陸秋懿

（昆山登云科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 昆山 215300）

0 引 言

中國是土壤鹽堿化問題最嚴(yán)重的國家之一，鹽堿土壤分布面積大、范圍廣、利用率低[1-2]。通過采取合理措施改良鹽堿土，不僅可以擴(kuò)大適宜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的耕地面積，而且有助于提高作物的單位面積產(chǎn)量。本文基于國內(nèi)外鹽堿土改良的研究現(xiàn)狀，并結(jié)合我國國情和農(nóng)藝要求，設(shè)計了一種鹽堿土打孔通氣機(jī)的總體結(jié)構(gòu)，使機(jī)器滿足疏松土壤，提高土壤通透性，改善土壤環(huán)境的功能。

1 打孔通氣機(jī)的設(shè)計

1.1 打孔通氣機(jī)設(shè)計要求及技術(shù)參數(shù)

打孔通氣機(jī)的設(shè)計目標(biāo)是提高打孔質(zhì)量和效率，實現(xiàn)鹽堿土排鹽的機(jī)械化，降低生產(chǎn)成本。具體設(shè)計要求如下：

（1）實現(xiàn)打孔通氣機(jī)打孔環(huán)節(jié)的連續(xù)性，保證工作效率。

（2）消除打孔過程中的成孔的水平偏移，保證成孔垂直性。

（3）運行平穩(wěn)，機(jī)械振動小，能耗低。（4）結(jié)構(gòu)盡量簡化，零部件互換性好。

按照鹽堿土改良農(nóng)藝要求和參照其他打孔機(jī)械技術(shù)參數(shù)，本文設(shè)計的打孔通氣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1 所示[3-4]。

1.2 打孔通氣機(jī)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.2.1 打孔通氣機(jī)總體結(jié)構(gòu)

打孔通氣機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括：機(jī)架、傳動系統(tǒng)、打孔裝置以及隨動裝置。

表1 打孔通氣機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2.2 打孔通氣機(jī)工作原理

在打孔通氣機(jī)工作時，拖拉機(jī)前進(jìn)并由動力輸出軸帶動變速器，通過雙鏈輪帶動小皮帶輪轉(zhuǎn)動，大皮帶輪在皮帶傳動下帶動偏心輪轉(zhuǎn)動，使得長桿帶動打孔針做上下往復(fù)運動。當(dāng)打孔針在地表上方時，支撐臂在重力、彈簧張力和限位螺母作用下保持平衡；當(dāng)打孔針入土?xí)r，土壤水平阻力推動打孔針，使支撐臂逆時針偏轉(zhuǎn)并將螺紋桿向上推，此時彈簧收縮；當(dāng)打孔針出土后，土壤水平阻力消失，彈簧張力推動螺紋桿，在限位螺母的阻擋下，支撐臂順時針偏轉(zhuǎn)到初始位置即停止，并在彈簧作用下保持穩(wěn)定。

2 打孔通氣機(jī)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 機(jī)架設(shè)計

2.1.1 設(shè)計要求

機(jī)架是整個打孔通氣機(jī)的重要載體，搭載著變速箱、偏心輪、皮帶輪、打孔針、長桿和限深輪等主要部件。所以，它必須有足夠的強(qiáng)度和剛度。在設(shè)計時要滿足以下要求：

（1）能承載打孔通氣機(jī)主要部件的重力，不變形。

（2）機(jī)架的焊接部分要保證焊接性能良好，焊縫表面平整，無雜質(zhì)氣孔等缺陷。

（3）簡化機(jī)架結(jié)構(gòu)。在滿足其強(qiáng)度要求的情況下，盡可能簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計以減少成本。

2.1.2 機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計

本機(jī)器承載機(jī)架采用三點懸掛式機(jī)架形式，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2 所示。打孔通氣機(jī)裝有4 組打孔部件，每組含2 個打孔針，打孔針間距150 mm，因此確定主梁的長度為1 200 mm。承載機(jī)架由前橫梁、中豎梁、后支撐梁、側(cè)豎梁和懸掛臂梁組成。前橫梁選用5 mm×100 mm×100 mm 的Q235 方管，兩端均焊接密封。前橫梁上布置三點懸掛機(jī)構(gòu)和變速箱，中豎梁上放置4 個皮帶輪裝置，后支撐梁上有4 組打孔部件進(jìn)行打孔作業(yè)。

2.2 變速箱設(shè)計

2.2.1 傳動方案的確定

本機(jī)選用皮帶輪傳動（如圖3 所示），拖拉機(jī)動力輸出軸將動力傳遞給變速箱主動齒輪軸后，變速箱從動軸通過雙鏈輪將動力傳遞至小皮帶輪，小皮帶輪與大皮帶輪間選用皮帶輪傳動，帶動裝有偏心軸的大皮帶輪轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)打孔裝置的連續(xù)工作。

2.2.2 變速箱的傳動比與動力參數(shù)

