液壓驅(qū)動(dòng)農(nóng)田水閘開(kāi)溝機(jī)的設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)開(kāi)溝機(jī)機(jī)械灌溉。在大面積農(nóng)田灌溉中,利用灌溉水渠進(jìn)行引水灌溉仍然是我國(guó)目前采用最多的一種灌溉方式,現(xiàn)有地面灌溉面積約占全國(guó)總灌溉面積的85%以上,其中80%以上為土渠,渠道以梯形截面、U型截面和矩形截面居多。旋轉(zhuǎn)開(kāi)溝機(jī)是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一種連續(xù)挖土機(jī)械,利用高速旋轉(zhuǎn)的銑削盤銑削和拋擲土壤實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖溝渠,適宜開(kāi)挖梯形截面農(nóng)用水渠。旋轉(zhuǎn)開(kāi)溝機(jī)因其所需牽引力小、工作效率高在國(guó)外獲得廣泛應(yīng)用。我國(guó)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始旋轉(zhuǎn)開(kāi)溝機(jī)的研究,先后有1K-80、1K-100、ZQK-130等多種型號(hào)的機(jī)型,但由于多種原因未能推廣應(yīng)用。目前我國(guó)梯形截面農(nóng)田灌溉水渠修建主要依靠人工以及挖掘機(jī)等工程機(jī)械,作業(yè)效率較低,用于梯形截面農(nóng)田灌溉水渠施工的專用開(kāi)溝設(shè)備相對(duì)較少,并且已有的旋轉(zhuǎn)式開(kāi)溝機(jī)以懸掛式機(jī)械傳動(dòng)為主,機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜,拖拉機(jī)動(dòng)力消耗大,刀盤轉(zhuǎn)速不宜調(diào)整。針對(duì)以上情況,本文設(shè)計(jì)1KY-40型液壓驅(qū)動(dòng)農(nóng)田水渠開(kāi)溝機(jī),采用牽引式液壓驅(qū)動(dòng)工作原理,以實(shí)現(xiàn)一次性開(kāi)挖梯形截面水渠。1工藝結(jié)構(gòu)和工作原理1.1開(kāi)溝機(jī)機(jī)械主體部分組成1KY-40型液壓驅(qū)動(dòng)農(nóng)田水渠開(kāi)溝機(jī)采用牽引式結(jié)構(gòu),主要由集成GPS自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)的拖拉機(jī)和開(kāi)溝機(jī)機(jī)械主體2部分組成。主要包括拖拉機(jī)(集成GPS自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng))、車載開(kāi)溝機(jī)控制器終端、牽引架、發(fā)動(dòng)機(jī)油箱、發(fā)動(dòng)機(jī)、散熱器、液壓控制閥、液壓缸、液壓油油箱、支撐輪、開(kāi)溝刀盤、離合器、開(kāi)溝機(jī)控制器、液壓泵、液壓馬達(dá)等部分。主要工作部件及結(jié)構(gòu)如圖1所示。1.2開(kāi)溝刀盤、液壓馬達(dá)景觀該機(jī)采用液壓驅(qū)動(dòng)原理,整機(jī)采用牽引式結(jié)構(gòu),開(kāi)溝機(jī)開(kāi)溝作業(yè)的動(dòng)力由獨(dú)立的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)液壓泵提供,相比機(jī)械式開(kāi)溝機(jī)能夠降低配套拖拉機(jī)動(dòng)力50%以上,利用液壓馬達(dá)帶動(dòng)銑削刀盤進(jìn)行逆向旋轉(zhuǎn)切削土壤,2個(gè)銑削刀盤呈固定角度,行進(jìn)過(guò)程中銑切并拋出刀盤本身所占據(jù)的溝型斷面,中間三角土部分靠自身重力塌落在2個(gè)刀盤上,再由刀盤將這部分土壤拋出,隨著機(jī)具的行進(jìn),能夠開(kāi)挖出梯形截面水渠。該機(jī)利用液壓缸帶動(dòng)支撐輪升降進(jìn)行工作深度調(diào)整,并通過(guò)控制終端對(duì)農(nóng)田開(kāi)溝機(jī)刀盤旋轉(zhuǎn)速度和液壓缸升降進(jìn)行自動(dòng)控制,實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝刀盤轉(zhuǎn)速和工作深度的實(shí)時(shí)調(diào)整。