半懸掛式聯(lián)合整地機機組轉(zhuǎn)彎性能分析

曹肆林，盧勇濤，營雨琨，王吉亮，王敏，王序儉，喻啟忠

(1.新疆農(nóng)墾科學院機械裝備研究所，新疆 石河子　832000；2.克拉瑪依五五機械制造有限責任公司，新疆 克拉瑪依　832034)

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半懸掛式聯(lián)合整地機機組轉(zhuǎn)彎性能分析

曹肆林1，盧勇濤1，營雨琨1，王吉亮1，王敏1，王序儉1，喻啟忠2

(1.新疆農(nóng)墾科學院機械裝備研究所，新疆 石河子832000；2.克拉瑪依五五機械制造有限責任公司，新疆 克拉瑪依832034)

摘要：【目的】 為半懸掛式耕整地機械的設(shè)計與改進提供理論參考.【方法】 以1ZL-7.2聯(lián)合整地機機組為研究對象，分析其轉(zhuǎn)彎過程.【結(jié)果】 試驗給出了機組獲得最小轉(zhuǎn)彎半徑的基本條件，明確半懸掛架的設(shè)計要點.

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)工程；聯(lián)合整地機；半懸掛；轉(zhuǎn)彎半徑

整地是新疆農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一個重要的、基礎(chǔ)的作業(yè)環(huán)節(jié)，是促進農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收和可持續(xù)發(fā)展的重要手段.聯(lián)合整地機采用多種工作部件聯(lián)合作業(yè)，一次作業(yè)即可完成松土、碎土、平整、鎮(zhèn)壓等工序，形成土壤細碎、上虛下實的理想種床，可顯著提高整地作業(yè)的效率、質(zhì)量和經(jīng)濟性，技術(shù)優(yōu)勢非常明顯，已經(jīng)在新疆地區(qū)廣泛應用[1-3].隨著大馬力拖拉機的逐步推廣，聯(lián)合整地機也在朝著大型化的方向發(fā)展[4,5]，工作幅寬多集中在5.6～7.2 m[6]，廣泛采用半懸掛的方式與拖拉機掛接.

轉(zhuǎn)彎性能是聯(lián)合整地機的一項重要性能，如果機組能夠以最小的轉(zhuǎn)彎半徑進行轉(zhuǎn)彎，就可以獲得更好的作業(yè)性能和道路通過性.但是，轉(zhuǎn)彎半徑并不是衡量機具作業(yè)質(zhì)量的考核指標，因此在設(shè)計過程中未能引起足夠的重視.基于此，對聯(lián)合整地機的轉(zhuǎn)彎性能進行深入研究，以對聯(lián)合整地機的設(shè)計及作業(yè)性能提供技術(shù)指導和參考.

1聯(lián)合整地機結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1結(jié)構(gòu)特點

1ZL-7.2聯(lián)合整地機結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由主機架、左右翼架、半懸掛架、前置耙組、后置耙組、地輪、平地齒板、碎土輥和鎮(zhèn)壓器等組成.一般前置耙組上安裝缺口耙片，后置耙組上安裝全圓耙片.其機架通用性較強，各工作部件均與機架獨立連接，可根據(jù)用戶需要選裝釘齒框、平土杠、摟膜彈齒等工作部件，以適應不同土質(zhì)條件下的整地需要.

1.2工作原理

工作時，在牽引力、機組重力和土壤阻力的作用下，前列缺口圓盤耙組和后列全刃圓盤耙組上的耙片切入土壤滾動前進，進行松土、碎土作業(yè)；隨后平地齒板平掉土埂及凹坑，并進一步壓碎土塊，疏松土壤；后續(xù)螺旋碎土輥對土塊再一次進行破碎，被拋起的小土塊和細土粒落在地表，從而隔斷地下水蒸發(fā)；最后，鎮(zhèn)壓器壓碎土塊并壓緊耕作層，從而一次完成松土、碎土、平整和鎮(zhèn)壓四道工序，形成地表平整、土壤細碎、上虛下實的理想種床.機具耕深由液壓系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)控制，工作狀態(tài)下地輪可不承重，整地后不產(chǎn)生輪轍[7-8].

