自平衡寬幅雙軸旋耕滅茬作業(yè)機(jī)及其傳動系統(tǒng)設(shè)計

孫啟新，陳書法，楊進(jìn)，蘆新春

（222005 江蘇省 連云港市 江蘇海洋大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

旋耕可通過刀片對土壤的切割和撞擊，使耕整后的土壤更細(xì)碎更平整，其作業(yè)適應(yīng)性強(qiáng)。目前為了改善深層土壤的透氣性,滿足作物種植需要深耕的農(nóng)藝要求[1]，國外提出了全幅深耕的耕作制度。隨著我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，農(nóng)機(jī)裝備向大型高效發(fā)展，大幅寬、深旋耕、高效率旋耕機(jī)的研究成為旋耕技術(shù)發(fā)展的重點之一，而作業(yè)幅寬越大，整機(jī)受力性能越差，加上田面的不平整帶來作業(yè)機(jī)具的傾斜，造成全幅寬耕深不一致，旋耕作業(yè)質(zhì)量難以保證[2-3]。

針對我國當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展方向，本文研究開發(fā)了一種自平衡寬幅雙軸旋耕滅茬作業(yè)機(jī)。采用中間傳動錯位變速箱和階梯分段刀輥，能實現(xiàn)旋耕、滅茬、平地復(fù)合作業(yè)，整機(jī)左右水平方向可自動調(diào)平，作業(yè)效率高，全幅作業(yè)耕深一致，操作方便。本機(jī)適合大田耕整復(fù)合作業(yè)，一次下地完成滅茬、旋耕、平地，作業(yè)效率高，能耗低，作業(yè)精度高，操作性能好。

1 整機(jī)總體設(shè)計

自平衡寬幅雙軸旋耕滅茬作業(yè)機(jī)，總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。由變速箱總成1、電動缸2、懸掛總成3、控制器4、傾角傳感器5、滅茬刀輥總成6、膜片聯(lián)軸器7、滅茬刀8、旋耕刀輥總成9、旋耕刀10、機(jī)架11、側(cè)板12、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)13 以及密封緊固件組成。動力經(jīng)聯(lián)軸器由拖拉機(jī)輸入到變速箱總成后，被分成兩路，一路經(jīng)齒輪傳動實現(xiàn)增速，傳遞到滅茬刀輥總成，帶動滅茬刀對原茬進(jìn)行打碎；另一路經(jīng)齒輪傳動完成降速，傳遞到旋耕刀輥總成，帶動旋耕刀對土壤進(jìn)行旋耕。沿拖拉機(jī)前進(jìn)方向，滅茬刀輥總成在前，旋耕刀輥總成在后，同時，由于變速箱設(shè)計為左右錯位輸出動力到滅茬刀輥總成和旋耕刀輥總成，因此，可在旋耕刀輥動力輸入正前方的滅茬刀輥上安裝大一號的旋耕刀，解決中間傳動漏耕問題。該機(jī)主要工作參數(shù)如表1 所示。

圖1 自平衡寬幅雙軸旋耕滅茬作業(yè)機(jī)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of self-balancing wider rotary tillage stubble breaking machine with double shafts

表1 主要工作參數(shù)Tab.1 Main working parameters

為有效消除因作業(yè)載荷變化帶來的刀輥振動，又便于裝配，刀輥采用階梯式，從中間到兩端刀輥直徑梯次下降，不同軸段之間采用彈性膜片聯(lián)軸器連接。

為保證作業(yè)前機(jī)身水平，全幅耕深一致，在機(jī)身上方左右兩端設(shè)置傾角傳感器，用于實時測量機(jī)身水平姿態(tài)，并將測量數(shù)據(jù)傳遞給控制器，控制系統(tǒng)把傾斜角度轉(zhuǎn)化為直線位移數(shù)值，驅(qū)動設(shè)置在機(jī)身上方的兩個電動缸伸縮，調(diào)整整機(jī)水平姿態(tài)，與預(yù)先設(shè)定數(shù)值進(jìn)行比較，直到左右水平。

采用階梯分段刀輥，可提高傳動強(qiáng)度，降低整機(jī)質(zhì)量、體積。寬幅旋耕滅茬機(jī)，刀輥長，且傳遞功率大，在較大扭矩、彎矩和沖擊載荷作用下為保證刀輥不變形，需提高刀輥直徑，這樣會增加整機(jī)質(zhì)量和體積。采用階梯式刀輥，根據(jù)扭矩大小將左右刀輥分為2～3 段，從中間到兩端刀輥直徑梯次下降，不同段之間采用彈性膜片聯(lián)軸器連接。在兩端連接處采用撓性牙盤連接，即便于裝配，有效地消除因作業(yè)載荷變化帶來的刀輥振動，降低整機(jī)的振動。刀輥結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 刀輥總成Fig.2 Structure of knife roll

扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件

式中：[τT]——許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，N/mm2；d——軸直徑；P——傳遞功率；β——旋耕刀輥內(nèi)外軸徑比。

由于刀輥總體長度大于3 m，扭矩傳遞過程中，軸兩端扭矩數(shù)值差較大，在相同功率下采用階梯刀輥可大大降低軸的直徑和質(zhì)量。本文采用中間傳動，左右鏈段軸徑相比中間段軸徑可降低20%左右，質(zhì)量降低15%左右，為了便于裝備配置，各軸段之間采用彈性聯(lián)軸器連接。

2 變速器設(shè)計

目前，市場上耕整機(jī)常用的傳動方式有側(cè)邊傳動和中間傳動兩種。側(cè)邊傳動需要設(shè)置傳動軸或聯(lián)軸器，對于大功率大耕幅的旋耕機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸較大，傳動軸軸向尺寸太長，設(shè)計和加工難度大，造成傳動比不穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)大而笨重，傳動效率低，可靠性差；中間傳動可減小整機(jī)縱向尺寸，但高強(qiáng)度變速箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計是個難題，同時會產(chǎn)生中間漏耕問題[4-5]。

針對寬幅雙軸旋耕滅茬作業(yè)裝備，設(shè)計了中間傳動一體化變速箱，結(jié)構(gòu)如圖3 所示。變速箱兩個輸出軸空間位置錯開，旋耕刀輥作業(yè)扭矩大，動力輸入在軸的中間，滅茬刀輥動力輸入偏右。

圖3 變速器總成Fig.3 Structure of transmission System

雙軸傳動的變速箱包括箱體、輸入軸、中間軸、輸出軸和傳動齒輪。箱體在輸出端采用空間錯位式結(jié)構(gòu)設(shè)計，在中間傳動的基礎(chǔ)上實現(xiàn)旋耕和滅茬動力分別輸出。一路從輸入軸經(jīng)小錐齒輪16、大錐齒輪4、圓柱齒輪3、圓柱齒輪14、圓柱齒輪13、圓柱齒輪12 將轉(zhuǎn)速實現(xiàn)增速，并將動力傳遞到滅茬刀軸；另一路從輸入軸經(jīng)小錐齒輪16、大錐齒輪4、圓柱齒輪3、圓柱齒輪6、圓柱齒輪8、圓柱齒輪9 將轉(zhuǎn)速實現(xiàn)減速，并將動力傳遞到旋耕刀軸。兩路傳遞路線分別實現(xiàn)增速和降速，整個傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，又保證滅茬、旋耕不同作業(yè)速度需求。旋耕輸出軸10 與滅茬出軸11 在前后、左右、上下方向都實現(xiàn)了錯位。在旋耕機(jī)中間位置將動力輸出到旋耕刀輥，在偏右一側(cè)將動力輸出到滅茬刀棍，所以可在滅茬刀軸中間位置安裝尺寸大一點的旋耕刀，避免中間漏耕。同時上下方向錯位，滿足了滅茬、旋耕不同作業(yè)高度要求。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該減速箱用于寬幅雙軸耕整機(jī)，可用于中間傳動，縮短傳動距離，結(jié)構(gòu)緊湊，能有效提高傳動效率和可靠性。作業(yè)耕深一致，空間錯位輸出動力到旋耕和滅茬軸，有效解決了中間漏耕。如圖4 所示，變速箱體采用整體式設(shè)計，并使用廢墨化鋼球一體鑄造，大幅提高其力學(xué)性能和加工精度，降低裝配難度，提高變速箱整體性能。

圖4 變速箱體結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of transmission gearbox

3 自平衡系統(tǒng)設(shè)計

對于作業(yè)寬幅超過3 mm 的旋耕滅茬機(jī)，作業(yè)前的機(jī)身水平調(diào)整是一個難題，需要經(jīng)驗豐富的操作手來判斷機(jī)身的傾角大小，且需花費一定時間；同時，在作業(yè)過程中，田面的高低不平和土壤松軟程度不一樣，也帶來旋耕滅茬機(jī)的傾斜，造成旋耕深度不一致，一端耕深大一端耕深小，甚至耕深達(dá)不到農(nóng)藝要求；另一方面左右耕深不一致導(dǎo)致刀輥受力不均，產(chǎn)生較大振動，影響其使用壽命。為解決這一問題，在機(jī)身上方，沿水平方向布置4 個傾角傳感器，測量機(jī)身的傾斜角度與機(jī)身變形情況[6-8]，將測量數(shù)值實時傳到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)把傾斜角度轉(zhuǎn)化為直線位移數(shù)值，并將數(shù)值傳遞給電動缸。

