微型秸秆还田机的设计

刘志渝

摘要：根据玉米秸秆、稻草等农作物秸秆资源对铡草机的性能要求，设计一款微型秸秆还田机。详细介绍微型秸秆还田机的结构、工作原理及主要部件设计思路，并对重要零部件及传动进行计算及校核。该机结构简单，工作可靠，工艺简捷，造价低，使用寿命长。

关键词：秸秆还田机；结构；设计；原理；轴；链传动

中图分类号：S224.29 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）01-0035-03

农作物秸秆中含有大量的有机质、氮、磷、钾和微量元素，是农业生产重要的有机肥源之一，也是地球上第一大可再生资源。推广秸秆还田技术既可增加土壤有机质，培肥地力，又可减少资源的浪费和环境污染，从而改善农业生态环境，提高农业生产的产出水平。为此，设计一款结构简单、操作容易、工作可靠、由小功率微耕机牵引的秸秆粉碎机，为农业可持续发展提供机具支持。

1 微型秸秆还田机的结构与原理

微型秸秆还田机主要由输送机构、喂入机构、铡切抛送机构、传动机构等组成，其结构如图1所示。

工作原理为：柴油发动机通过一级带传动将动力传到主轴，在主轴另一端通过两对圆柱齿轮减速后，动力到达下喂入辊；上喂入辊由草层与下喂入辊之间的摩擦带动；为使上喂入辊能够浮动，以保证不同负荷情况下有一定的压紧力，在上输入辊左右端各用一弹簧和滑块辅佐固定；压草辊的转动由下喂草辊通过一对齿轮和一个万向联轴器实现，在其两端加装弹簧与滑块，为免被卡死；为保证自动进料，采用链板式输送器，其主动链轮动力由下喂入辊通过一对链轮传动获得。

2 微型秸秆还田机详细设计

配套动力功率：5.15 kW；转速：1 250 r/m；生产率：0.7～0.8 t/h；整机质量：110 kg。

2.1 链传动的设计

2.1.1 链轮齿数 取小链轮齿数z2=19，则大链轮的齿数z1=19/0.625=30。

2.1.2 功率 Pac=KAKZP=1.0×0.82×3=2.46（kW） 。

2.1.3 链条节距 由Pac=2.46 kW，n1=205 r/min，确定链条节距P=15.875 mm。

2.1.4 链节数和中心距 初选中心距a0=500 mm，则相应的链长节数为：

Lp0=2++

=2×++

×=87.55

取链长节数Lp=88节。则链轮的最大中心距为：α=f1p[2Lp-（z1+z2）]=0.249 31×15.875×[2×88-（30+19）]=502.64（mm）。

2.1.5 链速 v=n1z1p/（60×1 000）=205×30×15.875/（60×1 000）=1.6（m/s）

2.1.6 轴力 有效圆周力为Fe=1 000p/v=1 000×2.46/1.6=1 537.5（N）。链轮水平布置，压轴力系数KFp=1.15，则压轴力Fp≈KFpFe≈1.15×1 537.5≈1 768（N）。

2.2 轴的设计

2.2.1 主轴功率和转矩 取V带传动的效率η1=0.96，电动机额定功率P=3 kW，则主轴功率P1=0.96×3=2.88（kW）；主轴转矩：T1=38.467 N·m

2.2.2 轴径的确定 初步确定轴最小直径时，轴的材料为45钢，调质处理。取A=112，则dmin=AO=112×=17.8（mm）。查机械设计手册，选取轴径d=35 mm。

2.2.3 轴结构 轴的具体结构如图2所示。主轴中间安装动刀架和风扇叶片结合体，两侧为滑动轴承；滑动轴承一侧为大带轮，另一侧是安全离合器。

根据零件及轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度。Ⅰ-Ⅱ轴端需制出一轴肩，dⅠ-Ⅱ=35 mm。由于dd≦300 mm，因此带轮采用腹板式，长度B=（z-1）e+2f=48（mm），取l=45 mm。

因轴承同时受径向力和轴向力的作用，故选用单列圆锥滚子轴承30208，其尺寸为d×D×T=40 mm×80 mm×19.75 mm，dⅡ-Ⅲ=dⅤ-Ⅵ=40 mm；端盖的总宽度为20 mm，轴承宽度为18 mm，右端与带轮距离42 mm，取lⅡ-Ⅲ=80 mm。

