本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種機(jī)械耕地用無奇異兩油缸液壓雙向翻轉(zhuǎn)犁。
背景技術(shù):
雙向翻轉(zhuǎn)犁是一種對(duì)土地進(jìn)行耕翻作業(yè)的農(nóng)業(yè)用機(jī)械設(shè)備,其可以將肥力低的上層土壤翻到下層,將下層較好的土壤翻到上層并將殘茬、雜草以及肥料、害蟲等翻埋到土中,還可以使土質(zhì)疏松,從而使土壤中能夠保留適當(dāng)?shù)目諝夂退?,以利于農(nóng)作物的生長(zhǎng),并且通過其犁架上裝有的兩組犁體翻轉(zhuǎn)交替工作,減少拖拉機(jī)空行程,提高耕翻效率。
隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械的迅速發(fā)展,雙向翻轉(zhuǎn)犁得到了更加廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的雙向翻轉(zhuǎn)犁主要采用往復(fù)式單液壓油缸驅(qū)動(dòng)曲柄搖塊機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)犁的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),具體操作是先操縱主油缸手柄將犁提升到最高位置,再操縱換向手柄和分配器手柄使犁架翻轉(zhuǎn),當(dāng)犁架接近垂直位置時(shí),將分配器手柄搬至浮動(dòng)位置,犁架靠慣性繼續(xù)翻轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)過一定角度后,再將分配器手柄快速搬至提升位置,使犁架翻轉(zhuǎn)到工作位置,最后操縱主油缸手柄使犁架下落。該過程在實(shí)際工作中存在翻轉(zhuǎn)操作復(fù)雜,操作時(shí)間長(zhǎng),翻轉(zhuǎn)可靠性差、工作位置不穩(wěn)定、有越中角速度要求、液壓油缸工作過程中存在死點(diǎn),容易造成液壓油缸推桿變形等問題,而造成上述問題的根本原因是曲柄搖塊機(jī)構(gòu)在翻轉(zhuǎn)過程中存在奇異。
奇異性是機(jī)構(gòu)的一種本質(zhì)屬性。機(jī)構(gòu)發(fā)生奇異時(shí),速度雅可比矩陣為奇異矩陣,機(jī)構(gòu)將獲得多余的不可控自由度或者發(fā)生機(jī)構(gòu)剛化導(dǎo)致自由度減少,此時(shí)機(jī)構(gòu)的精度、剛度、驅(qū)動(dòng)性能、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和可操作度等指標(biāo)都會(huì)顯著降低。因此,在實(shí)際工作過程中如何越過或避免奇異位置是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須要解決的問題。王建,高峰,吳成武等發(fā)表的一篇關(guān)于“雙向犁翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的分析與優(yōu)化[j].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2005,36(5):36-40.”等以1lf-435a型翻轉(zhuǎn)式雙向犁為例,建立了立式油缸翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型,給出了犁架依靠慣性越過死點(diǎn)(奇異位置)的角速度條件,即犁架必須在預(yù)定翻轉(zhuǎn)時(shí)間內(nèi)達(dá)到或超過該臨界角速度值才能完成翻轉(zhuǎn),該限定條件使得機(jī)構(gòu)在翻轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生較大的慣性力,會(huì)直接影響機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)性能和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。此外,機(jī)構(gòu)雖然能在慣性作用下越過奇異位置,但在奇異位置附近,機(jī)構(gòu)的逆動(dòng)力學(xué)方程因存在多解而導(dǎo)致機(jī)構(gòu)失控,可操作性和剛度較差。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題而提供一種從根本上消除了傳統(tǒng)雙向犁在翻轉(zhuǎn)過程中存在的奇異性問題的無奇異兩油缸液壓雙向翻轉(zhuǎn)犁。
本發(fā)明為解決公知技術(shù)中存在的技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是:
