張富貴,孫效荷,吳雪梅,彭大超,張 龍

(1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,貴陽(yáng) 550025;2.貴州智慧山地農(nóng)業(yè)發(fā)展研究院,貴陽(yáng) 550025;3.貴州山地智慧農(nóng)業(yè)科技有限公司,貴陽(yáng) 550025)

0 引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤的機(jī)械翻耕及深松普遍使用傳統(tǒng)鏵式犁及深松鏟,具有打破犁底層、增加土壤透氣性及透水性的作用[1],但其工作深度一般在15～20cm,無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正意義上的深耕。由于長(zhǎng)時(shí)間在此范圍內(nèi)進(jìn)行翻耕,耕層下仍會(huì)形成10cm左右的堅(jiān)硬的犁底層,使土壤的透氣、透水、保水抗旱抗?jié)承阅茏儾頪2]。目前,國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤翻耕使用的機(jī)具主要是鏵式犁、圓盤犁及深松犁等各種犁具[3-8],為實(shí)現(xiàn)土壤深耕,以上機(jī)具均與拖拉機(jī)配合進(jìn)行耕作。由于機(jī)具的功率消耗、體積、耕作面積及質(zhì)量都相對(duì)較大,所以較適合北方平原地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn),但南方丘陵山區(qū),由于其土地零散、地形條件復(fù)雜等多方面原因,大型機(jī)械作為翻耕機(jī)具所適用大面積作業(yè),故大多數(shù)地區(qū)都使用微耕機(jī)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)牛耕。微耕機(jī)[9-12]以其小巧輕便及操作方便的優(yōu)勢(shì)受到山區(qū)農(nóng)民的歡迎,但目前市場(chǎng)上銷售的微耕機(jī)的耕深一般都在20cm左右,多年使用這種淺耕微耕機(jī)進(jìn)行土壤耕作,會(huì)造成土地耕層淺,影響作物根系下扎及水、肥入滲困難等問(wèn)題[13-14]。近年來(lái),針對(duì)此情況,各地紛紛改進(jìn)并設(shè)計(jì)出不同類型的小型深耕機(jī)具。例如,廣西五豐機(jī)械廠生產(chǎn)了適用于大塊平地的一種大型螺旋深耕機(jī),能一次性完成傳統(tǒng)犁、耙、碎等程序[15]。西北農(nóng)林科技大學(xué)薛子萱等人根據(jù)果園有機(jī)肥深施作業(yè)要求設(shè)計(jì)出一種立式螺旋開(kāi)溝機(jī)。螺旋刀具是立式螺旋開(kāi)溝機(jī)的主要工作部件,因其結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)動(dòng)性靈活、適合開(kāi)短溝槽等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于果園開(kāi)溝作業(yè)[16]。衛(wèi)韋等設(shè)計(jì)的第一代小型履帶式鏈?zhǔn)缴罡麢C(jī),可以打破犁底層且解決了纏草的弊端[16]?？傊?這些機(jī)具仍存在耕深沒(méi)有達(dá)到打破犁底層且效率不高或是存在嚴(yán)重的纏草現(xiàn)象,因而并沒(méi)有得到大量的推廣使用。

為解決上述問(wèn)題,本文設(shè)計(jì)了一種小型自走式螺旋深耕機(jī),可適應(yīng)丘陵及類似貴州山區(qū)的復(fù)雜地形,并達(dá)到耕深至少25cm、耕寬為30cm的要求。此外,小型自走式螺旋深耕機(jī)由液壓裝置驅(qū)動(dòng)刀具,為其切削土壤提供了充足的扭矩,使機(jī)器結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單并減少了小型機(jī)具動(dòng)力不足及效率低的弊端。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

小型自走式螺旋深耕機(jī)主要由機(jī)架、動(dòng)力裝置、齒輪箱、液壓裝置[18]、螺旋深耕裝置、履帶行走裝置[19-21]及操作系統(tǒng)裝置組成,如圖1所示。為得到充足動(dòng)力,動(dòng)力裝置采用8.8kW風(fēng)冷柴油機(jī)驅(qū)動(dòng),變速箱分上輸出軸及下輸出軸分別輸出動(dòng)力,上輸出軸帶動(dòng)從動(dòng)輪給液壓裝置提供耕作動(dòng)力,下輸出軸帶動(dòng)履帶行走裝置,通過(guò)變速箱驅(qū)動(dòng)小型自走式螺旋深耕機(jī)的行走。工作時(shí),液壓泵將變速箱輸出軸上輸出的動(dòng)力傳遞給液壓馬達(dá)及液壓缸,液壓馬達(dá)連接在齒輪箱的上方來(lái)控制齒輪箱內(nèi)的齒輪旋轉(zhuǎn)從而控制螺旋深耕裝置的旋轉(zhuǎn);液壓缸用于控制后部機(jī)架的整體上下提升,可以通過(guò)調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)從而控制齒輪箱中錐齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速率及轉(zhuǎn)動(dòng)方向,使螺旋深耕刀進(jìn)行對(duì)轉(zhuǎn),達(dá)到便于入土或便于出土的目的。

