山地手扶式切割压扁机动力及操纵机构设计.docx
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山地手扶式切割压扁机动力及操纵机构设计
中文摘要
优质苜蓿是饲料生产体系的重要组成部分,苜蓿产业化发展对于促进草食畜牧业发展、改善生态环境、发展低碳产业等方面都具有重要作用。
当前我国苜蓿生产机械化整体水平低,收获损失大,致使苜蓿草产品品质低下,严重制约了苜蓿产业化的发展和规模的提升。
特别是在西北地区,由于苜蓿多种植在山坡、丘陵地带,可以通过的地段狭窄,需要爬坡来完成切割压扁工作,故需要功率较大、外形尺寸较小,且具有爬坡功能的手扶自走式工作机械。
本文首先根据山地手扶自走式机械的工况条件及发动机选择条件,初步确定了发动机的基本形式,然后完成了发动机的动力计算及参数确定,并根据计算结果及各种型号发动机功率特性曲线,完成了发动机的选型。
接着对整机的工作情况进行分析,结合典型手扶拖拉机的操纵机构,确定了本机操纵机构的整体方案,然后根据操纵机构的基本设计要求完成了各操纵手柄的设计,并对操纵机构进行了制动力的校核,最后完成了操纵机构的CATIA装配图。
关键字:
手扶式,发动机匹配,操纵机构
Abstract
Highqualityalfalfaisanimportantpartoffeedproductionsystem.Alfalfaindustrializationplaysakeyroleinpromotingplant-eatinganimalhusbandrydevelopment,improvingtheecologicalenvironmentanddevelopinglowcarbonindustry.AtpresentChina’salfalfaproductionmechanizationleveliscomparativelylow,harvestlossishugeandthecloverproductqualityisextraordinarilylow,whichrestrictthedevelopmentofalfalfaindustrializationandscaleofascension.Especiallyinthenorthwestregion,duetothealfalfaplantinglocationisnarrowandmainlyisslopesandhillyterrain,thecuttingsquashedworkneedtobedonewiththemachineclimbing.Thusamorepowerful,smallershape,andwhichhasthefunctionofuphillwalkingself-containedworkmachineryisneeded.
Thispaperaccordingtotheworkingconditionofmountainwalkingself-propelledmachineryandengineselectioncriteriapreliminarydeterminethebasicformoftheengine,thencompletetheenginepowercalculationandparameterdetermination,andaccordingtothecalculatedresultsandvariousmodelsofenginepowercharacteristiccurve,completetheenginetypeselection.Thentheworkingconditionofthewholemachineareanalyzed,combiningwiththeoperatingmechanismoftypicalwalkingtractor,determinethenativeoperatingmechanismoftheoverallsolution,thenaccordingtothebasicdesignrequirementsofoperatingmechanismtocompletethedesignofthecontrolhandle,andoperatingmechanismforthecheckingofbrakingforce,giveoutthemaindrawoftheoperatingmechanismandCATIAThree-dimensionalmodeling.
