基于理論力學的旋耕機核心結構布局研究

王燕玲

(山西工程職業學院,太原 030009)

0 引言

我國國土面積廣大,但可耕種面積占有量少,如何高效利用這些耕地種植更多的農作物以滿足人們日益增長的農作物需求,具有很重要的意義。另一方面,農村勞動力減少,以及過度的化肥使用,使得已有耕地疏于管理,土壤的有機物含量和含水量均較低,嚴重影響了可耕種土地的可持續發展。耕整機具有很強的切土和碎土能力,采用耕整機耕整土地可以有效抑制土壤病蟲害、增熵保溫,改善土壤狀態,達到精細耕種狀態。與傳統的犁和耙相比,旋耕機作業一次即可達到犁耙作業幾次的效果,且土地平整、土壤松散,不僅提升了作業效率,還可以降低成本和勞動強度[1-2]。

雖然使用旋耕機作業效果良好,但通過調查發現,我國現有的旋耕機大部分是由手扶拖拉機或微耕機改裝得到,耕作水平無法達到對土地的耕整要求。為了使旋耕機具有良好的工作狀態,其核心結構的布局非常重要,包括旋耕刀片的排布形式、作業幅寬及刀軸轉速等,這些都將影響耕深的均勻性、作業過程的穩定性。因此,對旋耕機的核心結構的布局不僅是將這些結構進行簡單的組合,更重要的是使其在作業過程中達到良好的作業效果。

理論力學是對物體機械運動進行研究的一門基礎學科,主要包括靜力學、動力學和運動學3類。利用理論力學建立抽象的力學模型或其數學工具可以推導出以數學形式表達的結論。因此,可以考慮將理論力學應用于旋耕機的核心結構布局設計方面以對旋耕機的核心結構布局進行研究。

1 硬件設計

1.1 總體設計

旋耕機根據刀軸的安裝方向主要分為橫軸式和立軸式,目前以橫軸式旋耕機的應用較多,故主要對橫軸式旋耕機進行研究。旋耕機主要包括機架、電源和動力裝置、傳動系統、避障系統、旋耕刀和工作部件、耕深調節裝置和懸掛裝置,如圖1所示。

1.2 機架

機架是旋耕機的機身骨架,主要用于安裝和固定旋耕機的各系統裝置。

1.3 電源和動力裝置

電源和動力裝置主要為旋耕機提供動力。動力裝置主要有電動機和汽油發動機兩種形式,從環保及成本方面考慮,采用電動機作為動力裝置。電源部分主要包括兩個鋰電池和兩組電機。動力裝置的旋耕刀電機控制器、起落電機控制器和驅動電機控制器分別通過控制旋耕刀電機、行走電機和起落電機,進而驅動旋耕機作業。在行走過程中,只有驅動電機供電,控制車輪的前行和轉彎等行走操作;當旋耕機執行任務時,所有電機同時供電,控制旋耕機的旋耕刀和工作部件工作。

1.4 傳動系統

傳動系統用于連接電源動力裝置、旋耕刀及工作部件,并將動力傳遞給工作部件,實現旋耕機的作業。其主要組成包括電機、變速箱、車輪和滑臺。傳動系統通過電源和動力系統控制的原理如圖2所示。

圖1 旋耕機的主要組成結構圖Fig.1 The main composition structure diagram of rotary tiller

圖2 傳動系統通過電源和動力系統控制的原理圖Fig.2 The schematic diagram of driveline controlled by power supply and power system

1.5 避障系統

旋耕機作業時,樹干或一些農作物作為障礙物,可能會使旋耕機出現少耕或漏耕現象,為避免出現這種情況,在旋耕機上設置避障系統,以及時避開障礙物。該系統主要包括感應機構和液壓控制裝置,避障原理如圖3所示[3-4]。

圖3 避障系統的避障原理圖Fig.3 The obstacle avoidance schematic diagram of obstacle avoidance system

旋耕機正常作業時,只有感應機構工作,液壓系統不啟動;當感應機構感應到前方有障礙物時,液壓系統啟動,控制旋耕機及時的橫向移動躲避障礙物,直到避開障礙物;旋耕機避開障礙物后,液壓系統停止工作,感應機構恢復正常工作狀態。液壓系統的工作原理如圖4所示。

圖4 液壓系統的工作原理圖Fig.4 The working principle diagram of hydraulic system

1.6 旋耕刀和工作部件

旋耕刀是旋耕機作業的主要部件,主要組成包括刀軸、刀片和刀盤。其中,刀軸兩邊分別與傳動系統和機架相連;刀盤焊接在刀軸上,其外側設置很多等間距的孔,用于安裝刀片。根據土壤的狀態,可以選擇不同結構行駛的刀片,如直角刀、彎刀和鑿形刀。

工作部件包括擋泥板及安裝軸等裝置:擋泥板用于擋住旋耕機作業時飛濺起來的泥土;安裝軸主要起到支撐整個旋耕機質量的作用。由于安裝軸承受載荷較大,且載荷隨時間改變,為了保證其強度和可靠性,采用載重卡車用十字軸作為旋耕機的安裝軸。

1.7 耕深調節裝置和懸掛裝置

耕深調節裝置主要用于調節旋耕機的旋耕深度,可通過安裝在機架上的限深刀調節。限深刀通過定位孔與機架連接,當限深刀向上滑動,則其與地面的夾角增加,旋耕深度變深;反之,旋耕深度則變淺。

