水田雙向修筑埂機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王金峰 翁武雄 劉俊麟 王金武 莫毅松 那明君

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.常州漢森機(jī)械有限公司， 常州 213033)

0 引言

筑埂是實(shí)現(xiàn)水田淹灌的關(guān)鍵，堅(jiān)實(shí)合理的田埂是水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要保證，可有效節(jié)約水資源，有利于我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化農(nóng)田建設(shè)[1-4]。

國(guó)外對(duì)機(jī)械筑埂技術(shù)的研究起步較早，其中日本對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究較為成熟，具有代表性的機(jī)具有小橋工業(yè)有限公司生產(chǎn)的RKM系列、佐佐木有限公司生產(chǎn)的KN207型以及松山有限公司生產(chǎn)的CZR351型水田單側(cè)筑埂機(jī)，采用機(jī)電液等多項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)作業(yè)部件的自動(dòng)換向[5-7]，所修筑田埂筆直平整，堅(jiān)實(shí)可靠，但上述筑埂機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)昂貴且維修不便，不適宜在國(guó)內(nèi)推廣。目前我國(guó)大多采用人工的方式修筑田埂，勞動(dòng)強(qiáng)度大，作業(yè)效率低，修筑的田埂高低不平，易松垮倒塌，且需人工反復(fù)修筑。國(guó)內(nèi)一些科研院所及中小企業(yè)也研制出一些筑埂機(jī)型，主要分為單側(cè)筑埂與雙側(cè)筑埂兩種形式[8-11]，但存在一定的局限性，無法對(duì)地頭拐角處田埂進(jìn)行修筑?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中很少有關(guān)于倒行筑埂研究的報(bào)道，王金峰等[11]研制的1SZ-800型懸掛式水田單側(cè)筑埂機(jī)雖然能實(shí)現(xiàn)作業(yè)部件的180°翻轉(zhuǎn)，但翻轉(zhuǎn)過程仍需人力推動(dòng)協(xié)助進(jìn)行，且翻轉(zhuǎn)后鎖定繁瑣，加之整機(jī)過重，動(dòng)力消耗大，影響機(jī)具使用的可靠性及經(jīng)濟(jì)性。

基于上述分析，本文結(jié)合東北地區(qū)水田筑埂農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)一種旋耕和鎮(zhèn)壓部件具有180°水平回轉(zhuǎn)功能的水田雙向修筑埂機(jī)，對(duì)其結(jié)構(gòu)及工作原理進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，獲取合理的機(jī)具結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 水田筑埂農(nóng)藝要求

筑埂機(jī)所筑田埂截面一般呈梯形，田埂高度為250～300 mm，埂底寬度為400～600 mm，埂頂寬度為250～350 mm，土壤堅(jiān)實(shí)度不小于1 MPa，黑龍江省筑埂作業(yè)時(shí)間為每年4月中下旬或者5月上旬，取土后形成的溝槽深度不大于200 mm。

2 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，水田雙向修筑埂機(jī)主要由懸掛牽引架、橫向偏移機(jī)構(gòu)、180°水平回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、旋耕部件、鎮(zhèn)壓部件、耕深調(diào)節(jié)裝置、擋土罩殼、尾輪以及傳動(dòng)系統(tǒng)組成。

其中主要作業(yè)部件包括180°水平回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、旋耕部件和鎮(zhèn)壓部件。旋耕部件置于相對(duì)180°水平回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的前部，實(shí)現(xiàn)旋切、碎土與集土等功能，鎮(zhèn)壓部件置于后部，能夠壓實(shí)土壤，筑埂成型。旋耕變速箱和筑埂變速箱固接于一體，可繞副變速箱進(jìn)行定軸轉(zhuǎn)動(dòng)。180°水平回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制旋耕部件和鎮(zhèn)壓部件的180°水平回轉(zhuǎn)及鎖定。耕深調(diào)節(jié)裝置可伸縮地連接在筑埂變速箱與180°水平回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)之間，能夠控制旋耕變速箱和筑埂變速箱的轉(zhuǎn)動(dòng)角度大小，改變?nèi)⊥辽疃燃爸「叨取Ｍㄟ^在整機(jī)尾部安裝尾輪抵消來自鎮(zhèn)壓部件的側(cè)向力。橫向偏移機(jī)構(gòu)與180°水平回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上雙作用液壓缸Ⅰ、Ⅱ的油口均通過液壓油管與拖拉機(jī)后置油口相連，利用拖拉機(jī)上的液壓系統(tǒng)進(jìn)行伸縮控制。

