旋耕機刀軸刀庫螺栓連接結構的研究探討

張義勝，王維

摘 要：現在市場上廣泛采用的旋耕刀軸裝配為刀庫直接焊接在刀軸上 ，旋耕刀通過螺栓、螺母、彈簧墊圈連接在刀庫上。當刀庫與刀軸焊接時，刀軸會產生焊接變形，還需進行直線度校正。在使用過程中，如果螺栓出現斷裂現象，旋耕刀則甩出，容易造成傷人事故。刀庫在損壞后，需重新焊接新刀庫，這時需要用磨光機磨掉舊刀庫，再重新進行焊接，過程復雜，費時、費力。針對存在的情況，設計了一種用螺栓連接旋耕機刀軸和刀庫的結構，避免了焊接變形，使其安裝穩固、更換方便。

關鍵詞：旋耕機;刀軸;刀庫;焊接

中圖分類號：S222 ???????文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.12.009

Research and Discussion on the Bolt Connection Structure of Tool Shaft Tool Bank of Rotary Tiller

Zhang Yisheng，Wang Wei

（Zibo Agricultural Machinery Research Institute，Zibo 255086，China）

Absrtact：Now widely used in the market， the rotary tool shaft assembly is welded directly on the tool shaft for the tool bank. The rotary tool is connected to the tool bank through bolts， nuts， and spring gaskets.When the tool bank is welded with the tool shaft， the tool shaft will produce welding deformation， and straightness correction is also required. If the bolt breaks during use， the rotary tiller is thrown out， which is prone to injury. After the knife bank is damaged， it is necessary to re-weld the new knife bank. At this time， it is necessary to grind the old knife bank with a grinding machine and re-weld it. The process is complex， time-consuming and laborious.According to the existing situation， a structure of screw shaft and tool Bank of rotary tiller is designed to avoid welding deformation， so that its installation is stable and easy to replace.

Keywords： rotary cultivator; knife shaft; knife bank; welding.

作者簡介：張義勝（1962-），男，山東淄川人，本科，研究員級高級工程師，研究方向：糧食收獲及種植機械，E-mail：dr.zh@163.com。

通訊作者：王維（1962-），男，山東臨淄人，大專，工程師，E-mail：2608335327@qq.com。

0 引言

現在市場上廣泛采用的旋耕刀軸結構，是刀庫直接焊接在刀軸上，旋耕刀通過螺栓、螺母、彈簧墊圈固定在刀庫上。當刀庫與刀軸焊接時，刀軸會產生嚴重的焊接變形。焊接完畢，還需進行直線度校直，經過多次校直后，效果往往不能令人滿意。刀軸旋轉起來，徑向擺動超標，產生振動噪音，嚴重影響軸承及整機使用壽命。如果在使用時螺栓出現斷裂現象，旋耕刀則甩出，容易造成傷人事故。刀庫在損壞后，需重新焊接新刀庫，這時需要用磨光機磨掉舊刀庫，再重新進行焊接，過程復雜，費時、費力。

針對存在的情況，設計了一種用螺栓連接旋耕機刀軸和刀庫的結構，避免了焊接變形，從而使刀軸的運轉精度大大提高，降低了刀軸旋轉時產生的振動噪音，使刀庫、旋耕刀安裝穩固、更換方便。

1 結構原理

螺栓連接旋耕機刀軸和刀庫的結構如圖1所示，由刀軸、刀庫、旋耕刀、旋耕刀固定板、刀庫固定螺栓、旋耕刀固定螺栓螺母組成。傳統刀庫的結構如圖2所示，刀庫改進后結構示意圖如圖3所示。

1.刀軸 2.旋耕刀固定板 3.旋耕刀固定螺栓螺母

4.刀庫 5.旋耕刀 6.刀庫固定螺栓

圖1 旋耕機刀軸刀庫螺栓連接結構示意圖

圖2 傳統刀庫結構示意圖

圖3 改進后刀庫結構示意圖

與傳統刀庫相比較，新型刀庫加工四個孔，在刀軸上加工與新型刀庫相對應的四個螺孔，用螺栓把刀軸刀庫連接起來。在刀庫與刀軸結合面上，加工兩個銷軸，銷軸插入刀軸上對應的銷孔內，起到定位作用。刀庫與刀軸結合端處設有止口，用于安裝旋耕刀和旋耕刀固定板。

改進后旋耕刀的結構如圖4所示。與傳統旋耕刀的結構相比，改進后旋耕刀的尾部開有長槽，將旋耕刀固定板安裝在旋耕刀尾部的長槽內，然后一起裝入刀庫的止口內。

圖4 改進后旋耕刀結構示意圖

2 刀庫、旋耕刀安裝程序及結構特點

2.1 刀庫、旋耕刀安裝程序

現將旋耕刀尾部插入刀庫的內孔，且使旋耕刀尾部的長槽露在外部，將旋耕刀固定板安裝在旋耕刀尾部的長槽內，然后將旋耕刀尾部裝入刀庫的止口內。

將刀庫上的兩個銷軸插入與刀軸上對應的銷孔內，起到定位作用。將四個刀庫固定螺栓擰入刀軸上的四個螺孔內，并擰緊。

最后將旋耕刀固定螺栓插入旋耕刀和刀庫的孔內，并用旋耕刀固定螺母擰緊。

2.2 結構特點

從刀庫、刀軸的結構來看，旋耕刀通過旋耕刀固定板被卡在刀庫的止口內。即使旋耕刀固定螺栓出現斷裂現象，旋耕刀也不會飛出，避免傷人事故的發生。

由于刀庫是用螺栓固定在刀軸上，避免由于焊接造成的變形，減少了繁瑣的直線度校正工藝，刀軸的直線度大大提高，從而使刀軸的運轉精度得到提高，提高了軸承及整機的使用壽命。由于刀庫是用兩個銷軸定位在刀軸上，安裝位置準確，避免焊接造成的安裝位置傾斜現象。