轴肩高度h>0.07 d，dⅡ-Ⅲ=40 mm，取h=6 mm，dⅢ-Ⅳ=52 mm，确定其高度为6 mm。轴环处直径dⅣ-Ⅴ=64 mm，其长度lⅣ-Ⅴ=20 mm。轴Ⅴ-Ⅵ段尺寸与轴Ⅱ-Ⅲ段尺寸一样。轴Ⅵ-Ⅶ段的直径dⅥ-Ⅶ=35 mm，lⅥ-Ⅶ=40 mm。

齿轮、滚筒和带轮的周向定位都采用平键连接。根据dⅢ-Ⅳ查得平键截面b×h=16 mm×10 mm。键槽用键槽铣刀加工，长100 mm。同时，为保证齿轮与轴配合有良好的对中性，选择配合为H7/n6；带轮和锥齿轮与轴的链接选用平键，尺寸为10 mm×8 mm×35 mm。滚动轴承与轴的周向定位由过度配合来保证。轴的公差为m6。

2.2.4 按弯矩合成校核轴的强度

轴的弯矩图和扭矩图见图3。

1） 轴的受力。轴的受力位置为大带轮处、刀架处、轴承处和小锥齿轮处。其中，动刀架对主轴的扭矩T=9.55×106×3×0.75/715=3.01×104（N·mm）。动刀架对主轴作用的圆周力Fr=T/R=38 467/230=167.2（N）。动刀架的重量G=mg=300 N。小带轮对轴的作用力Fp2=1 384 N，将其分解为水平和竖直面上的两个分力，则Fp2H=Fp2v=Fp2cos45=978（N）。大带轮对轴的竖直向下作用力Fp1=788.4 N。

2） 水平面支反力。由∑MB=0及-FAH×（40+240）-Fr×（240+40）/2+FP2H×[121-（78+40）/2]=0，求得FAH=72 N。

由∑F=0及FAH+Fr+Fp2H-FBH=0，得FBH=1 294 N。

3） 水平面弯矩。MCH=FAH×（40+240）/2=1.12×104（N·mm）；MBH=FBH×[121-（78+40）/2]=6.06×104

（N·mm）。

4） 垂直面支反力。由∑MB=0及FAV×（40+240）+（mg-Fr）×（240+40）/2+FP2V×[121-（78+40）/2]-Fp1×（121-20+145-48）=0，得FAV=666 N。由∑F=0及FBV-FAV+mg-Fr-FP2V-FP1=0，得FBV=2 448 N。

5） 垂直面弯矩。MCV=FAV×（40+240）/2=1.04×104（N·mm）；MBV=FAV×（40+272）+（mg-Fr）×（272+40）/2=2.16×105（N·mm）；MDV=Fp1×（145-24+39）=1.26×105（N·mm）。

6） 合成弯矩。MC==1.04×105

（N·mm）；MB==1.04×105（N·mm）；MD=MDV=1.26×105（N·mm）。

7） 扭矩。TC=9.55×106×3×0.75/775=2.77×104

（N·mm）；TD=9.55×106×3×0.96/775=3.55×104（N·mm）

8） 当量弯矩。当量弯矩的计算公式为：Me=。可将轴的扭转剪应力看作脉动循环，取α=0.6。观察合成弯矩图和扭矩图可知，B和D处均可能是危险截面，则B截面：MBe=；D截面MDe==1.26×105（N·mm）。

σbe=Mbe/W=Mbe/лd3/（1-β）3/76=148<[σ-1]。由于[σ-1]为170，故材料选取为45#钢。

9） 危险截面强度。轴的材料选用45钢，正火，其强度极限σB=600 MPa，需用弯曲应力为[σ-1b]=55 MPa。由于σB=MBε/WB=MBε/0.1dB3=52.24 MPa<55 MPa，σD=MDε/WD=MDε/0.1dD3=29.62 MPa<55 MPa，故轴的强度符合要求。（下转第39页）

（上接第36页）

3 结论

微型秸秆还田机适用于平原、丘陵和山地，具有秸秆还田、解决土地脊薄问题的效能，能极大的改善机械作业条件，提高农民应用机械作业的积极性。同时，该机结构简单，操作维修容易，工作可靠，安装调整方便，工艺简捷，造价低，使用寿命长。

由∑F=0及FAH+Fr+Fp2H-FBH=0，得FBH=1 294 N。

3） 水平面弯矩。MCH=FAH×（40+240）/2=1.12×104（N·mm）；MBH=FBH×[121-（78+40）/2]=6.06×104

（N·mm）。

4） 垂直面支反力。由∑MB=0及FAV×（40+240）+（mg-Fr）×（240+40）/2+FP2V×[121-（78+40）/2]-Fp1×（121-20+145-48）=0，得FAV=666 N。由∑F=0及FBV-FAV+mg-Fr-FP2V-FP1=0，得FBV=2 448 N。

