一種清潔能源耕作機(jī)的設(shè)計

□ 張雪粉 □ 馮志禹 □ 尹志達(dá) □ 周 琪

沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 沈陽 110159

1 設(shè)計背景

當(dāng)前,我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)生了日新月異的變化,農(nóng)業(yè)耕作實現(xiàn)機(jī)械化,勞動強(qiáng)度大幅降低,生產(chǎn)效率極大提高。當(dāng)然,對于小塊土地、山坡地、交通不便土地等而言,不便于應(yīng)用大型機(jī)械,人力耕作則費時費力[1-5]。另一方面,目前所使用的農(nóng)用機(jī)械大部分將柴油機(jī)作為動力源,燃油發(fā)動機(jī)動力大,會對大氣造成一定污染。我國碳排放力爭于2030 年前達(dá)到峰值,于2060 年前爭取實現(xiàn)碳中和[6-8]。在以上背景下,筆者設(shè)計了一種耕作機(jī),將清潔能源作為動力源,適用于小片土地的耕作[9]。

2 結(jié)構(gòu)

所設(shè)計的清潔能源耕作機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

這一耕作機(jī)的結(jié)構(gòu)具體包括氣缸固定架、翻地鏟裝置、安裝于氣缸固定架和翻地鏟裝置之間的連桿結(jié)構(gòu)、安裝于氣缸固定架上的氣缸1和氣缸2、安裝于車體上的支撐架、安裝于支撐架和翻地鏟裝置之間的氣缸3。

多個翻地齒并排設(shè)置于翻地鏟裝置的底部。氣缸固定架通過轉(zhuǎn)軸與車體相連,氣缸固定架和翻地鏟裝置繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn),達(dá)到翻地的目的。

3 工作原理

清潔能源耕作機(jī)工作時,支撐架置于土地上,氣缸1和氣缸2推出,推動翻地鏟裝置。翻地鏟裝置沿氣缸固定架上的導(dǎo)滑槽豎直向下運動,將翻地齒壓進(jìn)土層。氣缸3啟動,帶動翻地鏟裝置和氣缸固定架轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)翻開土層。氣缸1和氣缸2收回,氣缸3也一起回到初始位置。

4 動力源

這一耕作機(jī)利用電池作為動力源,由可編程序控制器控制氣缸進(jìn)行鏟土和翻土的動作。

5 雙氣缸聯(lián)動

氣缸1和氣缸2為壓力氣缸,雙氣缸并列設(shè)置于氣缸固定架上端,雙氣缸的活塞桿固定于翻地鏟裝置上。采用雙氣缸并聯(lián),可以加大推力,解決氣缸受力不均衡的問題。但是,并行氣缸受到的阻力可能不完全相同,加上氣體的可壓縮特性,會產(chǎn)生不能同步的問題[9]。對此,采用連桿結(jié)構(gòu),原理如圖2所示。采用連桿結(jié)構(gòu)前后受力分析如圖3所示。

采用連桿結(jié)構(gòu)前,如果壓力不均衡,假設(shè)氣缸1在B點受到的阻力大,那么就會使氣缸2在A點產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩M1,M1的值為FL1。安裝連桿結(jié)構(gòu)之后,B點受到阻力,在連桿與翻地鏟裝置接觸點n和m處產(chǎn)生與A點相反的力距M2和M3,M2的值為F1x1,M3的值為F2x2,使A點旋轉(zhuǎn)角度變小。當(dāng)n點和m點分別無限接近于A點和B點時,F1無限接近于F,使翻地鏟裝置保持相對平衡,進(jìn)而使氣缸1和氣缸2接近同步。由以上分析可知,連桿端點與氣缸端點間的距離越近,同步效果就越好[10]。

6 氣壓回路

清潔能源耕作機(jī)工作時,氣缸1和氣缸2同步下推,翻地齒深入土層。氣缸3推出,使土層翻起。回程時,氣缸1和氣缸2收回,氣缸3也一起收回,完成翻地動作。由此設(shè)計氣壓回路[11],如圖4所示。

7 電氣控制電路

可編程序控制器具有操作靈活、穩(wěn)定性好、體積小、質(zhì)量輕、能耗低等特點,采用西門子S7-200可編程序控制器, 端子分配見表1。

表1 可編程序控制器端子分配表

可編程序控制器控制電路如圖5所示,M、L+ 為電源輸入端子,E1為直流24 V電池。

8 結(jié)束語

所設(shè)計的清潔能源耕作機(jī)特別適用于不能應(yīng)用大型機(jī)械的小片土地,可以解放勞動力,移動方便,在實踐中有良好的應(yīng)用前景。