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液压 控制 翻转 双向 设计

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内蒙古农业大学研究生学位论文独创声明本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注釉致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得我校或其他教育机构的学位或证书而使用逮的材料，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在谶文中作了明确的说明并表示谢意。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责锯。论文作者签名：造型垒她日期：迦! 生：2内蒙古农业大学研究生学位论文版权使用授权书本人完全了解内蒙古农业大学有关保护知识产权的规定，即：研巍生在攻读学位期间论文工作的知识产权单位属内蒙古农业大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为内蒙古农业大学，且导师为通讯作者，通讯作者单位亦署名为内蒙古农业犬学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密内容除外) ，采用影印、缩印或其他手段保存论文。论文作者签名：指导教师签名：日期：狴畔摘要l I l l lI I IItlqI l U 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 11I IlY 2 6 0 0 6 5 2玉米残茬收集费工费力，残茬焚烧不仅造成资源的浪费，而且污染环境。残茬深埋是近年来玉米增产的一项新农艺措施，它不仅可以减少病虫害，还可以提高土壤蓄水能力，充分利用水资源。本研究在完成I L F S 一3 4 0 秸秆还田液压翻转犁整体结构设计的基础上，通过P r o E建立翻转犁零部件的三维模型，绘制二维工程图纸，进行整机制造，。并进行了田间试验研究。秸秆还田液压翻转犁通过1 0 0 - 1 2 0 马力的拖拉机牵引，实现犁耕作业。它由犁体、悬挂装置、犁架和翻转机构组成，犁架前端一侧设有定位挡块，在等边梯形支撑架两侧设有定位调整螺钉，二者配合相碰可使犁架定位，定位稳定准确，使用灵活可靠。左右对称的犁体安装在犁架上，悬挂装置上设置翻转机构，翻转机构通过翻转轴与犁架相连，旋转臂与翻转轴通过销链接，由一个直立式双向液压油缸驱动，在换向阀的控制下，通过旋转臂、翻转轴旋转带动犁架旋转，从而实现犁体1 8 0 度换向。通过田间试验，对1 L F S - 3 4 0 秸秆还田液压翻转犁的性能进行验证。结果表明：该机翻转率高，翻垡性能良好，耕深、耕宽及碎土率等各项性能指标均达到国家相关标准。牵引力、提升力试验结果显示：提升阻力和牵引阻力小于配套拖拉机额定牵引力，满足国家规定，并为解决动力配套问题提供依据。关键词：液压翻转犁；深翻还田；秸秆；牵引力：提升力1L F S - - 3 4 0T y p eF u l lF i e l dS t r a wR e t u r n i n gT h eC o m m u n eH y d r a u l i cF l i pP l o wD e s i g na n dE x p e r i m e n t a lR e s e a r c hA b s t r a c tI tt a k e sl o t so fw o r ka n dt i m et oc o l l e c tc o ms t u b b l e ，a n dt ob u mi ti sn o to n l yaw a s t eo fr e s o u r c e sb u te n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n B u r i e dd e e po fc o r ns t u b b l ei san e w l yd e v e l o p e dm e a s u r et h a ti tc a nr e d u c ep e s t sa n di m p r o v et h ec a p a c i t yo fs o i lw a t e rs t o r a g e B a s e do nd e s i g n i n go ft h ew h o l em a c h i n eo fIL F 一3 4 0t y p ef u l lf i e l ds t r a wr e t u r n i n gt h ec o m m u n eh y d r a u l i cf l i pp l o w ，t h er e s e a r c h e rh a se m p l o y e dP r o Et om a k e3 Dm o d e l so fp i v o tp l o wp a r t s ，t od r a wt w od i m e n s i o ne n g i n e e r i n gd r a w i n g A n da l s ot h er e s e a r c h e rh a sm a n u f a c t u r e dw h o l em a c h i n ea n dh a st e s t e di ti nt h ef i e l ds t r a wr e t u r n i n gt h ec o m l l l u n eh y d r a u l i cf l i pp l o wSp u l l e db yat r a c t o ro f10 0 - 2 0 0h o r s e p o w e rt ow o r ki nt h ef i e l d I ti sm a d eo fap l o w , as u s p e n s i o ns y s t e m ，ap l o wf r a m ea n da nu p e n d e r Al o c a t i n gs t o pd o gi sl o c a t e di nt h ef r o n to ft h ep l o wf r a m e ，a n di tw o r k st o g e t h e rw i t hab o l to fl o c a t i n ga d j u s t m e n tl o c a t e di nt h eb o t hs i d e so fa n t i p a r a l l e l o g r a mr a c kt om a k es u r et h ep l o wf r a m el o c a t ep r e c i s e l ya n dw o r kf l e x i b l y T h es y m m e t r i c a lp l o wi si n s t a l l e di nt h ef l o wf r a m e ，a n dt h eu p e n d e ri nt h es u s p e n s i o ns y s t e mi sl i n k e dw i t ht h ep l o wf r a m eb ya na x e lw h i c hi sl i n k e dw i t hr o t a t i n ga r mb yap i n D r i v e nb yu p r i g h tt w o - w a yh y d r a u l i co i lc y l i n d e ra n dw i t hr o t a t i o no fp l o wf r a m e ，i tc a nr o t a t e18 0d e g r e e s T h ef i e l dw o r dr e s e a r c ho f1L F S 3 4 0s h o w st h a ti th a sh i g hu p e n d i n gr a t e ，a n da l l i t sp e r f o r m a n c ei n d e xs u c ha sr a t eo fd e p t h ，w i d t ha n dp u l v e r i z i n ga r eu pt On a t i o n a ls t a n d a r d s T h et r a c t i v ef o r c ea n dp u l l i n gf o r c ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h et r a c t i v er e s i s t a n c ea n dp u l l i n gr e s i s t a n c ei sl e s st h a nr a t e dt r a c t i v ef o r c eo ft h em a t i n gt r a c t o r , w h i c hm e e tt h en e e do fn a t i o n a lr e g u l a t i o na n dp r o v