悬挂式翻转犁的设计与试验

徐　山,牛宗伟,李学强,孙　鹏，李海青

(1.山东理工大学 机械工程学院，山东 淄博 255049;2.乐陵市天成机械有限公司 技术部，山东 德州 253600;3.山东省机械设计研究院，山东 济南 250031)



悬挂式翻转犁的设计与试验

徐山1,牛宗伟1,李学强2,孙鹏1，李海青3

(1.山东理工大学 机械工程学院，山东 淄博 255049;2.乐陵市天成机械有限公司 技术部，山东 德州 253600;3.山东省机械设计研究院，山东 济南 250031)

为了克服普通铧式犁单方向翻垡效率低的缺点，研制了1LF-5.0型悬挂式翻转犁.通过理论分析确定了悬挂式翻转犁的整体设计方案，设计了翻转犁的主要零部件.田间试验表明，此悬挂式翻转犁结构简单、操作方便，其各项指标均能满足国家有关标准的要求.该设计为翻转犁的研究和改进工作提供了理论和实践依据.

悬挂式翻转犁；悬挂装置；犁架；犁体

目前，国外翻转犁的研究已经日趋成熟，他们根据土壤条件的不同设计了不同的犁臂以满足相应的条件，如法国格力格尔-贝松公司的非大型多铧翻转犁，犁耕效率最高可达18km2/h[1].德国雷肯公司早在1905年就获得了世界上第一个犁具的专利，他们研制的一种代表性犁体，在犁耕过程中遇到石头等障碍物时犁柱会自动翘起来，保护犁柱不会被拉断.近年来，我国耕地机械发展相对较快，许多研究所、企业相继设计出不同型号的翻转犁，取得了不错的成果.山西农业大学农业工程系的王双喜、吴海平等人于1996年对液压翻转双向犁的最新结构形式进行了研究[2].黑龙江省农业机械工程科学研究院的甘露、孙大明等人设计了1FFSL-5型浅翻深松翻转犁，该机能够一次完成浅翻、深松两项作业，还可以进行单向作业，并且一次作业即可达到播前整地状态，减少了作业次数，降低了作业成本[3].本文研究的1LF-5.0型悬挂式翻转犁主要解决一般铧式犁单向翻垡、会形成闭垄、效率低下等缺点，并且通过试验，验证该设计的可行性.

1　悬挂式翻转犁的整机设计与工作原理

1.1悬挂式翻转犁犁体数与总耕幅的设计

铧式犁与拖拉机配套作业的犁体数根据农业技术要求的耕深，并考虑土垡的宽深比K值与单犁体的耕幅确定.计算公式为

(1)

式中：n为配套犁体数；PT为常用耕速下拖拉机的挂钩牵引力即额定牵引力，取29 000N；η为牵引力的利用系数，一般取0.8～0.95；a为按农业技术要求确定的设计耕深，取30cm；b为单犁体幅宽，取35cm；K为犁耕比阻，取4～6N/cm2.

按计算所得犁体数n，取整数5，然后用下式求出犁的总耕幅B

(2)

求得总耕幅为175cm.

1.2主犁体的配置和犁架底面至犁体水平基面高度的设计

为保证翻转犁在作业时不重耕、不漏耕，取两相邻犁体的横向间距为35cm.根据后铧尖应位于由前铧尖所作的与铧刃线垂直并向胫刃边偏一摩擦角φ的直线上的理论，犁体纵向间距L为

(3)

式中:θ为铧刃线与前进方向的夹角；φ为土壤与钢的摩擦角，取24°.以式(3)为基础，经过适当调整，取L=80cm.

犁梁底面至犁体水平基面高度H需要保证土垡顺利翻转，不产生堵塞现象.但是也不宜过大，否则会导致犁柱重量增加或强度不足.H值可按照下式计算：

(4)

式中：amax为最大耕深，取35cm；h表示地表残茬高度，取15cm.经计算取H为65cm.

1.3悬挂式翻转犁的工作原理

以犁架为中心，犁架前端是悬挂装置，悬挂装置上的3个悬挂点能够使整个翻转犁悬挂在拖拉机上，悬挂装置通过翻转机构与犁架相连，实现犁架的翻转，犁架上安装有左右对称的翻转犁体，在犁架翻转的过程中左右犁体会随着犁架翻转，因此方便地实现了翻转犁在耕地的来回过程中交错工作.犁架的另一侧安装有限深轮，通过调节限深轮能够方便地调节翻转犁犁体的耕深[4].图1为悬挂式翻转犁的示意图.

1.犁架；2.翻转机构； 3.悬挂装置； 4.左右翻转犁体； 5.限深轮图1　悬挂式翻转犁示意图

2　翻转犁主要零部件的设计

2.1翻转犁悬挂装置的设计

翻转犁机头主要由6部分组成：下连接杆、限位装置、悬挂支架、悬挂销轴、翻转油缸和旋转臂.拖拉机利用三点悬挂机构与翻转犁的下连接杆两端和悬挂销轴连接，将翻转犁挂接在拖拉机后面，通过这3个点可以将整个翻转犁升起，使翻转犁在耕地过程中很方便地来回换向.拖拉机利用液压缸控制旋转臂旋转以实现翻转犁的翻转作用，液压缸的收缩与伸长可以使机头的中心轴转动，此时整个翻转犁的左右犁铧便会绕着中心轴转动，实现翻转犁的翻转功能.通过调节限位装置上面的螺母可以很方便地控制左右犁铧的倾斜角度，此方法操作简单，并且保护螺母免受污染.

