可調節(jié)水稻筑埂開溝一體機設計與試驗

李玲 仇維佑 邢全道 朱松

摘要：為解決當前江蘇農墾各分公司水稻種植過程中筑埂作業(yè)質量不高、效率低、水直播田需人工二次筑埂修溝、勞動強度大、成本高等問題，研制一種適應墾區(qū)規(guī)?；鳂I(yè)條件下的可調節(jié)水稻筑埂開溝一體機。對筑埂開溝一體機整體結構進行總體方案設計，確定齒輪箱傳動比分別為1.25和1.69。田間試驗前，調整角度調節(jié)裝置使其適用于不同區(qū)域水稻田筑埂開溝作業(yè)，田間試驗結束后檢測埂高、埂頂寬、溝深、溝寬、埂體堅實度，根據(jù)田間試驗結果進行優(yōu)化改進直至機具定型。結果表明：所設計的機具可在不同區(qū)域水稻田一次筑埂成型且同步完成埂邊開溝作業(yè)，埂高全部合格且平均值達24.5 cm，埂頂寬全部合格且平均值達21.8 cm，溝深平均值達25.1 cm，溝寬平均值達37.6 cm，埂體堅實度平均值達1 992 kPa。該機具通用性和靈活性較好，作業(yè)各項指標皆優(yōu)于相關技術標準，有效提高作業(yè)效率和埂體質量，節(jié)約作業(yè)成本。

關鍵詞：埂型可調；集土開溝；埂體成型；同步作業(yè)

中圖分類號：S222.5

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2023） 03-0022-07

Abstract： In order to solve the problems of low quality and low efficiency， artificial secondary construction ridge and ditch for water direct seeding field， high labor intensity and high cost of the ridge work in rice planting process of all branches of Jiangsu Agricultural Reclamation， a kind of adjustable rice ridge building and ditching integrated machine suitable for largescale operation in reclamation area was studied and developed. The overall design of the whole structure of the simultaneous ridging and ditching machine was carried out， the gearbox transmission ratio was determined to be 1.25 and 1.69， respectively. Before the rice paddy field experiment， the angle adjustment device was adjusted to make it suitable for simultaneous ridging and ditching operation in different areas; after the rice paddy field experiment， the ridge height， ridge top width， ditch depth， ditch width， soil firmness of the formed ridge was detected， the machine was optimized and improved according to the rice paddy field experiment results until the machine was finalized. The analysis results showed that all the measured data of the ridge height were qualified and the average value was 24.5 cm， all the measured data of the ridge top width were qualified and the average value was 21.8 cm， the average value of ditch depth was 25.1 cm， the average value of ditch width was 37.6 cm， the average value of soil firmness of the formed ridge was 1 992 kPa. The indexes of the rice paddy field operation of machine were better than relevant technical standards， which could effectively improve working efficiency and improve ridge quality， reduce operating costs.

Keywords：? ridge type adjustable; scooping up the soil and gathering in the middle; ridge body forming; simultaneous ridging and ditching

0引言

開溝筑埂作業(yè)是水稻實際生產過程中必不可少的田管過程，也是水稻生產全程機械化的重要環(huán)節(jié)［14］，其作業(yè)質量對水稻田田間管水有較大影響，從而間接影響水稻收獲作業(yè)過程和水稻產量。當前我國水稻田筑埂主要方式是人工筑埂、筑埂機筑埂，其中人工筑埂主要存在筑埂勞動強度大、筑埂工作效率低、筑埂成本高、所筑埂體堅實度和埂體均勻性差等問題，筑埂機筑埂主要存在筑埂作業(yè)完成后需要人工進行二次修埂、修溝等［57］問題，均不利于水稻生產全程機械化的發(fā)展。

