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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
院
（系）
機(jī)械工程學(xué)院
指 導(dǎo)
教 師
張道德
職
稱
副教授
學(xué)生姓名
專業(yè)（班級(jí)）
學(xué) 號(hào)
設(shè)計(jì)題目
小型自動(dòng)耕地機(jī)設(shè)計(jì)
設(shè)
計(jì)
內(nèi)
容
、
目
標(biāo)
和
要
求
（設(shè)計(jì)內(nèi)容目標(biāo)和要求、設(shè)計(jì)進(jìn)度等）
內(nèi)容：
設(shè)計(jì)一種小型耕地機(jī)械，能實(shí)現(xiàn)翻土及梳理。能實(shí)現(xiàn)耕牛的替換，每天耕地量為2-3畝，適用于小農(nóng)戶。
要求：
1. 查閱相關(guān)資料，并翻譯相關(guān)英文資料一篇；
2. 完成耕地機(jī)的機(jī)械部分設(shè)計(jì)；
3. 機(jī)械裝配圖一份，系統(tǒng)電路原理圖一份。程序清單一份（關(guān)鍵語句必須有注釋）。設(shè)計(jì)說明書一份。
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小型自動(dòng)耕地機(jī)設(shè)計(jì)
目錄
1緒論 1
1.1 國內(nèi)外耕地機(jī)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 1
1.1.1我國耕地機(jī)發(fā)展 1
1.1.2 國外耕地機(jī)發(fā)展 5
1.1.3在海底耕地機(jī)的用途 7
1.2 鏈?zhǔn)礁貦C(jī)的研究現(xiàn)狀 7
1.3 本論文研究意義 9
2鏈傳動(dòng)概述及鏈刀式耕地機(jī)設(shè)計(jì)的初步理論 10
2.1 鏈傳動(dòng)概述 10
2.1.1 鏈傳動(dòng)基本原理 11
2.1.2鏈傳動(dòng)的特點(diǎn) 12
2.1.3鏈傳動(dòng)的應(yīng)用 14
2.2 鏈傳動(dòng)的失效分析 15
2.3 耕地機(jī)設(shè)計(jì)的初步理論 16
2.3.1土壤的主要物理力學(xué)性質(zhì) 16
2.3.2土壤工作部件力學(xué) 18
2.3.3小結(jié)切割過程的分土壤切削阻力分析 19
3鏈刀式耕地機(jī)工作部件的設(shè)計(jì) 20
3.1 耕地機(jī)的工作原理 20
3.2 鏈?zhǔn)礁貦C(jī)的特點(diǎn) 22
3.3 工作部件基本參數(shù)的選擇 22
3.4 工作部件切削土壤的力 27
3.5 發(fā)動(dòng)機(jī)功率的確定和底盤的選擇 28
3.6 鏈刀式耕地機(jī)的整體參數(shù)計(jì)算與確定 31
3.7耕地器的結(jié)構(gòu) 32
3.7.1耕地器的結(jié)構(gòu)分析 32
3.7.2 耕地器的工作原理 33
4結(jié)論與展望 34
4.1結(jié)論 34
4.2觀察研究后根據(jù)鏈?zhǔn)礁貦C(jī)的傳動(dòng)環(huán)境與切削的分析提出見解 34
4.2.1 根據(jù)土壤介質(zhì)鏈傳動(dòng)的特點(diǎn)提出見解 34
4.2.2 土壤質(zhì)地、濕度、硬度對(duì)土壤介質(zhì)鏈傳動(dòng)的影響 35
4.2.3 研究后對(duì)耕地鏈傳動(dòng)的切削分析 35
4.2.4根據(jù)分析改進(jìn)耕地鏈傳動(dòng)的方式為逆時(shí)針切削方式 36
4.3寫論文的感受 36
參考文獻(xiàn) 38
致謝 39
1 緒論
1.1 國內(nèi)外耕地機(jī)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀
耕地機(jī)的歷史悠久，早期的犁鏵工具[1]就是耕地機(jī)的雛形，只不過沒有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。到了上世紀(jì) 50 年代開始，伴隨著機(jī)械化的普及，而且在一些相關(guān)的部件和結(jié)構(gòu)原理沒有成型和系統(tǒng)的研究戰(zhàn)后的發(fā)達(dá)國家開始使用機(jī)械耕地機(jī)進(jìn)行大范圍的農(nóng)耕化作業(yè)，大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率?，F(xiàn)在隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和日益增多的工作要求，耕地設(shè)備的研究走進(jìn)了一個(gè)新的時(shí)代，較為成型的耕地設(shè)備不斷涌現(xiàn)。但國內(nèi)的耕地機(jī)的研究和使用起步比較晚。到了60 年代，旋轉(zhuǎn)式耕地機(jī)[2]已發(fā)展成為一種先進(jìn)的連續(xù)挖土機(jī)械。適宜開挖梯形截面的農(nóng)用溝渠。由于它牽引阻力小，能均勻散耕地內(nèi)土壤，工作效率高，因而獲得迅速的發(fā)展和廣泛的使用。耕地機(jī)在歐洲、美洲各發(fā)達(dá)國家和亞洲的日本等國廣泛的應(yīng)用在土方施工領(lǐng)域，僅美國年需求量就達(dá)數(shù)千臺(tái)。耕地機(jī)發(fā)達(dá)的國家主要有德國、意大利、美國、俄羅斯和日本等國。前蘇聯(lián)、意大利、法國和西德等國都有不同型號(hào)的系列產(chǎn)品，有的遠(yuǎn)銷國外。從 70 年代末期開始，以鏈?zhǔn)礁貦C(jī)的研究逐漸興起，到了 80 年代中期，美國等國已經(jīng)有了較為成型的鏈?zhǔn)礁卦O(shè)備。隨著改革開放的不斷深入，生產(chǎn)建設(shè)全面啟動(dòng)，城市土方施工工程規(guī)模越來越大，各方面都面臨著巨大的挖溝工作量。經(jīng)過 40 多年的發(fā)展，在耕地機(jī)應(yīng)用方面，以其生產(chǎn)效率高，成本低，設(shè)備簡單，組裝方便，多為懸掛于農(nóng)用拖拉機(jī)后端的可拆卸設(shè)備而被廣泛應(yīng)用。其工作效率突出，且擴(kuò)大了使用范圍，隨著電信事業(yè)廣播光纜的鋪設(shè)需要，鏈?zhǔn)礁貦C(jī)的使用更為廣泛，目前已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域使用，比如，在狹窄的果園，以及在海底耕地機(jī)也有了重要的應(yīng)用。
1.1.1我國耕地機(jī)發(fā)展
我國耕地機(jī)械起步較晚，經(jīng)歷了從犁鏵式耕地機(jī)、圓盤式耕地機(jī)、螺旋式耕地機(jī)和鏈?zhǔn)礁貦C(jī)的四個(gè)發(fā)展歷程。在我國除極少數(shù)單位引進(jìn)國外的連續(xù)式耕地機(jī)外,國產(chǎn)耕地機(jī)仍處于設(shè)計(jì)研發(fā)的初步階段。
首先，在上世紀(jì)50年代主要是犁鏵式耕地機(jī)。這種耕地機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，零部件少，單位功率低，生產(chǎn)率高，作業(yè)成本低，耕地深度為30cm到80cm。主要缺點(diǎn)是機(jī)體笨重，牽引阻力大，犁鏵入土后，土垡隨翻土板曲面上升，翼板將土推向兩側(cè)，側(cè)壓板將溝壁壓緊，形成梯形斷面的溝[3]。
然后，到了上世紀(jì)70年代又出現(xiàn)了圓盤式耕地機(jī)，它以兩個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的銑削圓盤，圓盤周圍是銑刀，一般以75 馬力到100馬力拖拉機(jī)牽引工作，前進(jìn)速度 50m/h到150m/h，應(yīng)用較廣，牽引阻力小，適應(yīng)性強(qiáng)，作業(yè)質(zhì)量好，但行走慢，傳動(dòng)復(fù)雜，結(jié)構(gòu)龐大，制造工藝要求高，單位功率消耗大，生產(chǎn)率比犁鏵式耕地犁低，它的耕地?cái)嗝媸巧峡趯挏系渍牡固菪?，配套?dòng)力要求選擇功率大而行駛速度低拖拉機(jī)。由黑龍江建設(shè)兵團(tuán)三師十八團(tuán)研制的單圓盤耕地機(jī)簡圖[3]。
接著，上個(gè)世紀(jì)九十年代主要以螺旋耕地機(jī)為主，江蘇省農(nóng)機(jī)局技術(shù)中心研制的1KLZ-27 型螺旋耕地機(jī)采用立式螺旋耕地刀具，耕地部件為直接安裝在一根直立軸管上的兩組螺旋刀片，集立銑、周向提升、螺旋葉片慣性拋散等原理于一體，使耕地過程中的切削、提升、拋散一次完成，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖 1.1所示。該機(jī)工作時(shí)土塊呈條狀沿螺旋線導(dǎo)向兩面拋落，以圓錐對(duì)數(shù)螺線為基礎(chǔ)的立錐式刀具，增強(qiáng)了對(duì)不同區(qū)域、不同土質(zhì)的適應(yīng)性，刀片采用組合式結(jié)構(gòu)，刀柄、刀刃選用不同的材料，提高了使用壽命[4]。
1三角帶（三條）2附加大皮帶盤 3三角帶（一條）4機(jī)架 5尾輪 6擋土柵 7括泥板 8耕地具
