某打孔通气机总体结构设计

陆秋懿

（昆山登云科技职业学院，江苏 昆山 215300）

0 引 言

中国是土壤盐碱化问题最严重的国家之一，盐碱土壤分布面积大、范围广、利用率低[1-2]。通过采取合理措施改良盐碱土，不仅可以扩大适宜农业生产的耕地面积，而且有助于提高作物的单位面积产量。本文基于国内外盐碱土改良的研究现状，并结合我国国情和农艺要求，设计了一种盐碱土打孔通气机的总体结构，使机器满足疏松土壤，提高土壤通透性，改善土壤环境的功能。

1 打孔通气机的设计

1.1 打孔通气机设计要求及技术参数

打孔通气机的设计目标是提高打孔质量和效率，实现盐碱土排盐的机械化，降低生产成本。具体设计要求如下：

（1）实现打孔通气机打孔环节的连续性，保证工作效率。

（2）消除打孔过程中的成孔的水平偏移，保证成孔垂直性。

（3）运行平稳，机械振动小，能耗低。（4）结构尽量简化，零部件互换性好。

按照盐碱土改良农艺要求和参照其他打孔机械技术参数，本文设计的打孔通气机主要技术参数如表1 所示[3-4]。

1.2 打孔通气机总体结构及工作原理

1.2.1 打孔通气机总体结构

打孔通气机的总体结构如图1 所示，主要包括：机架、传动系统、打孔装置以及随动装置。

表1 打孔通气机主要技术参数

1.2.2 打孔通气机工作原理

在打孔通气机工作时，拖拉机前进并由动力输出轴带动变速器，通过双链轮带动小皮带轮转动，大皮带轮在皮带传动下带动偏心轮转动，使得长杆带动打孔针做上下往复运动。当打孔针在地表上方时，支撑臂在重力、弹簧张力和限位螺母作用下保持平衡；当打孔针入土时，土壤水平阻力推动打孔针，使支撑臂逆时针偏转并将螺纹杆向上推，此时弹簧收缩；当打孔针出土后，土壤水平阻力消失，弹簧张力推动螺纹杆，在限位螺母的阻挡下，支撑臂顺时针偏转到初始位置即停止，并在弹簧作用下保持稳定。

2 打孔通气机的总体结构设计

2.1 机架设计

2.1.1 设计要求

机架是整个打孔通气机的重要载体，搭载着变速箱、偏心轮、皮带轮、打孔针、长杆和限深轮等主要部件。所以，它必须有足够的强度和刚度。在设计时要满足以下要求：

（1）能承载打孔通气机主要部件的重力，不变形。

（2）机架的焊接部分要保证焊接性能良好，焊缝表面平整，无杂质气孔等缺陷。

（3）简化机架结构。在满足其强度要求的情况下，尽可能简化结构设计以减少成本。

2.1.2 机架结构设计

本机器承载机架采用三点悬挂式机架形式，其结构简图如图2 所示。打孔通气机装有4 组打孔部件，每组含2 个打孔针，打孔针间距150 mm，因此确定主梁的长度为1 200 mm。承载机架由前横梁、中竖梁、后支撑梁、侧竖梁和悬挂臂梁组成。前横梁选用5 mm×100 mm×100 mm 的Q235 方管，两端均焊接密封。前横梁上布置三点悬挂机构和变速箱，中竖梁上放置4 个皮带轮装置，后支撑梁上有4 组打孔部件进行打孔作业。

2.2 变速箱设计

2.2.1 传动方案的确定

本机选用皮带轮传动（如图3 所示），拖拉机动力输出轴将动力传递给变速箱主动齿轮轴后，变速箱从动轴通过双链轮将动力传递至小皮带轮，小皮带轮与大皮带轮间选用皮带轮传动，带动装有偏心轴的大皮带轮转动，从而实现打孔装置的连续工作。

2.2.2 变速箱的传动比与动力参数

打孔通气机的传动比是：

式（1）中：i为打孔通气机传动比；n0为变速箱主动齿轮轴转速，r/min；n2为大皮带轮转速，r/min。其中，n0取拖拉机的额定转速760 r/min，n2与曲柄AC转速相等，n2=ω=250 r/min，得i=3.04。