1.主動(dòng)輪 2.發(fā)動(dòng)機(jī) 3.從動(dòng)輪 4.液壓泵 5.液壓缸 6.液壓馬達(dá)

1.2 工作原理

1.3 技術(shù)參數(shù)

該小型自走式螺旋深耕機(jī)主要適用于類似貴州山區(qū)及一些地形復(fù)雜且淺耕層下形成板結(jié)犁底層的土地,螺旋深耕刀耕深預(yù)計(jì)可達(dá)到30cm,可以實(shí)現(xiàn)打破淺耕層下形成板結(jié)犁底層并可以實(shí)現(xiàn)真正的深耕。小型自走式螺旋深耕機(jī)的行走裝置選用了履帶,解決了如貴州此類復(fù)雜地形導(dǎo)致大型機(jī)械難以進(jìn)入的問(wèn)題。其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 液壓元件的參數(shù)計(jì)算及選擇

2.1.1 液壓馬達(dá)的選取

農(nóng)業(yè)機(jī)械和小型工程機(jī)械輔助結(jié)構(gòu)的工作壓力一般在10～16MPa內(nèi)選擇,查閱類似相關(guān)設(shè)計(jì),初定液壓系統(tǒng)的工作壓力為14MPa,如圖2所示。

表1 小型自走式螺旋深耕機(jī)技術(shù)參數(shù)

圖2 5MCY液壓馬達(dá)

液壓馬達(dá)的選型一般根據(jù)馬達(dá)的額定工作壓力、理論扭矩、理論排量和額定轉(zhuǎn)速4個(gè)指標(biāo)。要求馬達(dá)的額定工作壓力不低于液壓系統(tǒng)的工作壓力,馬達(dá)的理論扭矩應(yīng)大于馬達(dá)工作時(shí)最大阻力矩,馬達(dá)的額定轉(zhuǎn)速應(yīng)該大于馬達(dá)工作時(shí)的最高轉(zhuǎn)速。馬達(dá)的理論排量跟馬達(dá)的理論扭矩和工作壓力有關(guān)[17],計(jì)算公式為

P總=P鉆尖+P刀桿+P旋土

(1)

P鉆尖=(q+k1s)D12

(2)

(3)

(4)

(5)

將式(2)～式(4)所算得的數(shù)值分別帶入式(1),最后由式(5)得出深耕刀旋轉(zhuǎn)工作阻力為23.64N·m。所以,控制螺旋刀頭旋轉(zhuǎn)的馬達(dá)的理論扭矩應(yīng)該大于23.64N·m。根據(jù)液壓馬達(dá)的最大排量、流量及轉(zhuǎn)速為

建議相關(guān)主管部門可以結(jié)合科技成果與產(chǎn)業(yè)對(duì)接會(huì)、高?？萍汲晒灰?，以及“互聯(lián)網(wǎng)+”、物聯(lián)網(wǎng)等主題大會(huì)，對(duì)培育平臺(tái)中具有一定影響力、市場(chǎng)信譽(yù)度好的平臺(tái)進(jìn)行推介展示，請(qǐng)主流科技媒體對(duì)科研眾包的概念進(jìn)行宣傳報(bào)道，讓有需求的企業(yè)能夠認(rèn)識(shí)和了解科研眾包并使用相關(guān)領(lǐng)域的平臺(tái)，從而為科研眾包平臺(tái)導(dǎo)入更多的流量，為它們的后續(xù)發(fā)展注入人氣和活力。

(6)

(7)

(8)

其中,Vm為液壓馬達(dá)的最大排量,p1為液壓馬達(dá)工作壓力,p2為液壓馬達(dá)回油路背壓,i0為主變速箱速比,i為輸入端變速箱速比,T為最大輸出扭矩,q為液壓馬達(dá)所需理論流量,n為螺旋刀轉(zhuǎn)數(shù)(L/min),ηmv為液壓馬達(dá)的容積效率(0.92),n馬為馬達(dá)的轉(zhuǎn)速,n刀為刀軸的轉(zhuǎn)速。

