1LF-5型液壓翻轉犁的設計與試驗

吳顯斌,杜雅剛,紀武鵬

(1.黑龍江省農墾科學院 農業工程研究所,哈爾濱 150038;2.黑龍江省農墾科學院 農作物開發研究所,黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

玉米秸稈中含有豐富的氮、磷、鉀、鎂、鈣及硫等元素,這些元素是農作物生長所必需的營養元素,將玉米秸稈還田不僅可以增加土地的肥力、減少化學肥料的用量,而且可以降低土壤的容量、疏松土壤,提高土壤孔隙度;同時,秸稈還田還能夠有效解決農民大量焚燒秸稈而造成的環境污染的問題,有利于推動綠色農業和環保農業的發展。因此,設計集土壤耕作技術、秸稈還田技術于一體的1LF-5型液壓翻轉犁,對提升耕作質量具有重大的現實意義[1]。

目前,玉米秸稈還田的方式主要分為焚燒還田以及耕作掩埋還田。其中,秸稈焚燒還田的做法為:玉米果穗收獲完畢后,其秸稈在陽光下暴曬,內部組織水分大部分被揮發,此時將玉米秸稈統一收集后在田間地頭進行焚燒處理;焚燒后產生的秸稈灰留在了田間地頭,待第2年耕耘時將灰燼與土壤進行混合,從而完成焚燒還田的全過程。這種處理方式不符合當代綠色農業的發展需求,會造成空氣污染,且秸稈灰并沒有及時與土壤混合,灰燼在風和雨水的作用下大量流失,從而導致肥力喪失。耕作掩埋的方式大體可以分為兩類:一是旋耕機將玉米秸稈切碎后于土壤混合,部分秸稈碎渣在旋耕刀的作用下掩埋在近地表面,另一部分則暴露在地表上。由于掩埋深度較淺,在雨水的沖刷下,掩埋在近地表面的秸稈碎渣也極易被雨水沖出,從而導致玉米秸稈不能被土壤內部的微生物有效分解,且覆蓋在土壤表面的玉米秸稈也不利于第2年播種,因此效果不盡人意[2-5]。二是鏵式犁深耕掩埋,原理為:利用鏵式犁具備大耕深,且具備翻轉土垡的能力,可將地表面上的玉米秸稈掩埋至土壤層下,微生物將秸稈進行分解,產生的養分直接融于土壤中,且分解后的玉米秸稈還可以降低土壤的容量、疏松土壤、提高土壤孔隙度;但傳統的鏵式犁在工作過程中常受到側向拉力的影響,導致其耕作穩定性下降,且傳統的鏵式犁也沒有配備安全裝置,一旦受到突發外力的作用時將容易導致犁體損壞。因此,研發一種集土壤耕作技術、秸稈還田技術于一體的新型秸稈還田深耕犁就顯得極為重要[6-8]。

1 整體機構和工作原理

1.1 整機結構

1LF-5型液壓翻轉犁采用牽引式設計,即機具作業時由拖拉機牽引進行耕作[6-9]。該機具的主要技術參數如表1所示。主要由犁體、犁鏵架、犁體安全裝置、主梁、調整轉臂、犁頭翻轉體、側拉力消除裝置、限深輪安裝架、限深輪翻轉體、限深輪、梁體連接器及支腿等裝置構成,如圖1所示。其中,陷深輪總成設置在翻轉犁架的一側,并與犁架相連,用于支撐犁架整體,確保其耕作深度一致;犁體連接于犁鏵架上,并通過安全裝置連接在犁架上;側應力消除裝置設置于犁體的另一側,用于平衡犁體因耕作產生的側向應力,確保耕作的直線性與穩定性。

表1 主要技術參數

1.犁體 2.犁鏵架 3.犁體安全裝置 4.主梁 5.調整轉臂 6.犁頭翻轉體 7.側拉力消除裝置 8.支腿 9.梁體連接器 10.限深輪 11.限深輪翻轉體 12.限深輪安裝架圖1 1LF-5型液壓翻轉犁結構圖Fig.1 Structure diagram of 1LF-5 hydraulic turning plough

