本文介紹了手提式挖坑機的相關背景、國內外研究現(xiàn)狀、挖坑機的設計要求及其類型、工作原理、技術性能。通過對原始數據的分析比較、方案的論證以及綜合考慮，完成了手提式挖坑機的總體設計。在此基礎上對手提式挖坑機從結構原理、動力選擇、離合器的設計、螺旋鉆頭的設計、減速器設計進行闡述。擺線針輪行星減速器作為重要的機械傳動部件具有體積小、重量輕、傳動效率高的特點。本設計在全面考慮多齒嚙合、運轉平穩(wěn)、輪齒均載等運動學和動力學的要求，實現(xiàn)高承載能力、高傳遞效率、高可靠性和優(yōu)良動力學性能等指標，而且要便于制造、裝配和檢修，設計了該具有合理結構的擺線針輪行星減速器。本設計建立了合理的動力分析數學模型，對擺線針輪傳動中的擺線輪、轉臂軸承、柱銷及軸進行準確的受力分析，并其求解。計算并校核主要件的強度及轉臂軸承、各支承軸承的壽命，分析結果可以看到，各軸承性能指標均符合要求。用本文的方法設計擺線針輪減速器，具有設計快捷、方便等特點。研究結果對提高設計的速度、質量具有重要意義。關鍵詞：電動挖穴螺旋鉆(CollegeofEngineering,SouthChinaAAbstract:Thisarticleintroducestheportablediggerincludingtherelevaoperatingprinciple,technicdata,Thecycloid—gearreducerisoneofthemostimthepumpingunitbyitssmaltorealizefourtargetswhichincludehightransmissionefficiency,hightheexcellentdynamicsperformanceaefficiencyoftransmission,andmakeiteasyformanufacture,assemblyandinspectwethoughtoveralltherequestsintheroundanddescycloid—gearreducer,analyzedtheforcesborshaft,andproducetheMatlablanguagesoftwareanalyzeoftheforcesaanalyzedtheforcesofpartsinthecycloid—gearreducerandcalculatedtheintthelifeofparts.Fromanalyzedtheresults,wefoundthepartsareourrequests.TheresultofstudyhavetheguidemeaningtoacceleratedesignspeedandquantitiesofKeywords:Electric;Dig II 2方案對比與結構 22.1國內外研究現(xiàn)狀 2 22.1.2國外研究現(xiàn)狀 2 32.2.1挖坑機的工作條件 2.2.2挖坑機的分類 3 2.2.2.2按鉆頭安裝位置分 42.2.3挖坑機的鉆頭 43手提式挖穴機機的設計 6 63.2動力選擇 63.5減速器的設計 73.5.1擺線針輪行星減速器的傳動原理 73.5.2擺線針輪行星減速器的結構特點 83.5.3擺線針輪行星傳動的嚙合原理 83.5.4ZL型擺線針輪行星減速器的結構形式 3.5.5擺線輪的齒廓曲線與齒廓方程 3.5.6潤滑與密封 3.5.7擺線輪、針齒、柱銷的計算 3.5.8輸入軸的計算與校核 5發(fā)展趨勢 5.1一機多能 5.2人機和諧 5.3應用范圍 如可以從上面的調查數字顯示，16.55%的全國森林覆蓋率僅相當于世界森林的61.3%,覆蓋(27%),可以看出1/5分別為1/8,遠遠低于世界平均水平。