圖 1.1 1KLZ-27 型螺旋耕地機(jī)簡圖
發(fā)展到1999年，在天津工程機(jī)械研究所開發(fā)研制出了GC65G型鏈?zhǔn)礁貦C(jī)。該機(jī)的主要參數(shù)如下：拖拉機(jī)型號(hào)為TN-654L，發(fā)動(dòng)機(jī)功率為 48KW，主機(jī)額定牽引力為 18KN，最小轉(zhuǎn)彎半徑為 4500mm，耕地最深為 1800mm，最寬為 400mm，寬可通過更換挖掘鏈節(jié)來調(diào)節(jié)，挖掘鏈速為 1.8m/s，回填鏟寬度為 1800mm，總體尺寸為長 7500mm，寬 2230mm，高 2860mm。它是由鏈條帶動(dòng)多片鏟高速小厚度切削，主機(jī)低速前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)挖掘作業(yè)。該機(jī)進(jìn)行挖土工作時(shí)，將土帶到溝面上，并擠向兩側(cè)，螺旋葉片形狀的排土輪由鏈輪驅(qū)動(dòng)，向兩側(cè)分土，清溝器端部設(shè)有浮動(dòng)刮產(chǎn)，可將散土收回刀鏟處，刮平溝底[5]。
于此同時(shí)在國內(nèi)進(jìn)行鏈?zhǔn)礁貦C(jī)研究的還有西北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院的楊有剛、劉迎春，他們?cè)?002年研制的在滾子鏈鏈板上加鏈刀附件的耕地機(jī)[6]。
2002 年中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究院耕作種植機(jī)械研究所的一種 1K（Kz）-30型鏈?zhǔn)礁貦C(jī)如圖 1.3 所示。它主要由齒輪箱、傳動(dòng)鏈、耕地切削刀和分土器等組成。可見這種鏈?zhǔn)礁貦C(jī)也是在滾子鏈基礎(chǔ)上形成，這種形式的耕地機(jī)對(duì)土壤的性能要求較高，遇到帶有沙石的土壤很難作業(yè)，耕地比較寬，消耗功率大，深度也不夠，鏈條易磨損疲勞失效，使用壽命也達(dá)不到預(yù)期的效果[7]。
1.1.2 國外耕地機(jī)發(fā)展
國外最早生產(chǎn)耕地機(jī)的國家主要是美國和前蘇聯(lián)。其發(fā)展過程大致也是從犁鏵式開始的，目前主要是鏈?zhǔn)礁貦C(jī)。在國外,耕地機(jī)的使用已經(jīng)非常普遍,許多地下公用設(shè)施施工都用專業(yè)耕地機(jī)以下簡單介紹幾個(gè)國外的鏈?zhǔn)礁貦C(jī)來說明在國外耕地機(jī)的特點(diǎn)及大至發(fā)展方向。
國外耕地機(jī)的種類很多，適應(yīng)各種不同施工的需要。最小的耕地機(jī)功率僅有幾千瓦，最大的功率達(dá)到1100kW，質(zhì)量136t。國外專用耕地機(jī)需求量逐年增大，僅美國就有 Ditch Witch、Vermeer、Case、Roccaw、Trencor Jetco、Eagle、Tesmec、Cleveland 和 Carptal 等十多家公司生產(chǎn)耕地機(jī)，共有一百多種[1]。僅以幾家有代表性的公司產(chǎn)品為例說明其發(fā)展和研究狀況。
美國 CASE 公司挖溝機(jī)。美國的 CASE 公司成立于 1842 年，由發(fā)明家Jerome I①ncrease Case 建立。CASE 公司經(jīng)過 100 多年完善，現(xiàn)已發(fā)展成為全世界處于領(lǐng)軍地位的中、小型建筑工程機(jī)械設(shè)備制造商。
圖1.4 耕地機(jī)
美國傳特公司的65型鏈?zhǔn)礁貦C(jī)，如圖1.4所示。耕地傳動(dòng)系統(tǒng)采用多級(jí)變速器，CAT發(fā)動(dòng)機(jī)，型號(hào)65型耕地鏈條驅(qū)動(dòng)，重型機(jī)械驅(qū)動(dòng)，高扭矩，低速度以達(dá)到最大切割齒、挖掘深度、增強(qiáng)生產(chǎn)力和延長切割齒壽命，具有牢固的組合式耕地臂，獨(dú)特的可更換的耐磨鋼板系統(tǒng)和鏈輪，方便單雙鏈條的應(yīng)用，重型獨(dú)立驅(qū)動(dòng)履帶，三段式履帶伴側(cè)固定，可升降駕駛室，密封性好，舒適的空調(diào)設(shè)備?？刂破?、計(jì)量表、和感應(yīng)器及駕駛室的升降應(yīng)用最新技術(shù)，視野好，駕駛舒適安全[8]。
法國“馬萊”公司是一家專門生產(chǎn)、租賃埋地電纜和管線鋪設(shè)設(shè)備的公司。無論是城市道路、公路、鐵路、山路、河岸等伴埋電纜或管道，都可以使用馬萊的耕地、鋪設(shè)聯(lián)合作業(yè)機(jī)進(jìn)行快速施工。其鋪設(shè)速度0.5～2km/h，可以實(shí)現(xiàn)正挖，側(cè)挖，低噪音，無揚(yáng)塵環(huán)保作業(yè)。它的耕地機(jī)寬度窄，最大限度減小對(duì)交通的阻礙破壞。它的真空吸塵式耕地機(jī)，可以邊耕地邊吸渣土和塵土，是城市環(huán)保型的先進(jìn)作業(yè)機(jī)器。圖1.5為“馬萊”公司生產(chǎn)的SM550C型鏈?zhǔn)礁貦C(jī)[9]。
可見，國內(nèi)耕地機(jī)的研究，現(xiàn)在多數(shù)還局限在犁鏵、螺旋式耕地機(jī)方面，但是，這種設(shè)備不能切挖陡直窄深溝。中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究院耕作種植機(jī)械研究所了一種 1K（Kz）-30 型鏈?zhǔn)礁貦C(jī)，不過未見其鏈?zhǔn)礁貦C(jī)傳動(dòng)機(jī)理及仿生的研究。并且，這種耕地機(jī)鏈條和鏈輪齒的嚙合與非土壤介質(zhì)中的嚙合傳動(dòng)方式?jīng)]什么區(qū)別，仍然是傳統(tǒng)的鏈條與鏈輪齒的嚙合傳動(dòng)方式。未能掌握了土壤介質(zhì)中鏈傳動(dòng)機(jī)理，未能表明考慮減少嚙合阻力的結(jié)構(gòu)框架，不能減少土壤介質(zhì)的移動(dòng)阻力，不能達(dá)到節(jié)能和環(huán)保的目的。國外耕地機(jī)的研究，從掌握的資料上可以看出，鏈?zhǔn)礁貦C(jī)也只是傳統(tǒng)的鏈條與鏈輪齒的嚙合方式。并且國外耕地機(jī)械的生產(chǎn)已向更加多樣化發(fā)展，但國外機(jī)械更趨向于專機(jī)專用，耕地機(jī)械只用于耕地，當(dāng)機(jī)械不耕地時(shí)，機(jī)械只能閑置，而根據(jù)我國的具體國情，該機(jī)械不僅可用于耕地，并且能恢復(fù)拖拉機(jī)功能，保證通用性較好。
1.1.3在海底耕地機(jī)的用途
目前，我國正處于海上油氣的起步階段，用于海底管線鋪設(shè)的水下開淘施工機(jī)械亟待開發(fā)?？v觀國外已有眾多族類的水下管線耕地施工機(jī)械設(shè)備，哪些機(jī)型技術(shù)水平先進(jìn)成熟，經(jīng)濟(jì)性能合理，更適合我國近海油氣開發(fā)的具體國情，今后我國海底開淘機(jī)械領(lǐng)域的研究開發(fā)方向如何確定等，都是值得深入研究和探討的。
海底管道耕地機(jī)械是伴隨著海洋油氣勘探和開發(fā)，從陸地向海洋挺進(jìn)而出現(xiàn)的水下施工作業(yè)機(jī)械。由于世界各地具體海域的條件各異，在眾多族類的水下管線耕地埯工機(jī)械設(shè)備中，目前還沒有一種能夠在任何水深、管徑、海底土質(zhì)下都能經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行施工作業(yè)的萬能型海底開淘機(jī)械。
四十年代中期，墨西哥灣等地早期油氣開發(fā)海域的水深一般較淺，故當(dāng)時(shí)的耕地機(jī)械設(shè)備主要是為滿足于30～50m以淺的施工作業(yè)需要雨研制的。六十年代以后，歐洲北海油氣資源的大規(guī)模開采得以實(shí)施，特別是七十年代中期一批較大水深的海底管道極需鋪設(shè)，如Fories油田(126m)、Frigg油田(153m)、Brent油田(159m)和Flags油田(158m)等，促使出現(xiàn)了用于100m、150m，乃至300m水深的水下耕地施工機(jī)械。到七十年代末期，為跨越北海的挪威海溝鋪設(shè)海底油氣管道，最大作業(yè)水深達(dá)500m的水下開掏機(jī)也隨之誕生。
目前，在海底耕地機(jī)族類中，土壤液化埋管設(shè)備的最大作業(yè)水深一般在50m以淺。水力沖射耕地機(jī)械則視所取排泥方式的不同．可分別達(dá)到50m、75m、tobm、150m、180m 和300m 等不同的量級(jí)．雨使用較多的則是水深100m左右。海底管道耕地犁的設(shè)計(jì)作業(yè)水深一般在150～250m左右，盡管90年代初開發(fā)的海底管道犁已可達(dá)到1000m水深(如NOs公司的APP犁)的作業(yè)能力．但實(shí)際應(yīng)用還是在200m 左右。海底電纜耕地犁的作業(yè)水深則通常在1000m左右。水下機(jī)械耕地機(jī)是現(xiàn)有機(jī)型中設(shè)計(jì)作業(yè)水深最大的機(jī)種，一般為350～500m。如：Kvaerner—Myren型(500m，1978年)、“熱心海貍”型(350m，1979年)、MUT型(365m．1980年)和DD型(350m，1986年)。以Heerema集團(tuán)的“熱心海貍”型為倒，1981至1986年間，共在16項(xiàng)工程中開挖各類口徑管溝288.2km，其中最大作業(yè)水深在150m的工程有6項(xiàng)，占工程總數(shù)的37.5%[10]。