1.2 工作原理

1LF-5型液壓翻轉犁作業時,先將犁頭翻轉體掛載在拖拉機尾部,隨后利用水平調整桿調整犁體的水平度,確保耕作深度一致;然后,根據實際耕作深度調整限深輪與主梁的縱向相對位置,并收起犁架支腿;當拖拉機向前運動時,由于犁體的犁尖與地面呈一定的角度,則犁尖切入土壤,在犁曲面的作用下土垡翻向右側;當犁體受到突然沖擊時,其受到的載荷突然加劇,犁體會受到一個較大的側向力,犁架逐漸偏離原定的軌跡;這時安裝在主梁與犁頭翻轉架之間的側拉力消除裝置就起到了阻止犁架偏移的作用,在側拉犁消除裝置的作用下,犁架克服側拉力的影響,可繼續沿著原定方向進行耕作。當某個犁體或多個犁體受到的沖擊載荷過大時,安裝在犁體與主梁之間的安全裝置上的連接螺栓在大于其本身屈服強度的沖擊載荷作用下發生斷裂,使犁體脫離主梁,從而避免犁體的損壞;在排除沖擊載荷后,重新安裝螺栓后便可以繼續作業,進而完成整個作業流程。

2 主要工作部件的設計與分析

2.1 翻轉機構的設計

翻轉結構按照其驅動方式可以分為機械式、氣動式及液壓式。其中,機械式翻轉機構結構復雜,需要人工操作翻轉,勞動強度大,多用于單鏵或是小型翻轉犁。氣動式翻轉機構以壓縮空氣為動力源,驅動活塞運動最終實現翻轉,對于氣缸的要求較高,尤其是大扭矩工作環境下穩定性相對較差,容易產生一些機械故障,并不適合應用于大面積耕作。因此,本文選擇使用液壓式翻轉機構,主要部件包含液壓缸、中心旋轉軸、翻轉犁梁架及懸掛架,如圖2所示。

圖2 立式油缸翻轉機構示意圖Fig.2 Schematic diagram of vertical oil cylinder turnover mechanism

翻轉機構在工作時,主要依托液壓油缸中的伸縮桿拉動翻轉犁梁架,繞著中心旋轉軸旋轉,從而實現犁架翻轉。圖2中,θ為懸掛架與翻轉犁梁架之間所形成的夾角。隨著液壓缸內伸縮桿向缸內收縮,液壓缸的長度AC減小,θ角也由90°逐漸減小;當液壓缸的長度AC等于懸掛架AB的長度c與液壓缸和犁架BCD連接點C到中心旋轉軸B的距離a的差值時,液壓伸縮桿已無法進一步收縮,翻轉機構處于運動“死點”;這時,翻轉犁在運動產生的慣性力作用下使犁梁架繼續繞著中心旋轉軸轉動;在犁梁架翻越過運動“死點”后,液壓缸反向供油使伸縮桿向缸外伸長,懸掛架與翻轉犁梁架之間的夾角θ由0°減小到-90°;在夾角θ減小的過程中,伸縮桿持續推動犁梁架進行翻轉,最終完成犁架的換向。同理,液壓缸伸縮桿每完成一次由向缸內收縮到向缸外伸長的過程中,都會使懸掛架與翻轉犁梁架之間的夾角θ產生變化,使夾角θ由-90°增加至0°,再由0°增加至90°。這時,翻轉犁的犁梁架便可以重新翻轉1次,進而實現左右犁鏵的換向耕作。

由圖2可知:翻轉機構的懸掛架的長度c、液壓缸的長度k以及液壓缸和犁架連接點到中心旋轉軸的長度a之間的關系滿足三角形的余弦定理。

k2=a2+c2-2ac·cosθ

同時,對公式兩端關于時間t求導,可得

對于液壓油缸而言,伸縮桿的運動速度可以通過改變液壓缸油門的大小來實現。將伸縮桿的伸縮速度設定為一個常數v1,同時用ω表示犁架梁翻轉角的角速度,則

對翻轉角速度ω再進一步求導,可得翻轉角加速度為

當θ=90°或θ=-90°時,即機構到達“死點”,其角速度與角加速度分別為

由此可知:翻轉機構的運動速度與液壓油缸伸縮桿的伸縮速度v1有關,通過調整伸縮桿的伸縮速度可使翻轉機構平穩運動。當懸掛架與翻轉犁梁架之間的夾角θ等于0°時,犁梁的翻轉角速度ω和角加速度η在一瞬間內將變得很大;這時,整個翻轉機構將具備很大的運動慣性,在慣性力的加持下犁梁將可以克服“死點”的阻礙,順利實現翻轉。

