旋耕机刀轴刀库螺栓连接结构的研究探讨

张义胜，王维

摘 要：现在市场上广泛采用的旋耕刀轴装配为刀库直接焊接在刀轴上 ，旋耕刀通过螺栓、螺母、弹簧垫圈连接在刀库上。当刀库与刀轴焊接时，刀轴会产生焊接变形，还需进行直线度校正。在使用过程中，如果螺栓出现断裂现象，旋耕刀则甩出，容易造成伤人事故。刀库在损坏后，需重新焊接新刀库，这时需要用磨光机磨掉旧刀库，再重新进行焊接，过程复杂，费时、费力。针对存在的情况，设计了一种用螺栓连接旋耕机刀轴和刀库的结构，避免了焊接变形，使其安装稳固、更换方便。

关键词：旋耕机;刀轴;刀库;焊接

中图分类号：S222        文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.12.009

Research and Discussion on the Bolt Connection Structure of Tool Shaft Tool Bank of Rotary Tiller

Zhang Yisheng，Wang Wei

（Zibo Agricultural Machinery Research Institute，Zibo 255086，China）

Absrtact：Now widely used in the market， the rotary tool shaft assembly is welded directly on the tool shaft for the tool bank. The rotary tool is connected to the tool bank through bolts， nuts， and spring gaskets.When the tool bank is welded with the tool shaft， the tool shaft will produce welding deformation， and straightness correction is also required. If the bolt breaks during use， the rotary tiller is thrown out， which is prone to injury. After the knife bank is damaged， it is necessary to re-weld the new knife bank. At this time， it is necessary to grind the old knife bank with a grinding machine and re-weld it. The process is complex， time-consuming and laborious.According to the existing situation， a structure of screw shaft and tool Bank of rotary tiller is designed to avoid welding deformation， so that its installation is stable and easy to replace.

Keywords： rotary cultivator; knife shaft; knife bank; welding.

作者简介：张义胜（1962-），男，山东淄川人，本科，研究员级高级工程师，研究方向：粮食收获及种植机械，E-mail：dr.zh@163.com。

通讯作者：王维（1962-），男，山东临淄人，大专，工程师，E-mail：2608335327@qq.com。

0 引言

现在市场上广泛采用的旋耕刀轴结构，是刀库直接焊接在刀轴上，旋耕刀通过螺栓、螺母、弹簧垫圈固定在刀库上。当刀库与刀轴焊接时，刀轴会产生严重的焊接变形。焊接完毕，还需进行直线度校直，经过多次校直后，效果往往不能令人满意。刀轴旋转起来，径向摆动超标，产生振动噪音，严重影响轴承及整机使用寿命。如果在使用时螺栓出现断裂现象，旋耕刀则甩出，容易造成伤人事故。刀库在损坏后，需重新焊接新刀库，这时需要用磨光机磨掉旧刀库，再重新进行焊接，过程复杂，费时、费力。

针对存在的情况，设计了一种用螺栓连接旋耕机刀轴和刀库的结构，避免了焊接变形，从而使刀轴的运转精度大大提高，降低了刀轴旋转时产生的振动噪音，使刀库、旋耕刀安装稳固、更换方便。

1 结构原理

螺栓连接旋耕机刀轴和刀库的结构如图1所示，由刀轴、刀库、旋耕刀、旋耕刀固定板、刀库固定螺栓、旋耕刀固定螺栓螺母组成。传统刀库的结构如图2所示，刀库改進后结构示意图如图3所示。

1.刀轴 2.旋耕刀固定板 3.旋耕刀固定螺栓螺母

4.刀库 5.旋耕刀 6.刀库固定螺栓

图1 旋耕机刀轴刀库螺栓连接结构示意图

图2 传统刀库结构示意图

图3 改进后刀库结构示意图

与传统刀库相比较，新型刀库加工四个孔，在刀轴上加工与新型刀库相对应的四个螺孔，用螺栓把刀轴刀库连接起来。在刀库与刀轴结合面上，加工两个销轴，销轴插入刀轴上对应的销孔内，起到定位作用。刀库与刀轴结合端处设有止口，用于安装旋耕刀和旋耕刀固定板。

改进后旋耕刀的结构如图4所示。与传统旋耕刀的结构相比，改进后旋耕刀的尾部开有长槽，将旋耕刀固定板安装在旋耕刀尾部的长槽内，然后一起装入刀库的止口内。

图4 改进后旋耕刀结构示意图

2 刀库、旋耕刀安装程序及结构特点

2.1 刀庫、旋耕刀安装程序

现将旋耕刀尾部插入刀库的内孔，且使旋耕刀尾部的长槽露在外部，将旋耕刀固定板安装在旋耕刀尾部的长槽内，然后将旋耕刀尾部装入刀库的止口内。

将刀库上的两个销轴插入与刀轴上对应的销孔内，起到定位作用。将四个刀库固定螺栓拧入刀轴上的四个螺孔内，并拧紧。

最后将旋耕刀固定螺栓插入旋耕刀和刀库的孔内，并用旋耕刀固定螺母拧紧。

2.2 结构特点

从刀库、刀轴的结构来看，旋耕刀通过旋耕刀固定板被卡在刀库的止口内。即使旋耕刀固定螺栓出现断裂现象，旋耕刀也不会飞出，避免伤人事故的发生。

由于刀库是用螺栓固定在刀轴上，避免由于焊接造成的变形，减少了繁琐的直线度校正工艺，刀轴的直线度大大提高，从而使刀轴的运转精度得到提高，提高了轴承及整机的使用寿命。由于刀库是用两个销轴定位在刀轴上，安装位置准确，避免焊接造成的安装位置倾斜现象。

