梁曉兵 王 璠 劉志強

(河南機電職業(yè)學院，河南 鄭州 451191)

1 整機結(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)機農(nóng)藝要求，設計的中耕除草機(圖1)，主要由牽引機架、限深仿形輪、彈簧振動式翼型除草單體組成。采用后置三點式懸掛，前部配置兩個限深仿形輪，除草部件采用彈簧振動式翼型除草單體，同時，懸掛架采用熱軋槽鋼，連接板均采用角鋼，以此達到減小體積、減輕重量的目的。自激減震彈簧裝置由預緊端蓋、自激振動彈簧、彈簧芯軸組成是彈簧振動式翼型除草單體的核心部件。

如圖1所示，三點式懸掛機架由拖拉機進行牽引。彈簧減震裝置中通過彈簧銷軸將軸承端蓋和芯軸相連，自激彈簧包裹著軸承芯軸。在中耕除草機工作時拖拉機牽引著自激彈簧減震翼型中耕除草機向前行進，在工作過程中，耕作土地不是十分平坦，由于土壤的高低起伏，土壤阻力時刻發(fā)生變化。中耕除草鏟柄繞著固定機架轉(zhuǎn)動，從而壓縮減震彈簧，彈簧中的壓縮量隨著中耕除草機的行進而發(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，達到減震防止除草鏟損傷的作用。

1.牽引機架；2.限深仿形輪；3.彈簧振動式翼型除草單體

2 主要零部件設計

2.1 牽引機架

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

2.2 彈簧振動式翼型除草單體

本研究采用自激減震彈簧來緩沖在工作過程中來自土壤的阻力，彈簧內(nèi)部設置芯軸，可以靈活調(diào)節(jié)彈簧長度，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，同時也可以增大與土壤的接觸面積，達到疏松土壤的目的。除草單體的護苗器在中耕除草機工作時能夠更好地減少幼苗的損傷率。

2.3 限深仿形輪

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

3 自激減震彈簧裝置的設計校核

圖2 結(jié)構(gòu)簡圖

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

如圖3所示，自激彈簧減震裝置是通過彈簧銷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，彈簧芯軸通過后端的螺紋將芯軸固定銷扭轉(zhuǎn)到安裝位置，并對彈簧預緊力進行調(diào)整。當機具工作時固定銷在芯軸中往復運動，因此減震彈簧在工作時不會發(fā)生完全壓縮的狀態(tài)，以此來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

中耕土壤機工作過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程中無歪斜情況，因此本文減震彈簧選用Y1型壓縮彈簧。接下來依據(jù)《機械設計》對所選彈簧進行校核計算。

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

(2)減震彈簧許用切應力為，

[τ]=0.4σB=2.94×108N/m2

(1)

減震彈簧許用彎曲應力為，

σb=0.5σB=3.675×108N/m2

(2)

其中：σb為材料拉伸強度極限，根據(jù)機械設計手冊得65 Mn的材料拉伸強度極限為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的最大變形量；

(5)確定減震彈簧的穩(wěn)定性

當選用的減震彈簧過長時，彈簧中心安裝易發(fā)生偏離，因此會導致受力不穩(wěn)，從而影響工作的效果。因此需要通過長細比b來確定彈簧長度，

(5)

式中，H0為減震彈簧長；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，彈簧長度H0=300 mm，芯軸的外桿直徑為：d=100 mm。

(6)減震彈簧強度校核

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

(6)

(7)

計算彈簧的疲勞強度安全系數(shù)，

(8)

式中，τ0為自激振動彈簧材料受到循環(huán)剪切載荷時的疲勞極限；SF為自激振動彈簧疲勞強度安全系數(shù)的設計值；

(7)減震彈簧靜應力強度驗算

安全系數(shù)計算值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)計算值；

4 結(jié)語

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