國家在“十效率，降低勞動強度，同時也保證造林質量，降低生產成本，提高經濟效益的趨2.1國內外研究現(xiàn)狀2)山東大豐機械廠大豐王系列挖機WKJ-60/70,具有多種與18.4-36.8KW配合使4)手提式挖坑機在我國剛剛興起，適合家用或造林地區(qū)的小區(qū)域地形復雜，樹木也可用于打樁及挖掘肥料，如福馬林業(yè)哈爾濱市機電設備公司生包括水平狀態(tài)。飛機的液壓臂的末端可以安裝液壓鉗300-400。實現(xiàn)一機多用。日本生產的A-7手提式挖坑機的質量是唯一的7.0千用H35D發(fā)動機A8D型挖機挖直徑范圍從20至200可調間距是適用于大面積綠化平原，工作效率非常高。2.2挖坑機的構造一)手提式挖坑機二)懸掛式挖坑機三個鉸鏈與拖拉機連接，由拖拉機的液壓系統(tǒng)操縱其挖坑機鉆頭裝置升降。它可以挖較大的坑徑和較深的坑。用于拖拉機可以通過的地區(qū)進行挖坑作業(yè)。三)自走式挖坑機挖坑機鉆頭旋轉的動力源是由底盤上的動力輸出軸經過一級皮帶減速、一級直角錐齒輪減速器并直接輸到挖坑機的鉆頭。鉆頭是采用M27螺紋同箱體聯(lián)接，這樣裝拆方便，又能自動防止拆脫，如1W-40型挖坑機就是與工農-3型手扶拖拉機配套的。該型挖坑機通過性能較好，但需要人力操縱其鉆頭入土。該型挖坑機適于在水平帶上作業(yè)或用于茶園施肥、茶苗一只和果園施肥等挖坑作業(yè)。2.與汽車底盤配套與汽車底盤配套的挖坑機，一般是屬于起重地鉆裝置，如D70S(E)起重地鉆機是由汽車動力輸出、伸出支撐、回轉系統(tǒng)、起吊變幅系統(tǒng)、伸縮系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和鉆頭裝置等組成。從汽車的發(fā)動機中輸出驅動油泵，是發(fā)動機的機械能轉化為液壓能，以供機械的各部分。地鉆裝置主要由帶油馬達的減速器、鉆頭組成。液壓油通過各控制元件來驅動油馬達旋轉，從而通過減速器轉動鉆頭軸，有一方軸裝在鉆頭軸中，此軸只要拔出定位銷及管子向下延伸即可增加挖坑的深度。該機可挖坑徑QW-1000型挖坑機基本上是屬于這種類型，但它是車載鉆機的形式。一)立式挖坑機立式挖坑機是常見的一種類型，亦稱立軸式挖坑機，即鉆頭的鉆桿與減速器輸出軸聯(lián)接是垂直于地面的。該類型的挖坑機主要用于挖坑作業(yè)。二)臥式挖坑機臥式挖坑機亦稱水平軸式挖坑機，即鉆頭的軸桿幾乎是水平配置的，根據作業(yè)要求，可調整氣鉆桿的傾斜角度。挖坑機的鉆頭是挖坑機的主要工作部件，根據各地區(qū)條件和作業(yè)的技術要求，分為整地、挖坑和開溝三大類。螺旋式鉆頭的挖坑機在工作狀態(tài)時，土壤全部或絕大部分從坑里拋出，該形式主要用于建筑工作和栽植作業(yè)上。而整地用的挖坑機在工作狀態(tài)時，土壤不出坑，該形式主要用于播種造林等。開溝用的挖坑機在工作狀態(tài)時，土螺旋式鉆頭主要由鉆桿1、螺旋翼片2、鉆鏵(刀片)3和鉆尖4組成。工作時鉆頭土壤，繼而按一定軌跡排列的刀片(或鉆鏵)切土，刀片切下的土壤沿著螺旋翼片上成平面?？訌剑?00mm3手提式挖穴機機的設計手提式挖坑機由小型二沖程汽油發(fā)動機(2.2-3.68Kw)3、離合器4、減速器5、鉆桿及套6、安全及保護罩7和鉆頭裝置8等組成。其工作原理如下：由發(fā)動機通過離合器、減速器而驅動鉆頭作旋轉運動。操作裝置通常采用可拆卸式的手柄結構。手柄的設計要求操作靈敏和便于操作發(fā)動機油門開關。