2.2 傳動(dòng)系統(tǒng)與工作原理

水田雙向修筑埂機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)如圖2所示，修筑埂機(jī)的動(dòng)力由拖拉機(jī)后方的動(dòng)力輸出軸通過萬向節(jié)連接至動(dòng)力輸入軸來提供，通過主變速箱變速后經(jīng)過180°水平回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)傳遞至副變速箱，再由副變速箱分配至旋耕變速箱及筑埂變速箱上驅(qū)動(dòng)旋耕和鎮(zhèn)壓部件進(jìn)行作業(yè)，旋耕部件和鎮(zhèn)壓部件轉(zhuǎn)速比為3∶2，旋耕部件和動(dòng)力輸入軸轉(zhuǎn)速比為1∶1。主變速箱與180°水平回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)之間由軸承Ⅰ進(jìn)行鉸接，副變速箱與旋耕變速箱之間由軸承Ⅱ進(jìn)行鉸接，保證180°水平回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)角度及旋耕部件取土作業(yè)深度改變后不會(huì)影響傳動(dòng)系統(tǒng)作業(yè)。

圖2 水田雙向修筑埂機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Structure diagram of transmission system1.動(dòng)力輸入軸 2.主變速箱 3.軸承Ⅰ 4.180°水平回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 5.副變速箱 6.軸承Ⅱ 7.旋耕部件動(dòng)力輸入軸 8.旋耕變速箱 9.鎮(zhèn)壓部件動(dòng)力輸入軸 10.筑埂變速箱

作業(yè)時(shí)，根據(jù)不同型號(hào)拖拉機(jī)的輪距控制橫向偏移機(jī)構(gòu)以調(diào)整修筑埂機(jī)的橫向起始作業(yè)位置；按照水田舊埂修補(bǔ)或者原地起埂的要求，調(diào)節(jié)旋耕和鎮(zhèn)壓部件至理想作業(yè)位置。拖拉機(jī)行駛過程中，旋耕部件上的旋耕刀具高速旋轉(zhuǎn)對(duì)土壤進(jìn)行切削，并將土壤拋甩至機(jī)具側(cè)后方區(qū)域，經(jīng)由擋土罩殼將土堆匯聚至鎮(zhèn)壓部件的工作區(qū)域，通過鎮(zhèn)壓部件的旋轉(zhuǎn)及彈性變形對(duì)聚攏的土堆進(jìn)行拍打鎮(zhèn)壓，完成單側(cè)田埂的修筑。而后拖拉機(jī)換向，沿著單側(cè)田埂的軌跡反向行駛，修筑另一側(cè)田埂。在拖拉機(jī)行駛到地頭拐角處由于機(jī)身占用一段距離無法繼續(xù)修筑田埂時(shí)，調(diào)整180°水平回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)完成旋耕和鎮(zhèn)壓部件從前行作業(yè)位置至倒行作業(yè)位置的180°水平回轉(zhuǎn)與鎖定，拖拉機(jī)換向，以倒行的方式完成拐角處田埂的修筑作業(yè)。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 觸土部件

觸土部件主要包括旋耕部件和鎮(zhèn)壓部件。作業(yè)時(shí)，旋耕部件進(jìn)行取土拋土，鎮(zhèn)壓部件對(duì)匯聚的土堆進(jìn)行鎮(zhèn)壓。二者協(xié)同作業(yè)實(shí)現(xiàn)筑埂成型。

圖3 旋耕部件示意圖Fig.3 Structure diagram of rotary tillage assembly1.取土彎刀 2.旋耕刀軸 3.拋土彎刀 4.切型彎刀

旋耕部件由旋耕刀軸和不同類型彎刀[12-17]組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。在旋耕刀軸上安裝取土彎刀、拋土彎刀和切型彎刀完成取土、拋土、切型功能，將舊田埂切成3個(gè)梯度級(jí)的階梯狀，有利于減小旋耕過程中受到的阻力，提高碎土效率。3種類型彎刀組合可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)處取土拋土，近處聚攏切型，為后續(xù)筑埂作業(yè)提供充足集土量。本文參考文獻(xiàn)[8]選擇取土彎刀、拋土彎刀和切型彎刀的回轉(zhuǎn)半徑分別為270、230、145 mm。