1.2 鏈?zhǔn)礁貦C(jī)的研究現(xiàn)狀
1999年楊有剛等分析了鏈刀前置式耕地機(jī)的起步加速特性。根據(jù)力學(xué)原理，建立了耕地機(jī)起步加速瞬間的運(yùn)動(dòng)方程，在獲得其前后輪接地載荷的基礎(chǔ)上，對(duì)耕地機(jī)的穩(wěn)定性問題進(jìn)行了討論，為整機(jī)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)（楊有剛等，1999。）
2001年天津工程機(jī)械研究院劉俊英對(duì)耕地機(jī)鏟刀的耐磨合金堆焊工藝進(jìn)行了探討，針對(duì)普通鋼軋制的鏟刀耐磨性較差的缺點(diǎn)，提出采用表而強(qiáng)化的方法制造復(fù)合材質(zhì)的鏟刀。鏟刀基體仍用熱軋件，而在其磨損部位的表而堆焊耐磨材料，強(qiáng)化后的堆焊鏟刀成本為未強(qiáng)化的3-4倍，但其使用壽命是用戶自制的未強(qiáng)化鏟刀壽命的一巧倍，同時(shí)還可減少停機(jī)換刀的時(shí)間及人工費(fèi)，經(jīng)濟(jì)效益明顯（劉俊英，2001。）
2001年劉長榮等在現(xiàn)有耕地機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改裝，與8.8kw手扶拖拉機(jī)配套使用，設(shè)計(jì)出在狹小的葡萄園中開出施肥溝的果園耕地機(jī)，耕地機(jī)由尾部操縱手柄通過四連桿機(jī)構(gòu)來控制工作部件的升降，操作靈活方便。并對(duì)耕地機(jī)切土阻力及整機(jī)功耗進(jìn)行了分部計(jì)算（劉長榮等，2001。）
2004年吉林大學(xué)王云超以美國凱斯公司生產(chǎn)的鏈?zhǔn)礁貦C(jī)為研究對(duì)象忽略了刀片的影響，建立挖溝器的三維模型，運(yùn)用有限元及ADAMS虛擬仿真軟件等研究了耕地機(jī)的動(dòng)臂裝置一挖溝器的動(dòng)態(tài)特性。得出挖溝器的各階固有頻率以及在不同頻率沖擊力作用下對(duì)應(yīng)的挖溝器的位移和應(yīng)力響應(yīng)特性曲線（王云超，2004。）
2004年到2005年江創(chuàng)華等對(duì)履帶式耕地機(jī)的關(guān)鍵部件傳動(dòng)軸進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，該種傳動(dòng)軸及工作裝置支承結(jié)構(gòu)，避免了軸既要傳遞轉(zhuǎn)矩，又要支撐工作裝置的重量，同時(shí)在計(jì)算臂架的強(qiáng)度時(shí)，考慮了機(jī)器轉(zhuǎn)彎給臂架帶來的附加應(yīng)力。與傳統(tǒng)工作裝置直接支撐在傳動(dòng)軸上相比，傳動(dòng)軸的直徑減小1/2，重量減少1/3，制造成本約減小1/2，是一種比較適合于大型軸類傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式（江創(chuàng)華和趙建輝，2005）。
2005年劉迎春等設(shè)計(jì)了一種用于果園的鏈?zhǔn)绞┓矢貦C(jī)。根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理，導(dǎo)出了耕地機(jī)工作狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)方程，獲得了耕地機(jī)前后輪所受外力的數(shù)學(xué)表達(dá)式對(duì)其可能的縱向滑移、前傾和橫向傾翻條件進(jìn)行了討論，為耕地機(jī)的總體設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)（劉迎春和楊有剛，2005。）
2006年羅海峰在現(xiàn)有手扶拖拉機(jī)上設(shè)計(jì)一種耕地機(jī)，單邊拋土距離達(dá)到1.0m以上，土壤顆粒細(xì)碎，覆土厚度均勻，能滿足油菜、小麥、蔬菜等農(nóng)作物機(jī)械化種植。通過對(duì)旋耕機(jī)的工作原理進(jìn)行理論分析，找出合理的旋耕拋土運(yùn)動(dòng)參數(shù)。對(duì)耕地刀在整個(gè)切、拋土過程中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)分析，找出耕地切、拋土的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為耕地機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)（羅海峰，2006）。
2006年房恩宏確定了能夠滿足耕地寬度為80mm，深度達(dá)2000mm要求的鏈?zhǔn)礁貦C(jī)的結(jié)構(gòu)，分析了部件的受力情況以及推導(dǎo)了耕地機(jī)的整體功率消耗公式。此外，給出了計(jì)算鏈?zhǔn)礁貦C(jī)的具體尺寸的步驟，結(jié)合裝配圖的繪制，進(jìn)行了相應(yīng)的部分結(jié)構(gòu)和尺寸的合理化調(diào)整。在設(shè)計(jì)完鏈?zhǔn)礁貦C(jī)的整機(jī)框架以后，針對(duì)鏈條在土壤中的受力情況，提出了具體的實(shí)驗(yàn)方案，通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了課題設(shè)計(jì)的合理性(房恩宏，2006)。
2006盧峰提出一種新型刀式礦土復(fù)合型鏈?zhǔn)礁貦C(jī)的結(jié)構(gòu)方案，并對(duì)此結(jié)構(gòu)方案的鏈?zhǔn)礁貦C(jī)的工作原理、總功率的確定等進(jìn)行了理論研究。深入剖析了鏈傳動(dòng)過程中鏈刀切削土壤的切削機(jī)理，并建立了土壤顆粒由切下、輸送到拋出的運(yùn)動(dòng)模型和所處不同狀態(tài)時(shí)速度計(jì)算公式，而且針對(duì)土壤介質(zhì)鏈傳動(dòng)過程中鏈條的受力情況、受力計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)的分析和推導(dǎo)(盧峰，2006)。
1.3 本論文研究意義
耕地機(jī)是工程機(jī)械的主要機(jī)種之一，廣泛應(yīng)用于農(nóng)田水利建設(shè)、通訊電纜及石油管線的鋪設(shè)、市政施工以及軍事工程的建設(shè)。耕地機(jī)具有專用性強(qiáng)，設(shè)備投資少，可連續(xù)開掘，工作效率高等特點(diǎn)，特別是對(duì)于窄而深的溝渠，耕地機(jī)的優(yōu)勢(shì)更加明顯。耕地機(jī)尤其適應(yīng)于土質(zhì)較硬、施工場(chǎng)地狹小，人工無法開挖而挖掘機(jī)等土方機(jī)械無法作業(yè)的地方。同時(shí)耕地機(jī)的施工成本低于挖掘機(jī)等土方機(jī)機(jī)械的施工成本，甚至比人工施工還低而深受廣大施工單位的歡迎。
在國外，連續(xù)式耕地機(jī)己經(jīng)使用的很普遍，地下公用設(shè)施施工都用專業(yè)耕地機(jī)，很少使用單斗挖掘機(jī)。在我國除極少數(shù)的單位引進(jìn)國外的連續(xù)式耕地機(jī)外，國產(chǎn)耕地機(jī)投入使用的較少。隨著生產(chǎn)建設(shè)全面啟動(dòng)，耕地施工工程的規(guī)模越來越大，如基礎(chǔ)建設(shè)施工耕地、光纜、電纜、管道鋪設(shè)等方面都面臨著巨大的耕地工作量。特別是在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域，果樹施肥、農(nóng)田耕地、蔬菜園耕地，都是用工量很大的作業(yè)，我國幾乎都用人工完成。果園、農(nóng)田等的地表不平整，有雜草、樹枝及石塊等，地下有樹根，耕地條件比較惡劣，一般耕地機(jī)難以適應(yīng)。因此研制適合我國土壤情況的耕地設(shè)備，對(duì)提高耕地的效率、減少人力和物力資源的浪費(fèi)、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率有重要意義。
據(jù)相關(guān)農(nóng)藝要求，所研制的耕地機(jī)必須滿足的技術(shù)指標(biāo)為:純小時(shí)生產(chǎn)效率不低于80m/h;開挖深度大于30cm、寬度30cm，溝寬和溝深可調(diào):配套柴油機(jī)動(dòng)力至馬力:溝槽必須一次性開挖成型，溝形完整且基本達(dá)到人工開挖的效果。
耕地機(jī)的耕地裝置是其關(guān)鍵部件，而刀片是影響耕地質(zhì)量、功耗和振動(dòng)等的重要因素，因此有必要對(duì)耕地裝置及刀片結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的研究分析。本文以耕地裝置為研究對(duì)象，以功耗低、適應(yīng)性強(qiáng)和可操作性好為目標(biāo)，為研究一種適用于開挖窄兒深的地下溝槽，埋設(shè)在地下排水管道或鐵道，郵電，城建等部門用于埋設(shè)電纜于管道等要求的鏈刀式耕地機(jī)指出依據(jù).