通過(guò)集成拖拉機(jī)GPS自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)開(kāi)溝直線作業(yè)控制,保證開(kāi)溝作業(yè)過(guò)程中的直線度。2主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)分析2.1機(jī)功率、機(jī)功率的計(jì)算1KY-40型液壓驅(qū)動(dòng)農(nóng)田水渠開(kāi)溝機(jī)開(kāi)挖溝渠梯形斷面參數(shù)參照GB50288—99《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》確定,梯形斷面上口寬邊a=971mm,下底窄邊b=300mm,深度h=400mm,坡度角γ=50°。開(kāi)溝機(jī)功率主要包括牽引功率和銑拋功率,其中銑拋功率消耗的功率占95%以上,為了降低拖拉機(jī)的動(dòng)力消耗,本機(jī)采用了牽引式設(shè)計(jì),開(kāi)溝刀盤的銑拋動(dòng)力由獨(dú)立的發(fā)動(dòng)機(jī)提供,拖拉機(jī)只提供牽引力,可以配套20~40kW較小功率拖拉機(jī)完成開(kāi)溝作業(yè)。開(kāi)溝機(jī)消耗總功率為式中v———開(kāi)溝機(jī)前進(jìn)速度,km/hKN———旋耕比阻其中開(kāi)溝機(jī)設(shè)計(jì)前進(jìn)作業(yè)速度v=400m/h,旋耕比阻KN=0.3,結(jié)合溝型斷面幾何尺寸,得到開(kāi)溝機(jī)消耗總功率P1=43.2kW,開(kāi)溝機(jī)所需要的銑拋功率按照總功率95%計(jì)算為41.04kW,經(jīng)過(guò)選型,確定開(kāi)溝機(jī)所用發(fā)動(dòng)機(jī)為AB498型柴油機(jī),功率為45.6kW。2.2切土刀的切土設(shè)計(jì)開(kāi)溝銑削刀盤是開(kāi)溝機(jī)的主要工作部件,對(duì)開(kāi)溝機(jī)的工作性能有著多方面的影響。常見(jiàn)的銑削刀盤多采用“切拋合一”的工作原理,如圖2a所示為常見(jiàn)類型,安裝的切土刀兼有切土和拋土2種作用,切土刀多用矩形或菱形直切刀,利用其棱角擠碎土壤,不磨刃;本機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了“切拋分離”的工作原理,如圖2b所示的本機(jī)類型,切土部件由切土刀和拋土板組成,按照旋轉(zhuǎn)切土方向,斗式切土刀在拋土板前端,采用自磨礪切土刀片進(jìn)行切土,切土角12°遠(yuǎn)小于“切拋合一”原理的90°切土角,“切拋分離”原理的切土方式其切削阻力遠(yuǎn)小于“切拋合一”原理,切削下來(lái)的土壤依靠拋土板甩出,而且切土與拋土分開(kāi),也很好地解決了粘性土壤中粘刀的問(wèn)題。開(kāi)溝銑削刀盤的主要設(shè)計(jì)參數(shù)有銑削刀盤線速度、刀盤直徑、切刀數(shù)、切土刀進(jìn)給量。2.2.1刀盤號(hào)調(diào)整刀齒開(kāi)溝刀盤的旋轉(zhuǎn)方向主要有順銑和逆銑2種。由于逆銑方式使開(kāi)溝機(jī)在土壤溝內(nèi)運(yùn)行路程大大縮短,減少了功率消耗,有利于溝型成型,本研究銑削刀盤采用逆銑方式。開(kāi)溝機(jī)工作時(shí),隨著機(jī)具前進(jìn),旋轉(zhuǎn)的銑削刀盤連續(xù)不斷地切削土壤,并將切下的墊片拋出溝外。因此,旋轉(zhuǎn)刀盤上的刀齒切削土壤時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡為一條加長(zhǎng)余擺線。設(shè)刀盤軸心為直角坐標(biāo)系的原點(diǎn),開(kāi)溝機(jī)前進(jìn)方向?yàn)閤軸,溝坡至溝底的方向?yàn)閥軸(圖3)。刀齒端點(diǎn)M的運(yùn)動(dòng)軌跡可用時(shí)間t的參數(shù)方程表示為式中R———刀齒回轉(zhuǎn)半徑,mmα———接觸角,(°)若以刀盤旋轉(zhuǎn)角速度ω表示接觸角α,則α=ωt,式(2)表示為刀齒端點(diǎn)M沿x軸和y軸的速度分量通過(guò)對(duì)時(shí)間t求一階導(dǎo)數(shù)得出,即M點(diǎn)瞬時(shí)切削速度為將v1=Rω代入式(5)得由運(yùn)動(dòng)分析可知,機(jī)具前進(jìn)速度v、刀齒回轉(zhuǎn)半徑R、旋轉(zhuǎn)角速度ω是影響雙圓盤開(kāi)溝機(jī)的功率消耗的主要因素。