果园用链式开沟机的初步设计(编辑修改稿)

果园用链式开沟机的初步设计(编辑修改稿)内容摘要：

开始，对链式开沟机的研究逐渐兴起，到了 80 年代中期，美国已经有了较为成 型的链式开沟设备。 链式开沟机 结构 简单，组装方便，多为悬挂于农用拖拉机后端的可拆卸设备。 其工作效率突出，且扩大了 开沟机 的 使用范围。 伴随着电信光缆 和地下管道 铺设 规模的扩大化 ，链式开沟机的使用更为广泛。 在国内， 天津工程机械研究所和长春工程机械厂 于 70 年代中期开始 合作，研制出我国首台轮斗式开沟机。 80年代中期，三、四个厂家曾分别开发了几种开沟机械 ， 但由于经济性和技术性等原因，未能使开沟机在国内全面推广。 现代农装湖州联合收割机有限公司引进美国 Finn 公司 的 技术 ， 生产了 244D 多功能田园机。 该机 采用回转链式的结构 ， 图 11 河南凤翔 TD50轮盘式开沟机 链式开沟机的初步设计 2 通过装配开沟装置实现田园开沟，但是该机成本较高。 2020 年天津工程机械研究院利用 TN654 型拖拉机改装成挖沟机 GC65，并于 2020 年研制 成功了 GC65G 型链刀式开沟机。 该机 可用于水利管沟和电缆铺设工程， 虽 为机械传动，但其功率与挖沟效率比，达到了国 内 外较为先进 的 水平。 该机采用天津拖拉机厂生产的铁牛 654LA 拖拉机为底盘，后部加设链铲挖沟装置，前部装有回填铲，使其能 同时完成挖沟回填综合作业。 挖沟装置和回填铲与拖拉机主体都采用螺栓连接，非挖沟作业期间可拆卸下来，恢复拖拉机功能。 同年，天津工程机械研究院根据西气 东输的需要，开发出 WG300 型履带式全液压挖沟机。 该机最大挖沟宽度可达 900mm，最大挖沟深度2200mm，挖掘链 线 速度 0～ 4m/s，作业速度最高可达 1400m/h。 由于链式开沟机 （图 12） 设备简单、组装方便，可作为悬挂于农用拖拉机后端的可拆卸设备，并且工作效率突出，使用范围 广阔。 近年来，国内外研制的开沟机多采用回转链式结构。 链式开沟机研发现状 按照功率大小的不同，链式开沟机有大型、中型和小型之分，它们有各自的特点。 小型链式开沟机大多为专用设备，使用专用的底盘，结构紧凑，但是功能单 一，如功率10kw 的威猛 (Vermeer)RT100 手扶链式开沟机；大中型开沟机生产率高，功耗大，自动化程度高，使用专门的大功率配套动力，其动力机可以挂接多种工程机械设备 ， 如美国凯斯 (Case)660 链式开沟机。 目前主要的链式开沟机生产厂商均在美国。 美国 有限公司的产品 —AFT 65 型开沟机 （图 13） 采用拖拉机牵引，在崎岖不平的地形上能够显示 出 很高的工作性能。 开沟设备挂接 5080 马力的标准拖拉机， 且 不需要对拖拉机的结构做任何修改。 该机 能应用于 多种 工作场合，降低了设备成本。 图 12 山东巨菱 KG1100型链式开沟机 前言 3 美国的 GASE 公司是世界知名的农机生产厂商，其 60 系列开沟机有七个机型，功率范围 ～。 其最新推出的 960 机型 （ 图 13）可 根据土壤条件的不同，配 备 链式开沟器和岩石轮等开沟装置 ； 根据土壤硬度和管线直径的大小，可为开沟机选配杯型齿、岩石和冻土齿等不同材质和尺寸的链条和齿块。 机器的前部同时装 有 挖掘装置和六向推土板，可实现开沟、扩宽 和 回填的连续作业，大大增强了机器的使用性能和应用范围。 国内的开沟机的研究和使用起步较晚。 由中国农业机械化科学研究院研制的1K30悬挂式链式开沟机 （图 14） 和 1KZ30型自走式链刀开沟机非常具有代表性。 这两种链式开沟机主要用于 开挖 农田矩形沟槽 、 铺设管道或电缆，以及种植山药等农作物。 