雙軸分層切土旋耕機旋耕部件的設(shè)計

梁新忠，朱 松，何彥平,

（1.江蘇省農(nóng)墾農(nóng)業(yè)發(fā)展股份有限公司黃海分公司，江蘇 鹽城 224624；2.江蘇省農(nóng)墾農(nóng)業(yè)發(fā)展股份有限公司現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究院，江蘇 南京 210019）

0 引 言

目前，雖然針對秸稈還田機具的研發(fā)已經(jīng)取得了一定的成果，大量新型機具也已投入市場，但是機具地區(qū)適應(yīng)性不佳、農(nóng)機農(nóng)藝融合度不高、機具作業(yè)耗能大、作業(yè)費用高等問題仍然突出。一是常用的正轉(zhuǎn)旋耕機滅茬不徹底、碎土率低、秸稈不能充分掩埋和覆蓋，不符合稻麥秸稈全量還田的農(nóng)藝要求?，F(xiàn)有一些反轉(zhuǎn)滅茬旋耕機存在負(fù)荷重、功耗大、效率低、罩殼積土、刀軸纏草等缺點，嚴(yán)重制約著其在農(nóng)村的應(yīng)用和推廣。二是現(xiàn)有的包括雙軸滅茬旋耕機等多種秸稈全量還田作業(yè)機主要適用于北方旱田耕整地區(qū)，不能完全適應(yīng)南方稻麥產(chǎn)區(qū)秸稈還田的農(nóng)藝要求，尤其在像江蘇這樣稻麥輪作的土壤粘重地區(qū)問題尤為突出[1-2]。

針對1GKMS-200 型雙軸分層切土旋耕機，現(xiàn)有的雙軸旋耕機的后刀軸的安裝寬度等于前刀軸的安裝寬度，在此基礎(chǔ)上直接改進為雙軸分切旋耕將會導(dǎo)致后旋耕刀軸難以入土，很難達到要求的耕作深度。此外，雙軸傳動箱在土中迎土滑行，不僅增加阻力，也增加了傳動箱箱體的磨損?？傊谀壳艾F(xiàn)有的雙軸旋耕機上直接改進為雙軸分層切削旋耕機耕作深度難以達到要求，旋耕消耗功率大，旋耕機效率低，無法進行分層旋耕，實現(xiàn)大耕深的要求。因此，本文開展的對適應(yīng)秸稈全量還田的大功率、具有分層切土功能的大耕深旋耕機具的研究具有十分重要的意義[1,3-5]。

1 雙軸空間布置結(jié)構(gòu)設(shè)計總體設(shè)計

本機具與一般的雙軸旋耕機的最大不同之處就在于雙軸的結(jié)構(gòu)形式不同，所以雙軸空間布置結(jié)構(gòu)的設(shè)計就是秸稈全量還田大耕深雙軸分層切土旋耕機的核心之處。本機具前、后刀軸采用雙軸階梯狀立體空間布置結(jié)構(gòu)，即前旋耕刀軸和后旋耕刀軸分別安裝于雙軸旋耕機的前后，在本設(shè)計中前刀軸和后刀軸在水平方向上相距45 cm，在豎直方向上后刀軸比前刀軸低11 cm。為實現(xiàn)后刀軸能順利入土旋耕，前刀軸左側(cè)板與右側(cè)板的距離要大于后刀軸左右側(cè)板距離加上后刀軸側(cè)邊傳動箱的厚度，這樣后刀軸側(cè)邊傳動箱以及側(cè)板底部才可以緊貼前刀軸旋耕后的溝底繼續(xù)向前運動。機具前、后刀軸選用的旋耕刀的型號均為IT225，前刀軸的耕作深度約為11 cm，后刀軸在前刀軸耕作的基礎(chǔ)上再向下旋耕約11 cm，以實現(xiàn)采用小旋耕刀分層旋耕實現(xiàn)大耕深、總耕作深度達到20 cm 的目的。雙軸階梯狀立體空間位置如圖1 所示。

