南疆土壤特性下拖拉機(jī)懸掛犁懸掛方式的設(shè)計及優(yōu)化

閆樹軍，張 宏，萬 暢，孟 煒，李鳳娟

(塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

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南疆土壤特性下拖拉機(jī)懸掛犁懸掛方式的設(shè)計及優(yōu)化

閆樹軍，張 宏，萬 暢，孟 煒，李鳳娟

(塔里木大學(xué) 機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

傳統(tǒng)的三點(diǎn)懸掛方式過于依賴生產(chǎn)經(jīng)驗，不能適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)具設(shè)計和開發(fā)的快速發(fā)展，為更好地保證犁耕的作業(yè)質(zhì)量，必須在懸掛方式上進(jìn)行合理的調(diào)整。本文對懸掛犁與拖拉機(jī)掛接的方式進(jìn)行了重新設(shè)計，使懸掛犁和拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛構(gòu)成掛接機(jī)組，犁的掛接點(diǎn)落在拖拉機(jī)的動力中心和犁的阻力中心的連線上，即三點(diǎn)構(gòu)成一條直線，而將掛接機(jī)組上的牽引點(diǎn)做為虛牽引點(diǎn)。同時，結(jié)合南疆土壤特性，并利用MatLab軟件優(yōu)化了相關(guān)參數(shù)，最終各性能參數(shù)與懸掛犁標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)更接近，充分證明了懸掛方式改進(jìn)的合理性。

懸掛犁；三點(diǎn)懸掛；掛接；拖拉機(jī)

0 引言

懸掛犁是通過懸掛架與拖拉機(jī)的三點(diǎn)懸掛進(jìn)行機(jī)械連接的，主要是靠液壓提升機(jī)構(gòu)來完成升降；輸送時全部質(zhì)量由拖拉機(jī)承擔(dān)。其結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、機(jī)動性強(qiáng)、應(yīng)用廣泛[1]。南疆位于天山以南、昆侖山以北，屬于極度缺水區(qū)，土壤鹽堿化程度較高，為保證作業(yè)質(zhì)量，確保機(jī)具保持平穩(wěn)前進(jìn)、耕深一致，不出現(xiàn)重耕、漏耕和切牽引阻力小等現(xiàn)象，就必須進(jìn)行合理地掛接和調(diào)整[2]。

1 總體設(shè)計

1.1 懸掛方式的設(shè)計

結(jié)合南疆土壤特性對犁耕機(jī)組進(jìn)行分析后，將原三點(diǎn)懸掛方式進(jìn)行了調(diào)整：懸掛犁和拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛構(gòu)成掛接機(jī)組，犁的掛接點(diǎn)落在拖拉機(jī)的動力中心和犁的阻力中心的連線上，即三點(diǎn)構(gòu)成一條直線，而將掛接機(jī)組上的牽引點(diǎn)做為虛牽引點(diǎn)，如圖1所示。

1.犁杠 2.銷孔 3.下拉桿掛接機(jī)構(gòu) 4.螺栓通孔 5.銷耳(帶孔鋼板)

基本工作原理：①犁杠在工作狀態(tài)下起牽引架的作用，在懸掛行走時起杠桿的作用，與螺栓和犁架連接后成為一個整體(鋼性連接)；②銷孔與拖拉機(jī)的牽引點(diǎn)連接，起連接作用；③下拉桿掛接機(jī)構(gòu)控制犁工作時的瞬心位置，懸掛行走時提升犁體，與拖拉機(jī)下拉桿為銷連接；④犁杠上的兩個通孔和犁架螺栓連接，構(gòu)成犁架和犁杠的鋼性連接；⑤銷耳和下拉桿連接形成鋼性連接。

1.2 懸掛犁的掛接

懸掛犁通常與拖拉機(jī)的三點(diǎn)懸掛構(gòu)成機(jī)組，其掛接原則與牽引犁相同，只是在懸掛機(jī)組上牽引點(diǎn)為虛牽引點(diǎn)(圖2中的π1、π2點(diǎn)也稱瞬時回轉(zhuǎn)中心)。其中，ab為中央拉桿，cd、c′d′為下拉桿。作業(yè)時,由液壓裝置通過提升臂控制下拉桿的升降來實(shí)現(xiàn)犁的起落?？v垂面內(nèi)犁懸掛在abcd的四桿機(jī)構(gòu)上，犁的運(yùn)動用bc桿的運(yùn)動表示。在某瞬時，犁以ab桿與cd桿延長線的交點(diǎn)π1為中心做擺動，π1點(diǎn)是縱垂面內(nèi)的瞬時回轉(zhuǎn)中心；bc桿的長度變化會導(dǎo)致π1點(diǎn)的位置也隨之變化，會直接影響懸掛犁的入土性能。