一種無奇異兩油缸液壓雙向翻轉(zhuǎn)犁,包括懸掛架、液壓油缸、旋轉(zhuǎn)犁架、安裝在旋轉(zhuǎn)犁架上的呈180°方向鏡像對(duì)稱設(shè)置的兩組犁體,對(duì)應(yīng)每組犁體旋轉(zhuǎn)犁架上安裝有限深輪;旋轉(zhuǎn)犁架通過旋轉(zhuǎn)軸安裝在懸掛架上,所述旋轉(zhuǎn)犁架與懸掛架之間設(shè)置有驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)犁架翻轉(zhuǎn)的液壓油缸;所述懸掛架包括下懸掛梁,垂直固定安裝在下懸掛梁中間位置的立柱,所述立柱的上端部固定連接與下懸掛梁平行設(shè)置的上懸掛梁;所述上懸掛梁的中點(diǎn)與立柱的上端點(diǎn)重合;在下懸掛梁的中點(diǎn)位置設(shè)有軸孔,所述軸孔內(nèi)配裝有旋轉(zhuǎn)軸;在旋轉(zhuǎn)犁架側(cè)所述的上懸掛架對(duì)稱設(shè)有兩個(gè)液壓油缸安裝座,兩個(gè)液壓安裝座的液壓油缸安裝位置不在同一水平面上;在旋轉(zhuǎn)犁架的對(duì)側(cè)所述的下懸掛梁上對(duì)稱固定安裝有機(jī)動(dòng)車連接座,所述立柱上固定安裝有機(jī)動(dòng)車連接座;所述旋轉(zhuǎn)犁架包括旋轉(zhuǎn)軸套,所述旋轉(zhuǎn)軸套安裝在懸掛架上的旋轉(zhuǎn)軸上;旋轉(zhuǎn)軸套上焊接有犁架;在旋轉(zhuǎn)軸套的一側(cè)靠近懸掛架端水平焊接翻轉(zhuǎn)梁;在翻轉(zhuǎn)梁的對(duì)側(cè)旋轉(zhuǎn)軸套上焊接有平衡梁,平衡梁與犁架固定連接;所述的翻轉(zhuǎn)梁水平中心線上設(shè)有安裝孔,所述安裝孔貫穿翻轉(zhuǎn)梁,所述安裝孔的軸線與旋轉(zhuǎn)軸套的軸線平行;所述翻轉(zhuǎn)梁的安裝孔內(nèi)安裝有協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)組件,所述協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)組件包括中心軸、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)臂,兩個(gè)驅(qū)動(dòng)臂分別固定安裝在中心軸的兩端,且兩個(gè)驅(qū)動(dòng)臂呈180°布置;所述中心軸鉸接安裝在翻轉(zhuǎn)梁的安裝孔內(nèi),兩個(gè)驅(qū)動(dòng)臂的另一端分別安裝有鉸接軸;兩個(gè)鉸接軸的中心距離中心軸中心的距離相等;所述液壓油缸設(shè)有兩個(gè),其中一個(gè)液壓油缸的液壓油缸體連接懸掛架上的液壓油缸安裝座;液壓油缸的另一端液壓推桿連接協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)組件對(duì)應(yīng)側(cè)的鉸接軸上;另一個(gè)液壓油缸的液壓油缸體連接懸掛架上的另一個(gè)液壓油缸安裝座;液壓油缸的另一端液壓推桿連接協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)組件對(duì)應(yīng)側(cè)的鉸接軸上;上述旋轉(zhuǎn)犁架和協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)組件具有相同的角位移運(yùn)動(dòng)規(guī)律;上述立柱的高度大于等于翻轉(zhuǎn)梁安裝孔的中心與旋轉(zhuǎn)犁架的旋轉(zhuǎn)軸套的中心之間距離的2倍;兩個(gè)液壓油缸安裝座之間的中心距離大于等于協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)組件的兩個(gè)鉸接軸中心距的2倍。
本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是:由于本發(fā)明采用上述技術(shù)方案,具有以下優(yōu)點(diǎn):
1、本申請(qǐng)通過采用設(shè)計(jì)得到的運(yùn)動(dòng)冗余翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),可徹底消除傳統(tǒng)雙向翻轉(zhuǎn)犁翻轉(zhuǎn)過程中存在的機(jī)構(gòu)奇異性問題,有效提高了雙向翻轉(zhuǎn)犁的靈巧度和可操作度。
2、本申請(qǐng)與傳統(tǒng)雙向翻轉(zhuǎn)犁相比,采用了雙液壓油缸聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式,機(jī)構(gòu)承載能力更強(qiáng),可用于大型重載雙向翻轉(zhuǎn)犁的設(shè)計(jì)。
3、本申請(qǐng)與傳統(tǒng)雙向翻轉(zhuǎn)犁相比,犁架翻轉(zhuǎn)過程中沒有越中角速度要求,翻轉(zhuǎn)過程更加平穩(wěn)可靠,還可有效減小拖拉機(jī)的左右晃動(dòng),系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性更高,還可根據(jù)實(shí)際工況選用低速翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律或無沖擊的正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律,應(yīng)用范圍更廣。
