小型農(nóng)田開(kāi)溝機(jī)刀軸傳動(dòng)箱的設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)國(guó)內(nèi)小型農(nóng)田開(kāi)溝機(jī)的刀軸轉(zhuǎn)速偏低，造成橫向拋土距離不夠的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種不增大傳動(dòng)箱外形尺寸，同時(shí)又能提高刀軸轉(zhuǎn)速的新型四軸雙聯(lián)齒輪刀軸傳動(dòng)箱。結(jié)合計(jì)算機(jī)三維軟件對(duì)傳動(dòng)箱的運(yùn)動(dòng)、應(yīng)力和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真、校核和優(yōu)化，增強(qiáng)了產(chǎn)品的可靠性，降低了生產(chǎn)成本。

關(guān)鍵詞：開(kāi)溝機(jī)；刀軸；傳動(dòng)箱；應(yīng)力分析

中圖分類號(hào)：Ｓ２２２．５＋２文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Ｂ文章編號(hào)：0439－８114（２０11）21－4481-04

Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｕｔｔｅｒ Ｓｈａｆｔ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｂｏｘ ｏｆ Ｓｍａｌｌ Ｆａｒｍｌａｎｄ Ｄｉｔｃｈ Ｍａｃｈｉｎｅ

ＹＩＮ Ｙｅ－ｈｏｎｇ，ＳＵＮ Ｊｉｎ－ｆｅｎｇ，ＺＥＮＧ Ｈｏｎｇ－ｈｕｉ

（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈｕｂｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｗｕｈａｎ ４３００６８， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｄｅａｌ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｖｏｌｖｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｃｕｔｔｅｒ ｓｈａｆｔ waｓ ｌｏｗ ａｎｄ ｓｏｉｌ ｅｊｅｃｔｏｒ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｉｎ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ waｓ ｓｈｏｒｔ ｏｎ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ｓｍａｌｌ－ｓｃａｌｅ ｉｒｒｉｇａｔｉｏｎ ｔｒｅｎｃｈｅｒ ｋｎｉｆｅ ｓｈａｆｔ， a ｎｅｗ ｋｉｎｄ ｏｆ ｃｕｔｔｅｒ ｓｈａｆｔ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｂｏｘ ｗｈｉｃｈ ｈａd ｆｏｕｒ ｄｏｕｂｌｅ ｇｅａｒ ｓｈａｆｔ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ， ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｔｔｅｒ ｓｈａｆｔ ｉｎ ｔｈｅ ｃａｓｅ ｗａｓ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ， ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ， ｔｈｅ ｓｈａｐｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｂｏｘ ｗａｓ ｎｏｔ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ． Ｔｈｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ， ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｂｏｘ ｗｅｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ， ｃｈｅｃｋｅｄ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｓｏｆｔｗａｒｅ， ｗｈｉｃｈ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｐｒｏｄｕｃｔ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅd ｔｈｅ ｃｏｓｔ.

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｔｒｅｎｃｈ ｄｉｇｇｅｒ； ｃｕｔｔｅｒ ｓｈａｆｔ； ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｂｏｘ； ｓｔｒｅｓｓ ａｎａｌｙｓｉｓ

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有與１２匹手扶拖拉機(jī)配套使用的小型農(nóng)田開(kāi)溝機(jī)的刀軸傳動(dòng)箱，主要采用四軸過(guò)橋齒輪傳動(dòng)和鏈條傳動(dòng)，刀軸輸出速度一般為１６０～２９０ ｒ／ｍｉｎ［１，２］。在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)由于現(xiàn)有開(kāi)溝機(jī)的刀軸轉(zhuǎn)速偏低，造成橫向拋土距離不夠，開(kāi)溝不理想。針對(duì)這一問(wèn)題，對(duì)原有開(kāi)溝機(jī)的刀軸傳動(dòng)箱進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，增大傳動(dòng)箱的傳動(dòng)比，以提高刀軸轉(zhuǎn)速。設(shè)計(jì)過(guò)程中，在增大傳動(dòng)比的同時(shí)盡量保證不增大傳動(dòng)箱的外形尺寸。同時(shí)利用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ２０１０［３］對(duì)整個(gè)傳動(dòng)箱進(jìn)行了結(jié)構(gòu)仿真和力學(xué)分析，優(yōu)化了部分不合理的結(jié)構(gòu)。由于開(kāi)溝機(jī)市場(chǎng)前景較大，屬于大規(guī)模生產(chǎn)，采用這種方式設(shè)計(jì)，可縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，為降低產(chǎn)品廢品率、節(jié)約材料奠定了良好基礎(chǔ)。