i d eb a s i sf o rs o l v i n gt h ep r o b l e mo fp o w e rm a t c h i n g K e yw o r d s ：H y d r a u l i cf l i p t o w ；R e t u r n i n gt h ec o m m u n e ；S t r a w ；T r a c t i v ef o r c e ；P u l l i n g f o r c eD ir e c t e db y ：P r o D UJ i a n m i nA p pI ic a n tf o rM a s t e rD e g r e e ：F E N GY aIi ( M e c h a n i c a lD e s i g na n dT h e o r y )( C o l l e g eo fM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，I n n e rM o n g o l i aA g r i c u l t u r a lU n i v e r s i t y H o h h o t0 1 0 0 1 8 ，C h i n a )目录l 引言11 1 研究背景11 1 1 翻转犁的类型11 1 2 翻转犁的特点分析21 2 国内外研究现状31 2 1国外液压翻转犁研究现状31 2 2国内液压翻转犁研究现状41 2 3 国内现有翻转犁存在的问题51 3 问题的提出61 4 研究目的和内容61 4 1 研究目的61 4 2 研究内容61 5 研究方法和技术路线721 L F S 一3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁总体设计82 11 L F S - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁设计要求82 1 1 农艺要求82 1 2 液压翻转犁机具要求82 21 L F S - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁的主要技术参数82 31 L F S - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁总体结构设计92 3 1 整机设计92 3 2 工作原理931 L F S - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁主要零部件的设计1 03 1 翻转机构的设计1 03 2 悬挂装置及定位机构1 03 2 1 悬挂装置1 03 2 2 定位机构1l3 3 犁架的设计1 13 4 限深轮的设计1 l3 5 犁体整体设计1 241 L F S 一3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁田间试验1 34 1田间试验的目的1 34 2 试验条件和准备1 34 2 1 试验条件1 34 2 2 试验设备及工具1 44 2 3 试验依据及试验地状况的测定1 44 3 性能试验1 84 3 1 耕深和耕深稳定性测定1 94 3 2 耕宽和耕宽稳定性测定2 14 3 3 植被和残茬覆盖率测定2 24 3 4 土垡破碎率测定2 44 3 5 入土行程2 54 3 6 翻转到位率2 64 4 试验结果小结2 64 51 L F S 一3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁的优点2 75 牵引力及提升力试验2 75 1 试验设备及传感器的校准2 75 1 1 试验设备及工具2 75 1 2田间机械动力学参数遥测仪的工作原理2 75 1 3 传感器校准3 05 2 试验数据及分析3 l5 2 1 提升试验3 l5 2 2 牵引试验3 45 2 3 牵引阻力、犁耕比阻和功率消耗3 75 3 驱动轮滑移率3 86 结论与建议3 96 1 结论3 96 2 建议3 96 2 1 进一步提高机具适应性3 96 2 2 与其他机具进行联合作业3 9致谢4 0参考文献4 1作者简介4 3插图和附表清单图1 四种翻转机构的类型2图2 技术路线图7图3 深翻液压翻转犁的整体结构示意图9图4 深翻液压翻转犁的悬挂机构及翻转机构的结构示意图1 0图5 深翻液压翻转犁的犁架结构示意图1 l图6 深翻液压翻转犁的限深轮结构示意图1 2图7 深翻液压翻转犁的犁体整体结构示意图1 3图8 试验基地及地表状况1 4图9 五点法取样示意图1 4图l O 测定土壤坚实度1 5图1 1 土壤含水率测定1 6图1 2 单位面积内的植株覆盖情况1 8图1 3 耕深测量情况2 l图1 4 耕宽测量情况2 1图1 5 耕层内的植被和残茬2 3图1 6 耕前和耕后地表对比2 7图1 7 田间机械动力学遥测仪2 8图1 8 主机测试系统数据通道连接界面2 9图1 9 主机测试系统各传感器示数界面2 9图2 0 遥测仪与深翻液压翻转犁机组连接实图3 0图2 1 传感器校准测试实验示意图3 1图2 2 拉力与负载变化趋势3 1图2 3 三次试验各提升力及总提升力的变化情况3 2图2 4 提升试验现场3 3图2 5 翻转犁上拉杆与水平面之间的夹角变化情况3 4图2 6 牵引试验现场3 4图2 7 牵引试验数据曲线图。3 6土壤坚实度测量数据1 5土壤含水率i 燹熳数据1 7单位面积内地表植被覆盖重量1 7单位面积内植株数量和高度数据1 8两组正反行程耕深测量数据2 0两组正反行程耕宽测量数据2 2两组正反行程植被覆盖率测量数据2 4两组正反行程土垡破碎率测量数据2 5两组正反行程入土行程测量数据2 5试验条件2 6试验结果2 6翻转犁总提升力测量数据3 3两组正反行程牵引力测量数据3 7三种速度犁耕比阻和犁所消耗功率3 8驱动轮滑转率测量数据3 8L复文t豇&L&吼mn心坞M垢惦培均扣俎拢船驰弱拍打O123451234567891lll1l表表表表表表表表表表表表表表表8901234 - 067890l2223333333333444内蒙古农业大学硕士学位论文1引言1 1研究背景犁耕作业是农业生产中必不可少的生产过程，目前常用的翻耕机具主要有铧式犁和圆盘犁等。铧式犁是世界农业生产中历史悠久、应用最广泛的耕地机械，具有良好的翻垡覆盖性能，为其他耕地机具所不能及。大多数铧式犁只能单方向翻垡，翻垡后会形成一条闭垄，而双向犁的出现则可以解决无开闭垄的问题。双向犁也称翻转犁，其结构是在犁架上安装两组左右翻垡的犁体，通过翻转机构的转向使两组犁体在往返行程中交替工作，形成梭形耕地作业，土垡均向一侧翻转，使得耕后地面较为平整，在减少耕后整地工作量的同时，也减少拖拉机空行程，提高了耕地的生产率。近年来，我国农业生产逐步实现了从播种到收获的全程机械化生产过程，农业集约化生产程度越来越高。作物持续高产的物质基础是营养物质在土壤中的持续稳定供应，同时需要维持和不断改善土壤的物理、化学及生物性状。作物秸秆是重要的有机肥料，由于多重因素的影响，作物秸秆长时间没有得到有效利用，大量秸秆被随意弃置在田间地头或被直接焚烧，不仅造成秸秆资源的极大浪费，而且引起一系列环境问题。提高作物秸秆农业循环利用率已逐步引起了人们的关注，秸秆还田不仅增加土壤有机质、提高土壤肥力，而且有利于下茬作物生长发育、提高产量。通过深翻的方法，将作物秸秆和残茬深埋在土壤中，提高土壤蓄水能力，充分利用水资源，推进农业可持续发展的耕作技术，是农作物增产的有效措施之一。基于秸秆还田的农艺要求，本研究结合内蒙河套平原等面积较大旱地种植地区的耕地情况，设计一种秸秆还田液压翻转犁，实现高效深翻犁耕作业。1 1 1 翻转犁的类型翻转犁的类型繁多，也有不同的分类方式。按照与拖拉机挂接方式可分为：悬挂翻转犁、半悬挂翻转犁和牵引式翻转犁；按照犁架翻转的驱动方式和翻转机构的不同可分为：机械( 重力式) 翻转犁、气动式翻转犁和液压式翻转犁；按照犁架翻转角度不同可分为：9 0 。翻转犁和1 8 0 。翻转犁。就目前情况来看，应用较广泛的是悬挂式液压翻转犁。悬挂式液压翻转犁主要包括：三点式悬挂装置、犁架、翻转机构、限深轮、犁体。犁架上有左右对称的犁体，悬挂装置上设置翻转机构，翻转机构通过翻转轴与犁架相连，由双向液压缸通过翻转臂带动翻转轴做1 8 0 。旋转，翻转轴带动犁架旋转，从而实现犁体1 8 0 。换向。常见悬挂式液压翻转犁翻转机构见图1 。21L F S - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁的设计与试验研究( a )气动式翻转机图fJ L - 、。( b )卧式油缸翻转机构( c )立式油缸翻转机构图( d )双缸联合翻转机构图1 四种翻转机构的类型F i g 1F o u rt y p e so ff l i pa g e n c i e s1 1 2 翻转犁的特点分析机械式翻转机构是利用犁在悬挂提升时重力翻转轴转动9 0 。左右，利用惯性在失控状态下越过“死点”，之后依靠犁本身的重力产生的偏转力矩继续翻转到位并锁定。机械式翻转机构结构简单、制造成本低，但使用不便，可靠性较差。一般与没有液压输出的中、小型拖拉机配套。气动式翻转机构( 如图l ( a ) 所示) 是在犁的悬挂架上安装有汽缸，利用气压作动力，犁架中间有纵向主轴并穿入悬挂架轴套，主轴轴端固定的齿轮与汽缸活塞杆水平运动时，活塞杆上的齿条带动齿轮转动，通过主轴使犁架相对犁悬挂架翻转。