1WGV-6.3微型耕作起壟機的研發(fā)與應用

胡曉陽

(四川省宜賓市農(nóng)業(yè)科學院，四川 宜賓 644000)

1 國內(nèi)外起壟機研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)的起壟機主要是以安裝在大中型拖拉機上的起壟設備為主，為了不浪費動力，節(jié)省生產(chǎn)成本，一般都具有復合性功能，驅(qū)動行走輪、液壓機構(gòu)、螺旋起壟等動力輸出是獨立的，但功耗消耗較大，適合在大平壩地區(qū)或平原使用，不適合在丘陵山區(qū)應用。適合南方丘陵地區(qū)應用的小型起壟機研制在國內(nèi)起步較晚，可應用性不夠，有必要進行深入的研究和開發(fā)。而國外的起壟機研發(fā)與應用主要以日本和韓國為主，國外大型起壟機專題介紹較少，也不適用于丘陵地區(qū)使用，日本和韓國的小型起壟機對在國內(nèi)用戶來說性價比不夠高。未來小型起壟機的研發(fā)會針對不同的作業(yè)對象完成不同的功能，既可是專業(yè)單一作業(yè)、也可是復合應用作業(yè)，功能更加全面、選擇性更多、效率更高、重量更輕、實用性更廣的耕作起壟機。

2 丘陵山區(qū)耕作起壟機發(fā)展趨勢

川南地處丘陵山區(qū)，平壩少，丘陵多，彎多坡陡，道路崎嶇，對農(nóng)業(yè)機械裝備的外觀尺寸，整機質(zhì)量均有一定的要求。目前還在應用的丘陵山區(qū)起壟機主要以12馬力以下的小型機具為主，20馬力以上的中大型耕作起壟機械極為少見，僅在平壩地區(qū)有一定作業(yè)數(shù)量。原有一些丘陵山區(qū)小型起壟機械應用，但設計的緊湊性不夠，地頭轉(zhuǎn)移不便，起壟作業(yè)不夠標準，工作效率體現(xiàn)一般，設計技術需要做改進，就目前所查閱和掌握的信息分析而言，雖然近十年來，丘陵山區(qū)耕作起壟機有了一定的發(fā)展，但是根本問題依然存在，丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)起壟作業(yè)機械化不高，仍然需要更合適的小型、適用、高效的起壟裝備來滿足農(nóng)業(yè)發(fā)展所需，輪式和履帶式小型耕作起壟機將是未來丘陵山區(qū)所需，而AI技術、智能化、自動化控制技術的應用將是未來發(fā)展的空間。

3 研發(fā)的可行性和必要性

川南屬丘陵山區(qū)，農(nóng)業(yè)上栽培的很多農(nóng)作物都需要起壟作業(yè)，例如煙葉、紅薯、甘蔗、辣椒、蔬菜等，這些農(nóng)作物大部分農(nóng)村都普遍種植，是廣大農(nóng)戶的支柱產(chǎn)業(yè)。在栽種前，必須人為的起出條狀的壟，起壟栽種的優(yōu)點在于：一是便于灌溉，抗旱防滯。二是可以使土層加厚，擴大根系和塊根的生長范圍。三是可以增加表土立體面，增強透氣性。四是提高地溫，調(diào)節(jié)晝夜溫差，有助于農(nóng)作物的生長發(fā)育。起壟時要求做到壟形肥胖，壟溝窄深，壟面平整，壟土夯實，壟內(nèi)無硬心，起壟任務極為繁重。若農(nóng)民手工作業(yè)起壟，從根本上無法達到節(jié)本增效的目的。

在農(nóng)業(yè)經(jīng)濟作物里，煙葉類是重要的農(nóng)經(jīng)作物之一，烤煙競爭力最重要的就是對種植成本的控制，提高生產(chǎn)效率、降低勞動強度，降低烤煙生產(chǎn)成本，擴大生產(chǎn)規(guī)模。進行規(guī)?；芾韽亩嵘緹煹膯萎a(chǎn)，生產(chǎn)機械化水平越高，成本越低，種植收益提升越快。我國農(nóng)機裝備的保有量逐年增加，耕地的機械化耕作程度也在逐年提高，有效地減輕了農(nóng)民的勞動強度，提高了生產(chǎn)效率。但是，南方丘陵山區(qū)的農(nóng)業(yè)機械化平均水平還很低，勞動強度還很大，生產(chǎn)效率還很低下，還迫切需要大量的更加適合丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的小型農(nóng)機具，通過這些小型農(nóng)機具的研發(fā)、推廣應用來有力地促進丘陵山區(qū)的農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展。煙草種植耕作起壟作業(yè)農(nóng)技要求是比較高的，除了烤煙種植耕地需要起壟作業(yè)外，其余種植的紅薯、土豆、甘蔗等農(nóng)作物也都需要起壟作業(yè)，初步統(tǒng)計僅僅宜賓市每年需要起壟作業(yè)的耕地面積超過6.67萬hm2。如果都使用耕作起壟機作業(yè)，將極大地減輕農(nóng)民的勞動強度，提高生產(chǎn)效率，增加農(nóng)作物產(chǎn)量，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，促進傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變。1WGV-6.3微型耕作起壟機研發(fā)能完成煙草種植農(nóng)技要求耕作起壟的需要，也可以完成其它農(nóng)作物農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起壟及其它機械化作業(yè)。丘陵山區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展是急需適合的小型耕作起壟機。