１開(kāi)溝機(jī)工作原理

小型農(nóng)業(yè)輪胎彎刀式開(kāi)溝機(jī)工作原理是利用１２匹手扶拖拉機(jī)作為動(dòng)力部分，手扶拖拉機(jī)的動(dòng)力通過(guò)傳動(dòng)軸傳給傳動(dòng)箱輸入軸，經(jīng)傳動(dòng)箱變速后，將動(dòng)力輸出到旋轉(zhuǎn)的刀軸上，由于刀軸的高速轉(zhuǎn)動(dòng)，刀軸上的彎刀切入土中并將泥土拋出溝外一定距離，達(dá)到對(duì)農(nóng)田開(kāi)溝的目的。開(kāi)溝機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖１所示［４］。

２開(kāi)溝機(jī)刀軸傳動(dòng)箱的設(shè)計(jì)

２．１方案設(shè)計(jì)

從現(xiàn)階段來(lái)看，國(guó)內(nèi)已有的小型農(nóng)業(yè)開(kāi)溝機(jī)刀軸輸出速度過(guò)低，造成橫向拋土距離不夠，開(kāi)溝不理想。在保證提高刀軸轉(zhuǎn)速和原傳動(dòng)箱外形尺寸不變的情況下，設(shè)計(jì)了一種新型四軸雙聯(lián)齒輪傳動(dòng)箱。該刀軸傳動(dòng)箱的傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖２所示。

２．２參數(shù)計(jì)算

已知刀軸傳動(dòng)箱的輸入軸速度ｎ１＝２４０ ｒ／ｍｉｎ，輸出軸ｎ４＝４８０ ｒ／ｍｉｎ，輸入軸與輸出軸間的中心距約３４０ ｍｍ，依據(jù)１２匹手扶拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸處的功率和傳動(dòng)箱的傳動(dòng)比ｉ≈２，可計(jì)算出傳動(dòng)箱內(nèi)齒輪的模數(shù)為４；依據(jù)傳動(dòng)箱的中心距和傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖，可計(jì)算出傳動(dòng)箱內(nèi)各齒輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)［５］如表１。

２．３結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本刀軸傳動(dòng)箱的箱體采用的是剖分式結(jié)構(gòu)，其箱座和外側(cè)蓋由兩定位銷定位，用螺釘周圈固連，傳動(dòng)箱的加油口和放油孔設(shè)計(jì)在箱座上，如圖３所示。傳動(dòng)箱內(nèi)的主動(dòng)齒輪和輸出齒輪通過(guò)其內(nèi)花鍵分別與輸入軸和輸出軸的外花鍵固連。兩過(guò)橋齒輪設(shè)計(jì)為雙聯(lián)齒輪，其目的是提高速比。過(guò)橋齒輪通過(guò)兩個(gè)軸承安裝在過(guò)橋齒輪軸上，軸承外圈又通過(guò)孔用擋圈與過(guò)橋齒輪定位，過(guò)橋齒輪軸借助其軸肩和軸套定位于傳動(dòng)箱中。為防止?jié)B油，過(guò)橋齒輪軸的兩端裝有Ｏ型密封圈。傳動(dòng)箱的輸入、輸出軸的固定方式仍按沒(méi)改進(jìn)前的刀軸傳動(dòng)箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行。

這種剖分式刀軸傳動(dòng)箱和沒(méi)改進(jìn)前的整體傳動(dòng)箱相比，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且還降低了箱體的鑄造和加工難度，同時(shí)也便于裝配與維修。

３傳動(dòng)箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)

３．１傳動(dòng)箱三維建模及運(yùn)動(dòng)仿真

根據(jù)上述對(duì)傳動(dòng)箱的計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并利用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ２０１０對(duì)其進(jìn)行了三維建模和運(yùn)動(dòng)仿真，沒(méi)發(fā)現(xiàn)刀軸傳動(dòng)箱在裝配和運(yùn)動(dòng)中有干涉現(xiàn)象，能夠滿足按照設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)方式傳遞動(dòng)力。這種設(shè)計(jì)方案很好地避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式中由于設(shè)計(jì)疏忽而造成加工出來(lái)的設(shè)備無(wú)法裝配、結(jié)構(gòu)干涉等問(wèn)題。圖４為開(kāi)溝機(jī)刀軸傳動(dòng)箱的三維結(jié)構(gòu)爆炸圖。

