王燕玲

(山西工程職業(yè)學(xué)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(nóng)作物以滿足人們?nèi)找嬖鲩L的農(nóng)作物需求,具有很重要的意義。另一方面,農(nóng)村勞動(dòng)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(jī)物含量和含水量均較低,嚴(yán)重影響了可耕種土地的可持續(xù)發(fā)展。耕整機(jī)具有很強(qiáng)的切土和碎土能力,采用耕整機(jī)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(tài),達(dá)到精細(xì)耕種狀態(tài)。與傳統(tǒng)的犁和耙相比,旋耕機(jī)作業(yè)一次即可達(dá)到犁耙作業(yè)幾次的效果,且土地平整、土壤松散,不僅提升了作業(yè)效率,還可以降低成本和勞動(dòng)強(qiáng)度[1-2]。

雖然使用旋耕機(jī)作業(yè)效果良好,但通過調(diào)查發(fā)現(xiàn),我國現(xiàn)有的旋耕機(jī)大部分是由手扶拖拉機(jī)或微耕機(jī)改裝得到,耕作水平無法達(dá)到對土地的耕整要求。為了使旋耕機(jī)具有良好的工作狀態(tài),其核心結(jié)構(gòu)的布局非常重要,包括旋耕刀片的排布形式、作業(yè)幅寬及刀軸轉(zhuǎn)速等,這些都將影響耕深的均勻性、作業(yè)過程的穩(wěn)定性。因此,對旋耕機(jī)的核心結(jié)構(gòu)的布局不僅是將這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單的組合,更重要的是使其在作業(yè)過程中達(dá)到良好的作業(yè)效果。

理論力學(xué)是對物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究的一門基礎(chǔ)學(xué)科,主要包括靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)3類。利用理論力學(xué)建立抽象的力學(xué)模型或其數(shù)學(xué)工具可以推導(dǎo)出以數(shù)學(xué)形式表達(dá)的結(jié)論。因此,可以考慮將理論力學(xué)應(yīng)用于旋耕機(jī)的核心結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)方面以對旋耕機(jī)的核心結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行研究。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

旋耕機(jī)根據(jù)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(jī)的應(yīng)用較多,故主要對橫軸式旋耕機(jī)進(jìn)行研究。旋耕機(jī)主要包括機(jī)架、電源和動(dòng)力裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、避障系統(tǒng)、旋耕刀和工作部件、耕深調(diào)節(jié)裝置和懸掛裝置,如圖1所示。

1.2 機(jī)架

機(jī)架是旋耕機(jī)的機(jī)身骨架,主要用于安裝和固定旋耕機(jī)的各系統(tǒng)裝置。

1.3 電源和動(dòng)力裝置

電源和動(dòng)力裝置主要為旋耕機(jī)提供動(dòng)力。動(dòng)力裝置主要有電動(dòng)機(jī)和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)兩種形式,從環(huán)保及成本方面考慮,采用電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置。電源部分主要包括兩個(gè)鋰電池和兩組電機(jī)。動(dòng)力裝置的旋耕刀電機(jī)控制器、起落電機(jī)控制器和驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器分別通過控制旋耕刀電機(jī)、行走電機(jī)和起落電機(jī),進(jìn)而驅(qū)動(dòng)旋耕機(jī)作業(yè)。在行走過程中,只有驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電,控制車輪的前行和轉(zhuǎn)彎等行走操作;當(dāng)旋耕機(jī)執(zhí)行任務(wù)時(shí),所有電機(jī)同時(shí)供電,控制旋耕機(jī)的旋耕刀和工作部件工作。

1.4 傳動(dòng)系統(tǒng)

傳動(dòng)系統(tǒng)用于連接電源動(dòng)力裝置、旋耕刀及工作部件,并將動(dòng)力傳遞給工作部件,實(shí)現(xiàn)旋耕機(jī)的作業(yè)。其主要組成包括電機(jī)、變速箱、車輪和滑臺(tái)。傳動(dòng)系統(tǒng)通過電源和動(dòng)力系統(tǒng)控制的原理如圖2所示。

圖1 旋耕機(jī)的主要組成結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The main composition structure diagram of rotary tiller