雙軸分層切土旋耕機的雙軸空間布置結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖如圖2 所示，A 為左右橫向傳動軸中心點；B 為前刀軸中心點；C 為后刀軸中心點；D 為前刀軸中心點到后刀軸中心點水平線的垂足；a 為左右傳動軸中心點到前刀軸中心點的距離；b 為左右傳動軸中心點到后刀軸中心點的距離；c 為前刀軸中心點到后刀軸中心點的距離；d 為前刀軸中心點到后刀軸中心點的垂直距離。

設(shè)計旋耕機需要考慮多方面的問題，為了盡可能的減少機具零部件的加工成本，使得零部件具有互換性，1GKMS—200 雙軸分層切土旋耕機的左右橫向傳動軸和左右側(cè)邊箱的結(jié)構(gòu)上設(shè)計為相互對稱的結(jié)構(gòu)，那么左右橫向傳動軸中心點到前刀軸中心點的距離a 與后刀軸中心點的距離b 相等，即a=b。由于前刀軸和后刀軸的旋耕刀都是國家標(biāo)準(zhǔn)IT225旋耕刀，其回轉(zhuǎn)半徑為225 mm，為了使得兩軸上的旋耕刀不互相接觸，所以前刀軸中心點到后刀軸中心點的距離c 必須大于450 mm。同時考慮到在工作過程中避免雙軸旋耕起來土塊和秸稈發(fā)生擁堵，依據(jù)相關(guān)實際旋耕試驗，兩軸旋耕刀尖間的距離留有5 cm 的余量。為了盡可能地減小旋耕機的結(jié)構(gòu)尺寸，前刀軸中心點到后刀軸中心點的距離c 的設(shè)計值應(yīng)為500 mm。由于1GKMS—200 雙軸分層切土旋耕機前刀軸和后刀軸的最大耕深理論值為112.5 mm，要使得雙軸旋耕機的耕深達到20 cm，前刀軸中心點到后刀軸中心點的垂直距離設(shè)計值應(yīng)大于90 mm，由于實際工作過程存在誤差，本機具前刀軸中心點到后刀軸中心點的垂直距離設(shè)計值為110 mm。

前刀軸和左右橫向傳動軸之間有上罩板、前支架、左右橫向傳動軸軸管和中間傳動箱體等，考慮到以上部件的結(jié)構(gòu)尺寸和裝配預(yù)留尺寸，前刀軸和左右橫向傳動軸之間的距離設(shè)計值為575 mm。當(dāng)這些尺寸都確定后整個旋耕機的主要結(jié)構(gòu)尺寸和空間位置關(guān)系就定下來了，其中本機具前刀軸和后刀軸在yz 面上之間的夾角為38.48°，前刀軸在yz 面上與豎直面之間的夾角為13.06°。

2 前、后刀軸總成的設(shè)計

在作業(yè)過程中前、后旋耕刀軸是主要承載構(gòu)件，它們承受土壤反力和發(fā)動機的驅(qū)動力矩作用產(chǎn)生彎曲、扭轉(zhuǎn)、剪切等復(fù)雜組合變形，且伴隨產(chǎn)生激烈的振動、沖擊，特別是機具的前刀軸在前面切削，工作環(huán)境更為復(fù)雜，受到的沖擊更為嚴(yán)重。目前傳統(tǒng)的設(shè)計方法往往是按照在田間使用不至破壞的準(zhǔn)則，根據(jù)作用在刀軸上的載荷采用靜強度估算，然后通過加大安全系數(shù)的方法來滿足強度要求。實際使用中發(fā)現(xiàn)這種傳統(tǒng)的設(shè)計準(zhǔn)則過于保守，需要對刀軸進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，提高設(shè)計的合理性。

2.1 刀軸正反轉(zhuǎn)確定

刀軸反轉(zhuǎn)的工作過程是，旋耕刀從土壤底層向上切削土層，旋耕刀由遠及近地切土，屬于無支撐的切削，對土壤有一定的拉伸破碎作用。這樣的旋耕工藝具有以下優(yōu)點：工作較平穩(wěn)；垡塊細(xì)長，易破碎；耕作底層的平整度比正轉(zhuǎn)好[3-4]。反轉(zhuǎn)在功能上的優(yōu)越之處在于其不僅能夠很好完成碎土、耕耙作業(yè)，而且可以有效掩埋秸稈、雜草等有機物，起到培肥育地、增加土壤有機質(zhì)的作用，埋茬滅茬的效果也比正旋好。

