自激振动式小型中耕除草机的设计
2021-06-18梁晓兵刘志强
梁晓兵 王 璠 刘志强
(河南机电职业学院，河南 郑州 451191)
1 整机结构
本文结合河南中西部地区环境条件以及农机农艺要求，设计的中耕除草机(图1)，主要由牵引机架、限深仿形轮、弹簧振动式翼型除草单体组成。采用后置三点式悬挂，前部配置两个限深仿形轮，除草部件采用弹簧振动式翼型除草单体，同时，悬挂架采用热轧槽钢，连接板均采用角钢，以此达到减小体积、减轻重量的目的。自激减震弹簧装置由预紧端盖、自激振动弹簧、弹簧芯轴组成是弹簧振动式翼型除草单体的核心部件。
如图1所示，三点式悬挂机架由拖拉机进行牵引。弹簧减震装置中通过弹簧销轴将轴承端盖和芯轴相连，自激弹簧包裹着轴承芯轴。在中耕除草机工作时拖拉机牵引着自激弹簧减震翼型中耕除草机向前行进，在工作过程中，耕作土地不是十分平坦，由于土壤的高低起伏，土壤阻力时刻发生变化。中耕除草铲柄绕着固定机架转动，从而压缩减震弹簧，弹簧中的压缩量随着中耕除草机的行进而发生变化，中耕除草铲与自激减震弹簧相互作用发生小幅振动，达到减震防止除草铲损伤的作用。
1.牵引机架；2.限深仿形轮；3.弹簧振动式翼型除草单体
2 主要零部件设计
2.1 牵引机架
中耕除草机的机架由悬挂架、前后横梁组成，悬挂架的作用是连接拖拉机以及升降中耕除草机，前后横梁的作用是承载除草单体。机架材料选用Q235b结构钢，提高机架使用寿命。除此之外，弹簧振动式翼型除草单体在横梁上的位置可以根据工作对象的幅宽自由调整，具有很强的灵活性。
2.2 弹簧振动式翼型除草单体
本研究采用自激减震弹簧来缓冲在工作过程中来自土壤的阻力，弹簧内部设置芯轴，可以灵活调节弹簧长度，起到骨架作用。除草铲采用双翼式除草铲，其碎土角较小，可以更高效的切断田间杂草，同时也可以增大与土壤的接触面积，达到疏松土壤的目的。除草单体的护苗器在中耕除草机工作时能够更好地减少幼苗的损伤率。
2.3 限深仿形轮
采用限深仿形轮来调节松土深度，保证工作的稳定性。该装置中设有U形板，可以自由调节限深仿形轮高度，除此之外，还可以在工作过程中起到支撑机架的作用。
3 自激减震弹簧装置的设计校核
图2 结构简图
自激减震弹簧装置的结构简图如图2所示。其中O点为机架与除草单体连接点，A点为除草单体与自激减震弹簧连接点，B为中耕除草铲铲尖。自激减震弹簧里的芯轴固定销轴可以在芯轴轴端上下浮动，这即是自激弹簧减震机构在除草单体中简单的工作原理。
如图3所示，自激弹簧减震装置是通过弹簧销轴将轴承端盖和芯轴相连，自激弹簧包裹着轴承芯轴。在安装时，弹簧芯轴通过后端的螺纹将芯轴固定销扭转到安装位置，并对弹簧预紧力进行调整。当机具工作时固定销在芯轴中往复运动，因此减震弹簧在工作时不会发生完全压缩的状态，以此来保证自激减震弹簧工作的可靠性添加。
图3 自激减震弹簧示意图
中耕土壤机工作过程中受到的土壤的阻力范围为3 000～5 000 N，这些力主要施加中耕铲柄及中耕铲尖。在自激弹簧减震装置中，依据中耕除草机的工作要求，减震弹簧选择压缩弹簧。为使减震效果更好必须保证弹簧在工作过程中无歪斜情况，因此本文减震弹簧选用Y1型压缩弹簧。接下来依据《机械设计》对所选弹簧进行校核计算。
(1)中耕除草机常温下工作在玉米大豆田间，选择振动弹簧为65 Mn(GB122)，且选择第二类弹簧。
(2)减震弹簧许用切应力为，
[τ]=0.4σB=2.94×108N/m2
(1)
减震弹簧许用弯曲应力为，
σb=0.5σB=3.675×108N/m2
(2)
其中：σb为材料拉伸强度极限，根据机械设计手册得65 Mn的材料拉伸强度极限为7.35×108N/m2。
(3)减震弹簧系数K：
(3)
(4)根据工作尺寸及减震弹簧变形条件得到自激弹簧圈数，
(4)
式中，λmax为自激减震弹簧受到压缩时的最大变形量；
(5)确定减震弹簧的稳定性
当选用的减震弹簧过长时，弹簧中心安装易发生偏离，因此会导致受力不稳，从而影响工作的效果。因此需要通过长细比b来确定弹簧长度，
(5)
式中，H0为减震弹簧长；D2为减震弹簧中径。
弹簧芯轴的作用是增加减震弹簧装置的稳定性，弹簧芯轴与减震弹簧之间的距离为3 mm。上式可知，弹簧长度H0=300 mm，芯轴的外杆直径为：d=100 mm。
(6)减震弹簧强度校核
设减震弹簧工作过程中最小载荷为F1，最大载荷为F2，因此减震弹簧所受的最大和最小循环切应力为，
(6)
(7)
计算弹簧的疲劳强度安全系数，
(8)
式中，τ0为自激振动弹簧材料受到循环剪切载荷时的疲劳极限；SF为自激振动弹簧疲劳强度安全系数的设计值；
(7)减震弹簧静应力强度验算
安全系数计算值Ssca：
(9)
式中，τs为减震弹簧材料的剪切屈服极限，N/m2；Ssca为减震弹簧材料的安全系数计算值；
4 结语
针对我国河南中西部地区现有的中耕除草机械工作时易损伤除草铲，且除草铲在工作过程中易被杂草缠绕、难以剥离等问题设计了一种能够防止除草铲损伤、减小杂草缠绕的中耕除草机。它采取了可调节的机架结构，减震弹簧为调节部件，能够大大提高除草效率。
