農(nóng)用栽樹挖坑機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u20623農(nóng)用栽樹挖坑機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算案例 1119391.1工作原理 184001.2螺旋挖掘鏟的設(shè)計(jì) 1216971.2.1螺旋直徑 1190631.2.2螺旋及螺旋方向的確定 2250621.2.3螺旋葉片類型與尺寸的確定 3272161.2.4挖頭的設(shè)計(jì) 3316471.3螺旋軸的設(shè)計(jì) 3174001.1.1選材及熱處理 3169741.1.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 373241.1.3螺旋挖掘鏟軸的校核 4152191.4刀具的設(shè)計(jì) 532281.4.1受力分析 5110811.4.2刀具阻力的計(jì)算 618481.4.2切削阻力P的計(jì)算 71.1工作原理手提式挖坑機(jī)由油箱、發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、減速器、鉆桿及套、安全保護(hù)罩、手柄及鉆頭裝置等八部分組成，其工作原理如下：由發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)離合器、減速器控制鉆頭旋轉(zhuǎn)從而完成挖坑作業(yè)。操作裝置一般為可拆卸的手柄結(jié)構(gòu)。手柄的設(shè)計(jì)要求為操作靈敏且不能影響發(fā)動(dòng)機(jī)油門的操作。1.2螺旋挖掘鏟的設(shè)計(jì)已知數(shù)據(jù)（1）輸送高度H=0.6m（2）土壤松散密度r=2t/m3(所查土壤的實(shí)體密度為（3）轉(zhuǎn)速n0（4）物料填充系數(shù)ψ=0.61.2.1螺旋直徑螺旋能力公式Q=Ψvs?r(3-1)其中Ψ為填充系數(shù)v為物料的平均速度，m/ss為螺旋斷面面積mr為物料的松散密度物料在垂直螺旋部分每轉(zhuǎn)上升距離為二分之一螺距，則輸送能力的計(jì)算公式為REF_Ref30212\r\h[11]： P=ρ0ηQ=14.13=14.13×=542.6t/h所需螺旋挖坑機(jī)的螺旋直徑D取決于土壤的粘性。對(duì)沒(méi)有強(qiáng)烈粘性的土壤，可以用如下公式： D≥K2.5Qψpc在公式中:Q為挖掘量542.6t(t/h)D為螺旋直徑(m)ρ為土壤堆積密度2（t/mC為輸送機(jī)傾角系數(shù)1.0ψ為土壤在輸送槽體中的填充系數(shù)為0.6K為物料的綜合特性系數(shù)根據(jù)連續(xù)挖坑機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查表，A=40,K=0.0537將K值帶入(3-3)式中得到D≥K2.5取值必須大于上一步計(jì)算數(shù)值，取相近整數(shù)D=150mm1.2.2螺旋及螺旋方向的確定螺旋按旋向分為右旋和左旋，按照線數(shù)分為單線、雙線和三線，在絕大多數(shù)情況下采用單線，在此畢業(yè)設(shè)計(jì)中采用單線。在挖坑過(guò)程中，出土的方向由螺旋挖掘鏟螺旋葉片的左右旋向及挖坑機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向決定[12]，確定挖坑機(jī)出土的方向的方法有很多種，本畢業(yè)設(shè)計(jì)用兩種研究方法來(lái)決定土壤的出土方向。第一種：右手辨別法：通過(guò)螺旋葉片盤旋方向來(lái)判斷出土方向，如果右旋，用左手，用左手握住挖坑機(jī)螺旋挖掘鏟的旋轉(zhuǎn)軸，四指指向的方向?yàn)樾D(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，大拇指所指方向?yàn)橥诳訖C(jī)出土方向；如果左旋，使用右手，大拇指的指向同樣為挖坑機(jī)出土方向。第二種：使軸的一頭對(duì)準(zhǔn)自己，觀察軸的的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與螺旋葉片在軸上的盤旋方向是否相同，如果相同，則出土的方向是朝著自己的方向，反之出土的方向是朝著自己的反向。1.2.3螺旋葉片類型與尺寸的確定葉片的形狀分為四種，分別是實(shí)體型、帶式、葉片式和齒形四種。本畢業(yè)設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)際情況采用帶式螺旋，帶式螺旋也是最為常見(jiàn)的。通過(guò)計(jì)算得出直徑、厚度和螺旋角度，繼續(xù)通過(guò)帶鋼材連續(xù)冷軋制作整體葉片，焊接在中間軸上組成螺旋挖掘鏟。