4 技術設計基礎信息和關鍵技術分析

4.1 作業(yè)對象特性

按土壤質(zhì)地，土壤一般分為3大類：砂質(zhì)土、黏質(zhì)土、壤土，為了正確認識在耕作過程中機械對土壤的施力狀態(tài)和土壤產(chǎn)生的反應，不僅要了解土壤的物理特性(如土壤的機械組成、結(jié)構(gòu)、容重、孔隙度、含水率等)，還必須研究土壤在機械作業(yè)過程中所產(chǎn)生的動力特性(如強度、流變、摩擦系數(shù)等)，即只是在受外力作用時才體現(xiàn)出來的力學特性，熟練掌握這些理論知識將對研發(fā)中關鍵技術的解決起到至關重要的作用。

4.2 農(nóng)機農(nóng)藝融合

研發(fā)一款適合本區(qū)域應用的農(nóng)機裝備必須了解作業(yè)環(huán)境特性、機耕道路的建設、相關農(nóng)藝技術要求，多征求農(nóng)業(yè)部門專業(yè)技術人員意見，對可能實施的設計技術進行充分討論和論證，做出專業(yè)的判斷和選擇。目前丘陵山區(qū)適應農(nóng)藝要求的先進的農(nóng)機具推廣應用緩慢，是影響和制約全國農(nóng)業(yè)機械化整體水平提升的瓶頸。農(nóng)業(yè)機械化作業(yè)的潛力和優(yōu)勢沒有充分發(fā)揮出來，當前需要引導丘陵山區(qū)主要農(nóng)作物生產(chǎn)向機械化、輕簡化、集成化、標準化、規(guī)?；较虬l(fā)展，實現(xiàn)高產(chǎn)、高效。

4.3 關鍵技術的分析

主要提出如何解決起壟成型技術設計，分為3個大的部分：一是設計方案的確定，這里包含的基本內(nèi)容是動力配置及參數(shù)選擇、變速箱傳動方式、潤滑方式等，動力輸出軸機構(gòu)。二是起壟器的設計，包括起壟器具體結(jié)構(gòu)設計選擇，金屬材料的確定和熱處理工藝。三是壟成型器的設計，在確保不產(chǎn)生作業(yè)成型擁堵的情況下，完成起壟成型的整理作業(yè)。

4.3.1 設計方案 動力的選擇8～10馬力汽柴油機，動力和變速箱選配為直傳式傳動，耕作起壟部件與變速箱動力輸出軸直連，為變速箱左右布置，起壟整形部件后置，整機重心布置稍微向前置，這樣便于操作人員在操作時雙手不是向上的抬動力，而是需要一個向下的手腕壓力，這樣會有效減輕操作人員的疲勞感，有利于減輕人員工作強度，提高農(nóng)戶作業(yè)操作時的舒適感和愉悅感，人機工程技術未來是技術設計必須考慮周到的一個很重要的技術環(huán)節(jié)，目前整機設計要求為實用型，整機操作模式為人員隨行方式，解決好丘陵山區(qū)實用技術問題，再開拓創(chuàng)新。未來該項技術發(fā)展的空間是乘坐式、智能控制式；包括作業(yè)程序輸入、shishi定位、作業(yè)數(shù)據(jù)分析、精準監(jiān)測等技術應用。

