懸掛式翻轉犁的設計與試驗

徐　山,牛宗偉,李學強,孫　鵬，李海青

(1.山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博 255049;2.樂陵市天成機械有限公司 技術部，山東 德州 253600;3.山東省機械設計研究院，山東 濟南 250031)

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懸掛式翻轉犁的設計與試驗

徐山1,牛宗偉1,李學強2,孫鵬1，李海青3

(1.山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博 255049;2.樂陵市天成機械有限公司 技術部，山東 德州 253600;3.山東省機械設計研究院，山東 濟南 250031)

為了克服普通鏵式犁單方向翻垡效率低的缺點，研制了1LF-5.0型懸掛式翻轉犁.通過理論分析確定了懸掛式翻轉犁的整體設計方案，設計了翻轉犁的主要零部件.田間試驗表明，此懸掛式翻轉犁結構簡單、操作方便，其各項指標均能滿足國家有關標準的要求.該設計為翻轉犁的研究和改進工作提供了理論和實踐依據.

懸掛式翻轉犁；懸掛裝置；犁架；犁體

目前，國外翻轉犁的研究已經日趨成熟，他們根據土壤條件的不同設計了不同的犁臂以滿足相應的條件，如法國格力格爾-貝松公司的非大型多鏵翻轉犁，犁耕效率最高可達18km2/h[1].德國雷肯公司早在1905年就獲得了世界上第一個犁具的專利，他們研制的一種代表性犁體，在犁耕過程中遇到石頭等障礙物時犁柱會自動翹起來，保護犁柱不會被拉斷.近年來，我國耕地機械發展相對較快，許多研究所、企業相繼設計出不同型號的翻轉犁，取得了不錯的成果.山西農業大學農業工程系的王雙喜、吳海平等人于1996年對液壓翻轉雙向犁的最新結構形式進行了研究[2].黑龍江省農業機械工程科學研究院的甘露、孫大明等人設計了1FFSL-5型淺翻深松翻轉犁，該機能夠一次完成淺翻、深松兩項作業，還可以進行單向作業，并且一次作業即可達到播前整地狀態，減少了作業次數，降低了作業成本[3].本文研究的1LF-5.0型懸掛式翻轉犁主要解決一般鏵式犁單向翻垡、會形成閉壟、效率低下等缺點，并且通過試驗，驗證該設計的可行性.

1　懸掛式翻轉犁的整機設計與工作原理

1.1懸掛式翻轉犁犁體數與總耕幅的設計

鏵式犁與拖拉機配套作業的犁體數根據農業技術要求的耕深，并考慮土垡的寬深比K值與單犁體的耕幅確定.計算公式為

(1)

式中：n為配套犁體數；PT為常用耕速下拖拉機的掛鉤牽引力即額定牽引力，取29 000N；η為牽引力的利用系數，一般取0.8～0.95；a為按農業技術要求確定的設計耕深，取30cm；b為單犁體幅寬，取35cm；K為犁耕比阻，取4～6N/cm2.

按計算所得犁體數n，取整數5，然后用下式求出犁的總耕幅B

(2)

求得總耕幅為175cm.

1.2主犁體的配置和犁架底面至犁體水平基面高度的設計

為保證翻轉犁在作業時不重耕、不漏耕，取兩相鄰犁體的橫向間距為35cm.根據后鏵尖應位于由前鏵尖所作的與鏵刃線垂直并向脛刃邊偏一摩擦角φ的直線上的理論，犁體縱向間距L為

(3)

式中:θ為鏵刃線與前進方向的夾角；φ為土壤與鋼的摩擦角，取24°.以式(3)為基礎，經過適當調整，取L=80cm.

犁梁底面至犁體水平基面高度H需要保證土垡順利翻轉，不產生堵塞現象.但是也不宜過大，否則會導致犁柱重量增加或強度不足.H值可按照下式計算：

(4)

式中：amax為最大耕深，取35cm；h表示地表殘茬高度，取15cm.經計算取H為65cm.