国内现有气动式翻转犁产品多是与没有液压输出的中、小型拖拉机配套。液压式翻转犁的两组犁呈1 8 0 。相对犁架垂直配置，犁架通过一转动轴安装在悬挂架上，由液压翻转机构使犁架转动1 8 0 。液压翻转机构包括油缸( 称翻转油缸) 、犁架转动轴和油缸换向装置等。液压式翻转机构又可分为立式( 竖立) 油缸( 如图1 ( c ) 所示) 、卧式( 平放) 油缸( 如图1 ( b ) 所示) 、双油缸( 如图l ( d ) 所示)及油缸一齿轮齿条等不同类型。内蒙古农业大学硕士学位论文31 2 国内外研究现状1 2 1 国外液压翻转犁研究现状2 0 世纪6 0 7 0 年代，西方发达国家先后实现了农业机械化。随着现代耕作机械的研究、生产和实践，尤其是大功率拖拉机的广泛应用，带动了现代耕作机械向多品种、系列化、人机和谐等方向快速发展，很多机械化产品也趋向于宽幅、高速和高效低耗等方向，并已经开始向电子监控、液压及模块化设计等高新技术方向迈进口1 。为了提高生产率，国外采用了自动挂结、安全装置、液压折叠、机组铰联组合等先进技术和创新型结构。同时，这些农业机械化产品在功能上也有区分，例如，已经上市的耕翻一深松联合机组，耕翻一整地联合作业，整地一镇压联合作业，整地一播种一镇压联合作业等等；若从机具结构上区分，还可以分为整体式机具7 、组配式机具；若从工作部件运动方式区分，可以分为从动部件组合、驱动部件组合、驱动与从动部件组合的联合作业机具等等。目前，在翻转犁使用处于领先水平的国家主要有美国、德国、法国、奥地利等国家。其中代表性的公司主要有：奥地利威诺、德国雷肯、美国凯斯、美国约翰迪尔、法国格力格尔一贝松、法国库恩等。国外对翻转犁的研究已经趋向成熟，根据土壤条件的不同，生产厂家设计了不同的犁臂以满足不同的工况。主要有法国格力格尔一贝松公司生产非大型多铧翻转犁，最高可以达到1 8 I o n 2 I h 的犁地效率啼1 。法国库恩生产的1 1 铧翻转犁、库恩1 5 铧翻转犁等。德国雷肯农机公司( L E M 烈) ，早在1 9 0 5 年雷肯就获得了世界上第一个犁具的专利。德国雷肯公司的气动力翻转犁解决了长期以来一直存在油缸漏油问题，具有较好的环保性。雷肯公司设计生产具有代表性犁体，即当犁耕到石头等障碍物时犁柱会自动跷起来，以保护立柱不会拉断，这种想法既创新又独特，同样在实践中得到很好的应用。对翻转犁进行精确的调整非常重要，这样可以减少材料的磨损，明显降低燃油的消耗。雷肯公司还研发了非同寻常的奥普快克( O p t i Q u i c k ) 设置系统，该设置系统可以简便快速地设置首铧犁幅宽以及拖拉机翻转犁一牵引线，有效的节约时间和费用阳】。目前，在理论方面国外研究主要在悬挂装置的参数和悬挂犁的性能方面，并且已经取得了大量的研究成果。例如：一个实挂结点的无方向的简单机械的横向动力学特性的研究：具有三点悬挂的简单有向机械的侧向动态问题；利用拖拉机与悬挂犁的侧向动力学方程分别优化悬挂参数和研究悬挂犁入土时的动态特性；研究可调节的悬挂装置，提高机组的各项性能；以及应用几何约束程序对三点悬挂装置进行了水平面和纵垂面内的运动学设计等多方面内容的研究阳1 。41L F $ - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁的设计与试验研究1 2 2 国内液压翻转犁研究现状我国发明和使用耕种农具历史悠久，在新中国成立之后研究和制造耕种农具逐步发展起来。翻转犁的出现是从国外引进的机型，经改进达到满足适合我国实际情况的各种实用型翻转犁。翻转犁的研究主要集中在以下方面：整体结构设计及试验研究。近年来，国内耕地机械快速发展，许多科研院所、企业相继研究和设计多种型号的翻转犁，研也取得一定的成果。山西农业大学农业工程系的王双喜、吴海平等人于1 9 9 6 年结合当地的实际情况，在引进国外成功经验的基础上，对液压翻转双向犁的最新结构形式进行了研究n 们。黑龙江省农业机械工程科学研究院甘露、孙大明等人于2 0 0 8 年设计试验了1 F F S L 5 型潜翻深松翻转犁，该机不但一次性完成浅翻、深松两项作业，而且还可以进行单项作业。主要特点：提高了机具利用率，作业效率高、经济效益好，同时也满足了其农艺要求m ，。新疆建设兵团在很长一段时间里，引进国外翻转犁进行农业耕地，但由于进口犁价格昂贵，也存在维修和售后服务困难等问题。自1 9 9 9 年以来，新疆农垦科学院在借鉴国外机具的基础上，结合实际情况，进行自主创新，先后研制出“I L B 5 4 2水平换向犁”、“1 L C H 5 4 6 ( 6 4 6 ) 型垂直换向犁 和“1 L C H T - 4 5 型垂直换向调幅 等系列产品。针对当前新疆兵团农业生产的需要，2 0 1 1 年郑炫等人又研制一种与2 5 7 - 3 6 8 k W 拖拉机配套的气动翻转犁，用气缸作犁体换向机构，操作简单、翻转灵活，并进行田间试验，其性能指标均达到国家有关标准要求。2 0 1 2 年设计出1 L F S - 4 3 5 型浅翻深松翻转犁、1 L F T - 4 3 5 型调心调幅式液压翻转犁，并进行田间试验H 町。为我国农业机械自主创新打下良好的基础。翻转机构研究。翻转机构是翻转式双向犁完成左右工位换向的重要部件，该机构尺寸和安装尺寸的选择直接影响到翻转犁的翻转性能。对翻转机构进行自主创新设计的有：河南农业大学机电工程学院的李保谦等人于1 9 9 9 年研制了双向犁圆柱凸轮自动翻转机构m 3 ：包头市武创农牧机械有限公司于2 0 0 7 年自主设计双缸液压翻转犁，翻转换向机构包括一个直立式双向液压缸和一个横置式双向液压缸，这两个缸在三位四通换向阀和掉头换向阀作用下改变给油的方向，进而牵拉翻转臂与拔叉转动，从而带动犁具作翻转，顺利地实现了犁架的平稳翻转，完成耕地作业n 。关铁城等人设计和实验4 轮样机和4 种不同形式的液压翻转机构，这4 种翻转机构包括：扇形齿板直油缸翻转机构、卧式油缸双作用柱塞齿条翻转机构、单油缸大间隙惯性越中翻转机构和圆油缸翻转机构。通过相关的试验表明，翻转机构准确可靠，为后续液压翻转机构的研究建立理论基础n 7 1 。甘肃省张掖市高台县嘉宝机械制造销售有限公司王军山等人，在2 0 0 8 年研制翻转1 8 0 。的新型双油缸翻转装置n 。辽宁省黑山县农机推广站的王会福，将缓冲阀安装到在I L F 4 3 5 A 型液压翻转犁翻转机构的液压系统中，解决了原有翻转机构存在的液压系统问题，获得了国家专利局的实用新型专利m 1 。内蒙古农业大学硕士学位论文5犁体曲面研究方面。翻转犁主要是耕地机械，它通过犁体曲面完成对土壤的松碎和扣翻，犁体曲面形状对加工土壤的质量有着重要的影响。国内外对犁体曲面的研究很早，主要方法有：试修法、几何动线作图设计法、数学解析设计法。近年来随着科技的发展，研究学者开始应用三维建模软件及计算机辅助设计对犁体曲面进行系统研究，为农机科研朝着科学先进水平方向发展打下良好基础。江苏工学院的朱金华等人在1 9 8 4 年开始对犁体曲面的C A D C A M 系统进行研究；1 9 9 3 年吉林工业大学的吴成武等人利用C A D C A M 仿真软件，计算、绘制不同幅宽犁体曲面及犁面展开图，应用方便、快捷，与人工设计相比提高2 0 倍以上工效。经生产实践和研究表明，其性能良好，降阻1 0 左右乜。广西大学机械工程学院廖丽等人，在2 0 0 8 年和2 0 1 1 年之间利用P r o E 仿真软件，构造了曲面实体模型，并且对碎土型犁体曲面作业过程进行仿真分析。得出优化的曲面参数及其各项参数对犁体曲面工作性能( 牵引阻力、翻垡性能) 的影响，从而完成对铧式犁优化设计和创新的目的乜卜捌。犁曲面的理论研究方面比为突出的有：西北农林科技大学机械与电子工程学院的冯涛、大连理工大学的张延、刘娟等人。在2 0 0 9 年，张延等人利用仿真软件对犁曲面的动力学进行仿真，利用数学软件M a t h C A D 建立了翻土型犁曲面的数学建模。同时，利用A N S Y S L S D Y N A 建立了犁曲面一土壤系统显式动力分析的仿真模型，最后通过物理样机试验对模型的仿真结果进行验证分析2 4 】。2 0 1 0 年，冯涛等人同样对犁体曲面建立数学模型，基于P r o E 三维仿真软件构造犁体曲面的实体。另外研究曲面数控加工理论，这些理论研究对农业机械零件的数字化设计和制造提供良好的理论依据。1 2 3 国内现有翻转犁存在的问题国内现有翻转犁主要存在两方面问题。一方面，长期以来国内一直引进国外翻转犁，其主要问题是成本高，配套动力要求大，作业方式与我国的农业要求存在差异，同时也存在维修和售后服务困难等诸多问题。另一方面，从我国仿制设备及自行设计制造翻转犁角度看，存在以下几方面问题：1 ) 国内翻转犁存在机型单一，更新换代慢，零部件通用化程度低；2 ) 对于高秸秆作物拥堵现象严重，影响正常犁耕作业；3 ) 配套动力检查依据不足；4 ) 我国的制造工艺水平与设计要求不适应，整机性能较差。61L F $ - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁的设计与试验研究1 3 问题的提出近些年来，我国虽然已经在翻转犁的发展和研制上取得了一些成果和创新。但对于各式各样的翻转犁还存在不同程度的缺点和问题，尤其是针对不同地区不同环境，翻耕要求也各有不同，不能很好的满足农艺师们所提出的要求。