根據(jù)式(6)～式(8)所算得的數(shù)值分別為Vm=27.58mL/r,q=4.86L/min,n馬=201.6r/min,選得馬達(dá)規(guī)格為5MCY,性能參數(shù)如表2所示。

表2 5MCY型液壓馬達(dá)性能參數(shù)表

因?yàn)檩S向柱塞馬達(dá)具有運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、扭矩大、轉(zhuǎn)速寬泛等特點(diǎn),故液壓馬達(dá)選為較適合小型螺旋深耕機(jī)的工作要求的軸向柱塞式液壓馬達(dá)。

2.1.2 液壓缸、液壓泵及液壓油箱的選擇

液壓缸(見(jiàn)圖3)用于小型自走式螺旋深耕機(jī)刀架部分的上下提升,刀架部分的質(zhì)量約為150kg,液壓缸需克服刀架部分的質(zhì)量所做的功。根據(jù)螺旋深耕刀入土的深度及不工作時(shí)刀具與地面的距離,選用50/30-500F型號(hào)的液壓缸,最大伸縮量可達(dá)到50cm,根據(jù)公式計(jì)算得到缸徑為1.12cm2。但是,考慮到小型自走式螺旋深耕機(jī)在刀具入土?xí)r會(huì)產(chǎn)生一定的徑向力,導(dǎo)致后部機(jī)架的劇烈抖動(dòng),故選用兩只缸徑為3cm2的50/30-500F型號(hào)的液壓缸進(jìn)行后部機(jī)架的升降。

圖3 50/30-500F型號(hào)的液壓缸

小型自走式螺旋深耕機(jī)的液壓泵選用CBN-3100變定量齒輪泵,額定壓力為14MPa,如圖4所示。其中,液壓泵最大的工作壓力為

Pb=P1+∑ΔP

(9)

液壓泵的流量為

qb≥Kqmax

(10)

其中,K為泄漏系數(shù),qmax為液壓馬達(dá)的實(shí)際流量,Pb液壓泵最大的工作壓力為14.5MPa,根據(jù)其實(shí)際流量qb≥2.02L/min,選CBN-310外嚙合齒輪泵。

圖4 CBN-310齒輪泵

液壓系統(tǒng)的散熱主要依靠油箱,油箱越大,散熱越快,但所占的面積也越大;油箱小,則油溫較高從而導(dǎo)致液壓油粘度、液壓系統(tǒng)工作效率均下降,嚴(yán)重時(shí)甚至是機(jī)械設(shè)備無(wú)法正常工作[18]。油箱容量為

V=αqv

(11)

式中qv—液壓泵每分鐘排出的液體體積(m3);

α—經(jīng)驗(yàn)系數(shù),低壓系統(tǒng)取2～4,行走機(jī)械取1～2。

根據(jù)式(11)及液壓油的散熱情況來(lái)看,油箱選擇的容量應(yīng)不小于30L。

2.2 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)力傳遞線路如圖5所示。

圖5 動(dòng)力傳遞線路圖

由液壓簡(jiǎn)圖6可知:整個(gè)液壓系統(tǒng)選為恒功率調(diào)速系統(tǒng),即發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率一定,由液壓系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)螺旋刀的轉(zhuǎn)速,若遇黏土?xí)r,可調(diào)低轉(zhuǎn)速,輸出更大的扭矩,使螺旋深耕機(jī)達(dá)到正常的工作要求。本系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)動(dòng)力輸出軸將動(dòng)力傳動(dòng)給變速箱而后傳遞給液壓泵,機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能后,CBN-310齒輪泵將主要的液壓能一部分傳遞給50/30-500F型號(hào)的液壓缸來(lái)控制小型自走式螺旋深耕機(jī)刀架部分的上下提升;另一部分傳遞給5MCY型軸向柱塞馬達(dá),控制螺旋深耕刀向下鉆土,待刀具完全入土后,小型自走式螺旋深耕機(jī)向前推進(jìn),進(jìn)入深耕工作狀態(tài)。

考慮到液壓缸之間存在一定的誤差,為保證兩液壓缸運(yùn)動(dòng)狀態(tài)保持最大的一致,在兩液壓缸之間添加用調(diào)速閥的同步回路,可實(shí)現(xiàn)兩缸同步,并可防止產(chǎn)生積累誤差。另外,在兩液壓缸之間添加用調(diào)速閥的同步回路,并在回油口添加平衡閥,防止非工作狀態(tài)時(shí)螺旋刀具的下滑,增加了工作狀態(tài)時(shí)螺旋刀的平穩(wěn)程度。