由蘇聯(lián)研制的手提式塊狀整地機，可在坡度為300地區(qū)作業(yè)，在塊狀整地的同時是螺旋形鉆頭8,在其軸桿上用兩個螺栓固定在橫梁5上，其橫軸上焊有帶兩個水平刀7的主柱和三個垂直刀6。在發(fā)動機的底板上固定有保護罩9,它用于防止土壤的拋散。工作時，松土刀6切斷水平方向的根系并疏松土壤；水平刀7用于切斷垂直根系，消滅雜草和逐漸切下土層。原始數據坑深：400mm挖坑的動力消耗與坑徑、坑深、土壤硬度和下降速度有關。通過試驗，手提式挖減速器是手提式挖坑機的重要部件，它的外形尺寸和重量對整機的總重量影響極大，因此必須在速比范圍、傳動效率、自重大小以及制造難易、使用可靠性程度等綜合指標來進行造型和設計。目前國內常用的手提式挖坑機的減速器大致有擺線針輪行星減速器、少齒差星齒輪減速器和蝸桿減速器等形式。3.5.1擺線針輪行星減速器的傳動原理如下圖所示為擺線針輪行星傳動示意圖。其中Z?為針輪，Z,為擺線行星輪，H為系桿，V為輸出軸。運動由系桿H輸入，通過W機構由V軸輸出。同漸開線一齒差行星傳動一樣，擺線針輪傳動也是一種K-H-V型一齒差行星傳動。兩者的區(qū)別在于：擺線針輪傳動中，行星輪的齒廓曲線不是漸開線，而是變態(tài)擺線，中心內齒采用了針齒，稱為針輪，擺線針輪傳動因此而得名。同漸開線少齒差行星傳動一樣，其傳動比為因為Z?-Z,=1,所以iv=-Z,“一”表示輸出與輸入轉向相反，也就是利用擺線針輪行星傳動可以獲得大的傳動比。3.5.2擺線針輪行星減速器的結構特點ZB型減速器是屬于擺線針輪行星減速器型式。它不僅體積小，重量輕，結構緊湊，傳遞功率大，負載能力好，與普通減速機相同的動力來驅動比，例如，以傳動比i=5為例，其重量可減少1/2-1/6。傳動效率高。如果選擇適當的驅動器類型，結構，布局合理，傳動效率可以達到99%。傳動比范圍大，目前生產的單級傳動比i=11~87;二級傳動比i=121~5133;三級傳動比i=20399。并具有傳動平穩(wěn)，無噪音，壽命長3.5.3擺線針輪行星傳動的嚙合原理為了準確描述擺線的形成和分類，我們介紹了內域和圓的外域的這一概念。所謂圓弧線包含的內部范圍指領域圓的內域，而在圓的外域是包容區(qū)域的范圍之外。根據以上對內域外域的劃分，則對外擺線的定義如下：外擺線：滾圓在基圓外域與基圓相切并沿基圓作純滾動，滾圓上定點的軌跡是外外切外擺線：滾圓在基圓外域與基圓外切形成的外擺線(此時基圓在滾圓的外內切外擺線：滾圓在基圓外域與基圓內切形成的外擺線(此時基圓在滾圓的內短幅外擺線：外切外擺線形成過程中，滾圓內域上與滾圓相對固定的某點的軌跡；或內切外擺線形成過程中，滾圓外域上與滾圓相對固定的某點的軌跡。長幅外擺線：與短幅外擺線相反，對外切外擺線而言相對固定的某點在滾圓的外域；對內切外擺線而言相對固定的某點在滾圓的內域。短幅外擺線與長幅外擺線通稱為變幅外擺線。變幅外擺線變幅的程度用變幅系數來描述，分別稱之為短幅系數或長幅系數。外切外擺線的變幅系數定義為擺桿長度與滾圓半徑的比值。所謂擺桿長度是指滾圓內域或滾圓外域上某相對固定的定點至滾圓圓心的距離。式中K?——變幅系數。a——外切外擺線擺桿長度r?——外切外擺線滾圓半徑對于內切外擺線而言，變幅系數則相反，它表示為滾圓半徑與擺桿長度的比值。式中K,——變幅系數r?'——內切外擺線滾圓半徑A——內切外擺線擺桿長度根據變幅系數K,值的不同范圍，將外擺線劃分為3類：短幅外擺線O<K<1;標準外擺線K=1;長幅外擺線K>1。變幅外切外擺線與變幅內切外擺線在一定的條件下完全等同。