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1、毕业设计果园用链式开沟机的初步设计摘 要在给定的农艺条件下确定了一种果园用链刀式开沟机的整体参数，并得出开沟机总功耗为4.874kW。初步进行了开沟机挂接机构和开沟装置的结构设计与Pro/E造型，同时对工作链刀倾角、刀片运动轨迹和土粒的运动状态进行了分析；建立了链式开沟机的功耗模型并用MATLAB的fmincon函数进行了优化，优化后功耗较设计功耗下降了22.81%，并且得出了在行进速度=0.0412m/s、链刀线速度=1m/s、工作链刀对水平面倾角=30时，链式开沟机功耗最小的结论。关键词：链式开沟机；运动学；优化AbstractThe parameters of a new type of
2、 chain ditcher was ascertained with the given agricultural need,and the power consumption was 4.874kW. Structural design and molding with Pro/E was carride out preliminarily.At the same time, analysis to the chain level angle, blade linear speed and the lump-motion was maded. An optimization design
3、model was established，and the optimal analysis was carried out by applying MATLAB toolsThe results showed that the power consumption decreased 22.81% after optimization,and it got the minimum when level speed , blade linear speed and chain level anglevalued at 0.0412m/s,1m/s and 30 respectively.Key
4、words：Chain ditcher；Kinematics；Optimization目 录1 前言11.1 开沟机的发展概况11.2 链式开沟机研发现状21.3 课题研究意义52 链式开沟机整体参数确定72.1 链式开沟机的设计参数72.2 链式开沟机工作参数的确定72.3 链式开沟机的功率计算102.3.1 切土阻力102.3.2 开沟机功耗计算112.4 链式开沟机总体参数的确定133 链式开沟机关键部件设计与PRO/E概念造型153.1 挂接机构设计153.1.1 挂接机构的设计与Pro/E造型153.1.2 减速器及链传动设计163.2 开沟装置的设计分析与造型183.2.1 链刀组
5、合的设计计算183.2.2 主轴组合设计223.2.3 从动轴组合的设计与Pro/E造型223.2.4 排土器组合的设计与Pro/E造型233.2.5 梁的结构设计与Pro/E造型243.3 液压缸的选用及分析253.3.1 液压缸型号的确定253.3.2 液压缸行程验证263.4 基于Pro/E的零件质量计算及重心测量方法探求283.4.1 在Pro/E中定义零件质量属性283.4.2 开沟机重心计算方法的探求294 链式开沟机工作机理研究314.1 链式开沟机水平倾角分析314.2链式开沟机刀片的运动轨迹分析324.3土粒在链传动过程中的运动分析334.3.1转动切削状态下土粒在链传动过程
6、中的运动分析344.3.2平动切削状态下土粒在链传动过程中的运动分析344.4.基于MATLAB的链式开沟机功耗的优化设计与分析364.4.1目标函数的建立374.4.2约束条件414.4.3基于MATLAB的开沟机功耗的优化414.4.4 小结与讨论435.结论与展望445.1研究结论445.2不足与展望44致 谢46参考文献附录附录I前言1 前言1.1 开沟机的发展概况从运动机理上可以把开沟机分为两种：犁式开沟机和旋转开沟机。前者的工作部件不旋转，直接由动力牵引，开沟速度快、效率高，但一般开沟深度较小，土壤硬度不能太大，且沟形难以保证；后者的工作部件旋转，称为铣削式开沟，沟形规整、适合各种
7、土壤，但效率较低1。国内外开沟机主要有以下几种：犁式开沟机、割盘式开沟机、双圆盘式开沟机、回转链式开沟机以及立式螺旋开沟机；按功率和开沟大小又可分为自走式和手扶式等，种类较多2。国外的开沟机研究及生产较早。早期的犁铧工具就是开沟机的雏形，只不过没有动力驱动，且相关部件和结构原理没有系统地研究。上世纪50年代，伴随机械化的普及，一些发达国家开始使用机械开沟机进行大范围的农耕作业，大大提高了劳动生产率。随着技术的进步和工作要求的日益增多，开沟设备的研究走进了一个新的时代，较为成型的开沟设备不断涌现。到了60年代，旋转式开沟机（图1-1）作为一种连续挖土机械已经相当先进。由于它适宜开挖梯形截面的沟渠
8、、能均匀散开沟内土壤，因而获得迅速的发展。前苏联、意大利和法国都有不同型号的系列产品，其中以前苏联的KH-1200系列和意大利的MK-17系列为代表。由于旋转式开沟机的尺寸大、不宜开挖窄沟，70年代末开始，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。图1-1 河南凤翔TD50轮盘式开沟机在国内，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。8
9、0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，通过装配开沟装置实现田园开沟，但是该机成本较高。2000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2002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
10、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04m/s，作业速度最高可达1400m/h。图1-2 山东巨菱KG1100型链式开沟机由于链式开沟机（图1-2）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。 1.2 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
11、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A.F.Trenchers有限公司的产品AFT 65型开沟机（图1-3）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50-80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1-3 AFT 65链式开沟机美
12、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9.757.4KW。其最新推出的960机型（图1-3）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。图1-4 1K-30型悬挂式链式开沟机由中国农业机械化科学研究院研制的1K-30悬挂式链式开沟机（图1-4）和1KZ-30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
13、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1-5）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1030cm，深度50150cm，工作效率150450mh；中型开沟机的开沟宽度为2060cm，深度60180cm，工作效率1505
14、00mh；大型开沟机的开沟宽度30150cm，深度50230cm，工作效率150400mh。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1-5 河北深远机械链式开沟机 图1-6子弹头式刀具图1-7 杯形刀片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1-6）、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1-7)。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
15、大学刘晓论等设计了一种刀式矿土复合型开沟链条，如图1-8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1-8 新型刀式矿土复合型开沟链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。1.3 课题研究意义图1-9 1YG-8.8型遥控微耕机在国外，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：