螺旋葉片的制作方法采用分段式，即將葉片做成等距的單葉片，然后通過(guò)焊接的方式將各個(gè)單葉片進(jìn)行連接，從而構(gòu)成完整的螺旋體，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是分段式單葉片不需要大型的機(jī)器設(shè)備進(jìn)行加工制造?？梢园凑招枰瞥僧愋偷摹⒋笮偷?、加厚的、大直徑的、要求淬火的及特殊加工材質(zhì)的。分段式實(shí)體型螺旋葉片通常是對(duì)薄鋼板下料通過(guò)模具進(jìn)行冷壓或者熱壓制成[12]。所以本畢業(yè)設(shè)計(jì)采用的是分段式螺旋葉片。1.2.4挖頭的設(shè)計(jì)進(jìn)行挖坑作業(yè)時(shí)，挖頭具有破開(kāi)土壤、提升土壤并將土壤拋出坑外以及帶動(dòng)挖坑機(jī)繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)行作業(yè)的作用，其過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，但螺旋挖掘鏟的鉆頭對(duì)于挖坑機(jī)進(jìn)行作業(yè)時(shí)極為重要，根據(jù)資料顯示栽樹挖坑機(jī)拋土的半徑在1200mm~1500mm時(shí)最為合理，應(yīng)為土壤在該范圍內(nèi)十分有利于土壤回填。并且同時(shí)能夠滿足工作需求。不同環(huán)境中土壤的物理性質(zhì)不同，如果挖頭的硬度不夠，會(huì)對(duì)螺旋挖掘鏟造成不可逆的磨損，為了在相對(duì)堅(jiān)硬的土壤上更好的進(jìn)行挖坑作業(yè)。合理的對(duì)挖頭進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以增加挖頭的破土能力，同時(shí)可以避免螺旋挖掘鏟挖頭的磨損，可以在鉆頭尖端增加小型螺旋突起盤踞，并且在螺旋挖掘鏟葉片端部安裝刀具，從而滿足要求。（詳情見(jiàn)后續(xù)章節(jié)三維建模）1.3螺旋軸的設(shè)計(jì)1.1.1選材及熱處理在沒(méi)有特定要求的條件下，絕大多數(shù)會(huì)選擇45鋼來(lái)作為軸的材料；也有使用35、40、50鋼來(lái)作為軸的材料的現(xiàn)象，但相對(duì)于45鋼來(lái)說(shuō)，使用的次數(shù)更多更廣泛，對(duì)軸的要求沒(méi)有那么高或者軸的受力相對(duì)很小的時(shí)候，通常會(huì)選用Q235或者Q275REF_Ref30454\r\h[16]。要求高或者受力大的時(shí)候通常會(huì)選用合金鋼來(lái)作為軸的材料，選用合金鋼是為了能對(duì)軸的外徑表面進(jìn)行淬火。特殊情況下，部分軸會(huì)對(duì)應(yīng)力集中敏感，此時(shí)在對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候要特別注意。具有吸振性好且對(duì)于應(yīng)力集中不敏感同時(shí)耐磨的材料為球墨鑄鐵。選擇45鋼，調(diào)質(zhì)處理，此時(shí)得到軸的硬度為170HB~217HB。1.1.2軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過(guò)上述設(shè)定，本畢業(yè)設(shè)計(jì)中農(nóng)用栽樹挖坑機(jī)的挖坑深度為600mm，為了提高軸的剛度和抗彎強(qiáng)度，因此螺旋挖掘鏟軸根據(jù)查表初步選擇φ40的45號(hào)鋼棒料。1.1.3螺旋挖掘鏟軸的校核軸在工作時(shí)（旋轉(zhuǎn)時(shí)），軸自身的重力和焊接在軸上的螺旋葉片的軸，導(dǎo)致軸在受到扭矩的同時(shí)還受到彎矩，所以需要校核其扭矩和彎矩的強(qiáng)度和剛度。根據(jù)上述文中的螺距、挖掘深度以及葉片的導(dǎo)程，和L=nS可以得出該螺旋挖掘鏟有十個(gè)螺距。計(jì)算軸的直徑REF_Ref28508\r\h[6]： d≥A0其中：d為軸的直徑；P為軸傳遞的額定功率；n為軸的轉(zhuǎn)速；A0是按[τ軸的扭矩強(qiáng)度條件公式 τ=TW其中：τ為扭矩切應(yīng)；T為軸收到的扭矩；WT[τ]為軸的許用轉(zhuǎn)應(yīng)力25~45兆帕，見(jiàn)機(jī)械手冊(cè)； τ=TW所以軸的直徑34.8符合設(shè)計(jì)要求。