鎮(zhèn)壓部件由層疊分布的折彎式彈片和鎮(zhèn)壓輥組成，各彈片按照回轉(zhuǎn)方向形成前高后低的傾斜狀態(tài)，相鄰彈片間按照與土壤接觸的有效作業(yè)區(qū)域分為接觸面區(qū)域與非接觸面區(qū)域[18-20]，結(jié)構(gòu)如圖4所示。作業(yè)過程中，彈片的振動(dòng)壓實(shí)與鎮(zhèn)壓輥的靜力壓實(shí)相結(jié)合，對(duì)埂頂及埂側(cè)同時(shí)進(jìn)行推壓夯實(shí)，筑埂成型。本文參考文獻(xiàn)[10]選擇鎮(zhèn)壓部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)：鎮(zhèn)壓輥直徑180 mm，鎮(zhèn)壓部件外圓直徑800 mm，彈片厚度4 mm，單個(gè)彈片彎折角度150°。

圖4 鎮(zhèn)壓部件示意圖Fig.4 Structure diagram of compacting assembly1.鎮(zhèn)壓輥 2.彈片

3.2 橫向偏移機(jī)構(gòu)

橫向偏移機(jī)構(gòu)連接于機(jī)具懸掛牽引架與作業(yè)部件之間，可控制作業(yè)部件左右橫擺距離，整體結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由懸掛連桿、球叉式萬向節(jié)、平行擺臂、雙作用液壓缸Ⅰ及支撐架組成。平行擺臂兩端分別與懸掛連桿及支撐架鉸接，形成平行四邊形，雙作用液壓缸Ⅰ兩頭分別與平行擺臂及支撐架鉸接。

圖5 橫向偏移機(jī)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of offset system1.懸掛連桿 2.球叉式萬向節(jié) 3.雙作用液壓缸Ⅰ 4.平行擺臂 5.支撐架

作業(yè)前后調(diào)整橫向偏移機(jī)構(gòu)可適應(yīng)不同作業(yè)狀況，提高機(jī)具的通用性。在拖拉機(jī)前行作業(yè)時(shí)，可保證拖拉機(jī)車輪不碾壓到舊埂；在拖拉機(jī)倒行作業(yè)時(shí)，可避免拖拉機(jī)一側(cè)車輪碾入旋耕部件取土后遺留在已耕地上的溝槽中；在完成單側(cè)田埂修筑后，駕駛員更易于在拖拉機(jī)駕駛室中對(duì)偏移距離進(jìn)行控制，使旋耕和鎮(zhèn)壓部件快速靠近埂邊對(duì)準(zhǔn)埂面，進(jìn)行另一側(cè)田埂的修筑，保證所筑田埂左右兩側(cè)對(duì)稱；在運(yùn)輸過程中，可改變機(jī)具重心位置保證運(yùn)輸狀態(tài)工作平穩(wěn)。橫向偏移機(jī)構(gòu)作業(yè)效果如圖6所示，其中L1為前行作業(yè)時(shí)拖拉機(jī)右側(cè)輪胎與田埂之間的距離，L2為倒行作業(yè)時(shí)拖拉機(jī)左側(cè)輪胎與田埂之間的距離。

圖6 橫向偏移機(jī)構(gòu)作業(yè)效果示意圖Fig.6 Working effect diagram of offset system1.拖拉機(jī)輪胎 2.旋耕部件 3.鎮(zhèn)壓部件 4.田埂 5.溝槽

對(duì)橫向偏移機(jī)構(gòu)偏移運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖7所示。

圖7 橫向偏移機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.7 Kinematic sketch of offset system1.懸掛連桿 2.雙作用液壓缸Ⅰ 3.平行擺臂 4.支撐架

