小型自走式螺旋深耕机设计与研究

张富贵,孙效荷,吴雪梅,彭大超,张 龙

(1.贵州大学 机械工程学院,贵阳 550025;2.贵州智慧山地农业发展研究院,贵阳 550025;3.贵州山地智慧农业科技有限公司,贵阳 550025)

0 引言

农业生产中土壤的机械翻耕及深松普遍使用传统铧式犁及深松铲,具有打破犁底层、增加土壤透气性及透水性的作用[1],但其工作深度一般在15～20cm,无法实现真正意义上的深耕。由于长时间在此范围内进行翻耕,耕层下仍会形成10cm左右的坚硬的犁底层,使土壤的透气、透水、保水抗旱抗涝性能变差[2]。目前,国内外农业生产中土壤翻耕使用的机具主要是铧式犁、圆盘犁及深松犁等各种犁具[3-8],为实现土壤深耕,以上机具均与拖拉机配合进行耕作。由于机具的功率消耗、体积、耕作面积及质量都相对较大,所以较适合北方平原地区农业生产,但南方丘陵山区,由于其土地零散、地形条件复杂等多方面原因,大型机械作为翻耕机具所适用大面积作业,故大多数地区都使用微耕机来代替传统牛耕。微耕机[9-12]以其小巧轻便及操作方便的优势受到山区农民的欢迎,但目前市场上销售的微耕机的耕深一般都在20cm左右,多年使用这种浅耕微耕机进行土壤耕作,会造成土地耕层浅,影响作物根系下扎及水、肥入渗困难等问题[13-14]。近年来,针对此情况,各地纷纷改进并设计出不同类型的小型深耕机具。例如,广西五丰机械厂生产了适用于大块平地的一种大型螺旋深耕机,能一次性完成传统犁、耙、碎等程序[15]。西北农林科技大学薛子萱等人根据果园有机肥深施作业要求设计出一种立式螺旋开沟机。螺旋刀具是立式螺旋开沟机的主要工作部件,因其结构紧凑、机动性灵活、适合开短沟槽等特点被广泛应用于果园开沟作业[16]。卫韦等设计的第一代小型履带式链式深耕机,可以打破犁底层且解决了缠草的弊端[16]。总之,这些机具仍存在耕深没有达到打破犁底层且效率不高或是存在严重的缠草现象,因而并没有得到大量的推广使用。

为解决上述问题,本文设计了一种小型自走式螺旋深耕机,可适应丘陵及类似贵州山区的复杂地形,并达到耕深至少25cm、耕宽为30cm的要求。此外,小型自走式螺旋深耕机由液压装置驱动刀具,为其切削土壤提供了充足的扭矩,使机器结构更加简单并减少了小型机具动力不足及效率低的弊端。

1 总体结构与工作原理

1.1 总体结构

小型自走式螺旋深耕机主要由机架、动力装置、齿轮箱、液压装置[18]、螺旋深耕装置、履带行走装置[19-21]及操作系统装置组成,如图1所示。为得到充足动力,动力装置采用8.8kW风冷柴油机驱动,变速箱分上输出轴及下输出轴分别输出动力,上输出轴带动从动轮给液压装置提供耕作动力,下输出轴带动履带行走装置,通过变速箱驱动小型自走式螺旋深耕机的行走。工作时,液压泵将变速箱输出轴上输出的动力传递给液压马达及液压缸,液压马达连接在齿轮箱的上方来控制齿轮箱内的齿轮旋转从而控制螺旋深耕装置的旋转;液压缸用于控制后部机架的整体上下提升,可以通过调节液压马达从而控制齿轮箱中锥齿轮的转动速率及转动方向,使螺旋深耕刀进行对转,达到便于入土或便于出土的目的。

