新型秸稈還田犁翻旋耕復(fù)式作業(yè)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳書法，解法旺，孟憲清

(1.淮海工學(xué)院 機(jī)械與海洋工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005；2.贛榆區(qū)農(nóng)機(jī)化技術(shù)推廣服務(wù)站，江蘇 連云港 222100)

0 引言

隨著我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，特別是在由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)邁進(jìn)的關(guān)鍵階段，迫切要求我國農(nóng)業(yè)發(fā)展方式由粗放經(jīng)營向集約經(jīng)營轉(zhuǎn)變，通過大力發(fā)展各種復(fù)式作業(yè)機(jī)械，不斷提高我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平，提高農(nóng)機(jī)作業(yè)效率，最終實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)增收[1]。旋耕是一種常見的整地方式，現(xiàn)有的旋耕機(jī)作業(yè)深度一般在12～18cm，連年旋耕將12～15cm處的土層壓實(shí)壓緊，作物根系下扎發(fā)育受阻，水肥吸收困難，繼而影響作物正常生長[2]。長時(shí)間得不到深翻的土壤，會增加病、蟲源基數(shù)，頻繁發(fā)生病蟲害。而使用犁翻與旋耕、深松等技術(shù)組合后的農(nóng)機(jī)耕作深度普遍在20cm以上，可以打破土壤犁底層，高效儲水，保障土壤水分循環(huán)，提高土壤透氣、透水性，增強(qiáng)土壤抗旱保墑能力，優(yōu)化作物根系的生長環(huán)境，為肥料的吸收利用提供便利，降低生產(chǎn)成本，提升糧食品質(zhì)和產(chǎn)量[3]。

因此，在傳統(tǒng)旋耕機(jī)基礎(chǔ)上圍繞不同區(qū)域農(nóng)藝要求，進(jìn)行犁翻、深松、旋耕、埋茬、碎土整地等功能的有序組合，開發(fā)適合稻麥秸稈還田犁翻旋耕復(fù)式作業(yè)機(jī)，提高產(chǎn)品區(qū)域適應(yīng)性是十分必要的。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

犁翻旋耕復(fù)式作業(yè)機(jī)由懸掛架與拉桿組件、前機(jī)架、中間傳動(dòng)裝置、萬向節(jié)總成、犁架總成、旋耕部件總成、后機(jī)架、深松鏟、限深輪總成和犁體總成等部分組成，如圖1所示，其主要性能參數(shù)如表1所示。

1.懸掛架與拉桿組件 2.前機(jī)架 3.中間傳動(dòng)裝置 4.萬向節(jié)總成 5.犁架總成 6.旋耕部件總成 7.后機(jī)架 8.深松鏟 9.限深輪總成 10.犁體總成圖1 結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of machine

作業(yè)時(shí)，機(jī)具首先通過懸掛架與拉桿組件上三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)與拖拉機(jī)進(jìn)行連接，利用安置在前機(jī)架上的犁體總成對土壤實(shí)現(xiàn)翻耕作業(yè)，完成秸稈翻埋；與此同時(shí)，配置在犁體總成上的深松鏟完成打破犁底層作業(yè)，提高土壤蓄水保墑能力；利用旋耕刀對完成犁翻深松作業(yè)后的土壤與秸稈進(jìn)行進(jìn)一步粉碎作業(yè)，最終將使地表與秸稈達(dá)到平整與粉碎的農(nóng)藝要求[4]。旋耕刀軸組件動(dòng)力來源于拖拉機(jī)動(dòng)力輸出，動(dòng)力經(jīng)萬向節(jié)輸入中間傳動(dòng)裝置，再經(jīng)過可調(diào)長萬向節(jié)驅(qū)動(dòng)旋耕部件總成內(nèi)中間齒輪變速箱并帶動(dòng)旋耕軸旋轉(zhuǎn)；后機(jī)架與前機(jī)架連接，通過調(diào)整前后機(jī)架連接高度調(diào)節(jié)旋耕深度。

