高速数字多功能土槽试验台车的设计

高速数字多功能土槽试验台车的设计传统的耕作试验需要单独进行松土、铲平、压实、旋耕等工序，各工序的间隔时间较长，效率较低，而且要消耗大量的劳动力，为了解决这一问题，我们迫切的需要研制出一种新型的机械设备，用它来代替人力。

高速数字多功能土槽试验台车正是要符合这些要求的一种机械设备，它能够将松土、铲平、压实、旋耕等各道工序连为一体，并且能够单独控制各道工序。

台车中使用了液压系统来实现各工作部件的升降与推拉，非常的平稳。

土槽试验台车必定有着很广阔的发展前景。

但由于个人水平问题及相关资料缺乏，整个设计依然存在着不足之处，需要经过实践的考证。

1 绪论目前我国从中央到地方掀起了大抓农业、科教兴农的热潮，农业高科技示范园区像雨后春笋遍地开花。

"九五"期间，国家科技部将工厂化高效农业示范工程列为国家重大科技产业工程，这是唯一的一项农业产业示范工程项目，与电动汽车、小康住宅，高清晰度电视等高科技工业产业化项目并驾齐驱，这在我国还是第一次，说明了农业现代化的重要性。

党的十五届三中全会做出了＂中共中央关于农业和农村工作若干重大问题的决定＂，其中谈到今后工作重点时，提到了"现代集约化种养技术"，这里面的"种"，它与人民生活水平与生活质量的提高关系极为密切。

因此加快农业科技创新，是适应农业发展新阶段、新形势的迫切需要。

我国农业经过20年来的改革与发展，目前已进入一个新的历史发展阶段。

农产品供给短缺的局面已为供给相对过剩所取代，买方市场正在形成。

农民面临着来自自然和市场两个风险的压力；农业和农村经济的发展，随着体制转轨，由过去受资源约束转向来自资源和市场的双重约束，受到了极大的困扰；农业收入的增长也由过去依靠生产总量增加转向增产和市场双重依赖，而且市场条件日益突出起来。

通过快速高效的农业技术创新能够实现资源的有效替代，开发出新产品，因而能够有效地缓解新阶段农业发展过程中的两个紧约束。

农业技术创新就是实现农业生产要素的重新组合，用较充足的资源替代更为稀缺的资源，从而将一项又一项的稀缺资源约束解除。

农业发展与农民增收在新阶段出现徘徊局面，其中在很大程度上可以归因于农产品品质与市场需求不适应。

产品创新和过程创新是农业技术创新的两个重要形式，通过产品创新能够不断改进农产品的品质，更新农产品，生产出更能满足消费者需要的农产品，通过过程创新还能够开拓市场空间，从而不断解除农业发展的市场约束，实现农业生产结构的调整，增加农民的收入1.1 设计目的和意义要开发出农业产品的新品种，就需要进行不断的试验，而在田里进行常规的试验会受到季节与气候的影响；试验周期较长；试验重复性差；很多因素多不能控制；对比性较差；试验精度较低，采集的数据不够准确可靠。

这使得我们迫切的需要一种特殊的，更有优势的试验环境。

土槽正是在这种环境下诞生且被广泛运用的。

利用土槽试验是极其优越的研究手段，其特点是：试验可以不受季节与气候的影响；缩短试验周期；试验重复性好；可以控制有关因素；有较强的对比性；试验精度高，采集的数据准确可靠。

传统的耕作试验需要单独进行松土、铲平、压实、旋耕等工序，各工序的间隔时间较长，效率较低，而且要消耗大量的劳动力，为了解决这一问题，我们迫切的需要研制出一种新型的机械设备，用它来代替人力。

