深翻犁翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的研究與分析

羅進(jìn)軍，曾小輝，畢新勝，李文春，陳　軍

(1.新疆第一師農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣站，新疆 阿拉爾　843300；2.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子　832003；3. 圖木舒克銀豐現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備有限公司，新疆 圖木舒克　844000)

?

深翻犁翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的研究與分析

羅進(jìn)軍1，曾小輝2，畢新勝2，李文春3，陳軍3

(1.新疆第一師農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣站，新疆 阿拉爾843300；2.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子832003；3. 圖木舒克銀豐現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備有限公司，新疆 圖木舒克844000)

摘要：以1LX-S-65懸掛翻轉(zhuǎn)式深翻犁翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為對象，對其立式液壓油缸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，并建立了翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。通過對翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的受力分析及計(jì)算液壓油缸的相關(guān)參數(shù)，設(shè)計(jì)了能夠?qū)崿F(xiàn)1LX-S-65深翻犁地頭順利平穩(wěn)翻轉(zhuǎn)的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，從而以較小的換向沖擊確保犁的成功越中和換向。

關(guān)鍵詞：深翻犁；液壓；翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；數(shù)學(xué)模型

0引言

液壓翻轉(zhuǎn)犁在我國大部分地區(qū)已得到推廣應(yīng)用，在土地的耕翻作業(yè)中起到了關(guān)鍵作用。用翻轉(zhuǎn)犁進(jìn)行耕作具有無溝壟、節(jié)能及生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。液壓翻轉(zhuǎn)犁是利用拖拉機(jī)的液壓系統(tǒng)來控制上、下對稱的兩套犁體進(jìn)行交替作業(yè)，以達(dá)到不留溝壟的目的。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是翻轉(zhuǎn)犁的主要工作部件，若設(shè)計(jì)不合理，換向時(shí)不僅影響犁的翻轉(zhuǎn)，還會(huì)因換向沖擊而影響犁和拖拉機(jī)的使用壽命。因此，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的受力分析與配套的液壓油缸的選定是分析深翻犁正常工作的關(guān)鍵。

雙向翻轉(zhuǎn)犁液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)根據(jù)動(dòng)力來源不同，通?？梢苑譃闄C(jī)械類、氣動(dòng)類和液壓類3種[1]。機(jī)械類的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生在20世紀(jì)60年代，在小型翻轉(zhuǎn)犁上使用較廣泛；氣動(dòng)類的雙向翻轉(zhuǎn)犁在工作中因其耕作的穩(wěn)定性較差，在實(shí)際生產(chǎn)中未能得到推廣和使用。由于液壓系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠、操作方便，目前國內(nèi)外雙向翻轉(zhuǎn)犁基本都用液壓類的翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)有的液壓類翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要有立式油缸(垂直)(見圖1)、雙缸聯(lián)合驅(qū)動(dòng)(見圖2)、臥式油缸(水平)(見圖3)和油缸—齒輪齒條(見圖4)等4種結(jié)構(gòu)型式[2]。

以上4種翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中，雙缸聯(lián)合翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定翻轉(zhuǎn)；油缸—齒輪齒條工作精度相對較高，但其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中未能得到廣泛使用；單缸臥式與單缸立式這兩種翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)因其結(jié)構(gòu)相對簡單，在生產(chǎn)實(shí)際中得到推廣和應(yīng)用[3]。筆者設(shè)計(jì)的1LX-S-65懸掛翻轉(zhuǎn)式深翻犁采用單缸立式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，本文對其建立數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和受力分析。

1.翻轉(zhuǎn)軸　2.銷軸　3.犁架　4.翻轉(zhuǎn)油缸

1.翻轉(zhuǎn)油缸　2.輔助油缸　3.犁架　4.銷軸　5.翻轉(zhuǎn)軸

1.翻轉(zhuǎn)油缸　2.翻轉(zhuǎn)軸　3.犁架　4.銷軸

1.左油缸　2.齒條　3.右油缸　4.犁架　5.齒輪　6.翻轉(zhuǎn)軸

1工作原理

當(dāng)深翻犁耕作時(shí)，在田間的地頭需要進(jìn)行換向，此刻立式液壓油缸開始工作，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。油缸有桿腔進(jìn)油，液壓缸開始收縮，B點(diǎn)以翻轉(zhuǎn)軸O為旋轉(zhuǎn)中心，液壓油缸帶動(dòng)犁架轉(zhuǎn)動(dòng)到與地面接近垂直狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)停止供油；當(dāng)犁架借助慣性越過死點(diǎn)后油路換向，這時(shí)液壓油被推入油缸的無桿腔，油缸逐漸伸展，犁架在液壓油的推動(dòng)下繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)直到上下兩套犁體位置的互換，此刻犁架轉(zhuǎn)過的角度為180°，換向結(jié)束；耕作到另一邊的地頭時(shí)，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)換向過程與上一次換向過程完全相反[4]。

2理論分析

單缸立式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由機(jī)械系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)共同組成的整體。在分析過程中，設(shè)油泵以額定流量進(jìn)行工作，不考慮由負(fù)載引起油泵流量的變化；不計(jì)液壓油在管路和閥內(nèi)壓力的損失，忽略液壓系統(tǒng)各處液壓油的泄露和摩擦損耗。

