煙草中耕培土機傳動系統(tǒng)設(shè)計

范沿沿+李建華+王龍飛+仝振偉+夏云飛+張秀麗

摘要：煙葉在生長期間，需要中耕機械來實現(xiàn)除草、培土、施肥等多項田間管理功能。針對現(xiàn)有培土機易傷苗、作業(yè)效率低，且傳動方式單一的特點，設(shè)計了一種新型煙草中耕培土機，高地隙拖拉機動力輸出軸通過二級升速器將動力傳遞給液壓系統(tǒng)，最終驅(qū)動四個液壓馬達轉(zhuǎn)動實現(xiàn)跨行兩壟溝培土。主要對其傳動系統(tǒng)進行設(shè)計與分析，為煙草中耕培土機制造提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

Abstract： A cultivator is needed to realize a plurality of field management functions such as weeding， banking and fertilization during the growth period of tobacco. A new type of tobacco cultivators was designed according to the characteristics of the existing machine which was easy to hurt seedlings and had low operation efficiency and with the single drive mode. The power was transmitted to the hydraulic system via a two stage elevator through the high-clearance tractor power output shaft. Finally， two ridge was banked up by the rotation of four hydraulic motors. The drive system was designed and analyzed. The data base was provided for the manufacture of tobacco cultivators.

關(guān)鍵詞： 中耕培土機；煙草；傳動系統(tǒng)；校核分析

Key words： cultivators；tobacco；drive system；check and analysis

中圖分類號：S224.1；S365 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）04-0131-03

0 引言

中耕培土是煙草種植環(huán)節(jié)中的重要組成部分，是提高煙葉產(chǎn)量的重要措施之一[1]。煙草中耕培土具有疏松土壤，調(diào)節(jié)水肥供應(yīng)，改善土壤水、氣、熱狀況等優(yōu)點[2-4]。培土的方法主要有人工培土和機械培土，人工培土效率低，主要以機械培土為主。目前國內(nèi)培土機械大多是與手扶拖拉機配合的小型培土機，主要類型有螺旋式，圓盤式，犁刀式等，其中較高水平的是由中農(nóng)機械生產(chǎn)的中農(nóng)牌的培土機[5]?，F(xiàn)有培土機械在培土過程中，難以達到高培土；土壤流向不易控制，易傷苗[6-8]；作業(yè)效率低，難以滿足大田作業(yè)[9-10]。所以急需研制出高效、安全的新型培土機，為提高煙葉產(chǎn)量與質(zhì)量提供保障。

1 培土機設(shè)計要求

經(jīng)過調(diào)查研究，確定煙草中耕培土機的設(shè)計要求：中耕培土機械要能實現(xiàn)壟形與壟距調(diào)節(jié)，且在地表起伏不平的情況下亦能保證穩(wěn)定的耕深[11]；培土?xí)r要盡量達到土壤表層疏松平整，土壤位置變動?。慌嗤?xí)r培土高度要達到作物要求的高度，將土壤送至煙苗根部，但不得壓倒或傷害煙苗[12]；培土效率高，能實現(xiàn)多壟培土。

2 培土機總體設(shè)計

2.1 整機設(shè)計與工作原理

煙草中耕培土機是由拖拉機作為牽引機械，且由拖拉機提供動力作為液壓系統(tǒng)動力源的培土機具。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由液壓系統(tǒng)，機架，壟距調(diào)整裝置，限深裝置，護葉裝置，犁刀裝置，螺旋培土總成等組成。該機可實現(xiàn)一次多壟培土，壟形定量定位可調(diào)，壟距可以不對等調(diào)節(jié)，適應(yīng)性強，適合大田作業(yè)，作物損傷小，效率高。

本機由高地隙拖拉機提供動力，要求輪距跨單壟，機架掛接在拖拉機后。變速機構(gòu)和液壓系統(tǒng)安裝在機架上，拖拉機動力輸出軸與變速機構(gòu)相連，通過改變轉(zhuǎn)速來適應(yīng)液壓泵的需要，液壓泵為螺旋培土刀提供動力。通過限深機構(gòu)來保證松土的深度，犁刀裝置將碎土分到兩側(cè)，螺旋培土刀將土輸送到壟坡與壟頂作物的根部。

2.2 傳動路線

如圖2所示，培土機是由拖拉機提供動力。拖拉機動力輸出軸通過萬向聯(lián)軸器與變速箱的動力輸出軸相連接，然后通過變速箱升速后從傳動軸輸出，傳遞到液壓泵，液壓泵工作帶動四個液壓馬達的轉(zhuǎn)動，進而實現(xiàn)螺旋培土刀的轉(zhuǎn)動。