2.2.2臨界速度對(duì)比銑削刀盤線速度v1是影響銑切、拋撒土壤能耗的重要因素,v1的選擇需要遵循保證慣性卸載、保證必要的切土距離、盡量減少整機(jī)能量消耗3個(gè)原則。要實(shí)現(xiàn)慣性卸載必須保證銑削刀盤以一定線速度v1拋擲土壤,且v1>v3,這里的v3是刀盤實(shí)現(xiàn)慣性卸載的臨界速度。欲求出v3,對(duì)銑削刀盤端部切削土壤進(jìn)行受力分析(圖4)。端部土壤質(zhì)點(diǎn)的受力平衡方程為式中F1———銑削刀盤端部切向方向受力,NF2———銑削刀盤端部法向方向受力,N式中γ———溝形坡度角,(°)β———刀齒端點(diǎn)和刀盤中心連線與機(jī)組前進(jìn)方向的夾角,(°)f———土壤和刀齒表面的摩擦因數(shù)由式(8)可以看出,v3取決于刀盤半徑R、溝渠斷面形狀和土質(zhì)條件。在保證慣性卸載、保證必要的切土距離、盡量減少整機(jī)能量消耗3個(gè)原則情況下,通常可在7~15m/s范圍內(nèi)選取,本文選取v1=10m/s。2.2.3斜邊長(zhǎng)度的計(jì)算刀盤直徑D影響著拋撒土壤的效果,是影響開(kāi)溝機(jī)作業(yè)性能的一個(gè)主要設(shè)計(jì)參數(shù)。刀盤直徑通常是按切土刀的最大回轉(zhuǎn)直徑計(jì)算,即式中l(wèi)———梯形斷面斜邊長(zhǎng)度,mm其中根據(jù)梯形斷面深度h=400mm,坡度角α=500,得到l=522mm。當(dāng)梯形斷面坡度角α≤50°時(shí),D=1.45l=756.9mm,經(jīng)過(guò)圓整后,本機(jī)刀盤直徑D設(shè)計(jì)值為760mm。2.2.4開(kāi)溝銑削刀盤切土刀銑削刀盤同一圓周上切土刀數(shù)量Z由每把刀的進(jìn)給量確定(取整數(shù)),即c———切土刀的進(jìn)給量,mm,則Z≈6,開(kāi)溝銑削刀盤切土刀設(shè)計(jì)為6把。本開(kāi)溝機(jī)銑削刀盤主要由斗式切土刀、刀盤體、拋土板3部分組成,共有6把斗式切土刀和6個(gè)拋土板,斗式切土刀和拋土板相間安裝,均勻分布在刀盤體上,如圖5所示。本文取c=4mm;v=0.5km/h;D=760mm;2.3液壓系統(tǒng)原理該機(jī)液壓系統(tǒng)主要為開(kāi)溝刀盤同向銑削轉(zhuǎn)動(dòng)和液壓缸伸縮帶動(dòng)機(jī)體升降2個(gè)動(dòng)作提供液壓動(dòng)力。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制難度,本機(jī)采用了液壓泵與拖拉機(jī)后液壓輸出裝置分別提供油源,齒輪液壓泵通過(guò)離合器直接與柴油機(jī)動(dòng)力輸出軸連接,向2個(gè)液壓馬達(dá)提供油源,液壓缸回路的液壓油源由拖拉機(jī)后液壓輸出裝置提供,2個(gè)液壓回路各自獨(dú)立,液壓系統(tǒng)原理如圖6所示。2.3.1液壓馬達(dá)的選型上文計(jì)算開(kāi)溝機(jī)刀盤銑削土壤所消耗的銑為41.04kW,單個(gè)刀盤銑削功率為20.52kW,則單個(gè)銑削刀盤的最大扭矩為式中T———單個(gè)銑削刀盤最大扭矩,N·mP2———單個(gè)刀盤銑削功率,kW當(dāng)P2=20.52kW,n=251.4r/min時(shí),單個(gè)銑削刀盤的最大扭矩T=779.5N·m,單個(gè)液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)扭矩應(yīng)不低于800N·m,通過(guò)選型選定寧波新宏液壓公司生產(chǎn)的XHM3-250型液壓馬達(dá),額定扭矩810N·m,最高轉(zhuǎn)速600r/min,理論排量0.25L/r。2.3.2齒輪泵的選型液壓馬達(dá)所需流量為式中Q———流量,L/min當(dāng)U=0.25L/r,n=251.4r/min時(shí)單個(gè)液壓馬達(dá)所需流量Q=62.85L/min,雙馬達(dá)同時(shí)驅(qū)動(dòng)所需流量為125.7L/min,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)為2200r/min,根據(jù)液壓泵的排量、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及系統(tǒng)壓力進(jìn)行綜合考慮,選擇阜新液壓泵廠生產(chǎn)的CBTx-F563-B型齒輪泵。