自激振動(dòng)式小型中耕除草機(jī)的設(shè)計(jì)

梁曉兵 王 璠 劉志強(qiáng)

(河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 451191)

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

本文結(jié)合河南中西部地區(qū)環(huán)境條件以及農(nóng)機(jī)農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)的中耕除草機(jī)(圖1)，主要由牽引機(jī)架、限深仿形輪、彈簧振動(dòng)式翼型除草單體組成。采用后置三點(diǎn)式懸掛，前部配置兩個(gè)限深仿形輪，除草部件采用彈簧振動(dòng)式翼型除草單體，同時(shí)，懸掛架采用熱軋槽鋼，連接板均采用角鋼，以此達(dá)到減小體積、減輕重量的目的。自激減震彈簧裝置由預(yù)緊端蓋、自激振動(dòng)彈簧、彈簧芯軸組成是彈簧振動(dòng)式翼型除草單體的核心部件。

如圖1所示，三點(diǎn)式懸掛機(jī)架由拖拉機(jī)進(jìn)行牽引。彈簧減震裝置中通過(guò)彈簧銷(xiāo)軸將軸承端蓋和芯軸相連，自激彈簧包裹著軸承芯軸。在中耕除草機(jī)工作時(shí)拖拉機(jī)牽引著自激彈簧減震翼型中耕除草機(jī)向前行進(jìn)，在工作過(guò)程中，耕作土地不是十分平坦，由于土壤的高低起伏，土壤阻力時(shí)刻發(fā)生變化。中耕除草鏟柄繞著固定機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)，從而壓縮減震彈簧，彈簧中的壓縮量隨著中耕除草機(jī)的行進(jìn)而發(fā)生變化，中耕除草鏟與自激減震彈簧相互作用發(fā)生小幅振動(dòng)，達(dá)到減震防止除草鏟損傷的作用。

1.牽引機(jī)架；2.限深仿形輪；3.彈簧振動(dòng)式翼型除草單體

2 主要零部件設(shè)計(jì)

2.1 牽引機(jī)架

中耕除草機(jī)的機(jī)架由懸掛架、前后橫梁組成，懸掛架的作用是連接拖拉機(jī)以及升降中耕除草機(jī)，前后橫梁的作用是承載除草單體。機(jī)架材料選用Q235b結(jié)構(gòu)鋼，提高機(jī)架使用壽命。除此之外，彈簧振動(dòng)式翼型除草單體在橫梁上的位置可以根據(jù)工作對(duì)象的幅寬自由調(diào)整，具有很強(qiáng)的靈活性。

2.2 彈簧振動(dòng)式翼型除草單體

本研究采用自激減震彈簧來(lái)緩沖在工作過(guò)程中來(lái)自土壤的阻力，彈簧內(nèi)部設(shè)置芯軸，可以靈活調(diào)節(jié)彈簧長(zhǎng)度，起到骨架作用。除草鏟采用雙翼式除草鏟，其碎土角較小，可以更高效的切斷田間雜草，同時(shí)也可以增大與土壤的接觸面積，達(dá)到疏松土壤的目的。除草單體的護(hù)苗器在中耕除草機(jī)工作時(shí)能夠更好地減少幼苗的損傷率。

2.3 限深仿形輪

采用限深仿形輪來(lái)調(diào)節(jié)松土深度，保證工作的穩(wěn)定性。該裝置中設(shè)有U形板，可以自由調(diào)節(jié)限深仿形輪高度，除此之外，還可以在工作過(guò)程中起到支撐機(jī)架的作用。

3 自激減震彈簧裝置的設(shè)計(jì)校核

圖2 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

自激減震彈簧裝置的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2所示。其中O點(diǎn)為機(jī)架與除草單體連接點(diǎn)，A點(diǎn)為除草單體與自激減震彈簧連接點(diǎn)，B為中耕除草鏟鏟尖。自激減震彈簧里的芯軸固定銷(xiāo)軸可以在芯軸軸端上下浮動(dòng)，這即是自激彈簧減震機(jī)構(gòu)在除草單體中簡(jiǎn)單的工作原理。

