1LF35型系列液壓翻轉犁回轉擺動式油缸翻轉機構的研究

張義勝，侯心愛，王文麗，畢方淇，周 慧

(淄博市農業機械研究所,山東 淄博 255086)

0 引言

我國現有耕地面積約為1.2億hm2，其中播種面積的80%都是由鏵式犁實現翻耕的。犁耕作業是農業工程中的重要環節[1]，消耗的能源在農業生產過程占比較大。農業力學奠基人郭列契金曾說過：犁耕作業是農業生產過程中最重要、耗費時間最長、最昂貴和最繁重的工作[2]。國外統計數據表明：翻耕作業所消耗能量約占農業產能量總消耗量的40%～60%。

犁是人類歷史上最重要的農業發明之一，也是人類歷史中文字記錄較多的農業工具[3]。鏵式犁是一種耕地用的犁，主要作用是將種植后的土壤進行翻耕并且碎土，消滅雜草和病蟲害、疏松土壤，為下一次種植提供保障[4]。犁地作業對改善土壤的結構與理化性狀，調節和提高土壤肥力，保證作物實現高產穩產有很大的作用[5]。

翻轉犁能進行雙向耕作、單向翻土垡，減少了開閉壟，提高了耕后土地的平整度，并可減少機組在地頭的空行時間，提高了作業效率，在大功率拖拉機配套鏵式犁中占有重要地位。采用兩組工作部件、機架進行翻轉，實現雙向耕作的翻轉犁是雙向犁的主導產品[6]。

1LF35型系列液壓翻轉犁，為全懸掛式，適用于土壤、砂壤等地區熟地旱地耕作和水田旱耕作業，具有結構簡單、重量輕、耕作適應范圍廣、耕后地表平整、碎土覆蓋性能好等特點，采用直線往復運動式油缸拉動翻轉臂，翻轉臂帶動翻轉犁機架轉動180°，從而實現翻轉犁的換行工作。針對直線往復運動式油缸翻轉犁機構，存在工作不平穩、翻轉不可靠等問題，設計了回轉擺動式油缸翻轉機構。

1 往復運動式油缸翻轉結構及工作原理

如圖1所示,直線往復運動式油缸翻轉結構由油缸上固定銷、直線往復運動式油缸、翻轉架、油缸下固定銷、翻轉犁機架、翻轉臂、拖拉機懸掛耳等組成。

1.油缸上固定銷；2.直線往復運動式油缸；3.翻轉架；4.油缸下固定銷；5.翻轉犁機架；6.翻轉臂；7.拖拉機懸掛耳

1LF35型系列液壓翻轉犁的翻轉機構，采用直線往復運動式油缸翻轉結構，液壓油缸的型號為TGI63/35X170-400，拖拉機車載油泵的型號為CBN-E316L。

拖拉機車載油泵通過液壓控制閥、換向閥與直線往復運動式油缸聯接，油泵出口與拖拉機進油管聯接。液壓油驅動油缸的活塞桿伸縮，活塞桿拉動翻轉臂，左右翻轉時液壓油缸伸出行程需達到最大時，翻轉臂帶動翻轉犁機架轉動180°，從而實現翻轉犁的換行工作。存在問題是，翻轉臂在不同位置翻轉力臂及翻轉力矩是變化的，工作不平穩。當油缸活塞桿和翻轉臂中心處于一條直線時，出現死點。當油缸處于死點位置時，翻轉犁機架靠慣性通過死點，翻轉不可靠，容易出現翻轉不到位現象，造成事故的發生。

國家標準規定翻轉犁的翻轉機構應工作可靠。機構到位率空運轉不低于98%，生產插定不低于96%(連續作業不低于50次)[7]。由國家標準規定可以看出，翻轉犁的翻轉機構存在翻轉不到位的情況。

2 擺動式油缸翻轉結構及工作原理

如圖2所示,回轉擺動式油缸翻轉結構由固定架連接板、油缸固定架、翻轉犁機架、擺動油缸、主動齒輪、被動齒輪、翻轉架組成。

1.固定架連接板；2.油缸固定架；3.翻轉犁機架；4.回轉擺動式油缸；5.主動齒；6.被動齒輪；7.長螺栓；8.翻轉架

長螺栓把油缸固定架、擺動油缸連接在固定架連接板上固定架連接板焊接在翻轉架上，使擺動油缸與翻轉架連接為一個整體。擺動油缸的輸出軸端安裝主動齒輪，被動齒輪與翻轉犁機架焊接在一起，一起轉動。主動齒輪與被動齒輪的齒數一樣，傳動比為1∶1。

回轉擺動式油缸選用擺動角度為180°，即主動齒輪轉動180°，同時帶動被動齒輪和翻轉犁機架轉動180°。下一次由于齒輪傳動是連續的轉動，翻轉力臂及翻轉力矩恒定，工作平穩，翻轉可靠，100%翻轉到位，翻轉機構的工作可靠性高于國家標準規。

3 有關設計計算

3.1 翻轉阻力矩計算

1LF335翻轉犁機架結構如圖3所示，機架、若干個犁體、犁輪等構成了翻轉犁機架，翻轉犁機架整體沿著翻轉架的轉套轉動。圖中的尺寸b、e為翻轉機架的重心位置尺寸。

翻轉機構的阻力矩，由三部分組成，一是克服機架、犁體、犁輪等重量的偏心距e產生的阻力矩，二是克服翻轉犁機架沿著翻轉架轉套轉動時產生的摩擦力矩，三是液壓翻轉犁在進行翻轉作業時，犁體上不可避免粘覆大量泥土，克服犁體上所帶泥土產生的阻力矩。