1.3懸掛式翻轉犁的工作原理

以犁架為中心，犁架前端是懸掛裝置，懸掛裝置上的3個懸掛點能夠使整個翻轉犁懸掛在拖拉機上，懸掛裝置通過翻轉機構與犁架相連，實現犁架的翻轉，犁架上安裝有左右對稱的翻轉犁體，在犁架翻轉的過程中左右犁體會隨著犁架翻轉，因此方便地實現了翻轉犁在耕地的來回過程中交錯工作.犁架的另一側安裝有限深輪，通過調節限深輪能夠方便地調節翻轉犁犁體的耕深[4].圖1為懸掛式翻轉犁的示意圖.

1.犁架；2.翻轉機構； 3.懸掛裝置； 4.左右翻轉犁體； 5.限深輪圖1　懸掛式翻轉犁示意圖

2　翻轉犁主要零部件的設計

2.1翻轉犁懸掛裝置的設計

翻轉犁機頭主要由6部分組成：下連接桿、限位裝置、懸掛支架、懸掛銷軸、翻轉油缸和旋轉臂.拖拉機利用三點懸掛機構與翻轉犁的下連接桿兩端和懸掛銷軸連接，將翻轉犁掛接在拖拉機后面，通過這3個點可以將整個翻轉犁升起，使翻轉犁在耕地過程中很方便地來回換向.拖拉機利用液壓缸控制旋轉臂旋轉以實現翻轉犁的翻轉作用，液壓缸的收縮與伸長可以使機頭的中心軸轉動，此時整個翻轉犁的左右犁鏵便會繞著中心軸轉動，實現翻轉犁的翻轉功能.通過調節限位裝置上面的螺母可以很方便地控制左右犁鏵的傾斜角度，此方法操作簡單，并且保護螺母免受污染.

1.下連接桿； 2.限位裝置； 3.懸掛支架；4.懸掛銷軸； 5.翻轉油缸； 6.旋轉臂圖2　翻轉犁懸掛裝置

2.2翻轉犁限深輪的設計

翻轉犁的限深輪與犁鏵分別安裝在翻轉犁犁梁的左右兩端，它主要包括輪胎裝置、限位板、連接塊、限位塊、連接夾板幾部分.輪胎裝置通過連接塊與犁梁夾板連接，然后通過犁梁夾板夾在犁梁上面.輪胎裝置可以繞著連接塊轉動，通過調節限位板的高度，讓限位板被限位塊擋住就可以調節犁梁的高度，從而穩定犁的耕深，避免植被被堵塞和影響土垡翻轉.

本翻轉犁上的限深輪作為一獨立部件，安裝在犁架橫梁上，在犁梁的前后位置都有相應的安裝孔，所以此限深輪的位置是可以前后移動的，翻轉犁在調節機組作業時，可以方便地卸去.限深輪的直徑D為650mm，輪緣寬度根據正常工作時輪上承受的垂直負荷計算，即

(5)

式中：p為單位輪緣寬度上的允許負荷，取p=400N/cm;Pt為限深輪承受的垂直負荷，取Pt=5 600N.經計算BL=150mm.

1.輪胎裝置； 2.限位板； 3.連接塊；4.犁梁夾板； 5.限位塊； 6.翻轉犁犁梁圖3　翻轉犁限深輪

3　性能試驗

3.1試驗項目

懸掛式翻轉犁的性能試驗項目主要包括：耕深和耕深穩定性、耕寬和耕寬穩定性、正反行程耕深一致性、正反行程耕寬一致性、作業速度、植被和殘茬的覆蓋率、土垡破碎率、入土行程以及翻轉到位率.

3.2試驗方法

本試驗借鑒了馮雅麗、鄭玄、李長輝等人的試驗方法[5-7].各試驗項目測定分別按照GB/T14225的相應規定進行.

正反行程耕深、耕寬一致性測定：懸掛式翻轉犁的右側翻轉犁犁體工作時為正行程，左側翻轉犁犁體工作時為反行程.

翻轉到位率測定：由熟練的操作人員連續翻轉1LF-5.0懸掛式翻轉犁100次，其中97次順利完成了翻轉，翻轉到位率為97%，符合國家相關標準的規定.此懸掛式翻轉犁符合本次設計要求.

耕深是指犁耕行程的溝底到未耕地表面的垂直距離，用耕深尺測量出犁耕的耕深.在前進和返回兩種工況下，隨機選取前進行程中的5個點測量耕深，同理選取返回行程中的5個點測量其耕深.然后計算出平均耕深、耕深標準差、變異系數和穩定性系數.與耕深測定點相對應，用同樣的方法測定出耕寬，并計算出平均耕寬、耕寬標準差、變異系數和穩定性系數.數值測量與計算結果見表1.