圖5　立式油缸運(yùn)動(dòng)分析簡圖

2.1運(yùn)動(dòng)方程的建立

開始換向時(shí)，液壓油進(jìn)入油缸的有桿腔，油缸收縮帶動(dòng)犁架進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，其角速度為ω。在△OAB中，由余弦定理可知

c2=a2+b2-2absinθ

(1)

此時(shí)犁架的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω為

(2)

其中，v為活塞桿與液壓缸的相對速度。

v=dc/dt

(3)

在分析活塞與液壓缸的運(yùn)動(dòng)過程中，假設(shè)收縮時(shí)v取負(fù)值，伸長時(shí)v取正值，則

(4)

式中D—液壓缸內(nèi)徑；

d—液壓缸活塞桿直徑；

Q—進(jìn)入液壓缸的流量。

2.2犁架運(yùn)動(dòng)分析

在深翻犁翻轉(zhuǎn)時(shí)，犁架會(huì)受到多方面的力矩，主要有自身重力產(chǎn)生的力矩Mg、液壓油推力產(chǎn)生的力矩MP及總的摩擦力矩Mf和轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的慣性力矩MJ。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在換向時(shí)，油缸收縮帶動(dòng)犁架轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩必須克服所有的阻力力矩[5]，則犁架平衡方程為

MP-Mg-Mf-MJ=0

(5)

在初始換向時(shí)，犁架處于靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)液壓油被液壓泵以額定流量推送到液壓缸的有桿腔時(shí)，有桿腔內(nèi)與油路內(nèi)的壓力升高，在油壓的作用下油缸開始加速，油缸的運(yùn)行速度v為

(6)

在運(yùn)行一定時(shí)間后，油缸的速度v逐漸趨于穩(wěn)定，此刻犁架轉(zhuǎn)過的角度θ較小。由于液壓油推動(dòng)液壓缸產(chǎn)生的主動(dòng)力矩大于總阻力矩，油缸將按照式(4)的速度勻速運(yùn)動(dòng)[6]，dv/dt=0。θ角為

(7)

若不計(jì)液壓回油時(shí)的阻力，液壓系統(tǒng)的壓力為

(8)

伴隨犁架轉(zhuǎn)過的θ角逐漸增大，液壓缸趨于垂直，則液壓油推力力矩的力臂將會(huì)減小；而液壓泵未停止供油，液壓缸內(nèi)的壓力逐漸增大，直到油缸內(nèi)的壓力達(dá)到溢流閥的開啟壓力時(shí)，此刻液壓缸處于等壓的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，則液壓缸帶動(dòng)犁架運(yùn)動(dòng)的角加速度ε、角速度ω和角位移θ為

ε=(MP-Mg-Mf)/J

(9)

(10)

(11)

式中J—犁架的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

ω1—臨界角速度；

t1—臨界時(shí)間；

θ1—臨界角位移。

液壓油缸換向的起始角度一般為80°≤θ≤88°。當(dāng)犁架的旋轉(zhuǎn)角度等于起始角時(shí)，即液壓缸趨近與水平面垂直，這時(shí)電磁換向閥將轉(zhuǎn)換至中位，液壓油不能推進(jìn)液壓缸，犁架將由之前轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性推動(dòng)犁架越過死點(diǎn)；當(dāng)犁架轉(zhuǎn)過的θ角達(dá)到90°<θ<100°時(shí)，電磁換向閥再次換向，液壓油被推進(jìn)液壓缸的有桿腔，油缸活塞桿逐漸伸長，液壓系統(tǒng)反向運(yùn)動(dòng)。由于犁架在越中時(shí)系統(tǒng)停止給油缸供油，則活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度在越中后將減小，犁架越中完成后系統(tǒng)恢復(fù)供油，液壓泵以額定的流量將液壓油推進(jìn)液壓缸，在液壓油壓力的作用下，液壓缸將加速運(yùn)動(dòng)，液壓缸內(nèi)的壓力也逐漸升高，活塞桿開始加速運(yùn)動(dòng)，直到其運(yùn)動(dòng)速度滿足式(4)。

當(dāng)液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度穩(wěn)定后，重力產(chǎn)生的力矩成為主動(dòng)力矩，由于油缸無桿腔面積大于油缸有桿腔的面積，承受的壓力就較大，一般情況下，這個(gè)階段液壓缸的壓力都小于溢流閥的開啟壓力。在越中完成后犁架開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于摩擦力矩仍大于重力力矩，液壓缸還要繼續(xù)推動(dòng)犁架轉(zhuǎn)動(dòng)才能完成翻轉(zhuǎn)。此時(shí)液壓缸無桿腔的壓力P2為

(12)

3翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)參數(shù)的確定

3.1液壓缸內(nèi)徑的計(jì)算

液壓缸的缸筒內(nèi)徑D是根據(jù)負(fù)載的大小來選定工作壓力或往返運(yùn)動(dòng)速度比，求得液壓缸的有效工作面積，從而得到缸筒內(nèi)徑D，其計(jì)算公式為

