution,soilfertility,increasethesoilorganicmattercontent,increasetheyieldofcrops,implementationofspecificmeasures,thestrategyofagriculturalsustainabledevelopmentimportantatthesametime,strawinreturningalsosolvewayofstrawburningandwastefromthemosteffective,themostefficient.

Thisdesignisastructuredesignofstubblecleaner,withapracticaldesignforthepurposeof.Itsmaincontentincludesthecompositionanddesignoftransmissionsystemandstubblecleaningmachine,thedesignandverificationofcylindricalgearonthefirst,thedesignandcheckingcalculationofthesecondcylindricalgears,gearstrength,designandcheckofthetransmissionshaftII.Inadditionthestubblecleaningcutterselectionandinstallationschemealsointroduces.

Stubblecleaningmachineismainlyusedinthefield,asstrawreturningtypericeHamishinlargeandmedium-sizedinversion,fromrotarytillagestubble,deepapplicationofthreewheatdrill,andsemiprecisionseeding,fertilizerandotherfarmwork.Stubblerotavatorisinstitutionaltransformationintherotarycultivatorbasisandreceived,fromthestructurecanbedividedintotwocategories:

oneisthelaststagepowerbythemiddlegeartransmission,aresupportedbythelateralplate,isrealizedbyadjustingthedirectionofbevelgearmeshing.Twoisthesidetransmission:

secondaxistodrivethecuttershaftwithsidegeartoachieve,positiveinversionrealizedbymeshingdirectionadjustmentofbevelgear,.Sidetransmissionlinewiththeactualneeds,thisdesignusesthesidetransmissionscheme.

Stubblecleanerthisdesignusingtractorpowerinputdrive,compactstructure.Theadvantagesofthisdesign:

solvedonlyrotarytillagestubblerotavatorcannotbutstubblecleanercanonlydestroynotproblemofrotarytillage;themachinerelativetootherselectedwithstubblecleanerisconvenienttodisassemble,andcanbeusedforavarietyofagriculturalmachine,goodsealingperformance;themanufacturingcostofthemachineislower,moreconducivetolarge-scaleproduction,moresuitableforpromotion.

Keyword:

Stubblereturning;Stubblecleaner;Sidetransmission

目录

摘要I

AbstractII

1前言1

1.1国内根茬处理技术的途径及现状2

1.2国外根茬处理技术的途径和现状3

1.3灭茬技术存在的问题4

1.4今后的发展趋势4

2灭茬机旋耕的总体方案设计6

2.1灭茬旋耕机总体传动方案拟定6

2.2灭茬旋耕机总传动方案的选择6

2.3方案对比分析7

3旋耕灭茬机总体运动计算8

3.1灭茬旋耕机总体传动组成8

3.2灭茬旋耕机总体动力计算9

3.3灭茬旋耕机总体动力分配10

4主要零件的强度校核13

4.1直齿圆柱齿轮的强度计算13

4.1.1直齿圆柱齿轮的材料、精度和齿数选择13

4.1.2直齿圆柱齿轮的主要强度的计算13

4.1.3第一对直齿圆柱齿轮的主要参数的计算15

4.1.4第二对直齿圆柱齿轮的主要参数的计算18

4.2轴的选择及计算20

4.2.1II轴的设计及校核20

5刀具的选用23

6结论25

参考文献26

致谢28

1前言

桔秆是农作物的重要副产物，同时也是重要的生产资源之一，在工农业生产中具有广泛的用途。

我们知道，秸秆可直接还田用作肥料；经过加工处理或直接用作牲畜饲料（同时实现过腹还田）；用作生活燃料；用于造纸、压密度板、制炭、制工业酒精以及农副产品加工中的编织草绳、草袋、工艺品等。

每年的秸秆约有30%用作了生活燃料，25%用作了饲料，2%~3%用于工副业生产，6~7%直接还田，还有35%以上约2.2亿吨秸秆未得到任何利用。

这些秸秆或堆放在农民房前屋后和地头路边被废弃，造成环境污染和火灾隐患，或被农民在田间一烧了之，而这种焚烧既造成大气污染又严重影响铁路、公路、民航等正常的交通运输，给国民经济造成损失。