但是反旋消耗的功率很大，這對旋耕機提出了更高的要求，經(jīng)過比較分析，本設(shè)計雙軸分層切土旋耕機的前、后刀軸仍然選擇正旋的作業(yè)方式，在后續(xù)的研發(fā)工作當(dāng)中可以考慮，前、后刀軸采用反旋的方式或者其中一個軸采用反旋的作業(yè)方式。

2.2 刀軸轉(zhuǎn)速的確定

根據(jù)農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊推薦的數(shù)據(jù)，在含水率為20%～30%的田塊里，切土進距S=10 cm，耕作質(zhì)量即可滿足農(nóng)藝上的要求；耕輕、中粘度土壤（含水率大于35%），S=6～9 cm 即可；粘重土壤、多草地，S=4～6 cm。

根據(jù)公式變換可得轉(zhuǎn)速計算公式：

取值：vm=3.6 km/h；Z=2；S=6～9 cm；n=200～300 r/min。

根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，取n=240 r/min 時，機具在壤土與粘土上均能正常工作，并且拖拉機的載荷沒有大幅提升，經(jīng)試驗對比確定刀軸的轉(zhuǎn)速n=240 r/min。

2.3 刀軸的受力分析

刀軸工作時旋耕刀相繼入土，承受彎曲、扭轉(zhuǎn)復(fù)合載荷的作用。刀軸可以簡化為受若干集中載荷的簡支梁，如圖3 所示。

若干集中載荷的位置和角度由旋耕刀的排列方式確定，刀軸在任意截面處的彎矩方程為：

根據(jù)彎矩方程再結(jié)合旋耕刀的排列位置和角度，可以推出刀軸中部，即x=L/2 為危險截面。由第四理論強度理論可以得出最大工作應(yīng)力為：

式中：W 為刀軸的抗彎截面模量；M、Mn分別為刀軸危險截面處的彎矩、扭矩；D、d分別為刀軸的外徑與內(nèi)徑。

已知：前刀軸長度L=2 300 mm，刀軸最高轉(zhuǎn)速nmax=240 r/min，取臨界轉(zhuǎn)速安全系數(shù)δ=2，刀軸的許用應(yīng)力[σ0]=90 MPa，計算得出傳遞扭矩M=1 352 N·m，危險截面彎矩為Mn=1 105 N·m，帶入公式在滿足上述計算的同時，將得出結(jié)果進行圓整，類比參考其他樣機中旋耕刀軸的實際尺寸，設(shè)計時外徑選取76 mm，內(nèi)徑為64 mm，壁厚為6 mm?？紤]到加工制造成本和機具的通用性能等因素，后刀軸的設(shè)計除了其設(shè)計長度為2 000 mm，其余規(guī)格和前刀軸一樣。

2.4 旋耕刀的選擇

使用專用設(shè)計的旋耕刀能夠改良耕作過程，改善埋茬效果，并且可以降低機具功耗。但是考慮到本機具尚處于研發(fā)試制階段，重新設(shè)計加工生產(chǎn)旋耕刀的成本很高，所用本課題選用IT225 旋耕刀，而不去專門設(shè)計開發(fā)專用的旋耕刀。前、后刀軸都選用IT225 旋耕刀，前、后刀軸的回旋半徑約為225 mm。

3 結(jié) 語

本文主要對雙軸分層切土旋耕機旋耕部件進行了創(chuàng)新設(shè)計和選用，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定旋耕部件的主要參數(shù)，設(shè)計結(jié)果如下：

（1）對1GKMS-200 型雙軸分層切土旋耕機的雙軸空間布置結(jié)構(gòu)進行了創(chuàng)新設(shè)計，機構(gòu)采用兩根旋耕刀軸上下錯位布置，實現(xiàn)20 cm 以上的大耕深作業(yè)。

（2）對機具的旋耕刀軸進行了受力分析和設(shè)計，選擇前、后旋耕刀軸旋向都為正旋，選用IT225 旋耕刀作為前、后旋耕刀。