水平面內(nèi)，犁懸掛在cdd′c′的四桿機(jī)構(gòu)上，在某瞬時，犁以cd及c′d′桿延長線的交點(diǎn)π2擺動，π2點(diǎn)是犁在水平面內(nèi)的瞬時回轉(zhuǎn)中心，懸掛機(jī)組瞬心位置對犁的工作性能有著直接的影響[4]。瞬心、阻力中心、動力中心三者之間位置的不同會產(chǎn)生4種不同牽引狀態(tài)：正牽引、斜牽引、偏牽引及偏斜牽引。其中，正牽引為理想狀態(tài)，不易得到，斜牽引較容易找到平衡，偏牽引容易使拖拉機(jī)穩(wěn)定工作，偏斜牽引是斜牽引和偏牽引的合成。

圖2 懸掛犁的掛接

2 主要結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計計算

2.1 部件設(shè)計以及目標(biāo)函數(shù)的確定

懸掛犁對機(jī)具的基本要求：作業(yè)穩(wěn)定，入土性能好，通過性高，掛接互不干涉。其所涉及的受力狀況及參數(shù)較復(fù)雜，難以用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)方程描述，考慮到設(shè)計內(nèi)容的通用性，為確保懸掛犁作業(yè)的牽引性能，最終以瞬心點(diǎn)的縱坐標(biāo)最小作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)[3]。

2.2 連接部件的設(shè)計

圖3 連接部件受力分析

2.3 薄壁圓截面的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力

約束條件為

圖4 薄壁圓管扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力

2.4 下拉桿掛接機(jī)構(gòu)的設(shè)計

下拉桿掛接機(jī)構(gòu)在犁懸掛行走過程中受到拉力F，如圖5所示。

圖5 下拉桿掛接機(jī)構(gòu)

在路面平整時下拉桿掛接機(jī)構(gòu)受靜載荷作用，而在路面不平整時受動載荷作用，拉力F的大小隨動載荷一起跟隨時間變化。

3 懸掛犁掛接機(jī)構(gòu)的優(yōu)化

3.1 掛接機(jī)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)

拖拉機(jī)與懸掛犁構(gòu)成作業(yè)機(jī)組需要滿足的基本條件有：①懸掛犁自動入土較容易，有相對較大的入土角和入土力矩來保證入土行程足夠短；②作業(yè)過程通過懸掛裝置垂直面內(nèi)虛牽引點(diǎn)位置的調(diào)整，保證工作穩(wěn)定性的同時對地面有一定的適應(yīng)性；③作業(yè)中通過水平面內(nèi)虛牽引點(diǎn)位置的變化來保證工作幅寬和穩(wěn)定地直線行駛；④運(yùn)輸時穩(wěn)定性和通過性較好；⑤油缸的負(fù)荷及輪胎的負(fù)荷不超過允許值[5]。文章根據(jù)懸掛機(jī)組相關(guān)參數(shù)，參照鄭德聰?shù)仍趹覓炖鐠旖訁?shù)的優(yōu)化設(shè)計一文中的優(yōu)化方法、結(jié)合機(jī)構(gòu)的改進(jìn)及根據(jù)需要選擇不同的參數(shù)作為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

圖6 懸掛機(jī)構(gòu)在縱垂面內(nèi)的投影簡圖

1)工作狀態(tài)各點(diǎn)位置。 Ea在x6O6y6坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為

2)入土狀態(tài)時各點(diǎn)位置。懸掛犁處于入土工作狀態(tài)時，Ep、O6p絕對坐標(biāo)為

3)犁架立柱高度H和上拉桿長度R2為

4)田間轉(zhuǎn)移狀態(tài)參數(shù)。田間轉(zhuǎn)移狀態(tài)時，犁相對于拖拉機(jī)處于最高位置，(xDm、yDm)的約束方程為

網(wǎng)絡(luò)是知識傳播的高速公路，消除了知識傳播的時空局限，人們可在任何時間和空間獲取所需要的知識，這就使傳統(tǒng)的大學(xué)教育模式面臨巨大挑戰(zhàn)。學(xué)生可以根據(jù)興趣和任務(wù)通過網(wǎng)絡(luò)獲得知識，其效率已經(jīng)遠(yuǎn)高于課堂教師講授；網(wǎng)絡(luò)傳播可以一對多，也可以多對一交互學(xué)習(xí)，所涉及領(lǐng)域及知識面遠(yuǎn)超出課堂一對多傳播；網(wǎng)絡(luò)知識傳播可以自主學(xué)習(xí)，真正體現(xiàn)興趣驅(qū)動，體現(xiàn)學(xué)習(xí)者的主導(dǎo)地位；網(wǎng)絡(luò)傳播可以拆除大學(xué)圍墻，突破單一學(xué)科限制，學(xué)生可以同時在不同的知識傳播源獲取知識，即在不同的大學(xué)、不同的國度同時學(xué)習(xí)；網(wǎng)絡(luò)傳播推動了知識更新，加快了知識創(chuàng)新，提升了知識應(yīng)用。