4、本申請(qǐng)與采用冗余驅(qū)動(dòng)方式的雙向翻轉(zhuǎn)犁相比,兩個(gè)液壓驅(qū)動(dòng)器的載荷分配唯一確定,且不會(huì)出現(xiàn)過約束的情況,機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力的分配也不需要通過復(fù)雜的力位混合控制方法和高成本的控制器來實(shí)現(xiàn),機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。
5、本申請(qǐng)與翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中含有髙副(齒輪副、凸輪副)的雙向翻轉(zhuǎn)犁相比,本發(fā)明的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成中只含有低副(轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副),由于髙副連接的兩個(gè)構(gòu)件之間是點(diǎn)或線接觸,而低副連接的兩個(gè)構(gòu)件之間是面接觸,因此本申請(qǐng)與翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中含有髙副(齒輪副、凸輪副)的雙向翻轉(zhuǎn)犁相比,機(jī)構(gòu)整體剛度和承載能力更強(qiáng),運(yùn)動(dòng)副耐磨性好、使用壽命更長(zhǎng)。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2是圖1中a-a剖視圖;
圖3是旋轉(zhuǎn)犁架結(jié)構(gòu)示意圖;
圖4是協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)組件結(jié)構(gòu)示意圖;
圖5是本發(fā)明立體結(jié)構(gòu)示意圖;
圖6是本發(fā)明第一種工作狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖;
圖7是本發(fā)明第二種工作狀態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8是本發(fā)明非工作狀態(tài)(由第一種工作狀態(tài)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°度或第二種工作狀態(tài)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°)結(jié)構(gòu)示意圖;
圖9是本發(fā)明的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖;
圖10是矩陣a的行列式。
圖中:1、懸掛架;1-1、下懸掛梁;1-2、立柱;1-3、上懸掛梁;1-4、液壓油缸安裝座;1-5、液壓油缸安裝座;1-6、機(jī)動(dòng)車連接座;1-7、機(jī)動(dòng)車連接座;2a、液壓油缸;2b、液壓油缸;3、旋轉(zhuǎn)犁架;3-1、旋轉(zhuǎn)軸套;3-2、犁架;3-3、翻轉(zhuǎn)梁;3-30、安裝孔;3-4、平衡梁;3-5、協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)組件;3-51、中心軸;3-52、驅(qū)動(dòng)臂;3-53、驅(qū)動(dòng)臂;3-54、鉸接軸;3-55、鉸接軸;4、犁體;5、限深輪;6、旋轉(zhuǎn)軸。
具體實(shí)施方式
為能進(jìn)一步了解本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容、特點(diǎn)及功效,茲例舉以下實(shí)施例,并配合附圖詳細(xì)說明如下:
請(qǐng)參閱圖1至圖5,一種無奇異兩油缸液壓雙向翻轉(zhuǎn)犁,包括懸掛架1、液壓油缸、旋轉(zhuǎn)犁架3、安裝在旋轉(zhuǎn)犁架上的呈180°方向鏡像對(duì)稱設(shè)置的兩組犁體4,對(duì)應(yīng)每組犁體旋轉(zhuǎn)犁架上安裝有限深輪5;旋轉(zhuǎn)犁架3通過旋轉(zhuǎn)軸6安裝在懸掛架1上,所述旋轉(zhuǎn)犁架3與懸掛架1之間設(shè)置有驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)犁架翻轉(zhuǎn)的液壓油缸;所述懸掛架1包括下懸掛梁1-1,垂直固定安裝在下懸掛梁1-1中間位置的立柱1-2,所述立柱1-2的上端部固定連接與下懸掛梁1-1平行設(shè)置的上懸掛梁1-3;所述上懸掛梁1-3的中點(diǎn)與立柱1-2的上端點(diǎn)重合;在下懸掛梁1-1的中點(diǎn)位置設(shè)有軸孔