A、B、C、D、E為各個(gè)鉸連點(diǎn)，C′、D′、E′、C″、D″、E″為向左和向右偏移至極限位置時(shí)鉸連點(diǎn)所在位置。在調(diào)節(jié)過程中，橫向偏移機(jī)構(gòu)活動(dòng)構(gòu)件數(shù)量為5個(gè)，各鉸連點(diǎn)以及移動(dòng)副均為低副，共7個(gè)，分析計(jì)算該機(jī)構(gòu)的整體自由度為1，滿足機(jī)械運(yùn)動(dòng)要求，可進(jìn)行橫向偏移運(yùn)動(dòng)。當(dāng)雙作用液壓缸Ⅰ的推桿位置鎖定時(shí)，該機(jī)構(gòu)活動(dòng)構(gòu)件數(shù)量為4個(gè)，低副連接為6個(gè)，機(jī)構(gòu)整體自由度為0，實(shí)現(xiàn)剛性連接進(jìn)行筑埂作業(yè)。根據(jù)51.5～66.2 kW拖拉機(jī)下拉桿位置設(shè)計(jì)懸掛連桿長(zhǎng)度lAB為670 mm，由各構(gòu)件的幾何關(guān)系可求得平行擺臂的長(zhǎng)度lBC為

(1)

式中λ——橫向偏移機(jī)構(gòu)最大可調(diào)橫向距離，mm

φ——橫向偏移機(jī)構(gòu)最大可調(diào)節(jié)角度，(°)

為適應(yīng)不同作業(yè)工況，根據(jù)拖拉機(jī)輪距尺寸以及修筑埂機(jī)旋耕和鎮(zhèn)壓部件與拖拉機(jī)輪胎之間的距離，確定橫向偏移機(jī)構(gòu)最大可調(diào)節(jié)橫向距離λ為370 mm。由圖5可知，懸掛連桿與支撐架之間由球叉式萬向節(jié)進(jìn)行動(dòng)力傳遞，由于球叉式萬向節(jié)最大工作偏角為33°，為保證球叉式萬向節(jié)工作平穩(wěn)，設(shè)計(jì)其工作偏角比最大工作偏角小5°，即設(shè)計(jì)球叉式萬向節(jié)工作偏角φ為28°。由式(1)可求得平行擺臂長(zhǎng)度lBC為788 mm。為確定鉸連點(diǎn)E在平行擺臂上所處位置，根據(jù)懸掛連桿長(zhǎng)度、平行擺臂長(zhǎng)度和拖拉機(jī)輪距選擇行程為400 mm的標(biāo)準(zhǔn)雙作用液壓缸Ⅰ，安裝距最長(zhǎng)為1 020 mm，最短為620 mm。當(dāng)橫向偏移機(jī)構(gòu)往左偏移至極限位置時(shí)，在△D′C′E′中由余弦定理可得

(2)

當(dāng)橫向偏移機(jī)構(gòu)往右偏移至極限位置時(shí)，在△D″C″E″中由余弦定理可得

(3)

將最短安裝距作為lD″E″代入式(3)可得lCE為500 mm，將lCE的值代入式(2)求得lD′E′為1 007 mm，小于最大安裝距(1 020 mm)，說明所選擇雙作用液壓缸Ⅰ在滿足偏移條件的情況下，E點(diǎn)選擇在平行擺臂上距離B點(diǎn)288 mm處較為合適。

3.3 180°水平回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

3.3.1結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作原理

180°水平回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由雙作用液壓缸Ⅱ、連桿、支撐架、快速鎖緊裝置、鏈傳動(dòng)箱、滑槽和滑塊組成，主要用于控制旋耕和鎮(zhèn)壓部件在水平方向上的180°回轉(zhuǎn)及鎖定，實(shí)現(xiàn)前行與倒行兩種作業(yè)方式的快速轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 180°水平回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.8 Structure diagram of 180° horizontal rotary adjustment mechanism1.雙作用液壓缸Ⅱ 2.連桿 3.支撐架 4.快速鎖緊裝置 5.鏈傳動(dòng)箱 6.滑槽 7.滑塊

其中在支撐架上分別鉸連雙作用液壓缸Ⅱ和連桿，連桿的一端與雙作用液壓缸Ⅱ鉸接，在鏈傳動(dòng)箱上設(shè)置滑槽，滑塊可移動(dòng)地配裝在滑槽內(nèi)，連桿的另一端可轉(zhuǎn)動(dòng)地插入配裝在滑塊中心孔內(nèi)。筑埂作業(yè)時(shí)，快速鎖緊裝置處于鎖死狀態(tài)，當(dāng)需要切換作業(yè)方式時(shí)，解開快速鎖緊裝置，控制雙作用液壓缸Ⅱ的伸縮量，驅(qū)動(dòng)連桿在支撐架上轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿帶動(dòng)滑塊在滑槽內(nèi)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)旋耕和鎮(zhèn)壓部件的180°水平回轉(zhuǎn)，再由快速鎖緊裝置進(jìn)行鎖定，完成水田雙向修筑埂機(jī)作業(yè)方式的快速轉(zhuǎn)換。

