懸掛式翻轉(zhuǎn)犁的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

徐　山,牛宗偉,李學(xué)強(qiáng),孫　鵬，李海青

(1.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049;2.樂(lè)陵市天成機(jī)械有限公司 技術(shù)部，山東 德州 253600;3.山東省機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，山東 濟(jì)南 250031)

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懸掛式翻轉(zhuǎn)犁的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

徐山1,牛宗偉1,李學(xué)強(qiáng)2,孫鵬1，李海青3

(1.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049;2.樂(lè)陵市天成機(jī)械有限公司 技術(shù)部，山東 德州 253600;3.山東省機(jī)械設(shè)計(jì)研究院，山東 濟(jì)南 250031)

為了克服普通鏵式犁單方向翻垡效率低的缺點(diǎn)，研制了1LF-5.0型懸掛式翻轉(zhuǎn)犁.通過(guò)理論分析確定了懸掛式翻轉(zhuǎn)犁的整體設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了翻轉(zhuǎn)犁的主要零部件.田間試驗(yàn)表明，此懸掛式翻轉(zhuǎn)犁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，其各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求.該設(shè)計(jì)為翻轉(zhuǎn)犁的研究和改進(jìn)工作提供了理論和實(shí)踐依據(jù).

懸掛式翻轉(zhuǎn)犁；懸掛裝置；犁架；犁體

目前，國(guó)外翻轉(zhuǎn)犁的研究已經(jīng)日趨成熟，他們根據(jù)土壤條件的不同設(shè)計(jì)了不同的犁臂以滿足相應(yīng)的條件，如法國(guó)格力格爾-貝松公司的非大型多鏵翻轉(zhuǎn)犁，犁耕效率最高可達(dá)18km2/h[1].德國(guó)雷肯公司早在1905年就獲得了世界上第一個(gè)犁具的專利，他們研制的一種代表性犁體，在犁耕過(guò)程中遇到石頭等障礙物時(shí)犁柱會(huì)自動(dòng)翹起來(lái)，保護(hù)犁柱不會(huì)被拉斷.近年來(lái)，我國(guó)耕地機(jī)械發(fā)展相對(duì)較快，許多研究所、企業(yè)相繼設(shè)計(jì)出不同型號(hào)的翻轉(zhuǎn)犁，取得了不錯(cuò)的成果.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程系的王雙喜、吳海平等人于1996年對(duì)液壓翻轉(zhuǎn)雙向犁的最新結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了研究[2].黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院的甘露、孫大明等人設(shè)計(jì)了1FFSL-5型淺翻深松翻轉(zhuǎn)犁，該機(jī)能夠一次完成淺翻、深松兩項(xiàng)作業(yè)，還可以進(jìn)行單向作業(yè)，并且一次作業(yè)即可達(dá)到播前整地狀態(tài)，減少了作業(yè)次數(shù)，降低了作業(yè)成本[3].本文研究的1LF-5.0型懸掛式翻轉(zhuǎn)犁主要解決一般鏵式犁單向翻垡、會(huì)形成閉壟、效率低下等缺點(diǎn)，并且通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的可行性.

1　懸掛式翻轉(zhuǎn)犁的整機(jī)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1懸掛式翻轉(zhuǎn)犁犁體數(shù)與總耕幅的設(shè)計(jì)

鏵式犁與拖拉機(jī)配套作業(yè)的犁體數(shù)根據(jù)農(nóng)業(yè)技術(shù)要求的耕深，并考慮土垡的寬深比K值與單犁體的耕幅確定.計(jì)算公式為

(1)

式中：n為配套犁體數(shù)；PT為常用耕速下拖拉機(jī)的掛鉤牽引力即額定牽引力，取29 000N；η為牽引力的利用系數(shù)，一般取0.8～0.95；a為按農(nóng)業(yè)技術(shù)要求確定的設(shè)計(jì)耕深，取30cm；b為單犁體幅寬，取35cm；K為犁耕比阻，取4～6N/cm2.

按計(jì)算所得犁體數(shù)n，取整數(shù)5，然后用下式求出犁的總耕幅B

(2)

求得總耕幅為175cm.