1-10,所述軸孔內(nèi)配裝有旋轉(zhuǎn)軸6;在旋轉(zhuǎn)犁架3側(cè)所述的上懸掛架1-3對(duì)稱設(shè)有兩個(gè)液壓油缸安裝座1-4、1-5,兩個(gè)液壓安裝座的液壓油缸安裝位置不在同一水平面上;在旋轉(zhuǎn)犁架3的對(duì)側(cè)所述的下懸掛梁1-1上對(duì)稱固定安裝有機(jī)動(dòng)車連接座1-6,所述立柱1-2上固定安裝有機(jī)動(dòng)車連接座1-7;所述旋轉(zhuǎn)犁架3包括旋轉(zhuǎn)軸套3-1,所述旋轉(zhuǎn)軸套安裝在懸掛架上的旋轉(zhuǎn)軸6上;旋轉(zhuǎn)軸套3-1上焊接有犁架3-2;在旋轉(zhuǎn)軸套3-1的一側(cè)靠近懸掛架1端水平焊接翻轉(zhuǎn)梁3-3;在翻轉(zhuǎn)梁3-3的對(duì)側(cè)旋轉(zhuǎn)軸套3-1上焊接有平衡梁3-4,平衡梁3-4與犁架3-2固定連接;所述的翻轉(zhuǎn)梁3-3水平中心線上設(shè)有安裝孔3-30,所述安裝孔貫穿翻轉(zhuǎn)梁3-3,所述安裝孔的軸線與旋轉(zhuǎn)軸套3-1的軸線平行;所述翻轉(zhuǎn)梁3-3的安裝孔3-30內(nèi)安裝有協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)組件3-5,所述協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)組件3-5包括中心軸3-51、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)臂3-52、3-53,兩個(gè)驅(qū)動(dòng)臂分別固定安裝在中心軸3-51的兩端,且兩個(gè)驅(qū)動(dòng)臂呈180°布置;所述中心軸3-51鉸接安裝在翻轉(zhuǎn)梁3-3的安裝孔3-30內(nèi),兩個(gè)驅(qū)動(dòng)臂的另一端分別安裝有鉸接軸3-54、3-55;兩個(gè)鉸接軸的中心距離中心軸中心的距離相等;所述液壓油缸設(shè)有兩個(gè)分別為液壓油缸2a、液壓油缸2b,其中一個(gè)液壓油缸2a的液壓油缸體連接懸掛架上的液壓油缸安裝座1-4;液壓油缸的另一端液壓推桿連接協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)組件對(duì)應(yīng)側(cè)的鉸接軸3-54上;另一個(gè)液壓油缸2b的液壓油缸體連接懸掛架上的另一個(gè)液壓油缸安裝座1-5;液壓油缸的另一端液壓推桿連接協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)組件對(duì)應(yīng)側(cè)的鉸接軸3-55上;上述旋轉(zhuǎn)犁架3和協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)組件3-5具有相同的角位移運(yùn)動(dòng)規(guī)律;旋轉(zhuǎn)犁架可實(shí)現(xiàn)無奇異往復(fù)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的幾何約束條件為:上述立柱1-2的高度大于等于翻轉(zhuǎn)梁3-3安裝孔3-30的中心與旋轉(zhuǎn)犁架的旋轉(zhuǎn)軸套3-1的中心之間距離的2倍;兩個(gè)液壓油缸安裝座1-4、1-5之間的中心距離大于等于協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)組件的兩個(gè)鉸接軸3-54、3-55中心距的2倍。
請(qǐng)參閱圖6至圖10,一種無奇異兩油缸液壓雙向翻轉(zhuǎn)犁,通過液壓油缸2a和液壓油缸2b的聯(lián)合驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)組件3-5繞安裝孔3-30旋轉(zhuǎn),液壓油缸2a與2b通過驅(qū)動(dòng)協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)組件3-5將力傳遞到旋轉(zhuǎn)犁架3上,帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)犁架3實(shí)現(xiàn)繞軸孔1-10的180°往復(fù)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),達(dá)到無奇異兩油缸液壓雙向翻轉(zhuǎn)犁第一工作狀態(tài)、第二工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)三者之間的自由切換,分別如圖6、圖7和圖8所示。此外,在圖9所示的無奇異兩油缸液壓雙向犁翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中,機(jī)構(gòu)的任務(wù)自由度數(shù)目為1,機(jī)構(gòu)自由度和驅(qū)動(dòng)構(gòu)件數(shù)目均為2,根據(jù)冗余機(jī)構(gòu)的定義,該翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)屬于運(yùn)動(dòng)冗余機(jī)構(gòu)。
