微耕機(jī)旋耕刀具結(jié)構(gòu)特點及性能優(yōu)化探討

趙建軍

摘 要：微耕機(jī)在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較為廣泛，在山地、丘陵、果園等地區(qū)的應(yīng)用效果好，能有效替代傳統(tǒng)的人力勞動，有利于農(nóng)業(yè)機(jī)械化的普及與生產(chǎn)效率的提升。針對微耕機(jī)的應(yīng)用情況和原理進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上給出了現(xiàn)階段微耕機(jī)旋耕刀具的結(jié)構(gòu)形式和關(guān)鍵技術(shù)特點，并對刀具的功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化和技術(shù)分析，有利于提高微耕機(jī)的作業(yè)效率和效果。

關(guān)鍵詞：微耕機(jī);旋耕刀具;結(jié)構(gòu)特點;性能;優(yōu)化

中圖分類號：S222.3??????? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.07.003

隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中農(nóng)業(yè)機(jī)械日漸普及，要進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度，在繼續(xù)推進(jìn)中大型農(nóng)機(jī)具普及的同時，也應(yīng)重視研究和推廣適合丘陵、山地等使用的小型農(nóng)業(yè)機(jī)具。微耕機(jī)是一種適用于地形復(fù)雜農(nóng)田、水田、果園等使用的半自動化農(nóng)機(jī)具，根據(jù)不同微耕機(jī)的結(jié)構(gòu)特點，其能夠進(jìn)行旋耕、犁耕、開溝、覆土等多種耕整地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)項目，部分機(jī)型還能完成播種、除草、植保等相關(guān)作業(yè)，具有靈活性好、質(zhì)量輕、對地形適應(yīng)能力強(qiáng)的優(yōu)點。就目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的微耕機(jī)技術(shù)來說，其產(chǎn)品成熟度仍不高，還有較大的技術(shù)提升空間，因此，針對微耕機(jī)旋耕刀具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，對其進(jìn)行了一定的優(yōu)化與改進(jìn)。

1 微耕機(jī)的技術(shù)特點與結(jié)構(gòu)

根據(jù)微型耕耘機(jī)機(jī)械部標(biāo)準(zhǔn)：JB/T 10266-2013的要求，將功率小于或等于7.5 kW的耕地機(jī)械定義為微耕機(jī)，市場上使用的微耕機(jī)動力通常在2.4～6.7 kW，常規(guī)微耕機(jī)的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，關(guān)鍵部件包括了柴油機(jī)、離合器、側(cè)方變速箱、手扶方向盤、中央減速器、旋耕刀組等部件。微耕機(jī)工作的主要動力來自于柴油機(jī)，以滿足行駛和刀具運轉(zhuǎn)所需的動力，行駛的方向通過手扶方向盤控制，同時在手扶方向盤附近駕駛員還能對部分機(jī)具狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。側(cè)方變速箱和中央減速器用于不同的動力傳遞要求，用以改變刀具旋轉(zhuǎn)速度和行駛速度，通過限深裝置的調(diào)節(jié)還能實現(xiàn)耕深的調(diào)整。在實際工作中，旋耕刀軸接收到柴油機(jī)提供的動力后，刀軸帶動旋耕刀片轉(zhuǎn)動，使其由上向下切削土壤，在前進(jìn)過程中，耕地土壤依次被切碎，并向后方拋灑，被擋泥板阻擋后，松散的分布于耕地表面，從而達(dá)到翻耕土壤的目的。

2 旋耕刀具的結(jié)構(gòu)及特點

微耕機(jī)的旋耕刀采用與刀軸固定的安裝形式，工作中由刀軸帶動刀片旋轉(zhuǎn)作業(yè)，從而完成將土壤切割、破碎、翻攪的工作任務(wù)。旋耕刀具工作時由刀具的刃緣部分對土壤進(jìn)行切割作用，而通過正切部分內(nèi)表面的楔角和側(cè)切部分與已切土壤接觸的側(cè)面實現(xiàn)破碎土壤和拋擲功能。對于不同的土壤條件，應(yīng)選擇不同形狀規(guī)格的刀具進(jìn)行作業(yè)，以滿足在不同濕度、雜草條件下的耕地要求?，F(xiàn)階段微耕機(jī)產(chǎn)品所使用的旋耕刀具按照其幾何結(jié)構(gòu)可分為以下三大類：

（1） 鑿形旋耕刀片，結(jié)構(gòu)如圖2a所示。通過刀片正方向的鑿形刃口實現(xiàn)對土壤的切割，由于其作業(yè)時與土壤接觸面積較小，入土能力較強(qiáng)，能實現(xiàn)松土的作業(yè)要求，且作業(yè)過程功率損耗小，經(jīng)濟(jì)性好。但作業(yè)過程中存在土塊細(xì)碎不徹底問題，且由于刀刃直且狹窄，作業(yè)過程易纏繞雜草，影響作業(yè)質(zhì)量和效率。

（2） 直角形旋耕刀片，結(jié)構(gòu)如圖2b所示。直角形刃口由兩部分構(gòu)成，分別為正切刃和側(cè)切刃，兩部分大體呈90°夾角關(guān)系，旋耕刀具作業(yè)時，先由與地面平行的正切刃將土壤延微耕機(jī)前進(jìn)方向切開，再利用側(cè)切刃切出土垈的側(cè)面。直角形旋耕刀片相對于鑿形旋耕刀片具有更好的切土和碎土能力，且能適用于較硬的耕地土壤，在旱田微耕作業(yè)應(yīng)用較多。但其結(jié)構(gòu)形式也易纏繞雜草，在一定程度影響作業(yè)效率和質(zhì)量。

