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1、 摘要 本文开创性地提出了基于刀式矿土复合型链式开沟机的设计方法。本课题中链式开沟机是对传统开沟机的改良和提高，它结构合理，使用方便，便于安装和拆卸，适合于农田水利设施的沟渠的开挖和通信领域的缆线铺设开沟作业的要求，其开沟深度和宽度较以往开沟机都有了较大的改变，并可以通过更换链刀，增加链节等方便的满足所开沟的具体要求。 本文简要介绍了国内外开沟机的发展历史，并介绍了国外著名开沟机的生产厂商及其主要产品及近年来国内各科研院所和生产厂家自主开发的链式开沟机，指出链式开沟机以其优势已经成为沟渠开挖和缆线铺设领域里的主要施工设备。简述了本人的研究课题的名称、所要达到的目的以及课题在理论与现实上的重大意
2、义。 文章中还介绍了链条的发展历史，分别论述了链传动与齿轮传动和带传动相比的优点和不足之处，以及链传动的应用。提出了链式开沟机设计的初步理论，并参照较为传统的旋转开沟机，对开沟机这一常见的施工设备的基本结构和主要的工作部件进行了简要的介绍和分析并对链式开沟机的工作原理进行了介绍。 全套图纸，加153893706本文在确定链式开沟机的基本参数上，参阅相关的参考文献，并创造性地将已有研究成果和本课题的创新部分相结合，系统地对链式开沟机进行了运动学和动力学分析，并基于开沟机开沟过程的分析，创造性地利用开挖土壤的模型对开沟机开沟功耗做了较为详细的研究，结合切削厚度公式指出开沟机悬臂倾角为 45时切削厚
3、度取得极值，首次提出了在沙性土和泥炭土中开沟机悬臂倾角控制在 4555之间较为合理的理论依据，并对开沟机的稳定性进行了一定的研究。最后根据相关条件和公式的整合和计算，给出了链式开沟机的整体参数初步拟定计算值。 I 摘要 文章中提出了链式开沟机的主要部件的设计过程，包括链式开沟机的减速装置，开沟链的支撑装置和张紧装置。另外，文中提出了一种新式链轮的结构，以往的传统的链传动中，链条与链轮的啮合形式是链条夹链轮，而本课题中的链轮和链条的啮合结构是“链条骑在链轮上”，即链轮夹链条。对于从动链轮，考虑到开沟链的特殊工作环境，为避免在轮齿和链条相互啮合时有土壤颗粒掉落其上导致降低工作效率和使用寿命，本课题
4、中的从动链轮采用光轮设计，以选用轴承的外圈作为链轮的外表面，轴承内圈转动而外圈不动，两侧以螺栓各固定一块圆形挡板，挡板与轴承外圈出加以迷宫密封。这种结构的好处是大大减小了开沟链轮的宽度，对于满足本课题中的宽度要求是十分关键的，在减小宽度的同时又保证了正常链轮的工作要求。 本文还通过土壤切削阻力试验，进一步验证了链式开沟机开沟链的受力情况。在中型土槽中，将受试链条固定在台车前端的传感器上，每次递增一节链条。通过 3 至 14 节链条的递增实验，获得共 12 组数据，根据所得数据，从中选择具有典型特征的 3 组，计算单链刀的受力值，并将 12 组数据取均值再求链刀阻力，计算所得链刀阻力值与前面参数
5、确定模块中确定的单链刀阻力相比较，发现差值在实际情况允许的范围内。在试验中，由于共进行了 12 组试验，对于前 10 节链条组成一组，后 4 节分别挂接后，其阻力变化不大，从而得出当链刀成组挂接后，后面再加节额外链节，其整体链条所受阻力基本不再变化的试验结论。 关键词：链式开沟机 设计方法 链轮 链刀 切削阻力II 吉林大学硕士研究生学位论文 AbstractThis paper creatively put forward a composite mine chain trencher whic h is based on the blade styleThe chain trencher
6、in this issue modified and improved the traditional chain trencher,the structure of which is reasonable and convenient for use, easy installation and removal, suitable for irrigation facilities in the trench excavation and in the field of telecommunications cable laying ditching iperations, its ditc
7、hing width and depth than ever before ditching m achine has a large size of the corresponding change,and convenient to replace the chain tooth and add chain element so as to meet the specific requirements of ditching. This paper introduces the historical development of the domestic and abroad ditchi