4.3.2 起壟器設計 在與動力輸出軸直連的耕作起壟軸上按照螺旋方向固定安裝螺旋起壟器，螺旋起壟分為左螺旋起壟器和右螺旋起壟器，兩邊對稱分布。螺旋起壟結(jié)構(gòu)設計基本分為2種類型，即連續(xù)螺旋起壟件和間斷螺旋起壟件，而這2種起壟機構(gòu)設計的優(yōu)越性將通過性能比對試驗來確定，選擇出最佳螺旋起壟機構(gòu)。在起壟螺旋機構(gòu)與動力輸出軸鏈接的位置部分，即靠變速箱一側(cè)安裝有一組螺旋排列的旋耕刀，一是避免漏耕，二是提升作業(yè)效果。

4.3.3 壟成型器設計 螺旋起壟后壟型是不很規(guī)范，需要通過符合農(nóng)藝技術要求的梯形成型板整形完成。在螺線起壟軸的外側(cè)安裝可拆卸的驅(qū)動行走輪，使行走驅(qū)動和覆土螺旋起壟器在同一軸上，簡化了結(jié)構(gòu)，滿足不同土壤條件下的耕整地作業(yè)求。在變速箱后置一阻力桿，可控制前行速度和一定范圍起壟高度，利于耕作、起壟等作業(yè)。結(jié)構(gòu)更為簡單，整機的重心平衡好，使用者的操作更加輕松。

5 1WGV-6.3微型耕作起壟機研發(fā)技術路線

該技術研發(fā)具有多功能性的耕作起壟機，研究重點是關鍵技術起壟性能，所以其它輔組功能的闡述做相應減免，技術路線只體現(xiàn)耕作和起壟功能。技術路線需先根據(jù)作業(yè)要求來明確結(jié)構(gòu)，根據(jù)作業(yè)時可能出現(xiàn)的最大載荷、速度等來選擇動力和變速箱參數(shù)，動力和變速箱可以選擇成熟的、技術先進的廠家適合的型號和功能配套，發(fā)動機與變速箱直傳為首選，與其它類似結(jié)構(gòu)相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊，便于總體布局，轉(zhuǎn)移便捷，適合丘陵地區(qū)使用。

圖1 技術路線

6 關鍵技術與部件的研究和結(jié)構(gòu)設計

6.1 螺旋起壟器的設計

筆者在做結(jié)構(gòu)設計時，準備有3個選項，一是開溝成型，一是擠壓成型，一是堆壓整形。通過技術設計、樣機試制試驗情況，來驗證設計方案是否需要修正，技術路線是否正確。理論必須和實踐相結(jié)合才能設計出適合的產(chǎn)品。經(jīng)過技術驗證，筆者選擇了水平設置的螺旋起壟器，該設計具有結(jié)構(gòu)先進、適應性強、阻力小、壽命長、維修方便等特點。在螺旋起壟器設計里，分別做了2款結(jié)構(gòu)設計，如圖2和3所示。

圖2 起壟器結(jié)構(gòu)11.法蘭 2.旋耕刀 3.刀座 4.六棱套軸 5.起壟螺旋 6.輔助輪 7.密封端蓋

這2款螺旋起壟器原理類似，但具體結(jié)構(gòu)設計不同，也具有各自不同的有點和缺點。圖2采用整體螺旋拉伸設計，確定材質(zhì)、螺距、螺旋直徑、螺旋傾角、輸送量等主要參數(shù)，件2為輔助旋耕刀，件6為輔助輪，有輔助驅(qū)動和限深作用，整體和變速箱動力六棱輸出軸相連接。圖3采用的是螺旋刀做螺旋排列安裝，形成間斷的螺旋線旋轉(zhuǎn)運動，由于整體和變速箱動力六棱輸出軸連接，在一定輸出轉(zhuǎn)速下，螺旋刀的運動可看作是連續(xù)，從而帶動土壤起到輸送功能。圖2和圖3主要不同點就是起壟螺旋零件，一是連續(xù)螺旋，一是螺旋刀螺旋排列。

圖3 起壟器結(jié)構(gòu)21 .法蘭 2.旋耕刀 3.刀座 4.六棱套軸 5.起壟螺旋刀 6.輔助輪 7.密封端蓋

通過樣機大量的試驗證明：螺旋刀起壟比螺旋起壟更具有優(yōu)勢，在確定好主要參數(shù)的情況下，螺旋刀組成的起壟器相比螺旋起壟器而言，在有同樣的功能情況下，還具有這樣的一些優(yōu)勢和特點，容易規(guī)?；a(chǎn)、標準化生產(chǎn)，成本更低，安裝或更換便捷，維修方便。通過更換不同的螺旋刀，還可在一定合適的范圍內(nèi)增大螺旋直徑，調(diào)整起壟的高度。