高速数字多功能土槽试验台车正是要符合这些要求的一种机械设备，它能够将松土、铲平、压实、旋耕等各道工序连为一体，并且能够单独控制各道工序。

1.2 研究内容(1)高速数字多功能土槽试验台车框架设计；(2)铲子、旋耕机、压实滚和试验台车框架的连接；(3)铲子、旋耕机和压实滚子的驱动；2台车外部框架的设计由于方管结构具有剪心、形心重合，抗扭性能好，抗弯刚度较大，组成的结构外形美观等优点，所以决定台车的外部框架采用方管结构。

如图1所示为方形钢管的截面示意图。

根据台车的整体结构，决定选择160×160mm的方形光管图1：方形钢管截面图2.1国内外钢管结构的研究现状钢管结构的应用始于英国，Sheffield大学的 Eastwood与Wood(1970年)提出了非常重要的设计方法。

Steleo公司(1971年)出版了世界上第一本钢管连接设计手册，1981年又出版了该手册的第二版；20世纪70年代末80年代初国际管结构和研究会(CIDECT)也开始进行大量的研究工作；随后国际焊接协会(IIW)在1981年发表了一套新的极限状态设计方法，并于1982年对这些方法作了修正。

这些方法被认为是比较合理的钢管连接设计方法。

随后在20世纪80年代人们对钢管结构设计有了较深的认识，并有了一些有关钢管的正规出版物，如“CIDECT Book”(CIDECT1984)；1985年后IIW又给出了焊接钢管连接的疲劳设计，对其静载焊接接设计方法进行了更新，出版了这一设计方法的第二版(IIW 1989)．新的设计方法得到国际上的广泛认可，被许多国际组织采用。

如欧洲规范Eurocode3、德国DIN、美国AWS、英国BS、加拿大CAN/CSA—S16．1一M89、日本AIJ、CIDECT钢管设计指导“一、CONSTRUCTIONAL STEEL DE-SIGN 等规范和著作中。

2.2 方管焊接要注意的问题(1)方管桁架的受力模型应根据节点连接形式及荷载情况综台确定，不能简单地认为是铰接。

(2)与一般节点板桁架不同，焊接方管桁架的承载力不仅决定于杆件的承载力，而且取决于节点连接强度。

而节点强度不仅依赖于焊缝的强度，而且取决于节点的连接方式和连接杆件的几何参数。

(3)节点的失效模式与连接杆件的几何参数、连接方式有关，限定参数的取值范围，可以控制节点的失效模式。

连接强度的计算公式是依据这些因素来确定的。

(4)与一般节点板桁架结构相比，焊接方管桁架对材料的利用更充分、受力更合理、杆件数量少、制造加工简单、结构形式美观，是一种很有前途的结构形式。

(5)钢管结构的发展趋势为连接方式越来越简化。

即：只要有可能就要取消节点板、加劲肋及其它加强措施…。

在各种桁架类型中以Warren型最为经济，这种桁架的腹杆数量少，桁槊节点数量少，与Pratt桁架相比Warren桁架只有它一半数量的腹杆和节点，较长的受压杆发挥了钢管构件的有效受压特性，桁槊的制造费用和总费用都比较低，所以被普遍采用。

2.3 通过确定装配焊接顺序来合理地焊接2.3.1局部焊接顺序由于结构关系，工件施焊中无法自由收缩，因此装配焊接顺序的选择以尽量减少收缩变形为目标。

先将各件点固，如图3所示．槽钢内部形成了一个小范围的刚性夹持区，槽钢相当于一个小的刚性夹具，所以先进行槽钢内部三条焊缝的第一层焊接，完成后转到另一处重复上述过程直至各槽内部焊缝第一层焊完。

然后重复以上过程完成槽钢内部焊缝其余层的焊接。

内部焊缝完成后再进行外部焊缝的焊接，其顺序及原则同上。

2.3.2总体焊接顺序槽钢与角钢连接后，(如图1所示)沿尺寸3300方向会有收缩变形，若焊接顺序由框架两端向框架中间焊接，则最后中部槽钢受拉，两端槽钢受压，角钢有内凹趋势，角钢形状不对称会导致其短边出现下挠现象，造成挠曲变形量增大。