2.4控制方案設(shè)計(jì)開(kāi)溝機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)使駕駛員能夠在拖拉機(jī)駕駛室方便可靠地對(duì)開(kāi)溝機(jī)進(jìn)行操作。通過(guò)對(duì)開(kāi)溝機(jī)工況進(jìn)行分析,根據(jù)功能需求,開(kāi)溝設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的啟/停、油門大/小調(diào)節(jié)、電動(dòng)推桿推動(dòng)離合器分/合、液壓缸升降等功能,從線纜布線、系統(tǒng)的可擴(kuò)展性等方面考慮,控制系統(tǒng)采用基于總線的分布式控制方案,如圖7所示。根據(jù)控制系統(tǒng)的控制方案確定了控制器功能應(yīng)實(shí)現(xiàn)12路光電隔離數(shù)字量輸入,NPN輸入形式,輸入電流為10mA;8路光電隔離數(shù)字量輸出:其中有4路是繼電器隔離輸出,最大輸出電流為5A;另外4路是光電隔離晶體管輸出,用于高頻場(chǎng)合,最大輸出電流為5A;3路AD(模擬量)輸入,采樣精度是8位,采樣范圍是0~10V,有過(guò)壓保護(hù)、防靜電等功能;有1路標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行通信接口,可以與計(jì)算機(jī)等上位軟件通信;主電源可采用12V直流電。根據(jù)設(shè)備工況,結(jié)合控制器的設(shè)計(jì),采用總線控制的方式設(shè)計(jì)了控制程序。主程序在完成系統(tǒng)初始化之后,等待控制終端發(fā)送控制命令,得到控制命令后,主控制器完成相應(yīng)的控制動(dòng)作。控制軟件流程如圖8所示。車載控制終端采用新漢(中國(guó))有限公司車載終端,型號(hào)為VMC1000(XPE),采用RS232總線通訊,基于車載終端設(shè)計(jì)了人機(jī)交互軟件,車載終端能夠?qū)﹂_(kāi)溝機(jī)進(jìn)行工況控制,如圖9所示。2.5開(kāi)溝直線度驗(yàn)證由于開(kāi)溝作業(yè)的機(jī)具作業(yè)速度普遍在200~600m/h,需要具有爬行擋功能的拖拉機(jī)進(jìn)行牽引,通常需要通過(guò)劃線的方式來(lái)保證開(kāi)溝的直線度,由于人為因素往往導(dǎo)致開(kāi)溝設(shè)備作業(yè)過(guò)程中開(kāi)溝直線度偏差較大,因此本機(jī)嘗試通過(guò)在拖拉機(jī)上集成GPS自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)來(lái)提高機(jī)具的開(kāi)溝直線度。針對(duì)東風(fēng)554型拖拉機(jī)開(kāi)芯式全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng),設(shè)計(jì)了滿足自動(dòng)轉(zhuǎn)向要求的電液比例系統(tǒng),通過(guò)集成定位系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、導(dǎo)航控制系統(tǒng)構(gòu)成1套適合開(kāi)溝機(jī)開(kāi)溝作業(yè)的拖拉機(jī)GPS自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng),系統(tǒng)組成如圖10所示。3試驗(yàn)地及設(shè)備2013年10月,在北京市昌平區(qū)小湯山國(guó)家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地委托黑龍江農(nóng)墾農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站依據(jù)開(kāi)溝機(jī)鑒定試驗(yàn)大綱對(duì)樣機(jī)作業(yè)效果進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)。試驗(yàn)地狀況:地勢(shì)平坦,土壤含水率15.8%,土壤堅(jiān)實(shí)度0.31MPa,環(huán)境溫度2~4℃,環(huán)境相對(duì)濕度34%~37%。