劉進(jìn)寶， 鄭 炫， 楊懷君， 張魯云， 李 帆， 王子龍， 湯智輝

（新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆 石河子 830000）

0 引言

鏵式犁是一種應(yīng)用最為廣泛的耕地機(jī)械，隨著我國農(nóng)業(yè)向著規(guī)模化、集約化的方向發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械相應(yīng)地也朝著大型、寬幅、高速方向發(fā)展。在鏵式犁研究方面，西方發(fā)達(dá)國家技術(shù)先進(jìn)、成熟，在理論研究方面取得了大量成果，在高速減阻降耗作業(yè)等方面都展開了深入的研究。同時也涌現(xiàn)出一批鏵式犁專業(yè)品牌，如雷肯、貝松、庫恩等，研制的液壓翻轉(zhuǎn)犁結(jié)構(gòu)簡單緊湊、作業(yè)穩(wěn)定性好、零部件可靠性高[1-2]。

我國的鏵式犁技術(shù)與發(fā)達(dá)國家相比還存在差距，特別是作業(yè)性能和可靠性方面，但在液壓翻轉(zhuǎn)犁方面也開展了一定的研究。賀江川等[3]設(shè)計了一種1 LFT-550 型調(diào)幅式液壓翻轉(zhuǎn)柵條犁，有效提高了機(jī)具作業(yè)效率。邢璐露等[4]借鑒國外成熟技術(shù)，對液壓翻轉(zhuǎn)犁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了針對性改進(jìn)完善。劉興愛等[5]、鄭炫等[6]借鑒國外先進(jìn)技術(shù)，并進(jìn)行自主結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，先后研制出1 LB-542 型水平換向犁、1 LCH-546 型垂直換向犁、1 LFS-435 型淺翻深松翻轉(zhuǎn)犁和1 LFT-435 型調(diào)心調(diào)幅式液壓翻轉(zhuǎn)犁等系列產(chǎn)品。

由于我國耕地土壤的差異性，使得土壤物理特性及力學(xué)特性復(fù)雜多變，尤其在黏重土壤條件下耕作時，大量土壤黏附在犁體表面，不僅增大了耕作阻力，還影響了犁體的入土、翻垡、碎土和覆蓋等作業(yè)性能，降低了犁耕作業(yè)效率與質(zhì)量，在砂石土中容易產(chǎn)生沖擊破壞，結(jié)構(gòu)可靠性和作業(yè)穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步提高[7-9]。本研究在前期研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種懸掛式高速智能液壓翻轉(zhuǎn)犁，以期提高機(jī)具的可靠性、穩(wěn)定性和適應(yīng)性，為土壤高效高速耕作提供新型裝備。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

高速液壓翻轉(zhuǎn)犁主要由懸掛機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、調(diào)幅機(jī)構(gòu)、高速犁體總成、小前犁、犁柱總成、限深機(jī)構(gòu)、犁架大梁及液壓系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中，高速犁體總成包括高速犁體曲面、犁鏟尖、犁鏵、犁側(cè)板和犁托板，犁體呈左右對稱；懸掛機(jī)構(gòu)由上懸掛板、下懸掛軸和水平調(diào)節(jié)座組成；翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)軸、懸掛連接座和翻轉(zhuǎn)液壓油缸組成；調(diào)幅機(jī)構(gòu)由犁架連接座、后連接座、調(diào)幅液壓油缸和調(diào)節(jié)螺管組成；限深機(jī)構(gòu)由限深輪、連接板和限位機(jī)構(gòu)組成。

圖1 翻轉(zhuǎn)犁結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of overturned plough

