深翻犁翻转机构的研究与分析

罗进军，曾小辉，毕新胜，李文春，陈　军

(1.新疆第一师农机技术推广站，新疆 阿拉尔　843300；2.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子　832003；3. 图木舒克银丰现代农业装备有限公司，新疆 图木舒克　844000)



深翻犁翻转机构的研究与分析

罗进军1，曾小辉2，毕新胜2，李文春3，陈军3

(1.新疆第一师农机技术推广站，新疆 阿拉尔843300；2.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子832003；3. 图木舒克银丰现代农业装备有限公司，新疆 图木舒克844000)

摘要：以1LX-S-65悬挂翻转式深翻犁翻转机构为对象，对其立式液压油缸进行运动分析，并建立了翻转机构的数学模型。通过对翻转机构的受力分析及计算液压油缸的相关参数，设计了能够实现1LX-S-65深翻犁地头顺利平稳翻转的翻转机构，从而以较小的换向冲击确保犁的成功越中和换向。

关键词：深翻犁；液压；翻转机构；数学模型

0引言

液压翻转犁在我国大部分地区已得到推广应用，在土地的耕翻作业中起到了关键作用。用翻转犁进行耕作具有无沟垄、节能及生产效率高等优点。液压翻转犁是利用拖拉机的液压系统来控制上、下对称的两套犁体进行交替作业，以达到不留沟垄的目的。翻转机构是翻转犁的主要工作部件，若设计不合理，换向时不仅影响犁的翻转，还会因换向冲击而影响犁和拖拉机的使用寿命。因此，翻转机构的受力分析与配套的液压油缸的选定是分析深翻犁正常工作的关键。

双向翻转犁液压翻转机构根据动力来源不同，通常可以分为机械类、气动类和液压类3种[1]。机械类的翻转机构产生在20世纪60年代，在小型翻转犁上使用较广泛；气动类的双向翻转犁在工作中因其耕作的稳定性较差，在实际生产中未能得到推广和使用。由于液压系统工作稳定可靠、操作方便，目前国内外双向翻转犁基本都用液压类的翻转机构。现有的液压类翻转机构主要有立式油缸(垂直)(见图1)、双缸联合驱动(见图2)、卧式油缸(水平)(见图3)和油缸—齿轮齿条(见图4)等4种结构型式[2]。

以上4种翻转机构中，双缸联合翻转机构能够实现稳定翻转；油缸—齿轮齿条工作精度相对较高，但其结构相对复杂，在实际生产应用中未能得到广泛使用；单缸卧式与单缸立式这两种翻转机构因其结构相对简单，在生产实际中得到推广和应用[3]。笔者设计的1LX-S-65悬挂翻转式深翻犁采用单缸立式翻转机构，本文对其建立数学模型，并进行运动分析和受力分析。

1.翻转轴　2.销轴　3.犁架　4.翻转油缸

1.翻转油缸　2.辅助油缸　3.犁架　4.销轴　5.翻转轴

1.翻转油缸　2.翻转轴　3.犁架　4.销轴

1.左油缸　2.齿条　3.右油缸　4.犁架　5.齿轮　6.翻转轴

1工作原理

当深翻犁耕作时，在田间的地头需要进行换向，此刻立式液压油缸开始工作，其结构简图如图1所示。油缸有杆腔进油，液压缸开始收缩，B点以翻转轴O为旋转中心，液压油缸带动犁架转动到与地面接近垂直状态时，系统停止供油；当犁架借助惯性越过死点后油路换向，这时液压油被推入油缸的无杆腔，油缸逐渐伸展，犁架在液压油的推动下继续转动直到上下两套犁体位置的互换，此刻犁架转过的角度为180°，换向结束；耕作到另一边的地头时，翻转机构换向过程与上一次换向过程完全相反[4]。

2理论分析

单缸立式翻转机构由机械系统和液压系统共同组成的整体。在分析过程中，设油泵以额定流量进行工作，不考虑由负载引起油泵流量的变化；不计液压油在管路和阀内压力的损失，忽略液压系统各处液压油的泄露和摩擦损耗。

图5　立式油缸运动分析简图

2.1运动方程的建立

开始换向时，液压油进入油缸的有杆腔，油缸收缩带动犁架进行转动，其角速度为ω。在△OAB中，由余弦定理可知

c2=a2+b2-2absinθ

(1)

此时犁架的转动角速度ω为

(2)

其中，v为活塞杆与液压缸的相对速度。

v=dc/dt

(3)

在分析活塞与液压缸的运动过程中，假设收缩时v取负值，伸长时v取正值，则

(4)

式中D—液压缸内径；

d—液压缸活塞杆直径；

Q—进入液压缸的流量。

2.2犁架运动分析

在深翻犁翻转时，犁架会受到多方面的力矩，主要有自身重力产生的力矩Mg、液压油推力产生的力矩MP及总的摩擦力矩Mf和转动过程中的惯性力矩MJ。翻转机构在换向时，油缸收缩带动犁架转动的力矩必须克服所有的阻力力矩[5]，则犁架平衡方程为

MP-Mg-Mf-MJ=0

(5)

在初始换向时，犁架处于静止状态，当液压油被液压泵以额定流量推送到液压缸的有杆腔时，有杆腔内与油路内的压力升高，在油压的作用下油缸开始加速，油缸的运行速度v为

(6)

在运行一定时间后，油缸的速度v逐渐趋于稳定，此刻犁架转过的角度θ较小。由于液压油推动液压缸产生的主动力矩大于总阻力矩，油缸将按照式(4)的速度匀速运动[6]，dv/dt=0。θ角为

(7)