3 傳動部件的設(shè)計

3.1 培土機技術(shù)參數(shù)（如表1）

3.2 拖拉機功率的選擇

拖拉機必須為整機行走系統(tǒng)、中耕培土機具及其他輔助裝置提供足夠的動力。其中煙草培土機在培土過程中，輪胎滾動產(chǎn)生的阻力消耗功率P滾（kW）可由式（1）計算：

式中：f—煙草培土機的滾動阻力系數(shù)，取0.1；m—煙草培土機的質(zhì)量（kg）；V—煙草培土機培土?xí)r工作速度（km/h），得P滾=0.348～0.446kW。

結(jié)合煙草中耕培土作業(yè)的技術(shù)要求，初步選用型號BM2-50液壓馬達。根據(jù)液壓泵的最大工作壓力Pp和qp，計算得到液壓泵的驅(qū)動功率為5.74kW。由上述條件現(xiàn)選擇額定壓力14MPa；最高轉(zhuǎn)速3000r/min的HGP-3A-23齒輪泵。綜上選用拖拉機型號為東方紅ME-350H，輸出軸的轉(zhuǎn)速為540r/min，最大輸出功率為21.85kW。

3.3 傳動方案的選擇與設(shè)計

煙草培土機的螺旋培土刀由液壓裝置提供動力，參考其他兩壟起壟機，初步設(shè)計液壓泵的轉(zhuǎn)速為2000r/min，功率為10kW。所以，需要設(shè)計變速器來提升轉(zhuǎn)速。根據(jù)已知條件：選用拖拉機的輸出軸轉(zhuǎn)速n1=540r/min，最大輸出功率21.85kW，液壓泵所需的轉(zhuǎn)速n2=2000r/min，輸入功率為10kW。根據(jù)已知變速箱有兩種設(shè)計方案：一級升速器和二級升速器。endprint

①一級升速器的設(shè)計。采用單級變速器，聯(lián)軸器為萬向聯(lián)軸器，軸承選用滾動軸承。其傳動原理圖如圖3所示。由已知可得其傳動比為u=，經(jīng)過計算可得變速器的模數(shù)m=6，初步選小齒輪的齒數(shù)Z2=24，則大齒輪Z1的齒數(shù)Z1=≈89。根據(jù)培土機的整體設(shè)計發(fā)現(xiàn)，一級升速器的齒輪尺寸太大，不能安裝在機架上，不符合設(shè)計要求。

②二級升速器設(shè)計。二級升速器聯(lián)軸器為萬向聯(lián)軸器，軸承選用滾動軸承。其傳動原理圖如圖4所示。由已知可得其總傳動比為u==0.27，二級升速器按展開式布置，考慮潤滑條件，為使兩級大齒輪直徑相近，取i12=0.59，i34==0.46。根據(jù)計算，齒輪模數(shù)為m=3，初選小齒輪齒數(shù)Z2=27，大齒輪齒數(shù)Z1=≈46，齒輪Z3=53，齒輪Z4=24?？臻g尺寸滿足設(shè)計要求，所以選用二級升速器。

4 樣機試驗

2017年4月，在河南省許昌市許昌煙草所試驗田進行了煙草中耕培土機的現(xiàn)場操作演示與田間作業(yè)性能試驗。試驗地土壤為褐土，土壤絕對含水率為24.2%，土壤容重為1300kg/m3，堅實度小于0.20MPa。經(jīng)過多次試驗，測量數(shù)據(jù)，當作業(yè)速度為2.5～3.2km/h時，培土深度合格率為95%，碎土率為90%，培土壟形傾角合格率為93%，螺旋培土刀轉(zhuǎn)速202r/min。結(jié)果表明：整機傳動機構(gòu)設(shè)計合理，培土效率高，運行平穩(wěn)。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計出一種調(diào)節(jié)方便、作業(yè)效率高的煙草中耕培土機構(gòu)，重點對傳動部件進行了設(shè)計和計算。設(shè)計的二級升速器，輸出轉(zhuǎn)速達到2000r/min，達到液壓裝置所需要求。采用二級變速，減小了變速器尺寸，節(jié)省了空間；且由拖拉機動力輸出軸到液壓泵的動力傳動平穩(wěn)，保證功率的有效傳遞。試驗結(jié)果表明：該機具傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，培土效率高，運行平穩(wěn)。本研究可為煙草中耕培土機樣機制造提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也可作為其它中耕機械傳動系統(tǒng)分析的參考。

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