1.2 工作原理

高速液壓翻轉(zhuǎn)犁在耕地作業(yè)時，采用大功率輪式拖拉機(jī)為配套動力，通過拖拉機(jī)后三點懸掛裝置與懸掛架連接，利用拖拉機(jī)懸掛高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使犁體入土耕地作業(yè)，限深輪起到限制犁耕作業(yè)深度的作用。犁架上安裝有左右對稱的高速犁體總成，當(dāng)單趟犁耕作業(yè)到地頭后，通過翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)調(diào)轉(zhuǎn)左右工作犁體，使回程犁耕作業(yè)翻土方向與去程翻土方向一致，從而提高了耕作效率。由于作業(yè)時拖拉機(jī)一側(cè)輪胎在未耕土地上行走，另一側(cè)輪胎在已耕土壤形成的溝渠中行走，拖拉機(jī)呈傾斜狀態(tài)，因此需通過調(diào)節(jié)懸掛架水平調(diào)節(jié)座，保證犁體相對地面保持水平作業(yè)；根據(jù)耕作土壤情況，可通過調(diào)節(jié)調(diào)幅液壓油缸和犁柱調(diào)幅板安裝角度改變作業(yè)幅寬，達(dá)到最佳作業(yè)狀態(tài)；同時可以調(diào)節(jié)限深輪高度，控制穩(wěn)定的作業(yè)耕深。為了能適應(yīng)配套不同型號的大功率輪式拖拉機(jī)，懸掛設(shè)置有快速掛接裝置，犁體和犁柱總成通過主梁卡子連接在大梁上，根據(jù)拖拉機(jī)輪距和懸掛點位置，可以快速調(diào)整第一鏵犁體的安裝位置，達(dá)到最佳作業(yè)狀態(tài)。翻轉(zhuǎn)犁主要技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 拖拉機(jī)功率和作業(yè)幅寬

新疆維吾爾自治區(qū)（簡稱新疆）農(nóng)田土壤普遍為沙壤土和砂黏土，犁耕比阻相對偏大，為最大限度滿足參數(shù)配置，確定鏵式犁與拖拉機(jī)配套作業(yè)的犁體數(shù)量關(guān)系。

式中P——拖拉機(jī)額定牽引力，N

n——配套犁體數(shù)量

K——犁耕比阻，kPa

ac——犁耕深度，cm

b4——單鏵犁體幅寬，cm

η——拖拉機(jī)牽引力利用系數(shù)

根據(jù)新疆土壤特點，參考農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊，犁耕比阻選取70。根據(jù)農(nóng)藝技術(shù)要求，新疆農(nóng)田耕深35 cm，采用單鏵最大耕寬50 cm 的大寬幅犁體，拖拉機(jī)牽引力利用系數(shù)選取0.9，計算可得拖拉機(jī)額定牽引力68.05 kN。根據(jù)拖拉機(jī)參數(shù)規(guī)格可知，額定功率在147 kW 以上的拖拉機(jī)額定牽引力在70 kN 以上，因此配套動力選取147 kW 的拖拉機(jī)。整機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)配置如圖2 所示。

圖2 翻轉(zhuǎn)犁總體配置Fig.2 General configuration of turning plough

按照整體參數(shù)配置，最大總幅寬Bs=nb4=5×50=250 cm。

2.2 犁鏵間距

根據(jù)后鏵犁鏟尖應(yīng)位于由前鏵犁鏟尖所做的與鏵刃線垂直并向脛刃線偏摩擦角的直線上的理論，犁體縱向間距Ls為

式中Ls——犁體縱向間距，cm

θ0——鏵刃線與前進(jìn)方向的夾角，（°）

?——土壤與犁體材料的摩擦角，（°）

依據(jù)犁具結(jié)構(gòu)可得犁架配置斜角αs為

根據(jù)前期研究結(jié)果，土壤與犁體材料的摩擦角?=25.45°，本設(shè)計的鏵刃線與前進(jìn)方向夾角θ0=38°，因此可得犁體縱向間距Ls=100 cm，犁架配置斜角26.56°。

2.3 拖拉機(jī)與犁體間距配置

翻轉(zhuǎn)犁耕地時輪式拖拉機(jī)右后輪處于犁溝底，為了保證犁耕過程不出現(xiàn)漏耕和重耕現(xiàn)象，第1 鏵犁體與拖拉機(jī)右后輪內(nèi)側(cè)間距應(yīng)設(shè)置合理，并且拖拉機(jī)后輪距應(yīng)與犁具總幅寬相適應(yīng)，拖拉機(jī)合理的右后輪內(nèi)側(cè)間距配置為