懸掛裝置用于連接拖拉機和旋耕機,為了保證連接力,懸掛方式采用三點懸掛。

2 理論力學研究

旋耕機在設計過程中可能會出現動力方式不匹配、功耗組成不合理的問題,導致其最終的旋耕作業性能較差、質量無法達到要求[5-6]。通過利用理論力學對旋耕機的部件受力情況進行分析,并確定各部分的功耗組成和數學模型,可為旋耕機的結構和運動參數優化提供理論依據,完成低能耗、高質量的旋耕作業任務。

為了確定旋耕機功耗的數學模型,首先需要建立其目標函數。旋耕機的總功耗N為

N=N1+N2+N3+N4+N5

旋耕機的總功耗主要包括刀片切削土地、拋擲土塊、驅動旋耕機前行、機械傳動及克服土壤反力所消耗的功率等,分別用N1、N2、N3、N4和N5表示。對于克服土壤反力所消耗的功率N5來說,當旋耕機正向轉動時,該部分功率有助于輔助旋耕機前進,部分驅動旋耕機前行功率N3被取代,則N5取負值,當出現N5>N3時,系統會出現功率內耗。

旋耕機作業時,旋耕刀在做向前運動的同時,還繞刀軸做圓周運動,對土壤進行加工。旋耕刀在作業過程中受到的土壤阻力F為

F=F0+F1+F2

阻力包括刀和土壤之間的阻力F0、土壤被切削變形的阻力F1及土壤被拋擲具有一定速度的阻力F2。由于F0較難求解,因此將其納入土壤被切削變形的阻力F1中[8],此時的土壤阻力F為

F=F1+F2

其中,刀片切削土地所消耗功率的數學模型,可通過土壤耕作理論求解,即

其中,A0為切削比功;B為刀片可耕作的幅寬;Vm為旋耕機前進速度。

旋耕機拋擲土塊消耗功率的數學模型為

其中,A1為拋擲土塊的比阻系數;a為旋耕機的耕深;ω為刀片旋轉的角速度;R為刀片半徑。

驅動旋耕機前行需要的功率數學模型為

N3=μ(G±Fz)

其中,μ為旋耕機前進時的阻力系數;G為旋耕機的總重力;Fz為旋耕機受到的向上的合力。

在進行旋耕機克服土壤反力所消耗的功率計算時,需對刀軸進行受力分析,其受力示意圖如圖5所示。

圖5 刀軸受力示意圖Fig.5 The schematic diagram of cutter shaft force

通過分析可以得出旋耕機克服土壤反力消耗的功率,即

N5=Qcos(90°-α-β)Vm

其中,Q為旋耕刀軸受力;α為刀片的入土角度;β為刀片的切土角度。

旋耕機機械傳動所消耗功率的數學模型為

N4=(1-η)(N1+N2+N3+N5)

η=η1η2η3

其中,η1、η2、η3分別為旋耕機萬向節、錐形齒輪和側邊鏈的傳動效率,分別取為0.99、0.96和0.98。最終,計算得出機械傳動的數學模型,即

通過對以上旋耕機各部分功耗進行計算,可以得出旋耕機的總功率消耗為

N=70.18aVm(A0B+A1Bω2R2)+

3 試驗

為了驗證旋耕機的性能,對其進行試驗驗證。在進行試驗設計時,主要針對其機械作業性能進行測試,通過性能測試結果最終確定旋耕機的基本性能參數。

3.1 機械作業性能測試

旋耕機的機械作業性能測試指標主要包括耕作深度、地表平整度和碎土率。試驗時,選取一塊50m×70m的長方形土地,檢測點共設置5點,位置為對角線的四分之一距離處及對角線的交點。其中,耕作深度定義為耕作前后土壤深度的差值;地表平整度定義為旋耕機前進方向100cm寬度范圍內,將其10等分后,取10點平整度的平均值。計算公式為

其中,Ei為第i個測試點的平整度;Eij為第i個測試點周圍的j測試點平整度測試值。碎土率定義為該點為中心的0.5m半徑區域范圍內,最長邊小于4cm的土塊質量占比。最終,測得旋耕機的機械作業性能測試結果如表1所示。

表1 旋耕機機械作業性能測試結果Table 1 The mechanical performance test result of rotary cultivator

由表1可知:旋耕機采用普通旋耕刀的耕作深度平均值為12.2cm,地表平整度平均值為2.31cm,碎土率平均值為82.53%,均滿足農民對土地的耕作要求。

3.2 旋耕機基本性能參數

通過對旋耕機進行以上的機械作業性能測試,說明其設置的基本性參數符合旋耕機的作業要求,最終確定其技術參數和性能指標,如表2所示。

表2 旋耕機基本性能參數Table 2 The basic test parameters of the rotary cultivator

4 結論

1)針對現有的旋耕機作業效率和作業水平較低、作業效果無法達到農民要求的問題,基于理論力學對旋耕機的核心結構布局進行了設計并分析。旋耕機的主要組成包括機架、傳動系統、電源和動力裝置、旋耕刀和工作部件、避障系統、耕深調節裝置和懸掛裝置。

2)為了保證旋耕機在作業過程中的動力匹配,對旋耕機各部件進行受力分析,并建立功耗數學模型,為優化旋耕機的結構和運動參數提供理論依據。

3)為了驗證旋耕機的性能,進行了機械作業性能測試,結果表明:旋耕機的作業效果良好,且最終確定旋耕機的基本性能參數合理。