2 鏈傳動(dòng)概述及鏈刀式耕地機(jī)設(shè)計(jì)的初步理論
2.1 鏈傳動(dòng)概述
鏈傳動(dòng)是一種用鏈條做中間撓性件的嚙合傳動(dòng)，它由主動(dòng)鏈輪、從動(dòng)鏈輪和繞在兩輪上的一條閉合鏈條所組成[11]見圖 2-1，它靠鏈條與鏈輪之間的嚙合來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。與帶傳動(dòng)比較，鏈傳動(dòng)有結(jié)構(gòu)緊湊，作用在軸上的載荷小承載能力較大，效率較高（一般可達(dá)96％～97％），能保持準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比等優(yōu)點(diǎn)。工作時(shí)有振動(dòng)和沖擊，瞬時(shí)速度不均勻等現(xiàn)象。鏈傳動(dòng)廣泛應(yīng)用于在農(nóng)業(yè)、礦山、冶金、建筑、起重、運(yùn)輸、石油、化工、紡織等機(jī)械設(shè)備中被廣泛運(yùn)用。
圖 2-1 鏈傳動(dòng)組成圖
鏈傳動(dòng)適用于兩軸相距較遠(yuǎn)，要求平均傳動(dòng)比不變，但對(duì)瞬時(shí)傳動(dòng)比要求不嚴(yán)格，工作環(huán)境惡劣（多油、多塵、高溫）等場(chǎng)合。
2.1.1 鏈傳動(dòng)基本原理
在一般機(jī)械傳動(dòng)中，鏈傳動(dòng)是在兩個(gè)或多于兩個(gè)鏈輪之間用鏈作為撓性拉曳元件的一種嚙合傳動(dòng)。按工作性質(zhì)的不同，鏈有傳動(dòng)鏈、起重鏈和曳引鏈三種。傳動(dòng)鏈主要用來傳遞動(dòng)力，通常都在中等速度（v≤20m/s）下工作，鏈傳動(dòng)又可以分為滾子鏈、套筒鏈、齒形鏈和成型鏈。起重鏈主要用在起重機(jī)械中提升重物，其工作速度不大于 0.25m/s。曳引鏈主要用在運(yùn)輸機(jī)械中移動(dòng)重物，其工作速度不大于 2-4m/s。鏈傳動(dòng)在傳遞功率、速度、傳動(dòng)比、中心距等方面都有很廣的應(yīng)用范圍。目前，最大傳遞功率達(dá) 5000kw，最高速度達(dá)到 40m/s，最大傳動(dòng)比達(dá)到 15，最大中心距達(dá)到 8m。由于經(jīng)濟(jì)及其它原因，鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)功率一般小于 100kw，速度小于 12～15m/s，傳動(dòng)比小于8[11]。
鏈條是由若干組件（或元件）以鉸鏈副的形式串接起來的撓性件，如圖2-2。
圖2-2 鏈條
2.1.2鏈傳動(dòng)的特點(diǎn)
鏈傳動(dòng)是一種具有中間撓性件的嚙合傳動(dòng)。它兼有齒輪傳動(dòng)和帶傳動(dòng)的一些特點(diǎn)。現(xiàn)通過與齒輪傳動(dòng)、帶傳動(dòng)做比較，具體介紹一下鏈傳動(dòng)的特點(diǎn)[12]。
1、鏈傳動(dòng)與帶傳動(dòng)相比較
（1）鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)比準(zhǔn)確，傳動(dòng)效率較高
鏈傳動(dòng)沒有彈性滑動(dòng)和打滑，因此與帶傳動(dòng)相比,鏈傳動(dòng)能保持準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)和較高的機(jī)械效率。對(duì)要求轉(zhuǎn)速恒定的兩軸傳動(dòng)和多軸傳動(dòng)，采用鏈傳動(dòng)更為適宜。
（2）效率較高，η=0.98。
（3）鏈條對(duì)軸的作用力較小
鏈傳動(dòng)的預(yù)緊力比帶傳動(dòng)小得多，因此減輕了施加在軸和軸承上的壓力，減少了軸承的摩擦損失。在低速時(shí)，鏈傳動(dòng)的這一優(yōu)點(diǎn)更為突出。
（4）鏈傳動(dòng)的尺寸較緊湊
在傳遞相同功率的情況下，鏈條比常用的膠帶要窄些，鏈輪直徑也比帶輪小些，所以鏈傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)尺寸要比帶傳動(dòng)緊湊。
（5）結(jié)構(gòu)尺寸比較緊湊
（6）鏈條裝拆比較方便
鏈條可以在連接鏈節(jié)處拆開，容易安裝和拆卸。而膠帶一般均是制成無端的，它要越過皮帶輪邊緣才能套進(jìn)去，安裝比較困難。特別當(dāng)帶輪位于軸承之間更是如此。
（7）鏈傳動(dòng)能在較大傳動(dòng)比和較小中心距下工作
鏈傳動(dòng)允許鏈條在鏈輪上的包角可小一些，因此鏈傳動(dòng)的傳動(dòng)比范圍比帶傳動(dòng)大一些，也更能在較小的中心距下工作。
（8）鏈傳動(dòng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)
鏈條由金屬制成，能在惡劣的環(huán)境條件下工作，諸如在高溫、油污、粉塵和泥沙等場(chǎng)合，鏈傳動(dòng)遠(yuǎn)比帶傳動(dòng)更為適用。
（9）鏈條的磨損伸長比較緩慢，張緊調(diào)節(jié)量較小
鏈條工作期間的磨損伸長比膠帶拉伸變形伸長緩慢并且極限伸長量可以設(shè)法控制在一個(gè)節(jié)距范圍內(nèi)，因此不必像帶傳動(dòng)那樣要求頻繁地調(diào)整中心距。在設(shè)計(jì)張緊裝置時(shí)，鏈傳動(dòng)要求的調(diào)節(jié)量也較小。
（10）由于不需要很大的張緊力，所以作用在軸上的載荷較?。?
（11）鏈傳動(dòng)在可燃?xì)夥障鹿ぷ靼踩煽?
當(dāng)在可燃?xì)夥障鹿ぷ鲿r(shí)，鏈傳動(dòng)不像帶傳動(dòng)那樣有膠帶打滑發(fā)熱和帶與輪間摩擦生電的現(xiàn)象，所以不會(huì)有引起燃燒的危險(xiǎn)。
只有當(dāng)要求噪聲小，不準(zhǔn)有潤滑油、中心距很長，轉(zhuǎn)速極高時(shí)，鏈傳動(dòng)的使用性能不如帶傳動(dòng).
