農用栽樹挖坑機的設計計算案例目錄TOC\o"1-3"\h\u20623農用栽樹挖坑機的設計計算案例 1119391.1工作原理 184001.2螺旋挖掘鏟的設計 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挖頭的設計 3316471.3螺旋軸的設計 3174001.1.1選材及熱處理 3169741.1.2軸的結構設計 373241.1.3螺旋挖掘鏟軸的校核 4152191.4刀具的設計 532281.4.1受力分析 5110811.4.2刀具阻力的計算 618481.4.2切削阻力P的計算 71.1工作原理手提式挖坑機由油箱、發(fā)動機、離合器、減速器、鉆桿及套、安全保護罩、手柄及鉆頭裝置等八部分組成，其工作原理如下：由發(fā)動機通過離合器、減速器控制鉆頭旋轉從而完成挖坑作業(yè)。操作裝置一般為可拆卸的手柄結構。手柄的設計要求為操作靈敏且不能影響發(fā)動機油門的操作。1.2螺旋挖掘鏟的設計已知數(shù)據(jù)（1）輸送高度H=0.6m（2）土壤松散密度r=2t/m3(所查土壤的實體密度為（3）轉速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上升距離為二分之一螺距，則輸送能力的計算公式為REF_Ref30212\r\h[11]： P=ρ0ηQ=14.13=14.13×=542.6t/h所需螺旋挖坑機的螺旋直徑D取決于土壤的粘性。對沒有強烈粘性的土壤，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)挖坑機械設計手冊查表，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)設計中采用單線。在挖坑過程中，出土的方向由螺旋挖掘鏟螺旋葉片的左右旋向及挖坑機的轉動方向決定[12]，確定挖坑機出土的方向的方法有很多種，本畢業(yè)設計用兩種研究方法來決定土壤的出土方向。第一種：右手辨別法：通過螺旋葉片盤旋方向來判斷出土方向，如果右旋，用左手，用左手握住挖坑機螺旋挖掘鏟的旋轉軸，四指指向的方向為旋轉軸的轉動方向，大拇指所指方向為挖坑機出土方向；如果左旋，使用右手，大拇指的指向同樣為挖坑機出土方向。第二種：使軸的一頭對準自己，觀察軸的的轉動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，分別是實體型、帶式、葉片式和齒形四種。本畢業(yè)設計根據(jù)實際情況采用帶式螺旋，帶式螺旋也是最為常見的。通過計算得出直徑、厚度和螺旋角度，繼續(xù)通過帶鋼材連續(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，然后通過焊接的方式將各個單葉片進行連接，從而構成完整的螺旋體，這樣做的優(yōu)點是分段式單葉片不需要大型的機器設備進行加工制造?？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的。分段式實體型螺旋葉片通常是對薄鋼板下料通過模具進行冷壓或者熱壓制成[12]。所以本畢業(yè)設計采用的是分段式螺旋葉片。1.2.4挖頭的設計進行挖坑作業(yè)時，挖頭具有破開土壤、提升土壤并將土壤拋出坑外以及帶動挖坑機繼續(xù)向下運動進行作業(yè)的作用，其過程相對簡單，但螺旋挖掘鏟的鉆頭對于挖坑機進行作業(yè)時極為重要，根據(jù)資料顯示栽樹挖坑機拋土的半徑在1200mm~1500mm時最為合理，應為土壤在該范圍內十分有利于土壤回填。并且同時能夠滿足工作需求。不同環(huán)境中土壤的物理性質不同，如果挖頭的硬度不夠，會對螺旋挖掘鏟造成不可逆的磨損，為了在相對堅硬的土壤上更好的進行挖坑作業(yè)。合理的對挖頭進行設計，可以增加挖頭的破土能力，同時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。（詳情見后續(xù)章節(jié)三維建模）1.3螺旋軸的設計1.1.1選材及熱處理在沒有特定要求的條件下，絕大多數(shù)會選擇45鋼來作為軸的材料；也有使用35、40、50鋼來作為軸的材料的現(xiàn)象，但相對于45鋼來說，使用的次數(shù)更多更廣泛，對軸的要求沒有那么高或者軸的受力相對很小的時候，通常會選用Q235或者Q275REF_Ref30454\r\h[16]。要求高或者受力大的時候通常會選用合金鋼來作為軸的材料，選用合金鋼是為了能對軸的外徑表面進行淬火。