农业部已将秸秆还田列为“丰收计划”和“沃土计划”的主要内容，并于1997年5月3日和6月11日两次发出紧急通知，要求各地严禁焚烧桔秆，切实做好秸秆还田和综合利用工作。

另一方面农田土壤中有机质含量逐年降低，另一方面每年大量的农作物秸秆被废弃或焚烧，不断造成新的污染和浪费。

把多余的秸秆还到农田中去是解决这个问题的有效途径。

推广普及秸秆还田机械化技术，是一项发展生态农业，减少环境污染，培肥地力，增加土壤有机质含量，提高农作物产量，实现农业可持续发展战略重要的具体措施，同时，秸秆就地还田也是解决禁止桔秆焚烧和浪费最有效、最快捷的途径。

传统的桔秆沤制粗肥还田方法费工时，采用桔秆还田机械化技术，使原来人工作业的多道工序一次完成，提高工效40～120倍。

不仅争抢了农时，而且减轻了环境污染，增强了地力，提高了粮食产量。

桔秆直接还田机械化技术可分为粉碎还田和整秆还田两大类。

粉碎还田包括各类作物的秸秆粉碎和根茬粉碎，主要是玉米根茬机械化技术，秸秆粉碎还田机械化技术，是以机械粉碎、破茬、深耕和耙压等机械化作业为主，将作物秸秆粉碎后直接翻埋到土壤中去，增加土壤有机质、培肥地力，提高作物产量，减少环境污染，争抢农时季节的一项综合配套技术。

具有作业质量好、成本低、生产效率高等特点，是大面积实现以地养地、建立高产稳产农田的有效途径之一。

我国北方广大地区以种植玉米为主，摘穗后，秸秆收回作为燃料或加工成饲料等，地留下10cm左右的根茬，主根地表下沉深度约5～6cm，各层的次生根和根须在地表下呈灯笼状分布，聚积土壤成团，最大横截面处直径约20～25cm。

玉米根茬干物质中有机质含量高达75%～85%，养料丰富。

其中，含氮0.75%，磷0.60%，钾0.9%。

灭茬还田就是采用灭茬机具，立轴式或卧轴式灭茬机将田间直立或铺放的玉米、小麦、高粱、水稻、棉花等作物秸秆、根系及蔬菜茎蔓进行粉碎，粉碎后的秸秆自然散布均匀，经翻耕（免耕除外），将碎秸秆作为肥料回施到田间。