针对本次农艺师们提出的要求，归结起来有以下几个方面：1 ) 内蒙河套地区种植面积大，作物收获完地表形成大面积秸秆残茬，犁耕作业时会造成翻耕阻力大，行走困难等问题；2 ) 地表覆盖玉米秸秆，犁耕作业时残茬易堆积在犁柱和犁架之间，导致犁耕作业不能顺利进行；3 ) 根据农艺要求，本次设计翻转犁耕深达到3 5 - 4 0 e m 。4 ) 为提高耕地作业质量、劳动生产率和农业生产经济效益，犁耕作业实现高速翻垡。1 4 研究目的和内容1 4 1 研究目的本次研究设计属于农田耕作机械技术领域，具体为一种秸秆还田液压翻转犁。目的提供一种适应秸秆深翻的耕地犁具，要求结构简单紧凑，耕作效率高。高速犁是耕地机械发展的方向之一，高速犁可提高耕地效率，有利于抢农时。本试验地通过联合收割机收获玉米作物，地表留下大量玉米秸秆和根部较深的残茬。一般情况下秸秆会被弃置在田间地头或直接焚烧，这样不仅造成秸秆资源的浪费，也会引起环境问题。秸秆还田能增加土壤有机质，作物秸秆是重要的有机肥料，不但能提高土壤肥力，而且有利于下茬作物生长发育，提高产量，促进农业生产。深翻可以减少病虫害，提高土壤蓄水能力，充分利用水资源，推进农业可持续发展的耕作技术，是农作物增产的有效措施之一。根据内蒙河套平原等面积较大的旱地种植地区的耕地情况及现实需要，研究设计一种秸秆还田液压翻转犁。1 4 2 研究内容1 ) 对整机工作内容及过程进行系统分析，完成整体机构设计，通过P r o E 三维设计软件为平台，完成整机三维建模。反复修改设计，在满足实际要求的情况下进行样机制造；2 ) 根据本课题研究目的及要求，确定试验方案，进行田间试验；3 ) 进行翻转犁牵引力及提升力试验研究，记录采集试验数据，通过M i n i t a b 数据处理软件，对试验数据进行处理分析，得出相关结论。内蒙古农业大学硕士学位论文71 5 研究方法和技术路线课题研究设计一种秸秆还田液压翻转犁。完成的任务和技术路线如图2 所示：图2 技术路线图F i g 2C h a r to ft e c h n i c a lr o u t e81L F S - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁的设计与试验研究21L F S - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁总体设计2 11L F S - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁设计要求2 1 1 农艺要求1 ) 对存在大面积玉米秸秆土地进行深翻：翻耕深度达到3 5 - 4 0 c m ，按要求完成：2 ) 翻耕速度达到7 k m h =3 ) 达到深翻效果好、秸秆残茬顺畅通过、植被和残茬覆盖率高：4 ) 进行双向翻垡，在往返行程中交替工作，形成梭形耕地作业，土垡都向一侧翻转，耕后地面要平整，能够减少耕后整地的工作量，减少拖拉机空行程，提高耕地生产率。2 1 2 液压翻转犁机具要求1 ) 我国耕地面积大、分布广，各地区土壤和气候条件差异大。研制的翻转犁大多不适应全国各地使用，没形成标准化。针对内蒙河套地区耕作环境，设计秸秆还田液压翻转犁：2 ) 翻转犁结构简单，操作简易；3 ) 实现既翻垡过程中拖拉机不受残茬堆积，平稳顺利耕地，又能达到深耕的要求；4 ) 通过液压翻转实现犁体左右换向，进行往复工作，从而提高作业效率，减少拖拉机空行程：5 ) 作物秸秆还田，能够提高土壤肥力和作物秸秆农业循环利用率；6 ) 耕作过程中各项性能稳定，达到设计要求。翻耕深度、耕幅大小均可调整；7 ) 地轮滑移率满足技术要求。2 21L F S - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁的主要技术参数主要技术参数：配套动力：1 2 0 马力单铧幅宽( c m ) ：5 0作业幅宽( c m ) ：1 5 0配套形式：三点悬挂耕深( c m ) ：3 5 4 0作业速度( k m l h ) ：7整机重量( 蛔) ：1 0 0 0生产率：6 2 5 亩小时外形尺寸：2 7 1 0 1 8 0 0 l5 5 0 ( 长宽高) m m内蒙古农业大学硕士学位论文92 31L F S - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁总体结构设计2 3 1整机设计秸秆还田液压翻转犁结构设计包括：犁架、左右对称翻转犁体、翻转定位装置、翻转机构、悬挂装置和限深轮陋枷。秸秆还田液压翻转犁的整体结构布局为：以犁架为中心，犁架前端设置悬挂装置，悬挂装置与翻转机构相连，翻转机构通过悬挂装置中间套筒与犁架相连接，形成一个整体。犁架上安装左右对称翻转犁体，犁架另一侧安装限深轮。图3 为本次设计秸秆还田液压翻转犁的整体结构示意图。1 犁架2 犁体( 短侧板) 3 悬挂装置4 翻转机构5 定位装置6 限深轮7 犁体( - E 侧板)图3 深翻液压翻转犁的整体结构示意图F i g 3T h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h ec o m m u n eh y d r a u l i cf l i pp l o w2 3 2 工作原理利用拖拉机三点悬挂与机具连接，秸秆还田液压翻转犁的翻转由液压驱动，动力是拖拉机输出，悬挂装置将翻转犁挂接在拖拉机后面。犁耕作业前，调整好犁体位置。犁耕转向时，拖拉机驾驶员操控液压驱动装置，翻转臂带动翻转轴转动，从而实现犁体的翻转。作业过程中，如需调节耕深，可通过悬挂装置和限深轮的高度调节。犁体是翻转犁犁耕作业过程中主要的工作部件，犁铧切开土垡，犁曲面进行翻土和碎土，犁曲面主要采用钢板锻压而成。犁柱是翻转犁犁耕过程中的主要支撑部件，深翻和犁耕行走过程中秸秆残茬大量堆积，会造成犁柱阻力增大。本次设计翻101L F S - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁的设计与试验研究转犁增加了犁柱的高度，犁柱底端距犁架基面的高度可达到7 0 c m ，使得翻转犁在耕地过程中能够顺利的通过秸秆残茬堆积，不会造成翻转犁行走困难。31L F S - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁主要零部件的设计3 1 翻转机构的设计翻转机构主要由四部分组成：直立式双向液压缸，翻转轴，与液压缸和翻转轴相连接的旋转臂，油路换向阀。液压缸两端有输油管，封闭端与悬挂装置的竖直架铰接，另一端与旋转臂铰接；旋转臂固定在翻转轴前端，翻转轴与悬挂装置及犁具为一体。在旋转臂受液压活塞杆的牵拉旋转时，作往复的半圆转动，先做上旋9 0 。旋转，当它转到垂直状态时，切断油路使立式双向油缸处于上死点位置，在通过死点位置后将压力油的流动方向做切换，达到在越过9 0 。位置时完成油路换向，则旋转臂与立式液压缸做下旋9 0 。的旋转，由此完成整个犁具的9 0 。换向翻转，反向同理。图4 为深翻液压翻转犁的悬挂机构及翻转机构的结构示意图。在秸秆还田液压翻转犁中，液压油缸通过液压换位控制阀由拖拉机提供液压动力。通过液压换向控制阀控制液压油缸伸缩，实现犁架的左、右翻转，从而使左、右犁体交替工作，具有操作方便、翻转平稳的目的。1 翻转轴2 定位调整螺钉3 等腰梯形支撑架4 套筒5 交撑管6 液压换向控制阀7 立式液压缸8 旋转臂9 三角板1 0 支撑板”挂耳图4 深翻液压翻转犁的悬挂机构及翻转机构的结构示意图T h ec o m m u n eo fh y d r a u l i cs u s p e n s i o nm e c h a n i s ma n df l i pf l i pp l o ws t r u c t u r ed i a g r a m3 2 悬挂装置及定位机构3 2 1悬挂装置在1 L F S - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁中，悬挂装置是采用三点悬挂和拖拉机联内蒙古农业大学硕士学位论文1 1接起来，具有较好的机动性和动力性口1 1 。为使机组与拖拉机悬挂时平衡性好，在水平方向上左右悬挂点处设置可调的悬挂装置，可有效解决偏牵引的问题，同时还能起到调节耕深的作用。在三点悬挂装置上焊接支撑管形成三角形结构，增强悬挂装置的纵向刚度。结构见图4 。其中，悬挂装置水平支撑架为等腰梯形结构，采用无缝方钢管焊接而成。该结构强度高，稳定性强。悬挂装置成对称结构，翻转轴通过套筒与旋转臂、犁架相连接，达到翻转顺利、平稳、阻力小的目的。3 2 2 定位机构翻转犁翻转定位装置，安装在犁架和悬挂装置上，犁架前端设有定位挡块，在悬挂装置等腰梯形支撑架的左右两侧安装定位调整螺钉，二者配合相碰可使犁架定位，定位稳定准确，使用灵活可靠。3 3 犁架的设计犁架通过翻转轴与悬挂装置相连，三角形结构，无缝矩形钢管焊接，此结构受力情况好，强度高，不易变形m 1 。为增强犁架的抗拉强度与平衡性，三角型结构内部设置多个加强筋c 矧。在斜梁上安装3 4 对上下对称的犁体，等距安装在犁架上。见图5 。3 4 限深轮的设计在1 L F S 一3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁犁架上安装一组限深轮，上下安装形成对121L F S - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁的设计与试验研究称结构，将对称两结构的限深轮固定安装在犁架一侧。