旋耕刀及刀庫損壞后，只需卸下四個刀庫固定螺栓，即可更換新的旋耕刀及刀庫，無需用磨光機磨掉舊刀庫，再重新進行焊接新刀庫，省工省力。

3 有關設計計算

3.1 旋耕功率消耗的計算

影響旋耕功率消耗的因素很多，可用下列經驗公式估算[1]

N=0.1KλavB（1）

式中 N—旋耕消耗功率（kW）;

α—耕深（cm）;

v—拖拉機前進速度（m/s）;

B—耕副（cm）;

Kλ—旋耕比阻（N/cm2）。

旋耕機耕深120～160 mm，耕深按照150 mm（15 cm）計算;以常用的工作幅寬230 cm型旋耕機為計算依據;拖拉機前進速度為2～5 km/h，以2 km/h（0.55 m/s）為計算依據[2];取旋耕比阻Kλ的值為0.48。計算后得到N=91 kW。

3.2 刀軸扭矩的計算

旋耕機刀軸的轉速一般是180～220 r/min[2]，這里按照200 r/min計算。刀軸扭矩為

T=9549Pn（2）

式中 T—刀軸扭矩（N·m）;

P—刀軸消耗功率（kW）;

n—刀軸轉速（r/min）。

取P=91 kW，n=200 r/min，計算后得到

T=4344.8 N·m。

3.3 刀庫固定螺栓的設計計算

3.3.1 刀庫固定螺栓剪切力的計算

旋耕機的刀軸，左右對稱布置在變速箱兩側。單條旋耕機的刀軸所承受的扭矩為2172 N·m。

根據旋耕刀布置原則，一個相位角度上只布置一把旋耕刀。圖5為旋耕刀360°布置示意圖。以市場上常用的工作幅寬230 cm型旋耕機為計算依據，采用R245旋耕刀，即刀軸回轉半徑490 mm。單條旋耕機的刀軸上布置31把旋耕刀，相鄰兩把入土旋耕刀角度相差11.61°，刀軸直徑70 mm。

圖5 旋耕刀360°布置示意圖

旋耕機耕深120～160 mm，這里耕深按照150 mm計算。由圖5可以看出，在旋耕刀入土深度150 mm時，有10把旋耕刀埋在土壤里面工作。由于各旋耕刀受力不一致，這里粗略按照5把旋耕刀計算，即按照5把旋耕刀承受2172 N·m的扭矩，每把旋耕刀承受434.4 N·m的扭矩。

考慮到各個刀庫固定螺栓之間受力不均勻，4個刀庫固定螺栓按照3個計算。因刀庫固定螺栓主要承受剪切力，這里按照剪切力計算。單個刀庫固定螺栓承受的剪切力計算公式為

Q=2TDn（3）

式中 Q—單個刀庫固定螺栓承受的剪切力（N）;

T—刀軸扭矩（N·m）;

D—刀軸外徑（m）;

n—刀庫固定螺栓計算數量（個）。

取T=434.4 N·m，D=0.07 m，n=3，計算后得到

Q=4137 N。

3.3.2 刀庫固定螺栓剪切強度的校核

單個刀庫固定螺栓承受的剪切應力計算公式為

σ=4Qπd2（4）

式中 σ—單個刀庫固定螺栓承受的剪切應力（MPa）;

Q—單個刀庫固定螺栓承受的剪切力（N）;

d—刀庫固定螺栓直徑（mm）。

取Q=4137 N，d=10 mm，計算后得到σ=52.6 MPa。

選用螺栓材質為45#鋼，屈服極限σf為360 MPa。

螺栓的許用剪切應力計算公式為

τp=σfSp（5）

式中 τp—許用剪切應力（MPa）;

σf—固定螺栓的屈服極限（MPa）;

Sp—安全系數3.5～5，取最大值5。

取σf=360 Mpa，Sp=5，計算后得到，τp=72 MPa。由此可見，單個刀庫固定螺栓承受的剪切應力σ為52.6 MPa，小于許用剪切應力72 MPa，即滿足強度要求。

4 結論

螺栓連接旋耕機刀軸和刀庫的結構，由刀軸、刀庫、旋耕刀、旋耕刀固定板、刀庫固定螺栓、旋耕刀固定螺栓螺母組成。旋耕機刀軸刀庫采用螺栓連接結構替代焊接機構后，具有如下優點。

（1）當旋耕刀固定螺栓斷裂時，由于固定板將旋耕刀卡在刀庫的止口內，旋耕刀也不會飛出，避免傷人事故的發生。

（2）避免了焊接造成的變形，提高了刀軸的運轉精度，提高了軸承及整機的壽命。

（3）刀庫用銷軸定位在刀軸上，安裝位置準確，避免了焊接造成的刀庫變形現象。

（4）旋耕刀及刀庫損壞后，只需卸掉刀庫固定螺栓便可更換，更換方便，省工省力。

通過設計計算可以看出，旋耕機刀軸刀庫采用螺栓連接結構后，結構強度大大提高，完全滿足強度要求。

參考文獻：

[1] 張義勝，宮玉敏，王文麗，等.一種旋耕刀軸裝置：CN 205755300 U[P].2016-12-07.

[2] 丁平平.大功率旋耕機旋耕刀的有限元分析[J].農業裝備技術，2019，45（2）：42-45.