張義勝，侯心愛，王文麗，畢方淇，周 慧

(淄博市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所,山東 淄博 255086)

0 引言

我國現(xiàn)有耕地面積約為1.2億hm2，其中播種面積的80%都是由鏵式犁實(shí)現(xiàn)翻耕的。犁耕作業(yè)是農(nóng)業(yè)工程中的重要環(huán)節(jié)[1]，消耗的能源在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程占比較大。農(nóng)業(yè)力學(xué)奠基人郭列契金曾說過：犁耕作業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中最重要、耗費(fèi)時(shí)間最長、最昂貴和最繁重的工作[2]。國外統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：翻耕作業(yè)所消耗能量約占農(nóng)業(yè)產(chǎn)能量總消耗量的40%～60%。

犁是人類歷史上最重要的農(nóng)業(yè)發(fā)明之一，也是人類歷史中文字記錄較多的農(nóng)業(yè)工具[3]。鏵式犁是一種耕地用的犁，主要作用是將種植后的土壤進(jìn)行翻耕并且碎土，消滅雜草和病蟲害、疏松土壤，為下一次種植提供保障[4]。犁地作業(yè)對改善土壤的結(jié)構(gòu)與理化性狀，調(diào)節(jié)和提高土壤肥力，保證作物實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)有很大的作用[5]。

翻轉(zhuǎn)犁能進(jìn)行雙向耕作、單向翻土垡，減少了開閉壟，提高了耕后土地的平整度，并可減少機(jī)組在地頭的空行時(shí)間，提高了作業(yè)效率，在大功率拖拉機(jī)配套鏵式犁中占有重要地位。采用兩組工作部件、機(jī)架進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)雙向耕作的翻轉(zhuǎn)犁是雙向犁的主導(dǎo)產(chǎn)品[6]。

1LF35型系列液壓翻轉(zhuǎn)犁，為全懸掛式，適用于土壤、砂壤等地區(qū)熟地旱地耕作和水田旱耕作業(yè)，具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、耕作適應(yīng)范圍廣、耕后地表平整、碎土覆蓋性能好等特點(diǎn)，采用直線往復(fù)運(yùn)動式油缸拉動翻轉(zhuǎn)臂，翻轉(zhuǎn)臂帶動翻轉(zhuǎn)犁機(jī)架轉(zhuǎn)動180°，從而實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)犁的換行工作。針對直線往復(fù)運(yùn)動式油缸翻轉(zhuǎn)犁機(jī)構(gòu)，存在工作不平穩(wěn)、翻轉(zhuǎn)不可靠等問題，設(shè)計(jì)了回轉(zhuǎn)擺動式油缸翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

1 往復(fù)運(yùn)動式油缸翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示,直線往復(fù)運(yùn)動式油缸翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)由油缸上固定銷、直線往復(fù)運(yùn)動式油缸、翻轉(zhuǎn)架、油缸下固定銷、翻轉(zhuǎn)犁機(jī)架、翻轉(zhuǎn)臂、拖拉機(jī)懸掛耳等組成。

1.油缸上固定銷；2.直線往復(fù)運(yùn)動式油缸；3.翻轉(zhuǎn)架；4.油缸下固定銷；5.翻轉(zhuǎn)犁機(jī)架；6.翻轉(zhuǎn)臂；7.拖拉機(jī)懸掛耳

1LF35型系列液壓翻轉(zhuǎn)犁的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，采用直線往復(fù)運(yùn)動式油缸翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，液壓油缸的型號為TGI63/35X170-400，拖拉機(jī)車載油泵的型號為CBN-E316L。

拖拉機(jī)車載油泵通過液壓控制閥、換向閥與直線往復(fù)運(yùn)動式油缸聯(lián)接，油泵出口與拖拉機(jī)進(jìn)油管聯(lián)接。液壓油驅(qū)動油缸的活塞桿伸縮，活塞桿拉動翻轉(zhuǎn)臂，左右翻轉(zhuǎn)時(shí)液壓油缸伸出行程需達(dá)到最大時(shí)，翻轉(zhuǎn)臂帶動翻轉(zhuǎn)犁機(jī)架轉(zhuǎn)動180°，從而實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)犁的換行工作。存在問題是，翻轉(zhuǎn)臂在不同位置翻轉(zhuǎn)力臂及翻轉(zhuǎn)力矩是變化的，工作不平穩(wěn)。當(dāng)油缸活塞桿和翻轉(zhuǎn)臂中心處于一條直線時(shí)，出現(xiàn)死點(diǎn)。當(dāng)油缸處于死點(diǎn)位置時(shí)，翻轉(zhuǎn)犁機(jī)架靠慣性通過死點(diǎn)，翻轉(zhuǎn)不可靠，容易出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)不到位現(xiàn)象，造成事故的發(fā)生。

