果園開溝機(jī)超低速傳動系統(tǒng)的設(shè)計與試驗

王鵬飛　劉俊峰　柴立發(fā)　張彥奇　馬志凱

摘要：根據(jù)矮砧密植果園土壤特性及開溝作業(yè)要求，提出了一種滿足超低速開溝作業(yè)的傳動方式，并初步確定了組合傳動系統(tǒng)基本設(shè)計參數(shù)。建立了變速箱高速軸齒輪的參數(shù)化模型，確定了齒輪的基本結(jié)構(gòu)及參數(shù)，建立參數(shù)間正確的關(guān)聯(lián)關(guān)系，利用有限元方法分析了在外載荷條件下齒輪傳動過程中接觸與彎曲疲勞強(qiáng)度。分析表明：高速軸的齒輪1與齒輪3，使用20GrMnTi材料可以滿足齒輪許用接觸疲勞強(qiáng)度與許用彎曲疲勞強(qiáng)度的要求。樣機(jī)試驗表明該傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)滿足設(shè)計的要求。

關(guān)鍵詞：果園；開溝機(jī)；超低速；傳動系統(tǒng)；有限元；參數(shù)模型

中圖分類號： S222.5+2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）10-0461-04

開溝施肥是果樹生產(chǎn)管理中重要的技術(shù)措施，開溝質(zhì)量的好壞直接影響果樹生長、產(chǎn)量、果品質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)效益[1]。果園鏈?zhǔn)介_溝機(jī)在林果業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，可以減少物力及人力資源的浪費，同時提高了勞動效率。開溝作業(yè)需要拖拉機(jī)配備超低速擋才能正常工作。果園空間有限且開溝作業(yè)的功率要求不高，但目前國內(nèi)農(nóng)用中小型拖拉機(jī)（36.7 kW以下）沒有配備超低速檔要求[2]。國外開溝樣式較多，但專機(jī)專用，動力閑置時間較長，且國外開溝機(jī)組行走系統(tǒng)多采用液壓驅(qū)動，成本較高，此情況不符合中國國情[3-4]。本研究根據(jù)新型矮砧密植果園（保定順平三優(yōu)園）土壤特性及開溝作業(yè)要求，針對開溝機(jī)變速箱及機(jī)組附加減速器組合傳動系統(tǒng)的設(shè)計，以實現(xiàn)果園小型拖拉機(jī)超低速開溝作業(yè)，提出了一種超低速開溝作業(yè)傳動方式。

1 矮砧密植果園開溝作業(yè)要求

1.1 開溝作業(yè)要求及土壤特性參數(shù)

我國大部分成齡果樹根系都分布在地表以下40 ～50 cm的范圍內(nèi)，因此開溝深度應(yīng)控制在40 cm左右[5]，果園開溝作業(yè)要求見表1。針對果園土壤的分析及試驗檢測，得到果園土壤特性參數(shù)見表2。

1.2 開溝機(jī)的基本參數(shù)

根據(jù)NY/T 740—2003《田間開溝機(jī)械作業(yè)質(zhì)量》規(guī)定的開溝作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和果園土壤特性，開溝機(jī)基本設(shè)計參數(shù)見表3。

2 超低速傳動系統(tǒng)的總體設(shè)計

2.1 傳遞路線的設(shè)計

由柴油機(jī)提供動力，經(jīng)過拖拉機(jī)飛輪傳遞到開溝機(jī)的變速箱，經(jīng)開溝機(jī)變速箱減速后一部分動力輸出傳遞給開溝機(jī)鏈輪，通過開溝機(jī)鏈輪驅(qū)動開溝機(jī)鏈條及鏈刀切削土壤；另一部分動力經(jīng)開溝機(jī)變速箱減速后傳遞機(jī)組附加減速器，機(jī)組附加減速器與拖拉機(jī)后橋從動齒輪嚙合為一體，通過機(jī)組附加減速器減速后，動力驅(qū)動后橋從動齒輪，進(jìn)而驅(qū)動拖拉機(jī)前進(jìn)（圖1）。