３．２主要部件應(yīng)力分析

在設(shè)計(jì)中運(yùn)用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ２０１０的ＣＯＳＭＯＳ Ｗｏｒｋｓ插件，通過(guò)對(duì)零件進(jìn)行固定、附加設(shè)計(jì)材質(zhì)、添加作用力、自動(dòng)劃分網(wǎng)格、生成報(bào)告等步驟對(duì)主要承載的零件進(jìn)行了應(yīng)力分析。

由于齒輪是通過(guò)齒與齒的相互嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)，主要的承載位置在輪齒上，故以齒輪的花鍵連接作為約束對(duì)象進(jìn)行固定，通過(guò)對(duì)齒輪附加材質(zhì)和給輪齒添加作用力等步驟得到了圖５和圖６的分析結(jié)果。從軟件自動(dòng)生成的分析報(bào)告可以看出齒輪４的最大位移量在齒尖，圖５中紅色處約為０．０１７ ６６３ ７ ｍｍ，而最大應(yīng)力分布在齒輪的齒根段，圖６中綠色處為１１５．９３３ Ｎ／ｍｍ２，分析表明所設(shè)計(jì)的傳動(dòng)件變形量極小，強(qiáng)度也滿足設(shè)計(jì)要求。

同理對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行了位移分析和應(yīng)力分析，結(jié)果如圖７和圖８所示，傳動(dòng)軸的最大位移量為０．２６２ ｍｍ，最大應(yīng)力２５７．０５８ Ｎ／ｍｍ２，分析表明所設(shè)計(jì)的傳動(dòng)件變形量極小，故強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)對(duì)傳動(dòng)箱外側(cè)蓋上的螺栓孔進(jìn)行固定，對(duì)側(cè)蓋上的兩個(gè)軸孔添加載荷，分析結(jié)果如圖９和圖１０所示，從圖中可以看出外側(cè)蓋體轉(zhuǎn)折凸起處的應(yīng)力相對(duì)集中，應(yīng)力圖顏色較深，變形量較大，已經(jīng)接近了材料的屈服強(qiáng)度，原因是凸起部分采用的９０°直角，這樣導(dǎo)致應(yīng)力集中在轉(zhuǎn)彎處。通過(guò)對(duì)該處結(jié)構(gòu)進(jìn)行圓滑過(guò)渡，很好地解決了應(yīng)力集中的問(wèn)題，降低了鑄造的難度，滿足了設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化前和優(yōu)化后的傳動(dòng)箱外側(cè)蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖１１所示。

通過(guò)上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真分析，繪制了整個(gè)開(kāi)溝機(jī)的二維圖，如圖１２（ａ）所示，以及整個(gè)開(kāi)溝機(jī)的三維效果圖，如圖１２（ｂ）所示。

４小結(jié)

采用改進(jìn)型的開(kāi)溝機(jī)，可改善橫向拋土不理想的現(xiàn)狀，所采用的四軸雙聯(lián)齒輪刀軸傳動(dòng)箱，在國(guó)內(nèi)農(nóng)田小型開(kāi)溝機(jī)領(lǐng)域是一個(gè)創(chuàng)新。同時(shí)利用現(xiàn)代化設(shè)計(jì)軟件對(duì)刀軸傳動(dòng)箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和三維仿真，能在圖紙沒(méi)變成產(chǎn)品前，就知曉是否會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉；對(duì)傳動(dòng)箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，能快速精確地得出零件在受力狀態(tài)下的位移效果和應(yīng)力分布情況，擺脫了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)需通過(guò)大量公式計(jì)算的困擾。通過(guò)對(duì)應(yīng)力圖形的分析，可以快速判斷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理的部位，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高了產(chǎn)品在使用過(guò)程中的可靠性，降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本。希望這種設(shè)計(jì)方式對(duì)今后農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)方面能起到一定的指導(dǎo)作用。

該開(kāi)溝機(jī)設(shè)計(jì)現(xiàn)已完成，即將投入樣機(jī)生產(chǎn)，期待在不久的將來(lái)，這種改進(jìn)型開(kāi)溝機(jī)能夠得到廣泛地推廣使用。

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