這個等同的條件是，內切外擺線滾圓與基圓的中心距等于外切外擺線的擺桿長度a,相應地外切外擺線滾圓與基圓的中心距等于內切外擺線的擺桿長度A。根據這一等同條件，就可以由外切外擺線的有關參數推算出等同的內切外擺線的對應參數。它們的參數關系參看圖3-3。令短幅外切外擺線基圓半徑代號為r,滾圓半徑為r?,短幅系數為K,則外切外擺線的擺桿長度和中心距可分別表示如下(長幅外擺線的表示形式完全相同):根據式(1),擺桿長度a=K?r?;按等同條件，上述A又是內切外擺線的擺桿長度，故推算出內切外擺線的滾圓半徑為r2'=k?A;內切外擺線的基圓半徑為r'=r?'-a兩種外擺線的參數換算關系歸納如表3-1表3-1變幅外切外擺線變幅內切外擺線基圓半徑i滾圓半徑Aa擺桿長度aA根據上述結果，很容易推導出等同的兩種外擺線基圓半徑的相互關系為r?'=k?ri短幅外擺線以基圓圓心為原點，以兩種外擺線的中心距和短幅系數為已知參數，以滾圓轉角為變量的參數方程建立如下：在以后的敘述中將滾圓轉角??律記為φ,并稱之為相位角。(1)直角坐標參數方程根據圖1,擺線上任意點M,的坐標為根據純滾動原理可知r???=r?φ,故中=r?φ/r?,又γ=π-(φ?+φ),于是有將φ與x的結果代入上述方程，式(2—4)與式(2—5)是變幅外擺線通用直角坐標參數方程。若令上兩式中的K?=1,即可得標準外擺線的參數方程。對于內切外擺線，式中的A=r?',a=r?′-r?'為了與直角坐標表示的曲線相一致，將y軸規(guī)定為極軸，將極角沿順時針方向的角度規(guī)定為正方向，方程表述如下(參看圖2—3):而BB?=2πa,這也就是擺線輪基圓ri上的一個基節(jié)p,即p=2π(r?'-r?')=2πa該型的減速器采用針輪固定，擺線輪旋轉的傳動方式，其傳動比i=25:1;所以③針齒殼、上殼體、下殼體，選用質輕的鎂合金ZM5。軸重合的軸線作為y。軸，見圖3-4,針齒中心圓半徑為rp,針齒套外圓半徑為r,。將式(2—4)和式(2—5)中x和y分別對φ取一階和二階導數后代入p的表達式得以K?=1代入式(2—14),得標準外擺線的曲率半徑為p=-[4A·a/(A+a)]sin(φ/2)式中A=r?+r?或A=r?'a=r?或a=r?'-r?'由本式可知，標準外擺線p≤0,曲線永遠呈外凸形狀，故它不適于作傳動曲線。以K?>1代入式(2—14)進行運算表明，p<0,故長幅外擺線也永遠呈外凸形狀，故它也不適合于用作傳動曲線。以K?1代入式(2—14)進行運算表明，曲率半徑呈現(xiàn)出由正值經過拐點到負值的多樣性變化。擺線輪實際齒廓曲線的曲率半徑為對于外凸的理論齒廓(p<0),當r>p|時，理論齒廓在該處的等距曲線就不能實現(xiàn)，這種情況稱為擺線齒廓的“頂切”,嚴重的頂切會破壞連續(xù)平穩(wěn)的嚙合，顯然是不允許的。當r=|p|時，p'=0,即擺線輪在該處出現(xiàn)尖角，也應防止，若p為正值，不論r,,取多大的值，都不會發(fā)生類似現(xiàn)象。擺線輪是否發(fā)生頂切，不僅取決于理論外凸齒廓的最小曲率半徑，而且與針齒齒形半徑(帶針齒套的為套的半徑)有關。擺線輪齒廓不產生頂切或尖角的條件可表示本減速機采用油浴潤滑，潤滑油選擇中極齒輪油。若在低溫或高溫環(huán)境以及在啟動頻煩的場合，須跟據情況重新選擇適宜潤滑油。對于本減速器，在嚴重惡劣負荷條件中工作時，推薦采用雙曲線齒輪油。密封件選擇J型無骨架油封。針齒殼上開有溝槽，油浸深度為20～40mm。3.5.7擺線輪、針齒、柱銷的計算(一)已知條件1發(fā)動機本減速器與小型二沖程汽油發(fā)動機配套。額定功率：N?=2.97kw額定轉速：n?