查閱文獻可知：從20世紀60年代，國內外對筑埂機已經有了一定的研究成果［811］。當前日本和韓國對筑埂機的研究處于世界領先的地位，其主要作業(yè)方式為單面筑埂，工作效率比人工高幾十倍［12］，但存在價格高、維修不便等問題，不適合在中國各地區(qū)大面積推廣使用［1314］；國內對筑埂機的研究主要有：筑埂機機具材料的選擇［15］、筑埂機結構設計［1618］等，但國內市場上尚未有水稻田筑埂作業(yè)、開溝作業(yè)同步進行的機具導致國內研制的筑埂機等，但國內市場上尚未有水稻田筑埂作業(yè)、開溝作業(yè)同步進行的機具導致國內研制的筑埂機不適合在墾區(qū)規(guī)?；痉N植地區(qū)大面積推廣應用，且鮮少有關于水稻田田間筑埂作業(yè)、田間開溝作業(yè)同步進行的機具的相關報道。

本文針對上述現(xiàn)狀，設計了一種可調節(jié)水稻筑埂開溝一體機，該機配套使用40～60 kW拖拉機。整機結構設計合理，可適用于旱地和水田，機具通用性和靈活性較強，可實現(xiàn)一次筑埂成型且同步完成埂邊開溝作業(yè)，擺脫了水直播田人工二次筑埂修溝的困擾，降低了勞動強度，可調節(jié)水稻筑埂開溝一體機作業(yè)過程中可根據(jù)實際生產情況進行埂型和溝型尺寸大小的調節(jié)，所筑埂體質量好，所開的溝便于水稻田后期擱田作業(yè)，能夠有效解決當前墾區(qū)水稻田筑埂所存在的問題，加快墾區(qū)水稻生產全程機械化的進程。

1整機結構及工作原理

本機具針對當前江蘇農墾各分公司水稻種植過程中筑埂作業(yè)質量不高、效率低、水直播田需人工二次筑埂修溝、勞動強度大、成本高等問題，在滿足結構要求、可靠性要求、成本要求等情況下自主研發(fā)設計了一種可調節(jié)水稻筑埂開溝一體機，對可調節(jié)水稻筑埂開溝一體機動力傳動路線進行設計，并采用角度調節(jié)裝置、集土開溝裝置、埂體成型裝置實現(xiàn)埂型和溝型大小可調、一次筑埂成型且同步完成埂邊開溝作業(yè)的目的，滿足不同區(qū)域地塊筑埂、開溝作業(yè)的農藝要求，提高機具的通用性和靈活性，成功解決當前江蘇農墾水稻種植過程中筑埂開溝作業(yè)的難題。

1.1整機結構

可調節(jié)水稻筑埂開溝一體機主要組成：機架、三點仿形懸掛架、主減速器、前側邊齒輪傳動箱、后側邊齒輪傳動箱、萬向節(jié)、角度調節(jié)裝置、集土開溝裝置、埂體成型裝置、減震裝置、二級減速器等組成?？烧{節(jié)水稻筑埂開溝一體機機具結構示意圖如圖1所示。

1.2工作原理

自主研發(fā)設計的可調節(jié)水稻筑埂開溝一體機可通用于墾區(qū)規(guī)?；档?、水田的筑埂、開溝作業(yè)。根據(jù)田間實際情況，該機具旱地筑埂、開溝作業(yè)時，配套拖拉機連接三點仿形懸掛架的圓形銷孔；該機具水田筑埂、開溝作業(yè)時，配套拖拉機連接三點仿形懸掛架的上下浮動式環(huán)形銷孔，前機架后端左右移動式銷孔和后機架前端固定銷孔之間連接減震裝置，便于后機架上下彈性浮動，避免打滑。可調節(jié)水稻筑埂開溝一體機筑埂、開溝作業(yè)主要通過調整角度調節(jié)裝置實現(xiàn)埂型和溝型尺寸大小調節(jié)的目的，使該機具滿足各種田間筑埂要求，避免了不同田間地況所要求的筑埂過大或過小等問題。