Keywords:
Walkingtype,theenginematching,operatingmechanism
目录
中文摘要I
AbstractII
目录
I
第一章绪论1
1.1课题研究的目的和意义1
1.1.1为保证牧草产品质量必须实现机械化1
1.1.2我国草业机械生产业急待扩大和提高1
1.1.3进口牧草收割机械价格昂贵,不适应山区作业2
1.2国内外研究现状2
1.2.1国外研究现状2
1.2.2国内研究现状2
1.3研究目标及研究内容3
1.3.1研究目标3
1.3.2研究内容4
1.4研究路线4
第二章山地手扶式切割压扁机发动机的选择6
2.1发动机整体方案的确定6
2.1.1发动机基本形式的选择6
2.1.2本机发动机基本形式的确定7
2.2发动机动力计算及参数的确定7
2.3发动机的选型8
2.4发动机适应性系数Ф10
2.5本章小结10
第三章山地手扶式切割压扁机操纵机构的设计12
3.1操纵机构整体方案的确定12
3.1.1典型操纵机构的布置12
3.1.2参考机型——微耕机14
3.2操纵机构的设计15
3.2.1操纵机构设计的基本要求15
3.2.2主要操纵装置——单边转向,双边制动16
3.3操纵机构的主要校核17
3.4绘制操纵机构设计图17
3.5本章小结20
第四章结论与建议21
4.1结论21
4.2建议21
参考文献22
致谢23
第一章绪论
1.1课题研究的目的和意义
传统的苜蓿收获是采用不带压扁装置的圆盘式或往复式割草机,虽然能够完成收获作业,但由于苜蓿脱水干燥时间过长,蛋白质的损失很大,不能保证苜蓿产品的质量,因而应该大力推广切割压扁机收获苜蓿是十分必要的【1】。
优质苜蓿是饲料生产体系的重要组成部分,苜蓿产业化发展对于促进草食畜牧业发展、改善生态环境、发展低碳产业等方面都具有重要作用。
当前我国苜蓿生产机械化整体水平低,收货损失大,致使苜蓿草产品品质低下,严重制约了苜蓿产业化的发展和规模的提升。
特别是在西北地区,由于苜蓿多种植在山坡、丘陵地带,可以通过的地段狭窄,需要爬坡来完成切割压扁工作,故需要功率较大、外形尺寸较小,且具有爬坡功能的手扶自走式工作机械。
1.1.1为保证牧草产品质量必须实现机械化
由于苜蓿草产品品质高低的决定因素之一是适宜收获期——始花期,而这个时期只有10~15天。
据恩斯明格(1980)报道,无论是禾本科、豆科或是混播牧草,在始花期以后,每推迟刈割一天,牧草的消化率和采食量均降低0.5%以上,总营养价值下降1%以上。
因此必须根据不同牧草及饲料作物的产量及营养物质含量,适时刈割,使之既不影响牧草的生长发育,又能获得高产优质的青干草。
适时刈割牧草,由于干物质产量和可消化蛋白质含量高,牲畜采食后畜产品量也相应增高【2】。
显然,要保证适时收获,仅靠人工难以完成整个收获工作,必须提高牧草收获机械化水平。
1.1.2我国草业机械生产业急待扩大和提高
目前,我国生产的牧草收获机械的主要企业有海拉尔牧业机械总厂、宝昌牧业机械厂和新疆畜牧机械厂等,其产品类型主要有圆盘式旋转割草机、后悬挂往复割草机、机引单刀割草机、指盘式搂草机、圆捆、方捆打捆机等【3】。
生产品种单一,成套性差,而且技术质量极不稳定,产品老化,处于发展初级阶段,不能满足我国当前和今后畜牧发展需要。
我国平均5500hm2才有一套割、搂草机,配套机具严重缺少,而美国每60hm2就有一套较完备配套的收获机械设备。
由于机具缺乏,不配套,每年机械收割的干草仅占可割草量的9.8%【4】。
因此,草业机械生产的发展具有广阔前景。
1.1.3进口牧草收割机械价格昂贵,不适应山区作业