2.2 總傳遞比的設(shè)計

拖拉機(jī)后輪輪胎規(guī)格7.50～16，因此我們可知輪胎轉(zhuǎn)動1圈前進(jìn)的距離約等于2198 mm，由表3知，動力輸出為2 200 r/min，開溝前進(jìn)速度要求在120～150 m/h范圍內(nèi)。綜上可知：在矮砧密植果園超低速開溝作業(yè)時，總傳動比要求范

圍為：1 934.2≤i≤2 417.8。

2.3 總傳遞比分配方案

拖拉機(jī)飛輪輸出端帶輪直徑為d1=118 mm，開溝機(jī)變速箱輸入端離合器帶輪直徑為d2=247 mm，即傳動比i0=d2/d1≈21，帶輪結(jié)構(gòu)如圖2所示。

開溝機(jī)變速箱采用四軸立式結(jié)構(gòu)，1個輸入，2個輸出，結(jié)構(gòu)及原理見圖3；經(jīng)分析與計算，變速箱齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)見表4。

附加減速器與后橋從動齒輪相連，結(jié)構(gòu)及原理見圖4；經(jīng)分析計算后，減速器齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)見表5。

開溝機(jī)變速箱輸出帶輪直徑為d3=118 mm，附加減速器輸入帶輪直徑為d4=247 mm，則可知傳動比i4=d4/d3≈21。根據(jù)各級傳動比可知，總傳動比：i=i0× i1× i2× i3× i4× i5× i6×i7≈2 219.5。

綜上可知，在矮砧密植果園正常開溝作業(yè)時，拖拉機(jī)超低速擋位前進(jìn)速度：

v=2 198×2 2002 219.5×103≈2.2 m/min。

由正常開溝作業(yè)速度要求可知，開溝機(jī)速度滿足在矮砧密植果園開溝作業(yè)要求。

3 齒輪強(qiáng)度校核

3.1 建立有限元模型

齒輪傳動在各類機(jī)械產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用，齒輪嚙合是一個復(fù)雜高度非線性問題，其可靠性是決定齒輪壽命的重要指標(biāo)[6-7]，因此，需要采用有限元方法分析高速軸齒輪在負(fù)荷工況下是否滿足材料的強(qiáng)度要求。高速軸齒輪建模參數(shù)如表6所示。

3.2 材料性能及邊界條件

考慮高速沖擊與使用壽命，2個齒輪采用材料為20GrMnTi，其力學(xué)性能見表7。

由表3及傳動比i0可知齒輪1的轉(zhuǎn)速為：n=1 047.6 r/min。在負(fù)荷工況下，由功率傳遞效率可知齒輪1扭矩T=127 306 N·mm。對2個齒輪進(jìn)行約束，約束其x、y、z 3個方面的平動自由度及x、y方向的轉(zhuǎn)動，保留繞z軸的轉(zhuǎn)動自由度，即U1=U2=U3=0，UR1=UR2=0。約束關(guān)系見圖5。

3.3 齒輪接觸應(yīng)力分析

齒面接觸疲勞許用應(yīng)力[σH]=σHlim×ZNSH=1 3581.1≈1 234.5 MPa。由于是硬齒面齒輪傳動，故SH 安全系數(shù)為1.1。

在負(fù)荷工況下，根據(jù)有限元分析方法得知齒輪嚙合過程中mises應(yīng)力分布（圖6），且最大接觸應(yīng)力位置在齒輪1的73 091節(jié)點（圖7）。

由圖7可知mises最大應(yīng)力σmax≈971 MPa，可見σmax<[σH]，材料滿足接觸疲勞強(qiáng)度要求。

3.4 齒輪彎曲應(yīng)力分析

由于是硬齒面齒輪傳動SF，故安全系數(shù)為1.3。齒根彎曲疲勞許用應(yīng)力[σF]=σFlim×YNSF=8501.4≈608 MPa。endprint