8、ng machine,and the famous ditching machine manufactures and their typical products,and some same products which are developed by domestic research institutes and manufacturers independentlyPoint out that the chain trencher with its advantage for trench excavation and laying cable has becomed the mai
9、n construction equipment.And make a brief description of my res earch projects name,as well as the purpose of the major topics and the significance of this issue in theory and practice The artical also gave a brief introduction of the history of the chain development, and described advantage and dis
10、advantage of the chain drive gear drive and belt drive respectively,and the use of chain driveIn the light of the more traditional rotary ditching machine, make some brief introduction and analy sis to the basic structure and major working parts of ditching machine which is a common operation facili
11、ty, and make a introduction of the III Abstract chain trenchers working principle. Based on the determining of the basic parameters of the chain trencher,in conjunction with relevant references, combine the results which have be made and parts which are innovative in this issue, make kinematic and d
12、ynamic analysis for chain trencher systematically.And based on the analysis of the ditching process of chain trencher make more detailed study on ditching efficiency of chain trencher, and creatively use of the soil excavation unit model make research on the power consumption of the chain trencher.C
13、ombine the formula of cutting thickness,make use of mathematical methods gave out the theoretical basis of the ditching arm angle which should be controled around 45in the first time.finally, according to the corresponding conditions and the integration and calculation to formula, gave the overall c
14、hain trencher tentatively set the calculated parameters. The article point out the design process of the chain trenchers main components,which included the deceleration device and tension deviceIn addition, the text for the first time proposed an new sproket structure.In the conventional chain drive
15、, the mesh form is the chain nip the sproket, but in this article, the mesh form of the sproket and chain is the chain ride on the sproket, namely the sproket nip the chain.For the driven sproket,considering the specific working conditions of ditching chain,to avoid the soil particles droping on the