进口收获机械虽技术完善,机具品种多,性能可靠,但价格昂贵,与国产动力机械配套性差,生产组织管理水平要求高,且以大型机具为主,转弯半径大,需要地头长,而我国牧草大部分种植在山区、丘陵20°的坡地上,地块面积小,尤其幅宽窄,与国内外大型机具不适应。
因此,研制开发“先进、经济、实用”三者统一,适合山地、梯田,小块地段,简便、灵活、手扶式的山地牧草收获机械具有重要的现实意义【5】。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
国外对牧草压扁技术的研究已有100多年的历史,牧草切割压扁技术在北美以及欧洲地区已经有非常成熟的经验,割草压扁机的种类也非常多。
目前,国外的牧草收获机械都采用压扁技术来缩短牧草的干燥时间,从而获得优质青干草。
国外20世纪30年代,就已经开始发展牧草的压扁技术,压扁机开始出现并且逐渐应用于生产实践,这种压扁机工作原理是将割草机割下的牧草捡拾起来,同时给压扁铺放。
对于牧草,一般切割后立即压扁效果最好,失水的牧草不易被压扁且易缠绕,另外压扁机是单向作业的,压扁机收获牧草增了收获机型【6】。
进入20世纪60年代,能够同时完成切割、压扁、集拢铺条的切割压扁机开始生产应用,经过研究和发展,切割压扁机技术日渐成熟,大多数牧草收获机械都使用切割压扁机,其中代表性的是美国和加拿大生产的往复式的切割压扁机、欧洲各国生产的旋转式的切割压扁机。
进入20世纪90年代以来,畜牧业发达的国家,开始把高新技术运用到牧草收获机械中,大大的提高了切割压扁机的高效、复合作业,机器的生产率、通用性、适应性显著提高,随着电子和液压等先进技术大量采用,对操作的舒适性、割茬高度的一致性等等方面大大改进。
国外先进的切割压扁机的种类非常多,如约翰·迪尔公司、纽荷兰公司、克拉斯公司生产的切割压扁机【7】。
目前,欧美各国几乎所有的农机公司都生产牧草收获机械。
产品品种齐全,系列完整,能满足各种收获条件下全面机械化的需要,且在计算机精确控制、应用及操作人员的舒适性等方面有很大的改进。
在该领域处于领先地位的主要是美国、德国、法国、意大利、日本等发达国家。
如德国STOLL公司的割晒设备,德国克拉斯公司自走式压捆机,法国库恩公司的旋转割草机等。
20世纪90年代这些国家的搂、捆、装、运等牧草收获机械陆续地进入中国牧草种植基地,国外先进的牧草收获机械技术比较完备,机具品种多,性能可靠,但价格昂贵【8】。
1.2.2国内研究现状
我国草业机械化事业起步较晚、发展缓慢,牧草机械化生产水平低。
20世纪40~50年代,只是生产一些仿制的机械化和半机械化牧草收获机具。
20世纪60~80年代,国家开始重视畜牧业生产,畜牧业生产机械化方向开始注意引进、消化、吸收国外先进的技术,牧草生产机械化从单向作业到注重成套作业发展。
20世纪80~90年代自主发展阶段,国家一系列政策的实施,农牧民的生产积极性空前高涨,开始大量购买牧草收获机械,极大促进了牧草机械的生产研究,这一时期国内生产的割草机一般都不带压扁机并且仿形效果也不好,进口的切割压扁机占据着大部分市场【9】。
20世纪80年代中期以来,我国对草地畜牧业投入严重不足,相对支持力度减缓甚至下降,使得许多牧草机械制造企业纷纷转产或停产,再加上我国与欧美等发达国家存在着技术差距和制造手段、工艺等方面的差距,使得我国与国外同类产品的制造能力和水平的距离进一步拉大,其产品类型只有圆盘式旋转割草机、后悬挂往复割草机、机引单刀割草机、指盘式搂草机、圆捆、方捆打捆机等【10】。
目前,人们多热衷于讨论种植牧草的经济效益和环境效益,但对于如何实现上述效益,讨论研究较少。