1：左翼架；2：主機架；3：右翼架；4：半懸掛架；5：前置耙組；6：后置耙組；7：地輪；8：平地齒板；9：碎土輥；10：鎮(zhèn)壓器.圖1　1ZL-7.2聯(lián)合整地機結(jié)構(gòu)Fig.1　Structure of 1ZL-7.2 combined cultivating machine

2轉(zhuǎn)彎半徑對機組性能的影響

轉(zhuǎn)彎半徑是汽車常用的一個性能指標，定義為汽車轉(zhuǎn)向中心到外轉(zhuǎn)向輪與地面接觸點的距離，它在很大程度上表征了汽車能夠通過狹窄彎曲地帶或繞過不可越過的障礙物的能力[9].轉(zhuǎn)彎半徑越小，汽車的機動性能越好[10].聯(lián)合整地機與拖拉機構(gòu)成的一個機組，就相當于一個超寬超長的帶掛汽車.相對應的，它也存在轉(zhuǎn)彎半徑.由于其外形尺寸較大，它的轉(zhuǎn)彎半徑亦比較大.

聯(lián)合整地機工作時多采用對角作業(yè)的方式，到地頭拐彎時，不可避免的會漏整一小塊地.而最小轉(zhuǎn)彎半徑的大小將影響到地頭的漏整面積.如圖2所示，左右2個拖拉機最小轉(zhuǎn)彎半徑不相同，當它們到達地角轉(zhuǎn)彎時，最外側(cè)的軌跡線分別為軌跡線Ⅰ和軌跡線Ⅱ.拖拉機Ⅰ的最小轉(zhuǎn)彎半徑比較大，其漏整面積為區(qū)域Ⅰ和區(qū)域Ⅱ的面積總和，拖拉機Ⅱ的最小轉(zhuǎn)彎半徑比較小，其漏整面積為區(qū)域Ⅱ的面積.由此可見，最小轉(zhuǎn)彎半徑越大，漏整面積也越大，最小轉(zhuǎn)彎半徑越小，漏整面積也越小.

1：左翼架；2：主機架；3：右翼架；4：半懸掛架；5：前置耙組；6：后置耙組；7：地輪；8：平地齒板；9：碎土輥；10：鎮(zhèn)壓器.圖2　聯(lián)合整地機轉(zhuǎn)彎半徑Fig.2　Turning radius of combined cultivating machine

3機組轉(zhuǎn)彎過程分析

半懸掛式聯(lián)合整地機機組在直線行駛時，拖拉機和后面懸掛的聯(lián)合整地機相對于地面角速度均為零，所以它們之間的相對角速度為零，即沒有相對轉(zhuǎn)動.

當拖拉機開始轉(zhuǎn)彎時，拖拉機和整地機相對于地面都有了角速度.圖3是拖拉機剛開始轉(zhuǎn)彎時的狀態(tài).圖中， A點是拖拉機前橋中點，B點是拖拉機后橋中點，C點是懸掛點，D點是整地機運動中心，E點是整地機懸掛和整地機主體的連接點.在轉(zhuǎn)彎剛開始時，駕駛員在很短的時間內(nèi)轉(zhuǎn)動方向盤，使外側(cè)前輪偏轉(zhuǎn)一個角度QR.此時拖拉機和整地機的縱軸線仍然重合，A、B、C、D四點此時的瞬時速度分別是VA、VB、VC、VD.分別過點A、B做VA、VB的垂線，兩線相交于點QT，這一點是拖拉機的瞬時轉(zhuǎn)向中心.過點C做VC的垂線，此線必過點QT.再過點D做VD的垂線，與VC的垂線相交于點QZ(因圖面位置所限，未示出)，此點即為整地機的瞬時轉(zhuǎn)向中心.C點為拖拉機和整地機的相對瞬心.θ角是VA與拖拉機縱軸線的夾角[11-13].