其 特点是投资少、一台机器能替代几十个工人的工作；开沟质量好，沟宽 最小 可控制到 10cm，深度可达 150cm，沟 直壁陡；切削刀片和链条采用特殊材料与工艺制造，使用寿命长。 另外这 两种机型的工作效率也很高，其中自走式的效率更为突出。 整机结构简单，操作方便，维护容易。 河北深远机械厂生产的回旋式挖沟机 （图 15） 在国内 同类 产品中 性能较好。 该开沟机采用回旋 链刀式 开沟器，分为大、中、 小 三种型号。 其 小型开沟机的开沟宽度为 10～30cm，深度 50～ 150cm，工作效率 150～ 450m∕h ；中型开沟机的开沟宽度为 20～ 60cm，深度 60～ 180cm，工作效率 150～ 500m∕h ；大型开沟机的开沟宽度 30～ 150cm，深度 50～230cm，工作效率 150～ 400m∕h。 该机 广泛用于农田灌溉渠道 挖掘 、煤气管道 和石油管道铺设 、地下电缆铺设等 各种 开沟作业，并配套 了 墙边、路边专用挖沟设备。 图 13 AFT 65链式开沟机 图 14 1K30型悬挂式链式开沟机 链式开沟机的初步设计 4 链式开沟机的 刀片有多种形式 [3]，有 用于岩石及高硬度土壤挖掘的子弹 式 （图 16） 、用于 高硬度 土壤的扁平状刀具、用于北方冻土挖掘的形似刨刀的合金刀具及用于普通硬度土壤的杯形刀片 (图 17)。 链式开沟机使用的链条形式较多，通常是在普通链条基础上改进而来的，通 用 链条原设计是在无固体介质工况下运转的产品， 对于 适应性还未达到最佳。 吉林大学刘晓论等设计了一种刀式矿土复合型开沟链条，如图 18所示。 此设计的创新点在于：结构新颖，链条夹啮链轮，链节上带有排土壤介质的通槽，从而减少了啮合与传动的阻力，可提高传 动效率 [4]。 图 16子弹头式刀具 图 17 杯形刀片 图 15 河北深远机械链式开沟机 图 18 新型刀式矿土复合型开沟链 前言 5 由于链式开沟机的优越性， 本文所研制的开沟机 决定采用 回转链式 开沟机。 该机 集开沟 和排土于一体、沟深和沟宽都易于调节。 当刀片安装角度和排列合理，刃口足够锐利时，土壤切片主要是剪切破坏，可减小阻力，且当某个刀片损坏时，可方便的拆卸下来进行更换。 课题研究意义 在国外，连续式开沟机己经使用的很普遍，地下公用设施 的 施工都用专业开沟机，很少使用单斗挖掘机。 在我国 ， 除少数的单 位引进国外的连续式开沟机外，国产开沟机投入使用的较少。 随着 我国基础设施建设规模越来越大 ，开沟机施工工程的规模 也 越来越大，如光缆、电缆 和 管道 的 铺设等方工作。 特别是在农业工程领域：大棚作业、林地开沟、果 树开沟 和 施肥等 用工量很大的 作业 ， 在 我国几乎都用人工完成，劳动强度大，效率低，从而很难提高经济效益。 由于果园 和林地的环境条件特殊 ， 而 现有的开沟机产品大多数以拖拉机或履带式工程机械为平台。 所以，研发一种适用于果园等环境的开沟机成为必要。 表 11 外型 尺寸 整机质量 配套功率 遥控范围 液压提升能力 各档速度 Km/h Ⅰ Ⅱ 1240 740 670 475kg 50m 120KN Ⅲ Ⅳ 陕西东明农业科技公司生产的 非常适合应 用于果园的 小型机。 该机具有一系列优点：遥控、人力两套操纵系统，可以随机操纵，也可以人机分离 ； 图 19 微耕机 链式开沟机的初步设计 6 遥控操纵液压升降，降低了操作人员的劳动强度 ；机具 高度仅 65cm，通过性能好 ； 采用履带行走装置，附着力强，爬坡能力大；稳定性强，能防止机具作业中翻倒事故。 为了响应国家“农业机械化”的号召，提高农民工作效率， 本文 以 机为平台， 初步 设计了一种链刀式开沟机。 