1.主动轮 2.发动机 3.从动轮 4.液压泵 5.液压缸 6.液压马达

1.2 工作原理

1.3 技术参数

该小型自走式螺旋深耕机主要适用于类似贵州山区及一些地形复杂且浅耕层下形成板结犁底层的土地,螺旋深耕刀耕深预计可达到30cm,可以实现打破浅耕层下形成板结犁底层并可以实现真正的深耕。小型自走式螺旋深耕机的行走装置选用了履带,解决了如贵州此类复杂地形导致大型机械难以进入的问题。其主要技术参数如表1所示。

2 关键部件设计

2.1 液压元件的参数计算及选择

2.1.1 液压马达的选取

农业机械和小型工程机械辅助结构的工作压力一般在10～16MPa内选择,查阅类似相关设计,初定液压系统的工作压力为14MPa,如图2所示。

表1 小型自走式螺旋深耕机技术参数

图2 5MCY液压马达

液压马达的选型一般根据马达的额定工作压力、理论扭矩、理论排量和额定转速4个指标。要求马达的额定工作压力不低于液压系统的工作压力,马达的理论扭矩应大于马达工作时最大阻力矩,马达的额定转速应该大于马达工作时的最高转速。马达的理论排量跟马达的理论扭矩和工作压力有关[17],计算公式为

P总=P钻尖+P刀杆+P旋土

(1)

P钻尖=(q+k1s)D12

(2)

(3)

(4)

(5)

将式(2)～式(4)所算得的数值分别带入式(1),最后由式(5)得出深耕刀旋转工作阻力为23.64N·m。所以,控制螺旋刀头旋转的马达的理论扭矩应该大于23.64N·m。根据液压马达的最大排量、流量及转速为

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(6)

(7)

(8)

其中,Vm为液压马达的最大排量,p1为液压马达工作压力,p2为液压马达回油路背压,i0为主变速箱速比,i为输入端变速箱速比,T为最大输出扭矩,q为液压马达所需理论流量,n为螺旋刀转数(L/min),ηmv为液压马达的容积效率(0.92),n马为马达的转速,n刀为刀轴的转速。

根据式(6)～式(8)所算得的数值分别为Vm=27.58mL/r,q=4.86L/min,n马=201.6r/min,选得马达规格为5MCY,性能参数如表2所示。

表2 5MCY型液压马达性能参数表

因为轴向柱塞马达具有运动平稳、扭矩大、转速宽泛等特点,故液压马达选为较适合小型螺旋深耕机的工作要求的轴向柱塞式液压马达。

2.1.2 液压缸、液压泵及液压油箱的选择

液压缸(见图3)用于小型自走式螺旋深耕机刀架部分的上下提升,刀架部分的质量约为150kg,液压缸需克服刀架部分的质量所做的功。根据螺旋深耕刀入土的深度及不工作时刀具与地面的距离,选用50/30-500F型号的液压缸,最大伸缩量可达到50cm,根据公式计算得到缸径为1.12cm2。但是,考虑到小型自走式螺旋深耕机在刀具入土时会产生一定的径向力,导致后部机架的剧烈抖动,故选用两只缸径为3cm2的50/30-500F型号的液压缸进行后部机架的升降。

图3 50/30-500F型号的液压缸

小型自走式螺旋深耕机的液压泵选用CBN-3100变定量齿轮泵,额定压力为14MPa,如图4所示。其中,液压泵最大的工作压力为

Pb=P1+∑ΔP

(9)

液压泵的流量为

qb≥Kqmax

(10)

其中,K为泄漏系数,qmax为液压马达的实际流量,Pb液压泵最大的工作压力为14.5MPa,根据其实际流量qb≥2.02L/min,选CBN-310外啮合齿轮泵。

图4 CBN-310齿轮泵

液压系统的散热主要依靠油箱,油箱越大,散热越快,但所占的面积也越大;油箱小,则油温较高从而导致液压油粘度、液压系统工作效率均下降,严重时甚至是机械设备无法正常工作[18]。油箱容量为

V=αqv

(11)

式中qv—液压泵每分钟排出的液体体积(m3);