（3） 彎形旋耕刀片，結(jié)構(gòu)如圖2c所示。彎形旋耕刀片采用了曲線形式的刀刃使刃口變得更長，根據(jù)刃口所處位置也可將其刃口分為正切刃和側(cè)切刃兩部分。旋耕刀具轉(zhuǎn)動時，側(cè)切刃沿著機(jī)具的行進(jìn)方向先對土壤產(chǎn)生切割，土壤最先與回轉(zhuǎn)軸中心較近的刃口相接觸，在曲線形狀刀刃的作用下，由正切刃將土壤徹底切碎翻動。因彎形旋耕刀片側(cè)切刃呈弧形，旋轉(zhuǎn)過程會產(chǎn)生一定的滑切，能有效將田間雜草切斷，避免纏繞，適用于雜草較多的耕地使用。

3 微耕機(jī)旋耕切土關(guān)鍵參數(shù)

由于彎形旋耕刀片具備更廣泛的適用性特點，因此，本文后續(xù)研究主要針對彎形旋耕刀片展開。

3.1 切土深度

切土深度H在實際作業(yè)時受到機(jī)具行駛速度、旋耕刀具旋轉(zhuǎn)半徑以及刀具回轉(zhuǎn)角速度等因素的共同影響，通常情況下符合下式特點

3.2 切土節(jié)距

切土節(jié)距主要是指在縱向切割面內(nèi)刀片沿著機(jī)具前進(jìn)方向切下的土塊厚度，用M表示，其影響因素關(guān)系如下式所示

式中vm—旋耕機(jī)行駛速度（m·s-1）;

z—旋耕刀數(shù);

n—刀軸轉(zhuǎn)速（r·min-1）。

由式（3）可知切土節(jié)距主要受到旋耕機(jī)行駛速度、旋耕刀數(shù)和刀軸轉(zhuǎn)速的共同影響，通常情況下，若切土節(jié)距過大，會引起土塊厚度增大，不僅作業(yè)過程的阻力增加，而且對土壤的細(xì)碎效果產(chǎn)生不良影響，因此，應(yīng)根據(jù)作業(yè)耕地需求合理選擇或調(diào)整作業(yè)參數(shù)，以達(dá)到作業(yè)效率和耕地品質(zhì)的統(tǒng)一。

4 旋耕刀具的性能優(yōu)化方向

4.1 刀具曲線的優(yōu)化

由于旋耕機(jī)刀刃主要是利用正切刃將土壤切開、破碎并翻起，并利用側(cè)切刃的滑切作用將雜草切斷，從而起到翻耕土壤、防止纏繞雜草的工作要求。旋耕機(jī)刀刃的曲線形式直接關(guān)系到作業(yè)過程所受阻力情況和土壤翻耕細(xì)碎的實際質(zhì)量。現(xiàn)階段所使用的彎形旋耕刀片刃口多采用空間曲線的形式，正切刃刀面與側(cè)切刃刀面經(jīng)曲線平滑過渡最大呈接近120°左右的夾角。在生產(chǎn)制造過程中，先將正切刃的展開結(jié)構(gòu)加工在金屬板材上，經(jīng)特定彎折后形成統(tǒng)一的空間曲線。

現(xiàn)階段的刀具曲線加工多采用試驗方式獲得最佳效果，在實際應(yīng)用過程中還有較大的提升空間。為保證使用過程具備最低能耗、最高效率和良好的防纏草效果，在設(shè)計刀刃的空間曲線時，可選用回旋線作為刃口設(shè)計的基礎(chǔ)，并保證空間曲線曲率變化的連續(xù)性，避免旋耕作業(yè)過程中與土壤作用力發(fā)生突變，進(jìn)而保證微耕機(jī)良好的使用性能。

4.2 刀片彎折角度優(yōu)化

刀片轉(zhuǎn)角、速度比、耕深等很多因素直接影響著旋耕刀具的工作質(zhì)量和能耗情況，由于正切刃與側(cè)切刃的功能不同，設(shè)計過程的側(cè)重點也不同。通常情況下正切刃要求具備良好的碎土和翻耕能力，同時盡可能地減小作業(yè)過程中的阻力，因此正切刃的刀刃阻力是刀具設(shè)計過程中的重要事項，在實際生產(chǎn)和計算機(jī)仿真過程中證實，旋耕刀具刀刃的切土阻力與刀片彎折角度有很大關(guān)系。折彎角的大小直接影響到翻耕土壤的深度和向后拋灑土壤的狀態(tài)，良好的折彎角度能在前刀作業(yè)后顯著降低后刀作業(yè)的阻力，從而實現(xiàn)平均耕作阻力的降低，同時延長刀片的使用壽命。

經(jīng)計算機(jī)仿真和實踐試驗，旋耕刀具刀片的最佳折彎角度范圍在118°～130°之間，為保證刀具具有良好的滑切效果，建議刀具選擇的折彎角度在125°左右，在保證良好耕深的前提下，有效實現(xiàn)翻耕土壤和切碎雜草的功能需求。

5 結(jié)論

在我國機(jī)械技術(shù)水平不斷提升的支撐下，微耕機(jī)的技術(shù)研究也應(yīng)突破傳統(tǒng)的技術(shù)壁壘，向著更加自動化和人性化的方向發(fā)展，在滿足基本功能和不斷優(yōu)化的前提下，相關(guān)研究和設(shè)計人員還應(yīng)重視微耕機(jī)產(chǎn)品的系列化和模塊化開發(fā)，研究通過刀具的快捷更換實現(xiàn)對旱地、水田、果園、大棚等不同生產(chǎn)場景的高度適應(yīng)，以實現(xiàn)微耕機(jī)產(chǎn)品的高效率科學(xué)化使用，保證農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)的順利開展與農(nóng)機(jī)化水平的不斷提升。

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