=87.5s?1式中η—離合器打滑損失的效率，取η?=0.96r?—軸承摩擦等損失的效率，取η?=0.92n7?—擺線輪傳動效率，一般η?=0.92～0.97,取η?=0.942動力參數功率NH=Ne·η?=2.97×0.96=2.85kw轉速n=n=87.5s-1轉矩Tmax=5.93N·m轉速ny=3.5s-1(二)確定傳動的結構型式根據手提式挖坑機使用要求，選用立式、一個擺線輪、針輪固定的結構型式。(三)確定擺線輪、針輪的齒數和主要零件的材料擺線輪齒數Z。=25針輪齒數Z,=26主要零件材料GCr15,HRC60-64針齒殼材料鎂合金材料針齒套材料GCr15,HRC58-62柱銷套材料GCr15,HRC58-62(四)確定針輪直徑DzDz=26×3/Lv=26×/129.(五)確定短幅系數K?和偏心距e因Z,=26,故可先取K?=0.65D?=(0.4~0.5)Dz=(0.4~0.5)×140=F=KaR取Ka=1.2F=1.2R=1.2×1853.9=222n=In|+|n|=5250+210=5460(七)確定針齒尺寸(4)針齒銷直徑dz取△?=2mm,且知dz=11mm根據結構取△=10mm,δ=4mmL=0.5bg+δ+0.5△=0.5×10+4+0.L?=1.5bg+δ'+δ+0.5△=1.5×10+4+7+0.L=L?+L?=14+31=45mm(六)驗算擺線輪與針輪的接觸強度(七)擺線輪的結構尺寸dag=Dz+2e-dz=140+2×2-16.擺線輪內孔直徑D?D?=62mmm(八)確定柱銷、柱銷套和柱銷孔的尺寸md=d,+2e=16+2×2=20≤[a.輸入軸轉速，Px=2.85kwn入=5如圖5-2所示II圖5-2軸的設計I~Ⅱ段僅受彎矩作用，軸徑最小，因軸所受彎矩較小，只受玩轉矩作用，單向旋轉，C值取小，材料為45鋼，查文獻[13]表11.3得C=103。II~Ⅲ段采用軸肩高h=(0.08～0.11)d=1.56～2.1mm,I～IV段寬度取d?=19.5mm,l?=27mmIV~V段裝配軸承，取d?=20mm,l?=12.5mm。如圖5-3所示：軸承16004,α=26mmL?=48/2+14.25=33.5-26=45.75mm圓周力徑向力軸向力F,=F,tana/cosδ=7254×tan20°/cos18°=2776NFa=F,tan20°sin18°=815.Ma=Fd/2=106064.4N·mmFH?=L?F,/(L?+L?)=5376NFw?=(L?F,+Ma)/(L?+L?)MH=FNHIL?=245952N·mmMv?=FviL?=126897N·mmMv?=FNv?L?=-19623N·mm圖5-3軸的受力分析B.軸的校核截面Ⅱ處應力接觸最大，應力集中，定為危險截面。a.截面Ⅱ左側強度校核抗彎截面系數W=0.1d3=0.1×603mm3=21600mm3抗扭截面系數W,=0.2d3=0.2×603mm3=43200mm3Ⅱ左側彎矩M=822811N·mm應力幅σa=σ,=38.093MPa,扭轉剪切尺寸系數由D=d?=60mm,查文獻[13]圖2.10得ε=0.8表面質量系數查文獻[13]圖2.12得β。=β=0.92K,=k,/ε,+1/β-1=1.66φ=0.05～0.1,取φ=0.05抗彎截面系數W=0.1d3=0.1×503mm3=12500mm3抗扭截面系數W,=0.2d3=0.2×503mm3=25000mm3Ⅱ右側彎矩M=8203681N·mm截面上彎曲應力截面上扭轉切應力a過盈配合處k。/e。值，配合H7/k6,查文獻[13]附表1.4得，k。/e。=2.52,K