小型農田開溝機刀軸傳動箱的設計

摘要：針對國內小型農田開溝機的刀軸轉速偏低，造成橫向拋土距離不夠的問題，設計了一種不增大傳動箱外形尺寸，同時又能提高刀軸轉速的新型四軸雙聯齒輪刀軸傳動箱。結合計算機三維軟件對傳動箱的運動、應力和結構進行了仿真、校核和優化，增強了產品的可靠性，降低了生產成本。

關鍵詞：開溝機；刀軸；傳動箱；應力分析

中圖分類號：Ｓ２２２．５＋２文獻標識碼：Ｂ文章編號：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

國內現有與１２匹手扶拖拉機配套使用的小型農田開溝機的刀軸傳動箱，主要采用四軸過橋齒輪傳動和鏈條傳動，刀軸輸出速度一般為１６０～２９０ ｒ／ｍｉｎ［１，２］。在長期的使用過程中發現由于現有開溝機的刀軸轉速偏低，造成橫向拋土距離不夠，開溝不理想。針對這一問題，對原有開溝機的刀軸傳動箱進行了重新設計，增大傳動箱的傳動比，以提高刀軸轉速。設計過程中，在增大傳動比的同時盡量保證不增大傳動箱的外形尺寸。同時利用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ２０１０［３］對整個傳動箱進行了結構仿真和力學分析，優化了部分不合理的結構。由于開溝機市場前景較大，屬于大規模生產，采用這種方式設計，可縮短產品生產周期，為降低產品廢品率、節約材料奠定了良好基礎。

１開溝機工作原理

小型農業輪胎彎刀式開溝機工作原理是利用１２匹手扶拖拉機作為動力部分，手扶拖拉機的動力通過傳動軸傳給傳動箱輸入軸，經傳動箱變速后，將動力輸出到旋轉的刀軸上，由于刀軸的高速轉動，刀軸上的彎刀切入土中并將泥土拋出溝外一定距離，達到對農田開溝的目的。開溝機的結構示意圖如圖１所示［４］。

２開溝機刀軸傳動箱的設計

２．１方案設計

從現階段來看，國內已有的小型農業開溝機刀軸輸出速度過低，造成橫向拋土距離不夠，開溝不理想。在保證提高刀軸轉速和原傳動箱外形尺寸不變的情況下，設計了一種新型四軸雙聯齒輪傳動箱。該刀軸傳動箱的傳動系統原理圖如圖２所示。

２．２參數計算

已知刀軸傳動箱的輸入軸速度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１２匹手扶拖拉機動力輸出軸處的功率和傳動箱的傳動比ｉ≈２，可計算出傳動箱內齒輪的模數為４；依據傳動箱的中心距和傳動系統示意圖，可計算出傳動箱內各齒輪的結構參數［５］如表１。

２．３結構設計

本刀軸傳動箱的箱體采用的是剖分式結構，其箱座和外側蓋由兩定位銷定位，用螺釘周圈固連，傳動箱的加油口和放油孔設計在箱座上，如圖３所示。傳動箱內的主動齒輪和輸出齒輪通過其內花鍵分別與輸入軸和輸出軸的外花鍵固連。兩過橋齒輪設計為雙聯齒輪，其目的是提高速比。過橋齒輪通過兩個軸承安裝在過橋齒輪軸上，軸承外圈又通過孔用擋圈與過橋齒輪定位，過橋齒輪軸借助其軸肩和軸套定位于傳動箱中。為防止滲油，過橋齒輪軸的兩端裝有Ｏ型密封圈。傳動箱的輸入、輸出軸的固定方式仍按沒改進前的刀軸傳動箱的結構進行。