2.2 翻轉犁限深輪的設計

翻轉犁限深輪主要由輪胎、限深調節裝置、限深輪安裝架和限深擋塊組成,如圖3所示。利用限深輪安裝架將限深輪輪胎連接在犁梁夾板上,再通過夾板的另一側連接在犁梁上面,從而將輪胎與犁梁架相互連接。同時,在輪胎與犁梁架之間設置限深調節裝置,通過使用限深調節裝置實現耕作深度的調節。

1.限深輪安裝架 2.限深調節裝置 3.限深擋塊 4.輪胎圖3 翻轉犁限深輪結構Fig.3 Structure of depth-limiting wheel of turning plough

限深輪獨立設置在翻轉犁的一側,為翻轉機構提供了足夠的空間,可確保翻轉機構在工作時不與限深輪發生干涉,且限深調節裝置能夠確保限深輪處于最優工作高度。通過查詢相關資料可知限深輪的輪徑為 0.84m,依據限深輪在正常作業時輪胎上所承受的垂直負荷計算公式,可得輪緣寬度為

式中P—單位輪緣寬度上面的允許負荷,取P=650N/cm;

Pt—限深輪所承受的垂直負荷,取Pt=2000N。

經計算可知,BL=320mm。

2.3 翻轉犁犁架的有限元分析

為提高整體耕作質量及耕作效率,應加大耕作深度用以打破犁底層,并使底部土壤得到疏松,進而增大土壤孔隙度,同時,增加犁鏵的數量,使其工作幅寬加大,進而提高單位時間內的耕作面積。耕作深度及犁鏵數量的增加,必然會導致犁架的受力加劇,而犁架受到的拉力超過許用應力值時將會發生變形,從而影響耕作深度的均勻性;當犁架所受應力遠超過其許用應力值時,犁架則極有可能發生斷裂,最終導致犁架失效。

目前,為了預防犁架失效,大多采用加大犁架鋼材厚度的方法,使其強度增大,但是這樣將使犁架的整體質量加大,使其工作阻力變大,最終導致能耗增加。在此,采用有限元分析的方法,對犁架進行仿真分析。考慮到犁架的實際尺寸較大,且連接在犁架上的附屬部件數量較多,若對犁架整體進行仿真分析,則計算量過大,不利于實際的分析與研究,故將犁進行簡化處理。在翻轉犁實際耕作過程中,影響阻力大小的因素主要包括土壤、耕作參數以及耕作部件,許多學者對其開展一系列的研究。其中,蘇聯學者戈里亞契金對的耕作阻力的研究結論最為經典,他認為犁耕阻力的組成應該包括土垡變形力、犁曲面與土壤的摩擦力以及耕速阻力,力學表達式為

P=P1+P2+P3

P1=fG

P2=kab

P3=εabv2

P=P1+P2+P3=fG+kab+εabv2

式中f—犁曲面側邊與耕作后溝壑間的類摩擦因數;

G—犁體自身質量;

K—犁耕比阻;

a—耕作深度;

b—耕作寬度;

ε—動態阻力系數;

v—機組前進速度。

對上式進行求解,可得P=22392～71690N。

在犁架實際作業過程中,切割和破碎土壤的力通過犁鏵傳到犁柱,為了模擬犁架的實際受力情況,將外部載荷施加在犁柱與犁架的的安裝位置,施力位置共5處。同時,在犁實際翻耕作業所受的力并不是一個恒定的力,載荷的大小會受到地形的起伏、土壤的粘性、機組的前進速度等因素的影響。因此,在仿真計算時,將作業工況分為兩種進行(見圖5和圖6):第1工況為翻轉犁在作業過程中不受到外界未知因素的影響,即翻轉犁作業時所受到的力主要為破碎土壤的力,載荷數值設定為22392N;第2工況為翻轉犁在翻耕作業時受到外界未知因素的干擾(如地形變化較大,使耕作深度劇烈增長或犁鏵接觸到埋頭石使犁受到較大的阻力),載荷數值設定為71690N。