这种开沟机能充分利用微耕机通过性好的优点，适合在果园、林地等环境下使 用，从而降低农民在开沟、施肥时的劳动强度，提高工作效率。 链式开沟机整体参数确定 7 2 链式开沟机整体参数确定 链式开沟机 的设计参数 开沟机工作环境为果园、深度不超过 400mm，沟宽限制在 150mm～ 300mm。 链刀式 开沟机的基本参数为： 开沟宽度 200mm 开沟深度 400mm 链条线速度 1～ 15m/s 前进速度 100～ 300m/h 配套动力 动力 输出轴转速 2400r/m 链式开沟机工作参数的确定 开沟机工作链刀的速度矢量 关系 如图 21所示， 根据运动学原理，可分别推出开沟机的生产率 Q 和 链刀运动绝对速度。 链式开沟机的生产率： 330Q B H v 2 0 0 4 0 0 1 5 0 / 1 5 . 6 / 0 . 0 0 3 3 3 /m m m m m h m h m s      （ 21） 式中： B— 沟宽 H— 沟深 0v — 机组 前进速度 由图 21 可知， 工作 链刀的绝对速度： 2200 2 c o s 4 . 1 0 9 2 . 0 2 7 /a l lv v v v v m s     （ 22） 图 21 工作链刀 速度矢量图 链式开沟机的初步设计 8 式中： av 一刀片绝对速度 lv 一链条相对开沟机的线速度  — 工 作链刀 与水平面之间的夹角 现有开沟机的链速一般为 v=1～ 15m/s， 参 考果园的土壤情况， 链速设计为 2m/s。 由图可得： + costansinlolvvv   （ 23） 由于实际开沟过程中 lv 0v ，所以上式可以简化为： tan cot。 则 有 ： 2 即  、  近似互余。 刀片 宽度是刀片在每次切削时，在链宽方向上所切削的土壤宽度。 现挖 200mm 宽的沟，设计由 2 把刀片为一组，并使其排列方式满足不重不漏，则刀片宽度： 2 0 0 4 5 7 7 . 522BKb m m   取 70b mm 式中： K— 开沟链宽度 开沟机当 量 切削厚度，如图 21所示： 70 7 m m15 15cb    对初步选定的刀刃宽度和链条节距，须要检验其输送和清除土壤的能力。 正确选择的切削宽度 b 应能满足下列条件： 1pk （ 24） 式中： Q — 链刀按排土能力计算的生产率 ( 3/mh) pk — 土壤松散系数 根据土壤系数表，土壤类型选择前四类，可确定范围是：(～ )  — 与链条运动速度有关的 散开系数 ，见表 21。 表 21 土壤散开系数 lv （ m/s）  开沟时， 链刀组合 受到 主动 链轮的驱动和土壤阻力的作用，刀刃和链节 销钉 将发生磨损和振动，为了保证作业质量和避免过分的振动，对链 刀 的运动速度须作一定的限制。 本文中取链刀线速度为 ，对于链刀的排土能力的计算，可以 通过工作链刀的 水平倾角与土壤的自然休止角进行比较得出， 其比较原理如下 [5]： 链式开沟机整体参数确定 9 当 arcta nr dhL时 1 t a n ( )2 dlrLQ b h v h     （ 25） 当 arcta nr dhL时 c o t ( )2 rldhQ b h v L    （ 26） 当 r 时 lQ b h v   （ 27） 其中： h — 链刀的高度； r — 松散土壤的自然休止角。 土壤的自然休止角，是 指 土壤 在 自然条件下不滑坡的最大倾斜角度。 实际土壤试验中可以利用休止角测定仪进行土壤休止角的测量， 但需要 根据土壤的具体情况 确定。 根据相关文献给出的常见土壤休止角（表 22），结合实际开沟情况， 认为 亚粘土 的休止角为 30176。 ～ 40176。 ，取 r =35176。 