2、鏈傳動(dòng)與齒輪傳動(dòng)比較
（1）鏈傳動(dòng)的制造與安裝精度要求低，成本較小
這是因?yàn)殒渹鲃?dòng)是一種只有中間撓性件的非共軛嚙合傳動(dòng)，鏈輪的齒形可以有較大的靈活性。鏈輪的加工與安裝精度，鏈傳動(dòng)的中心距都較齒輪傳動(dòng).對(duì)于已有的鏈傳動(dòng)，欲改變其技術(shù)參數(shù)（如傳動(dòng)比、中心距等）也比較容易實(shí)現(xiàn)。在安裝與維修方面更為簡單，尤其是在遠(yuǎn)距離傳動(dòng)中，有著齒輪傳動(dòng)無法具備的簡單和輕便。
（2）鏈輪齒受力較小、強(qiáng)度較高、磨損也較輕
通常鏈輪有較多的齒同時(shí)與鏈條嚙合，接觸位置接近齒根并且齒槽圓弧大，齒根應(yīng)力集中小，而直齒圓柱齒輪傳動(dòng)一般只有 1～2 對(duì)齒接觸。因此，鏈輪的承載能力比齒輪大，齒面磨損也比齒輪的齒面輕一些。
（3）鏈傳動(dòng)有較好的緩沖、吸振性能
由于鏈條具有一定的彈性，再加上鏈條的每個(gè)鉸鏈內(nèi)部均能貯存潤滑油，因此它與只有 1～2 對(duì)剛性很大的齒嚙合的齒輪傳動(dòng)相比，有較好的緩沖和吸振能力.
只有當(dāng)受空間限制要求中心距小；瞬時(shí)傳動(dòng)比要求恒定；傳動(dòng)比大；轉(zhuǎn)速極高；噪聲要求小時(shí)，鏈傳動(dòng)的使用性能才不如齒輪。
3鏈傳動(dòng)的缺點(diǎn)
（1）不能保證恒定的瞬時(shí)傳動(dòng)比；
（2）只能用于平行軸間同向回轉(zhuǎn)的傳動(dòng)；
（3）不適宜在載荷變化很大和急促反向的傳動(dòng)中應(yīng)用；
（4）工作時(shí)存在噪聲；
（5）制造費(fèi)用比帶傳動(dòng)高；
（6）磨損鏈節(jié)伸長后運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，易跳齒。
由以上比較可以看出，鏈傳動(dòng)的適用范圍很廣。一般說來，適用于大中心距、多軸、傳動(dòng)比要求精確的傳動(dòng)，環(huán)境惡劣的傳動(dòng)，沖擊和振動(dòng)大的傳動(dòng)，大載荷的低速傳動(dòng)，潤滑良好的高速傳動(dòng)等都可成功地采用鏈傳動(dòng)。
2.1.3鏈傳動(dòng)的應(yīng)用
鏈條最早的應(yīng)用可追溯到夏商年代，即三千多年以前。今天，隨著現(xiàn)代化的大規(guī)模生產(chǎn)，鏈條工業(yè)正在提供多種多樣的鏈條產(chǎn)品以滿足各方面的需要，鏈條也越來越多的應(yīng)用在各種各樣的機(jī)械設(shè)備中，主要有：
1.叉車提升鏈
一般叉車均用兩掛鏈條提升貨物。由于鏈條的鏈節(jié)可靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，不存在附加彎曲應(yīng)力，因此鏈輪直徑可以設(shè)計(jì)得較小，鏈條的使用壽命也較長。
2.摩托車鏈傳動(dòng)
摩托車與自行車都采用鏈條來傳動(dòng)。這一傳動(dòng)特點(diǎn)是：中心距長，速度變化頻繁，要求寬度窄、重量輕、尺寸緊湊、使用可靠。顯然采用鏈傳動(dòng)是最合適的。
3.發(fā)動(dòng)機(jī)正時(shí)鏈
發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸與凸輪的傳動(dòng)要求配氣與點(diǎn)火時(shí)間準(zhǔn)確，必須保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比。由于鏈傳動(dòng)有良好的同步性，因此對(duì)于曲軸和凸輪間距離較大的內(nèi)燃機(jī)，多采用正時(shí)鏈傳動(dòng)。
4.石油鉆機(jī)鏈傳動(dòng)
石油鉆機(jī)上大量采用鏈傳動(dòng)，一般使用多排滾子鏈傳動(dòng)，它工作可靠，排除故障速度快，能夠滿足鉆機(jī)工作要求。
5.挖掘機(jī)鏈傳動(dòng)
它的使用環(huán)境比較惡劣，經(jīng)常啟動(dòng)與停車，使鏈條受到頻繁的沖擊載荷。一般采用大節(jié)距的彎板滾子鏈。而且結(jié)構(gòu)緊湊，使用非?？煽?。
6.谷物聯(lián)合收割機(jī)上的鏈輸送
在各種農(nóng)業(yè)機(jī)械上，使用了大量的鏈條。
7.油鋸鏈
油鋸鏈?zhǔn)且环N帶有刀刃的特殊鏈條，它除了傳遞動(dòng)力外，本身還是截?cái)嗄绢^的鋸條。因此，它可使伐木鋸結(jié)構(gòu)緊湊，效率高，使用方便。
2.2 鏈傳動(dòng)的失效分析
由于設(shè)計(jì)、制造、使用等方面的差異，鏈條與鏈輪的失效形式是多種多樣的。不過總的來說，可以分成兩種情況：一種是正常失效，鏈條與鏈輪達(dá)到了預(yù)期的正常使用壽命；另一種是非正常失效，即未達(dá)到預(yù)期的正常使用壽命就早期損壞報(bào)廢。以下敘述了鏈傳動(dòng)的失效形式：
1．鏈條元件的疲勞破壞
鏈板的疲勞損壞，在中低速的閉式鏈傳動(dòng)中，鏈板的疲勞斷裂比較常見。鏈板在變載荷作用下，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)就會(huì)在板孔兩側(cè)的應(yīng)力集中區(qū)發(fā)生疲勞破壞。鏈條元件的疲勞強(qiáng)度是決定鏈傳動(dòng)承載能力的主要因素。
2．鏈條鉸鏈的磨損
鏈傳動(dòng)工作時(shí)，滾子套筒的沖擊疲勞損壞。鏈條在與輪齒的嚙入過程中，由于多邊形效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由嚙入沖擊引起的動(dòng)載荷。在滾子鏈中，嚙入沖擊首先由滾子承受，再從滾子傳遞給套筒、銷軸，以及鏈板。這樣，滾子和套筒就受到反復(fù)多次的沖擊載荷，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)就會(huì)發(fā)生小能量沖擊疲勞破壞。由于沖擊能量和速度的平方成正比，所以在中、高速閉式鏈傳動(dòng)中，這種失效形式就比較常見。
3． 銷軸與套筒的膠合
鏈條鉸鏈在向輪齒的嚙入過程中，組成鉸鏈副的銷軸與套筒產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，并以沖擊方式與輪齒嚙合。當(dāng)鏈輪轉(zhuǎn)速升高到一定數(shù)值以上時(shí)，鉸鏈的摩擦表面會(huì)嚴(yán)重發(fā)熱產(chǎn)生膠合現(xiàn)象。膠合是一種焊合現(xiàn)象，一旦發(fā)生，則當(dāng)相鄰鏈節(jié)欲作相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，輕則使鉸鏈摩擦表面擦傷，重則或者使銷軸扭斷或者使銷軸或套筒被強(qiáng)制在板孔內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使鏈條迅速破壞。
4． 鏈條的磨損
滾子鏈的各元件在工作過程中都會(huì)發(fā)生磨損破壞，最常見的磨損是指發(fā)生在銷軸和套筒承壓表面的磨損。
5． 鏈條的靜強(qiáng)度破斷
低速重載的鏈條當(dāng)過載時(shí)，易發(fā)生靜強(qiáng)度破斷；磨損了的鏈條當(dāng)在鏈輪上發(fā)生爬高和跳齒時(shí)，也易引起靜強(qiáng)度破斷。
6． 鏈條的多沖破壞
反復(fù)起動(dòng)、制動(dòng)、正反轉(zhuǎn)和重復(fù)沖擊工作的鏈條，其組成元件易發(fā)生大能量低周期沖擊疲勞破壞。
7． 鏈輪齒的磨損、塑性變形和斷裂
由于潤滑不良，特別在開式傳動(dòng)中，輪齒會(huì)發(fā)生較大的磨損。
8． 鏈傳動(dòng)的非正常失效
由于鏈條制造質(zhì)量差、安裝精度低、使用不當(dāng)以及結(jié)構(gòu)方面等原因，會(huì)產(chǎn)生眾多的不正常的失效形式，大大縮短了鏈條的使用壽命。
2.3 耕地機(jī)設(shè)計(jì)的初步理論
