一种无奇异两油缸液压双向翻转犁的制作方法

本发明属于农业机械设备技术领域，具体涉及一种机械耕地用无奇异两油缸液压双向翻转犁。

背景技术：

双向翻转犁是一种对土地进行耕翻作业的农业用机械设备，其可以将肥力低的上层土壤翻到下层，将下层较好的土壤翻到上层并将残茬、杂草以及肥料、害虫等翻埋到土中，还可以使土质疏松，从而使土壤中能够保留适当的空气和水分，以利于农作物的生长，并且通过其犁架上装有的两组犁体翻转交替工作，减少拖拉机空行程，提高耕翻效率。

随着农业机械的迅速发展，双向翻转犁得到了更加广泛的应用。传统的双向翻转犁主要采用往复式单液压油缸驱动曲柄摇块机构以实现犁的翻转运动，具体操作是先操纵主油缸手柄将犁提升到最高位置，再操纵换向手柄和分配器手柄使犁架翻转，当犁架接近垂直位置时，将分配器手柄搬至浮动位置，犁架靠惯性继续翻转，转过一定角度后，再将分配器手柄快速搬至提升位置，使犁架翻转到工作位置，最后操纵主油缸手柄使犁架下落。该过程在实际工作中存在翻转操作复杂，操作时间长，翻转可靠性差、工作位置不稳定、有越中角速度要求、液压油缸工作过程中存在死点，容易造成液压油缸推杆变形等问题，而造成上述问题的根本原因是曲柄摇块机构在翻转过程中存在奇异。

奇异性是机构的一种本质属性。机构发生奇异时，速度雅可比矩阵为奇异矩阵，机构将获得多余的不可控自由度或者发生机构刚化导致自由度减少，此时机构的精度、刚度、驱动性能、运动稳定性和可操作度等指标都会显著降低。因此，在实际工作过程中如何越过或避免奇异位置是机构设计时必须要解决的问题。王建，高峰，吴成武等发表的一篇关于“双向犁翻转机构的分析与优化[j].农业机械学报，2005，36(5):36-40.”等以1lf-435a型翻转式双向犁为例，建立了立式油缸翻转机构的数学模型，给出了犁架依靠惯性越过死点(奇异位置)的角速度条件，即犁架必须在预定翻转时间内达到或超过该临界角速度值才能完成翻转，该限定条件使得机构在翻转过程中产生较大的惯性力，会直接影响机构的驱动性能和运动稳定性。此外，机构虽然能在惯性作用下越过奇异位置，但在奇异位置附近，机构的逆动力学方程因存在多解而导致机构失控，可操作性和刚度较差。

技术实现要素：

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种从根本上消除了传统双向犁在翻转过程中存在的奇异性问题的无奇异两油缸液压双向翻转犁。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种无奇异两油缸液压双向翻转犁，包括悬挂架、液压油缸、旋转犁架、安装在旋转犁架上的呈180°方向镜像对称设置的两组犁体，对应每组犁体旋转犁架上安装有限深轮；旋转犁架通过旋转轴安装在悬挂架上，所述旋转犁架与悬挂架之间设置有驱动旋转犁架翻转的液压油缸；所述悬挂架包括下悬挂梁，垂直固定安装在下悬挂梁中间位置的立柱，所述立柱的上端部固定连接与下悬挂梁平行设置的上悬挂梁；所述上悬挂梁的中点与立柱的上端点重合；在下悬挂梁的中点位置设有轴孔，所述轴孔内配装有旋转轴；在旋转犁架侧所述的上悬挂架对称设有两个液压油缸安装座，两个液压安装座的液压油缸安装位置不在同一水平面上；在旋转犁架的对侧所述的下悬挂梁上对称固定安装有机动车连接座，所述立柱上固定安装有机动车连接座；所述旋转犁架包括旋转轴套，所述旋转轴套安装在悬挂架上的旋转轴上；旋转轴套上焊接有犁架；在旋转轴套的一侧靠近悬挂架端水平焊接翻转梁；在翻转梁的对侧旋转轴套上焊接有平衡梁，平衡梁与犁架固定连接；所述的翻转梁水平中心线上设有安装孔，所述安装孔贯穿翻转梁，所述安装孔的轴线与旋转轴套的轴线平行；所述翻转梁的安装孔内安装有协调驱动组件，所述协调驱动组件包括中心轴、两个驱动臂，两个驱动臂分别固定安装在中心轴的两端，且两个驱动臂呈180°布置；所述中心轴铰接安装在翻转梁的安装孔内，两个驱动臂的另一端分别安装有铰接轴；两个铰接轴的中心距离中心轴中心的距离相等；所述液压油缸设有两个，其中一个液压油缸的液压油缸体连接悬挂架上的液压油缸安装座；液压油缸的另一端液压推杆连接协调驱动组件对应侧的铰接轴上；另一个液压油缸的液压油缸体连接悬挂架上的另一个液压油缸安装座；液压油缸的另一端液压推杆连接协调驱动组件对应侧的铰接轴上；上述旋转犁架和协调驱动组件具有相同的角位移运动规律；上述立柱的高度大于等于翻转梁安装孔的中心与旋转犁架的旋转轴套的中心之间距离的2倍；两个液压油缸安装座之间的中心距离大于等于协调驱动组件的两个铰接轴中心距的2倍。

