一种清洁能源耕作机的设计

□ 张雪粉 □ 冯志禹 □ 尹志达 □ 周 琪

沈阳理工大学 机械工程学院 沈阳 110159

1 设计背景

当前,我国农业生产发生了日新月异的变化,农业耕作实现机械化,劳动强度大幅降低,生产效率极大提高。当然,对于小块土地、山坡地、交通不便土地等而言,不便于应用大型机械,人力耕作则费时费力[1-5]。另一方面,目前所使用的农用机械大部分将柴油机作为动力源,燃油发动机动力大,会对大气造成一定污染。我国碳排放力争于2030 年前达到峰值,于2060 年前争取实现碳中和[6-8]。在以上背景下,笔者设计了一种耕作机,将清洁能源作为动力源,适用于小片土地的耕作[9]。

2 结构

所设计的清洁能源耕作机结构如图1所示。

这一耕作机的结构具体包括气缸固定架、翻地铲装置、安装于气缸固定架和翻地铲装置之间的连杆结构、安装于气缸固定架上的气缸1和气缸2、安装于车体上的支撑架、安装于支撑架和翻地铲装置之间的气缸3。

多个翻地齿并排设置于翻地铲装置的底部。气缸固定架通过转轴与车体相连,气缸固定架和翻地铲装置绕转轴旋转,达到翻地的目的。

3 工作原理

清洁能源耕作机工作时,支撑架置于土地上,气缸1和气缸2推出,推动翻地铲装置。翻地铲装置沿气缸固定架上的导滑槽竖直向下运动,将翻地齿压进土层。气缸3启动,带动翻地铲装置和气缸固定架转动,实现翻开土层。气缸1和气缸2收回,气缸3也一起回到初始位置。

4 动力源

这一耕作机利用电池作为动力源,由可编程序控制器控制气缸进行铲土和翻土的动作。

5 双气缸联动

气缸1和气缸2为压力气缸,双气缸并列设置于气缸固定架上端,双气缸的活塞杆固定于翻地铲装置上。采用双气缸并联,可以加大推力,解决气缸受力不均衡的问题。但是,并行气缸受到的阻力可能不完全相同,加上气体的可压缩特性,会产生不能同步的问题[9]。对此,采用连杆结构,原理如图2所示。采用连杆结构前后受力分析如图3所示。

采用连杆结构前,如果压力不均衡,假设气缸1在B点受到的阻力大,那么就会使气缸2在A点产生转动力矩M1,M1的值为FL1。安装连杆结构之后,B点受到阻力,在连杆与翻地铲装置接触点n和m处产生与A点相反的力距M2和M3,M2的值为F1x1,M3的值为F2x2,使A点旋转角度变小。当n点和m点分别无限接近于A点和B点时,F1无限接近于F,使翻地铲装置保持相对平衡,进而使气缸1和气缸2接近同步。由以上分析可知,连杆端点与气缸端点间的距离越近,同步效果就越好[10]。

6 气压回路

清洁能源耕作机工作时,气缸1和气缸2同步下推,翻地齿深入土层。气缸3推出,使土层翻起。回程时,气缸1和气缸2收回,气缸3也一起收回,完成翻地动作。由此设计气压回路[11],如图4所示。

7 电气控制电路

可编程序控制器具有操作灵活、稳定性好、体积小、质量轻、能耗低等特点,采用西门子S7-200可编程序控制器, 端子分配见表1。

表1 可编程序控制器端子分配表

可编程序控制器控制电路如图5所示,M、L+ 为电源输入端子,E1为直流24 V电池。

8 结束语

所设计的清洁能源耕作机特别适用于不能应用大型机械的小片土地,可以解放劳动力,移动方便,在实践中有良好的应用前景。