由于严重缺乏适合农牧民的牧草收获机械,造成农牧民种草丰产不丰收,或丰产欠收。
尽管我国牧草收获机械,在引进、消化的基础上也初步形成了散草、方捆、圆捆、压垛、二次加压打包作业工艺系统,但每种作业机械多数为单一机型,各作业工序间机具与动力配套性差,特别是我国农村实行草畜双承包到户生产责任制以后,地块变小,用户不能根据自己的经营规模选择合适的机具,机具使用效益不高,造成供需脱节。
目前,我国生产的牧草收获机械的主要企业有3家(海拉尔牧业机械总厂、宝昌牧业机械厂和新疆畜牧机械厂)。
海拉尔牧业机械总厂是全国牧草收获机械的最大生产厂家。
该厂生产的天然草场和低产人工草场的割、搂产品,技术上比较成熟,且市场占有率高、量大而面广,但它在种植高产牧草的收割方面竞争力较小。
21世纪以来,国家加大了对畜牧业的支持力度,一些国内的畜牧机械生产商,开始投入资金和科研,开始生产切割压扁机,达到了国外90年代的水平。
代表机型有新疆机械研究院生产的牵引式和自走式割草压扁机,上海世达尔现代农机公司生产的割草压扁机等。
总体来讲我国牧草收获机械化水平还是很低,产品质量不稳定,品种单一,且草地单位面积拥有整套割、搂、装、运设备数量与美国相比差距悬殊。
1.3研究目标及研究内容
1.3.1研究目标
根据本机工作情况和行业发展趋势,查阅相关文献资料,完成山地手扶式切割压扁机动力及操纵机构的设计。
已知数据有:
整车参数:
v工作车速:
2km/h
v最高车速:
5km/h
v行走额定功率:
2kW(平地),5kW(只爬坡不工作)
v割刀转速:
2000rpm
v切割额定功率:
2kW
v压扁辊转速:
800rpm
v压扁额定功率:
6kW
v最大爬坡度:
30%
v整车满载质量:
450kg
v液压系统最高压力:
20MPa
整车外形尺寸
v轮距:
1.1m
v车长:
2.5m
v扶手架高:
0.9m
v整车重心位置:
+44mm(+表示在轮轴前)
v工作操作力:
14kg(压力)
1.3.2研究内容
(1)学习CATIA软件,达到熟练程度。
(2)根据设计要求完成发动机动力匹配计算及选型。
(3)根据设计要求完成操纵机构的设计,并绘制操纵机构设计图(含纸质及电子版)。
1.4研究思路框图
本论文的主要研究思路框图如图1-1所示。
文献查阅,进行国内外研究现状分析
明确研究目标,确定研究内容,设计研究方案
山地手扶式切割压扁机操纵机构的设计
山地手扶式切割压扁机发动机的选择
操纵机构整体方案的确定
发动机整体方案的确定
总结及进一步研究设想
操纵机构的设计
发动机动力计算及参数确定
操纵机构的校核
发动机型号的选择
绘制操纵机构设计图
发动机适应性系数检验
图1-1研究思路框图
第二章山地手扶式切割压扁机发动机的选择
2.1发动机整体方案的确定
发动机选型的依据因素很多,如汽车的类型、用途、使用条件、总布置型式、总质量及动力性指标、经济性要求、材料和燃料资源、排气污染和噪声方面的法规限制、已有的发动机系列及其技术指标水平、技术发展趋势、生产条件与制造成本、市场预测情况以及将来的配件供应及维修条件等,通常要经过多种方案的比较甚至通过先行的试验研究才能选定一个好的方案。
在发动机基本型式的选择中首先应确定的是采用汽油机还是柴油机,其次是气缸的排列型式和发动机的冷却方式。
再依据本机的工作特点进行进一步选择。
2.1.1发动机基本形式的选择
就世界范围而言,大型汽车的发动机已经柴油化,中型汽车也多采用柴油机,轻型载货汽车采用柴油机的也不少,甚至欧洲已将小型高速柴油机用到某些轿车上。