可調節(jié)水稻筑埂開溝一體機作業(yè)時，拖拉機動力通過萬向節(jié)傳遞到主減速器，主減速器動力可通過前兩側邊萬向節(jié)傳遞到前兩側邊齒輪傳動箱以此帶動集土開溝裝置隨機具前進，集土開溝裝置進行自行旋轉使圓盤開溝犁切削土壤，并帶動切削后的土壤向機架中心線方向翻轉、堆集，形成不規(guī)則的埂型，主減速器動力還可以通過后側中間萬向節(jié)傳遞到二級減速器，二級減速器動力通過后側萬向節(jié)傳遞到后側邊齒輪傳動箱以此帶動埂體成型裝置隨機具前進，埂體成型裝置進行自行旋轉使壓實輪、反向驅動圓盤犁、扇形刮土板對集土開溝裝置作業(yè)后形成的未成型埂體進行埂體兩側的表面和埂體頂面的擠壓、壓實塑形以形成密實光滑的埂體。

可調節(jié)水稻筑埂開溝一體機作業(yè)完成后，埂體斷面為等腰梯形，埂體斷面上底邊長度為上埂寬，埂體斷面下底邊長度為下埂寬，埂頂?shù)降乇泶怪本嚯x為埂高，地表到溝底垂直距離為溝深，地表到埂體斷面兩腰的水平距離為溝寬，兩溝外邊界的水平距離為全長。

1.3主要技術參數(shù)

可調節(jié)水稻筑埂開溝一體機主要通過切削土壤、集土開溝和埂體鎮(zhèn)壓成型等方式，完成旱地、水田開溝、筑埂作業(yè)，其整機結構緊湊簡單、整機質量輕，且該機可通過調節(jié)角度調節(jié)裝置來調整埂型和溝型大小以適應不同區(qū)域地塊筑埂開溝作業(yè)，有效提高可調節(jié)水稻筑埂開溝一體機作業(yè)通用性及靈活性、提高作業(yè)效率和作業(yè)質量、降低了勞動強度?？烧{節(jié)水稻筑埂開溝一體機的主要技術參數(shù)如表1所示。

2關鍵部件設計

自主研制的可調節(jié)水稻筑埂開溝一體機可在旱地、水稻田進行筑埂作業(yè)同步完成埂體兩側開溝作業(yè)，且機具作業(yè)時埂型和溝型尺寸大小可調，提高了機具的通用性和適用性。為避免機具前進速度過快造成部分零部件損壞，設定該機具田間作業(yè)時前進速度為1.8～3.6 km/h，集土開溝裝置轉速為420～540 r/min，埂體成型裝置轉速為280～340 r/min。

2.1集土開溝裝置設計

該機具集土開溝裝置中兩側圓盤開溝犁關于機架縱向面對稱布置，其結構圖如圖2所示，兩側圓盤開溝犁設計其直徑為80 cm。該機具田間筑埂開溝作業(yè)時，集土開溝裝置依靠前側邊齒輪傳動箱輸出的動力隨機具前進，同時自身進行旋轉運動。集土開溝裝置工作過程：圓盤開溝犁與土壤表面相切，機具前進時，圓盤開溝犁將土壤切削，切削后的土壤通過圓盤開溝犁向機架中心線方向翻轉、堆積，集中到兩圓盤開溝犁中間，形成不規(guī)則的埂型。集土開溝裝置作業(yè)過程中需要考慮機具前進速度，機具前進速度越快，則集土開溝裝置的轉速越快，容易導致圓盤開溝犁切削土壤不充分、切削的土壤土塊較大會造成所筑土埂疏松，此外，還易造成所切土壤不能順利排出的問題，導致土壤在圓盤開溝犁內產生擁堵，低集土開溝裝置堆積土壤的效果。

2.2埂體成型裝置設計

該機具田間筑埂開溝作業(yè)時，埂體成型裝置依靠后側邊齒輪傳動箱傳輸?shù)膭恿﹄S機具前進，同時自身進行旋轉運動。埂體成型裝置將集土開溝裝置作業(yè)后的不規(guī)則埂體擠壓成橫截面為梯形的埂體，埂體兩側為相同的管水溝，其過程為：反向驅動壓埂犁和扇形壓實板對不規(guī)則埂體兩側面反復有規(guī)律地向中間擠壓和拍打，壓實輪對不規(guī)則埂體頂面進行壓實，即扇形壓實板、反向驅動壓埂犁和壓實輪共同作用下，實現(xiàn)振動壓實和靜壓塑形相結合，使土壤顆粒重新緊密排布，從而得到光滑緊實的埂體，成型埂體頂面寬為上埂寬，頂面到未切削土壤表面垂直距離為埂高；此外，反向驅動壓埂犁切削的土壤向反向驅動壓埂犁外側翻轉，未切削土壤表面與成型埂體兩側面之間形成兩條管水溝，其水平距離為溝寬，未切削土壤表面到切削土壤最低處的垂直距離為溝深。