3.3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

為保證旋耕和鎮(zhèn)壓部件前行與倒行作業(yè)方向處在一條直線上，并且使回轉(zhuǎn)過程趨于平穩(wěn)，需確定滑槽長(zhǎng)度及鏈傳動(dòng)箱的角速度。因此，對(duì)180°水平回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，如圖9所示。

圖9 180°水平回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖Fig.9 Kinematic sketch of 180° horizontal rotary adjustment mechanism1.雙作用液壓缸Ⅱ 2.連桿 3.支撐架 4.滑塊中心軌跡 5.鏈傳動(dòng)箱 6.滑槽 7.滑塊

以O(shè)點(diǎn)為原點(diǎn)建立平面直角坐標(biāo)系，其中連桿繞O1點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，θ1為連桿回轉(zhuǎn)角，鏈傳動(dòng)箱繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，θ2為鏈傳動(dòng)箱回轉(zhuǎn)角，a為中心距，R為滑塊中心點(diǎn)O2繞O1點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，且R>a，b為滑塊中心點(diǎn)O2與原點(diǎn)O之間的距離。

在△O1OO2中由余弦定理推導(dǎo)出b為

(4)

bmin=R-a

(5)

(6)

bmax與bmin決定了滑塊的移動(dòng)范圍，因此鏈傳動(dòng)箱上設(shè)置的滑槽長(zhǎng)度l2為

(7)

式中l(wèi)1——滑塊長(zhǎng)度，mm

滑塊在滑槽長(zhǎng)度l2范圍內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)滑塊中心軸承尺寸確定滑塊長(zhǎng)度l1為120 mm。由180°水平回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)可知鉸連點(diǎn)O1應(yīng)設(shè)置在支撐架上主變速箱的安裝范圍外，根據(jù)所選主變速箱底座安裝尺寸(290 mm×310 mm)可知中心距a應(yīng)不小于240 mm。如圖8所示，滑槽設(shè)置在鏈傳動(dòng)箱上，為保證旋耕與鎮(zhèn)壓部件的安裝空間，bmax的長(zhǎng)度應(yīng)不大于370 mm。

回轉(zhuǎn)過程中，連桿以角速度ω1勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正，偏心率為e，則

(8)

為保證鏈傳動(dòng)箱運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，需確定鏈傳動(dòng)箱角速度ω2。將連桿在O2點(diǎn)的速度vO2分解成垂直于鏈傳動(dòng)箱的速度vτ和滑塊的移動(dòng)速度vγ進(jìn)行分析，連桿在O2點(diǎn)的速度vO2與連桿方向垂直，則

(9)

其中

式中β——連桿在O2點(diǎn)的速度vO2與鏈傳動(dòng)箱在O2點(diǎn)的速度vτ之間的夾角，(°)

ω2——鏈傳動(dòng)箱角速度，rad/s

由直角三角形△OGO2幾何關(guān)系可得

(10)

將式(4)、(9)代入式(10)，結(jié)合式(8)可得鏈傳動(dòng)箱的角速度ω2為

(11)

對(duì)式(11)兩邊同時(shí)求導(dǎo)可得鏈傳動(dòng)箱的角加速度ε為

(12)

(13)

由式(13)可知，鏈傳動(dòng)箱最大角速度ω2max與偏心率e、連桿角速度ω1有關(guān)，減小偏心率e與連桿角速度ω1能降低鏈傳動(dòng)箱角速度ω2。由式(8)可知，減小a或者增大R均可減小偏心率e。為了得到e的最小值，a取最小值240 mm，為保證bmax不大于370 mm，將a代入式(6)中求得R最大值為441 mm，將a與R的值代入式(7)中確定滑槽長(zhǎng)度l2為289 mm，此時(shí)偏心率e為0.54。作業(yè)時(shí)，連桿由雙作用液壓缸Ⅱ進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過在雙作用液壓缸Ⅱ進(jìn)油口處安裝單向節(jié)流閥控制液壓油流量，減小連桿角速度ω1，使回轉(zhuǎn)過程趨于平穩(wěn)。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

