某系列多功能高效聯(lián)合整地機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

李 妍

（錦州市農(nóng)業(yè)農(nóng)村綜合服務(wù)中心，遼寧錦州 121000）

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)村有著豐富的農(nóng)作物秸稈資源，秸稈資源的廢棄與焚燒，既浪費(fèi)了大量的生物能源，又對大氣環(huán)境污染嚴(yán)重。近七年的中央一號文件精神表明，我國的秸稈使用已經(jīng)完成從“單一化利用”到“綜合轉(zhuǎn)化利用”再到“多元化利用”的轉(zhuǎn)變。2019年，全國農(nóng)作物秸稈利用量5.25億t，綜合利用率達(dá)71.5%；2020年，全國農(nóng)作物秸稈利用量5.41億t，綜合利用率達(dá)73.6%；2021年，全國農(nóng)作物秸稈利用量6.47億t，綜合利用率達(dá)88.1%。在利用渠道上，實(shí)現(xiàn)了從堆肥、菌床、飼料、生物質(zhì)燃料擴(kuò)充到生物塑料、生物降解等更高層次的應(yīng)用范圍，并且在各領(lǐng)域的安全性、減排程度、利用效率方面都得到了極大的提升。2021年，錦州市秸稈綜合利用176.7萬t，秸稈綜合利用率91.25%。從上述數(shù)據(jù)分析，雖然錦州市秸稈綜合利用率比全國綜合利用率高出3%，但是在農(nóng)村燃料、秸稈還田、飼料及工、副業(yè)生產(chǎn)原料綜合利用方面，秸稈綜合利用仍有很大的提升空間。

1 概述

我國已形成了以鏵式犁、旋耕機(jī)、聯(lián)合整地機(jī)、保護(hù)性耕作機(jī)械作業(yè)等技術(shù)為理論支撐的保護(hù)性耕作體系。但是，從我國現(xiàn)有農(nóng)機(jī)企業(yè)研發(fā)能力上來看，多數(shù)是外部引進(jìn)與外部模仿，自主研發(fā)與科研創(chuàng)新能力較弱，科研投入不足。從耕整地機(jī)具配套情況來比較，發(fā)達(dá)國家機(jī)具配套比例達(dá)14%左右，國內(nèi)機(jī)具配套比例達(dá)不到50%，國內(nèi)機(jī)具配套部件的通用性和適配性均有較大差距。由于整地機(jī)的動力輸出為拖拉機(jī)，在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，市面上大部分產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上與大馬力拖拉機(jī)研發(fā)水平脫節(jié)。國內(nèi)企業(yè)多數(shù)產(chǎn)品屬于中低端產(chǎn)品，過剩紡織品過多，高端農(nóng)機(jī)或零部件仍過度依賴進(jìn)口，關(guān)鍵重要“卡脖子”問題得不到解決。從用戶操作方式上來看，我國耕地整地產(chǎn)品主要采用手動調(diào)整、手動控制或半自動半智能化操作方式，而國外農(nóng)機(jī)智能化水平較高，我們在液壓、氣動、信息化方面仍有提升空間。從機(jī)具材料選取方面來看，國內(nèi)企業(yè)普遍采用能夠承載載荷較小的鋼型材材料，而較少采用多復(fù)合材料、特殊鋼材、覆膜等材料技術(shù)。在加工工藝上，我國仍沿用傳統(tǒng)的機(jī)加工設(shè)備和工藝，在零件質(zhì)量與加工制造精度上均難以保障，而國外農(nóng)機(jī)企業(yè)在制造上采用數(shù)字化設(shè)計(jì)、激光線切割、柔性裝配生產(chǎn)線等先進(jìn)制造工藝。在安全性能上，缺少過載保護(hù)和先進(jìn)的安全防護(hù)及自動報(bào)警裝置。

針對以上問題，按照農(nóng)業(yè)農(nóng)村部和遼寧省《關(guān)于開展主要農(nóng)作物生產(chǎn)全程機(jī)械化推進(jìn)行動的意見》要求，錦州市將秸稈全程機(jī)械化還田作為農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣的主推工作。以秸稈全程機(jī)械化技術(shù)為主導(dǎo)方向，以增加農(nóng)民收入為目標(biāo)，通過引進(jìn)新機(jī)具、示范推廣秸稈全程機(jī)械化技術(shù)模式，開展作業(yè)示范和適用技術(shù)試驗(yàn)推廣。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 耕整地機(jī)技術(shù)發(fā)展方向

2.1.1 大田整地方面。多功能聯(lián)合整地機(jī)、淺翻深松機(jī)等新機(jī)具已代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)具。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械總動力為1.63億kW，耕地總面積為1.82億hm2，機(jī)械化耕作面積為1.68億hm2，機(jī)械化耕地率達(dá)到92.3%；2021年，農(nóng)業(yè)機(jī)械總動力為1.8億kW，機(jī)械化耕種面積達(dá)到1.7億hm2，機(jī)械化耕作率超過95%。