表1 主要性能參數(shù)Table 1 The main performance parameters of machine

2 整機(jī)功率校核

2.1 拖拉機(jī)輸出功率計(jì)算

傳統(tǒng)輪式拖拉機(jī)在不同土壤條件下的牽引功率可以通過經(jīng)驗(yàn),式(1)來估算。本設(shè)計(jì)將采用牽引功率為58.8kW的輪式拖拉機(jī)，計(jì)算后輸出軸最大動(dòng)力輸出功率為50.568kW。

Pc=AP

(1)

式中A—功率系數(shù)因子，取A=0.86[5]；

P—牽引功率(kW)。

2.2 各機(jī)組功率計(jì)算

2.2.1 旋耕機(jī)組消耗功率計(jì)算

旋耕機(jī)機(jī)組消耗功率計(jì)算見式(2)、式(3)，代入計(jì)算數(shù)據(jù)得Kλ=12.002N/cm2，N=17.96kW。

N=0.1KλavmB[5]

(2)

Kλ=KgK1K2K3K4

(3)

式中N—旋耕機(jī)組功率(kW)；

Kλ—旋耕比阻(N/cm2)；

a—耕深(cm)，取值為a=10；

B—耕幅(m)，取值為B=1.8；

vm—機(jī)組前進(jìn)速度(m/s)，取值為vm=0.83；

Kg—理論旋耕比阻(N/cm2)，取值為Kg=12；

K1—耕深修正系數(shù)，取值為1.1；

K2—土壤含水率，取值為0.92；

K3—?dú)埐缧拚禂?shù)，取值為1.5；

K4—作業(yè)方式修正系數(shù)，取值為0.66。

考慮到傳動(dòng)損耗，這里采用軸承傳動(dòng)效率為η1=0.99，圓柱齒輪傳動(dòng)效率為η2=0.98，錐齒輪傳動(dòng)效率為η3=0.97，萬向節(jié)傳動(dòng)效率為η4=0.96[6]。損耗后的旋耕機(jī)組消耗功率計(jì)算見式(4)，計(jì)算得Px=21.55kW。

(4)

2.2.2 犁耕功率消耗計(jì)算

已知我國多數(shù)地區(qū)的土壤比阻在40～70kPa之間，因此本設(shè)計(jì)取值60kPa，數(shù)值代入犁耕功率消耗計(jì)算式(5)、式(6)，得到犁耕功率消耗為15.34kW。

Pl=Fvm[5]

(5)

F=ZbhK[5]

(6)

式中Pl—犁耕功率消耗(kW)；

vm—前進(jìn)速度(m/s)，取vm=0.83；

F—牽引阻力(kN)；

Z—犁鏵數(shù)量，取4個(gè)；

h—犁耕深(m)，取h=0.21；

b—單體犁鏵寬度(m)，取b=0.35；

K—土壤犁耕比阻(kPa)，取K=60。

2.2.3 深松功率消耗

土壤含水率在13%～22%的土壤(黏土、黏壤土、沙壤土、中壤土和重壤土)，松土深度在40～50cm時(shí)，深松比阻(土壤單位面積的深松阻力)在40～58kPa[5]。數(shù)據(jù)代入式(7)得到深松功率消耗為7.544kW。

Ps=nq0A[5]

(7)

式中Ps—深松犁功率消耗；

n—深松部件數(shù)量(個(gè))，取n=4；

q0—深松比阻(kN/m2)，一般取中等值為q0=46；

A—松土區(qū)面積(m2)，耕深40cm時(shí)，取A=0.041。

2.3 總功率計(jì)算與比較

綜上所述，作業(yè)機(jī)總功率消耗見式(8)，代入數(shù)據(jù)可以得到作業(yè)機(jī)總功率為44.43kW，Pz

Pz=Px+Pl+Ps

(8)

3 主要部件設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)架布置

機(jī)架由前機(jī)架與后機(jī)架組成。中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)固定安裝在前機(jī)架上，旋耕部件總成安裝在后機(jī)架上；后機(jī)架與前機(jī)架連接，可以通過調(diào)整前后機(jī)架連接高度調(diào)節(jié)旋耕深度。