16、 sproket and chain when they are meshing result in reducing the working efficiency and serviceable life, so in this text,the driven sproket adopted a sproket which has no teeththis sproket form is to use bearings outer ring as the outer surface of the sproket,and when the bearings inner ring rotatin
17、g the bearings outer ring doesnt rotate.The driven sprokets two IV 吉林大学硕士研究生学位论文 sides add baffles which are fixed by bolts, and using labyrinth seal within the baffles and the bearings outer ringThis structures advantage is reducing the width of the sproket greatly, which meet the requirement of th
18、is article, in reducing the width at the same time ensures the normal chain requirements for the work. This paper also through the soil cutting resistance test, further verified the force of the chain trenchers ditching chain.In the medium soil bin, fixed the testing chain on the sensor which is set
19、 in front of the soil bin car, and add one chain element everytime.Through 3 to 14 chain elements Increased testing, geting total 12 datas, and according the datas, choose 3 typical groups, calculating the force of the chain tooth, and make the average of the 12 groups of datas so as to compute the
20、resistance of the chain tooth.The computing value of the chain tooths resistance is almost same as the former value which is determined by parameters, and the margin is in the the actual situation within the allowable range.In the test, as a total of 12 sets of tests,for the former 10 chain formed a
21、 group, after four were articulated, their resistance have changed little, so as to come up with a conclusion that when one chain group is articulated, if ariculate additional chain elements, the total resistance will not change. Key Words: Chain trencher Design method Chain tooth Sproket Cutting re
22、sistanceV 目录 内容提要 目录 第一章 总论 .1 1-1 开沟机的发展及国内外研究现状 .1 1-2 本论文的主要工作及意义 .6 1-3 本论文的章节安排 .6 第二章 链传动概述 及链式开沟机设计的初步理论 .9 2-1 链传动概述 .9 2-2 链式开沟机设计的初步理论 .13 2-3 开沟机的工作原理 .16 第三章 链式开沟机整体参数的确定 .19 3-1 链式开沟机的运动学分析 .19 3-2 链式开沟机的动力学分析 .23 3-3 对开沟效率的研究 .26 3-4 开沟机稳定性研究 .31 3-5 链式开沟机的整体参数计算与确定 .36 第四章 链式开沟机主要部分的设
23、计研究 .37 4-1 链式开沟机减速箱设计 .37 4-2 链式开沟机支撑部件设计 .40 4-3 链式开沟机张紧部分设计 .42 4-4 开沟机开沟链轮的设计 .45 4-5 液压悬挂装置设计 .49 第五章 土壤切削阻力试验 .53 I 目录 5-1 理论准备 .53 5-2 土壤切削试验 .55 第六章 总结 .61 6-1 结论 .61 6-2 对进一步研究的一些想法 .62 参考文献 .65 摘要 . I Abstract . .III 致谢 导师及作者简介 II 第一章 总论 1-1 开沟机的发展及国内外研究现状 开沟机的历 史悠久，早期的犁铧 工具1就是开沟机的雏 形，只不过没