通过螺栓连接调节限深轮高度，实现犁耕作业限深要求。见图6 。示意图F i g 6L i m i tt h ec o m m u n eh y d r a u l i cf l i pp l o wd e e pw h e e ls t r u c t u r ed i a g r a m3 5 犁体整体设计1 L F S - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁，左右翻转犁体对称安装在犁架上，犁体主要由犁柱、安装在犁柱上的犁铧、犁臂、犁托和犁侧板组成。犁体结构示意图见图7 。犁耕过程中犁柱受力大，应增加犁体的刚度和强度。本次设计犁柱采用壁厚6 c m的圆管，模具冲压而成，形成椭圆型犁柱。在犁柱两侧增加三角加强筋，确保犁体有足够的刚性，不易在耕作过程中因阻力大，而出现断裂的情况。与以往耕作环境相比，本次设计是在秸秆残茬量较大的旱田进行耕作，为满足翻耕过程中秸秆残茬能顺利通过，犁柱距犁架水平基面的高度要比普通铧式犁犁体高。在耕地过程中，能增加植被通过率，不易堵塞，适用于我国目前推行的秸杆还田翻转犁的农艺要求。犁铧与犁臂通过犁托固定起来，通过螺栓紧固在犁铧和犁臂后面。与以往犁侧板不同的是，犁侧板采用等边角钢焊接在犁柱的底面和侧面，并通过三角加强板与犁托、犁曲面和犁铧焊接为一体，此结构既增加犁体整体的刚性又平衡耕地时所受侧向力。翻转犁最后一组犁体的犁侧板偏长，起到平衡耕地时犁体所受侧向力的作用。内蒙古农业大学硕士学位论文1 31 固定块2 连接板3 三角加强筋4 犁臂5 犁铧6 犁柱7 犁托8 犁侧板图7 深翻液压翻转犁的犁体整体结构示意图F i g 7T h ec o m m u n eo fh y d r a u l i cf l i pp l o wp l o wb o d ys t r u c t u r ed i a g r a m犁体与犁架的连接板上焊接两个固定块，固定块之间的尺寸是犁架主梁韵宽度，可使犁体与犁架准确稳定的固定。并通过M 1 6 的长螺栓使左右翻转犁体与犁架连接。41L F S - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁田间试验4 1田问试验的目的通过田间试验可以对样机的性能进行检验，可以及时发现样机存在的不足，进而对设计方案进行合理的改进，这是产品开发的重要组成部分。性能试验也能评定机具作业质量能否达到产品规定的设计要求。4 2 试验条件和准备4 2 1试验条件试验依据：依据国家标准G B T1 4 2 2 5 - 2 0 0 8 口町，对液压翻转犁进行田间试验筠1 。试验地点：本试验在内蒙古农业大学科技示范园区进行。气候条件：四季温差大，无霜期短，春、夏季蒸发十分强烈，降水缺乏D 蝴。试验用地作业前地表情况：试验地未经犁耙，玉米作物刚刚收获完成，地表不平整，大量秸秆残茬，前茬较高，障碍物多，秸秆根部较深，针对农艺要求进行犁耕试验。如图8 所示。141L F S - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁的设计与试验研究图8 试验耕地及地表状况F i g 8T e s tt h ec u l t i v a t e dl a n da n dt h es t a t u so ft h es u r f a c e4 2 2 试验设备及工具拖拉机( 约翰迪尔1 2 0 4 ，1 2 0 马力) 、液压翻转犁、土壤坚实度仪( T Y D 2 型) 、烘箱、取土铝盒、取土钻、取土环刀、小铲撬、秒表、体重秤、电子天平一台( 精度为0 0 1 9 ) 、卷尺( 2 种：1 量程3 0 m ，最小刻度l c m ；2 量程2 m ，最小刻度l m m ) 、钢板尺( 量程3 0 c m ，最小刻度l m m ) 、三角尺、网袋、编制袋、小红旗2 个。4 2 3 试验依据及试验地状况的测定试验测区总长度为11 0 m ，前2 0 米为稳定区，不进行数据测量，待进入测定区进行数据测量，以确保数据的可靠性。采用五点取样法，对试验地作业土壤进行取样，获得土壤的坚实度和含水率，五点法取土示意图如图9 所示。在四边形试验区内，取两条对角线上的四个顶点及交点作为取样点，进行取样或测量。1 1 0 来第3 点第2 点图9 五点法取样示意图F i g 9F i v e p o i n tm e t h o dd u gs c h e m a t i c内蒙古农业大学硕士学位论文154 2 3 1 测定土壤坚实度农业机械在田间进行播、耕、栽等试验时，要进行土壤坚实度的测量，它是一个重要的土壤物理特性指标。土壤坚实度的测定用土壤坚实度仪测定，采样点为测试区域对角线取样5 点，每一测点按1 0 c m 分层，分别计算各分层的平均值和全耕层平均值。试验地块的土壤坚实度如表l 所示。从表中可以看出，土层深度为0 1 0 c m 时，土壤坚实度在0 0 5 9 6 4N c m 2 左右；土层深度为1 0 2 0 c m 时，土壤坚实度在0 0 8 7 0 4N c m 2 左右：土层深度为2 0 3 0 e m 时，土壤坚实度在0 1 2 5 8 2N c m 2 左右土层深度为3 0 4 0 c m 时，土壤坚实度在0 1 9 2 3 6 N c m 2 左右；土层深度为4 0 5 0 c m时，土壤坚实度在0 1 5 9 3 8N c m 2 左右。表1土壤坚实度测量数据T a b l e 1S o i lf i r m n e s sm e 豁u m m e n td a t a图1 0 测定土壤坚实度F i g 1 0T h ed e t e r m i n a t i o no fs o i lf i r m n e s s161L F $ - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁的设计与试验研究4 2 3 2 测定土壤含水率土壤含水率是指土壤中水分的质量与烘干后的干土质量之比，本试验采用国际上的标准方法烘干法。依据G B 厂r 5 2 6 2 2 0 0 8 农业机械试验条件测量方法的一般规定，在测定土壤坚实度的取样处测出土壤含水率，用取样法测定，每一测点按I O c m 分层取样，分别计算各分层的平均值和全耕层平均值，用绝对含水率表示。取五个土壤深度等级的土壤，分别为0 O c m 、1 0 2 0 c m 、2 0 3 0 c m 、3 0 4 0 c m 和4 0 5 0 c m 。在试验区中，采用五点法用取土钻取土样，把土样放入已知质量的密封铝盒中，带到实验室进行测量。具体步骤如下：1 ) 先用电子天平测量出铝盒及里面未烘干土壤的总质量；2 ) 装有土壤样本的铝盒放入烘干箱中，对土壤进行烘干，使烘箱保持1 0 5 ，恒温状态8 小时。3 ) 当土壤样本达到绝对干燥的状态，关闭烘箱，待烘箱温度降至室温时，便可取出装土铝盒，测烘干后铝盒及土样总质量。4 ) 计算每个土样的含水率，及每个取土深度的土壤平均含水率。土壤含水率计算公式为：土壤含水率= ( 烘干韵豁及士样质量叫共= 刊舌铝盒及土样质量) ( 烘干后铝盒圾土样质量叫轩连嚷湓质量) 1 0 0 。5 ) 土壤含水率的具体值如表2 所示。图1 1 土壤含水率测定F i g 1lS o i lm o i s t u r ec o n t e n td e t e r m i n a t i o n内蒙古农业大学硕士学位论文17根据表2 所得土壤含水率的数据可知，0 1 0 c m 五点含水率平均值为l1 2 9 8 ，1 0 - 2 0 c m 五点含水率平均值为1 2 2 8 8 ，2 0 3 0 c m 五点含水率平均值为1 3 1 9 4 ，3 0 - 4 0 c m 五点含水率平均值为1 5 0 4 8 ，4 0 5 0 c m 五点含水率平均值为1 6 5 2 4 。每，层土壤含水率平均值都能满足国家标准规定的在1 0 - 2 5 范围内，符合液压翻转犁田间试验的要求。4 2 3 3 测定耕前的植被种类、植株高度1 ) 测定耕前的植被种类：玉米秸秆；2 ) 将1 朋2 内的植被剪下称重并记录，计算出5 个测点植被覆盖重量的平均值，如表3 所示；3 ) 对5 个测点分别取样，采集1 肌2 面积内的植株数量和高度，分别计算每点植株数量和高度的平均值，数据如表4 。表3l m 2 面积内地表植被覆盖重量T a b l e 3T h es u r f a c ev e g e t a t i o nc o v e rw e i g h tp e ru n i ta r e a1 81L F S - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁的设计与试验研究表4 单位面积内谊株数量和高度数据T a b l e 4T h en u m b e r ，o f p i a n t sP 盯u n i t 盯e a , a n dh e i g h td a m 表3 和表4 是对试验地的地表植被覆盖情况进行数据采集及处理，分别包括植株数量、高度和残茬重量。通过以上数据可以得出：；E E l m 2 单位面积内植株的平均数量为l O 4 株，平均高度为2 8 3 9 0 c m ，总残茬重量的平均值为1 9 0 4 k g 。由此可以看出：地表玉米秸秆残茬高，地表覆盖率大。