圖3　機組轉(zhuǎn)彎初始狀態(tài)Fig.3　Initial state of turning

由運動學基本公式可得：

拖拉機的角速度為：

(1)

整地機的角速度為：

(2)

拖拉機和整地機的相對角速度為：

ωX=ωT-ωZ

(3)

將(1)、(2)式帶入(3)式整理得：

(4)

拖拉機繼續(xù)向前行駛，拖拉機和整地機的縱軸線不再重合，它們之間將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，且偏轉(zhuǎn)角度隨著拖拉機向前行駛而不斷改變.圖4是轉(zhuǎn)彎后某一瞬時的情況.拖拉機的縱軸線和整地機的縱軸線之間的夾角為α，拖拉機和整地機輪軸的延長線交于點O，∠AOTB=α.VC與拖拉機縱軸線的夾角為β.由幾何關(guān)系可知，∠AOTB=θ，∠FOTB=θR.它們之間的關(guān)系如下：

圖4　機組轉(zhuǎn)彎過程分析Fig.4　Analysis chart of turning

(5)

其中： LT為拖拉機前后橋軸距；b為拖拉機前輪距.

γ=α-β

(6)

BOT=LTcotθ

(7)

(8)

(9)

其中：L為懸掛點到拖拉機后橋中點的距離；LZ為整地機懸掛點到整地機運動中心的距離.

(10)

聯(lián)立以上各式可得：

(11)

(12)

(13)

從式(10)～(13)可以看出，當拖拉機轉(zhuǎn)向角θ不變時，拖拉機的轉(zhuǎn)彎角速度ωT與VB成正比，聯(lián)合整地機的轉(zhuǎn)彎角速度ωZ和相對角速度ωX均為α的函數(shù)，隨著α的變化而變化.變化的結(jié)果分以下2種情況分析：

由式(13)可導出，當ωX=0時，α角的計算公式：

(14)

4最小轉(zhuǎn)彎半徑的獲取條件

參考鉸接式客車，半懸掛式聯(lián)合整地機的轉(zhuǎn)彎半徑可由下式計算[13]：

(15)

由式(15)可知，理論上，轉(zhuǎn)彎半徑R的大小只與外前輪偏轉(zhuǎn)角θR有關(guān)，且成負相關(guān).選迪爾6J-1654拖拉機作為1ZL-7.2聯(lián)合整地機的配套動力，實測一些基本參數(shù)為：LZ=4 060mm，LT=2 685mm，L=1 450mmL，θmax=25°，于是最小轉(zhuǎn)彎半徑Rmax=6 353mm.

根據(jù)式(14)可得：

α角實際能否達到最大值，取決于半懸掛架的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其前端結(jié)構(gòu)如圖6所示，懸掛梁中部與上下兩塊連接板鉸接，兩端分別與拖拉機左右下拉桿連接，懸掛梁可繞鉸接點轉(zhuǎn)動.為保障機具可以獲得最小轉(zhuǎn)彎半徑和緊湊性，懸掛架在設(shè)計上需要滿足：懸掛架的懸掛梁繞鉸接點的轉(zhuǎn)動角度α能夠達到αmax；懸掛點應與整地機組保持足夠的距離，使得拖拉機配置雙輪胎進行田間作業(yè)時，懸掛梁繞鉸接點轉(zhuǎn)動至αmax過程中，后輪與聯(lián)合整地機不會發(fā)生碰撞.

圖5　最小轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)彎情形Fig.5　Turning with minimum radius

圖6　懸掛架前端結(jié)構(gòu)Fig.6　Front-end structures of suspension frame

5結(jié)論

引入了轉(zhuǎn)彎半徑來分析聯(lián)合整地機的轉(zhuǎn)彎性能，通過圖示法闡明了轉(zhuǎn)彎半徑對機組性能的直接影響：轉(zhuǎn)彎半徑越大，機組作業(yè)盲區(qū)越大.