耕地機(jī)屬于土壤挖掘機(jī)械，耕地鏈在工作時(shí)的工作環(huán)境是土壤，這就要求在鏈?zhǔn)礁貦C(jī)設(shè)計(jì)之前要對(duì)土壤學(xué)和土壤力學(xué)等相關(guān)學(xué)科做必要的理論準(zhǔn)備。
2.3.1土壤的主要物理力學(xué)性質(zhì)
土壤由固體、液體和氣體組成（稱為土壤的固相、液相和氣相）。固相部分包括粗細(xì)不同的礦物質(zhì)顆粒和與它緊密結(jié)合的有機(jī)質(zhì)。在固體顆粒之間的孔隙中，充有水和空氣。礦物質(zhì)一般占土壤固相部分質(zhì)量的95%，它支撐著生長在土壤中的作物。土壤的機(jī)械組成通常指直徑3mm以下的細(xì)小顆粒，按直徑大小分為砂粒、粉粒和粘粒。隨著所含砂粒、粉粒和粘粒成分的不同，土壤具有不同的物理性質(zhì)。土壤中含粘粒成份越大，則土粒之間的凝聚力越大，耕作時(shí)土壤不易破碎，犁耕的阻力也較小[13]。土壤耕作機(jī)械的選用、設(shè)計(jì)和研究與土壤的物理力學(xué)性質(zhì)有著十分密切的關(guān)系。下面對(duì)土壤的幾個(gè)重要的物理力學(xué)性質(zhì)做以簡要介紹與分析。
1．容重
在自然狀態(tài)下，土壤的單位體積質(zhì)量即為容重。一般表示為
g = qv（ g /cm3 ）
式中：q —— 為土壤質(zhì)量重；
V —— 為土壤體積。
土壤的容重與土壤內(nèi)的孔隙度和固體顆粒密度有關(guān)。孔隙度越大，則容重越小。當(dāng)土壤容重為1 g /cm 3時(shí)，最利于開挖[14]。
2．濕度
在降雨或灌溉之后，耕作層內(nèi)的水有一部分在重力作用下，沿著土壤中大的孔隙或裂縫向下滲透，另一部分則在土粒的吸附作用和毛細(xì)管作用下，保持在耕層之內(nèi)。土壤能保持的最大含水量稱為“田間持水量”，用相對(duì)濕度和絕對(duì)濕度表示。土壤的濕度對(duì)開挖質(zhì)量和牽引阻力有很大影響。土壤過于堅(jiān)硬，阻力大；如果過于潮濕，土垡不易破碎。
3．堅(jiān)實(shí)度
當(dāng)壓實(shí)非密實(shí)土壤時(shí)，使其壓痕為1～2cm時(shí)所需的力稱為單位壓實(shí)力。當(dāng)以一定斷面形狀（圓形、錐形等）的柱塞壓入土壤，其壓陷深度為時(shí)，作用在土壤上的平均壓力稱為土壤的堅(jiān)實(shí)度，則有土壤堅(jiān)實(shí)度同土壤的質(zhì)地和含水量有密切關(guān)系。堅(jiān)實(shí)度越大，土壤承受能力及開挖阻力越大。
4．內(nèi)摩擦力和外摩擦力
在土壤內(nèi)部，土粒與土粒之間的摩擦力稱內(nèi)摩擦力，一般與土粒間的接觸面形狀、作用在接觸面上的正壓力和土壤濕度有關(guān)。土壤沿著工作部件表面滑動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的摩擦力稱外摩擦力。當(dāng)外摩擦力大于內(nèi)摩擦力和附著力時(shí)，工作部件的表面就要粘土。因此，在設(shè)計(jì)耕地機(jī)械時(shí)，應(yīng)盡量減少外摩擦力。
5．土壤的抗剪強(qiáng)度
在外力作用下，土壤會(huì)出現(xiàn)相對(duì)位移，阻止這種相對(duì)位移的土壤內(nèi)部阻力稱為土壤的抗剪強(qiáng)度。大量試驗(yàn)表明，當(dāng)土壤破壞時(shí)，正應(yīng)力和剪應(yīng)力τ之間存在著線性關(guān)系，有。式中：C為土壤的凝聚力，為土壤的內(nèi)摩。擦角抗剪強(qiáng)度在很大程度上決定著開挖質(zhì)量和能量的消耗，與土壤顆粒的大小、分布、土壤密度和濕度有很大關(guān)系。因而其在耕地機(jī)械的設(shè)計(jì)中也是一個(gè)較為重要的參數(shù)[14]。
2.3.2土壤工作部件力學(xué)
土壤工作部件力學(xué)研究的目的是：定量地描述工作部件對(duì)土壤的作用，這種力學(xué)有三個(gè)發(fā)展階段[14]：
1.認(rèn)識(shí)階段：作用是反復(fù)的對(duì)之進(jìn)行觀察和記錄。
2.定性階段：識(shí)別了作用而且觀察了特定的反作用，現(xiàn)在正處于此階段。有關(guān)土壤工作部件力學(xué)的文獻(xiàn)都是用于定性階段。
3.定量階段：用于發(fā)展工作部件力學(xué)原理的一致性原理，在表達(dá)一種現(xiàn)象的時(shí)候，同時(shí)讓考察的各量應(yīng)當(dāng)有一致的明確程度。這一原理的應(yīng)用，可防止過分地發(fā)展無用的次性能方程和隨之而來的復(fù)雜性。采用精確的性能方程定量地描述開挖作用的程度，需要一種完整的土壤與工作部件力學(xué)。適用于土壤工作部件力學(xué)的性能方程是少數(shù)的，且其定量評(píng)價(jià)也不是總能得到的，限制力學(xué)發(fā)展的是缺乏表達(dá)性能的基本方程式，完全力學(xué)可描述一種理想的土壤工作部件力學(xué)，對(duì)作用可能有影響的所有簡單性能都包括在這個(gè)總的力學(xué)中。然而，由于每個(gè)性能并不是總起作用的，一種性能的出現(xiàn)與消失難于察覺和估計(jì)，因而出現(xiàn)了一種建立在單一性能方程基礎(chǔ)的局部力學(xué)，它可在土壤動(dòng)力學(xué)中解決特殊問題，在完全力學(xué)最終發(fā)展起來之前，只可能發(fā)展局部土壤工作部件力學(xué)，局部力學(xué)與完全力學(xué)的差別之一，完全力學(xué)適用于工作部件對(duì)土壤進(jìn)行作業(yè)的一切可以想象到的情況不受限制，而局部力學(xué)將受到一些限制，應(yīng)用局部力學(xué)可能解釋觀察到的開挖作用。傾斜工作部件是在應(yīng)用局部力學(xué)分析的一個(gè)工作部件，在分析這一簡化部件的作用時(shí)，應(yīng)用了描述開挖作用的四個(gè)性能方程[15]：
（1）土壤與金屬的摩擦
（2）剪切失效
（3）每個(gè)土塊的加速力
（4）切削阻力
在具體分析開挖作用時(shí)，首先給出了土塊的受力狀態(tài)，給出了傾斜工作部件與土壤之間的摩擦力，從而應(yīng)用了第一個(gè)性能方程。在確定剪切面與最大主應(yīng)力之間夾角時(shí)，應(yīng)用分析剪切失效的摩爾圓，從而應(yīng)用了第二個(gè)性能。通過加速度分析得出了引起加速度的速度，計(jì)算出加速度，從而得到了每個(gè)土塊的加速力應(yīng)用了第三個(gè)性能。土壤的純切削阻力是小的，只有土塊中有石頭或殘根或開挖部件刃口變鈍時(shí)，切削阻力才顯重要，不存在上述情況時(shí)，在總阻力中忽略切削阻力，從而考慮了第四個(gè)性能力程[15]。
2.3.3小結(jié)切割過程的分土壤切削阻力分析
切削邊以一定的壓力接觸土壤，使土壤受到擠壓和剪切，當(dāng)壓力繼續(xù)增大，土壤原始結(jié)構(gòu)遭到破壞，土塊被切斷，這是刀具切土壤時(shí)所共有的現(xiàn)象。顯然，切削刃在切削土壤中運(yùn)動(dòng)時(shí)，遇到的阻力來自三個(gè)方面：一 是土壤原始結(jié)構(gòu)遭到破壞的阻力；二 是土壤的內(nèi)摩擦阻力；三 是土壤與切削刃邊的摩擦阻力。其中前二項(xiàng)之和稱為切削阻力。但是，這三項(xiàng)阻力是同時(shí)存在的，很難區(qū)分開來，所以在計(jì)算時(shí)，將第三項(xiàng)阻力也包括在內(nèi)。因此，切削阻力就是在切土過程中，土壤作用在切削裝置上的反力。耕地過程中，切割齒在土壤中連續(xù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行切割，被切割下來的土壤，其中一部分在切割刃前面形成土堆，被切割齒帶著向前移動(dòng)。一部分土壤在擠壓力的作用下越過切割刃前面的土堆進(jìn)入杯形切割齒內(nèi)。由此可見，在挖掘過程中切割齒除了遇到切削阻力外，還會(huì)遇到土壤進(jìn)入杯形切割齒內(nèi)的阻力及帶動(dòng)土堆的阻力，后二項(xiàng)合稱為裝土阻力。切削阻力與裝土阻力之和稱為挖掘總阻力。