2.1.2 寬幅大型化方面。隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)和農(nóng)機(jī)制造水平的協(xié)調(diào)發(fā)展，我國土地集約和農(nóng)業(yè)技術(shù)集約化程度大幅度提高。隨著我國大馬力拖拉機(jī)不斷發(fā)展，380馬力功率段拖拉機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)批量銷售，大馬力拖拉機(jī)銷量突破了200萬臺，給配套研制的大型聯(lián)合整地機(jī)、液壓翻轉(zhuǎn)犁、重型圓盤耙等寬幅大型耕整地機(jī)械提供了發(fā)展的空間。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019～2022年，我國大型耕作機(jī)械市場年均增長率達(dá)到了9.7%。

2.1.3 功能化發(fā)展方面。現(xiàn)有市場產(chǎn)品在復(fù)式作業(yè)和聯(lián)合作業(yè)方向取得了長足進(jìn)步，耕整地機(jī)不僅能夠進(jìn)行土地耕作、整地等基本工作，還能夠?qū)崿F(xiàn)種植、施肥、除草、灌溉等復(fù)合工序。通過一次作業(yè)完成，達(dá)到了充分利用功率、降低油耗、節(jié)約勞動時(shí)間、減少土壤壓實(shí)的效果。

2.1.4 高效智能化發(fā)展方面。部分耕整地機(jī)采用了GPS遙控、田間信息快速獲取與分析等先進(jìn)技術(shù)，運(yùn)用不同規(guī)格激光控制平底網(wǎng)格、耕整地機(jī)械數(shù)字化計(jì)量技術(shù)及作業(yè)狀態(tài)信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)施肥、精準(zhǔn)定位等精準(zhǔn)化作業(yè)。并且，在作業(yè)過程中對實(shí)際情況進(jìn)行記錄和分析，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)，形成了現(xiàn)代化耕整地機(jī)械裝備自動化控制體系，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)水平的提升。

2.2 具體設(shè)計(jì)參數(shù)和構(gòu)造

根據(jù)機(jī)具設(shè)計(jì)的具體要求，本產(chǎn)品重點(diǎn)圍繞滅茬、旋耕和深松于一體的聯(lián)合作業(yè)方式，針對傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)旋耕不到位、刀片方向影響作業(yè)效率、旋耕滅茬效果不理想的問題，對機(jī)具進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。試制中，先后解決了變速箱后支撐板與刀片刮碰、滅茬軸彎曲、部分刀庫六方孔與圓孔裝配不同心的問題，并開展了作業(yè)機(jī)具應(yīng)用與示范。具體參數(shù)見表1。

表1 聯(lián)合整地機(jī)技術(shù)參數(shù)

本機(jī)具主要由機(jī)架、萬向節(jié)、主副變速箱、旋耕刀軸、蓋板、起壟器（選配）等部件組成。將由拖拉機(jī)產(chǎn)生的動力通過傳動軸輸入到整地機(jī)，機(jī)具上的刀軸帶動刀片旋轉(zhuǎn)并向前移動與土壤產(chǎn)生相對運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)作物根茬被滅茬刀高速粉碎、土壤被旋耕刀疏松。然后，進(jìn)行起壟，由此完成滅茬、旋耕和深松的聯(lián)合作業(yè)循環(huán)。整地后，土壤疏松、平整、保水、保肥、有機(jī)質(zhì)含量高，具備播種和作物生長的良好條件。機(jī)具具體構(gòu)造見圖1。

圖1 聯(lián)合整地機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

3 重要部件設(shè)計(jì)

3.1 變速箱總成設(shè)計(jì)

我國土壤環(huán)境不同，如果設(shè)計(jì)單獨(dú)轉(zhuǎn)速的農(nóng)機(jī)裝備，將會造成整地機(jī)刀軸轉(zhuǎn)速不適的現(xiàn)象。針對以上情況，本產(chǎn)品在變速箱總成上采用了可更換齒輪的方式。可以根據(jù)不同地區(qū)，配備齒輪比不同的齒輪副，動力由拖拉機(jī)的后輸出軸輸出，經(jīng)萬向節(jié)傳遞給中齒輪箱，由中齒輪箱輸出動力，經(jīng)由插筒裝置的花鍵套與右齒輪箱連結(jié)，右齒輪箱帶動旋耕軸，旋耕軸上的旋耕刀進(jìn)行碎土及旋耕整地的農(nóng)田作業(yè)，從而適應(yīng)各地的旋耕滅茬的需求。

為了增加變速箱的可靠性，我們將傳統(tǒng)機(jī)具中大多采用的6模數(shù)齒輪，改為8與10模數(shù)齒輪，在齒輪強(qiáng)度上做了加強(qiáng)，提高了整地機(jī)的使用壽命。另外，為了彌補(bǔ)機(jī)具主、側(cè)箱傳動軸同軸度的不足，本方案在保證主、側(cè)箱傳動軸同軸度的前提下，采用花鍵軸傳動的傳動方式。材質(zhì)選用40Cr加工成的花鍵軸，40Cr具備耐高溫、不退火、不易折等特點(diǎn)，通過日常加入齒輪油，提高其穩(wěn)定性。