圖2 傳動(dòng)系統(tǒng)通過電源和動(dòng)力系統(tǒng)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(tǒng)

旋耕機(jī)作業(yè)時(shí),樹干或一些農(nóng)作物作為障礙物,可能會(huì)使旋耕機(jī)出現(xiàn)少耕或漏耕現(xiàn)象,為避免出現(xiàn)這種情況,在旋耕機(jī)上設(shè)置避障系統(tǒng),以及時(shí)避開障礙物。該系統(tǒng)主要包括感應(yīng)機(jī)構(gòu)和液壓控制裝置,避障原理如圖3所示[3-4]。

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

旋耕機(jī)正常作業(yè)時(shí),只有感應(yīng)機(jī)構(gòu)工作,液壓系統(tǒng)不啟動(dòng);當(dāng)感應(yīng)機(jī)構(gòu)感應(yīng)到前方有障礙物時(shí),液壓系統(tǒng)啟動(dòng),控制旋耕機(jī)及時(shí)的橫向移動(dòng)躲避障礙物,直到避開障礙物;旋耕機(jī)避開障礙物后,液壓系統(tǒng)停止工作,感應(yīng)機(jī)構(gòu)恢復(fù)正常工作狀態(tài)。液壓系統(tǒng)的工作原理如圖4所示。

圖4 液壓系統(tǒng)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(jī)作業(yè)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(dòng)系統(tǒng)和機(jī)架相連;刀盤焊接在刀軸上,其外側(cè)設(shè)置很多等間距的孔,用于安裝刀片。根據(jù)土壤的狀態(tài),可以選擇不同結(jié)構(gòu)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(jī)作業(yè)時(shí)飛濺起來的泥土;安裝軸主要起到支撐整個(gè)旋耕機(jī)質(zhì)量的作用。由于安裝軸承受載荷較大,且載荷隨時(shí)間改變,為了保證其強(qiáng)度和可靠性,采用載重卡車用十字軸作為旋耕機(jī)的安裝軸。

1.7 耕深調(diào)節(jié)裝置和懸掛裝置

耕深調(diào)節(jié)裝置主要用于調(diào)節(jié)旋耕機(jī)的旋耕深度,可通過安裝在機(jī)架上的限深刀調(diào)節(jié)。限深刀通過定位孔與機(jī)架連接,當(dāng)限深刀向上滑動(dòng),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(jī)和旋耕機(jī),為了保證連接力,懸掛方式采用三點(diǎn)懸掛。

2 理論力學(xué)研究

旋耕機(jī)在設(shè)計(jì)過程中可能會(huì)出現(xiàn)動(dòng)力方式不匹配、功耗組成不合理的問題,導(dǎo)致其最終的旋耕作業(yè)性能較差、質(zhì)量無法達(dá)到要求[5-6]。通過利用理論力學(xué)對旋耕機(jī)的部件受力情況進(jìn)行分析,并確定各部分的功耗組成和數(shù)學(xué)模型,可為旋耕機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù),完成低能耗、高質(zhì)量的旋耕作業(yè)任務(wù)。

為了確定旋耕機(jī)功耗的數(shù)學(xué)模型,首先需要建立其目標(biāo)函數(shù)。旋耕機(jī)的總功耗N為

N=N1+N2+N3+N4+N5

旋耕機(jī)的總功耗主要包括刀片切削土地、拋擲土塊、驅(qū)動(dòng)旋耕機(jī)前行、機(jī)械傳動(dòng)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(dāng)旋耕機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),該部分功率有助于輔助旋耕機(jī)前進(jìn),部分驅(qū)動(dòng)旋耕機(jī)前行功率N3被取代,則N5取負(fù)值,當(dāng)出現(xiàn)N5>N3時(shí),系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)功率內(nèi)耗。

旋耕機(jī)作業(yè)時(shí),旋耕刀在做向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí),還繞刀軸做圓周運(yùn)動(dòng),對土壤進(jìn)行加工。旋耕刀在作業(yè)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(shí)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(shù)學(xué)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(jī)前進(jìn)速度。