5） 垂直面弯矩。MCV=FAV×（40+240）/2=1.04×104（N·mm）；MBV=FAV×（40+272）+（mg-Fr）×（272+40）/2=2.16×105（N·mm）；MDV=Fp1×（145-24+39）=1.26×105（N·mm）。

6） 合成弯矩。MC==1.04×105

（N·mm）；MB==1.04×105（N·mm）；MD=MDV=1.26×105（N·mm）。

7） 扭矩。TC=9.55×106×3×0.75/775=2.77×104

（N·mm）；TD=9.55×106×3×0.96/775=3.55×104（N·mm）

8） 当量弯矩。当量弯矩的计算公式为：Me=。可将轴的扭转剪应力看作脉动循环，取α=0.6。观察合成弯矩图和扭矩图可知，B和D处均可能是危险截面，则B截面：MBe=；D截面MDe==1.26×105（N·mm）。

σbe=Mbe/W=Mbe/лd3/（1-β）3/76=148<[σ-1]。由于[σ-1]为170，故材料选取为45#钢。

9） 危险截面强度。轴的材料选用45钢，正火，其强度极限σB=600 MPa，需用弯曲应力为[σ-1b]=55 MPa。由于σB=MBε/WB=MBε/0.1dB3=52.24 MPa<55 MPa，σD=MDε/WD=MDε/0.1dD3=29.62 MPa<55 MPa，故轴的强度符合要求。（下转第39页）

（上接第36页）

3 结论

微型秸秆还田机适用于平原、丘陵和山地，具有秸秆还田、解决土地脊薄问题的效能，能极大的改善机械作业条件，提高农民应用机械作业的积极性。同时，该机结构简单，操作维修容易，工作可靠，安装调整方便，工艺简捷，造价低，使用寿命长。

由∑F=0及FAH+Fr+Fp2H-FBH=0，得FBH=1 294 N。

3） 水平面弯矩。MCH=FAH×（40+240）/2=1.12×104（N·mm）；MBH=FBH×[121-（78+40）/2]=6.06×104

（N·mm）。

4） 垂直面支反力。由∑MB=0及FAV×（40+240）+（mg-Fr）×（240+40）/2+FP2V×[121-（78+40）/2]-Fp1×（121-20+145-48）=0，得FAV=666 N。由∑F=0及FBV-FAV+mg-Fr-FP2V-FP1=0，得FBV=2 448 N。

5） 垂直面弯矩。MCV=FAV×（40+240）/2=1.04×104（N·mm）；MBV=FAV×（40+272）+（mg-Fr）×（272+40）/2=2.16×105（N·mm）；MDV=Fp1×（145-24+39）=1.26×105（N·mm）。

6） 合成弯矩。MC==1.04×105

（N·mm）；MB==1.04×105（N·mm）；MD=MDV=1.26×105（N·mm）。

7） 扭矩。TC=9.55×106×3×0.75/775=2.77×104

（N·mm）；TD=9.55×106×3×0.96/775=3.55×104（N·mm）

8） 当量弯矩。当量弯矩的计算公式为：Me=。可将轴的扭转剪应力看作脉动循环，取α=0.6。观察合成弯矩图和扭矩图可知，B和D处均可能是危险截面，则B截面：MBe=；D截面MDe==1.26×105（N·mm）。

σbe=Mbe/W=Mbe/лd3/（1-β）3/76=148<[σ-1]。由于[σ-1]为170，故材料选取为45#钢。

9） 危险截面强度。轴的材料选用45钢，正火，其强度极限σB=600 MPa，需用弯曲应力为[σ-1b]=55 MPa。由于σB=MBε/WB=MBε/0.1dB3=52.24 MPa<55 MPa，σD=MDε/WD=MDε/0.1dD3=29.62 MPa<55 MPa，故轴的强度符合要求。（下转第39页）

（上接第36页）

3 结论

微型秸秆还田机适用于平原、丘陵和山地，具有秸秆还田、解决土地脊薄问题的效能，能极大的改善机械作业条件，提高农民应用机械作业的积极性。同时，该机结构简单，操作维修容易，工作可靠，安装调整方便，工艺简捷，造价低，使用寿命长。