微型秸稈還田機的設計

劉志渝

摘要：根據玉米秸稈、稻草等農作物秸稈資源對鍘草機的性能要求，設計一款微型秸稈還田機。詳細介紹微型秸稈還田機的結構、工作原理及主要部件設計思路，并對重要零部件及傳動進行計算及校核。該機結構簡單，工作可靠，工藝簡捷，造價低，使用壽命長。

關鍵詞：秸稈還田機；結構；設計；原理；軸；鏈傳動

中圖分類號：S224.29 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）01-0035-03

農作物秸稈中含有大量的有機質、氮、磷、鉀和微量元素，是農業(yè)生產重要的有機肥源之一，也是地球上第一大可再生資源。推廣秸稈還田技術既可增加土壤有機質，培肥地力，又可減少資源的浪費和環(huán)境污染，從而改善農業(yè)生態(tài)環(huán)境，提高農業(yè)生產的產出水平。為此，設計一款結構簡單、操作容易、工作可靠、由小功率微耕機牽引的秸稈粉碎機，為農業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供機具支持。

1 微型秸稈還田機的結構與原理

微型秸稈還田機主要由輸送機構、喂入機構、鍘切拋送機構、傳動機構等組成，其結構如圖1所示。

工作原理為：柴油發(fā)動機通過一級帶傳動將動力傳到主軸，在主軸另一端通過兩對圓柱齒輪減速后，動力到達下喂入輥；上喂入輥由草層與下喂入輥之間的摩擦帶動；為使上喂入輥能夠浮動，以保證不同負荷情況下有一定的壓緊力，在上輸入輥左右端各用一彈簧和滑塊輔佐固定；壓草輥的轉動由下喂草輥通過一對齒輪和一個萬向聯軸器實現，在其兩端加裝彈簧與滑塊，為免被卡死；為保證自動進料，采用鏈板式輸送器，其主動鏈輪動力由下喂入輥通過一對鏈輪傳動獲得。

2 微型秸稈還田機詳細設計

配套動力功率：5.15 kW；轉速：1 250 r/m；生產率：0.7～0.8 t/h；整機質量：110 kg。

2.1 鏈傳動的設計

2.1.1 鏈輪齒數 取小鏈輪齒數z2=19，則大鏈輪的齒數z1=19/0.625=30。

2.1.2 功率 Pac=KAKZP=1.0×0.82×3=2.46（kW） 。

2.1.3 鏈條節(jié)距 由Pac=2.46 kW，n1=205 r/min，確定鏈條節(jié)距P=15.875 mm。

2.1.4 鏈節(jié)數和中心距 初選中心距a0=500 mm，則相應的鏈長節(jié)數為：

Lp0=2++

=2×++

×=87.55

取鏈長節(jié)數Lp=88節(jié)。則鏈輪的最大中心距為：α=f1p[2Lp-（z1+z2）]=0.249 31×15.875×[2×88-（30+19）]=502.64（mm）。

2.1.5 鏈速 v=n1z1p/（60×1 000）=205×30×15.875/（60×1 000）=1.6（m/s）

2.1.6 軸力 有效圓周力為Fe=1 000p/v=1 000×2.46/1.6=1 537.5（N）。鏈輪水平布置，壓軸力系數KFp=1.15，則壓軸力Fp≈KFpFe≈1.15×1 537.5≈1 768（N）。

2.2 軸的設計

2.2.1 主軸功率和轉矩 取V帶傳動的效率η1=0.96，電動機額定功率P=3 kW，則主軸功率P1=0.96×3=2.88（kW）；主軸轉矩：T1=38.467 N·m

2.2.2 軸徑的確定 初步確定軸最小直徑時，軸的材料為45鋼，調質處理。取A=112，則dmin=AO=112×=17.8（mm）。查機械設計手冊，選取軸徑d=35 mm。

2.2.3 軸結構 軸的具體結構如圖2所示。主軸中間安裝動刀架和風扇葉片結合體，兩側為滑動軸承；滑動軸承一側為大帶輪，另一側是安全離合器。

根據零件及軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度。Ⅰ-Ⅱ軸端需制出一軸肩，dⅠ-Ⅱ=35 mm。由于dd≦300 mm，因此帶輪采用腹板式，長度B=（z-1）e+2f=48（mm），取l=45 mm。

因軸承同時受徑向力和軸向力的作用，故選用單列圓錐滾子軸承30208，其尺寸為d×D×T=40 mm×80 mm×19.75 mm，dⅡ-Ⅲ=dⅤ-Ⅵ=40 mm；端蓋的總寬度為20 mm，軸承寬度為18 mm，右端與帶輪距離42 mm，取lⅡ-Ⅲ=80 mm。