該機具埂體成型裝置中兩側反向驅動壓埂犁關于壓實輪軸對稱布置，扇形壓實板均布在反向驅動壓埂犁外表面，其結構圖如圖4所示，設計反向驅動壓埂犁直徑100 cm，集土開溝裝置轉速：埂體成型裝置轉速為3∶2，則埂體成型裝置轉速為320 r/min，符合埂體成型裝置轉速為280～340 r/min之間。

2.3角度調節(jié)裝置設計

角度調節(jié)裝置關于機架中縱平面對稱布置，其結構圖如圖5所示。集土開溝裝置通過支撐板焊接在角度調節(jié)裝置上，調整角度調節(jié)裝置可改變集土開溝裝置中兩側圓盤開溝犁的入土角度θ和兩側圓盤開溝犁的入土距離X，以實現(xiàn)調整埂型尺寸大小、溝型尺寸大小的目的。

角度調節(jié)裝置水平面運動軌跡如圖6所示。設定前后梁水平間距為h，方管的長度為l，前梁初始長度為H，后梁初始長度為L。

可根據(jù)農藝田埂、管水道相關參數(shù)進行角度調節(jié)裝置的調整，使其田間作業(yè)時符合當?shù)靥锕?、溝道的農藝要求。

2.4動力傳動路線設計

傳動設計路線決定了機具的整體結構是否緊湊，它是整機結構布置的依據(jù)。集土開溝裝置和埂體成型裝置的動力都需要拖拉機PTO動力輸出帶動，根據(jù)實際筑埂開溝作業(yè)需要，設計可調節(jié)水稻筑埂開溝一體機傳動裝置，其原理圖如圖7所示。

拖拉機動力通過萬向節(jié)輸入至主減速器，主減速器內有三個錐齒輪和五個直齒輪，主減速器第二錐齒輪通過萬向節(jié)將動力傳遞至前側邊齒輪傳動箱，前側邊齒輪傳動箱通過第五直齒輪將動力傳遞至集土開溝裝置，主減速器通過第三錐齒輪將動力傳遞至二級減速裝置，二級減速裝置第二錐齒輪通過萬向節(jié)將動力傳遞至后側邊傳動箱，側邊傳動箱含有五個圓柱直齒輪，將動力傳遞至埂體成型裝置。由于齒輪傳動存在效率損失，所以在設計傳動比的時候要考慮傳動效率，主要包括萬向節(jié)傳動效率和齒輪傳動效率，根據(jù)式（6）和式（7）計算各機構的傳動效率。

3田間試驗

根據(jù)當前粘土地水稻田筑埂開溝作業(yè)對機具的實際需求，設計適用于粘土地旱地、水田的筑埂開溝一體機。2020年12月—2021年8月，由整機圖紙加工出的機具在江蘇省鹽城市黃海農場中德示范園進行筑埂開溝試驗，記錄機具在試驗過程中存在的問題與試驗結束后埂型尺寸大小和溝型尺寸大小。根據(jù)旱地試驗結果進行機具優(yōu)化改進直至樣機初步定型，初步定型的樣機進行水田筑埂開溝試驗，根據(jù)水田試驗結果進行機具優(yōu)化改進直至樣機定型。

3.1試驗條件

可調節(jié)水稻筑埂開溝一體機在粘土地地區(qū)進行田間試驗。試驗前，試驗樣機進行試運轉，達到正常工作狀態(tài)，試驗期間機具工況應保持穩(wěn)定；試驗地塊為旱地、水田且試驗滿足筑埂開溝作業(yè)農藝要求。