打孔通氣機(jī)的傳動比是：

式（1）中：i為打孔通氣機(jī)傳動比；n0為變速箱主動齒輪軸轉(zhuǎn)速，r/min；n2為大皮帶輪轉(zhuǎn)速，r/min。其中，n0取拖拉機(jī)的額定轉(zhuǎn)速760 r/min，n2與曲柄AC轉(zhuǎn)速相等，n2=ω=250 r/min，得i=3.04。

本機(jī)設(shè)計二級減速，一級為變速箱減速，一級為皮帶輪減速，則dp2＞dp1，z1＞z2，其中：z1為變速箱主動齒輪齒數(shù)；z2為變速箱從動齒輪齒數(shù)；dp1為小帶輪節(jié)圓直徑，mm；dp2為大帶輪節(jié)圓直徑，mm。

根據(jù)傳動系統(tǒng)設(shè)計圖如圖3 所示，可知：

式(2)中：ε 為彈性滑動系數(shù)，取0.02。

由打孔通氣機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖（如圖1 所示）可知，偏心軸安裝在大皮帶輪上形成曲柄AC，則dp2＞2l2，取dp2=300 mm，dp1=240 mm，得z2=2.38z1，故本文設(shè)計z1=15，z2=36。

各軸轉(zhuǎn)速：

Ⅰ軸轉(zhuǎn)速n0=760 r/min

Ⅱ軸轉(zhuǎn)速

各軸功率：

Ⅰ軸功率p1=p0η滾=58.5 kW

Ⅱ軸功率p2=p1η滾η齒=54.74 kW

各軸扭距：

式中：η滾為滾動軸承效率；η齒為齒輪傳動效率。

2.2.3 齒輪設(shè)計

根據(jù)傳動系統(tǒng)設(shè)計圖（如圖3 所示），選用錐齒輪傳動。變速箱為一般農(nóng)機(jī)傳動機(jī)構(gòu)，速度不高，故選用11 級的精度（GB10095-88）。由表可選擇小齒輪的材料為20GiMnTi，大齒輪材料為20GiMnTi，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，硬度為HRC=50～55；選用小圓錐齒輪Z1=15,大圓錐齒輪Z2=36，正交布置，∑=90°。

圓錐齒輪的大端模數(shù)m的值為標(biāo)準(zhǔn)值，可按GB12368-90 選??；壓力角α=20°，m≥1 mm 時，齒頂高系數(shù)和頂隙系數(shù)為ha*=1，c*=0.2。

分度圓的錐角δ：

齒頂高h(yuǎn)a：

齒根高h(yuǎn)f：

分度圓直徑d：

齒頂圓直徑da：

齒根圓直徑df：

錐距R：

分度圓齒厚S：

頂隙C：

齒頂角θa：

齒根角θf：

當(dāng)量齒數(shù)Zν：

頂錐角δa：

根錐角δf：

當(dāng)量分度圓半徑rν：

當(dāng)量齒輪齒頂圓半徑rνa：

當(dāng)量齒輪齒頂圓壓力角ανa：

重合度εα：

平均分度圓直徑dm：

2.2.4 箱體設(shè)計

本變速箱是封閉在剛性殼體內(nèi)由齒輪傳動組成的獨立體，包括箱體（1 個）、傳動軸（2 根）、小圓錐齒輪（1 個）、大圓錐齒輪（1 個）、端蓋（若干個）以及其他標(biāo)準(zhǔn)件和一些小零部件。其主要功用是進(jìn)行動力的傳輸，通過圓錐齒輪進(jìn)行傳動，輸入軸與輸出軸位置布置成相交的場合。

變速箱的結(jié)構(gòu)要緊湊，保證在打開后蓋更換齒輪時，使箱體稍加傾斜而不會漏掉潤滑油。箱體各部件要保證密封，防止漏油。

本文箱體壁厚取13 mm；箱蓋壁厚取13 mm；軸承旁連接螺栓選直徑10 mm 的螺栓；檢查孔蓋螺栓直徑，軸承座外徑需要考慮軸承外圈直徑，一般為D+(5~5.5)d，其中d為軸承螺栓直徑。軸承旁凸臺半徑、軸承旁凸臺高度由結(jié)構(gòu)決定。箱體外壁至軸承座端面的距離、齒輪頂圓到箱體內(nèi)壁的距離、鑄造外圓角、內(nèi)圓角等也需要考慮，與箱體的壁厚相關(guān)。

（1）行位公差：同軸度，位置度，垂直度問題。

（2）尺寸公差：法蘭與箱體孔的配合，一般采用基孔制H8/h7；軸承與法蘭孔（端蓋）配合，一般采用基軸h8；油封與軸的配合f8。

（3）材料選擇：箱體類（包括端蓋）選用HT200。

3 結(jié) 語

為了滿足打孔通氣機(jī)的功能要求，本文選取三點懸掛式機(jī)架，確定了皮帶輪傳動方案，對該機(jī)變速箱的傳動比和動力參數(shù)進(jìn)行校核，并對選用的錐齒輪完成了材料的選用和結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計，最終對變速箱箱體進(jìn)行核算，完成了該打孔機(jī)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計。