1.2主犁體的配置和犁架底面至犁體水平基面高度的設(shè)計(jì)

為保證翻轉(zhuǎn)犁在作業(yè)時(shí)不重耕、不漏耕，取兩相鄰犁體的橫向間距為35cm.根據(jù)后鏵尖應(yīng)位于由前鏵尖所作的與鏵刃線垂直并向脛刃邊偏一摩擦角φ的直線上的理論，犁體縱向間距L為

(3)

式中:θ為鏵刃線與前進(jìn)方向的夾角；φ為土壤與鋼的摩擦角，取24°.以式(3)為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)調(diào)整，取L=80cm.

犁梁底面至犁體水平基面高度H需要保證土垡順利翻轉(zhuǎn)，不產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象.但是也不宜過(guò)大，否則會(huì)導(dǎo)致犁柱重量增加或強(qiáng)度不足.H值可按照下式計(jì)算：

(4)

式中：amax為最大耕深，取35cm；h表示地表殘茬高度，取15cm.經(jīng)計(jì)算取H為65cm.

1.3懸掛式翻轉(zhuǎn)犁的工作原理

以犁架為中心，犁架前端是懸掛裝置，懸掛裝置上的3個(gè)懸掛點(diǎn)能夠使整個(gè)翻轉(zhuǎn)犁懸掛在拖拉機(jī)上，懸掛裝置通過(guò)翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與犁架相連，實(shí)現(xiàn)犁架的翻轉(zhuǎn)，犁架上安裝有左右對(duì)稱的翻轉(zhuǎn)犁體，在犁架翻轉(zhuǎn)的過(guò)程中左右犁體會(huì)隨著犁架翻轉(zhuǎn)，因此方便地實(shí)現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)犁在耕地的來(lái)回過(guò)程中交錯(cuò)工作.犁架的另一側(cè)安裝有限深輪，通過(guò)調(diào)節(jié)限深輪能夠方便地調(diào)節(jié)翻轉(zhuǎn)犁犁體的耕深[4].圖1為懸掛式翻轉(zhuǎn)犁的示意圖.

1.犁架；2.翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)； 3.懸掛裝置； 4.左右翻轉(zhuǎn)犁體； 5.限深輪圖1　懸掛式翻轉(zhuǎn)犁示意圖

2　翻轉(zhuǎn)犁主要零部件的設(shè)計(jì)

2.1翻轉(zhuǎn)犁懸掛裝置的設(shè)計(jì)

翻轉(zhuǎn)犁機(jī)頭主要由6部分組成：下連接桿、限位裝置、懸掛支架、懸掛銷(xiāo)軸、翻轉(zhuǎn)油缸和旋轉(zhuǎn)臂.拖拉機(jī)利用三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)與翻轉(zhuǎn)犁的下連接桿兩端和懸掛銷(xiāo)軸連接，將翻轉(zhuǎn)犁掛接在拖拉機(jī)后面，通過(guò)這3個(gè)點(diǎn)可以將整個(gè)翻轉(zhuǎn)犁升起，使翻轉(zhuǎn)犁在耕地過(guò)程中很方便地來(lái)回?fù)Q向.拖拉機(jī)利用液壓缸控制旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)犁的翻轉(zhuǎn)作用，液壓缸的收縮與伸長(zhǎng)可以使機(jī)頭的中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)整個(gè)翻轉(zhuǎn)犁的左右犁鏵便會(huì)繞著中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)犁的翻轉(zhuǎn)功能.通過(guò)調(diào)節(jié)限位裝置上面的螺母可以很方便地控制左右犁鏵的傾斜角度，此方法操作簡(jiǎn)單，并且保護(hù)螺母免受污染.