軸肩高度h>0.07 d，dⅡ-Ⅲ=40 mm，取h=6 mm，dⅢ-Ⅳ=52 mm，確定其高度為6 mm。軸環(huán)處直徑dⅣ-Ⅴ=64 mm，其長度lⅣ-Ⅴ=20 mm。軸Ⅴ-Ⅵ段尺寸與軸Ⅱ-Ⅲ段尺寸一樣。軸Ⅵ-Ⅶ段的直徑dⅥ-Ⅶ=35 mm，lⅥ-Ⅶ=40 mm。

齒輪、滾筒和帶輪的周向定位都采用平鍵連接。根據dⅢ-Ⅳ查得平鍵截面b×h=16 mm×10 mm。鍵槽用鍵槽銑刀加工，長100 mm。同時，為保證齒輪與軸配合有良好的對中性，選擇配合為H7/n6；帶輪和錐齒輪與軸的鏈接選用平鍵，尺寸為10 mm×8 mm×35 mm。滾動軸承與軸的周向定位由過度配合來保證。軸的公差為m6。

2.2.4 按彎矩合成校核軸的強度

軸的彎矩圖和扭矩圖見圖3。

1） 軸的受力。軸的受力位置為大帶輪處、刀架處、軸承處和小錐齒輪處。其中，動刀架對主軸的扭矩T=9.55×106×3×0.75/715=3.01×104（N·mm）。動刀架對主軸作用的圓周力Fr=T/R=38 467/230=167.2（N）。動刀架的重量G=mg=300 N。小帶輪對軸的作用力Fp2=1 384 N，將其分解為水平和豎直面上的兩個分力，則Fp2H=Fp2v=Fp2cos45=978（N）。大帶輪對軸的豎直向下作用力Fp1=788.4 N。

2） 水平面支反力。由∑MB=0及-FAH×（40+240）-Fr×（240+40）/2+FP2H×[121-（78+40）/2]=0，求得FAH=72 N。

由∑F=0及FAH+Fr+Fp2H-FBH=0，得FBH=1 294 N。

3） 水平面彎矩。MCH=FAH×（40+240）/2=1.12×104（N·mm）；MBH=FBH×[121-（78+40）/2]=6.06×104

（N·mm）。

4） 垂直面支反力。由∑MB=0及FAV×（40+240）+（mg-Fr）×（240+40）/2+FP2V×[121-（78+40）/2]-Fp1×（121-20+145-48）=0，得FAV=666 N。由∑F=0及FBV-FAV+mg-Fr-FP2V-FP1=0，得FBV=2 448 N。

5） 垂直面彎矩。MCV=FAV×（40+240）/2=1.04×104（N·mm）；MBV=FAV×（40+272）+（mg-Fr）×（272+40）/2=2.16×105（N·mm）；MDV=Fp1×（145-24+39）=1.26×105（N·mm）。

6） 合成彎矩。MC==1.04×105

（N·mm）；MB==1.04×105（N·mm）；MD=MDV=1.26×105（N·mm）。

7） 扭矩。TC=9.55×106×3×0.75/775=2.77×104

（N·mm）；TD=9.55×106×3×0.96/775=3.55×104（N·mm）

8） 當量彎矩。當量彎矩的計算公式為：Me=?？蓪⑤S的扭轉剪應力看作脈動循環(huán)，取α=0.6。觀察合成彎矩圖和扭矩圖可知，B和D處均可能是危險截面，則B截面：MBe=；D截面MDe==1.26×105（N·mm）。

σbe=Mbe/W=Mbe/лd3/（1-β）3/76=148<[σ-1]。由于[σ-1]為170，故材料選取為45#鋼。

9） 危險截面強度。軸的材料選用45鋼，正火，其強度極限σB=600 MPa，需用彎曲應力為[σ-1b]=55 MPa。由于σB=MBε/WB=MBε/0.1dB3=52.24 MPa<55 MPa，σD=MDε/WD=MDε/0.1dD3=29.62 MPa<55 MPa，故軸的強度符合要求。（下轉第39頁）

（上接第36頁）

3 結論

微型秸稈還田機適用于平原、丘陵和山地，具有秸稈還田、解決土地脊薄問題的效能，能極大的改善機械作業(yè)條件，提高農民應用機械作業(yè)的積極性。同時，該機結構簡單，操作維修容易，工作可靠，安裝調整方便，工藝簡捷，造價低，使用壽命長。