旋耕機(jī)拋擲土塊消耗功率的數(shù)學(xué)模型為

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

驅(qū)動(dòng)旋耕機(jī)前行需要的功率數(shù)學(xué)模型為

N3=μ(G±Fz)

其中,μ為旋耕機(jī)前進(jìn)時(shí)的阻力系數(shù);G為旋耕機(jī)的總重力;Fz為旋耕機(jī)受到的向上的合力。

在進(jìn)行旋耕機(jī)克服土壤反力所消耗的功率計(jì)算時(shí),需對刀軸進(jìn)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(jī)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(jī)機(jī)械傳動(dòng)所消耗功率的數(shù)學(xué)模型為

N4=(1-η)(N1+N2+N3+N5)

η=η1η2η3

其中,η1、η2、η3分別為旋耕機(jī)萬向節(jié)、錐形齒輪和側(cè)邊鏈的傳動(dòng)效率,分別取為0.99、0.96和0.98。最終,計(jì)算得出機(jī)械傳動(dòng)的數(shù)學(xué)模型,即

通過對以上旋耕機(jī)各部分功耗進(jìn)行計(jì)算,可以得出旋耕機(jī)的總功率消耗為

N=70.18aVm(A0B+A1Bω2R2)+

3 試驗(yàn)

為了驗(yàn)證旋耕機(jī)的性能,對其進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。在進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí),主要針對其機(jī)械作業(yè)性能進(jìn)行測試,通過性能測試結(jié)果最終確定旋耕機(jī)的基本性能參數(shù)。

3.1 機(jī)械作業(yè)性能測試

旋耕機(jī)的機(jī)械作業(yè)性能測試指標(biāo)主要包括耕作深度、地表平整度和碎土率。試驗(yàn)時(shí),選取一塊50m×70m的長方形土地,檢測點(diǎn)共設(shè)置5點(diǎn),位置為對角線的四分之一距離處及對角線的交點(diǎn)。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(jī)前進(jìn)方向100cm寬度范圍內(nèi),將其10等分后,取10點(diǎn)平整度的平均值。計(jì)算公式為

其中,Ei為第i個(gè)測試點(diǎn)的平整度;Eij為第i個(gè)測試點(diǎn)周圍的j測試點(diǎn)平整度測試值。碎土率定義為該點(diǎn)為中心的0.5m半徑區(qū)域范圍內(nèi),最長邊小于4cm的土塊質(zhì)量占比。最終,測得旋耕機(jī)的機(jī)械作業(yè)性能測試結(jié)果如表1所示。

表1 旋耕機(jī)機(jī)械作業(yè)性能測試結(jié)果Table 1 The mechanical performance test result of rotary cultivator

由表1可知:旋耕機(jī)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(nóng)民對土地的耕作要求。

3.2 旋耕機(jī)基本性能參數(shù)

通過對旋耕機(jī)進(jìn)行以上的機(jī)械作業(yè)性能測試,說明其設(shè)置的基本性參數(shù)符合旋耕機(jī)的作業(yè)要求,最終確定其技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo),如表2所示。

表2 旋耕機(jī)基本性能參數(shù)Table 2 The basic test parameters of the rotary cultivator

4 結(jié)論

1)針對現(xiàn)有的旋耕機(jī)作業(yè)效率和作業(yè)水平較低、作業(yè)效果無法達(dá)到農(nóng)民要求的問題,基于理論力學(xué)對旋耕機(jī)的核心結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行了設(shè)計(jì)并分析。旋耕機(jī)的主要組成包括機(jī)架、傳動(dòng)系統(tǒng)、電源和動(dòng)力裝置、旋耕刀和工作部件、避障系統(tǒng)、耕深調(diào)節(jié)裝置和懸掛裝置。

2)為了保證旋耕機(jī)在作業(yè)過程中的動(dòng)力匹配,對旋耕機(jī)各部件進(jìn)行受力分析,并建立功耗數(shù)學(xué)模型,為優(yōu)化旋耕機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)提供理論依據(jù)。

3)為了驗(yàn)證旋耕機(jī)的性能,進(jìn)行了機(jī)械作業(yè)性能測試,結(jié)果表明:旋耕機(jī)的作業(yè)效果良好,且最終確定旋耕機(jī)的基本性能參數(shù)合理。