建立如圖9所示的無奇異兩油缸液壓雙向翻轉(zhuǎn)犁的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖,在該簡(jiǎn)圖中建立坐標(biāo)系oxy,loa、log、lab、lac、lbd、lce、leg、lgd分別表示對(duì)應(yīng)兩點(diǎn)間線段的長(zhǎng)度,桿oa、桿bc、桿bd、桿ce與x軸的夾角分別用θ0、θ1、θ2、θ3表示。
建立無奇異兩油缸液壓雙向翻轉(zhuǎn)犁的運(yùn)動(dòng)模型,由幾何約束條件可得θ2與θ3的表達(dá)式為
針對(duì)閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈oacego,列寫閉環(huán)矢量方程
針對(duì)閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈oabdgo,列寫閉環(huán)矢量方程
根據(jù)式(3)和式(4),并結(jié)合實(shí)際裝配關(guān)系可得
式(1)~式(6)即為無奇異兩油缸液壓雙向翻轉(zhuǎn)犁的運(yùn)動(dòng)模型。
令d1=lbd,d2=lce,則該機(jī)構(gòu)液壓油缸的輸入速度矢量為
旋轉(zhuǎn)犁架的輸出角速度矢量表示為
將式(5)和式(6)對(duì)時(shí)間求導(dǎo),可得該機(jī)構(gòu)輸入與輸出之間的速度約束方程
aω=bv(9)
式中a為輸出雅可比矩陣,b為輸入雅可比矩陣。從而可得機(jī)構(gòu)的速度映射模型為
v=b-1aω(10)
機(jī)構(gòu)的速度雅可比矩陣為
j=b-1a(11)
式中a11=-loa[labsin(θ0+θ1)+logcosθ0+lgdsinθ0]
a12=-lab[loasin(θ0+θ1)-logcosθ1+lgdsinθ1]
a21=loa[lacsin(θ0+θ1)-logcosθ0+legsinθ0]
a22=lac[loasin(θ0+θ1)-logcosθ1-legsinθ1]
根據(jù)|a|和|b|是否為零,可以判斷兩油缸液壓雙向翻轉(zhuǎn)犁是否存在奇異位形。由于di≠0,i=1、2,所以|b|=d1d2≠0,因此,通過計(jì)算|a|即可判斷兩油缸液壓雙向翻轉(zhuǎn)犁存翻轉(zhuǎn)過程中是否發(fā)生奇異。因?yàn)閍為方陣,故其行列式的表達(dá)式為
|a|=lacloa(labsin(θ0+θ1)+logcosθ0+lgdsinθ0)(logcosθ1-loasin(θ0+θ1)+legsinθ1)
+labloa(lacsin(θ0+θ1)-logcosθ0+legsinθ0)(loasin(θ0+θ1)-logcosθ1+lgdsinθ1)(12)
根據(jù)懸掛架1和協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)組件3-5的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有l(wèi)ab=lac、leg=lgd成立,基于給定輸出運(yùn)動(dòng)關(guān)系θ0=θ1,代入式(12)后可得
由式(13)可知,當(dāng)leg>2lab且log≥2loa時(shí),|a|恒大于0,無奇異兩油缸液壓雙向翻轉(zhuǎn)犁在整個(gè)工作空間內(nèi)不存在奇異位形。針對(duì)工程實(shí)際中懸掛架的結(jié)構(gòu)尺寸范圍,設(shè)計(jì)無奇異兩油缸液壓雙向翻轉(zhuǎn)犁的結(jié)構(gòu)參數(shù)為:loa=300mm、log=750mm、lab=lac=120mm、leg=lgd=400mm,犁架的翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律為θ0=θ1=πsin2(0.25t),將以上參數(shù)和表達(dá)式代入式(13)中,可求得a的行列式,如圖10所示。從圖10中可以看出,a的行列式不存在等于0的情況,證明了在該組結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律條件下,犁架實(shí)現(xiàn)往復(fù)180°翻轉(zhuǎn)的過程中不存在奇異位形。
以上所述僅是對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已,并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制,凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所做的任何簡(jiǎn)單修改,等同變化與修飾,均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。