3.2 防斷裂主軸的設(shè)計(jì)

近年來，土壤板結(jié)情況愈演愈烈，土壤表面變得十分堅(jiān)硬，使農(nóng)業(yè)機(jī)械的主軸負(fù)荷加重，經(jīng)常發(fā)生主軸斷裂等故障。針對以上問題，發(fā)現(xiàn)主要原因是現(xiàn)有同類產(chǎn)品主軸承受的負(fù)荷過大，主軸上焊接缺陷所形成的應(yīng)力集中，造成現(xiàn)有主軸斷裂的情況。本產(chǎn)品設(shè)計(jì)了整地機(jī)防斷裂主軸，其結(jié)構(gòu)要點(diǎn)包括軸管，軸管一端連接有法蘭，軸管的另一端為軸頭；軸筒由無縫鋼管組成，軸管上分布焊接有多個刀庫，刀庫上安裝有旋耕刀。該防斷裂主軸不僅增加了承載強(qiáng)度，同時(shí)刀庫呈4條螺旋均勻排列且沒有焊接缺陷，不易形成應(yīng)力集中等缺陷，從而確保了主軸不會發(fā)生斷裂（圖2）。

圖2 防斷裂主軸示意圖

3.3 加油口防漏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，整地機(jī)齒輪箱普遍采用一個帶孔螺栓作為油箱和通氣孔使用。箱體內(nèi)齒輪工作時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的齒輪將潤滑油攪動飛濺，并通過通孔縫隙處向外泄漏形成油泥，從而易造成排氣孔堵塞。此外，由于齒輪箱工作時(shí)會產(chǎn)生熱量形成壓力，氣孔堵塞造成箱體內(nèi)壓力增大，導(dǎo)致潤滑油泄漏，影響機(jī)器的正常使用。

針對上述問題，本產(chǎn)品在齒輪箱上設(shè)計(jì)了防漏結(jié)構(gòu)（圖3）。其特征在于：在齒輪箱上部設(shè)有與齒輪箱相連通的隔離腔，進(jìn)油口在隔離腔頂部，在隔離腔下部設(shè)有導(dǎo)油板，并沿齒輪旋轉(zhuǎn)方向設(shè)置，導(dǎo)油板的一端與隔離腔底部開口一端相連，導(dǎo)油板另一端與隔離腔底部開口另一端之間具有導(dǎo)氣孔。這樣，導(dǎo)油板擋住飛濺油液，避免了油液漏出齒輪箱，從而解決油液與泥土混合形成的油泥堵塞通氣孔的問題。

圖3 防漏結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 萬向節(jié)傳動總成設(shè)計(jì)

萬向節(jié)傳動總成主要由活節(jié)夾叉、十字軸、方軸夾叉焊合、方軸套夾叉焊合組成。十字軸兩端裝有孔用彈性擋圈，防止十字軸軸向移動。十字軸上裝有黃油嘴，注滿黃油，可保證軸承潤滑。萬向節(jié)保護(hù)套，按需配套。

3.5 刀片設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的阿基米德螺線曲線刃口的彎刀片，耕地深度不夠，并且彎刀切不斷植物根莖，使得植物根莖纏繞刀軸?；谏鲜鰡栴}，本產(chǎn)品采用非對稱的阿基米德螺線曲線刃口的彎刀片（左彎刀和右彎刀），提高了耕地深度，使切不斷的根莖滑向刀片端部脫開，不至于纏繞到刀軸上，解決了刀軸纏草的問題。刀片采用沉頭方頸螺栓連接，可保證連接部分的強(qiáng)度；刀柄與連接架通過安全銷釘連接；連接架與整機(jī)通過“U”形卡和螺栓與機(jī)架后梁連接。刀片形狀如圖4。

圖4 刀片示意圖

4 結(jié)論

本文介紹了某系列高效聯(lián)合整地機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)原理、重要創(chuàng)新部件的設(shè)計(jì)方案。在推廣應(yīng)用中，該整地機(jī)作業(yè)質(zhì)量較好，碎土率達(dá)90%以上，其碎土率和破茬率都高于多次耕作機(jī)械；節(jié)省油耗，在同等作業(yè)面積上，節(jié)耗率達(dá)13.9%。并且，在配套上提供了系列配套機(jī)具，配套動力從130馬力以上均有配套型號生產(chǎn)，大大提高了該系列產(chǎn)品的適應(yīng)性。在不同工況下做到了一機(jī)多能、一次下地完成旋耕或起壟作業(yè)、一次作業(yè)達(dá)到待播狀態(tài)，滿足了農(nóng)藝要求，減少了機(jī)具對土壤的壓實(shí)度，減少了農(nóng)機(jī)投入，降低了作業(yè)成本。