特殊情況下，部分軸會對應力集中敏感，此時在對其進行結構設計的時候要特別注意。具有吸振性好且對于應力集中不敏感同時耐磨的材料為球墨鑄鐵。選擇45鋼，調質處理，此時得到軸的硬度為170HB~217HB。1.1.2軸的結構設計通過上述設定，本畢業(yè)設計中農用栽樹挖坑機的挖坑深度為600mm，為了提高軸的剛度和抗彎強度，因此螺旋挖掘鏟軸根據(jù)查表初步選擇φ40的45號鋼棒料。1.1.3螺旋挖掘鏟軸的校核軸在工作時（旋轉時），軸自身的重力和焊接在軸上的螺旋葉片的軸，導致軸在受到扭矩的同時還受到彎矩，所以需要校核其扭矩和彎矩的強度和剛度。根據(jù)上述文中的螺距、挖掘深度以及葉片的導程，和L=nS可以得出該螺旋挖掘鏟有十個螺距。計算軸的直徑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為軸的轉速；A0是按[τ軸的扭矩強度條件公式 τ=TW其中：τ為扭矩切應；T為軸收到的扭矩；WT[τ]為軸的許用轉應力25~45兆帕，見機械手冊； τ=TW所以軸的直徑34.8符合設計要求。校核軸的疲勞強度：扭轉剪應力為τ=TWT抗扭截面系數(shù)（W由上述過程，已知P、n，根據(jù)M=9549P/n，將P、n帶入式中，可得M=23.312N·m圓柱形軸的彎曲應力公式為σ=M/V，扭轉切應力為τ=T/WT=T/2W σe=其中T=9549彎曲應力σ（由彎矩產生）通常情況下是對稱循環(huán)變應力，但是扭轉切應力τ（由扭矩產生）不是對稱循環(huán)應力。循環(huán)特性不同對會對軸產生不同的影響，在此處需要引入折合系數(shù)α，則計算應力為σca=M2+(aτ)2，在該公式中，彎曲應力為對稱循環(huán)變應力[13]，如果τ為靜應力，此時取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通過上面的三個公式，計算得出：T=132.24N·m，W=48000mm帶入應力計算公式中，得： σe=螺旋軸上的螺旋葉片時均勻分布的，所以自重所產生的載荷為均布載荷，此時可以將螺旋軸化簡為均布載荷下的簡支梁。螺旋軸的彎矩計算公式為: Mmax=ql將上述通過計算得出的已知數(shù)值代入計算σe的計算公式中，得出通過查詢機械手冊得到45鋼軸的材料的σb=590MPa49MPa<55MPa，所以滿足彎曲扭轉強度要求。1.4刀具的設計1.4.1受力分析螺旋挖掘鏟端部所安裝的刀具在工作時所受到的力可看作銑刨刀具在工作時所受的銑刨力，為了實際計算，將其分解為相互垂直的三個力。所分解的三個力如圖3-1所示。圖3-1刀具受力簡圖（1）圓周分力F該作用力可以使螺旋挖掘鏟端部刀具產生阻力矩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，它使得刀具產生扭轉變形和彎曲變形，是計算刀具強度的主要依據(jù)。（2）徑向分力F該作用力可以使刀具產生彎矩，主要作用于刀具半徑方向，對刀具強度的影響最為深刻[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，F(xiàn)t于Fr的合力為Ftr，F(xiàn)tr=Ft21.4.2刀具阻力的計算如圖3-2所示，圖中OXY坐標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中心，OXY坐標系所在的平面與刀具運動軌跡所在的平面平行。O，X，Y，坐標系建立在螺旋挖掘鏟所安裝的刀具上REF_Ref30634\r\h[15]，該平面坐標系是通過對OXY坐標系進行平移、旋轉所得，刀具在外形設計時需要做一個側向傾角，這樣可以保證刀具在開始工作的瞬間有一個緩沖過程，可以減少刀具的磨損REF_Ref30670\r\h[17]。圖3-2刀具在兩種坐標系下的關系根據(jù)圖3-3所示的關系可以得出： tanψ,= R,=根據(jù)螺旋挖掘鏟工作可知，刀具對土壤進行擠壓切削，土壤受到刀具的切削從而破碎，同時，土壤因刀具的切削也會對刀具產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，同時會受到來自土壤的摩擦阻力，因此，農用栽樹挖坑機的螺旋挖掘鏟刀具在對土壤進行切削作業(yè)時，主要承受切削阻力P及土壤對刀具的摩擦力F的作用REF_Ref30839\r\h[18]。1.4.2切削阻力P的計算如圖3-3所示，刀具在切削土壤的過程中，切削阻力與刀具的切削運動方向相反，假設該切削阻力的作用點為刀具的A點，A