式中Hs——拖拉機(jī)后輪距，mm

b2——拖拉機(jī)后輪寬度，mm

b3——第1 鏵犁體與拖拉機(jī)右后輪內(nèi)側(cè)間距，mm

以2204 型輪式拖拉機(jī)為例，采用輪胎寬度20 cm，一般情況下第1 鏵犁體與拖拉機(jī)右后輪內(nèi)側(cè)間距取1～2 cm，因此拖拉機(jī)后輪距297 cm。

2.4 犁體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.4.1 犁體曲面模型

犁體曲面導(dǎo)曲線設(shè)計如圖3 所示，圖中Sc為犁鏵長度、ε0為入土角、hc為導(dǎo)曲線高度、θ0為初始元線角、Δθ為元線角變化量、z1為犁鏵高度及z2為犁體的總高度。其中第1 段為直線部分，對應(yīng)犁體的犁鏵部分；第2 段為圓錐曲線。圓錐曲線的斜率隨高度的增加逐漸增大，有利于土壤在犁壁中間位置處隨犁體曲面向上抬升及翻垡。對其建立導(dǎo)曲線的數(shù)學(xué)模型，設(shè)圓錐曲線部分參數(shù)方程為

圖3 犁體曲面參數(shù)Fig.3 Plow body surface parameters

式中f1、f2、f3、f4——化簡后的曲線方系數(shù)

本設(shè)計主要考慮犁體減阻問題，根據(jù)犁耕作業(yè)要求，取ε0=25°，犁鏟直線部分長度Sc=150 mm；初始元線角θ0=38°，θ角逐漸減小，在犁體中部抬壟部分元線角變化較慢，在犁體上部翻壟部分元線角變化較快。犁鏵部分選取直線，其余部分選取拋物線，犁鏵高度z1=Scsinθ0，犁體總高度z2=600 mm。

2.4.2 仿生結(jié)構(gòu)

仿生設(shè)計能有效降低土壤黏附現(xiàn)象，將穿山甲體表的鱗片三角圓弧狀結(jié)構(gòu)和蜣螂體表的凸包結(jié)構(gòu)相結(jié)合，按照比例放大表面輪廓結(jié)構(gòu)尺寸，沿著土跡線依次排列在犁壁上，結(jié)構(gòu)如圖4 所示[10-12]。圖中a0為凸起前端寬度、b0為凸起后端寬度、c0為凸起高度、e0為凸起前后端距離及x0為凸起排列間隔距離。本設(shè)計設(shè)置a0=10 mm、b0=20 mm、c0=8 mm、e0=25 mm 及x0=20 mm。

圖4 犁體仿生設(shè)計Fig.4 Bionic design of plow body

2.5 防過載自動避障機(jī)構(gòu)設(shè)計

2.5.1 機(jī)構(gòu)原理

為解決在多石貧瘠土壤耕作中犁耕裝備產(chǎn)生沖擊破壞，設(shè)計了一種雙向犁耕裝備的過載保護(hù)自動避障機(jī)構(gòu)，既保證犁體快速響應(yīng)避開石頭，又確保越過石頭后又能快速復(fù)位工作，達(dá)到提高犁具可靠性、適應(yīng)性和犁耕效率的目的。結(jié)構(gòu)如圖5 所示，圖中A點為下連桿AD1DQ與機(jī)架的鉸接點，B點為上連桿BCC1P與機(jī)架的鉸接點，I和I1點為左右犁體質(zhì)心，P和Q點為彈簧預(yù)緊作用點。C、C1、D和D1點分別為上連桿和下連桿的活動鉸接點。

圖5 防過載自動避障機(jī)構(gòu)Fig.5 Anti-overload automatic obstacle avoidance mechanism

當(dāng)犁體在土壤中正常工作時，彈簧具有一定的預(yù)緊力，使過載保護(hù)避障機(jī)構(gòu)保持初始位置，各部件均處于圖5a 所示狀態(tài)。當(dāng)犁體碰到堅硬物時，犁體受到的沖擊力大于彈簧預(yù)緊力時，過載保護(hù)避障機(jī)構(gòu)被觸發(fā)，下連桿AD1DQ逆時針轉(zhuǎn)動，機(jī)構(gòu)構(gòu)成了ABCD四桿機(jī)構(gòu)，在逆時針轉(zhuǎn)動過程中，P、Q兩點間的距離逐漸增大，進(jìn)一步擠壓上下彈簧，當(dāng)過載沖擊與彈簧預(yù)緊力實現(xiàn)平衡時，達(dá)到避障平衡狀態(tài)，此時機(jī)構(gòu)處于圖5b 狀態(tài)。