圖6 液壓系統(tǒng)原理圖

2.3 齒輪箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器后部的齒輪箱傳遞動(dòng)力給刀具部分,齒輪箱中采用錐齒輪和軸承配合而成。齒輪箱的主要工作原理如下:液壓馬達(dá)輸出的動(dòng)力經(jīng)液壓馬達(dá)的軸傳動(dòng)給鏈條,鏈條帶動(dòng)齒輪箱內(nèi)的橫軸,從而帶動(dòng)兩邊的齒輪嚙合,使左右兩組齒輪配合的軸承形成相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)軸承下方的螺旋刀,從而使深耕刀平穩(wěn)的工作。齒輪箱中選用8個(gè)互相嚙合的錐齒輪,齒輪箱中多級(jí)齒輪的傳動(dòng)比為

式中Z左2—左半部從動(dòng)輪齒數(shù);

Z左1—左半部主動(dòng)輪齒數(shù);

i總—多級(jí)錐齒輪間的傳動(dòng)比;

Z右2—右半部從動(dòng)輪齒數(shù);

Z右1—右半部主動(dòng)輪齒數(shù)。

經(jīng)計(jì)算,得到多級(jí)錐齒輪間的傳動(dòng)比i≈0.9,齒輪增速,螺旋深耕刀加速入土。齒輪箱具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

1.鏈條 2.馬達(dá)輸出軸 3.錐齒輪 4.軸承 5.刀軸a 6.刀軸b

2.4 螺旋深耕裝置

螺旋深耕裝置是此機(jī)器實(shí)現(xiàn)深耕功能的核心部件。如圖8、圖9所示:兩刀具與齒輪箱內(nèi)控制其正反轉(zhuǎn)的兩個(gè)輸出軸分別連接,螺旋刀的鉆尖為棱錐型,利于刀具的入土,螺旋刀葉片上具有撥齒,入土之后具有更好的切土效果,滿足在貴州山地粘性土壤條件下螺旋深耕的要求。螺旋刀具采用硬質(zhì)合金刀[22],硬質(zhì)合金具有硬度高、耐磨、強(qiáng)度和韌性較好、耐熱及耐腐蝕等一系列優(yōu)良性能,特別是其高硬度和耐磨性,可以延長(zhǎng)刀具使用壽命。

3 螺旋深耕裝置的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)仿真分析

3.1 創(chuàng)建幾何模型

線性結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析既是被人們廣泛使用的一種仿真分析類型,也是最基本的一種,是在線性材料、靜態(tài)加載的情況下被使用。本節(jié)從整體的角度來(lái)考慮小型自走式螺旋深耕機(jī)的深耕裝置,應(yīng)用ANSYS Workbench 仿真分析軟件對(duì)螺旋深耕機(jī)的深耕裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析,目的是想驗(yàn)證一下小型自走式螺旋深耕機(jī)的核心裝置—螺旋深耕刀具是否滿足強(qiáng)度以及剛度要求。

1.連接頭 2.刀具鉆頭 3.撥齒

圖9 螺旋深耕刀具2

由于課題研發(fā)的小型自走式螺旋深耕機(jī)具為雙軸深耕刀且都是對(duì)稱的螺旋結(jié)構(gòu),并具有相同的升角,只是旋向不同,故只拿出一把刀具作為建立有限元模型進(jìn)行研究。在進(jìn)行分析前,首先應(yīng)簡(jiǎn)化將要分析的模型[21]。為了確保有限元模型在力學(xué)性能等方面保持不變,創(chuàng)建幾何建模時(shí)直接把深耕裝置的各個(gè)焊接而成的部分看成一個(gè)整體,建模時(shí)忽略模型中的倒角及其螺紋孔,因?yàn)檫@些對(duì)仿真結(jié)果幾乎沒(méi)有影響。為了盡可能真實(shí)地反映其力學(xué)特性,對(duì)于深耕裝置的主要部分,搭建幾何模型時(shí)都保留了其實(shí)際的形狀。

ANSYS Workbench分析軟件提供了與SOLIDWORKS三維軟件之間的良好對(duì)接,本文把在SOLIDWORKS中建好的深耕裝置模型通過(guò)“導(dǎo)入”命令將其導(dǎo)進(jìn)該仿真軟件中。已經(jīng)導(dǎo)進(jìn)ANSYS Workbench 里的深耕裝置幾何模型如圖10所示。