運(yùn)輸隙角為

運(yùn)輸狀態(tài)時，鏵尖點(diǎn)與拖拉機(jī)后輪之間最小距離為

5)犁相對于拖拉機(jī)的速度瞬心。犁相對于拖拉機(jī)速度瞬心是下點(diǎn)π1，該點(diǎn)坐標(biāo)(x，y)為

3.2 優(yōu)化設(shè)計

3.2.1 設(shè)計變量

3.2.2 目標(biāo)函數(shù)

邊界約束[8]為

100mm

300mm≤B≤500mm，φ1amin≤φ1a≤φ1amax，3°≤φ6p≤15°

幾何約束為

g1：R2-R2max≤0g2：R2min-R2≤0

g3：H-Hmax≤0g4：Hmin-H≤0

性能約束為

g5：φ6m-35°≤0g6：150mm-Bm≤0

為滿足機(jī)組運(yùn)輸通過性的要求，應(yīng)滿足

g7：15°-φ6m≤0

g8：300mm-Hd≤0。

3.2.4 切應(yīng)力約束

3.3 參數(shù)優(yōu)化

懸掛犁掛接參數(shù)的優(yōu)化屬于非線性多變量約束問題，利用MatLab提供的函數(shù)來完成求解。TN-55型拖拉機(jī)配套1L-430型懸掛犁，結(jié)合南疆土壤特性在土槽實(shí)驗下取得相關(guān)數(shù)據(jù)最終完成優(yōu)化設(shè)計。輸入?yún)?shù)如表1所示[6]，優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

表1 輸入?yún)?shù) mm

表2 優(yōu)化結(jié)果

得到的結(jié)果與1L-430型懸掛犁標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)(φ6p=6.7°,R2=588mm,H=460mm,y6Ea=-615mm)進(jìn)行比較，僅有較小的差別；與鄭德聰在懸掛犁掛接參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計一文中所得到的優(yōu)化結(jié)果比較：φ6p從6.49°提高到6.58°， 從592.76°降低到586.37°，H從496.93mm降低到463.48mm， 從-587.37mm降低到-603.48mm，各項性能參數(shù)與懸掛犁標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)相比更為接近，充分證明這種懸掛方式的改進(jìn)更加合理。

4 結(jié)論

1)結(jié)合南疆土壤特性對懸掛犁掛接方式進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化計算結(jié)果與生產(chǎn)中長期使用的懸掛犁掛接標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)相差不大，比單純的懸掛犁優(yōu)化結(jié)果有明顯的提高，充分證明了該掛接結(jié)構(gòu)的合理性，可以保證入土性能和工作的穩(wěn)定性。

2)機(jī)構(gòu)在優(yōu)化設(shè)計過程中，對復(fù)雜農(nóng)具的受力分析進(jìn)行了簡化，便于實(shí)際應(yīng)用和操作，可用于其它農(nóng)具的懸掛設(shè)計，適應(yīng)性較強(qiáng)。

3)通過對懸掛犁掛接方式的設(shè)計以及參數(shù)優(yōu)化方法的研究，對提高懸掛類農(nóng)業(yè)機(jī)具與拖拉機(jī)懸掛的合理配備具有重要意義。

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Suspension Design and Optimization of Plow Suspension Mode

Yan Shujun，Zhang Hong,Wan Chang，Meng Wei，Li Fengjuan

(Mechanical and Electrical Engineering College,Tarim University，Alaer 843300,China)

The traditional three-point suspension way too dependent on experience, can not adapt to the rapid development of modern agriculture machinery design and development, in order to better ensure the quality of work of plowing, you must make reasonable adjustments in the suspension mode. The article on the suspension and tractor plow articulated manner has been redesigned to make the plow and tractor three-point suspension constituted suspension mount unit, plow mount point falls tractor and plow power center of resistance center connection, that is, three points form a straight line, but will mount tow point on the unit as a virtual traction point, combined with soil properties in southern Xinjiang ，and the use of software to optimize the parameters, performance parameters and each final suspension plow closer to the standard parameters, demonstrating ways to improve the suspension of rationality.

suspension plough；three-point suspension；hanging；tractor

2016-04-14

國家自然科學(xué)基金項目(31160196)；塔里木大學(xué)中國農(nóng)業(yè)大學(xué)和聯(lián)合基金項目(ZNTDLH1504)；塔里木大學(xué)青年基金項目( TDZKSSZD201402)

閆樹軍( 1980-) ，男，陜西蒲城人，講師，碩士，(E-mail)yanshujun0218@163.com。

S219.032.4

A

1003-188X(2017)05-0259-05