表1耕深、耕寬測量數據

測量點耕深/cm耕寬/cm正行程126180232182330.5170428173534183反行程630.51627301688271739291811027.5172工況平均值/cm29.45174.4工況標準差/cm2.446.89工況變異系數/%8.303.95工況穩定性系數/%91.7096.05

通過表1可知道：1LF-5.0型懸掛式翻轉犁的耕深和耕寬滿足本次設計的要求.

3.3試驗結果

1LF-5.0型懸掛式翻轉犁經設計、樣機試制以及小批量生產后經過多次田間試驗，各項指標均能達到國家標準要求.試驗條件以及試驗結果見表2、表3.

表2試驗條件

項目名稱結果值土壤類型壤土土壤堅實度/N·cm-20.124土壤含水率/%10.560前茬作物名稱棉花茬子平均高度/cm18.360茬子平均密度/株·m-237

表3試驗結果

項目名稱技術指標測定結果作業速度/km·h-1>57入土行程/m≤62.72耕寬平均值/m1.5～2.01.74耕寬穩定性變異系數/%≤103.95耕深平均值/cm27～3229.45耕深穩定性變異系數/%≤108.30土垡破碎率/%≥6573.9植被覆蓋率(地表以下)/%≥8589.88植被覆蓋率(8cm深度以下)/%≥6076.98翻轉到位率/%≥9597

4　結束語

1LF-5.0型懸掛式翻轉犁能夠左右翻轉犁體，避免了單向犁小區繞行產生的溝壟現象.經LLF-5.0型懸掛式翻轉犁耕作后的地表平整，且大大提高了生產效率，非常有利于農作物的種植.

[1]屈殿銀.未來耕地機械的發展趨勢[J].農業機械，2008(9)：44-45.

[2]王雙喜，吳海平.液壓翻轉雙向犁的最新結構形式研究[J].山西農業大學報，1996,16(3)：293-294.

[3]甘露，孫大明. 1FFSL-5型淺翻深松翻轉犁的設計與試驗[J].農機化研究，2008(5)：136-138.

[4]鄭炫，賈首星.1LFS-435型淺翻深松翻轉犁的設計與試驗[J].中國農機化，2012(1)：129-131.

[5]馮雅麗.1LFS-340型秸稈還田液壓翻轉犁的設計與試驗研究[D].呼和浩特：內蒙古農業大學，2014.

[6]鄭炫，陳雪峰，秦朝民，等.1LFQ-325型氣動翻轉犁的設計與試驗[J].湖北農業科學，2011(2)：592-594.

[7]李長輝，余泳昌，李赫，等.1LYF-435型翻轉犁作業性能及適用性評價試驗研究，2015,36(1)21-23.

(編輯：郝秀清)

Design and experiment of hanging reversible plow

XU Shan1,NIU Zong-wei1,LI Xue-qiang2,SUN Peng1,LI Hai-qing3

(1.School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China;2.TechnologyDepartment,LelingTranisceEngineeringMachineryCompanyLimited,Dezhou253600,China;3.ShandongMachineryDesignandResearchInstitute,Zibo250031,China)

Inordertoovercomethecommonplow′sshortcomingsofturninonedirectionmattressandlowefficiency,thetypeof1LF-5.0mountroll-overplowwasdesigned.Basingonthetheoreticalanalysis,thewholeofthemountroll-overplowwasdesignedandthenthemainpartsofthemountroll-overplowwerestudied.Theexperimentinfieldsshowedthatthemountroll-overplowwaswiththecharacteristicsofsimplestructureandeasyoperation.Andallindexesofthemountroll-overplowcouldmeettherequirementsofrelevantnationalstandards.Italsocouldprovidethetheoreticandpracticalreferenceforthetheresearchandimprovementofthemountroll-overplow.

hangingreversibleplow;suspensiondevice;plowframe;plough

2015-10-29

徐山，女，xushanhappy@126.com;

牛宗偉，男，niuzongwei@sdut.edu.cn

1672-6197(2016)06-0067-03

TQ171.5

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