國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定翻轉(zhuǎn)犁的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)應(yīng)工作可靠。機(jī)構(gòu)到位率空運(yùn)轉(zhuǎn)不低于98%，生產(chǎn)插定不低于96%(連續(xù)作業(yè)不低于50次)[7]。由國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可以看出，翻轉(zhuǎn)犁的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)存在翻轉(zhuǎn)不到位的情況。

2 擺動式油缸翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖2所示,回轉(zhuǎn)擺動式油缸翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)由固定架連接板、油缸固定架、翻轉(zhuǎn)犁機(jī)架、擺動油缸、主動齒輪、被動齒輪、翻轉(zhuǎn)架組成。

1.固定架連接板；2.油缸固定架；3.翻轉(zhuǎn)犁機(jī)架；4.回轉(zhuǎn)擺動式油缸；5.主動齒；6.被動齒輪；7.長螺栓；8.翻轉(zhuǎn)架

長螺栓把油缸固定架、擺動油缸連接在固定架連接板上固定架連接板焊接在翻轉(zhuǎn)架上，使擺動油缸與翻轉(zhuǎn)架連接為一個(gè)整體。擺動油缸的輸出軸端安裝主動齒輪，被動齒輪與翻轉(zhuǎn)犁機(jī)架焊接在一起，一起轉(zhuǎn)動。主動齒輪與被動齒輪的齒數(shù)一樣，傳動比為1∶1。

回轉(zhuǎn)擺動式油缸選用擺動角度為180°，即主動齒輪轉(zhuǎn)動180°，同時(shí)帶動被動齒輪和翻轉(zhuǎn)犁機(jī)架轉(zhuǎn)動180°。下一次由于齒輪傳動是連續(xù)的轉(zhuǎn)動，翻轉(zhuǎn)力臂及翻轉(zhuǎn)力矩恒定，工作平穩(wěn)，翻轉(zhuǎn)可靠，100%翻轉(zhuǎn)到位，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的工作可靠性高于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)。

3 有關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 翻轉(zhuǎn)阻力矩計(jì)算

1LF335翻轉(zhuǎn)犁機(jī)架結(jié)構(gòu)如圖3所示，機(jī)架、若干個(gè)犁體、犁輪等構(gòu)成了翻轉(zhuǎn)犁機(jī)架，翻轉(zhuǎn)犁機(jī)架整體沿著翻轉(zhuǎn)架的轉(zhuǎn)套轉(zhuǎn)動。圖中的尺寸b、e為翻轉(zhuǎn)機(jī)架的重心位置尺寸。

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的阻力矩，由三部分組成，一是克服機(jī)架、犁體、犁輪等重量的偏心距e產(chǎn)生的阻力矩，二是克服翻轉(zhuǎn)犁機(jī)架沿著翻轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)套轉(zhuǎn)動時(shí)產(chǎn)生的摩擦力矩，三是液壓翻轉(zhuǎn)犁在進(jìn)行翻轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)，犁體上不可避免粘覆大量泥土，克服犁體上所帶泥土產(chǎn)生的阻力矩。

如圖3所示，機(jī)架在水平位置時(shí)，機(jī)架、犁體、犁輪等重量的偏心距產(chǎn)生的最大阻力矩

1.翻轉(zhuǎn)架；2.犁輪；3.機(jī)架；4.犁體

M1=Gge

(1)

式中M1—機(jī)架等重量偏心距產(chǎn)生的阻力矩，N·m；

G—機(jī)架等總重量，kg；

e—機(jī)架等總重量的偏心距，m。

經(jīng)計(jì)算得到，G=460 kg，e=0.08 m，代入(1)計(jì)算得,M1=360.64 N·m。

機(jī)架、犁體、犁輪等整體沿著翻轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)套轉(zhuǎn)動時(shí)產(chǎn)生的摩擦力矩

M2=Ggμr

(2)

式中M2—機(jī)架沿轉(zhuǎn)套轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的摩擦力矩，N·m；

g—重力加速度，m·s-2；

μ—機(jī)架等與轉(zhuǎn)套的摩擦系數(shù)；

r—轉(zhuǎn)套的內(nèi)孔半徑，m。

重力加速度g=9.8 m·s-2，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊查得μ=0.1[8]，r=0.045 m，代入式(2)計(jì)算得,M2=20.29 N·m。

犁體上所帶泥土產(chǎn)生的阻力矩估算為

M3=0.1M1=36 N·m。

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)需要克服的總阻力矩

M=M1+M2+M3

(3)

由式(3)計(jì)算得,M=416.93 N·m。

3.2 回轉(zhuǎn)擺動式油缸的選擇

本次翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)總阻力矩計(jì)算結(jié)果，是根據(jù)335翻轉(zhuǎn)犁的結(jié)構(gòu)得到，考慮到435、535翻轉(zhuǎn)犁的阻力矩更大，選用較大的UBFZD50型液壓擺動油缸，以方便實(shí)現(xiàn)通用。油缸性能參數(shù)見表1。