3 鏈刀式耕地機(jī)工作部件的設(shè)計(jì)
3.1 耕地機(jī)的工作原理
鏈刀式耕地機(jī)的結(jié)構(gòu)它主要由機(jī)架、傳動(dòng)、切割、清溝、運(yùn)土等部分組成。動(dòng)力有4.5～200kW。鏈刀耕地機(jī)工作部件的耕地寬度和深度，根據(jù)工作要求可以調(diào)節(jié)。對(duì)不同土壤有較強(qiáng)的適應(yīng)性，用途比較廣泛。
耕地機(jī)是一種連續(xù)式挖掘設(shè)備，根據(jù)行走裝置不同可分為輪胎式和履帶式。根據(jù)工作裝置的不同，可分為鏈齒式和輪斗式兩大類。另外，由于耕地的深度和寬度不同，品種較多。按排土方式分為地面直排土、膠帶輸送機(jī)排土。地面直排土一般用于小型耕地機(jī)，膠帶排土一般用于大型耕地機(jī)按耕地機(jī)刀型分為鏈斗式、鏈鏟式、鏈齒式、圓盤銑切式、輪斗式和輪齒式等多種形式[16]。
主動(dòng)鏈輪的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力由拖拉機(jī)輸出軸輸入變速箱，經(jīng)變速箱降速增扭之后傳遞給主動(dòng)鏈輪。變速箱固定在支架上，拖拉機(jī)尾軸與變速箱之間以萬向節(jié)連接，變速箱固定在拖拉機(jī)尾部。工作時(shí)，拖拉機(jī)以速度V2向前行走，通過控制拖拉機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)速和變速箱，帶動(dòng)主動(dòng)鏈輪，使耕地鏈條以線速度V1繞主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)作業(yè)。耕地機(jī)工作臂內(nèi)有液壓張緊缸，在新型耕地鏈條伸張時(shí)，可以張緊鏈條。
參照傳統(tǒng)的耕地機(jī)，對(duì)鏈?zhǔn)礁貦C(jī)其基本結(jié)構(gòu)研究可以對(duì)其分為四大部分：工作部件；動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)；機(jī)身和安全裝置等[16]。
（1）工作部件：工作部件包括完成主要工作的主動(dòng)型工作部件和完成輔助工作的從動(dòng)型工作部件。主動(dòng)型工作部件是以特種鏈條帶動(dòng)的切削刀片。鏈條帶動(dòng)刀片做往復(fù)運(yùn)動(dòng)繼而進(jìn)行挖土工作。
（2）動(dòng)力傳動(dòng)部件：機(jī)械式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括萬向傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)兩部分，其動(dòng)力來自拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸。萬向傳動(dòng)是通過帶有空間可變角度的成對(duì)使用的萬向節(jié)傳遞動(dòng)力，適用于可變軸線位置的傳動(dòng)，它連接在拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸和耕地機(jī)的減速箱之間。齒輪傳動(dòng)是一級(jí)或兩級(jí)以上的減速裝置，用于成倍地降低動(dòng)力輸出軸的轉(zhuǎn)速并改變動(dòng)力傳遞方向，最終將動(dòng)力傳遞給耕地機(jī)鏈輪并帶動(dòng)耕地鏈進(jìn)行耕地工作。
（3）機(jī)身： 包括機(jī)架和成型器。機(jī)架是耕地機(jī)的骨架；所有部件均連接在機(jī)架上。目前我國旋轉(zhuǎn)耕地機(jī)多采用平行梁架，用鋼管或槽鋼焊合而成。成型器位于機(jī)架的尾部，工作時(shí)起穩(wěn)定作用，并可刮出溝底和溝壁，保持溝型整齊、干凈。
（4）安全裝置：安全裝置的作用是防止旋轉(zhuǎn)耕地機(jī)過載（或過載時(shí)的保護(hù)措施），保護(hù)拖拉機(jī)的動(dòng)力輸出軸和耕地機(jī)的傳動(dòng)系統(tǒng)。使用最多的是摩擦片式安全離合器，一般安裝在耕地機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)的輸入端。此外，變速箱設(shè)計(jì)有一個(gè)倒速檔位，可以在過載卡住鏈條時(shí)，倒速運(yùn)轉(zhuǎn)，退出卡在重土壤中的鏈條。
鏈?zhǔn)礁貦C(jī)由普通拖拉機(jī)提供動(dòng)力，主要由變速器，工作臂梁架，耕地器，液壓升降部件和分土器等部分組成。耕地機(jī)工作時(shí)，動(dòng)力由拖拉機(jī)后輸出軸輸出至變速器，經(jīng)過變速傳遞給耕地部分，工作臂通過液壓系統(tǒng)控制使其后傾一定角度，置于其上的耕地鏈與土壤作用，在機(jī)組前進(jìn)的同時(shí)，耕地鏈斜向下伸出切土，繼而開出斜溝，耕地同時(shí)，利用耕地鏈將沙土帶出溝，并由分土器將沙土攤開于溝沿兩側(cè)。處于工作狀態(tài)的耕地機(jī)。耕地鏈工作時(shí)后置前傾一個(gè)角度，耕地時(shí)，在機(jī)組前進(jìn)的同時(shí)，耕地鏈條等工作部件旋轉(zhuǎn),斜向下伸出切土,逐漸開出一段斜溝，同時(shí)將沙土帶出溝，并由分土器將沙土推開。
3.2 鏈?zhǔn)礁貦C(jī)的特點(diǎn)
（1） 工作效率高。耕地機(jī)屬連續(xù)挖掘工作裝置，集挖掘和排土于一體而挖掘機(jī)屬于半連續(xù)挖掘工作裝置，其輔助作業(yè)時(shí)間多，如旋轉(zhuǎn)卸土、再旋轉(zhuǎn)歸位。所以耕地機(jī)的挖溝速度與挖掘機(jī)相比，工效可以提高 3～5 倍，尤其對(duì)挖掘窄深溝槽，效果更為明顯。
（2） 超挖量小。使用挖掘機(jī)挖溝，超挖量大，溝的橫截面呈倒三角形。溝的邊緣不整齊，施工時(shí)不僅挖掘量大，回填量也大。而專用挖溝機(jī)則可以根據(jù)不同管道直徑選擇不同寬度的裝置，溝的橫截面呈矩形。并且挖掘量和回填量都恰到好處據(jù)統(tǒng)計(jì)，二者相比，取土量后者少，總的施工成本可大大節(jié)約。
（3） 工作速度快，提高工期完成速度。以光纜鋪設(shè)為例，用來鋪設(shè) 1～2 cm直徑的光纜，現(xiàn)在人工挖掘約 50 cm寬 2 m深溝，每人每天最多可挖15 m長。利用本項(xiàng)目成果的光纜鋪設(shè)裝置，每小時(shí)可開挖 8 cm寬 2 m深溝200 m。每天按 8 小時(shí)計(jì)算，提高挖掘工效 100 多倍。并且可挖重土壤，如巖石等。
（4）對(duì)于較硬地面，耕地機(jī)可以直接作業(yè)，不需要爆破松動(dòng)。
3.3 工作部件基本參數(shù)的選擇
工作部件基本參數(shù)的選擇如圖3-3所示。由于動(dòng)力載荷作用在鏈刀上以及切削土壤磨損因素的結(jié)果，使其工作鏈刀的速度受到一定的限制。對(duì)于礦物質(zhì)土壤工作時(shí)，鏈刀速度一般為1～2m/s[17]。
圖3-3 縱向耕地機(jī)工作部件基本參數(shù)和切削土壤狀態(tài)圖
鏈刀工作部件水平移動(dòng)的工作速度取決于機(jī)器的生產(chǎn)率與溝槽的截面積。
(3-1)
式中：——理論生產(chǎn)率
——溝寬（m）
——溝深（m）
鏈刀運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)速度按下式計(jì)算：
= （m/s） (3-2)
式中：——鏈刀速度 (m/s)
——鏈刀工作部件水平移動(dòng)的工作速度（m/s）
——工作鏈刀對(duì)水平面的傾角，一般取～，此角影響鏈刀之間土壤的充滿程度。
鏈刀絕對(duì)速度向量的傾角按下式計(jì)算：
（3-3）
鏈刀高度。若增加鏈刀高度，則鏈刀遇到障礙時(shí)，鏈?zhǔn)焦ぷ鞑考锏呢?fù)荷就會(huì)增加。
刀片節(jié)距可按下式進(jìn)行初步計(jì)算，刀片切削厚度：
(3-4)