α—经验系数,低压系统取2～4,行走机械取1～2。

根据式(11)及液压油的散热情况来看,油箱选择的容量应不小于30L。

2.2 液压控制系统设计

动力传递线路如图5所示。

图5 动力传递线路图

由液压简图6可知:整个液压系统选为恒功率调速系统,即发动机输出的功率一定,由液压系统来调节螺旋刀的转速,若遇黏土时,可调低转速,输出更大的扭矩,使螺旋深耕机达到正常的工作要求。本系统发动机通过动力输出轴将动力传动给变速箱而后传递给液压泵,机械能转化为液压能后,CBN-310齿轮泵将主要的液压能一部分传递给50/30-500F型号的液压缸来控制小型自走式螺旋深耕机刀架部分的上下提升;另一部分传递给5MCY型轴向柱塞马达,控制螺旋深耕刀向下钻土,待刀具完全入土后,小型自走式螺旋深耕机向前推进,进入深耕工作状态。

考虑到液压缸之间存在一定的误差,为保证两液压缸运动状态保持最大的一致,在两液压缸之间添加用调速阀的同步回路,可实现两缸同步,并可防止产生积累误差。另外,在两液压缸之间添加用调速阀的同步回路,并在回油口添加平衡阀,防止非工作状态时螺旋刀具的下滑,增加了工作状态时螺旋刀的平稳程度。

图6 液压系统原理图

2.3 齿轮箱结构设计

机器后部的齿轮箱传递动力给刀具部分,齿轮箱中采用锥齿轮和轴承配合而成。齿轮箱的主要工作原理如下:液压马达输出的动力经液压马达的轴传动给链条,链条带动齿轮箱内的横轴,从而带动两边的齿轮啮合,使左右两组齿轮配合的轴承形成相对转动带动轴承下方的螺旋刀,从而使深耕刀平稳的工作。齿轮箱中选用8个互相啮合的锥齿轮,齿轮箱中多级齿轮的传动比为

式中Z左2—左半部从动轮齿数;

Z左1—左半部主动轮齿数;

i总—多级锥齿轮间的传动比;

Z右2—右半部从动轮齿数;

Z右1—右半部主动轮齿数。

经计算,得到多级锥齿轮间的传动比i≈0.9,齿轮增速,螺旋深耕刀加速入土。齿轮箱具体结构示意图如图7所示。

1.链条 2.马达输出轴 3.锥齿轮 4.轴承 5.刀轴a 6.刀轴b

2.4 螺旋深耕装置

螺旋深耕装置是此机器实现深耕功能的核心部件。如图8、图9所示:两刀具与齿轮箱内控制其正反转的两个输出轴分别连接,螺旋刀的钻尖为棱锥型,利于刀具的入土,螺旋刀叶片上具有拨齿,入土之后具有更好的切土效果,满足在贵州山地粘性土壤条件下螺旋深耕的要求。螺旋刀具采用硬质合金刀[22],硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热及耐腐蚀等一系列优良性能,特别是其高硬度和耐磨性,可以延长刀具使用寿命。

3 螺旋深耕装置的结构静力学仿真分析

3.1 创建几何模型

线性结构静力学分析既是被人们广泛使用的一种仿真分析类型,也是最基本的一种,是在线性材料、静态加载的情况下被使用。本节从整体的角度来考虑小型自走式螺旋深耕机的深耕装置,应用ANSYS Workbench 仿真分析软件对螺旋深耕机的深耕装置进行结构静力学分析,目的是想验证一下小型自走式螺旋深耕机的核心装置—螺旋深耕刀具是否满足强度以及刚度要求。