2.5.2 機(jī)構(gòu)運動分析

防過載運動時，機(jī)構(gòu)可看作為由桿ADQ、桿BCP、連桿CD及機(jī)架AB組成的四桿機(jī)構(gòu)，其中下犁體總成EI固定在下連桿ADQ上，上犁體總成E1I1固定在上連桿BCP上，機(jī)構(gòu)運動簡圖如圖6 所示。

圖6 機(jī)構(gòu)運動Fig.6 Mechanism motion

在xAy坐標(biāo)系中，在ABCDA封閉矢量多邊形中，根據(jù)復(fù)數(shù)矢量形式和歐拉公式可得

式中a——桿AD的長度，mm

c——桿BC的長度，mm

e——滾輪支撐直徑，mm

h——機(jī)架AB的長度，mm

α——桿AD 與水平方向夾角，（°）

β——桿CD 與豎直方向夾角，（°）

δ——桿BC 與水平方向夾角，（°）

根據(jù)P和Q點的坐標(biāo)位置方程可知

式中xP、yP——P點在xAy坐標(biāo)系中的坐標(biāo)

xQ、yQ——Q點在xAy坐標(biāo)系中的坐標(biāo)

m——桿AQ長度，mm

n——桿BP長度，mm

α1——桿AD與AQ夾角，（°）

δ1——桿BC與BP夾角，（°）

根據(jù)彈性蓄能器結(jié)構(gòu)可知，上下兩組彈簧呈對稱狀，任意時刻上下兩組彈簧彈力值大小相等，因此有

式中k——彈簧彈性系數(shù)，kN/mm

s1——彈簧原始長度，mm

s0——壓縮后彈簧長度，mm

隨著避障過程α角逐漸增大，犁體質(zhì)心高度增加，彈簧彈力均在增加，彈簧彈性系數(shù)越小，彈簧彈力增加的幅度越小。通過前期犁耕阻力試驗，得到犁耕阻力平均值9.74 kN，平衡狀態(tài)下對應(yīng)所需的彈簧預(yù)緊力9.75 kN，綜合考慮機(jī)構(gòu)運動副內(nèi)部摩擦力等影響因素，取安全系數(shù)為1.3，因此初始狀態(tài)預(yù)緊力12.67 kN。

3 犁體耕作過程仿真分析

采用EDEM 軟件建立土壤仿真模型，選用 Hertz-Mindlin with JKR 模型。土壤的顆粒形狀、尺寸、密度、泊松比和剪切模量等，通過前期研究結(jié)論獲取[13]。材料參數(shù)如表2 所示。

表2 材料參數(shù)Tab.2 Material parameters

利用SolidWorks 軟件建立仿生減黏犁體三維模型，然后導(dǎo)入EDEM 軟件，分別建立兩種土壤模型，定義土壤和犁體材料參數(shù)。設(shè)置土壤顆粒間、土壤與犁體間的接觸參數(shù)。仿真模型如圖7 所示，仿真模型由兩鏵犁體組成，前鏵犁體主要作用是開溝，后鏵犁體為正常耕作狀態(tài)。試驗對比過程主要測量后鏵犁體耕作相關(guān)數(shù)據(jù)。通過將土壤顆粒顯示方式設(shè)置為Vector 方式和Stream 流方式，得到土壤顆粒矢量流動方向，可以直觀看出土壤顆粒在犁體表面的流動軌跡。

圖7 犁體耕作仿真模型Fig.7 Simulation model of plow tillage

為減小土壤黏附現(xiàn)象和犁體耕作阻力，將傳統(tǒng)犁體與仿生犁體進(jìn)行仿真對比試驗，通過仿真測定犁體完全進(jìn)入土壤后耕作穩(wěn)定狀態(tài)下的阻力值。