旋耕刀及刀库损坏后，只需卸下四个刀库固定螺栓，即可更换新的旋耕刀及刀库，无需用磨光机磨掉旧刀库，再重新进行焊接新刀库，省工省力。

3 有关设计计算

3.1 旋耕功率消耗的计算

影响旋耕功率消耗的因素很多，可用下列经验公式估算[1]

N=0.1KλavB（1）

式中 N—旋耕消耗功率（kW）;

α—耕深（cm）;

v—拖拉机前进速度（m/s）;

B—耕副（cm）;

Kλ—旋耕比阻（N/cm2）。

旋耕机耕深120～160 mm，耕深按照150 mm（15 cm）计算;以常用的工作幅宽230 cm型旋耕机为计算依据;拖拉机前进速度为2～5 km/h，以2 km/h（0.55 m/s）为计算依据[2];取旋耕比阻Kλ的值为0.48。计算后得到N=91 kW。

3.2 刀轴扭矩的计算

旋耕机刀轴的转速一般是180～220 r/min[2]，这里按照200 r/min计算。刀轴扭矩为

T=9549Pn（2）

式中 T—刀轴扭矩（N·m）;

P—刀轴消耗功率（kW）;

n—刀轴转速（r/min）。

取P=91 kW，n=200 r/min，计算后得到

T=4344.8 N·m。

3.3 刀库固定螺栓的设计计算

3.3.1 刀库固定螺栓剪切力的计算

旋耕机的刀轴，左右对称布置在变速箱两侧。单条旋耕机的刀轴所承受的扭矩为2172 N·m。

根据旋耕刀布置原则，一个相位角度上只布置一把旋耕刀。图5为旋耕刀360°布置示意图。以市场上常用的工作幅宽230 cm型旋耕机为计算依据，采用R245旋耕刀，即刀轴回转半径490 mm。单条旋耕机的刀轴上布置31把旋耕刀，相邻两把入土旋耕刀角度相差11.61°，刀轴直径70 mm。

图5 旋耕刀360°布置示意图

旋耕机耕深120～160 mm，这里耕深按照150 mm计算。由图5可以看出，在旋耕刀入土深度150 mm时，有10把旋耕刀埋在土壤里面工作。由于各旋耕刀受力不一致，这里粗略按照5把旋耕刀计算，即按照5把旋耕刀承受2172 N·m的扭矩，每把旋耕刀承受434.4 N·m的扭矩。

考虑到各个刀库固定螺栓之间受力不均匀，4个刀库固定螺栓按照3个计算。因刀库固定螺栓主要承受剪切力，这里按照剪切力计算。单个刀库固定螺栓承受的剪切力计算公式为

Q=2TDn（3）

式中 Q—单个刀库固定螺栓承受的剪切力（N）;

T—刀轴扭矩（N·m）;

D—刀轴外径（m）;

n—刀库固定螺栓计算数量（个）。

取T=434.4 N·m，D=0.07 m，n=3，计算后得到

Q=4137 N。

3.3.2 刀库固定螺栓剪切强度的校核

单个刀库固定螺栓承受的剪切应力计算公式为

σ=4Qπd2（4）

式中 σ—单个刀库固定螺栓承受的剪切应力（MPa）;

Q—单个刀库固定螺栓承受的剪切力（N）;

d—刀库固定螺栓直径（mm）。

取Q=4137 N，d=10 mm，计算后得到σ=52.6 MPa。

选用螺栓材质为45#钢，屈服极限σf为360 MPa。

螺栓的许用剪切应力计算公式为

τp=σfSp（5）

式中 τp—许用剪切应力（MPa）;

σf—固定螺栓的屈服极限（MPa）;

Sp—安全系数3.5～5，取最大值5。

取σf=360 Mpa，Sp=5，计算后得到，τp=72 MPa。由此可见，单个刀库固定螺栓承受的剪切应力σ为52.6 MPa，小于许用剪切应力72 MPa，即满足强度要求。

4 结论

螺栓连接旋耕机刀轴和刀库的结构，由刀轴、刀库、旋耕刀、旋耕刀固定板、刀库固定螺栓、旋耕刀固定螺栓螺母组成。旋耕机刀轴刀库采用螺栓连接结构替代焊接机构后，具有如下优点。

（1）当旋耕刀固定螺栓断裂时，由于固定板将旋耕刀卡在刀库的止口内，旋耕刀也不会飞出，避免伤人事故的发生。

（2）避免了焊接造成的变形，提高了刀轴的运转精度，提高了轴承及整机的寿命。

（3）刀库用销轴定位在刀轴上，安装位置准确，避免了焊接造成的刀库变形现象。

（4）旋耕刀及刀库损坏后，只需卸掉刀库固定螺栓便可更换，更换方便，省工省力。

通过设计计算可以看出，旋耕机刀轴刀库采用螺栓连接结构后，结构强度大大提高，完全满足强度要求。

参考文献：

[1] 张义胜，宫玉敏，王文丽，等.一种旋耕刀轴装置：CN 205755300 U[P].2016-12-07.

[2] 丁平平.大功率旋耕机旋耕刀的有限元分析[J].农业装备技术，2019，45（2）：42-45.