表1 UBFZD50型油缸性能參數(shù)

3.3 齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

按照接觸強(qiáng)度，計(jì)算主動齒輪的分度圓直徑，計(jì)算公式為[9]

(4)

式中d1—主動齒輪分度圓直徑，mm；

k—綜合系數(shù)；

μ—齒數(shù)比；

φd—齒寬系數(shù)；

σHlim—齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力，MPa。

取k=4[9]，μ=1，φd=0.6，σHlim=650 MPa[9]，代入式(4)計(jì)算得,d1=181 mm。

按照彎曲強(qiáng)度計(jì)算主動齒輪的模數(shù)，公式為[9]

(5)

式中m—主動齒輪的模數(shù)，mm；

YFa1—主動齒輪的齒形系數(shù)；

Z1—主動齒輪的齒數(shù)，個(gè)；

σFlim—齒輪的彎曲疲勞極限應(yīng)力。

取YFa1=2.55[9]，Z1=23，σFlim=250 MPa[9]，代入式(5)計(jì)算得,m=4.562 mm。

考慮到翻轉(zhuǎn)犁的作業(yè)環(huán)境惡劣，及435、535翻轉(zhuǎn)犁的阻力矩更大，取m=8 mm。則主動齒輪分度圓直徑d1=184 mm，齒輪外徑D1=200 mm，齒數(shù)Z1=23，齒寬B=φdD=120 mm。被動齒輪的齒數(shù)、模數(shù)、寬度一樣，內(nèi)孔直徑需要和翻轉(zhuǎn)犁機(jī)架的圓管配做。

3.4 翻轉(zhuǎn)時(shí)間計(jì)算

翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用的油泵型號為CBN-E316L。油泵性能參數(shù)見表2。

表2 CBN-E316L型油泵性能參數(shù)

油泵的排量為

Q=qn

(6)

式中Q—油泵的排量，mL·min-1；

q—油泵的公稱排量，mL·r-1；

n—油泵的額定轉(zhuǎn)速，r·min-1。

由表2得，q=16 mL·r-1；n=2 000 r·min-1，代入式(6)計(jì)算得,Q=32 000 mL·min-1。

按照油泵的額定轉(zhuǎn)速，分別計(jì)算兩種翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使翻轉(zhuǎn)架翻轉(zhuǎn)180°需要的時(shí)間。

直線往復(fù)運(yùn)動式油缸翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，油缸型號為TGI63/35X170-400。油缸性能參數(shù)見表3。

表3 TGI63/35X170-400型油缸性能參數(shù)

tz=t1+t2+t3

(7)

式中tz—翻轉(zhuǎn)架翻轉(zhuǎn)180°時(shí)間，min；

t1—活塞桿回縮90°時(shí)間，min；

t2—活塞桿伸出90°時(shí)間，min；

t3—中間操縱換向閥的時(shí)間，min；

L—活塞桿行程，cm；

D—活塞缸直徑，cm；

d—活塞桿直徑，cm。

圖2所示位置為開始翻轉(zhuǎn)位置，回轉(zhuǎn)擺動式油缸的齒輪齒條開始動作，拉動翻轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)動180°；下一次翻轉(zhuǎn)時(shí)，齒輪齒條反方向運(yùn)動，拉動翻轉(zhuǎn)架反方向轉(zhuǎn)動180°，回到圖示位置。翻轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)動180°需要的時(shí)間th為

(8)

式中th—翻轉(zhuǎn)架翻轉(zhuǎn)180°時(shí)間，min；

θ—擺動油缸擺動角度，°；

q1—耗油量,L·°-1。

由表1可知，θ=180°；q1=0.001 71L·°-1，代入式(8)計(jì)算得,th=0.009 6 min，即0.576 s。

由以上計(jì)算可知，th

4 結(jié)論

針對直線往復(fù)運(yùn)動式油缸翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，存在工作不穩(wěn)定和翻轉(zhuǎn)不可靠等問題，設(shè)計(jì)了回轉(zhuǎn)擺動式油缸翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。計(jì)算了1LF335型液壓翻轉(zhuǎn)犁翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的阻力矩，設(shè)計(jì)了傳動齒輪等參數(shù)，選擇了回轉(zhuǎn)擺動式油缸的型號，計(jì)算了兩種翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)時(shí)間。該研究可為翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的研發(fā)提供理論參考和技術(shù)支撐。采用回轉(zhuǎn)擺動式油缸翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)后，翻轉(zhuǎn)犁的工作穩(wěn)定性和翻轉(zhuǎn)可靠性高于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)，100%翻轉(zhuǎn)到位，提高了翻轉(zhuǎn)速度。不足之處是采用采用回轉(zhuǎn)擺動式油缸和齒輪機(jī)構(gòu)后，成本有所上升。