1.下连接杆； 2.限位装置； 3.悬挂支架；4.悬挂销轴； 5.翻转油缸； 6.旋转臂图2　翻转犁悬挂装置

2.2翻转犁限深轮的设计

翻转犁的限深轮与犁铧分别安装在翻转犁犁梁的左右两端，它主要包括轮胎装置、限位板、连接块、限位块、连接夹板几部分.轮胎装置通过连接块与犁梁夹板连接，然后通过犁梁夹板夹在犁梁上面.轮胎装置可以绕着连接块转动，通过调节限位板的高度，让限位板被限位块挡住就可以调节犁梁的高度，从而稳定犁的耕深，避免植被被堵塞和影响土垡翻转.

本翻转犁上的限深轮作为一独立部件，安装在犁架横梁上，在犁梁的前后位置都有相应的安装孔，所以此限深轮的位置是可以前后移动的，翻转犁在调节机组作业时，可以方便地卸去.限深轮的直径D为650mm，轮缘宽度根据正常工作时轮上承受的垂直负荷计算，即

(5)

式中：p为单位轮缘宽度上的允许负荷，取p=400N/cm;Pt为限深轮承受的垂直负荷，取Pt=5 600N.经计算BL=150mm.

1.轮胎装置； 2.限位板； 3.连接块；4.犁梁夹板； 5.限位块； 6.翻转犁犁梁图3　翻转犁限深轮

3　性能试验

3.1试验项目

悬挂式翻转犁的性能试验项目主要包括：耕深和耕深稳定性、耕宽和耕宽稳定性、正反行程耕深一致性、正反行程耕宽一致性、作业速度、植被和残茬的覆盖率、土垡破碎率、入土行程以及翻转到位率.

3.2试验方法

本试验借鉴了冯雅丽、郑玄、李长辉等人的试验方法[5-7].各试验项目测定分别按照GB/T14225的相应规定进行.

正反行程耕深、耕宽一致性测定：悬挂式翻转犁的右侧翻转犁犁体工作时为正行程，左侧翻转犁犁体工作时为反行程.

翻转到位率测定：由熟练的操作人员连续翻转1LF-5.0悬挂式翻转犁100次，其中97次顺利完成了翻转，翻转到位率为97%，符合国家相关标准的规定.此悬挂式翻转犁符合本次设计要求.

耕深是指犁耕行程的沟底到未耕地表面的垂直距离，用耕深尺测量出犁耕的耕深.在前进和返回两种工况下，随机选取前进行程中的5个点测量耕深，同理选取返回行程中的5个点测量其耕深.然后计算出平均耕深、耕深标准差、变异系数和稳定性系数.与耕深测定点相对应，用同样的方法测定出耕宽，并计算出平均耕宽、耕宽标准差、变异系数和稳定性系数.数值测量与计算结果见表1.

表1耕深、耕宽测量数据

测量点耕深/cm耕宽/cm正行程126180232182330.5170428173534183反行程630.51627301688271739291811027.5172工况平均值/cm29.45174.4工况标准差/cm2.446.89工况变异系数/%8.303.95工况稳定性系数/%91.7096.05

通过表1可知道：1LF-5.0型悬挂式翻转犁的耕深和耕宽满足本次设计的要求.

3.3试验结果

1LF-5.0型悬挂式翻转犁经设计、样机试制以及小批量生产后经过多次田间试验，各项指标均能达到国家标准要求.试验条件以及试验结果见表2、表3.

表2试验条件

项目名称结果值土壤类型壤土土壤坚实度/N·cm-20.124土壤含水率/%10.560前茬作物名称棉花茬子平均高度/cm18.360茬子平均密度/株·m-237

表3试验结果

项目名称技术指标测定结果作业速度/km·h-1>57入土行程/m≤62.72耕宽平均值/m1.5～2.01.74耕宽稳定性变异系数/%≤103.95耕深平均值/cm27～3229.45耕深稳定性变异系数/%≤108.30土垡破碎率/%≥6573.9植被覆盖率(地表以下)/%≥8589.88植被覆盖率(8cm深度以下)/%≥6076.98翻转到位率/%≥9597

4　结束语

1LF-5.0型悬挂式翻转犁能够左右翻转犁体，避免了单向犁小区绕行产生的沟垄现象.经LLF-5.0型悬挂式翻转犁耕作后的地表平整，且大大提高了生产效率，非常有利于农作物的种植.

[1]屈殿银.未来耕地机械的发展趋势[J].农业机械，2008(9)：44-45.

[2]王双喜，吴海平.液压翻转双向犁的最新结构形式研究[J].山西农业大学报，1996,16(3)：293-294.

[3]甘露，孙大明. 1FFSL-5型浅翻深松翻转犁的设计与试验[J].农机化研究，2008(5)：136-138.

[4]郑炫，贾首星.1LFS-435型浅翻深松翻转犁的设计与试验[J].中国农机化，2012(1)：129-131.

[5]冯雅丽.1LFS-340型秸秆还田液压翻转犁的设计与试验研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2014.

[6]郑炫，陈雪峰，秦朝民，等.1LFQ-325型气动翻转犁的设计与试验[J].湖北农业科学，2011(2)：592-594.

[7]李长辉，余泳昌，李赫，等.1LYF-435型翻转犁作业性能及适用性评价试验研究，2015,36(1)21-23.

(编辑：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;

牛宗伟，男，niuzongwei@sdut.edu.cn

1672-6197(2016)06-0067-03

TQ171.5

A