當(dāng)以無桿腔作為工作腔、負(fù)載為推力時(shí)，有

(13)

當(dāng)以有桿腔作為工作腔、負(fù)載為拉力時(shí)，有

(14)

式中Fmax—最大作用負(fù)載。

3.2活塞桿直徑的計(jì)算

活塞桿直徑d不僅要滿足速度或速度比的要求，還要結(jié)合其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性來選擇，計(jì)算公式為

(15)

式中φ—液壓缸活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度之比。

當(dāng)活塞桿受拉力作用時(shí)，d=0.3～0.5D；當(dāng)活塞桿受壓力作用且工作腔的工作壓力大于7MPa時(shí)，d=0.7D。

3.3活塞桿行程的計(jì)算

由于活塞桿較細(xì)長，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮縱向彎曲強(qiáng)度和液壓缸的穩(wěn)定性，實(shí)際需要的工作行程并不一定是液壓缸的穩(wěn)定性所允許的行程?；钊麠U允許最大長度為

(16)

式中d—活塞桿直徑(m)；

P—活塞桿縱向壓縮負(fù)載(N)；

n—末端條件系數(shù)(n=1)；

nk—安全系數(shù)，nk>6。

3.4液壓缸缸筒長度的確定

缸筒長度L有最大工作行程長度加上各種結(jié)構(gòu)需要來確定，計(jì)算公式為

L1=S+A+B+C+M

(17)

式中S—活塞桿最大工作行程；

A—活塞桿導(dǎo)向長度，取A=(0.6～1.5)D；

B—活塞寬度，取B=(0.6～1)D；

C—其他長度；

M—活塞桿密封長度，由密封方式確定。

在液壓缸結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)過程中，深翻犁的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以視為已知，供給液壓缸的流量可以通過拖拉機(jī)的液壓系統(tǒng)得到，把以上參數(shù)都定為確定值。結(jié)合液壓技術(shù)手冊[7]確定1LX-S-65懸掛翻轉(zhuǎn)式深翻犁液壓缸的型號(hào)為HSGL01-100/50AEZEcZ11350，如表1所示。

表1　液壓缸相關(guān)參數(shù)

4結(jié)論

1)分析了懸掛翻轉(zhuǎn)式深翻犁翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)原理，建立了立式油缸翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，并對其進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)及受力分析。

2)通過對單缸立式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性分析，結(jié)合翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)，選擇出適合1LX-S-65懸掛翻轉(zhuǎn)式深翻犁的液壓油缸。

3)從動(dòng)力學(xué)特性看，液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以保證實(shí)現(xiàn)犁180°的翻轉(zhuǎn)所需要的動(dòng)力，在耕作時(shí)可以實(shí)現(xiàn)地頭的翻轉(zhuǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院.農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[K].北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社,2007.

[2]韓小平.雙向犁液壓翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的計(jì)算機(jī)仿真分析[D].太谷：山西農(nóng)業(yè)大學(xué),2004.

[3]王會(huì)福.液壓翻轉(zhuǎn)犁翻轉(zhuǎn)速度控制分析[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備,2008(6):24-25,29.

[4]鄭德聰,陳恭良,王玉順,等.雙向犁翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的精度設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2007(1):113-115.

[5]劉慶祥,宋曉祥.翻轉(zhuǎn)犁翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與受力分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),1998(S1):16-20.

[6]王建,高峰,吳成武,等.雙向犁翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的分析與優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2005,36(5):36-40,48.

[7]王益群,高殿榮,高英杰,等.液壓工程師技術(shù)手冊[K].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

Research and Design of Deep Plowing Plow Turnover Mechanism

Luo Jinjun1, Zeng Xiaohui2, Bi Xinsheng2, Li Wenchun3, Chen Jun3

(1.The Agricultural Ttechnology Extension Station of the First Division in Xinjiang, Alar 843300, China; 2.College of Mechanical and Electrical Engineering, Shihezi University, Shihezi 832000, China; 3.Toumchouq Yinfeng Modern Agricultural Equipment Co.LTD, Toumchouq 844000, China)

Abstract：As the object of 1LX-S-65 suspension tilting deep plowing plow mechanism, analyzed the motion of hydraulic cylinder, and the establishment of mathematical model of tilting mechanism, through the force analysis, calculation of relevant parameters of the hydraulic cylinder is designed to achieve the turnover mechanism of deep plowing fields 1LX-S-65 smooth turn, with a smaller to ensure the success of the reversing impact more and reversing plough.

Key words：deep plough; hydraulic; turnover mechanism; mathematical model

文章編號(hào)：1003-188X(2016)06-0098-04

中圖分類號(hào)：S222.12+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：羅進(jìn)軍(1974-)，男，河南西平人，高級(jí)工程師，(E-mail)a13899253859@163.com。通訊作者：曾小輝(1987-)，男，四川安岳人，碩士研究生，(E-mail)5841983@qq.com。

基金項(xiàng)目：新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)科技人員服務(wù)南疆專項(xiàng)(2014BA060)

收稿日期：2015-05-28