有限元中對于彎曲強(qiáng)度的評價采用坐標(biāo)軸正應(yīng)力（S11）近似代替。S11分析應(yīng)力分布見圖8，最大彎曲應(yīng)力位置見圖9。

由圖8可知最大彎曲應(yīng)力σmax≈604 MPa，可知σmax<[σF]，材料滿足彎曲疲勞強(qiáng)度要求，最大彎曲應(yīng)力位置在齒輪1的65779節(jié)點。

4 樣機(jī)試驗

有限元分析結(jié)果只能作為設(shè)計的參考[8]，開溝機(jī)的性能需要實際開溝作業(yè)進(jìn)行檢驗。在樣機(jī)試驗田進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)開溝試驗，該試驗田與果園內(nèi)土壤濕度和硬度相似，土壤特性滿足表2的數(shù)據(jù)要求，開溝深度為40 cm，開溝寬度為30 cm（圖10）。

試驗結(jié)果表明：開溝機(jī)工作基本穩(wěn)定，行進(jìn)與作業(yè)速度設(shè)計合理，溝壁整齊，溝深穩(wěn)定，溝寬一致。開溝作業(yè)效果符合表1要求，變速箱的齒輪結(jié)構(gòu)和參數(shù)合理，達(dá)到了設(shè)計要求，減輕了勞動強(qiáng)度，提高了農(nóng)事作業(yè)效率。

5 結(jié)論

根據(jù)開溝作業(yè)要求及矮砧密植果園土壤特性，初步確定

了傳動系統(tǒng)設(shè)計基本參數(shù)。

建立高速軸齒輪嚙合有限元模型，確定齒輪材料屬性及力學(xué)特性，正確加載齒輪嚙合的邊界及載荷條件，細(xì)化網(wǎng)格完成分析。

通過有限元分析可知，高速軸齒輪嚙合在負(fù)荷工況下，齒輪最大接觸應(yīng)力發(fā)生在齒輪齒面的73091節(jié)點，齒輪最大彎曲應(yīng)力發(fā)生在齒輪根部的65779節(jié)點，且材料均滿足最大等

效應(yīng)力強(qiáng)度的要求，完成理論分析。

樣機(jī)田間試驗表明：有限元分析確定的齒輪結(jié)構(gòu)和參數(shù)是合理的，在滿足材料強(qiáng)度要求下，樣機(jī)基本滿足果園開溝作業(yè)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡佳佳，劉俊峰，李建平，等. 果園施肥開溝機(jī)開溝刀的優(yōu)化設(shè)計[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2010，32（12）：41-44.

[2]中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院.農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手：上冊[M]. 北京：中國工業(yè)出版社，1971：18-20.

[3]李德勝，郭 輝. 果園施肥開溝機(jī)的研究現(xiàn)狀[J]. 農(nóng)業(yè)科技與裝備，2011（6）：53-55.

[4]陳朝海，段潔利，閆國琦，等. 果園開溝機(jī)研究現(xiàn)狀與發(fā)展對策[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2013（2）：64-68.

[5]劉長景，王玉潔，楊 允. 有機(jī)肥特點和提高果園有機(jī)肥施用量的途徑[J]. 果農(nóng)之友，2010（8）：37-38.

[6]李 威，劉 寧，李 寧，等. 齒輪傳動系統(tǒng)輪齒嚙合過程動載荷譜研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2012，43（8）：221-225.

[7]蘇 程，尹朋朋. 齒輪系統(tǒng)非線性動力學(xué)特性分析[J]. 中國機(jī)械工程，2011，22（16）：1922-1928.

[8]楊 欣，劉俊峰，李建平，等. 蘋果起苗鏟有限元分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2011，42（2）：84-87，125.張建寶，王家忠，李 娜. 草莓采摘末端執(zhí)行器摘取接觸力控制仿真[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（10）：465-467.endprint