3.2性能試驗

旱地筑埂開溝作業(yè)結束后其埂成型且埂兩側的溝明顯，滿足粘土地地區(qū)旱地筑埂開溝作業(yè)要求，因本機具主要解決水稻田田間筑埂開溝作業(yè)過程存在的問題，所以主要在水稻田進行機具性能試驗。

樣機定型后，為驗證機具各項參數(shù)可靠性，配套拖拉機（功率44.1 kW）的前進速度1.8 km/h，測試總距離為100 m，工況相同的情況下重復3次試驗?？烧{節(jié)水稻筑埂開溝一體機田間筑埂開溝作業(yè)結束后，依據(jù)相關檢測標準［19］，使用土壤堅實度測定儀、卷尺對成型埂體同一檢測點的埂體堅實度、埂高、埂頂寬、溝深、溝寬、進行人工檢測取平均值，以評價機具作業(yè)性能。

3.3田間作業(yè)結果

3.3.1埂高合格率測定

在測定區(qū)內，沿機具前進方向每隔5 m測定一個點，測定11點，測量地表到埂頂?shù)拇怪本嚯x，埂高20～30 cm為合格。其中埂高測量值如表2所示，埂高合格率按照式（10）計算。

Gg=Ghgn×100%

由表2可知，3次田間試驗埂高合格率均為100%，均大于埂高合格率標準85%。

3.3.2埂頂寬合格率測定

測定時應與埂高測試點進行對應，測量埂頂表面水平寬度，埂頂寬18～30 cm為合格。按照式（11）計算埂頂寬合格率。試驗結果如表3所示。

由表3可知，3次田間試驗埂頂寬合格率均為100%，均大于埂頂寬合格率標準80%。

3.3.3田間作業(yè)指標檢測結果

可調節(jié)水稻筑埂開溝一體機水稻田田間筑埂開溝作業(yè)檢測指標的結果如表4所示。

由表4可知，埂體堅實度3次田間試驗平均值為1 992 kPa，埂高3次田間試驗平均值為24.5 cm，埂頂寬3次田間試驗平均值為21.8 cm，溝深3次田間試驗平均值為25.1 cm，溝寬3次田間試驗平均值為37.6 cm。

田間試驗結果表明，可調節(jié)水稻筑埂開溝一體機作業(yè)各項指標皆優(yōu)于相關技術標準，埂體堅實度、埂高、埂頂寬、溝深、溝寬比較均勻?？烧{節(jié)水稻筑埂開溝一體機可一次性完成集土、鎮(zhèn)壓、開溝、成型作業(yè)，實現(xiàn)了埂型及溝型大小可調以適應不同區(qū)域田間筑埂開溝作業(yè)。在工況條件下，機具筑埂開溝作業(yè)占用耕地面積較小、所筑埂體堅實光滑且均勻、所開溝道通暢，滿足農業(yè)生產農藝要求。

4結論

1）? 設計研制了一種可調節(jié)水稻筑埂開溝一體機，解決了傳統(tǒng)水稻種植過程中筑埂作業(yè)質量不高、效率低、水直播田需人工二次筑埂修溝、勞動強度大、成本高等問題，擺脫了人工修埂、人工修溝的困擾。

2）? 提出可調節(jié)水稻筑埂開溝一體機的整體結構方案，確定了集土開溝裝置轉速為480 r/min，埂體成型裝置轉速為320 r/min，并對機具的傳動系統(tǒng)進行設計，選取合適的齒輪箱，確定齒輪箱傳動比分別為1.25和1.69，為機具筑埂開溝作業(yè)提供了可靠的技術參考。

3）? 本文設計的機具可在不同區(qū)域水稻田一次筑埂成型且同步完成埂邊開溝作業(yè)，提高了埂體質量且所開溝道通暢，埂型與溝型均勻一致。埂高全部合格且平均值達24.5 cm，埂頂寬全部合格且平均值達21.8 cm，溝深達25.1 cm，溝寬達37.6 cm，埂體堅實度平均值達1 992 kPa，其各項檢測指標皆優(yōu)于參照技術標準，提高了工作效率，降低了勞動強度，節(jié)約了作業(yè)成本，減少耕地的占用面積，能大面積推廣應用。

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