圖4 犁架總位移分析圖(工況1)Fig.4 Plow frame total displacement analysis diagram (working condition 1)

圖5 應力分析圖(工況1)Fig.5 Stress analysis diagram (working condition 1)

圖6 犁架總位移分析圖(工況2)Fig.6 Plow frame total displacement analysis diagram (working condition 2)

根據第2種工況的總體位移以及應力分析圖(見圖7)可知:犁架的最大變形量為0.332mm,最大等效應力為39.6MPa。由于該型翻轉犁的犁架材質為Q345鋼,而Q345鋼的屈服強度為325MPa,因此犁架在第2種工況下作業時犁架是安全的。綜合分析這兩種工況的仿真數據可知:犁架無論是在第1種工況還是第2種工況下工作,翻轉犁的犁架的最大應力值均小于Q345鋼的屈服強度極限值,符合設計要求。

圖7 應力分析圖(工況2)Fig.7 Stress analysis diagram (working condition 2)

3 田間試驗

3.1 試驗條件與指標

選擇在黑龍江農墾嫩北農場第七管理區3-2、3-3田塊中進行田間試驗,指標主要包括耕深及其穩定的性測定、耕寬及其穩定性的測定、秸稈殘茬覆蓋率的測定以及土垡破碎率的測定。

3.1.1 耕深和耕深穩定性測量

耕作深度反映翻轉犁工作性能,且耕作的穩定性是評價翻轉犁整體作業效果的重要指標。因此,試驗分別測定這兩種工況的耕深數據。為了減小測量誤差,在每一種工況下測定其正反行程的耕作深度數據,同時每一個行程設置10個耕深數據采集點,兩數據采集點的距離為5m。通過對采集的耕深數據進行處理,分別獲得兩種工況下翻轉犁的平均耕深、耕深標準差、變異系數和穩定性系數,其計算公式為

Uj=1-Vj

式中aj—第j個行程的平均耕深值(cm);

nj—第j個行程中的采集點數;

aji—第j個行程中第i個采集點的耕深值(cm);

sj—第j個行程的耕深標準差(cm);

Vj—第j個行程的耕深變異系數;

Uj—第j個行程的耕深穩定性系數。

3.1.2 耕寬和耕寬穩定性測定

耕作寬度是決定翻轉犁在單位時間內耕作效率的重要影響因素之一,故將耕作寬度及其穩定性作為試驗指標之一。在測量時,選擇垂直于拖拉機運動方向的相鄰兩個行程的犁溝溝墻之間的水平距離,即為耕寬;同時,為了便于標記數據采集點,選擇的耕寬數據采集點與耕作深度的數據采集點一致, 通過采集并處理耕寬數據,獲得各行程的平均耕寬、變異系數及穩定性系數。考慮到實際作業時耕作寬度根據實際需要進行相應的調整,故選擇耕作寬度分別為220cm 和170cm進行試驗。

3.1.3 秸稈殘茬覆蓋率的測定

當秸稈殘茬覆蓋率過低時,犁鏵對土壤的翻耕作用不強,導致了大量的地表殘茬留置在地表上,故殘茬的覆蓋率也是評估翻轉犁整體作業效果的重要指標。因此,試驗分別研究在兩種工況下秸稈殘茬的覆蓋率。考慮到試驗地塊較大,不能對整個地塊的覆蓋率進行采集統計,在使用兩種工況耕作后的區域隨機選擇6個點進行測量,每種工況測3個點,每個測量點的長度為0.4m、寬為0.3m。每個測量點所統計的數據分別為地表面上的秸稈殘茬質量、地表面下到8cm的殘茬質量以及8cm以下至耕低層內的秸稈殘茬質量。通過對收集的數據進行處理,計算出該點的秸稈覆蓋率,公式為

式中Z1—暴露在地表以上的玉米秸稈殘茬的質量(g);

Z2—地表以下8cm深度內的植被和殘茬質量(g);

Z3—8cm 深度以下秸稈殘茬質量(g);

F—地表以下秸稈殘茬覆蓋率;