3.2 中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

耕整機(jī)進(jìn)行整地作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出通過中間變速齒輪箱減速后驅(qū)動(dòng)旋耕刀軸工作，如圖2所示。拖拉機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為720r/min，拖拉機(jī)動(dòng)力輸出后首先經(jīng)萬向節(jié)總成傳遞給中間齒輪箱，動(dòng)力在齒輪箱內(nèi)首先經(jīng)一組圓錐齒輪改變動(dòng)力傳動(dòng)方向，再通過二級圓柱齒輪組變速得到旋耕刀輥轉(zhuǎn)速230r/min。傳遞途徑為：拖拉機(jī)輸出動(dòng)力軸(720r/min)→萬向節(jié)總成→中間齒輪箱→Z2/Z1→Z4/Z3→Z5/Z4→旋耕刀輥(230r/min)。各級齒輪參數(shù)與傳動(dòng)比如表2所示[7]。

1.右刀軸 2.萬向節(jié)總成 3.軸1 4.軸2 5.軸3 6.刀軸花鍵軸 7.左刀軸圖2 旋耕組件傳動(dòng)簡圖Fig.2 Rotary components drive diagram表2 各級傳動(dòng)比與齒輪數(shù)Table 2 Transmission ratio and gear teeth of each stage

軸的序數(shù)齒輪齒數(shù)傳動(dòng)比總傳動(dòng)比1234Z117Z236Z318Z427Z526i12=2.12i34=1.5i45=0.963i總=3.06

3.3 旋耕刀輥組件設(shè)計(jì)

旋耕刀輥組件由左右兩刀輥組成，左右刀輥使用對稱設(shè)計(jì)。田間作業(yè)時(shí)，考慮到犁耕過程中會出現(xiàn)翻垡的情況，要求旋耕刀輥軸長度要比犁耕機(jī)組幅寬長出40cm,以保證土壤切碎。

3.4 旋耕刀排列設(shè)計(jì)

旋耕刀的排列方式是耕整機(jī)工作性能的一個(gè)極大影響要素。合理的旋耕刀排列方式應(yīng)在完成耕地農(nóng)藝要求的基礎(chǔ)上，達(dá)到功耗消耗最小、刀輥受力最均勻，以及工藝上便于制造等要求。

3.4.1 旋耕刀排列設(shè)計(jì)應(yīng)遵循準(zhǔn)則

1)在配置2把以上刀片時(shí)，應(yīng)保證各刀片切土量相等，提升碎土質(zhì)量，平整耕后溝底。

2)在刀軸回轉(zhuǎn)過程中，對于同一相位角，要求必須是單刀入土，以確保刀軸負(fù)荷均勻，維持工作穩(wěn)定性。

3)增大刀軸上前后入土刀片的軸向距離，避免發(fā)生堵塞纏草現(xiàn)象。

4)左彎刀與右彎刀片應(yīng)交錯(cuò)排列，保證刀軸兩端軸承受力平衡，要求刀片按螺旋線規(guī)則排列并保證刃口朝入土方向[8]。

3.4.2 旋耕刀安裝方法

旋耕刀安裝方法有 3 種：內(nèi)裝法、外裝法、混合裝法。

1)內(nèi)裝法。全部刀片都朝向刀軸中央，耕后地面中間高兩邊低。

2)外裝法。除最外端的兩刀片朝向刀軸中央外，其余刀片全部都向外裝，耕后地面中間低兩邊高。

3)混合裝法。刀片內(nèi)外交錯(cuò)排列，耕后表面相對平整[8]。

本設(shè)計(jì)采用混合裝法，旋耕刀排列如圖3所示。46把旋耕刀片內(nèi)外交錯(cuò)、均勻、呈螺旋線形狀排列，左刀軸配置23把，右刀軸配置23把。