這種剖分式刀軸傳動箱和沒改進前的整體傳動箱相比，不僅結構簡單，而且還降低了箱體的鑄造和加工難度，同時也便于裝配與維修。

３傳動箱的優化設計

３．１傳動箱三維建模及運動仿真

根據上述對傳動箱的計算和結構設計，并利用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ２０１０對其進行了三維建模和運動仿真，沒發現刀軸傳動箱在裝配和運動中有干涉現象，能夠滿足按照設計的運動方式傳遞動力。這種設計方案很好地避免了傳統設計方式中由于設計疏忽而造成加工出來的設備無法裝配、結構干涉等問題。圖４為開溝機刀軸傳動箱的三維結構爆炸圖。

３．２主要部件應力分析

在設計中運用ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ２０１０的ＣＯＳＭＯＳ Ｗｏｒｋｓ插件，通過對零件進行固定、附加設計材質、添加作用力、自動劃分網格、生成報告等步驟對主要承載的零件進行了應力分析。

由于齒輪是通過齒與齒的相互嚙合傳遞運動，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象進行固定，通過對齒輪附加材質和給輪齒添加作用力等步驟得到了圖５和圖６的分析結果。從軟件自動生成的分析報告可以看出齒輪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，分析表明所設計的傳動件變形量極小，強度也滿足設計要求。

同理對傳動軸進行了位移分析和應力分析，結果如圖７和圖８所示，傳動軸的最大位移量為０．２６２ ｍｍ，最大應力２５７．０５８ Ｎ／ｍｍ２，分析表明所設計的傳動件變形量極小，故強度滿足設計要求。

通過對傳動箱外側蓋上的螺栓孔進行固定，對側蓋上的兩個軸孔添加載荷，分析結果如圖９和圖１０所示，從圖中可以看出外側蓋體轉折凸起處的應力相對集中，應力圖顏色較深，變形量較大，已經接近了材料的屈服強度，原因是凸起部分采用的９０°直角，這樣導致應力集中在轉彎處。通過對該處結構進行圓滑過渡，很好地解決了應力集中的問題，降低了鑄造的難度，滿足了設計要求。優化前和優化后的傳動箱外側蓋結構設計如圖１１所示。

通過上述結構設計和仿真分析，繪制了整個開溝機的二維圖，如圖１２（ａ）所示，以及整個開溝機的三維效果圖，如圖１２（ｂ）所示。

４小結

采用改進型的開溝機，可改善橫向拋土不理想的現狀，所采用的四軸雙聯齒輪刀軸傳動箱，在國內農田小型開溝機領域是一個創新。同時利用現代化設計軟件對刀軸傳動箱的結構進行設計和三維仿真，能在圖紙沒變成產品前，就知曉是否會發生運動干涉；對傳動箱的結構進行力學分析，能快速精確地得出零件在受力狀態下的位移效果和應力分布情況，擺脫了傳統的設計需通過大量公式計算的困擾。通過對應力圖形的分析，可以快速判斷結構設計不合理的部位，并對其進行優化設計，從而提高了產品在使用過程中的可靠性，降低了企業的生產成本。希望這種設計方式對今后農業機械設計方面能起到一定的指導作用。

該開溝機設計現已完成，即將投入樣機生產，期待在不久的將來，這種改進型開溝機能夠得到廣泛地推廣使用。

參考文獻：

［１］ 中國農業機械化科學研究院． 農業機械設計手冊［Ｍ］． 北京：機械工業出版社，１９８８．

［２］ 羅海峰，官春云，湯楚宙，等． 旋耕開溝機橫向拋土性能試驗［Ｊ］． 湖南農業大學學報（自然科學版），２００６，３２（４）：４４１－４４４．

［３］ 云杰漫步科技ＣＡＸ設計教研室． ＳｏｌｉｄＷｏｒｋｓ２０１０中文版造型設計項目案例解析［Ｍ］． 北京：清華大學出版社，２０１１．

［４］ 張為春． 旋轉式開溝機的使用與維修［Ｊ］． 農機使用與維修，２００４（１）：２７．

［５］ 劉寶順． 產品結構設計［Ｍ］． 第二版． 北京：中國建筑工業出版社，２００９．