黑龍江地區(qū)主要耕作土壤類型有黑土、草甸土和白漿土。為確定水田雙向修筑埂機(jī)成埂所需土壤含水率條件，在黑龍江不同土壤含水率的地塊上進(jìn)行筑埂作業(yè)。研究表明：3種類型土壤含水率在23%～30%范圍內(nèi)成埂效果良好。當(dāng)含水率過低時(shí)，機(jī)具取土過程中土壤無法匯聚；當(dāng)含水率過高時(shí)，機(jī)具作業(yè)時(shí)土壤易被旋耕和鎮(zhèn)壓部件甩出，無法鎮(zhèn)壓成型。水田雙向修筑埂機(jī)在不同含水率地塊上的作業(yè)效果如圖10所示。

圖10 不同含水率下的作業(yè)效果Fig.10 Working effect of bi-directional ridger under different soil water contents

為檢測(cè)水田雙向修筑埂機(jī)所修筑田埂的質(zhì)量，于2018年5月3日在黑龍江省哈爾濱市呼蘭區(qū)許堡鄉(xiāng)郎堡村農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水稻萬畝高產(chǎn)示范基地進(jìn)行田間作業(yè)性能試驗(yàn)。田間環(huán)境溫度17℃，環(huán)境相對(duì)濕度59%，風(fēng)力3～4級(jí)，田間試驗(yàn)所選地塊土壤堅(jiān)實(shí)度180～210 kPa，土壤含水率24%～25%，配套動(dòng)力為東方紅LX904型拖拉機(jī)。田埂堅(jiān)實(shí)度是保證水田蓄水能力的關(guān)鍵因素，直接影響水稻的產(chǎn)量。因此，本試驗(yàn)選取田埂堅(jiān)實(shí)度作為田埂質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)，田埂堅(jiān)實(shí)度的平均值及變異系數(shù)計(jì)算式為

(14)

(15)

Qi——第i點(diǎn)田埂堅(jiān)實(shí)度測(cè)量值，kPa

n——田埂堅(jiān)實(shí)度測(cè)量次數(shù)

V——田埂堅(jiān)實(shí)度變異系數(shù)，%

由文獻(xiàn)[10]可知，機(jī)具作業(yè)速度與工作轉(zhuǎn)速是影響田埂堅(jiān)實(shí)度的主要因素。因此，本文控制拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸轉(zhuǎn)速為540 r/min，進(jìn)行不同作業(yè)速度的前行與倒行田間作業(yè)性能試驗(yàn)，分析田埂堅(jiān)實(shí)度隨時(shí)間的變化情況。前行作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)依次掛低速Ⅰ擋、低速Ⅱ擋和低速Ⅲ擋(油門控制在90%左右)，將作業(yè)速度分別控制在1.5、2.3、2.8 km/h，作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)，作業(yè)速度為2.8 km/h時(shí)機(jī)具無法筑埂成型；倒行作業(yè)時(shí)，掛倒車Ⅰ擋，若將油門控制在90%左右作業(yè)速度將達(dá)到2.7 km/h左右，機(jī)具無法筑埂成型，因此將作業(yè)速度控制在2.0 km/h左右(油門控制在60%左右)進(jìn)行筑埂作業(yè)。試驗(yàn)時(shí)，對(duì)水田雙向修筑埂機(jī)進(jìn)行調(diào)試，按照作業(yè)方式調(diào)整橫向偏移機(jī)構(gòu)及180°水平回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)至起始作業(yè)狀態(tài)，根據(jù)原地起埂作業(yè)要求調(diào)節(jié)旋耕部件作業(yè)深度至200 mm以確保作業(yè)所需集土量，保證機(jī)具有效作業(yè)距離為15 m以上，作業(yè)效果如圖11所示。

圖11 雙向修筑埂機(jī)田間試驗(yàn)Fig.11 Field test of bi-directional ridger

筑埂作業(yè)完成后立即測(cè)量田埂堅(jiān)實(shí)度，沿所筑田埂方向每間隔3 m進(jìn)行標(biāo)識(shí)，在同一截面內(nèi)的田埂兩側(cè)和埂頂位置對(duì)堅(jiān)實(shí)度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量位置如圖12所示，每個(gè)時(shí)間點(diǎn)選取5個(gè)截面，累計(jì)測(cè)量15個(gè)點(diǎn)，并在之后每間隔1 h測(cè)量一次，共測(cè)量9個(gè)時(shí)間點(diǎn)，觀察田埂堅(jiān)實(shí)度的變化情況。