图1 2 单位面积内的植株覆盖情况F i g 12P l a n tc o v e r a g ep e ru n i ta r c a4 3 性能试验试验项目：性能试验项目包括耕深和耕深稳定性、耕宽和耕宽稳定性、作业速度、植被和残茬的覆盖率、土垡破碎率、入土行程以及翻转到位率。试验方法：1 ) 耕深和耕深稳定性、耕宽和耕宽稳定性、作业速度、植被和残茬覆盖率、土垡破碎率、入土行程测定方法分别按G B T 1 4 2 2 5 的相应规定进行。内蒙古农业大学硕士学位论文192 ) 正反行程耕深、耕宽一致性测定：翻转犁右翻犁体工作时的行程为正行程，左翻犁体工作时为反行程。3 ) 翻转到位率测定：由熟练操作人员连续翻转操作不少于1 0 0 次，计算翻转到位次数占操作次数的比率。4 3 1耕深和耕深稳定性测定耕深是指犁耕形成的沟底至未耕地表面的垂直距离，用耕深尺测量犁体耕深。每种工况沿前进和返回各测2 个正反行程，每行程测1 1 点，间距为5 米一点，并分别计算出每一行程及每一工况的平均耕深、变异系数和稳定性系数，测量数据及计算数据，见表5 。a ) 每行程值按式( 1 ) - 式( 4 ) 计算：打口口。= 立L 一( 1 )。刀s j =S 。V = 1 0 0 a jU ，= 1 一b ) 工况值按式( 5 ) - 式( 8 ) 计算：石：S 。=矿：生1 0 0 石万：1 一矿式中：口，一第个行程的耕深平均值，c m ；a 。一第，个行程中的第j 个点的耕深值，c m ；1 , 1 ，一第，个行程中的测定点数；S ，一第，个行程的耕深标准差，伽；一第，个行程的耕深变异系数，；U ，一第j 个行程的耕深稳定性系数，。( 2 )( 3 )( 4 )( 5 )( 6 )( 7 )( 8 )IL F S - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁的设计与试验研究万一工况平均耕深，册：一工况测定点数；& 一工况耕深标准差，册；矿一工况耕深变异系数，；扩- - I 况耕深稳定性系数，。表5 两组正反行程耕深测量数据T a b l e 5T w os e to fp o s i t i v ea n dn e g a t i v et i l l a g ed e p t hm e a s u r e m e n td a t a测量点I3 63 93 83 523 84 04 03 433 73 73 73 6 243 7 53 83 63 653 63 6 53 93 564 03 83 53 674 03 6 83 83 983 7 64 03 6 53 793 6 83 7 43 74 01 03 83 63 5 63 51 13 63 53 63 6每行平均耕深口f ( c m ) 3 7 5 43 7 6 0 93 7 13 6 2 9 13 7 1 3 5每行耕深标准差S ，2 0 4 92 5 3 72 3 13 2 1 12 5 2 7( c m )每行变异系数以( )5 4 5 86 7 4 66 2 2 68 8 4 86 8 2每行耕深稳警性系数9 4 5 4 29 3 2 5 49 3 7 7 49 1 1 5 29 3 1 8，U ：( )工况平均耕深石( c m )3 7 5 7 33 6 6 9 53 7 1 3 4工况耕深标准差瓯2 1 6 82 8 0 12 4 8 5( c m )工况变异系数V 一( )5 7 77 6 3 36 7 0 2工况耕深稳定性系数9 4 2 39 2 9 3 2 9 8 3 6 79 32 9 8U ( )内蒙古农业大学硕士学位论文21通过表5 可以得出：耕深平均值为3 7 13 5 c m ，变异系数为6 7 0 2 ，稳定性系数为9 3 2 9 8 ，耕深稳定性、变异系数满足国家标准1 0 ，秸秆还田液压翻转犁耕深达到本次设计要求。图1 3 耕深测量情况F i g 13T i l l a g ed e p t hm e a s u r e m e n t4 3 2 耕宽和耕宽稳定性测定耕宽测定时与耕深测点相对应，计算方法与耕深测量计算公式相同。计算出每一行程的平均耕宽、变异系数和稳定性系数，以及正反行程耕宽一直性偏差，测量及计算后数据见表6 。图1 4 耕宽测量情况F i g 1 4P l o ww i d t hm e a s u r e m e n t2 21L F S - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁的设计与试验研究工况变异系数V ( )工况耕宽稳定性系数U( )2 2 32 0 82 0 l2 1 02 3 02 0 92 2 52 0 72 1 32 1 l2 3 62 2 12 0 52 0 22 0 22 2 l2 0 32 1 l2 0 42 1 42 1 02 1 82 1 3 82 1 20 0 1 5 70 0 0 3 5 80 7 40 1 6 99 9 2 69 9 8 3 l2 1 2 90 0 0 90 4 2 39 9 5 7 72 1 92 0 42 2 22 0 72 1 52 1 82 1 72 2 02 0 72 1 62 0 42 0 92 1 32 1 82 1 52 1 42 2 l2 1 62 0 52 0 52 0 l2 1 72 1 2 62 1 3 10 0 0 5 0 10 0 0 3 2 30 2 3 60 1 5 29 9 7 6 49 9 8 4 82 1 2 90 0 0 4 10 1 8 79 9 8 1 32 1 2 50 0 0 6 8 90 3 2 59 9 6 7 62 1 2 90 0 0 6 5 50 3 0 59 9 6 9 5通过表6 可以得出：耕宽平均值为2 12 5 m ，变异系数为0 3 0 5 ，稳定性系数为9 9 6 9 5 ，耕宽稳定性、变异系数满足国家标准1 0 ，秸秆还田液压翻转犁耕宽达到本次设计要求。4 3 3 植被和残茬覆盖率测定植被覆盖率测定：每工况不少于3 个测点，在已耕地上取O 3 m X O 7 m 面积内，分别测定耕后地表的植被和残茬质量、地表以下8 c m 深度内的植被和残茬质量以及。23456789mn一一一一一雌内蒙古农业大学硕士学位论文2 38 c m 深度以下的植被和残茬质量( 见图1 5 ) 。按式( 9 ) 、( 1 0 ) 计算出植被覆盖率，测量数据及处理后的数据见表7 。并蔚表图1 5 耕层内的植被和残茬F i g 1 5W i t h i nt h et o pl a y e ro fv e g e t a t i o na n dr e s i d u e s，：三2 垒1 0 0Z l + Z 2 + Z 3E = 兰l _ 1 0 0。Z l + Z 2 + Z 3式中：，一一一地表以下植被和残茬覆盖率，；冗一一一8 c m 深度以下植被和残茬覆盖率，；z 。地表以上植被和残茬质量，g ；z ：地表以下8 c m 深度内植被和残茬质量，g ；z ，8 删深度以下植被和残茬质量，g 。( 9 )( 1 0 )2 41L F S - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁的设计与试验研究表7 两组正反行程植被覆盖率测量数据T a b l e 7T w os e to f p o s i t i v ea n dn e g a t i v ev e g e t a t i o nc o v e r a g em e a s u r e m e n td a t az l ( 单位g )6 5z 2 ( 单位g )1 2 3z 3 ( 单位g )7 8 19 51 2 89 81 4 99 51 0 17 21 0 0 3 7 51 4 61 1 51 2 4t 3 21 3 71 5 81 2 51 3 2 5 0 08 5 78 2 l8 9 39 8 99 3 58 7 85 8 58 4 2 3 7 5地表以下植被和9 3 2 9 29 1 3 4 88 7 9 7 09 1 2 1 18 8 2 6 89 1 8 69 1 1 1 79 0 7 9 39 0 7 3 2残茬覆盖率( )8 c m 深度以下植被和残茬覆盖8 0 6 0 07 8 0 5 17 7 。1 6 28 0 0 9 07 7 8 7 48 0 1 2 07 7 2 2 17 4 8 0 87 8 2 4 1率( )根据表7 对植被覆盖率计算可知：该次试验的地表以下8 c m 深度内的植被和残茬覆盖率平均值为9 0 7 3 2 ，满足国家标准8 5 ；8 c m 深度以下的植被和残茬覆盖率平均值为7 8 2 4 1 ，满足国家标准6 0 。由此可知，所设计的翻转犁符合本次设计要求。4 3 4 土垡破碎率测定每一工况不少于3 个测点，沿耕作方向取样。在0 3 m 0 7 m 面积内3 0 c m 耕层内( 对超过3 0 c m 的耕层碎土性能不需测定) ，分别测定土块最大尺寸大于5 c m 的土块质量及土块总质量。按式0 1 ) 计算出碎土率。C ：墨1 0 0( 1 1 )G式中：C 碎土率，( ) ；G s 3 0 硎耕层不大于5 c m 土块质量，k g ；G 一3 0 伽耕层土块总质量，七g 。