灭茬还田的好处有很多：

1）解除了人工刨茬劳作之苦；

2）有一定的松土、碎土功能，消除了茬头、土坷垃和表土硬盖；

3）有一定的保墒、抗旱功能；

4）有利于种子萌芽出土，有利于保苗壮苗，有利于作物生长发育；

5）增加土壤孔隙度，特别是雨季之后，碎茬腐化后，留下孔隙，减弱了土壤板结，有利于好气性微生物活动；

6）增加土壤有机质含量，增加土质肥力。

一旦农家的能源需求，由根茬还田发展到全秸秆还田，将可获得更多的有机肥。

它最终可使人们摆脱单纯靠化肥求增产而带来的诸多弊端，实现土壤肥力向良性循环转化；

7）灭茬作业仍可保持垄形，种地时好认垄；

8）灭茬作业比翻、耙、压、起垄作业省费用；不易产生地界纠纷；

9）增产增收。

1.1国内根茬处理技术的途径及现状

机械化秸秆还田技术，包括秸秆整株还田技术、秸秆粉碎还田技术、根茬粉碎耕翻还田技术、联合作业还田技术。

我国机械化秸秆还田技术起源于20世纪80年代，到90年代，各地才大力推广秸秆根茬粉碎还田技术，秸秆根茬粉碎机具得到了大量地开发与应用。

北京市南郊农场已连续14年实施机械化桔秆还田，经测定，土壤有机质含量已由1980年的1.47%提高到1995年的1.79%，粮食产量也稳步增长，公顷产量（两年三季）由7457kg提高到11829kg；河北省辛集市连续6年在孤庄、马兰等五个村进行玉米、小麦两茬秸秆还田试验，小麦公顷产量由4695kg增加到7125kg，玉米公顷产量由5400kg增加到7575kg，比全市平均公顷产量高2625kg；山西省屯留县王公庄村连续7年实施机械化玉米秸秆还田，土壤有机质含量从原来的0.67%提高到1.76%，公顷产量由4kg增加到8130kg；山东省淄博市连续3年进行机械化秸秆粉碎还田，结果小麦每公顷增产900kg以上，玉米每公顷增产1500kg以上，1997年，全国机械化秸秆还田面积约记666.7万公顷，以每公顷增产300kg产量计，共增产粮食约200万吨，创经济效益20亿元以上。

十多年来，这项技术在我国北方的玉米、小麦产区发展较快。

近年,在南方也得到了一定的发展。

近年来,随着农业生产水平和人民生活水平的提高，剩余秸秆越来越多。

通过消化吸收国外技术，结合我国的具体情况，已开发了一些经济实用的机械化秸秆还田机具。

我国研制的田间秸秆粉碎还田机具，比较成功的解决了主要以玉米和高粱等硬秸秆为主的粉碎还田问题。

根茬粉碎还田机与拖拉机的挂接形式可分为直挂接式和悬挂接式两种，按传动方式可分为侧边传动和中央传动两种，一般采用齿轮、带或链传动。

目前，我国已经研制出了几大类灭茬机具：

1.基本型灭茬机具

秸秆灭茬机具主要分为卧式和立式两种。

卧式秸秆灭茬机主要通过机械结构进行改进：

一是动力通过一组卧式圆盘刀进行秸秆粉碎；二是动力通过灭茬刀轴逆转进行秸秆灭茬还田耕作。

立式秸秆灭茬机采用立轴式结构，立轴上而几层安装甩刀或固定刀，通过打击与切割相结合的方式粉碎秸秆；立轴的下部安装固定切茬刀，切碎地下根茬，实现秸秆粉碎和灭茬两项作业。

但其结构复杂，使用安全性差，功率分配上存在互相牵制等问题。

2.灭茬旋耕机

灭茬旋耕机可与33～40.4KW（45～50马力）级各型号拖拉机配套。

灭茬旋耕机是在旋耕机的基础上进行机构改造而获得的，从结构上大致可分为两类：

一是通过齿轮箱变速手柄使刀轴获得不同的转速，在同一刀盘上，可分别安装旋耕刀和碎茬刀，目的是在一台机器上可分别完成旋耕和碎茬两项不同作业。

二是通过安装有不同转速双轴，分别实现灭茬旋耕作业，达到了一机两用的目的，减少机具进地次数，降低了耕作费用，但在机具的前进速度、生产率、功耗的分配上相互牵制。

另外，根茬在双轴之间容易缠绕堵塞，不仅降低作业效率，而且配套动力也随之增加。

3.多功能灭茬机具

多功能灭茬机具一次性可完成灭茬、旋耕、深松、双层施肥、起垄镇压等作业工序中的几种工序。

该机既能一次完成旋耕灭茬、深松、双层施肥、起垄镇压等项联合作业，还可进行旋耕灭茬、深松施肥、起垄镇压等单项或多项组合作业，实现了一机多具、一机多能、一机多用，提高了机具利用率。

这样既满足不同地区的农艺要求，又提高了机具适应性。

此类机具生产效率高，经济效益好，机具一次作业即可达到播种状态。

与传统“翻、耙、起、压”分段作业相比，该机减少了进地次数，降低了生产成本，有利于抗旱保墒和抢农时。

1.2国外根茬处理技术的途径和现状

由于机械化秸秆还田技术是利用秸秆资源最经济、最有效的技术，具有较大的经济效益、生态效益和社会效益。

因此国外在研制和生产方面起步较早，发展较快。

尤其是意大利、美国、英国、德国、法国、丹麦、日本和西班牙等发达国家在该领域处于领先地位。

意大利发的各类机具品种很多，能满足不同作物残留秸秆的粉碎还田，同类机具换装不同的工作部件可以对牧草、玉米秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆、甜菜和灌木丛残留物等进行切碎。