与汽油机相比,柴油机具有油耗低、燃料经济性好、无点火系统,故障少、工作更可靠,耐久性好、寿命长,排气污染较低和防火安全性好等优点。
但一般柴油机的振动及噪声较大,轮廓尺寸及质量较大,造价较高,起动较困难并易冒黑烟。
近年来,由于柴油机在产品设计和制造工艺方面的不断完善,其上述缺点已得到较好的克服。
较大马力、高转速、低噪声、小型化且运转平稳的柴油机的研制开发成功,使装柴油机的轻型汽车日益增多,在轿车上的装用也取得成功。
但预计在今后相当长的一段时期内,考虑到燃料使用的平衡及汽油机的转速高、升功率高、转矩适应性较好、轮廓尺寸及质量较小、便于布置、振动及噪声较低和适于高速车辆等特点,绝大多数的轿车和小型车辆仍将采用汽油机,而装载量6t以上的汽车将全部装用柴油机,装载量2—5t的部分轻型和中型汽车则采取两种发动机均可安装而由用户选择的方式为宜。
按气缸排列型式,发动机又有直列、水平对置和V型等区别。
直列式的结构简单、维修方便、造价低廉、工作可靠、宽度小、易布置,因而在中型及以下的货车上和排量不大的轿车上得到了广泛应用。
4L以下的汽油机多采用直列式,但对大排量的直列发动机而言,不是缸径过大,就是缸数过多,使发动机过长和过高,质量也过大。
因此,在中高级以上的轿车、重型载货汽车和重型越野汽车上,采用V型发动机的日益增多。
V型发动机相对于直列式有许多优点,其长度显著缩短(约25%~30%),高度降低,质量减小约20%~30%;曲轴箱及曲轴的刚度增大;易于设计尺寸紧凑的高转速、大功率发动机且易于系列化,如V6,V8,V10及V12等,而直列式通常到6缸,最多8缸。
对于长度受到限制的车辆来说,由于V型发动机的长度短,适宜于这类车辆的总体布置,但由于其宽度大,故在乎头车上布置困难。
V型发动机的造价高,故在应用中受到限制,多用于排量在6L以上和缸径大于150mm的汽油机和12L以上的柴油机。
水平对置式发动机的高度低且易于平衡,水平对置双缸发动机在微型汽车上得到应用。
按冷却方式,发动机又有水冷式和风冷式之分。
水冷发动机冷却均匀可靠,散热好,气缸变形小,缸盖、活塞等主要零件的热负荷较低,可靠性高;能很好地适应大功率发动机的冷却要求;发动机增压后也易于采取措施(加大水箱、增加泵量)加强散热;噪声小;车内供暖易解决。
因此,绝大多数的汽车都采用了水冷发动机。
但其冷却性能受气温影响显著,设计时应考虑避免高温天气出现发动机过热的问题。
风冷发动机的冷却系统简单,维修简便;对于在沙漠和缺水地区及炎热、酷寒地区使用的适应性好,不会产生发动机过热和冻结等故障;还可省去消耗铜材的水箱。
但大缸径的风冷发动机的冷却不够均匀;缸盖等有关零件的热负荷高,可靠性不及水冷式的;噪声大;油耗较高,故仅在安装小排量发动机的微型汽车上得到应用,在其他类型的汽车上应用不多。
大型风冷发动机虽也能达到较高的性能指标,但需采用较多的结构、工艺措施,造价较高【11】汽车总体设计。
2.1.2本机发动机基本形式的确定
发动机是手扶拖拉机的动力,手扶拖拉机的发动机采用柴油机或汽油机,主要取决于拖拉机的型式和功率。
驱动型因功率较大,油耗等经济性问题较严重,所以多采用柴油机;牵引型因功率较小,油耗等经济性问题较为次要,但要求其重量轻、整机重心位置低,以便于在坡地工作、进行中耕作业及高速运输作业,所以国外多用高速风冷汽油机。
考虑到本机适用于苜蓿多种植的山坡、丘陵地带,可以通过的地段狭窄,需要爬坡来完成切割压扁工作,故需要的功率较大,整机的外形尺寸较小,工作速度比较低。
又根据本机的工作状况和行业发展趋势,整机采用全液压方式驱动。
因此初步选用外形尺寸较小,功率较大,适应性较好的风冷V型双缸汽油发动机。