内蒙古农业大学硕士学位论文表8 两组正反行程土垡破碎率测量数据T a b l e 8T w os e to fp o s i t i v ea n dn e g a t i v es o i l “b eb r o k e nr a t em e a s u r e m e n t s3 0 c m 耕层不大于5 c m 土块7 6 5 09 1 9 08 5 8 08 1 1 07 2 9 0质量G s ( 姆)3 0 c m 耕层土块总质量G1 1 7 2 01 3 6 4 01 2 6 2 01 1 8 7 01 1 1 5 0( 堙)1 4 7 3 01 2 5 3 01 3 4 9 0碎土率C ( ) 6 5 2 7 36 7 3 7 56 7 9 8 76 8 3 2 46 5 3 8 16 7 6 8 56 6 8 7 96 6 4 2 0碎土率C 平均6 6 9 1 6值( )根据表8 对土垡破碎率计算可知：该次试验的碎土率为6 6 9 1 6 ，满足国家标准6 5 。由此可知，所设计的翻转犁符合本次设计要求。4 3 5 入土行程测定犁体铧尖着地点至该犁体到达稳定耕深时犁的前进距离，稳定耕深按试验预测耕深的8 0 计，每次行程测定一次，测量数据及入土行程的平均值，如表9 所示。表9 两组正反行程入行程测量数据T a b l e 9T w os e to fp o s i t i v ea n dn e g a t i v es t r o k et h eg r a v es t r o k em e a s u r e m e n td a t a，2 组正反行程入土行程正行程l反行程2正行程3反行程4平均值入土行程( m )2 5 32 4 82 3 72 8 62 5 6根据表9 对翻转犁入土行程的测量及计算可知：该次试验的入土行程平均值为2 5 6 m ，满足国家标准6 m 。由此可知，所设计的翻转犁符合本次设计要求。2 61L F S 一3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁的设计与试验研究4 3 6 翻转到位率翻转到位率测定：由熟练操作人员连续翻转操作不少于1 0 0 次，计算翻转到位次数占操作次数的比率。具体实施：I L F S - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁进行翻转1 0 0 次试验，9 8 次能顺利完成翻转，翻转到位率为9 8 ，满足国家标准。所设计的翻转犁符合本次设计要求。4 4 试验结果小结1 L F S 一3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁经设计、样机试制及田间性能试验，试验结果各项性能指标均达到国家标准要求。并已经实际应用到农田作业里面，性能测试的试验条件与试验结果见表1 0 和表1 1 。表1 0 试验条件T a b l e 1OT e s tc o n d i t i o n项目名称结果值土壤类型土壤坚实度( N c m 2 )土壤含水率( )前茬作物名称茬子平均高度( 册)壤土0 1 2 51 3 6 7 0玉米秸秆2 8 3 9 0茬子平均密度( 株m 2 )1 0 4作业速度( a n h )入土行程( 朋)耕宽平均值( m )耕宽稳定性变异系数( )耕深平均值( c m )耕深稳定性变异系数( )土垡破碎率( )植被覆盖率( 地表以下) ( )植被覆盖( g c m 深度以下) ( )翻转到位率( ) 5S61 8 - 2 41 03 5 - 4 01 06 58 56 09 57湖璐瞒懈抛肌胞娓互Z仉盯& 8他；内蒙古农业大学硕士学位论文2 7图1 6 耕前和耕后地表对比F i g 1 6T i l l a g ec o m p a r e db e f o r ea n da f t e rt i l l a g es u r f a c e4 51L F S - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁的优点本次设计一种秸秆还田液压翻转犁，深耕达到3 5 c m - 4 0 c m 。同时采用高速犁体，耕作阻力小，翻土、碎土和覆盖性能好。本次设计与以往铧式犁相比，增加了犁柱高度，在耕地过程中，能增加植被通过率，不易堵塞，适用我国目前推行的秸杆还田农艺要求。翻转机构能使犁体左右翻转，可以进行梭形耕地作业，避免了单向犁小区绕行产生的沟垄现象。耕作后的地表平整，工作中减少了地头空行程时间，提高工作效率。维修方便成本低、工作可靠、生产效率高。5 牵引力及提升力试验5 1试验设备及传感器的校准5 1 1 试验设备及工具拖拉机( 约翰迪尔1 2 0 4 型号，1 2 0 马力) 、液压翻转犁、田间机械动力学参数遥测仪( 黑龙江省农业机械工程科学研究院研制，其中上拉杆传感器的量程：3 0 K N 3 0 K N ，精度等级：0 1 ；左右悬挂销传感器的量程：O - 3 0 K N ，精度等级：O 2 ) 、自行设计的左右悬挂销挂接装置、秒表、卷尺( 两种：1 、量程3 0 m ，最小刻度l c m ：2 、量程5 m ，最小刻度l m m ) 、钢板尺、笔记本电脑一台。5 1 2 田间机械动力学参数遥测仪的工作原理田间机械动力学遥测仪可以对以三点悬挂为挂接方式的农机具实现力学性能的实时监测。测量所需仪器主要包括：上拉杆传感器，左、右悬挂销传感器，无线动态数据采集器，信号接收天线，笔记本电脑及拖拉机与左右悬挂销连接时所需的传感装置( 自行设计) m 1 。2 81L F S - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁的设计与试验研究上拉杆传感器无线动态数据采集器左悬挂销传感器右悬挂销传感器图1 7 田间机械动力学遥测仪F i g 1 7I nt h ef i e l do f m e c h a n i c a ld y n a m i c st e l e m e t e r5 1 2 1 遥测仪的测量方法及原理1 ) 传感器：上拉杆内部装有拉压力传感器和角度传感器，构成测量装置。根据拖拉机牵引力学原理，上拉杆是纯两力杆结构，受到拉力或者压力F 。田间测试作业时，上拉杆传感器在测力同时还实时测得上拉杆与水平面的相对角度口，得到上拉杆受到的水平牵引力为E C O S ，垂直分力为E s i n a 口引。下悬挂销采用左右对称的两个剪切力传感器，测力点在此传感器中部，左悬挂销传感器的左端安装在拖拉机左下悬挂杆牵引点，右端安装在液压翻转犁悬挂装置的左下悬挂点；右悬挂销传感器同以上方法对称安装。2 ) 信号处理装置：数据线收集各传感器信号、并进行过滤、放大，通过无线动态数据采集器发射信号；在田间不远处放置一台笔记本电脑，与信号接收天线相连，用遥测仪专用的数据采集软件进行信号的接收、数据的实时监控，将测得的数据记录保存。具体操作：首先，需编好程序，程序中所用通道号要与传感器连接无线动态数据采集器的接口通道号保持一致。然后，遥测仪会对测量信号的数据进行记录，保存。最后，对数据进行处理、分析。并存柚耻夺 二二：二二二：二二j 竺一自曼：0 0 a ：0 0 0 0 0 0图18 主机测试系统数据通道连接界面矗# 髓F i g 1 9H o s tt e s ts y s t e md a t ac h a n n e li m e r f 妇s；木平：0 0 0 0 0 0 i ；壬l ：0 0 0 0 0 0 “：L 一一J8 罨：0 0 0 0 0 0 朋S 童：0 0 0 0 0 0 椰囊i ：0 0 0 0 州蠢i i K # _ 目l图1 9 主机测试系统各传感器示数界面F i g 1 9H 。S tt e s ts y s t e m 。fs e n S O rs h 。W st h en u t u b e ro fi n t e r f a c c5 1 2 2 安装方式及工作过程销一拼帆副算飘撺剿瓣黩嘲据龇数射槲襁线瓢磁黼。天感淼一挂。装验安试3 01L F S - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁的设计与试验研究工作过程：1 ) 首先，软件部分进行编程：2 ) 然后。通过通信电缆使左右悬挂销传感器、上拉杆传感器，与无线动态数据采集器相连；3 ) 进行田间试验，根据试验方案进行实施；4 ) 实施过程中，通过信息采集软件对数据进行实时监测，并将数据进行存储，已便日后对数据进行分析、处理。试验仪器和被测试机组的连接情况如图2 0 所示。图2 0 连接图F i g 2 0T h ec o n n e c t i o nd i a g r a m5 1 3 传感器校准为了保证测量的准确性，对上拉杆传感器进行校准试验，用随机抽样的方法进行校准。主要测试方法：把上拉杆传感器上下悬吊在支撑架的挂钩上，在上拉杆传感器下方连接一个钢丝架，用来承载挂接重物。把等重量的挂接物逐一放在钢丝架上，并实时记录上拉杆传感器所测试的数据。上拉杆传感器校准示意图如图2 l 所示，测试结果如图2 2 所示。从图2 2 中的测试数据曲线图可以得出：质量与拉力之间的相关系数，判断传感器的精度高。内蒙古农业大学硕士学位论文3 111 支撑架2 上拉杆传感器3 挂接重物1 s u p p o r tf r a m e2 I l pf i er o ds e n s o r3 h a n g i n gw e i g h td r o p图2 1传感器校准溺试实验示意图F i & 21S 舶s o rc a l i b r a t i o nt e s te x p e r i m e n t a ls c h e m a t i c图勉拉力与负载变化趋势F i g 2 2T e n s i o na n dl o a dt r e n d s5 2 试验数据及分析5 2 1 提升试验5 2 1 1 提升力的测定田间机械动力学参数遥测仪的上拉杆传感器，左、右悬挂销传感器，分别按规定安装在拖拉机与翻转犁悬挂装置上，将已安装完成的无线动态数据采集器开关打开，数据将通过信号接收天线，传输到主机测试系统中，可以实时监测到各传感器采集的数据，并将数据储存到电脑中。