美国万国公司于60年代初就首次在联合收割机上采用切碎机对秸秆进行粉碎还田，其后研制了与90KW拖拉机配套的60型秸秆切碎机。

英国于80年代初在收获机上对秸秆进行粉碎，并采用犁式耙进行深埋。

日本采用的是在半喂人联合收割机后面加装切草装置，切碎后的茎秆长度一般为10cm左右，一次就能完成收获和秸秆粉碎。

西班牙阿格里克公司研制的立式粉碎机与拖拉机配套，适合于直立玉米、高粱秸秆以及联合收割机收后抛下的麦秸、豆秸、棉秆及杂草等的直接粉碎。

此外，国外还研制出拖拉机带动的卧式转子切碎机，外壳上有挡板，使茎秆撒布均匀，同时带有遇到障碍物时起作用的安全机构。

还有一种立式转子切碎机，既可用于秸秆切碎，又可用于修剪草坪和灌木丛。

国外秸秆还田技术比较完善，机具品种多，性能可靠，但价格昂贵。

英国在60年代初在收割机上对秸秆进行粉碎，并采用犁式耙进行深埋。

意大利CMARV公司生产的品种繁多，配套动力从18KW到130KW，工作幅宽从lm到6m的秸秆还田机的工作部件转速很高（大约1950rmin），具有良好的动平衡性能，稳定性，机具的割茬高度可通过滑板、滚轴、导向轮等来调节，机具的结构紧凑、可靠。

丹麦生产了与29KW与37KW拖拉机配套的SKT1500与SKT2100秸杆粉碎还田机。

法国、德国，由固定式铰接在转子上的刀片和梳式定刀片构成，转了转速在2500～3500范围内，撒布宽度2～4m，有防堵塞的安全装置；有些机器上采用了电磁离合器，操作者从驾驶室就可以控制切碎机；拖拉机带动的卧式转子切碎机，幅宽达6m，外壳上带有挡板使秸秆撒布均匀，同时带有遇到障碍物的安全机构；另外还有一种转子切碎机，这种机具具有一个转子或多个转子，多为偏置配置，这种切碎机具在法国发展较快，既可用于秸秆切碎又可用于修剪灌木丛和草丛。

在保护性耕作起步较早的美国，玉米的种植主要以平作为主，其所研制的一些免耕播种机可以错开茬口，在两垄之间进行耕作，不受根茬和原垄的影响。

但实践证明，采用美国的免耕播种机在我国黑龙江省内作业，由于根茬的阻碍，造成机器的通过性差、出苗率低、很难与原垄对齐，无法保证播种质量。

1.3灭茬技术存在的问题

1.综合作业程度不高

单项作业机具技术相对比较成熟一些，联合作业机具基本处于样机阶段，没有真正达到商品化程度，联合作业机具有待进一步开发。

2.机具规格不标准

现有的秸秆还田机具五花八门，各厂家有的不规范，有的三化（即标准化、通用化、系列化）设计程度很低。

3.机具性能不完善

振动大，可靠性差。

这是通病，需要采用合理的结构设计、优化传动配置等措施来解决这一问题。

4.碎茬质量不高。

我国北方旱作地区大力推广秸秆及根茬粉碎还田技术，即将地上秸秆粉碎，再用旋耕机深旋翻，深度超过15cm，将碎茎秆和残茬翻埋到土层中。

大的动土深度是为了完全掩埋秸秆，但根茬并未完全切碎，碎茬质量不高。

一部分与土壤粘附在一起的根茬翻到地表，反而增加了整地、播种作业的难度。

用弹齿耙只能把附土拨掉，难以切碎根茬。

另外还存在旋耕掩埋效果差，动力消耗过大等问题。

5.重机具研制，轻机理研究

我国北方旱作地区农机科研部门研制了不同功能的根茬处理机具，根茬处理机的使用量逐年增加。

根茬机械粉碎还田技术在吉林省应用面积最大，仅1990年推广根茬粉碎还田机6000多台。

由于缺乏对灭茬机理和碎土功耗的试验研究，因而出现了机具多而杂，但性能高的机具较少这一严重问题。

有的机具用旋耕刀代替切茬刀，碎茬效果差，且功耗较大。

6.对行灭茬准确性较差

一些灭茬机按行距要求配置灭茬部件，刀片沿着行（垄）在根茬范围内旋转切茬，实际作业幅宽缩短，动土量随之减少，动力消耗降低，这是一项很有创意的设计；但拖拉机手操作时很难保证灭茬部件准确对行（垄）碎茬，以致造成切茬不完全甚至漏切。