因此决定焊接顺序改为从框架中间向两端焊接，其变形规律与上述情况相反，焊后整个封闭框架弯曲变形较小。

[8][9][10]3 台车运动部件的设计由于台车需要横跨土槽运动工作，土壤脚软，用普通的轮胎结构运动不方便。

另外，台车每次工作都是沿着同一线路，所以决定在土槽两端铺设铁轨，在台车使用滚子结构来实现它的运动。

铁轨决定使用普通的轻轨。

3.1滚子式台车的特点滚子式台车与传统的铁路平车结构不同，主要利用滚子来传递，而不是传统的轮子。

滚子式台车的结构。

主要由滚子、滚子箱、箱盖、导向轮、主梁、聚四氟乙烯滑块、转向承压板和轨距控制杆等组成。

滚子箱为焊接件，两组滚子通过连接板、销轴连成一体，装在两个滚子箱内，起行走和传递载荷给支承面(钢轨或铺有钢板的地面)的作用，导向轮装于滚子箱的两端，保持滚子式台车的运行方向，两根轨距控制杆装在箱体的内侧，与导向轮轴联结，使滚子式台车成为一体。

箱盖扣装在滚子箱上，主梁与箱盖用螺栓联结，为减小摩擦力在主梁与转向承压板之间装有聚四氯乙烯滑块。

(1)载重量大。

因用滚子代替了传统的轮子，滚子的数量多，减少了与钢轨的接触应力，从而提高了承载能力。

(2)自重轻。

由于滚子体积小重量轻，承载能力大。

(3)稳定性好。

因滚子的直径小，降低了滚子式台车的高度，增加了行驶的稳定性。

(4)结构简单。

滚子式台车装拆、调试方便。

[1]4 梁的设计由于槽钢抗弯能力强、重量轻、便于连接、能够降低成本。

因此决定台车中的结构梁使用槽钢。

如图3所示为槽钢的截面示意图。

结构中梁的总长度2185L mm =，旋耕机的质量为150m kg =，则旋耕机的重量为1509.81470G mg N N ==⨯=，即梁承受的压力为1470P G N ==。

当旋耕机出于梁的中点是梁的弯矩最大，则此时梁上的弯曲应力为最大弯曲应力。

对梁进行应力分析如图2所示。

由maxmax M Wσ=，槽钢的材料选用45号钢，则其许用应力为[]100a MP σ=。

图2：槽钢的弯曲应力图图3：槽钢的截面图符号意义：h －高度 I －惯性矩 b －脚宽 W －截面系数 d －腰厚 i －惯性半径 t －平均脚厚 Z －Y －Y 与边的距离表1－1 型号尺寸截面面积理论重量参考数值hb dtX －X Y －Y ZW xI x i x W Y I Y i Y （毫米）（厘米2） 公斤/米（厘米3） （厘米4） （厘米） （厘米3） （厘米4） （厘米） （厘米） 8 80 43 5 8 10.24 8.04 25.3 101.3 3.15 5.79 16.6 1.27 1.43 10100485.38.512.741039.7198.33.957.8 25.61.411.52要使梁的刚度满足要求则需：[]maxmax M Wσσ=≤，即max 2.1851509.82100aMP Wσ⨯⨯=≤63361509.8 1.092516.051016.0510010W m cm -⨯⨯⇒≥=⨯=⨯。

此处的W 即为表1－1中的Y W ，查表1－1可选用型号为16a 的槽钢。

其160,63, 6.5,10h mm b mm d mm t mm ====,截面面积为221.31cm ，理论重量为17.23/kg m5升降与推拉系统设计 5.1液压传动的优缺点5.1.1与机械传动和电力拖动系统相比，液压传动具有以下优点：(1) 元件的布置不受严格的空间位置关系限制，系统中各部分用管道连接，布局安装有很大的灵活性，能构成用其他方法难以组成的复杂系统。