圖10 螺旋深耕刀具的模型

3.2 網(wǎng)格劃分

建模后對(duì)刀具模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,將網(wǎng)格的數(shù)目劃分為5 397個(gè),總節(jié)點(diǎn)的數(shù)目為10 504個(gè)。螺旋深耕刀具部分采用的是Solid186單元類型,在“Element Size”中設(shè)置參數(shù)為10mm,應(yīng)力分析如圖11所示。

圖11 螺旋深耕刀具應(yīng)力分析云圖

3.3 施加載荷和約束條件

依照刀具工作狀態(tài)的研究情況,螺旋深耕刀具要垂直入土,進(jìn)行深耕工作時(shí),刀具向前推近是其受力最大的工作狀態(tài)。針對(duì)這一情況,對(duì)螺旋深耕刀具進(jìn)行力學(xué)分析后施加載荷和約束。

慣性載荷是指在加速度作用下產(chǎn)生的與結(jié)構(gòu)質(zhì)量直接相關(guān)的一種體積載荷(如重力和離心力),對(duì)整個(gè)系統(tǒng)均有作用。刀具系統(tǒng)內(nèi)部的加速度是通過(guò)慣性力施加到模型結(jié)構(gòu)上的,而施加的加速度方向與慣性力的方向正好相反,也就是慣性將阻止加速度所產(chǎn)生的系統(tǒng)變化。本文把深耕裝置質(zhì)量的影響考慮在內(nèi),因此在系統(tǒng)X軸添加重力加速度,其大小默認(rèn)為9.806m/s2。

載荷的添加:根據(jù)對(duì)深耕刀具所施加的力,土壤對(duì)刀具切削的阻力施加在螺旋深耕刀具的旋片上,再傳遞的刀軸,使阻力在整個(gè)深耕裝置上作用。

施加約束要對(duì)仿真模型進(jìn)行充分的約束,達(dá)到不出現(xiàn)剛體運(yùn)動(dòng)的情況;另外是約束的正確性,使仿真模型結(jié)構(gòu)不會(huì)出現(xiàn)與真實(shí)狀態(tài)下不一樣的附加約束力,以至于加大計(jì)算剛度的大小,使求解結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。螺旋深耕刀具的研究施加的約束主要是固定約束,根據(jù)螺旋深耕機(jī)深耕刀具的真實(shí)情況,在刀桿頭連接位置設(shè)置為固定約束,如圖12所示。

圖12 深耕刀具施加的載荷和約束條件

3.4 變形分析結(jié)果

螺旋深耕刀具的模型忽略了刀具一些細(xì)節(jié)的影響,但分析結(jié)果要略大于真實(shí)結(jié)構(gòu)的剛度。圖13為螺旋深耕刀具應(yīng)力分析云圖,圖14為螺旋深耕刀具應(yīng)變分析云圖。分析結(jié)果顯示:該深耕裝置的最大等效應(yīng)力為66.496MPa,即該處是最危險(xiǎn)的地方,但這個(gè)數(shù)值遠(yuǎn)低于使用材料的屈服極限強(qiáng)度,所以此深耕裝置強(qiáng)度要求達(dá)到。小型自走式螺旋深耕機(jī)深耕刀具的最大位移變形量位于深耕刀葉片的撥齒上,為2.67mm,因?yàn)閾荦X選用的材料為彈簧鋼,所以對(duì)于整個(gè)深耕裝置來(lái)說(shuō),其變形在可承受范圍內(nèi),所以深耕刀具剛度要求達(dá)到。

圖13 螺旋深耕刀具應(yīng)力分析云圖

圖14 螺旋深耕刀具應(yīng)變分析云圖

4 結(jié)論

1)針對(duì)貴州山地作業(yè)條件,參考目前已有的相關(guān)螺旋深耕機(jī)類型,設(shè)計(jì)了一款適于貴州山地的小型自走式螺旋深耕機(jī),并對(duì)螺旋深耕機(jī)的工作受力情況進(jìn)行系列計(jì)算,設(shè)計(jì)出整機(jī)機(jī)構(gòu)及液壓系統(tǒng),確定了系統(tǒng)工作壓力;最后,依據(jù)計(jì)算結(jié)果,選定發(fā)動(dòng)機(jī)的型號(hào)及相關(guān)液壓元件等,確保了樣機(jī)的研制。

2)對(duì)小型自走式螺旋深耕機(jī)的刀具模型進(jìn)行仿真分析,確定了危險(xiǎn)截面,為刀具的加工制作及優(yōu)化加固提供了理論依據(jù),從而使刀具工作時(shí)能夠良好地實(shí)現(xiàn)入土、撥土等深耕功能,并延長(zhǎng)了刀具使用壽命。