機(jī)具配套動(dòng)力:東風(fēng)554型拖拉機(jī)(帶爬行擋)。試驗(yàn)前對(duì)樣機(jī)進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)和調(diào)試,使機(jī)器達(dá)到最佳工作狀態(tài)后進(jìn)行性能試驗(yàn)和生產(chǎn)試驗(yàn),主要進(jìn)行開(kāi)溝深度、開(kāi)溝深度穩(wěn)定性、溝面寬度、溝底寬度、溝底浮土厚度、開(kāi)溝最大直線偏差、作業(yè)速度等參數(shù)測(cè)試,測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1,并對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行分析。3.1地表開(kāi)溝深度沿行程方向等間距測(cè)10處。測(cè)試前先清除溝底及拋落在溝旁的土塊。在原地表與兩溝壁交線之間放一直尺,測(cè)量溝底中心點(diǎn)到直尺的距離作為測(cè)量點(diǎn)開(kāi)溝深度,開(kāi)溝深度平均值即為所求開(kāi)溝深度,計(jì)算公式為式中h———開(kāi)溝深度平均值,mmhi———第i個(gè)測(cè)量點(diǎn)的開(kāi)溝深度,mm3.2開(kāi)溝深度變異系數(shù)及穩(wěn)定性系數(shù)根據(jù)測(cè)得的10處開(kāi)溝深度數(shù)據(jù),得到開(kāi)溝深度標(biāo)準(zhǔn)差為11.73mm,開(kāi)溝深度變異系數(shù)為2.9%,開(kāi)溝深度穩(wěn)定性系數(shù)為97.1%,測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。3.3溝的寬度在與開(kāi)溝深度相同測(cè)點(diǎn)位置分別測(cè)試,測(cè)試結(jié)果按式(14)計(jì)算,得出行程內(nèi)溝面寬度的平均值為984mm。3.4溝底寬度在與開(kāi)溝深度相同測(cè)點(diǎn)位置分別測(cè)試,測(cè)試結(jié)果按式(14)計(jì)算,得出行程內(nèi)溝底寬度的平均值為305mm。3.5溝底浮土厚度調(diào)查測(cè)量方法在與開(kāi)溝深度相同的測(cè)點(diǎn)位置選定對(duì)應(yīng)溝底中心為測(cè)量點(diǎn),測(cè)量該測(cè)量點(diǎn)的浮土厚度,然后測(cè)量不同測(cè)量點(diǎn)的浮土厚度,測(cè)試結(jié)果按式(14)計(jì)算,得出測(cè)量區(qū)內(nèi)溝底浮土厚度的平均值為15mm。3.6方向溝壁面距離基準(zhǔn)線距離的測(cè)定測(cè)量一個(gè)行程100m,找出行程兩端相同測(cè)點(diǎn)位置上選定沿垂直行程方向溝壁上口所對(duì)應(yīng)的2點(diǎn)為測(cè)量點(diǎn),以2個(gè)測(cè)量點(diǎn)為直線端點(diǎn),用米尺拉直作為基準(zhǔn)線,用鋼卷尺測(cè)出行程中沿垂直行程方向溝壁上口離基準(zhǔn)線的距離,沿行程方向等間距測(cè)10處,其最大偏差值為90mm。3.7作業(yè)速度測(cè)量樣機(jī)在一個(gè)測(cè)定時(shí)間內(nèi)前進(jìn)的行程,然后按式(11)計(jì)算出作業(yè)速度,機(jī)具作業(yè)距離為50m,作業(yè)測(cè)定時(shí)間為420s,計(jì)算出作業(yè)速度為0.12m/s。3.8試驗(yàn)研究與分析試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如表2所示,1KY-40型液壓驅(qū)動(dòng)農(nóng)田水渠開(kāi)溝機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)一次性開(kāi)挖出梯形截面水渠,機(jī)具的作業(yè)性能達(dá)到了設(shè)計(jì)技術(shù)要求,機(jī)具的作業(yè)速度能夠達(dá)到1h開(kāi)挖432m水渠,同等條件下對(duì)比類似開(kāi)溝作業(yè)設(shè)備250~400m/h作業(yè)速度有所提高。樣機(jī)分別于2013年10月和2013年11月在黑龍江紅星農(nóng)場(chǎng)和江蘇省金壇市開(kāi)展了黑鈣土和黃棕壤土不同