本发明具有的优点和积极效果是：由于本发明采用上述技术方案，具有以下优点：

1、本申请通过采用设计得到的运动冗余翻转机构，可彻底消除传统双向翻转犁翻转过程中存在的机构奇异性问题，有效提高了双向翻转犁的灵巧度和可操作度。

2、本申请与传统双向翻转犁相比，采用了双液压油缸联合驱动的驱动方式，机构承载能力更强，可用于大型重载双向翻转犁的设计。

3、本申请与传统双向翻转犁相比，犁架翻转过程中没有越中角速度要求，翻转过程更加平稳可靠，还可有效减小拖拉机的左右晃动，系统的可靠性和稳定性更高，还可根据实际工况选用低速翻转运动规律或无冲击的正弦加速度运动规律，应用范围更广。

4、本申请与采用冗余驱动方式的双向翻转犁相比，两个液压驱动器的载荷分配唯一确定，且不会出现过约束的情况，机构驱动力的分配也不需要通过复杂的力位混合控制方法和高成本的控制器来实现，机构控制系统结构简单、成本低。

5、本申请与翻转机构中含有髙副(齿轮副、凸轮副)的双向翻转犁相比，本发明的机械结构组成中只含有低副(转动副、移动副)，由于髙副连接的两个构件之间是点或线接触，而低副连接的两个构件之间是面接触，因此本申请与翻转机构中含有髙副(齿轮副、凸轮副)的双向翻转犁相比，机构整体刚度和承载能力更强，运动副耐磨性好、使用寿命更长。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中a-a剖视图；

图3是旋转犁架结构示意图；

图4是协调驱动组件结构示意图；

图5是本发明立体结构示意图；

图6是本发明第一种工作状态结构示意图；

图7是本发明第二种工作状态结构示意图。

图8是本发明非工作状态(由第一种工作状态顺时针旋转90°度或第二种工作状态逆时针旋转90°)结构示意图；

图9是本发明的机构简图；

图10是矩阵a的行列式。

图中：1、悬挂架；1-1、下悬挂梁；1-2、立柱；1-3、上悬挂梁；1-4、液压油缸安装座；1-5、液压油缸安装座；1-6、机动车连接座；1-7、机动车连接座；2a、液压油缸；2b、液压油缸；3、旋转犁架；3-1、旋转轴套；3-2、犁架；3-3、翻转梁；3-30、安装孔；3-4、平衡梁；3-5、协调驱动组件；3-51、中心轴；3-52、驱动臂；3-53、驱动臂；3-54、铰接轴；3-55、铰接轴；4、犁体；5、限深轮；6、旋转轴。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1至图5，一种无奇异两油缸液压双向翻转犁，包括悬挂架1、液压油缸、旋转犁架3、安装在旋转犁架上的呈180°方向镜像对称设置的两组犁体4，对应每组犁体旋转犁架上安装有限深轮5；旋转犁架3通过旋转轴6安装在悬挂架1上，所述旋转犁架3与悬挂架1之间设置有驱动旋转犁架翻转的液压油缸；所述悬挂架1包括下悬挂梁1-1，垂直固定安装在下悬挂梁1-1中间位置的立柱1-2，所述立柱1-2的上端部固定连接与下悬挂梁1-1平行设置的上悬挂梁1-3；所述上悬挂梁1-3的中点与立柱1-2的上端点重合；在下悬挂梁1-1的中点位置设有轴孔1-10，所述轴孔内配装有旋转轴6；在旋转犁架3侧所述的上悬挂架1-3对称设有两个液压油缸安装座1-4、1-5，两个液压安装座的液压油缸安装位置不在同一水平面上；在旋转犁架3的对侧所述的下悬挂梁1-1上对称固定安装有机动车连接座1-6，所述立柱1-2上固定安装有机动车连接座1-7；所述旋转犁架3包括旋转轴套3-1，所述旋转轴套安装在悬挂架上的旋转轴6上；旋转轴套3-1上焊接有犁架3-2；在旋转轴套3-1的一侧靠近悬挂架1端水平焊接翻转梁3-3；在翻转梁3-3的对侧旋转轴套3-1上焊接有平衡梁3-4，平衡梁3-4与犁架3-2固定连接；所述的翻转梁3-3水平中心线上设有安装孔3-30，所述安装孔贯穿翻转梁3-3，所述安装孔的轴线与旋转轴套3-1的轴线平行；所述翻转梁3-3的安装孔3-30内安装有协调驱动组件3-5，所述协调驱动组件3-5包括中心轴3-51、两个驱动臂3-52、3-53，两个驱动臂分别固定安装在中心轴3-51的两端，且两个驱动臂呈180°布置；所述中心轴3-51铰接安装在翻转梁3-3的安装孔3-30内，两个驱动臂的另一端分别安装有铰接轴3-54、3-55；两个铰接轴的中心距离中心轴中心的距离相等；所述液压油缸设有两个分别为液压油缸2a、液压油缸2b，其中一个液压油缸2a的液压油缸体连接悬挂架上的液压油缸安装座1-4；液压油缸的另一端液压推杆连接协调驱动组件对应侧的铰接轴3-54上；另一个液压油缸2b的液压油缸体连接悬挂架上的另一个液压油缸安装座1-5；液压油缸的另一端液压推杆连接协调驱动组件对应侧的铰接轴3-55上；上述旋转犁架3和协调驱动组件3-5具有相同的角位移运动规律；旋转犁架可实现无奇异往复翻转运动的几何约束条件为：上述立柱1-2的高度大于等于翻转梁3-3安装孔3-30的中心与旋转犁架的旋转轴套3-1的中心之间距离的2倍；两个液压油缸安装座1-4、1-5之间的中心距离大于等于协调驱动组件的两个铰接轴3-54、3-55中心距的2倍。