24、有动23力驱动，且相关的部件和结构原理没有成型和系统的研究。到了上世纪 50 年代开始，伴随着机械化的普及，在一些二战后的发达国家开始使用机械开沟机进行大范围的农耕化作业，大大提高了劳动生产率。随着技术的不断进步和日益增多的工作要求，开沟设备的研究走进了一个新的时代，较为成型的开沟设备不断涌现。到了 60 年代，旋转式开沟机 已发展成为一种先进的连续挖土机械。适宜开挖梯形截面的农用沟渠。由于它牵引阻力小，能均匀散开沟内土壤，工作效率高，因而获得迅速的发展和广泛的使用。前苏联、意大利、法国和西德等国都有不同型号的系列产品，有的远销国外。从 70 年代末期开始，以链式开沟机的研究逐渐兴起，到了 8
25、0 年代中期，美国等国已经有了较为成型的链式开沟设备。链式开沟机设备简单，组装方便，多为悬挂于农用拖拉机后端的可拆卸设备。其工作效率突出，且扩大了使用范围，随着电信事业广播光缆的铺设需要，链式开沟机的使用更为广泛，目前已经在多个领域使用。 国外最早生产开沟机的国家主要是美国和前苏联。其发展过程大致也是从犁铧式开始的，目前主要的开沟机生产厂商均在美国。美国 GASE 公司，是世界知名的农机生产厂商，其 60 系列开沟机有七个机型，功率 9.7-57.4 KW ，最新推出的 960 机型 （如图 1-1），其根据土壤条件的不同，图 1-1 Case 960 型开沟机 可配链式开沟器和岩石轮等开沟装
26、置。根据土壤硬度和管线直径的大小，可为开沟机选1 第一章 总论 Ditch Witch RT-36 型 挖沟机 配杯型齿、岩石和冻土齿等不同种材质和尺寸的链条和齿块。在机器的前部同时装配挖掘装置和六向推土板，可实现开沟、扩宽、回填的连续作业、震动犁、饶线轮、岩石切割轮、六向推土板、挖掘装置等各种可选附件，大大增强了机器性能和应用范围。 美国 Charles Machine Works 公司，著名的 Ditch Witch 挖沟机就 是该公司的产品。创始人 Ed Malzahn 在 1950 年发明了世界 上第一 台小型 挖沟机 ，据称 世界上一半以上使用的是 Dich Witch 挖沟机。现在
27、该公司 74.6 KW 以下挖沟 机有 10 个机型。2004 年推出的 RT-36 型挖沟机（如图1-2）其挖掘驱动为链 传动，行走驱动为闭图 1-2 式静液压传动，无级调速；有 3 种挖沟的臂可供选择，根据作业条件可配装不同的挖沟齿。 美国 Burkeen 公司有 3 种挖沟机，功率范围 9.7-34.3 KW ，B-30B 型（如图 1-3）的其功率为 34.3 KW ，挖沟装置与驾驶位间采用橡胶减振隔离，网状 ROPS 防止驾驶员被 抛起物击伤 ；独特的液 压驱动链张紧装置 ，可变长度 挖沟臂组件 ，只需增加链轨节 和调节挖沟 臂张紧液压 缸就可实现0.9 m 、1.2 m 、1.5
28、m 三种挖沟深度。 图 1-3Burkeen B-30B 型 开沟机 2 吉林大学硕士研究生学位论文 Vermeer RT450 型 开沟机 A.F.Trenchers 65 型 开沟机 美国 Vermeer 公司的系列开沟机，以 RT450（如图 1-4）为代表的链式开沟机，开挖深度可达 1.52 m ，开沟宽度在 13-30 cm 范围，静力液压系统制动，可适用于多种工况。 以 AFT 65 型开沟机为代表的著名挖沟机生产厂商美国 A.F.Trenchers 有限公司。该型开沟机采用拖拉机牵引，在崎岖不平的地形上能够显示很高的工作性能。开沟设备挂接 50-80 马力的标准拖拉机，并不需要对
29、标准拖拉机的结构做任何修改。能应用于广泛的工作场合，适合多种拖拉机型。高速开图 1-4 沟，较传统的锄耕机速度快 10 倍，精简设备尺寸，降低了设备成本。4 种开沟深度可供选择，包括：1000 mm ，1150 mm ，1300 mm ，1450 mm 。是理想的管道，光缆铺设设备，还可用于市政建设和农业水利建设等。 美国的 RWF Industries 公司，该公司的挖沟机均为大型机，主要用于农田灌溉， 水利工程和管 ，缆的铺设。 功率范围在 150-336 KW ，挖深可达 3 m ，宽0.6 m ；用于管线铺埋的 4 种机型犁深可达 2.4 m ，Bron150 管线铺埋机有双卷缆机构，
30、 为可伸缩式， 线缆轴宽度可 调；行走机 构为履带式， 静液压驱动， 2 挡自动变速，底盘可锁定或浮动。 图 1-5Maxon 公司，该公司以 Parsons 的牌子生产 10 种挖沟机。最近对其中小型挖沟机进行了许多技术改进，改进后的T-20 型开沟机（如图 1-6），功率为 14.9 K W ，不需增加任何附件就可进行中3 第一章 总论 心挖 掘和侧 置挖掘的 切换， 有履带 行走装置供 选择， 液压驱动 的行走 系统可 滑移转向，在狭窄场地有很大的机动性能。T 系列最大机型 T-950，为前轮驱动，铰接式机架，静 液 压 行 走 驱 动 无 调 速 ， 行 驶 速 度 达19.2 km