若不计液压回油时的阻力，液压系统的压力为

(8)

伴随犁架转过的θ角逐渐增大，液压缸趋于垂直，则液压油推力力矩的力臂将会减小；而液压泵未停止供油，液压缸内的压力逐渐增大，直到油缸内的压力达到溢流阀的开启压力时，此刻液压缸处于等压的运动状态，则液压缸带动犁架运动的角加速度ε、角速度ω和角位移θ为

ε=(MP-Mg-Mf)/J

(9)

(10)

(11)

式中J—犁架的转动惯量；

ω1—临界角速度；

t1—临界时间；

θ1—临界角位移。

液压油缸换向的起始角度一般为80°≤θ≤88°。当犁架的旋转角度等于起始角时，即液压缸趋近与水平面垂直，这时电磁换向阀将转换至中位，液压油不能推进液压缸，犁架将由之前转动产生的惯性推动犁架越过死点；当犁架转过的θ角达到90°<θ<100°时，电磁换向阀再次换向，液压油被推进液压缸的有杆腔，油缸活塞杆逐渐伸长，液压系统反向运动。由于犁架在越中时系统停止给油缸供油，则活塞杆的运动速度在越中后将减小，犁架越中完成后系统恢复供油，液压泵以额定的流量将液压油推进液压缸，在液压油压力的作用下，液压缸将加速运动，液压缸内的压力也逐渐升高，活塞杆开始加速运动，直到其运动速度满足式(4)。

当液压缸的运动速度稳定后，重力产生的力矩成为主动力矩，由于油缸无杆腔面积大于油缸有杆腔的面积，承受的压力就较大，一般情况下，这个阶段液压缸的压力都小于溢流阀的开启压力。在越中完成后犁架开始运动时，由于摩擦力矩仍大于重力力矩，液压缸还要继续推动犁架转动才能完成翻转。此时液压缸无杆腔的压力P2为

(12)

3翻转机构参数的确定

3.1液压缸内径的计算

液压缸的缸筒内径D是根据负载的大小来选定工作压力或往返运动速度比，求得液压缸的有效工作面积，从而得到缸筒内径D，其计算公式为

当以无杆腔作为工作腔、负载为推力时，有

(13)

当以有杆腔作为工作腔、负载为拉力时，有

(14)

式中Fmax—最大作用负载。

3.2活塞杆直径的计算

活塞杆直径d不仅要满足速度或速度比的要求，还要结合其结构强度和稳定性来选择，计算公式为

(15)

式中φ—液压缸活塞杆往复运动时的速度之比。

当活塞杆受拉力作用时，d=0.3～0.5D；当活塞杆受压力作用且工作腔的工作压力大于7MPa时，d=0.7D。

3.3活塞杆行程的计算

由于活塞杆较细长，设计时应考虑纵向弯曲强度和液压缸的稳定性，实际需要的工作行程并不一定是液压缸的稳定性所允许的行程。活塞杆允许最大长度为

(16)

式中d—活塞杆直径(m)；

P—活塞杆纵向压缩负载(N)；

n—末端条件系数(n=1)；

nk—安全系数，nk>6。

3.4液压缸缸筒长度的确定

缸筒长度L有最大工作行程长度加上各种结构需要来确定，计算公式为

L1=S+A+B+C+M

(17)

式中S—活塞杆最大工作行程；

A—活塞杆导向长度，取A=(0.6～1.5)D；

B—活塞宽度，取B=(0.6～1)D；

C—其他长度；

M—活塞杆密封长度，由密封方式确定。

在液压缸结构参数的设计过程中，深翻犁的结构参数可以视为已知，供给液压缸的流量可以通过拖拉机的液压系统得到，把以上参数都定为确定值。结合液压技术手册[7]确定1LX-S-65悬挂翻转式深翻犁液压缸的型号为HSGL01-100/50AEZEcZ11350，如表1所示。

表1　液压缸相关参数

4结论

1)分析了悬挂翻转式深翻犁翻转机构的结构原理，建立了立式油缸翻转机构数学模型，并对其进行了运动及受力分析。

2)通过对单缸立式翻转机构的运动学特性分析，结合翻转机构的计算参数，选择出适合1LX-S-65悬挂翻转式深翻犁的液压油缸。

3)从动力学特性看，液压翻转机构可以保证实现犁180°的翻转所需要的动力，在耕作时可以实现地头的翻转。

参考文献：

[1]中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册[K].北京:中国农业科学技术出版社,2007.

[2]韩小平.双向犁液压翻转机构的计算机仿真分析[D].太谷：山西农业大学,2004.

[3]王会福.液压翻转犁翻转速度控制分析[J].农业科技与装备,2008(6):24-25,29.

[4]郑德聪,陈恭良,王玉顺,等.双向犁翻转机构的精度设计[J].农机化研究,2007(1):113-115.

[5]刘庆祥,宋晓祥.翻转犁翻转机构的运动与受力分析[J].农业机械学报,1998(S1):16-20.

[6]王建,高峰,吴成武,等.双向犁翻转机构的分析与优化[J].农业机械学报,2005,36(5):36-40,48.

[7]王益群,高殿荣,高英杰,等.液压工程师技术手册[K].北京：化学工业出版社,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

文章编号：1003-188X(2016)06-0098-04

中图分类号：S222.12+1

文献标识码：A

作者简介：罗进军(1974-)，男，河南西平人，高级工程师，(E-mail)a13899253859@163.com。通讯作者：曾小辉(1987-)，男，四川安岳人，硕士研究生，(E-mail)5841983@qq.com。

基金项目：新疆生产建设兵团科技人员服务南疆专项(2014BA060)

收稿日期：2015-05-28