Fb—8cm 深度以下秸稈殘茬覆蓋率。

3.1.4 土垡破碎率的測定

當翻轉犁作業時,團聚的土塊在犁鏵的作用下沿著犁曲面運動;隨著犁鏵向前運動,土垡沿著犁曲面向上推擠;當土垡本身的團聚力不足以維持土垡形態時,土垡開始出現破碎并且統一翻向犁鏵的一側,在慣性作用下倒向已翻耕好的地塊,并進一步破碎。對于農作物的生長而言,土壤的破碎過低不利于其根系的生長,且板結狀土垡的固肥能力較差。因此,選擇以土垡破碎率為試驗指標,分析兩種工況下土垡的破碎率。在試驗過程中,每種工況的碎土率的測量點取3處,每處測量點的面積為0.4m×0.4m;首先將測量點的全耕層內的土壤進行稱重,隨后再將測量點所收集的土壤進行柔性篩選,將長度小于5cm 的土塊篩出并稱重,最后將小于5cm的土壤質量除以測量點的整體土壤質量,便可得出碎土率,其計算公式為

式中C—土垡破碎率;

GS—全耕層內小于5cm 土塊的質量(kg);

G—全耕層內土塊的總質量(kg)。

3.2 試驗設計

考慮到翻轉犁在進入耕作初始階段時,其耕作深度與寬度存在一定的波動值,因此將試驗的測定區選擇在機組進入耕作區域后作業較為平穩的區域,即機組耕作距離為60m以后再測定相關實驗數據,以此來確保測量的準確度。

3.3 試驗結果與分析

根據試驗指標開展田間試驗,獲得正反行程耕深數據測量值,如表2所示。

表2 正反行程耕深數據測量值

由表2可知:在兩種工況下,每個行程都測試10個數據點,每個工況的正反行程的耕作深度值相差不大,表明了作業的均勻性良好;同時,兩種工況下耕作深度變化不大,平均耕作深度穩定在33.2cm;根據國家標準GB/T14225中對于耕深變異系數的要求為10%以內,而本次試驗中翻轉犁的變異系數在3.1%～5.7%之間,表明翻轉犁符合國家標準要求。

正反行程耕寬數據測量值如表3所示。由表3可知:在兩種工況下正反行程的耕寬的測量值浮動較小,第1工況下翻轉犁的耕寬平均值為 220.2cm,耕寬變異系數為 1.854%,穩定性系數為 98.146%;第2工況下翻轉犁的耕寬平均值為169.9cm,耕寬變異系數為 2.038%,穩定性系數為97.962%。兩種工況均能滿足設計條件和國家標準。

表3 正反行程耕寬數據測量值

秸稈殘茬覆蓋率測量值如表4所示。由表4可知:本次試驗中地表以下植被覆蓋率的平均值為90.22%,滿足國家要求的≥85%的要求,且地表 8cm 以下植被和殘茬的覆蓋率為77.72%,滿足國家要求的≥60%的標準。因此,本次翻轉犁關于植被和殘茬覆蓋率的試驗滿足設計要求。

表4 秸稈殘茬覆蓋率測量值

續表4

土垡破碎率測量值如表5所示。由表5可知:土垡破碎率為68.94%,滿足國家規定≥65%的標準,表明翻轉犁的土垡破碎率滿足國家標準的要求。

表5 土垡破碎率測量值

4 結論

1LF-5型液壓翻轉犁在作業過程中可打破犁底層、增加土壤耕作厚度,且機械往復穿梭作業、不留溝壟,提高了翻埋質量和作業效果,解決了現有深翻機械土壤耕層深翻作業中普遍存在的翻埋效果不佳、田地表面秸稈和殘茬裸露較多等問題。選取秋收后玉米秸稈覆蓋的試驗田,并以耕深和耕深穩定性、耕寬和耕寬穩定性、植被和殘茬覆蓋率的測定、土垡破碎率作為試驗指標進行田間試驗。試驗結果表明:1LF-5型液壓翻轉犁的平均耕作深度穩定為33.45cm,平整度為20mm,變異系數在3.166%～3.535%之間;在第1工況下翻轉犁的耕寬平均值為220.75cm,耕寬的變異系數范圍為 1.21%～1.71%;在第2工況下,翻轉犁的耕寬平均值為170.1cm,其耕作寬度的變異系數范圍為 1.26%～1.68%,植被覆蓋率平均值為89.97%,土垡破碎率為72.27%,表明該機滿足國家標準GB/T14225對于耕作質量的各項要求以及翻耕農藝要求。