3.5 翻耕犁體的布置

翻耕犁體采用降阻竄垡型曲面形式，并配置4鏵犁或5鏵犁結(jié)構(gòu)。犁體布置需要考慮犁與犁之間的前后左右距離，為了保證翻耕效果，應(yīng)盡量減小犁體耕作阻力。

1)犁體縱向配置要求。犁體縱向排列時(shí)采用b∶L=1∶1.192方式，即縱向排列角α=40°的設(shè)計(jì)，既能縮短機(jī)組長度，保證穩(wěn)定性，又滿足犁耕質(zhì)量，有效減小工作阻力，降低作業(yè)能耗。

2)犁體橫向配置要求。要求兩犁體之間的橫向配置寬度與犁體寬幅相等，避免重耕、漏耕的情況。

3)犁柱高度要求。適合的犁柱高度可以確保土垡翻轉(zhuǎn)順暢，但犁架與犁體之間的高度也不宜過大，否則將會增大犁翻阻力并損壞犁柱。為了減少犁體作業(yè)時(shí)的纏草現(xiàn)象及保護(hù)犁柱的需要，要求犁架梁底面與犁體水平基面之間的高度取500mm[9]。

圖3 旋耕刀排列圖Fig.3 Rotary knife arrangement chart

3.6 深松鏟的布置

工作部件對表層土壤進(jìn)行犁翻滅茬，對深層土壤進(jìn)行間隔深松。工作部分由鏵式犁和安裝在犁體上的深松鏟組成，如圖4所示。作業(yè)時(shí)，鏵式犁對表層土壤進(jìn)行犁翻滅茬，深松鏟對深層土壤進(jìn)行深松。犁翻深松不會破壞土壤原有的層次分布，并可一次對工作幅寬內(nèi)的土壤進(jìn)行犁鏵切翻表土、深松鏟松土等作業(yè)。

1.主犁體 2.深松鏟圖4 犁體上裝深松鏟Fig.3 Plough with deep loosening shovel

深松鏟安裝在鏵式犁犁體上，實(shí)現(xiàn)上翻下松。機(jī)具工作時(shí)，主犁體按正常耕深翻垡碎土，安裝在犁體上的松土鏟在溝底下松土，松土深度大于犁體耕深(犁底層下)10～15cm，實(shí)現(xiàn)上翻下松、不亂土層的深耕作業(yè)[5]。

4 整機(jī)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1)試驗(yàn)場。試驗(yàn)場位于連云港市灌云縣侍莊鄉(xiāng)侍莊村郊。試驗(yàn)當(dāng)天天氣晴朗，微風(fēng)，留茬作物水稻，茬高10～20cm，試驗(yàn)場80m×60m，配套拖拉機(jī)為東方紅X804輪式拖拉機(jī)。

2)檢測儀器。本次試驗(yàn)中的檢測儀器型號和參數(shù)如表3所示。

表3 試驗(yàn)檢測儀器Table 3 Test instruments

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。經(jīng)試驗(yàn)測定，犁耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)為8.9%，秸稈覆蓋率為87.6%，耕地碎土率為80.4%。試驗(yàn)結(jié)果表明：耕整機(jī)具有穩(wěn)定的作業(yè)性能與較好的碎土埋茬能力，各項(xiàng)性能指標(biāo)基本達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

表4 試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results

5 結(jié)論

結(jié)合犁耕和旋耕等多種作業(yè)方式的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種可以發(fā)揮兩種耕作方式優(yōu)勢的多功能可調(diào)深復(fù)式耕整作業(yè)機(jī)，可一次性地實(shí)現(xiàn)犁翻、旋耕、深松等多項(xiàng)作業(yè)。將秸稈犁翻旋耕技術(shù)與保護(hù)性耕作的要求相結(jié)合，能夠非常有效地解決普通秸稈還田機(jī)在耕作過程中耕深淺、腐化效果差、蓄水保墑能力下降，以及壓迫作物根系生長空間等缺陷。田間試驗(yàn)結(jié)果證明：該機(jī)具不僅設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)緊湊，而且整機(jī)具有非常良好的通用性能，可廣泛用于稻麥田復(fù)式作業(yè)。