在機(jī)身上方左右各設(shè)有一電動缸，電動缸根據(jù)控制系統(tǒng)傳來的位移數(shù)值進(jìn)行伸縮，從而帶動機(jī)身左右端繞整機(jī)中點處旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，直到機(jī)身處于水平狀態(tài)。電動缸響應(yīng)速度快，位移調(diào)整精度高，與液壓缸相比不需要油箱、油路等元件。

由于旋耕作業(yè)振動大，且旋耕機(jī)質(zhì)量大，因此，如何提高抗干擾能力和響應(yīng)速度是自平衡系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵?？刂葡到y(tǒng)總體運行圖如圖5 所示。

圖5 控制系統(tǒng)原理圖Fig.5 Schematic diagram of control system

中央處理器選用可靠性、運算性能高的80C51 單片機(jī)。傾角傳感器和數(shù)據(jù)采集元件選用SST81，采用自適應(yīng)模糊控制技術(shù)完成控制系統(tǒng)總構(gòu)架設(shè)計[9]。為消除旋耕機(jī)機(jī)身振動帶來的誤差，在牽引機(jī)機(jī)身左右兩側(cè)對稱布置2 個傾角傳感器和速度傳感器，通過測量牽引機(jī)的左右傾斜角度，預(yù)估田面平整度情況，并將數(shù)據(jù)傳遞給中央處理器，與旋耕機(jī)機(jī)身上所置傳感器測量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，驅(qū)動電動缸動作。在旋耕機(jī)機(jī)身左右兩端各對稱布置2 個傾角傳感器同時進(jìn)行測量，然后數(shù)據(jù)采集處理器對這兩個數(shù)值進(jìn)行對比，若在設(shè)定范圍內(nèi)，則將數(shù)據(jù)傳遞給中央處理器，否則重新采集數(shù)據(jù)[8-10]。

4 田間試驗

4.1 試驗數(shù)據(jù)

（1）選取蘇北地區(qū)小麥機(jī)收后晾曬2 天的大田，小麥留茬高度5～10 cm；

（2）以設(shè)定耕深20 cm 為試驗依據(jù)，沿耕幅方向從左到右取6 個點，在單個行程方向每隔2 m 選取1 個點，選取8×6 個點；選取2 個行程分別進(jìn)行耕深測量。單行程試驗數(shù)據(jù)如表2、表3 所示。

表2 行程（1）耕整后耕深采樣點數(shù)據(jù)（cm）Tab.2 Sample point data of plough depth for march No.1（cm）

表3 耕深測量平均值Tab.3 Data of average plough depth

4.2 試驗結(jié)果分析

采用數(shù)據(jù)擬合生成耕深曲面圖6、圖7，從圖上得出，自平衡旋耕埋茬機(jī)耕深均達(dá)到預(yù)定要求，且最大耕深差不大于0.5 cm，完全符合精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求。在d1j位置，由于田面不平，左右耕深差較大，隨著自平衡系統(tǒng)啟動，到d4j位置達(dá)到左右平衡。隨著作業(yè)進(jìn)行，耕深會出現(xiàn)較小的波動，主要是由機(jī)器的振動引起的，這是后續(xù)研究重點解決的問題。

圖6 行程（1）耕深曲線圖Fig.6 Plough depth curve of march No.1

圖7 平均耕深曲線圖Fig.7 Average plough depth curve

5 結(jié)論

針對大型耕整機(jī)發(fā)展趨勢，本文開發(fā)了一種自平衡寬幅雙軸旋耕滅茬作業(yè)機(jī)，并設(shè)計了相配套的高效傳動系統(tǒng)和自平衡控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)旋耕滅茬機(jī)具相比作業(yè)效率提高21%左右。

（1）傳動系統(tǒng)采用人字形變速箱中間傳動，空間錯位輸出動力到旋耕和滅茬軸，解決中間漏耕問題，降低作業(yè)能耗16%左右；

（2）刀輥分段采用階梯式，各段通過柔性聯(lián)軸器相連接，刀輥質(zhì)量減少15%左右，達(dá)到減小土壤切削過程產(chǎn)生的振動；

（3）針對大幅款作業(yè)機(jī)具調(diào)平難題，采用傾角傳感器和電動缸控制機(jī)身水平姿態(tài)，開發(fā)自平衡控制系統(tǒng)；

（4）完成大田試驗，最大耕深差控制在0.5 cm以下，完全符合精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求。