本机设计二级减速，一级为变速箱减速，一级为皮带轮减速，则dp2＞dp1，z1＞z2，其中：z1为变速箱主动齿轮齿数；z2为变速箱从动齿轮齿数；dp1为小带轮节圆直径，mm；dp2为大带轮节圆直径，mm。

根据传动系统设计图如图3 所示，可知：

式(2)中：ε 为弹性滑动系数，取0.02。

由打孔通气机总体结构图（如图1 所示）可知，偏心轴安装在大皮带轮上形成曲柄AC，则dp2＞2l2，取dp2=300 mm，dp1=240 mm，得z2=2.38z1，故本文设计z1=15，z2=36。

各轴转速：

Ⅰ轴转速n0=760 r/min

Ⅱ轴转速

各轴功率：

Ⅰ轴功率p1=p0η滚=58.5 kW

Ⅱ轴功率p2=p1η滚η齿=54.74 kW

各轴扭距：

式中：η滚为滚动轴承效率；η齿为齿轮传动效率。

2.2.3 齿轮设计

根据传动系统设计图（如图3 所示），选用锥齿轮传动。变速箱为一般农机传动机构，速度不高，故选用11 级的精度（GB10095-88）。由表可选择小齿轮的材料为20GiMnTi，大齿轮材料为20GiMnTi，经调质处理，硬度为HRC=50～55；选用小圆锥齿轮Z1=15,大圆锥齿轮Z2=36，正交布置，∑=90°。

圆锥齿轮的大端模数m的值为标准值，可按GB12368-90 选取；压力角α=20°，m≥1 mm 时，齿顶高系数和顶隙系数为ha*=1，c*=0.2。

分度圆的锥角δ：

齿顶高ha：

齿根高hf：

分度圆直径d：

齿顶圆直径da：

齿根圆直径df：

锥距R：

分度圆齿厚S：

顶隙C：

齿顶角θa：

齿根角θf：

当量齿数Zν：

顶锥角δa：

根锥角δf：

当量分度圆半径rν：

当量齿轮齿顶圆半径rνa：

当量齿轮齿顶圆压力角ανa：

重合度εα：

平均分度圆直径dm：

2.2.4 箱体设计

本变速箱是封闭在刚性壳体内由齿轮传动组成的独立体，包括箱体（1 个）、传动轴（2 根）、小圆锥齿轮（1 个）、大圆锥齿轮（1 个）、端盖（若干个）以及其他标准件和一些小零部件。其主要功用是进行动力的传输，通过圆锥齿轮进行传动，输入轴与输出轴位置布置成相交的场合。

变速箱的结构要紧凑，保证在打开后盖更换齿轮时，使箱体稍加倾斜而不会漏掉润滑油。箱体各部件要保证密封，防止漏油。

本文箱体壁厚取13 mm；箱盖壁厚取13 mm；轴承旁连接螺栓选直径10 mm 的螺栓；检查孔盖螺栓直径，轴承座外径需要考虑轴承外圈直径，一般为D+(5~5.5)d，其中d为轴承螺栓直径。轴承旁凸台半径、轴承旁凸台高度由结构决定。箱体外壁至轴承座端面的距离、齿轮顶圆到箱体内壁的距离、铸造外圆角、内圆角等也需要考虑，与箱体的壁厚相关。

（1）行位公差：同轴度，位置度，垂直度问题。

（2）尺寸公差：法兰与箱体孔的配合，一般采用基孔制H8/h7；轴承与法兰孔（端盖）配合，一般采用基轴h8；油封与轴的配合f8。

（3）材料选择：箱体类（包括端盖）选用HT200。

3 结 语

为了满足打孔通气机的功能要求，本文选取三点悬挂式机架，确定了皮带轮传动方案，对该机变速箱的传动比和动力参数进行校核，并对选用的锥齿轮完成了材料的选用和结构参数的设计，最终对变速箱箱体进行核算，完成了该打孔机主体结构设计。