以1ZL-7.2聯(lián)合整地機為對象，選用迪爾6J-1654拖拉機作為配套動力，計算得出理論上機組最小轉(zhuǎn)彎半徑為6 353mm；明確機組獲得最小轉(zhuǎn)彎半徑的條件是：拖拉機以前輪最大偏轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)彎且ωx=0，得出此時α角達到最大值為67.3°，進而明確了半懸掛架的設(shè)計要點.

參考文獻

[1]王序儉，湯智輝，秦朝民，等.1LZ-7.2聯(lián)合整地機的研制[J].新疆農(nóng)機化，2004(1)：28-29

[2]唐軍，曹肆林，王序儉，等.幾種聯(lián)合整地機的性能特點及比較[J].農(nóng)業(yè)機械，2011(5)：94-95

[3]李進江，孟祥金，李詠新.淺析聯(lián)合整地機械化技術(shù)的優(yōu)點[J].農(nóng)機科技推廣，2011(6)：58

[4]謝雨峰，許劍平，李存斌，等.國內(nèi)耕作機械的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].農(nóng)機化研究，2009(11)：238-240

[5]賈洪雷，陳忠亮，劉邵辰，等.耕整聯(lián)合作業(yè)工藝及配套機具研究[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2001，31(5)：40-43

[6]曹肆林，王序儉，王敏，等.1LZ系列聯(lián)合整地機的設(shè)計與試驗[J].西北農(nóng)業(yè)學報，2012，21(6)：202-206

[7]何義川，王序儉，曹肆林，等.新型聯(lián)合整地機的設(shè)計與實現(xiàn)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2012,40(10)：6313-6315

[8]王敏，曹肆林，劉云，等.一種新型聯(lián)合整地機的開發(fā)與推廣[J].農(nóng)機化研究，2012(3)：152-154

[9]羅衛(wèi)東，肖軍，何正強.牽引車最小轉(zhuǎn)彎半徑的提升橋布置研究[J].煤礦機械，2011，32(3)：69-71

[10]周全申，喬永欽，朱琳.車輛轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計與分析[J].河南工業(yè)大學學報：自然科學版，2006，27(6)：60-66

[11]陳銀清，洪添勝，孫同彪.山地果園單軌貨運機的最小轉(zhuǎn)彎半徑及最大承載量分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2012 ，28(增刊1)：50-54

[12]趙黨社，魏玲霞.鉸接式客車最小轉(zhuǎn)彎半徑和通道寬度的計算[J].客車技術(shù)與研究，2007(2)：27-29

[13]吳啟權(quán).鉸接式公共電汽車的最小轉(zhuǎn)彎半徑[J].城市車輛，1994(4)：13-15

(責任編輯李辛)

Analysis of turning performance for Semi-mounted combined cultivating machine

CAO Si-lin1,LU Yong-tao1,YING Yu-kun1,WANG Ji-liang1,WANG Min1,WANG Xu-jian1,YU Qi-zhong2

(1.Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Science,Shihezi,Xinjiang 832000,China;2.Wuwu Machinery Manufacture Co.Ltd.of Kelamayi,Xinjiang 834034,China)

Abstract：【Objective】 The theoretical basis can be provide for the design of semi-mounted combined cultivating machine.【Method】 In this study,combined cultivating machine unit 1ZL-7.2 was taken as the object to analyze its turning process.【Result】In order to obtain the basic condition which could get the minimum turning radius.The key points of design are understood clearly for semi-mounted rack.

Key words：combined cultivating machine；semi-mounted；turning radius

通信作者：盧勇濤，男，副研究員，碩士，研究方向為農(nóng)業(yè)機械設(shè)計與試驗.E-mail：nkylyt@163.com

基金項目：農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金項目(200365110000608)；新疆農(nóng)墾科學院科技引導計劃項目(YYD2010-3).

收稿日期：2015-03-25；修回日期：2015-12-15

中圖分類號：S 223.1+9

文獻標志碼：A

文章編號：1003-4315(2016)02-0144-05

第一作者：曹肆林(1982-)，男，副研究員，碩士，研究方向為農(nóng)業(yè)機械設(shè)計.E-mail：csl405240@sohu.com