表 22 土壤自然休止角 土的名称 干的度数 湿润度数 潮湿的度数 细砂 25 30 20 重粘土 45 35 15 亚粘土 轻粘土 50 40 30 轻亚粘土 40 30 20 腐植土 40 35 25 填方的土 35 45 27 链刀的高度 h=110mm 链刀节距 dL =4= 由于 a=50176。 a r c t a n 3 5 3 3 . 2 0 9 6 8 . 2 0 9r dhL       因此取式 (25)计算： 链式开沟机的初步设计 10 1 6 4 . 0 41 t a n ( ) 1 1 0 2 1 t a n ( 5 0 3 5 ) 1 9 7 . 4 9 42 2 1 1 0dlrLQ b h v b bh             由 1pk 得 pQkQ   ，计算可得 ：  为了保证土壤切削后能够正常的被链刀带出沟，链刀的宽度 b 不能小于 60mm。 切削断面面积 切削断面面积是在任意位置上，切 削 宽度与切 削 厚度 的 乘积： 24 . 6 7 7 0 3 2 6 . 9cA b m m m m m m     （ 28） 链式开沟机的 功率计算 开沟过程中，刀片在土壤中连续运动进行切削，被切削下来的土壤，其中一部分在切削刃前面形成 土堆，被刀片带着向前移动；一部分土壤在挤压力的作用下越过切削刃前面的土堆进入杯形刀体内。 由此可见，在开沟过程中刀片除了遇到切削阻力外，还会遇到土壤进入杯形刀体内的阻力及带动土堆的阻力，后二项合称为装土阻力。 切削阻力与装土阻力之和称为总阻力 [6]。 开沟机功耗及阻力的计算方法还不完善，主要通过借鉴其它切削经验公式来计算，且不同的参数下所使用的经验公式也不同，因此探求合适的阻力计算公式是非常关键的。 切土阻力 切削总阻力计算公式 [7]： 1. 35 ( ) ( 1 ) ( 1 )180r s c HF C b e     （ 29） 式中： sC — 土壤坚实度计的冲击次数，取 sC =15  — 切削厚度 cb — 刀片宽度  — 刀片切削角，对于圆弧形刀片刀片切削角等于后角 2 He — 刀片尖角计算系数，取 He = 将上式中的切削厚度、刀片切削角和刀片厚度作相应的调整后得到单个刀片的切削阻力： 1. 35 ( ) ( 1 1 ) ( 1 )180r s c HF C b e     1. 35 90 129. 8 15 ( 0. 1 4. 67 ) ( 1 0. 01 70 ) ( 1 ) 0. 81180         链式开沟机整体参数确定 11  （ 210） 开沟机链刀总切削阻力： 39。 4 1 . 0 3 5 1 0 4 1 0 . 3 5trF F Z N     （ 211） 式中： z— 链条上同时与土壤作用的刀片数。 工作时有 5组 — 即约 10 把刀片同时切土。 由于刀片受到各种冲击的影响，在设计时应加入动载系数，一般情况下动载系数 0k 取 ～ [8]， 则 39。 0 1 . 3 4 1 0 . 3 5 5 3 3 . 4 5 5ttF k F N N     （ 212） 开沟机功耗计算 开沟装置总功耗 a) 开沟机 的总切削功耗为： 53 3. 45 5 2 / 10 66 .9 1t t aP F v N m s W     （ 213） 链式开沟机的总切削比功： 320 1 0 6 6 . 9 1 3 2 0 . 3 9 3 /0 . 0 4 1 7 / 0 . 0 8 4ttPP W kWJ msQ v S m s m    （ 214） 式中： J — 比功，单位立方米作业量的切削功耗 s — 沟的断面面积 表 23 土壤容重 土壤级别 土壤名称 难易系数 容重 Ⅰ。