犁體耕作阻力值如圖8 所示，傳統(tǒng)犁體平均耕作阻力7 157 N，仿生減黏犁體平均耕作阻力6 594 N，仿生減黏犁體相對傳統(tǒng)犁體減阻7.8%。

圖8 犁體耕作阻力仿真Fig.8 Simulation of plough tillage resistance

4 田間試驗

4.1 仿生犁體減黏試驗

試驗儀器有SC-900 型土壤堅實度儀、TDR300 型土壤含水率檢測儀、皮尺、鋼板尺及電子秤等，田間試驗配套動力為約翰迪爾2204 型拖拉機(jī)，試驗犁體有傳統(tǒng)犁體、光滑減黏犁體（優(yōu)化的犁體曲面，但未應(yīng)用仿生結(jié)構(gòu)）和仿生減黏犁體，試驗如圖9 所示。試驗過程中設(shè)置犁體耕深300 mm，耕寬350 mm，耕作速度2.78 m/s。犁體每作業(yè)5 km，測量1 次土壤黏附量，將3 種試驗犁體表面黏附的土壤分別稱質(zhì)量，每種犁體測量3 組數(shù)據(jù)取平均值。

測量結(jié)果顯示，傳統(tǒng)犁體土壤黏附量5.82 kg，光滑減黏犁體土壤粘附量4.96 kg，仿生減黏犁體土壤黏附量3.25 kg，其中仿生減黏犁體對土壤的減黏效果最為明顯，光滑減黏犁體相對傳統(tǒng)犁體土壤減粘性能提升14.78%。仿生減黏犁體相對傳統(tǒng)犁體土壤減黏性能提升44.15%。

4.2 整機(jī)性能試驗

試驗地點：新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師145 團(tuán)。試驗田地表平坦，土壤類型為黏性土壤，前茬作物為棉花，地表植被殘茬覆蓋量平均值927 g。通過計算樣本數(shù)據(jù)的變異系數(shù)判斷試驗數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

式中Cv——變異系數(shù)

σ——標(biāo)準(zhǔn)差

N——樣本數(shù)量

X——樣本絕對平均值

土壤含水率如表3 所示，堅實度如表4 所示。經(jīng)測量，試驗田土壤含水率平均值為21.69%，土壤平均堅實度250.7 kPa。

表3 土壤含水率Tab.3 Soil moisture content

表4 土壤堅實度Tab.4 Soil firmness

4.3 試驗結(jié)果

根據(jù)田間試驗結(jié)果可得，作業(yè)幅寬2 000 mm，平均作業(yè)深度339 mm，耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)2.86%，耕作深度如表5 所示。平均作業(yè)速度10.33 km/h，地表以下植被和殘茬覆蓋率99.95%，80 mm 深度以下植被和殘茬覆蓋率99.95%，植被和殘茬覆蓋率如表6 所示。土垡破碎率97.1%，土垡破碎率如表7 所示。

表5 耕作深度Tab.5 Tillage depth

表6 植被和殘茬覆蓋率Tab.6 Vegetation and stubble coverage

表7 土垡破碎率Tab.7 Breaking rate of soil

5 結(jié)束語

（1）研制了一種高速智能液壓翻轉(zhuǎn)犁，優(yōu)化了拖拉機(jī)功率和作業(yè)幅寬、犁鏵間距、拖拉機(jī)與犁體間距配置等整體結(jié)構(gòu)與配置參數(shù)。

（2）以穿山甲體表的鱗片三角圓弧狀結(jié)構(gòu)和蜣螂體表的凸包結(jié)構(gòu)相結(jié)合作為仿生原型，將凸包結(jié)構(gòu)沿著土跡線依次排列在犁壁上的方法設(shè)計了一種仿生犁體，同時設(shè)計了一種雙向犁耕裝備的過載保護(hù)自動避障機(jī)構(gòu)，分析了避障過程。

（3）建立了犁體耕作過程離散元仿真模型。仿真和田間試驗表明，仿生減黏犁體相對傳統(tǒng)犁體土壤減黏性能提升44.15%，減阻7.8%。耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)2.86%，土垡破碎率97.1%。