如圖3所示，自激彈簧減震裝置是通過(guò)彈簧銷(xiāo)軸將軸承端蓋和芯軸相連，自激彈簧包裹著軸承芯軸。在安裝時(shí)，彈簧芯軸通過(guò)后端的螺紋將芯軸固定銷(xiāo)扭轉(zhuǎn)到安裝位置，并對(duì)彈簧預(yù)緊力進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)機(jī)具工作時(shí)固定銷(xiāo)在芯軸中往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此減震彈簧在工作時(shí)不會(huì)發(fā)生完全壓縮的狀態(tài)，以此來(lái)保證自激減震彈簧工作的可靠性添加。

圖3 自激減震彈簧示意圖

中耕土壤機(jī)工作過(guò)程中受到的土壤的阻力范圍為3 000～5 000 N，這些力主要施加中耕鏟柄及中耕鏟尖。在自激彈簧減震裝置中，依據(jù)中耕除草機(jī)的工作要求，減震彈簧選擇壓縮彈簧。為使減震效果更好必須保證彈簧在工作過(guò)程中無(wú)歪斜情況，因此本文減震彈簧選用Y1型壓縮彈簧。接下來(lái)依據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)》對(duì)所選彈簧進(jìn)行校核計(jì)算。

(1)中耕除草機(jī)常溫下工作在玉米大豆田間，選擇振動(dòng)彈簧為65 Mn(GB122)，且選擇第二類(lèi)彈簧。

(2)減震彈簧許用切應(yīng)力為，

[τ]=0.4σB=2.94×108N/m2

(1)

減震彈簧許用彎曲應(yīng)力為，

σb=0.5σB=3.675×108N/m2

(2)

其中：σb為材料拉伸強(qiáng)度極限，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得65 Mn的材料拉伸強(qiáng)度極限為7.35×108N/m2。

(3)減震彈簧系數(shù)K：

(3)

(4)根據(jù)工作尺寸及減震彈簧變形條件得到自激彈簧圈數(shù)，

(4)

式中，λmax為自激減震彈簧受到壓縮時(shí)的最大變形量；

(5)確定減震彈簧的穩(wěn)定性

當(dāng)選用的減震彈簧過(guò)長(zhǎng)時(shí)，彈簧中心安裝易發(fā)生偏離，因此會(huì)導(dǎo)致受力不穩(wěn)，從而影響工作的效果。因此需要通過(guò)長(zhǎng)細(xì)比b來(lái)確定彈簧長(zhǎng)度，

(5)

式中，H0為減震彈簧長(zhǎng)；D2為減震彈簧中徑。

彈簧芯軸的作用是增加減震彈簧裝置的穩(wěn)定性，彈簧芯軸與減震彈簧之間的距離為3 mm。上式可知，彈簧長(zhǎng)度H0=300 mm，芯軸的外桿直徑為：d=100 mm。

(6)減震彈簧強(qiáng)度校核

設(shè)減震彈簧工作過(guò)程中最小載荷為F1，最大載荷為F2，因此減震彈簧所受的最大和最小循環(huán)切應(yīng)力為，

(6)

(7)

計(jì)算彈簧的疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)，

(8)

式中，τ0為自激振動(dòng)彈簧材料受到循環(huán)剪切載荷時(shí)的疲勞極限；SF為自激振動(dòng)彈簧疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)的設(shè)計(jì)值；

(7)減震彈簧靜應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算

安全系數(shù)計(jì)算值Ssca：

(9)

式中，τs為減震彈簧材料的剪切屈服極限，N/m2；Ssca為減震彈簧材料的安全系數(shù)計(jì)算值；

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)我國(guó)河南中西部地區(qū)現(xiàn)有的中耕除草機(jī)械工作時(shí)易損傷除草鏟，且除草鏟在工作過(guò)程中易被雜草纏繞、難以剝離等問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種能夠防止除草鏟損傷、減小雜草纏繞的中耕除草機(jī)。它采取了可調(diào)節(jié)的機(jī)架結(jié)構(gòu)，減震彈簧為調(diào)節(jié)部件，能夠大大提高除草效率。