1.4发展趋势

1.大力开发联合作业机具

联合收割机附带秸秆切碎装置能使作物收获和秸秆还田有机结合，使作业成本大大下降，并且灵活方便，是最有前途的秸秆还田方式之一。

2.对灭茬过程进行计算机模拟、仿真和图像处理分析

利用FieldPoint模块建立自动测控系统和图像采集处理系统。

在土槽试验台上模拟田间作业工况，对秸秆粉碎、灭茬过程进行计算机模拟、仿真和图像处理分析。

记录不同工况参数下刀片的旋转切茬过程，分析刀片动态轨迹和根茬碎裂规律，进而优化刀片设计，确定刀片最佳排列方式和运动参数，为提高切茬效果和降低切茬功耗提供理论依据。

3.曲刃灭茬刀的研制

　　直线刀刃虽然制造简单，但滑切角沿刀刃方向无变化，使得根茬易从刀端滑出，不利于切茬。

若采用曲线刃灭茬刀，可形成包围状砍切，砍切中带有滑切，滑切角的变化从大到小，保证了稳定砍切，提高了切茬效果。

4.采用高新技术实现对行灭茬

　　将计算机视觉技术、激光制导技术等应用于对行灭茬控制装置中，提高对行灭茬的准确度，实现精确、高效灭茬。

5.农机与农艺结合研究

　　要实现秸秆、根茬全部还田不仅动土量大，而且动力消耗多，因此，还田并非越多越好。

应提倡保护性耕作技术，在减少动土量的前提下提高碎茬率，研制高效的秸秆、根茬粉碎机。

设想使一部分秸秆根茬还田，大部分分布在地表，这样既提高了免耕播种机的通过性，又可达到保水保墒之目的。

地表上下碎秆的比例需要农机与农艺相结合，通过长期的试验研究才能获得，这是一项很有意义的研究课题。

2灭茬旋耕机的总体方案设计

2.1灭茬旋耕机总体传动方案拟定

灭茬旋耕机状态动力为36.75KW（约50马力），动力由拖拉机动力输出，轴经一对圆锥齿轮和侧边圆柱齿轮带动。

设计的灭茬旋耕方案满足如下性能、性质参数要求如下：

1.刀轴转速：

正转：

200rmin左右（旋耕）500rmin左右（破垡）

反转：

200rmin左右（埋青灭茬）

2.设计耕深：

14cm（最大设计耕深）

3.工作幅宽：

1.6m

4.技术：

1）旋耕灭茬机与拖拉机采用三点悬挂联接，作业时万向传动轴偏置角度不得大于15°，田间过埂刀端离地高度150～250mm，此时万向传动轴角度不得大于30°。

切断动力后，旋耕灭茬机最大提升高度达刀端离地250mm以上。

　2）要求旋耕、灭茬作业能覆盖拖拉机轮辙，当幅宽小于拖拉机轮距外缘时，可采用偏配置。

　3）要求结构简单可靠，保证各项性能指标。

　4）设计时考虑加工工艺性和装配工艺性，尽量使用标准件、通用件，以降低制造成本。

2.2灭茬旋耕机总传动方案的选择

为了使设计的施耕机既能满足多项指标，又能结构合理，造价低，在市场上具有一定的先进性为此拟定两套方案对此进行分析：

方案一

图1传动方案一正转图2传动方案一反转

动力由拖拉机动力输出轴经一对圆锥齿和一组四级齿轮带动刀轴旋耕，此种方案的工作特色：

最后一级动力由中间齿轮传动，两边由侧板支撑，高