31、/ h ；挖沟链有 4 挡前转速度，1 挡反转速度适应不同作业需要。 图 1-6 Parsons T-20 开沟机 4国内的开沟机的研究和使用起步比较晚，1975 年，我国农垦系统引进了意大利菲亚特公司 FLAT 系列旋转圆盘挖沟机，有侧置式清淤机，悬挂式毛渠挖沟机，悬挂式斗渠双圆盘挖沟机，悬挂式斗渠单圆盘挖沟机，共 4 种，用 73.5 K W的拖拉机带动。此后在 1975-1982 年期间，农垦系统大学，科研所等十多家单位参考 FLAT 挖沟机，分别研制了多种类型挖沟机，由于技术和拖拉机配套等原因，多数未能成功，只有两三种可以使用，但最终没能推广。上世纪 80 年代中期，国家引进了少量挖沟
32、机，主要用于农业暗管排水工程。之后，由水利部牵头，上海拖拉机厂、无锡拖拉机厂和丹东拖拉机厂分别开发了用 55 K W 拖拉机改装的挖沟机，由于技术性能和经济性等原因，这些挖沟机几年后就逐渐被淘汰。中国石油天然气集团公司下属数个管道施工公司，多年来承担了许多过内外管线施工工程，曾先后从国外进口十几台大型履带式挖沟机和轮斗式挖沟机，但仍不能满足工程需要。进口设备价格昂贵，制约了用户的消费需求。另外，国内有少量的道路和电缆通讯工程公司也购置一些中小型挖沟机用于管道和电缆的工程施 工，功率一般为 45-65 KW 。农业上使 用的类似旋耕机的小型挖沟机，由于沟型较小，工程挖沟不能使用，一般也不计入工程
33、机械。安徽省宣州市孙埠镇农机管理服务站于 1991 年对 8.8 K W 手扶拖拉机配套农具旋耕机进行合理的改装，研制出 1KS-20 型卧式弯刀开沟机 ，该机在不同的条件下（田块大小、土壤坚实度、土壤类型）的田块有较高的适应性。可一次性完4 吉林大学硕士研究生学位论文 5改装成挖沟机 GC65，并于678成开沟、碎土、抛土、覆盖等多道工序。沟型及宽窄、深浅均可调，抛土覆盖均匀，不需要人工清沟。生产率高，耗油少，装卸方便，经济效益高。江苏省高邮市平安开沟机厂 1995 年生产的平安牌 1KS-30 型单悬臂式开沟机 如图（1-7），具 有独臂 机架 即单悬臂 机架和框架式刀 盘和分层切 削刀片
34、。普遍采 用通用件和 管材，使重量及 成本降低， 强度提高。获得 了良 好 的 生 产 效 益 和 社 会 效益。 2000 年天津工程机械研究院利 用 TN654 型拖拉 机图 1-7 1KS-30 型 单悬臂式开沟机 2002 年研制 GC65G 型链刀式开沟机 可用于水利管沟和电缆 铺设工程，该机为机械 传动，但其功率与挖沟效率比，达到了国外的较为先进水平，现有小批量生产。该机采用天津拖拉机厂生产的铁牛 654LA 拖拉机为底盘，后部加设链铲挖沟装置，前部装有回填铲，使其能完成挖沟回填综合作业。挖沟装置和回填铲与拖拉机主体都采用螺栓连接，非挖沟作业期间可拆卸下来，恢复拖拉机功能。同年，天
35、津工程机械研究院根据西气东输的需要，开发出 WG300 型履带式全液压挖沟机 。该机最大挖沟宽度可达 900 mm ，最大挖沟深度 2200 mm ，挖掘链速度 04 m / s ，作业速度最高可达 1400 m / h 。 由中国农业机械化科学研究院耕作种植机械研究所研制的具有代表性的链式开沟机 1KZ-30 型自走式和 1K-30 型悬挂式链式开沟机 。这两种链式开沟机主要用于农田矩形沟槽铺设管道或电缆，以及种植山药等农作物。特点是投5 第一章 总论 图 1-8 1KZ-30 型自走式链式开沟机 资少，一台机器能替代几十个工人的工作，开沟质量 好 ， 沟 宽 可 控 制 到100 mm ，
36、 深 度 可 达1500 mm ，沟直壁陡，切削 刀 片 和链 条 采 用特 殊材料与工艺制造，使用寿命长，另外该两种机型的工作效率也很高，其中自走式的效率更为突出。整机结构简单，操作方便，维护容易。 1-2 本论文的主要工作及意义 为了进一步提高链式开沟机的工作效率，使其在深度在两米或两米以上的工况环境中顺利工作，鉴于目前尚未发现有开沟宽度为 80 mm ，深度能够达到2000 mm 的开沟 设备，通过本课题的 研究，确定能够满足上 述要求的链式开沟机的结构，参数的计算，分析了部件的受力情况以及推导了开沟机的整体功率消耗公式。此外，给出了计算链式开沟机的具体尺寸的步骤，结合装配图的绘制，进行
37、了相应的部分结构和尺寸的合理化调整。在设计完链式开沟机的整机框架以后，针对链条在土壤中的受力情况，提出了具体的实验方案，通过实验，验证本课题设计的合理性。 1-3 本论文的章节安排 第一章：总论 介绍了链式开沟机的发展和本课题所属领域国内外的研究现状，分析了本6 吉林大学硕士研究生学位论文 文研究的必要性及可行性，明确了研究目的和意义，最后确定了本文的具体研究内容。 第二章：链传动概述及链式开沟机的设计 这一 章主 要介绍 链传 动的 结构特 点以 及相对 于其 他主要 传动 形式的 优越性。链式开沟机设计的初步理论和链式开沟机的基本结构和基本组成。 第三章：链式开沟机的整体参数的确定 这一章通过对已有的结论的分析，推导出本课题中需要的链式开沟机的整机参数的确定，进而推导出链式开沟机的功率消耗公式，为链式开沟机的设计打下基础。 第四章：链式开沟机主要部分的设计研究 本章主要介绍基于本课题要求的链式开沟机各主要部分结构的确定及相关尺寸的计算。 第五章：土壤力学试验 本章通过对土壤实验的理解和分析，结合本课题，研究开沟链条工作时在土壤中其与土壤的相互作用，并