图2 3 就是本次试验对翻转犁提升试验进行三次数据采集后生成曲线图，数据采集主要包括：上拉杆提升力、左右悬挂销力和总提升力。其中总提升力计算公式如下：总提升力= l 左悬挂销提升力+ 右悬挂销提升力+ 上拉杆垂直分力I( 1 2 )上拉杆垂直分力= 上拉杆力Xs i n 口( 1 3 )1L F $ - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁的设计与试验研究试验2试验3图2 3 三次试验各提升力及总提升力的变化情况F i g 2 3T h r c et e s tt h el i f t i n gf o r c ea n dt h ec h a n g eo ft o t a ll i n内蒙古农业大学硕士学位论文3 3可以把提升过程分为3 个阶段，第一阶段：从提升开始到翻转犁即将或者刚离开地面时；第二阶段：从翻转犁即将或刚离开地面到提升至最高点；第三阶段：从提升的最高点到刚放回地面。图2 4 提升试验现场F i g 2 4I m p r o v et e s to ns i t e从测量翻转犁提升力曲线图2 3 中可以看出液压翻转犁在提升过程中，随着翻转犁上升提升力也是在匀速增加，到达最高点时提升力大小会出现小的波动，由最高点下降时，力也随之减小，直到接触地面为零。三次试验总提升力平均值为2 0 5 9 6 1 3 N ，见表1 2 。表12 翻转犁总提升力测量数据T a b l e 12F l i pp l o wt o t a ll i f t i n gf o r c em e a s u r e m e n td a t a5 2 1 2 提升角度的测定本次试验是对翻转犁在提升过程中角度变化进行测量，通过角度传感器测量翻转犁上拉杆与水平面的夹角，角度变化的情况见图2 5 。通过数据结果可以看出，在整个提升过程中，上拉杆与水平面夹角的变化范围是：5 0 。8 5 。3 41L F S - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁的设计与试验研究图2 5 翻转犁上拉杆与水平面之间的夹角变化情况F i g 2 5F l i pp l o wo nt h ec h a n g eo f t h et i er o da n dt h eA n g l eb e t w e e nt h eh o r i z o n t a lp l a n e5 2 2 牵引试验测试翻转犁在一个往返行程中牵引力的变化情况，并对翻转犁三种前进速度所受牵引力大小进行测量，三种前进速度有：快速、中速、慢速。分别对翻转犁正反行程三种状态生成变化曲线图，见图2 7 。其中总提升力计算公式如下：总牵引力= | 左悬挂销牵引力+ 右悬挂销牵引力+ 上拉杆水平分力l( 1 4 )上拉杆水平分力= 上拉杆力XC O S O f ( 15 )图2 6 牵引试验现场F i g 2 6T r a c t i o nt e s to ns i t e内蒙古农业大学硕士学位论文正行程快速前进牵引力正行程中速前进牵引力正行程慢速前进牵引力1 L F S - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁的设计与试验研究反行程快速前进牵引力反行程快中速前进牵引力反行程快慢速前进牵引力图2 7 牵引试验数据曲线图F i g 2 7T r a c t i o nt e s td a t ap l o t内蒙古农业大学硕士学位论文3 7规定翻转犁在一定行程中以快、中、慢三种速度进行牵引力测量，三种速度状态的正反行程测试牵引力及平均牵引力，参数见表1 3 。表 3 两组正反行程牵引力澍量数据T a b l e 13T w og r o u p so fp o s i t i v ea n dn e g a t i v et r a c t i o nn K 囊辩l r c n 姗td a t a试验结果显示：牵引阻力小于配套拖拉机额定牵引力，满足国家规定。为解决动力配套问题提供依据。5 2 3 牵引阻力、犁耕比阻和功率消耗牵引力测试是检测机具作业时的牵引阻力，遥测仪测出整机的牵引阻力，在测定阻力的同时测定耕深耕宽和速度，分别按式( 1 6 ) 、式( 1 7 ) 计算每行程犁耕比阻和犁所消耗功率，并求其工况平均值。丘：堂( 1 6 )口6N I = P “1 0 - 3( 1 7 )式中：K 一一犁耕比阻，单位为千帕( k P a ) ；尸一一犁牵引阻力，单位为牛顿( N ) ；a 一一平均耕深，单位为厘米( c 朋) ；b 一一平均耕宽，单位为厘米( c m ) ；l 一一犁功率消耗，单位为千瓦( k W ) ；以一一平均速度，单位为米每秒( m s ) 。根据试验测量数据可知：本次试验口= 3 7 1 3 5 c m ，b = 2 1 2 5 c m ，“攫= 1 2 7 m l s ，= 1 7 5 m s ，材快= 2 8 m s ，通过公式( 1 6 ) ( 1 7 ) 计算出三种不同行进速度犁耕比阻及犁功率消耗的值，见表1 4 。鹅1L F S - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁的设计与试验研究5 3 驱动轮滑移率在测区内分别测定在相同转数下两驱动轮空行和作业行进距离，滑转率按式1 1 ) 计算。万：毕l o o( 1 8 )上足式中：艿一驱动轮滑转率，；三量一一机组空行程时驱动轮忍转前行的距离，单位为米( 册) ；三2 机组作业时驱动轮刀转前行的距离，单位为米( 珊) 。本次试验将分别测量拖拉机转1 5 圈( 即刀= 1 5 ) 时空行程和作业行程的距离，然后通过公式( I S ) 计算驱动轮滑转率数据，测试结果见表1 5o表1 5 驱动轮滑转率测量数据T a b i c 15 T u r nr a t em e a s u r e m e n td a t ad r i v e nm i l e rs k a t i n g通过表1 5 可以得出：驱动轮滑转率平均值为7 6 0 7 ，满足国家标准2 0 9 6 ，秸秆还田液压翻转犁耕深达到本次设计要求。内蒙古农业大学硕士学位论文3 96 结论与建议目前对悬挂式翻转犁的研究比较深入，各地区根据不同耕作环境，有针对性的进行研究设计。应及时了解国外先进机具生产技术和经验，并结合我国实际情况，设计研究出操作方便，功能齐全，效率高，阻力小，适合我国耕地的实用型翻转犁，以加快我国农业机械向着科技化、信息化、系列化方向发展，更好的适应市场需求。6 结论1 ) 本次设计的秸秆还田液压翻转犁能够满足深耕土地要求，达到较好翻盖率和碎土率等各项性能指标；2 ) 有效的解决犁具在耕作的过程中出现秸秆堆积没办法顺利通过，行走困难等问题；3 ) 秸秆还田液压翻转犁能满足高速作业，可提高生产效率，减少拖拉机空行程，为农业生产带来经济效益；6 2 建议6 2 1进一步提高机具适应性可发展调幅犁，提高犁具的适应性。为适应不同耕作对象要求，应向多品种、系列化方向发展。6 2 2 与其他机具进行联合作业国内外现提倡“持续农业一，耕整地机具也向大型高速和适应农业保护性耕作发展，复式作业和联合作业是发展方向。机组下田一次即可完成多项作业，提高了生产效率，减少了拖拉机对土壤的反复碾压。4 01 L F S - 3 4 0 型秸秆还田液压翻转犁的设计与试验研究致谢时先荏苒，日月如梭，转眼问三年的学习生活已接近尾声三年来在导师杜健民教授的细心关怀和指导下，无论从知识上还是实践能力上均有很大程度的提高；没有老师的悉心教诲以及卓有成效的指导，本研究难以完成。感谢老师在日常生活和学习中给予的帮助和激励，老师的豁达和实事求是的处事作风将成为我学习的榜样；老师的谆谆教诲将永记在心，衷心的感谢我的导师杜健民教授。同时要感谢三年来教导过我的李旭英老师，杜文亮老师，塔娜老师，童淑敏老师，陈智老师，王春光老师，李海军老师。在设备加工和试验过程中，得到了常橙，郝飞，张守德，周国栋，余文龙等同学的大力帮助，在此一并感谢。感谢内蒙古农业大学农学院的高聚林老师，胡老师以及农学院的博士生、研究生同学在试验期间给予的帮助和热情对待我们。还要感谢黑龙江省农业机械工程科学研究院哈尔滨博纳科技有限公司的客, 日L T - 作人员，在我使用田问机械动力学参数遥测仪时遇到的问题，耐心热情的帮我解决处理，真心感谢感谢内蒙古农业大学机电工程学院的张海军老师，武佩老师，赵满全老师，张永老师，已经毕业的迟明路和田阳师兄，在他们的影响下我的学业研究有了突飞猛进的进展，还有张小志，鲁国成，张波，乌兰图雅，杨媛同学在读研究生期间给予的帮助和支持感谢呼和浩特市武式创新农牧机械有限公司的各位领导及工人师傅在设备加工过程中给予的教导和帮助。向所有关心和帮助过我的老师、同学和朋友们表示最诚挚的感谢!特别感谢家人对于我学业的支持和理解，在我前进的道路上他们始终默默无闻的支持和各种爱是我能够坦然面对一切问题的强大精神动力，在今后的人生道路上我会更加积极面对，努力生活的