耕地機(jī)運(yùn)動(dòng)速度與鏈刀的切削厚度的協(xié)應(yīng)關(guān)系如圖3-4.，根據(jù)該圖，可以得出二者的關(guān)系如下：
（3-5）
圖3-4 耕地機(jī)作業(yè)速度與切削厚度的協(xié)應(yīng)
由于實(shí)際耕地過程中，，所以上式可以簡化為：，則可知：。即、近似互余。
當(dāng)在合理切削土壤的條件下可采用下式：
(3-6)
式中：——刀片節(jié)距（m）
——刀片厚度（m）
對(duì)于B型刀片的寬度，即是暗渠的溝寬B。
B型刀，工作部件的切削厚度：
（m） (3-7)
對(duì)于預(yù)選的刮刀高度和節(jié)距應(yīng)當(dāng)驗(yàn)算其輸送能力，正確的選擇鏈刀高和刀片寬度。則、應(yīng)當(dāng)滿足下列條件:
(3-8)
式中：——給定的生產(chǎn)率（
——鏈刀式工作部件按排出能力計(jì)算的生產(chǎn)率（
——土壤松散系數(shù)
——與鏈條運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)的散開系數(shù)。見表 3-1。
表3-1 土壤散開系數(shù)
0.1
1
1.5
2
0.97
0.92
0.85
0.75
由于土壤散開系數(shù)和鏈刀的運(yùn)動(dòng)速度有直接關(guān)系，所以需要對(duì)鏈刀的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行研究。耕地時(shí)，刀鏈?zhǔn)艿絼?dòng)力的驅(qū)動(dòng)和土壤阻力的作用，刀刃和鏈節(jié)軸承將發(fā)生磨損和曠動(dòng)，為了保證作業(yè)質(zhì)量和避免過分的振動(dòng)，對(duì)刀鏈的運(yùn)動(dòng)速度須作一定的限制。根據(jù)試驗(yàn)，前蘇聯(lián)學(xué)者推薦的刀鏈線速度 v c值為：沙性土 1～2m/s;泥炭土 3～4m/s[18]。本課題中取鏈刀運(yùn)動(dòng)速度為 1.5m/s，則相應(yīng)的土壤散開系數(shù)為 0.85。
對(duì)于鏈刀的排土能力的計(jì)算生產(chǎn)率，可以通過鏈條水平傾角與土壤的自然休止角進(jìn)行比較得出：其比較原理如下：
當(dāng)時(shí)， （ (3-9)
當(dāng)時(shí)， ( (3-10)
當(dāng)時(shí)， （ (3-11)
式中：——鏈刀高度（m）
——松散土壤的自然休止角
——刀片節(jié)距（m）
——刀片寬度（m）
——鏈刀速度（m/s）
對(duì)于土壤的自然休止角，是土壤自然條件下，不滑坡的最大傾斜角度，實(shí)際土壤試驗(yàn)中可以利用休止角測(cè)定儀進(jìn)行土壤休止角的測(cè)量，本文根據(jù)實(shí)際耕地情況，重壤土的休止角為 30°～40°，具體的情況需根據(jù)具體的土壤情況而定，下表給出了常見的土壤休止角的對(duì)照表[19]：
表 3-2 土壤自然休止角（°）
土的名稱
干的度數(shù)
濕潤度數(shù)
潮濕的度數(shù)
礫石
40
40
35
卵石
35
45
25
粗砂
30
32
27
中砂
28
35
25
細(xì)砂
25
30
20
重粘土
45
35
15
亞粘土、輕粘土
50
40
30
土的名稱
干的度數(shù)
濕潤度數(shù)
潮濕的度數(shù)
輕亞粘土
40
30
20
腐植土
40
35
25
填方的土
35
45
27
考慮鏈刀的高度，取=50mm,=76.2mm。
由于 Max () =700所以有：
的取值范圍是：
所以取上面的（3-8）式。計(jì)算
從而由式 3-7 有：
≥4 mm 。
從而為保證土壤切削后能夠正常被鏈刀帶出溝，鏈刀的寬度最小不能小于4mm。
3.4 工作部件切削土壤的力
本課題耕地機(jī)的耕地鏈可以近似看作是豎直刮刀形式，根據(jù)現(xiàn)有參考資料，有豎直刮刀的切土阻力的計(jì)算式[20]為：
（N） (3-12)
式中： ——蘇聯(lián)道路科學(xué)研究所堅(jiān)實(shí)度計(jì)沖擊值
——切削厚度，（cm）
——刀片厚度，（cm）
——刀片切削角，(0）
——刀片尖角計(jì)算系數(shù)
對(duì)上式進(jìn)行單位歸一化處理[20]有：
(3-13)
應(yīng)用本課題中，上式中切削厚度和刀片厚度做相應(yīng)調(diào)整[21]得：
(3-14)
耕地機(jī)耕地總切削阻力是根據(jù)所有切削刀在土壤中同時(shí)作用的情況進(jìn)行計(jì)算，作用在鏈條上的力為：
（N） (3-15)
式中：——切削土壤的阻力（N）；
——同時(shí)與土壤作用的刀片數(shù)。
對(duì)于采用B型刀的挖縱向溝一次切削和分層切削形式的工作部件：
(3-16)
式中：——溝深（m）。
其它代號(hào)與前式相同。
3.5 發(fā)動(dòng)機(jī)功率的確定和底盤的選擇
耕地機(jī)的傳動(dòng)總功率可按下式計(jì)算：
（kW） (3-17)
式中：——工作部件鏈條傳動(dòng)所消耗的功率（kW）；
——機(jī)器前進(jìn)所需的功率（kW）；
—— 輔助機(jī)械的傳動(dòng)所消耗的功率（kW）。
工作部件鏈條傳動(dòng)所消耗的功率：
（kW） (3-18)
式中：——絞龍推運(yùn)土壤刀溝旁所消耗的功率（kW）；
、——鏈刀工作部件傳動(dòng)效率（）；
——切削土壤功率。
（kW） (3-19)
式中：——切削總阻力（N）；
——鏈刀絕對(duì)速度（m/s）。
沿溝升運(yùn)土壤所消耗的功率，可按下式求出：
（kW） (3-20)
式中：——工作部件的理論生產(chǎn)率；
——土壤容重；
土壤容重[21]是土壤在未破壞的自然結(jié)構(gòu)下，單位容積中的重量，通常以克/立方厘米表示。土壤容重大小反映土壤結(jié)構(gòu)、透氣性、透水性能以及保水能力的高低，一般耕作層土壤容重 1～1.3 克/立方厘米，土層越深則容重越大，可達(dá)1.4～1.6克/立方米。
——溝深（m）；
——考慮土壤顆粒在鏈刀與溝側(cè)壁間滯塞的可能的系數(shù)，濕的和粘的土壤=1，干的和粘結(jié)不緊的土壤=1.05～1.15;長方形鏈刀=1.2～1.25；菱形鏈刀=1.0；
——鏈刀卸土平均高度（m）
（m） （3-21）
式中：——刀片節(jié)距（m）；
——鏈刀運(yùn)動(dòng)絕對(duì)速度對(duì)水平面的夾角（）。
被運(yùn)送土壤與溝道土壤摩擦所消耗的功率，按下式計(jì)算：
（kW） （3-22）
式中：——土壤與土壤的摩擦系數(shù)（見表3-3）
其它符號(hào)與上式相同。
表3-3 和值
項(xiàng)目
沼澤泥炭土
重粘土
壤土
重壤土
1～5
18～24
5～10
9～18
0.9～1.0
0.8～1.0
0.7～0.8
0.7～0.8
選擇拖拉機(jī)的功率：
（kW） （3-23）
式中：——工作部件鏈條傳動(dòng)所消耗的功率（kW）；
機(jī)器前進(jìn)所需的功率：
（kW） （3-24）
式中；——總的牽引阻力（N）；
（鏈刀工作部件水平移動(dòng)的工作速度）（m/h）；
——行走機(jī)構(gòu)傳動(dòng)效率，。
對(duì)于機(jī)組前進(jìn)行走阻力，可以做受力分析圖3-5.
圖3-5 機(jī)組前進(jìn)受力圖
式中：——耕地鏈傳動(dòng)效率
——機(jī)組行走傳動(dòng)效率
輔助機(jī)械的傳動(dòng)所消耗的功率：
（kW） （3-25）
式中：——工作部件鏈條傳動(dòng)所消耗的功率（kW）；
——機(jī)器前進(jìn)所需的功率（kW）。
3.6 鏈刀式耕地機(jī)的整體參數(shù)計(jì)算與確定
根據(jù)課題中的耕地要求,這種新式鏈?zhǔn)礁貦C(jī)的優(yōu)點(diǎn)是開挖深窄的溝,最大耕地深度為 1500mm至 2000mm，溝寬限制在 100mm至 80mm。根據(jù)耕地要求，將設(shè)計(jì)參數(shù)定為: BT =80mm;溝深Ht=1500mm;在土壤類型為重土壤時(shí)，理論生產(chǎn)率 20m3/h，鏈刀運(yùn)動(dòng)速度Vc=