1.下連接桿； 2.限位裝置； 3.懸掛支架；4.懸掛銷(xiāo)軸； 5.翻轉(zhuǎn)油缸； 6.旋轉(zhuǎn)臂圖2　翻轉(zhuǎn)犁懸掛裝置

2.2翻轉(zhuǎn)犁限深輪的設(shè)計(jì)

翻轉(zhuǎn)犁的限深輪與犁鏵分別安裝在翻轉(zhuǎn)犁犁梁的左右兩端，它主要包括輪胎裝置、限位板、連接塊、限位塊、連接夾板幾部分.輪胎裝置通過(guò)連接塊與犁梁夾板連接，然后通過(guò)犁梁夾板夾在犁梁上面.輪胎裝置可以繞著連接塊轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)限位板的高度，讓限位板被限位塊擋住就可以調(diào)節(jié)犁梁的高度，從而穩(wěn)定犁的耕深，避免植被被堵塞和影響土垡翻轉(zhuǎn).

本翻轉(zhuǎn)犁上的限深輪作為一獨(dú)立部件，安裝在犁架橫梁上，在犁梁的前后位置都有相應(yīng)的安裝孔，所以此限深輪的位置是可以前后移動(dòng)的，翻轉(zhuǎn)犁在調(diào)節(jié)機(jī)組作業(yè)時(shí)，可以方便地卸去.限深輪的直徑D為650mm，輪緣寬度根據(jù)正常工作時(shí)輪上承受的垂直負(fù)荷計(jì)算，即

(5)

式中：p為單位輪緣寬度上的允許負(fù)荷，取p=400N/cm;Pt為限深輪承受的垂直負(fù)荷，取Pt=5 600N.經(jīng)計(jì)算BL=150mm.

1.輪胎裝置； 2.限位板； 3.連接塊；4.犁梁夾板； 5.限位塊； 6.翻轉(zhuǎn)犁犁梁圖3　翻轉(zhuǎn)犁限深輪

3　性能試驗(yàn)

3.1試驗(yàn)項(xiàng)目

懸掛式翻轉(zhuǎn)犁的性能試驗(yàn)項(xiàng)目主要包括：耕深和耕深穩(wěn)定性、耕寬和耕寬穩(wěn)定性、正反行程耕深一致性、正反行程耕寬一致性、作業(yè)速度、植被和殘茬的覆蓋率、土垡破碎率、入土行程以及翻轉(zhuǎn)到位率.

3.2試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)借鑒了馮雅麗、鄭玄、李長(zhǎng)輝等人的試驗(yàn)方法[5-7].各試驗(yàn)項(xiàng)目測(cè)定分別按照GB/T14225的相應(yīng)規(guī)定進(jìn)行.

正反行程耕深、耕寬一致性測(cè)定：懸掛式翻轉(zhuǎn)犁的右側(cè)翻轉(zhuǎn)犁犁體工作時(shí)為正行程，左側(cè)翻轉(zhuǎn)犁犁體工作時(shí)為反行程.

翻轉(zhuǎn)到位率測(cè)定：由熟練的操作人員連續(xù)翻轉(zhuǎn)1LF-5.0懸掛式翻轉(zhuǎn)犁100次，其中97次順利完成了翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)到位率為97%，符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定.此懸掛式翻轉(zhuǎn)犁符合本次設(shè)計(jì)要求.

耕深是指犁耕行程的溝底到未耕地表面的垂直距離，用耕深尺測(cè)量出犁耕的耕深.在前進(jìn)和返回兩種工況下，隨機(jī)選取前進(jìn)行程中的5個(gè)點(diǎn)測(cè)量耕深，同理選取返回行程中的5個(gè)點(diǎn)測(cè)量其耕深.然后計(jì)算出平均耕深、耕深標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和穩(wěn)定性系數(shù).與耕深測(cè)定點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，用同樣的方法測(cè)定出耕寬，并計(jì)算出平均耕寬、耕寬標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和穩(wěn)定性系數(shù).數(shù)值測(cè)量與計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1.

表1耕深、耕寬測(cè)量數(shù)據(jù)

測(cè)量點(diǎn)耕深/cm耕寬/cm正行程126180232182330.5170428173534183反行程630.51627301688271739291811027.5172工況平均值/cm29.45174.4工況標(biāo)準(zhǔn)差/cm2.446.89工況變異系數(shù)/%8.303.95工況穩(wěn)定性系數(shù)/%91.7096.05

通過(guò)表1可知道：1LF-5.0型懸掛式翻轉(zhuǎn)犁的耕深和耕寬滿足本次設(shè)計(jì)的要求.