校核軸的疲勞強(qiáng)度：扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力為τ=TWT抗扭截面系數(shù)（W由上述過(guò)程，已知P、n，根據(jù)M=9549P/n，將P、n帶入式中，可得M=23.312N·m圓柱形軸的彎曲應(yīng)力公式為σ=M/V，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為τ=T/WT=T/2W σe=其中T=9549彎曲應(yīng)力σ（由彎矩產(chǎn)生）通常情況下是對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力，但是扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力τ（由扭矩產(chǎn)生）不是對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力。循環(huán)特性不同對(duì)會(huì)對(duì)軸產(chǎn)生不同的影響，在此處需要引入折合系數(shù)α，則計(jì)算應(yīng)力為σca=M2+(aτ)2，在該公式中，彎曲應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力[13]，如果τ為靜應(yīng)力，此時(shí)取α≈0.3，如果τ在該文中，選用α=0.3?？箯澖孛嫦禂?shù)：W=π抗扭截面系數(shù)：WT極慣性系數(shù)：IPT通過(guò)上面的三個(gè)公式，計(jì)算得出：T=132.24N·m，W=48000mm帶入應(yīng)力計(jì)算公式中，得： σe=螺旋軸上的螺旋葉片時(shí)均勻分布的，所以自重所產(chǎn)生的載荷為均布載荷，此時(shí)可以將螺旋軸化簡(jiǎn)為均布載荷下的簡(jiǎn)支梁。螺旋軸的彎矩計(jì)算公式為: Mmax=ql將上述通過(guò)計(jì)算得出的已知數(shù)值代入計(jì)算σe的計(jì)算公式中，得出通過(guò)查詢機(jī)械手冊(cè)得到45鋼軸的材料的σb=590MPa49MPa<55MPa，所以滿足彎曲扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度要求。1.4刀具的設(shè)計(jì)1.4.1受力分析螺旋挖掘鏟端部所安裝的刀具在工作時(shí)所受到的力可看作銑刨刀具在工作時(shí)所受的銑刨力，為了實(shí)際計(jì)算，將其分解為相互垂直的三個(gè)力。所分解的三個(gè)力如圖3-1所示。圖3-1刀具受力簡(jiǎn)圖（1）圓周分力F該作用力可以使螺旋挖掘鏟端部刀具產(chǎn)生阻力矩Mt Mt=在該式中，R為刀尖外圓半徑。圓周分力是消耗功率的主要分力，它使得刀具產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形和彎曲變形，是計(jì)算刀具強(qiáng)度的主要依據(jù)。（2）徑向分力F該作用力可以使刀具產(chǎn)生彎矩，主要作用于刀具半徑方向，對(duì)刀具強(qiáng)度的影響最為深刻[14]。（3）軸向力F該力主要增加了刀具的軸向載荷，方向沿刀具軸向。在XOZ平面內(nèi)，F(xiàn)t于Fr的合力為Ftr，F(xiàn)tr=Ft21.4.2刀具阻力的計(jì)算如圖3-2所示，圖中OXY坐標(biāo)系建立在螺旋挖掘鏟葉片的端面上，O為螺旋挖掘鏟軸的回轉(zhuǎn)中心，OXY坐標(biāo)系所在的平面與刀具運(yùn)動(dòng)軌跡所在的平面平行。O，X，Y，坐標(biāo)系建立在螺旋挖掘鏟所安裝的刀具上REF_Ref30634\r\h[15]，該平面坐標(biāo)系是通過(guò)對(duì)OXY坐標(biāo)系進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)所得，刀具在外形設(shè)計(jì)時(shí)需要做一個(gè)側(cè)向傾角，這樣可以保證刀具在開(kāi)始工作的瞬間有一個(gè)緩沖過(guò)程，可以減少刀具的磨損REF_Ref30670\r\h[17]。圖3-2刀具在兩種坐標(biāo)系下的關(guān)系根據(jù)圖3-3所示的關(guān)系可以得出： tanψ,= R,=根據(jù)螺旋挖掘鏟工作可知，刀具對(duì)土壤進(jìn)行擠壓切削，土壤受到刀具的切削從而破碎，同時(shí)，土壤因刀具的切削也會(huì)對(duì)刀具產(chǎn)生大小相等方向相反的反作用力（擠壓力），所以刀具所受的阻力P主要是土壤的擠壓力。而刀具在工作時(shí)，同時(shí)會(huì)受到來(lái)自土壤的摩擦阻力，因此，農(nóng)用栽樹挖坑機(jī)的螺旋挖掘鏟刀具在對(duì)土壤進(jìn)行切削作業(yè)時(shí)，主要承受切削阻力P及土壤對(duì)刀具的摩擦力F的作用REF_Ref30839\r\h[18]。1.4.2切削阻力P的計(jì)算如圖3-3所示，刀具在切削土壤的過(guò)程中，切削阻力與刀具的切削運(yùn)動(dòng)方向相反，假設(shè)該切削阻力的作用點(diǎn)為刀具的A點(diǎn)，A