由∑F=0及FAH+Fr+Fp2H-FBH=0，得FBH=1 294 N。

3） 水平面彎矩。MCH=FAH×（40+240）/2=1.12×104（N·mm）；MBH=FBH×[121-（78+40）/2]=6.06×104

（N·mm）。

4） 垂直面支反力。由∑MB=0及FAV×（40+240）+（mg-Fr）×（240+40）/2+FP2V×[121-（78+40）/2]-Fp1×（121-20+145-48）=0，得FAV=666 N。由∑F=0及FBV-FAV+mg-Fr-FP2V-FP1=0，得FBV=2 448 N。

5） 垂直面彎矩。MCV=FAV×（40+240）/2=1.04×104（N·mm）；MBV=FAV×（40+272）+（mg-Fr）×（272+40）/2=2.16×105（N·mm）；MDV=Fp1×（145-24+39）=1.26×105（N·mm）。

6） 合成彎矩。MC==1.04×105

（N·mm）；MB==1.04×105（N·mm）；MD=MDV=1.26×105（N·mm）。

7） 扭矩。TC=9.55×106×3×0.75/775=2.77×104

（N·mm）；TD=9.55×106×3×0.96/775=3.55×104（N·mm）

8） 當量彎矩。當量彎矩的計算公式為：Me=?？蓪⑤S的扭轉剪應力看作脈動循環(huán)，取α=0.6。觀察合成彎矩圖和扭矩圖可知，B和D處均可能是危險截面，則B截面：MBe=；D截面MDe==1.26×105（N·mm）。

σbe=Mbe/W=Mbe/лd3/（1-β）3/76=148<[σ-1]。由于[σ-1]為170，故材料選取為45#鋼。

9） 危險截面強度。軸的材料選用45鋼，正火，其強度極限σB=600 MPa，需用彎曲應力為[σ-1b]=55 MPa。由于σB=MBε/WB=MBε/0.1dB3=52.24 MPa<55 MPa，σD=MDε/WD=MDε/0.1dD3=29.62 MPa<55 MPa，故軸的強度符合要求。（下轉第39頁）

（上接第36頁）

3 結論

微型秸稈還田機適用于平原、丘陵和山地，具有秸稈還田、解決土地脊薄問題的效能，能極大的改善機械作業(yè)條件，提高農民應用機械作業(yè)的積極性。同時，該機結構簡單，操作維修容易，工作可靠，安裝調整方便，工藝簡捷，造價低，使用壽命長。

由∑F=0及FAH+Fr+Fp2H-FBH=0，得FBH=1 294 N。

3） 水平面彎矩。MCH=FAH×（40+240）/2=1.12×104（N·mm）；MBH=FBH×[121-（78+40）/2]=6.06×104

（N·mm）。

4） 垂直面支反力。由∑MB=0及FAV×（40+240）+（mg-Fr）×（240+40）/2+FP2V×[121-（78+40）/2]-Fp1×（121-20+145-48）=0，得FAV=666 N。由∑F=0及FBV-FAV+mg-Fr-FP2V-FP1=0，得FBV=2 448 N。

5） 垂直面彎矩。MCV=FAV×（40+240）/2=1.04×104（N·mm）；MBV=FAV×（40+272）+（mg-Fr）×（272+40）/2=2.16×105（N·mm）；MDV=Fp1×（145-24+39）=1.26×105（N·mm）。

6） 合成彎矩。MC==1.04×105

（N·mm）；MB==1.04×105（N·mm）；MD=MDV=1.26×105（N·mm）。

7） 扭矩。TC=9.55×106×3×0.75/775=2.77×104

（N·mm）；TD=9.55×106×3×0.96/775=3.55×104（N·mm）

8） 當量彎矩。當量彎矩的計算公式為：Me=?？蓪⑤S的扭轉剪應力看作脈動循環(huán)，取α=0.6。觀察合成彎矩圖和扭矩圖可知，B和D處均可能是危險截面，則B截面：MBe=；D截面MDe==1.26×105（N·mm）。

σbe=Mbe/W=Mbe/лd3/（1-β）3/76=148<[σ-1]。由于[σ-1]為170，故材料選取為45#鋼。

9） 危險截面強度。軸的材料選用45鋼，正火，其強度極限σB=600 MPa，需用彎曲應力為[σ-1b]=55 MPa。由于σB=MBε/WB=MBε/0.1dB3=52.24 MPa<55 MPa，σD=MDε/WD=MDε/0.1dD3=29.62 MPa<55 MPa，故軸的強度符合要求。（下轉第39頁）

（上接第36頁）

3 結論

微型秸稈還田機適用于平原、丘陵和山地，具有秸稈還田、解決土地脊薄問題的效能，能極大的改善機械作業(yè)條件，提高農民應用機械作業(yè)的積極性。同時，該機結構簡單，操作維修容易，工作可靠，安裝調整方便，工藝簡捷，造價低，使用壽命長。