3.3試驗(yàn)結(jié)果

1LF-5.0型懸掛式翻轉(zhuǎn)犁經(jīng)設(shè)計(jì)、樣機(jī)試制以及小批量生產(chǎn)后經(jīng)過(guò)多次田間試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均能達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求.試驗(yàn)條件以及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2、表3.

表2試驗(yàn)條件

項(xiàng)目名稱結(jié)果值土壤類(lèi)型壤土土壤堅(jiān)實(shí)度/N·cm-20.124土壤含水率/%10.560前茬作物名稱棉花茬子平均高度/cm18.360茬子平均密度/株·m-237

表3試驗(yàn)結(jié)果

項(xiàng)目名稱技術(shù)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果作業(yè)速度/km·h-1>57入土行程/m≤62.72耕寬平均值/m1.5～2.01.74耕寬穩(wěn)定性變異系數(shù)/%≤103.95耕深平均值/cm27～3229.45耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)/%≤108.30土垡破碎率/%≥6573.9植被覆蓋率(地表以下)/%≥8589.88植被覆蓋率(8cm深度以下)/%≥6076.98翻轉(zhuǎn)到位率/%≥9597

4　結(jié)束語(yǔ)

1LF-5.0型懸掛式翻轉(zhuǎn)犁能夠左右翻轉(zhuǎn)犁體，避免了單向犁小區(qū)繞行產(chǎn)生的溝壟現(xiàn)象.經(jīng)LLF-5.0型懸掛式翻轉(zhuǎn)犁耕作后的地表平整，且大大提高了生產(chǎn)效率，非常有利于農(nóng)作物的種植.

[1]屈殿銀.未來(lái)耕地機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械，2008(9)：44-45.

[2]王雙喜，吳海平.液壓翻轉(zhuǎn)雙向犁的最新結(jié)構(gòu)形式研究[J].山西農(nóng)業(yè)大學(xué)報(bào)，1996,16(3)：293-294.

[3]甘露，孫大明. 1FFSL-5型淺翻深松翻轉(zhuǎn)犁的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2008(5)：136-138.

[4]鄭炫，賈首星.1LFS-435型淺翻深松翻轉(zhuǎn)犁的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化，2012(1)：129-131.

[5]馮雅麗.1LFS-340型秸稈還田液壓翻轉(zhuǎn)犁的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

[6]鄭炫，陳雪峰，秦朝民，等.1LFQ-325型氣動(dòng)翻轉(zhuǎn)犁的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011(2)：592-594.

[7]李長(zhǎng)輝，余泳昌，李赫，等.1LYF-435型翻轉(zhuǎn)犁作業(yè)性能及適用性評(píng)價(jià)試驗(yàn)研究，2015,36(1)21-23.

(編輯：郝秀清)

Design and experiment of hanging reversible plow

XU Shan1,NIU Zong-wei1,LI Xue-qiang2,SUN Peng1,LI Hai-qing3

(1.School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China;2.TechnologyDepartment,LelingTranisceEngineeringMachineryCompanyLimited,Dezhou253600,China;3.ShandongMachineryDesignandResearchInstitute,Zibo250031,China)

Inordertoovercomethecommonplow′sshortcomingsofturninonedirectionmattressandlowefficiency,thetypeof1LF-5.0mountroll-overplowwasdesigned.Basingonthetheoreticalanalysis,thewholeofthemountroll-overplowwasdesignedandthenthemainpartsofthemountroll-overplowwerestudied.Theexperimentinfieldsshowedthatthemountroll-overplowwaswiththecharacteristicsofsimplestructureandeasyoperation.Andallindexesofthemountroll-overplowcouldmeettherequirementsofrelevantnationalstandards.Italsocouldprovidethetheoreticandpracticalreferenceforthetheresearchandimprovementofthemountroll-overplow.

hangingreversibleplow;suspensiondevice;plowframe;plough

2015-10-29

徐山，女，xushanhappy@126.com;

牛宗偉，男，niuzongwei@sdut.edu.cn

1672-6197(2016)06-0067-03

TQ171.5

A