请参阅图6至图10，一种无奇异两油缸液压双向翻转犁，通过液压油缸2a和液压油缸2b的联合驱动，驱动协调驱动组件3-5绕安装孔3-30旋转，液压油缸2a与2b通过驱动协调驱动组件3-5将力传递到旋转犁架3上，带动旋转犁架3实现绕轴孔1-10的180°往复翻转运动，达到无奇异两油缸液压双向翻转犁第一工作状态、第二工作状态和非工作状态三者之间的自由切换，分别如图6、图7和图8所示。此外，在图9所示的无奇异两油缸液压双向犁翻转机构中，机构的任务自由度数目为1，机构自由度和驱动构件数目均为2，根据冗余机构的定义，该翻转机构属于运动冗余机构。

建立如图9所示的无奇异两油缸液压双向翻转犁的机构简图，在该简图中建立坐标系oxy，loa、log、lab、lac、lbd、lce、leg、lgd分别表示对应两点间线段的长度，杆oa、杆bc、杆bd、杆ce与x轴的夹角分别用θ0、θ1、θ2、θ3表示。

建立无奇异两油缸液压双向翻转犁的运动模型，由几何约束条件可得θ2与θ3的表达式为

针对闭环运动链oacego，列写闭环矢量方程

针对闭环运动链oabdgo，列写闭环矢量方程

根据式(3)和式(4)，并结合实际装配关系可得

式(1)～式(6)即为无奇异两油缸液压双向翻转犁的运动模型。

令d1＝lbd，d2＝lce，则该机构液压油缸的输入速度矢量为

旋转犁架的输出角速度矢量表示为

将式(5)和式(6)对时间求导，可得该机构输入与输出之间的速度约束方程

aω＝bv(9)

式中a为输出雅可比矩阵，b为输入雅可比矩阵。从而可得机构的速度映射模型为

v＝b^-1aω(10)

机构的速度雅可比矩阵为

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]

根据|a|和|b|是否为零，可以判断两油缸液压双向翻转犁是否存在奇异位形。由于di≠0，i＝1、2，所以|b|＝d1d2≠0，因此，通过计算|a|即可判断两油缸液压双向翻转犁存翻转过程中是否发生奇异。因为a为方阵，故其行列式的表达式为

|a|＝lacloa(labsin(θ0+θ1)+logcosθ0+lgdsinθ0)(logcosθ1-loasin(θ0+θ1)+legsinθ1)

+labloa(lacsin(θ0+θ1)-logcosθ0+legsinθ0)(loasin(θ0+θ1)-logcosθ1+lgdsinθ1)(12)

根据悬挂架1和协调驱动组件3-5的结构特点有lab＝lac、leg＝lgd成立，基于给定输出运动关系θ0＝θ1，代入式(12)后可得

由式(13)可知，当leg>2lab且log≥2loa时，|a|恒大于0，无奇异两油缸液压双向翻转犁在整个工作空间内不存在奇异位形。针对工程实际中悬挂架的结构尺寸范围，设计无奇异两油缸液压双向翻转犁的结构参数为：loa＝300mm、log＝750mm、lab＝lac＝120mm、leg＝lgd＝400mm，犁架的翻转运动规律为θ0＝θ1＝πsin²(0.25t)，将以上参数和表达式代入式(13)中，可求得a的行列式，如图10所示。从图10中可以看出，a的行列式不存在等于0的情况，证明了在该组结构参数和运动规律条件下，犁架实现往复180°翻转的过程中不存在奇异位形。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。