6.2 起壟成型器的設計

在成型器的設計中，主要就擠壓成型和堆壓整形成型進行了研究和試制試驗，并對采用強行擠壓成型和堆壓整形成型可能出現(xiàn)的問題進行了進一步的分析，通過試制試驗和技術分析，起壟成型器選擇為圖4所示：件1主要是和變速箱上牽引架其連接，件1、件3、件10為組合焊件，在焊件上安裝有件2，件2為鉸鏈組件，件5為鉸鏈結(jié)構(gòu)，件9是調(diào)整桿，件4通過件2、件5、件9可以進行一定角度轉(zhuǎn)動做前后浮動調(diào)整，件7為鉸鏈結(jié)構(gòu)，件8通過件7連接，可以做一定角度的上下調(diào)節(jié)浮動，通過件8技術設計和重量，可完成對壟頂部進行平面整形。

圖4 起壟成型機構(gòu)簡圖1.連接座 2.成型器側(cè)板鉸鏈組件 3.上成型器、阻力桿組件 4.成型器側(cè)板 5.成型器側(cè)板調(diào)整鉸鏈 6.阻力桿 7.上成型器鉸鏈 8.上成型器 9.成型器側(cè)板調(diào)整桿 10.成型器側(cè)板支架

起壟成型示意簡圖5所示：件1和件4為壟左右成型板，通過件2、件3、件5的連接和配合，針對不同的農(nóng)作物起壟尺寸要求，可以通件1、件2、件4的調(diào)整或更換來完成對壟兩側(cè)的整形作業(yè)。

圖5 起壟成型器示意簡圖1.成型器左側(cè)板 2.成型器板鉸鏈座 3.轉(zhuǎn)軸 4.成型器右側(cè)板 5.轉(zhuǎn)軸鉸鏈

7 起壟作業(yè)試驗情況分析

筆者在川南地區(qū)選擇不同的土壤進行了樣機試驗，測試內(nèi)容主要包括了試驗旱地特征、植被覆蓋測定、不同土壤的起壟作業(yè)模式、起壟主要參數(shù)、耕深耕寬數(shù)據(jù)、旋耕碎土率、經(jīng)濟指標測定等指標。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)和樣機試驗情況的分析表明，在砂質(zhì)土、黏質(zhì)土、壤土的起壟準備工作是有不同的，砂質(zhì)土、壤土可以做到直接起壟作業(yè)，如果碎土后起壟效果更好。而黏質(zhì)土尤其是粘性較為強的土壤，需要做前期的碎土耕整作業(yè)，碎土顆粒不大于2cm，碎土效果越好，起壟效果越符合農(nóng)藝要求。試驗要求在樣機工作時的起壟、碎土率、植被覆蓋率、耕深均能滿足農(nóng)藝上的要求，且生產(chǎn)效率較高，耕后地表平整，松軟，能滿足精耕細作要求，一次作業(yè)就能達到煙葉類農(nóng)作物種植需要的起壟效果。尤其在起壟試驗作業(yè)過程中也充分體現(xiàn)出來了，由于結(jié)構(gòu)設計采用了兩側(cè)板可調(diào)整整形，同時整型板內(nèi)測增加有10cm左右的軟整形條，壟頂部整形采用了自由浮動整形設計，把以前體現(xiàn)出來的旋耕后松軟土壤在經(jīng)過成型器強行擠壓產(chǎn)生的泥土擁堵難題徹底解決了，同時也解決了因為泥土擁堵造成的發(fā)動機起壟作業(yè)時負載過載的問題。

8 1WGV-6.3微型耕作起壟機應用

經(jīng)過整機技術設計方案調(diào)整與樣機的試制，同時不斷試驗、改進、試驗，1WGV-6.3微型耕作起壟機的研發(fā)，通過了四川省農(nóng)業(yè)機械許可證申請，獲得了省級農(nóng)業(yè)機械推廣鑒定證書和產(chǎn)品定型。經(jīng)過申報，取得了整機實用新型專利，并通過科技成果鑒定，獲宜賓市科技進步二等獎。1WGV-6.3微型耕作起壟機通過科技成果轉(zhuǎn)化，進入了國家支持推廣的農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品目錄，進行了推廣應用。在農(nóng)機化技術推廣應用上采取以點及面的方式。該技術的成功研發(fā)和通過成果轉(zhuǎn)化應用，基本解決了丘陵地區(qū)煙葉、紅薯、玉米類需起壟作業(yè)的農(nóng)作物起壟作業(yè)難題，為丘陵地區(qū)農(nóng)業(yè)機械化起壟作業(yè)的推動和普及起到了積極的作用。