按式(14)、(15)分別計(jì)算不同作業(yè)速度及筑埂后不同間隔時(shí)間下田埂堅(jiān)實(shí)度的平均值和變異系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1中的測(cè)試數(shù)據(jù)，得到不同作業(yè)速度下，筑埂后間隔時(shí)間與田埂堅(jiān)實(shí)度平均值、堅(jiān)實(shí)度變異系數(shù)的關(guān)系曲線，如圖13所示。

由圖13可知，水田雙向修筑埂機(jī)前行與倒行筑埂作業(yè)效果良好。當(dāng)作業(yè)速度分別為1.5、2.0、2.3 km/h時(shí)，田埂堅(jiān)實(shí)度平均值隨著筑埂后間隔時(shí)間的增大而增大，田埂堅(jiān)實(shí)度變異系數(shù)隨著筑埂后間隔時(shí)間的增大而減小，在筑埂6 h后各測(cè)量位置田埂堅(jiān)實(shí)度平均值趨于穩(wěn)定。間隔時(shí)間相同時(shí)，埂側(cè)堅(jiān)實(shí)度平均值比埂頂高，由于筑埂過程中埂頂主要由鎮(zhèn)壓輥進(jìn)行滾動(dòng)壓實(shí)，而埂側(cè)由多個(gè)彈片進(jìn)行拍打壓實(shí)，彈片之間的疊加形式增大了對(duì)土壤的碾壓力，從而增大埂側(cè)堅(jiān)實(shí)度。作業(yè)速度不同時(shí)，相同測(cè)量位置的穩(wěn)定值基本一致，埂頂堅(jiān)實(shí)度平均值均不低于1 332 kPa，埂側(cè)堅(jiān)實(shí)度平均值均不低于2 312 kPa。風(fēng)力、溫度、濕度等環(huán)境因素影響所修筑田埂的堅(jiān)實(shí)度，因此，在筑埂后不適合立即進(jìn)行泡田作業(yè)。

圖12 測(cè)量位置示意圖Fig.12 Diagram of surveying position1.土壤硬度計(jì) 2.田埂

表1 雙向修筑埂機(jī)田間作業(yè)堅(jiān)實(shí)度檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Performance test results of bi-directional ridger

圖13 不同作業(yè)速度下田埂堅(jiān)實(shí)度平均值、堅(jiān)實(shí)度變異系數(shù)與間隔時(shí)間關(guān)系曲線Fig.13 Relationship curves between coefficient of variation of average rigidity and firmness at different operating speeds

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種水田雙向修筑埂機(jī)，能夠通過旋耕和鎮(zhèn)壓部件的180°水平回轉(zhuǎn)，以前行和倒行兩種方式進(jìn)行筑埂作業(yè)，適用于原地起埂與舊埂修補(bǔ)。

(2)對(duì)雙向修筑埂機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析，通過建立橫向偏移機(jī)構(gòu)與180°水平回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模型，確定了平行擺臂長(zhǎng)度為788 mm，偏心率為0.54，滑槽長(zhǎng)度為289 mm。橫向偏移機(jī)構(gòu)的左右橫擺與180°水平回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的回轉(zhuǎn)提高了筑埂機(jī)具的通用性。

(3)由田間試驗(yàn)可知，當(dāng)作業(yè)速度分別為1.5、2.0、2.3 km/h時(shí)，田埂堅(jiān)實(shí)度平均值隨著筑埂后間隔時(shí)間的增大而增大，田埂堅(jiān)實(shí)度變異系數(shù)隨著筑埂后間隔時(shí)間的增大而減小，筑埂后一段時(shí)間，堅(jiān)實(shí)度平均值趨于穩(wěn)定；間隔時(shí)間相同時(shí)，埂側(cè)堅(jiān)實(shí)度平均值高于埂頂，田埂各測(cè)量位置穩(wěn)定值均不低于1 332 kPa。

(4)作業(yè)速度不同時(shí)，相同測(cè)量位置的穩(wěn)定值基本一致。水田雙向修筑埂機(jī)以前行與倒行兩種作業(yè)方式所修筑田埂均滿足筑埂農(nóng)藝要求。