如圖3所示，機架在水平位置時，機架、犁體、犁輪等重量的偏心距產生的最大阻力矩

1.翻轉架；2.犁輪；3.機架；4.犁體

M1=Gge

(1)

式中M1—機架等重量偏心距產生的阻力矩，N·m；

G—機架等總重量，kg；

e—機架等總重量的偏心距，m。

經計算得到，G=460 kg，e=0.08 m，代入(1)計算得,M1=360.64 N·m。

機架、犁體、犁輪等整體沿著翻轉架轉套轉動時產生的摩擦力矩

M2=Ggμr

(2)

式中M2—機架沿轉套轉動產生的摩擦力矩，N·m；

g—重力加速度，m·s-2；

μ—機架等與轉套的摩擦系數；

r—轉套的內孔半徑，m。

重力加速度g=9.8 m·s-2，由機械設計手冊查得μ=0.1[8]，r=0.045 m，代入式(2)計算得,M2=20.29 N·m。

犁體上所帶泥土產生的阻力矩估算為

M3=0.1M1=36 N·m。

翻轉機構需要克服的總阻力矩

M=M1+M2+M3

(3)

由式(3)計算得,M=416.93 N·m。

3.2 回轉擺動式油缸的選擇

本次翻轉機構總阻力矩計算結果，是根據335翻轉犁的結構得到，考慮到435、535翻轉犁的阻力矩更大，選用較大的UBFZD50型液壓擺動油缸，以方便實現通用。油缸性能參數見表1。

表1 UBFZD50型油缸性能參數

3.3 齒輪參數設計計算

按照接觸強度，計算主動齒輪的分度圓直徑，計算公式為[9]

(4)

式中d1—主動齒輪分度圓直徑，mm；

k—綜合系數；

μ—齒數比；

φd—齒寬系數；

σHlim—齒輪的接觸疲勞極限應力，MPa。

取k=4[9]，μ=1，φd=0.6，σHlim=650 MPa[9]，代入式(4)計算得,d1=181 mm。

按照彎曲強度計算主動齒輪的模數，公式為[9]

(5)

式中m—主動齒輪的模數，mm；

YFa1—主動齒輪的齒形系數；

Z1—主動齒輪的齒數，個；

σFlim—齒輪的彎曲疲勞極限應力。

取YFa1=2.55[9]，Z1=23，σFlim=250 MPa[9]，代入式(5)計算得,m=4.562 mm。

考慮到翻轉犁的作業環境惡劣，及435、535翻轉犁的阻力矩更大，取m=8 mm。則主動齒輪分度圓直徑d1=184 mm，齒輪外徑D1=200 mm，齒數Z1=23，齒寬B=φdD=120 mm。被動齒輪的齒數、模數、寬度一樣，內孔直徑需要和翻轉犁機架的圓管配做。

3.4 翻轉時間計算

翻轉機構采用的油泵型號為CBN-E316L。油泵性能參數見表2。

表2 CBN-E316L型油泵性能參數

油泵的排量為

Q=qn

(6)

式中Q—油泵的排量，mL·min-1；

q—油泵的公稱排量，mL·r-1；

n—油泵的額定轉速，r·min-1。

由表2得，q=16 mL·r-1；n=2 000 r·min-1，代入式(6)計算得,Q=32 000 mL·min-1。

按照油泵的額定轉速，分別計算兩種翻轉機構使翻轉架翻轉180°需要的時間。

直線往復運動式油缸翻轉結構，油缸型號為TGI63/35X170-400。油缸性能參數見表3。

表3 TGI63/35X170-400型油缸性能參數

tz=t1+t2+t3

(7)

式中tz—翻轉架翻轉180°時間，min；

t1—活塞桿回縮90°時間，min；

t2—活塞桿伸出90°時間，min；

t3—中間操縱換向閥的時間，min；

L—活塞桿行程，cm；

D—活塞缸直徑，cm；

d—活塞桿直徑，cm。

圖2所示位置為開始翻轉位置，回轉擺動式油缸的齒輪齒條開始動作，拉動翻轉架轉動180°；下一次翻轉時，齒輪齒條反方向運動，拉動翻轉架反方向轉動180°，回到圖示位置。翻轉架轉動180°需要的時間th為

(8)

式中th—翻轉架翻轉180°時間，min；

θ—擺動油缸擺動角度，°；

q1—耗油量,L·°-1。

由表1可知，θ=180°；q1=0.001 71L·°-1，代入式(8)計算得,th=0.009 6 min，即0.576 s。

由以上計算可知，th

4 結論

針對直線往復運動式油缸翻轉結構，存在工作不穩定和翻轉不可靠等問題，設計了回轉擺動式油缸翻轉結構。計算了1LF335型液壓翻轉犁翻轉機構的阻力矩，設計了傳動齒輪等參數，選擇了回轉擺動式油缸的型號，計算了兩種翻轉機構結構翻轉時間。該研究可為翻轉機構的研發提供理論參考和技術支撐。采用回轉擺動式油缸翻轉結構后，翻轉犁的工作穩定性和翻轉可靠性高于國家標準規，100%翻轉到位，提高了翻轉速度。不足之處是采用采用回轉擺動式油缸和齒輪機構后，成本有所上升。