1.连接头 2.刀具钻头 3.拨齿

图9 螺旋深耕刀具2

由于课题研发的小型自走式螺旋深耕机具为双轴深耕刀且都是对称的螺旋结构,并具有相同的升角,只是旋向不同,故只拿出一把刀具作为建立有限元模型进行研究。在进行分析前,首先应简化将要分析的模型[21]。为了确保有限元模型在力学性能等方面保持不变,创建几何建模时直接把深耕装置的各个焊接而成的部分看成一个整体,建模时忽略模型中的倒角及其螺纹孔,因为这些对仿真结果几乎没有影响。为了尽可能真实地反映其力学特性,对于深耕装置的主要部分,搭建几何模型时都保留了其实际的形状。

ANSYS Workbench分析软件提供了与SOLIDWORKS三维软件之间的良好对接,本文把在SOLIDWORKS中建好的深耕装置模型通过“导入”命令将其导进该仿真软件中。已经导进ANSYS Workbench 里的深耕装置几何模型如图10所示。

图10 螺旋深耕刀具的模型

3.2 网格划分

建模后对刀具模型进行网格划分,将网格的数目划分为5 397个,总节点的数目为10 504个。螺旋深耕刀具部分采用的是Solid186单元类型,在“Element Size”中设置参数为10mm,应力分析如图11所示。

图11 螺旋深耕刀具应力分析云图

3.3 施加载荷和约束条件

依照刀具工作状态的研究情况,螺旋深耕刀具要垂直入土,进行深耕工作时,刀具向前推近是其受力最大的工作状态。针对这一情况,对螺旋深耕刀具进行力学分析后施加载荷和约束。

惯性载荷是指在加速度作用下产生的与结构质量直接相关的一种体积载荷(如重力和离心力),对整个系统均有作用。刀具系统内部的加速度是通过惯性力施加到模型结构上的,而施加的加速度方向与惯性力的方向正好相反,也就是惯性将阻止加速度所产生的系统变化。本文把深耕装置质量的影响考虑在内,因此在系统X轴添加重力加速度,其大小默认为9.806m/s2。

载荷的添加:根据对深耕刀具所施加的力,土壤对刀具切削的阻力施加在螺旋深耕刀具的旋片上,再传递的刀轴,使阻力在整个深耕装置上作用。

施加约束要对仿真模型进行充分的约束,达到不出现刚体运动的情况;另外是约束的正确性,使仿真模型结构不会出现与真实状态下不一样的附加约束力,以至于加大计算刚度的大小,使求解结果出现较大偏差。螺旋深耕刀具的研究施加的约束主要是固定约束,根据螺旋深耕机深耕刀具的真实情况,在刀杆头连接位置设置为固定约束,如图12所示。

图12 深耕刀具施加的载荷和约束条件

3.4 变形分析结果

螺旋深耕刀具的模型忽略了刀具一些细节的影响,但分析结果要略大于真实结构的刚度。图13为螺旋深耕刀具应力分析云图,图14为螺旋深耕刀具应变分析云图。分析结果显示:该深耕装置的最大等效应力为66.496MPa,即该处是最危险的地方,但这个数值远低于使用材料的屈服极限强度,所以此深耕装置强度要求达到。小型自走式螺旋深耕机深耕刀具的最大位移变形量位于深耕刀叶片的拨齿上,为2.67mm,因为拨齿选用的材料为弹簧钢,所以对于整个深耕装置来说,其变形在可承受范围内,所以深耕刀具刚度要求达到。

图13 螺旋深耕刀具应力分析云图

图14 螺旋深耕刀具应变分析云图

4 结论

1)针对贵州山地作业条件,参考目前已有的相关螺旋深耕机类型,设计了一款适于贵州山地的小型自走式螺旋深耕机,并对螺旋深耕机的工作受力情况进行系列计算,设计出整机机构及液压系统,确定了系统工作压力;最后,依据计算结果,选定发动机的型号及相关液压元件等,确保了样机的研制。

2)对小型自走式螺旋深耕机的刀具模型进行仿真分析,确定了危险截面,为刀具的加工制作及优化加固提供了理论依据,从而使刀具工作时能够良好地实现入土、拨土等深耕功能,并延长了刀具使用寿命。