搜索相关资料后,决定使用科勒小型发动机。
2.2发动机的动力计算及参数确定
整机在工作过程中主要有两部分阻力,一部分为行驶阻力Ft力,另一部分为工作阻力F。
其中,行驶阻力主要包括滚动阻力、空气阻力、坡度阻力和加速阻力【12】;工作阻力包括切割器阻力和压扁辊阻力。
由于本机工作速度较低,在估算行驶阻力时,忽略空气阻力和加速阻力。
取滚动阻力系数f为0.2。
则整机行驶阻力为:
其中,m为整机的满载质量,等于450kg;
g为重力加速度,取9.8m/s2;
为最大爬坡角,等于17°;
f为滚动阻力系数,取0.2。
计算得:
整机行驶阻力为
已知驱动轮半径R为0.3m,则行驶阻力矩为:
已知最高车速
,可求得行驶驱动功率最大为:
最低车速即工作车速
,行驶驱动功率最小为:
切割器消耗功率:
压扁辊消耗功率:
则整机总消耗功率最大为:
最小为:
粗估整机效率:
查手册得知带传动效率0.96,减速器效率0.95,液压系统效率0.85等【13】。
算出整机效率
同时取安全因数n=1.2,求得整机最大应配备功率为:
若仅考虑保证整机在作业下的情形,且不考虑功率安全因数,则整机最小应配备功率为:
所以整机配备总功率:
2.3发动机的选型
根据上述计算结果及各种型号发动机功率特性曲线,初步选择CommandPROCH680/CH23型风冷V型双缸汽油发动机。
该款发动机各参数如表2-1所示:
表2-1CommandPROCH680/CH23型发动机参数
总功率最大马力(千瓦)
23(17.2)@3600rpm
排量立方英寸(毫米)
41.1(674)
缸径英寸(毫米)
3.2(80)
冲程英寸(毫米)
2.6(67)
最大转矩英尺—磅(牛米)
37.9(51.4)@2400rpm
压缩比
8.5:
1
干重磅(千克)
90(41)
机油容量美制夸脱(升)
2(1.9)
润滑方式
全流式机油滤清器全压润滑
尺寸(长x宽x高)英寸(毫米)
平板空滤:
14.0x17.7x19.0(356x450x483)
*长=遮草盖到取力口安装面;宽=火花塞到火花塞;高=空滤盖顶端到安装底座
该款发动机特性曲线如图2-1、图2-2所示:
图2-1CommandPROCH680/CH23型发动机功率特性曲线
图2-2CommandPROCH680/CH23型发动机扭矩特性曲线
根据该款发动机特性曲线:
当发动机转速在1800rpm时,输出功率为8.9kW,满足最大行驶驱动需求;当发动机转速大于2200rpm时,发动机输出功率大于11.8kW,即发动机满足本机正常作业需求转速范围为2200rpm~3600rpm;当发动机转速为2400rpm时,取得最大转矩
。
该款发动机满足本机动力需求。
2.4发动机适应性系数φ
发动机适应性系数
是转矩适应系数与转速适应系数的乘积。
它表明发动机适应汽车行驶工况的程度。
其中,
——发动机最大扭矩,N·m;
——扭矩适应性系数;
即
;一般汽油机
,柴油机
;
值的大小,标志着行驶阻力增加时,发动机沿外特性曲线自动增加扭矩的能力。
的大小可以参考同类样机的数值进行选取。
——最大功率点的扭矩,N·m;
——最大功率点的转速,r/min;
——最大转矩点的转速,r/min。
在选取发动机最大扭矩点的转速
时,一般希望该转速与最大功率点的转速有一定的比例关系,即保证
(转速适应性系数)在1.4—2.0之间,如果
取得过高,会使
的比值变小,若小于1.4,会使直接档的稳定车速偏
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